河南省芝麻种植气候适宜度时空变化研究

胡 峰，张建涛，张 杰，高桐梅，赵巧丽，郑国清，李国强，刘立杰

（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 450002；2.河南省农业科学院芝麻研究中心，河南 郑州 450002；3.新乡市农业农村局，河南 新乡 453000）

随着全球气候变暖，农业生态环境发生了较大的变化，对作物产量、育种、生产区划、生理生态等产生了较大影响[1-5]。气候适宜度能综合反映光、温、水等气象条件对作物生长发育的适宜程度[6]，客观反映特定区域的农业生产类型、农作物种类空间布局和农作物产量高低。芝麻是世界上最古老的油料作物之一，我国芝麻种植主要集中在河南、湖北、安徽、江西、河北、陕西等省份[7]。其中，河南省芝麻种植面积和产量常年居全国第一位[8]。因此，在气候变化背景下，研究河南省芝麻气候适宜度变化及其时空分布特征，有助于优化河南省芝麻产业布局，提高芝麻气候资源利用率，增加芝麻单产。

近年来，国内外学者系统分析与探讨了多种作物的气候适宜度，评价了特定区域作物的气候适宜度水平，为气候变化背景下提高农作物适应当前及未来气候的能力提供了相关措施及参考意见。例如HOLZKÄMPER 等[9]采用遗传算法建立了玉米的气候适宜度模型，分析了瑞士玉米30 a 的气候适宜度变化情况，为明确气候对作物生长的影响和作物种植规划提供了可靠的方法；YUE 等[10]利用Maxent模型评估了未来气候变化对全球小麦种植适宜性的影响；JAYASINGHE 等[11]利用Maxent 模型研究了斯里兰卡茶叶未来的气候适宜性；JAYATHILAKA等[12]根据气候因素和产量等级，对斯里兰卡主要种植作物茶叶、橡胶和椰子在气候变化影响下的适宜性进行了评估，结果表明，气候适宜性变化显著影响了作物的产量。国内关于气候适宜度模型的研究始于20 世纪80 年代初，与国外研究者所用方法不同，我国研究者主要利用模糊数学方法构建气候适宜度模型，评价作物生长发育和产量形成的气候适宜度。国内对单个作物的气候适宜度研究主要集中在小麦[13-15]、玉米[16-20]、水稻[21-23]等粮食作物和大豆[24-25]、棉花[26-27]、油菜[28]、柑橘[29]等经济作物上。另外，还有一些研究对某一区域多种作物进行了气候资源的评价，如黄璜[30]对中国红黄壤地区主要作物生产的气候生态适应性进行了分析，白永平[31]利用甘肃85 个气象台站的气候资料对甘肃省农业生态气候资源进行了系统分析，罗怀良等[32]利用洪雅县33 a 实测气象资料对7 种主要作物的气候适宜度进行了评价分析。国内外对作物气候适宜度的研究方法日趋成熟，研究结果为气候变化背景下优化作物种植布局提供了理论指导，涉及的作物种类也越来越多，但截至目前，关于芝麻气候适宜度的研究仍未见报道。

鉴于此，拟利用模糊数学的方法构建芝麻温度、光照、降水适宜度和综合气候适宜度模型，并利用河南省1961—2019年逐日气象数据，分析芝麻温度、光照、降水和综合气候的适宜度，以期为气候变化背景下河南省芝麻生产及其种植规划布局提供参考借鉴。

