河南省小麥-玉米輪作系統光能利用率時空分布及其變化原因分析**

常 清，王 靖，余衛東，王 娜，談美秀

（1.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2.中國氣象局河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室/河南省氣象科學研究所，鄭州 450003；3.山西省氣象服務中心，太原 030002）

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河南省小麥-玉米輪作系統光能利用率時空分布及其變化原因分析**

常 清1,3，王 靖1**，余衛東2，王 娜1，談美秀1

（1.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2.中國氣象局河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室/河南省氣象科學研究所，鄭州 450003；3.山西省氣象服務中心，太原 030002）

摘要：利用河南省19個農業氣象試驗站的氣象和小麥、玉米觀測資料，計算1981-2007年作物生長季輻射和年總輻射量、小麥、玉米生長季和輪作系統的作物產能及光能利用率（Radiation Use Efficiency, RUE），分析總輻射和作物產能變化對RUE變化的貢獻、小麥和玉米產能變化分別對輪作系統產能變化的貢獻。結果表明，河南省小麥-玉米輪作系統RUE為0.75%～1.61%，北部的湯陰和西部的盧氏是高值區，西北、東部偏東和南部地區較低。小麥生長季RUE為0.65%～1.63%，北部的湯陰和西部的盧氏最高，東部偏中大部分地區次之，而西北和東部部分地區最低，玉米生長季RUE為0.85%～1.81%，除西部的三門峽RUE在全區最低外，北部和西部大部分地區較高，而西北和東部、南部地區較低。1981-2007年，盧氏、汝州、西平、新鄉和駐馬店5個站點小麥-玉米輪作系統RUE呈顯著升高趨勢（P＜0.05）。在輪作系統RUE變化顯著的站點中，除盧氏站點因年總輻射升高對RUE變化呈負貢獻外，其余站點的貢獻率為4%～31%，系統作物產能變化對RUE變化的貢獻率為69%～96%。盧氏和汝州站點小麥產能變化對系統作物產能變化的貢獻率（65%和90%）大于玉米（35%和10%），而西平、新鄉和駐馬店站點小麥產能變化對系統作物產能變化的貢獻率（49%、28% 和35%）小于玉米（51%、72%和65%）。未來提高單位面積的作物產能仍是提高區域RUE的有效方法，且不同地區應著重提高不同作物的產能。

關鍵詞：作物生長季；總輻射；作物產能；貢獻率；資源利用效率

常清,王靖,余衛東,等.河南省小麥-玉米輪作系統光能利用率時空分布及其變化原因分析[J].中國農業氣象,2016,37(3):316-325

河南省是中國主要的小麥-玉米輪作種植區[1]，其小麥、玉米種植面積和總產分別約占全國的1/4[2]和1/10[3]，小麥、玉米產量關系到國家糧食安全和人民溫飽問題[4]。小麥-玉米輪作制度能使作物充分利用光熱資源，提高糧食產量。光能利用率（Radiation Use Efficiency, RUE）是表征植物固定太陽能效率的指標[5]，其高低反映下墊面對光能資源的利用強度。因此，研究河南省小麥-玉米輪作系統的RUE時空分布及其變化原因對分析區域資源利用效率的差異及產量提升潛力具有重要意義。自20世紀70年代Monteith在研究熱帶森林生態系統的太陽輻射和生產力關系時引入光能利用率的概念后[6]，其內涵和外延不斷被豐富和完善[7-10]。根據研究尺度不同，RUE常分為單葉和群體水平兩類。單葉水平用于計算作物的最大RUE和最大生產力[11]，有助于了解和認識作物所能達到的理論生產水平；群體水平用于估算區域作物在某一時間段或全生育期的RUE，對研究作物生產力及資源利用效率具有重要意義[12]。早期RUE的計算大都采用生物量調查法[13-15]，由作物干物質或產量與輻射相比得到的RUE單位用g·MJ-1表示，由作物產能與輻射相比得到的RUE單位為%[5]；由光合有效輻射得到的光能利用率（RUEPAR）約為用年總輻射得到的光能利用率（RUERT）的2倍[16]。渦度相關技術作為目前直接測定植被冠層與大氣間CO2和水熱交換量的方法, 使從冠層到景觀水平估計RUE成為可能[5]；基于衛星遙感參數化的光能利用率模型反演RUE在國內已進行了廣泛的應用研究[17-18]。不同估算方法得出的RUE值不同。李賀麗等[19]指出，C3作物的光合有效輻射光能利用率RUEPAR一般在0.85～3.0g·MJ-1，C4作物可達4.8g·MJ-1，在無環境脅迫條件下，小麥生長季的RUEPAR為1.46～2.93g·MJ-1，且玉米生長季RUEPAR比小麥大。劉勇洪等[20]指出，高產農田的年總輻射利用率RUERT為1%～2%，而一般低產農田的RUERT為0.5%。

