近12年美国大豆种植格局的时空演变研究

张 涛，盖艾鸿*，鲁聪聪，石钰琛，王小平

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.中国气象局兰州干旱气象研究所，中国气象局/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃 兰州 730000）

0 引言

大豆作为世界上主要的经济作物之一，大豆在我国种植历史悠久，我国曾是世界上最大的大豆生产国。但随着国内大豆需求量的不断增加，我国的大豆生产已无法满足国内的消费需求，供需之间的矛盾必须由进口来填补。我国大豆产业经历了从生产者到消费者的转变，从曾经最大的出口国转变为现在最大的进口国[1-3]。转基因大豆的不断涌入和进口量的连年递增严重影响了我国粮食安全，中国大豆市场的发展前景愈发令人担忧。尤其是2018年以来的中美贸易摩擦，进一步冲击我国的大豆产业。我国大豆需求量不断增长的趋势将长期存在，大豆问题引起政府、学术界和产业界的高度关注[4，5]。

为了促进农业科技的快速发展，遥感技术在农业生产的调查、评价与管理方面被广泛应用。遥感监测技术的应用，既能服务于农业生产指导，同时也是全球粮食贸易安全重要的信息来源[6，7]。掌握农作物空间格局的动态演化特征，将有助于研究农作物种植结构的演变机理及其影响因素，从而科学有效地调整农作物布局和种植结构，提高农业综合生产水平，对指导农业生产和实现区域农业可持续发展具有重要意义[8]。系统分析近12年美国大豆空间格局的时空演变特征有利于我国掌握国际大豆市场运行状况，适应世界大豆市场的变化，特别是在当前的国际情势下，有利于了解美国大豆的产业发展现状和经济运行规律，减少我国对美国转基因大豆的依赖，增加非转基因大豆的进口量，制定国内大豆生产政策，调整大豆种植结构，稳定和满足大豆消费需求，控制农产品价格水平，稳定居民日常生活以及有效防止通货膨胀等，对我国的大豆生产和农业健康、可持续发展战略提供重要参考[9-12]。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况。美国国土面积约937万km2，其中，陆地面积约916万km2，内陆水域面积约20万km2，耕地面积28亿多亩，占国土总面积的20%以上。地形以平原为主，约占本土面积的一半。地广人稀，耕地大面积连片分布。气候类型复杂多样，雨量充沛，年降雨量为760 mm，雨热同期，优越的水热条件充分满足农业生产的需要，极有利于工农业生产的发展。农业高度发达，机械化程度高，约有农场220万个[13]，几十年来，美国一直在世界农业生产领域和出口领域等方面占据了主导地位。这种独特的地理环境、适宜的气候以及富饶的国土资源为美国成为世界上最大的农业发达国和农产品贸易国提供了必要的物质基础[14]。本文主要研究美国本土的48个州和一个经济特区，如图1所示，美国大豆种植主要集中于中西部的18个主产州，温和的气候和良好的土壤条件极有利于大豆的生长。

图1 研究区概况

1.1.2 数据源。本研究基于美国农业部提供的NASSCDL计划数据（https://nassgeodata.gmu.edu/CropScape），大豆种植面积统计数据来源于美国农业部国家农业统计局（United States Department of Agriculture,National Bureau of Agricultural Statistics）发布的美国农田CDL。CDL作物数据层主要包括多种农作物的空间种植分布情况，栅格分辨率为30 m×30 m。美国DEM和行政矢量边界数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境数据云平台（http://www.resdc.cn），空间分辨率为1 km。其他农业基础统计数据如大豆产量、出口量、期末库存量、农场平均价、及中国消费量数据均来源于美国农业部国家农业统计局（https://www.nass.usda.gov）和前瞻数据库（https://d.qianzhan.com）。

1.2 方法

本研究基于美国农业部提供的NASS-CDL计划数据农田CDL的作物数据层，结合美国DEM和行政边界数据，运用ArcGIS 10.2提取了2008-2019年美国大豆种植的面积数据，运用趋势分析法、重心迁移法分析了近12年美国大豆种植面积在时间和空间上的演变特征，再利用SPSS 25分析了近12年大豆种植的面积、产量、出口量、期末库存量、农场平均价以及中国消费量的相关性及共变趋势。

