張 濤，蓋艾鴻*，魯聰聰，石鈺琛，王小平

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，中國氣象局/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

大豆作為世界上主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，大豆在我國種植歷史悠久，我國曾是世界上最大的大豆生產(chǎn)國。但隨著國內(nèi)大豆需求量的不斷增加，我國的大豆生產(chǎn)已無法滿足國內(nèi)的消費(fèi)需求，供需之間的矛盾必須由進(jìn)口來填補(bǔ)。我國大豆產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了從生產(chǎn)者到消費(fèi)者的轉(zhuǎn)變，從曾經(jīng)最大的出口國轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在最大的進(jìn)口國[1-3]。轉(zhuǎn)基因大豆的不斷涌入和進(jìn)口量的連年遞增嚴(yán)重影響了我國糧食安全，中國大豆市場的發(fā)展前景愈發(fā)令人擔(dān)憂。尤其是2018年以來的中美貿(mào)易摩擦，進(jìn)一步?jīng)_擊我國的大豆產(chǎn)業(yè)。我國大豆需求量不斷增長的趨勢將長期存在，大豆問題引起政府、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注[4，5]。

為了促進(jìn)農(nóng)業(yè)科技的快速發(fā)展，遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的調(diào)查、評價(jià)與管理方面被廣泛應(yīng)用。遙感監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，既能服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)，同時(shí)也是全球糧食貿(mào)易安全重要的信息來源[6，7]。掌握農(nóng)作物空間格局的動態(tài)演化特征，將有助于研究農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)的演變機(jī)理及其影響因素，從而科學(xué)有效地調(diào)整農(nóng)作物布局和種植結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)水平，對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[8]。系統(tǒng)分析近12年美國大豆空間格局的時(shí)空演變特征有利于我國掌握國際大豆市場運(yùn)行狀況，適應(yīng)世界大豆市場的變化，特別是在當(dāng)前的國際情勢下，有利于了解美國大豆的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行規(guī)律，減少我國對美國轉(zhuǎn)基因大豆的依賴，增加非轉(zhuǎn)基因大豆的進(jìn)口量，制定國內(nèi)大豆生產(chǎn)政策，調(diào)整大豆種植結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定和滿足大豆消費(fèi)需求，控制農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格水平，穩(wěn)定居民日常生活以及有效防止通貨膨脹等，對我國的大豆生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供重要參考[9-12]。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)概況。美國國土面積約937萬km2，其中，陸地面積約916萬km2，內(nèi)陸水域面積約20萬km2，耕地面積28億多畝，占國土總面積的20%以上。地形以平原為主，約占本土面積的一半。地廣人稀，耕地大面積連片分布。氣候類型復(fù)雜多樣，雨量充沛，年降雨量為760 mm，雨熱同期，優(yōu)越的水熱條件充分滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，極有利于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)高度發(fā)達(dá)，機(jī)械化程度高，約有農(nóng)場220萬個(gè)[13]，幾十年來，美國一直在世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和出口領(lǐng)域等方面占據(jù)了主導(dǎo)地位。這種獨(dú)特的地理環(huán)境、適宜的氣候以及富饒的國土資源為美國成為世界上最大的農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國和農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易國提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)[14]。本文主要研究美國本土的48個(gè)州和一個(gè)經(jīng)濟(jì)特區(qū)，如圖1所示，美國大豆種植主要集中于中西部的18個(gè)主產(chǎn)州，溫和的氣候和良好的土壤條件極有利于大豆的生長。

圖1 研究區(qū)概況

1.1.2 數(shù)據(jù)源。本研究基于美國農(nóng)業(yè)部提供的NASSCDL計(jì)劃數(shù)據(jù)（https://nassgeodata.gmu.edu/CropScape），大豆種植面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于美國農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)局（United States Department of Agriculture,National Bureau of Agricultural Statistics）發(fā)布的美國農(nóng)田CDL。CDL作物數(shù)據(jù)層主要包括多種農(nóng)作物的空間種植分布情況，柵格分辨率為30 m×30 m。美國DEM和行政矢量邊界數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（http://www.resdc.cn），空間分辨率為1 km。其他農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如大豆產(chǎn)量、出口量、期末庫存量、農(nóng)場平均價(jià)、及中國消費(fèi)量數(shù)據(jù)均來源于美國農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)局（https://www.nass.usda.gov）和前瞻數(shù)據(jù)庫（https://d.qianzhan.com）。

