氣候變化對河南省小麥和玉米氣候資源利用效率的影響

徐延紅，李樹巖

(1.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 鄭州 450003；2. 洛陽市氣象局，河南 洛陽 471000；3.河南省氣象科學研究所，河南 鄭州 450003)

氣候資源是農業生產發展的重要環境條件，特別是光、熱、水等重要的農業氣候資源，直接關系到農業生產[1-2]。如何科學有效地利用農業氣候資源，按照各類農作物生長所需，實現光、熱、水等氣候因子的最佳組合，提高農業生產效率，最終實現農業氣候資源的可持續利用，是農業氣候資源研究的最終目標[3]。多年來，針對作物對氣候資源的利用進行了多方面的研究，作物品種涉及廣泛，包含了玉米、水稻、小麥、高粱、谷子、大豆和棉花等，形成了多種農業氣候資源的利用效率及程度評價的方法和模式[4-13]，為開展河南地區氣候資源利用效率評估提供了技術支撐。李夏子[5]，王曉煜[6]等從產量潛力損失率的角度分析作物對氣候資源的利用狀況。徐玲玲[7]，Guo J P[8]等利用氣候適宜度理論對一個地區的農業氣候資源配置和利用情況進行評價。崔讀昌[9]，高濤[10]，辛吉武[11]，錢錦霞[12]，宋夢美[13]，李淑婭[14]等利用作物干物質或產量與光熱水資源的比值，定量評價氣候資源利用情況，該方法能夠直觀反映氣候資源對產量的貢獻，對合理評價生態氣候資源具有重要意義。然而，當前研究多數是分析單一氣象要素利用率，較少分析作物對不同氣候資源綜合利用率的時空分布。

河南省地處黃淮海平原腹地，光熱資源豐富，是中國主要的小麥-玉米輪作種植區。其小麥播種面積約占全國小麥面積的25%，總產量占全國總產的24%左右，每年向市場提供的商品小麥占全國的25%～30%，均居全國第一[15]。玉米作為河南省的第二大作物，面積和總產量約占全國的10%[16]。小麥、玉米產量關系到國家糧食安全和人民溫飽問題[17]。河南省地形復雜，橫跨第二、三級地貌臺階，包括山地、丘陵、平原和盆地[18]，自然資源地理分布差異較大，加之作物管理水平和技術等方面的限制，使得該區域的農業發展不平衡，糧食作物氣候資源利用率區域間分布不均，蘊藏著巨大的潛力。受氣候變化影響，近50a河南省平均氣溫呈明顯增加趨勢，降水量年際間波動增大，時空分配不均，局地干旱、高溫、低溫冷害等極端氣候事件加劇，農業生產的不穩定性增加[19-20]，氣候變化對充分合理利用氣候資源、保障糧食安全提出了新的要求。因此，通過對河南省農業氣候資源利用效率的綜合分析，研究其時空分布的變化特征是指導糧食生產和發展地區經濟的需要。本研究選用河南省29個農業氣象觀測站1981—2016年氣象數據和冬小麥、夏玉米產量數據，分析冬小麥、夏玉米生育期內氣候資源變化特征，研究糧食生產的光能、熱量和降水資源利用效率的現狀和變化規律，對于提高農業氣候資源利用效率和糧食產量以及適應未來氣候變化具有重要指導意義。

1 資料與方法

1.1 數據來源

氣象數據來源于河南省29個農業氣象觀測站，為1981—2016年的逐日氣象資料，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數、降水量，輻射資料由日照時數估算得到[21]。作物產量數據來源于河南省農業統計年鑒。

1.2 研究方法

1.2.1 光能利用效率(Light Utilization Efficiency，LUE) 作物干物重的 90%以上來自光合作用，籽粒產量主要取決于光能利用率的高低，即光合產物中貯存的能量占有效輻射能或占太陽總輻射能的百分比。

(1)

式中,LUE為光能利用率(kg·MJ-1)，Y為糧食作物產量(kg·hm-2)， ∑Q為作物生長季內的太陽總輻射(MJ·hm-2)，本研究中小麥生長季為10月—翌年5月，玉米生長季為6—9月。

