河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)光能利用率時(shí)空分布及其變化原因分析**

常 清，王 靖，余衛(wèi)東，王 娜，談美秀

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.中國氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南省氣象科學(xué)研究所，鄭州 450003；3.山西省氣象服務(wù)中心，太原 030002）

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河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)光能利用率時(shí)空分布及其變化原因分析**

常 清1,3，王 靖1**，余衛(wèi)東2，王 娜1，談美秀1

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.中國氣象局河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南省氣象科學(xué)研究所，鄭州 450003；3.山西省氣象服務(wù)中心，太原 030002）

摘要：利用河南省19個(gè)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站的氣象和小麥、玉米觀測資料，計(jì)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(tǒng)的作物產(chǎn)能及光能利用率（Radiation Use Efficiency, RUE），分析總輻射和作物產(chǎn)能變化對(duì)RUE變化的貢獻(xiàn)、小麥和玉米產(chǎn)能變化分別對(duì)輪作系統(tǒng)產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE為0.75%～1.61%，北部的湯陰和西部的盧氏是高值區(qū)，西北、東部偏東和南部地區(qū)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(qū)次之，而西北和東部部分地區(qū)最低，玉米生長季RUE為0.85%～1.81%，除西部的三門峽RUE在全區(qū)最低外，北部和西部大部分地區(qū)較高，而西北和東部、南部地區(qū)較低。1981-2007年，盧氏、汝州、西平、新鄉(xiāng)和駐馬店5個(gè)站點(diǎn)小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE呈顯著升高趨勢(shì)（P＜0.05）。在輪作系統(tǒng)RUE變化顯著的站點(diǎn)中，除盧氏站點(diǎn)因年總輻射升高對(duì)RUE變化呈負(fù)貢獻(xiàn)外，其余站點(diǎn)的貢獻(xiàn)率為4%～31%，系統(tǒng)作物產(chǎn)能變化對(duì)RUE變化的貢獻(xiàn)率為69%～96%。盧氏和汝州站點(diǎn)小麥產(chǎn)能變化對(duì)系統(tǒng)作物產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)率（65%和90%）大于玉米（35%和10%），而西平、新鄉(xiāng)和駐馬店站點(diǎn)小麥產(chǎn)能變化對(duì)系統(tǒng)作物產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)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(chǎn)能仍是提高區(qū)域RUE的有效方法，且不同地區(qū)應(yīng)著重提高不同作物的產(chǎn)能。

關(guān)鍵詞：作物生長季；總輻射；作物產(chǎn)能；貢獻(xiàn)率；資源利用效率

常清,王靖,余衛(wèi)東,等.河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)光能利用率時(shí)空分布及其變化原因分析[J].中國農(nóng)業(yè)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(qū)[1]，其小麥、玉米種植面積和總產(chǎn)分別約占全國的1/4[2]和1/10[3]，小麥、玉米產(chǎn)量關(guān)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(chǎn)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(biāo)[5]，其高低反映下墊面對(duì)光能資源的利用強(qiáng)度。因此，研究河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)的RUE時(shí)空分布及其變化原因?qū)Ψ治鰠^(qū)域資源利用效率的差異及產(chǎn)量提升潛力具有重要意義。自20世紀(jì)70年代Monteith在研究熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的太陽輻射和生產(chǎn)力關(guān)系時(shí)引入光能利用率的概念后[6]，其內(nèi)涵和外延不斷被豐富和完善[7-10]。根據(jù)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(jì)算作物的最大RUE和最大生產(chǎn)力[11]，有助于了解和認(rèn)識(shí)作物所能達(dá)到的理論生產(chǎn)水平；群體水平用于估算區(qū)域作物在某一時(shí)間段或全生育期的RUE，對(duì)研究作物生產(chǎn)力及資源利用效率具有重要意義[12]。早期RUE的計(jì)算大都采用生物量調(diào)查法[13-15]，由作物干物質(zhì)或產(chǎn)量與輻射相比得到的RUE單位用g·MJ-1表示，由作物產(chǎn)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(guān)技術(shù)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(jì)RUE成為可能[5]；基于衛(wèi)星遙感參數(shù)化的光能利用率模型反演RUE在國內(nèi)已進(jìn)行了廣泛的應(yīng)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(dá)4.8g·MJ-1，在無環(huán)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(chǎn)農(nóng)田的年總輻射利用率RUERT為1%～2%，而一般低產(chǎn)農(nóng)田的RUERT為0.5%。

