中國主產區芝麻生育期降水時空分布特征

張建濤李國強劉海礁張杰張輝高桐梅李燈華

(1.河南省農業科學院農業經濟與信息研究所/農業農村部黃淮海智慧農業技術重點實驗室，河南 鄭州 450008；2.農業農村部農業信息服務技術重點實驗室，北京 100081；3.河南省農業科學院芝麻研究中心，河南 鄭州 450008；4.中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081)

芝麻為胡麻科胡麻屬植物，是世界上古老且重要的油料作物之一[1，2]，其種子、葉、芽和花都被開發利用，為食品和醫藥行業提供了健康的營養[3]。我國是芝麻消費大國，每年需大量進口，2016年進口量高達93.31萬噸[4]，而當年產量僅為35.2萬噸，缺口巨大。河南、湖北、安徽、江西是我國芝麻主產省[2，4]，2018—2020年我國芝麻總產在43.15萬～46.7萬噸之間，主產區四省占比穩定在81%左右[5]。近幾十年來，全球氣候變暖造成降水的強烈變化[6，7]，給區域農業可持續發展帶來極大的不確定性[8，9]，導致作物產量、育種、生產區劃、生理生態等均受到較大影響[10-13]。因此，明確氣候變化背景下我國芝麻主產區降水量的分布特征和變化規律，對提高芝麻氣候資源利用率、增加我國芝麻產量具有重要意義。

降水是作物生長的決定性因素，生育期內降水的時空變化特征一直是研究的熱點，大量學者以不同地區的不同作物為對象對其進行過詳細研究與分析。姜雨林等[14]研究表明東北春小麥生育期降水量1961—2010年總體呈不顯著的下降趨勢。孫晶京等[15]分析1955—2015年間臨汾市小麥生育期的降水變化特征后指出，小麥各生育階段的降水量呈下降趨勢，且各生育階段的變化趨勢強度差異較大。張國林等[16]研究遼西朝陽地區大豆生長期降水變化特征后表明，大豆全生育期降水呈減少趨勢，降水減少和干旱風險上升趨勢對農業生產的影響越來越大，缺水越來越明顯。邱美娟等[17]對中國北方蘋果主產省的降水分布特征進行了分析研究，并結合蘋果主產區和蘋果適宜栽培的年降水量值，初步判定蘋果關鍵生育期的適宜降水量范圍。魏鐘博等[18]對河北黑龍港流域夏玉米生育期降水進行分析后指出，該區玉米全生育期內有效降水量呈下降趨勢。邱美娟等[19]利用吉林省1960—2015年間氣象數據分析玉米生長季有效降水的變化特征，表明玉米生長季平均有效降水量多數呈下降趨勢。芝麻對水分極其敏感，全生育期需自然降水300～600 mm[20]，其生育期適逢雨季，且降雨量分布不均，極易發生旱澇災害[2，21-25]，對芝麻生產造成不利的影響[26]。王林海等[27]對芝麻20個主產縣(市、區)連續3年的調查分析表明，芝麻生產中濕害與旱害共存，以濕害為主，濕害導致芝麻減產21.5%～27.5%，干旱導致芝麻單產減少22.5%～36.3%。

綜上所述，河南、湖北、安徽、江西四省為我國芝麻主產區，其降水情況對我國芝麻的產量和品質具有重要影響，而關于我國芝麻主產區生育期內降水量的研究還未見報道。為此，本研究選用中國芝麻主產區四省63個氣象站點1978—2019年的降水量數據，研究芝麻生育期內降水量的分布特征和變化規律，以明確各主產省的降水資源差異情況，為我國芝麻的合理布局和生產決策提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域與數據資料

研究區域為河南、湖北、安徽、江西四省芝麻主產區。該區域位于北緯24°29′～36°22′和東經108°21′～119°37′之間，大部分地區為亞熱帶和暖溫帶氣候，四季分明，雨熱同期，降水以5—9月為主，處于芝麻生長發育的主要時期。

氣象數據來源于國家氣象科學數據中心，經過整理篩選，選取沒有連續缺失和數據完整的氣象站點，總計包含四省63個氣象站點1978—2019逐日降水量數據。研究區內氣象站點分布見圖1。

圖1 中國芝麻主產區氣象站點分布

1.2 研究方法

1.2.1 原始氣象數據整理 從國家氣象科學數據中心獲取的數據為文本格式，每個文本包含1個站點連續多年的降水量要素，需要對其整理后才能進行分析。本研究首先利用R語言的“pacman”包將四省降水量要素文本進行合并，然后剔除數據連續缺失多年的氣象站點，得到四省1978—2019年完整的逐日降水量數據，最后采用Microsoft Excel對其進行分析整理。