1.2.2 熱量利用效率 (Heat Utilization Efficiency，HUE) 農業氣象學的熱量條件以積溫表示，≥0℃積溫表示全年生長期的熱量條件，≥10℃的積溫表示喜溫作物生長的熱量條件。

(2)

式中,HUE為熱量資源利用效率(kg·℃-1·d-1·hm-2)，∑T為作物生長季積溫(℃·d)。小麥生長季∑T為≥0℃的積溫，玉米生長季∑T為≥10℃的積溫。

1.2.3 降水量利用效率 (Precipitation Utilization Efficiency，PUE) 降水量利用效率反映降水對糧食產量形成的貢獻，即每生產 1kg糧食所消耗的自然降水量，本研究忽略了灌溉、地下水供給，并非嚴格意義上的水分利用效率。

(3)

式中,PUE為降水資源利用效率(kg·mm-1·hm-2)，∑R為作物生長季內總降水量(mm)。

1.2.4 氣候資源利用效率綜合指數(Utilization Efficiency Comprehensive Index，CUE*)

(1)各因子對氣候資源利用效率的貢獻率

對式(1)兩邊取對數，得到

(4)

根據研究區域內每個站點每年作物產量、太陽輻射以及光能利用效率，通過一元線性回歸，分別得到近36 a(1981—2016年)ln(Y)、ln(1/Q)和ln(LUE)的變化趨勢及相應的一次線性回歸方程，其斜率分別為k1、k2、k3。輻射變化對光能利用效率變化的貢獻率為[22]

(5)

(6)

式中，i為站點序號，n為研究區域內總站點數，CQLi表示某站點輻射變化對LUE變化的貢獻率，CQL為研究區域內所有站點輻射變化對LUE變化的平均貢獻率，CQL值越大表示輻射變化對LUE變化的貢獻越大。

同樣，對式(2)、(3)取對數，用上述方法統計積溫、降水量變化對HUE、PUE變化的貢獻，用CTH、CRP分別表示積溫變化對HUE變化的平均貢獻率、降水量變化對PUE變化的平均貢獻率。

(2)氣候資源利用效率綜合指數

對光能、熱量和降水量利用效率的綜合評價采用綜合利用效率指數。首先對LUE、HUE和PUE作離差標準化處理，使原始值映射到[0～1]之間，記為LUE*、HUE*、PUE*，具體計算公式如下式(7)

(7)

式中，Zi為某要素的標準化值，Xi為原始要素值，Xmax為某要素序列的最大值，Xmin為某要素序列的最小值。

綜合光能、熱量和降水量利用效率，定義糧食作物對農業氣候資源的綜合利用效率指數CUE*為：

CUE*=wlLUE*+whHUE*+wpPUE*

(8)

(9)

(10)

(11)

式中，wl、wh、wp分別為光能、熱量和降水量利用效率的權重系數，根據光、熱、水資源變化對氣候資源利用效率的貢獻率來確定。

2 結果與分析

2.1 氣候資源變化特征

2.1.1 太陽總輻射 如圖1所示，除盧氏站點外，近36 a全省太陽總輻射均呈不同程度的減少趨勢，小麥生長季平均每10 a減少56 MJ·m-2，玉米生長季平均每10 a減少62 MJ·m-2，豫東、豫北地區受人類活動影響，大氣能見度降低，輻射資源下降較快；豫西地區多山區，所受影響相對較少，輻射資源下降較慢。

空間分布來看，豫北地區雨日數相對較少，大氣透明度高，輻射較強，小麥生長季輻射在3 175～3 215 MJ·m-2，玉米生長季大部分地區輻射在2 250 MJ·m-2以上。豫南、豫東地區陰雨日數較多，大氣透明度降低，太陽輻射較少，小麥生長季輻射為3 115 ～3 155 MJ·m-2，玉米生長季輻射在2 230～2 250 MJ·m-2。豫西、豫西南受地形影響，輻射資源亦較低，小麥生長季輻射資源多在3 055～3 095 MJ·m-2，玉米生長季輻射資源多在2 200～2 230 MJ·m-2，其中內鄉站點輻射資源為全省最低。

