黑龙江省生产的稻米因颗粒饱满、色泽清白、香味浓郁、口感极佳而广受国内消费者欢迎。2003—2012年10 a时间内，黑龙江省水稻播种面积从1.295×10⁶ hm²直线上升至3.82×10⁶ hm²，总产量从8.428×10⁹ kg快速增加至2.171×10¹⁰ kg^[1]，均增加近2倍。同时，黑龙江省水稻的播种面积和产量近5年来均居全国前列^{[2, 3, 4, 5]}，对保障国内优质稻米供应至关重要。

近年来，气候变化已得到学术界广泛关注，IPCC第4次评估报告^[6]指出，气候变化会增加农业生产不稳定性、改变种植布局和结构，并加剧局部地区农业气象灾害。黑龙江省是我国纬度最高的省份，低温冷害是主要农业气象灾害之一，低温冷害的频繁发生导致粮食产量不稳定、年际波动大^[7]；同时，黑龙江省也是我国受气候变化影响最显著的地区之一^[8]，1961年以来平均每10 a气温上升0.38 ℃，降水增加0.49%^[9]。

研究结果表明，气候变化导致水稻种植面积、生育期和产量均发生较大变化^{[10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]}，水稻障碍型冷害的时空分布特征同样受气候变化影响^{[17, 18, 19, 20]}，这些成果在合理指导水稻生产、有效规避冷害等方面的研究中具有重大意义。然而，随着气候变暖，理论上低温事件发生频率降低，水稻遭受障碍型冷害的影响也应相应减小，但由于极端气候事件趋于频繁，水稻生长季内温度变幅增大^[21]，同时人类对变暖做出了适应行为，一定程度上选取了更长生育期的水稻品种进行播种，以求获得更大的经济效益，最终导致水稻障碍型冷害呈现频繁的趋势^[17]，对水稻产量及品质影响严重。可见，在气候变暖的大背景下，黑龙江省水稻生产仍面临严峻形势，因此，亟待加强本方面研究。本文基于黑龙江省逐日气象数据及水稻生育期资料，结合水稻障碍型冷害指标，分析气候变化情景下黑龙江省水稻障碍型冷害变化特征，以实现为黑龙江省水稻安全生产及合理布局提供理论依据的目的。

本文使用的黑龙江省70个台站1971—2012年逐日气象观测数据来源为黑龙江省气象局整编资料，水稻发育期为10个农业气象试验站1980—2011年的观测资料。

由于黑龙江省水稻发育期观测台站仅有10个，其余60个气象台站无水稻发育期观测数据，为解决这一问题，本文根据美国森林昆虫学家A. D. Hopkins的物候定律^[22]推算无观测数据站点的水稻发育期，该物候定律主要内容为：在北美洲温带内，当其他条件相同的情况下，每向北移动1°，向东移动5°或上升121.92 m，植物的发育期在春天和初夏将延迟4 d，在秋天则相反，提早4 d。

水稻孕穗期和抽穗期对低温敏感，在这两个时期出现一定强度低温会严重影响生殖器官的形成、发育和结实，出现障碍型冷害。本研究所使用水稻障碍型冷害指标采用中国气象局2009年发布的气象行业标准《QX/T101—2009水稻、玉米冷害等级》^[23],具体内容见表1。

关于黑龙江省水稻不同熟型品种积温指标的研究比较少见，本文采用南瑞等人提出的≥10 ℃积温指标^[24]，详细内容见表2。

本研究采用5日滑动平均法^[25]判定≥10 ℃温度的起止日期，即从一年中最长的一段≥10 ℃的5日滑动平均温度序列中，选取第1个≥10 ℃的5日滑动平均组中的第1个≥10 ℃的日期作为起始日期，选取最后一个≥10 ℃的5日滑动平均组中的最后一个≥10 ℃的日期作为终止日期。≥10 ℃积温为起止日期时段内≥10 ℃的日平均气温的总和。采用经验频率法^[23]计算得到的80%保证率下积温判定播种品种熟型。

