河南省小麦-玉米轮作系统光能利用率时空分布及其变化原因分析**

常 清，王 靖，余卫东，王 娜，谈美秀

（1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2.中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点实验室/河南省气象科学研究所，郑州 450003；3.山西省气象服务中心，太原 030002）



河南省小麦-玉米轮作系统光能利用率时空分布及其变化原因分析**

常 清1,3，王 靖1**，余卫东2，王 娜1，谈美秀1

（1.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；2.中国气象局河南省农业气象保障与应用技术重点实验室/河南省气象科学研究所，郑州 450003；3.山西省气象服务中心，太原 030002）

摘要：利用河南省19个农业气象试验站的气象和小麦、玉米观测资料，计算1981-2007年作物生长季辐射和年总辐射量、小麦、玉米生长季和轮作系统的作物产能及光能利用率（Radiation Use Efficiency, RUE），分析总辐射和作物产能变化对RUE变化的贡献、小麦和玉米产能变化分别对轮作系统产能变化的贡献。结果表明，河南省小麦-玉米轮作系统RUE为0.75%～1.61%，北部的汤阴和西部的卢氏是高值区，西北、东部偏东和南部地区较低。小麦生长季RUE为0.65%～1.63%，北部的汤阴和西部的卢氏最高，东部偏中大部分地区次之，而西北和东部部分地区最低，玉米生长季RUE为0.85%～1.81%，除西部的三门峡RUE在全区最低外，北部和西部大部分地区较高，而西北和东部、南部地区较低。1981-2007年，卢氏、汝州、西平、新乡和驻马店5个站点小麦-玉米轮作系统RUE呈显著升高趋势（P＜0.05）。在轮作系统RUE变化显著的站点中，除卢氏站点因年总辐射升高对RUE变化呈负贡献外，其余站点的贡献率为4%～31%，系统作物产能变化对RUE变化的贡献率为69%～96%。卢氏和汝州站点小麦产能变化对系统作物产能变化的贡献率（65%和90%）大于玉米（35%和10%），而西平、新乡和驻马店站点小麦产能变化对系统作物产能变化的贡献率（49%、28% 和35%）小于玉米（51%、72%和65%）。未来提高单位面积的作物产能仍是提高区域RUE的有效方法，且不同地区应着重提高不同作物的产能。

关键词：作物生长季；总辐射；作物产能；贡献率；资源利用效率

常清,王靖,余卫东,等.河南省小麦-玉米轮作系统光能利用率时空分布及其变化原因分析[J].中国农业气象,2016,37(3):316-325

河南省是中国主要的小麦-玉米轮作种植区[1]，其小麦、玉米种植面积和总产分别约占全国的1/4[2]和1/10[3]，小麦、玉米产量关系到国家粮食安全和人民温饱问题[4]。小麦-玉米轮作制度能使作物充分利用光热资源，提高粮食产量。光能利用率（Radiation Use Efficiency, RUE）是表征植物固定太阳能效率的指标[5]，其高低反映下垫面对光能资源的利用强度。因此，研究河南省小麦-玉米轮作系统的RUE时空分布及其变化原因对分析区域资源利用效率的差异及产量提升潜力具有重要意义。自20世纪70年代Monteith在研究热带森林生态系统的太阳辐射和生产力关系时引入光能利用率的概念后[6]，其内涵和外延不断被丰富和完善[7-10]。根据研究尺度不同，RUE常分为单叶和群体水平两类。单叶水平用于计算作物的最大RUE和最大生产力[11]，有助于了解和认识作物所能达到的理论生产水平；群体水平用于估算区域作物在某一时间段或全生育期的RUE，对研究作物生产力及资源利用效率具有重要意义[12]。早期RUE的计算大都采用生物量调查法[13-15]，由作物干物质或产量与辐射相比得到的RUE单位用g·MJ-1表示，由作物产能与辐射相比得到的RUE单位为%[5]；由光合有效辐射得到的光能利用率（RUEPAR）约为用年总辐射得到的光能利用率（RUERT）的2倍[16]。涡度相关技术作为目前直接测定植被冠层与大气间CO2和水热交换量的方法, 使从冠层到景观水平估计RUE成为可能[5]；基于卫星遥感参数化的光能利用率模型反演RUE在国内已进行了广泛的应用研究[17-18]。不同估算方法得出的RUE值不同。李贺丽等[19]指出，C3作物的光合有效辐射光能利用率RUEPAR一般在0.85～3.0g·MJ-1，C4作物可达4.8g·MJ-1，在无环境胁迫条件下，小麦生长季的RUEPAR为1.46～2.93g·MJ-1，且玉米生长季RUEPAR比小麦大。刘勇洪等[20]指出，高产农田的年总辐射利用率RUERT为1%～2%，而一般低产农田的RUERT为0.5%。