1.2.2 芝麻生育期確定 河南、湖北、安徽、江西種植的芝麻以夏芝麻為主，一般在5月底到6月初播種，8月底到9月初收獲。一般情況下6月份處于芝麻生長的苗期階段，7月對應芝麻生長的現蕾-盛花期階段，8月份對應芝麻的終花-成熟期階段，因此，6—8月覆蓋芝麻的主要生長階段[24]。為了簡化計算，選取6—8月作為芝麻的主要生育期進行研究。

1.2.3 時間序列分析法 采用時間序列分析法中的氣候趨勢系數和氣候傾向率分析芝麻生育期內降水量的年際變化趨勢[28]。具體公式如下:

式中:xi是氣候變量；ti是xi對應的時間變化；n是樣本量；b是氣候傾向率，當b為正或負時，表示要素在計算時段內線性增加或減弱，10b即表示要素每10年的變化值，b值利用Excel slope函數計算。

氣候趨勢系數r為n個時刻(年)所對應的要素序列與自然數列(1，2，…，n)的相關系數:

式中:n為年數；xi為第i年氣候變量要素值；為氣候變量要素樣本平均值；＝(n＋1)/2。r利用Excel correl函數計算，并對其進行T檢驗。

1.2.4 統計指標 主要包括降水量貢獻率及其變異系數，如下。

降水量貢獻率:芝麻苗期、現蕾-盛花期、終花-成熟期降水量占全生育期總降水量的比值。公式為:

式中，Cri為i生育期降水量貢獻率，Pi為i生育期降水量，P為全生育期降水量。

變異系數:標準差與平均值之比，即:

式中，CV為變異系數，是衡量各觀測值變異程度的統計量，能反映數據的離散程度；x 為氣象要素的平均值；S為標準差。

1.3 數據分析及做圖

采用Microsoft Excel 2021進行數據整理，用SPSS 19.0軟件進行統計分析，用ArcGIS 10.2軟件中的樣條函數法計算各指標的空間插值和分布圖制作。

2 結果與分析

2.1 主產區各省芝麻不同生育期降水量特征

根據中國芝麻主產區四省各個氣象站點1978—2019年的降水量情況，計算得到各省芝麻各生育期降水量特征(表1)。從降水量分析，現蕾-盛花期降水量最少的省份為江西(167.6 mm)和河南(168.2 mm)，兩省降水量接近，其余生育期降水量最少的均為河南省；全生育期和苗期降水量最多的均為江西省；現蕾-盛花期和終花-成熟期降水量最多的為安徽省。

表1 1978—2019年主產區各省芝麻不同生育期降水量特征

從不同生育期降水量(降水量貢獻率)分析，河南、湖北、安徽主要集中在現蕾-盛花期，分別為168.2 mm(0.43)、193.1 mm(0.38)和211.0 mm(0.38)，江西降水量主要集中在苗期，為288.9 mm(0.47)。

從1978—2019年的變化趨勢分析，河南、湖北各個生育期降水量呈減少趨勢，但不顯著；安徽現蕾-盛花期降水量呈減少趨勢，但不顯著，其余生育期呈增加趨勢，終花-成熟期趨勢顯著，平均每10年增加14.25 mm；江西各生育期降水量呈增加趨勢，苗期和全生育期增加趨勢顯著，平均每10年分別增加22.09 mm和43.11 mm。主產區整體上現蕾-盛花期1978—2019年降水量呈減少趨勢，但不顯著，其它生育期呈增加趨勢，均不顯著。四省1978—2019年全生育期降水量標準差均在100以上，說明年際間波動較大，不同年份間降水量差異較大。