1 材料和方法

1.1 研究区概况及数据来源

河南省位于中国中部，界于北纬31°23′～36°22′、东经110°21′～116°39′，为亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，同时还具有自东向西由平原向丘陵山地气候过渡的特征，该区域四季分明、雨热同期，气候复杂多样，气象灾害频繁。全省年平均气温10.5～16.7 ℃，年均降水量407.7～1 295.8 mm，降水集中在6—8 月，年均日照时数1 285.7～2 292.9 h，全年无霜期201～285 d。研究用气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网，包括河南省15 个气象监测站点（安阳、宝丰、固始、开封、孟津、南阳、三门峡、商丘、西华、西峡、新乡、信阳、许昌、郑州、驻马店）1961—2019 年的逐日气象数据，包含日最高温度、最低温度、平均温度、降水量、日照时数、风速、相对湿度等气候要素。驻马店1988—2015 年芝麻产量数据来源于《河南省统计年鉴》。地理信息数据包括研究区高程DEM数据，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http:∕∕www.resdc.cn∕Default.aspx）。

1.2 适宜度模型的建立

1.2.1 芝麻生育时期划分 河南省芝麻种植以夏芝麻为主，5 月下旬—6 月上旬播种，整个生育期在5 月下旬—9 月上旬。结合河南省生产情况和前人研究进展[33]，将芝麻全生育期划分为3 个阶段，分别为苗期（5 月20 日—7 月3 日）、花期（7 月4 日—8 月21 日）和成熟期（8 月22 日—9 月10 日）。苗期为播种至现蕾的时间段，花期为现蕾至封顶的时间段，成熟期为封顶至收获的时间段。

1.2.2 温度适宜度模型 首先根据模糊数学理论，建立芝麻逐日温度适宜度模型：

则各个生育时期温度适宜度评价模型为：

式中，S（t）为逐日温度适宜度；t为日平均温度，tl、th、t0分别为芝麻生长的最低温度、最高温度、最适温度，其值参考前人研究[33-34]，具体见表1；S（T）为某个生育时期的温度适宜度，n为该生育时期持续的天数。一般情况下，气候适宜度分为4个梯度，分别为高适宜区（0.80～1.00）、中适宜度（0.65～0.79）、一般适宜区（0.55～0.64）和低适宜区（0～0.54）。

表1 芝麻适宜度模型构建所需参数Tab.1 Parameters required for the construction of sesame suitability model

1.2.3 降水适宜度模型 建立芝麻降水适宜度模型：

式中，S（R）为芝麻某个生育时期降水适宜度；R为某生育时期降水量；ETc为对应生育时期需水量，经式（4）计算得到，此处取所有站点平均值，具体见表1；Kc为芝麻作物系数，采用联合国粮食及农业组织（FAO）推荐值，具体见表1；ET0为作物参考蒸散量，采用FAO 推荐的彭曼公式（Penman-Monteith）[35]计算得到。

1.2.4 光照适宜度模型 首先建立芝麻逐日光照适宜度模型：

则各个生育时期光照适宜度评价模型为：

式中，S（s）为逐日光照适宜度；S为日照时数；S0为某生育时期日平均日照需求的临界值，其值为可照时数的70%，根据芝麻光照特性，取值见表1[30]；b为常数，与计算地点的维度和日期有关，其值由参考文献[30]确定。S（S）为某个生育时期光照适宜度；n为该生育时期持续的天数。

1.2.5 综合气候适宜度模型 利用一元积分回归

及加权平均法，用各生育时期温度、降水、光照适宜度除以同期三者之和，得到温度、降水、光照适宜度所占的比重系数axi；再用各个生育时期比重系数除以所有生育时期比重系数的总和，得到各生育时期温度、降水、光照适宜度的权重系数bxi，计算见式（7），其值见表2。各生育时期温度、降水、光照适宜度乘以所对应的权重系数，再求和，见式（8），即为芝麻全生育期温度、降水、光照的适宜度[19]，然后进一步计算得到芝麻全生育期综合气候适宜度（S），见式（9）。

表2 芝麻不同生育时期温度、光照、降水适宜度权重系数Tab.2 The weight coefficient of climate suitability for each growth period of sesame

