气候变暖背景下黑龙江省水稻适宜种植区时空变化特征

2020-06-18蔡少杰徐峰增张晓勇王可纯

中国农村水利水电 2020年2期

蔡少杰，徐峰增，张晓勇，王可纯，卫琦

(1 河海大学农业工程学院，南京 210098； 2 南京众诚土地规划设计咨询有限公司，南京 210019)

以全球变暖为主要特征的气候变化已成为当今世界重要的环境问题之一。自从20世纪80年代以来，我国北方地区增温趋势显著[1,2]。气候变暖，积温增加，延伸了作物生育期，大部分作物种植界限向北移动[3-5]。水稻具有喜温喜湿特性，温度是其生态种植分区的主要依据[6]。通常认为≥10 ℃活动积温超过2 400 ℃时适宜种植水稻，生长期间活动积温损失超过200 ℃将影响正常成熟，形成延迟型冷害[7-10]。针对我国寒区黑龙江水稻种植区，研究气候变化背景下适宜水稻种植区的变更，对于认识气候变化对黑龙江寒区水稻生产的影响，进而确定农业种植的区划以及合理配置农业水土资源具有重要意义。近年来，许多学者使用平均温度、降雨、风速、日照时数等指标[11-13]，对气候变化下农作物生产响应进行研究，但针对气候变化背景下积温带变化及与水稻相适宜的种植范围研究较少。本文以黑龙江省为例，探讨气候变化背景下水稻主要生长积温带变化，以期为黑龙江省在未来气候变化下作物生产布局和农业水土资源合理分配提供决策依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

从中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)收集了黑龙江省15个气象站点(见图1)1956年1月1日至2015年12月31日的逐日气温数据，地理信息资料包括1∶25万黑龙江省基础地理信息数据。

图1 黑龙江省各气象站点分布

1.2 MK趋势检验分析方法

积温以及时间窗口总体变化趋势检验采用线性拟合及Mann-Kendall(以下简称MK)检验分析方法[14]。在MK检验中，进行双边检验。原假设H0：时间序列数据(X1,X2,…,Xn)是n个独立的、同分布的随机变量样本；备择假设H1：对于所有的i,j

(1)

其中：

(2)

Var(S)=n(n-1) (2n+5)/18

(3)

式中：sgn ()为符号函数，当Xi-Xj小于、等于或者大于0时，sgn (Xi-Xj)分别为-1、0或1。

在双边趋势检验中，对于给定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，则原假设H0是不可能接受的，即在置信水平α上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。Z为正值表示增加趋势，负值表示减少趋势。Z的绝对值在≥1.28、1.64和2.32时表示分别通过了置信度90%、95%和99%显著性检验。

1.3 ≥10 ℃活动积温(AAT10)

在农作物所需要的其他因子都得到基本满足时，在一定温度范围内，温度对农作物生长起主导作用。农作物完成某一生长发育期需要一定量的积温，它表明农作物在其全生育期或某一生育期热量的总需求，不满足积温，农作物就不能正常发育，活动积温是指某一时段内活动温度的累加和[15-17]。当平均气温稳定到达10 ℃以上时，水稻才能活跃生长。本文采用5 d滑动平均法对数据进行处理，将稳定≥10 ℃的逐日平均气温累加，作为≥10 ℃活动积温，记为AAT10(Annual accelerated temperature above 10 ℃)。结合相关文献，确定能广泛种植水稻的下限积温条件为：早熟品种所需AAT10为2 300 ℃左右，中熟品种所需AAT10为2 400 ℃左右，中晚熟品种所需AAT10为2 700 ℃以上[15,18,19]。AAT10能直观的显示水稻生育期的热量资源情况，是热量资源的主要标志，是农业气候区划的重要指标之一[8]。

1.4 反距离权重法(IDW)

反距离权重 (IDW) 插值使用一组采样点的线性权重组合来确定像元值[20]。权重是一种反距离函数，此方法假定所映射的变量因受到与其采样位置间的距离的影响而减小。反距离权重法主要依赖于反距离的幂参数，幂参数可基于距输出点的距离来控制已知点对内插值的影响。幂参数是一个正实数，默认值为2。定义更高的幂参数，可进一步强调最近点，即邻近数据将受到最大影响，表面会变得更加详细(更不平滑)。随着幂参数的增大，内插值将逐渐接近最近采样点的值。本文取Arcmap 10.2幂参数默认值2。

2 结果与分析

2.1 水稻种植区气温及AAT10变化特征

黑龙江省水稻种植区在1956-2015年的平均气温为2.65 ℃。在所选取的15个气象站点中，各气象站点的年平均最高气温(Tmax)、年平均气温(Tmean)和年平均最低气温(Tmin)均呈现增加趋势。由表1可知：Tmax每10 a平均增加了0.17 ℃，倾向率最大值为孙吴站点每10 a 0.31 ℃，最小值为绥芬河站点每10 a 0.04 ℃；Tmean每10 a平均增加了0.33 ℃，倾向率最大值为孙吴站点每10 a 0.57 ℃，最小值为绥芬河站点每10 a 0.04 ℃；Tmin每10年平均增加了0.47 ℃，倾向率最大值为孙吴站点每10 a 0.90 ℃，最小值为富锦站点每10 a 0.28 ℃。对各站点Tmax、Tmean、Tmin倾向率进行MK趋势检验，除绥芬河Tmax倾向率Z值小于1.28外，其他站点Z值均为正值且超过1.64，具有明显上升的趋势。本研究结果表明，在全球变暖的背景下，Tmin以较大的倾向率极显著增加，Tmax以较小的倾向率显著增加，这种气温的非对称性变化，对提高农作物的产量和改善作物种植结构具有积极意义[21]。

