1961—2020年華北平原冬小麥-夏玉米生長季內光能資源時空變化特征

鄭詩然 胡 琦,2* 和驊蕓 邢夢媛 高浩然 劉媛媛 馬雪晴 潘學標,2

(1.中國農業大學 資源與環境學院，北京 100193;2.中國氣象局—中國農業大學農業應對氣候變化聯合實驗室，北京 100193)

太陽輻射是植物光合作用、蒸騰作用的主要驅動因子，輻射資源的分布狀況在一定程度上決定了一個地區的農業格局和農業生產潛力。輻射資源的變化會給農業生產帶來一系列的顯著影響。輻射量下降會導致作物的光合有效輻射降低，從而影響產量構成，可能會造成減產等。近年來,對全國范圍及不同區域(東北、西北、華南等地區)的輻射資源時空變化的定量分析研究結果均表明太陽總輻射呈顯著下降的趨勢，且在上世紀80年代達到最低值，這可能與我國工業化進程速度加快，大氣氣溶膠濃度、大氣渾濁度及灰霾日數增加有關。然而，已有研究多從年或季節尺度分析太陽輻射的變化，針對某一區域作物生長季內的作物光能資源研究較少。

華北平原是我國重要的農業生產基地，其糧食產量約占我國糧食總產量的30%，在國民經濟中具有舉足輕重的地位。研究華北平原生長季太陽輻射資源的中長期變化規律，有助于進一步了解華北平原的氣候變化規律。華北平原喜涼作物和喜溫作物生長季農業氣候資源均發生了一定的時空變化，其中日照時數呈下降趨勢。目前，針對長時間序列下的華北平原冬小麥-夏玉米周年的輻射資源時空變化相關研究較少，特別是綜合太陽總輻射、直接輻射、散射輻射及光和有效輻射(PAR)的分析較為鮮見。因此，本研究擬以華北平原冬小麥-夏玉米種植區為研究區域，利用華北平原輻射觀測站點實測資料，建立了逐月的太陽總輻射經驗公式并計算逐月、冬小麥-夏玉米生長季以及周年的太陽輻射，從年際和年代際尺度定量分析1961—2020年華北平原地面太陽輻射的時空分布變化特征，并進一步分析直接輻射、散射輻射和光合有效輻射的變化，以期為華北平原輻射資源的合理利用、種植制度、區劃的調整以及制定適應氣候變化的對策等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源及預處理

選擇華北平原冬小麥-夏玉米種植區為研究區域，主要包括京、津、冀、豫、魯等5省市(圖1)，大致位于32°～40° N，114°～121° E。選擇研究區域內具有1961—2020年完整時間序列逐日氣象資料的氣象站點55個及具有逐日輻射觀測資料的輻射觀測站點11個。常規氣象站點數據包括逐日平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)和最低氣溫(℃)、降水量(mm)、日照時數(h)、相對濕度(%)、風速(m/s)等要素；輻射資料取自中國氣象輻射基本要素日值數據集(http:∥data.cma.cn)，包含了總輻射、直接輻射、散射輻射；光合有效輻射(PAR)數據來自中國光合有效輻射重構數據集(http:∥www.sciencedb.cn/dataSet/handle/400)。數據集發布前已經過嚴格的控制與檢驗，實有率和正確率分別約99.0%和99.9%，實際計算時為保證所有數據的有效性，已剔除當天其中部分臺站個別日期缺少太陽輻射資料。每個輻射觀測站點的逐日輻射觀測資料以3年為周期被分成兩部分數據集，前兩年數據用以建立擬合模型，后一年測量值用于評估檢驗模型。

圖1 研究區氣象站分布

1.2 計算方法

1

.

2

.

