蔡少杰，徐峰增，張曉勇，王可純，衛(wèi) 琦

(1 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 南京 210098； 2 南京眾誠土地規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司， 南京 210019)

以全球變暖為主要特征的氣候變化已成為當(dāng)今世界重要的環(huán)境問題之一。自從20世紀(jì)80年代以來，我國北方地區(qū)增溫趨勢顯著[1,2]。氣候變暖，積溫增加，延伸了作物生育期，大部分作物種植界限向北移動(dòng)[3-5]。水稻具有喜溫喜濕特性，溫度是其生態(tài)種植分區(qū)的主要依據(jù)[6]。通常認(rèn)為≥10 ℃活動(dòng)積溫超過2 400 ℃時(shí)適宜種植水稻，生長期間活動(dòng)積溫?fù)p失超過200 ℃將影響正常成熟，形成延遲型冷害[7-10]。針對我國寒區(qū)黑龍江水稻種植區(qū)，研究氣候變化背景下適宜水稻種植區(qū)的變更，對于認(rèn)識氣候變化對黑龍江寒區(qū)水稻生產(chǎn)的影響，進(jìn)而確定農(nóng)業(yè)種植的區(qū)劃以及合理配置農(nóng)業(yè)水土資源具有重要意義。近年來，許多學(xué)者使用平均溫度、降雨、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等指標(biāo)[11-13]，對氣候變化下農(nóng)作物生產(chǎn)響應(yīng)進(jìn)行研究，但針對氣候變化背景下積溫帶變化及與水稻相適宜的種植范圍研究較少。本文以黑龍江省為例，探討氣候變化背景下水稻主要生長積溫帶變化，以期為黑龍江省在未來氣候變化下作物生產(chǎn)布局和農(nóng)業(yè)水土資源合理分配提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)收集了黑龍江省15個(gè)氣象站點(diǎn)(見圖1)1956年1月1日至2015年12月31日的逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)，地理信息資料包括1∶25萬黑龍江省基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

圖1 黑龍江省各氣象站點(diǎn)分布

1.2 MK趨勢檢驗(yàn)分析方法

積溫以及時(shí)間窗口總體變化趨勢檢驗(yàn)采用線性擬合及Mann-Kendall(以下簡稱MK)檢驗(yàn)分析方法[14]。在MK檢驗(yàn)中，進(jìn)行雙邊檢驗(yàn)。原假設(shè)H0：時(shí)間序列數(shù)據(jù)(X1,X2,…,Xn)是n個(gè)獨(dú)立的、同分布的隨機(jī)變量樣本；備擇假設(shè)H1：對于所有的i,j

(1)

其中：

(2)

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

(3)

式中：sgn ()為符號函數(shù)，當(dāng)Xi-Xj小于、等于或者大于0時(shí)，sgn (Xi-Xj)分別為-1、0或1。

在雙邊趨勢檢驗(yàn)中，對于給定的置信水平α，若|Z|≥Z1-α/2，則原假設(shè)H0是不可能接受的，即在置信水平α上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。Z為正值表示增加趨勢，負(fù)值表示減少趨勢。Z的絕對值在≥1.28、1.64和2.32時(shí)表示分別通過了置信度90%、95%和99%顯著性檢驗(yàn)。

1.3 ≥10 ℃活動(dòng)積溫(AAT10)

