梁立江，武永峰**，劉 聰,2，邵 帥

東北地區(qū)不同熟性水稻適宜種植區(qū)障礙型冷害時空變化*

梁立江1，武永峰1**，劉 聰1,2，邵 帥3

（1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，北京 100081；2．東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330000；3.杭州電子科技大學(xué)計算機學(xué)院，杭州 310000）

利用東北地區(qū)167個氣象站1986-2015年的逐日氣象資料和28個物候觀測站1991-2008年的逐年水稻生育期數(shù)據(jù)，參照水稻障礙型冷害國家標準，分三個時間段（1986-1995年、1996-2005年和2006-2015年）劃分東北地區(qū)不同熟性水稻適宜種植區(qū)，利用冷害發(fā)生頻率和站次比分析東北地區(qū)近30a（1986-2015年）不同熟性水稻適宜種植區(qū)障礙型冷害的時空規(guī)律。結(jié)果表明：研究期內(nèi)，東北地區(qū)不適宜種植區(qū)域面積逐漸減小，不同熟性適宜種植區(qū)呈現(xiàn)北移東擴的趨勢，其中以晚熟區(qū)擴大范圍最為明顯。不同熟性水稻適宜種植區(qū)障礙型冷害具有波動發(fā)生的特點，不同熟性區(qū)年平均冷害站次比大小表現(xiàn)為早熟區(qū)>晚熟區(qū)>中熟區(qū)；2006-2015年為早熟區(qū)冷害多發(fā)時段，1986-1995年為中熟區(qū)冷害多發(fā)時段，1996-2005年為晚熟區(qū)冷害多發(fā)時段；在早熟區(qū)冷害多發(fā)時段內(nèi)，重度冷害的發(fā)生頻率減少；2006年以后中熟區(qū)和晚熟區(qū)冷害總發(fā)生頻率減小，但部分區(qū)域的不同等級冷害發(fā)生頻率提高?？梢?，東北地區(qū)障礙型冷害發(fā)生仍具有不確定性，即使在整體冷害頻率下降的情況下，個別區(qū)域在某些年份仍可能發(fā)生不同程度的冷害。

水稻；熟性；活動積溫；障礙型冷害；東北地區(qū)

東北地區(qū)地處北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，水熱條件適宜，糧食增產(chǎn)潛力較大，為保障中國糧食安全發(fā)揮了重要作用[1]。同時，東北地區(qū)所處緯度較高，階段性低溫現(xiàn)象時有發(fā)生，作物生長季內(nèi)因低溫產(chǎn)生的冷害是對該地區(qū)水稻生產(chǎn)影響最大的氣象災(zāi)害[2]。7、8月是水稻由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)為生殖生長的關(guān)鍵時期，若水稻在此階段遭受短期異常低溫天氣過程，其生長活動將受抑制，導(dǎo)致生殖器官生理機能遭到破壞，引起障礙型冷害[3-4]，造成稻米品質(zhì)下降，水稻產(chǎn)量降低。因此，充分認識東北地區(qū)水稻障礙型冷害變化規(guī)律，對保障糧食生產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)學(xué)者針對東北地區(qū)水稻障礙型冷害時空變化規(guī)律已開展相關(guān)研究。胡春麗等[5]以氣象站逐日氣溫數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了1961-2010年東北地區(qū)水稻障礙型冷害變化與區(qū)域氣候增暖之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水稻障礙型冷害對關(guān)鍵發(fā)育期氣溫變化響應(yīng)較為敏感，東北地區(qū)近年來關(guān)鍵發(fā)育期氣溫呈上升趨勢，水稻障礙型冷害事件總體呈減少趨勢，但局部地區(qū)受氣候變率增大的影響，水稻障礙型冷害事件增加。張軼等[6]利用格點氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)氣象站點生育期數(shù)據(jù)分析了1981-2010年東北地區(qū)水稻障礙型冷害的多年風(fēng)險，認為東北地區(qū)障礙型冷害風(fēng)險雖然整體呈下降趨勢，但障礙型冷害風(fēng)險范圍具有波動變化，進入20世紀初，雖然氣溫明顯增加，但障礙型冷害風(fēng)險敏感區(qū)域較大，且從時間序列上看黑龍江省和吉林省在2000年以后都存在高風(fēng)險冷害年份。馮喜媛等[7]以氣象站逐日氣溫數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，采用氣象影響模型分析1961-2010年東北地區(qū)水稻障礙型冷害時空變化規(guī)律，表明東北地區(qū)水稻障礙型冷害主要發(fā)生在吉林省東北部和黑龍江省東南部，進入21世紀后，東北地區(qū)水稻障礙型冷害事件明顯增多，黑龍江省和吉林省可能進入新的冷害多發(fā)階段。在全球氣候變暖背景下，東北地區(qū)仍存在水稻冷害風(fēng)險，水稻障礙型冷害是否進入新的多發(fā)階段值得研究[8]。目前，國內(nèi)學(xué)者均將東北地區(qū)水稻視為單一的熟性品種對其障礙型冷害時空規(guī)律進行研究，所參照農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害標準未考慮不同熟性水稻的耐冷性差異。為此，本研究在劃分不同熟性水稻適宜種植區(qū)的基礎(chǔ)上，利用中國國家標準化管理委員會2017年發(fā)布的《北方水稻低溫冷害等級》（GB/T34967-2017）國家標準（下文簡稱國家標準）[9]，對1986-2015年東北地區(qū)水稻障礙型冷害發(fā)生特點以及隨年代發(fā)展的變化趨勢進行探究，以期揭示東北地區(qū)水稻障礙型冷害隨熟性變化的時空規(guī)律，從而為水稻減災(zāi)保產(chǎn)、優(yōu)化種植布局提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)及其來源

