聶堂哲 張忠學(xué) 齊智娟 陳 鵬 林彥宇 孫仲益

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院， 大慶 163319； 4.北海道大學(xué)大學(xué)院農(nóng)學(xué)院， 札幌 060-8589)

0 引言

黑龍江省是中國(guó)最大的粳稻生產(chǎn)區(qū)，20世紀(jì)90年代以來水稻生產(chǎn)面積大幅增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，1990—2015年黑龍江省水稻種植面積增加了249%，達(dá)314.78萬hm2，占東北地區(qū)的71%[1-2]。黑龍江省位于我國(guó)最北部，是全國(guó)熱量資源最少的省份，受積溫和無霜期限制，只能栽培一季粳稻[3-4]。作為氣溫升高幅度最明顯的地區(qū)之一，氣候變化導(dǎo)致黑龍江地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源發(fā)生了顯著變化[5-6]，氣溫和降雨的變化都會(huì)引起作物生長(zhǎng)發(fā)育和需水量等產(chǎn)生相應(yīng)變化[7-11]。已有研究表明，東北三省的稻作系統(tǒng)已表現(xiàn)出對(duì)氣候變化的適應(yīng)性，種植界限呈北擴(kuò)趨勢(shì)，較晚熟型品種逐漸代替早熟品種，移栽日期提前，收獲日期推遲[7,12-13]。

水資源短缺是制約黑龍江省水稻發(fā)展的主要因素，2011年黑龍江省水稻灌溉用水量達(dá)260億m3，占農(nóng)業(yè)用水總量的96%，占全省用水總量的32%。雖然部分稻田可以利用過境水資源，但不斷增大的水稻種植面積仍對(duì)黑龍江省水資源造成巨大壓力[3]。有報(bào)道指出水稻面積的快速增加已經(jīng)成為控制三江平原地下水水位下降的主導(dǎo)因素，局部地區(qū)甚至出現(xiàn)了大的降落漏斗[14-15]。研究氣候變化下黑龍江省水稻需水量有利于緩解水資源壓力和優(yōu)化水資源分配。對(duì)于黑龍江省水稻需水量的研究，前人已進(jìn)行了大量試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)寒地水稻的生長(zhǎng)特點(diǎn)對(duì)黑龍江省水稻灌溉管理進(jìn)行了分區(qū)研究[3，16]。但對(duì)于過去黑龍江省寒區(qū)水稻需水量和有效降雨量的時(shí)空分布特征及其變化規(guī)律的研究較少,根據(jù)物候?qū)W規(guī)律計(jì)算水稻生育期內(nèi)需水量與有效降雨量耦合度的研究更是鮮有報(bào)道。

以往研究中大多根據(jù)特定地區(qū)品種生長(zhǎng)期內(nèi)的積累溫度來計(jì)算數(shù)據(jù)缺失年份作物的生育期[17-20]或者根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象站已有觀測(cè)資料來確定生育期長(zhǎng)度[9，21-24]，并未考慮氣候變化下品種更新對(duì)生育期的影響。本研究充分利用黑龍江寒區(qū)的有限熱量資源，以物候?qū)W中適宜水稻插秧和成熟的溫度決定各年水稻移栽和成熟日期[6,25-26]，來模擬品種更新對(duì)生育期的影響，使研究時(shí)段內(nèi)水稻的生育期更接近實(shí)際生產(chǎn)情況。利用黑龍江省26個(gè)站點(diǎn)1960—2015年的逐日氣象資料和29個(gè)水稻灌溉試驗(yàn)站作物系數(shù)資料，計(jì)算5—9月參考作物蒸騰蒸發(fā)量、水稻移栽日期、成熟日期和生育期天數(shù)，進(jìn)而計(jì)算1960—1979年、1980—1999年和2000—2015年及整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)水稻生育期內(nèi)需水量、有效降雨量、需水量和有效降雨量的耦合度及以上各參數(shù)的氣候傾向率，并繪制相應(yīng)的分布圖，旨在為黑龍江省合理分配灌溉水資源和優(yōu)化水稻品種布局提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

圖1 研究區(qū)域及站點(diǎn)分布Fig.1 Study area and distribution of stations

選取黑龍江省26個(gè)站點(diǎn)1960—2015年的逐日氣象資料，包括：最高氣溫、最低氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、降雨量以及各站的經(jīng)緯度信息。以上資料均來自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。水稻作物系數(shù)(Kc)資料來源于《黑龍江省水田灌溉試驗(yàn)資料整編》中29個(gè)水稻灌溉試驗(yàn)站積累的492個(gè)試驗(yàn)?zāi)甑男杷抠Y料，根據(jù)各試驗(yàn)站多年各月平均水稻需水量，計(jì)算出各站各月平均Kc。圖1為研究區(qū)域及氣象站和水稻灌溉試驗(yàn)站的分布情況，根據(jù)黑龍江省農(nóng)業(yè)委員會(huì)發(fā)布的《黑龍江省農(nóng)作物品種積溫區(qū)劃圖》[27]和《黑龍江省2015年主要糧食作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種區(qū)域布局規(guī)劃》[28]，第六積溫帶不適合水稻種植，故第六積溫帶非本文研究區(qū)域。

