鄭詩(shī)然 胡 琦,2* 和驊蕓 邢夢(mèng)媛 高浩然 劉媛媛 馬雪晴 潘學(xué)標(biāo),2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193;2.中國(guó)氣象局—中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

太陽(yáng)輻射是植物光合作用、蒸騰作用的主要驅(qū)動(dòng)因子，輻射資源的分布狀況在一定程度上決定了一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)格局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力。輻射資源的變化會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)一系列的顯著影響。輻射量下降會(huì)導(dǎo)致作物的光合有效輻射降低，從而影響產(chǎn)量構(gòu)成，可能會(huì)造成減產(chǎn)等。近年來(lái),對(duì)全國(guó)范圍及不同區(qū)域(東北、西北、華南等地區(qū))的輻射資源時(shí)空變化的定量分析研究結(jié)果均表明太陽(yáng)總輻射呈顯著下降的趨勢(shì)，且在上世紀(jì)80年代達(dá)到最低值，這可能與我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程速度加快，大氣氣溶膠濃度、大氣渾濁度及灰霾日數(shù)增加有關(guān)。然而，已有研究多從年或季節(jié)尺度分析太陽(yáng)輻射的變化，針對(duì)某一區(qū)域作物生長(zhǎng)季內(nèi)的作物光能資源研究較少。

華北平原是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，其糧食產(chǎn)量約占我國(guó)糧食總產(chǎn)量的30%，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位。研究華北平原生長(zhǎng)季太陽(yáng)輻射資源的中長(zhǎng)期變化規(guī)律，有助于進(jìn)一步了解華北平原的氣候變化規(guī)律。華北平原喜涼作物和喜溫作物生長(zhǎng)季農(nóng)業(yè)氣候資源均發(fā)生了一定的時(shí)空變化，其中日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)。目前，針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列下的華北平原冬小麥-夏玉米周年的輻射資源時(shí)空變化相關(guān)研究較少，特別是綜合太陽(yáng)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(jiàn)。因此，本研究擬以華北平原冬小麥-夏玉米種植區(qū)為研究區(qū)域，利用華北平原輻射觀測(cè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)資料，建立了逐月的太陽(yáng)總輻射經(jīng)驗(yàn)公式并計(jì)算逐月、冬小麥-夏玉米生長(zhǎng)季以及周年的太陽(yáng)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(yáng)輻射的時(shí)空分布變化特征，并進(jìn)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(qū)劃的調(diào)整以及制定適應(yīng)氣候變化的對(duì)策等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

選擇華北平原冬小麥-夏玉米種植區(qū)為研究區(qū)域，主要包括京、津、冀、豫、魯?shù)?省市(圖1)，大致位于32°～40° N，114°～121° E。選擇研究區(qū)域內(nèi)具有1961—2020年完整時(shí)間序列逐日氣象資料的氣象站點(diǎn)55個(gè)及具有逐日輻射觀測(cè)資料的輻射觀測(cè)站點(diǎn)11個(gè)。常規(guī)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)包括逐日平均氣溫(℃)、最高氣溫(℃)和最低氣溫(℃)、降水量(mm)、日照時(shí)數(shù)(h)、相對(duì)濕度(%)、風(fēng)速(m/s)等要素；輻射資料取自中國(guó)氣象輻射基本要素日值數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)光合有效輻射重構(gòu)數(shù)據(jù)集(http:∥www.sciencedb.cn/dataSet/handle/400)。數(shù)據(jù)集發(fā)布前已經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的控制與檢驗(yàn)，實(shí)有率和正確率分別約99.0%和99.9%，實(shí)際計(jì)算時(shí)為保證所有數(shù)據(jù)的有效性，已剔除當(dāng)天其中部分臺(tái)站個(gè)別日期缺少太陽(yáng)輻射資料。每個(gè)輻射觀測(cè)站點(diǎn)的逐日輻射觀測(cè)資料以3年為周期被分成兩部分?jǐn)?shù)據(jù)集，前兩年數(shù)據(jù)用以建立擬合模型，后一年測(cè)量值用于評(píng)估檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖1 研究區(qū)氣象站分布

1.2 計(jì)算方法

1

.

2

.