1.2.1 趋势分析法。本文利用斜率变化法和土地利用动态度分析法相结合，研究近12年美国大豆种植面积在时间序列上变化的趋势和速率。计算公式如下：

式中，KT表示在某一阶段内大豆种植面积的变化率；K代表大豆种植面积的动态度；Ua和Ub代表某阶段种植面积的初期和末期；T表示时间间隔。KT值的正负，表示种植面积的增减趋势，K绝对值的大小表示种植面积变化趋势的快慢程度。

1.2.2 重心迁移法。重心原理能很好地反映要素在一定区域内的变动情况[15]，大豆种植重心指某个时期大豆种植达到平衡状态的地理位置。当种植面积发生变化时，都会引起面积重心发生偏移。本文基于ArcGIS 10.2运用标准差椭圆分析法分析大豆种植面积的重心，再依据其重心在空间上的经纬度位置变化分析其空间上的移动距离和大致的空间迁移方向，椭圆的平均中心即空间分布的重心。椭圆的计算公式如下：

式中，xi和yi是要素在空间位置上的坐标；是算数平均中心[16]；SDEX和SDEy为椭圆的方差，椭圆的大小取决于方差大小，长、短半轴分别表示最大方差和最小方差，长短半轴由计算X、Y的方差得到[17]。种植重心的计算公式如下：

1.2.3 相关性分析。相关性分析是指对两个或者多个具备相关性的变量元素进行分析，衡量两个或者多个变量因素间的相关密切程度，了解变量间的共变趋势[18]。本文对美国大豆种植的面积同美国大豆产量、出口量、压榨量、期末库存量和农场平均价及中国大豆进口量进行相关性分析，分析其变化同面积是否具有一致性。

2 结果与分析

2.1 美国大豆时空特征分析

近12年美国大豆种植面积在时间序列上的变化情况见图2。大豆种植面积呈上下波动的趋势，其中，2011年和2019年大豆种植面积显著减少。2008-2011年，大豆种植面积呈先增加后减少的波动状态，2008-2009年种植面积小幅度增长；2012-2015年，大豆种植面积呈增加的趋势，其中，2013-2014年增速较快，大豆种植面积增加了近2.27（106hm2）；2016-2019年，美国大豆种植面积也是先增加后下降，波动较大。其中，2016-2017年增速较快，大豆种植面积增加了近2.75（106hm2），2018-2019年，种植面积大幅下降，大豆种植面积下降了近5.30（106hm2）。大豆生产具有明显的区域性和季节特性，生产周期长，受气候因素影响较大[19]。2011年，受美国恶劣天气的影响，美国中西部作物种植带连续强降水，导致土壤水分含量过高，大豆播种时机推迟，使农户不得不更替其他农作物，从而大豆种植面积减少；随着世界经济全球化的发展，世界其他国家和地区对大豆的需求量不断增加，是2013-2017年大豆种植面积不断增加的重要原因[20]。2019年受政治因素的影响较大，政策上的不确定性使豆农减少了大豆播种面积。

图2 美国大豆种植面积年际变化

美国政府优厚的大豆政策补贴，大规模的机械化生产，转基因大豆品种产量的提高，是驱动近12年美国大豆种植面积变化的主要原因[21]，充沛的雨量和适宜的温度也给大豆的种植创造了良好的条件。

近12年美国大豆种植面积的空间分布从图3和图4可知，大豆种植主要分布在美国中西部，集中于中部平原和密西西比河流域附近。分别位于伊利诺伊州、艾奥瓦州、北达科他州、明尼苏达州、印第安纳州、密苏里州、内部拉斯加州、堪萨斯州、俄亥俄州、南达科他州等[11]。该区域属于温带大陆性气候区，光热水资源丰富，土壤肥沃，是主要的大豆生产基地。艾奥瓦州、伊利诺伊州、明尼苏达州位于密西西比河和密苏里河之间，地理位置优越，该区域气候温和，日照充足，降水丰富，地势平坦，土壤肥沃，而且耕地面积占比高，为大豆的种植提供了无比优越的条件。2014年和2017年大豆种植的面积显著增加，其主要原因是2013年由于中西部地区的降水导致农户无法下田作业，玉米的种植进度已大幅放缓，农民将大豆转种到了部分玉米田。美国大部分玉米在五月下旬种植，才能确保夏季高湿天气出现前玉米进入授粉期，也确保秋季及时收获。由于多数农作物价格下跌，农民预期大豆种植收入增加以及2017年早期大豆价格飙升，美国大豆种植面积在2017年创下历史新高，这为农民提供了一个预售大豆的良机，提高了种植大豆的积极性，增加了播种面积，但小麦、玉米和高粱的播种面积有所减少。