1

太陽總輻射估算

利用華北平原11個輻射觀測站點的逐日太陽總輻射和日照時數觀測資料，建立了華北平原不同月份的太陽總輻射模擬計算模型。

計算太陽總輻射多采用Angstrom-Prescott經驗模型法，該模型指同一地區日太陽總輻射和天文輻射的比值與日照時數和最大可能的日照時數呈線性關系，其基本形式為：

Q

=

Q

(

a

+

bs

)

(1)

式中：

Q

為太陽總輻射量，MJ/m；

Q

為起始數據；

s

為日照百分率；

a

、

b

為經驗系數。李曉文等研究表明，以天文輻射為起始值時，經驗系數

a

、

b

值的相對變化最小，故本研究研究采用天文輻射量作為起始數據，不同地區及季節均有不同，可利用實測輻射資料和日照時數資料，用最小二乘法求得。

1

.

2

.

2

天文輻射量計算

月、季、生長季、年天文輻射量由日天文輻射總量公式計算得到每日天文輻射總量后逐日求和所得。日天文輻射總量的計算方法如下：

ρ

=1

/

(1+0

.

033cos(2π

J/

365))

(2)

cos

ω

=-tan

φ

tan

δ

(3)

δ

=0

.

409sin(0

.

017 2

J

-1

.

39)

(4)

Q

=TIπ

ρ

(

ω

sin

φ

sin

δ

+cos

φ

cos

δ

sin

ω

)

(5)

式中：

ρ

為日地平均距離修正值；

J

為日序；

ω

為日落時角，rad；

φ

為站點地理緯度，rad；

δ

為太陽赤緯，rad；

Q

為日天文輻射總量，MJ/m；T為周期，24 h×60 min×60 s；I為太陽常數，13.67×10MJ/(m·s)。

1

.

2

.

3

經驗系數式(1)太陽總輻射擬合方程中的

a

、

b

值采用最小二乘法計算，計算公式如下：

(6)

(7)

式中：為站點太陽總輻射總量與天文輻射總量之比的平均值；為站點日照百分率的平均值；

s

為站點的日照百分率；

y

為參考站點逐年地表輻射總量與天文輻射總量之比；

t

為選取觀測資料的年數。

1

.

2

.

4

模型統計評估指標

本研究采用標準差和相對誤差評估模型模擬性能的指標依據。計算公式如下：

標準差

(8)

式中：

m

為經驗系數數量；

Q

為經驗系數模擬值；為經驗系數模擬值的平均值。

相對誤差

(9)

式中：

Δ

為絕對誤差，即測量值與模擬值之差；

L

為模擬值。標準差越小，則模擬值越集中，即站點之間的經驗系數變異性??；相對誤差越小，則模擬效果越好。

1

.

2

.

5

Mann

-

Kendall檢驗法

Mann-Kendall檢驗法(簡稱M-K法)不需數據服從特定的分布，同時檢驗范圍較寬，因此該方法在水文氣象要素的趨勢性檢驗中應用被廣泛采用,是世界氣象組織推薦的用于提取序列變化趨勢的有效工具，其優點在于不受個別異常值的干擾，能夠客觀反映時間序列趨勢。

對于具有

n

個樣本量的時間序列

X

，構造一秩序列：

(10)

在時間序列隨機獨立的假定下，定義統計量：

(11)

式中：UF=0，

E

(

s

)和Var(

s

)是累計數

s

的均值和方差，在

x

,

x

,…,

x

相互獨立，且有相同連續分布時，其計算公式如下：

(12)

(13)

UF為標準正態分布，它是按時間序列

x

順序

x

,

x

,…,

x

計算出的統計量序列，給定顯著性水平α，查正態分布表，若|UF|>

U

，則表明序列存在明顯的趨勢變化。按時間序列

x

逆序

x

,

x

,…,

x

，再重復上述過程，同時使UB=-UF，

k

=

n

,

n

-1,…,1)，UB=0。

若UF或UB的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域。如果UF和UB兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。

1.3 數據處理

本研究冬小麥生長季指10—翌年5月，冬小麥關鍵生育期指3—5月；夏玉米生長季指6—9月，夏玉米關鍵生育期指7—8月。

試驗數據采用MATLAB 2018b及SPSS 18.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 各月輻射模型模擬及檢驗