當(dāng)前研究多數(shù)是基于試驗(yàn)和遙感數(shù)據(jù)估算的短時(shí)間內(nèi)RUE變化，較少分析長時(shí)間內(nèi)小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE的時(shí)空變化及其原因。本文對(duì)河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)1981-2007年作物RUE的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究，并從輻射和作物產(chǎn)能角度分析其變化原因，以期為進(jìn)一步提高河南省不同地區(qū)小麥-玉米光能利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(shì)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(qū)屬大陸性季風(fēng)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(shí)數(shù)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(shù)據(jù)來源

將河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)種植區(qū)根據(jù)地理位置劃分為北部、西部、東部和南部[25]，并選取19個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)進(jìn)行研究（圖1），研究站點(diǎn)1981-2007年的逐日日照時(shí)數(shù)（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(shù)據(jù)集?？傒椛渲担∕J·m-2）由日照時(shí)數(shù)根據(jù)埃斯屈朗方程估算得到，有文獻(xiàn)指出，輻射估算值在華北平原準(zhǔn)確率可達(dá)到87%～92%[26]，因此，該方法可用于估算河南省19個(gè)站點(diǎn)的輻射值。作物資料來源于河南省農(nóng)業(yè)氣象觀測站，包括小麥和玉米的發(fā)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(zhì)（g·m-2）由莖稈重和籽粒重相加得到。由于收獲時(shí)地下部分干物質(zhì)占總干物質(zhì)的比例很小，因此作物產(chǎn)能（PG）僅根據(jù)單位面積地上部分干物質(zhì)（DM）進(jìn)行計(jì)算，即

式中，q為作物干物質(zhì)向熱能的轉(zhuǎn)換系數(shù)，其中小麥籽粒能量轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.0178MJ·g-1，莖葉能量轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.0146MJ·g-1[27-28]，玉米1g干物質(zhì)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(tǒng)的作物產(chǎn)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(shì)和顯著性檢驗(yàn)

某要素的變化趨勢(shì)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(duì)應(yīng)的年序，建立一元線性回歸方程[30]。

式中，a為回歸系數(shù)，表示要素多年變化趨勢(shì)，正值表示呈增加趨勢(shì)，負(fù)值表示呈減少趨勢(shì)；b為回歸常數(shù)，可用最小二乘法進(jìn)行估算。采用F檢驗(yàn)對(duì)回歸系數(shù)a進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

圖1 河南省研究分區(qū)和相關(guān)站點(diǎn)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(quán)插值（IDW）是ArcGIS中最常用的空間內(nèi)插方法之一，常用于站點(diǎn)尺度向區(qū)域尺度的轉(zhuǎn)化[31]。本文采用該方法對(duì)研究區(qū)域各站點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行插值，得到各要素空間分布特征和變化趨勢(shì)。

1.3.4 貢獻(xiàn)率

選擇小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE變化顯著站點(diǎn)，根據(jù)1981-2007年小麥生長季產(chǎn)能PGW、玉米生長季產(chǎn)能PGM和小麥-玉米輪作系統(tǒng)產(chǎn)能PG的變化趨勢(shì)和相應(yīng)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(chǎn)能變化和玉米生長季產(chǎn)能變化對(duì)小麥-玉米輪作系統(tǒng)產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)率CPGW和CPGM分別為

其中，CPGW+CPGM=1，CPGW或CPGM的值越大表示相應(yīng)作物生長季產(chǎn)能變化對(duì)小麥-玉米輪作系統(tǒng)產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)越大。

相關(guān)性分析表明，小麥-玉米輪作系統(tǒng)作物產(chǎn)能與年總輻射無顯著相關(guān)性。因此，對(duì)式（2）兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得到

在小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE變化顯著的站點(diǎn)中，根據(jù)每年作物產(chǎn)能、年總輻射及RUE，通過一元線性回歸，分別得到輪作系統(tǒng)27a（1981-2007年）ln(PG)、ln(1/RT)和ln(RUE)的變化趨勢(shì)及相應(yīng)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(chǎn)能變化和年總輻射變化對(duì)RUE變化的貢獻(xiàn)率CPG和CRT為

其中，CPG+CRT=1，CPG的值越大表示作物產(chǎn)能變化對(duì)RUE變化的貢獻(xiàn)越大；CRT的值越大表示輻射變化對(duì)RUE變化的貢獻(xiàn)越大。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥-玉米輪作系統(tǒng)光能利用率的時(shí)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(qū)次之，而南部地區(qū)最低（圖2a）。1981-2007年小麥平均產(chǎn)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(qū)次之，而西北和東部偏南地區(qū)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(chǎn)能相似，與輻射分布相關(guān)性較?。▓D2c）。

