1971—2020年河南省太陽輻射資源及日照資源分析

摘 要：太陽輻射和日照是農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要條件，直接影響作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生育進(jìn)程等。采用1971—2020年河南省氣象相關(guān)指標(biāo)和數(shù)據(jù)，總結(jié)河南省輻射資源和日照資源分布特征，并以小麥和玉米為例，分析作物生長季年平均太陽輻射及其線性傾向率空間分布、日照時數(shù)和日照百分率的月變化及分布情況。研究結(jié)果顯示：太陽總輻射和光合有效輻射月際變化趨勢一致，全年分布均呈單峰型，即1月和12月的太陽輻射相對較少，5月和6月的太陽輻射相對較多；日照百分率的月際變化呈雙峰形式，表現(xiàn)為在春季相對較大，在夏季相對較小。

關(guān)鍵詞：河南省；輻射資源；日照資源；分布特征；農(nóng)作物

中圖分類號：S161.1" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2025）2-136-6

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2025.02.027

0 引言

農(nóng)業(yè)氣候資源由光資源、熱量資源、水分資源、大氣資源和風(fēng)資源等組成［1-2］。太陽輻射能是農(nóng)作物通過光合作用形成生物量最基本的能量，占太陽總輻射40%～50%的可見光部分為光合有效輻射，可被農(nóng)作物直接吸收。光合生產(chǎn)潛力是氣候資源評價的基本內(nèi)容。采用1971—2020年河南省太陽總輻射量、光合有效輻射量、日照時數(shù)3項衡量農(nóng)業(yè)光資源的指標(biāo)，探究河南省太陽輻射資源及日照資源分布特征，并以小麥和玉米為例，分析作物生長季年平均太陽輻射及其線性傾向率空間分布情況，日照時數(shù)和日照百分率的月際變化及分布情況，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局等提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 太陽輻射資源分析

太陽以電磁波形式向宇宙間傳遞能量，其能量放射形式稱太陽輻射，其發(fā)射出的能量稱為太陽輻射能。太陽輻射能是自然界綠色植物進(jìn)行光合作用的唯一能源，綠色植物通過光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，貯存在植物體中。太陽輻射在植物生長發(fā)育和形態(tài)特征的形成中起到至關(guān)重要的調(diào)節(jié)和控制作用。太陽總輻射指地球表面某一觀測點水平面上接收太陽直射輻射與太陽散射輻射的總和，是加熱地表和大氣的熱源，也是用來表征某地區(qū)太陽輻射量多寡的主要指標(biāo)。對于我國大部分地區(qū)來說，太陽總輻射隨季節(jié)變更有顯著變化，冬季太陽高度角相對較小，太陽總輻射較小，從春季到夏季隨著太陽高度角增大，太陽總輻射也逐漸增大，最高值出現(xiàn)在夏季。這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要影響。

太陽輻射中能被植物光合作用吸收利用的輻射波段稱為光合有效輻射。光合有效輻射不屬于常規(guī)觀測指標(biāo)，一般通過氣候?qū)W方法進(jìn)行估算，常見的方法是由太陽總輻射乘以一個換算系數(shù)來得到，有研究將數(shù)值0.49作為華北地區(qū)的光合有效輻射估算系數(shù)［3-5］。由于河南省內(nèi)太陽輻射觀測站點分布有限，僅鄭州市、南陽市和固始縣具備較長年代的太陽輻射觀測資料，為滿足全省范圍的太陽輻射資源評估和應(yīng)用需求，借助常規(guī)氣象資料進(jìn)行推算?。

1.1 太陽輻射資源月分布特征

由圖1可知，1971—2020年河南省平均太陽總輻射和光合有效輻射月際變化趨勢一致，分布均呈單峰型，1月和12月的輻射能較少；隨著氣溫升高，5月和6月的太陽輻射能較多；7月和8月因為降水量的增加、云層遮擋，太陽輻射資源開始下降。1971—2020年河南省月太陽總輻射為261～623 MJ/m2，月光合有效輻射為128～305 MJ/m2，如圖1所示；年太陽總輻射為5 133～5 514 MJ/m2，年光合有效輻射為2 515～2 702 MJ/m2，具體如圖2所示。

