黑龙江省2011─2020年水稻播种面积和产量变化及主要气象灾害易发区研究

徐永清，刘赫男，刘春生，蒋慧亮，魏 磊，张洪玲

（黑龙江省气候中心，黑龙江 哈尔滨 150030）

黑龙江省是我国水稻的主产区，截至2020年末，该省水稻的播种面积达到387.2万hm2，占全国的12.9%，仅略低于湖南省，位于第2位；水稻总产量达到2896.4万t，占全国的13.7%，位居第1位［2］。因此，研究黑龙江省水稻种植面积、产量变化及气象灾害的易发区分布，对保障黑龙江省水稻稳产、优产、高产具有重要意义。多年来，众多学者对水稻的空间布局［3-6］和产量变化影响因素［7-9］进行了大量的研究，但是这些研究主要关注国家和大区域层面，而对省内地市单元的水稻生产变化情况研究较少。以往对水稻气象灾害的研究主要集中在低温冷害对产量的影响［10-13］和冷害风险评估区划［14-16］方面，对其他气象灾害的研究较少。鉴于此，笔者以地市为单位，对黑龙江省水稻种植面积和产量的变化进行了分析，同时综合考虑低温、暴雨和大风气象灾害要素，划分了水稻气象灾害的易发区域，以期为黑龙江省水稻生产和长远布局提供科学依据。

1 资料与研究方法

1.1 研究资料

本研究所用的水稻种植面积和产量资料来源于《黑龙江统计年鉴（2021）》［17］，统计资料中2020和2019年按哈尔滨等13地（市）统计，2018年及以前农垦总局单独统计，不包括在13个地（市）之内；考虑到资料的连续性和统一性，将农垦总局的水稻播种面积和产量按所属地区拆分至各地（市），不单独分析农垦总局的变化情况，只按地（市）进行分析；另外，因大兴安岭地区的水稻种植面积很小，总产量非常低，本文没有进行分析。

气象资料选用黑龙江省84个国家气象观测站1961─2020年的逐日降水、风速和气温资料，均来源于黑龙江省气象数据中心，所有资料经过质量监控，数据真实可靠。

1.2 指标和方法

1.2.1 播种面积和粮食产量变化的计算 水稻播种面积和粮食产量变化量和变化率的计算公式为：

式（1）中：Bk为指标k在n年内的变化量；bi为指标k在第i年的变化量。

式（2）中：Dk为指标k的变化率；Bi为指标k在第i年的变化量；Ki为指标k在第i年的数据。

1.2.2 水稻低温灾害因子的选取 依据气象行业标准《水稻、玉米冷害等级》（QX/T 101─2009），东北地区水稻障碍型冷害主要发生在孕穗期和开花抽穗期［18-19］。本研究选取黑龙江省水稻孕穗期日平均气温＜17 ℃的持续日数、日最低气温，开花抽穗期日平均气温＜19 ℃的持续日数以及日最低气温这4个低温灾害因子，将它们均一化处理后加权求和，得到低温灾害指数。

建材质量检测系统需包括多种试验类型的多样检测和报告发放管理功能。例如实现钢材焊接、砼抗渗和抗压、钢材力学、砖抗折和抗压、水泥、砼配合比、砂浆、烧结多孔砖、砂浆配合比、砂石检验、烧结普通砖等多种试验类型的多样检测。

1.2.3 水稻暴雨灾害因子的选取 暴雨洪涝在营养生长期对水稻生长发育及产量的影响较小，在生殖生长期对水稻生长发育及产量的影响较大，特别是孕穗期强降水对水稻产量的影响最大［20-21］。本文选取水稻孕穗期和开花抽穗期的暴雨次数和最大暴雨量作为暴雨灾害因子。

1.2.4 水稻大风灾害因子的选取 大风可使水稻倒伏、落粒、茎秆折断及叶片擦伤，还会间接引起病菌侵入和蔓延，在水稻开花抽穗期影响较大。本文选取水稻孕穗期和开花抽穗期日最大风速＞10 m/s的次数和最大风速作为大风灾害因子。

