張建濤李國強(qiáng)劉海礁張杰張輝高桐梅李燈華

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450008；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)信息服務(wù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心，河南 鄭州 450008；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)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(fā)利用，為食品和醫(yī)藥行業(yè)提供了健康的營養(yǎng)[3]。我國是芝麻消費(fèi)大國，每年需大量進(jìn)口，2016年進(jìn)口量高達(dá)93.31萬噸[4]，而當(dāng)年產(chǎn)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(chǎn)省[2，4]，2018—2020年我國芝麻總產(chǎn)在43.15萬～46.7萬噸之間，主產(chǎn)區(qū)四省占比穩(wěn)定在81%左右[5]。近幾十年來，全球氣候變暖造成降水的強(qiáng)烈變化[6，7]，給區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來極大的不確定性[8，9]，導(dǎo)致作物產(chǎn)量、育種、生產(chǎn)區(qū)劃、生理生態(tài)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(chǎn)區(qū)降水量的分布特征和變化規(guī)律，對提高芝麻氣候資源利用率、增加我國芝麻產(chǎn)量具有重要意義。

降水是作物生長的決定性因素，生育期內(nèi)降水的時(shí)空變化特征一直是研究的熱點(diǎn)，大量學(xué)者以不同地區(qū)的不同作物為對象對其進(jìn)行過詳細(xì)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(qiáng)度差異較大。張國林等[16]研究遼西朝陽地區(qū)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(fēng)險(xiǎn)上升趨勢對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)省的降水分布特征進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合蘋果主產(chǎn)區(qū)和蘋果適宜栽培的年降水量值，初步判定蘋果關(guān)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(jìn)行分析后指出，該區(qū)玉米全生育期內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)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(fā)生旱澇災(zāi)害[2，21-25]，對芝麻生產(chǎn)造成不利的影響[26]。王林海等[27]對芝麻20個(gè)主產(chǎn)縣(市、區(qū))連續(xù)3年的調(diào)查分析表明，芝麻生產(chǎn)中濕害與旱害共存，以濕害為主，濕害導(dǎo)致芝麻減產(chǎn)21.5%～27.5%，干旱導(dǎo)致芝麻單產(chǎn)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(chǎn)區(qū)，其降水情況對我國芝麻的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要影響，而關(guān)于我國芝麻主產(chǎn)區(qū)生育期內(nèi)降水量的研究還未見報(bào)道。為此，本研究選用中國芝麻主產(chǎn)區(qū)四省63個(gè)氣象站點(diǎn)1978—2019年的降水量數(shù)據(jù)，研究芝麻生育期內(nèi)降水量的分布特征和變化規(guī)律，以明確各主產(chǎn)省的降水資源差異情況，為我國芝麻的合理布局和生產(chǎn)決策提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

研究區(qū)域?yàn)楹幽稀⒑?、安徽、江西四省芝麻主產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域位于北緯24°29′～36°22′和東經(jīng)108°21′～119°37′之間，大部分地區(qū)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(fā)育的主要時(shí)期。

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過整理篩選，選取沒有連續(xù)缺失和數(shù)據(jù)完整的氣象站點(diǎn)，總計(jì)包含四省63個(gè)氣象站點(diǎn)1978—2019逐日降水量數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi)氣象站點(diǎn)分布見圖1。

圖1 中國芝麻主產(chǎn)區(qū)氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

1.2.1 原始?xì)庀髷?shù)據(jù)整理 從國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲取的數(shù)據(jù)為文本格式，每個(gè)文本包含1個(gè)站點(diǎn)連續(xù)多年的降水量要素，需要對其整理后才能進(jìn)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(jìn)行合并，然后剔除數(shù)據(jù)連續(xù)缺失多年的氣象站點(diǎn)，得到四省1978—2019年完整的逐日降水量數(shù)據(jù)，最后采用Microsoft Excel對其進(jìn)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(yīng)芝麻生長的現(xiàn)蕾-盛花期階段，8月份對應(yīng)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(jì)算，選取6—8月作為芝麻的主要生育期進(jìn)行研究。