1

太陽(yáng)總輻射估算

利用華北平原11個(gè)輻射觀測(cè)站點(diǎn)的逐日太陽(yáng)總輻射和日照時(shí)數(shù)觀測(cè)資料，建立了華北平原不同月份的太陽(yáng)總輻射模擬計(jì)算模型。

計(jì)算太陽(yáng)總輻射多采用Angstrom-Prescott經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?，該模型指同一地區(qū)日太陽(yáng)總輻射和天文輻射的比值與日照時(shí)數(shù)和最大可能的日照時(shí)數(shù)呈線性關(guān)系，其基本形式為：

Q

=

Q

(

a

+

bs

)

(1)

式中：

Q

為太陽(yáng)總輻射量，MJ/m；

Q

為起始數(shù)據(jù)；

s

為日照百分率；

a

、

b

為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。李曉文等研究表明，以天文輻射為起始值時(shí)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

a

、

b

值的相對(duì)變化最小，故本研究研究采用天文輻射量作為起始數(shù)據(jù)，不同地區(qū)及季節(jié)均有不同，可利用實(shí)測(cè)輻射資料和日照時(shí)數(shù)資料，用最小二乘法求得。

1

.

2

.

2

天文輻射量計(jì)算

月、季、生長(zhǎng)季、年天文輻射量由日天文輻射總量公式計(jì)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(jì)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(shí)角，rad；

φ

為站點(diǎn)地理緯度，rad；

δ

為太陽(yáng)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(yáng)常數(shù)，13.67×10MJ/(m·s)。

1

.

2

.

3

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)式(1)太陽(yáng)總輻射擬合方程中的

a

、

b

值采用最小二乘法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

式中：為站點(diǎn)太陽(yáng)總輻射總量與天文輻射總量之比的平均值；為站點(diǎn)日照百分率的平均值；

s

為站點(diǎn)的日照百分率；

y

為參考站點(diǎn)逐年地表輻射總量與天文輻射總量之比；

t

為選取觀測(cè)資料的年數(shù)。

1

.

2

.

4

模型統(tǒng)計(jì)評(píng)估指標(biāo)

本研究采用標(biāo)準(zhǔn)差和相對(duì)誤差評(píng)估模型模擬性能的指標(biāo)依據(jù)。計(jì)算公式如下：

標(biāo)準(zhǔn)差

(8)

式中：

m

為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)數(shù)量；

Q

為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模擬值；為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)模擬值的平均值。

相對(duì)誤差

(9)

式中：

Δ

為絕對(duì)誤差，即測(cè)量值與模擬值之差；

L

為模擬值。標(biāo)準(zhǔn)差越小，則模擬值越集中，即站點(diǎn)之間的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)變異性??；相對(duì)誤差越小，則模擬效果越好。

1

.

2

.

5

Mann

-

Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法(簡(jiǎn)稱M-K法)不需數(shù)據(jù)服從特定的分布，同時(shí)檢驗(yàn)范圍較寬，因此該方法在水文氣象要素的趨勢(shì)性檢驗(yàn)中應(yīng)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(shì)的有效工具，其優(yōu)點(diǎn)在于不受個(gè)別異常值的干擾，能夠客觀反映時(shí)間序列趨勢(shì)。

對(duì)于具有

n

個(gè)樣本量的時(shí)間序列

X

，構(gòu)造一秩序列：

(10)

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

(11)

式中：UF=0，

E

(

s

)和Var(

s

)是累計(jì)數(shù)

s

的均值和方差，在

x

,

x

,…,

x

相互獨(dú)立，且有相同連續(xù)分布時(shí)，其計(jì)算公式如下：

(12)

(13)

UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列

x

順序

x

,

x

,…,

x

計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若|UF|>

U

，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。按時(shí)間序列

x

逆序

x

,

x

,…,

x

，再重復(fù)上述過(guò)程，同時(shí)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(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)它們超過(guò)臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。超過(guò)臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開(kāi)始的時(shí)間。

1.3 數(shù)據(jù)處理

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

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用MATLAB 2018b及SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各月輻射模型模擬及檢驗(yàn)

利用華北平原11個(gè)輻射觀測(cè)站點(diǎn)的逐日太陽(yáng)總輻射和日照時(shí)數(shù)觀測(cè)資料，建立華北平原不同月份的太陽(yáng)總輻射模擬計(jì)算模型，擬合方程全部通過(guò)顯著性檢驗(yàn)(

P

<0.01)。華北平原各月太陽(yáng)輻射經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

a

、

b

模擬計(jì)算模型及已統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)的太陽(yáng)總輻射的測(cè)量值與模擬值的相對(duì)誤差如表1所示。各月模型的相對(duì)誤差經(jīng)檢驗(yàn)均小于10%，表明計(jì)算模型有較高的可信度。從整體可見(jiàn)，春季和秋季的相對(duì)誤差較小，夏季和冬季的相對(duì)誤差較大。說(shuō)明在春秋季的太陽(yáng)總輻射模擬精度高于冬夏季?？傮w而言各月相對(duì)誤差差別不大，均在可接受的范圍內(nèi)。其中，相對(duì)誤差最大值出現(xiàn)在12月，為9.64%；最小值出現(xiàn)在4月，為6.13%。

