东北平原热量变化与水稻产量关系的研究进展

王译爽

(东北农业大学，哈尔滨 150006)

东北平原地处于中国的东北部地区，是全世界三大黑土区之一，由松嫩平原、三江平原和辽河平原组成。2019年东北平原稻谷播种面积达5 160 hm2，占全国面积近1/6， 稻谷产量三年内占全国稻谷产量17%～18%。而在近几十年里，全球变暖这一明显的气候变化已经成为公认的事实，据2018年中欧气象变化蓝皮书指出，1951—2017年，中国地表年平均气温以每10年0.24 ℃的速率显著增加，东北地区因其特殊的地理位置增温尤其明显[2]。东北地区自20世纪80年代以来活动积温便呈上升趋势，90年代以来增幅尤为显著，其中2000年以来，松嫩平原、三江平原和辽河平原活动积温增加明显。水稻作为我国主要粮食作物之一，且东北平原地区作为我国重要的稻作区，同时为保障国家的粮食安全和指导水稻育种工作，充分利用全球变暖所带来的气候变化并分析无霜期及活动积温与水稻产量的关系变得刻不容缓。

1 东北平原的热量资源变化

热量资源作为作物生长发育无法或缺的因子，热量的充分利用可以增加作物产量，这对保障粮食生产安全具有重大意义。在全球变暖的趋势下，无霜期和活动积温的变化很大程度上影响了水稻种植面积和产量。宁晓菊[2]研究发现，我国自1951年以来，80% 以上的区域呈现初霜日延后、终霜日提前和无霜期延长的趋势；1961年以来东北地区，呈初霜日推迟、终霜日提前和无霜期延长的趋势[4]。全国平均终霜日提前速率明显比初霜日推迟速率大，并且平均终霜日和无霜期自20世纪80年代起明显延长。东北地区无霜期正在呈现增长趋势，而且东北地区霜期变化也受到积温的影响。宁晓菊[2]研究发现，北方地区初霜日推后、终霜日提前和无霜期延长的趋势较为明显，且变化幅度大于南方。有研究指出东北地区无霜期正以每10年3～5 d的趋势快速增加。而初霜日早晚的日期变化对水稻单产的影响十分显著，影响大小由作物生长阶段的气候条件和气候的年际变化的调控[5]。

在现有的气候条件下水稻的生产发育一直都受极端温度的严重迫害。高温热害使水稻茎秆干物质量增加，影响水稻产量；而低温冷害使水稻籽粒的形成受到障碍，造成水稻产量下降。东北平原处于高纬度地区，种植水稻易受冷害胁迫，尤其是在开花期，而气候变暖可以减少东北稻作区低温冷害的发生，益于水稻生产。近些年来，在全球气候变暖的背景下，东北稻作区发生延迟型低温冷害的可能有所减少，这对水稻的生产调控产生了正面影响。研究表明，东北地区在20世纪八九十年代积温升高明显，而且东北地区未来20年气候将持续变暖。

2 东北平原热量变化与水稻产量关系研究与进展

热量资源对粮食生产有重要影响，热量的充分利用可以增加作物产量。自1961年以来，中国地表温度正以每10年0.31℃的速率显著上升。其中北方气候变暖加剧，表现为初霜日推后、终霜日提前和无霜期延长的趋势[7]，特别是东北地区无霜期显著延长，尤其黑龙江省≥10℃积温带呈现向北移动和向东扩张的趋势。北方气候变暖对灌溉农业产生积极作用，气温的升高增加了东北水稻产量，同样的水稻种植区域也因气候变暖的发生一些变化，种植区域逐渐地北移与气温变化趋势一致，我国水稻种植重心自1980年以来已向东北迁移2～3个纬度。与此同时，资料显示近60年来水稻产量的重心也向东北迁移了2～3个纬度，这表明水稻的种植面积的扩大和迁移与气温变化趋势一致。

气候变暖对不同地区的水稻产量的影响程度不一。其中一些研究表明，中低纬度地区气温的升高会使作物产量下降10%，而在高纬度地区情况则相反，水稻却能从气候变暖中获益。南方地区因其热量资源丰富，水稻可在各个生育阶段达到最适温度，气温的上升变暖反而对水稻生长发育产生负影响，最终导致减产。杨沈斌[6]等采取IPCC排放情景特别报告(SRES)中设计的A2和B2情景方案，模拟2021—2050年长江中下游水稻在A2、B2两种情境下的产量变化，结果显示两种情境下水稻生育期天数均有减少，产量也有不同程度的减产。

对菲律宾国际水稻研究所中1979—2003年的田间昼夜温度和产量数据进行分析，结果显示，在水稻生长季节，夜平均低温与水稻产量负相关，白天平均最高温度的变化影响不大。同时Jarrod等[7]对亚洲6个国家7个试验点中同样的数据进行分析，得出来类似的结论，但同时发现在试验点平均高温不超过35 ℃以内时，白天较高温的温度能促进水稻增产。东北地区大部分为低温地区，气温增高对水稻有增产效应。东北地区水稻受冷害胁迫程度较高，尤其是在开花期，而气候变暖可以减少东北稻作区延迟型低温冷害的发生，增加了热量资源促进水稻生产。有研究表明，东北地区温度的升高会使水稻产量增加。同样表明了在未来几十年中国东北地区水稻产量会随着温度上升而增加；且发现无霜期的延长有利于减少霜冻给水稻生产带来的风险。同时，水稻生产也受到积温变化的影响，特别是中国北部地区水稻产量与积温呈正相关。吕金莹[1]研究表明，当活动积温≤3 800 (℃·d)时，松嫩平原水稻产量随活动积温的增加而增加；侯雯嘉等[8]也认为东北平原北部随积温上升水稻产量增加明显。有学者研究安徽省光热量资源对水稻气象产量表明，≥10℃活动积温与气象产量呈正相关；有研究通过ARIMA模型分析得出，东北平原未来10年气象产量变化与利用活动积温估计的水稻产量变化趋势一致，估算出2018—2027年水稻产量将增产，同时利用水稻产量与活动积温的回归方程预估三江平原和松嫩平原的增产潜力大于辽河平原，活动积温增长有利于东北平原北部(三江、松嫩)水稻产量的增加。

3 总结与展望

东北平原的粮食生产对保障我国粮食安全具有战略意义。近些年来，全球气候明显变暖，热量资源的变化会导致作物生产上的改变。在中低纬度地区，气温的升高会使大多数作物产量降低，而在高纬度地区，水稻却能从气候变暖中获益提高产量。

从目前的研究来看,关于东北平原气候变化与水稻产量的研究大多表明东北大部分地区有初霜日推迟、终霜日提前、无霜期延长的趋势，预测未来10年内三江、松嫩和辽河平原的年平均活动积温都会有所增加，我国水稻单产值一直在增大，2013—2017年增幅达5%，2013—2017年东北地区水稻单产同样在增加，若能明确气候对水稻种植的影响，在一定程度上科学准确地预测未来东北平原气候变化对水稻产量的具体影响，或做到系统科学地阐述出东北平原无霜期和活动积温变化特征与水稻产量关系，相信这对未来的作物生产具有非常重要的参考、指导意义。