徐延紅，李樹(shù)巖

(1.中國(guó)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 鄭州 450003；2. 洛陽(yáng)市氣象局，河南 洛陽(yáng) 471000；3.河南省氣象科學(xué)研究所，河南 鄭州 450003)

氣候資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要環(huán)境條件，特別是光、熱、水等重要的農(nóng)業(yè)氣候資源，直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1-2]。如何科學(xué)有效地利用農(nóng)業(yè)氣候資源，按照各類(lèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)所需，實(shí)現(xiàn)光、熱、水等氣候因子的最佳組合，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)氣候資源的可持續(xù)利用，是農(nóng)業(yè)氣候資源研究的最終目標(biāo)[3]。多年來(lái)，針對(duì)作物對(duì)氣候資源的利用進(jìn)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(nóng)業(yè)氣候資源的利用效率及程度評(píng)價(jià)的方法和模式[4-13]，為開(kāi)展河南地區(qū)氣候資源利用效率評(píng)估提供了技術(shù)支撐。李夏子[5]，王曉煜[6]等從產(chǎn)量潛力損失率的角度分析作物對(duì)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(duì)一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)氣候資源配置和利用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。崔讀昌[9]，高濤[10]，辛吉武[11]，錢(qián)錦霞[12]，宋夢(mèng)美[13]，李淑婭[14]等利用作物干物質(zhì)或產(chǎn)量與光熱水資源的比值，定量評(píng)價(jià)氣候資源利用情況，該方法能夠直觀反映氣候資源對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，對(duì)合理評(píng)價(jià)生態(tài)氣候資源具有重要意義。然而，當(dāng)前研究多數(shù)是分析單一氣象要素利用率，較少分析作物對(duì)不同氣候資源綜合利用率的時(shí)空分布。

河南省地處黃淮海平原腹地，光熱資源豐富，是中國(guó)主要的小麥-玉米輪作種植區(qū)。其小麥播種面積約占全國(guó)小麥面積的25%，總產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)的24%左右，每年向市場(chǎng)提供的商品小麥占全國(guó)的25%～30%，均居全國(guó)第一[15]。玉米作為河南省的第二大作物，面積和總產(chǎn)量約占全國(guó)的10%[16]。小麥、玉米產(chǎn)量關(guān)系到國(guó)家糧食安全和人民溫飽問(wèn)題[17]。河南省地形復(fù)雜，橫跨第二、三級(jí)地貌臺(tái)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(shù)等方面的限制，使得該區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展不平衡，糧食作物氣候資源利用率區(qū)域間分布不均，蘊(yùn)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(shì)，降水量年際間波動(dòng)增大，時(shí)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加[19-20]，氣候變化對(duì)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(guò)對(duì)河南省農(nóng)業(yè)氣候資源利用效率的綜合分析，研究其時(shí)空分布的變化特征是指導(dǎo)糧食生產(chǎn)和發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟(jì)的需要。本研究選用河南省29個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站1981—2016年氣象數(shù)據(jù)和冬小麥、夏玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)，分析冬小麥、夏玉米生育期內(nèi)氣候資源變化特征，研究糧食生產(chǎn)的光能、熱量和降水資源利用效率的現(xiàn)狀和變化規(guī)律，對(duì)于提高農(nóng)業(yè)氣候資源利用效率和糧食產(chǎn)量以及適應(yīng)未來(lái)氣候變化具有重要指導(dǎo)意義。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于河南省29個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)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(shí)數(shù)、降水量，輻射資料由日照時(shí)數(shù)估算得到[21]。作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于河南省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)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(lái)自光合作用，籽粒產(chǎn)量主要取決于光能利用率的高低，即光合產(chǎn)物中貯存的能量占有效輻射能或占太陽(yáng)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(chǎn)量(kg·hm-2)， ∑Q為作物生長(zhǎng)季內(nèi)的太陽(yáng)總輻射(MJ·hm-2)，本研究中小麥生長(zhǎng)季為10月—翌年5月，玉米生長(zhǎng)季為6—9月。

