未来中高排放情景下松嫩平原农业气候资源变化分析*

李新华，张 蕾，姜树坤，许吟隆

（1.黑龙江省气象服务中心，哈尔滨 150030；2.国家气象中心，北京 100081;3.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所/国家耐盐碱水稻技术创新中心东北分中心，哈尔滨 150086；4.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

全球气候变暖深刻改变着人类生存环境与资源分布格局。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)表明，1880-2012年全球平均温度上升了0.85℃；到21 世纪末，全球平均气温将升高0.3～4.8℃[1]。第三次国家评估报告指出，中国在1909-2011年的增温幅度为0.9～1.5℃，高于全球平均水平。尤其在1961-2010年，全国平均温度气候倾向率为0.27℃·10a-1[2]，东北地区为0.34℃·10a-1[3]；降水量整体呈现减少趋势，气候倾向率为-5.71mm·10a-1[4]。黑龙江省1986-2015年气温上升率为0.12℃·10a-1，降水量增加率为4.31mm·10a-1[5]，年日照时数(1961-2010年)减少率为26.7h·10a-1[6]。1980-2010年东北地区农作物种植结构发生了显著变化，而气候变暖是作物种植结构改变的关键驱动因素，在黑龙江地区，≥10℃积温的变化率为84℃·d·10a-1，水稻种植区域随着积温带的北移向北扩大[7-8]。松嫩平原 2001-2017年活动积温较1951-2000年增加，气候倾向率为310.2℃·d·10a-1[9]；无霜期延长， 1951-2017年气候倾向率为2.3d·10a-1[9]；年日照时数呈明显减少趋势[10]。另有研究表明，在气候变化情景下，21 世纪中期，黑龙江省增温可达3℃以上，大部地区生长季将延长10～15d，生长季内极端平均最高气温升幅可达1.8℃～2.6℃[11]；松嫩平原地区≥10℃积温持续日数将增加20～25d，无霜期增加25～30d[12]。

气候变化对农业的影响是全球气候变化研究领域的热点问题之一[13-15]，主要表现为热量资源、水分资源和光资源变化的影响，进而导致农业生产过程中种植措施的调整与改变，最终影响农作物的种植制度、品种布局以及生长发育和产量形成[16-18]。黑龙江省水稻种植面积和总产量均居全国之首[19]，位于黑龙江省西南部的松嫩平原，作为粮食主产区具有地势平坦、土壤肥沃、气候适宜等特点，年均气温1.6～5.0℃，年均降水量400～600mm，日均气温≥10℃的日数在150d 以上，对发展农业生产具有明显优势[20-21]。松嫩平原是国家重要商品粮基地，粮食商品率占30%以上，因此，研究气候变化对松嫩平原地区粮食生产的影响具有重要意义。前人对松嫩平原地区气候或者农业气候资源的分析，所采用的全球模式或实际观测资料数据的空间分辨率多为0.5°×0.5°[22-23]，本研究应用Xu 等[24]对全国751个气象观测点的逐日数据插值后得到的分辨率为0.25°×0.25°格点数据，从热量资源、降水资源和辐射资源三方面分析未来30a（2021-2050）松嫩平原地区农业气候资源数量和配置的变化，对充分利用农业气候资源、指导农业生产以及制定农业生产应对气候变化策略具有重大指导意义。

1 数据与方法

1.1 数据

基于IPCC AR5 根据温室气体产生的大气辐射强迫所确定的典型浓度路径(Representative Concentration Pathways, RCPs)，依托区域气候模式PRECIS(Providing Regional Climates for Impacts Studies)[25]模拟生成的中等排放情景(RCP4.5)和高排放情景(RCP8.5)的气象数据（表1），空间分辨率为0.25o(经度)×0.25o(纬度)，时间分辨率为逐日输出值，数据时间序列为1961-2100年，其中将1961-1990年定义为气候基准时段，用于模型模拟效果评估以及计算未来时段气候要素的相对变化值；选取2021-2050年作为未来气候要素的预估时段，包括逐日平均温度、降水量和辐射量。PRECIS 对东北地区气候的模拟能力已经得到李新华等的验证[12,25]。李新华等应用统计方法订正之后，PRECIS 能够很好地描述各气象要素的空间分布特征；数值上，平均温度的绝对差值在0～0.3℃，降水量绝对差值在0～10mm[12]。本研究使用的均为订正后数据，因此，不再进行PRECIS 模拟能力的介绍及对比，直接进行农业气候资源变化特征的分析。

