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2020 , Vol. 40 >Issue 10: 1742 - 1752

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2020.10.018

秦巴山区地表太阳辐射的时空动态及农业气候区划研究

  • 张静 , 1, 2 ,
  • 吴洁 1 ,
  • 秦公伟 3 ,
  • 冯俊霄 1 ,
  • 郑博 1 ,
  • 赵文博 1
展开
  • 1. 陕西理工大学历史文化与旅游学院， 陕西 汉中 723001
  • 2. 陕西理工大学陕南绿色发展与生态补偿研究中心，陕西 汉中 723001
  • 3. 陕西理工大学生物科学与工程学院，陕西 汉中 723001

张静（1981−），女，陕西汉中人，副教授，博士，主要从事资源环境评价与GIS研究。E-mail：

收稿日期: 2020-02-16

  网络出版日期: 2020-12-05

基金资助

国家自然科学基金项目（42001207）、陕西省高层次人才特殊支持计划（2017年）、陕西省教育厅社会科学重点研究基地项目（17JZ018）、陕西理工大学校级人才启动项目（SLG2019RC23）、陕西理工大学重点科研机构开放课题（SLGPT2019KF04-06）资助

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Spatio-temporal Dynamics of Surface Solar Radiation and Agroclimatic Zoning in the Qinling-Bashan Mountains

  • Zhang Jing , 1, 2 ,
  • Wu Jie 1 ,
  • Qin Gongwei 3 ,
  • Feng Junxiao 1 ,
  • Zheng Bo 1 ,
  • Zhao Wenbo 1
Expand
  • 1. School of History Culture and Tourism, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, Shaanxi, China
  • 2. Southern Shaanxi Center for Green Development and Ecological Compensation Research, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, Shaanxi, China
  • 3. School of Biological Science and Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, Shaanxi, China

Received date: 2020-02-16

  Online published: 2020-12-05

Supported by

National Natural Science Foundation of China (42001207), Special Support Plan for High-level Talents in Shaanxi Province (2017), Project of Key Research Base for Social Sciences of Education Department of Shaanxi Provincial Government (17JZ018), Talent Startup Project of Shaanxi University of Technology (SLG2019RC23), Open Projects of Key Research Institutions (SLGPT2019KF04-06)

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摘要

运用GIS空间分析，研究了秦巴山区1960—2015年地表太阳辐射的时空动态。结果表明：① 秦巴山区地表太阳辐射量年平均值为4 482.77 MJ/m2，呈现由南向东北、西北递增的态势；年际变异系数为8.85%，呈现由西南向东北递减的态势。② 地表太阳辐射量年际变化呈明显下降趋势，年平均递减率为−10.17 MJ/m2，1970—1992年下降尤为明显；空间上呈现西北局部不显著的微增和东部普遍显著性的减少。③ 年内地表太阳辐射量呈单峰型，最大值在7月，最小值在12月，空间上由南向西北、东北递增；7月年递减率为−0.49 MJ/m2，以西南剑阁县、北川县和东南保康县递减明显；12月年递减率为−0.715 MJ/m2，以汉滨区递减最快；④ 结合降水量和≥10℃积温，将秦巴山区分为5个农业气候区。秦巴山区地表太阳辐射量呈“北高南低的纬向变化，高纬东西分异”，年内递减区表现为“夏季纬向变化，冬季涡旋状”的空间差异。因此，区域内部地表太阳辐射量空间差异大，利用光能资源助力农业扶贫，应体现区域差异。

关键词： 地表太阳辐射量; 时空特征; 农业气候区划; 秦巴山区

本文引用格式

张静 , 吴洁 , 秦公伟 , 冯俊霄 , 郑博 , 赵文博 . 秦巴山区地表太阳辐射的时空动态及农业气候区划研究[J]. 地理科学, 2020 , 40(10) : 1742 -1752 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2020.10.018