1.2.3 時(shí)間序列分析法 采用時(shí)間序列分析法中的氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率分析芝麻生育期內(nèi)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(yīng)的時(shí)間變化；n是樣本量；b是氣候傾向率，當(dāng)b為正或負(fù)時(shí)，表示要素在計(jì)算時(shí)段內(nèi)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(shù)計(jì)算。

氣候趨勢系數(shù)r為n個(gè)時(shí)刻(年)所對應(yīng)的要素序列與自然數(shù)列(1，2，…，n)的相關(guān)系數(shù):

式中:n為年數(shù)；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(shù)計(jì)算，并對其進(jìn)行T檢驗(yàn)。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)指標(biāo) 主要包括降水量貢獻(xiàn)率及其變異系數(shù)，如下。

降水量貢獻(xiàn)率:芝麻苗期、現(xiàn)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(xiàn)率，Pi為i生育期降水量，P為全生育期降水量。

變異系數(shù):標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比，即:

式中，CV為變異系數(shù)，是衡量各觀測值變異程度的統(tǒng)計(jì)量，能反映數(shù)據(jù)的離散程度；x 為氣象要素的平均值；S為標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3 數(shù)據(jù)分析及做圖

采用Microsoft Excel 2021進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用ArcGIS 10.2軟件中的樣條函數(shù)法計(jì)算各指標(biāo)的空間插值和分布圖制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 主產(chǎn)區(qū)各省芝麻不同生育期降水量特征

根據(jù)中國芝麻主產(chǎn)區(qū)四省各個(gè)氣象站點(diǎn)1978—2019年的降水量情況，計(jì)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(xiàn)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??；現(xiàn)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(chǎn)區(qū)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(xiàn)率)分析，河南、湖北、安徽主要集中在現(xiàn)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(gè)生育期降水量呈減少趨勢，但不顯著；安徽現(xiàn)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(chǎn)區(qū)整體上現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)區(qū)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(chǎn)區(qū)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(qū)域最廣，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的55.0%；224.3～418.3 mm區(qū)域分布范圍次之，占23.2%；16.1%的區(qū)域降水量在612.4～806.3 mm區(qū)間；剩余5.7%的區(qū)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(qū)域分布最廣，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的38.4%，降水量最少；降水量141.5～223.4 mm區(qū)域分布范圍次之，占27.0%；22.9%的區(qū)域降水量在223.5～305.3 mm區(qū)間；剩余11.7%的區(qū)域降水量在305.4～469.3 mm之間(圖2b)?，F(xiàn)蕾-盛花期平均降水量151.2～209.0mm區(qū)域分布最廣，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的44.9%；其次為降水量209.1～266.9 mm區(qū)域，占27.8%；降水量最低的區(qū)域占22.9%，為93.2～151.1 mm；剩余4.4%的區(qū)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(qū)域分布最廣，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的71.1%；其次為降水量53.0～113.5 mm區(qū)域，占12.5%；剩余區(qū)域降水量為174.1～355.3 mm(圖2d)。以上結(jié)果說明，芝麻主產(chǎn)區(qū)各生育期降水量空間分配不均，總體來看，大致表現(xiàn)為西北和南部低、中東部小部分區(qū)域最高的分布規(guī)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(xiàn)率 圖3a顯示，苗期平均降水量貢獻(xiàn)率由北往南逐漸升高。苗期平均降水量貢獻(xiàn)率分布最大的區(qū)間為0.26～0.33，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的32.5%；其次為0.34～0.41區(qū)間，占24.1%；河南較低，在0.16～0.33之間；江西大部分區(qū)域較高，在0.42～0.58之間?，F(xiàn)蕾-盛花期平均降水量貢獻(xiàn)率由北往南逐漸降低，分布面積最大的區(qū)間為0.40～0.46，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的39.9%；其次為0.34～0.39區(qū)間，占24.4%；安徽西北部為0.27～0.33區(qū)間，占18.4%；0.20～0.26低值和0.47～0.52高值區(qū)間，分別占9.2%和8.1%(圖3b)。終花-成熟期平均降水量貢獻(xiàn)率呈南北高、中間低的分布趨勢，分布面積最大的區(qū)間為0.29～0.33，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的43.9%；其次為0.23～0.28區(qū)間，占29.1%；0.34～0.39區(qū)間占15.5%，0.16～0.22和0.40～0.45區(qū)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(xiàn)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(shù)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(shù)在0.22～0.53之間。其中，大部分區(qū)域集中在0.29～0.47之間，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的93.0%；河南南部和湖北北部交界區(qū)域內(nèi)變異系數(shù)較大，大部分在0.41～0.47之間；河南南部和北部部分區(qū)域達(dá)到0.48～0.53。苗期降水量年際變異系數(shù)在0.33～0.70區(qū)間分布范圍最廣，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的90.6%。苗期中，河南大部分區(qū)域在0.58～0.70之間；河南北部和安徽北部小部分區(qū)域在0.71～0.82區(qū)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(qū)域變異系數(shù)在0.46～0.57之間(圖4b)?，F(xiàn)蕾-盛花期降水量年際變異系數(shù)在0.49～0.83區(qū)間分布范圍較廣，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的90.1%，剩余區(qū)域變異系數(shù)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(qū)域在0.61～0.72之間(圖4c)。終花-成熟期降水量年際變異系數(shù)主要集中在0.52～0.82之間，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的85.5%，0.83～0.98之間的高值區(qū)域占4.9%，剩余9.6%的區(qū)域主要集中在0.19～0.51區(qū)間(圖4d)。