式中，T（X）表示芝麻全生育期各气象因子的适宜度；X为温度、降水和光照；m为生育时期个数；S为全生育期的综合气候适宜度。

1.3 数据分析方法

采用气候趋势系数和气候倾向率分析芝麻各气候要素适宜度的年际变化趋势，具体见公式（10）和（11）。

式中，Xi是气候适宜度；ti是Xi对应的时间变化；n是年数；b为气候倾向率，当b为正或负时，表示要素在计算时段内线性增加或降低，为了便于分析，将b的计算结果乘以10，即表示适宜度每10 a 的变化值。

气候趋势系数（rt）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，xˉ为气候变量要素样本平均值，tˉ=（n+1）∕2。

采用标准差和变异系数分析各气候要素适宜度的变异程度。使用ArcGIS 软件中的样条函数法，并引入数字高程数据作为协变量，对适宜度进行空间插值，空间分辨率为0.02°×0.02°，绘制河南省芝麻气候适宜度空间分布图。

1.4 适宜度模型验证

将河南省芝麻主产市驻马店1988—2015 年芝麻气象产量与该地芝麻全生育期温度、光照、降水的适宜度和综合气候适宜度进行相关分析，若气候适宜度与气象产量呈显著正相关，则认为芝麻气候适宜度模型构建合理，可用于芝麻气候适宜度的相关研究。

作物产量由气象产量和趋势产量构成，气象产量表示气候要素引起的作物产量变化，趋势产量反映人类对作物生长所付出的耕种方式以及农业机械技术提高所带来的产量变化。从实际粮食产量中剔除趋势产量便能得到气象产量[36]，见式（12）。

式中，Y表示实际产量（kg∕hm2），Yt表示趋势产量（kg∕hm2），Yc表示气象产量（kg∕hm2）。芝麻产量数据来源于河南省统计年鉴（https:∕∕tjj.henan.gov.cn∕tjfw∕tjcbw∕tjnj∕），2015 年之后芝麻产量数据缺失；趋势产量采用产量的3 a滑动平均获得。

2 结果与分析

2.1 适宜度模型验证

由图1 可知，1988—2015 年驻马店芝麻全生育期的降水适宜度、光照适宜度、温度适宜度、综合气候适宜度与同时期气象产量的相关系数分别为0.37、0.54、0.02、0.56，经显著性检验分析，气象产量与降水适宜度呈显著正相关，与光照适宜度和综合气候适宜度呈极显著正相关，与温度适宜度呈不显著正相关。说明构建的芝麻降水适宜度、光照适宜度和综合适宜度能很好地反映气候资源对芝麻产量的影响。而驻马店1988—2015 年的芝麻温度适宜度介于0.91～0.96，平均值为0.94，变异系数为1.7%，年际间波动较小，芝麻温度适宜度长期处于适宜范围，对芝麻气象产量的影响较小。因此，从气候适宜度模型检验结果分析，构建的芝麻气候适宜度模型与芝麻气象产量存在较好的正相关关系，可以用来计算分析河南省不同地区及年际间芝麻气候适宜度的变化。

图1 1988—2015年驻马店芝麻气候适宜度与气象产量的相关分析Fig.1 Correlation analysis between climatic suitability and climatic yield of sesame from 1988 to 2015 in Zhumadian

2.2 河南省不同气象监测站点芝麻全生育期气候适宜度的年际变化特征

2.2.1 温度适宜度 由表3 可知，河南省15 个气象监测站点1961—2019 年芝麻全生育期温度适宜度平均值在0.938～0.956，标准差在0.012～0.017，变异系数在1.27%～1.81%，表明河南省各地温度适宜度较高，非常适宜芝麻的生长发育，不同地区之间差异极小，而且年际间的波动变化范围较小。59 a 间温度适宜度变化趋势显著的站点为新乡和信阳，呈逐年下降的趋势，两站点温度适宜度每10 a 均下降0.002。剩余13 个站点的变化趋势有升有降，其中安阳、固始、孟津、三门峡、商丘、西华、西峡、许昌8个站点的气候倾向率均为0，表明年际间基本没有变化，剩余5个站点气候倾向率为负，但变化不显著。

