中国主产区芝麻生育期降水时空分布特征

张建涛李国强刘海礁张杰张辉高桐梅李灯华

(1.河南省农业科学院农业经济与信息研究所/农业农村部黄淮海智慧农业技术重点实验室，河南 郑州 450008；2.农业农村部农业信息服务技术重点实验室，北京 100081；3.河南省农业科学院芝麻研究中心，河南 郑州 450008；4.中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081)

芝麻为胡麻科胡麻属植物，是世界上古老且重要的油料作物之一[1，2]，其种子、叶、芽和花都被开发利用，为食品和医药行业提供了健康的营养[3]。我国是芝麻消费大国，每年需大量进口，2016年进口量高达93.31万吨[4]，而当年产量仅为35.2万吨，缺口巨大。河南、湖北、安徽、江西是我国芝麻主产省[2，4]，2018—2020年我国芝麻总产在43.15万～46.7万吨之间，主产区四省占比稳定在81%左右[5]。近几十年来，全球气候变暖造成降水的强烈变化[6，7]，给区域农业可持续发展带来极大的不确定性[8，9]，导致作物产量、育种、生产区划、生理生态等均受到较大影响[10-13]。因此，明确气候变化背景下我国芝麻主产区降水量的分布特征和变化规律，对提高芝麻气候资源利用率、增加我国芝麻产量具有重要意义。

降水是作物生长的决定性因素，生育期内降水的时空变化特征一直是研究的热点，大量学者以不同地区的不同作物为对象对其进行过详细研究与分析。姜雨林等[14]研究表明东北春小麦生育期降水量1961—2010年总体呈不显著的下降趋势。孙晶京等[15]分析1955—2015年间临汾市小麦生育期的降水变化特征后指出，小麦各生育阶段的降水量呈下降趋势，且各生育阶段的变化趋势强度差异较大。张国林等[16]研究辽西朝阳地区大豆生长期降水变化特征后表明，大豆全生育期降水呈减少趋势，降水减少和干旱风险上升趋势对农业生产的影响越来越大，缺水越来越明显。邱美娟等[17]对中国北方苹果主产省的降水分布特征进行了分析研究，并结合苹果主产区和苹果适宜栽培的年降水量值，初步判定苹果关键生育期的适宜降水量范围。魏钟博等[18]对河北黑龙港流域夏玉米生育期降水进行分析后指出，该区玉米全生育期内有效降水量呈下降趋势。邱美娟等[19]利用吉林省1960—2015年间气象数据分析玉米生长季有效降水的变化特征，表明玉米生长季平均有效降水量多数呈下降趋势。芝麻对水分极其敏感，全生育期需自然降水300～600 mm[20]，其生育期适逢雨季，且降雨量分布不均，极易发生旱涝灾害[2，21-25]，对芝麻生产造成不利的影响[26]。王林海等[27]对芝麻20个主产县(市、区)连续3年的调查分析表明，芝麻生产中湿害与旱害共存，以湿害为主，湿害导致芝麻减产21.5%～27.5%，干旱导致芝麻单产减少22.5%～36.3%。

综上所述，河南、湖北、安徽、江西四省为我国芝麻主产区，其降水情况对我国芝麻的产量和品质具有重要影响，而关于我国芝麻主产区生育期内降水量的研究还未见报道。为此，本研究选用中国芝麻主产区四省63个气象站点1978—2019年的降水量数据，研究芝麻生育期内降水量的分布特征和变化规律，以明确各主产省的降水资源差异情况，为我国芝麻的合理布局和生产决策提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域与数据资料

研究区域为河南、湖北、安徽、江西四省芝麻主产区。该区域位于北纬24°29′～36°22′和东经108°21′～119°37′之间，大部分地区为亚热带和暖温带气候，四季分明，雨热同期，降水以5—9月为主，处于芝麻生长发育的主要时期。

气象数据来源于国家气象科学数据中心，经过整理筛选，选取没有连续缺失和数据完整的气象站点，总计包含四省63个气象站点1978—2019逐日降水量数据。研究区内气象站点分布见图1。

图1 中国芝麻主产区气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 原始气象数据整理 从国家气象科学数据中心获取的数据为文本格式，每个文本包含1个站点连续多年的降水量要素，需要对其整理后才能进行分析。本研究首先利用R语言的“pacman”包将四省降水量要素文本进行合并，然后剔除数据连续缺失多年的气象站点，得到四省1978—2019年完整的逐日降水量数据，最后采用Microsoft Excel对其进行分析整理。

