1961-2019年松嫩平原鹽堿地區(qū)域水稻生長季氣候資源的時空變化特征分析

姜樹坤 王立志 楊賢莉 張喜娟劉凱 遲力勇 李銳 來永才

（1國家耐鹽堿水稻技術(shù)創(chuàng)新中心東北分中心，150086，黑龍江哈爾濱；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院耕作栽培研究所/黑龍江省寒地作物生理生態(tài)重點實驗室/黑龍江省農(nóng)作物低溫冷害工程技術(shù)研究中心，150086，黑龍江哈爾濱）

松嫩平原是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，但其西部區(qū)域存在大面積的鹽堿化土壤，種稻是改良這些鹽堿地的重要技術(shù)手段[1]。據(jù)統(tǒng)計[2]，松嫩平原還有開發(fā)41.33萬hm2（620萬畝）鹽堿地水稻面積的潛力，充分開發(fā)利用這一區(qū)域，對于進一步保障國家糧食安全具有重要的潛在戰(zhàn)略價值。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個對自然條件，尤其是氣候條件依賴程度很強的過程，氣候資源變化必然對其產(chǎn)生重大影響。近年來，全球氣候變化給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活帶來了巨大影響。目前，對全國及東北三省的溫度[3]、降水[4]、熱量[5]及其他氣候要素變化規(guī)律[6]等相關(guān)領(lǐng)域已進行很多研究，但針對松嫩平原鹽堿地區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣候資源變化方面的研究鮮有報道。為此，本研究基于1961-2019年松嫩平原鹽堿地區(qū)域13個氣象站（吉林省7個，黑龍江省6個）的地面逐日觀測資料，分析了該區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的變化趨勢和特征，為松嫩平原鹽堿地種稻改良研究和決策制定提供參考依據(jù)。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)域

松嫩平原鹽堿化地區(qū)是世界三大片蘇打鹽堿土集中分布的區(qū)域之一，主要分布在松嫩平原的中西部，面積約300萬hm2，被嫩江和松花江分割成南北兩大區(qū)，包括以吉林省鎮(zhèn)賚、大安、乾安、前郭、長嶺和通榆等縣市為集中的南部區(qū)域和以黑龍江省泰來、杜蒙、大慶、安達、肇源、肇東、蘭西和林甸等市縣為集中的北部區(qū)域。該區(qū)域地勢平坦，光照充足，土壤有機質(zhì)豐富，水熱資源優(yōu)越，只是土壤鹽堿化，有害鹽分主要以碳酸鈉和碳酸氫鈉為主，pH多在8.5～10.5，現(xiàn)階段該區(qū)域的主要農(nóng)作物是玉米和水稻。

1.2 研究資料

本研究所用氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）的地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0），包括研究區(qū)1961-2019年13個氣象站的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)和日蒸發(fā)量等逐日氣象資料。

1.3 研究方法

1.3.1 溫度生長期的確定 松嫩平原水稻生產(chǎn)以優(yōu)質(zhì)粳稻為主，在移栽插秧為主的水稻生產(chǎn)中，粳稻秧苗移栽后返青的下限溫度可達10℃，而粳稻灌漿順利完成的下限溫度也可達10℃[7]。因此，本文將日均氣溫穩(wěn)定通過10℃界限溫度的持續(xù)日數(shù)定義為水稻的溫度生長期（潛在生長季）。

1.3.2 數(shù)據(jù)分析 本文采用5日滑動平均法計算穩(wěn)定通過界限溫度的起止日期[8]。在此基礎上計算水稻溫度生長期內(nèi)的平均溫度、日較差、活動積溫、日照時數(shù)和降水量等農(nóng)業(yè)氣候資源評價指標。東北地區(qū)是我國氣候變暖最顯著的地區(qū)之一，溫度升高主要發(fā)生在20世紀80年代中后期[9-11]。為了更好地反映松嫩平原鹽堿地區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣候資源時空分布變化，本研究以1990年為界，重點分析了1961-1990年（第Ⅰ階段）和1991-2019年（第Ⅱ階段）2個時間段的平均狀況及氣候傾向率的變化特征。

1.3.3 氣候傾向率 采用最小二乘法分析氣候要素變化趨勢，計算氣候要素（x）與時間（t）的線性回歸系數(shù)a，氣候要素變化采用一次線性方程x=at+b（t=1，2，3，…，n）表示，以回歸系數(shù)的10倍作為氣候傾向率[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 松嫩平原鹽堿地區(qū)域的熱量資源變化特征

