黑龙江省热量资源变化特征及对水稻不同发育期生长的影响

孙彦坤　李浩然　兰倩　王振华　 安兴业　赵慧颖

摘要：【目的】明确黑龙江省热量资源变化特征及对水稻不同发育期生长的影响，为理解和评价气候变化对水稻生产的影响提供科学依据。【方法】利用黑龙江省28个农业气象站点1974—2016年≥10 ℃积温、逐日最高气温、逐日最低气温及水稻发育期和产量数据，运用线性倾向估计法、相关性分析法等对黑龙江省水稻不同发育期的热量资源时空变化及其对水稻生长和产量的响应进行分析。【结果】水稻生育期内≥10 ℃积温、逐日最高气温、逐日最低气温等热量资源呈增加趋势，空间上从北到南、由东向西逐渐增加；水稻整个生育期长度逐渐延长，但营养生长和生殖生长并进期略有缩短；生殖生长期持续天数与生殖生长期≥10 ℃积温、营养生长和生殖生长并进期持续天数与营养生长和生殖生长并进期≥10 ℃积温、营养生长期持续天数与营养生长期最高气温和营养生长期最低气温、气象产量与营养生长和生殖生长并进期≥10 ℃积温和营养生长期最低气温，呈极显著相关（P<0.01），相关系数分别为-0.719、0.712、-0.606、-0.501、0.537和0.554。营养生长期持续天数与营养生长期≥10 ℃积温，气象产量与营养生长期最低气温、生殖生长期最高气温和营养生长期最高气温呈显著正相关（P<0.05），相关系数分别为0.337、0.318、0.374和0.349。【结论】1974—2016年黑龙江省热量资源呈增加趋势，对水稻生长有利，导致水稻产量增加。

关键词： 热量资源；水稻；发育期；产量；黑龙江省

中图分类号： S162.5 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）09-1794-10

0 引言

【研究意义】政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告指出，1880～2012年全球平均温度已升高0.85 ℃（0.65～1.06 ℃），在过去30年中，每10年温度增加速率均高于1850年以来的任何时期，21世纪中期全球气温将继续升高（侯伟等，2017）。在这种背景下，我国气温自20世纪80年代以来也呈上升趋势，近50年全国平均气温上升了1.1 ℃（丁一汇等，2006），其中黑龙江省气温上升幅度高于全国平均水平，近58年升高了1.9 ℃（李彩侠等，2014）。气候变暖导致热量资源发生变化，从而影响作物生长（丁从慧等，2017）。我国是世界上最大的水稻生产国，而黑龙江省的水稻种植面积和总产量均居全国之首（周明旭，2014），是我国水稻主产区之一。水稻是一种喜温且对温度敏感的作物（王永興和严火其，2014），其生长发育期和产量均受温度的影响，处于不同发育期的水稻，对热量资源变化的响应不同。因此，研究水稻不同发育期内的热量资源变化特征及对水稻产量和不同发育期长度的影响，对理解和评价气候变化对水稻生产的影响和我国的粮食安全具有重要的理论指导和实践意义。【前人研究进展】近年来，国内外学者对热量资源变化特征及对水稻生长的影响研究取得了较多成果。在热量资源变化特征方面，胡琦等（2014）在全国尺度上运用空间插值等方法研究了热量资源的变化规律，结果表明全国热量资源呈增加趋势，最低气温变化最明显；谢远玉等（2016）在双季稻种植区尺度上运用气候倾向率和M-K突变检验等方法研究长江中下游双季稻区的热量资源分布特征，结果表明热量资源增加使双季稻区北移；高燕军等（2017）在山东省尺度上运用GIS技术和小波分析法研究了近50年来的热量资源变化特征，结果表明在时间上各要素均表现出显著增长的趋势，具有周期性，在空间上各要素均呈现出西南高、东北低的趋势。在水稻生长对热量资源的响应方面，Welch等（2010）运用多元回归模型分析了227个水稻种植农场的数据，结果表明较高的逐日最低温度降低了水稻产量，较高的最高温度使水稻增产，最低温度升高带来的损失大于最高气温带来的收益；董京铭等（2017）研究了连云港市气象因子对水稻生长的影响，结果表明水稻营养生长阶段的温差和生殖生长阶段的最高气温、温差、日照时长对水稻产量的影响最大；侯伟等（2017）研究了海南省气候变化对水稻生育期和产量的影响，结果表明水稻各生育期内气温总体升高，导致水稻营养期长度增加，生殖期长度减少。【本研究切入点】前人的研究多侧重于我国南方籼稻对热量资源的响应，对黑龙江省粳稻产量和不同发育期对热量资源的响应研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】选取黑龙江省28个农业气象站点的逐日平均气温、最低气温、最高气温及水稻发育期和产量数据，运用ArcGIS 10.0等分析黑龙江省水稻不同发育期内的热量资源时空变化特征及水稻产量和不同发育期长度的变化，并利用SPSS 17.0分析热量资源与水稻发育期长度和产量的相关性，以期为理解和评价气候变化对水稻生产的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