圖2 小麥生長季總輻射（a）、小麥產(chǎn)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(qū)較高，尤以湯陰和三門峽最高，東部偏中大部分地區(qū)次之，東部和南部部分地區(qū)最低（圖3a）。玉米產(chǎn)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(qū)次之，西北部分地區(qū)及南部的南陽、東部的商丘最低（圖3b）。研究區(qū)域玉米R(shí)UE為0.85%～1.81%，除西部的三門峽RUE在全區(qū)最低外，北部和西部大部分地區(qū)較高，而西北和東部、南部地區(qū)較低（圖3c）。與小麥相似，玉米R(shí)UE和玉米產(chǎn)能空間分布較為一致。

圖3 玉米生長季總輻射（a）、玉米產(chǎn)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(tǒng)

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(qū)較高，南部和東部部分地區(qū)較低。小麥-玉米輪作系統(tǒng)產(chǎn)能為35.5～77.5MJ·m-2，北部的湯陰和西部的盧氏是高值區(qū)，西北、東部偏東地區(qū)和南部地區(qū)較低（圖4b）。小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE為0.75%～1.61%，其空間分布與產(chǎn)能較為相似（圖4c）。

圖4 年總輻射（a）、小麥-玉米輪作系統(tǒng)產(chǎn)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(tǒng)光能利用率變化趨勢(shì)的時(shí)空分布

2.2.1 小麥生長季

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

圖5 小麥生長季總輻射（a）、小麥產(chǎn)能（b）和光能利用率（c）變化趨勢(shì)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(qū)域19個(gè)站點(diǎn)中，6個(gè)站點(diǎn)玉米生長季輻射變化顯著，其中除泛區(qū)站點(diǎn)顯著上升外，其它5個(gè)站點(diǎn)（內(nèi)鄉(xiāng)、濮陽、汝州、沈丘、鄭州）呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05）。圖6b顯示，玉米產(chǎn)能在6個(gè)站點(diǎn)（盧氏、南陽、商丘、湯陰、西平、新鄉(xiāng)）顯著增加。在輻射和產(chǎn)能變化的共同作用下，有5個(gè)站點(diǎn)（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(chǎn)能（b）和光能利用率（c）變化趨勢(shì)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(tǒng)

由圖7a可見，1981-2007年，研究區(qū)域19個(gè)站點(diǎn)中，6個(gè)站點(diǎn)（內(nèi)鄉(xiāng)、杞縣、汝州、湯陰、新鄉(xiāng)、鄭州）年總輻射呈顯著下降趨勢(shì)（P＜0.05）。小麥-玉米輪作系統(tǒng)4個(gè)站點(diǎn)（盧氏、汝州、西平、新鄉(xiāng)）系統(tǒng)產(chǎn)能呈顯著增加趨勢(shì)（圖7b），5個(gè)站點(diǎn)（盧氏、汝州、西平、新鄉(xiāng)、駐馬店）RUE升高顯著（圖7c）。RUE顯著升高的站點(diǎn)中，除駐馬店外，其余站點(diǎn)系統(tǒng)產(chǎn)能均呈顯著增加趨勢(shì)。駐馬店雖然年總輻射下降和系統(tǒng)產(chǎn)能增加均不顯著，但二者共同作用使該站點(diǎn)小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE呈顯著升高趨勢(shì)。

圖7 年總輻射（a）、小麥-玉米輪作系統(tǒng)產(chǎn)能（b）和光能利用率（c）變化趨勢(shì)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(tǒng)光能利用率變化的原因分析

2.3.1 單種作物產(chǎn)能變化對(duì)輪作系統(tǒng)產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)利用小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE變化比較顯著的5個(gè)站點(diǎn)資料，計(jì)算1981-2007年各站點(diǎn)小麥和玉米產(chǎn)能變化對(duì)輪作系統(tǒng)產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)率，結(jié)果見表1。由表中可見，盧氏和汝州站點(diǎn)小麥產(chǎn)能變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)率（65%和90%）均大于玉米（35%和10%），而西平、新鄉(xiāng)和駐馬店玉米產(chǎn)能變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)率（51%、72%和65%）均大于小麥（49%、28%和35%）。反映了河南省不同地區(qū)小麥和玉米對(duì)輪作系統(tǒng)RUE的影響程度不同。

表1 小麥和玉米產(chǎn)能變化對(duì)小麥-玉米輪作系統(tǒng)產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)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(tǒng)產(chǎn)能變化對(duì)RUE變化的貢獻(xiàn)