表1 典型浓度路径下中、高排放情景的定义Table 1 Descriptions of moderate and high radiative forcing scenarios

1.2 研究区域

选取松嫩平原地区13 个具有1961年以来完整观测序列的气象站点作为分析对象，其中包括黑龙江省的龙江、富裕、齐齐哈尔、泰来、安达、肇州等6 个气象站和吉林省的白城、大安、乾安、前郭、通榆、长岭、扶余等7 个气象站（图1）。

图1 研究区13 个气象站点分布及地形Fig.1 Distribution of 13 meteorological stations and topographic in the study area

1.3 农业气候资源指标

选取代表农业气候资源的温度、降水和辐射量指标进行评估，如表2 所示。代表热量资源的指标为年平均温度和五日滑动平均法计算获得的稳定通过10℃的积温[12]，代表农业水资源的指标为平均年降水量和生长季降水量（5-9月降水量），代表辐射的指标为年辐射量和生长季辐射量（5-9月辐射量）。

表2 主要农业气候资源评估指标Table 2 Main agro-climatic resource indices

1.4 数据处理

运用R 语言对农业气候资源指标进行计算；利用ArcGIS 工具生成研究区域各气象要素的空间变化图。

2 结果与分析

2.1 未来热量资源的时空变化特征

2.1.1 年平均温度

由图 2 可见，两种排放情景下，未来时段（2021-2050年）大部分地区年平均温度在6℃以上，均表现为南部高北部低的特点。相较于RCP4.5 情景，RCP8.5 情景年平均温度分布带明显北移。年平均温度不足6℃的区域分布在富裕县、林甸县、青冈县、兰西县、龙江县北部以及齐齐哈尔市区的部分地区；而在RCP8.5 情景下，年平均温度高于7.5℃的地区覆盖了通榆县、长岭县、乾安县、大安市、洮南市、洮北区以及前郭县的大部分地区。

图2 2021-2050年不同排放情景下研究区年平均温度的分布Fig.2 Annual mean temperature under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

两种排放情景下，未来时段松嫩平原年平均温度增加幅度均表现为南部增幅小、北部增幅大的特点。由图3 可见，RCP4.5 情景下，大部分地区增温幅度在2.5℃以上，其中通榆县和长岭县部分地区增幅不足2.5℃，而杜蒙、泰来、大同、肇州以北地区增温幅度超过了2.6℃；而在RCP8.5 情景下，增温幅度明显高于RCP4.5，大部地区温度增幅超过2.8℃，不足2.8℃的地区为长岭县和前郭县的部分地区；北部地区温度增幅则超过了2.9℃。

图3 2021-2050年不同排放情景下研究区年平均温度增加幅度分布Fig.3 Increase value of annual mean temperature under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

2.1.2 ≥10oC 积温

由图4 可见，两种排放情景下，未来时段≥10℃积温均表现为南部积温高于北部的特点。RCP4.5 情景下≥10℃积温多于3550℃·d 的区域分布在研究区内的通榆县、长岭县、乾安县的部分地区。而在RCP8.5 情景下各地积温分布带较RCP4.5 情景明显北移，不足3450℃·d 的区域明显减少，≥10℃积温高于3550℃·d 的地区明显扩大，已经北扩到泰来县、杜蒙县的中部地区。

图4 2021-2050年不同排放情景下研究区≥10℃积温分布Fig.4 Annual integrated temperature ≥10℃ under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

由图5 可见，未来时段RCP8.5 情景下积温增加幅度明显高于RCP4.5 情景。RCP4.5 情景下整个研究区域积温增幅在555℃·d 以内，其中西部地区增幅在478～520℃·d，东部增幅为520～550℃·d。而在RCP8.5 情景下，积温增幅均超过了602℃·d，其中通榆、乾安、长岭、大安、前郭、洮南、镇赉、泰来等地区超过660℃·d。