黑龙江省（东经122°31′～134°00′、北纬44°05′～52°58′）是我国纬度最高的省份，属于温带大陆性气候，雨热同季，全省年平均温度-4～5 ℃，无霜期100～160 d，热量资源缺乏。2013年水稻种植面积达400万ha，是全国最大的粳稻生产省份之一。

1. 2 数据来源

数据来源于黑龙江省水稻种植区中均匀分布的28个农业气象站点。1974—2016年的逐日平均气温、最高气温、最低气温、水稻产量、水稻各发育期的时间数据来源于黑龙江省气象局气象数据中心。将水稻从移栽到分蘖视为营养生长阶段S1，持续时间为D1；将水稻从分蘖到抽穗视为营养生长和生殖生长并进阶段S2，持续时间为D2；将抽穗到成熟视为生殖生长阶段S3，持续时间为D3；水稻的整个发育期为S4，持续时间为D4；气象产量为C。运用Excel 2007进行数据初始化分析处理。

1. 3 研究方法

1. 3. 1 气象产量分离 粮食产量可分解为社会经济因素决定的趋势产量、气象因素决定的气象产量和偶然因素造成的随机产量，即y=yb+ym+d。其中，y为实际产量，yb为趋势产量，ym为气象产量，d为随机产量，d通常可忽略不计。本研究用滑动平均法计算yb，y已知，故可得出ym。

1. 3. 2 气候倾向率 利用最小二乘法计算热量资源随时间变化速率，可用y=at+b表示。其中，y为气象要素观测值；t为年份序列号；b为回归常数；a为回归系数，a为正值时热量资源呈上升趋势，a为负值时呈下降趋势。

1. 3. 3 空间插值法 运用Arcgis 10.0的反距离加权插值法进行空间分析。在地理学第一定律的基础上，基于相似相近原则，即两个物体离的越近差异性越小，其以样本点和插值点之间的距离进行加权平均，离插值点越近权重越大。

1. 3. 4 线性倾向估计法 利用线性倾向估计法计算热量资源随时间变化速率，即气候倾向率。公式为：y=at+b。式中，y为气象要素观测值；t为年份序列号；b为回归常数；a为回归系数，a为正值时热量资源呈上升趋势，a为负值时呈下降趋势。

1. 3. 5 相关性分析 运用SPSS 17.0进行相关性分析可得到两个或多个变量间的相关系数，相关系数的绝对值越大，说明相关性越大。

2 结果与分析

2. 1 热量资源时间变化特征分析结果

图1为黑龙江省水稻各发育期≥10 ℃积温的逐年变化曲线。1974年以来，黑龙江省水稻S1、S2、S3和S4期≥10 ℃积温的倾向率分别为15.20、24.60、10.32和47.91 ℃/10年，并通过了信度为P<0.01的显著性检验。表明≥10 ℃积温呈增加趋势，每10年分别增加15.20、24.60、10.32和47.91 ℃，其中S2期增加幅度最大，S1期次之，S3期增加幅度最小。

图2为黑龙江省水稻各发育期逐日最高气温的逐年变化曲线。1974年以来，黑龙江省水稻S1、S2、S3和S4期逐日最高气温的倾向率分别为0.40、0.38、0.28和0.22 ℃/10年，并通过了信度为P<0.01的显著性检验。表明最高气温呈增加趋势，每10年分别增加0.40、0.38、0.28和0.22 ℃，其中S1期最高气温增加幅度最大，S2期次之，S3期最高气温增加幅度最小。

图3为黑龙江省水稻各发育期逐日最低气温的逐年变化曲线。1974年以来，黑龙江省水稻S1、S2、S3和S4期最低气温的倾向率分别为0.01、0.08、0.14和0.02 ℃/10年，并通过了信度为P<0.01的显著性检验。表明最低气温呈增加趋势，每10年分别增加0.01、0.08、0.14和0.02 ℃，其中S3期最低氣温增加幅度最大，S2期次之，S1期最低气温增加幅度最小。