1.2.2 熱量利用效率 (Heat Utilization Efficiency，HUE) 農(nóng)業(yè)氣象學(xué)的熱量條件以積溫表示，≥0℃積溫表示全年生長(zhǎng)期的熱量條件，≥10℃的積溫表示喜溫作物生長(zhǎng)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(zhǎng)季積溫(℃·d)。小麥生長(zhǎng)季∑T為≥0℃的積溫，玉米生長(zhǎng)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(duì)糧食產(chǎn)量形成的貢獻(xiàn)，即每生產(chǎn) 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(yán)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(zhǎng)季內(nèi)總降水量(mm)。

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

(1)各因子對(duì)氣候資源利用效率的貢獻(xiàn)率

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，得到

(4)

根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)站點(diǎn)每年作物產(chǎn)量、太陽(yáng)輻射以及光能利用效率，通過(guò)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(shì)及相應(yīng)的一次線性回歸方程，其斜率分別為k1、k2、k3。輻射變化對(duì)光能利用效率變化的貢獻(xiàn)率為[22]

(5)

(6)

式中，i為站點(diǎn)序號(hào)，n為研究區(qū)域內(nèi)總站點(diǎn)數(shù)，CQLi表示某站點(diǎn)輻射變化對(duì)LUE變化的貢獻(xiàn)率，CQL為研究區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)輻射變化對(duì)LUE變化的平均貢獻(xiàn)率，CQL值越大表示輻射變化對(duì)LUE變化的貢獻(xiàn)越大。

同樣，對(duì)式(2)、(3)取對(duì)數(shù)，用上述方法統(tǒng)計(jì)積溫、降水量變化對(duì)HUE、PUE變化的貢獻(xiàn)，用CTH、CRP分別表示積溫變化對(duì)HUE變化的平均貢獻(xiàn)率、降水量變化對(duì)PUE變化的平均貢獻(xiàn)率。

(2)氣候資源利用效率綜合指數(shù)

對(duì)光能、熱量和降水量利用效率的綜合評(píng)價(jià)采用綜合利用效率指數(shù)。首先對(duì)LUE、HUE和PUE作離差標(biāo)準(zhǔn)化處理，使原始值映射到[0～1]之間，記為L(zhǎng)UE*、HUE*、PUE*，具體計(jì)算公式如下式(7)

(7)

式中，Zi為某要素的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)農(nóng)業(yè)氣候資源的綜合利用效率指數(shù)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(quán)重系數(shù)，根據(jù)光、熱、水資源變化對(duì)氣候資源利用效率的貢獻(xiàn)率來(lái)確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候資源變化特征

2.1.1 太陽(yáng)總輻射 如圖1所示，除盧氏站點(diǎn)外，近36 a全省太陽(yáng)總輻射均呈不同程度的減少趨勢(shì)，小麥生長(zhǎng)季平均每10 a減少56 MJ·m-2，玉米生長(zhǎng)季平均每10 a減少62 MJ·m-2，豫東、豫北地區(qū)受人類(lèi)活動(dòng)影響，大氣能見(jiàn)度降低，輻射資源下降較快；豫西地區(qū)多山區(qū)，所受影響相對(duì)較少，輻射資源下降較慢。

空間分布來(lái)看，豫北地區(qū)雨日數(shù)相對(duì)較少，大氣透明度高，輻射較強(qiáng)，小麥生長(zhǎng)季輻射在3 175～3 215 MJ·m-2，玉米生長(zhǎng)季大部分地區(qū)輻射在2 250 MJ·m-2以上。豫南、豫東地區(qū)陰雨日數(shù)較多，大氣透明度降低，太陽(yáng)輻射較少，小麥生長(zhǎng)季輻射為3 115 ～3 155 MJ·m-2，玉米生長(zhǎng)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(zhǎng)季輻射資源多在3 055～3 095 MJ·m-2，玉米生長(zhǎng)季輻射資源多在2 200～2 230 MJ·m-2，其中內(nèi)鄉(xiāng)站點(diǎn)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(zhǎng)季的熱量條件呈不同程度的上升趨勢(shì)(圖2)。小麥生長(zhǎng)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(yáng)地區(qū)增幅較大，增速在100 ℃·d·10a-1以上。玉米生長(zhǎng)季，≥10℃的積溫增加速率集中在7～47 ℃·d·10a-1，伊川、鄭州站點(diǎn)增加幅度最為明顯，氣候傾向率達(dá)87 ℃·d·10a-1。