研究區(qū)包括黑龍江、吉林和遼寧三省，位于121°10'-135°05'E，53°33'-38°43'N，面積78.73萬km2。該地區(qū)地形以平原、山地、河流為主，平原區(qū)土壤肥沃，擁有良好的水稻種植條件，是中國重要的水稻主產(chǎn)基地[10-11]。同時，東北地區(qū)也是水稻障礙型冷害的高發(fā)區(qū)域，每隔2～3a就會發(fā)生一次規(guī)模較大的冷害，冷害年水稻減產(chǎn)20%以上[12]。

氣象觀測數(shù)據(jù)和水稻生育期數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心，包括東北地區(qū)167個氣象站（其中，黑龍江省72站，吉林省49站，遼寧省46站）1986-2015年的逐日氣溫觀測數(shù)據(jù)和28個物候觀測臺站（其中，黑龍江省10站，遼寧省8站，吉林省10站）1991-2008年的逐年觀測數(shù)據(jù)，氣象站點和物候觀測站點分布見圖1。

原始氣象觀測資料中存在部分異常值和缺失值，故對數(shù)據(jù)集進行預(yù)處理，包括使用EXCEL軟件對數(shù)據(jù)異常值進行剔除以及使用SPSS軟件中線性插補方法對缺失值進行替代[13-14]。東北地區(qū)水稻障礙型冷害災(zāi)情資料源自《中國氣象災(zāi)害大典》（遼寧卷、吉林卷和黑龍江卷）、《中國氣象災(zāi)害年鑒》（2002-2016年）。

圖1 東北地區(qū)氣象站、物候觀測站分布

1.2 不同熟性水稻適宜種植區(qū)劃分標準

根據(jù)宛敏渭等[15]的研究，當其它生態(tài)條件滿足作物基本的生長發(fā)育要求時，溫度對作物的生長發(fā)育起主導(dǎo)性作用，此時作物生長發(fā)育所需的下限溫度及有效積溫將成為制約因素。有效積溫在相鄰年份中變化較少，每個品種在其生育期內(nèi)所要求的有效積溫基本固定，所以用有效積溫作為水稻熟性劃分的熱量指標較為合理。因此，首先參照國家標準所確定的≥10℃活動積溫指標（表1），對東北地區(qū)的不同熟性水稻適宜種植區(qū)進行劃分。

表1 不同熟性水稻適宜種植區(qū)積溫劃分標準

1.3 不同熟性水稻障礙型冷害判斷標準

水稻發(fā)生障礙型冷害的關(guān)鍵時期位于孕穗期與開花期之間[3-4]，參照國家標準以水稻抽穗前20d為孕穗期，以水稻抽穗后10d為開花期[9]。在獲取的167個氣象站點觀測數(shù)據(jù)中，僅28個臺站點擁有完整的水稻關(guān)鍵發(fā)育期資料，曲輝輝等[16]在水稻障礙型冷害時空變化研究中，利用霍普金斯物候定律[17]推算東北地區(qū)無觀測數(shù)據(jù)站點的水稻多年平均生育期，其結(jié)果表明該定律在東北地區(qū)適用性較好。因此，為獲取所有站點的水稻發(fā)育期數(shù)據(jù)，采用霍普金斯物候定律推算無觀測記錄站點的水稻發(fā)育期。該物候定律主要內(nèi)容為，在北美洲溫帶內(nèi)，在其它條件相同的情況下，每向北移動1°，向東移動5°或海拔上升121.92m，植物的發(fā)育期在春季和初夏將延遲4d，在秋季則相反，提早4d。