2.1.2 積溫 在全球變暖的背景下，河南省作物生長季的熱量條件呈不同程度的上升趨勢(圖2)。小麥生長季≥0℃的積溫傾向率為52～151 ℃·d·10a-1，其中豫西北、駐馬店和南陽地區增幅較大，增速在100 ℃·d·10a-1以上。玉米生長季，≥10℃的積溫增加速率集中在7～47 ℃·d·10a-1，伊川、鄭州站點增加幅度最為明顯，氣候傾向率達87 ℃·d·10a-1。

由于地形、地貌以及大氣環流條件的不同，熱量資源空間分布差異較大，表現為北部少于南部，丘陵山區少于平原地區。小麥生長季≥0℃積溫在1 850～2 450℃·d，豫南、豫中地區熱量資源豐富，積溫在2 250℃·d以上，豫西、豫北地區積溫低于2 150℃·d。玉米生長季≥10℃積溫在2 600～3 040℃·d范圍內變化，豫西、豫北北部熱量資源相對匱乏，積溫低于2 920℃·d，信陽地區高達3 040℃·d，其他大部地區集中在2 960～3 000℃·d。

2.1.3 降水量 如圖3所示，小麥生長季降水量變化氣候傾向率為-1 mm·10a-1，玉米生長季降水量變化氣候傾向率為-3 mm·10a-1，均未通過0.05的信度檢驗(P>0.05)。降水量變化趨勢空間分布不一致，小麥生長季，豫北、豫中以及信陽地區降水量呈減少趨勢，東部的商丘、周口、南部的駐馬店、南陽東部降水量增加明顯，氣候傾向率為6～15 mm·10a-1。玉米生長季，豫西、豫東南降水量呈減少趨勢，豫北、豫東降水量有所增加，其中伊川、三門峽、汝州、鞏義減少速率在20 mm·10a-1以上，為全省降水量減少最明顯的區域，新鄉、商丘增加速率在20 mm·10a-1以上，為全省降水增加較明顯的地區。

圖1 小麥、玉米生長季太陽總輻射的分布Fig.1 Distribution of total solar radiation during wheat and maize growing seasons

圖2 小麥、玉米生長季積溫的分布Fig.2 Distribution of accumulated temperature during wheat and maize growing season

圖3 小麥、玉米生長季降水量的分布Fig.3 Distribution of precipitation during wheat and maize growing seasons

受季風氣候影響，加之地理條件復雜，河南省降水量水平及垂直差異顯著。小麥生長季降水總量在150～440 mm，由北向南明顯遞增，開封-鄭州-洛陽-三門峽連線以北降水量在230 mm以下，最大降水中心位于信陽，降水量達440 mm。玉米生長季降水總量在360～600 mm，豫西北降水量低于400 mm，為我省降水量的低值區，豫南地區降水量較充沛，達520 mm以上。

2.2 氣候資源利用效率的時空分布

2.2.1 光能利用效率 全省光能利用效率如圖4所示，小麥生長季，在輻射和產量變化的共同作用下，除三門峽外，其他28個站點小麥LUE呈顯著增加趨勢(P<0.05)。焦作-許昌-駐馬店連線以東地區，LUE增幅較大，氣候傾向率在0.35～0.65 kg·MJ-1·10a-1。玉米生長季，除三門峽站點LUE不顯著增加外，其余站點LUE均呈顯著增加趨勢(P<0.05)，增加速率為0.12～0.83 kg·MJ-1·10a-1。

河南省小麥平均光能利用率為1.48 kg·MJ-1，而玉米達到2.27 kg·MJ-1，超過世界陸地植物平均光能利用率1.69 kg·MJ-1的水平[21]。從分布圖上可以看出(圖4)，區域間差異也較大，表現為豫東北、豫東平原>豫中部>豫西丘陵旱地、淮南。豫東北、豫東平原光能利用率最高，小麥達1.77 kg·MJ-1以上，玉米達2.50 kg·MJ-1；豫中、豫西北、豫東南居中，小麥LUE在1.50～1.68 kg·MJ-1，玉米在2.10～2.40 kg·MJ-1；豫西、豫西南小麥LUE在1.32 kg·MJ-1以下，玉米不超過1.90 kg·MJ-1。小麥平均光能利用率大部分集中在1.32～1.68 kg·MJ-1范圍內，玉米集中分布在2.00～2.40 kg·MJ-1。