1.2 水稻生育期的確定

本研究中水稻生育期均指水稻從移栽到成熟這一時(shí)段。寒地水稻安全生育期天數(shù)為95～125 d，為了使秧苗移栽后不受凍害，利用5點(diǎn)滑動(dòng)平均找到平均溫度穩(wěn)定通過13℃的初日作為水稻移栽的初始日期，在水稻結(jié)實(shí)期日平均溫度降到13℃時(shí)，光合產(chǎn)物基本停止運(yùn)輸，此時(shí)確定為水稻成熟日期[6,25-26]。水稻生育期天數(shù)為成熟日期與插秧日期之差。為了比較計(jì)算水稻生育期天數(shù)變化以及有效降雨量和需水量的變化，將研究時(shí)段分為3段：1960—1979年、1980—1999年、2000—2015年。3個(gè)時(shí)段的平均值分別代表3個(gè)時(shí)期的水稻生育期參數(shù)、有效降雨量和需水量等的平均水平。

1.3 有效降雨量

水稻生育期內(nèi)的有效降雨量計(jì)算采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局(USDA)推薦的方法計(jì)算[29]，公式為

(1)

式中Pe——有效降雨量，mm

P——降雨量，mm

1.4 水稻需水量

水稻需水量采用FAO推薦的單作物系數(shù)法進(jìn)行逐日計(jì)算[30]，水稻生育期內(nèi)總需水量由逐日需水量累加得出，根據(jù)不同月份的作物系數(shù)可以計(jì)算得到水稻需水量，在計(jì)算各個(gè)氣象站需水量時(shí)，選取臨近的并與其在同一積溫區(qū)內(nèi)的水稻灌溉試驗(yàn)站作物系數(shù)作為計(jì)算依據(jù)，若一氣象站附近存在多個(gè)水稻試驗(yàn)站，則取附近站作物系數(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算，需水量計(jì)算公式為

ETc=KcET0

(2)

式中ETc——作物需水量，mm

ET0——參考作物蒸散量，mm

利用FAO推薦的Penman-Monteith方法計(jì)算參考作物蒸散量(ET0)，其計(jì)算公式為

(3)

式中Rn——作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)

G——土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)

T——2 m高處的日平均空氣溫度，℃

es——飽和水汽壓，kPa

u2——生長(zhǎng)中期2 m高度處日平均風(fēng)速，m/s

ea——實(shí)際水汽壓，kPa

Δ——飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線斜率，kPa/K

γ——濕度計(jì)常數(shù)，kPa/K

1.5 氣候傾向率

采用最小二乘法，將氣象要素變化趨勢(shì)用一次線性方程表示，即

i=at+b

(4)

t——對(duì)應(yīng)年份

a、b——回歸系數(shù)

10a稱為氣候傾向率，表示氣象要素每10 a的變化速率。其正值表示對(duì)應(yīng)氣象要素呈增加趨勢(shì)，負(fù)值表示呈減少趨勢(shì)。

1.6 趨勢(shì)檢驗(yàn)

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)作為一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，能夠很好地揭示時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，對(duì)于非正態(tài)分布的氣象數(shù)據(jù)，具有更加突出的適應(yīng)性。其統(tǒng)計(jì)變量Z的正負(fù)表示數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，Z的絕對(duì)值在大于等于1.64、2.32和2.56時(shí)，分別表示通過可信度為95%、99%和99.9%的顯著性檢驗(yàn)[31]。本文利用此方法對(duì)文中各參數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.7 需水量與有效降雨量的耦合度

需水量與有效降雨量的耦合度指作物生長(zhǎng)期內(nèi)有效降雨量滿足需水量的程度，計(jì)算公式為

(5)

式中λ——生育期內(nèi)需水量與有效降雨量耦合度

1.8 數(shù)據(jù)處理

利用CROPWAT 8.0軟件進(jìn)行黑龍江省26個(gè)氣象站逐日參考作物蒸騰蒸發(fā)量的計(jì)算，利用Matlab 2004b軟件進(jìn)行黑龍江省26個(gè)氣象站水稻插秧日期、成熟日期、生育期天數(shù)、需水量、有效降雨量及其氣候傾向率的計(jì)算，并進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，利用Arcmap 10.2工具箱的空間分析功能對(duì)各參數(shù)進(jìn)行空間插值并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 參考作物蒸散量變化

