2007—2017年美國大豆產(chǎn)量時(shí)空變化與分析

雒藝欣李華，林馮建于中濤，白林徐燕運(yùn)杰，曹 丹

（1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100094；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京100081；3.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083）

0 引言

大豆作為含有豐富植物蛋白質(zhì)的大宗作物，通常用作榨油、食用、飼用等用途[1]。隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國對(duì)大豆的需求不斷增長[2]，大豆消費(fèi)量穩(wěn)步上升，2017年我國的大豆消費(fèi)量超過1.1億t，在全球占據(jù)首位[3]。但是，我國大豆產(chǎn)量狀況遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)消費(fèi)需求，對(duì)國外大豆進(jìn)口的依賴使我國在國際貿(mào)易中處于被動(dòng)狀態(tài)。美國作為世界上最大的大豆生產(chǎn)國和出口國[4]，在國際大豆市場交易中具有重要的地位和作用，有研究表明2017年美國出口大豆57%進(jìn)口到中國[5]；并掌握國際大豆價(jià)格的制定，對(duì)中國大豆市場及生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的影響。因此，為了穩(wěn)定和滿足我國大豆市場的供需，應(yīng)對(duì)大豆進(jìn)口的被動(dòng)狀況，不僅要適當(dāng)增加國內(nèi)大豆種植面積和產(chǎn)量，更需要掌握美國大豆種植狀況及產(chǎn)量時(shí)間空間動(dòng)態(tài)變化，以此輔助制定我國大豆生產(chǎn)政策、調(diào)整大豆種植結(jié)構(gòu)以及確定大豆國際貿(mào)易數(shù)量[6]。

目前，地理信息技術(shù)已成為探索地理空間對(duì)象要素地域分布特征及其規(guī)律認(rèn)知以及隱含信息發(fā)現(xiàn)的有力工具之一[7]，在農(nóng)業(yè)多源要素信息時(shí)空特征分析[8-10]、模型模擬[11-12]、各類評(píng)價(jià)[13]以及支持農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理[14-15]等方面具有廣泛的應(yīng)用。該文將美國縣域2007—2017年大豆產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與行政單元建立空間關(guān)聯(lián)，探索美國近10年大豆種植及收獲產(chǎn)量在空間上的分布特征，并利用變化率法、空間自相關(guān)分析法、重心遷移法分析美國大豆產(chǎn)量時(shí)空變化規(guī)律，為掌握國際大豆態(tài)勢以及我國制定大豆進(jìn)出口貿(mào)易政策提供有力支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 The study area

美國位于太平洋以東，大西洋以西的北美洲，經(jīng)緯度范圍為25°N～49°N，60°W～130°W。地形以平原為主，西高東低，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）。美國地廣人稀，西部平原具有肥沃的土壤和充沛的水源，為農(nóng)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。農(nóng)業(yè)高度發(fā)達(dá)，機(jī)械化程度高，據(jù)統(tǒng)計(jì)約有農(nóng)場220萬個(gè)，耕地面積3.723億hm2。美國是世界上最大的大豆生產(chǎn)國，但近年來美國在世界大豆的產(chǎn)量占比呈現(xiàn)下降趨勢。該文研究區(qū)域?yàn)槊绹就恋貐^(qū)包括艾奧瓦州等49個(gè)州。

1.2 數(shù)據(jù)源

研究數(shù)據(jù)包括美國縣域矢量邊界數(shù)據(jù)、美國DEM數(shù)據(jù)和近10年美國大豆產(chǎn)量縣域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。大豆產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)在美國農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)局USDA（United States Department of Agriculture）快速查詢網(wǎng)站下載（https：//quickstats.nass.usda.gov）。該網(wǎng)站可以查詢動(dòng)物、作物、人口、經(jīng)濟(jì)支出等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中大豆的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括總產(chǎn)、單產(chǎn)、種植面積等，產(chǎn)量數(shù)據(jù)單位為蒲式耳（bushel），面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為英畝（acre），該文已換算為噸（t）和公頃（hm2）。

2 研究方法

該文基于近10年美國大豆產(chǎn)量縣域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合美國縣域矢量邊界數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)分層設(shè)色呈現(xiàn)美國大豆產(chǎn)量的空間分布特征，并利用全局空間自相關(guān)分析法、局部空間自相關(guān)分析法和重心遷移法對(duì)美國大豆產(chǎn)量的時(shí)空變遷進(jìn)行分析。

