本文是一篇农业论文，本试验选取东北平原上具有代表性的 15 个气象站台，分别于松嫩平原上选取 6 个站台；三江平原上选取 4 个站台；辽河平原上选取 5 个站台。利用这些气象站台近 20a(2000~2019)的气象资料，包括逐日气温、降水量、蒸发量。分析东北平原近 20a 区域气候变化规律，运用模型预测未来 8a(2020~2027) 不同区域主要气象因子变化规律及其对作物产量的影响。
1 前言
1.1 研究目的与意义
IPCC 第五次评估报告显示，随着温室气体排放量持续增加，21 世纪中叶全球平均地表气温将继续上升。这会导致全球绝大部分地区的极端高温事件增加，且热浪肆虐更频繁，而与之对应的极端寒冷事件将会减少[1]。尽管全球降水量增加，但全球平均降水的增长率要低于大气气温的增长率，且平均降水量的变化仍存在明显的空间及地域性差异，也就是说不同区域的降水量可能增加、减少、或者未发生明显变化[2]。
我国气候时空格局随气候变化而发生改变，在热量资源方面表现为总体上增加，但区域分布不均，北方有效积温增幅高于南方；在降水资源方面，总体变化不明显，但区域分布格局发生显著变化，西部和华南地区降水增加，华北和东北大部分地区降水减少。农业生产本身具有不稳定性，气候资源的变化将不可避免地对其产生重大影响。特别是近年来，农业气象灾害加剧、极端高温低温事件与反常气候现象频繁发生。对我国的粮食安全提出了挑战，增加了粮食减产的风险[3]。
作物产量取决于作物品种和外界环境，不仅可以通过适应和充分利用气候资源，还可以通过改善改善栽培措施、耕作方式及培育适宜品种来提高农作物的产量。不同耕作方式会改变土壤物理性质进而影响土壤中的理化学反应、微生物活性及养分迁移。旋耕后深松处理及翻耕处理对改善玉米根系生长发育环境十分有利，同时能够增加土壤水分[4]。夏季短期降雨后，传统耕作方式因地表结壳，渗水能力较差[5]。故留茬平作玉米土壤含水量略高于常规垄作和灭茬平作[6]。 且留茬覆盖处理具有较平缓的土壤温度日变化趋势，土层愈深，土壤温度变化幅度愈小[7]。可以看出，保护性耕作具有调节土温的作用。当外界温度低时，保持土壤温度；当外界温度高时，降低土壤温度。不同耕作方式对不同区域气候条件的适应性也不同，应有针性的选择适宜该区域气候条件的耕作方式。
中国东北平原由三江平原、松嫩平原、辽河平原组成，横跨黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古四个省区。该区域东西、南北跨度广，面积达 35 万 hm2，北部边界为嫩江中部，南部边界是辽东湾。该区光水资源充足，土壤肥力高，唯热量条件略显不足，农作区≥0℃活动积温为2000~4200°C·d，无霜期 140~170 天，降水量 500~800 mm。目前生长季较短为 5~9 月，普遍种植单季作物。东北平原作为粮食作物和经济作物的主产区，在我国粮食安全保障体系和农业生产中占有重要地位，在实现国家粮食生产的总体目标方面发挥着至关重要的作用[8]。
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1.2 国内外研究动态
1.2.1 热量及降水变化现状
有学者通过气候模型模拟得出：上世纪前 50 年全球平均气温波动主要是由太阳辐射及火山活动引起的，但这种影响不足以持续到 20 世纪的后 50 年，在 20 世纪后期温室气体为气候变暖做出了巨大贡献[9]。IPCC 第五次评估报告指出在 1951~2017 年，中国地表年平均气温呈显著上升趋势，增温速率为 0.24 ℃/10a。研究表明，自 1980 年以来活动积温始终呈上升趋势；自 1990 年以来东北地区在夏季整个地区气温均呈上升趋势，1990 年以来上升幅度显著增大[10]。近年来松嫩平原和三江平原的活动积温变化范围较大[11]。积温是影响黑龙江省农业生产的重要因素，该省活动积温随时间呈波动上升趋势[12]。上世纪下半叶，总的来看美国无霜期日数略有增加，但具体表现为西部无霜期日数大大增加，而东部无霜期日数没有改变，具有明显的地域性差异。北半球大多数中高纬度地区的无霜期天数明显增加，如西欧和俄罗斯大部分地区的年无霜期天数较之前明显增加[13]。活动积温的变化导致中国主要作物的平均生育期延长了 6.6d[14]。