1.2.2 芝麻生育期确定 河南、湖北、安徽、江西种植的芝麻以夏芝麻为主，一般在5月底到6月初播种，8月底到9月初收获。一般情况下6月份处于芝麻生长的苗期阶段，7月对应芝麻生长的现蕾-盛花期阶段，8月份对应芝麻的终花-成熟期阶段，因此，6—8月覆盖芝麻的主要生长阶段[24]。为了简化计算，选取6—8月作为芝麻的主要生育期进行研究。

1.2.3 时间序列分析法 采用时间序列分析法中的气候趋势系数和气候倾向率分析芝麻生育期内降水量的年际变化趋势[28]。具体公式如下:

式中:xi是气候变量；ti是xi对应的时间变化；n是样本量；b是气候倾向率，当b为正或负时，表示要素在计算时段内线性增加或减弱，10b即表示要素每10年的变化值，b值利用Excel slope函数计算。

气候趋势系数r为n个时刻(年)所对应的要素序列与自然数列(1，2，…，n)的相关系数:

式中:n为年数；xi为第i年气候变量要素值；为气候变量要素样本平均值；＝(n＋1)/2。r利用Excel correl函数计算，并对其进行T检验。

1.2.4 统计指标 主要包括降水量贡献率及其变异系数，如下。

降水量贡献率:芝麻苗期、现蕾-盛花期、终花-成熟期降水量占全生育期总降水量的比值。公式为:

式中，Cri为i生育期降水量贡献率，Pi为i生育期降水量，P为全生育期降水量。

变异系数:标准差与平均值之比，即:

式中，CV为变异系数，是衡量各观测值变异程度的统计量，能反映数据的离散程度；x 为气象要素的平均值；S为标准差。

1.3 数据分析及做图

采用Microsoft Excel 2021进行数据整理，用SPSS 19.0软件进行统计分析，用ArcGIS 10.2软件中的样条函数法计算各指标的空间插值和分布图制作。

2 结果与分析

2.1 主产区各省芝麻不同生育期降水量特征

根据中国芝麻主产区四省各个气象站点1978—2019年的降水量情况，计算得到各省芝麻各生育期降水量特征(表1)。从降水量分析，现蕾-盛花期降水量最少的省份为江西(167.6 mm)和河南(168.2 mm)，两省降水量接近，其余生育期降水量最少的均为河南省；全生育期和苗期降水量最多的均为江西省；现蕾-盛花期和终花-成熟期降水量最多的为安徽省。

表1 1978—2019年主产区各省芝麻不同生育期降水量特征

从不同生育期降水量(降水量贡献率)分析，河南、湖北、安徽主要集中在现蕾-盛花期，分别为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，为288.9 mm(0.47)。

从1978—2019年的变化趋势分析，河南、湖北各个生育期降水量呈减少趋势，但不显著；安徽现蕾-盛花期降水量呈减少趋势，但不显著，其余生育期呈增加趋势，终花-成熟期趋势显著，平均每10年增加14.25 mm；江西各生育期降水量呈增加趋势，苗期和全生育期增加趋势显著，平均每10年分别增加22.09 mm和43.11 mm。主产区整体上现蕾-盛花期1978—2019年降水量呈减少趋势，但不显著，其它生育期呈增加趋势，均不显著。四省1978—2019年全生育期降水量标准差均在100以上，说明年际间波动较大，不同年份间降水量差异较大。