（1）變化斜率法

為研究美國大豆產(chǎn)量時(shí)間序列變化趨勢，選用變化斜率法對(duì)近10年美國大豆產(chǎn)量變化趨勢進(jìn)行模擬。變化率計(jì)算公式為：

式（1）中，KT是代表美國大豆產(chǎn)量在某階段的變化率，Ua和Ub分別是某階段初期和末期的大豆產(chǎn)量。KT大于0表示大豆產(chǎn)量呈現(xiàn)增長的趨勢，KT小于0時(shí)，表示大豆產(chǎn)量呈現(xiàn)下降的趨勢，KT的絕對(duì)值大小表示增長或下降的快慢程度[16-17]。

（2）全局空間自相關(guān)分析法

空間自相關(guān)分析（Spatial Auto Correlation Analysis）是對(duì)某一地理變量空間分布相鄰位置間的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)的一種統(tǒng)計(jì)方法[18-19]。常用的全局空間自相關(guān)（Global Spatial Autocorrelation）度量指標(biāo)Moran′sI，其計(jì)算式為：

式（2）中，n是空間單位數(shù)目（變量X的觀測數(shù)），Xi，Xj分別為位置i和位置j的觀測值，是觀測值的平均值，Wij是觀測位置i和j之間的空間連接矩陣[20]。

Moran′sI的值介于[-1，1]之間，大于0表示空間正相關(guān)，說明統(tǒng)計(jì)參量（大豆產(chǎn)量）較高（較低）的區(qū)域在空間存在顯著集聚現(xiàn)象；小于0表示大豆產(chǎn)量在空間分布差異顯著，絕對(duì)值越接近1，表示大豆產(chǎn)量在空間的集聚性越明顯。當(dāng)Moran′sI趨于0時(shí)，代表大豆產(chǎn)量在空間呈隨機(jī)分布。

（3）局部空間自相關(guān)分析法

Moran′sI的局部空間自相關(guān)（Local Spatial Autocorrelation）度量指標(biāo)（local indicators of spatial association，LISA），計(jì)算公式為：

式（4）中，Moran′sI的局部空間自相關(guān)指標(biāo)Ii用來表征觀測單元特性與周邊單元特性的差異程度，有效地展示指標(biāo)參量局部空間格局相關(guān)關(guān)系特性，可進(jìn)一步研究大豆產(chǎn)量空間轉(zhuǎn)移規(guī)律[21-23]。

（4）重心遷移法

重心原理被廣泛用于研究要素在區(qū)域的空間變動(dòng)情況[24]。大豆種植重心是指某個(gè)時(shí)期大豆生產(chǎn)要素指標(biāo)（可用面積或產(chǎn)量來度量，該文選用產(chǎn)量指標(biāo)）分布在某個(gè)區(qū)域上的力矩達(dá)到平衡的地理位置。每個(gè)時(shí)期當(dāng)大豆產(chǎn)量發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起大豆種植產(chǎn)量重心發(fā)生偏移，當(dāng)大豆重心朝著某個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，表明在此方向上大豆產(chǎn)量增加較快，對(duì)大豆生產(chǎn)系統(tǒng)貢獻(xiàn)相對(duì)較大[25]。大豆種植產(chǎn)量重心計(jì)算方式如下所示：

式（5）、（6）中，X、Y表示第t年大豆種植產(chǎn)量重心的經(jīng)度與緯度位置，Xi、Yi表示每一個(gè)縣中心的經(jīng)度與緯度坐標(biāo)，Ait表示第i個(gè)縣第t年的大豆產(chǎn)量，n為縣數(shù)目。

3 結(jié)果與分析

3.1 美國大豆產(chǎn)量時(shí)空分布特征分析

2007—2017年美國大豆產(chǎn)量變化情況（圖2）可知：近10年間美國大豆產(chǎn)量呈增加的趨勢，2017年美國大豆產(chǎn)量比2007年增加了4 666萬t，大豆產(chǎn)量與其種植面積變化具有較好的一致性。2007—2012年間，美國大豆產(chǎn)量呈波動(dòng)增加狀態(tài)，其中2007—2009年產(chǎn)量增加，2009—2012年產(chǎn)量減少；2012—2017年大豆產(chǎn)量增加速率快，產(chǎn)量增加了3 673萬t。對(duì)照研究時(shí)序內(nèi)美國大豆種植面積呈波動(dòng)增加的趨勢，其中2008—2013年相對(duì)穩(wěn)定，而2013—2017年大豆種植面積增加速率較快。