表3 1961—2019年河南省15个气象监测站点芝麻温度适宜度年际变化特征Tab.3 The interannual variation characteristics of temperature suitability of sesame at 15 meteorological monitoring stations in Henan Province during 1961—2019

2.2.2 光照适宜度 由表4 可知，1961—2019 年河南省15 个站点芝麻全生育期光照适宜度平均值在0.568～0.657，最低的站点为驻马店，最高的站点为新乡；标准差在0.075～0.110，变异系数在11.69%～17.84%；表明河南省各地光照适宜度一般，不同地区之间差异较小。59 a间光照适宜度变化趋势不显著的仅有西峡一个站点，其余站点均呈极显著下降趋势。其中，下降幅度最大的站点为商丘，每10 a下降0.047，其次为信阳站，每10 a 下降0.043，其他下降显著的站点每10 a下降0.022～0.039。

表4 1961—2019年河南省15个气象监测站点芝麻光照适宜度年际变化特征Tab.4 The interannual variation characteristics of sunlight suitability of sesame at 15 meteorological monitoring stations in Henan Province during 1961—2019

2.2.3 降水适宜度 由表5 可知，河南省15 个站点1961—2019 年芝麻全生育期降水适宜度平均值在0.492～0.595，最小值为信阳站，最大值为孟津、商丘和新乡站点，标准差在0.104～0.145，变异系数在18.30%～25.31%，表明河南省各地降水适宜度较低，不同地区之间差异较小，年际间波动变化范围大。59 a 间降水适宜度变化趋势显著的站点为商丘，呈逐年上升的趋势，平均每10 a 上升0.018。剩余14个站点变化趋势有升有降，但气候趋势系数均不显著。

表5 1961—2019年河南省15个气象监测站点芝麻降水适宜度年际变化特征Tab.5 The interannual variation characteristics of precipitation suitability of sesame at 15 meteorological monitoring stations in Henan Province during 1961—2019

2.2.4 全生育期综合气候适宜度 由表6 可知，河南省15 个站点1961—2019 年芝麻全生育期综合气候适宜度平均值在0.641～0.712，新乡站值最大，信阳站值最小，标准差在0.054～0.081，变异系数在7.71%～12.01%，表明河南省各地气候适宜度中等，不同地区之间差异较小，而且年际间的波动变化不大。59 a间综合气候适宜度变化不显著的站点为西峡和新乡，其余站点变化趋势显著，其中三门峡、安阳、西华、商丘、驻马店5个站点呈显著下降趋势，平均每10 a 综合气候适宜度下降0.007～0.011，另外8个站点综合气候适宜度呈极显著下降趋势，平均每10 a下降0.011～0.021。

表6 1961—2019年河南省15个气象监测站点芝麻综合气候适宜度年际变化特征Tab.6 The interannual variation characteristics of comprehensive climate suitability of sesame at 15 meteorological monitoring stations in Henan Province during 1961—2019

2.3 河南省芝麻全生育期气候适宜度的空间分布特征

2.3.1 温度适宜度 由图2 可知，河南省1961—2019 年芝麻全生育期温度适宜度呈西北低、东南高的分布趋势。按4 个梯度划分，温度适宜度的高值区域为0.956～0.961，主要分布在信阳南部、南阳西南小部和商丘东部地区。其次为0.949～0.955区域，范围较大，主要分布在新乡大部、周口全部、商丘大部、驻马店西部、信阳西北部及南阳大部分地区。第三梯度为0.943～0.948 区域，分布范围较大，主要分布在洛阳、三门峡的南部，许昌、平顶山、安阳的大部，南阳、郑州的东北部，开封、驻马店的西北部及新乡、鹤壁的小部分地区。低值区域为0.936～0.942，分布范围较小，主要分布在三门峡、洛阳的北部，郑州、焦作的西部地区。

图2 河南省芝麻温度适宜度空间分布Fig.2 The spatial distribution of temperature suitability for sesame in Henan Province