胡春麗等[18]研究表明，水稻受災(zāi)強度受日均氣溫與持續(xù)日數(shù)的雙重影響，故參照國家標準，以水稻關(guān)鍵生育期（孕穗期和開花期）日均氣溫和持續(xù)日數(shù)作為致災(zāi)判斷因子（表2），對東北地區(qū)不同熟性水稻障礙型冷害等級進行評估。若某站點在任一水稻關(guān)鍵生育期內(nèi)，有一日或連續(xù)幾日達到障礙型冷害的氣象評價指標，則認為該站點當年發(fā)生了一次障礙型冷害；若某站點發(fā)生冷害的時間間隔在一日以上，則認為該站點當年發(fā)生了多次障礙型冷害，以該站點在關(guān)鍵生育期內(nèi)達到的最嚴重冷害等級為該站點當年的冷害等級。

表2 不同熟性種植區(qū)水稻障礙型冷害判斷標準

注：抽穗前20d為孕穗期，抽穗后10d為開花期，Ta為抽穗前20d內(nèi)（孕穗期）逐日觀測平均氣溫，Tb為抽穗后10d內(nèi)（抽穗期）逐日觀測平均氣溫；符號“-”代表持續(xù)保持，符號“+”代表超過某一持續(xù)天數(shù)。

Note: The booting stage is the 20 days before heading, the flowering stage is the 10 days after heading. Ta is the daily mean temperature in 20 days before heading; Tb is the daily mean temperature in 10 days after heading. The symbol "-" indicates continuous, the sign "+" indicates more than a certain duration.

1.4 水稻障礙型冷害時空格局分析

采用某一年份冷害發(fā)生站數(shù)與總站數(shù)的比值（站次比F）表示該年冷害出現(xiàn)范圍的大小[19]，即

式中，m為各熟性區(qū)內(nèi)發(fā)生冷害的站點數(shù)，M為各熟性區(qū)內(nèi)站點總數(shù)，各熟性區(qū)不包括不適宜種植區(qū)。同時，利用多元線性回歸方法分析冷害站次比隨研究年份的線性變化趨勢。

以10a為一個時段（1986-1995年、1996-2005年和2006-2015年），采用某一時段出現(xiàn)冷害的年數(shù)與該時段總年數(shù)的比值（Pi）表示某一站該時段冷害的發(fā)生頻率（%），即

式中，n為該站點指定時段內(nèi)發(fā)生某種等級冷害的年數(shù)，N為指定時段內(nèi)總年數(shù)，i為用于區(qū)別不同站點的代號。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同熟性水稻適宜種植區(qū)劃分及其變化

基于東北地區(qū)各氣象站點1986-2015年的逐日氣溫觀測數(shù)據(jù)，參照國家標準制定的80%保證率下≥10℃活動積溫指標，采用5日滑動平均法[16]判定≥10℃溫度的起止日期，即從一年中最長的一段≥10℃的5日滑動平均溫度序列中，選取第1個≥10℃的5日滑動平均組中的第1個≥10℃的日期作為起始日期，選取最后一個≥10℃的5日滑動平均組中的最后一個≥10℃的日期作為終止日期，≥10℃活動積溫為起止日期時段內(nèi)≥10℃的日平均氣溫的總和，采用AUSPLIN氣象插值軟件對研究區(qū)內(nèi)各站點有效積溫進行插值。參照國家標準劃定的不同熟性水稻適宜種植區(qū)活動積溫指標，采用ARCGIS軟件中重分類（Reclassify）工具對氣象插值結(jié)果進行分類，將東北地區(qū)分為早熟型、中熟型、晚熟型水稻適宜種植區(qū)以及不適宜水稻種植區(qū)4個類別，其對應(yīng)的≥10℃積溫區(qū)間分別為1800～2400℃·d、2400～2850℃·d、≥2850℃·d和＜1800℃·d。