1.2 方法

本研究基于美國農(nóng)業(yè)部提供的NASS-CDL計(jì)劃數(shù)據(jù)農(nóng)田CDL的作物數(shù)據(jù)層，結(jié)合美國DEM和行政邊界數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS 10.2提取了2008-2019年美國大豆種植的面積數(shù)據(jù)，運(yùn)用趨勢分析法、重心遷移法分析了近12年美國大豆種植面積在時(shí)間和空間上的演變特征，再利用SPSS 25分析了近12年大豆種植的面積、產(chǎn)量、出口量、期末庫存量、農(nóng)場平均價(jià)以及中國消費(fèi)量的相關(guān)性及共變趨勢。

1.2.1 趨勢分析法。本文利用斜率變化法和土地利用動態(tài)度分析法相結(jié)合，研究近12年美國大豆種植面積在時(shí)間序列上變化的趨勢和速率。計(jì)算公式如下：

式中，KT表示在某一階段內(nèi)大豆種植面積的變化率；K代表大豆種植面積的動態(tài)度；Ua和Ub代表某階段種植面積的初期和末期；T表示時(shí)間間隔。KT值的正負(fù)，表示種植面積的增減趨勢，K絕對值的大小表示種植面積變化趨勢的快慢程度。

1.2.2 重心遷移法。重心原理能很好地反映要素在一定區(qū)域內(nèi)的變動情況[15]，大豆種植重心指某個(gè)時(shí)期大豆種植達(dá)到平衡狀態(tài)的地理位置。當(dāng)種植面積發(fā)生變化時(shí)，都會引起面積重心發(fā)生偏移。本文基于ArcGIS 10.2運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)差橢圓分析法分析大豆種植面積的重心，再依據(jù)其重心在空間上的經(jīng)緯度位置變化分析其空間上的移動距離和大致的空間遷移方向，橢圓的平均中心即空間分布的重心。橢圓的計(jì)算公式如下：

式中，xi和yi是要素在空間位置上的坐標(biāo)；是算數(shù)平均中心[16]；SDEX和SDEy為橢圓的方差，橢圓的大小取決于方差大小，長、短半軸分別表示最大方差和最小方差，長短半軸由計(jì)算X、Y的方差得到[17]。種植重心的計(jì)算公式如下：

1.2.3 相關(guān)性分析。相關(guān)性分析是指對兩個(gè)或者多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，衡量兩個(gè)或者多個(gè)變量因素間的相關(guān)密切程度，了解變量間的共變趨勢[18]。本文對美國大豆種植的面積同美國大豆產(chǎn)量、出口量、壓榨量、期末庫存量和農(nóng)場平均價(jià)及中國大豆進(jìn)口量進(jìn)行相關(guān)性分析，分析其變化同面積是否具有一致性。

2 結(jié)果與分析

2.1 美國大豆時(shí)空特征分析

近12年美國大豆種植面積在時(shí)間序列上的變化情況見圖2。大豆種植面積呈上下波動的趨勢，其中，2011年和2019年大豆種植面積顯著減少。2008-2011年，大豆種植面積呈先增加后減少的波動狀態(tài)，2008-2009年種植面積小幅度增長；2012-2015年，大豆種植面積呈增加的趨勢，其中，2013-2014年增速較快，大豆種植面積增加了近2.27（106hm2）；2016-2019年，美國大豆種植面積也是先增加后下降，波動較大。其中，2016-2017年增速較快，大豆種植面積增加了近2.75（106hm2），2018-2019年，種植面積大幅下降，大豆種植面積下降了近5.30（106hm2）。大豆生產(chǎn)具有明顯的區(qū)域性和季節(jié)特性，生產(chǎn)周期長，受氣候因素影響較大[19]。2011年，受美國惡劣天氣的影響，美國中西部作物種植帶連續(xù)強(qiáng)降水，導(dǎo)致土壤水分含量過高，大豆播種時(shí)機(jī)推遲，使農(nóng)戶不得不更替其他農(nóng)作物，從而大豆種植面積減少；隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，世界其他國家和地區(qū)對大豆的需求量不斷增加，是2013-2017年大豆種植面積不斷增加的重要原因[20]。2019年受政治因素的影響較大，政策上的不確定性使豆農(nóng)減少了大豆播種面積。