利用小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE變化比較顯著的5個(gè)站點(diǎn)資料計(jì)算1981-2007年各站點(diǎn)年總輻射和輪作系統(tǒng)產(chǎn)能變化對(duì)RUE變化的影響程度，結(jié)果見表2。由表中可見，除盧氏站點(diǎn)因年總輻射上升對(duì)系統(tǒng)RUE升高呈負(fù)貢獻(xiàn)外，其余站點(diǎn)年總輻射下降和作物產(chǎn)能增加均對(duì)系統(tǒng)RUE升高呈正貢獻(xiàn)，且總輻射下降的貢獻(xiàn)率為4%～31%，作物產(chǎn)能增加的貢獻(xiàn)率達(dá)69%～96%。

表2 年總輻射和輪作系統(tǒng)產(chǎn)能變化對(duì)小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE變化的貢獻(xiàn)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(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1981-2007年，河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE 為0.75%～1.61%，北部的湯陰和西部的盧氏是高值區(qū)，而西北、東部偏東和南部地區(qū)較低。1981-2007年，河南省小麥生長季、玉米生長季及輪作系統(tǒng)RUE與產(chǎn)能具有相似的時(shí)空分布特征。表現(xiàn)在貢獻(xiàn)率上，除盧氏站點(diǎn)因年總輻射升高對(duì)光能利用率變化呈負(fù)貢獻(xiàn)外，其余站點(diǎn)總輻射下降對(duì)輪作系統(tǒng)光能利用率變化的貢獻(xiàn)率為4%～31%，作物產(chǎn)能增加的貢獻(xiàn)率達(dá)69%～96%，表明作物產(chǎn)能變化對(duì)RUE變化的影響較大。河南省不同地區(qū)小麥和玉米兩種作物產(chǎn)能變化對(duì)輪作系統(tǒng)產(chǎn)能變化的影響程度也不相同，未來在河南省不同地區(qū)應(yīng)側(cè)重提高不同作物產(chǎn)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(jì)算，另外一種基于作物產(chǎn)能與入射太陽輻射的比值計(jì)算。前者表示作物將截獲的輻射轉(zhuǎn)化為干物質(zhì)的能力，是轉(zhuǎn)化效率的概念。后者表示作物對(duì)投射到地球表面的太陽總輻射的利用效率，強(qiáng)調(diào)下墊面作物和土地對(duì)光能資源的利用強(qiáng)度，可使不同作物及輪作系統(tǒng)之間更具可比性。本文從小麥-玉米輪作系統(tǒng)出發(fā)，研究輪作系統(tǒng)對(duì)光能資源利用效率的變化，可以體現(xiàn)華北平原小麥-玉米一年兩熟制在區(qū)域尺度上對(duì)光能資源利用強(qiáng)度的變化。

不同地區(qū)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(nèi)蒙古地區(qū)平均為0.57%、0.52%、0.47%、0.39%和0.26%[20]，這與不同地區(qū)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(zhì)所含的能量、植被覆蓋度等多種因素有關(guān)。劉勇洪等[20]對(duì)華北地區(qū)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(dá)2.83%，楊松等[33]研究表明，全幅播種方式下春小麥的RUEPAR可達(dá)2.94%，本研究計(jì)算得到河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)的RUERT為0.75%～1.61%，轉(zhuǎn)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(tǒng)相對(duì)其它植被類型或單作種植制度下光能利用強(qiáng)度更高有關(guān)。由河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)RUE的時(shí)空分布特征可知，全區(qū)73.7%的站點(diǎn)RUE沒有顯著變化，反映了該區(qū)小麥-玉米輪作系統(tǒng)對(duì)光能利用程度并未顯著增強(qiáng)。而1981-2007年RUE顯著升高的站點(diǎn)主要是系統(tǒng)作物產(chǎn)能增加的貢獻(xiàn)，且在不同地區(qū)小麥和玉米產(chǎn)能變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)能變化的貢獻(xiàn)不同。因此，在不同地區(qū)應(yīng)著重提高不同作物單位面積產(chǎn)能以提高RUE。高產(chǎn)農(nóng)田的RUERT為1%～2%，而一般低產(chǎn)農(nóng)田的RUERT為0.5%[20]。河南省小麥-玉米輪作系統(tǒng)的RUERT較高，并且空間分布具有差異性，北部和西部地區(qū)光能資源利用強(qiáng)度較高，而西北、南部和東部地區(qū)較低，與該地區(qū)未充分利用熱量資源有關(guān)。豫西和豫北地區(qū)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(duì)光能資源的利用強(qiáng)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(xiàng)目：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)（GYHY201506016)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41101046）；全國涉農(nóng)引智平臺(tái)項(xiàng)目（2015Z007）

作者簡介：常清（1990-），女，碩士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣候資源利用。E-mail：changqing707448911@163.com