Abstract

Revealing the spatiotemporal dynamics of surface solar radiation in Qinling-Bashan Mountains is helpful to the utilization of regional solar energy resources and to agricultural production. In this article, using GIS spatial analysis, the spatiotemporal dynamics of surface solar radiation in Qinling-Bashan Mountains from 1960 to 2015 were studied to reveal distribution law, which laid a foundation for the study of agroclimatic zoning. The results showed that: 1) The annual average of surface solar radiation is 4 482.77 MJ/m2 in Qinling-Bashan Mountains, showing an increasing trend from south to northeast and northwest; the interannual variation coefficient is 8.85%, showing a decreasing trend from southwest to northeast. 2) With an average interannual decline rate of -10.17 MJ/m2. The interannual variation of surface solar radiation temporally showed a significant downward trend, especially in 1970-1992, and spatially showed non-significantly slight increase in part of the northwest and significantly general decrease in the East. 3) The innerannual surface solar radiation showed a single peak pattern, with the maximum in July and the minimum in December. It spatially increased from south to northwest and northeast. The annual decline rate is -0.49 MJ/m2 in July, obviously declining in Jiange County and Beichuan County in the southwest and Baokang County in the southeast. The annual decline rate is -0.715 MJ/m2 in December, with fastest declining in Hanbin District. 4) According to precipitation and ≥10℃ accumulated temperature, the Qinling-Bashan Mountains are divided into five agroclimatic zonings. The surface solar radiation in Qinba mountain area is “longitudinal variation of high in the north and low in the south, differentiation between the east to the west in high latitudes”. Regional differences should be reflected in the use of light resources to help the poverty alleviation in agriculture.

Key words： surface solar radiation; spatio-temporal characteristic; agroclimatic zoning; the Qinling-Bashan Mountains

太阳辐射是地球表层一切物理、化学与生物过程的主要能量来源，不仅是植物光合作用、蒸腾作用和土壤蒸发等一系列过程的主要驱动因子，更是全球气候形成与变化的重要驱动力[1~3]。而地表太阳辐射是地球生命活动的主要能源物质。因此，太阳辐射的变化会引起地表光、热、水等过程的改变，进而影响到区域生态环境、农业生产生活和区域气候变化等方面，从而使地表太阳总辐射的空间分布规律成为气候学的重要研究内容之一，具有极其重要的理论与实际意义。近年来，由于人类活动的加剧和自然灾害的频发，大气中气溶胶含量增加，到达地面的太阳辐射有所减少，不仅引起全球及局地小气候的变化，还影响人类对光能的利用[4,5]。20世纪90年代国内外学者先后开展了关于地表太阳辐射变化的研究，研究成果表明：到达地面的太阳辐射随时间的推移呈阶段性变化，20世纪60~90年代初地表太阳辐射减少，之后呈现增加趋势[6~9]。国内学者也进行了研究，已有研究表明地表太阳辐射存在长短周期性变化，云量、风速、日照百分率以及人类活动对地表太阳辐射具有一定的区域性和局地效应[10]。近年来，随着GIS的广泛应用，左大康等[11]最早运用GIS绘制了中国各月总辐射与年总辐射分布图。随着国内气象事业的发展，国内学者基于气象站点统计资料积极开展了不同空间尺度地表太阳辐射量的时空变化，并进行了成因分析，表明20世纪90年代以前太阳辐射量呈减少趋势，90年代以后开始上升[12,13]，大气浑浊度、大气悬浮粒子、水汽与地表太阳辐射量减少有关，云量对地表太阳辐射量的影响呈现区域差异[14~16]。受人类活动和全球气候变化的影响，区域地表太阳辐射量发生变化，影响人类对地表太阳辐射量的利用。随着自然、经济、社会等要素的长期变化，农业生产潜力也相应发生变化，农业地域格局产生新的地域分异，为现代综合农业区划奠定了科学基础[17,18]。目前，中国正处于向现代农业转变的重要时期[19]，农业综合开发工作转变到数量质量并重、农产品竞争力凸显、农业科技创新加大等现代农业发展道路[20]。在分析长时间序列地表太阳辐射量时空格局的基础上，科学评价区域农业气候资源，能有效提高资源利用效率，为区域农业综合开发战略转型奠定良好的基础。已有研究中多采用光照、降水量和气温进行农业气候区划，如根据农业生长季气候要素，采用聚类方法进行吉林省的种植区划[21]，而通过地表太阳辐射、降水量和积温进行农业综合区划研究不足。秦巴山区不仅是国家级集中连片特困区之一，也是重要的生态功能区，区域农业生产历史悠久，揭示其光热水的特点，对于现代农业布局及国土空间优化具有现实意义。本文主要通过气象站点地表太阳辐射量的统计资料，分析区域地表太阳辐射量的时空差异及变化趋势，结合积温和降水的空间分布，进行区域农业区划，以有效利用光能资源，加快推进秦巴山区绿色扶贫产业规划，合理布局现代科技产业。