圖2 美國大豆種植面積年際變化

美國政府優(yōu)厚的大豆政策補(bǔ)貼，大規(guī)模的機(jī)械化生產(chǎn)，轉(zhuǎn)基因大豆品種產(chǎn)量的提高，是驅(qū)動近12年美國大豆種植面積變化的主要原因[21]，充沛的雨量和適宜的溫度也給大豆的種植創(chuàng)造了良好的條件。

近12年美國大豆種植面積的空間分布從圖3和圖4可知，大豆種植主要分布在美國中西部，集中于中部平原和密西西比河流域附近。分別位于伊利諾伊州、艾奧瓦州、北達(dá)科他州、明尼蘇達(dá)州、印第安納州、密蘇里州、內(nèi)部拉斯加州、堪薩斯州、俄亥俄州、南達(dá)科他州等[11]。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂騾^(qū)，光熱水資源豐富，土壤肥沃，是主要的大豆生產(chǎn)基地。艾奧瓦州、伊利諾伊州、明尼蘇達(dá)州位于密西西比河和密蘇里河之間，地理位置優(yōu)越，該區(qū)域氣候溫和，日照充足，降水豐富，地勢平坦，土壤肥沃，而且耕地面積占比高，為大豆的種植提供了無比優(yōu)越的條件。2014年和2017年大豆種植的面積顯著增加，其主要原因是2013年由于中西部地區(qū)的降水導(dǎo)致農(nóng)戶無法下田作業(yè)，玉米的種植進(jìn)度已大幅放緩，農(nóng)民將大豆轉(zhuǎn)種到了部分玉米田。美國大部分玉米在五月下旬種植，才能確保夏季高濕天氣出現(xiàn)前玉米進(jìn)入授粉期，也確保秋季及時(shí)收獲。由于多數(shù)農(nóng)作物價(jià)格下跌，農(nóng)民預(yù)期大豆種植收入增加以及2017年早期大豆價(jià)格飆升，美國大豆種植面積在2017年創(chuàng)下歷史新高，這為農(nóng)民提供了一個(gè)預(yù)售大豆的良機(jī)，提高了種植大豆的積極性，增加了播種面積，但小麥、玉米和高粱的播種面積有所減少。

2.2 種植面積的趨勢變化分析

以相鄰兩年為單位，對近12年美國大豆種植面積的變化率進(jìn)行對比分析，變化率大于0，則表示種植面積呈增長趨勢，反之則下降。根據(jù)圖4所知，2010年，2011年，2016年，2018年，2019年變化率均小于0，大豆種植面積減少，其余年份均增加。2011年和2019年種植面積下降最為明顯，不僅受自然因素的影響，而且還受政治因素影響。中西部地區(qū)持續(xù)的降水造成種植面積的減少，而國際環(huán)境、進(jìn)出口貿(mào)易政策也是影響2019美國大豆種植面積的關(guān)鍵因素。而2014年和2017年面積增幅最大，整體來看，美國大豆種植面積的變化率總體上呈波動狀態(tài)，不但與自然因素有關(guān)，而且與國際環(huán)境和世界大豆市場價(jià)格密切相關(guān)。

將美國大豆種植面積的動態(tài)度分4期進(jìn)行分析（見表1），2008-2019年美國大豆種植面積的總動態(tài)度為0.47%，表明近12年美國大豆種植面積總體呈上升趨勢。第1期（2008-2010年），大豆種植面積的動態(tài)度為1.1%，大豆種植面積呈上升趨勢；第2期（2011-2013年），大豆種植面積的動態(tài)度為1.6%，大豆種植面積也是呈增加趨勢；第3期（2014-2016年），大豆種植面積的動態(tài)度為0.06%，大豆種植面積呈小幅增長的趨勢；前3期的動態(tài)度保持了一個(gè)良好的增長趨勢，表明大豆種植在該階段獲得了正增長且發(fā)展勢頭良好，也表明全球大豆市場的走勢較好，離不開美國政府農(nóng)業(yè)政策引導(dǎo)，政府給予大豆補(bǔ)貼，吸引了大量的農(nóng)場主積極種植大豆；第4期（2017-2019年），大豆種植面積的動態(tài)度為-7.80%，種植面積明顯下降，主要是受2019年美國異常氣候和進(jìn)出口貿(mào)易政策的影響，造成種植面積大幅減少。

