杜春英, 宮麗娟**, 張志國, 趙慧穎, 吳 雙, 田寶星, 趙 放

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黑龍江省熱量資源變化及其對作物生產(chǎn)的影響*

杜春英1,2, 宮麗娟1,2**, 張志國1,2, 趙慧穎1,2, 吳 雙1,2, 田寶星1,2, 趙 放3

(1. 黑龍江省氣象科學(xué)研究所 哈爾濱 150030; 2. 中國氣象局東北地區(qū)生態(tài)氣象創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150030; 3. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院 銀川 750021)

氣候變暖背景下, 熱量資源變化勢必對寒地農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境、生長發(fā)育及種植制度產(chǎn)生重要影響。本文利用黑龍江省1971—2014年67個(gè)觀測站逐日氣象資料, 計(jì)算了≥10 ℃活動積溫和≥0 ℃活動積溫(以下簡稱積溫）及無霜期等農(nóng)業(yè)熱量指標(biāo), 采用線性傾向率、累計(jì)距平、M-K檢驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)方法等統(tǒng)計(jì)方法, 分析了熱量資源變化特征及突變特征, 以及對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可能影響。結(jié)果表明:≥10 ℃積溫和≥0 ℃積溫分別以86.7 ℃×d×(10a)-1和80.5 ℃×d×(10a)-1的速率顯著增加, 無霜期呈延長趨勢[傾向率為3.8 d?(10a)-1]; ≥10 ℃積溫和無霜期在1993年發(fā)生突變, 突變后二者初日提前, 終日延后?！?0 ℃積溫和≥0 ℃積溫的增加幅度西部大于東部, 無霜期延長幅度中西部大于東北部, 農(nóng)業(yè)熱量資源變化幅度大的地區(qū)亦是熱量敏感區(qū)域。熱量資源增加對農(nóng)業(yè)的影響, 表現(xiàn)在農(nóng)作物適宜生育期延長; 適宜水稻和玉米種植的區(qū)域向北、向西擴(kuò)張, 大豆種植重心北移; 原適宜種植極早熟、早熟品種的區(qū)域逐步被中熟、中晚熟品種替換。熱量增加使水稻、玉米和大豆三大作物產(chǎn)量的進(jìn)一步提高成為可能。

氣候變化; 積溫; 無霜期; 熱量資源; 作物種植帶; 作物生育期; 作物產(chǎn)量; 黑龍江

IPCC第5次評估報(bào)告[1]指出, 過去百年間(1880—2012年), 全球平均溫度已升高0.85 ℃(0.65~1.06 ℃); 1983—2012年間, 地表溫度的傾向率比1850年以來的任何時(shí)期都高, 與過去1 400年相比, 這可能是北半球氣溫最高的30年。研究表明, 中國的氣候變暖與全球變暖同步, 但平均增溫速率明顯高于同期的全球或北半球[2-4], 進(jìn)入20世紀(jì)90年代后東北地區(qū)增溫尤其顯著, 中國東北地區(qū)是全國氣溫升高幅度最明顯的地區(qū)之一[5-7]。氣候變化將改變農(nóng)業(yè)熱量資源, 這將對作物生產(chǎn)產(chǎn)生重要的影響, 尤其是改變農(nóng)作物品種結(jié)構(gòu)、生長發(fā)育及產(chǎn)量和種植制度等[8-11]。IPCC報(bào)告認(rèn)為, 氣候變暖可能有利于作物增產(chǎn), 尤其是中高緯度地區(qū)。在氣候比較涼爽的東北地區(qū), 水稻()和玉米()產(chǎn)量表現(xiàn)為增加的趨勢[12-13]; 一定程度的增溫利于大豆()增產(chǎn)[14], 李秀芬等[15]研究表明, 氣候變暖使位于我國最北端的黑龍江省玉米單產(chǎn)增加, 熱量資源的增加對其單產(chǎn)貢獻(xiàn)率達(dá)10%以上。對中國過去50年種植制度的研究表明, 熱量資源的變化使農(nóng)作物的種植界限發(fā)生變化, 雙季稻種植北界北移[16], 冬小麥潛在光溫適宜區(qū)界限北移西擴(kuò)[17]; 東北地區(qū)春玉米種植北界向北向西移動[18]。因此, 研究氣候變暖背景下熱量資源對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量形成以及種植制度的影響具有重要意義。