在農(nóng)作物所需要的其他因子都得到基本滿足時(shí)，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度對農(nóng)作物生長起主導(dǎo)作用。農(nóng)作物完成某一生長發(fā)育期需要一定量的積溫，它表明農(nóng)作物在其全生育期或某一生育期熱量的總需求，不滿足積溫，農(nóng)作物就不能正常發(fā)育，活動(dòng)積溫是指某一時(shí)段內(nèi)活動(dòng)溫度的累加和[15-17]。當(dāng)平均氣溫穩(wěn)定到達(dá)10 ℃以上時(shí)，水稻才能活躍生長。本文采用5 d滑動(dòng)平均法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將穩(wěn)定≥10 ℃的逐日平均氣溫累加，作為≥10 ℃活動(dòng)積溫，記為AAT10(Annual accelerated temperature above 10 ℃)。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，確定能廣泛種植水稻的下限積溫條件為：早熟品種所需AAT10為2 300 ℃左右，中熟品種所需AAT10為2 400 ℃左右，中晚熟品種所需AAT10為2 700 ℃以上[15,18,19]。AAT10能直觀的顯示水稻生育期的熱量資源情況，是熱量資源的主要標(biāo)志，是農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃的重要指標(biāo)之一[8]。

1.4 反距離權(quán)重法(IDW)

反距離權(quán)重 (IDW) 插值使用一組采樣點(diǎn)的線性權(quán)重組合來確定像元值[20]。權(quán)重是一種反距離函數(shù)，此方法假定所映射的變量因受到與其采樣位置間的距離的影響而減小。反距離權(quán)重法主要依賴于反距離的冪參數(shù)，冪參數(shù)可基于距輸出點(diǎn)的距離來控制已知點(diǎn)對內(nèi)插值的影響。冪參數(shù)是一個(gè)正實(shí)數(shù)，默認(rèn)值為2。定義更高的冪參數(shù)，可進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)最近點(diǎn)，即鄰近數(shù)據(jù)將受到最大影響，表面會(huì)變得更加詳細(xì)(更不平滑)。隨著冪參數(shù)的增大，內(nèi)插值將逐漸接近最近采樣點(diǎn)的值。本文取Arcmap 10.2冪參數(shù)默認(rèn)值2。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻種植區(qū)氣溫及AAT10變化特征

黑龍江省水稻種植區(qū)在1956-2015年的平均氣溫為2.65 ℃。在所選取的15個(gè)氣象站點(diǎn)中，各氣象站點(diǎn)的年平均最高氣溫(Tmax)、年平均氣溫(Tmean)和年平均最低氣溫(Tmin)均呈現(xiàn)增加趨勢。由表1可知：Tmax每10 a平均增加了0.17 ℃，傾向率最大值為孫吳站點(diǎn)每10 a 0.31 ℃，最小值為綏芬河站點(diǎn)每10 a 0.04 ℃；Tmean每10 a平均增加了0.33 ℃，傾向率最大值為孫吳站點(diǎn)每10 a 0.57 ℃，最小值為綏芬河站點(diǎn)每10 a 0.04 ℃；Tmin每10年平均增加了0.47 ℃，傾向率最大值為孫吳站點(diǎn)每10 a 0.90 ℃，最小值為富錦站點(diǎn)每10 a 0.28 ℃。對各站點(diǎn)Tmax、Tmean、Tmin傾向率進(jìn)行MK趨勢檢驗(yàn)，除綏芬河Tmax傾向率Z值小于1.28外，其他站點(diǎn)Z值均為正值且超過1.64，具有明顯上升的趨勢。本研究結(jié)果表明，在全球變暖的背景下，Tmin以較大的傾向率極顯著增加，Tmax以較小的傾向率顯著增加，這種氣溫的非對稱性變化，對提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和改善作物種植結(jié)構(gòu)具有積極意義[21]。

此外，通過計(jì)算各氣象站點(diǎn)在1956-2015年每10 a的AAT10平均值，并采用線性回歸方法分析了各站點(diǎn)AAT10傾向率并進(jìn)行MK趨勢檢驗(yàn)(見表2、圖2、圖3)。結(jié)果顯示，黑龍江省AAT10平均每10 a增加了50～100 ℃，各站點(diǎn)MK方法統(tǒng)計(jì)量Z為正值且大部分超過2.32，達(dá)到極顯著水平，有明顯的上升趨勢。其中，各站點(diǎn)在1996-2005年的AAT10平均值較1986-1995年的值有了顯著提高，這與東北地區(qū)20世紀(jì)80年代產(chǎn)生“一致性增溫”效應(yīng)結(jié)果較為一致[22]。