图5 2021-2050年不同排放情景下研究区≥10℃积温的增幅分布Fig.5 Increase value of annual integrated temperature≥10℃ under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

综上可知，未来时段RCP8.5 和RCP4.5 情景下，松嫩平原地区热量资源将呈增加趋势，主要表现为北部增加多，南部增加少的特征。温度升高将会改善当前研究区的热量条件，使松嫩平原作物可种植期延长。

2.2 未来降水量的时空变化特征

2.2.1 年降水量

由图6 可见，未来时段（2021-2050年）年降水量表现为东部降水多于西部的特点。两种排放情景下，年降水量的空间分布特征差别不大。从降水量空间分布来看，中西部的大部分地区年降水量不足500mm，其中杜蒙县、泰来县、镇赉县、齐齐哈尔市区等多个地区年降水量不足470mm。青冈、兰西、肇东、肇州、富余、前郭、长岭等东部地区年降水量超过500mm。

图6 2021-2050年不同排放情景下研究区年降水量的分布Fig.6 Annual precipitation under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

由图7 可见，在两个排放情景下，未来30a 降水增量空间分布特征一致，为北部增量少，南部增量多，RCP4.5 情景下，镇赉县中部、肇源、肇州中部和肇东中部以南地区，降水增量超过了75mm；而在RCP8.5 情景下，降水增量超过75mm 的地区仅剩洮北、洮南、通榆、长岭等地区，北部地区降水增量不超过55mm 的地区有所扩大。

图7 2021-2050年不同排放情景下研究区年降水量增量的分布Fig.7 Increase of annual precipitation under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

可见，未来RCP8.5 和RCP4.5 情景下，松嫩平原地区降水资源将呈增加趋势，特征主要表现为南部增加多，北部增加少。降水资源增加，将有利于需水量大的作物生长。

2.2.2 作物生长季（5-9月）降水量

由图8 可见，未来时段两种情景下作物生长季内降水量空间分布特点与年降水量一致，为东多西少。RCP8.5 情景下，生长季内降水量不足410mm 的地区较RCP4.5 明显扩大，主要覆盖了中西部的大部分地区。RCP8.5 情景下，降水量超过440mm 的地区较RCP4.5 情景下明显向东缩小，主要覆盖了兰西、肇东、扶余、前郭、长岭的东部地区。

图8 2021-2050年不同排放情景下研究区生长季内（5-9月）降水量的分布Fig.8 Precipitation during growing season (May to September ) under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

由图9 可见，未来时段生长季内降水增量的空间分布特点为南多北少。RCP4.5 情景下，林甸县、杜蒙县北部以及大庆市区降水量不足35mm，而中南部地区增量则超过了55mm。在RCP8.5 情景下，相同地区降水增量小于RCP4.5 情景，尤其是在平原的北部地区，降水增量不足35mm 的地区明显扩大，南部地区降水增量超过55mm 的地区明显缩小。

图9 2021-2050年不同排放情景下研究区生长季内（5-9月）降水增量的分布Fig.9 Increase of precipitation during growing season (May to September ) under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

2.3 未来辐射量的时空变化特征

2.3.1 年辐射总量

由图10 可见，未来时段两种情景下松嫩平原地区年辐射量空间分布特征为南部多于北部。从年辐射量值的空间分布上来看，两种情景下差别不大，北部地区年辐射量不足5350MJ·m-2，中部地区年辐射量为5350～5470MJ·m-2，南部地区年辐射量则超过了5470MJ·m-2。

图10 2021-2050年不同排放情景下研究区年总辐射量的分布Fig.10 Annual radiation under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

由图11 可见，未来时段松嫩平原地区年辐射呈减少趋势。RCP4.5 情景下，减少量超过100MJ·m-2的地区为镇赉县、泰来县、杜蒙县、龙江县和齐齐哈尔市区等地区；减少量不到90MJ·m-2的地区集中在平原东部和南部的部分地区。而在RCP8.5 情景下，大部分地区辐射减少量超过了90MJ·m-2，减少量超过100MJ·m-2的地区覆盖了西部和南部以及东北部的部分地区。