1.2 主要作物生長季太陽輻射資源變化

1.2.1 小麥

河南省冬小麥的生長期為10月1日至次年5月31日，圖3（a）為1971—2020年冬小麥生長季年平均太陽輻射空間分布。由圖3（a）可知，在研究期內(nèi)，河南省由北向南太陽輻射逐漸減少，豫北地區(qū)年平均太陽輻射值相對較高，大部分地區(qū)年平均太陽輻射值在3 146 MJ/m2以上，其中臺前縣地區(qū)年平均太陽輻射值最高，為3 318 MJ/m2；豫南地區(qū)的年平均太陽輻射值相對較低，大部分地區(qū)年平均太陽輻射值小于3 086 MJ/m2，其中內(nèi)鄉(xiāng)縣地區(qū)年平均太陽輻射值最少，為3 011 MJ/m2。

由圖3（b）可知，從太陽輻射線性傾向率空間分布來看，1971—2020年河南省冬小麥生長季太陽輻射除豫西部分地區(qū)呈增加趨勢外，其他大部地區(qū)均呈減少趨勢。另外，不同地區(qū)存在的差異較大，豫北和豫中大部地區(qū)太陽輻射減少明顯。其中，安陽地區(qū)輻射減少速率最快，平均每10 a減少118 MJ/m2；豫西大部地區(qū)輻射減少幅度較小，平均每10 a減少0～20 MJ/m2，部分地區(qū)出現(xiàn)增加趨勢。

1.2.2 玉米

河南省夏茬玉米的生長期為6月1日—9月30日，圖4（a）為1971—2020年夏玉米生長季年平均太陽輻射空間分布。由圖4（a）可知，豫北大部分地區(qū)、豫西、豫中和豫東北部地區(qū)的年平均太陽輻射較多，豫西中南部和豫東南部地區(qū)的年平均太陽輻射較少。豫北地區(qū)雨日數(shù)相對較少，大氣透明度高，輻射較強(qiáng)，大部分地區(qū)年平均太陽輻射值在2 242 MJ/m2以上；豫南、豫東地區(qū)陰雨日數(shù)較多，大氣透明度降低，太陽輻射較少，大部分地區(qū)年平均太陽輻射值小于2 215 MJ/m2。

圖4（b）顯示了1971—2020年河南省夏玉米生長季太陽輻射線性傾向率空間分布情況。由圖4（b）可知，全省太陽輻射均有不同程度的減少，豫東、豫北等平原地區(qū)大氣能見度降低，太陽輻射下降幅度較大；豫西地區(qū)多山區(qū)，大氣透明度變化相對較小，太陽輻射減少幅度較小［6］。

2 日照資源分析

日照長度是指一個地方日出至日落之間的可能日照時間數(shù)，稱為可照時數(shù)，又稱日長和光長，以小時為單位，由所在地區(qū)的緯度、季節(jié)等天文因子決定。日照長度不僅是表征天空狀況的重要氣候因素，也是重要的農(nóng)業(yè)生態(tài)因素，對作物的開花、生長發(fā)育和產(chǎn)量形成有著重要影響。由于地表會受到云、霧、降水和大氣透明度等因素的影響，山區(qū)還會受到山體遮擋的影響，因此地表實際受到的太陽光照時數(shù)少于可照時數(shù)，也常用“日照百分率”來表征實際到達(dá)地面的光照條件。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，日照百分率一般在70%～80%較為適宜，大于80%表明該地區(qū)陰雨偏少，可能產(chǎn)生旱害；小于70%表明該地區(qū)陰雨偏多，可能產(chǎn)生澇害或漬害。