表1 各站點(diǎn)年溫度變化傾向率每10 a值及趨勢檢驗(yàn)結(jié)果 ℃

注：Tmax、Tmean和Tmin分別代表年平均最高氣溫、年平均氣溫和年最低氣溫；**、*和-代表極顯著(p<0.01)、顯著(p<0.05)和不顯著(p>0.1)。

表2 黑龍江省各站點(diǎn)每10 aAAT10平均值 ℃

圖2 黑龍江省各站點(diǎn)AAT10傾向率

圖3 AAT10的MK趨勢檢驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)一步分析可知，齊齊哈爾AAT10高于晚稻積溫要求下限2 700 ℃(該站點(diǎn)可代表小興安嶺西南部分種植區(qū))，且自20世紀(jì)90年代起，AAT10進(jìn)入3 000 ℃，活動(dòng)積溫顯著上升，平均每10 a上升75 ℃。經(jīng)過MK檢驗(yàn)Z值為5.92>2.32，通過99%置信度檢驗(yàn)，為極顯著水平。另外，安達(dá)、雞西、牡丹江、綏化4個(gè)氣象站點(diǎn)在1956-2015年AAT10上升明顯，75%站點(diǎn)AAT10從20世紀(jì)70年代就穩(wěn)定超過晚稻積溫要求下限2 700 ℃，水稻適宜種植區(qū)由此變更。其中北林站點(diǎn)AAT10活動(dòng)積溫有著最大增幅，60 a增長了300 ℃，傾向率每10 a 78 ℃。截止2015年，富錦、克山、尚志、明水、通河站點(diǎn)，AAT10均超過2 700 ℃。原先不能種植中晚稻的克山等地區(qū)現(xiàn)在已經(jīng)可以滿足水稻活動(dòng)積溫要求，即中晚熟水稻適宜種植區(qū)域變更，包含了原黑龍江第三積溫帶地區(qū)。海倫和嫩江2個(gè)站點(diǎn)在過去60 a的AAT10顯著上升，平均每10 a上升70 ℃積溫，進(jìn)入到21世紀(jì)后，AAT10普遍超過2 500 ℃，表明原先只適合種植早熟、中早熟、中熟的該部分地區(qū)也可以滿足中晚稻的活動(dòng)積溫要求。呼瑪、綏芬河、孫吳3個(gè)站點(diǎn)中孫吳站點(diǎn)1956-2015年AAT10變化范圍為1 700～2 700 ℃，在1969年出現(xiàn)最低1 710 ℃，從21世紀(jì)開始，AAT10穩(wěn)定高于2 400 ℃，原先不能滿足中早稻最低活動(dòng)積溫的呼瑪、綏芬河、孫吳等地區(qū)已滿足，部分地區(qū)滿足中早稻活動(dòng)積溫需求。

2.2 黑龍江省水稻適宜種植區(qū)域變化特點(diǎn)

為更好展示水稻適宜種植區(qū)(積溫帶)的變化，將1956-2015年數(shù)據(jù)分為1956-1984年和1985-2015年2個(gè)時(shí)期。每個(gè)時(shí)期將各年AAT10數(shù)據(jù)從低到高排列，選擇排在第20%(保證率80%)位的AAT10值作為該段時(shí)期的代表值。

