黑龍江省2011─2020年水稻播種面積和產量變化及主要氣象災害易發區研究

徐永清，劉赫男，劉春生，蔣慧亮，魏 磊，張洪玲

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030）

黑龍江省是我國水稻的主產區，截至2020年末，該省水稻的播種面積達到387.2萬hm2，占全國的12.9%，僅略低于湖南省，位于第2位；水稻總產量達到2896.4萬t，占全國的13.7%，位居第1位［2］。因此，研究黑龍江省水稻種植面積、產量變化及氣象災害的易發區分布，對保障黑龍江省水稻穩產、優產、高產具有重要意義。多年來，眾多學者對水稻的空間布局［3-6］和產量變化影響因素［7-9］進行了大量的研究，但是這些研究主要關注國家和大區域層面，而對省內地市單元的水稻生產變化情況研究較少。以往對水稻氣象災害的研究主要集中在低溫冷害對產量的影響［10-13］和冷害風險評估區劃［14-16］方面，對其他氣象災害的研究較少。鑒于此，筆者以地市為單位，對黑龍江省水稻種植面積和產量的變化進行了分析，同時綜合考慮低溫、暴雨和大風氣象災害要素，劃分了水稻氣象災害的易發區域，以期為黑龍江省水稻生產和長遠布局提供科學依據。

1 資料與研究方法

1.1 研究資料

本研究所用的水稻種植面積和產量資料來源于《黑龍江統計年鑒（2021）》［17］，統計資料中2020和2019年按哈爾濱等13地（市）統計，2018年及以前農墾總局單獨統計，不包括在13個地（市）之內；考慮到資料的連續性和統一性，將農墾總局的水稻播種面積和產量按所屬地區拆分至各地（市），不單獨分析農墾總局的變化情況，只按地（市）進行分析；另外，因大興安嶺地區的水稻種植面積很小，總產量非常低，本文沒有進行分析。

氣象資料選用黑龍江省84個國家氣象觀測站1961─2020年的逐日降水、風速和氣溫資料，均來源于黑龍江省氣象數據中心，所有資料經過質量監控，數據真實可靠。

1.2 指標和方法

1.2.1 播種面積和糧食產量變化的計算 水稻播種面積和糧食產量變化量和變化率的計算公式為：

式（1）中：Bk為指標k在n年內的變化量；bi為指標k在第i年的變化量。

式（2）中：Dk為指標k的變化率；Bi為指標k在第i年的變化量；Ki為指標k在第i年的數據。

1.2.2 水稻低溫災害因子的選取 依據氣象行業標準《水稻、玉米冷害等級》（QX/T 101─2009），東北地區水稻障礙型冷害主要發生在孕穗期和開花抽穗期［18-19］。本研究選取黑龍江省水稻孕穗期日平均氣溫＜17 ℃的持續日數、日最低氣溫，開花抽穗期日平均氣溫＜19 ℃的持續日數以及日最低氣溫這4個低溫災害因子，將它們均一化處理后加權求和，得到低溫災害指數。

建材質量檢測系統需包括多種試驗類型的多樣檢測和報告發放管理功能。例如實現鋼材焊接、砼抗滲和抗壓、鋼材力學、磚抗折和抗壓、水泥、砼配合比、砂漿、燒結多孔磚、砂漿配合比、砂石檢驗、燒結普通磚等多種試驗類型的多樣檢測。

1.2.3 水稻暴雨災害因子的選取 暴雨洪澇在營養生長期對水稻生長發育及產量的影響較小，在生殖生長期對水稻生長發育及產量的影響較大，特別是孕穗期強降水對水稻產量的影響最大［20-21］。本文選取水稻孕穗期和開花抽穗期的暴雨次數和最大暴雨量作為暴雨災害因子。

1.2.4 水稻大風災害因子的選取 大風可使水稻倒伏、落粒、莖稈折斷及葉片擦傷，還會間接引起病菌侵入和蔓延，在水稻開花抽穗期影響較大。本文選取水稻孕穗期和開花抽穗期日最大風速＞10 m/s的次數和最大風速作為大風災害因子。