2.2 主产区芝麻不同生育期平均降水量的空间分布特征分析

2.2.1 不同生育期的降水量空间分布 由图2可知，主产区芝麻全生育期平均降水量在224.3～1 194.3 mm之间。其中，平均降水量418.4～612.3 mm分布区域最广，占整个主产区的55.0%；224.3～418.3 mm区域分布范围次之，占23.2%；16.1%的区域降水量在612.4～806.3 mm区间；剩余5.7%的区域降水量较多，在806.4～1 194.3 mm之间(图2a)。苗期平均降水量59.4～141.4 mm区域分布最广，占整个主产区的38.4%，降水量最少；降水量141.5～223.4 mm区域分布范围次之，占27.0%；22.9%的区域降水量在223.5～305.3 mm区间；剩余11.7%的区域降水量在305.4～469.3 mm之间(图2b)。现蕾-盛花期平均降水量151.2～209.0mm区域分布最广，占整个主产区的44.9%；其次为降水量209.1～266.9 mm区域，占27.8%；降水量最低的区域占22.9%，为93.2～151.1 mm；剩余4.4%的区域降水量为267.0～382.6 mm(图2c)。终花-成熟期平均降水量113.6～174.0 mm区域分布最广，占整个主产区的71.1%；其次为降水量53.0～113.5 mm区域，占12.5%；剩余区域降水量为174.1～355.3 mm(图2d)。以上结果说明，芝麻主产区各生育期降水量空间分配不均，总体来看，大致表现为西北和南部低、中东部小部分区域最高的分布规律。

图2 1978—2019年芝麻不同生育期平均降水量的空间分布

2.2.2 不同生育期平均降水量贡献率 图3a显示，苗期平均降水量贡献率由北往南逐渐升高。苗期平均降水量贡献率分布最大的区间为0.26～0.33，占整个主产区的32.5%；其次为0.34～0.41区间，占24.1%；河南较低，在0.16～0.33之间；江西大部分区域较高，在0.42～0.58之间。现蕾-盛花期平均降水量贡献率由北往南逐渐降低，分布面积最大的区间为0.40～0.46，占整个主产区的39.9%；其次为0.34～0.39区间，占24.4%；安徽西北部为0.27～0.33区间，占18.4%；0.20～0.26低值和0.47～0.52高值区间，分别占9.2%和8.1%(图3b)。终花-成熟期平均降水量贡献率呈南北高、中间低的分布趋势，分布面积最大的区间为0.29～0.33，占整个主产区的43.9%；其次为0.23～0.28区间，占29.1%；0.34～0.39区间占15.5%，0.16～0.22和0.40～0.45区间分布范围较小(图3c)。

图3 1978—2019年芝麻不同生育期平均降水量贡献率的空间分布

2.3 不同生育期降水量年际变化特征分析

2.3.1 年际变异系数的空间分布 由图4a可见，芝麻全生育期降水量年际变化幅度较大，变异系数在0.22～0.53之间。其中，大部分区域集中在0.29～0.47之间，占整个主产区的93.0%；河南南部和湖北北部交界区域内变异系数较大，大部分在0.41～0.47之间；河南南部和北部部分区域达到0.48～0.53。苗期降水量年际变异系数在0.33～0.70区间分布范围最广，占整个主产区的90.6%。苗期中，河南大部分区域在0.58～0.70之间；河南北部和安徽北部小部分区域在0.71～0.82区间，占8.5%，降水年际变化较大；安徽南部、湖北北部和江西大部分区域变异系数在0.46～0.57之间(图4b)。现蕾-盛花期降水量年际变异系数在0.49～0.83区间分布范围较广，占整个主产区的90.1%，剩余区域变异系数在0.25～0.48之间，分布范围较小，其中河南和安徽北部低、南部高，湖北西低东高，江西大部分区域在0.61～0.72之间(图4c)。终花-成熟期降水量年际变异系数主要集中在0.52～0.82之间，占整个主产区的85.5%，0.83～0.98之间的高值区域占4.9%，剩余9.6%的区域主要集中在0.19～0.51区间(图4d)。

图4 1978—2019年芝麻不同生育期降水量年际变异系数的空间分布

2.3.2 降水量气候倾向率的空间分布 从图5a、5b、5c可知，1978—2019年，河南、安徽和湖北三省大部分区域芝麻全生育期、苗期、现蕾-盛花期的降水量气候倾向率＜0，即降水量呈减少趋势，江西大部分区域降水量气候倾向率＞0，呈增加趋势。而终花-成熟期气候倾向率＜0的区域主要分布在河南西南部和湖北大部分区域，占整个主产区的44.8%，＞0的区域主要分布在河南东北部、安徽全部和江西大部分区域，占整个主产区的55.8%(图5d)。从以上结果可知，1978—2019年，中国芝麻主产区各生育期北部降水量呈减少趋势，南部降水量呈增加趋势。