黑龍江省位于中國最北端, 在氣候變化的背景下, 變暖趨勢更為顯著[19]。近年來針對黑龍江省氣候資源有較多研究, 但主要針對全省范圍氣候資源或氣候資源對單一作物生產(chǎn)影響[13-15], 而對氣候資源尤其是熱量資源變化及其對黑龍江省三大作物(水稻、玉米、大豆)影響的研究較少。本研究利用黑龍江省67個(gè)氣象站1971—2014年的氣象觀測資料和對應(yīng)的產(chǎn)量資料, 對決定黑龍江省作物種植的主要熱量指標(biāo)(積溫和無霜期)的時(shí)空變化及其突變特征進(jìn)行分析, 并以突變點(diǎn)為分界點(diǎn), 比較突變前后熱量資源的變化, 以及熱量資源變化可能導(dǎo)致的三大作物種植帶和生長發(fā)育期、產(chǎn)量等的變化, 旨為黑龍江省進(jìn)一步合理調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料來源

本文所用氣象資料來源于黑龍江省氣象局整編資料, 1971—2014年83個(gè)基本氣象站的資料, 剔除資料不完整的臺站, 實(shí)際使用67個(gè)臺站的氣溫資料。由于黑龍江省部分站點(diǎn)是在20世紀(jì)70年代以后建立, 在計(jì)算積溫時(shí), 使用1971—2014年的資料, 70年代后對個(gè)別存在缺測的樣本進(jìn)行了線性內(nèi)插。三大作物(水稻、玉米、大豆)發(fā)育期資料為逐年發(fā)育期日期, 來自農(nóng)業(yè)氣象觀測站(水稻15個(gè), 玉米30個(gè), 大豆28個(gè)); 各縣(市)三大作物產(chǎn)量資料來自黑龍江省統(tǒng)計(jì)局, 包括各作物單產(chǎn)、總產(chǎn)和種植面積資料。

1.2 試驗(yàn)方法

采用5日滑動平均法[20]判定日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃和0 ℃日期, 初日和終日間的溫度累積為≥10 ℃和≥0 ℃積溫(℃?d)。從一年中穩(wěn)定通過10 ℃(或0 ℃)的溫度序列最長一段中, 選取第一個(gè)日期序列作為初日, 選取最后一個(gè)日期序列作為終日。春季地面最低溫度最后一次≤0 ℃的次日到秋季第一次地面最低溫度≤0 ℃的前一日之間的天數(shù)即為無霜期。

1.3 變化趨勢和突變分析

利用傾向率對≥10 ℃、≥0 ℃積溫和無霜期等進(jìn)行分析。利用最小二乘法擬合一元線性方程, 分析氣候數(shù)據(jù)的變化趨勢, 表達(dá)式如下:

=+(=1, 2, 3, …,) (1)

式中:、為回歸系數(shù), 把′10稱作該氣象要素的傾向率, 其單位為℃?d·(10a)-1或d·(10a)-1[20];為氣象要素;表示時(shí)間(a)。

采用累積距平曲線法、Mann-Kendall法(簡稱M-K法)進(jìn)行熱量的突變分析, 采用EOF(經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解)[21]分析熱量資源的空間敏感性。對線性變化趨勢的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn), 若通過≤0.05水平檢驗(yàn)時(shí)為顯著,≤0.01水平檢驗(yàn)時(shí)為極顯著, 否則為不顯著。M-K突變檢驗(yàn)中, 在正序列曲線超過臨界值信度線(=0.05顯著性水平臨界值)的前提下, 若正序列和反序列2個(gè)統(tǒng)計(jì)序列僅有一個(gè)交叉點(diǎn), 且位于信度線之間, 則表明該交叉點(diǎn)為突變點(diǎn), 且統(tǒng)計(jì)上顯著。

作物實(shí)際單產(chǎn)主要由趨勢產(chǎn)量、氣象產(chǎn)量和隨機(jī)誤差3部分組成, 即=t+w+, 其中為實(shí)際單產(chǎn)(kg·hm-2);t為趨勢產(chǎn)量(kg·hm-2), 主要由高產(chǎn)品種推廣使用、農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)進(jìn)步、化肥農(nóng)藥投入等的影響;w是氣象產(chǎn)量(kg·hm-2), 是受氣候變化影響的波動產(chǎn)量分量;是一些隨機(jī)因素影響的產(chǎn)量分量, 可以忽略[21]。采用滑動平均法得到趨勢產(chǎn)量, 從實(shí)際單產(chǎn)中扣除趨勢產(chǎn)量, 即為氣象產(chǎn)量。

1.4 主要作物熱量指標(biāo)