本文研究时段为1971—2012年，并通过逐年代比较的方式分析障碍型冷害和种植格局的变化特征，文中划为4个时段：1970s、1980s、1990s及2000s。

本文通过ArcGIS软件10.0版本的画图功能，采用反距离权重法插值，并按掩膜提取，实现计算结果的空间表达。

根据A. D. Hopkins物候定律对黑龙江省水稻孕穗期的推算结果，结合水稻孕穗期障碍型冷害指标，逐年判定黑龙江省70个台站水稻孕穗期障碍型冷害的发生情况；利用ArcGIS软件10.0版本分别绘制1970s、1980s、1990s及2000s 4个时段孕穗期障碍型冷害分布图。

图1为黑龙江省水稻孕穗期障碍型冷害各年代发生频率。可以看出，黑龙江省水稻孕穗期障碍型冷害发生频率多为1%—10%，个别地区达10%以上；其中1970s水稻孕穗期障碍型冷害主要发生在黑龙江省北部及东南部地区；1980s水稻孕穗期障碍型冷害主要发生在北部地区，与1970s相比，发生区域有向西向北移动的趋势；1990s水稻孕穗期障碍型冷害主要发生在西北部地区，2000s全省水稻普遍发生孕穗期障碍型冷害。结合表3可见，1970s和1980s水稻孕穗期障碍型冷害的发生范围虽然从图中直观略有变化，但经检验无显著差异，1990s水稻孕穗期障碍型冷害发生频率显著减小，2000s较1990s水稻孕穗期障碍型冷害发生频率极显著增大。

图 1 黑龙江省水稻孕穗期障碍型冷害发生频率 Fig.1 Frequency of sterile-type cooling injury at booting stage of rice during each decade (1970s, 1980s, 1990s, and 2000s) in Heilongjiang Province

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为进一步确定冷害大面积发生的年份，下文对黑龙江省水稻孕穗期障碍型冷害发生县(市)个数进行了逐年统计。

从图2可以看出，在1971—2012年，2006年水稻孕穗期障碍型冷害发生范围最广，共有34个县(市)发生，约占研究区域的50%；5—20个县(市)发生孕穗期障碍型冷害的年份有1971、1986、1990、1991、2001和2009年；有3—4个县(市)发生孕穗期障碍型冷害的年份有1972、1981、1982、1983、1992、2003和2012年；1978、1984、1985、1989和1996年发生孕穗期障碍型冷害的县(市)为1—2个；其余年份未发生孕穗期障碍型冷害。

图 2 黑龙江省水稻孕穗期障碍型冷害发生范围年际变化 Fig.2 Annual series of the numbers of counties with sterile-type cooling injury at booting stage of rice in Heilongjiang Province

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基于对水稻抽穗期的推算结果和抽穗期障碍型冷害指标，逐年判定黑龙江省70个台站水稻抽穗期障碍型冷害的发生情况，并对其时空分布特征进行进一步分析。

图3为黑龙江省水稻抽穗期障碍型冷害各年代发生频率。从图中可见，黑龙江省大部水稻种植区均不同频率发生抽穗期障碍型冷害。1970s除西南部部分县(市)外，其他大部地区均发生抽穗期障碍型冷害，发生频率多在10%以上，东北部地区发生频率高于30%，个别县(市)发生频率高于50%；1980s水稻抽穗期障碍型冷害分布更为广泛，全省约90%县(市)水稻发生抽穗期障碍型冷害，西北部地区及小兴安岭东侧地区发生频率达20%以上，其他大部地区发生频率低于20%；1990s南部部分地区水稻未发生抽穗期障碍型冷害，其余约80%地区均有发生，且大部地区发生频率高于10%；2000s抽穗期障碍型冷害发生范围较1990s有所缩小，西北部地区发生频率高于20%，其他地区发生频率低于20%。结合表3可见，1970s至1980s水稻抽穗期障碍型冷害发生频率无显著变化，至1990s水稻抽穗期障碍型冷害发生频率极显著减小，2000s与1990s水稻抽穗期障碍型冷害发生频率无显著差异。

图 3 黑龙江省各年代抽穗期障碍型冷害发生频率 Fig.3 Frequency of sterile-type cooling injury at heading stage of rice during each decade (1970s, 1980s, 1990s, and 2000s) in Heilongjiang Province