東北地區(qū)水稻熟性分區(qū)如圖2所示。由圖可見，1986-1995年（T1時段），不適宜種植區(qū)主要分布在黑龍江省西北部大興安嶺、黑河及伊春地區(qū)和吉林省東部白山、延邊地區(qū)，早熟區(qū)主要位于黑龍江省東部、吉林省中東部和遼寧省東北部，中熟區(qū)主要集中在黑龍江省西南部和吉林省中西部，晚熟區(qū)主要分布在遼寧省中西部；與T1時段相比，T2時段（1996-2005年）不適宜種植區(qū)范圍向西北部減小，減小部分主要來自黑龍江省西北部和吉林省東部不適宜種植區(qū)向早熟區(qū)的轉(zhuǎn)化，早熟區(qū)范圍減小明顯，減小部分主要來自黑龍江省東部早熟區(qū)向中熟區(qū)的轉(zhuǎn)化，中熟區(qū)范圍變化較大，位于黑龍江省東部的中熟區(qū)范圍向東北部增加，而位于吉林省中西部的中熟區(qū)范圍減小，晚熟區(qū)范圍增加明顯，增加部分主要來自吉林省中西部的中熟區(qū)向晚熟區(qū)的轉(zhuǎn)化；與T2時段相比，T3時段（2006-2015年）不適宜種植區(qū)和早熟區(qū)范圍持續(xù)向西北部減小，不適宜種植區(qū)縮至黑龍江省西北部大興安嶺地區(qū)，黑龍江省東北部早熟區(qū)持續(xù)向中熟區(qū)轉(zhuǎn)化，中熟區(qū)范圍因黑龍江省西北部早熟區(qū)的轉(zhuǎn)化而增加，晚熟區(qū)范圍則變化不明顯。

圖2 1986-2015年不同階段東北地區(qū)不同熟性水稻適宜種植區(qū)分布

可見，隨著時間的發(fā)展，東北地區(qū)水稻不適宜種植區(qū)范圍逐漸減小，不同熟性水稻適宜種植區(qū)范圍不斷北移東擴，其中以晚熟區(qū)擴大范圍最為明顯。

2.2 不同熟性水稻適宜種植區(qū)域障礙型冷害影響范圍及其變化

2.2.1 總冷害站次比

由圖3可見，研究期內(nèi)歷年不同熟性水稻適宜種植區(qū)發(fā)生障礙型冷害的站次比波動很大，各熟性區(qū)存在差異。具體來看，30a間，早熟區(qū)有2a（1994、2000年）、中熟區(qū)有3a（1997、2008、2013年）、晚熟區(qū)有5a（1991、1994、2007、2008、2014年）未發(fā)生冷害（總冷害站次比為0），早熟區(qū)最少、晚熟區(qū)最多，具體年份也不相同。比較不同熟性區(qū)冷害影響站次比較大年份可見，早熟區(qū)冷害影響最大年份是2006年和2009年，有60%的站點受到冷害影響；中熟區(qū)冷害影響最大年份也是2006年，有71%的站點受到影響；晚熟區(qū)在2006年有37%的站點受到冷害影響，冷害影響范圍最大的是1989年，有55%的站點受到影響。從《氣象災(zāi)害大典》和《中國氣象災(zāi)害年鑒》的記載和姜麗霞等[20-22]的研究中可發(fā)現(xiàn)，1993、1994、2007、2008、2013和2014年為東北地區(qū)冷害較少年份，而在2006年東北地區(qū)遭遇了大范圍階段性低溫，當年黑龍江省有29.6萬hm2農(nóng)田遭受低溫冷害，吉林省有23個縣（市）出現(xiàn)了障礙型冷害，遼寧省7月下旬北部開原、本溪、阜新等地出現(xiàn)階段性低溫冷害?？梢?，所選指標能較好地反映整個東北地區(qū)范圍內(nèi)水稻障礙型低溫冷害的發(fā)生狀況?？傮w上看，在所有研究年份均有冷害發(fā)生，早熟區(qū)在T1-T2-T3時段內(nèi)冷害發(fā)生年數(shù)變化不明顯，中熟區(qū)和晚熟區(qū)在T3時段進入冷害少發(fā)階段。早熟區(qū)和中熟區(qū)冷害影響范圍在T3時段呈增加趨勢，晚熟區(qū)冷害影響范圍在T3時段呈減小趨勢。