圖2 近10年美國大豆產(chǎn)量和種植面積Fig.2 Changes of soybean yields and areas in the United States from 2007 to 2017

2007—2009年，在美國優(yōu)厚的大豆政策補(bǔ)貼、轉(zhuǎn)基因大豆品種產(chǎn)量高和美國大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)下[25]，其大豆產(chǎn)量增加幅度較大。受2011年5月美國低溫潮濕天氣的影響，導(dǎo)致土壤過度潮濕，延誤大豆的播種農(nóng)機(jī)，同時(shí)農(nóng)戶更替其他糧食作物，從而導(dǎo)致2011年大豆產(chǎn)量顯著降低。隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展及中國、世界其他國家或地區(qū)對(duì)大豆需求的不斷增加，是驅(qū)動(dòng)2013—2017年美國大豆產(chǎn)量連續(xù)增長的根本原因。

從近10年美國大豆產(chǎn)量空間分布（圖3）可知，大豆產(chǎn)量主要分布在中部平原，密西西比河流域附近，即艾奧瓦州、伊利諾伊州、明尼蘇達(dá)州、印第安納州、內(nèi)布拉斯加州、密蘇里州等，該區(qū)域土壤肥沃濕潤，氣候條件好，是大豆重要的生產(chǎn)基地。艾奧瓦州、伊利諾伊州和明尼蘇達(dá)州位于密西西比河與密蘇里河之間，屬于溫帶大陸性氣候帶，地理位置特殊。此區(qū)為土壤肥沃、土地平整、雨水充沛的開闊平原，耕地占全州面積的96%以上，給大豆的種植創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件。伊利諾伊州地勢平坦，平均海拔182m，西北部較高，有起伏平緩的丘陵，北部和中部的黑土非常肥沃，為世界上最佳耕地之一；明尼蘇達(dá)州的平均高度為366m，湖泊眾多，約有1.5萬個(gè)湖泊，充沛的水源給大豆的種植提供了生長條件。從產(chǎn)量分布圖可知，南達(dá)科他州、內(nèi)布拉斯加州的大豆產(chǎn)量逐年增長，2015年、2017年的大豆產(chǎn)量顯著增加。

3.2 美國大豆產(chǎn)量變化率分析

該文以相鄰兩年為單位對(duì)美國大豆產(chǎn)量變化率進(jìn)行分析比較（圖4）。變化率大于0表示大豆產(chǎn)量呈現(xiàn)增長趨勢，反之呈現(xiàn)下降趨勢；絕對(duì)值越大表示變化速率越快。2010年、2011年、2012年、2015年變化率小于0，大豆產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢，且2011年大豆產(chǎn)量下降的最為迅速。主要原因是受自然因素的影響，延誤了當(dāng)年大豆的播種，使得當(dāng)年大豆產(chǎn)量顯著降低。其余年份大豆均呈現(xiàn)增長的趨勢。其中，2009年和2014年增長最為迅速；其次，2008年、2013年、2016年增速也較快；而2017年增速較小?？傮w上來看，近年美國大豆產(chǎn)量的變化率呈現(xiàn)上下波動(dòng)態(tài)勢，主要受自然因素和世界大豆市場價(jià)格波動(dòng)的影響。

圖3 美國大豆產(chǎn)量分布變化Fig.3 Distribution changes of soybean yields in the United States

3.3 全局空間自相關(guān)分析

圖4 近10年美國大豆產(chǎn)量變化率Fig.4 Change rates of soybean yields in the United States from 2007 to 2017

圖5 2007—2017年美國大豆產(chǎn)量全局空間自相關(guān)系數(shù)Fig.5 Global spatial autocorrelation coefficient of soybean yields in the United States from 2007 to 2017