2.2.2 熱量利用效率 如圖5所示，小麥生長季，除三門峽、鞏義、鄭州、林州外，其余站點HUE顯著增加，氣候傾向率為0～0.69 kg·℃-1·d-1·hm-2·10a-1。玉米生長季，除盧氏站點外，其余站點HUE均顯著增加，氣候傾向率為0.04～0.46 kg·℃-1·d-1·hm-2·10a-1。

空間上，熱量利用效率并不隨熱量資源的多寡而呈現規律性的變化(圖5)。小麥生長季，熱量利用效率在1.30～2.50 kg·℃-1·d-1·hm-2，呈現北高南低、東高西低的特點。淮河以南雖熱量豐富，但小麥產量不高，熱量資源利用效率低，信陽HUE為1.30 kg·℃-1·d-1·hm-2。旱區由于缺水，熱量資源利用效率低于灌區。豫西、豫西南熱量資源利用效率在1.70 kg·℃-1·d-1·hm-2以下，豫東商丘、開封、周口，以及豫東北濮陽、安陽、新鄉HUE較高，達2.3 kg·℃-1·d-1·hm-2。玉米生長季，HUE在1.32～1.78 kg·℃-1·d-1·hm-2范圍，呈西南向東北遞增的特征。豫東北、豫東熱量利用效率較高，達1.72 kg·℃-1·d-1·hm-2以上。中部、西北部熱量資源較為豐富，但常常因為水分限制，熱量資源不能充分利用，HUE為1.48 ～1.64 kg·℃-1·d-1·hm-2。豫西、豫西南地區HUE為全省最低，數值在1.32～1.40 kg·℃-1·d-1·hm-2。

2.2.3 降水量利用效率 如圖6所示，小麥生長季，全省PUE氣候傾向率在0.5～10.1 kg·mm-1·hm-2·10a-1之間，79%的站點增加趨勢顯著，其中封丘、濮陽站點變化最為明顯，PUE增速達7.5 kg·mm-1·hm-2·10a-1。玉米生長季，PUE氣候傾向率在0.5 ～3.6 kg·mm-1·hm-2·10a-1之間，盧氏、鄭州站點雖產量顯著增加，但降水量變化不顯著，兩者作用導致PUE變化不顯著，其余站點均顯著增加(P<0.05)。經統計，河南省小麥、玉米平均降水量利用效率分別高達20.6、11.8 kg·mm-1·hm-2，均高于全國平均水平[23]。

從空間分布上看，降水量利用效率的高低和降水量密切相關，表現為由北部向南部逐漸減小的趨勢。淮河以南降水量豐富，相對小麥需水量而言，為水分盈余區。由于陰雨多、光照不足等小麥生產限制因子，該區小麥PUE在8 kg·mm-1·hm-2以下，為降水量利用效率最低的區域。豫西南淺山丘陵地區，小麥PUE在13 kg·mm-1·hm-2以下，玉米PUE在10.5 kg·mm-1·hm-2以下。中部地區小麥PUE集中在18～28 kg·mm-1·hm-2，玉米在10.5～13.5 kg·mm-1·hm-2。豫北為半濕潤易旱氣候區，水分虧缺量大，但由于灌溉條件較好，氣候資源協同作用，降水量利用效率較高，小麥PUE超過33 kg·mm-1·hm-2，玉米達14.5 kg·mm-1·hm-2。