2.1.1 年均氣溫、最冷月和最熱月平均氣溫的變化

松嫩平原鹽堿地區(qū)域的年均氣溫呈現(xiàn)出由南至北的帶狀遞減分布，而且2個時間段表現(xiàn)出溫度升高趨勢。第Ⅰ階段本區(qū)域的年均氣溫為2.3℃～5.3℃（均值為4.1℃）；第Ⅱ階段的年均氣溫升高到3.6℃～6.6℃（均值為5.2℃），第Ⅱ階段的年均氣溫比第Ⅰ階段提升了1.1℃（表1）。5℃等值線向北推移了約2.2°。本區(qū)域近60年的年均氣溫氣候傾向率分布在0.23℃/10a～0.41℃/10a，升溫最明顯的區(qū)域分別是黑龍江富?？h和吉林乾安縣。受全球氣候變暖影響，松嫩平原鹽堿地區(qū)域最冷月（1月）平均氣溫明顯升高，從第Ⅰ階段的-21.3℃～-16.1℃（均值-18.4℃）升高到第Ⅱ階段的-19.3℃～-15.1℃（均值-17.0℃）（表1），第Ⅱ階段比第Ⅰ階段平均溫度升高了1.4℃，-17℃等值線北移了約1.5°。本區(qū)域近60年的最冷月平均溫度氣候傾向率分布在0.08℃/10a～0.55℃/10a，黑龍江省大部分區(qū)域升溫最明顯，升溫最高的區(qū)域是富裕縣。與此類似，松嫩平原鹽堿地區(qū)最熱月（7月）平均氣溫也表現(xiàn)出升高趨勢。第Ⅰ階段本區(qū)域的平均氣溫為22.0℃～23.7℃（均值為23.0℃）；第Ⅱ階段的平均氣溫為22.8℃～24.5℃（均值為23.7℃），第Ⅱ階段的平均氣溫比第Ⅰ階段提升了0.7℃（表1）。21℃等值線從吉林通榆縣北移到了黑龍江龍江縣，北移了約2.5°。升溫區(qū)域集中在吉林扶余、乾安一帶以及黑龍江富?？h。

表1 松嫩平原鹽堿地區(qū)年均氣溫、最冷月平均氣溫和最熱月平均氣溫的變化Table 1 Change of annual mean temperature,mean temperature in the coldest month and mean temperature in the hottest month in saline-alkaline area of Songnen Plain

2.1.2 生長季內(nèi)活動積溫和日較差的變化 ≥10℃

活動積溫是衡量一個地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源的重要參數(shù)，也是農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃的關(guān)鍵指標之一。本區(qū)域水稻生長季≥10℃活動積溫的分布與變化規(guī)律與年均溫變化規(guī)律相似，也表現(xiàn)出南高北低的緯向帶狀分布。第Ⅰ階段本區(qū)域的活動積溫為2585.7℃·d～3025.7℃·d（均值為 2843.5℃·d）；第Ⅱ階段本區(qū)域的活動積溫升高到 2849.2℃·d～3256.8℃·d（均值為3092.2℃·d），第Ⅱ階段活動積溫比第Ⅰ階段平均提升了248.7℃·d（表2）。本區(qū)域近60年的年均溫氣候傾向率分布在 60.98℃·d/10a～78.78℃·d/10a，≥10℃活動積溫3000℃·d等值線從吉林通榆縣北移到了黑龍江龍江縣和林甸縣一帶，北移了約2.6°。升溫區(qū)域集中在吉林的扶余和乾安一帶以及黑龍江富裕縣。

表2 松嫩平原鹽堿地區(qū)生長季內(nèi)≥10℃的活動積溫和日較差變化Table 2 Change of≥10℃accumulated temperature and day and night temperature difference in saline-alkaline area of Songnen Plain

晝夜溫差是影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的重要氣象指標，尤其是對稻米品質(zhì)影響更大。受全球氣候變暖的影響，本區(qū)域晝夜溫差呈明顯減少趨勢。第Ⅰ階段本區(qū)域的晝夜溫差為11.1℃～12.6℃（均值為11.7℃）；第Ⅱ階段晝夜溫差降低到10.5℃～12.2℃（均值為11.1℃），第Ⅱ階段晝夜溫差比第Ⅰ階段降低了0.6℃（表2）。晝夜溫差11℃等值線從吉林前郭縣擴大到了整個區(qū)域的中部。