分析美國大豆產(chǎn)量全局空間Moran′sI指標(biāo)，其大于0表示空間正相關(guān)，說明大豆產(chǎn)量較高值（或者較低值）的區(qū)域在空間上存在顯著的集聚現(xiàn)象；絕對(duì)值越接近1，表示大豆產(chǎn)量在空間地域上的集聚性或者差異性越明顯。由圖5可知：全局空間Moran′sI指數(shù)均為正數(shù)，且基本介于0.669～0.726之間，說明美國大豆產(chǎn)量空間分布存在顯著的集聚效應(yīng)。2007—2011年，全局Moran′s I指數(shù)基本平穩(wěn)，并呈小幅度增長趨勢，年均增長率為1.38%；2013—2015年Moran′sI指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，年均增長率為-3.95%；2017年Moran′sI指數(shù)有小幅度上升，增長率為4.43%。Moran′sI指數(shù)總體波動(dòng)較大，其中2017年增長率最大為4.43%，2013年增長率最低為-4.62%，存在個(gè)別年份指數(shù)突然降低現(xiàn)象，2013年、2015年全局Moran′sI指數(shù)分別為0.692、0.669，比其他年份都低。這是由于美國地形西高東低，大豆主要分布在中東部大平原區(qū)，使得美國境內(nèi)大豆種植地區(qū)分布差異明顯，因此全局Moran′sI指數(shù)較高。綜上所述，2007—2017年，美國大豆產(chǎn)量Moran′sI指數(shù)波動(dòng)較大，但值普遍較高，因而大豆產(chǎn)量地域具有良好的空間聚集性。

3.4 局部空間自相關(guān)分析

基于Moran′sI的局部空間自相關(guān)指標(biāo)參量LISA的空間聚集模式[22，26]，繪制了2007、2009、2011、2013、2015、2017年美國大豆產(chǎn)量的聚集狀況（圖6），置信水平為95%?？梢姡绹蠖巩a(chǎn)量聚集狀況主要有四種類型：高—高（HH）聚集區(qū)，表示某一縣范圍內(nèi)大豆產(chǎn)量與其周圍縣大豆產(chǎn)量均較高；低―低（LL）聚集區(qū)，表示某一縣范圍內(nèi)大豆產(chǎn)量與其周圍縣大豆產(chǎn)量均較低；低―高（LH）聚集區(qū)，表示該縣大豆產(chǎn)量較低而周圍縣大豆產(chǎn)量較高；高―低（HL）聚集區(qū)，表示該縣大豆產(chǎn)量較高而周圍縣大豆產(chǎn)量較低。

圖6 2007—2017年美國大豆產(chǎn)量聚集變化Fig.6 Spatial-clustering changes of soybean yields in the United States from 2007 to 2017

由圖6可知，2007—2017年美國大豆產(chǎn)量局部空間自相關(guān)以HH、LL兩類型區(qū)為主，且此兩類聚集區(qū)都有不斷擴(kuò)張的趨勢。HH聚集區(qū)是以艾奧瓦州、伊利諾伊州為中心的美國大豆生產(chǎn)的主產(chǎn)區(qū)。HH聚集區(qū)向西南部擴(kuò)展，主要原因是北達(dá)科他州、南達(dá)科他州、密西西比州等的大豆產(chǎn)量顯著增加；LL聚集區(qū)分布在美國東部靠近沿海地區(qū)，有向南北方向擴(kuò)張的趨勢，主要原因是該地區(qū)大豆種植處于起步發(fā)展階段。HL聚集區(qū)只在2007年、2009年、2013年在路易斯安那州有小部分分布。LH聚集區(qū)在西部大平原有小部分分布，之后向南部的密西西比河流域擴(kuò)展，主要原因是密蘇里州、阿肯色州、肯塔基州、田納西州、密西西比州等大豆產(chǎn)量增加。

綜上所述，美國大豆聚集區(qū)不斷擴(kuò)展，其中HH聚集區(qū)的擴(kuò)展方向?yàn)槲髂戏较?，LL聚集區(qū)向南北縱向延伸，其他類型區(qū)域大豆的種植也有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展。

3.5 美國大豆產(chǎn)量空間重心遷移分析

2007—2017年美國大豆產(chǎn)量空間重心遷移（表1和圖7），10年間具有明顯向西南方向偏移的趨勢，總體移動(dòng)距離為87.71km。其中，2013—2015年大豆產(chǎn)量重心位置偏移距離最大，向西偏北方向移動(dòng)72.73km。2007—2013年大豆產(chǎn)量重心位于伊利諾伊州境內(nèi)，2015年之后位于艾奧瓦州境內(nèi)。具體而言，2007—2009年美國大豆產(chǎn)量重心明顯向南偏西方向遷移，偏移距離為61.07km，主要原因是密西西比河流域的密西西比州等大豆產(chǎn)量顯著增加；2009—2011年美國大豆產(chǎn)量重心向北偏東移動(dòng)，偏移距離為18.52km；2011—2013年美國大豆產(chǎn)量重心向南偏西移動(dòng)，偏移距離為18.52km；2013—2015年大豆產(chǎn)量重心向西偏北方向移動(dòng)72.73km，這是因?yàn)槊绹闹斜辈康貐^(qū)，尤其是北達(dá)科他州大豆產(chǎn)量增加；2015—2017年美國大豆產(chǎn)量重心向東偏南移動(dòng)，偏移距離為6.51km，主要原因是位于伊利諾伊州以南的密西西比州等州的大豆產(chǎn)量增加。