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[22-24], 并結(jié)合黑龍江實(shí)際, 以≥10 ℃積溫指標(biāo)分析氣候變化對作物種植帶的影響(表1)。根據(jù)突變點(diǎn)將各指標(biāo)分別劃分為前后兩個(gè)時(shí)段, 根據(jù)前后時(shí)段的變化分析農(nóng)業(yè)資源變化的影響。農(nóng)業(yè)上確定三大作物(水稻、玉米、大豆)能否種植至少保證80%以上年份有比較可靠收成, 本文所用指標(biāo)也采用80%保證率下的值。

表1 黑龍江省三大作物不同熟型≥10 ℃積溫指標(biāo)

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省農(nóng)業(yè)熱量資源的時(shí)間變化

從黑龍江省農(nóng)業(yè)熱量資源的時(shí)間變化趨勢來看(圖1), ≥10 ℃積溫、≥0 ℃積溫和無霜期的傾向率分別位86.7 ℃?d?(10a)-1、80.5 ℃?d?(10a)-1和3.8 d?(10a)-1, 3個(gè)農(nóng)業(yè)熱量指標(biāo)的傾向率均為正值, 即3個(gè)農(nóng)業(yè)熱量指標(biāo)均表示為增加(延長)趨勢, 且3個(gè)熱量指標(biāo)的增加趨勢均通過了=0.001的顯著性檢驗(yàn)。

≥10 ℃積溫、≥0 ℃積溫和無霜期的累積距平曲線在1971—1990年間呈現(xiàn)明顯下降趨勢, 之后則為上升趨勢, 即3個(gè)指標(biāo)的累積距平曲線均為先下降后上升, 拐點(diǎn)出現(xiàn)在1993年附近。利用M-K方法進(jìn)一步確認(rèn)突變點(diǎn), 圖中直線為=0.05顯著性水平臨界值。在信度范圍, ≥10 ℃積溫的兩統(tǒng)計(jì)量相交于1993年, 說明≥10 ℃積溫在1993年發(fā)生了突變, 具體表現(xiàn)為積溫的迅速增加?！? ℃積溫的兩統(tǒng)計(jì)量相交于1992年, 但是交點(diǎn)超出信度范圍, 沒有通過=0.05的顯著性檢驗(yàn)。無霜期的兩統(tǒng)計(jì)曲線在1991—1993年相交, 即在無霜期在1991—1993年間發(fā)生突變。綜合累積距平曲線和M-K檢驗(yàn), ≥10 ℃積溫和無霜期的突變點(diǎn)均在1993年, 突變后的 ≥10 ℃積溫平均比突變前提高了226.1 ℃?d, 無霜期平均延長了9.2 d。≥0 ℃積溫在1993年附近積溫出現(xiàn)了增加趨勢, 但是突變點(diǎn)不明顯, 為了與其他2個(gè)熱量指標(biāo)統(tǒng)一, 仍將1993年作為劃分其變化的時(shí)間點(diǎn), 1994—2014年≥0 ℃積溫比1971—1993年間平均增加了198.3 ℃?d。

圖1 黑龍江省1971—2014年農(nóng)業(yè)熱量資源的時(shí)間變化(左)及M-K檢驗(yàn)(右)

左圖中ME為氣象要素變化曲線, AA為氣象要素的累積距平, 方程為氣象要素變化趨勢。右圖中, UF為正序列, UB為反序列, LA為臨界值。In the left figures, ME curves show changes of meteorological elements, AA curves show accumulated anomaly of meteorological elements, equations denote the variation trends of meteorological elements. In the right figures, UF means normal sequence, UB means inverse sequence, and LA means critical value.

表2是黑龍江省不同界限溫度的初日、終日日序及無霜期的變化趨勢, 表中日數(shù)代表穩(wěn)定通過10 ℃或0 ℃的持續(xù)天數(shù)。從表中可以看出, ≥10 ℃初日和穩(wěn)定通過10 ℃日數(shù)變化明顯, 傾向率分別為-2.1 d?(10a)-1和3.1 d?(10a)-1, 且分別通過了=0.01的顯著性檢驗(yàn)?！? ℃終日和穩(wěn)定通過0 ℃日數(shù)變化明顯, 且通過了=0.01的顯著性檢驗(yàn), 其氣候傾向率分別為2.4 d?(10a)-1和3.6 d·(10a)-1。2011—2014年比1971—1980年初日平均提前6.1 d, 終日延后3.1 d, 持續(xù)日數(shù)增加9.2 d。無霜期初日顯著提前, 21世紀(jì)以來平均比20世紀(jì)70年代提前了13.0 d, 無霜期延長, 平均每10年延長3.8 d?！?0 ℃、≥0 ℃和無霜期初日變化趨勢均為負(fù)(提前), 終日為正(延后), 平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃或0 ℃日數(shù)與無霜期變化趨勢均為正, 在變化趨勢上, ≥10 ℃初日提前的天數(shù)比終日延后的天數(shù)多。