利用華北平原11個輻射觀測站點的逐日太陽總輻射和日照時數觀測資料，建立華北平原不同月份的太陽總輻射模擬計算模型，擬合方程全部通過顯著性檢驗(

P

<0.01)。華北平原各月太陽輻射經驗系數

a

、

b

模擬計算模型及已統計站點的太陽總輻射的測量值與模擬值的相對誤差如表1所示。各月模型的相對誤差經檢驗均小于10%，表明計算模型有較高的可信度。從整體可見，春季和秋季的相對誤差較小，夏季和冬季的相對誤差較大。說明在春秋季的太陽總輻射模擬精度高于冬夏季?？傮w而言各月相對誤差差別不大，均在可接受的范圍內。其中，相對誤差最大值出現在12月，為9.64%；最小值出現在4月，為6.13%。

表1 各月太陽輻射經驗系數、模擬計算模型及其相對誤差

Table 1 Empirical calculation values of total solar radiation experience coefficients and in each month

月份Month經驗模型Experienceformula相對誤差/%Relativeerror顯著性Statisticalsignificance1月Jan.y=0.506x+0.1877.95P<0.012月Feb.y=0.545x+0.1707.72P<0.013月Mar.y=0.560x+0.1636.68P<0.014月Apr.y=0.572x+0.1526.25P<0.015月Mayy=0.576x+0.1556.13P<0.016月Jun.y=0.537x+0.1816.78P<0.017月Jul.y=0.524x+0.1857.66P<0.018月Aug.y=0.524x+0.1707.26P<0.019月Sept.y=0.553x+0.1636.30P<0.0110月Oct.y=0.551x+0.1626.55P<0.0111月Nov.y=0.553x+0.1576.97P<0.0112月Dec.y=0.511x+0.1789.64P<0.01

2.2 冬小麥-夏玉米周年輻射時空變化

根據2.1中求得的模型進行太陽總輻射值模擬，計算華北平原1—12月各月太陽總輻射平均值并制作箱型圖(圖2)。全年總輻射范圍在4 519.26～5 488.30 MJ/m，平均值為4 954.57 MJ/m，該地區太陽總輻射在春夏季相對較高，最高值出現在5月份，平均為589.61 MJ/m；秋冬季相對較低，最低值出現在12月份，其平均值為223.58 MJ/m。

圖2 各月研究地區太陽總輻射值箱型圖

冬小麥生長季太陽總輻射范圍在2 599.64～3 160.85 MJ/m，平均為2 905.54 MJ/m，約占全年輻射量的58.6%，其關鍵生育期太陽總輻射范圍在1 318.66～1 708.24 MJ/m，平均為1 537.28 MJ/m，占全年總輻射的31.0%；夏玉米生長季太陽輻射范圍在1 892.66～2 327.45 MJ/m，平均為2 049.03 MJ/m，占全年輻射量的41.4%，其關鍵生育期太陽總輻射范圍在983.50～1 189.26 MJ/m之間，平均為1 038.20 MJ/m，占全年總輻射的20.9%。

空間上，華北平原冬小麥-夏玉米周年太陽總輻射由東北向西南逐漸遞減，呈北高南低、東高西低的狀態(圖3)。河北中部太陽總輻射最高，超過5 400 MJ/m；河南東南地區最低，低于4 650 MJ/m。冬小麥生長季及關鍵生育期兩個時段內，太陽總輻射最高地區均為河北中部，生長季和關鍵生育期輻射分別超過3 000、1 700 MJ/m，河南東南部最低，生長季和關鍵生育期輻射分別低于2 700、1 400 MJ/m；夏玉米生長季及關鍵生育期兩個時段內，太陽總輻射最高地區為山東東北部及河北中部，生長季和關鍵生育期輻射分別超過2 250、1 050 MJ/m，華北平原南部最低，生長季和關鍵生育期輻射分別低于1 950、1 000 MJ/m。