当前研究多数是基于试验和遥感数据估算的短时间内RUE变化，较少分析长时间内小麦-玉米轮作系统RUE的时空变化及其原因。本文对河南省小麦-玉米轮作系统1981-2007年作物RUE的时空分布特征进行研究，并从辐射和作物产能角度分析其变化原因，以期为进一步提高河南省不同地区小麦-玉米光能利用率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河南省位于中国中部偏东，黄河中下游，介于110º21＇-116º39＇E，31º23＇-36º22＇N，地势西高东低，东部为黄淮海平原，平原面积9.3万hm2，约占全省总面积的55.7%。该地区属大陆性季风气候，雨热同季[21]。1981-2010年，全省太阳辐射年总量平均为4000～5000MJ·m-2，小麦生长季总辐射平均为2000～3000MJ·m-2，玉米生长季总辐射平均为1000～2000MJ·m-2。年日照时数1500～2400h，年平均气温12～16℃[22]。小麦生长季≥0℃积温1700～2800℃·d[23]，玉米生长季≥10℃积温2600～3100℃·d[24]，年平均降水量500～900mm[12]。

1.2 数据来源

将河南省小麦-玉米轮作系统种植区根据地理位置划分为北部、西部、东部和南部[25]，并选取19个农业气象站点进行研究（图1），研究站点1981-2007年的逐日日照时数（h）资料来源于中国气象局国家气象信息中心地面气象资料观测数据集。总辐射值（MJ·m-2）由日照时数根据埃斯屈朗方程估算得到，有文献指出，辐射估算值在华北平原准确率可达到87%～92%[26]，因此，该方法可用于估算河南省19个站点的辐射值。作物资料来源于河南省农业气象观测站，包括小麦和玉米的发育期、茎秆干重（g·m-2）和干重下的籽粒与茎秆比（%）等。籽粒重由茎秆干重和籽粒与茎秆比得到，地上部分干物质（g·m-2）由茎秆重和籽粒重相加得到。由于收获时地下部分干物质占总干物质的比例很小，因此作物产能（PG）仅根据单位面积地上部分干物质（DM）进行计算，即

式中，q为作物干物质向热能的转换系数，其中小麦籽粒能量转换系数为0.0178MJ·g-1，茎叶能量转换系数为0.0146MJ·g-1[27-28]，玉米1g干物质或籽粒所含能量为0.0175MJ[29]。

1.3 研究方法

1.3.1 光能利用率

式中，RUE为光能利用率（%）；PG为小麦、玉米及小麦-玉米轮作系统的作物产能（MJ·m-2）；RT为小麦、玉米生长季总辐射以及年总辐射（MJ·m-2）。

1.3.2 变化趋势和显著性检验

某要素的变化趋势用一次线性方程表示。用y表示样本为n的某一要素，用t表示所对应的年序，建立一元线性回归方程[30]。

式中，a为回归系数，表示要素多年变化趋势，正值表示呈增加趋势，负值表示呈减少趋势；b为回归常数，可用最小二乘法进行估算。采用F检验对回归系数a进行显著性检验。

图1 河南省研究分区和相关站点分布Fig. 1 Study district and distribution of relative stations in Henan province