不同熟性區(qū)冷害平均影響站次比也不同，早熟區(qū)年平均冷害站次比為0.24，中熟區(qū)為0.13，晚熟區(qū)為0.15，可見，早熟區(qū)受冷害影響范圍最大，中熟區(qū)最小。采用線性回歸方法分析不同熟性區(qū)發(fā)生障礙型冷害站次比與研究年份的關(guān)系，得出早熟區(qū)、中熟區(qū)和晚熟區(qū)內(nèi)兩者回歸系數(shù)的P值分別為0.86、0.41和0.68，均未通過0.05水平的顯著性檢驗，可見，不同熟性區(qū)障礙型冷害站次比隨研究年份的線性變化趨勢不顯著，但具有顯著的階段性特征。分階段計算不同熟性區(qū)冷害站次比年平均值可見（圖3），早熟區(qū)冷害站次比年平均值存在T1-T2-T3時段歷經(jīng)先減小后增大的過程，在T3時段達到最大值；中熟區(qū)冷害站次比年平均值在T1-T2-T3時段逐漸增大，并在T3時段達到最大值；晚熟區(qū)冷害站次比年平均值在T1-T2-T3時段歷經(jīng)先增大后減小的過程，最大值出現(xiàn)在T2時段。

圖3 1986-2015年東北地區(qū)不同熟性水稻適宜種植區(qū)障礙型冷害總站次比

注：1986-1995年為T1時段，1996-2005年為T2時段，2006-2015年為T3時段。下同。

Note: T1 stage is 1986-1995, T2 stage is 1996-2005, T3 stage is 2006-2015. The same as below.

2.2.2 不同強度等級冷害站次比

由圖4a可見，研究期內(nèi)，早熟區(qū)發(fā)生輕度冷害的年份數(shù)最多，中度冷害次之，重度冷害最少，分別為25a、21a和17a。比較不同熟性區(qū)冷害影響站次比較大年份可見，早熟區(qū)輕度冷害影響最大的是2001年，31%的站點受到影響，中度冷害影響范圍最大的是2006年，27%的站點受到影響，重度冷害影響范圍最大的是2009年，33%的站點受到影響。早熟區(qū)各等級冷害年平均站次比也不同，輕度冷害年平均站次比為0.10，中度冷害為0.08，重度冷害為0.06，可見，早熟區(qū)輕度冷害的影響范圍最大，重度冷害的影響范圍最小。從早熟區(qū)各等級冷害站次比年平均值看出，輕度冷害站次比年平均值在T1-T2-T3時段逐漸增大；中度冷害站次比年平均值在T1-T2-T3時段經(jīng)歷先減小后增大的過程，在T3時段達到最大值；重度冷害站次比年平均值在T1-T2-T3時段經(jīng)歷先減小后增大的過程，最大值出現(xiàn)在T1時段。總體上看，早熟區(qū)發(fā)生冷害年份占所有研究年份的93%，輕度冷害和中度冷害在T1-T2-T3時段內(nèi)發(fā)生年數(shù)變化不明顯，重度冷害在T3時段進入少發(fā)階段。進入T3時段，各冷害影響范圍呈增加趨勢。

圖4b顯示，過去30a中，中熟區(qū)發(fā)生輕度冷害年數(shù)最多，為25a，重度冷害發(fā)生年數(shù)最少，為15a，中度冷害年數(shù)為20a。中熟區(qū)各等級冷害在2006年影響范圍達到最大，24%的站點受到輕度冷害影響，27%的站點受到中度冷害影響，20%的站點受到重度冷害影響。中熟區(qū)輕度冷害年平均站次比最大，其次為中度冷害，重度冷害年平均站次比最小，分別為0.06、0.05和0.02。中熟區(qū)各等級冷害站次比年平均值顯示，輕度冷害站次比年平均值在T1-T2-T3時段經(jīng)歷先增大后減小的過程，中度冷害和重度冷害站次比年平均值在T1-T2-T3時段逐漸增大?？傮w上看，中熟區(qū)發(fā)生冷害年份占到所有研究年份的90%，輕度冷害和中度冷害在T1-T2-T3時段內(nèi)發(fā)生年數(shù)變化不明顯，重度冷害在T1-T2-T3時段內(nèi)發(fā)生年數(shù)逐漸增加。進入T3時段，輕度冷害影響范圍減小，中度冷害和重度冷害影響范圍在研究期內(nèi)逐漸擴大。

