李新華，張 蕾，姜樹坤，許吟隆

（1.黑龍江省氣象服務中心，哈爾濱 150030；2.國家氣象中心，北京 100081;3.黑龍江省農業(yè)科學院耕作栽培研究所/國家耐鹽堿水稻技術創(chuàng)新中心東北分中心，哈爾濱 150086；4.中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

全球氣候變暖深刻改變著人類生存環(huán)境與資源分布格局。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告(AR5)表明，1880-2012年全球平均溫度上升了0.85℃；到21 世紀末，全球平均氣溫將升高0.3～4.8℃[1]。第三次國家評估報告指出，中國在1909-2011年的增溫幅度為0.9～1.5℃，高于全球平均水平。尤其在1961-2010年，全國平均溫度氣候傾向率為0.27℃·10a-1[2]，東北地區(qū)為0.34℃·10a-1[3]；降水量整體呈現(xiàn)減少趨勢，氣候傾向率為-5.71mm·10a-1[4]。黑龍江省1986-2015年氣溫上升率為0.12℃·10a-1，降水量增加率為4.31mm·10a-1[5]，年日照時數(shù)(1961-2010年)減少率為26.7h·10a-1[6]。1980-2010年東北地區(qū)農作物種植結構發(fā)生了顯著變化，而氣候變暖是作物種植結構改變的關鍵驅動因素，在黑龍江地區(qū)，≥10℃積溫的變化率為84℃·d·10a-1，水稻種植區(qū)域隨著積溫帶的北移向北擴大[7-8]。松嫩平原 2001-2017年活動積溫較1951-2000年增加，氣候傾向率為310.2℃·d·10a-1[9]；無霜期延長， 1951-2017年氣候傾向率為2.3d·10a-1[9]；年日照時數(shù)呈明顯減少趨勢[10]。另有研究表明，在氣候變化情景下，21 世紀中期，黑龍江省增溫可達3℃以上，大部地區(qū)生長季將延長10～15d，生長季內極端平均最高氣溫升幅可達1.8℃～2.6℃[11]；松嫩平原地區(qū)≥10℃積溫持續(xù)日數(shù)將增加20～25d，無霜期增加25～30d[12]。

氣候變化對農業(yè)的影響是全球氣候變化研究領域的熱點問題之一[13-15]，主要表現(xiàn)為熱量資源、水分資源和光資源變化的影響，進而導致農業(yè)生產過程中種植措施的調整與改變，最終影響農作物的種植制度、品種布局以及生長發(fā)育和產量形成[16-18]。黑龍江省水稻種植面積和總產量均居全國之首[19]，位于黑龍江省西南部的松嫩平原，作為糧食主產區(qū)具有地勢平坦、土壤肥沃、氣候適宜等特點，年均氣溫1.6～5.0℃，年均降水量400～600mm，日均氣溫≥10℃的日數(shù)在150d 以上，對發(fā)展農業(yè)生產具有明顯優(yōu)勢[20-21]。松嫩平原是國家重要商品糧基地，糧食商品率占30%以上，因此，研究氣候變化對松嫩平原地區(qū)糧食生產的影響具有重要意義。前人對松嫩平原地區(qū)氣候或者農業(yè)氣候資源的分析，所采用的全球模式或實際觀測資料數(shù)據(jù)的空間分辨率多為0.5°×0.5°[22-23]，本研究應用Xu 等[24]對全國751個氣象觀測點的逐日數(shù)據(jù)插值后得到的分辨率為0.25°×0.25°格點數(shù)據(jù)，從熱量資源、降水資源和輻射資源三方面分析未來30a（2021-2050）松嫩平原地區(qū)農業(yè)氣候資源數(shù)量和配置的變化，對充分利用農業(yè)氣候資源、指導農業(yè)生產以及制定農業(yè)生產應對氣候變化策略具有重大指導意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