此外，通过计算各气象站点在1956-2015年每10 a的AAT10平均值，并采用线性回归方法分析了各站点AAT10倾向率并进行MK趋势检验(见表2、图2、图3)。结果显示，黑龙江省AAT10平均每10 a增加了50～100 ℃，各站点MK方法统计量Z为正值且大部分超过2.32，达到极显著水平，有明显的上升趋势。其中，各站点在1996-2005年的AAT10平均值较1986-1995年的值有了显著提高，这与东北地区20世纪80年代产生“一致性增温”效应结果较为一致[22]。

表1 各站点年温度变化倾向率每10 a值及趋势检验结果 ℃

注：Tmax、Tmean和Tmin分别代表年平均最高气温、年平均气温和年最低气温；**、*和-代表极显著(p<0.01)、显著(p<0.05)和不显著(p>0.1)。

表2 黑龙江省各站点每10 aAAT10平均值 ℃

图2 黑龙江省各站点AAT10倾向率

图3 AAT10的MK趋势检验结果

进一步分析可知，齐齐哈尔AAT10高于晚稻积温要求下限2 700 ℃(该站点可代表小兴安岭西南部分种植区)，且自20世纪90年代起，AAT10进入3 000 ℃，活动积温显著上升，平均每10 a上升75 ℃。经过MK检验Z值为5.92>2.32，通过99%置信度检验，为极显著水平。另外，安达、鸡西、牡丹江、绥化4个气象站点在1956-2015年AAT10上升明显，75%站点AAT10从20世纪70年代就稳定超过晚稻积温要求下限2 700 ℃，水稻适宜种植区由此变更。其中北林站点AAT10活动积温有着最大增幅，60 a增长了300 ℃，倾向率每10 a 78 ℃。截止2015年，富锦、克山、尚志、明水、通河站点，AAT10均超过2 700 ℃。原先不能种植中晚稻的克山等地区现在已经可以满足水稻活动积温要求，即中晚熟水稻适宜种植区域变更，包含了原黑龙江第三积温带地区。海伦和嫩江2个站点在过去60 a的AAT10显著上升，平均每10 a上升70 ℃积温，进入到21世纪后，AAT10普遍超过2 500 ℃，表明原先只适合种植早熟、中早熟、中熟的该部分地区也可以满足中晚稻的活动积温要求。呼玛、绥芬河、孙吴3个站点中孙吴站点1956-2015年AAT10变化范围为1 700～2 700 ℃，在1969年出现最低1 710 ℃，从21世纪开始，AAT10稳定高于2 400 ℃，原先不能满足中早稻最低活动积温的呼玛、绥芬河、孙吴等地区已满足，部分地区满足中早稻活动积温需求。

2.2 黑龙江省水稻适宜种植区域变化特点

为更好展示水稻适宜种植区(积温带)的变化，将1956-2015年数据分为1956-1984年和1985-2015年2个时期。每个时期将各年AAT10数据从低到高排列，选择排在第20%(保证率80%)位的AAT10值作为该段时期的代表值。

使用Arcmap 10.2软件，将每个时段AAT10数据用反距离权重法空间插值到整个黑龙江地区，以100 ℃为间隔绘制积温等值线，结果见图4。可以看出，总体上黑龙江省水稻适宜种植区在向北不断扩张，2 300 ℃ AAT10积温等值线从48.86°N向北(大兴安岭地区方向)扩展至50.12°N，2 400 ℃ AAT10等值线线从48.39°N向北扩展至49.49°N；以2 300 ℃ AAT10积温等值线为水稻适宜种植区下限，则水稻适宜种植区域向北扩张了38 124.75 km2,见图5。通过对1955-1984年和1985-2015年2个时段典型年的AAT10进行对比，可以得出，①除了最北部地区外，各积温等直线均向北移动，区域热量资源增加趋势明显；②伴随着AAT10积温带的变更，黑龙江省水稻种植结构发生改变，部分地区可选用中、晚熟品种；③气温进一步上升，满足水稻种植积温下限界限向北移动，水稻的种植区域也随之向北扩张，且向北扩张速度相近。

图4 不同时段典型年AAT10分布(单位：℃)

图5 水稻适宜种植区域北扩范围

2.3 黑龙江省水稻适宜种植时间窗口变化特点

作物生长需要适宜的温度，温度高于10 ℃时有利于水稻种子的萌发与生长，且水稻的全生育期时长一般为125 d左右[18]。1956-2015年，≥10 ℃开始的日期逐年向前移动，平均每10 a前移1.1 d，截止2015年，大部分站点第85 d左右已稳定高于10 ℃；与此同时，AAT10截止日期逐年向后移动，平均每10 a延后1.4 d；由截止日减去开始日得到的有效积温持续时间见图6、图7，黑龙江省AAT10持续时间平均每10 a增加天数范围为1.5～4.0 d，平原地区增速较大，部分站点(如齐齐哈尔等)从1956年的160 d增加至2015年的210 d；根据MK检验结果显示，统计量Z除了通河站点大于1.28外，其他站点均大于1.64或2.32，达到显著水平，有明显的上升趋势。可见，黑龙江省水稻适宜时间种植窗口显著增长，≥10 ℃持续天数不断增加，满足绝大部分水稻生育期时长需求。