表1 近12年美國大豆種植面積動態(tài)度

2.3 空間重心遷移分析

據(jù)圖5和表2所知，2008-2019年美國大豆種植面積重心明顯從印第安納州向伊利諾伊州方向遷移，研究期間，大豆種植面積總體上呈西南向西北再向東北方向遷移，總體移動距離大約144.93 km。其中，2011年向西偏北方向移動了約111.30 km，移動距離最大；2016年面積重心移動距離最小，向北偏西方向移動了約20.36 km。具體而言，2008年美國大豆種植面積的重心在印第安納州境內(nèi)，從2009年開始，美國大豆種植面積的重心慢慢開始向伊利諾伊州境內(nèi)過渡，面積種植重心向西偏南方向遷移，移動距離約為26.57 km，由于鄰近州域種植面積的增加，種植重心從小麥、棉花轉(zhuǎn)向大豆和玉米，致使大豆種植面積的重心緯度略微降低；2010年面積重心向西偏北方向遷移，移動距離大致為50.21 km；2011-2013年面積重心向東偏北方向遷移，偏移距離約70 km，此階段主要受美國作物區(qū)強(qiáng)降水的影響，使農(nóng)戶更替種植其他農(nóng)作物，中西部作物區(qū)種植面積的減少必然引起了種植重心的變化；2013-2015年面積重心向東南方向遷移，移動距離約為128.2 km，主要由于伊利諾伊州以南的田納西州、密西西比等州域的種植面積增加；2015-2017年面積重心向西偏北方向遷移，偏移距離約為74.88 km，由于此階段西北方向的明尼蘇達(dá)州、北達(dá)科他州等州域的種植面積增加；2017-2019年面積重心由東向北方向遷移，偏移距離大致為69.38 km，此階段種植重心的改變與出口量的減少和大豆市場價(jià)格的下跌密切相關(guān)。

圖5 近12年美國大豆種植重心遷移圖

表2 2008-2019年美國大豆種植面積重心位置及變動情況

重心遷移軌跡能較好地反映出大豆種植格局的空間演變特征[12]。在多方面的驅(qū)動下，美國大豆種植結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的時(shí)空變化規(guī)律。如美國政府對大豆的補(bǔ)貼政策，提高農(nóng)民的播種積極性[22]；受降水、溫度等氣候因素的影響，農(nóng)民種植大豆的比重發(fā)生變化；機(jī)械化水平的提高、城鎮(zhèn)化率的增加及轉(zhuǎn)基因大豆的推廣，促使美國中西部大平原，密西西比河流域大豆種植業(yè)得以快速發(fā)展[23]。

2.4 相關(guān)性分析

本研究運(yùn)用SPSS 25對美國大豆種植的面積同產(chǎn)量、出口量、壓榨量、期末庫存量、農(nóng)場平均價(jià)以及中國的進(jìn)口量進(jìn)行了相關(guān)性分析研究，分析其面積與其他變量間的相關(guān)密切程度及其共變趨勢。相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示。

由表3和表4得知，近12年美國大豆種植面積的增減變化與大豆產(chǎn)量、出口量、壓榨量、中國進(jìn)口量呈正相關(guān)，具有較好的一致性。種植面積越大，大豆產(chǎn)量越高，大豆出口量也隨之增加；美國大豆的產(chǎn)量跟壓榨量也呈正相關(guān)，產(chǎn)量越高，壓榨量也越高。近12年美國大豆的期末庫存量呈上下波動狀態(tài)，其中2018-2019年美國大豆的期末庫存量增長迅速，主要原因是出口的大幅減少及連續(xù)幾年的大豆豐產(chǎn)，庫存量創(chuàng)下新高。隨著全球大豆消費(fèi)需求的不斷增長，尤其是中國市場對美國大豆銷售的推動，也一定程度上影響了美國大豆的庫存；近12年美國大豆農(nóng)場平均價(jià)格受美國大豆產(chǎn)量、出口量和期末庫存量的影響，特別是近5年美國大豆庫存量的變化影響了美國大豆農(nóng)場平均價(jià)格的走向。