光照強(qiáng)度是決定農(nóng)作物光合作用強(qiáng)弱的主要因子之一，光照強(qiáng)度影響農(nóng)作物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生育進(jìn)程和產(chǎn)量形成。在其他環(huán)境因子與生存條件適宜的情況下，光合作用強(qiáng)度隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，到達(dá)一定程度時光合作用達(dá)到最大值，即達(dá)到光飽和，這時的光照強(qiáng)度稱為光飽和點?？梢哉f，光飽和點就是植物所需光照的最大值。一般而言，整株植物的光飽和點高于單葉，植物群體的光飽和點比單葉甚至整株植物都要高。同一作物不同生育期的光飽和點有顯著差異，植物苗期和衰老成熟期的光飽和點相對較低，生長盛期的光飽和點相對較高。植物通過光合作用制造的有機(jī)物質(zhì)與呼吸作用消耗的物質(zhì)相平衡時的光照強(qiáng)度稱為光補(bǔ)償點，長期處于光補(bǔ)償點以下的植物會逐漸黃萎，甚至死亡。光照強(qiáng)度弱會引起作物個體和群體形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，當(dāng)光照不足時，植物會出現(xiàn)莖稈細(xì)弱、節(jié)間拉長、體內(nèi)機(jī)械組織和輸導(dǎo)組織退化、葉片黃瘦、根系不發(fā)達(dá)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量［7］。

2.1 日照時數(shù)月分布特征

由圖5可知，1971—2020年河南省平均日照時數(shù)的月際變化呈單峰形式，全年最大值出現(xiàn)在5月份，最小值出現(xiàn)在2月份。1971—2020年河南省日照百分率的月際變化呈雙峰形式，表現(xiàn)為在春季和冬季相對較大、秋季次之、夏季最少。這是因為春季晴朗少雨，日照百分率相對較高，在4月份達(dá)到最高值；夏季云量多，日照百分率降低；秋季和冬季，相對濕度下降，日照百分率逐漸增大。

由圖6可知，1971—2020年河南省年平均日照時數(shù)為1 793～2 233 h，各地日照時數(shù)百分率為40.8%～50.8%。其中，年平均日照時數(shù)和日照百分率最高的地區(qū)是濮陽市，最低的地區(qū)是內(nèi)鄉(xiāng)縣。

2.2 主要作物生長季日照時數(shù)變化

2.2.1 小麥

圖7（a）顯示了1971－2020年河南省冬小麥生長季（10月1日至次年5月31日）平均日照時數(shù)空間分布情況。由圖7（a）可知，此期日照時數(shù)由北至南逐漸減少，豫北日照時數(shù)相對較高，最高值為1 479 h，出現(xiàn)在濮陽市和臺前縣地區(qū)；豫南地區(qū)日照時數(shù)較低，最低值為1 093 h，出現(xiàn)在信陽市新縣，豫南和豫北地區(qū)日照時數(shù)最大相差386 h。

圖7（b）顯示了1971—2020年河南省冬小麥生長季日照時數(shù)傾向率空間分布情況。由圖7（b）可知，除豫西部分地區(qū)日照時數(shù)表現(xiàn)為增加趨勢外，全省其他大部分地區(qū)的日照時數(shù)都呈減少趨勢，其中豫北、豫東地區(qū)減少趨勢最為明顯。

2.2.2 玉米

圖8（a）顯示了1971—2020年河南省玉米生長季（6月1日—9月30日）平均日照時數(shù)空間分布情況。由圖8（a）可知，全省玉米生長季日照時數(shù)為672～860 h，平均日照時數(shù)的空間分布特征與太陽輻射的分布基本一致，表現(xiàn)為豫北地區(qū)相對較高，豫南、豫西地區(qū)相對較低。

圖8（b）顯示了1971—2020年河南省夏玉米生長季日照時數(shù)的線性傾向率空間分布情況。由圖8（b）可知，此期全省日照時數(shù)有不同程度的減少趨勢，豫東、豫北地區(qū)減少速率較快，其中開封地區(qū)日照時數(shù)平均每10 a減少61 h以上；豫西地區(qū)日照時數(shù)減少幅度較小。

