基于空間信息重構技術的東北三省大豆時空演變研究(1980—2010年)

唐鵬欽，陳仲新※，劉珍環(huán)，楊 鵬，姚艷敏

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點實驗室，北京 100081； 2.中山大學地理科學與規(guī)劃學院國土資源與環(huán)境系，廣東廣州 510275)

0 引言

作物種植結構是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結構的重要組成部分，是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容，調(diào)整優(yōu)化種植結構對促進農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、保障國家糧食安全等方面具有重要意義[1]。早期受空間信息技術的限制，作物種植結構研究主要是利用行政單元的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但統(tǒng)計數(shù)據(jù)匯集的時間較長，且不能反映行政單元內(nèi)部的空間異質(zhì)性[2-7]。遙感技術具有范圍大、周期短、客觀性強等優(yōu)點，廣泛應用于作物種植結構變化等對地觀測中，但高分遙感技術發(fā)展的時間較短，且受光譜分辨率、云雨天氣等因素影響，利用遙感技術研究作物種植結構特別是早期的作物種植結構具有一定的局限性[8-12]。眾多研究結合遙感技術與空間信息重構模型，充分發(fā)揮遙感技術的空間優(yōu)勢和信息技術的重構優(yōu)勢，有效解決了作物種植結構重構的時間跨度難題，并在全球尺度和非洲、中國等區(qū)域尺度上開展了成功探索[13-20]，成為該領域研究的重要方向。

近年來，東北三省土地利用格局發(fā)生顯著變化，據(jù)衛(wèi)星遙感監(jiān)測， 1993—2003的10年間，東北三省新增耕地面積1 888萬hm2，占總耕地面積的7.69%[21]； 作物與耕地的唯一對應性，決定了東北地區(qū)作物種植結構及面積空間分布在很大程度上受到耕地面積動態(tài)變化的顯著影響[22]。大豆是我國對外依存度較高的作物， 2017年大豆進口量近1億萬t，約為國內(nèi)生產(chǎn)總量的5倍。東北三省是我國大豆的主要產(chǎn)區(qū)，產(chǎn)量超過全國總產(chǎn)量的50%，文章基于1980—2010年縣級大豆面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用作物空間信息重構模型對1980—2010年東北三省大豆種植面積柵格進行了重構，分析了30年間大豆空間分布、時空演變、重心遷移等特征，為合理制定種植結構調(diào)整政策、推進農(nóng)業(yè)供給側結構性改革提供科學的空間信息參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)方法

1.1 研究區(qū)概述

東北三省(遼寧、吉林、黑龍江)地處中高緯度及歐亞大陸東端，地貌上以東北大平原北半部的松嫩平原為核心，西、北、東三面環(huán)山，形成一個顯著的廣闊平原與周圍山地的分嶺，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了良好的基礎條件。東北三省土地資源富足，是世界三大黑土帶之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力較高，區(qū)域耕地面積2 640萬hm2，約占全國耕地總面積的16.55%，人均耕地面積約為全國平均水平的2.1倍。作物熟制以一年一熟為主，主要作物包括水稻、春玉米、春小麥和大豆。2016年，東北三省糧食作物種植面積和產(chǎn)量分別為2 005.78萬hm2、1.187 63億t，占當年全國糧食播種總面積的12.0%、總產(chǎn)的19.3%，是我國重要的商品糧基地和糧食生產(chǎn)戰(zhàn)略基地。

1.2 基礎數(shù)據(jù)

模型的基礎數(shù)據(jù)主要包括：土地利用/覆被數(shù)據(jù)集，采用了遙感影像分類的全球土地利用/覆被圖GLC-2000(Global land Cover 2000)，主要用于在耕地上重構作物種植面積，同時，以中國科學院地理科學與資源研究所利用遙感影像解譯生成的全國1： 10萬的土地利用/覆被數(shù)據(jù)作為控制數(shù)據(jù)，使重構數(shù)據(jù)分配更趨于合理； 作物適宜性數(shù)據(jù)，采用了全球農(nóng)業(yè)生態(tài)分區(qū)模型GAEZ(Global Agro-ecological Zones，GAEZ)生成的全球農(nóng)業(yè)生態(tài)分區(qū)數(shù)據(jù)，并采用中國氣象局數(shù)據(jù)作為控制數(shù)據(jù)，作為土地生產(chǎn)潛力的約束條件； 作物市場可達性數(shù)據(jù)，考慮到作物市場可達性與道路密度和人口密度密切相關，采用了美國航空航天局社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)與應用中心發(fā)布的世界人口柵格分布圖(Global Rural-Urban Mapping Version 2)，該數(shù)據(jù)表示全球尺度上每平方公里內(nèi)的人口數(shù)。