1 研究区域概况

秦巴山区指秦岭和大巴山及其毗邻地区，西起青藏高原东缘，东至华北平原西南部，介于105°29′E~114°31′E，29°51′N~34°32′N之间，地处陕、甘、川、渝、鄂、豫6省市交界处，呈近东西向延伸。境内山峦起伏，地貌复杂，以山地丘陵为主，间有汉中、安康、商洛和徽成等盆地（图1）。该地区气候类型多样，垂直变化显著，以秦岭为界，南部为亚热带湿润季风气候区，四季分明，年平均气温12~17℃，雨量充沛，年降水量为800~1 700 mm，但时空分布不均，南多北少，局部山区存在暴雨中心，年降水量高达1 500~2 000 mm，其中80%的降水集中在夏季；北部为暖温带大陆性季风气候区，气候干旱，四季分明，年均气温为13.3℃，年降水量为600~700 mm[22]。秦巴山区地跨长江、黄河、淮河三大流域，是淮河、汉江、丹江、洛河等河流的发源地，水系发达，径流资源丰富，森林覆盖率达53%，是国家重要的生物多样性和水源涵养生态功能区。
图 1 秦巴山区DEM和气象站点

Fig.1 DEM and meteorological stations in the Qinling-Bashan Mountains

2 研究方法及数据处理

2.1 数据来源及处理

1）秦巴山区数字高程模型（DEM）来自于地理空间数据云（ http://www.gscloud.cn/），气象站点空间分布数据、年降水量空间数据、≥10℃积温空间数据均来自于中国科学院资源环境科学与数据中心（ http://www.resdc.cn/），其他矢量数据均来自于国家1︰400基础数据。
2）本文研究所采用的数据源于国家气象信息中心中国气象数据共享服务网（ http://data.cma.cn/）。选取1960—2015年秦巴山区42个气象站的地面太阳辐射月观测数据，采用IDW进行插值，分析秦巴山区太阳辐射的时空分布及变化特征。

2.2 研究方法

2.2.1 线性倾向估计法

线性倾向估计法是反映气象要素年际变化趋势的常用方法。
${\hat y_i} = a + b{x_i}$
式中， $\hat y$ 为模拟地表太阳辐射量，反映地表太阳辐射量每个像元随时间推移的年际变化。i为年份，i=1,2,3,…,n（n=56）。 ${x_i}$ 为第i年地表太阳辐射量。当b>0时，表明随着时间的推移，地表太阳辐射量呈上升趋势；反之呈下降趋势。同时，使用t检验进行空间显著性判断，其检验统计量Tc[10]公式为：
${T_c} = r\sqrt {n - 2} /\sqrt {1 - {r^2}} $
式中，r为相关系数。给定显著性水平α=0.05，当 $\left| {{T_c}} \right|$ >Tα，则拒绝原假设H0，认为y的变化趋势是显著的；反之，则不显著。

2.2.2 累计距平法

累计距平法也是一种表示趋势变化的线性波动方法[10]。
${\hat x_t} = \sum\limits_{i = 1}^t {({x_i} - \bar x)} $
式中， ${\hat x_t}$ 为累积距平值。 ${x_i}$ 为第i年地表太阳辐射量， $\bar x$ 为多年平均地表太阳辐射量。