3 結(jié)論

①1971—2020年河南省太陽總輻射和光合有效輻射月際變化趨勢一致，全年分布均呈單峰型，1月和12月的太陽輻射相對較少，5月和6月的太陽輻射相對較多。

②1971—2020年河南省冬小麥生長季平均太陽輻射由北向南逐漸減少，全省太陽輻射為3 011～3 318 MJ/m2，除豫西部分地區(qū)呈增加趨勢外，其他大部地區(qū)均呈減少趨勢。豫北和豫中大部地區(qū)太陽輻射減少明顯，其中安陽市地區(qū)減少最明顯，平均每10 a減少118 MJ/m2；豫西大部地區(qū)太陽輻射減少幅度較小，平均每10 a減少0～20 MJ/m2，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)了增加趨勢。

③1971—2020年河南省夏玉米生長季平均太陽輻射豫北大部，豫西、豫中和豫東的北部地區(qū)較多，豫西的中南部和豫東南部地區(qū)較少。豫北大部分地區(qū)在2 242 MJ/m2以上；豫南、豫東大部分地區(qū)輻射小于2 215 MJ/m2。另外，全省太陽輻射均有不同程度的減少，豫東、豫北等平原地區(qū)輻射下降幅度較大，豫西地區(qū)輻射減少幅度較小。

④1971—2020年河南省年平均日照時數(shù)為1 793～2 233 h，多年平均日照時數(shù)和日照時數(shù)百分率最高的地區(qū)是濮陽市、最低的地區(qū)是內(nèi)鄉(xiāng)縣。日照時數(shù)月際變化呈單峰形式，全年最大值出現(xiàn)在5月，最小值出現(xiàn)在2月；日照百分率的月際變化呈雙峰形式，表現(xiàn)為春季相對數(shù)值較大，夏季相對數(shù)值較小。

參考文獻(xiàn)：

［1］朱漢青，王鵬.氣候變暖背景下濟(jì)南農(nóng)業(yè)氣候資源特征［J］.農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2022，12（5）：27-29.

［2］張麗達(dá)，宋丹丹，姚宏偉.農(nóng)安縣農(nóng)業(yè)氣候資源特征分析［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019，18（3）：135-136.

［3］李茂芬，李玉萍，羅微，等.海南島逐日太陽總輻射長期演變特征與關(guān)聯(lián)因子［J］.熱帶地理，2016，36（4）：666-672.

［4］鄒武，萬斌，孫李媛，等.南昌地區(qū)太陽輻射資源分析［J］.能源研究與管理，2019（3）：24-27，38.

［5］司福意.焦作市太陽輻射資源分析評估［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2013，36（2）：87-91.

［6］趙秀蘭，徐玲玲，張艷紅，等.未來黃淮海地區(qū)夏玉米光溫水資源適宜度及災(zāi)害風(fēng)險演變特征［J］.海洋氣象學(xué)報，2023，43（3）：88-103.

［7］陸燕.平陸縣光照資源的氣候變化特征［J］.農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2019，39（20）：149-150.

Analysis of Radiation Resources and Sunshine Resources in Henan Province from 1971 to 2020

CAO Shuchao

Henan Provincial Meteorological Society， Zhengzhou 450003， China

Abstract： Radiation and sunshine are important conditions for the growth and development of crops and the formation of yield， which have an impact on the morphological structure and fertility process of crops. This paper summarizes the distribution characteristics of radiation resources and sunshine resources by using the relevant meteorological data and indicators from 1971 to 2020 in Henan Province， and taking wheat and corn as examples， analyzes the annual spatial distribution of solar radiation and its linear tendency rate， the monthly change and distribution of sunshine hours and sunshine percentage. The results show that the total solar radiation and photosynthetic effective radiation are consistent， with unimodal distribution throughout the year， being lower in January and December in winter， and relatively highe more solar radiation in May and June. The inter-monthly variation in the percentage of sunshine showed a bimodal form， with higher values in spring and lower values in summer. This study can provide some reference basis for the layout of agricultural production.

Key words： Henan Province; radiation resources; sunshine resources; distribution characteristics; crops