圖3 研究時段內冬小麥-夏玉米周年(a)、小麥生長季(b)、小麥關鍵生育期(c)、玉米生長季(d)和玉米關鍵生育期(e)太陽總輻射情況

計算研究區域內周年及各月輻射傾向率并繪制空間分布圖，結果見圖4?？芍?，華北平原全年各地區太陽總輻射氣候傾向率都小于0，即太陽總輻射呈下降趨勢。1961—2020年來研究區周年太陽總輻射平均減少了14.3%，平均變化率為-118.04 MJ/(m·10 a)?？臻g分布基本呈東北及西南兩側高而中間低的狀態，其中河北西部以及河南東部地區太陽總輻射下降趨勢最為顯著，傾向率最低為-210.67 MJ/(m·10 a)，山東東部地區太陽總輻射下降趨勢較輕，傾向率最高為-14.25 MJ/(m·10 a)。

圖4 研究時段內冬小麥-夏玉米周年(a)、小麥生長季(b)、小麥關鍵生育期(c)、玉米生長季(d)和玉米關鍵生育期(e)太陽總輻射傾向率空間圖

1961—2020年研究區冬小麥太陽總輻射平均減少10.0%，平均變化率為-48.34 MJ/(m·10 a)；冬小麥關鍵生育期太陽總輻射平均減少4.7%，平均變化率為-12.03 MJ/(m·10 a)?？臻g上，山東東部、河北中部及南部以及河南西部地區氣候傾向率均表現為太陽總輻射增多，河北西部、山東西部及河南北部太陽總輻射則呈現減少趨勢。

夏玉米生長季及關鍵生育期內，太陽總輻射傾向率為負值。1961—2020年研究區夏玉米生長季太陽總輻射平均減少17.8%，平均變化率為-60.88 MJ/(m·10 a)；夏玉米關鍵生育期太陽總輻射平均減少17.7%，平均變化率為-30.60 MJ/(m·10 a)?？臻g上，河南東部地區下降趨勢最為明顯，氣候傾向率分別低于-90.00、-40.00 MJ/(m·10 a)，河北東部、山東東部及河南西部地區下降趨勢較小。

2.3 輻射年代際變化

將1961—2020年劃分為P1(1961—1980年)、P2(1981—2000年)和P3(2001—2020年)3個時段，計算P1、P2和P3 3個時段的全年、冬小麥生長季及夏玉米生長季太陽總輻射，并制作箱型圖(如圖5)。

P1, 1961—1980年; P2, 1981—2000年; P3, 2001—2020年

華北平原冬小麥-夏玉米周年太陽總輻射在P1、P2、P3 3個時段均呈現出遞減的趨勢。其中，P1時段的全年太陽總輻射值最高，均值為5 178.26 MJ/m，而P3時段的全年太陽總輻射最低，均值為4 682.54 MJ/m。較P1時段，P2和P3時段的周年太陽總輻射分別減少4.1%和9.6%。

3個時段的華北平原冬小麥生長季太陽總輻射也呈現出遞減的趨勢。其中，P1時段的冬小麥生長季太陽總輻射值最高，均值為3 003.12 MJ/m，P3時段冬小麥生長季太陽總輻射最低，均值為2 771.01 MJ/m，P2時段冬小麥生長季太陽總輻射均值為2 896.39 MJ/m。較P1時段，P2和P3時段的冬小麥生長季太陽總輻射分別減少3.6%和7.7%。

P1—P3時段的華北平原夏玉米生長季太陽總輻射也呈現出遞減的趨勢。其中，P1時段的夏玉米生長季太陽總輻射值最高，均值為2 172.64 MJ/m，P3時段夏玉米生長季太陽總輻射最低，均值為1 908.06 MJ/m，P2時段夏玉米生長季太陽總輻射均值為2 065.18 MJ/m。與P1時段相比，P2和P3時段的夏玉米生長季太陽總輻射分別減少 4.9% 和12.1%，均比冬小麥生長季太陽總輻射減小幅度大。在不同時段，華北平原周年太陽輻射在P3時段變化幅度最大。進一步用M-K法進行檢驗發現，周年太陽總輻射在20世紀90年代早期有一個突變點，且變化顯著(

