氣候變化對黑龍江省水稻障礙型冷害的影響

曲輝輝, 姜麗霞,*， 王冬冬

1 黑龍江省氣象科學研究所, 哈爾濱　150030

2 黑龍江省氣象局后勤服務中心, 哈爾濱　150030

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氣候變化對黑龍江省水稻障礙型冷害的影響

曲輝輝1, 姜麗霞1,*， 王冬冬2

1 黑龍江省氣象科學研究所, 哈爾濱150030

2 黑龍江省氣象局后勤服務中心, 哈爾濱150030

摘要:明確氣候變化對黑龍江省水稻孕穗期和抽穗期障礙型冷害的影響，可為水稻安全生產提供科學依據。基于黑龍江省70個臺站1971—2012年的氣象資料和10個臺站1980—2011年水稻生育期數據，結合水稻障礙型冷害指標，分析了氣候變化對黑龍江省水稻障礙型冷害的影響。結果表明：(1)水稻孕穗期障礙型冷害1990s發生頻率最低，2000s發生頻率最高；抽穗期障礙型冷害1970s和1980s發生頻率高，1990s和2000s發生頻率低。(2)抽穗期障礙型冷害發生程度大于孕穗期障礙型冷害。(3)不同熟型水稻品種可種植北界逐漸北移東擴，極早熟、早熟和中熟品種可種植范圍分別縮小了5、21和11個縣(市)，中晚熟和晚熟品種可種植范圍分別擴大了14和23個縣(市)。(4)隨著水稻種植格局的變化，不同熟型水稻障礙型冷害均在1990s發生頻率最低，2000s發生頻率最高。

關鍵詞：氣候變化; 黑龍江省; 水稻; 障礙型冷害

黑龍江省生產的稻米因顆粒飽滿、色澤清白、香味濃郁、口感極佳而廣受國內消費者歡迎。2003—2012年10 a時間內，黑龍江省水稻播種面積從1.295×106hm2直線上升至3.82×106hm2，總產量從8.428×109kg快速增加至2.171×1010kg[1]，均增加近2倍。同時，黑龍江省水稻的播種面積和產量近5年來均居全國前列[2- 5]，對保障國內優質稻米供應至關重要。

近年來，氣候變化已得到學術界廣泛關注，IPCC第4次評估報告[6]指出，氣候變化會增加農業生產不穩定性、改變種植布局和結構，并加劇局部地區農業氣象災害。黑龍江省是我國緯度最高的省份，低溫冷害是主要農業氣象災害之一，低溫冷害的頻繁發生導致糧食產量不穩定、年際波動大[7]；同時，黑龍江省也是我國受氣候變化影響最顯著的地區之一[8]，1961年以來平均每10 a氣溫上升0.38 ℃，降水增加0.49%[9]。

研究結果表明，氣候變化導致水稻種植面積、生育期和產量均發生較大變化[10- 16]，水稻障礙型冷害的時空分布特征同樣受氣候變化影響[17- 20]，這些成果在合理指導水稻生產、有效規避冷害等方面的研究中具有重大意義。然而，隨著氣候變暖，理論上低溫事件發生頻率降低，水稻遭受障礙型冷害的影響也應相應減小，但由于極端氣候事件趨于頻繁，水稻生長季內溫度變幅增大[21]，同時人類對變暖做出了適應行為，一定程度上選取了更長生育期的水稻品種進行播種，以求獲得更大的經濟效益，最終導致水稻障礙型冷害呈現頻繁的趨勢[17]，對水稻產量及品質影響嚴重。可見，在氣候變暖的大背景下，黑龍江省水稻生產仍面臨嚴峻形勢，因此，亟待加強本方面研究。本文基于黑龍江省逐日氣象數據及水稻生育期資料，結合水稻障礙型冷害指標，分析氣候變化情景下黑龍江省水稻障礙型冷害變化特征，以實現為黑龍江省水稻安全生產及合理布局提供理論依據的目的。