2.2 松嫩平原鹽堿地區(qū)域的日照資源和降水資源變化特征

2.2.1 年日照時數(shù)和生長季內(nèi)日照時數(shù)的變化 研究區(qū)域年日照時數(shù)總體呈由西向東遞減的分布特征。第Ⅰ階段本區(qū)域的年日照時數(shù)為2727.3～3002.9h（均值為2856.0h），第Ⅱ階段的年日照時數(shù)降低到2345.6～2890.1h（均值為2672.0h），第Ⅱ階段的年日照時數(shù)比第Ⅰ階段的降低了184.0h（表3）。年日照時數(shù)的高值區(qū)域集中在黑龍江泰來縣至吉林白城市一帶，年日照時數(shù)減少明顯的區(qū)域集中在研究區(qū)域的東南部，黑龍江肇州縣和龍江縣年日照時數(shù)減少較輕。與年日照時數(shù)不同，水稻生長季內(nèi)日照時數(shù)減少較弱。第Ⅰ階段本區(qū)域的生長季內(nèi)日照時數(shù)為 1164.6～1376.2h（均值為1288.5h）；第Ⅱ階段的生長季內(nèi)日照時數(shù)為1118.7～1377.4h（均值為1271.1h）；第Ⅱ階段的生長季內(nèi)日照時數(shù)僅比第Ⅰ階段降低了17.4h（表3）。生長季內(nèi)日照時數(shù)的高值區(qū)域集中在松花江南部的吉林省部分地區(qū)，生長季內(nèi)日照時數(shù)減少明顯的區(qū)域集中在研究區(qū)域的西南部和東北部，黑龍江肇州縣和龍江縣的生長季內(nèi)日照時數(shù)略有增加。

表3 松嫩平原鹽堿地區(qū)年日照時數(shù)和生長季內(nèi)日照時數(shù)的變化Table 3 Change of annual sunshine hours and sunshine hours in growth season in saline-alkaline area of Songnen Plain h

2.2.2 年降水量和生長季內(nèi)降水量的變化 降水是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。第Ⅰ階段本區(qū)域的年降水量為385.2～509.3mm，第Ⅱ階段的年降水量為357.4～521.2mm（表4）。第Ⅱ階段的降水量呈現(xiàn)少量增加的趨勢。本區(qū)域近60年的年降水量氣候傾向率分布在-10～20mm/10a。以松花江為界，吉林省部分地區(qū)的降水量減少，黑龍江省部分地區(qū)的降水量略有增加。水稻生長季內(nèi)降水量整體上呈增加趨勢，降水量增加的區(qū)域集中在黑龍江部分地區(qū)。第Ⅰ階段本區(qū)域的降水量為332.9～428.7mm，第Ⅱ階段的降水量為 315.9～432.9mm（表4）。本區(qū)域近60年的生長季內(nèi)降水量氣候傾向率分布在-8.8～15mm/10a。以松花江為界，吉林省部分地區(qū)的降水量減少，黑龍江省部分地區(qū)的降水量增加。

表4 松嫩平原鹽堿地區(qū)年降水量和生長季內(nèi)降水量的變化Table 4 Change of annual precipitation and precipitation in growth season in saline-alkaline area of Songnen Plain mm

3 討論

在全球氣候變暖，尤其是冬季和夜間升溫的背景下，1961-2019年松嫩平原鹽堿地區(qū)活動積溫和年均氣溫等熱量資源增加，日照時數(shù)減少，降水量略微增加。水稻生產(chǎn)系統(tǒng)是響應氣候變化最敏感的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)之一[13]，該區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候資源的整體變化特征表現(xiàn)為暖濕趨勢，這必然會對該區(qū)域的鹽堿地水稻生產(chǎn)產(chǎn)生一定影響。松嫩平原位于東北平原中北部，由于緯度較高，熱量資源始終是限制這一地區(qū)水稻發(fā)展的關(guān)鍵因素。熱量資源的增加對緯度相對較高的松嫩平原北部益處明顯，不僅可以延長水稻生長期，還可以保障水稻灌漿期間的熱量條件，使得該區(qū)域可以種植更加晚熟的優(yōu)質(zhì)水稻品種。與1961-1990年相比，1991-2019年的≥10℃活動積溫超過3000℃·d的區(qū)域從吉林通榆縣周邊北移到了黑龍江龍江縣、林甸縣一帶，北移了約2.6°；超過3000℃·d的區(qū)域面積從原來的不到10%增加到了80%以上。