2.2 黑龍江省農(nóng)業(yè)熱量資源的空間變化

黑龍江省農(nóng)業(yè)熱量資源具有區(qū)域性特征(圖2), 具體來看, 研究期間≥10 ℃積溫的傾向率為-10.7~ 145.1 ℃?d?(10a)-1, 除大興安嶺西部外, 全省大部≥10 ℃積溫傾向率為正, 表明積溫呈增加趨勢。低值區(qū)[<90 ℃?d?(10a)-1]主要分布在黑龍江省的中東部, 高值區(qū)[≥90 ℃?d?(10a)-1]集中在黑河、松嫩平原、三江平原東北部和牡丹江中部。除漠河外, 其他站點(diǎn)均通過了=0.01及以上的顯著性檢驗(yàn)?！? ℃積溫的氣候傾向率在14.1~127.0 ℃?d?(10a)-1, 黑河、松嫩平原部分區(qū)域及牡丹江中部穆棱的傾向率≥90 ℃?d?(10a)-1, 其他大部區(qū)域的傾向率在90 ℃?d?(10a)-1以下, 與≥10 ℃積溫傾向率分布相同, 且大部站點(diǎn)通過了≤0.01的顯著性檢驗(yàn)。除漠河外, 全省大部區(qū)域的無霜期均有一致延長的趨勢, 而且中西大部區(qū)域的延長趨勢在3 d?(10a)-1以上, 以黑河中部、松嫩平原部分縣市、五營和牡丹江東部延長最明顯, 局部可達(dá)6 d?(10a)-1以上, 80.6%的站點(diǎn)通過了=0.05及以上的顯著性檢驗(yàn)。

表2 黑龍江省1971—2014年≥10 ℃、≥0 ℃和無霜期的初終日、持續(xù)日數(shù)的傾向率

*:通過=0.05水平的顯著性檢驗(yàn), **: 通過=0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。* indicates significance at= 0.05 level. ** indicates significance at= 0.01 level.

圖2 1971—2014年黑龍江省農(nóng)業(yè)熱量指標(biāo)傾向率的空間分布[a和b為≥10 ℃積溫和≥0 ℃積溫的傾向率, ℃?d?(10a)-1; c為無霜期的傾向率, d?(10a)-1]

2.3 黑龍江省農(nóng)業(yè)熱量資源的變率分布結(jié)構(gòu)

對積溫變量等進(jìn)行EOF分解, 通過顯著性檢驗(yàn)的前幾個(gè)特征向量能夠最大限度地表征黑龍江省該變量場的變率分布結(jié)構(gòu)[21]。圖3是黑龍江省≥10 ℃積溫、≥0 ℃積溫和無霜期第1特征向量場的空間分布?！?0 ℃積溫和≥0 ℃積溫的第1特征向量方差貢獻(xiàn)率分別高達(dá)76.3%和88.3%, 占絕對支配位置, 變率分布結(jié)構(gòu)明顯(圖3a, 3b), 主要表現(xiàn)在黑龍江省積溫為一致的增加或減少趨勢, 且二者空間結(jié)構(gòu)相似, 各地的變化情況表現(xiàn)為: 等值線在0.12以下的地區(qū)主要集中在以山地或丘陵為主的大興安嶺、黑河西部, 伊春, 三江平原中北部, 牡丹江西南部; 黑河中南部、西部松嫩平原、三江平原西南部載荷值在0.12以上, 載荷大區(qū)分布在松嫩平原南部, 說明這些地區(qū)積溫變率大, 亦是積溫變化的敏感區(qū); 不同的是, ≥10 ℃積溫在三江平原東北部載荷在0.12以上。由于≥10 ℃積溫和≥0 ℃積溫第1特征向量對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)均為正值, 所以二者的第1特征向量表示了該時(shí)段內(nèi)積溫增加的一致性。無霜期EOF展開后收斂速度沒有積溫快, 僅第1個(gè)特征向量的方差貢獻(xiàn)率超過10.0%, 達(dá)到45.6%, 所以無霜期第1特征向量場可以表征其主要變率分布結(jié)構(gòu)。從圖3c中可見, 除大興安嶺西部外, 全省大部區(qū)域無霜期為一致的減少或增加趨勢, 各地變率程度有所不同, 黑河中南部、松嫩平原大部、牡丹江東部和雞西西部等值線在-0.12以下, 其中孫吳、大慶北部、綏化中部、哈爾濱中部和牡丹江東部, 載荷值在-0.14以下。由于無霜期第1特征向量對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)均為負(fù)值, 表示了除大興安嶺西部外, 全省大部地區(qū)無霜期延長的一致性。