1數據與方法

1.1資料來源

本文使用的黑龍江省70個臺站1971—2012年逐日氣象觀測數據來源為黑龍江省氣象局整編資料，水稻發育期為10個農業氣象試驗站1980—2011年的觀測資料。

1.2水稻發育期推算

由于黑龍江省水稻發育期觀測臺站僅有10個，其余60個氣象臺站無水稻發育期觀測數據，為解決這一問題，本文根據美國森林昆蟲學家A. D. Hopkins的物候定律[22]推算無觀測數據站點的水稻發育期，該物候定律主要內容為：在北美洲溫帶內，當其他條件相同的情況下，每向北移動1°，向東移動5°或上升121.92 m，植物的發育期在春天和初夏將延遲4 d，在秋天則相反，提早4 d。

1.3水稻障礙型冷害指標

水稻孕穗期和抽穗期對低溫敏感，在這兩個時期出現一定強度低溫會嚴重影響生殖器官的形成、發育和結實，出現障礙型冷害。本研究所使用水稻障礙型冷害指標采用中國氣象局2009年發布的氣象行業標準《QX/T101—2009水稻、玉米冷害等級》[23],具體內容見表1。

1.4黑龍江省水稻不同熟型品種積溫指標及積溫計算

關于黑龍江省水稻不同熟型品種積溫指標的研究比較少見，本文采用南瑞等人提出的≥10 ℃積溫指標[24]，詳細內容見表2。

表1　水稻障礙型冷害指標

表2黑龍江省不同熟型水稻品種積溫指標

Table 2The accumulated temperature for different maturating-type varieties of rice varieties in Heilongjiang Province

品種熟型Maturating-type≥10℃積溫/℃·d≥10℃Accumulatedtemperature極早熟Especial-early-matura-ting<2200早熟Early-maturating2200—2400中熟Midseason-maturating2400—2700中晚熟Middle-late-matura-ting2700—2800晚熟Late-maturating>2800

本研究采用5日滑動平均法[25]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 ℃積溫為起止日期時段內≥10 ℃的日平均氣溫的總和。采用經驗頻率法[23]計算得到的80%保證率下積溫判定播種品種熟型。

1.5時段劃分、數據處理及結果表達

本文研究時段為1971—2012年，并通過逐年代比較的方式分析障礙型冷害和種植格局的變化特征，文中劃為4個時段：1970s、1980s、1990s及2000s。

本文通過ArcGIS軟件10.0版本的畫圖功能，采用反距離權重法插值，并按掩膜提取，實現計算結果的空間表達。

2結果分析

2.1水稻孕穗期障礙型冷害時空分布特征

根據A. D. Hopkins物候定律對黑龍江省水稻孕穗期的推算結果，結合水稻孕穗期障礙型冷害指標，逐年判定黑龍江省70個臺站水稻孕穗期障礙型冷害的發生情況；利用ArcGIS軟件10.0版本分別繪制1970s、1980s、1990s及2000s 4個時段孕穗期障礙型冷害分布圖。

圖1為黑龍江省水稻孕穗期障礙型冷害各年代發生頻率。可以看出，黑龍江省水稻孕穗期障礙型冷害發生頻率多為1%—10%，個別地區達10%以上；其中1970s水稻孕穗期障礙型冷害主要發生在黑龍江省北部及東南部地區；1980s水稻孕穗期障礙型冷害主要發生在北部地區，與1970s相比，發生區域有向西向北移動的趨勢；1990s水稻孕穗期障礙型冷害主要發生在西北部地區，2000s全省水稻普遍發生孕穗期障礙型冷害。結合表3可見，1970s和1980s水稻孕穗期障礙型冷害的發生范圍雖然從圖中直觀略有變化，但經檢驗無顯著差異，1990s水稻孕穗期障礙型冷害發生頻率顯著減小，2000s較1990s水稻孕穗期障礙型冷害發生頻率極顯著增大。