1.2.5 均一化处理 为了消除各个指标量纲不同以及数据级的差异，对各指标因子进行均一化处理，计算公式为：

式（3）中：Fij为第j个点第i个指标的规范化值；Dij为第j个点第i个指标的原始值；maxDi为第i个指标在所有格点中的最大值；minDi为第i个指标在所有格点中的最小值。

2 结果与分析

2.1 黑龙江省2011─2020年水稻播种面积和粮食产量的变化

2.1.1 全省水稻播种面积、产量的变化 黑龙江省2011─2014年水稻播种面积和产量均呈快速增长趋势，之后呈小幅波动变化。具体来说：水稻播种面积由2011年的343.7万hm2快速上升到2014年的396.8万hm2，之后缓慢下降，在2018年下降至378.3万hm2，此后又呈上升趋势；产量从2011年的2438万t快速增长到2014年的2797万t，但在2014─2019年期间产量变化幅度不大，到2020年时达到最大值2896万t。

2.1.2 各地市水稻播种面积、产量的变化 由表1可见，佳木斯市是黑龙江省水稻播种面积最大和产量最高的市，平均播种面积为98.1万hm2，占全省的26.1%，平均产量为720.4万t，占全省的26.4%。哈尔滨市次之，其平均播种面积为63.7万hm2，占全省的17.0%，平均产量为479.1万t，占全省的17.5%。鸡西市和双鸭山市的平均播种面积和产量在全省的占比均在10.0%以上。大庆、牡丹江、伊春、七台河、黑河市的播种面积和产量占比均在3.6%以下。绥化市和齐齐哈尔市虽然也是粮食大市，但水稻在粮食作物中的占比较小。大兴安岭地区、黑河、伊春和牡丹江等市的面积较大，但因地形和气候等原因，水稻播种面积较小，产量较低。

表1 各地市2011─2020年水稻平均播种面积和平均产量

图1 黑龙江省2011─2020年水稻播种面积和产量的变化

从表2可以看出，在2011─2020年期间，佳木斯市的水稻播种面积和产量均呈增长趋势，两者的变化率均在20%以上，对黑龙江省水稻播种面积和产量的正向贡献最大。哈尔滨市的水稻播种面积和产量均呈减少趋势，两者的变化率均在20%以上，对黑龙江省水稻播种面积和产量的负向贡献明显。齐齐哈尔市水稻播种面积和产量的变化率最大，均在50%以上，其水稻播种面积和产量在全省的占比逐渐增大。伊春、黑河和七台河市虽然播种面积的变化量较大，但因为整体播种面积较小，对全省的影响不大。

表2 各地市2011─2020年水稻播种面积和产量的变化量和变化率

2.2 水稻低温灾害易发区

黑龙江省水稻孕穗期最低日平均气温系数如图2a所示，在黑龙江省北部地区系数最高，在0.8以上；大兴安岭南部和黑河市东北部在0.6～0.8之间；黑河市南部、伊春市北部和绥化市西部在0.4～0.6之间；哈尔滨市东南部最低，在0.2以下；黑龙江省西部、东北和中部大部分地区在0.2～0.4之间。孕穗期日平均气温低于17 ℃持续日数系数在大兴安岭以南地区均在0.2以下；其他地区由西北向东南从0.8过渡到0.2（图2b）。水稻抽穗开花期最低日平均气温系数在大兴安岭地区西部最高，在0.8以上；大兴安岭地区东部为0.6～0.8；黑龙江省广大中部地区在0.4～0.6之间；西部和东部地区在0.2～0.4之间；东南部地区在0.2以下（图2c）。如图2d所示，抽穗开花期日平均气温低于19℃持续日数系数基本上由北向南逐渐降低，系数在0.2的面积占全省总面积的50%以上。由图2e可见，大兴安岭地区东北部为水稻低温灾害高易发区，大兴安岭地区西部和南部为水稻低温灾害较高易发区，黑河市和伊春市北部为水稻低温灾害中易发区，黑龙江省中部地区为水稻低温灾害较低易发区，黑龙江省西南部、东南部和东部等地区为水稻低温灾害低易发区。