對比圖2, 熱量指標(biāo)空間變率的高載荷區(qū)與其傾向率的高值區(qū)域部分重疊, 中西部的≥10 ℃積溫空間變率≥0.12區(qū)域與其傾向率的高值區(qū)域, ≥0 ℃積溫和無霜期空間變率≥0.13區(qū)域與其傾向率的高值區(qū)重疊, 即在該區(qū)域熱量指標(biāo)增加趨勢明顯, 且屬于變化的敏感區(qū)域。

圖3 1971—2014年黑龍江省農(nóng)業(yè)熱量指標(biāo)EOF展開的第1特征向量場(a: ≥10 ℃積溫; b: ≥0 ℃積溫; c: 無霜期)

3 黑龍江省熱量資源變化的影響

熱量資源變化對黑龍江省三大作物(水稻、玉米和大豆)的生長發(fā)育、種植面積、品種熟型和產(chǎn)量等均有比較明顯的影響, 而且不同作物不同區(qū)域?qū)崃抠Y源變化的響應(yīng)特征不同。

3.1 對農(nóng)作物生育期的影響

黑龍江省積溫增加, 無霜期延長, 農(nóng)作物播種期提前、收獲期推后, 作物適宜生育期延長。相較于積溫突變前(1971—1993年), 1994—2014年全省水稻播種期平均提前10.1 d, 移栽期提前6.3 d, 全生育期延長了13.4 d, 除乳熟期和成熟期分別推后2.7 d和3.2 d外, 其他各生育期提前。黑龍江省玉米出苗期有提前趨勢[傾向率為0.7 d?(10a)-1], 乳熟期和成熟期有顯著推后的趨勢, 全生育期顯著延長2.3 d?(10a)-1。溫度升高加快了大豆生育進(jìn)程, 表現(xiàn)為除結(jié)莢和鼓粒期外, 其他生育期均提前, 全生育期呈縮短趨勢。對黑龍江省三大作物的生育期日數(shù)與≥10 ℃積溫、≥0 ℃積溫和無霜期進(jìn)行了一元線性回歸分析(表3)發(fā)現(xiàn), ≥10 ℃積溫每增加100 ℃?d, 水稻生育期日數(shù)增加2.4d, 玉米增加0.2 d, 而大豆生育期日數(shù)縮短0.7 d; ≥0 ℃積溫每增加100 ℃?d, 水稻生育期日數(shù)增加4.2 d, 玉米增加0.9 d, 大豆生育期縮短0.3 d; 無霜期每增加10 d, 水稻生育期日數(shù)增加4.5 d, 玉米增加1.1 d, 大豆縮短0.1 d?？梢? 一年內(nèi)積溫和無霜期對三大作物正常成熟具有重要的作用, 在一定范圍內(nèi), 積溫增加, 無霜期延長, 水稻和玉米成熟期延后, 生育期日數(shù)增加, 大豆成熟期提前, 生育期日數(shù)縮短。

表3 1971—2014年黑龍江省≥10 ℃積溫、≥0 ℃積溫和無霜期與作物生育期日數(shù)的回歸系數(shù)

*: 通過=0.05水平的顯著性檢驗(yàn), **: 通過=0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。* indicates significance at= 0.05 level. ** indicates significance at= 0.01 level.

3.2 對農(nóng)作物品種熟性布局的影響

本文以≥10 ℃積溫作為判定作物不同熟性品種的積溫標(biāo)準(zhǔn), 詳見表1, 分別繪制突變前后三大作物種植北界分布圖(圖4)。從圖中可以看出, 突變前(1971—1993年)黑龍江省大興安嶺、黑河、伊春、松嫩平原北部、三江平原北部及牡丹江北部等地適宜種植水稻極早熟至早熟品種; 突變后(1994—2014年)早熟品種種植北界線(2 200 ℃?d)則明顯北移, 最北到達(dá)黑河的西部, 北移約1.0°, 大興安嶺、黑河、伊春大部、綏化北部和牡丹江局部地區(qū)成為該熟型主要種植區(qū)。水稻中熟和中晚熟品種在積溫突變前適宜種植在松嫩平原南部、三江平原大部和牡丹江南部地區(qū), 突變后適宜種植區(qū)域顯著增多, 松嫩平原北部、三江平原和牡丹江大部地區(qū)連成一片, 都達(dá)到“中熟+中晚熟”的搭配標(biāo)準(zhǔn), 松嫩平原向北擴(kuò)伸了0.9°, 三江平原向東延伸了1.0°。積溫2 800(℃?d)是晚熟品種的種植積溫需求, 由于該品種對積溫要求較高, 1971—1993年在黑龍江省境內(nèi)幾乎不能種植該品種; 1994—2014年在松嫩平原南部、三江平原中部及牡丹江南部有零星積溫條件較好的地區(qū)可以種植。