生育期降水是制约东北平原作物高产的主要因素之一，该区域自西北向东南生育期季降水量递增，降水量与热量的不匹配性严重影响粮食产量。这种独特的地理位置造成了该区域生育期降水的空间差异性，即沿海地区因受海洋气候影响，降水丰富；内陆地区受大陆季风影响，降水相对较少。近年来东北平原可用降水资源减少，西部可用降水资源更为的少；作物生育期内，土壤水资源总体变现为减少[15]，黑龙江省大部分地区土壤水储量总体呈减少趋势，区域间差异显著[16]。距地表愈深，土壤中水储量减少幅度愈大，春季、秋季的减少量大于夏季的减少量[17]。东北地区生育期降水量总体上呈减少趋势，但在空间分布上表现为，降水量少的地区有小幅上升的趋势，而降水量大的地区有明显的下降趋势[18]。20 世纪后 50 年至本世纪初期黑龙江省年降水量和生育期降水量变化趋势相同，均呈下降趋势。但年蒸发量和生育期蒸发量变化趋势相反，年蒸发量总体呈现增加趋势，而生育期蒸发量总体表现为下降趋势。黑龙江省土壤水资源总体表现为水分亏缺，其中以 20 世纪初期最为严重[19]。20 世纪后半阶段与前半阶段相比，美国中西部地区最大日降水量超过 102 mm 的次数增加了 50％。IPCC 由此估计，在 21 世纪若某一区域总降水量增加，则该区域发生强降水的可能性要比其它地区大得多[20]。Fu 通过分析中国 1961~2009 年的年极端降水发生频率的时空变化规律得出[21]：东北、华北和黄河流域发生极端降雨的频率有所减少，而长江流域、东南沿海地区、华南、内蒙古、西北和青藏高原发生极端降雨的可能性显著增加。东北地区生育期(4~9 月)降水量总体趋势表现为自西北向东南递增，生育期降水量大于 600 mm 的区域为辽宁省沿海地区及吉林省长白山地区区；生育期降水量小于等于 350 mm 的地区集中在黑龙江省的大庆地区及吉林省的白城和松源地区；其它地区的生育期降水量多为 400~600 mm。
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2 材料与方法
2.1 热量、降水及蒸发量变化特征
2.1.1 数据来源
气象数据来源于中国气象局气候变化中心搭建的气象资料共享平台（中国气象数据网）。在东北平原上选择 15 个具有代表性的气象站台，分别为松嫩平原的 6 个站台：嫩江(125°14′E，49°10′N)、海伦(126°52′E，47°27′N)、齐齐哈尔(123°55′E，47°23′N)、哈尔滨(126°38′E，45°45′N)、白城(122°51′E，45°38′N)、长春(125°20′E，43°52′N)，三江平原的 4 个站台：同江(132°30'E，47°39'N)、富锦(131°58'E，47°13'N)、佳木斯(130°16'E，46°49'N)、宝清(132°10'E，46°19'N)，辽河平原的 5 个站台：四平(124°19'E，43°10'N)、通辽(122°16'E，43°45'N)、阜新(121°39'E、，42°1'N)、沈阳(123°27'E，41°43'N)、鞍山(123°0'E，41°4'N)。下载这 15 个站台 2000~2019 年生育期内的逐日气温、逐日蒸发量，逐日降水量资料。由于这 15 个气象站台的观测资料序列较为完整，并且分布在整个东北平原的不同区域(图 2-1)，能够很好的代表整个东北平原，因此选用这些站点来进行研究。
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2.2 耕作方式对土壤水热条件影响
2.2.1 试验设计