當前研究多數是基于試驗和遙感數據估算的短時間內RUE變化，較少分析長時間內小麥-玉米輪作系統RUE的時空變化及其原因。本文對河南省小麥-玉米輪作系統1981-2007年作物RUE的時空分布特征進行研究，并從輻射和作物產能角度分析其變化原因，以期為進一步提高河南省不同地區小麥-玉米光能利用率提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河南省位于中國中部偏東，黃河中下游，介于110o21＇-116o39＇E，31o23＇-36o22＇N，地勢西高東低，東部為黃淮海平原，平原面積9.3萬hm2，約占全省總面積的55.7%。該地區屬大陸性季風氣候，雨熱同季[21]。1981-2010年，全省太陽輻射年總量平均為4000～5000MJ·m-2，小麥生長季總輻射平均為2000～3000MJ·m-2，玉米生長季總輻射平均為1000～2000MJ·m-2。年日照時數1500～2400h，年平均氣溫12～16℃[22]。小麥生長季≥0℃積溫1700～2800℃·d[23]，玉米生長季≥10℃積溫2600～3100℃·d[24]，年平均降水量500～900mm[12]。

1.2 數據來源

將河南省小麥-玉米輪作系統種植區根據地理位置劃分為北部、西部、東部和南部[25]，并選取19個農業氣象站點進行研究（圖1），研究站點1981-2007年的逐日日照時數（h）資料來源于中國氣象局國家氣象信息中心地面氣象資料觀測數據集?？傒椛渲担∕J·m-2）由日照時數根據埃斯屈朗方程估算得到，有文獻指出，輻射估算值在華北平原準確率可達到87%～92%[26]，因此，該方法可用于估算河南省19個站點的輻射值。作物資料來源于河南省農業氣象觀測站，包括小麥和玉米的發育期、莖稈干重（g·m-2）和干重下的籽粒與莖稈比（%）等。籽粒重由莖稈干重和籽粒與莖稈比得到，地上部分干物質（g·m-2）由莖稈重和籽粒重相加得到。由于收獲時地下部分干物質占總干物質的比例很小，因此作物產能（PG）僅根據單位面積地上部分干物質（DM）進行計算，即

式中，q為作物干物質向熱能的轉換系數，其中小麥籽粒能量轉換系數為0.0178MJ·g-1，莖葉能量轉換系數為0.0146MJ·g-1[27-28]，玉米1g干物質或籽粒所含能量為0.0175MJ[29]。

1.3 研究方法

1.3.1 光能利用率

式中，RUE為光能利用率（%）；PG為小麥、玉米及小麥-玉米輪作系統的作物產能（MJ·m-2）；RT為小麥、玉米生長季總輻射以及年總輻射（MJ·m-2）。

1.3.2 變化趨勢和顯著性檢驗

某要素的變化趨勢用一次線性方程表示。用y表示樣本為n的某一要素，用t表示所對應的年序，建立一元線性回歸方程[30]。

式中，a為回歸系數，表示要素多年變化趨勢，正值表示呈增加趨勢，負值表示呈減少趨勢；b為回歸常數，可用最小二乘法進行估算。采用F檢驗對回歸系數a進行顯著性檢驗。

圖1 河南省研究分區和相關站點分布Fig. 1 Study district and distribution of relative stations in Henan province