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图4为黑龙江省水稻抽穗期障碍型冷害发生县(市)个数逐年变化情况。可以看出，2008年和2011年黑龙江全省水稻未发生抽穗期障碍型冷害；1973、1980、1988、1994、1995、1998、1999、2005和2010年发生抽穗期障碍型冷害的县(市)为5个以下；6—10个县(市)发生抽穗期障碍型冷害的年份有1974、1975、1978、1979、1984、1996和2004年；11—20个县(市)发生抽穗期障碍型冷害的年份有1976、1983、1987、1989、1991、1993、2000、2003、2006、2007和2009年；1971、1972、1977、1981、1990、1992和2012年黑龙江省发生抽穗期障碍型冷害的县(市)多于20个。

图 4 黑龙江省水稻抽穗期障碍型冷害发生范围年际变化 Fig.4 Annual series of the numbers of counties with sterile-type cooling injury at heading stage of rice in Heilongjiang province

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图5为黑龙江省1971—2012年水稻孕穗期和抽穗期障碍型冷害发生频率。从图中可见，1971—2012年黑龙江省85%以上地区水稻发生孕穗期障碍型冷害，近100%地区水稻发生抽穗期障碍型冷害。孕穗期障碍型冷害发生频率多低于10%，而抽穗期障碍型冷害发生频率呈现自西南向东北逐渐升高的趋势，北部地区发生频率达20%以上。经检验(表3)，黑龙江省水稻障碍型冷害发生频率抽穗期高于孕穗期，且达极显著水平。

图 5 1971—2012年黑龙江省水稻障碍型冷害发生频率 Fig.5 Frequency of sterile-type cooling injury of rice from l971 to 2012 in Heilongjiang Province

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同时，本研究的黑龙江省70个县(市)中，抽穗期发生障碍型冷害的县(市)数量多于孕穗期发生障碍型冷害县(市)数量，同样达极显著水平(表3)。可见，抽穗期障碍型冷害的发生程度明显大于孕穗期障碍型冷害。

随着气候变暖，作物生长季≥10 ℃积温增加，作物生育期延长，水稻种植格局发生相应变化。依据不同熟型水稻品种所需积温指标，以80%保证率下的积温条件对黑龙江省水稻的种植格局做出判定。

图6为黑龙江省不同熟型水稻品种种植格局的年代际变化。从图中可以看出，1970s黑龙江省6个县(市)适宜种植极早熟水稻品种，早熟和中熟水稻品种的种植北界分别为逊克县(N49°34′，E128°25′)和甘南县(N47°56′，E123°3′)，适宜种植范围分别为25和38个县(市)，仅泰来县(N46 24′，E123°25′)可种植中晚熟水稻品种。1980s早熟水稻品种可种植北界变化不明显，中熟水稻品种可种植北界北移至讷河市(N48°29′，E124°51′)，中晚熟水稻品种最北可种植于杜尔伯特蒙古族自治县(N46°52′，E124°26′)，极早熟和早熟水稻品种适宜种植范围分别缩小为3和18个县(市)，中熟和中晚熟品种适宜种植区域分别增至44和5个县(市)。至1990s，早熟品种可种植北界略有南退，中熟水稻品种可种植北界东扩至抚远县(N48°22′，E134°17′)，早熟和中熟水稻品种适宜种植区域分别缩小至11和42个县(市)，极早熟和中晚熟品种种植范围分别扩大至6和8个县(市)，西南部3个县(市)可种植晚熟水稻品种。2000s以来水稻种植格局发生巨大变化，早熟品种种植北界北移至黑河市(N50°15′，E127°27′)，中熟品种种植北界北移至五大连池市(N48°3′，E126°11′)，西部地区北移明显，中晚熟品种种植界限北移至甘南县(N47°56′，E123°3′)，东扩至绥滨县(N47°17′，E131°51′)，晚熟品种种植界限明显北移东扩，最北可达富裕县(N47°48′，E124°29′)，最东可达宝清(N46°19′，E132°11′)，极早熟、早熟和中熟品种适宜种植区域分别缩小了5、21和11个县(市)，中晚熟和晚熟品种适宜种植范围分别扩大了14和23个县(市)，其中晚熟品种可种植范围变化最为显著。

图 6 黑龙江省不同熟型水稻品种种植格局年代际变化 Fig.6 The planting distributions for each maturating-type variety of rice during each decade in Heilongjiang Province