P

<0.05)。

根據2006—2016年的觀測值進一步分析直接輻射、散射輻射(9個輻射站)以及PAR(48個氣象站)的變化趨勢，結果見表2。華北平原周年、冬小麥-夏玉米生長季的直接輻射和光合有效輻射均呈下降趨勢，華北平原周年和小麥生長季散射輻射均呈上升趨勢，玉米生長季散射輻射呈下降趨勢。周年直接輻射、散射輻射和光合有效輻射(PAR)變化率分別為-210.6、85.1、-54.3 MJ/(m·10 a)；小麥生長季直接輻射、散射輻射和PAR變化速率分別為-68.3、15.6、-16.3 MJ/(m·10 a)；玉米生長季直接輻射、散射輻射和PAR變化速率分別為-215.8、-12.5、-37.5 MJ/(m·10 a)。

表2 2006—2016年冬小麥-夏玉米周年、冬小麥生長季和夏玉米生長季直接輻射、散射輻射和光和有效輻射(PAR)氣候傾向率

Table 2 Climate tendency rates of direct radiation, scattered radiation and photosynthetically active radiation(PAR)during winter wheat and summer maize rotation, winter wheat and summer maize growing seasons from 2006 to 2016 MJ/(m·10 a)

時間尺度Timescale直接輻射Directradiation散射輻射ScatteredradiationPARPAR冬小麥-夏玉米周年Winterwheatandsummermaizerotation-210.685.1-54.3冬小麥生長季Winterwheatgrowingseasons-68.115.6-16.3夏玉米生長季Summermaizegrowingseasons-215.8-12.5-37.5

3 討論與結論

3.1 討論

本研究利用多年輻射觀測站點數據建立了華北平原適用的Angstrom-Prescott經驗模型，以求算華北平原的太陽總輻射，并基于華北平原太陽總輻射按照年代際尺度、氣候傾向率、生育期及生長季尺度分別進行太陽輻射時空變化分析。

1980年后，我國工業化進程加快，大氣混濁度、大氣氣溶膠濃度及霧霾日數的增多導致我國大部分地區太陽輻射仍然持續下降。與本研究結果一致，華北平原太陽總輻射年際和不同時間段均呈顯著下降趨勢。周年、冬小麥生長季及其關鍵生育期和夏玉米生長季及其關鍵生育期中，1961—1980年，1981—2000年，2001—2020年3個時段的全年太陽總輻射都呈現出遞減的狀態，這與查良松等、李曉文等、Stanhill等、楊勝朋等研究發現的到達地面的太陽輻射是持續變化的結果相一致。趙東等發現20世紀50—80年代，包括中國在內的全球大部分地區的入射輻射強度持續下降；自90年代起，入射輻射強度又略有回升，本研究中用M-K法檢驗華北平原太陽總輻射發現太陽總輻射在20世紀90年代早期有一個突變點的結論也驗證了這一點。此外，本研究發現華北平原近54年直接輻射呈減少趨勢，散射輻射呈增加趨勢，與已有研究結論一致。這種趨勢產生的原因可能是灰霾(氣溶膠)的增加：一方面減少到達地面直接輻射；另一方面增加了散射輻射。

華北平原輻射資源的變化會對作物產量造成影響。氣候變化對潛在產量的影響可以從側面反映氣候條件對實際產量的影響。李克南等研究發現冬小麥生長季內總輻射量是其潛在產量時間變化趨勢的決定性因素。楊鵬宇等發現華北平原輻射資源減少對夏玉米光溫生產潛力的負作用大于熱量資源增加帶來的正作用。而散射輻射增加對小麥干物質生產和產量形成有顯著的“肥料效應”，能夠提高群體光能利用率。也有研究認為散射輻射對光合能力的提高不能完全彌補氣溶膠降低總輻射帶來的不利作用。本研究發現散射輻射增加僅是緩解了光合有效輻射的減少也說明了這一點，對植物生長來說應該存在一個合適的散射輻射范圍。因此，進一步探明太陽輻射變化對光合潛在產量的影響機制，可能成為縮減產量差的關鍵所在。