表1 2007—2017年美國大豆產(chǎn)量重心位置及移動(dòng)情況Table 1 Positions of gravity centers of U.S.soybean yields and their movement from 2007 to 2017

可見，美國大豆產(chǎn)量重心遷移軌跡，反映了美國大豆產(chǎn)量的空間演變過程。2009年、2013年重心偏南，主要原因是艾奧瓦州大豆的產(chǎn)量減少，而包括伊利諾伊州以南的各州（如阿肯色州、密西西比州）大豆產(chǎn)量增加，致使大豆產(chǎn)量重心緯度稍微偏低；艾奧瓦州和伊利諾伊州是美國大豆產(chǎn)量核心區(qū)，尤其是伊利諾伊州的大豆種植增幅較大，在2016年、2017年成為美國大豆第一生產(chǎn)州。主要原因是艾奧瓦州和伊利諾伊州自然條件優(yōu)越，有充足的水源和肥沃的土壤，地勢平坦，適合大豆的種植和生產(chǎn)。另外，由于北達(dá)科達(dá)州、南達(dá)科他州等大豆種植增長迅速，致使大豆產(chǎn)量重心整體向西南方向移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)力原因是多方面，例如受美國政府大豆補(bǔ)貼政策的影響，美國農(nóng)場主種植大豆積極性增加[26]；美國機(jī)械化生產(chǎn)和轉(zhuǎn)基因大豆的優(yōu)勢，中西部平原區(qū)大豆種植得到了快速發(fā)展[26-27]。

圖7 2007—2017年美國大豆產(chǎn)量重心遷移Fig.7 Change of gravity centers of soybean yields in the United States from 2007 to 2017

4 結(jié)論

該文利用變化率法、空間自相關(guān)分析法和重心遷移法，分析了2007—2017年美國大豆產(chǎn)量的年際變化、波動(dòng)趨勢及空間變化特征。美國大豆產(chǎn)量高值區(qū)域，主要分布于中部平原的密西西比河流域和密蘇里河流域。近10年間，美國大豆產(chǎn)量時(shí)空態(tài)勢及變化，主要有3方面。

（1）大豆產(chǎn)量呈增加態(tài)勢，且近5年增長迅速。2017年大豆產(chǎn)量比2007年增加了4 666萬t；2009年、2014年增速較快。其中，北達(dá)科他州大豆產(chǎn)量增幅較大，南達(dá)科他州和北達(dá)科他州的大豆產(chǎn)量也有所增加，大豆產(chǎn)量高值區(qū)域越來越多。在未來一段時(shí)間內(nèi)，大豆產(chǎn)量將可能繼續(xù)保持增加的趨勢。其可能受全球氣溫升高[26]、平原耕種機(jī)械化水平的提高、國家或州縣農(nóng)業(yè)政策性支持以及國際態(tài)勢等綜合影響[27-28]。

（2）大豆產(chǎn)量空間自相關(guān)特性，全局Moran′sI指數(shù)介于0.669～0.726之間，說明美國大豆產(chǎn)量存在顯著的集聚效應(yīng)；局域空間自相關(guān)Moran′sIi指數(shù)顯示，高—高（HH）聚集區(qū)和低—低（LL）聚集區(qū)分布較廣（以二類型為主），并且二類聚集區(qū)有不斷擴(kuò)張的趨勢。

（3）大豆產(chǎn)量空間重心遷移呈現(xiàn)，先南移后北移再向西南方向遷移。2017年與2007年相比，大豆產(chǎn)量重心向西南方向遷移明顯。

這些對(duì)掌握美國大豆生產(chǎn)運(yùn)行態(tài)勢，預(yù)測國際大豆價(jià)格具有重要意義。同時(shí)，可為我國大豆種植模式結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)規(guī)劃與布局、資源合理利用等提供參考。