表1 各月太陽(yáng)輻射經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、模擬計(jì)算模型及其相對(duì)誤差

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

月份Month經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虴xperienceformula相對(duì)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(shí)空變化

根據(jù)2.1中求得的模型進(jìn)行太陽(yáng)總輻射值模擬，計(jì)算華北平原1—12月各月太陽(yáng)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(qū)太陽(yáng)總輻射在春夏季相對(duì)較高，最高值出現(xiàn)在5月份，平均為589.61 MJ/m；秋冬季相對(duì)較低，最低值出現(xiàn)在12月份，其平均值為223.58 MJ/m。

圖2 各月研究地區(qū)太陽(yáng)總輻射值箱型圖

冬小麥生長(zhǎng)季太陽(yáng)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(guān)鍵生育期太陽(yáng)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(zhǎng)季太陽(yáng)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(guān)鍵生育期太陽(yáng)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(yáng)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(tài)(圖3)。河北中部太陽(yáng)總輻射最高，超過(guò)5 400 MJ/m；河南東南地區(qū)最低，低于4 650 MJ/m。冬小麥生長(zhǎng)季及關(guān)鍵生育期兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，太陽(yáng)總輻射最高地區(qū)均為河北中部，生長(zhǎng)季和關(guān)鍵生育期輻射分別超過(guò)3 000、1 700 MJ/m，河南東南部最低，生長(zhǎng)季和關(guān)鍵生育期輻射分別低于2 700、1 400 MJ/m；夏玉米生長(zhǎng)季及關(guān)鍵生育期兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，太陽(yáng)總輻射最高地區(qū)為山東東北部及河北中部，生長(zhǎng)季和關(guān)鍵生育期輻射分別超過(guò)2 250、1 050 MJ/m，華北平原南部最低，生長(zhǎng)季和關(guān)鍵生育期輻射分別低于1 950、1 000 MJ/m。

圖3 研究時(shí)段內(nèi)冬小麥-夏玉米周年(a)、小麥生長(zhǎng)季(b)、小麥關(guān)鍵生育期(c)、玉米生長(zhǎng)季(d)和玉米關(guān)鍵生育期(e)太陽(yáng)總輻射情況

計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)周年及各月輻射傾向率并繪制空間分布圖，結(jié)果見(jiàn)圖4。可知，華北平原全年各地區(qū)太陽(yáng)總輻射氣候傾向率都小于0，即太陽(yáng)總輻射呈下降趨勢(shì)。1961—2020年來(lái)研究區(qū)周年太陽(yáng)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(cè)高而中間低的狀態(tài)，其中河北西部以及河南東部地區(qū)太陽(yáng)總輻射下降趨勢(shì)最為顯著，傾向率最低為-210.67 MJ/(m·10 a)，山東東部地區(qū)太陽(yáng)總輻射下降趨勢(shì)較輕，傾向率最高為-14.25 MJ/(m·10 a)。

圖4 研究時(shí)段內(nèi)冬小麥-夏玉米周年(a)、小麥生長(zhǎng)季(b)、小麥關(guān)鍵生育期(c)、玉米生長(zhǎng)季(d)和玉米關(guān)鍵生育期(e)太陽(yáng)總輻射傾向率空間圖

1961—2020年研究區(qū)冬小麥太陽(yáng)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(guān)鍵生育期太陽(yáng)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(qū)氣候傾向率均表現(xiàn)為太陽(yáng)總輻射增多，河北西部、山東西部及河南北部太陽(yáng)總輻射則呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

夏玉米生長(zhǎng)季及關(guān)鍵生育期內(nèi)，太陽(yáng)總輻射傾向率為負(fù)值。1961—2020年研究區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季太陽(yáng)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(guān)鍵生育期太陽(yáng)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(qū)下降趨勢(shì)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(qū)下降趨勢(shì)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(gè)時(shí)段，計(jì)算P1、P2和P3 3個(gè)時(shí)段的全年、冬小麥生長(zhǎng)季及夏玉米生長(zhǎng)季太陽(yáng)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(yáng)總輻射在P1、P2、P3 3個(gè)時(shí)段均呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。其中，P1時(shí)段的全年太陽(yáng)總輻射值最高，均值為5 178.26 MJ/m，而P3時(shí)段的全年太陽(yáng)總輻射最低，均值為4 682.54 MJ/m。較P1時(shí)段，P2和P3時(shí)段的周年太陽(yáng)總輻射分別減少4.1%和9.6%。

