東北平原熱量變化與水稻產(chǎn)量關系的研究進展

王譯爽

(東北農(nóng)業(yè)大學，哈爾濱 150006)

東北平原地處于中國的東北部地區(qū)，是全世界三大黑土區(qū)之一，由松嫩平原、三江平原和遼河平原組成。2019年東北平原稻谷播種面積達5 160 hm2，占全國面積近1/6， 稻谷產(chǎn)量三年內(nèi)占全國稻谷產(chǎn)量17%～18%。而在近幾十年里，全球變暖這一明顯的氣候變化已經(jīng)成為公認的事實，據(jù)2018年中歐氣象變化藍皮書指出，1951—2017年，中國地表年平均氣溫以每10年0.24 ℃的速率顯著增加，東北地區(qū)因其特殊的地理位置增溫尤其明顯[2]。東北地區(qū)自20世紀80年代以來活動積溫便呈上升趨勢，90年代以來增幅尤為顯著，其中2000年以來，松嫩平原、三江平原和遼河平原活動積溫增加明顯。水稻作為我國主要糧食作物之一，且東北平原地區(qū)作為我國重要的稻作區(qū)，同時為保障國家的糧食安全和指導水稻育種工作，充分利用全球變暖所帶來的氣候變化并分析無霜期及活動積溫與水稻產(chǎn)量的關系變得刻不容緩。

1 東北平原的熱量資源變化

熱量資源作為作物生長發(fā)育無法或缺的因子，熱量的充分利用可以增加作物產(chǎn)量，這對保障糧食生產(chǎn)安全具有重大意義。在全球變暖的趨勢下，無霜期和活動積溫的變化很大程度上影響了水稻種植面積和產(chǎn)量。寧曉菊[2]研究發(fā)現(xiàn)，我國自1951年以來，80% 以上的區(qū)域呈現(xiàn)初霜日延后、終霜日提前和無霜期延長的趨勢；1961年以來東北地區(qū)，呈初霜日推遲、終霜日提前和無霜期延長的趨勢[4]。全國平均終霜日提前速率明顯比初霜日推遲速率大，并且平均終霜日和無霜期自20世紀80年代起明顯延長。東北地區(qū)無霜期正在呈現(xiàn)增長趨勢，而且東北地區(qū)霜期變化也受到積溫的影響。寧曉菊[2]研究發(fā)現(xiàn)，北方地區(qū)初霜日推后、終霜日提前和無霜期延長的趨勢較為明顯，且變化幅度大于南方。有研究指出東北地區(qū)無霜期正以每10年3～5 d的趨勢快速增加。而初霜日早晚的日期變化對水稻單產(chǎn)的影響十分顯著，影響大小由作物生長階段的氣候條件和氣候的年際變化的調控[5]。

在現(xiàn)有的氣候條件下水稻的生產(chǎn)發(fā)育一直都受極端溫度的嚴重迫害。高溫熱害使水稻莖稈干物質量增加，影響水稻產(chǎn)量；而低溫冷害使水稻籽粒的形成受到障礙，造成水稻產(chǎn)量下降。東北平原處于高緯度地區(qū)，種植水稻易受冷害脅迫，尤其是在開花期，而氣候變暖可以減少東北稻作區(qū)低溫冷害的發(fā)生，益于水稻生產(chǎn)。近些年來，在全球氣候變暖的背景下，東北稻作區(qū)發(fā)生延遲型低溫冷害的可能有所減少，這對水稻的生產(chǎn)調控產(chǎn)生了正面影響。研究表明，東北地區(qū)在20世紀八九十年代積溫升高明顯，而且東北地區(qū)未來20年氣候將持續(xù)變暖。

2 東北平原熱量變化與水稻產(chǎn)量關系研究與進展

熱量資源對糧食生產(chǎn)有重要影響，熱量的充分利用可以增加作物產(chǎn)量。自1961年以來，中國地表溫度正以每10年0.31℃的速率顯著上升。其中北方氣候變暖加劇，表現(xiàn)為初霜日推后、終霜日提前和無霜期延長的趨勢[7]，特別是東北地區(qū)無霜期顯著延長，尤其黑龍江省≥10℃積溫帶呈現(xiàn)向北移動和向東擴張的趨勢。北方氣候變暖對灌溉農(nóng)業(yè)產(chǎn)生積極作用，氣溫的升高增加了東北水稻產(chǎn)量，同樣的水稻種植區(qū)域也因氣候變暖的發(fā)生一些變化，種植區(qū)域逐漸地北移與氣溫變化趨勢一致，我國水稻種植重心自1980年以來已向東北遷移2～3個緯度。與此同時，資料顯示近60年來水稻產(chǎn)量的重心也向東北遷移了2～3個緯度，這表明水稻的種植面積的擴大和遷移與氣溫變化趨勢一致。