模型輸入數(shù)據(jù)為大豆種植面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)，來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植業(yè)管理司的全國農(nóng)經(jīng)信息數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過對1980—2010年縣級和省級農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行整理，獲得一套東北三省縣級行政單元的大豆統(tǒng)計數(shù)據(jù)。因少數(shù)地區(qū)行政區(qū)劃調(diào)整，數(shù)據(jù)整理過程中采用了“就合不就拆”的原則，生成了一個包含182個縣級行政區(qū)和32年時序長度的作物數(shù)據(jù)，研究4個時點1980年、1990年、2000年、2010年的大豆統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用了前后3年大豆統(tǒng)計數(shù)據(jù)的算數(shù)平均。

重構結果對比數(shù)據(jù)，主要采用了MIRCA 2000(Global Monthly Irrigated and Rainfed Crop Areas around the Year 2000)全球作物空間分布數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集是德國法蘭克福大學研究制作的全球26種主要灌溉和雨養(yǎng)作物空間分布圖，利用了作物生長日歷、收獲面積、耕地復種指數(shù)、機械化水平、氣候和地形輔助數(shù)據(jù)等7類數(shù)據(jù)，對全球不同區(qū)域月度作物空間分布進行了提取，空間分辨率為5分度，與SPAM-China重構結果的空間分辨率一致。該研究對MIRCA 2000數(shù)據(jù)中東北三省作物空間分布信息進行了提取。

1.3 模型構建方法

該文基于交叉信息熵理論，構建了作物空間信息重構模型SPAM-China。信息熵是信息論中用于度量信息量的一個概念，可定義為離散隨機事件的出現(xiàn)概率。如果一個系統(tǒng)運行的越有序，那么系統(tǒng)內(nèi)部離散隨機事件發(fā)生的概率越確定，這個系統(tǒng)的信息熵就越低。模型基于交叉信息熵理論，對作物空間信息重構的概率進行了最優(yōu)優(yōu)化。其基本原理是[14]：

對于給定的分布概率(p1，p2，…,pk)，信息熵為：

H(p1，p2，…，pk)=-Elnp

(1)

式(1)中，當ln0=0約定為0概率，即無信息。

對于兩個概率分布集合：

p=p1，p2，...，pn，q=q1，q2，...，qn

交叉信息熵定義為：

(2)

該研究中，實際上是計算在多源數(shù)據(jù)和多影響因子共同制約下的兩種作物分布概率πijl與sijl之間的差異，使兩種作物分布概率之間差值最小，從而更為真實地接近作物實際分布。其中，πijl是根據(jù)土地利用/覆被數(shù)據(jù)、耕地灌溉數(shù)據(jù)、人口密度數(shù)據(jù)等生物物理和社會經(jīng)濟因子等因素計算出的作物分布概率，sijl是在農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的控制下，利用上述生物物理和社會經(jīng)濟因子計算出的作物分布概率：

(3)

CAj表示j作物的種植面積，Aijl表示X縣第i個柵格第l生產(chǎn)系統(tǒng)里可分配的j類作物種植面積； 模型初始時，假設j類作物種植面積在X縣內(nèi)所有柵格上平均分配。

(4)

式(4)中，πijl表示第i柵格第l生產(chǎn)系統(tǒng)j類作物種植面積的潛在分布概率，Suijl為適宜作物種植面積，來自于全球農(nóng)業(yè)生態(tài)分區(qū)數(shù)據(jù)集；PDi表示人口密度，來自于世界人口柵格分布數(shù)據(jù)集。

1.4 模型基本框架

SPAM-China模型由國際食物政策研究所(International Food Policy Research Institute，IFPRI)和中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所聯(lián)合開發(fā)。模型包括3個數(shù)據(jù)層。

輸入層，主要包括大豆分縣統(tǒng)計數(shù)據(jù)、耕地空間分布、作物適宜性等數(shù)據(jù)，通過模型參數(shù)校正與輸入模塊，進行多源數(shù)據(jù)一致性檢驗和分析。

運行層，主要進行概率運算與分布優(yōu)化，期間需要對運算區(qū)域和重構作物進行選擇，并設置置信區(qū)間，模型運行環(huán)境為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Visual Foxpro 9.0和一般性代數(shù)仿真系統(tǒng)GAMS 2.7(General Algebraic Modeling System)軟件平臺。

圖1 模型框架

輸出層，輸出結果為柵格內(nèi)的作物種植面積，進行逐柵格地區(qū)域合并并提取，數(shù)據(jù)為dbf格式，后期需要結合地理信息處理軟件ArcGIS進行空間化制圖。