2. 2 热量资源空间变化特征分析结果

如图4所示，S1期≥10 ℃积温从黑龙江省北部向南部呈逐渐增加趋势，纬度减小1°，积温增加62.4 ℃；S2期≥10 ℃积温最高的区域在大庆南部、哈尔滨南部和齐齐哈尔西南部，低值区域出现在牡丹江南部，西部高于中部，中部高于南部和北部；S3期≥10 ℃积温最高的区域在齐齐哈尔西南部和佳木斯中部，低值区域出现在哈尔滨中部和牡丹江南部，≥10 ℃积温有从北到南、自东向西增加的趋势；S4期≥10 ℃积温最高的区域在齐齐哈尔西南部和绥化南部，低值区域出现在伊春南部和绥化北部，中部地区积温高于纬度较低的南部。

如图5所示，S2、S3和S4期逐日最高气温呈明显的从北向南增加趋势，纬度减小1°，逐日最高气温分别增加0.72、0.55和0.50 ℃，其中S2期最快。S1期的逐日最高气温从东北部向西南部呈逐渐增加趋势。S1期最高气温出现在齐齐哈尔西南部，最低温度出现在鸡西东部。

如图6所示，S1期的最低气温最高值区域出现在齐齐哈尔西南和大庆南部，最低温度值区域出现在齐齐哈尔西北部、伊春南部和绥化北部；S2期的最低气温由东北向西南呈增加趋势，其中温度最高的区域在大庆南部、哈尔滨南部和佳木斯中部，最低温度区域出现在齐齐哈尔西北部、伊春南部和绥化北部；S3期的最低气温由西北向东南呈增加趋势，其中温度最高的区域在哈尔滨南部和佳木斯中部，最低温度出现在齐齐哈尔西北部、伊春南部和绥化北部；S4期的逐日最低气温最高的区域在齐齐哈尔西南部、大庆南部、哈尔滨南部和佳木斯中部，最低温度区域出现在齐齐哈尔西北部、伊春南部和绥化北部。

2. 3 黑龙省水稻生长特征分析结果

2. 3. 1 水稻发育期长度变化特征分析 图7为黑龙江省水稻各发育期持续天数的逐年变化曲线。1974年以来，S2期的倾向率为0.85 d/10年，并通过了信度为P<0.01的显著性检验，表明S2期持续天数呈增加趋势，每10年增加0.85 d。S1期和S3期持续天数的倾向率分别为-0.31和-0.13 d/10年，表明S1期和S3期持续天数呈减少趋势，每10年分别减少0.31和0.13 d，S1持续天数减少的趋势大于S3。S4期持续天数的倾向率为0.31 d/10年，并通过信度为P<0.01的显著性检验，表明S4期持续天数呈增加趋势，每10年增加0.31 d。

2. 3. 2 水稻气象产量变化特征分析 图8为黑龙江省水稻实际产量、趋势产量和气象产量逐年变化曲线。1974年以来黑龙江省水稻实际产量的倾向率为1608 kg/10年，并通过了信度为P<0.01的显著性检验，表明黑龙江省水稻实际产量呈增加趋势，每10年增加1608 kg/ha。黑龙江省水稻趋势产量的倾向率为1558 kg/10年，并通过信度为P<0.01的显著性检验，表明黑龙江省水稻趋势产量呈增加趋势，每10年增加1558 kg/ha。黑龙江省水稻气象产量的倾向率为50 kg/10年，并通过信度为P<0.01的显著性检验，表明黑龙江省水稻气象产量呈增加趋势，每10年增加50 kg/ha。气象条件的变化趋势对粮食产量的增长起促进作用，水稻气象产量总体呈增加趋势，但阶段性波动明显，其中2002—2007年阶段性波动最明显。2002—2005年气象产量呈显著降低趋势，并出现最小值，造成水稻歉收。2006年出现显著增长趋势，2007年气象产量达最大值。

从图9可看出，黑龙江省水稻气象产量在空间上的分布存在一定规律。气象产量最高的区域出现在大庆南部和牡丹江南部；最低区域出现在绥化北部、齐齐哈尔西部、伊春南部和佳木斯，呈U形分布，整体从北到南，从西到东呈增加趋势。