3個(gè)時(shí)段的華北平原冬小麥生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射也呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。其中，P1時(shí)段的冬小麥生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射值最高，均值為3 003.12 MJ/m，P3時(shí)段冬小麥生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射最低，均值為2 771.01 MJ/m，P2時(shí)段冬小麥生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射均值為2 896.39 MJ/m。較P1時(shí)段，P2和P3時(shí)段的冬小麥生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射分別減少3.6%和7.7%。

P1—P3時(shí)段的華北平原夏玉米生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射也呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。其中，P1時(shí)段的夏玉米生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射值最高，均值為2 172.64 MJ/m，P3時(shí)段夏玉米生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射最低，均值為1 908.06 MJ/m，P2時(shí)段夏玉米生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射均值為2 065.18 MJ/m。與P1時(shí)段相比，P2和P3時(shí)段的夏玉米生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射分別減少 4.9% 和12.1%，均比冬小麥生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射減小幅度大。在不同時(shí)段，華北平原周年太陽(yáng)輻射在P3時(shí)段變化幅度最大。進(jìn)一步用M-K法進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，周年太陽(yáng)總輻射在20世紀(jì)90年代早期有一個(gè)突變點(diǎn)，且變化顯著(

P

<0.05)。

根據(jù)2006—2016年的觀測(cè)值進(jìn)一步分析直接輻射、散射輻射(9個(gè)輻射站)以及PAR(48個(gè)氣象站)的變化趨勢(shì)，結(jié)果見(jiàn)表2。華北平原周年、冬小麥-夏玉米生長(zhǎng)季的直接輻射和光合有效輻射均呈下降趨勢(shì)，華北平原周年和小麥生長(zhǎng)季散射輻射均呈上升趨勢(shì)，玉米生長(zhǎng)季散射輻射呈下降趨勢(shì)。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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)季和夏玉米生長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)季W(wǎng)interwheatgrowingseasons-68.115.6-16.3夏玉米生長(zhǎng)季Summermaizegrowingseasons-215.8-12.5-37.5

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本研究利用多年輻射觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)建立了華北平原適用的Angstrom-Prescott經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以求算華北平原的太陽(yáng)總輻射，并基于華北平原太陽(yáng)總輻射按照年代際尺度、氣候傾向率、生育期及生長(zhǎng)季尺度分別進(jìn)行太陽(yáng)輻射時(shí)空變化分析。

1980年后，我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程加快，大氣混濁度、大氣氣溶膠濃度及霧霾日數(shù)的增多導(dǎo)致我國(guó)大部分地區(qū)太陽(yáng)輻射仍然持續(xù)下降。與本研究結(jié)果一致，華北平原太陽(yáng)總輻射年際和不同時(shí)間段均呈顯著下降趨勢(shì)。周年、冬小麥生長(zhǎng)季及其關(guān)鍵生育期和夏玉米生長(zhǎng)季及其關(guān)鍵生育期中，1961—1980年，1981—2000年，2001—2020年3個(gè)時(shí)段的全年太陽(yáng)總輻射都呈現(xiàn)出遞減的狀態(tài)，這與查良松等、李曉文等、Stanhill等、楊勝朋等研究發(fā)現(xiàn)的到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射是持續(xù)變化的結(jié)果相一致。趙東等發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)50—80年代，包括中國(guó)在內(nèi)的全球大部分地區(qū)的入射輻射強(qiáng)度持續(xù)下降；自90年代起，入射輻射強(qiáng)度又略有回升，本研究中用M-K法檢驗(yàn)華北平原太陽(yáng)總輻射發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)總輻射在20世紀(jì)90年代早期有一個(gè)突變點(diǎn)的結(jié)論也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。此外，本研究發(fā)現(xiàn)華北平原近54年直接輻射呈減少趨勢(shì)，散射輻射呈增加趨勢(shì)，與已有研究結(jié)論一致。這種趨勢(shì)產(chǎn)生的原因可能是灰霾(氣溶膠)的增加：一方面減少到達(dá)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(huì)對(duì)作物產(chǎn)量造成影響。氣候變化對(duì)潛在產(chǎn)量的影響可以從側(cè)面反映氣候條件對(duì)實(shí)際產(chǎn)量的影響。李克南等研究發(fā)現(xiàn)冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)總輻射量是其潛在產(chǎn)量時(shí)間變化趨勢(shì)的決定性因素。楊鵬宇等發(fā)現(xiàn)華北平原輻射資源減少對(duì)夏玉米光溫生產(chǎn)潛力的負(fù)作用大于熱量資源增加帶來(lái)的正作用。而散射輻射增加對(duì)小麥干物質(zhì)生產(chǎn)和產(chǎn)量形成有顯著的“肥料效應(yīng)”，能夠提高群體光能利用率。也有研究認(rèn)為散射輻射對(duì)光合能力的提高不能完全彌補(bǔ)氣溶膠降低總輻射帶來(lái)的不利作用。本研究發(fā)現(xiàn)散射輻射增加僅是緩解了光合有效輻射的減少也說(shuō)明了這一點(diǎn)，對(duì)植物生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)應(yīng)該存在一個(gè)合適的散射輻射范圍。因此，進(jìn)一步探明太陽(yáng)輻射變化對(duì)光合潛在產(chǎn)量的影響機(jī)制，可能成為縮減產(chǎn)量差的關(guān)鍵所在。