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

2.1.3 降水量 如圖3所示，小麥生長(zhǎng)季降水量變化氣候傾向率為-1 mm·10a-1，玉米生長(zhǎng)季降水量變化氣候傾向率為-3 mm·10a-1，均未通過(guò)0.05的信度檢驗(yàn)(P>0.05)。降水量變化趨勢(shì)空間分布不一致，小麥生長(zhǎng)季，豫北、豫中以及信陽(yáng)地區(qū)降水量呈減少趨勢(shì)，東部的商丘、周口、南部的駐馬店、南陽(yáng)東部降水量增加明顯，氣候傾向率為6～15 mm·10a-1。玉米生長(zhǎng)季，豫西、豫東南降水量呈減少趨勢(shì)，豫北、豫東降水量有所增加，其中伊川、三門(mén)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(qū)域，新鄉(xiāng)、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(qū)。

圖1 小麥、玉米生長(zhǎng)季太陽(yáng)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(zhǎng)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(zhǎng)季降水量的分布Fig.3 Distribution of precipitation during wheat and maize growing seasons

受季風(fēng)氣候影響，加之地理?xiàng)l件復(fù)雜，河南省降水量水平及垂直差異顯著。小麥生長(zhǎng)季降水總量在150～440 mm，由北向南明顯遞增，開(kāi)封-鄭州-洛陽(yáng)-三門(mén)峽連線以北降水量在230 mm以下，最大降水中心位于信陽(yáng)，降水量達(dá)440 mm。玉米生長(zhǎng)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(qū)，豫南地區(qū)降水量較充沛，達(dá)520 mm以上。

2.2 氣候資源利用效率的時(shí)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(zhǎng)季，在輻射和產(chǎn)量變化的共同作用下，除三門(mén)峽外，其他28個(gè)站點(diǎn)小麥LUE呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05)。焦作-許昌-駐馬店連線以東地區(qū)，LUE增幅較大，氣候傾向率在0.35～0.65 kg·MJ-1·10a-1。玉米生長(zhǎng)季，除三門(mén)峽站點(diǎn)LUE不顯著增加外，其余站點(diǎn)LUE均呈顯著增加趨勢(shì)(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(dá)到2.27 kg·MJ-1，超過(guò)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(qū)域間差異也較大，表現(xiàn)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(dá)1.77 kg·MJ-1以上，玉米達(dá)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(guò)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(nèi)，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(zhǎng)季，除三門(mén)峽、鞏義、鄭州、林州外，其余站點(diǎn)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(zhǎng)季，除盧氏站點(diǎn)外，其余站點(diǎn)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(xiàn)規(guī)律性的變化(圖5)。小麥生長(zhǎng)季，熱量利用效率在1.30～2.50 kg·℃-1·d-1·hm-2，呈現(xiàn)北高南低、東高西低的特點(diǎn)?；春右阅想m熱量豐富，但小麥產(chǎn)量不高，熱量資源利用效率低，信陽(yáng)HUE為1.30 kg·℃-1·d-1·hm-2。旱區(qū)由于缺水，熱量資源利用效率低于灌區(qū)。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(kāi)封、周口，以及豫東北濮陽(yáng)、安陽(yáng)、新鄉(xiāng)HUE較高，達(dá)2.3 kg·℃-1·d-1·hm-2。玉米生長(zhǎng)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(dá)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?yàn)樗窒拗疲瑹崃抠Y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(qū)HUE為全省最低，數(shù)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(zhǎng)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(diǎn)增加趨勢(shì)顯著，其中封丘、濮陽(yáng)站點(diǎn)變化最為明顯，PUE增速達(dá)7.5 kg·mm-1·hm-2·10a-1。玉米生長(zhǎng)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(diǎn)雖產(chǎn)量顯著增加，但降水量變化不顯著，兩者作用導(dǎo)致PUE變化不顯著，其余站點(diǎn)均顯著增加(P<0.05)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，河南省小麥、玉米平均降水量利用效率分別高達(dá)20.6、11.8 kg·mm-1·hm-2，均高于全國(guó)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(guān)，表現(xiàn)為由北部向南部逐漸減小的趨勢(shì)?；春右阅辖邓控S富，相對(duì)小麥需水量而言，為水分盈余區(qū)。由于陰雨多、光照不足等小麥生產(chǎn)限制因子，該區(qū)小麥PUE在8 kg·mm-1·hm-2以下，為降水量利用效率最低的區(qū)域。豫西南淺山丘陵地區(qū)，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(qū)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(rùn)易旱氣候區(qū)，水分虧缺量大，但由于灌溉條件較好，氣候資源協(xié)同作用，降水量利用效率較高，小麥PUE超過(guò)33 kg·mm-1·hm-2，玉米達(dá)14.5 kg·mm-1·hm-2。