2.2.3 变异系数

变异系数（CV）是用来衡量地表太阳辐射量的离散程度，分析其变化的稳定性。
$ CV = \left( {STD/Mean} \right) \times 100\% $
式中，STD是多年地表太阳辐射量的标准差，Mean是多年地表太阳辐射量的平均值。CV值越大，表明地表太阳辐射量离散程度越大。
采用Mann-kendall非参数突变检验方法（简称“M-K检验”）对1960—2015年秦巴山区地表太阳辐射量长时间序列进行突变检验，该方法是目前突变性检验方法中应用最为广泛的一种方法，计算方法详见参考文献[10]和[23]。在M-K检验曲线上，UF或UB值大于0，表明序列呈上升趋势；反之，则下降趋势。同时若曲线超过临界直线时，则为显著性。当UF和UB曲线相交，有一个交点且位于置信区间内为显著突变，但若在置信区间外为突变不显著；当具有2个及其以上交点为波动性变化[24]。

3 结果与分析

3.1 年地表太阳辐射量时空变化分析

3.1.1 年地表太阳辐射量时间变化特征

1960—2015年秦巴山区多年平均地表太阳辐射量（Surface solar radiation，SOL）为4 482.77 MJ/(m2·a)，见图2。年均地表太阳辐射量平均递减率为−10.17 MJ/（m2·a），相关系数r=0.4514>r0.01 （0.3415），呈显著性波动下降趋势。与多年平均地表太阳辐射量相比，1960年正距平最大，相差1 001.15 MJ/m2；1989年负距平最大，相差−752.08 MJ/m2，区域地表太阳辐射量变异系数为8.13%，表明研究区内地表太阳辐射量数据离散程度较小，呈阶段性变化。累积距平曲线表示年代际的长期变化趋势，通过图2累积距平曲线看出，20世纪70年代中期以前，地表太阳辐射量呈上升趋势；20世纪70年代后期到90年代中期呈下降趋势；20世纪90年代中后期至今呈波动变化。通过M-K检验曲线可以看出，1971年地表太阳辐射量发生突变，这种下降趋势一直延续到1992年。1992年以后UB曲线在置信区间内，反映地表太阳辐射量变化的不显著。1971—1992年地表太阳辐射量年平均递减率为−35.09 MJ/m2，相关系数r=0.7603>r0.01 (0.4629)，呈现显著性骤降趋势。1992年以后地表太阳辐射量年平均增长率为10.12 MJ/m2，相关系数r=0.3240<r0.01 (0.4869)，上升趋势不显著。
图 2 秦巴山区1960—2015年地表太阳辐射量（SOL）年变化及M-K检验

Fig.2 Annual variation of surface solar radiation and its test of M-K in the Qinling-Bashan Mountains from 1960 to 2015

3.1.2 年地表太阳辐射量空间变化特征

到达地表的太阳辐射受地形、海拔高度、天气现象等因素的影响，存在明显的地域差异。1960—2015年秦巴山区年平均地表太阳辐射量空间取值介于3 937.3~5 237.8 MJ/m2之间，呈由南向北递增的态势（图3a）。文中将秦巴山区年均地表太阳辐射量划分为4个等级，其中，I：年平均地表太阳辐射量大于4 800 MJ/m2，占研究区总面积的8.59%，位于秦岭西段陇南市宕昌县、礼县、西和县，年地表太阳辐射量高达5 237.3 MJ/m2，该区域纬度较高，降水量少，晴天多，大气对太阳辐射的削弱作用小。II：年均地表太阳辐射量在4 500~4 800 MJ/m2之间，占全域面积的40.39%，位于秦岭南坡汉江北岸，属于亚热带北界，降水量在800~1 000 mm之间，水汽含量的增加削弱了到达地面的太阳辐射。III：年均地表太阳辐射量在4 200~4 500 MJ/m2之间，占全域面积的35.89%，位于31.5°N~32°N之间，汉江南岸及巴山主体。IV：年均地表太阳辐射量小于4 200 MJ/m2，占全域面积的15.12%，位于约31.5°N以南，巴山南麓毗邻重庆市东北部，属亚热带湿润季风气候；该区域纬度低受来自西南的暖湿气候影响较大，云量较多，大气对太阳辐射的削弱作用较强，其中重庆市云阳县、奉节县西南部年均地表太阳辐射量接近3937.3 MJ/m2。
图 3 秦巴山区1960—2015年平均地表太阳辐射量空间分布（a）及变异系数（b）