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黑龙江省水稻的种植北界和产量均显著地受温度条件限制，气候显著变暖为水稻种植提供了条件^[7]，使生育期更长、产量更高的水稻品种适宜种植北界不断北移东扩，相对于1970s，1980s由于气候变暖带来的水稻单产增加量为3.9%—4.9%；相对于1980s，1990s气候变暖使水稻单产增产9.9%—12.3%^[20]。气候变暖在使水稻单产增加的同时，障碍型冷害的发生频率也相应变化。

由2.4结果可知，1970s—2000s不同熟型水稻的适宜种植范围不断变化，各年代不同熟型水稻品种适宜种植区内障碍型冷害平均发生频率统计结果如表4所示。从表4可以看出，黑龙江省水稻极早熟、早熟、中熟和中晚熟品种自1970s起，生育期内障碍型冷害的发生频率呈现出增大-减小-增大的变化趋势，晚熟品种自1990s至2000s障碍型冷害的发生频率增大。可见，在水稻种植格局调整和气候变化的双重作用下，黑龙江省水稻遭受障碍型冷害的几率呈波动趋势，且波动趋势较一致，1990s水稻障碍型冷害的发生频率最低，2000s年障碍型冷害发生频率最高。

2001年以来，虽然气候变暖显著，各熟型品种水稻适宜种植北界明显北移东扩，但各熟型品种适宜种植区域内遭受障碍型冷害的频率亦达到了近4个时代的最高峰。可见，在气候变暖的大背景下，在通过种植格局调整获得水稻高产的同时，还面临着遭受障碍型冷害的高风险。因此，在实际生产中要慎重调整水稻种植格局，适当配比不同熟型品种进行播种，降低水稻遭受障碍型冷害的风险，在获得高产的同时还应达到稳产的目标。

本文以黑龙江省水稻为研究对象，基于《QX/T101—2009水稻、玉米冷害等级》^[22]制定的北方水稻障碍型冷害指标，利用A. D. Hopkins物候定律，通过Excel、ArcGIS等技术，明确了气候变化背景下黑龙江省水稻障碍型冷害的变化特征。结果表明：

(1)在研究时段内，黑龙江省水稻孕穗期障碍型冷害在1990s发生频率最低，2000s发生频率最高，1970s和1980s居中。水稻抽穗期障碍型冷害1970s和1980s发生频率高，1990s和2000s发生频率低。方修琦等人在2005年研究表明，黑龙江省水稻孕穗期、花期障碍型冷害发生频率1970s和1980s均高于1990s^[17]，与本研究结论较一致。

(2)黑龙江省水稻孕穗期障碍型冷害发生范围较广的年份有1971、1986、1990、1991、2001、2006和2009年，此结论与姜丽霞等人^[20]的研究结论基本一致；抽穗期障碍型冷害发生范围较广的年份有1971、1972、1977、1981、1990、1992和2012年。

(3)在研究时段内，抽穗期障碍型冷害较孕穗期障碍型冷害更为严重发生。

(4)气候变暖为黑龙江省种植长生育期水稻品种提供了有利条件，各熟型品种适宜种植北界在不断变化中逐渐北移东扩。极早熟、早熟和中熟品种适宜种植范围在波动中缩小，分别从1970s的6、25和38个县(市)缩小至2000s的1、4和27个县(市)，中晚熟和晚熟品种可种植范围快速扩大，分别从1970s的1和0个县(市)增至15和23个县(市)。这一研究结论与赵俊芳等人对东北玉米的研究结果比较相似^[26]。

(5)随着种植格局的不断变化，各熟型水稻品种适宜种植区内障碍型冷害发生频率变化规律较一致，1990s发生频率最低，2000s发生频率最高。虽然气候变暖，但是随着种植格局改变水稻生产遭受障碍型冷害的风险并未减小，因此水稻种植格局必须与气候变化相适应，减少障碍型冷害对水稻产量造成的影响。

所得结论可为水稻生产规避障碍型冷害提供科学指导，对黑龙江省水稻播种品种选择具有重要指导意义。但是，水稻在生长发育过程中，除时常遭受障碍型冷害外，延迟型冷害或混合型冷害同样严重影响水稻产量。目前对延迟型冷害及混合型冷害的研究相对薄弱，因此在今后研究中，需综合考虑障碍型冷害与延迟型冷害对水稻生产的影响，提出更加合理的水稻生产格局，进一步提高对水稻生产指导的科学性和实用性。