基于IPCC AR5 根據(jù)溫室氣體產生的大氣輻射強迫所確定的典型濃度路徑(Representative Concentration Pathways, RCPs)，依托區(qū)域氣候模式PRECIS(Providing Regional Climates for Impacts Studies)[25]模擬生成的中等排放情景(RCP4.5)和高排放情景(RCP8.5)的氣象數(shù)據(jù)（表1），空間分辨率為0.25o(經度)×0.25o(緯度)，時間分辨率為逐日輸出值，數(shù)據(jù)時間序列為1961-2100年，其中將1961-1990年定義為氣候基準時段，用于模型模擬效果評估以及計算未來時段氣候要素的相對變化值；選取2021-2050年作為未來氣候要素的預估時段，包括逐日平均溫度、降水量和輻射量。PRECIS 對東北地區(qū)氣候的模擬能力已經得到李新華等的驗證[12,25]。李新華等應用統(tǒng)計方法訂正之后，PRECIS 能夠很好地描述各氣象要素的空間分布特征；數(shù)值上，平均溫度的絕對差值在0～0.3℃，降水量絕對差值在0～10mm[12]。本研究使用的均為訂正后數(shù)據(jù)，因此，不再進行PRECIS 模擬能力的介紹及對比，直接進行農業(yè)氣候資源變化特征的分析。

表1 典型濃度路徑下中、高排放情景的定義Table 1 Descriptions of moderate and high radiative forcing scenarios

1.2 研究區(qū)域

選取松嫩平原地區(qū)13 個具有1961年以來完整觀測序列的氣象站點作為分析對象，其中包括黑龍江省的龍江、富裕、齊齊哈爾、泰來、安達、肇州等6 個氣象站和吉林省的白城、大安、乾安、前郭、通榆、長嶺、扶余等7 個氣象站（圖1）。

圖1 研究區(qū)13 個氣象站點分布及地形Fig.1 Distribution of 13 meteorological stations and topographic in the study area

1.3 農業(yè)氣候資源指標

選取代表農業(yè)氣候資源的溫度、降水和輻射量指標進行評估，如表2 所示。代表熱量資源的指標為年平均溫度和五日滑動平均法計算獲得的穩(wěn)定通過10℃的積溫[12]，代表農業(yè)水資源的指標為平均年降水量和生長季降水量（5-9月降水量），代表輻射的指標為年輻射量和生長季輻射量（5-9月輻射量）。

表2 主要農業(yè)氣候資源評估指標Table 2 Main agro-climatic resource indices

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用R 語言對農業(yè)氣候資源指標進行計算；利用ArcGIS 工具生成研究區(qū)域各氣象要素的空間變化圖。

2 結果與分析

2.1 未來熱量資源的時空變化特征

2.1.1 年平均溫度

由圖 2 可見，兩種排放情景下，未來時段（2021-2050年）大部分地區(qū)年平均溫度在6℃以上，均表現(xiàn)為南部高北部低的特點。相較于RCP4.5 情景，RCP8.5 情景年平均溫度分布帶明顯北移。年平均溫度不足6℃的區(qū)域分布在富裕縣、林甸縣、青岡縣、蘭西縣、龍江縣北部以及齊齊哈爾市區(qū)的部分地區(qū)；而在RCP8.5 情景下，年平均溫度高于7.5℃的地區(qū)覆蓋了通榆縣、長嶺縣、乾安縣、大安市、洮南市、洮北區(qū)以及前郭縣的大部分地區(qū)。

圖2 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)年平均溫度的分布Fig.2 Annual mean temperature under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

兩種排放情景下，未來時段松嫩平原年平均溫度增加幅度均表現(xiàn)為南部增幅小、北部增幅大的特點。由圖3 可見，RCP4.5 情景下，大部分地區(qū)增溫幅度在2.5℃以上，其中通榆縣和長嶺縣部分地區(qū)增幅不足2.5℃，而杜蒙、泰來、大同、肇州以北地區(qū)增溫幅度超過了2.6℃；而在RCP8.5 情景下，增溫幅度明顯高于RCP4.5，大部地區(qū)溫度增幅超過2.8℃，不足2.8℃的地區(qū)為長嶺縣和前郭縣的部分地區(qū)；北部地區(qū)溫度增幅則超過了2.9℃。

圖3 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)年平均溫度增加幅度分布Fig.3 Increase value of annual mean temperature under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

2.1.2 ≥10oC 積溫

由圖4 可見，兩種排放情景下，未來時段≥10℃積溫均表現(xiàn)為南部積溫高于北部的特點。RCP4.5 情景下≥10℃積溫多于3550℃·d 的區(qū)域分布在研究區(qū)內的通榆縣、長嶺縣、乾安縣的部分地區(qū)。而在RCP8.5 情景下各地積溫分布帶較RCP4.5 情景明顯北移，不足3450℃·d 的區(qū)域明顯減少，≥10℃積溫高于3550℃·d 的地區(qū)明顯擴大，已經北擴到泰來縣、杜蒙縣的中部地區(qū)。

圖4 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)≥10℃積溫分布Fig.4 Annual integrated temperature ≥10℃ under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