為進一步確定冷害大面積發生的年份，下文對黑龍江省水稻孕穗期障礙型冷害發生縣(市)個數進行了逐年統計。

從圖2可以看出，在1971—2012年，2006年水稻孕穗期障礙型冷害發生范圍最廣，共有34個縣(市)發生，約占研究區域的50%；5—20個縣(市)發生孕穗期障礙型冷害的年份有1971、1986、1990、1991、2001和2009年；有3—4個縣(市)發生孕穗期障礙型冷害的年份有1972、1981、1982、1983、1992、2003和2012年；1978、1984、1985、1989和1996年發生孕穗期障礙型冷害的縣(市)為1—2個；其余年份未發生孕穗期障礙型冷害。

圖1　黑龍江省水稻孕穗期障礙型冷害發生頻率Fig.1　Frequency of sterile-type cooling injury at booting stage of rice during each decade (1970s, 1980s, 1990s, and 2000s) in Heilongjiang Province

圖2　黑龍江省水稻孕穗期障礙型冷害發生范圍年際變化Fig.2　Annual series of the numbers of counties with sterile-type cooling injury at booting stage of rice in Heilongjiang Province

2.2水稻抽穗期障礙型冷害時空分布特征

基于對水稻抽穗期的推算結果和抽穗期障礙型冷害指標，逐年判定黑龍江省70個臺站水稻抽穗期障礙型冷害的發生情況，并對其時空分布特征進行進一步分析。

圖3為黑龍江省水稻抽穗期障礙型冷害各年代發生頻率。從圖中可見，黑龍江省大部水稻種植區均不同頻率發生抽穗期障礙型冷害。1970s除西南部部分縣(市)外，其他大部地區均發生抽穗期障礙型冷害，發生頻率多在10%以上，東北部地區發生頻率高于30%，個別縣(市)發生頻率高于50%；1980s水稻抽穗期障礙型冷害分布更為廣泛，全省約90%縣(市)水稻發生抽穗期障礙型冷害，西北部地區及小興安嶺東側地區發生頻率達20%以上，其他大部地區發生頻率低于20%；1990s南部部分地區水稻未發生抽穗期障礙型冷害，其余約80%地區均有發生，且大部地區發生頻率高于10%；2000s抽穗期障礙型冷害發生范圍較1990s有所縮小，西北部地區發生頻率高于20%，其他地區發生頻率低于20%。結合表3可見，1970s至1980s水稻抽穗期障礙型冷害發生頻率無顯著變化，至1990s水稻抽穗期障礙型冷害發生頻率極顯著減小，2000s與1990s水稻抽穗期障礙型冷害發生頻率無顯著差異。

圖3　黑龍江省各年代抽穗期障礙型冷害發生頻率Fig.3　Frequency of sterile-type cooling injury at heading stage of rice during each decade (1970s, 1980s, 1990s, and 2000s) in Heilongjiang Province

圖4　黑龍江省水稻抽穗期障礙型冷害發生范圍年際變化Fig.4　Annual series of the numbers of counties with sterile-type cooling injury at heading stage of rice in Heilongjiang province

圖4為黑龍江省水稻抽穗期障礙型冷害發生縣(市)個數逐年變化情況。可以看出，2008年和2011年黑龍江全省水稻未發生抽穗期障礙型冷害；1973、1980、1988、1994、1995、1998、1999、2005和2010年發生抽穗期障礙型冷害的縣(市)為5個以下；6—10個縣(市)發生抽穗期障礙型冷害的年份有1974、1975、1978、1979、1984、1996和2004年；11—20個縣(市)發生抽穗期障礙型冷害的年份有1976、1983、1987、1989、1991、1993、2000、2003、2006、2007和2009年；1971、1972、1977、1981、1990、1992和2012年黑龍江省發生抽穗期障礙型冷害的縣(市)多于20個。