該文基于作物空間信息重構模型SPAM-China，對1980—2010年東北三省柵格尺度上的大豆種植面積進行了空間重構，其空間分辨率為5分度，約為10km×10km。

2 結果與分析

2.1 大豆種植面積空間分布特征

圖2是運用SPAM-China模型重構的1980—2010年東北三省柵格尺度上的大豆種植面積空間分布信息。重構結果表明， 1980—2010年東北三省大豆種植面積空間分布特征明顯，黑龍江省種植面積最大，吉林省次之，遼寧省最小，與該區(qū)域的實際空間分布具有較好的吻合。

1980年，黑龍江省大豆種植面積達到108萬hm2，吉林省約54萬hm2，遼寧省約42萬hm2。其中，在大豆種植面積排名前10的縣(市、區(qū))中，黑龍江省占了6席，分別為海倫市、富錦市、賓縣、訥河市、巴彥縣和樺南縣，海倫市種植面積達到5.2萬hm2，在東北三省182個縣(市、區(qū))排名第一； 吉林省占了3席，分別為德惠市、榆樹市、九臺市； 遼寧省只有昌圖縣大豆種植面積較多，約為3.8萬hm2。

1990年，黑龍江省大豆種植面積達到148萬hm2，吉林省約48萬hm2，遼寧省約37萬hm2。其中，在大豆種植面積排名前10的縣(市、區(qū))中，除吉林省榆樹市外，其他9個縣(市、區(qū))全部位于黑龍江省，最高種植面積為訥河市，大豆種植面積達到6.6萬hm2。在大豆種植面積排名前30的縣(市、區(qū))中，吉林省僅占了3席，遼寧省僅占了1席，大豆種植面積集中趨勢明顯。

2000年，黑龍江省大豆種植面積達到190萬hm2，吉林省約39萬hm2，遼寧省約26萬hm2。黑龍江省幾乎包括了所有大豆種植面積較大的縣(市、區(qū))，在大豆種植面積排名前30的縣(市、區(qū))中，黑龍江省占據(jù)了28席，吉林省榆樹市、敦化市大豆種植面積分別以3.9萬hm2和2.3萬hm2排名第15位和第29位，訥河市大豆種植面積達到11萬hm2，為182個縣(市、區(qū))最高。

2010年，黑龍江省大豆種植面積達到373萬hm2，約為1980年的3.5倍，比2000年翻了約一番，吉林省約36萬hm2，遼寧省約16萬hm2。除吉林省敦化市以9.3萬hm2位居第13位外，大豆種植面積排名前30位的縣(市、區(qū))全部被黑龍江省占據(jù)，訥河市大豆種植面積達到24.7萬hm2，穩(wěn)居各縣(市、區(qū))種植面積之首，嫩江縣以16.4萬hm2位居第2。

圖2 1980—2010年東北三省大豆種植面積的空間分布

表1提取了東北三省4個時點大豆種植面積柵格分布和比例構成。1980年，東北三省大豆種植面積柵格共6 703個。其中，種植面積小于200hm2的柵格2 930個，占柵格總數(shù)的43.71%，主要分布在遼寧彰武縣、莊河市、綏中縣等，吉林省長嶺縣、通榆縣、洮南市等，以及黑龍江省三江平原和西南地區(qū)； 介于200～500hm2的柵格2 715個，占柵格總數(shù)的40.50%，主要分布在遼寧新民市、瓦房店市、黑山縣等，吉林長嶺縣、榆樹市、永吉縣等，以及黑龍江依安縣、遜克縣、五常市等； 介于500～1 000hm2的柵格950個，占柵格總數(shù)的14.2%，主要分布在遼寧莊河市、鐵嶺縣，吉林九臺市、柳河縣、德惠市，以及黑龍江五常市、望奎縣、慶安縣等； 大于1 000hm2的柵格108個，僅占柵格總數(shù)的1.6%，主要分布在黑龍江松嫩平原和吉林中部。