Fig.3 The spatial distribution of average surface solar radiation (a) and its coefficient of variation (b)in the Qinling-Bashan Mountains from 1960 to 2015

秦巴山区地表太阳辐射量年际变异系数为8.85%，空间取值范围为6.09%~15.63%，由西南向西北东北递减（图3b）。变异系数大于10%的，占区域总面积的21.28%，主要分布在巴山南麓县区。介于8%~10%的，占区域总面积的46.49%，主要分布在巴山北麓到秦岭中西段山地区。变异系数小于8%的，占区域总面积的32.23%，主要分布在秦岭东段低山区和秦岭西段极高山区。整体来看，秦巴山区地表太阳辐射量高值区，其对应的变异系数小，而巴山南麓地表太阳辐射量低值区，其对应的变异系数大。已有研究表明，降水量对地表太阳辐射量影响最大[25]。受降水量的影响较大，秦巴山区降水量高值区的地表太阳辐射量小，年际变化大；反之，则小。
1960—2015年秦巴山区年平均地表太阳辐射量整体呈现下降趋势，空间上其年际变化趋势为−20.912~2.269 MJ/m2，呈现由东南向西北递增的趋势，但在汉滨区形成衰减极涡，见图4。1960—2015年，显著性减少的区域面积占总面积的95.76%。其中，汉滨区和旬阳县年平均递减率介于−20.91 MJ/m2~−15.0 MJ/m2之间，形成衰减极涡，仅占区域总面积的4.07%，可能在于20世纪70~90年代该地区工业化的发展[26]，人为排放的气溶胶增加，对太阳辐射具有明显的削弱作用[27]。秦巴山区中东部年平均递减率介于−15.0 MJ/m2~−10.0 MJ/m2之间，占总面积的61.72%；秦巴山区西部川陕境内年平均递减率介于−10.0 MJ/m2~−5.0 MJ/m2之间，占总面积的25.63%；秦巴山区西部甘肃境内有4.33%的面积呈显著性下降，年平均递减率为−5.0 MJ/m2~0之间。不显著性变化的区域仅占总面积的4.24%，集中在礼县和宕昌县。总体来看，秦巴山区地表太阳辐射量东部降幅大，西部降幅小，与降水量的空间分布特征也有一定关系。
图 4 秦巴山区1960—2015年太阳辐射年平均空间变化趋势（a）及其显著性（b）

Fig.4 Spatial variation trend of surface solar radiation (a) and its significance (b) in the Qinling-Bashan Mountains from 1960 to 2015

3.2 年内地表太阳辐射量时空变化分析

3.2.1 年内地表太阳辐射量时间变化特征

为了进一步研究秦巴山区太阳辐射量年内变化特征，经统计秦巴山区1960—2015年多年地表太阳辐射量年内变化呈现单峰型（图5）。秦巴山区地表太阳辐射量的年内变化与太阳直射点的年内变化规律几乎同步。7月太阳直射点位于北回归线附近，正处于北半球夏季，太阳高度角为一年当中最高，地表太阳辐射量达到年内最大值，为538.62 MJ/m2；12月太阳直射点位于南回归线附近，正处于北半球冬季，太阳高度角为年内最低，地表太阳辐射量最小，为210.17 MJ/m2。
图 5 地表太阳辐射量年内变化

Fig.5 Innerannual variation of surface solar radiation

3.2.2 7月份地表太阳辐射量时空特征

秦巴山区7月地表太阳辐射量空间分布呈现由西南向西北、东北递增的态势（图6a）。7月份多年平均地表太阳辐射量为538.62 MJ/m2，空间取值范围为494.35~596.53 MJ/m2。其中，7月地表太阳辐射量大于560 MJ/m2主要集中在甘肃省宏昌县、礼县、西和县等地区，占全域面积的5.38%。介于530~560 MJ/m2之间的大致分布在纬度32°N~33.5°N，占全域面积的72.98%，其中，介于540~550 MJ/m2之间的所占面积最广，为37.14%，主要分布在安康、商洛、湖北一带以及秦岭南麓留坝县、洛阳县一带；介于530~540 MJ/m2之间的占总面积的29.57%，主要分布在巴山以北一带；小于520 MJ/m2的主要集中在四川省仪陇县、剑阁县、北川县、平昌县、巴中市、昭化区、苍溪县的巴山南部山区，占全域面积的9.04%。
图 6 秦巴山区1960—2015年7月平均地表太阳辐射量空间分布（a）及变异系数（b）