圖4c顯示，研究期內(nèi)晚熟區(qū)各等級冷害發(fā)生年數(shù)差異較大，輕度冷害發(fā)生年數(shù)為24a，中度冷害發(fā)生年數(shù)為19a，重度冷害發(fā)生年數(shù)為13a，輕度冷害最多，重度冷害最少。晚熟區(qū)輕度冷害在1989年影響范圍達到最大，有48%的站點受到冷害影響，中度冷害和重度冷害影響范圍最大的是1996年，分別為29%和27%。晚熟區(qū)輕度冷害年平均站次比為0.12，影響范圍最大，重度冷害年平均站次比為0.03，影響范圍最小，中度冷害年平均站次比為0.08。分階段計算晚熟區(qū)各等級冷害站次比年平均值可見，輕度冷害站次比年平均值在T1-T2-T3時段逐漸減小，中度冷害和重度冷害站次比年平均值在T1-T2-T3時段經(jīng)歷先增大后減小的過程。總體上看，晚熟區(qū)發(fā)生冷害年份占到所有研究年份的83%，T2時段為輕度冷害高發(fā)期，中度冷害在T1-T2-T3時段內(nèi)發(fā)生年數(shù)變化不明顯，重度冷害在T3時段進入少發(fā)階段。進入T3時段，各等級冷害影響范圍呈減小趨勢。

圖4 1986-2015年東北地區(qū)早熟(a)、中熟(b)、晚熟區(qū)(c)水稻輕度(1)、中度(2)、重度(3)障礙型冷害站次比

2.3 不同熟性水稻適宜種植區(qū)障礙型冷害發(fā)生頻率及其變化

2.3.1 總冷害頻率

由圖5可見，整個分析期各站點障礙型冷害的頻率變化較大，不同熟性區(qū)存在差異。

圖5a為T1時段水稻障礙型冷害頻率的空間分布。由圖可見，T1時段冷害發(fā)生頻率>30%的站點主要位于早熟區(qū)黑龍江省西北部孫吳、五營地區(qū)、中東部嘉蔭、海倫地區(qū)和吉林省東部羅子溝地區(qū)，中熟區(qū)在黑龍江省東北部龍江、富裕地區(qū)，晚熟區(qū)位于遼寧省南部熊岳和凌源地區(qū)，其它地區(qū)冷害較少發(fā)生。T1時段為早熟區(qū)冷害高發(fā)期，冷害發(fā)生頻率>30%的站點占29%，其中冷害發(fā)生頻率>50%的站點位于早熟區(qū)黑龍江省西北部孫吳、五營地區(qū)；由圖5b可見，與T1時段相比，T2時段早熟區(qū)冷害發(fā)生程度減輕，早熟區(qū)冷害頻率>30%的站點占16%，主要位于黑龍江省西北部呼瑪?shù)貐^(qū)，中熟區(qū)和晚熟區(qū)冷害發(fā)生程度加重，冷害頻率>30%的站點占比增加，其中，中熟區(qū)吉林省東部和龍地區(qū)冷害發(fā)生頻率>50%；圖5c顯示，T3時段早熟區(qū)黑龍江省西北部呼瑪、五營地區(qū)發(fā)生冷害頻率較高，為50%以上，占站點總數(shù)的20%，除此之外，T3時段發(fā)生冷害頻率>30%的站點主要位于中熟區(qū)黑龍江省東北部北安、樺川地區(qū)，晚熟區(qū)，遼寧省南部葫蘆島、蓋州地區(qū)，其它地區(qū)冷害較少發(fā)生。