由于黑龍江省水稻生長(zhǎng)季在5—9月，對(duì)1960—2015年的5—9月總參考作物蒸騰蒸發(fā)量(ET0)進(jìn)行分析，如圖2所示，研究區(qū)內(nèi)多年生長(zhǎng)季ET0在514～741 mm之間，平均值為620 mm，自西向東總體表現(xiàn)為先減小后增大趨勢(shì)，高值區(qū)主要分布在西部泰來、齊齊哈爾地區(qū)，低值區(qū)主要分布在中部伊春、孫吳等地。研究時(shí)段內(nèi)生長(zhǎng)季ET0氣候傾向率為-18.56～8.15 mm/(10 a)之間，平均值為-3.90 mm/(10 a)，總體呈下降趨勢(shì)，西部地區(qū)降幅較大。有22個(gè)站點(diǎn)的氣候傾向率小于0，其中安達(dá)、哈爾濱、明水、伊春的下降趨勢(shì)通過了α=0.001顯著性檢驗(yàn)，綏芬河和綏化的下降趨勢(shì)通過了α=0.01顯著性檢驗(yàn)，虎林、克山、泰來的下降趨勢(shì)通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)。通過比較1960—1979年、1980—1999年和2000—2015年3個(gè)時(shí)期生長(zhǎng)季ET0發(fā)現(xiàn)，1960—1999年階段ET0氣候傾向率平均值為-2.32 mm/(10 a)，研究區(qū)下降幅度較小，65.38%站點(diǎn)以-8～0 mm/(10 a)速度下降。1980—2015年階段ET0氣候傾向率平均值為-5.15 mm/(10 a)，ET0降幅比上一階段大，且西部地區(qū)降幅較大，而北部和東部少數(shù)地區(qū)則表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。

圖2 1960—2015年ET0及其氣候傾向率的空間分布Fig.2 Spatial distributions of ET0 and its climatic tendency during 1960—2015

圖3 1960—2015年水稻移栽日期及其氣候傾向率的空間分布Fig.3 Spatial distributions of rice planting date and its climatic tendency during 1960—2015

2.2 生育期天數(shù)變化

1960—2015年研究區(qū)水稻移栽日期分布如圖3所示。水稻多年移栽日期在5月8日—6月9日之間，研究區(qū)平均移栽日期為5月21日。移栽日期總體表現(xiàn)為西部早于東部，南部早于北部。移栽較早地區(qū)主要分布在齊齊哈爾、泰來、哈爾濱一帶，移栽較晚地區(qū)主要分布在北部的黑河、孫吳、呼瑪、嫩江和南部綏芬河地區(qū)。研究時(shí)段內(nèi)所有站點(diǎn)水稻的移栽日期均呈提前的趨勢(shì)，其氣候傾向率為-4.03～-0.68 d/(10 a)，平均值為-1.73 d/(10 a)，其中分別有12、2、7個(gè)氣象站的移栽日期提前趨勢(shì)通過了α=0.001、α=0.01和α=0.05顯著性檢驗(yàn)。通過比較1960—1979年、1980—1999年和2000—2015年3個(gè)時(shí)期的水稻移栽日期發(fā)現(xiàn)，1980—1999年比1960—1979年的移栽日期有略微提前的趨勢(shì)，平均氣候傾向率為-0.71 d/(10 a)，只有黑河和孫吳兩地有顯著的提前趨勢(shì)。而1980—2015年研究區(qū)平均氣候傾向率為-2.48 d/(10 a)，移栽日期提前幅度比1960—1999年大，全部26個(gè)氣象站移栽日期的氣候傾向率均小于0，其中有16個(gè)站點(diǎn)的移栽日期呈顯著提前趨勢(shì)，中部和東部地區(qū)有較大提前幅度。

1960—2015年研究區(qū)內(nèi)水稻成熟日期分布如圖4所示。研究區(qū)內(nèi)水稻多年成熟日期在8月30日—9月22日之間，平均成熟日期為9月13日。成熟日期總體表現(xiàn)為南部早于北部。研究時(shí)段內(nèi)，所有氣象站的水稻成熟日期均呈推遲趨勢(shì)，其氣候傾向率為0.09～1.68 d/(10 a)，平均值為0.94 d/(10 a)，其中有18個(gè)氣象站的成熟日期呈顯著的推遲趨勢(shì)，東部和北部成熟期平均推遲1 d，而西部和南部地區(qū)平均推遲2 d。比較1960—1979年、1980—1999年和2000—2015年3個(gè)時(shí)期的水稻成熟日期發(fā)現(xiàn)，1960—1999年期間各站平均氣候傾向率為0.47 d/(10 a)，只有綏芬河和孫吳兩地的水稻成熟日期顯著推遲，而富錦、虎林和哈爾濱地區(qū)卻呈略微的提前趨勢(shì)。1980—2015年期間的水稻成熟日期比1960—1999年推遲幅度大，平均氣候傾向率為1.15 d/(10 a)，有23個(gè)站點(diǎn)的成熟期氣候傾向率大于0，其中有7個(gè)站點(diǎn)的推遲趨勢(shì)顯著，綏化、哈爾濱、尚志和牡丹江地區(qū)的成熟日期推遲2 d以上。

圖4 1960—2015年水稻成熟日期及其氣候傾向率的空間分布Fig.4 Spatial distributions of rice mature date and its climatic tendency during 1960—2015