2. 4 水稻各发育期热量资源与水稻产量和发育期持续时间的相关性分析结果

运用SPSS 17.0对水稻各发育期≥10 ℃积温、最低气温、最高气温、水稻产量及水稻各发育期持续时间的相关性进行分析，结果（表1）表明，D1与S1期最低气温和最高气温呈极显著负相关（P<0.01，下同），相关系数分别为-0.501和-0.606，与S1期≥10 ℃积温呈显著正相关（P<0.05，下同），相关系数为0.337；D2与S2期≥10 ℃积温呈极显著正相关，相关系数为0.712；D3与S3期≥10 ℃积温呈极显著负相关，相关系数为-0.719；C与S2期≥10 ℃积温、S1期最低气温呈极显著正相关，相关系数分别为0.537和0.554，与S3期最低气温、最高气温及S1期最高气温呈显著正相关，相关系数分别为0.318、0.374和0.349。

3 讨论

热量资源是影响作物生长的重要因素。许显花等（2017）分析了青海省东部黄河谷地的热量资源变化特征，结果表明≥10 ℃积温总体上呈增加趋势。张煦庭等（2017）利用ANUSPLIN插值法分析了我国温带地区不同界限温度下农业热量资源的时空变化特征，结果表明温带地区呈现热量资源增加的趋势。在气候变化背景下，在不同尺度的研究中，热量资源均呈增加趋势。本研究结果与大部分研究结果一致，但尺度有所差别。1974—2016年间黑龙江省水稻生育期内热量资源呈增加趋势，≥10 ℃积温S1、S2、S3和S4期每10年分别增加15.20、24.60、10.32和47.91 ℃，最高气温各发育期每10年分别增加0.40、0.38、0.28和0.22 ℃，最低气温期各发育期每10年分别增加0.01、0.08、0.14和0.02 ℃。

黑龙江省水稻不同生育期内≥10 ℃积温、逐日最高气温和最低气温等热量资源在空间上均从北到南、由东向西逐渐增加。存在地带性和非地带性的空间分异规律，由北向南纬度降低，导致热量资源增加。在相同纬度条件下，由于西部降水少于东部，导致西部热量资源比东部丰富。

叶清等（2011）的研究结果表明，江西省双季稻表现为生长季缩短、营养期长度增加、生殖期长度减少。侯雯嘉等（2015）分析了东北地区水稻整个生育期变化，结果表明生育期呈延长趋势。本研究结果表明，黑龙江省水稻S1和S3期持续天数呈减少趋势结果，每10年减少0.31和0.13 d；S2期持續天数呈增加趋势，每10年增加0.85 d；S4期持续天数延长趋势，每10年增加0.31 d；由于S2期增加的幅度大于S1期和S3期减少幅度之和，因此S4期持续天数呈增加趋势。本研究结果与前人的研究结果存在一定差异，其原因：一是在我国南方热量资源增加导致水稻发育加快，整个生育期缩短，而在黑龙江热量资源增加使水稻收获期延后，从而导致整个生育期增加；二是本研究水稻发育期划分与前人研究不同，导致水稻不同发育期长度变化不同。

本研究结果表明，1974年以来水稻实际产量呈增加趋势，每10年增产1608 kg/ha；趋势产量呈增加趋势，每10年增产1558 kg/ha；气象产量呈增加趋势，每10年增产50 kg/ha；气象条件的变化趋势对粮食产量的增长起促进作用。气象产量波动的原因是：黑龙江省采用灌溉方式种植水稻，自然降水的多少不会对水稻产量产生较大影响。热量资源是水稻生长的限制因子，实际产量由气象产量和趋势产量两部分构成。由于2002、2003、2005和2006年热量资源相对缺乏，导致实际产量较低，但近年有较高的趋势产量，致使气象产量呈显著的降低趋势并出现最小值；2007年由于热量资源条件较好，导致气象产量较高且在2007年达最大值。

4 结论

1974—2016年黑龙江省热量资源在时间上呈增加趋势，在空间上从北到南、由东向西逐渐增加。热量资源增加使水稻S2和S4期延长，S1和S3期缩短，最终导致水稻产量增加。S2期≥10 ℃积温、S1期最低气温对水稻产量影响最大；S1期最低气温和最高气温对D1影响最大；S2和S3期≥10 ℃积温对对应水稻发育期的长度影响最大。

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（责任编辑 麻小燕）