2.3 氣候資源利用效率綜合指數(shù)及評(píng)估

2.3.1 氣候資源利用效率的貢獻(xiàn)率 計(jì)算1981—2016年各氣象因子變化對(duì)氣候資源利用效率變化的影響程度，結(jié)果見(jiàn)表1。由表中可見(jiàn)，小麥季研究區(qū)域內(nèi)總輻射變化對(duì)光能利用效率升高的平均貢獻(xiàn)率CQL為10%，玉米季輻射變化的貢獻(xiàn)率CQL為15%。小麥季溫度變化對(duì)熱量利用效率的貢獻(xiàn)率CTH為30%，玉米CTH為6%，溫度變化對(duì)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(zhǎng)的積溫需求比小麥高得多，熱量增加對(duì)玉米生產(chǎn)的影響相對(duì)小麥較小。小麥季降水量變化對(duì)降水量利用效率的貢獻(xiàn)率CRP為20%，低于玉米生長(zhǎng)季CRP(30%)。不同氣象要素變化對(duì)相應(yīng)資源利用率變化的影響程度不同，溫度變化對(duì)小麥HUE增加的貢獻(xiàn)率最大，降水次之，輻射最??；玉米季貢獻(xiàn)率依次為降水>輻射>積溫。貢獻(xiàn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣候要素變化的敏感性相關(guān)，如玉米生長(zhǎng)季豫西、豫北北部干旱地區(qū)對(duì)水資源的變化更為敏感，表現(xiàn)為該地區(qū)降水量變化的貢獻(xiàn)率高于光、熱要素；小麥生長(zhǎng)季豫北地區(qū)溫度變化的貢獻(xiàn)率又高于光 、水資源的貢獻(xiàn)率。

表1 光、溫、水因子對(duì)氣候資源利用效率變化的貢獻(xiàn)率

圖4 小麥、玉米生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shù) 根據(jù)各氣象因子的貢獻(xiàn)率及小麥、玉米季的氣候資源利用效率，計(jì)算氣候資源利用效率綜合指數(shù)，如圖7所示，小麥生長(zhǎng)季的氣候資源利用效率綜合指數(shù)呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為0～0.15·10a-1，除三門(mén)峽、鞏義、鄭州、林州外，其余站點(diǎn)均通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，60%站點(diǎn)利用效率綜合指數(shù)CUE*變化集中在0.05～0.10·10a-1。玉米生長(zhǎng)季，研究區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)CUE*均呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05)，氣候傾向率為0.03～0.09·10a-1，其中開(kāi)封、汝州、襄城、伊川、周口、永城站點(diǎn)增加趨勢(shì)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(duì)光、溫、水氣候資源的利用效率綜合指數(shù)分布在0.24～0.50，呈西南向東北遞增的趨勢(shì)，濮陽(yáng)、安陽(yáng)東部、鶴壁、新鄉(xiāng)綜合利用效率較高，為0.50。三門(mén)峽、洛陽(yáng)、南陽(yáng)、信陽(yáng)綜合利用效率較低，為0.24～0.31。中部地區(qū)CUE*集中在0.35～0.47。這一趨勢(shì)與作物生長(zhǎng)季內(nèi)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(shù)為0.21～0.31，與降水量利用效率的相關(guān)性最高，呈北高南低、東高西低的特征，高值區(qū)分布在豫北焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽(yáng)，低值區(qū)分布在三門(mén)峽、洛陽(yáng)、南陽(yáng)、駐馬店。未來(lái)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(shù)。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(zhǎng)季氣候資源利用效率綜合指數(shù)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(qū)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(shù)低于小麥，而光能利用效率高于小麥，從區(qū)域上來(lái)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(xué)特性以及當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)力水平等多因素相關(guān)。高濤等[24]研究認(rèn)為內(nèi)蒙古糧食作物平均熱量利用效率≥0℃達(dá)0 .74 kg·℃-1·d-1·hm-2，≥10℃達(dá)0 .85 kg·℃-1·d-1·hm-2，降水利用率為6.47 kg·mm-1·hm-2。錢(qián)錦霞等[12]認(rèn)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(duì)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(duì)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(dá)1.5 kg·MJ-1。與前人研究相比，河南地區(qū)小麥、玉米的光、熱、水資源利用效率明顯為高，但區(qū)域間差異更明顯。