1960—2015年研究區(qū)水稻生育期天數(shù)分布如圖5所示。研究區(qū)內(nèi)水稻生育期天數(shù)在84～137 d之間，全區(qū)多年平均值為115 d，自北向南總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其中齊齊哈爾、安達(dá)、泰來和哈爾濱的生育期天數(shù)較大，而北部的呼瑪、黑河和孫吳等地水稻生育期天數(shù)較小。研究區(qū)所有站點(diǎn)生育期天數(shù)均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其氣候傾向率1.30～5.30 d/(10 a)，平均值為2.68 d/(10 a)，除綏芬河和呼瑪外，其余各站點(diǎn)的生育期天數(shù)均顯著增加，其中孫吳增加最大，氣候傾向率為5.3 d/(10 a)。1960—1999年期間研究區(qū)內(nèi)水稻生育期天數(shù)增加較小，平均氣候傾向率為1.19 d/(10 a)，而1970—2015年期間，水稻生育期天數(shù)以3.56 d/(10 a)的平均速率快速增加，其中研究區(qū)全部26個(gè)站點(diǎn)的生育期天數(shù)氣候傾向率均大于0，研究區(qū)內(nèi)69.23%的氣象站的生育期天數(shù)顯著增加，東部和中部地區(qū)的增加幅度較大。

圖5 1960—2015年水稻生育期天數(shù)及其氣候傾向率的空間分布Fig.5 Spatial distributions of days of rice growth period and its climatic tendency during 1960—2015

圖6 1960—2015年水稻需水量及其氣候傾向率的空間分布Fig.6 Spatial distributions of rice water requirement and its climatic tendency during 1960—2015

2.3 需水量變化

1960—2015年研究區(qū)水稻需水量分布如圖6所示。水稻需水量在244～740 mm之間，多年平均值為490.52 mm，自西向東總體表現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。研究時(shí)段內(nèi)，各氣象站水稻需水量氣候傾向率范圍為-11.05～23.30 mm/(10 a)，平均值為6.66 mm/(10 a)，有23個(gè)氣象站的需水量呈增加趨勢(shì)，其中虎林、尚志、孫吳、鐵力需水量的增加趨勢(shì)通過了α=0.001的顯著性檢驗(yàn)，嫩江需水量的增加趨勢(shì)通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，寶清、北安、黑河、雞西、牡丹江需水量的增加趨勢(shì)通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，而安達(dá)的需水量卻在α=0.05的顯著性水平上下降。

對(duì)1960—1979年、1980—1999年和2000—2015年3個(gè)時(shí)期的需水量進(jìn)行分析可知，從1960年到1999年，研究區(qū)水稻需水量變化不大，呈略微增加趨勢(shì)，平均氣候傾向率為1.45 mm/(10 a)，其中有14個(gè)站點(diǎn)的需水量呈增加趨勢(shì)，而另外12個(gè)站點(diǎn)需水量呈減小趨勢(shì)，需水量高值區(qū)的齊齊哈爾以3.90 mm/(10 a)的速度減小，而安達(dá)更是以21 mm/(10 a)的速度顯著減小。從1980年到2015年，研究區(qū)需水量總體表現(xiàn)為較大的增加趨勢(shì)，各站點(diǎn)平均氣候傾向率為10.19 mm/(10 a)，有23個(gè)站點(diǎn)的需水量表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其中虎林和牡丹江需水量的增加趨勢(shì)通過了α=0.001的顯著性檢驗(yàn)，雞西、尚志和鐵力需水量的增加趨勢(shì)通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。

圖7 1960—2015年水稻生育期內(nèi)有效降雨量及其氣候傾向率的空間分布Fig.7 Spatial distributions of effective rainfall and its climatic tendency during rice growth period in 1960—2015

2.4 有效降雨量變化

1960—2015年研究區(qū)水稻生育期內(nèi)有效降雨量的分布如圖7所示。有效降雨量范圍為225～353 mm，平均值為297.03 mm。有效降雨量自西向東總體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。高值區(qū)總體分布在伊春、鐵力、尚志一帶，其平均值大于325 mm。低值區(qū)主要分布在呼瑪、嫩江、富裕、齊齊哈爾和泰來一帶，其平均值小于275 mm。水稻生育期內(nèi)有效降雨量氣候傾向率為-7.70～8.54 mm/(10 a)，平均值為0.62 mm/(10 a)，總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其中虎林、綏芬河和孫吳、海倫、綏化、哈爾濱一線以西的14個(gè)站點(diǎn)呈增加趨勢(shì)，其中克山有效降雨量的氣候傾向率最大，為8.54 mm/(10 a)，其他12個(gè)站點(diǎn)呈減小趨勢(shì)，佳木斯、依蘭、通河和尚志一帶減小幅度較大。但研究區(qū)內(nèi)各氣象站有效降雨量的增加和減小趨勢(shì)均未通過α=0.01顯著性檢驗(yàn)。