2.3 氣候資源利用效率綜合指數及評估

2.3.1 氣候資源利用效率的貢獻率 計算1981—2016年各氣象因子變化對氣候資源利用效率變化的影響程度，結果見表1。由表中可見，小麥季研究區域內總輻射變化對光能利用效率升高的平均貢獻率CQL為10%，玉米季輻射變化的貢獻率CQL為15%。小麥季溫度變化對熱量利用效率的貢獻率CTH為30%，玉米CTH為6%，溫度變化對小麥氣候資源利用效率變化的影響程度高于玉米，這是由于玉米季溫度升高的幅度較小麥季不明顯，且玉米生長的積溫需求比小麥高得多，熱量增加對玉米生產的影響相對小麥較小。小麥季降水量變化對降水量利用效率的貢獻率CRP為20%，低于玉米生長季CRP(30%)。不同氣象要素變化對相應資源利用率變化的影響程度不同，溫度變化對小麥HUE增加的貢獻率最大，降水次之，輻射最小；玉米季貢獻率依次為降水>輻射>積溫。貢獻率除了受光、熱、水資源自身增加或減少的速率影響外，還與農業生產對氣候要素變化的敏感性相關，如玉米生長季豫西、豫北北部干旱地區對水資源的變化更為敏感，表現為該地區降水量變化的貢獻率高于光、熱要素；小麥生長季豫北地區溫度變化的貢獻率又高于光 、水資源的貢獻率。

表1 光、溫、水因子對氣候資源利用效率變化的貢獻率

圖4 小麥、玉米生長季光能利用效率分布圖Fig.4 Distribution of light utilization efficiency during wheat and maize growing seasons

圖5 小麥、玉米生長季熱量利用效率分布圖Fig.5 Distribution of heat utilization efficiency during wheat and maize growing seasons

圖6 小麥、玉米生長季降水量利用效率分布圖Fig.6 Distribution of precipitation utilization efficiency during wheat and maize growing seasons

2.3.2 氣候資源利用效率綜合指數 根據各氣象因子的貢獻率及小麥、玉米季的氣候資源利用效率，計算氣候資源利用效率綜合指數，如圖7所示，小麥生長季的氣候資源利用效率綜合指數呈增加趨勢，氣候傾向率為0～0.15·10a-1，除三門峽、鞏義、鄭州、林州外，其余站點均通過0.05顯著性檢驗(P<0.05)，60%站點利用效率綜合指數CUE*變化集中在0.05～0.10·10a-1。玉米生長季，研究區域內所有站點CUE*均呈顯著增加趨勢(P<0.05)，氣候傾向率為0.03～0.09·10a-1，其中開封、汝州、襄城、伊川、周口、永城站點增加趨勢最為明顯，氣候傾向率為0.07～0.09·10a-1。

從空間分布上看，河南省小麥對光、溫、水氣候資源的利用效率綜合指數分布在0.24～0.50，呈西南向東北遞增的趨勢，濮陽、安陽東部、鶴壁、新鄉綜合利用效率較高，為0.50。三門峽、洛陽、南陽、信陽綜合利用效率較低，為0.24～0.31。中部地區CUE*集中在0.35～0.47。這一趨勢與作物生長季內積溫利用效率的空間分布特征一致。玉米氣候資源利用效率綜合指數為0.21～0.31，與降水量利用效率的相關性最高，呈北高南低、東高西低的特征，高值區分布在豫北焦作、新鄉、鶴壁、安陽，低值區分布在三門峽、洛陽、南陽、駐馬店。未來分別提高小麥熱量利用效率和玉米降水量利用效率有助于獲得較高的氣候資源利用效率綜合指數。總體上，小麥氣候資源綜合利用效率高于玉米。

圖7 小麥、玉米生長季氣候資源利用效率綜合指數分布圖Fig.7 Distribution of comprehensive utilization efficiency index during wheat and maize growing seasons

3 討 論

1)不同地區不同作物的氣候資源利用效率不同，玉米積溫、降水利用效率以及綜合指數低于小麥，而光能利用效率高于小麥，從區域上來看，豫東北光、熱、水資源利用率普遍高于豫西南，這與光照、熱量、水分等條件、不同作物本身的生物學特性以及當地的生產力水平等多因素相關。高濤等[24]研究認為內蒙古糧食作物平均熱量利用效率≥0℃達0 .74 kg·℃-1·d-1·hm-2，≥10℃達0 .85 kg·℃-1·d-1·hm-2，降水利用率為6.47 kg·mm-1·hm-2。錢錦霞等[12]認為山西省玉米平均光能利用率為1.46 kg·MJ-1，熱量利用效率為 1.37 kg·℃-1·d-1·hm-2，降水量利用效率為12.28 kg·mm-1·hm-2。王曉煜等[6]對氣候變化背景下東北三省主要糧食作物的氣候資源利用效率研究表明，玉米對氣候資源利用效率高于高粱、水稻、谷子、春小麥，其光能利用率達1.5 kg·MJ-1。與前人研究相比，河南地區小麥、玉米的光、熱、水資源利用效率明顯為高，但區域間差異更明顯。