由圖5 可見，未來時段RCP8.5 情景下積溫增加幅度明顯高于RCP4.5 情景。RCP4.5 情景下整個研究區(qū)域積溫增幅在555℃·d 以內，其中西部地區(qū)增幅在478～520℃·d，東部增幅為520～550℃·d。而在RCP8.5 情景下，積溫增幅均超過了602℃·d，其中通榆、乾安、長嶺、大安、前郭、洮南、鎮(zhèn)賚、泰來等地區(qū)超過660℃·d。

圖5 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)≥10℃積溫的增幅分布Fig.5 Increase value of annual integrated temperature≥10℃ under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

綜上可知，未來時段RCP8.5 和RCP4.5 情景下，松嫩平原地區(qū)熱量資源將呈增加趨勢，主要表現(xiàn)為北部增加多，南部增加少的特征。溫度升高將會改善當前研究區(qū)的熱量條件，使松嫩平原作物可種植期延長。

2.2 未來降水量的時空變化特征

2.2.1 年降水量

由圖6 可見，未來時段（2021-2050年）年降水量表現(xiàn)為東部降水多于西部的特點。兩種排放情景下，年降水量的空間分布特征差別不大。從降水量空間分布來看，中西部的大部分地區(qū)年降水量不足500mm，其中杜蒙縣、泰來縣、鎮(zhèn)賚縣、齊齊哈爾市區(qū)等多個地區(qū)年降水量不足470mm。青岡、蘭西、肇東、肇州、富余、前郭、長嶺等東部地區(qū)年降水量超過500mm。

圖6 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)年降水量的分布Fig.6 Annual precipitation under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

由圖7 可見，在兩個排放情景下，未來30a 降水增量空間分布特征一致，為北部增量少，南部增量多，RCP4.5 情景下，鎮(zhèn)賚縣中部、肇源、肇州中部和肇東中部以南地區(qū)，降水增量超過了75mm；而在RCP8.5 情景下，降水增量超過75mm 的地區(qū)僅剩洮北、洮南、通榆、長嶺等地區(qū)，北部地區(qū)降水增量不超過55mm 的地區(qū)有所擴大。

圖7 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)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

可見，未來RCP8.5 和RCP4.5 情景下，松嫩平原地區(qū)降水資源將呈增加趨勢，特征主要表現(xiàn)為南部增加多，北部增加少。降水資源增加，將有利于需水量大的作物生長。

2.2.2 作物生長季（5-9月）降水量

由圖8 可見，未來時段兩種情景下作物生長季內降水量空間分布特點與年降水量一致，為東多西少。RCP8.5 情景下，生長季內降水量不足410mm 的地區(qū)較RCP4.5 明顯擴大，主要覆蓋了中西部的大部分地區(qū)。RCP8.5 情景下，降水量超過440mm 的地區(qū)較RCP4.5 情景下明顯向東縮小，主要覆蓋了蘭西、肇東、扶余、前郭、長嶺的東部地區(qū)。

圖8 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)生長季內（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

由圖9 可見，未來時段生長季內降水增量的空間分布特點為南多北少。RCP4.5 情景下，林甸縣、杜蒙縣北部以及大慶市區(qū)降水量不足35mm，而中南部地區(qū)增量則超過了55mm。在RCP8.5 情景下，相同地區(qū)降水增量小于RCP4.5 情景，尤其是在平原的北部地區(qū)，降水增量不足35mm 的地區(qū)明顯擴大，南部地區(qū)降水增量超過55mm 的地區(qū)明顯縮小。

圖9 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)生長季內（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 未來輻射量的時空變化特征

2.3.1 年輻射總量

由圖10 可見，未來時段兩種情景下松嫩平原地區(qū)年輻射量空間分布特征為南部多于北部。從年輻射量值的空間分布上來看，兩種情景下差別不大，北部地區(qū)年輻射量不足5350MJ·m-2，中部地區(qū)年輻射量為5350～5470MJ·m-2，南部地區(qū)年輻射量則超過了5470MJ·m-2。

圖10 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)年總輻射量的分布Fig.10 Annual radiation under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

由圖11 可見，未來時段松嫩平原地區(qū)年輻射呈減少趨勢。RCP4.5 情景下，減少量超過100MJ·m-2的地區(qū)為鎮(zhèn)賚縣、泰來縣、杜蒙縣、龍江縣和齊齊哈爾市區(qū)等地區(qū)；減少量不到90MJ·m-2的地區(qū)集中在平原東部和南部的部分地區(qū)。而在RCP8.5 情景下，大部分地區(qū)輻射減少量超過了90MJ·m-2，減少量超過100MJ·m-2的地區(qū)覆蓋了西部和南部以及東北部的部分地區(qū)。