2.3水稻孕穗期與抽穗期障礙型冷害比較

圖5為黑龍江省1971—2012年水稻孕穗期和抽穗期障礙型冷害發生頻率。從圖中可見，1971—2012年

表3　顯著性檢驗

黑龍江省85%以上地區水稻發生孕穗期障礙型冷害，近100%地區水稻發生抽穗期障礙型冷害。孕穗期障礙型冷害發生頻率多低于10%，而抽穗期障礙型冷害發生頻率呈現自西南向東北逐漸升高的趨勢，北部地區發生頻率達20%以上。經檢驗(表3)，黑龍江省水稻障礙型冷害發生頻率抽穗期高于孕穗期，且達極顯著水平。

同時，本研究的黑龍江省70個縣(市)中，抽穗期發生障礙型冷害的縣(市)數量多于孕穗期發生障礙型冷害縣(市)數量，同樣達極顯著水平(表3)。可見，抽穗期障礙型冷害的發生程度明顯大于孕穗期障礙型冷害。

2.4氣候變化背景下水稻種植格局變化

隨著氣候變暖，作物生長季≥10 ℃積溫增加，作物生育期延長，水稻種植格局發生相應變化。依據不同熟型水稻品種所需積溫指標，以80%保證率下的積溫條件對黑龍江省水稻的種植格局做出判定。

圖5　1971—2012年黑龍江省水稻障礙型冷害發生頻率Fig.5　Frequency of sterile-type cooling injury of rice from l971 to 2012 in Heilongjiang Province

圖6為黑龍江省不同熟型水稻品種種植格局的年代際變化。從圖中可以看出，1970s黑龍江省6個縣(市)適宜種植極早熟水稻品種，早熟和中熟水稻品種的種植北界分別為遜克縣(N49°34′，E128°25′)和甘南縣(N47°56′，E123°3′)，適宜種植范圍分別為25和38個縣(市)，僅泰來縣(N46 24′，E123°25′)可種植中晚熟水稻品種。1980s早熟水稻品種可種植北界變化不明顯，中熟水稻品種可種植北界北移至訥河市(N48°29′，E124°51′)，中晚熟水稻品種最北可種植于杜爾伯特蒙古族自治縣(N46°52′，E124°26′)，極早熟和早熟水稻品種適宜種植范圍分別縮小為3和18個縣(市)，中熟和中晚熟品種適宜種植區域分別增至44和5個縣(市)。至1990s，早熟品種可種植北界略有南退，中熟水稻品種可種植北界東擴至撫遠縣(N48°22′，E134°17′)，早熟和中熟水稻品種適宜種植區域分別縮小至11和42個縣(市)，極早熟和中晚熟品種種植范圍分別擴大至6和8個縣(市)，西南部3個縣(市)可種植晚熟水稻品種。2000s以來水稻種植格局發生巨大變化，早熟品種種植北界北移至黑河市(N50°15′，E127°27′)，中熟品種種植北界北移至五大連池市(N48°3′，E126°11′)，西部地區北移明顯，中晚熟品種種植界限北移至甘南縣(N47°56′，E123°3′)，東擴至綏濱縣(N47°17′，E131°51′)，晚熟品種種植界限明顯北移東擴，最北可達富裕縣(N47°48′，E124°29′)，最東可達寶清(N46°19′，E132°11′)，極早熟、早熟和中熟品種適宜種植區域分別縮小了5、21和11個縣(市)，中晚熟和晚熟品種適宜種植范圍分別擴大了14和23個縣(市)，其中晚熟品種可種植范圍變化最為顯著。

圖6　黑龍江省不同熟型水稻品種種植格局年代際變化Fig.6　The planting distributions for each maturating-type variety of rice during each decade in Heilongjiang Province