氣候變暖為該區(qū)域耐鹽堿水稻的開發(fā)提供了熱量資源保障，主要表現(xiàn)為生育期的延長和產(chǎn)量的增加。根據(jù)中國水稻信息網(wǎng)的審定品種數(shù)據(jù)（https://www.ricedata.cn/variety），1990年以來，松嫩平原鹽堿地區(qū)可種植的審定水稻品種的生育期平均延長了7～9d，這一趨勢與侯雯嘉等[14]的報道一致。隨著熱量資源的增加，這一區(qū)域改良種稻的主要限制因素由熱量資源轉(zhuǎn)變?yōu)辂}堿土。此外，熱量資源的變化還引起了水稻病害發(fā)生變化，比如過去主要發(fā)生在南方稻區(qū)和遼寧稻區(qū)的稻曲病，在松嫩平原的發(fā)生頻率和發(fā)生面積都不斷攀升[15-16]。

松嫩平原鹽堿地區(qū)域?qū)儆诘湫偷膬?nèi)陸鹽堿地，鹽堿的變化基本上可以分為春季爆發(fā)積鹽期（4-6月）、夏季淋溶脫鹽期（7-9月）、秋季短暫積鹽期（10-11月）和冬季隱蔽積鹽期（12-次年3月）[17]?？梢钥闯?，夏季降水對本區(qū)域的鹽堿變化有重要影響，1961-2019年生長季降水量基本都集中在夏季，主要表現(xiàn)為以松花江為界，黑龍江部分地區(qū)降水增加，吉林部分地區(qū)降水減少。這種降水特點將導致黑龍江部分地區(qū)的鹽堿化發(fā)展趨勢低于吉林部分地區(qū)，這與張樹文等[18]的鹽堿重心從大慶轉(zhuǎn)移至大安的報道一致。

除了氣候變暖以外，生長季內(nèi)的日照時數(shù)和降水量等關(guān)鍵氣候指標也有變化，主要表現(xiàn)為生長季內(nèi)日照時數(shù)略有減少、降水量略有增加，整體上有利于水稻生長。晝夜溫差縮小是該區(qū)域未來將要面對的主要氣候不利因素，晝夜溫差減少將導致水稻干物質(zhì)積累速率降低，灌漿速率減緩。松嫩平原鹽堿地區(qū)域氣候變暖不僅使水稻生產(chǎn)所需的活動積溫增加，還可能引起風速、相對濕度和水汽壓等其他與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的氣象因素的變化，氣溫升高可能造成局部地區(qū)干旱，很有可能加劇這一區(qū)域的鹽堿化程度。氣候變暖也可能引發(fā)極端性天氣，如強降雨和臺風的北上登陸，2020年8月下旬至9月上旬，東北地區(qū)連續(xù)遭受第8號臺風“巴威”、第9號臺風“美莎克”和第10號臺風“海神”的連續(xù)登陸，為有氣象記錄以來首次強風雨天氣及災害疊加效應給松嫩平原地區(qū)造成嚴重的影響，導致水稻大幅度減產(chǎn)[19-20]。因此，松嫩平原水稻生產(chǎn)在應對氣候變化的策略上，要努力做到趨利避害。品種選育上應選擇多抗和適當晚熟品種，以利于充分利用熱量資源，抵御不利的氣象條件。同時，通過調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理措施來提高水稻生產(chǎn)系統(tǒng)的適應能力，實現(xiàn)水稻單產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定增長。

4 結(jié)論

1961-2019年，松嫩平原鹽堿地區(qū)域的農(nóng)業(yè)氣候資源整體表現(xiàn)為暖濕趨勢。與第Ⅰ階段相比，第Ⅱ階段熱量資源顯著增加，年均氣溫升高了1.1℃，5℃等值線向北推移了約2.2°。最冷月和最熱月的平均氣溫分別增加了1.4℃和0.7℃。水稻生長季內(nèi)≥10℃的活動積溫增加了248.7℃·d，活動積溫3000℃·d等值線北移了約2.6°，晝夜溫差降低了0.6℃。年日照時數(shù)和生長季內(nèi)日照時數(shù)分別降低了184.0和17.4h。以松花江為界，吉林省部分地區(qū)的降水量減少，黑龍江省部分地區(qū)的降水量略增加。