對(duì)1960—1979年、1980—1999年和2000—2015年3個(gè)時(shí)期的水稻生育期內(nèi)有效降雨量進(jìn)行分析可知，從1960到1999年，有效降雨量呈微弱的增加趨勢(shì)，平均氣候傾向率為0.58 mm/(10 a)，其中西部和北部地區(qū)呈增加趨勢(shì)，克山和嫩江的有效降雨量增加趨勢(shì)通過了α=0.01顯著性檢驗(yàn)。從1980到2015年，有效降雨量呈減小的趨勢(shì)，平均氣候傾向率為-1.94 mm/(10 a)，研究區(qū)內(nèi)有17個(gè)站點(diǎn)的氣候傾向率小于0，呼瑪和嫩江有效降雨量的減小趨勢(shì)通過了α=0.01顯著性檢驗(yàn)，而中部的鐵力和東部的虎林有效降雨量卻以較大的氣候傾向率(大于14 mm/(10 a))增加。通過比較兩階段及整個(gè)研究時(shí)段各站點(diǎn)有效降雨量發(fā)現(xiàn)，1960—1999年期間有效降雨變化趨勢(shì)與整個(gè)研究時(shí)段變化趨勢(shì)大致相同，呈西部和北部增加而其他地區(qū)減小的趨勢(shì)，而1999—2015年階段內(nèi)北部地區(qū)卻表現(xiàn)出了較大的減小趨勢(shì)。

2.5 需水量與有效降雨量耦合度

1960—2015年研究區(qū)水稻生育期內(nèi)需水量與有效降雨量耦合度的分布如圖8所示。其范圍為0.37～0.98，平均值為0.64，自西向東呈現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)。多年平均值大于0.85的高值區(qū)主要分布在北部的黑河、孫吳和伊春，低于0.5的低值區(qū)主要分布在西部的安達(dá)、富錦、齊齊哈爾、泰來和富裕等地。生育期內(nèi)需水量與有效降雨量耦合度的氣候傾向率在-0.033 1～0.012 5/(10 a)之間，平均值為-0.009/(10 a)，總體表現(xiàn)為減小的趨勢(shì)。研究區(qū)內(nèi)有21個(gè)站點(diǎn)的氣候傾向率小于0，其中尚志、通河分別在α=0.001和α=0.01的顯著性水平下減小。而西部的齊齊哈爾、富裕、克山、明水和安達(dá)表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其中安達(dá)的增加趨勢(shì)通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖8 1960—2015年水稻生育期內(nèi)需水量與有效降雨量耦合度及其氣候傾向率的空間分布Fig.8 Spatial distributions of coupling coefficient of effective rainfall and water requirement and its climatic tendency during rice growth period in 1960—2015

對(duì)1960—1979年、1980—1999年和2000—2015年3個(gè)時(shí)期的水稻生育期內(nèi)需水量與有效降雨量耦合度進(jìn)行分析可知，從1960年到1999年，研究區(qū)內(nèi)需水量與有效降雨量耦合度總體呈減小趨勢(shì)，氣候傾向率平均值為-0.001 2/(10 a)，海倫、哈爾濱以東地區(qū)和海倫、伊春以北地區(qū)的氣候傾向率大于零，其他地區(qū)氣候傾向率小于零，但沒有任何氣象站的變化趨勢(shì)通過α=0.01顯著性檢驗(yàn)。從1980年到2015年，研究區(qū)內(nèi)需水量與有效降雨量耦合度總體呈減小趨勢(shì)，氣候傾向率平均值為-0.020 9/(10 a)，但西部地區(qū)的明水、安達(dá)等地仍大于零，其余的21個(gè)氣象站均呈減小趨勢(shì)，其中尚志和通河在α=0.001水平上顯著減小，雞西在α=0.01水平上顯著減小，牡丹江和嫩江在α=0.05水平上顯著減小。通過比較兩階段及整個(gè)研究時(shí)段各站點(diǎn)耦合度發(fā)現(xiàn)，研究時(shí)段內(nèi)水稻生育期內(nèi)需水量與有效降雨量耦合度總體減小的趨勢(shì)主要是由于1980年到2015年階段的耦合度減小造成的，但北部的安達(dá)、克山、明水和齊齊哈爾則一直表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。