1.3.3 空间插值

反距离加权插值（IDW）是ArcGIS中最常用的空间内插方法之一，常用于站点尺度向区域尺度的转化[31]。本文采用该方法对研究区域各站点数值进行插值，得到各要素空间分布特征和变化趋势。

1.3.4 贡献率

选择小麦-玉米轮作系统RUE变化显著站点，根据1981-2007年小麦生长季产能PGW、玉米生长季产能PGM和小麦-玉米轮作系统产能PG的变化趋势和相应的回归方程，得到斜率分别为k1、k2、k3（截距不为0）。

小麦生长季产能变化和玉米生长季产能变化对小麦-玉米轮作系统产能变化的贡献率CPGW和CPGM分别为

其中，CPGW+CPGM=1，CPGW或CPGM的值越大表示相应作物生长季产能变化对小麦-玉米轮作系统产能变化的贡献越大。

相关性分析表明，小麦-玉米轮作系统作物产能与年总辐射无显著相关性。因此，对式（2）两边同时取对数，得到

在小麦-玉米轮作系统RUE变化显著的站点中，根据每年作物产能、年总辐射及RUE，通过一元线性回归，分别得到轮作系统27a（1981-2007年）ln(PG)、ln(1/RT)和ln(RUE)的变化趋势及相应的一元线性回归方程，其斜率分别为k4、k5、k6（截距不为0）。因此，作物产能变化和年总辐射变化对RUE变化的贡献率CPG和CRT为

其中，CPG+CRT=1，CPG的值越大表示作物产能变化对RUE变化的贡献越大；CRT的值越大表示辐射变化对RUE变化的贡献越大。

2 结果与分析

2.1 小麦-玉米轮作系统光能利用率的时空分布

2.1.1 小麦生长季

河南省小麦生长季为10月-翌年5月。1981-2007年小麦生长季平均总辐射量为2380～2855MJ·m-2，基本呈纬状分布，其中北部和西部最高，东部地区次之，而南部地区最低（图2a）。1981-2007年小麦平均产能为17.5～46.5MJ·m-2，其中北部的汤阴和西部的卢氏最高，东部偏中大部分地区次之，而西北和东部偏南地区最低（图2b）。小麦生长季RUE为0.65%～1.63%，其空间分布特征与小麦产能相似，与辐射分布相关性较小（图2c）。

图2 小麦生长季总辐射（a）、小麦产能（b）和光能利用率（c）的空间分布Fig. 2 Spatial distribution of global radiation(a), wheat production energy(b) and radiation use efficiency(c) during wheat growing season

2.1.2 玉米生长季

河南省玉米生长季为每年6-9月。1981-2007年玉米生长季平均总辐射量为1520～1840MJ·m-2，其中北部和西部地区较高，尤以汤阴和三门峡最高，东部偏中大部分地区次之，东部和南部部分地区最低（图3a）。玉米产能在15.5～32.0MJ·m-2，其中西部的卢氏和汝州最高，北部部分地区次之，西北部分地区及南部的南阳、东部的商丘最低（图3b）。研究区域玉米RUE为0.85%～1.81%，除西部的三门峡RUE在全区最低外，北部和西部大部分地区较高，而西北和东部、南部地区较低（图3c）。与小麦相似，玉米RUE和玉米产能空间分布较为一致。

图3 玉米生长季总辐射（a）、玉米产能（b）和光能利用率（c）的空间分布Fig. 3 Spatial distribution of global radiation(a), maize production energy(b) and radiation use efficiency(c) during maize growing season

2.1.3 小麦-玉米轮作系统

由图4a可见1981-2007年平均总辐射量为4570～5095MJ·m-2。北部、西部和东部偏中部分地区较高，南部和东部部分地区较低。小麦-玉米轮作系统产能为35.5～77.5MJ·m-2，北部的汤阴和西部的卢氏是高值区，西北、东部偏东地区和南部地区较低（图4b）。小麦-玉米轮作系统RUE为0.75%～1.61%，其空间分布与产能较为相似（图4c）。