1.3.3 空間插值

反距離加權插值（IDW）是ArcGIS中最常用的空間內插方法之一，常用于站點尺度向區域尺度的轉化[31]。本文采用該方法對研究區域各站點數值進行插值，得到各要素空間分布特征和變化趨勢。

1.3.4 貢獻率

選擇小麥-玉米輪作系統RUE變化顯著站點，根據1981-2007年小麥生長季產能PGW、玉米生長季產能PGM和小麥-玉米輪作系統產能PG的變化趨勢和相應的回歸方程，得到斜率分別為k1、k2、k3（截距不為0）。

小麥生長季產能變化和玉米生長季產能變化對小麥-玉米輪作系統產能變化的貢獻率CPGW和CPGM分別為

其中，CPGW+CPGM=1，CPGW或CPGM的值越大表示相應作物生長季產能變化對小麥-玉米輪作系統產能變化的貢獻越大。

相關性分析表明，小麥-玉米輪作系統作物產能與年總輻射無顯著相關性。因此，對式（2）兩邊同時取對數，得到

在小麥-玉米輪作系統RUE變化顯著的站點中，根據每年作物產能、年總輻射及RUE，通過一元線性回歸，分別得到輪作系統27a（1981-2007年）ln(PG)、ln(1/RT)和ln(RUE)的變化趨勢及相應的一元線性回歸方程，其斜率分別為k4、k5、k6（截距不為0）。因此，作物產能變化和年總輻射變化對RUE變化的貢獻率CPG和CRT為

其中，CPG+CRT=1，CPG的值越大表示作物產能變化對RUE變化的貢獻越大；CRT的值越大表示輻射變化對RUE變化的貢獻越大。

2 結果與分析

2.1 小麥-玉米輪作系統光能利用率的時空分布

2.1.1 小麥生長季

河南省小麥生長季為10月-翌年5月。1981-2007年小麥生長季平均總輻射量為2380～2855MJ·m-2，基本呈緯狀分布，其中北部和西部最高，東部地區次之，而南部地區最低（圖2a）。1981-2007年小麥平均產能為17.5～46.5MJ·m-2，其中北部的湯陰和西部的盧氏最高，東部偏中大部分地區次之，而西北和東部偏南地區最低（圖2b）。小麥生長季RUE為0.65%～1.63%，其空間分布特征與小麥產能相似，與輻射分布相關性較?。▓D2c）。

圖2 小麥生長季總輻射（a）、小麥產能（b）和光能利用率（c）的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of global radiation(a), wheat production energy(b) and radiation use efficiency(c) during wheat growing season

2.1.2 玉米生長季

河南省玉米生長季為每年6-9月。1981-2007年玉米生長季平均總輻射量為1520～1840MJ·m-2，其中北部和西部地區較高，尤以湯陰和三門峽最高，東部偏中大部分地區次之，東部和南部部分地區最低（圖3a）。玉米產能在15.5～32.0MJ·m-2，其中西部的盧氏和汝州最高，北部部分地區次之，西北部分地區及南部的南陽、東部的商丘最低（圖3b）。研究區域玉米RUE為0.85%～1.81%，除西部的三門峽RUE在全區最低外，北部和西部大部分地區較高，而西北和東部、南部地區較低（圖3c）。與小麥相似，玉米RUE和玉米產能空間分布較為一致。

圖3 玉米生長季總輻射（a）、玉米產能（b）和光能利用率（c）的空間分布Fig. 3 Spatial distribution of global radiation(a), maize production energy(b) and radiation use efficiency(c) during maize growing season