圖5是玉米不同熟性品種種植北界的變化。從圖中可見, 1993年突變后各熟性品種種植北界北移。突變前早熟品種主要集中在松嫩平原北部、三江平原北部、牡丹江北部等區(qū)域, 突變后種植北界由德都-伊春-遜克北擴(kuò)至大興安嶺南部, 該熟型的適宜種植區(qū)域北移, 分布在黑河、伊春大部和綏化北部; 中熟品種的適宜種植區(qū)由突變前的松嫩平原南部、三江平原大部和牡丹江南部北移至松嫩平原北部、三江平原大部、牡丹江大部, 西部松嫩平原種植北界向北移約0.9°, 東部三江平原向西擴(kuò)0.8°; 晚熟品種由松嫩平原西南部局地北移至松嫩平原南部、三江平原中部和牡丹江南部, 種植區(qū)明顯擴(kuò)大, 西部種植北界北移0.5°。

圖6是黑龍江省大豆種植帶分布。從圖中可以看出, 早熟品種由突變前的黑河、伊春大部和綏化東北部區(qū)域北移縮小至大興安嶺東部; 而原突變前集中適宜種植早熟品種的黑河、伊春和綏化地區(qū)被中熟品種取代, 突變后中熟品種的種植北界北移至大興安嶺-黑河沿線; 突變前松嫩平原南部、三江平原、牡丹江地區(qū)以“晚熟+極晚熟”種植模式為主, 突變后晚熟品種種植帶北移縮小, 松嫩平原、三江平原和牡丹江大部地區(qū)適宜種植極晚熟品種, 且相比于突變前適宜種植面積大幅增加, 西部松嫩平原極晚熟品種的種植北界北移至48.5°N附近, 三江平原東擴(kuò)至129.4°E附近。

圖4 1971—1993年(a)和1994—2014年(b)黑龍江省不同熟型水稻品種種植帶分布

圖5 1971—1993年(a)和1994—2014年(b)黑龍江省不同熟型玉米品種種植帶分布

圖6 1971—1993年(a)和1994—2014年(b)黑龍江省不同熟型大豆品種種植帶分布

3.3 對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響

農(nóng)業(yè)熱量增加會導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和播種面積等方面的改變[12,25-26]。例如, 黑龍江省水稻單產(chǎn)變化范圍為1 245.0~7 361 kg·hm-2, 平均每年增加113.2 kg·hm-2, 21世紀(jì)初的14年明顯高于20世紀(jì)70年代; 近44年來玉米單產(chǎn)為2 138.0~6 146.0 kg·hm-2, 20世紀(jì)90年代中后期產(chǎn)量有所下降, 但2004年后又開始上升, 平均每年增加73.8 kg·hm-2; 大豆單產(chǎn)為901.8~2 308.8 kg·hm-2, 波動中呈增加趨勢, 平均每年增加21.2 kg·hm-2, 整體增幅不如水稻和玉米。

熱量資源是影響三大作物單產(chǎn)的關(guān)鍵因素, 不同作物對熱量的要求不同。采用線性逐步回歸方法分析研究區(qū)域農(nóng)作物產(chǎn)量與本文中的3個(gè)熱量因子及其距平關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)黑龍江省農(nóng)作物單產(chǎn)僅與≥0 ℃積溫或≥0 ℃距平具有顯著的相關(guān)關(guān)系。如表4所示, ≥0 ℃積溫每增加100 ℃, 水稻增產(chǎn)62.0 kg·hm-2, 平均每公頃增產(chǎn)5.3%; 玉米增產(chǎn)31.2 kg·hm-2, 平均每公頃增產(chǎn)3.0%; 大豆產(chǎn)量增加14.2 kg·hm-2, 平均每公頃增產(chǎn)近0.8%。除國家需求量增加、東北畜牧業(yè)發(fā)展、大量引入良種等關(guān)系外, 受氣候變暖、積溫帶北移、農(nóng)作物適宜種植區(qū)域北移東擴(kuò)(如3.2節(jié)所示)的影響, 水稻、玉米播種面積在波動中呈持續(xù)增加趨勢, 2014年水稻種植面積是1971年的25倍; 玉米播種面積增加了256.1%; 大豆播種重心北移, 播種面積雖在2009年后有所減少, 但整體呈增加趨勢, 44年間種植面積增加123.4%。近44年間黑龍江三大作物在單產(chǎn)增加和種植面積擴(kuò)大的基礎(chǔ)上, 總產(chǎn)量大幅度提高。