图5 1978—2019年芝麻不同生育期降水量气候倾向率空间分布

2.4 各省生育期内适宜降水量分析

芝麻生育期内降水量在300～600 mm之间为宜。由图6可知，河南、湖北、安徽、江西四省及主产区全区1978—2019年全生育期降水量有50%的年份分别在315.2～470.6、405.4～595.4、476.1～644.8、478.9～713.9、456.7～564.2 mm之间。通过对芝麻主产区四省63个气象站点降水量进行分析得知，河南、湖北、安徽、江西及主产区全区降水量在300～600 mm区间的年份分别占1978—2019年的81.0%、76.2%、59.5%、50.0%和88.1%。四省中，河南在芝麻适宜降水量300～600 mm区间的年份最多，且剩余年份多低于300 mm，其它三省在300～600 mm区间的年份依次减少，且剩余年份的降水量基本大于600 mm，降水量较多。以上结果说明，中国芝麻主产区四省中，河南的降水条件更适宜芝麻生长。

图6 1978—2019年主产区各省芝麻全生育期的降水量

3 讨论

本研究结果显示，1978—2019年间，我国芝麻主产区降水量变化趋势不一致:河南、湖北以减少为主，而且变化趋势不显著；江西以增加为主，苗期(6月)和全生育期(6—8月)增加趋势显著；安徽现蕾-盛花期以减少为主、趋势不显著，其它生育期以增加为主，终花-成熟期增加趋势显著。孙朋等[29]研究指出，安徽1959—2017年夏季降水量呈增加趋势，与本研究得出的安徽芝麻全生育(6—8月)降水变化趋势一致。潘攀[30]对河南1961—2012年夏季降水量历年变化特征进行分析后得出，夏季降水量呈现弱的增加趋势，每10年增加0.1 mm，变化趋势不显著，与本研究得出的河南芝麻全生育期降水量变化趋势不显著的结论相吻合，二者在增减方面出现差异，可能是选取数据年份差异所造成。高媛等[31]分析了湖北1961—2010年的降水变化特性，结果显示湖北省大部分地区夏季降水量无明显变化趋势，与本研究得出的湖北芝麻生育期降水量无显著变化的趋势一致。

芝麻对水分比较敏感，易受旱涝灾害的影响[2，21-24]。其一生中需水量因各地土质、气候条件(包括日照强度、水分蒸腾等)的不同而异，一般需水量为300～600 mm，并且以雨水分布均匀为宜[20]。从本研究结果来看，芝麻主产区四省中河南省6—8月有81.0%的年份降水量在300～600 mm之间，与芝麻生育期间的需水量最为契合，适宜芝麻生长。此研究结果从降水量适宜性方面佐证了河南作为我国芝麻主产大省的优势。有研究者试验得出芝麻全生育期更为精确的需水量为300 mm左右[32，33]，据此结果，我国芝麻主产区降水量普遍偏高。芝麻生育期所处的夏季，具有降水集中、单次降水量大的特点，在排水良好地块上多余降水以地面径流方式流失，其中有多少降水能被芝麻有效利用，还需在以后研究中深入开展。在排水效果较差的地块，短时间迅速积累的降水容易造成渍害，引起芝麻减产甚至绝收，因此，在我国芝麻主产区种植决策时，耐渍品种的选择和地块排水设施的完善是确保优质高产的重要因素。

4 结论

4.1 1978—2019年，中国主产区芝麻生育期内平均降水量在224.3～1 194.3 mm之间，呈西北部和南部低、中东部高的分布趋势，不同年份间降水量波动较大。苗期降水量占全生育期的比重(贡献率)呈从北往南逐渐升高趋势，而现蕾-盛花期则与之相反，终花-成熟期则大致呈南北高、中间低的分布趋势。河南、湖北、安徽三省降水量主要集中在芝麻现蕾-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减少趋势，但不显著；安徽现蕾-盛花期呈减少趋势，也不显著，其余生育期呈增加趋势，只有终花-成熟期增加趋势显著，平均每10年增加14.2 mm；江西各生育期均呈增加趋势，苗期和全生育期增加趋势显著，平均每10年分别增加22.1 mm和43.1 mm；主产全区现蕾-盛花期呈减少趋势，但不显著，其它生育期呈增加趋势，均不显著。

4.3 中国主产省芝麻生育期内降水量充沛。主产区四省中河南有81.0%的年份降水量在300～600 mm之间，四省中占比最高，且全生育期内降水量较其它三省偏少，与芝麻需水量契合度较高，更符合芝麻生长需求。