图4 年总辐射（a）、小麦-玉米轮作系统产能（b）和光能利用率（c）的空间分布Fig. 4 Distribution of annual total global radiation(a), production energy(b) and radiation use efficiency(c) of wheat-maize rotation system

2.2 小麦-玉米轮作系统光能利用率变化趋势的时空分布

2.2.1 小麦生长季

由图5a 可见，1981-2007年，研究区域19个站点中，10个站点小麦生长季辐射呈显著下降趋势（P ＜0.05）。4个站点（泛区、卢氏、汝州、西平）小麦产能呈显著增加趋势，而南阳和沁阳站点显著减少（图5b）。在生长季辐射和小麦产能变化的共同影响下，5个站点（封丘、卢氏、汝州、沈丘、西平）小麦RUE呈显著升高趋势，而沁阳站点下降显著（图5c）。一般地，小麦产能显著增加或降低的区域，RUE也升高或降低显著。南阳站点尽管小麦产能显著降低，但其生长季辐射也显著下降，二者共同作用导致RUE变化不显著。

图5 小麦生长季总辐射（a）、小麦产能（b）和光能利用率（c）变化趋势的空间分布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 玉米生长季

由图6a可见，1981-2007年，研究区域19个站点中，6个站点玉米生长季辐射变化显著，其中除泛区站点显著上升外，其它5个站点（内乡、濮阳、汝州、沈丘、郑州）呈显著下降趋势（P＜0.05）。图6b显示，玉米产能在6个站点（卢氏、南阳、商丘、汤阴、西平、新乡）显著增加。在辐射和产能变化的共同作用下，有5个站点（卢氏、南阳、商丘、汤阴、驻马店）的玉米生育期光能利用率升高显著（图6c）。

图6 玉米生长季总辐射（a）、玉米产能（b）和光能利用率（c）变化趋势的空间分布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 小麦-玉米轮作系统

由图7a可见，1981-2007年，研究区域19个站点中，6个站点（内乡、杞县、汝州、汤阴、新乡、郑州）年总辐射呈显著下降趋势（P＜0.05）。小麦-玉米轮作系统4个站点（卢氏、汝州、西平、新乡）系统产能呈显著增加趋势（图7b），5个站点（卢氏、汝州、西平、新乡、驻马店）RUE升高显著（图7c）。RUE显著升高的站点中，除驻马店外，其余站点系统产能均呈显著增加趋势。驻马店虽然年总辐射下降和系统产能增加均不显著，但二者共同作用使该站点小麦-玉米轮作系统RUE呈显著升高趋势。

图7 年总辐射（a）、小麦-玉米轮作系统产能（b）和光能利用率（c）变化趋势的空间分布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 小麦-玉米轮作系统光能利用率变化的原因分析

2.3.1 单种作物产能变化对轮作系统产能变化的贡献利用小麦-玉米轮作系统RUE变化比较显著的5个站点资料，计算1981-2007年各站点小麦和玉米产能变化对轮作系统产能变化的贡献率，结果见表1。由表中可见，卢氏和汝州站点小麦产能变化对系统产能变化的贡献率（65%和90%）均大于玉米（35%和10%），而西平、新乡和驻马店玉米产能变化对系统产能变化的贡献率（51%、72%和65%）均大于小麦（49%、28%和35%）。反映了河南省不同地区小麦和玉米对轮作系统RUE的影响程度不同。

表1 小麦和玉米产能变化对小麦-玉米轮作系统产能变化的贡献率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 年总辐射和轮作系统产能变化对RUE变化的贡献

利用小麦-玉米轮作系统RUE变化比较显著的5个站点资料计算1981-2007年各站点年总辐射和轮作系统产能变化对RUE变化的影响程度，结果见表2。由表中可见，除卢氏站点因年总辐射上升对系统RUE升高呈负贡献外，其余站点年总辐射下降和作物产能增加均对系统RUE升高呈正贡献，且总辐射下降的贡献率为4%～31%，作物产能增加的贡献率达69%～96%。