表4 1971—1993年黑龍江省農(nóng)作物產(chǎn)量及≥0 ℃積溫對增產(chǎn)的貢獻(xiàn)

4 討論與結(jié)論

氣候變化背景下1971—2014年黑龍江省熱量資源變化明顯。≥10 ℃積溫和≥0 ℃積溫增加, 無霜期延長, 1993年是該區(qū)域熱量變化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn), ≥10 ℃積溫突變后的平均值比突變前提高226.1 ℃?d, 無霜期延長9.2 d。日平均氣溫穩(wěn)定通過10 ℃或0 ℃初日提前, 終日延后?？臻g變化上表現(xiàn)為除大興安嶺地區(qū)外的大部農(nóng)區(qū)≥10 ℃積溫、≥0 ℃積溫和無霜期的傾向率均為正, 即大部地區(qū)積溫增加, 無霜期延長, 同時(shí)黑河、松嫩平原、三江平原和牡丹江等區(qū)域既是熱量資源增加明顯的區(qū)域, 又是熱量變化敏感區(qū)域。熱量資源增加, 水稻和玉米可以提前滿足積溫需求, 從而導(dǎo)致物候期提前, 成熟期推后, 生育期日數(shù)延長。大豆?fàn)I養(yǎng)生長縮短, 成熟期相應(yīng)提前。熱量資源的增加, 使水稻和玉米兩種喜溫作物的種植面積擴(kuò)大, 全省除山區(qū)和部分丘陵外均有水稻、玉米的種植, 對熱量要求較高的晚熟品種種植北界向北、向西推移; 大豆的種植范圍重心逐漸北移。

在氣候變化的背景下, 黑龍江省氣候變暖已成為不爭的事實(shí), 但是氣候變暖也可能引發(fā)極端性天氣氣候事件, 干旱、洪澇、高溫和低溫冷害等農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的發(fā)生頻率增大[16], 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)將提高[27-29], 糧食生產(chǎn)的不確定性依然存在。盡管氣候變暖在一定程度上對糧食產(chǎn)量的提高有促進(jìn)作用, 高緯度地區(qū)越往北其產(chǎn)量變化越大, 且增產(chǎn)效果越明顯[12]。但是氣候變暖縮短了玉米、水稻、大豆生長周期, 且灌漿速率加快, 光合作用時(shí)間減少, 隨著CO2升高, 作物光合速率和蒸騰速率上升, 呼吸作用和氣孔導(dǎo)度下降, 產(chǎn)量有所提高, 品質(zhì)將會降低[30-31], 高緯度地區(qū)作物生物量的成熟度和品質(zhì)更難保證。因此, 氣候變暖對糧食產(chǎn)量、品質(zhì)的影響機(jī)制及生理過程還有待進(jìn)一步深入分析。

氣候變暖給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來了很大的可能, 但是能否達(dá)到人們最大的期望, 亦存在極大的不確定性。表面上看熱量資源增加使得作物生長季延長, 對三大作物產(chǎn)量形成、品種熟型更換產(chǎn)生了正面影響, 理論上松嫩平原和三江平原適宜“晚熟+極晚熟”的種植模式。同時(shí), 黑河、松嫩平原和三江平原可由氣候突變前的種植“早熟+中熟”品種替換為“晚熟+極晚熟”品種。但是熱量資源的有效利用率也存在未知, 對作物生長而言, 氣候變暖主要表現(xiàn)春季(作物播種期)與秋季(作物成熟期)熱量增加, 而夏季(作物生長關(guān)鍵期)熱量增加不明顯[5,7], 也就是說氣候變暖熱量增加的季節(jié)分配與作物各個(gè)生長期對熱量的需求產(chǎn)生了錯位。因此, 在調(diào)整黑龍江省農(nóng)作物布局時(shí), 不僅應(yīng)充分考慮農(nóng)業(yè)熱量資源增加帶來優(yōu)勢, 而且兼顧水分和日照的重要作用以及光、溫、水農(nóng)業(yè)氣候資源的配置, 甚至仍需與經(jīng)濟(jì)效益、社會效益等諸多因素結(jié)合考慮[16], 才能確保糧食生產(chǎn)安全。