2.6 氣候變化對(duì)需水關(guān)系的影響

1960—2015年研究區(qū)不同氣候因素變化對(duì)水稻需水關(guān)系的總體影響如圖9所示，圖中的箭頭表示各參數(shù)的變化趨勢(shì)，加減號(hào)表示參數(shù)對(duì)與之相聯(lián)接的下一個(gè)參數(shù)的促進(jìn)和抑制作用。通過對(duì)研究區(qū)1960—2015年5—9月各氣象因子及ET0進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速、濕度、日照時(shí)數(shù)和降雨量總體呈下降趨勢(shì)，溫度呈增加趨勢(shì)(表1)。風(fēng)速、濕度、日照時(shí)數(shù)和溫度共同作用導(dǎo)致水稻生長(zhǎng)季ET0減小，溫度的升高同時(shí)也增加了水稻的生育期天數(shù)，生育期天數(shù)的增加彌補(bǔ)了水稻生長(zhǎng)季ET0減小對(duì)需水量的影響，使研究區(qū)水稻需水量總體呈增加趨勢(shì)。同樣，生育期天數(shù)的增加也彌補(bǔ)了降雨量減小對(duì)有效降雨量的影響，使水稻生育期內(nèi)有效降雨量總體呈增加趨勢(shì)。然而，需水量的增幅比有效降雨量的增幅大，所以研究區(qū)內(nèi)需水量與有效降雨量的耦合度總體呈下降趨勢(shì)。值得注意的是，研究區(qū)西部地區(qū)的水稻需水關(guān)系與研究區(qū)總體規(guī)律不同。以安達(dá)為例，多年氣候變化導(dǎo)致該地區(qū)生長(zhǎng)季ET0降幅較大，而降雨量增多，水稻生育期天數(shù)的增加不能彌補(bǔ)生長(zhǎng)季ET0減小對(duì)需水量的影響，卻增加了生育期內(nèi)有效降雨量，故該地區(qū)需水量與有效降雨量的耦合度呈增加趨勢(shì)。

圖9 1960—2015年氣候變化對(duì)水稻需水關(guān)系的影響Fig.9 Consequences of climate change on water requirement relations of rice during 1960—2015

表1 1960—2015年水稻生長(zhǎng)期各氣象因子氣候傾向率變化Tab.1 Climatic tendency changes of each meteorological factor during rice growth season in 1960—2015

注：*、** 、*** 分別表示在0.05、0.01和0.001水平上顯著。

通過以上分析可知，受氣候變化影響，1980—2015年階段中水稻生長(zhǎng)季ET0、移栽日期、成熟日期的變化幅度均大于1960—1999年階段，導(dǎo)致水稻生育期天數(shù)增幅較大，生育期天數(shù)的增加也促進(jìn)了1980—2015年階段水稻需水量的增加。而1960—1999年和1980—2015年階段研究區(qū)內(nèi)各地有效降雨量的變化幅度比需水量的變化幅度更大，導(dǎo)致這兩階段各地的需水量和有效降雨量耦合度變化與有效降雨量的變化類似。

3 討論

3.1 氣候變化對(duì)水稻生長(zhǎng)季參考作物蒸騰蒸發(fā)量的影響

本文主要研究目的是估算1960—2015年氣候變化對(duì)黑龍江省水稻需水量的影響，結(jié)果表明近55年的氣候變化引起了水稻生長(zhǎng)季ET0的減小。最高溫度、最低溫度的升高和平均相對(duì)濕度的減少并沒有引起ET0的增加。本研究成果與前人類似，曹永強(qiáng)等[32]發(fā)現(xiàn)1966—2015年遼寧省ET0呈減小趨勢(shì)。ACHARJEE等[18]發(fā)現(xiàn)1980—2013年孟加拉西北地區(qū)水稻生長(zhǎng)季ET0同樣存在下降的趨勢(shì)。然而，陳莉等[33]的研究表明1960—2008年?yáng)|北地區(qū)生長(zhǎng)季ET0呈增加趨勢(shì)，這主要是因?yàn)?008年以后黑龍江省生長(zhǎng)季ET0存在明顯的下降趨勢(shì)而導(dǎo)致與本文結(jié)果不一。徐新良等[34]報(bào)道1991—2000年?yáng)|北地區(qū)5—9月ET0呈增加趨勢(shì)，雖然其研究時(shí)段在本研究時(shí)段內(nèi)，但短時(shí)段的研究結(jié)果并不具有代表性。王亞平等[35]指出1980—2005年風(fēng)速的顯著降低和凈輻射可能補(bǔ)償了氣溫升高引起ET0的增量，導(dǎo)致東北三省近20年ET0減小。吳霞等[36]認(rèn)為，1961—2015年中國(guó)平均ET0呈減少趨勢(shì)主要是由風(fēng)速減小、日照時(shí)數(shù)降低和水汽壓微弱增加共同導(dǎo)致的，中國(guó)東北地區(qū)ET0變化的主導(dǎo)因子為風(fēng)速，其次為日照時(shí)數(shù)，這與本研究結(jié)果一致，風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)的大幅減小與溫度和濕度共同作用造成了ET0的減小。因此在估算ET0時(shí)，要綜合考慮各項(xiàng)氣候因子的影響。只考慮氣溫升高對(duì)ET0的作用會(huì)導(dǎo)致估算值與真實(shí)值出現(xiàn)較大偏差。本研究中日照時(shí)數(shù)的減小有可能因?yàn)樵屏炕驓馊苣z的增加引起的，導(dǎo)致輻射量下降[37]，然而輻射量的減小并沒有降低氣溫，云和氣溶膠的溫室氣體效應(yīng)反而更有利于捕獲更多熱量，在增加氣溫的同時(shí)減小了太陽(yáng)輻射量，從而導(dǎo)致ET0的減小。