圖11 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)輻射量減少量的分布Fig.11 Decrease of annual radiation under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

2.3.2 作物生長季輻射總量

兩種排放情景下，未來時段作物生長季內輻射量空間分布為西南多東北少的特點。兩種排放情景下，中北部輻射量分布特征差別較大，RCP4.5 情景下輻射量為2990～3030MJ·m-2的區(qū)域僅分布在中部一帶，而在RCP8.5 情景下向北分布到富?？h，且中部地區(qū)輻射量為2990～3030MJ·m-2。南部地區(qū)的輻射量在兩種排放情景下均超過了3030MJ·m-2。

由圖13 可見，RCP4.5 情景下，作物生長季內輻射縮量不足20MJ·m-2的地區(qū)僅分布在平原的東部一帶，其余地區(qū)輻射縮量均超過了20MJ·m-2。然而，在RCP8.5 情景下，縮量不足20MJ·m-2的區(qū)域幾乎涵蓋了整個平原的一半地區(qū)，主要集中在平原的北部和東部地區(qū)，其余地區(qū)輻射縮量為 20～35mJ·m-2。可見，未來RCP8.5 和RCP4.5 情景下，松嫩平原地區(qū)輻射量將呈減少趨勢。輻射量減少，意味著光照時間變短。

圖12 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)生長季內（5-9月）輻射量的分布Fig.12 Radiation during growing season (May to September ) under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

圖13 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)生長季內輻射量減少量的分布Fig.13 Decrease of radiation during growing season under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in 2021-2050

3 結論與討論

3.1 結論

相較于1961-1990年，松嫩平原地區(qū)2021-2050年熱量資源呈增加趨勢，空間分布特征表現(xiàn)為由北向南遞增，年平均氣溫增加2.5℃以上，年積溫增加478℃·d 以上；在平原南部地區(qū)，平均溫度超過了7.5℃，且≥10℃積溫超過了3550℃·d。積溫增加表明松嫩平原地區(qū)熱量條件將得到改善，可種植期延長，減少低溫冷害與霜凍害的發(fā)生。年降水量增加50～90mm，其中北部地區(qū)降水增量不足55mm，而南部的部分地區(qū)降水增量超過了90mm；作物生長季內降水量增加25～65mm。年輻射量變化不大，整個區(qū)域輻射減少85～105MJ·m-2，作物生長季內輻射量減少10～40MJ·m-2，輻射減少意味著日照時數(shù)縮短，但日照時數(shù)仍可以滿足作物生長的要求，即輻射量的減少對該區(qū)域種稻改良的影響不大。

3.2 討論

從溫度和降水的空間變化特征來看，平均溫度增幅的空間分布為由南向北遞增，即北部地區(qū)增溫多，南部地區(qū)增溫少，而降水增量空間分布特征為北部增量小于南部，未來溫度增量與降水增量空間分布變化特征可能出現(xiàn)不匹配的形式，即溫度增幅較大的地區(qū)可能出現(xiàn)降水增加較少的情況。溫度升高會使作物生長期延長和累積葉面積增大，蒸騰作用增強[26]，可能造成作物主要關鍵生育期內水分的供應不能滿足作物生長所需。同時，隨著氣溫升高，松嫩平原地區(qū)作物的可生長期延長，因此，應考慮引進生育期更長的作物或調整作物播期來適應氣候變暖，否則，溫度升高將會導致現(xiàn)有作物生育期縮短，從而造成減產[27-29]。

未來氣候情景下，松嫩平原地區(qū)整體表現(xiàn)為農業(yè)氣候資源提升，使得農作物可生長的時間變長，為作物的光溫生產潛力和產量的提高提供了潛在機遇。因此，在品種選育的過程中應適當考慮氣候變化。同時，及時調整和改變生產過程中的種植措施，以便充分利用農業(yè)氣候資源、改善品種布局，最終達到提高產量的目的。此外，由于溫度升高，蒸發(fā)增強[28]，加上工業(yè)與生活耗水增加，水資源會更加緊缺，可能會導致該地區(qū)的鹽漬化日趨嚴重。針對這一問題，應該選育和推廣耐鹽堿的作物品種，同時開展節(jié)水增效的栽培技術措施以適應未來可能出現(xiàn)的氣候變化。