圖5 1986-1995年(a)、1996-2005年(b)和2006-2015(c)年東北地區(qū)水稻障礙型冷害發(fā)生頻率

2.3.2 不同強度等級冷害頻率

（1）輕度等級冷害。由圖6a可見，T1時段早熟區(qū)黑龍江省西北部克山、依安地區(qū)，晚熟區(qū)遼寧省中部雙遼、法庫地區(qū)的站點發(fā)生輕度冷害頻率>20%，其它地區(qū)冷害較少發(fā)生，T1時段為晚熟區(qū)輕度冷害發(fā)生頻率最高的時段，發(fā)生輕度冷害頻率>20%的站點占9%（圖6a1）；T2時段早熟區(qū)輕度冷害比T1時段發(fā)生程度加重明顯，有8%的站點發(fā)生輕度冷害的頻率>30%，T2時段輕度冷害發(fā)生頻率>20%的站點主要位于早熟區(qū)吉林省東北部安圖地區(qū)，中熟區(qū)黑龍江省東北部鶴崗區(qū)和吉林省東部通化、和龍地區(qū)，晚熟區(qū)遼寧省東南部岫巖地區(qū)，其它地區(qū)冷害較少發(fā)生（圖6a2）；T3時段早熟區(qū)黑龍江省西北部呼瑪?shù)貐^(qū)和晚熟區(qū)遼寧省東南部大石橋地區(qū)的站點發(fā)生輕度冷害頻率>20%，而其它地區(qū)發(fā)生冷害頻率較低，其中中熟區(qū)大部發(fā)生輕度冷害頻率在10%～20%（圖6a3）。

（2）中度等級冷害。圖6b顯示，T1時段發(fā)生中度冷害頻率>20%的站點主要集中在早熟區(qū)黑龍江省西北部五大連池地區(qū)和東北部嘉蔭地區(qū)，晚熟區(qū)遼寧省南部喀左、撫順地區(qū)，其它地區(qū)冷害發(fā)生較少（圖6b1）；T2時段為早熟區(qū)中度冷害發(fā)生頻率最高的時段，有8%的站點發(fā)生中度冷害的頻率>30%，主要分布在吉林省東部安圖地區(qū)，發(fā)生中度冷害頻率>20%的站點主要位于黑龍江省東北部寶清地區(qū)和吉林省東部汪清地區(qū)，晚熟區(qū)遼寧省南部熊岳和海城地區(qū)（圖6b2）；進入T3時段后，整個研究區(qū)內(nèi)發(fā)生中度冷害的頻率整體減少，但中熟區(qū)發(fā)生中度冷害頻率>20%站點數(shù)相對T2時段增加，其余大部地區(qū)中度冷害較少發(fā)生（圖6b3）。

（3）重度等級冷害。由圖6c可見，T1時段早熟區(qū)重度冷害發(fā)生頻率較高，10%的站點發(fā)生重度冷害頻率>20%，其中黑龍江省西北部孫吳、伊春地區(qū)的站點發(fā)生中度冷害頻率>30%，而中熟區(qū)和晚熟區(qū)大部分站點發(fā)生冷害頻率均≤20%（圖6c1）；T2時段與T1時段相比，各熟性區(qū)發(fā)生重度冷害程度減輕，僅早熟區(qū)吉林省東部和龍地區(qū)的站點發(fā)生重度冷害頻率在20%～30%，其余地區(qū)發(fā)生冷害頻率均≤20%（圖6c2）；T3時段早熟區(qū)發(fā)生重度冷害程度繼續(xù)減輕，各熟性區(qū)發(fā)生重度冷害頻率均≤20%（圖6c3）。

圖6 1986-1995年(1)、1996-2005年(2)和2006-2015年(3)東北地區(qū)水稻輕度(a)、中度(b)和重度(c)障礙型冷害發(fā)生頻率

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）1986-2015年東北地區(qū)不適宜水稻種植的區(qū)域逐漸減小，不同熟性適宜種植區(qū)范圍呈現(xiàn)北移東擴的趨勢，適宜水稻種植區(qū)域范圍增加。研究期內(nèi)東北水稻障礙型冷害在不同熟性種植區(qū)的時空分布表現(xiàn)為，早熟區(qū)冷害年平均站次比最高，晚熟區(qū)次之，中熟區(qū)最低。

（2）2006-2015年為早熟區(qū)冷害多發(fā)時段，1986-1995年為中熟區(qū)冷害多發(fā)時段，1996-2005年為晚熟區(qū)冷害多發(fā)時段；在2006-2015年，早熟區(qū)重度冷害發(fā)生頻率最低，中熟區(qū)中度冷害發(fā)生頻率增加明顯，晚熟區(qū)輕度冷害發(fā)生頻率顯著增加。

（3）2006年以后，中熟區(qū)和晚熟區(qū)冷害發(fā)生頻率整體下降，但是個別區(qū)域在某些年份仍出現(xiàn)不同程度的冷害，表明東北地區(qū)冷害發(fā)生具有不確定性。不同熟性區(qū)冷害多發(fā)時間段并不一致，不同等級冷害的多發(fā)時間段也不相同。