圖4 1978—2019年芝麻不同生育期降水量年際變異系數(shù)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(qū)域芝麻全生育期、苗期、現(xiàn)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(qū)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(qū)域主要分布在河南西南部和湖北大部分區(qū)域，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的44.8%，＞0的區(qū)域主要分布在河南東北部、安徽全部和江西大部分區(qū)域，占整個(gè)主產(chǎn)區(qū)的55.8%(圖5d)。從以上結(jié)果可知，1978—2019年，中國芝麻主產(chǎn)區(qū)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(nèi)適宜降水量分析

芝麻生育期內(nèi)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(chǎn)區(qū)全區(qū)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(chǎn)區(qū)四省63個(gè)氣象站點(diǎn)降水量進(jìn)行分析得知，河南、湖北、安徽、江西及主產(chǎn)區(qū)全區(qū)降水量在300～600 mm區(qū)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(qū)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(qū)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(jié)果說明，中國芝麻主產(chǎn)區(qū)四省中，河南的降水條件更適宜芝麻生長。

圖6 1978—2019年主產(chǎn)區(qū)各省芝麻全生育期的降水量

3 討論

本研究結(jié)果顯示，1978—2019年間，我國芝麻主產(chǎn)區(qū)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(xiàn)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(jìn)行分析后得出，夏季降水量呈現(xiàn)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(jié)論相吻合，二者在增減方面出現(xiàn)差異，可能是選取數(shù)據(jù)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(jié)果顯示湖北省大部分地區(qū)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(zāi)害的影響[2，21-24]。其一生中需水量因各地土質(zhì)、氣候條件(包括日照強(qiáng)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?yàn)橐薣20]。從本研究結(jié)果來看，芝麻主產(chǎn)區(qū)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(jié)果從降水量適宜性方面佐證了河南作為我國芝麻主產(chǎn)大省的優(yōu)勢。有研究者試驗(yàn)得出芝麻全生育期更為精確的需水量為300 mm左右[32，33]，據(jù)此結(jié)果，我國芝麻主產(chǎn)區(qū)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(diǎn)，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(shí)間迅速積累的降水容易造成漬害，引起芝麻減產(chǎn)甚至絕收，因此，在我國芝麻主產(chǎn)區(qū)種植決策時(shí)，耐漬品種的選擇和地塊排水設(shè)施的完善是確保優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要因素。

4 結(jié)論

4.1 1978—2019年，中國主產(chǎn)區(qū)芝麻生育期內(nèi)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(xiàn)率)呈從北往南逐漸升高趨勢，而現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)全區(qū)現(xiàn)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(chǎn)省芝麻生育期內(nèi)降水量充沛。主產(chǎn)區(qū)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(nèi)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。