1.2.5 均一化處理 為了消除各個指標量綱不同以及數據級的差異，對各指標因子進行均一化處理，計算公式為：

式（3）中：Fij為第j個點第i個指標的規范化值；Dij為第j個點第i個指標的原始值；maxDi為第i個指標在所有格點中的最大值；minDi為第i個指標在所有格點中的最小值。

2 結果與分析

2.1 黑龍江省2011─2020年水稻播種面積和糧食產量的變化

2.1.1 全省水稻播種面積、產量的變化 黑龍江省2011─2014年水稻播種面積和產量均呈快速增長趨勢，之后呈小幅波動變化。具體來說：水稻播種面積由2011年的343.7萬hm2快速上升到2014年的396.8萬hm2，之后緩慢下降，在2018年下降至378.3萬hm2，此后又呈上升趨勢；產量從2011年的2438萬t快速增長到2014年的2797萬t，但在2014─2019年期間產量變化幅度不大，到2020年時達到最大值2896萬t。

2.1.2 各地市水稻播種面積、產量的變化 由表1可見，佳木斯市是黑龍江省水稻播種面積最大和產量最高的市，平均播種面積為98.1萬hm2，占全省的26.1%，平均產量為720.4萬t，占全省的26.4%。哈爾濱市次之，其平均播種面積為63.7萬hm2，占全省的17.0%，平均產量為479.1萬t，占全省的17.5%。雞西市和雙鴨山市的平均播種面積和產量在全省的占比均在10.0%以上。大慶、牡丹江、伊春、七臺河、黑河市的播種面積和產量占比均在3.6%以下。綏化市和齊齊哈爾市雖然也是糧食大市，但水稻在糧食作物中的占比較小。大興安嶺地區、黑河、伊春和牡丹江等市的面積較大，但因地形和氣候等原因，水稻播種面積較小，產量較低。

表1 各地市2011─2020年水稻平均播種面積和平均產量

圖1 黑龍江省2011─2020年水稻播種面積和產量的變化

從表2可以看出，在2011─2020年期間，佳木斯市的水稻播種面積和產量均呈增長趨勢，兩者的變化率均在20%以上，對黑龍江省水稻播種面積和產量的正向貢獻最大。哈爾濱市的水稻播種面積和產量均呈減少趨勢，兩者的變化率均在20%以上，對黑龍江省水稻播種面積和產量的負向貢獻明顯。齊齊哈爾市水稻播種面積和產量的變化率最大，均在50%以上，其水稻播種面積和產量在全省的占比逐漸增大。伊春、黑河和七臺河市雖然播種面積的變化量較大，但因為整體播種面積較小，對全省的影響不大。

表2 各地市2011─2020年水稻播種面積和產量的變化量和變化率

2.2 水稻低溫災害易發區

黑龍江省水稻孕穗期最低日平均氣溫系數如圖2a所示，在黑龍江省北部地區系數最高，在0.8以上；大興安嶺南部和黑河市東北部在0.6～0.8之間；黑河市南部、伊春市北部和綏化市西部在0.4～0.6之間；哈爾濱市東南部最低，在0.2以下；黑龍江省西部、東北和中部大部分地區在0.2～0.4之間。孕穗期日平均氣溫低于17 ℃持續日數系數在大興安嶺以南地區均在0.2以下；其他地區由西北向東南從0.8過渡到0.2（圖2b）。水稻抽穗開花期最低日平均氣溫系數在大興安嶺地區西部最高，在0.8以上；大興安嶺地區東部為0.6～0.8；黑龍江省廣大中部地區在0.4～0.6之間；西部和東部地區在0.2～0.4之間；東南部地區在0.2以下（圖2c）。如圖2d所示，抽穗開花期日平均氣溫低于19℃持續日數系數基本上由北向南逐漸降低，系數在0.2的面積占全省總面積的50%以上。由圖2e可見，大興安嶺地區東北部為水稻低溫災害高易發區，大興安嶺地區西部和南部為水稻低溫災害較高易發區，黑河市和伊春市北部為水稻低溫災害中易發區，黑龍江省中部地區為水稻低溫災害較低易發區，黑龍江省西南部、東南部和東部等地區為水稻低溫災害低易發區。