2.2 主產區芝麻不同生育期平均降水量的空間分布特征分析

2.2.1 不同生育期的降水量空間分布 由圖2可知，主產區芝麻全生育期平均降水量在224.3～1 194.3 mm之間。其中，平均降水量418.4～612.3 mm分布區域最廣，占整個主產區的55.0%；224.3～418.3 mm區域分布范圍次之，占23.2%；16.1%的區域降水量在612.4～806.3 mm區間；剩余5.7%的區域降水量較多，在806.4～1 194.3 mm之間(圖2a)。苗期平均降水量59.4～141.4 mm區域分布最廣，占整個主產區的38.4%，降水量最少；降水量141.5～223.4 mm區域分布范圍次之，占27.0%；22.9%的區域降水量在223.5～305.3 mm區間；剩余11.7%的區域降水量在305.4～469.3 mm之間(圖2b)。現蕾-盛花期平均降水量151.2～209.0mm區域分布最廣，占整個主產區的44.9%；其次為降水量209.1～266.9 mm區域，占27.8%；降水量最低的區域占22.9%，為93.2～151.1 mm；剩余4.4%的區域降水量為267.0～382.6 mm(圖2c)。終花-成熟期平均降水量113.6～174.0 mm區域分布最廣，占整個主產區的71.1%；其次為降水量53.0～113.5 mm區域，占12.5%；剩余區域降水量為174.1～355.3 mm(圖2d)。以上結果說明，芝麻主產區各生育期降水量空間分配不均，總體來看，大致表現為西北和南部低、中東部小部分區域最高的分布規律。

圖2 1978—2019年芝麻不同生育期平均降水量的空間分布

2.2.2 不同生育期平均降水量貢獻率 圖3a顯示，苗期平均降水量貢獻率由北往南逐漸升高。苗期平均降水量貢獻率分布最大的區間為0.26～0.33，占整個主產區的32.5%；其次為0.34～0.41區間，占24.1%；河南較低，在0.16～0.33之間；江西大部分區域較高，在0.42～0.58之間。現蕾-盛花期平均降水量貢獻率由北往南逐漸降低，分布面積最大的區間為0.40～0.46，占整個主產區的39.9%；其次為0.34～0.39區間，占24.4%；安徽西北部為0.27～0.33區間，占18.4%；0.20～0.26低值和0.47～0.52高值區間，分別占9.2%和8.1%(圖3b)。終花-成熟期平均降水量貢獻率呈南北高、中間低的分布趨勢，分布面積最大的區間為0.29～0.33，占整個主產區的43.9%；其次為0.23～0.28區間，占29.1%；0.34～0.39區間占15.5%，0.16～0.22和0.40～0.45區間分布范圍較小(圖3c)。

圖3 1978—2019年芝麻不同生育期平均降水量貢獻率的空間分布

2.3 不同生育期降水量年際變化特征分析

2.3.1 年際變異系數的空間分布 由圖4a可見，芝麻全生育期降水量年際變化幅度較大，變異系數在0.22～0.53之間。其中，大部分區域集中在0.29～0.47之間，占整個主產區的93.0%；河南南部和湖北北部交界區域內變異系數較大，大部分在0.41～0.47之間；河南南部和北部部分區域達到0.48～0.53。苗期降水量年際變異系數在0.33～0.70區間分布范圍最廣，占整個主產區的90.6%。苗期中，河南大部分區域在0.58～0.70之間；河南北部和安徽北部小部分區域在0.71～0.82區間，占8.5%，降水年際變化較大；安徽南部、湖北北部和江西大部分區域變異系數在0.46～0.57之間(圖4b)。現蕾-盛花期降水量年際變異系數在0.49～0.83區間分布范圍較廣，占整個主產區的90.1%，剩余區域變異系數在0.25～0.48之間，分布范圍較小，其中河南和安徽北部低、南部高，湖北西低東高，江西大部分區域在0.61～0.72之間(圖4c)。終花-成熟期降水量年際變異系數主要集中在0.52～0.82之間，占整個主產區的85.5%，0.83～0.98之間的高值區域占4.9%，剩余9.6%的區域主要集中在0.19～0.51區間(圖4d)。

圖4 1978—2019年芝麻不同生育期降水量年際變異系數的空間分布

2.3.2 降水量氣候傾向率的空間分布 從圖5a、5b、5c可知，1978—2019年，河南、安徽和湖北三省大部分區域芝麻全生育期、苗期、現蕾-盛花期的降水量氣候傾向率＜0，即降水量呈減少趨勢，江西大部分區域降水量氣候傾向率＞0，呈增加趨勢。而終花-成熟期氣候傾向率＜0的區域主要分布在河南西南部和湖北大部分區域，占整個主產區的44.8%，＞0的區域主要分布在河南東北部、安徽全部和江西大部分區域，占整個主產區的55.8%(圖5d)。從以上結果可知，1978—2019年，中國芝麻主產區各生育期北部降水量呈減少趨勢，南部降水量呈增加趨勢。