图11 2021-2050年不同排放情景下研究区辐射量减少量的分布Fig.11 Decrease of annual radiation under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

2.3.2 作物生长季辐射总量

两种排放情景下，未来时段作物生长季内辐射量空间分布为西南多东北少的特点。两种排放情景下，中北部辐射量分布特征差别较大，RCP4.5 情景下辐射量为2990～3030MJ·m-2的区域仅分布在中部一带，而在RCP8.5 情景下向北分布到富裕县，且中部地区辐射量为2990～3030MJ·m-2。南部地区的辐射量在两种排放情景下均超过了3030MJ·m-2。

由图13 可见，RCP4.5 情景下，作物生长季内辐射缩量不足20MJ·m-2的地区仅分布在平原的东部一带，其余地区辐射缩量均超过了20MJ·m-2。然而，在RCP8.5 情景下，缩量不足20MJ·m-2的区域几乎涵盖了整个平原的一半地区，主要集中在平原的北部和东部地区，其余地区辐射缩量为 20～35mJ·m-2。可见，未来RCP8.5 和RCP4.5 情景下，松嫩平原地区辐射量将呈减少趋势。辐射量减少，意味着光照时间变短。

图12 2021-2050年不同排放情景下研究区生长季内（5-9月）辐射量的分布Fig.12 Radiation during growing season (May to September ) under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

图13 2021-2050年不同排放情景下研究区生长季内辐射量减少量的分布Fig.13 Decrease of radiation during growing season under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

3 结论与讨论

3.1 结论

相较于1961-1990年，松嫩平原地区2021-2050年热量资源呈增加趋势，空间分布特征表现为由北向南递增，年平均气温增加2.5℃以上，年积温增加478℃·d 以上；在平原南部地区，平均温度超过了7.5℃，且≥10℃积温超过了3550℃·d。积温增加表明松嫩平原地区热量条件将得到改善，可种植期延长，减少低温冷害与霜冻害的发生。年降水量增加50～90mm，其中北部地区降水增量不足55mm，而南部的部分地区降水增量超过了90mm；作物生长季内降水量增加25～65mm。年辐射量变化不大，整个区域辐射减少85～105MJ·m-2，作物生长季内辐射量减少10～40MJ·m-2，辐射减少意味着日照时数缩短，但日照时数仍可以满足作物生长的要求，即辐射量的减少对该区域种稻改良的影响不大。

3.2 讨论

从温度和降水的空间变化特征来看，平均温度增幅的空间分布为由南向北递增，即北部地区增温多，南部地区增温少，而降水增量空间分布特征为北部增量小于南部，未来温度增量与降水增量空间分布变化特征可能出现不匹配的形式，即温度增幅较大的地区可能出现降水增加较少的情况。温度升高会使作物生长期延长和累积叶面积增大，蒸腾作用增强[26]，可能造成作物主要关键生育期内水分的供应不能满足作物生长所需。同时，随着气温升高，松嫩平原地区作物的可生长期延长，因此，应考虑引进生育期更长的作物或调整作物播期来适应气候变暖，否则，温度升高将会导致现有作物生育期缩短，从而造成减产[27-29]。

未来气候情景下，松嫩平原地区整体表现为农业气候资源提升，使得农作物可生长的时间变长，为作物的光温生产潜力和产量的提高提供了潜在机遇。因此，在品种选育的过程中应适当考虑气候变化。同时，及时调整和改变生产过程中的种植措施，以便充分利用农业气候资源、改善品种布局，最终达到提高产量的目的。此外，由于温度升高，蒸发增强[28]，加上工业与生活耗水增加，水资源会更加紧缺，可能会导致该地区的盐渍化日趋严重。针对这一问题，应该选育和推广耐盐碱的作物品种，同时开展节水增效的栽培技术措施以适应未来可能出现的气候变化。