圖2 黑龍江水稻低溫災害各因子系數和易發區分布

2.3 水稻暴雨災害易發區

如圖3a所示，最大日暴雨量系數僅在齊齊哈爾西部的甘南縣等少部分區域較大，在0.6以上；齊齊哈爾和黑河西部、黑龍江省中部地區系數在0.4～0.6之間；齊齊哈爾市東部、綏化市西部、大慶市南部、黑龍江省東部和北部地區系數在0.4以下。暴雨日次數系數在齊齊哈爾市西部、佳木斯市東部的撫遠市和黑龍江省中部地區在0.6以上；佳木斯市、雙鴨山市、雞西市東部、黑河市南部、伊春市北部和黑龍江省西部地區在0.4～0.6之間；黑龍江北部和東南部均在0.4以下（圖3b）。由圖3c可知，黑龍江省水稻暴雨災害高易發區集中在齊齊哈爾市西部、綏化市東部和佳木斯市的撫遠北部地區，較高易發區分布在黑龍江中部的綏化、哈爾濱、伊春等市，黑龍江省的北部和東部為暴雨災害低易發區和較低易發區。

圖3 黑龍江暴雨災害各因子系數和易發區分布

2.4 水稻大風災害易發區

由圖4a可以看出：最大風速系數在0.6以上的區域分布比較分散，主要在大慶市、黑河市的嫩江市西部、黑河市孫吳縣、哈爾濱市的賓縣和尚志市、鶴崗市和佳木斯市小部分地區；大興安嶺北部、伊春市大部、黑河東部和牡丹江市等地區的系數在0.4以下；黑龍江其余大部分地區的系數在0.4～0.6之間，且較為連續。大風次數系數在0.6以上的區域面積非常小，僅分布在黑河市的嫩江市西部和哈爾濱北部的小區域內；黑河市西部、齊齊哈爾市東北部、大慶市和哈爾濱東北部的系數在0.4～0.6之間；黑龍江省其余近85%區域的系數均在0.4以下（圖4b）。如圖4c所示，黑龍江省水稻大風災害高易發區主要分布在黑河市西部、大慶市北部，在哈爾濱、鶴崗、佳木斯等市呈不連續的點狀分布；水稻大風災害較高易發區位于大慶市和其余高易發區的外圍；大興安嶺、伊春市、黑河市南部和黑龍江東南部為水稻大風災害低易發區和較低易發區；黑龍江省中部地區普遍為水稻大風災害中易發區。

圖4 黑龍江大風災害各因子系數和易發區分布

2.5 水稻主要氣象災害易發區

目前，農業氣象災害風險評估中多以單一災種對承載體的影響為主，多種氣象災害對農作物的綜合影響研究較少。高曉容等［22］以冷害、干旱、洪澇作為主要氣象災害對東北地區玉米進行了災害風險研究；楊若子等［23］也以低溫、干旱、洪澇為主要氣象災害研究了玉米氣象災害的綜合危險性，其各氣象災害因子的權重用最大熵模型和層次分析法確定。在水稻實際生產中，由于各區域不同氣象災害所占的權重各不相同，甚至差異較大，因此筆者嘗試根據各氣象站不同氣象災害發生的次數來計算各災害因子的權重，以避免不同區域災害因子權重均相同的問題。

在黑龍江省水稻氣象災害中低溫災害對水稻生產的影響最大，低溫系數如圖5a所示，大興安嶺地區系數最高，大部分在0.50以上；黑河市的北部和東部、伊春市北部和綏芬河在0.45～0.50之間；齊齊哈爾、大慶、綏化和哈爾濱等地區在0.35～0.40之間；黑龍江省東部地區基本上在0.40～0.45之間。齊齊哈爾市西部、佳木斯市和黑龍江省中部地區的暴雨系數最大，在0.35以上；大興安嶺地區北部最低，在0.25以下；大興安嶺地區南部、黑河市、牡丹江市東部、雞西市西部和綏芬河市在0.25～0.30之間；黑龍江省其余大部分地區的暴雨系數在0.30～0.35之間（圖5b）。由圖5c可見，大風災害對水稻生產的影響最弱，大風系數僅在黑河市西部、大慶市和哈爾濱市少部分地區在0.30以上；大興安嶺、黑河市南部、伊春市、鶴崗市、哈爾濱市東南部和雞西市東部地區的大風系數在0.25以下；黑龍江省絕大部分地區的大風系數在0.25～0.30之間。