圖5 1978—2019年芝麻不同生育期降水量氣候傾向率空間分布

2.4 各省生育期內適宜降水量分析

芝麻生育期內降水量在300～600 mm之間為宜。由圖6可知，河南、湖北、安徽、江西四省及主產區全區1978—2019年全生育期降水量有50%的年份分別在315.2～470.6、405.4～595.4、476.1～644.8、478.9～713.9、456.7～564.2 mm之間。通過對芝麻主產區四省63個氣象站點降水量進行分析得知，河南、湖北、安徽、江西及主產區全區降水量在300～600 mm區間的年份分別占1978—2019年的81.0%、76.2%、59.5%、50.0%和88.1%。四省中，河南在芝麻適宜降水量300～600 mm區間的年份最多，且剩余年份多低于300 mm，其它三省在300～600 mm區間的年份依次減少，且剩余年份的降水量基本大于600 mm，降水量較多。以上結果說明，中國芝麻主產區四省中，河南的降水條件更適宜芝麻生長。

圖6 1978—2019年主產區各省芝麻全生育期的降水量

3 討論

本研究結果顯示，1978—2019年間，我國芝麻主產區降水量變化趨勢不一致:河南、湖北以減少為主，而且變化趨勢不顯著；江西以增加為主，苗期(6月)和全生育期(6—8月)增加趨勢顯著；安徽現蕾-盛花期以減少為主、趨勢不顯著，其它生育期以增加為主，終花-成熟期增加趨勢顯著。孫朋等[29]研究指出，安徽1959—2017年夏季降水量呈增加趨勢，與本研究得出的安徽芝麻全生育(6—8月)降水變化趨勢一致。潘攀[30]對河南1961—2012年夏季降水量歷年變化特征進行分析后得出，夏季降水量呈現弱的增加趨勢，每10年增加0.1 mm，變化趨勢不顯著，與本研究得出的河南芝麻全生育期降水量變化趨勢不顯著的結論相吻合，二者在增減方面出現差異，可能是選取數據年份差異所造成。高媛等[31]分析了湖北1961—2010年的降水變化特性，結果顯示湖北省大部分地區夏季降水量無明顯變化趨勢，與本研究得出的湖北芝麻生育期降水量無顯著變化的趨勢一致。

芝麻對水分比較敏感，易受旱澇災害的影響[2，21-24]。其一生中需水量因各地土質、氣候條件(包括日照強度、水分蒸騰等)的不同而異，一般需水量為300～600 mm，并且以雨水分布均勻為宜[20]。從本研究結果來看，芝麻主產區四省中河南省6—8月有81.0%的年份降水量在300～600 mm之間，與芝麻生育期間的需水量最為契合，適宜芝麻生長。此研究結果從降水量適宜性方面佐證了河南作為我國芝麻主產大省的優勢。有研究者試驗得出芝麻全生育期更為精確的需水量為300 mm左右[32，33]，據此結果，我國芝麻主產區降水量普遍偏高。芝麻生育期所處的夏季，具有降水集中、單次降水量大的特點，在排水良好地塊上多余降水以地面徑流方式流失，其中有多少降水能被芝麻有效利用，還需在以后研究中深入開展。在排水效果較差的地塊，短時間迅速積累的降水容易造成漬害，引起芝麻減產甚至絕收，因此，在我國芝麻主產區種植決策時，耐漬品種的選擇和地塊排水設施的完善是確保優質高產的重要因素。

4 結論

4.1 1978—2019年，中國主產區芝麻生育期內平均降水量在224.3～1 194.3 mm之間，呈西北部和南部低、中東部高的分布趨勢，不同年份間降水量波動較大。苗期降水量占全生育期的比重(貢獻率)呈從北往南逐漸升高趨勢，而現蕾-盛花期則與之相反，終花-成熟期則大致呈南北高、中間低的分布趨勢。河南、湖北、安徽三省降水量主要集中在芝麻現蕾-盛花期，江西降水量主要集中在苗期。

4.2 1978—2019年，河南、湖北芝麻各生育期降水量都呈減少趨勢，但不顯著；安徽現蕾-盛花期呈減少趨勢，也不顯著，其余生育期呈增加趨勢，只有終花-成熟期增加趨勢顯著，平均每10年增加14.2 mm；江西各生育期均呈增加趨勢，苗期和全生育期增加趨勢顯著，平均每10年分別增加22.1 mm和43.1 mm；主產全區現蕾-盛花期呈減少趨勢，但不顯著，其它生育期呈增加趨勢，均不顯著。

4.3 中國主產省芝麻生育期內降水量充沛。主產區四省中河南有81.0%的年份降水量在300～600 mm之間，四省中占比最高，且全生育期內降水量較其它三省偏少，與芝麻需水量契合度較高，更符合芝麻生長需求。