2.3.2 光照适宜度 由图3 可知，河南省1961—2019 年芝麻全生育期光照适宜度呈明显的北高南低的分布趋势。按4 个梯度划分，光照适宜度的高值区域为0.644～0.672，分布范围较小，主要分布在新乡、焦作的大部和洛阳、三门峡北部的小部分区域。其次为0.616～0.643区域，主要分布在安阳东南部，新乡南部，三门峡、洛阳的北部，郑州北部，开封大部及周口、商丘的大部分地区。第三梯度为0.588～0.615 区域，主要分布在洛阳南部，三门峡南部，郑州南部，平顶山北部，许昌和漯河的大部，南阳、信阳大部，驻马店东部地区。低值区域为0.558～0.587，主要分布在平顶山南部、驻马店和信阳西部、南阳东部地区。

图3 河南省芝麻光照适宜度空间分布Fig.3 The spatial distribution of sunlight suitability for sesame in Henan Province

2.3.3 降水适宜度 由图4 可知，河南省1961—2019 年芝麻全生育期降水适宜度呈明显的北高南低的分布趋势。按4 个梯度划分，降水适宜度的高值区域为0.585～0.628，主要分布在安阳、鹤壁、新乡的大部，焦作、济源的全部，洛阳西北部，三门峡全部，郑州北部，商丘大部，周口东部。其次为0.559～0.584 区域，主要分布在濮阳大部，安阳南部，新乡东部，郑州南部，开封和许昌的全部，平顶山北部，商丘、周口的东部，南阳中部地区。第三梯度为0.523～0.558 区域，主要分布在平顶山和漯河南部、驻马店东北部、信阳和南阳小部分地区。低值区域为0.477～0.522，主要分布在信阳大部和驻马店南部的小部分地区。

图4 河南省芝麻降水适宜度空间分布Fig.4 The spatial distribution of precipitation suitability for sesame in Henan Province

2.3.4 综合适宜度 由图5 可知，河南省1961—2019 年芝麻全生育期综合气候适宜度呈北高南低的分布趋势，与降水适宜度的分布特征和区域具有相似性。按4 个梯度划分，综合气候适宜度的高值区域为0.701～0.720，主要分布在安阳、鹤壁、新乡的大部，焦作、济源的全部，洛阳、三门峡北部，郑州北部，商丘大部，周口东部地区。其次为0.680～0.700区域，主要分布在濮阳全部，安阳南部，新乡东南部，郑州大部，开封全部，许昌北部，商丘、周口东部地区。第三梯度为0.660～0.679区域，主要分布在平顶山和漯河大部、许昌西南部、驻马店东北部、信阳北部、南阳东部地区。低值区域为0.639～0.659，主要分布在信阳和驻马店大部、南阳东部的小部分地区。

图5 河南省芝麻综合气候适宜度空间分布Fig.5 The spatial distribution of comprehensive climate suitability for sesame in Henan Province

2.4 河南省芝麻全生育期气候适宜度的年际变化

图6 为河南省1961—2019 年15 个气象监测站点芝麻全生育期温度、光照、降水适宜度和综合气候适宜度均值的年际变化趋势图。1961—2019 年15 个站点芝麻全生育期温度适宜度均值为0.916～0.965，标准差为0.013，变异系数为1.36%，气候趋势系数为0.101，趋势不显著，平均每10 a 的波动为0。15个站点光照适宜度均值为0.433～0.771，标准差为0.081，变异系数为13.20%，气候趋势系数为-0.660，呈极显著下降趋势，平均每10 a 下降0.032。15 个站点降水适宜度均值为0.390～0.674，标准差为0.059，变异系数为10.35%，气候趋势系数为0.071，变化趋势不显著，每10 a 基本无变化。15 个站点综合气候适宜度均值为0.600～0.766，标准差为0.040，变异系数为5.88%，气候趋势系数为-0.494，呈极显著下降趋势，平均每10 a下降0.012。