2.2 种植面积的趋势变化分析

以相邻两年为单位，对近12年美国大豆种植面积的变化率进行对比分析，变化率大于0，则表示种植面积呈增长趋势，反之则下降。根据图4所知，2010年，2011年，2016年，2018年，2019年变化率均小于0，大豆种植面积减少，其余年份均增加。2011年和2019年种植面积下降最为明显，不仅受自然因素的影响，而且还受政治因素影响。中西部地区持续的降水造成种植面积的减少，而国际环境、进出口贸易政策也是影响2019美国大豆种植面积的关键因素。而2014年和2017年面积增幅最大，整体来看，美国大豆种植面积的变化率总体上呈波动状态，不但与自然因素有关，而且与国际环境和世界大豆市场价格密切相关。

将美国大豆种植面积的动态度分4期进行分析（见表1），2008-2019年美国大豆种植面积的总动态度为0.47%，表明近12年美国大豆种植面积总体呈上升趋势。第1期（2008-2010年），大豆种植面积的动态度为1.1%，大豆种植面积呈上升趋势；第2期（2011-2013年），大豆种植面积的动态度为1.6%，大豆种植面积也是呈增加趋势；第3期（2014-2016年），大豆种植面积的动态度为0.06%，大豆种植面积呈小幅增长的趋势；前3期的动态度保持了一个良好的增长趋势，表明大豆种植在该阶段获得了正增长且发展势头良好，也表明全球大豆市场的走势较好，离不开美国政府农业政策引导，政府给予大豆补贴，吸引了大量的农场主积极种植大豆；第4期（2017-2019年），大豆种植面积的动态度为-7.80%，种植面积明显下降，主要是受2019年美国异常气候和进出口贸易政策的影响，造成种植面积大幅减少。

表1 近12年美国大豆种植面积动态度

2.3 空间重心迁移分析

据图5和表2所知，2008-2019年美国大豆种植面积重心明显从印第安纳州向伊利诺伊州方向迁移，研究期间，大豆种植面积总体上呈西南向西北再向东北方向迁移，总体移动距离大约144.93 km。其中，2011年向西偏北方向移动了约111.30 km，移动距离最大；2016年面积重心移动距离最小，向北偏西方向移动了约20.36 km。具体而言，2008年美国大豆种植面积的重心在印第安纳州境内，从2009年开始，美国大豆种植面积的重心慢慢开始向伊利诺伊州境内过渡，面积种植重心向西偏南方向迁移，移动距离约为26.57 km，由于邻近州域种植面积的增加，种植重心从小麦、棉花转向大豆和玉米，致使大豆种植面积的重心纬度略微降低；2010年面积重心向西偏北方向迁移，移动距离大致为50.21 km；2011-2013年面积重心向东偏北方向迁移，偏移距离约70 km，此阶段主要受美国作物区强降水的影响，使农户更替种植其他农作物，中西部作物区种植面积的减少必然引起了种植重心的变化；2013-2015年面积重心向东南方向迁移，移动距离约为128.2 km，主要由于伊利诺伊州以南的田纳西州、密西西比等州域的种植面积增加；2015-2017年面积重心向西偏北方向迁移，偏移距离约为74.88 km，由于此阶段西北方向的明尼苏达州、北达科他州等州域的种植面积增加；2017-2019年面积重心由东向北方向迁移，偏移距离大致为69.38 km，此阶段种植重心的改变与出口量的减少和大豆市场价格的下跌密切相关。

图5 近12年美国大豆种植重心迁移图

表2 2008-2019年美国大豆种植面积重心位置及变动情况

重心迁移轨迹能较好地反映出大豆种植格局的空间演变特征[12]。在多方面的驱动下，美国大豆种植结构发生明显的时空变化规律。如美国政府对大豆的补贴政策，提高农民的播种积极性[22]；受降水、温度等气候因素的影响，农民种植大豆的比重发生变化；机械化水平的提高、城镇化率的增加及转基因大豆的推广，促使美国中西部大平原，密西西比河流域大豆种植业得以快速发展[23]。