3.2 氣候變化對(duì)水稻生育期天數(shù)的影響

作物需水量不僅受ET0影響，還受作物系數(shù)及生育期天數(shù)影響。本研究中，研究區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)生育期天數(shù)不一，且所有站點(diǎn)的水稻生育期長(zhǎng)度均呈增加趨勢(shì)，這主要是受黑龍江省有限的熱量條件及氣溫升高的共同影響，熱量資源較多的南部地區(qū)不小于10℃的積溫為2 600～2 800℃，而北部山區(qū)的積溫一般小于2 200℃。隨著不小于10℃積溫的增加，水稻品種的生育期變長(zhǎng)。氣候變化條件下，各地積溫在不斷增加，早熟品種逐漸被中熟和晚熟品種替代。研究區(qū)各月平均最低氣溫和平均最高氣溫均呈不同程度的上升趨勢(shì)，平均最低氣溫的顯著升高促進(jìn)了移栽期的提前和成熟日期的推遲[7,12-13]，使增加的熱量資源得以充分利用，同時(shí)又增加了產(chǎn)量。侯雯嘉等[7]通過對(duì)水稻審定品種和觀測(cè)站水稻生育期數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，近20年來黑龍江省的水稻播種期和收獲期呈極顯著的提前和推遲趨勢(shì)，其中審定品種1989—2006年間生育期長(zhǎng)度以3.4 d/(10 a)的速率延長(zhǎng)，本研究中水稻生育期天數(shù)1980—2015年以3.56 d/(10 a)的平均速率增加，二者相差很小，這在數(shù)據(jù)上肯定了本研究的成果。而在熱量資源較為豐富的地區(qū)，氣溫升高則會(huì)引起作物生育期天數(shù)減小，DING等[19]通過校正的水稻生育期模型對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)水稻生育期天數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)氣候變化下過去及未來單季稻、早稻和晚稻的生育期均呈不同程度的下降趨勢(shì)。YE等[17]使用氣象生態(tài)模型計(jì)算了中國(guó)南方單季稻和雙季稻的生育期天數(shù)及適宜種植區(qū)，發(fā)現(xiàn)與1951—1980年相比，1981—2010年單季稻適宜種植面積減少了6.2×104km2，而雙季稻種植面積卻相應(yīng)增加，在未來氣候變暖條件下雙季稻的種植面積呈逐漸向北擴(kuò)張的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)槠溲芯繀^(qū)熱量條件足以達(dá)到使當(dāng)?shù)厮靖弋a(chǎn)的最優(yōu)品種的生長(zhǎng)熱量需求，所以在水稻生育期計(jì)算時(shí)未考慮氣候變化下水稻品種的更新，只利用研究區(qū)特定品種的生育期累計(jì)有效積溫來計(jì)算水稻生育期天數(shù)，導(dǎo)致氣候變暖條件下相應(yīng)研究區(qū)的水稻生育期天數(shù)變小。然而，當(dāng)溫度升高到大于水稻生長(zhǎng)的適宜溫度閾值時(shí)，水稻的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)變慢，在某種程度上也會(huì)增加水稻生育期長(zhǎng)度[17,38],這種情況不僅發(fā)生在熱量資源豐富的地區(qū)，侯雯嘉等[7]通過對(duì)水稻生育期和溫度相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)7月溫度升高可能會(huì)導(dǎo)致東北三省水稻生育期縮短。因此，及時(shí)掌握區(qū)域氣溫變化對(duì)優(yōu)化品種布局作物，調(diào)整作物耕作制度具有重大意義。

3.3 氣候變化對(duì)水稻需水關(guān)系的影響

本研究計(jì)算出的水稻生育期需水量空間差異較大，這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)各地氣候條件差異較大導(dǎo)致計(jì)算出的ET0空間差異較大，另外各地水稻生育期內(nèi)Kc也存在著較大的時(shí)空差異。本研究中水稻生育期需水量的空間分布趨勢(shì)與文獻(xiàn)[3]中黑龍江省37個(gè)水稻灌溉試驗(yàn)站水稻生育期需水量分布趨勢(shì)較為一致，該文獻(xiàn)中37個(gè)試驗(yàn)站的水稻需水量范圍為314～696 mm，黑龍江省范圍內(nèi)水稻需水量差異較大，這在數(shù)據(jù)方面肯定了本研究中需水量的計(jì)算結(jié)果。本研究指出，1960—2015年黑龍江省水稻需水量除北部安達(dá)和明水外均呈增加趨勢(shì)，馬文津等[39]對(duì)黑龍江省8個(gè)氣象站的水稻需水量變化特征的研究表明1956—2015年黑龍江省安達(dá)水稻需水量降低，這與本研究類似，但綏化、牡丹江、雞西和富錦的水稻需水量呈減小趨勢(shì)，與本研究結(jié)果不同，這主要是因?yàn)槠溲芯恐胁⑽纯紤]水稻生育期天數(shù)變化對(duì)需水量的影響。文獻(xiàn)[17-19]在不同地區(qū)進(jìn)行氣候變化對(duì)需水量影響的研究表明，全球變暖導(dǎo)致的水稻生育期天數(shù)減小均會(huì)減小水稻生育期需水量，因此研究氣候變化對(duì)作物需水量影響時(shí)，生育期長(zhǎng)度變化是一項(xiàng)不可忽視的因素。