2.5水稻種植格局與障礙型冷害關系

黑龍江省水稻的種植北界和產量均顯著地受溫度條件限制，氣候顯著變暖為水稻種植提供了條件[7]，使生育期更長、產量更高的水稻品種適宜種植北界不斷北移東擴，相對于1970s，1980s由于氣候變暖帶來的水稻單產增加量為3.9%—4.9%；相對于1980s，1990s氣候變暖使水稻單產增產9.9%—12.3%[20]。氣候變暖在使水稻單產增加的同時，障礙型冷害的發生頻率也相應變化。

表4黑龍江省不同熟型水稻障礙型冷害發生頻率/%

Table 4Frequency of sterile-type cooling injury for each maturating-type of rice during each decade in Heilongjiang Province

品種熟型Maturating-type1970s1980s1990s2000s極早熟Especial-early-matura-ting45473342早熟Early-maturating28292331中熟Middle-maturating17211424中晚熟Middle-late-matura-ting06117晚熟Late-maturating--313

由2.4結果可知，1970s—2000s不同熟型水稻的適宜種植范圍不斷變化，各年代不同熟型水稻品種適宜種植區內障礙型冷害平均發生頻率統計結果如表4所示。從表4可以看出，黑龍江省水稻極早熟、早熟、中熟和中晚熟品種自1970s起，生育期內障礙型冷害的發生頻率呈現出增大-減小-增大的變化趨勢，晚熟品種自1990s至2000s障礙型冷害的發生頻率增大。可見，在水稻種植格局調整和氣候變化的雙重作用下，黑龍江省水稻遭受障礙型冷害的幾率呈波動趨勢，且波動趨勢較一致，1990s水稻障礙型冷害的發生頻率最低，2000s年障礙型冷害發生頻率最高。

2001年以來，雖然氣候變暖顯著，各熟型品種水稻適宜種植北界明顯北移東擴，但各熟型品種適宜種植區域內遭受障礙型冷害的頻率亦達到了近4個時代的最高峰。可見，在氣候變暖的大背景下，在通過種植格局調整獲得水稻高產的同時，還面臨著遭受障礙型冷害的高風險。因此，在實際生產中要慎重調整水稻種植格局，適當配比不同熟型品種進行播種，降低水稻遭受障礙型冷害的風險，在獲得高產的同時還應達到穩產的目標。

3結論與討論

本文以黑龍江省水稻為研究對象，基于《QX/T101—2009水稻、玉米冷害等級》[22]制定的北方水稻障礙型冷害指標，利用A. D. Hopkins物候定律，通過Excel、ArcGIS等技術，明確了氣候變化背景下黑龍江省水稻障礙型冷害的變化特征。結果表明：

(1)在研究時段內，黑龍江省水稻孕穗期障礙型冷害在1990s發生頻率最低，2000s發生頻率最高，1970s和1980s居中。水稻抽穗期障礙型冷害1970s和1980s發生頻率高，1990s和2000s發生頻率低。方修琦等人在2005年研究表明，黑龍江省水稻孕穗期、花期障礙型冷害發生頻率1970s和1980s均高于1990s[17]，與本研究結論較一致。

(2)黑龍江省水稻孕穗期障礙型冷害發生范圍較廣的年份有1971、1986、1990、1991、2001、2006和2009年，此結論與姜麗霞等人[20]的研究結論基本一致；抽穗期障礙型冷害發生范圍較廣的年份有1971、1972、1977、1981、1990、1992和2012年。

(3)在研究時段內，抽穗期障礙型冷害較孕穗期障礙型冷害更為嚴重發生。

(4)氣候變暖為黑龍江省種植長生育期水稻品種提供了有利條件，各熟型品種適宜種植北界在不斷變化中逐漸北移東擴。極早熟、早熟和中熟品種適宜種植范圍在波動中縮小，分別從1970s的6、25和38個縣(市)縮小至2000s的1、4和27個縣(市)，中晚熟和晚熟品種可種植范圍快速擴大，分別從1970s的1和0個縣(市)增至15和23個縣(市)。這一研究結論與趙俊芳等人對東北玉米的研究結果比較相似[26]。