Fig.6 The spatial distribution (a) of average surface solar radiation and its coefficient of variation (b) in the Qinling-Bashan Mountains in July of 1960-2015

7月地表太阳辐射量年际变异系数呈现由东北、西北向中部和南部递增的态势，见图6b。7月份地表太阳辐射量年际变异系数平均值为11.12%，空间取值范围为8.65%~16.64%。其中，7月地表太阳辐射量年际变异系数小于10%，占总面积的24.22%，主要集中在秦巴山区东北部卢氏县、栾川县、洛宁县、嵩县及其接壤县区，以及甘肃宕昌县、礼县、西和县等。介于10%~11%之间的，占总面积的22.41%，主要集中在巴山以北的陕西汉中和商洛、湖北境内。变异系数大于12%的，占总面积的53.37%，主要集中在巴山以南县区的陕西安康、四川和重庆境内。综上，秦巴山区东北部河南境内及其周边和西北部甘肃境内7月份地表太阳辐射量高，年际变异系数小；西南部四川和重庆境内地表太阳辐射量低，但是年际变异系数大。可能在于秦巴山区降水空间分布呈由西南向西北和东北递减的态势，降水量年际变率大[28]，最热月7月的地表太阳辐射量年际变率也大。
秦巴山区7月地表太阳辐射量年际变化趋势多年平均值为−0.49 MJ/m2，空间取值范围为−1.73~0.672 MJ/m2，呈现由西南、东南向秦岭中西部递增的趋势（图7）。其中，呈现显著性变化的区域占总面积的64.59%，无显著性变化的区域占总面积的35.41%。显著性变化率为−1.0~0 MJ/m2之间的，占全区总面积48.92%，主要分布在巴山南北麓；显著性减少率为−1.74~−1.0 MJ/m2占总区域面积13.71%，呈明显减少趋势，集中分布在巴山南麓北川县、剑阁县、仪陇县、巫山县、保康县和镇平县的南部。呈显著性增加的，仅占总区域面积的1.96%，分布在秦岭北麓周至县。总体来看，巴山南北麓7月地表太阳辐射量呈显著性下降，汉江以北至秦岭南麓为无显著性变化。可能在于巴山南北麓山区降水量的微上升与日照时数的显著性下降引起的[28]。
图 7 秦巴山区1960—2015年7月太阳辐射年平均空间变化趋势（a）及其显著性（b）

Fig.7 Spatial variation trend of surface solar radiation (a) and its significance (b) in the Qinling-Bashan Mountains in July of 1960-2015

3.2.3 12月地表太阳辐射量时空特征

秦巴山区1960—2015年12月地表太阳辐射量的多年平均值为210.17 MJ/m2，空间取值范围为168.86~257.57 MJ/m2，呈现由南向西北递增的态势（图8a）。12月地表太阳辐射量小于190 MJ/m2的，占全区总面积的14.48%，分布于重庆市云阳县、奉节县、巫山县南部附近地区；介于190~210 MJ/m2之间的，占全域总面积的31.44%，主要集中于米仓山−巴山南北麓；介于210~230 MJ/m2之间的，占全域总面积的43.55%，主要分布于汉江以北至秦岭南麓；大于230 MJ/m2的，占全域总面积的10.53%，主要分布在秦巴山区甘肃境内。
图 8 秦巴山区1960—2015年12月平均地表太阳辐射量空间分布（a）及变异系数（b）

Fig.8 The spatial distribution of average surface solar radiation (a) and its coefficient of variation (b) in the Qinling-Bashan Mountains in December of 1960-2015