表1 1980—2010年東北三省大豆種植面積柵格統(tǒng)計和比例構成

1990年，東北三省大豆種植面積柵格共6 665個，較1980年減少38個，但1990年大豆種植面積較1980年增加約38%，柵格內(nèi)種植面積明顯增加。其中，種植面積小于200hm2的柵格2 576個，占柵格總數(shù)的38.65%，主要分布在遼寧岫巖滿族自治縣、阜新蒙古族自治縣，北票市等，吉林公主嶺市、長嶺縣、前郭爾羅斯蒙古族自治縣等，以及黑龍江蘿北縣、依蘭縣、肇東市等； 介于200～500hm2的柵格2 674個，占柵格總數(shù)的40.2%，與小于200hm2的柵格數(shù)量相當，主要分布在遼寧昌圖縣、昌圖縣、綏中縣等，吉林扶余縣、農(nóng)安縣、磐石市等，以及黑龍江雙城市、龍江縣、富錦市等； 介于500～1 000hm2的柵格1 206個，占柵格總數(shù)的18.09%，主要集中在吉林榆樹市、九臺市等中部地區(qū)，以及黑龍江松嫩平原呼蘭區(qū)、望奎縣和三江平原樺南縣、集賢縣等； 大于1 000hm2的柵格209個，僅占柵格總數(shù)的3.14%，主要分布在黑龍江明水縣、克山縣、賓縣等地，吉林和遼寧較少。

2000年，東北三省大豆種植面積柵格共6 464個，較1990年減少201個，但大豆種植面積較1990年明顯增加，柵格內(nèi)大豆種植面積更趨于集中，黑龍江省集中現(xiàn)象明顯。其中，種植面積小于200hm2的柵格2 748個，占柵格總數(shù)的42.51%，主要分布在遼寧彰武縣、新民市和昌圖縣等，吉林公主嶺市、前郭爾羅斯蒙古族自治縣、扶余縣等，以及黑龍江虎林市、蘿北縣、肇東市等； 介于200～500hm2的柵格2 224個，占柵格總數(shù)的34.41%，主要分布在遼寧黑山縣、興城市、綏中縣等，吉林九臺市、德惠市、農(nóng)安縣等，以及黑龍江肇州縣、富?？h、富錦市等； 介于500～1 000hm2的柵格數(shù)1 015個，占柵格總數(shù)的15.70%，遼寧僅20個柵格，分布分散，吉林主要分布在榆樹市，占據(jù)全省總柵格數(shù)的近30%，敦化市、安圖縣也有小片集中區(qū)，黑龍江主要分布在呼蘭區(qū)、望奎縣、拜泉縣等。大于1000hm2的柵格477個，占柵格總數(shù)的7.38%，黑龍江占據(jù)了463個，吉林省占據(jù)了14個，遼寧省沒有大于1 000hm2的柵格，主要分布在黑龍江省克山縣、克東縣、海倫市和綏化市。

2010年，東北三省大豆種植面積柵格共7 214個，面積較2010年增加近1倍，柵格種植集中現(xiàn)象更加顯著。其中，種植面積小于200hm2的柵格2 984個，占柵格總數(shù)的41.36%，主要分布在遼寧阜新蒙古族自治縣、新民市、法庫縣等，吉林梨樹縣、德惠市、公主嶺市等，以及黑龍江肇東市、雙城市、依蘭縣等； 介于200～500hm2的柵格1 576個，占柵格總數(shù)的21.85%，主要分布在遼寧瓦房店市、普蘭店市等，吉林榆樹市、樺甸市等，以及黑龍江綏濱縣、海倫市、虎林市等； 介于500～1 000hm2的柵格1 341個，占柵格總數(shù)的18.59%，黑龍江占據(jù)了1 234個，遼寧和吉林共占據(jù)了107個，主要分布在黑龍江巴彥縣、甘南縣、集賢縣等； 大于1 000hm2的柵格1 313個，占柵格總數(shù)的18.20%，較前3個時點增加顯著，黑龍江占據(jù)了1 238個，占該類柵格總數(shù)的94.30%，主要分布在訥河市、克山縣、拜泉縣等。

從重構的1980—2010年東北三省大豆種植面積分布看，黑龍江省松嫩平原、三江平原以及吉林省中部地區(qū)是整個區(qū)域的大豆主產(chǎn)區(qū)，遼寧省大豆種植空間分布較為分散，且減少趨勢明顯。

2.2 大豆種植面積時空變化特征

運用空間分析方法，將重構的1980—2010年東北三省4個時點的大豆種植面積信息進行空間疊加分析，獲取1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年、以及1980—2010年4個時期的大豆種植面積空間分布變化圖(圖3)，并按經(jīng)緯度分布統(tǒng)計了大豆種植面積變化。從變化趨勢看，在不同時期，大豆種植面積總體呈現(xiàn)增加態(tài)勢，黑龍江大豆種植面積增加顯著，吉林、遼寧大豆種植面積增加趨于緩慢。從面積變化量看，大豆種植面積在10年間隔期內(nèi)，柵格內(nèi)大豆種植面積增加一般在700hm2以內(nèi)，面積減少一般在300hm2以內(nèi)； 在1980—2010年的30年間隔期內(nèi)，大豆種植面積增加1 000hm2以上的柵格大量增多，且面積增加的柵格數(shù)量明顯多于面積減少的柵格數(shù)量。