图2 黑龙江水稻低温灾害各因子系数和易发区分布

2.3 水稻暴雨灾害易发区

如图3a所示，最大日暴雨量系数仅在齐齐哈尔西部的甘南县等少部分区域较大，在0.6以上；齐齐哈尔和黑河西部、黑龙江省中部地区系数在0.4～0.6之间；齐齐哈尔市东部、绥化市西部、大庆市南部、黑龙江省东部和北部地区系数在0.4以下。暴雨日次数系数在齐齐哈尔市西部、佳木斯市东部的抚远市和黑龙江省中部地区在0.6以上；佳木斯市、双鸭山市、鸡西市东部、黑河市南部、伊春市北部和黑龙江省西部地区在0.4～0.6之间；黑龙江北部和东南部均在0.4以下（图3b）。由图3c可知，黑龙江省水稻暴雨灾害高易发区集中在齐齐哈尔市西部、绥化市东部和佳木斯市的抚远北部地区，较高易发区分布在黑龙江中部的绥化、哈尔滨、伊春等市，黑龙江省的北部和东部为暴雨灾害低易发区和较低易发区。

图3 黑龙江暴雨灾害各因子系数和易发区分布

2.4 水稻大风灾害易发区

由图4a可以看出：最大风速系数在0.6以上的区域分布比较分散，主要在大庆市、黑河市的嫩江市西部、黑河市孙吴县、哈尔滨市的宾县和尚志市、鹤岗市和佳木斯市小部分地区；大兴安岭北部、伊春市大部、黑河东部和牡丹江市等地区的系数在0.4以下；黑龙江其余大部分地区的系数在0.4～0.6之间，且较为连续。大风次数系数在0.6以上的区域面积非常小，仅分布在黑河市的嫩江市西部和哈尔滨北部的小区域内；黑河市西部、齐齐哈尔市东北部、大庆市和哈尔滨东北部的系数在0.4～0.6之间；黑龙江省其余近85%区域的系数均在0.4以下（图4b）。如图4c所示，黑龙江省水稻大风灾害高易发区主要分布在黑河市西部、大庆市北部，在哈尔滨、鹤岗、佳木斯等市呈不连续的点状分布；水稻大风灾害较高易发区位于大庆市和其余高易发区的外围；大兴安岭、伊春市、黑河市南部和黑龙江东南部为水稻大风灾害低易发区和较低易发区；黑龙江省中部地区普遍为水稻大风灾害中易发区。

图4 黑龙江大风灾害各因子系数和易发区分布

2.5 水稻主要气象灾害易发区

目前，农业气象灾害风险评估中多以单一灾种对承载体的影响为主，多种气象灾害对农作物的综合影响研究较少。高晓容等［22］以冷害、干旱、洪涝作为主要气象灾害对东北地区玉米进行了灾害风险研究；杨若子等［23］也以低温、干旱、洪涝为主要气象灾害研究了玉米气象灾害的综合危险性，其各气象灾害因子的权重用最大熵模型和层次分析法确定。在水稻实际生产中，由于各区域不同气象灾害所占的权重各不相同，甚至差异较大，因此笔者尝试根据各气象站不同气象灾害发生的次数来计算各灾害因子的权重，以避免不同区域灾害因子权重均相同的问题。

在黑龙江省水稻气象灾害中低温灾害对水稻生产的影响最大，低温系数如图5a所示，大兴安岭地区系数最高，大部分在0.50以上；黑河市的北部和东部、伊春市北部和绥芬河在0.45～0.50之间；齐齐哈尔、大庆、绥化和哈尔滨等地区在0.35～0.40之间；黑龙江省东部地区基本上在0.40～0.45之间。齐齐哈尔市西部、佳木斯市和黑龙江省中部地区的暴雨系数最大，在0.35以上；大兴安岭地区北部最低，在0.25以下；大兴安岭地区南部、黑河市、牡丹江市东部、鸡西市西部和绥芬河市在0.25～0.30之间；黑龙江省其余大部分地区的暴雨系数在0.30～0.35之间（图5b）。由图5c可见，大风灾害对水稻生产的影响最弱，大风系数仅在黑河市西部、大庆市和哈尔滨市少部分地区在0.30以上；大兴安岭、黑河市南部、伊春市、鹤岗市、哈尔滨市东南部和鸡西市东部地区的大风系数在0.25以下；黑龙江省绝大部分地区的大风系数在0.25～0.30之间。