图6 河南省芝麻气候适宜度年际变化趋势Fig.6 The interannual variation trend of climate suitability of sesame in Henan Province

3 结论与讨论

赵彦茜等[37]研究发现，华北平原夏玉米生育期内温度适宜度、降水适宜度和综合气候适宜度变化趋势均不明显，仅光照适宜度每10 a 下降0.03。李树岩等[38]研究河南省夏玉米适宜度发现，夏玉米温度适宜度＞光照适宜度＞降水适宜度，但温度适宜度变化趋势不显著，降水适宜度呈一定的上升趋势，光照适宜度显著下降。本研究结果表明，1961—2019 年，河南省芝麻温度适宜度在0.916～0.965，年际间波动较小；光照适宜度在0.433～0.771，呈显著下降趋势，平均每10 a 下降0.032；降水适宜度在0.390～0.674，年际波动较大，但变化趋势不显著；综合气候适宜度在0.600～0.766，呈明显下降趋势。由此可见，热量资源能满足芝麻生长的需求，但光照资源趋于不足，降水成为限制河南省芝麻生产的关键因素。本研究结果与芝麻同期种植的夏玉米气候适宜度基本一致。

王婧等[39]研究了我国1985—2015 年县域芝麻生产的时空演变，认为芝麻种植区域迁移不仅受气候适宜度的影响，还与当地农民种植习惯、政府扶持政策密切相关，河南省芝麻单产较高的地区主要位于河南省北部。本研究结果显示，芝麻综合气候适宜度呈北高南低的分布趋势，综合气候适宜度高值区域为0.701～0.720，位于安阳、鹤壁和新乡大部；低值区域为0.639～0.659，位于信阳和驻马店大部分区域、南阳东部的小部分区域。在芝麻实际种植中，驻马店种植面积在河南省内最大，本研究结果显示，驻马店芝麻综合气候适宜度在省内较低，实际生产与本研究结果存在矛盾，这主要是因为驻马店地区芝麻种植历史悠久，农民拥有丰富的种植经验与偏好，结合政府政策、技术、资金的支持，形成了良好的芝麻产销环境，芝麻逐渐发展成为当地的优势产业，但是单产受到了气候因素的制约。为充分利用气候资源，在河南省芝麻种植区域调整上，可扩大豫北和豫东的芝麻种植面积，重点加强芝麻水分管理措施，降低芝麻因干旱和涝渍带来的不利影响。

在气候适宜度构建的过程中，为了保证模型的合理性，研究者根据作物对光、温、水的需求规律选用逐日[19]、逐旬[38，40-41]或作物不同生育时期天数[16，37，42]作为步长构建气候适宜度模型。本研究以芝麻生长发育规律为基础，考虑光、温的连续性及极端温度对芝麻造成的不可逆影响，采用日步长构建芝麻光温适宜度模型，考虑降水在土层间的转运规律及后延效应，以生育时期天数为步长构建降水适宜度模型，适宜度模型构建合理。芝麻温度和光照适宜度模型构建过程中的三基点温度、光照临界值等来源于参考文献[30，33-34]，其取值影响模型构建的精确度。目前，芝麻栽培学家对芝麻三基点温度、日照时数临界值研究较少，仅提供了芝麻萌发所需要的最低及适宜温度，其他生育时期的温度要求较为笼统[43-44]。关于芝麻光照需求方面，大多数研究者只是给出了不同生育时期合适的光照范围，没有严格的临界值。王小琳等[33]针对芝麻不同生育时期的光、温、水条件进行了研究，提供了芝麻不同生育时期需要的最适温度，但缺乏正常生长耐受的最低温度和最高温度。因此，本研究构建适宜度模型选用的芝麻三基点温度和光照临界值与芝麻生长实际有差异，在下一步研究中，可以引入更加翔实的芝麻不同生育时期所需的光、温、水等参数，以提高芝麻气候适宜度模型的精确度。