2.1.3 小麥-玉米輪作系統

由圖4a可見1981-2007年平均總輻射量為4570～5095MJ·m-2。北部、西部和東部偏中部分地區較高，南部和東部部分地區較低。小麥-玉米輪作系統產能為35.5～77.5MJ·m-2，北部的湯陰和西部的盧氏是高值區，西北、東部偏東地區和南部地區較低（圖4b）。小麥-玉米輪作系統RUE為0.75%～1.61%，其空間分布與產能較為相似（圖4c）。

圖4 年總輻射（a）、小麥-玉米輪作系統產能（b）和光能利用率（c）的空間分布Fig. 4 Distribution of annual total global radiation(a), production energy(b) and radiation use efficiency(c) of wheat-maize rotation system

2.2 小麥-玉米輪作系統光能利用率變化趨勢的時空分布

2.2.1 小麥生長季

由圖5a 可見，1981-2007年，研究區域19個站點中，10個站點小麥生長季輻射呈顯著下降趨勢（P ＜0.05）。4個站點（泛區、盧氏、汝州、西平）小麥產能呈顯著增加趨勢，而南陽和沁陽站點顯著減少（圖5b）。在生長季輻射和小麥產能變化的共同影響下，5個站點（封丘、盧氏、汝州、沈丘、西平）小麥RUE呈顯著升高趨勢，而沁陽站點下降顯著（圖5c）。一般地，小麥產能顯著增加或降低的區域，RUE也升高或降低顯著。南陽站點盡管小麥產能顯著降低，但其生長季輻射也顯著下降，二者共同作用導致RUE變化不顯著。

圖5 小麥生長季總輻射（a）、小麥產能（b）和光能利用率（c）變化趨勢的空間分布Fig. 5 Distribution in change trends of global radiation(a), wheat production energy(b) and radiation use efficiency(c) during wheat growing season

2.2.2 玉米生長季

由圖6a可見，1981-2007年，研究區域19個站點中，6個站點玉米生長季輻射變化顯著，其中除泛區站點顯著上升外，其它5個站點（內鄉、濮陽、汝州、沈丘、鄭州）呈顯著下降趨勢（P＜0.05）。圖6b顯示，玉米產能在6個站點（盧氏、南陽、商丘、湯陰、西平、新鄉）顯著增加。在輻射和產能變化的共同作用下，有5個站點（盧氏、南陽、商丘、湯陰、駐馬店）的玉米生育期光能利用率升高顯著（圖6c）。

圖6 玉米生長季總輻射（a）、玉米產能（b）和光能利用率（c）變化趨勢的空間分布Fig. 6 Distribution in change trends of global radiation(a), maize production energy(b) and radiation use efficiency(c) during maize growing season

2.2.3 小麥-玉米輪作系統

由圖7a可見，1981-2007年，研究區域19個站點中，6個站點（內鄉、杞縣、汝州、湯陰、新鄉、鄭州）年總輻射呈顯著下降趨勢（P＜0.05）。小麥-玉米輪作系統4個站點（盧氏、汝州、西平、新鄉）系統產能呈顯著增加趨勢（圖7b），5個站點（盧氏、汝州、西平、新鄉、駐馬店）RUE升高顯著（圖7c）。RUE顯著升高的站點中，除駐馬店外，其余站點系統產能均呈顯著增加趨勢。駐馬店雖然年總輻射下降和系統產能增加均不顯著，但二者共同作用使該站點小麥-玉米輪作系統RUE呈顯著升高趨勢。

圖7 年總輻射（a）、小麥-玉米輪作系統產能（b）和光能利用率（c）變化趨勢的空間分布Fig. 7 Distribution in change trends of annual total global radiation(a), production energy(b) and radiation use efficiency(c) of wheat-maize rotation system