2)本文在研究小麥、玉米光、熱、水單項利用率時空變化特征的基礎上，分析輻射、積溫、降水量變化對LUE、HUE、PUE變化的貢獻，并用指數化處理方法計算了光、熱、水綜合利用效率，與前人研究相比[9-14]，從氣候角度探討了資源利用率變化原因，反映氣候變化對資源利用率的影響程度，為河南省作物合理利用光、熱、水資源，挖掘高產潛力，糧食作物的合理布局以及適應未來氣候變化提供理論指導。但是本文只考慮了自然降水影響，而灌溉是河南省大部分地區農作物生產的重要水分來源，因此計算的水分利用效率與實際情況有一定的差距，有待今后進一步完善。

3)氣候變暖對河南省夏玉米-冬小麥種植模式產量的影響既是機遇又是挑戰。溫度升高使夏玉米-冬小麥輪作系統茬口時間出現一定時間的延長[25]，可以選擇適合早播、生育期長的夏玉米品種，調整玉米、小麥的播期和種植結構，提高氣候資源利用效率。目前，土地資源、水資源、養分資源等減少，土壤質量退化等問題制約著農業的可持續發展[26]。從農業氣候資源開發利用來看，設施農業可以人為控制農業生物生長發育所需要的生態條件，復種指數高，可大幅提高資源利用效率，實現資源替代。另一方面，河南省地形復雜，山地丘陵在40%左右，這部分土地氣候資源豐富多樣，為農林牧綜合發展、特色農業提供了優越條件，因此，在深度挖掘耕地農業氣候資源潛力的同時，可注重非耕地農業氣候資源的開發利用。

4 結 論

全球氣候變化背景下，河南省1981—2016年太陽總輻射呈逐漸減少的變化趨勢，小麥生長季平均每10 a減少56 MJ·m-2，玉米生長季平均每10 a減少62 MJ·m-2，空間分布不均。熱量資源表現為全省一致的增加趨勢，小麥生長季≥0℃的積溫氣候傾向率為52～151℃·d·10a-1，玉米生長季≥10℃的積溫氣候傾向率為7～87℃·d·10a-1，豫南、豫中熱量資源豐富，豫西、豫北地區相對匱乏。降水量總體變化趨勢不顯著，空間上由北向南遞增。

1981—2016年除三門峽站點外，河南省光能利用效率呈顯著增加趨勢(P<0.05)，小麥生長季LUE在1.14～1.77 kg·MJ-1，玉米生長季LUE在1.8～2.5 kg·MJ-1，空間分布表現為豫東、豫東北>豫中、豫西北、豫東南>豫西、豫西南。小麥、玉米生長季HUE分別為1.3～2.5 kg·℃-1·d-1·hm-2和1.32～1.78 kg·℃-1·d-1·hm-2，呈北高南低、東高西低的特點。小麥季PUE為8～43 kg·mm-1·hm-2，玉米季PUE為9.5～15.1 kg·mm-1·hm-2，存在一定的緯向差異，豫東北、豫東是降水資源利用效率的高值區，三門峽、洛陽、南陽、信陽地區較低。

在光、熱、水資源共同作用下，河南省氣候資源利用效率綜合指數呈增加趨勢，增加速率分別為0～0.15 10a-1(小麥)、0.03～0.09 10a-1(玉米)。從區域上看，小麥利用效率綜合指數分布在0.24～0.50，溫度變化對HUE增加的貢獻率最大，提高熱量利用率有助于增加小麥氣候資源利用效率綜合指數。玉米生長季利用效率綜合指數分布在0.21～0.31，降水量變化對資源利用率變化的影響大于積溫和輻射，提高降水資源利用率有利于增加玉米氣候資源的綜合指數。豫北的光、熱、水綜合利用效率為全省的高值區，西部和南部地區為全省的低值區，農業氣候資源利用率的潛力較大。