2.4 相关性分析

本研究运用SPSS 25对美国大豆种植的面积同产量、出口量、压榨量、期末库存量、农场平均价以及中国的进口量进行了相关性分析研究，分析其面积与其他变量间的相关密切程度及其共变趋势。相关性分析结果如表3所示。

由表3和表4得知，近12年美国大豆种植面积的增减变化与大豆产量、出口量、压榨量、中国进口量呈正相关，具有较好的一致性。种植面积越大，大豆产量越高，大豆出口量也随之增加；美国大豆的产量跟压榨量也呈正相关，产量越高，压榨量也越高。近12年美国大豆的期末库存量呈上下波动状态，其中2018-2019年美国大豆的期末库存量增长迅速，主要原因是出口的大幅减少及连续几年的大豆丰产，库存量创下新高。随着全球大豆消费需求的不断增长，尤其是中国市场对美国大豆销售的推动，也一定程度上影响了美国大豆的库存；近12年美国大豆农场平均价格受美国大豆产量、出口量和期末库存量的影响，特别是近5年美国大豆库存量的变化影响了美国大豆农场平均价格的走向。

表3 相关性分析

表4 相关性趋势分析

3 结论与建议

3.1 结论

本文运用趋势分析法、重心迁移法分析了近12年美国大豆种植面积的时空演变特征及其变化规律，并利用SPSS 25分析面积、产量、出口量、期末库存量、农场平均价以及中国进口量的相关性。近12年美国大豆种植面积的时空演变特征如下：

（1）美国大豆的主要种植区分布在美国中西部，集中在中部平原和密西西比河流域附近；美国大豆种植面积总体上呈现先增长后下降的趋势，2017年美国大豆种植面积最大，达到36.50（106hm2）；2011年的种植面积最少，为30.43（106hm2），这主要是由于美国的恶劣气候，持续的强降水导致土壤过湿，延误大豆播种时机，同时农户更替其他作物；2019年，美国大豆种植面积大幅下降，下降了约5.30（106hm2），这不仅是由于中西部作物区强降雨的影响，也受到国际环境和进出口贸易等政治因素的影响。

（2）2010年、2011年、2016年、2018年和2019年变化率都小于0，大豆种植面积减少，其余年份均增加。其中，2017年受初豆价格的影响，豆农种植大豆的积极性提高，增幅最大；2008-2019年，美国大豆种植面积总动态度为0.47%，且近12年来种植面积总体呈上升趋势；前3期美国大豆种植面积的动态度分别为1.1%、1.6%、0.06%，前3期的动态度保持了一个良好的增长趋势，而第4期的动态度为-7.80%，大豆种植面积明显下降。

（3）美国大豆种植空间迁移在近12年间呈现出较强的规律性，在多方面因素的驱动下，总体上向西北方向迁移，大豆种植面积的重心呈现西南—西北—东北方向迁移的规律；与2008年相比，2019年大豆面积重心总体向西北方向迁移，迁移距离约144.93 km。

（4）12年间美国大豆种植面积与美国大豆产量、出口量、压榨量、中国进口量相关性显著，具有较好的一致性；出口的大幅减少及连续几年的大豆丰产，使2018-2019年美国大豆的期末库存量创下新高；美国大豆产量的不断增加一定程度上影响了美国大豆的库存和农场平均价格的走向。

3.2 建议

美国作为全球贸易强国，也是农产品贸易大国，大豆是美国最主要的出口农产品[24]。在中国大豆进口量不断增加且进口贸易必然存在的趋势下，我国应提高大豆生产的重视程度，适当增加非转基因大豆的进口量，但不能完全依赖于进口；促进大豆进口来源的多元化，这样更有利于保障我国粮食安全与稳定；积极参与全球大豆定价机制，以促进中国期货市场的进一步对外开放[25]。此外，基于有限的种植面积和巨大的国内市场需求，合理规划和建设大豆生产与加工基地，调整中国大豆的种植模式和结构布局；建立健全大豆补贴政策，提高农业信息化服务水平，建立大豆价格预警系统；创新推广大豆生产，引进先进技术，促进区域化种植、专业化生产，提高国产大豆单产，促进大豆生产效益；培育壮大大豆加工业，完善大豆市场监管体系，从而保障我国大豆生产的绿色、健康、稳定和可持续发展[26-28]。