本文重點(diǎn)分析了氣候變暖對寒地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可能影響, 僅僅考慮了熱量資源的限制, 而沒有考慮水分資源及其他氣象因子的限制, 同時(shí)未能考慮品種熟性及搭配、經(jīng)濟(jì)社會、政策等諸多因素的影響, 結(jié)論也缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。雖然為黑龍江省農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化提供了前提和參考依據(jù), 但氣候變暖帶來的種植制度的可能變化能否成為現(xiàn)實(shí), 還需要更精細(xì)的數(shù)據(jù)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)驗(yàn)證以及進(jìn)一步的深入研究。

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Characteristics and effects on crop production of heat resources changes in Heilongjiang Province*

DU Chunying1,2, GONG Lijuan1,2**, ZHANG Zhiguo1,2, ZHAO Huiying1,2, WU Shuang1,2, TIAN Baoxing1,2, ZHAO Fang3

(1. Heilongjiang Province Institute of Meteorological Science, Harbin 150030, China; 2. Innovation and Opening Laboratory of Regional Eco-Meteorology in Northeast, China Meteorological Administration, Harbin 150030, China; 3. School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Under the global warming background, heat resources variation has significant impact on production environment, growth and development, cropping system and cultivation zone of corps in the clod region. To explore variations in cultivation zones, growing seasons and yields of major crops (rice, maize and soybean) under climate change of Heilongjiang Province, China, we analyzed the characteristics of tempo-spatial changes and abrupt changes by using accumulated anomaly method, Mann-Kendall trends test and Empirical Orthogonal Function (EOF) of heat resources indices, including accumulated temperature above 10 ℃ and 0 ℃ and frost-free periods in 67 meteorological stations from 1971 to 2014 in Heilongjiang Province. We also calculated regression coefficients between heat resources indices and development stages of crops to investigate the influence of heat resources change on crop development. The differences in crop cultivate zones and yields between before and after abrupt change year were also discussed according to accumulated temperature above 10 ℃ and actual and meteorological yields. The results showed that the accumulated temperatures above 10 ℃ and 0 ℃ increased significantly at rates of 86.7 ℃?d?(10a)-1and 80.5 ℃?d?(10a)-1, respectively, from 1971 to 2014. The annual frost-free period increased at a rate of 3.8d?(10a)-1. There were abrupt changes in the accumulated temperatures above 10 ℃ and the annual average frost-free period in 1993. The accumulated temperature above 10 ℃ increased 226.1 ℃?d averagely, and the frost-free period prolonged 9.2 d averagely after the abrupt change year. The abrupt change promoted the initial dates and postponed the ending dates of the temperatures above 10 ℃, 0 ℃ and the frost-free period. From 1971 to 2014, the increasing rates of accumulated temperatures above 10 ℃ and 0 ℃ were greater in the west than in the east. The annual frost-free period was longer in mid-west than in northeast. The area with greater change of heat resource was also sensitive area of agricultural heat resources change. With the increase of heat resources, the suitable growth period of crops prolonged. The planting areas of rice, maize northward and westward expended. The center of soybean cultivation area northward moved. The planting areas with original especial-early-maturing and early-maturing crops varieties became the areas suitable for middle-maturing and middle-late-maturing varieties of crops. In general, the increased heat resources provided more yield increasing potential of rice, maize and soybean in Heilongjiang Province.

Climate change; Accumulated temperature; Frost-free period; Heat resources; Crop cultivation zone; Crop growth season; Grain yield; Heilongjiang Province

, E-mail: footprint05@126.com

Jul. 24, 2017;

Oct. 8, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170621

P467

A

1671-3990(2018)02-0242-11

宮麗娟, 主要研究方向?yàn)闅夂蜃兓瘜r(nóng)業(yè)生態(tài)影響及評價(jià)。E-mail: footprint05@126.com 杜春英, 主要研究方向?yàn)閼?yīng)用氣象。E-mail:duchunying880@sohu.com

2017-07-24

2017-10-08

* This study was financially supported by the Scientific Research Project of Heilongjiang Meteorological Bureau (HQ2016014, HQZD2017006), the Climate Change Special Fund of China Meteorological Administration (CCSF201606), and the Development of Core Business Fund of China Meteorological Administration (CMAHX20160205).

* 黑龍江省氣象局科研項(xiàng)目(HQ2016014, HQZD2017006)、中國氣象局氣候變化專項(xiàng)(CCSF201606)和中國氣象局核心業(yè)務(wù)發(fā)展專項(xiàng) (CMAHX20160205)資助