2.3 小麥-玉米輪作系統光能利用率變化的原因分析

2.3.1 單種作物產能變化對輪作系統產能變化的貢獻利用小麥-玉米輪作系統RUE變化比較顯著的5個站點資料，計算1981-2007年各站點小麥和玉米產能變化對輪作系統產能變化的貢獻率，結果見表1。由表中可見，盧氏和汝州站點小麥產能變化對系統產能變化的貢獻率（65%和90%）均大于玉米（35%和10%），而西平、新鄉和駐馬店玉米產能變化對系統產能變化的貢獻率（51%、72%和65%）均大于小麥（49%、28%和35%）。反映了河南省不同地區小麥和玉米對輪作系統RUE的影響程度不同。

表1 小麥和玉米產能變化對小麥-玉米輪作系統產能變化的貢獻率Table 1 Contribution rates of the changes in production energy of wheat and maize to the changes of wheat-maize rotation system

2.3.2 年總輻射和輪作系統產能變化對RUE變化的貢獻

利用小麥-玉米輪作系統RUE變化比較顯著的5個站點資料計算1981-2007年各站點年總輻射和輪作系統產能變化對RUE變化的影響程度，結果見表2。由表中可見，除盧氏站點因年總輻射上升對系統RUE升高呈負貢獻外，其余站點年總輻射下降和作物產能增加均對系統RUE升高呈正貢獻，且總輻射下降的貢獻率為4%～31%，作物產能增加的貢獻率達69%～96%。

表2 年總輻射和輪作系統產能變化對小麥-玉米輪作系統RUE變化的貢獻率Table 2 Contribution rates of the changes in annual total global radiation and crop production energy to the change of RUE of wheat-maize rotation system

3 結論與討論

3.1 結論

1981-2007年，河南省小麥-玉米輪作系統RUE 為0.75%～1.61%，北部的湯陰和西部的盧氏是高值區，而西北、東部偏東和南部地區較低。1981-2007年，河南省小麥生長季、玉米生長季及輪作系統RUE與產能具有相似的時空分布特征。表現在貢獻率上，除盧氏站點因年總輻射升高對光能利用率變化呈負貢獻外，其余站點總輻射下降對輪作系統光能利用率變化的貢獻率為4%～31%，作物產能增加的貢獻率達69%～96%，表明作物產能變化對RUE變化的影響較大。河南省不同地區小麥和玉米兩種作物產能變化對輪作系統產能變化的影響程度也不相同，未來在河南省不同地區應側重提高不同作物產能以獲得較高的光能利用率。

3.2 討論

群體光能利用率通?；趦煞N水平，一種是基于作物干物重與冠層截獲輻射的比值計算，另外一種基于作物產能與入射太陽輻射的比值計算。前者表示作物將截獲的輻射轉化為干物質的能力，是轉化效率的概念。后者表示作物對投射到地球表面的太陽總輻射的利用效率，強調下墊面作物和土地對光能資源的利用強度，可使不同作物及輪作系統之間更具可比性。本文從小麥-玉米輪作系統出發，研究輪作系統對光能資源利用效率的變化，可以體現華北平原小麥-玉米一年兩熟制在區域尺度上對光能資源利用強度的變化。

不同地區植被的RUE不同，如祁連山海北高寒植物生育期間的RUEPAR為0.58%[32]，北京、河北、天津、山西和內蒙古地區平均為0.57%、0.52%、0.47%、0.39%和0.26%[20]，這與不同地區的光照、熱量、水分等條件、不同植被類型本身的光合特性及單位干物質所含的能量、植被覆蓋度等多種因素有關。劉勇洪等[20]對華北地區不同植被光合有效輻射利用率的研究表明，RUEPAR在0～1.13%，最大可達2.83%，楊松等[33]研究表明，全幅播種方式下春小麥的RUEPAR可達2.94%，本研究計算得到河南省小麥-玉米輪作系統的RUERT為0.75%～1.61%，轉化為RUEPAR為1.50%～3.22%，略高于華北平原植被RUEPAR最大值，這與小麥-玉米輪作系統相對其它植被類型或單作種植制度下光能利用強度更高有關。由河南省小麥-玉米輪作系統RUE的時空分布特征可知，全區73.7%的站點RUE沒有顯著變化，反映了該區小麥-玉米輪作系統對光能利用程度并未顯著增強。而1981-2007年RUE顯著升高的站點主要是系統作物產能增加的貢獻，且在不同地區小麥和玉米產能變化對系統產能變化的貢獻不同。因此，在不同地區應著重提高不同作物單位面積產能以提高RUE。高產農田的RUERT為1%～2%，而一般低產農田的RUERT為0.5%[20]。河南省小麥-玉米輪作系統的RUERT較高，并且空間分布具有差異性，北部和西部地區光能資源利用強度較高，而西北、南部和東部地區較低，與該地區未充分利用熱量資源有關。豫西和豫北地區盡管熱量資源較豫東和豫南少，但常采用小麥和玉米套種方式來利用熱量資源，因此對光能資源的利用強度較高。