表2 年总辐射和轮作系统产能变化对小麦-玉米轮作系统RUE变化的贡献率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 结论与讨论

3.1 结论

1981-2007年，河南省小麦-玉米轮作系统RUE 为0.75%～1.61%，北部的汤阴和西部的卢氏是高值区，而西北、东部偏东和南部地区较低。1981-2007年，河南省小麦生长季、玉米生长季及轮作系统RUE与产能具有相似的时空分布特征。表现在贡献率上，除卢氏站点因年总辐射升高对光能利用率变化呈负贡献外，其余站点总辐射下降对轮作系统光能利用率变化的贡献率为4%～31%，作物产能增加的贡献率达69%～96%，表明作物产能变化对RUE变化的影响较大。河南省不同地区小麦和玉米两种作物产能变化对轮作系统产能变化的影响程度也不相同，未来在河南省不同地区应侧重提高不同作物产能以获得较高的光能利用率。

3.2 讨论

群体光能利用率通常基于两种水平，一种是基于作物干物重与冠层截获辐射的比值计算，另外一种基于作物产能与入射太阳辐射的比值计算。前者表示作物将截获的辐射转化为干物质的能力，是转化效率的概念。后者表示作物对投射到地球表面的太阳总辐射的利用效率，强调下垫面作物和土地对光能资源的利用强度，可使不同作物及轮作系统之间更具可比性。本文从小麦-玉米轮作系统出发，研究轮作系统对光能资源利用效率的变化，可以体现华北平原小麦-玉米一年两熟制在区域尺度上对光能资源利用强度的变化。

不同地区植被的RUE不同，如祁连山海北高寒植物生育期间的RUEPAR为0.58%[32]，北京、河北、天津、山西和内蒙古地区平均为0.57%、0.52%、0.47%、0.39%和0.26%[20]，这与不同地区的光照、热量、水分等条件、不同植被类型本身的光合特性及单位干物质所含的能量、植被覆盖度等多种因素有关。刘勇洪等[20]对华北地区不同植被光合有效辐射利用率的研究表明，RUEPAR在0～1.13%，最大可达2.83%，杨松等[33]研究表明，全幅播种方式下春小麦的RUEPAR可达2.94%，本研究计算得到河南省小麦-玉米轮作系统的RUERT为0.75%～1.61%，转化为RUEPAR为1.50%～3.22%，略高于华北平原植被RUEPAR最大值，这与小麦-玉米轮作系统相对其它植被类型或单作种植制度下光能利用强度更高有关。由河南省小麦-玉米轮作系统RUE的时空分布特征可知，全区73.7%的站点RUE没有显著变化，反映了该区小麦-玉米轮作系统对光能利用程度并未显著增强。而1981-2007年RUE显著升高的站点主要是系统作物产能增加的贡献，且在不同地区小麦和玉米产能变化对系统产能变化的贡献不同。因此，在不同地区应着重提高不同作物单位面积产能以提高RUE。高产农田的RUERT为1%～2%，而一般低产农田的RUERT为0.5%[20]。河南省小麦-玉米轮作系统的RUERT较高，并且空间分布具有差异性，北部和西部地区光能资源利用强度较高，而西北、南部和东部地区较低，与该地区未充分利用热量资源有关。豫西和豫北地区尽管热量资源较豫东和豫南少，但常采用小麦和玉米套种方式来利用热量资源，因此对光能资源的利用强度较高。

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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**通讯作者。E-mail：wangj@cau.edu.cn

基金项目：公益性行业（气象）科研专项（GYHY201506016)；国家自然科学基金项目（41101046）；全国涉农引智平台项目（2015Z007）

作者简介：常清（1990-），女，硕士生，研究方向为农业气候资源利用。E-mail：changqing707448911@163.com