试验于 2017~2019 年在东北农业大学向阳试验基地进行，该基地位于黑龙江省哈尔滨市香坊区向阳乡向阳农场。实验采取在大田进行小区种植的方式，设置 5 个处理，每个处理 3次重复，共种植 15 个小区，并且各小区随机排列、相邻排列，每个小区长 40m，宽 13m(20条垄，垄距 0.65m)。每个小区除耕作方式外，其它条件一致。5 个处理分别是在秸秆还田条件下的传统翻耕耕作(TT)，在秸秆还田条件下的免耕(NT)、在秸秆还田条件下的免耕播种+苗期垄沟深松(NT+S)、在秸秆还田条件下的垄台深松灭茬+苗期垄沟深松(S+S)、以在秸秆不还田条件下的灭茬旋耕起垄+苗期垄沟深松(CK)作为对照。试验用地基础肥力见表 2-1，具体耕作措施见表 2-2。
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2.2.2 试验材料
供试玉米品种为新中龙 1 号，种植密度为 6 万株/hm2 左右，施肥量：磷酸氢二铵(P2O5：46%)150 kg•hm-2，硫酸钾(K2O：52%)75 kg•hm-2，尿素(CO(NH2)2：46%)300 kg•hm-2(均在播种时一次性同时施入)，使用东北农业大学自主研制的 2BM-2 免耕播种机一次性完成播种、施肥及镇压作业。玉米播种时间 2018 年为 4 月 27 日，2019 年为 4 月 28 日；垄沟深松时间2018 年为 6 月 23 日，2019 年为 6 月 20 日；中耕培土时间 2018 年为 7 月 4 日，2019 年为 7月 3 日；收获时间 2018 年为 10 月 18 日，2019 年为 10 月 5 日。
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3 结果与分析..........................13
3.1 东北平原热量条件区域特征............................... 13
3.1.1 东北平原无霜期区域分布特征.............................13
3.1.2 东北平原活动积温区域分布特征.................................18
4 讨论........................... 63
4.1 主要气象指标变化对东北平原作物生产的影响............................. 63
4.1.1 热量条件变化对东北平原作物生产的影响..........................................63
4.1.2 水分条件变化对东北平原作物生产的影响...........................63
5 结论............................... 68
4 讨论
4.1 主要气象指标变化对东北平原作物生产的影响
4.1.1 热量条件变化对东北平原作物生产的影响
农业耕作期受热量变化的影响很大[95]，此外热量还会影响作物病虫害[96, 97]、农业灾害[98]、作物生育期等，甚至还可以改变该区域农产品品种熟性布局[99]。本研究中东北平原近 20a 无霜期呈现出随着年份后移，初霜日略微延后，终霜日提前幅度较大，无霜期整体延长，且终霜日提前较初霜日延后现象要明显的多，即终霜日提前对无霜期延长的贡献大。刘斌辉[100]等人研究结果与本文结论类似。农业生产中，无霜期日数至关重要，当初霜日日期提前，作物生长发育未完全结束，植株未完全成熟，此时出现霜冻现象对作物损害很大。首先是会影响作物产量，其次还可能导致种子含水率过高、难储存、发芽率低。而终霜日日期出现的越晚，作物耕作期越延迟，若出芽期或苗期遭遇霜冻，会对种子造成不可逆转的伤害[101]。东北平原 15 个气象站台通过 ARIMA 模型预测，未来八年内三江平原、辽河平原、东北平原西部无霜期均呈不同程度的延长趋势。相比之下松嫩平原未来八年无霜期变化趋势呈现平稳态势。
