1961-2019年松嫩平原鹽堿地區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創新中心東北分中心，150086，黑龍江哈爾濱；2黑龍江省農業科學院耕作栽培研究所/黑龍江省寒地作物生理生態重點實驗室/黑龍江省農作物低溫冷害工程技術研究中心，150086，黑龍江哈爾濱）

松嫩平原是我國重要的糧食產區之一，但其西部區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手段[1]。據統計[2]，松嫩平原還有開發41.33萬hm2（620萬畝）鹽堿地水稻面積的潛力，充分開發利用這一區域，對于進一步保障國家糧食安全具有重要的潛在戰略價值。農業生產是一個對自然條件，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生重大影響。近年來，全球氣候變化給農業生產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律[6]等相關領域已進行很多研究，但針對松嫩平原鹽堿地區域的農業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，分析了該區農業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。

1 研究資料與方法

1.1 研究區域

松嫩平原鹽堿化地區是世界三大片蘇打鹽堿土集中分布的區域之一，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，包括以吉林省鎮賚、大安、乾安、前郭、長嶺和通榆等縣市為集中的南部區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域。該區域地勢平坦，光照充足，土壤有機質豐富，水熱資源優越，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，現階段該區域的主要農作物是玉米和水稻。

1.2 研究資料

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

1.3 研究方法

1.3.1 溫度生長期的確定 松嫩平原水稻生產以優質粳稻為主，在移栽插秧為主的水稻生產中，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，本文將日均氣溫穩定通過10℃界限溫度的持續日數定義為水稻的溫度生長期（潛在生長季）。

1.3.2 數據分析 本文采用5日滑動平均法計算穩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的平均溫度、日較差、活動積溫、日照時數和降水量等農業氣候資源評價指標。東北地區是我國氣候變暖最顯著的地區之一，溫度升高主要發生在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域的農業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，以回歸系數的10倍作為氣候傾向率[12]。

2 結果與分析

2.1 松嫩平原鹽堿地區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

松嫩平原鹽堿地區域的年均氣溫呈現出由南至北的帶狀遞減分布，而且2個時間段表現出溫度升高趨勢。第Ⅰ階段本區域的年均氣溫為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，升溫最明顯的區域分別是黑龍江富裕縣和吉林乾安縣。受全球氣候變暖影響，松嫩平原鹽堿地區域最冷月（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，黑龍江省大部分區域升溫最明顯，升溫最高的區域是富?？h。與此類似，松嫩平原鹽堿地區最熱月（7月）平均氣溫也表現出升高趨勢。第Ⅰ階段本區域的平均氣溫為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 生長季內活動積溫和日較差的變化 ≥10℃

活動積溫是衡量一個地區農業氣候資源的重要參數，也是農業氣候區劃的關鍵指標之一。本區域水稻生長季≥10℃活動積溫的分布與變化規律與年均溫變化規律相似，也表現出南高北低的緯向帶狀分布。第Ⅰ階段本區域的活動積溫為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°。升溫區域集中在吉林的扶余和乾安一帶以及黑龍江富?？h。

表2 松嫩平原鹽堿地區生長季內≥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量和品質的重要氣象指標，尤其是對稻米品質影響更大。受全球氣候變暖的影響，本區域晝夜溫差呈明顯減少趨勢。第Ⅰ階段本區域的晝夜溫差為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域的中部。

2.2 松嫩平原鹽堿地區域的日照資源和降水資源變化特征

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

表3 松嫩平原鹽堿地區年日照時數和生長季內日照時數的變化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降水量的變化 降水是影響農業生產的關鍵因素之一。第Ⅰ階段本區域的年降水量為385.2～509.3mm，第Ⅱ階段的年降水量為357.4～521.2mm（表4）。第Ⅱ階段的降水量呈現少量增加的趨勢。本區域近60年的年降水量氣候傾向率分布在-10～20mm/10a。以松花江為界，吉林省部分地區的降水量減少，黑龍江省部分地區的降水量略有增加。水稻生長季內降水量整體上呈增加趨勢，降水量增加的區域集中在黑龍江部分地區。第Ⅰ階段本區域的降水量為332.9～428.7mm，第Ⅱ階段的降水量為 315.9～432.9mm（表4）。本區域近60年的生長季內降水量氣候傾向率分布在-8.8～15mm/10a。以松花江為界，吉林省部分地區的降水量減少，黑龍江省部分地區的降水量增加。

表4 松嫩平原鹽堿地區年降水量和生長季內降水量的變化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活動積溫和年均氣溫等熱量資源增加，日照時數減少，降水量略微增加。水稻生產系統是響應氣候變化最敏感的農業生態系統之一[13]，該區域農業氣候資源的整體變化特征表現為暖濕趨勢，這必然會對該區域的鹽堿地水稻生產產生一定影響。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水稻發展的關鍵因素。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，使得該區域可以種植更加晚熟的優質水稻品種。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的區域面積從原來的不到10%增加到了80%以上。

氣候變暖為該區域耐鹽堿水稻的開發提供了熱量資源保障，主要表現為生育期的延長和產量的增加。根據中國水稻信息網的審定品種數據（https://www.ricedata.cn/variety），1990年以來，松嫩平原鹽堿地區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，這一區域改良種稻的主要限制因素由熱量資源轉變為鹽堿土。此外，熱量資源的變化還引起了水稻病害發生變化，比如過去主要發生在南方稻區和遼寧稻區的稻曲病，在松嫩平原的發生頻率和發生面積都不斷攀升[15-16]。

松嫩平原鹽堿地區域屬于典型的內陸鹽堿地，鹽堿的變化基本上可以分為春季爆發積鹽期（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，主要表現為以松花江為界，黑龍江部分地區降水增加，吉林部分地區降水減少。這種降水特點將導致黑龍江部分地區的鹽堿化發展趨勢低于吉林部分地區，這與張樹文等[18]的鹽堿重心從大慶轉移至大安的報道一致。

除了氣候變暖以外，生長季內的日照時數和降水量等關鍵氣候指標也有變化，主要表現為生長季內日照時數略有減少、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積累速率降低，灌漿速率減緩。松嫩平原鹽堿地區域氣候變暖不僅使水稻生產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業生產有關的氣象因素的變化，氣溫升高可能造成局部地區干旱，很有可能加劇這一區域的鹽堿化程度。氣候變暖也可能引發極端性天氣，如強降雨和臺風的北上登陸，2020年8月下旬至9月上旬，東北地區連續遭受第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造成嚴重的影響，導致水稻大幅度減產[19-20]。因此，松嫩平原水稻生產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，通過調整農業生產管理措施來提高水稻生產系統的適應能力，實現水稻單產的持續穩定增長。

4 結論

1961-2019年，松嫩平原鹽堿地區域的農業氣候資源整體表現為暖濕趨勢。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≥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℃。年日照時數和生長季內日照時數分別降低了184.0和17.4h。以松花江為界，吉林省部分地區的降水量減少，黑龍江省部分地區的降水量略增加。