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Tempo-spatial Characteristics and Impact Factors of Radiation Use Efficiency of Wheat-maize Rotation System in Henan Province

CHANG Qing1,3, WANG Jing1, YU Wei-dong2, WANG Na1, TAN Mei-xiu1
(1.College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2.Henan Provincial Key Laboratory of Agrometeorological Safeguard and Applied Technique, China Meteorological Administration/Henan Institute of Meteorological Sciences, Zhengzhou 450003 ; 3.Shanxi Meteorological Service Centre, Taiyuan 030002)

Abstract:The tempo-spatial characteristics in radiation use efficiency (RUE) of wheat, maize and wheat-maize rotation system were analyzed based on crop production energy, total solar radiation during crop growing season and annual global radiation from the observed meteorological and crop data during 1981 to 2007 at 19 stations in Henan province. Subsequently, the contribution rates of the changes in global radiation and crop production energy to the change in RUE were calculated with the statistical regression method. The study further calculated the contribution rates of the changes in crop production energy of wheat and maize to the change in production energy of wheat-maize rotation system. The study results showed that RUE of wheat-maize rotation system varied from 0.75%to 1.61% in Henan province. The high value areas occurred at Tangyin in the northern Henan province and Lushi in the western Henan province, while the low value areas were in the northwestern, eastern and southern Henan province. Average RUE of wheat was 0.65%-1.63% with the highest values at Tangyin and Lushi, and following by most sites of the eastern Henan province, while the low value area in the northwestern and eastern Henan province. Average RUE of maize was 0.85%-1.81%, with the high value area at most of the sites in the northern and western Henan province except for the lowest value at Sanmenxia, while the low value area in the northwestern, eastern and the southern Henan province. RUE of wheat-maize rotation system at Ruzhou, Xiping, Xinxiang and Zhumadian showed a significant rising trend due to the decrease in annual global radiation and the increase in production energy of wheat-maize rotation system. The contribution rates of the decrease in annual total global radiation and the increase in production energy of wheat-maize rotation system to the increase in RUE were 4%-31% and 69%-96% respectively from 1981 to 2007. However, the increase in annual global radiation had a negative contribution rate on RUE of wheat-maize rotation system at Lushi. The contribution rates of the change in wheat production energy to the change in the production energy of rotation system were 65% and 90%, which were higher than those of maize with the values of 35% and 10% at Lushi and Ruzhou. However, contrasting results occurred at Xiping, Xinxiang and Zhumadian with higher contribution rates of 51%, 72% and 65% for maize than the contribution rates of 49%, 28% and 35% for wheat. In the future, improving crop production energy is still an effective method to increase radiation use efficiency and different areas should focus on diffident crops in Henan province.

Key words:Crop growing season; Global radiation; Crop production energy; Contribution rate; Resource use efficiency

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.03.007

* 收稿日期：2015-09-30**通訊作者。E-mail：wangj@cau.edu.cn

基金項目：公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201506016)；國家自然科學基金項目（41101046）；全國涉農引智平臺項目（2015Z007）

作者簡介：常清（1990-），女，碩士生，研究方向為農業氣候資源利用。E-mail：changqing707448911@163.com