东北平原活动积温增加会导致作物种植布局和作物产量发生变化[102]。王晓煜等人[100]研究认为随着气温升高，黑龙江积温带明显北移和东扩。汤绪等人[103]研究结果也与之类似，指出我国种植带南北界限受积温变化影响发生了相应变化。这就会使东北平原对生育期活动积温较高的玉米品种的需求增加。本文中发现东北平原近 20a 各区域活动积温普遍显著升高，并通过 ARIMA 模型预测，在未来 8a 东北平原有效积温会继续不同程度的上升，与上述学者观点相同。同时有学者[104]认为早熟春玉米最适宜的活动积温为 2350~2420 °C·d，杜春英等人[98]认为与早熟水稻产量最匹配的活动积温为 2200 °C·d。东北地区玉米在出苗期和抽雄期受冷害影响较大，其中吉林西北部和黑龙江西南部发生冷害的几率较大[105]。根据本文研究结果，结合东北平原北部(三江平原区域)有效积温和无霜期显著增加延长的情况。得出结论，早熟类型的春玉米和水稻可在东北平原北部的嫩江、同江、宝清、佳木斯等地区种植，当地有效积温情况可以满足早熟玉米、水稻正常生长所需的热量条件。但是在未来越来越多的年份，春季将推迟播种，夏季异常炎热的天气也会对玉米的繁殖和发育产生不利影响，这些变化可能持续时间会很长。上述发现不仅适用于研究人员，同样适用于当地农作物生产者。
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5 结论
（1）松嫩平原、三江平原、辽河平原、东北平原西部 2000~2019 年活动积温为 3153.4 ℃·d、2933.6 ℃·d、3526.6 ℃·d、3264.4 ℃·d；经模型预测，2020 年~2027 年东北平原四个区域的活动积温分别为 3258.4 ℃·d、2967 ℃·d、3609.7 ℃·d、3317.1 ℃·d，略有增加；对大豆、玉米、水稻产量形成有利。
（2）松嫩平原、三江平原、辽河平原、东北平原西部 2000~2019 年无霜期为 161d、162d、173d、166d。经模型预测，2020 年~2027 东北平原四个区域的无霜期分别为 168.1d、172.9d、178.8d、176.7d，略有增加；终霜日的提前及初霜日的延迟对无霜期增加产生了影响，终霜日的提前起主导作用。
（3）东北平原 2000~2019 年作物生育期间降雨倾向率表现为增加，增幅顺序为三江平原(16.6 mm/a)>辽河平原(8.24 mm/a)>松嫩平原(8.0 mm/a)>东北平原西部(7.3 mm/a)。其中，春季降雨倾向率为辽河平原(2.2 mm/a)>三江平原(1.8 mm/a)>松嫩平原(1.5 mm/a)>东北平原西部(1.4 mm/a)；夏季降雨倾向率为辽河平原(7.1 mm/a)>三江平原(2.4 mm/a)>松嫩平原(2.1mm/a)>东北平原西部(0.3 mm/a)；秋季降雨倾向率为三江平原(7.8 mm/a)>东北平原西部(4.5mm/a)>松嫩平原(4.1 mm/a)>辽河平原(3.8 mm/a)。
（4）作物生育期间降水量与活动积温比值（水热比值）可以衡量水热的匹配性。东北平原 2000~2019 年作物生育期间水热比值大小顺序为三江平原（15.45 mm/100℃）>辽河平原（14.40 mm/100℃）≈松嫩平原（14.39 mm/100℃）>东北平原西部（12.68 mm/100℃）。其中，春季为三江平原（15.54 mm/100℃）>松嫩平原（11.62 mm/100℃）>辽河平原（10.05mm/100℃）>东北平原西部（9.56 mm/100℃）；夏季为松嫩平原（17.11 mm/100℃）>三江平原（15.82 mm/100℃）>东北平原西部（14.62 mm/100℃）>辽河平原（14.51 mm/100℃）；秋 季 为 三 江 平 原 （ 15.23 mm/100℃） >辽 河 平 原 （ 14.10 mm/100℃ ） >松 嫩 平 原 （ 12.85mm/100℃）>东北平原西部（11.11 mm/100℃）。水热比值表明，春季三江平原降水充足、东北平原西部干旱；夏季松嫩平原降水充足、辽河平原和东北平原西部夏季偏旱；秋季三江平原降水充足、东北平原西部干旱。
参考文献（略）