實際生產中，氣候變化對冬小麥夏玉米產量的影響更為復雜，還需要綜合考慮光溫水等氣候條件及農業措施的影響。范蘭等發現華北平原2001—2007年小冬小麥-夏玉米兩作的潛在產量和實際產量的差為20.3%～72.2%。良好的灌溉條件、機械化的農業生產和肥料的高投入是提升該區域冬小麥夏玉米產量的重要前提。另外，由于太陽總輻射的減少導致的日照時數不足以及熱量資源的增加，從而對華北平原的種植制度和農業布局產生的諸如種植界限北移、生長季延長等影響也需要更為合理的考慮。因此，結合華北平原當地的地理狀況、種植習慣等，針對目前的輻射變化所需要采取的諸如調整播期，水肥調控，合理的耕作與株行距配置等適應技術與措施也亟需進一步深入研究。

3.2 結論

本研究主要結論包括：

1)全年總輻射為4 519.26～5 488.30 MJ/m。冬小麥生長季(10—翌年5月)太陽總輻射平均為2 905.54 MJ/m，約占全年輻射量的58.6%，其關鍵生育期(3—5月)太陽總輻射平均為1 537.28 MJ/m，占全年總輻射的31.0%；夏玉米生長季(6—9月)太陽輻射平均為2 049.03 MJ/m，占全年輻射量的41.4%，其關鍵生育期(7—8月)太陽總輻射平均為1 038.20 MJ/m，占全年總輻射的20.9%。

空間上，華北平原冬小麥-夏玉米周年太陽總輻射由東北向西南逐漸遞減。河北中部太陽總輻射最高，超過5 400 MJ/m；河南東南地區最低，低于4 650 MJ/m。冬小麥生長季及關鍵生育期兩個時段內，太陽總輻射最高地區均為河北中部，分別超過3 000、1 700 MJ/m，河南東南地區最低，生長季和關鍵生育期輻射分別低于2 700、1 400 MJ/m；夏玉米生長季及關鍵生育期兩個時段內，太陽總輻射最高地區為山東東北部及河北中部，分別超過2 250、1 050 MJ/m，華北平原南部最低，生長季和關鍵生育期輻射分別低于1 950、1 000 MJ/m。

2)華北平原全年各地區太陽總輻射呈下降趨勢。1961—2020年研究區周年太陽總輻射平均減少了14.3%。時空分布基本呈東北及西南兩側高而中間低的狀態。

冬小麥生長季及關鍵生育期大部分地區傾向率小于0，1961—2020年研究區冬小麥太陽總輻射平均減少10.0%；冬小麥關鍵生育期太陽總輻射平均減少4.7%。

夏玉米生長季及關鍵生育期內，太陽總輻射傾向率普遍為負值。1961—2020年研究區夏玉米生長季太陽總輻射平均減少17.8%；夏玉米關鍵生育期太陽總輻射平均減少17.7%。

3)華北平原周年太陽總輻射在20世紀90年代早期有一個突變點。在P1(1961—1980年)、P2(1981—2000年)、P3(2001—2020年)3個時段中，與P1時段相比，P2和P3時段的周年太陽總輻射分別減少4.1%和9.6%，冬小麥生長季太陽總輻射分別減少3.6%和7.7%。夏玉米生長季太陽總輻射分別減少4.9%和12.1%，均比冬小麥生長季太陽總輻射減小幅度大。

4)華北平原周年、冬小麥-夏玉米生長季的直接輻射和光合有效輻射均呈下降趨勢，周年和小麥生長季散射輻射均呈上升趨勢，玉米生長季散射輻射呈下降趨勢。周年直接輻射、散射輻射和光合有效輻射變化率分別為-210.6、85.1、-54.3 MJ/(m·10 a)；小麥生長季直接輻射、散射輻射和光合有效輻射變化 速率分別為-68.3、15.6、-16.3 MJ/(m·10 a)；玉米生長季直接輻射、散射輻射和光合有效輻射變化速率分別為-215.8、-12.5、-37.5 MJ/(m·10 a)。