2)本文在研究小麥、玉米光、熱、水單項(xiàng)利用率時(shí)空變化特征的基礎(chǔ)上，分析輻射、積溫、降水量變化對(duì)LUE、HUE、PUE變化的貢獻(xiàn)，并用指數(shù)化處理方法計(jì)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(duì)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(chǎn)潛力，糧食作物的合理布局以及適應(yīng)未來(lái)氣候變化提供理論指導(dǎo)。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(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)的重要水分來(lái)源，因此計(jì)算的水分利用效率與實(shí)際情況有一定的差距，有待今后進(jìn)一步完善。

3)氣候變暖對(duì)河南省夏玉米-冬小麥種植模式產(chǎn)量的影響既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。溫度升高使夏玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)茬口時(shí)間出現(xiàn)一定時(shí)間的延長(zhǎng)[25]，可以選擇適合早播、生育期長(zhǎng)的夏玉米品種，調(diào)整玉米、小麥的播期和種植結(jié)構(gòu)，提高氣候資源利用效率。目前，土地資源、水資源、養(yǎng)分資源等減少，土壤質(zhì)量退化等問(wèn)題制約著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[26]。從農(nóng)業(yè)氣候資源開(kāi)發(fā)利用來(lái)看，設(shè)施農(nóng)業(yè)可以人為控制農(nóng)業(yè)生物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的生態(tài)條件，復(fù)種指數(shù)高，可大幅提高資源利用效率，實(shí)現(xiàn)資源替代。另一方面，河南省地形復(fù)雜，山地丘陵在40%左右，這部分土地氣候資源豐富多樣，為農(nóng)林牧綜合發(fā)展、特色農(nóng)業(yè)提供了優(yōu)越條件，因此，在深度挖掘耕地農(nóng)業(yè)氣候資源潛力的同時(shí)，可注重非耕地農(nóng)業(yè)氣候資源的開(kāi)發(fā)利用。

4 結(jié) 論

全球氣候變化背景下，河南省1981—2016年太陽(yáng)總輻射呈逐漸減少的變化趨勢(shì)，小麥生長(zhǎng)季平均每10 a減少56 MJ·m-2，玉米生長(zhǎng)季平均每10 a減少62 MJ·m-2，空間分布不均。熱量資源表現(xiàn)為全省一致的增加趨勢(shì)，小麥生長(zhǎng)季≥0℃的積溫氣候傾向率為52～151℃·d·10a-1，玉米生長(zhǎng)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(qū)相對(duì)匱乏。降水量總體變化趨勢(shì)不顯著，空間上由北向南遞增。

1981—2016年除三門(mén)峽站點(diǎn)外，河南省光能利用效率呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05)，小麥生長(zhǎng)季LUE在1.14～1.77 kg·MJ-1，玉米生長(zhǎng)季LUE在1.8～2.5 kg·MJ-1，空間分布表現(xiàn)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(zhǎng)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(diǎn)。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(qū)，三門(mén)峽、洛陽(yáng)、南陽(yáng)、信陽(yáng)地區(qū)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(shù)呈增加趨勢(shì)，增加速率分別為0～0.15 10a-1(小麥)、0.03～0.09 10a-1(玉米)。從區(qū)域上看，小麥利用效率綜合指數(shù)分布在0.24～0.50，溫度變化對(duì)HUE增加的貢獻(xiàn)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(shù)。玉米生長(zhǎng)季利用效率綜合指數(shù)分布在0.21～0.31，降水量變化對(duì)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(shù)。豫北的光、熱、水綜合利用效率為全省的高值區(qū)，西部和南部地區(qū)為全省的低值區(qū)，農(nóng)業(yè)氣候資源利用率的潛力較大。