氣候變暖對不同地區(qū)的水稻產(chǎn)量的影響程度不一。其中一些研究表明，中低緯度地區(qū)氣溫的升高會使作物產(chǎn)量下降10%，而在高緯度地區(qū)情況則相反，水稻卻能從氣候變暖中獲益。南方地區(qū)因其熱量資源豐富，水稻可在各個生育階段達到最適溫度，氣溫的上升變暖反而對水稻生長發(fā)育產(chǎn)生負影響，最終導致減產(chǎn)。楊沈斌[6]等采取IPCC排放情景特別報告(SRES)中設計的A2和B2情景方案，模擬2021—2050年長江中下游水稻在A2、B2兩種情境下的產(chǎn)量變化，結果顯示兩種情境下水稻生育期天數(shù)均有減少，產(chǎn)量也有不同程度的減產(chǎn)。

對菲律賓國際水稻研究所中1979—2003年的田間晝夜溫度和產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行分析，結果顯示，在水稻生長季節(jié)，夜平均低溫與水稻產(chǎn)量負相關，白天平均最高溫度的變化影響不大。同時Jarrod等[7]對亞洲6個國家7個試驗點中同樣的數(shù)據(jù)進行分析，得出來類似的結論，但同時發(fā)現(xiàn)在試驗點平均高溫不超過35 ℃以內(nèi)時，白天較高溫的溫度能促進水稻增產(chǎn)。東北地區(qū)大部分為低溫地區(qū)，氣溫增高對水稻有增產(chǎn)效應。東北地區(qū)水稻受冷害脅迫程度較高，尤其是在開花期，而氣候變暖可以減少東北稻作區(qū)延遲型低溫冷害的發(fā)生，增加了熱量資源促進水稻生產(chǎn)。有研究表明，東北地區(qū)溫度的升高會使水稻產(chǎn)量增加。同樣表明了在未來幾十年中國東北地區(qū)水稻產(chǎn)量會隨著溫度上升而增加；且發(fā)現(xiàn)無霜期的延長有利于減少霜凍給水稻生產(chǎn)帶來的風險。同時，水稻生產(chǎn)也受到積溫變化的影響，特別是中國北部地區(qū)水稻產(chǎn)量與積溫呈正相關。呂金瑩[1]研究表明，當活動積溫≤3 800 (℃·d)時，松嫩平原水稻產(chǎn)量隨活動積溫的增加而增加；侯雯嘉等[8]也認為東北平原北部隨積溫上升水稻產(chǎn)量增加明顯。有學者研究安徽省光熱量資源對水稻氣象產(chǎn)量表明，≥10℃活動積溫與氣象產(chǎn)量呈正相關；有研究通過ARIMA模型分析得出，東北平原未來10年氣象產(chǎn)量變化與利用活動積溫估計的水稻產(chǎn)量變化趨勢一致，估算出2018—2027年水稻產(chǎn)量將增產(chǎn)，同時利用水稻產(chǎn)量與活動積溫的回歸方程預估三江平原和松嫩平原的增產(chǎn)潛力大于遼河平原，活動積溫增長有利于東北平原北部(三江、松嫩)水稻產(chǎn)量的增加。

3 總結與展望

東北平原的糧食生產(chǎn)對保障我國糧食安全具有戰(zhàn)略意義。近些年來，全球氣候明顯變暖，熱量資源的變化會導致作物生產(chǎn)上的改變。在中低緯度地區(qū)，氣溫的升高會使大多數(shù)作物產(chǎn)量降低，而在高緯度地區(qū)，水稻卻能從氣候變暖中獲益提高產(chǎn)量。

從目前的研究來看,關于東北平原氣候變化與水稻產(chǎn)量的研究大多表明東北大部分地區(qū)有初霜日推遲、終霜日提前、無霜期延長的趨勢，預測未來10年內(nèi)三江、松嫩和遼河平原的年平均活動積溫都會有所增加，我國水稻單產(chǎn)值一直在增大，2013—2017年增幅達5%，2013—2017年東北地區(qū)水稻單產(chǎn)同樣在增加，若能明確氣候對水稻種植的影響，在一定程度上科學準確地預測未來東北平原氣候變化對水稻產(chǎn)量的具體影響，或做到系統(tǒng)科學地闡述出東北平原無霜期和活動積溫變化特征與水稻產(chǎn)量關系，相信這對未來的作物生產(chǎn)具有非常重要的參考、指導意義。