图5 黑龙江省水稻低温、暴雨、大风灾害系数的空间分布

如图6所示，黑龙江省水稻主要气象灾害高易发区主要集中在大兴安岭东北部和黑河、齐齐哈尔、大庆、绥化、哈尔滨及佳木斯等地区面积较小且不连续的区域。较高易发区分布在大兴安岭西部、黑河市西部、齐齐哈尔市西部、绥化市和哈尔滨市中部。黑龙江省东部的牡丹江、绥芬河、鸡西、七台河、双鸭山和佳木斯等市均为低易发区。大兴安岭东部、黑河市南部、齐齐哈尔市中部和东部、伊春市、鹤岗市、大庆市南部、绥化市南部和哈尔滨市南部为较低易发区。大兴安岭中部、黑河市北部、齐齐哈尔市西南部、绥化市西部、大庆市和哈尔滨市大部分地区为中易发区。

图6 黑龙江省主要气象灾害易发区的空间分布

黑龙江省北部的大兴安岭和黑河等地区主要气象灾害的易发等级较高，但水稻种植面积较小。在水稻主要种植区，只有黑龙江省中部少部分地区为主要气象灾害的较高易发区和高易发区，绝大部分为中易发区、较低易发区和低易发区。水稻种植面积和产量最大的佳木斯市大部分区域为低易发区。双鸭山市和鸡西市虽然区域面积较小，但水稻产量较高，均位于低易发区。水稻种植面积和产量位于第2位的哈尔滨市，其主要气象灾害的易发等级较高，其中部地区为较高易发区，东部和西部为中易发区，南部为较低易发区。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）10 a间黑龙江省水稻播种面积和产量均呈增长趋势，其中佳木斯市的水稻播种面积和产量均最大，且变化率均在20%以上，对黑龙江省水稻播种面积和产量的正向贡献最大。哈尔滨市的水稻播种面积和产量均居第2位，但均呈下降趋势，且变化率均在20%以上，对黑龙江省水稻播种面积和产量的负向贡献明显。齐齐哈尔市的播种面积和产量变化率最大，均在50%以上。

（2）水稻低温灾害在黑龙江省北部为高易发区和较高易发区，中部地区为中易发区和较低易发区，西南部、东南部和东部地区为低易发区。

（3）水稻暴雨灾害在黑龙江省北部和东部地区为低易发区和较低易发区，中部地区为高易发区和较高易发区，西部地区为中易发区和较低易发区。

（4）水稻大风灾害在黑龙江省北部、东北部和西南部地区为低易发区和较低易发区，高易发区和较高易发区主要在西部和中部地区呈不连续状分布，中部地区以中易发区为主。

（5）水稻主要气象灾害的高易发区主要分布在大兴安岭地区西北部和黑河市西部；较高易发区分布在大兴安岭地区西部和黑龙江省中部地区；中易发区分布在大兴安岭地区东部和黑河市北部，以及黑龙江省西部和中部的一部分区域；较低易发区主要分布在黑龙江省东北部和西南部的边界地区；低易发区主要在东部和东南部。

3.2 讨论

水稻播种面积和产量的变化一方面受经济发展和技术进步的影响，另一方面也受气象条件尤其是气象灾害的较大影响。本文仅对黑龙江省水稻播种面积和产量的变化情况、主要气象灾害发生情况和气象灾害易发区进行了分析，但是没有研究水稻播种面积和产量变化与气象灾害易发区的内在关系，需要在今后的研究中重点关注。另外，灾害性气象因子对水稻不同生长阶段影响的机理、主要气象灾害中不同灾害因子权重的确定方法都有待于今后进一步研究。