表3 相關(guān)性分析

表4 相關(guān)性趨勢分析

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文運(yùn)用趨勢分析法、重心遷移法分析了近12年美國大豆種植面積的時(shí)空演變特征及其變化規(guī)律，并利用SPSS 25分析面積、產(chǎn)量、出口量、期末庫存量、農(nóng)場平均價(jià)以及中國進(jìn)口量的相關(guān)性。近12年美國大豆種植面積的時(shí)空演變特征如下：

（1）美國大豆的主要種植區(qū)分布在美國中西部，集中在中部平原和密西西比河流域附近；美國大豆種植面積總體上呈現(xiàn)先增長后下降的趨勢，2017年美國大豆種植面積最大，達(dá)到36.50（106hm2）；2011年的種植面積最少，為30.43（106hm2），這主要是由于美國的惡劣氣候，持續(xù)的強(qiáng)降水導(dǎo)致土壤過濕，延誤大豆播種時(shí)機(jī)，同時(shí)農(nóng)戶更替其他作物；2019年，美國大豆種植面積大幅下降，下降了約5.30（106hm2），這不僅是由于中西部作物區(qū)強(qiáng)降雨的影響，也受到國際環(huán)境和進(jìn)出口貿(mào)易等政治因素的影響。

（2）2010年、2011年、2016年、2018年和2019年變化率都小于0，大豆種植面積減少，其余年份均增加。其中，2017年受初豆價(jià)格的影響，豆農(nóng)種植大豆的積極性提高，增幅最大；2008-2019年，美國大豆種植面積總動態(tài)度為0.47%，且近12年來種植面積總體呈上升趨勢；前3期美國大豆種植面積的動態(tài)度分別為1.1%、1.6%、0.06%，前3期的動態(tài)度保持了一個(gè)良好的增長趨勢，而第4期的動態(tài)度為-7.80%，大豆種植面積明顯下降。

（3）美國大豆種植空間遷移在近12年間呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，在多方面因素的驅(qū)動下，總體上向西北方向遷移，大豆種植面積的重心呈現(xiàn)西南—西北—東北方向遷移的規(guī)律；與2008年相比，2019年大豆面積重心總體向西北方向遷移，遷移距離約144.93 km。

（4）12年間美國大豆種植面積與美國大豆產(chǎn)量、出口量、壓榨量、中國進(jìn)口量相關(guān)性顯著，具有較好的一致性；出口的大幅減少及連續(xù)幾年的大豆豐產(chǎn)，使2018-2019年美國大豆的期末庫存量創(chuàng)下新高；美國大豆產(chǎn)量的不斷增加一定程度上影響了美國大豆的庫存和農(nóng)場平均價(jià)格的走向。

3.2 建議

美國作為全球貿(mào)易強(qiáng)國，也是農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易大國，大豆是美國最主要的出口農(nóng)產(chǎn)品[24]。在中國大豆進(jìn)口量不斷增加且進(jìn)口貿(mào)易必然存在的趨勢下，我國應(yīng)提高大豆生產(chǎn)的重視程度，適當(dāng)增加非轉(zhuǎn)基因大豆的進(jìn)口量，但不能完全依賴于進(jìn)口；促進(jìn)大豆進(jìn)口來源的多元化，這樣更有利于保障我國糧食安全與穩(wěn)定；積極參與全球大豆定價(jià)機(jī)制，以促進(jìn)中國期貨市場的進(jìn)一步對外開放[25]。此外，基于有限的種植面積和巨大的國內(nèi)市場需求，合理規(guī)劃和建設(shè)大豆生產(chǎn)與加工基地，調(diào)整中國大豆的種植模式和結(jié)構(gòu)布局；建立健全大豆補(bǔ)貼政策，提高農(nóng)業(yè)信息化服務(wù)水平，建立大豆價(jià)格預(yù)警系統(tǒng)；創(chuàng)新推廣大豆生產(chǎn)，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)區(qū)域化種植、專業(yè)化生產(chǎn)，提高國產(chǎn)大豆單產(chǎn)，促進(jìn)大豆生產(chǎn)效益；培育壯大大豆加工業(yè)，完善大豆市場監(jiān)管體系，從而保障我國大豆生產(chǎn)的綠色、健康、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展[26-28]。