圖5 黑龍江省水稻低溫、暴雨、大風災害系數的空間分布

如圖6所示，黑龍江省水稻主要氣象災害高易發區主要集中在大興安嶺東北部和黑河、齊齊哈爾、大慶、綏化、哈爾濱及佳木斯等地區面積較小且不連續的區域。較高易發區分布在大興安嶺西部、黑河市西部、齊齊哈爾市西部、綏化市和哈爾濱市中部。黑龍江省東部的牡丹江、綏芬河、雞西、七臺河、雙鴨山和佳木斯等市均為低易發區。大興安嶺東部、黑河市南部、齊齊哈爾市中部和東部、伊春市、鶴崗市、大慶市南部、綏化市南部和哈爾濱市南部為較低易發區。大興安嶺中部、黑河市北部、齊齊哈爾市西南部、綏化市西部、大慶市和哈爾濱市大部分地區為中易發區。

圖6 黑龍江省主要氣象災害易發區的空間分布

黑龍江省北部的大興安嶺和黑河等地區主要氣象災害的易發等級較高，但水稻種植面積較小。在水稻主要種植區，只有黑龍江省中部少部分地區為主要氣象災害的較高易發區和高易發區，絕大部分為中易發區、較低易發區和低易發區。水稻種植面積和產量最大的佳木斯市大部分區域為低易發區。雙鴨山市和雞西市雖然區域面積較小，但水稻產量較高，均位于低易發區。水稻種植面積和產量位于第2位的哈爾濱市，其主要氣象災害的易發等級較高，其中部地區為較高易發區，東部和西部為中易發區，南部為較低易發區。

3 結論與討論

3.1 結論

（1）10 a間黑龍江省水稻播種面積和產量均呈增長趨勢，其中佳木斯市的水稻播種面積和產量均最大，且變化率均在20%以上，對黑龍江省水稻播種面積和產量的正向貢獻最大。哈爾濱市的水稻播種面積和產量均居第2位，但均呈下降趨勢，且變化率均在20%以上，對黑龍江省水稻播種面積和產量的負向貢獻明顯。齊齊哈爾市的播種面積和產量變化率最大，均在50%以上。

（2）水稻低溫災害在黑龍江省北部為高易發區和較高易發區，中部地區為中易發區和較低易發區，西南部、東南部和東部地區為低易發區。

（3）水稻暴雨災害在黑龍江省北部和東部地區為低易發區和較低易發區，中部地區為高易發區和較高易發區，西部地區為中易發區和較低易發區。

（4）水稻大風災害在黑龍江省北部、東北部和西南部地區為低易發區和較低易發區，高易發區和較高易發區主要在西部和中部地區呈不連續狀分布，中部地區以中易發區為主。

（5）水稻主要氣象災害的高易發區主要分布在大興安嶺地區西北部和黑河市西部；較高易發區分布在大興安嶺地區西部和黑龍江省中部地區；中易發區分布在大興安嶺地區東部和黑河市北部，以及黑龍江省西部和中部的一部分區域；較低易發區主要分布在黑龍江省東北部和西南部的邊界地區；低易發區主要在東部和東南部。

3.2 討論

水稻播種面積和產量的變化一方面受經濟發展和技術進步的影響，另一方面也受氣象條件尤其是氣象災害的較大影響。本文僅對黑龍江省水稻播種面積和產量的變化情況、主要氣象災害發生情況和氣象災害易發區進行了分析，但是沒有研究水稻播種面積和產量變化與氣象災害易發區的內在關系，需要在今后的研究中重點關注。另外，災害性氣象因子對水稻不同生長階段影響的機理、主要氣象災害中不同災害因子權重的確定方法都有待于今后進一步研究。