3.2 討論

（1）本研究在關(guān)鍵生育期時間確定上，利用霍普金斯物候定律[17]推算東北地區(qū)無觀測數(shù)據(jù)站點的水稻關(guān)鍵生育期時間，與實際生育期時間存在一定偏差。因此，今后應(yīng)對研究區(qū)各站點生育期資料進行完善，使指標能更好地體現(xiàn)冷害對不同熟性區(qū)水稻的影響。

（2）由于冷害依據(jù)的分級標準、分析方法等不盡相同，本研究所分析的水稻冷害分布區(qū)域、頻率與其它文獻[23-24]有差別，主要體現(xiàn)在輕度和中度冷害分布區(qū)，而重度冷害的分布區(qū)域、頻率與余會康等[25-27]的研究結(jié)果大體相同。

（3）東北地區(qū)不同熟性水稻適宜種植區(qū)遭受冷害的頻率差異較大、波動性明顯，而近50a（1961-2010年）極端低溫事件呈增加趨勢[28]，其波動性導(dǎo)致冷害發(fā)生不確定性增加，因此，障礙型冷害仍是東北地區(qū)水稻生產(chǎn)中應(yīng)著重關(guān)注的氣象災(zāi)害。在氣候變化背景下，應(yīng)結(jié)合障礙型冷害發(fā)生的表現(xiàn)特征，合理安排種植制度和提前準備防災(zāi)救災(zāi)措施[29]，以減小障礙型冷害對水稻產(chǎn)量的影響。

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Temporal and Spatial Distribution of Sterile-type Chilling Damage in Rice Growth- suited Areas with Different Maturity in Northeast China

LIANG Li-jiang1, WU Yong-feng1, LIU Cong1,2, SHAO Shuai3

(1. Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture/Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2. College of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330000; 3.Department of Computer Science, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310000)

Northeast China is the main rice producing area in China, and chilling damage is the most serious meteorological disaster affecting rice production in this area. Study on the temporal and spatial distribution of sterile-type chilling damage in the rice growth-suited areas with different maturity is helpful to provide the scientific basis for the rational production and management of rice in Northeast China. Based on the daily mean air temperature data at 167 meteorological stations and rice growth stage record data at 28 phenological observation stations, Chilling Damage Grade of Rice Northern China (GB / t 34967-2017) was selected to evaluate sterile-type chilling damage in the rice growth-suited areas with different maturity in Northeast China. First, the rice growth-suited areas with different maturity at three stages 1986-1995, 1996-2005 and 2006-2015 were determined based on the 80% guarantee rate of active accumulated temperature. Then, the ratio (F) of the meteorological stations with sterile-type chilling damage and frequency (P) of chilling damage were calculated to analyze temporal and spatial distribution of the damage from 1986 to 2015. The results showed that the area unsuitable for rice growth decreased gradually and the rice growth-suited area with different maturity showed an expanding trend towards north and east. Among them, the late-maturating rice area showed the most significant increase. The ratio (F) of the stations with sterile-type chilling damage was the largest in the early-maturating rice area, followed by the late-maturating rice area and midseason-maturating rice area. The occurrence frequency (P) of sterile-type chilling damage varied greatly among stations and rice growth-suited areas with different maturity. During 1986-1995, 1996-2005 and 2006-2015, obvious sterile-type chilling damage mainly occurred in the midseason-maturating, late-maturating and early-maturating rice area, respectively. During 2006-2015, the frequency (P) of sterile-type chilling damage with Sever grade reduced in the early-maturating rice area, while the frequency (P) with Middle grade in the midseason-maturating rice area and Slight grade in the late-maturating rice area increased. It should be noted that sterile-type chilling damage in Northeast China was still uncertain despite the overall decline in frequency, and probably occurred in any area and any year. The fluctuation of sterile-type chilling damage led to the increase of its uncertainty. In the context of climate change, the planting system, disaster prevention and relief measures should be reasonably arranged in combination with the characteristics of sterile-type chilling damage occurrences, so as to reduce its impact on rice yield.

Rice; Maturity; Active accumulated temperature; Sterile-type chilling damage of rice; Northeast China

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.05.005

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2019?11?25

武永峰，E-mail: wuyongfeng@caas.cn

十三五國家重點研發(fā)計劃子課題（2017YFD0300402-2）

梁立江，E-mail：llj1943@qq.com