从多年地表太阳辐射量数据离散程度来看，12月地表太阳辐射量年际变率大，多年平均值为20.35%，空间取值范围为12.09%~35.30%（图8b）。其中，变异系数小于18%的，占区域总面积21.39%，主要分布在秦巴山区的西北甘肃境内和东北河南境内；介于18%~20%的，占区域总面积24.12%，主要分布在秦巴山区的秦岭北麓山麓地带；介于20%~22%的，占区域总面积24.65%，主要分布在秦巴山区的巴山北麓地带。变异系数大于22%的，占区域总面积的29.84%，集中分布在秦巴山区巴山南麓四川和重庆境内南隅。总体来看，12月份地表太阳辐射量的空间分布与7月太阳辐射量的空间分布特征相似，西北甘肃境内最高，东北河南境内次之，巴山重庆南部最低。年际变率上，巴山以南变率大，东北、西北变率小，同样与降水量年际变率的空间分布特征近似。
12月地表太阳辐射量的年际变化率空间取值范围为−1.83~0.63 MJ/m2，多年平均值为−0.715 MJ/m2，呈东南向西北递增的态势。呈显著性变化的占秦巴总面积的64.59%（图9）。其中，变化率小于−1.0的，占总面积的13.71%；介于−1.0~0之间的，占总面积的48.92%，这二者集中分布在区域东部；变化率大于0的，占总面积1.96%，分布在甘肃的宕昌县。呈不显著性变化的，占秦巴总面积的35.41%，主要分布在甘肃境内。12月地表太阳辐射量的空间变化与7月地表太阳辐射量的空间分布有较大的差异性。秦巴山区东部具有明显的下降趋势，可能与近年来秦巴山区中部和东部冬季大气气溶胶含量高有关[29]。秦巴山区以山地地貌为主，河谷盆地地貌典型，城市化和工业化的发展使大量大气气溶胶难以扩散，造成了对太阳辐射的削弱，引起秦巴山地冬季地表太阳辐射量明显减少。
图 9 秦巴山区1960—2015年12月太阳辐射年平均空间变化趋势（a）及其显著性（b）

Fig.9 Spatial variation trend of surface solar radiation (a) and its significance (b) in the Qinling-Bashan Mountains in December of 1960-2015

3.3 农业气候区划

气候资源是农业区划的基础和关键，其中，光、热和水对农作物的生长和发育起着非常重要的作用[30]。文中综合考虑各县区降水量、≥10℃积温和地表太阳辐射量，对秦巴山区进行农业气候区划(图10)。文中运用了层次聚类分析法中Ward’s方法（最小方差法）[31,32]，对各县区的降水量、积温和地表太阳辐射量进行了聚类分析，将其分为5种农业气候区：第一类：主要分布在巴山以南四川和重庆境内，纬度在31°N~32.5°N之间。地表太阳辐射量小于4200 MJ/m2，≥10℃积温大于4 500℃，降水量均大于1 100 mm，为亚热带湿润气候。该区域为典型的华西秋雨区，降水丰沛，光照较弱，主要种植水稻，以喜温好湿作物为主，注意秋季连阴雨对农业生产的影响。第二类：主要分布在巴山北麓和秦岭中段低山区，纬度在32.5°N~33.5°N之间。地表太阳辐射量4 200~4 400 MJ/m2，≥10℃积温为3 400~4 500℃，降水量为900~1 100 mm。该区域降水比第一类减少，光照增强，但主要分布于巴山北麓和秦岭中段中低山区，耕地资源非常有限，多种植茶叶等经济作物。第三类：主要分布在汉江上游的中下段，地表太阳辐射量4 400~4 600 MJ/m2，≥10℃积温4 000~5 000℃，降水量在800~1 000 mm之间。该区域地势相对开阔，水稻种植面积广。第四类：主要分布秦岭东段河南境内和商洛市境内，纬度在33°N~34.5°N之间，地表太阳辐射量较高，大于4 600 MJ/m2，≥10℃积温3 000~4 000℃，降水量在600~800 mm之间。该区域光能资源良好，应发展绿色经济作物，但注意节水灌溉。第五类：主要分布秦岭中西段，≥10℃积温小于3 000℃，热量不足。秦巴山区西段徽县、成县、两当县、武都区、平武县、礼县、西和县、宕昌县、康县和文县为非华西秋雨区，地表太阳辐射量大于4 600 MJ/m2，降水量不足600 mm，强光照，主要发展耐旱耐寒的瓜果类经济作物和充分利用太阳能资源。秦巴山区中段周至县、太白县、佛坪县、宁陕县、留坝县和柞水县属于华西秋雨区外缘，地表太阳辐射量略低于4 600 MJ/m2，降水量在800~1 000 mm之间，弱光照，主要以喜凉植物为主。
图 10 秦巴山区积温空间分布（a）和农业区划分类（b）