實(shí)際生產(chǎn)中，氣候變化對(duì)冬小麥夏玉米產(chǎn)量的影響更為復(fù)雜，還需要綜合考慮光溫水等氣候條件及農(nóng)業(yè)措施的影響。范蘭等發(fā)現(xiàn)華北平原2001—2007年小冬小麥-夏玉米兩作的潛在產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量的差為20.3%～72.2%。良好的灌溉條件、機(jī)械化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和肥料的高投入是提升該區(qū)域冬小麥夏玉米產(chǎn)量的重要前提。另外，由于太陽(yáng)總輻射的減少導(dǎo)致的日照時(shí)數(shù)不足以及熱量資源的增加，從而對(duì)華北平原的種植制度和農(nóng)業(yè)布局產(chǎn)生的諸如種植界限北移、生長(zhǎng)季延長(zhǎng)等影響也需要更為合理的考慮。因此，結(jié)合華北平原當(dāng)?shù)氐牡乩頎顩r、種植習(xí)慣等，針對(duì)目前的輻射變化所需要采取的諸如調(diào)整播期，水肥調(diào)控，合理的耕作與株行距配置等適應(yīng)技術(shù)與措施也亟需進(jìn)一步深入研究。

3.2 結(jié)論

本研究主要結(jié)論包括：

1)全年總輻射為4 519.26～5 488.30 MJ/m。冬小麥生長(zhǎng)季(10—翌年5月)太陽(yáng)總輻射平均為2 905.54 MJ/m，約占全年輻射量的58.6%，其關(guān)鍵生育期(3—5月)太陽(yáng)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(zhǎng)季(6—9月)太陽(yáng)輻射平均為2 049.03 MJ/m，占全年輻射量的41.4%，其關(guān)鍵生育期(7—8月)太陽(yáng)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(yáng)總輻射由東北向西南逐漸遞減。河北中部太陽(yáng)總輻射最高，超過(guò)5 400 MJ/m；河南東南地區(qū)最低，低于4 650 MJ/m。冬小麥生長(zhǎng)季及關(guān)鍵生育期兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，太陽(yáng)總輻射最高地區(qū)均為河北中部，分別超過(guò)3 000、1 700 MJ/m，河南東南地區(qū)最低，生長(zhǎng)季和關(guān)鍵生育期輻射分別低于2 700、1 400 MJ/m；夏玉米生長(zhǎng)季及關(guān)鍵生育期兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，太陽(yáng)總輻射最高地區(qū)為山東東北部及河北中部，分別超過(guò)2 250、1 050 MJ/m，華北平原南部最低，生長(zhǎng)季和關(guān)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(qū)太陽(yáng)總輻射呈下降趨勢(shì)。1961—2020年研究區(qū)周年太陽(yáng)總輻射平均減少了14.3%。時(shí)空分布基本呈東北及西南兩側(cè)高而中間低的狀態(tài)。

冬小麥生長(zhǎng)季及關(guān)鍵生育期大部分地區(qū)傾向率小于0，1961—2020年研究區(qū)冬小麥太陽(yáng)總輻射平均減少10.0%；冬小麥關(guān)鍵生育期太陽(yáng)總輻射平均減少4.7%。

夏玉米生長(zhǎng)季及關(guān)鍵生育期內(nèi)，太陽(yáng)總輻射傾向率普遍為負(fù)值。1961—2020年研究區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射平均減少17.8%；夏玉米關(guān)鍵生育期太陽(yáng)總輻射平均減少17.7%。

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

4)華北平原周年、冬小麥-夏玉米生長(zhǎng)季的直接輻射和光合有效輻射均呈下降趨勢(shì)，周年和小麥生長(zhǎng)季散射輻射均呈上升趨勢(shì)，玉米生長(zhǎng)季散射輻射呈下降趨勢(shì)。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(zhǎng)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(zhǎng)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)。