李新華，張 蕾，姜樹坤，許吟隆

（1.黑龍江省氣象服務(wù)中心，哈爾濱 150030；2.國家氣象中心，北京 100081;3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所/國家耐鹽堿水稻技術(shù)創(chuàng)新中心東北分中心，哈爾濱 150086；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)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(bào)告(AR5)表明，1880-2012年全球平均溫度上升了0.85℃；到21 世紀(jì)末，全球平均氣溫將升高0.3～4.8℃[1]。第三次國家評估報(bào)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(shí)數(shù)(1961-2010年)減少率為26.7h·10a-1[6]。1980-2010年東北地區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，而氣候變暖是作物種植結(jié)構(gòu)改變的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)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(kuò)大[7-8]。松嫩平原 2001-2017年活動(dòng)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(shí)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(jì)中期，黑龍江省增溫可達(dá)3℃以上，大部地區(qū)生長季將延長10～15d，生長季內(nèi)極端平均最高氣溫升幅可達(dá)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(nóng)業(yè)的影響是全球氣候變化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中種植措施的調(diào)整與改變，最終影響農(nóng)作物的種植制度、品種布局以及生長發(fā)育和產(chǎn)量形成[16-18]。黑龍江省水稻種植面積和總產(chǎn)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(chǎn)區(qū)具有地勢平坦、土壤肥沃、氣候適宜等特點(diǎn)，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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)的影響具有重要意義。前人對松嫩平原地區(qū)氣候或者農(nóng)業(yè)氣候資源的分析，所采用的全球模式或?qū)嶋H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(yīng)用Xu 等[24]對全國751個(gè)氣象觀測點(diǎn)的逐日數(shù)據(jù)插值后得到的分辨率為0.25°×0.25°格點(diǎn)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(nóng)業(yè)氣候資源數(shù)量和配置的變化，對充分利用農(nóng)業(yè)氣候資源、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化策略具有重大指導(dǎo)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(chǎn)生的大氣輻射強(qiáng)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(jīng)度)×0.25o(緯度)，時(shí)間分辨率為逐日輸出值，數(shù)據(jù)時(shí)間序列為1961-2100年，其中將1961-1990年定義為氣候基準(zhǔn)時(shí)段，用于模型模擬效果評估以及計(jì)算未來時(shí)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(yù)估時(shí)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(jīng)得到李新華等的驗(yàn)證[12,25]。李新華等應(yīng)用統(tǒng)計(jì)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(jìn)行PRECIS 模擬能力的介紹及對比，直接進(jìn)行農(nóng)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(gè)具有1961年以來完整觀測序列的氣象站點(diǎn)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(dá)、肇州等6 個(gè)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(gè)氣象站（圖1）。

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

1.3 農(nóng)業(yè)氣候資源指標(biāo)

選取代表農(nóng)業(yè)氣候資源的溫度、降水和輻射量指標(biāo)進(jìn)行評估，如表2 所示。代表熱量資源的指標(biāo)為年平均溫度和五日滑動(dòng)平均法計(jì)算獲得的穩(wěn)定通過10℃的積溫[12]，代表農(nóng)業(yè)水資源的指標(biāo)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(biāo)為年輻射量和生長季輻射量（5-9月輻射量）。

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用R 語言對農(nóng)業(yè)氣候資源指標(biāo)進(jìn)行計(jì)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(jié)果與分析

2.1 未來熱量資源的時(shí)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(shí)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(diǎn)。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?？h、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(shí)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(diǎn)。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(shí)段≥10℃積溫均表現(xiàn)為南部積溫高于北部的特點(diǎn)。RCP4.5 情景下≥10℃積溫多于3550℃·d 的區(qū)域分布在研究區(qū)內(nèi)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(kuò)大，已經(jīng)北擴(kuò)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(shí)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(gè)研究區(qū)域積溫增幅在555℃·d 以內(nèi)，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(shí)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(dāng)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(shí)空變化特征

2.2.1 年降水量

由圖6 可見，未來時(shí)段（2021-2050年）年降水量表現(xiàn)為東部降水多于西部的特點(diǎn)。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(gè)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(gè)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(kuò)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(shí)段兩種情景下作物生長季內(nèi)降水量空間分布特點(diǎn)與年降水量一致，為東多西少。RCP8.5 情景下，生長季內(nèi)降水量不足410mm 的地區(qū)較RCP4.5 明顯擴(kuò)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(nèi)（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(shí)段生長季內(nèi)降水增量的空間分布特點(diǎn)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(kuò)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(nèi)（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(shí)空變化特征

2.3.1 年輻射總量

由圖10 可見，未來時(shí)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(shí)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(shí)段作物生長季內(nèi)輻射量空間分布為西南多東北少的特點(diǎn)。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(nèi)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(gè)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?？梢?，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(shí)間變短。

圖12 2021-2050年不同排放情景下研究區(qū)生長季內(nèi)（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(nèi)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(jié)論與討論

3.1 結(jié)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(nèi)降水量增加25～65mm。年輻射量變化不大，整個(gè)區(qū)域輻射減少85～105MJ·m-2，作物生長季內(nèi)輻射量減少10～40MJ·m-2，輻射減少意味著日照時(shí)數(shù)縮短，但日照時(shí)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(qiáng)[26]，可能造成作物主要關(guān)鍵生育期內(nèi)水分的供應(yīng)不能滿足作物生長所需。同時(shí)，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(yīng)考慮引進(jìn)生育期更長的作物或調(diào)整作物播期來適應(yīng)氣候變暖，否則，溫度升高將會導(dǎo)致現(xiàn)有作物生育期縮短，從而造成減產(chǎn)[27-29]。

未來氣候情景下，松嫩平原地區(qū)整體表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)氣候資源提升，使得農(nóng)作物可生長的時(shí)間變長，為作物的光溫生產(chǎn)潛力和產(chǎn)量的提高提供了潛在機(jī)遇。因此，在品種選育的過程中應(yīng)適當(dāng)考慮氣候變化。同時(shí)，及時(shí)調(diào)整和改變生產(chǎn)過程中的種植措施，以便充分利用農(nóng)業(yè)氣候資源、改善品種布局，最終達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。此外，由于溫度升高，蒸發(fā)增強(qiáng)[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(dǎo)致該地區(qū)的鹽漬化日趨嚴(yán)重。針對這一問題，應(yīng)該選育和推廣耐鹽堿的作物品種，同時(shí)開展節(jié)水增效的栽培技術(shù)措施以適應(yīng)未來可能出現(xiàn)的氣候變化。