Fig.10 Spatial distribution of accumulated temperature (a) and agricultural zoning (b) in the Qinling-Bashan Mountains

4 结论与讨论

1） 年际变化：1960—2015年秦巴山区地表太阳辐射量年平均值为4 482.77 MJ/m2，呈阶段性递减态势，年平均递减率为−10.17 MJ/m2，1992年为突变点。1971—1992呈显著性下降趋势，1992—2015年为不显著的微增趋势。区域地表太阳辐射量空间取值范围为3 937.3~5 237.8 MJ/m2之间，空间差异明显，呈北高南低的态势；受西南气流强弱的影响，西南季风控制区的四川境内地表太阳辐射量年际变率大，越往北年际变率越小；年际变化率空间取值范围为−20.912~2.269 MJ/m2，表现为西北部非显著性上升，东南部显著性降低，在汉滨区形成衰减极涡。总体来看，研究区热量带为亚热带向暖温带过渡型；受季风气候的作用，研究区地表太阳辐射量年际变率大，尤其是四川境内；受地形及强降水的影响，汉滨区地表太阳辐射量减少最快。
2） 年内变化：1960—2015年秦巴山区地表太阳辐射量年内变化呈单峰型，7月最高，12月最低。7月地表太阳辐射量年平均值为538.62 MJ/m2，呈现由西南向西北、东北递增的态势，西南季风和东部季风相交处年际变率大；其多年平均递减率为−0.49 MJ/m2，表现为巴山片区显著减少，秦岭中西部变化不明显。12月地表太阳辐射量多年平均值为210.17 MJ/m2，呈现由南向西北递增的态势，巴山片区年际变率大；其多年平均递减率为−0.715 MJ/m2，表现为东部显著性减少。总体来看，研究区具有四季分明的特征。7月地表太阳辐射量占全年的12%，其巴山片区显著性减少；12月地表太阳辐射量仅占全年的4.7%，在秦巴山区东部显著性减少，其年平均递减率高于7月。可能在于西部受降水量影响较大，东部除了受降水量的影响外，还受到冬季气溶胶增加的影响。
3） 根据各县区地表太阳辐射量、≥10℃积温和降水量，进行聚类分析，文中将秦巴山区分为5个农业区：第一类主要分布在巴山以南区域，光照弱，降水多，农业生产注意排水；第二类主要分布在巴山北麓和秦岭中段中低山区，多山地，光照有所增强，降水减少，耕地资源有限；第三类主要分布在汉江上游中下段，光、热、水资源丰富，要充分利用光能资源；第四类主要分布在秦岭东段，该区域降水量不足800 mm，光能资源丰富，常种植糖分高的经济作物。第五类主要分布在秦岭南麓中段和秦岭北麓西段，积温小于3 000℃，热量明显不足，充分利用光能资源进行科技创新。
本文利用地表太阳辐射量、降水和积温对秦巴山区进行了农业区划，但地表太阳辐射量除了受季节、云量的影响外，还受到地形、周边建筑（树木）遮挡及迁站影响，文中未对其进行相关订正，直接采用反距离加权平均法进行插值得到空间分布图，对结论有一定影响。因降水和积温数据是根据地形，进行订正后的数据，整体上反映了光、热、水的空间变化规律。总之，秦巴山区地表太阳辐射量呈“北高南低的纬向变化，高纬东西分异”，需加强对农业气象中光能资源利用，积极发展绿色农业，推进秦巴山区农业扶贫产业发展。

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