本研究中的水稻生育期內(nèi)有效降雨量及其氣候傾向率的分布情況與1959—2015年黑龍江省玉米生育期內(nèi)有效降雨量及其氣候傾向率的分布情況類似[9]。這可能是由于黑龍江省特定氣候決定了作物的生長(zhǎng)季為5—9月，即使玉米播種日期與水稻移栽日期相差較大，但5月較小的降雨量不至于對(duì)兩種作物生育期內(nèi)有效降雨量的分布及變化趨勢(shì)造成較大差別。因此，黑龍江省水稻和玉米生育期內(nèi)有效降雨量分布和變化趨勢(shì)也應(yīng)用在具有類似生育期長(zhǎng)度的大豆和小麥等其他大田作物上。

降雨量空間分布和變化幅度均會(huì)影響作物對(duì)降雨量的有效利用。本研究中黑龍江省中部水稻需水量小于東部和西部地區(qū)，而有效降雨量的分布則與之相反，呈現(xiàn)為東部和西部小于中部的分布趨勢(shì)。所以，中部地區(qū)需水量和有效降雨量耦合度較大，而東部西部較小。研究區(qū)內(nèi)需水量的氣候傾向率總體表現(xiàn)為東部大于西部，有效降雨量的氣候傾向率表現(xiàn)為東部小于0，而西部大于0。故西部地區(qū)需水量和有效降雨量的耦合度總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)而其他地區(qū)則呈下降趨勢(shì)。全省范圍來看，不適宜水稻種植的西部地區(qū)正朝著適宜的方向轉(zhuǎn)化，而在水稻大面積種植的西部地區(qū)隨著水稻需水量的增加和有效降雨量的減小則需要更多的灌溉水資源。

水稻品種、水分管理方法、土壤狀況等都會(huì)影響水稻需水量[17-18]。本文采用的研究區(qū)多年Kc平均值可以在一定程度上減小水稻品種、土壤狀況的影響。而近些年來新興的非傳統(tǒng)水分管理方法，如干濕交替灌溉、控制灌溉等，都會(huì)有效減小作物需水量。氣候變化下，全球CO2平均濃度(物質(zhì)的量比)由1960年的317 μmol/mol增加到了400 μmol/mol，CO2濃度的升高也會(huì)促進(jìn)氣孔關(guān)閉，進(jìn)而引起作物需水量的減小[40]。因此，黑龍江省水稻需水量的實(shí)際增加趨勢(shì)可能緩于本文結(jié)果。在有效降雨量減小和水稻需水量增加的情況下，大面積推行水稻節(jié)水灌溉技術(shù)，優(yōu)化種植制度與品種布局將會(huì)有效減小水資源壓力，有利于水稻生產(chǎn)的穩(wěn)步發(fā)展。

4 結(jié)論

(1) 1960—2015年黑龍江省水稻多年生長(zhǎng)季ET0在514～741 mm之間，平均值為620 mm，自西向東總體表現(xiàn)為先減小后增大趨勢(shì)。氣候傾向率為-18.56～8.15 mm/(10 a)，平均值-3.90 mm/(10 a)，總體呈下降趨勢(shì)，西部地區(qū)降幅較大。

(2) 1960—2015年黑龍江省水稻移栽日期在5月8日—6月9日之間，平均移栽日期為5月21日。移栽日期均呈提前的趨勢(shì)，其氣候傾向率平均值為-1.73 d/(10 a)，成熟日期在8月30日—9月22日之間，平均成熟日期為9月13日。氣候傾向率平均值為0.94 d/(10 a)，水稻生育期天數(shù)在84～137 d之間，全區(qū)多年平均值為115 d，自北向南總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其氣候傾向率平均值為2.68 d/(10 a)，總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。

(3) 1960—2015年黑龍江省水稻需水量在244～740 mm之間，多年平均值為490.52 mm，從大到小總體表現(xiàn)為西部、東部、中部、北部。氣候傾向率平均值為6.66 mm/(10 a)，總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，東部地區(qū)增幅較大。1980—2015年水稻需水量增加幅度較大。有效降雨量為225～353 mm，平均值為297.03 mm。有效降雨量自西向東總體表現(xiàn)為先增大后減小趨勢(shì)，氣候傾向率平均值0.62 mm/(10 a)，東部表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，西部表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。需水量與有效降雨量耦合度為0.37～0.98，平均值為0.64，自西向東變現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，北部地區(qū)耦合度較大，西部較低，其氣候傾向率平均值為-0.009/(10 a)，總體表現(xiàn)為減小的趨勢(shì)，但西部表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。