(5)隨著種植格局的不斷變化，各熟型水稻品種適宜種植區內障礙型冷害發生頻率變化規律較一致，1990s發生頻率最低，2000s發生頻率最高。雖然氣候變暖，但是隨著種植格局改變水稻生產遭受障礙型冷害的風險并未減小，因此水稻種植格局必須與氣候變化相適應，減少障礙型冷害對水稻產量造成的影響。

所得結論可為水稻生產規避障礙型冷害提供科學指導，對黑龍江省水稻播種品種選擇具有重要指導意義。但是，水稻在生長發育過程中，除時常遭受障礙型冷害外，延遲型冷害或混合型冷害同樣嚴重影響水稻產量。目前對延遲型冷害及混合型冷害的研究相對薄弱，因此在今后研究中，需綜合考慮障礙型冷害與延遲型冷害對水稻生產的影響，提出更加合理的水稻生產格局，進一步提高對水稻生產指導的科學性和實用性。

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Influence of climate change on sterile-type cooling injury in rice in Heilongjiang Province, China

QU Huihui1, JIANG Lixia1,*, WANG Dongdong2

1HeilongjiangProvinceInstituteofMeteorologicalSciences,Harbin150030,China2LogisticServiceCenter,HeilongjiangProvincialMeteorologyBureau,Harbin150030,China

Abstract:Climate change and its effects are the major concerns among researchers in a variety of fields. A large quantity of rice is produced in Heilongjiang Province, China; however, the yield and quality can be adversely affected by low temperatures. Heilongjiang Province shows obvious signs of climate warming. Therefore, in the context of climate change, understanding the causes cold damage of rice at booting and heading stages leading to sterility could provide scientific basis for reliable rice production in Heilongjiang Province. We analyzed the influences of climate change cold-damage induced sterility in rice in Heilongjiang Province. Using meteorological data from 70 weather stations during the period between 1971 and 2012 and rice phenology data from 10 of these stations between 1980 and 2011, rice phenological parameters for the other 60 stations were estimated. This was done by applying the phenology law proposed by A. D. Hopkins combined with indices of cold-damage induced sterility in rice (following meteorological standard QX/T101-2009:degrees of cooling injury of rice and maize, Chinese Meteorological Administration, 2009). (1) The frequency of cold-damage induced sterility at booting stage of rice was highest in the 2000s, followed by the 1970s and 1980s, and was the lowest in the 1990s. The widest distribution of cold-damage induced sterility at booting stage (approximately 5—20 counties) happened in 1971, 1986, 1990, 1991, 2001, 2006, and 2009. The frequency of cold-damage induced sterility at heading stage was higher during the 1970s and 1980s, and lower during from the 1990s to 2000s. The widest distribution of cold-damage induced sterility at heading stage (more than 20 counties) occurred in 1971, 1972, 1977, 1981, 1990, 1992, and 2012. (2) Both the frequency and geographical extent of cold-damage induced sterility at booting stage were higher than that at heading stage. (3) Rice planting patterns, which are determined based on accumulated temperature, changed with changes in climate. The potential area of cultivation of each variety extended northward and eastward gradually. The potential areas of cultivation for very-early-maturating, early-maturating and middle-maturating varieties were reduced to 5, 21, and 11 counties, respectively. However, the potential areas of cultivation of middle-late-maturating and late-maturating varieties expanded to 14 and 23 counties, respectively. Therefore, the change in potential cultivation area for late-maturating varieties was the most significant. (4) With the changes in planting distributions of rice, the frequency of cold-damage induced sterility in rice was variable, with the lowest occurrence in the 1990s and the highest occurrence in the 2000s.

Key Words:climate change; Heilongjiang Province; rice; sterile-type cooling injury

DOI:10.5846/stxb201405221059

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:hljjlx@163.com

收稿日期:2014- 05- 22; 網絡出版日期:2015- 06- 12

基金項目:公益性行業(氣象)科研專項經費項目(GYHY201306036)

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