使用Arcmap 10.2軟件，將每個(gè)時(shí)段AAT10數(shù)據(jù)用反距離權(quán)重法空間插值到整個(gè)黑龍江地區(qū)，以100 ℃為間隔繪制積溫等值線，結(jié)果見圖4。可以看出，總體上黑龍江省水稻適宜種植區(qū)在向北不斷擴(kuò)張，2 300 ℃ AAT10積溫等值線從48.86°N向北(大興安嶺地區(qū)方向)擴(kuò)展至50.12°N，2 400 ℃ AAT10等值線線從48.39°N向北擴(kuò)展至49.49°N；以2 300 ℃ AAT10積溫等值線為水稻適宜種植區(qū)下限，則水稻適宜種植區(qū)域向北擴(kuò)張了38 124.75 km2,見圖5。通過對1955-1984年和1985-2015年2個(gè)時(shí)段典型年的AAT10進(jìn)行對比，可以得出，①除了最北部地區(qū)外，各積溫等直線均向北移動(dòng)，區(qū)域熱量資源增加趨勢明顯；②伴隨著AAT10積溫帶的變更，黑龍江省水稻種植結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，部分地區(qū)可選用中、晚熟品種；③氣溫進(jìn)一步上升，滿足水稻種植積溫下限界限向北移動(dòng)，水稻的種植區(qū)域也隨之向北擴(kuò)張，且向北擴(kuò)張速度相近。

圖4 不同時(shí)段典型年AAT10分布(單位：℃)

圖5 水稻適宜種植區(qū)域北擴(kuò)范圍

2.3 黑龍江省水稻適宜種植時(shí)間窗口變化特點(diǎn)

作物生長需要適宜的溫度，溫度高于10 ℃時(shí)有利于水稻種子的萌發(fā)與生長，且水稻的全生育期時(shí)長一般為125 d左右[18]。1956-2015年，≥10 ℃開始的日期逐年向前移動(dòng)，平均每10 a前移1.1 d，截止2015年，大部分站點(diǎn)第85 d左右已穩(wěn)定高于10 ℃；與此同時(shí)，AAT10截止日期逐年向后移動(dòng)，平均每10 a延后1.4 d；由截止日減去開始日得到的有效積溫持續(xù)時(shí)間見圖6、圖7，黑龍江省AAT10持續(xù)時(shí)間平均每10 a增加天數(shù)范圍為1.5～4.0 d，平原地區(qū)增速較大，部分站點(diǎn)(如齊齊哈爾等)從1956年的160 d增加至2015年的210 d；根據(jù)MK檢驗(yàn)結(jié)果顯示，統(tǒng)計(jì)量Z除了通河站點(diǎn)大于1.28外，其他站點(diǎn)均大于1.64或2.32，達(dá)到顯著水平，有明顯的上升趨勢?？梢?，黑龍江省水稻適宜時(shí)間種植窗口顯著增長，≥10 ℃持續(xù)天數(shù)不斷增加，滿足絕大部分水稻生育期時(shí)長需求。

圖6 黑龍江省種植時(shí)間窗口傾向率

圖7 種植時(shí)間窗口的MK趨勢檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

本文收集了黑龍江省水稻種植區(qū)15個(gè)氣象站點(diǎn)在1956-2015年的氣象數(shù)據(jù)，研究了氣溫及其累積過程變化趨勢，并結(jié)合傾向率、MK趨勢檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法，分析了水稻適宜種植積溫帶及水稻適宜種植時(shí)間窗口變化特征。得出的主要結(jié)論如下。

(1)過去60 a黑龍江省水稻適宜種植范圍在不斷向北擴(kuò)張，2 300 ℃ AAT10等值線從48.86°N向北擴(kuò)展至50.12°N，2 400 ℃ AAT10等值線從48.39°N向北擴(kuò)展至49.49°N，水稻適宜種植范圍擴(kuò)大了38 124.75 km2。

(2)過去60 a黑龍江省水稻適宜時(shí)間種植窗口顯著增長，≥10 ℃持續(xù)天數(shù)不斷增加，滿足絕大部分水稻生育期時(shí)長需求。

(3)結(jié)合積溫變化分析與水稻適宜種植時(shí)間窗口分析可知，黑龍江省氣候變暖特征能夠滿足不同生育季、不同品種水稻的種植條件。