1980—1990年，大豆種植面積變化的柵格總數(shù)7 159個，其中，種植面積增加的柵格數(shù)4 237個，占總數(shù)的59.18%； 種植面積減少的柵格數(shù)2 307個，占總數(shù)的32.23%； 種植面積基本不變的柵格數(shù)615個，占總數(shù)的8.59%。從面積變化量看，面積增加大多集中在300hm2以內(nèi)，占面積增加柵格總數(shù)的89.69%，面積增加300～700hm2的柵格數(shù)量占面積增加柵格總數(shù)的9.25%，面積增加700hm2以上的柵格數(shù)較少，僅占面積增加柵格總數(shù)的1.06%； 面積減少也主要在300hm2以內(nèi)，占面積減少柵格總數(shù)的90.98%，面積減少300～700hm2和700hm2以上的柵格數(shù)分別占面積減少柵格總數(shù)的7.71%和1.30%。從種植面積變化的空間特征看，大豆種植面積增加區(qū)域主要集中在黑龍江三江平原和松嫩平原，吉林中部榆樹市、西部乾安縣和通榆縣，以及遼寧西部興城市、黑山縣、彰武縣等； 面積減少區(qū)域主要集中在黑龍江中部慶安縣、東部蘿北縣，吉林中部德惠市、西部梨樹縣、伊通滿族自治縣等成片地區(qū)，遼寧中部新民市、法庫縣、昌圖縣等。總的來看， 1980—1990年，大豆種植面積變化特征較為明顯，主要向黑龍江增加，遼寧中部、吉林西部面積減少現(xiàn)象明顯。

圖3 1980—2010年東北三省大豆種植面積變化的空間分布

1990—2000年，大豆種植面積變化柵格總數(shù)6 896個，其中，種植面積增加的柵格數(shù)3 134個，占總數(shù)的45.45%； 種植面積減少的柵格數(shù)3 253個，占總數(shù)的47.17%； 種植面積基本不變的柵格數(shù)509個，占總數(shù)的7.38%。從面積變化量看，面積增加在300hm2以內(nèi)的柵格數(shù)占面積增加柵格總數(shù)的86.57%，面積增加300～700hm2的柵格數(shù)占面積增加柵格總數(shù)的8.84%，面積增加700hm2以上的柵格數(shù)較1980—1990年明顯增加，占面積增加柵格總數(shù)的4.59%； 面積減少在300hm2以內(nèi)的柵格數(shù)占面積減少柵格總數(shù)的94.47%，面積減少300～700hm2和700hm2以上的柵格數(shù)分別占面積減少柵格總數(shù)的3.81%和1.72%。從種植面積變化的空間特征看，相比1980—1990年， 1990—2000年大豆種植面積空間變化趨勢更為明顯，大豆種植面積增加區(qū)域除黑龍江三江平原和松嫩平原外，更加集中在吉林中部農(nóng)安縣、公主嶺市、敦化市，遼寧阜新蒙古族自治縣、黑山縣，其中，增加面積變化大于700hm2以上的柵格主要集中在黑龍江綏化市、克東縣； 面積減少區(qū)域主要集中在吉林西部扶余縣和前郭爾羅斯蒙古族自治縣、中部九臺市和德惠市，遼寧北部昌圖縣、新民市、彰武縣，黑龍江大豆種植面積減少主要集中在哈爾濱市、東部虎林市和西部林甸縣、齊齊哈爾市等?？偟膩砜?， 1990—2000年，大豆種植面積變化特征較為明顯，面積變化區(qū)域較為集中。

2000—2010年，大豆種植面積變化柵格總數(shù)8 308個，其中，種植面積增加的柵格數(shù)4 862個，占總數(shù)的58.52%； 種植面積減少的柵格數(shù)3 266個，占總數(shù)的39.31%； 種植面積基本不變的柵格數(shù)180個，占總數(shù)的2.17%，面積增加柵格數(shù)明顯多于減少柵格數(shù)。從面積變化量看，面積增加在300hm2以內(nèi)的柵格數(shù)占面積增加柵格總數(shù)的53.48%，較前兩個時期明顯減少，面積增加300～700hm2和700hm2以上的柵格數(shù)分別占面積增加柵格總數(shù)的23.18%和23.34%，面積顯著增加的柵格數(shù)占面積增加柵格總數(shù)的比例明顯增加； 面積減少在300hm2以內(nèi)的柵格數(shù)占面積減少柵格總數(shù)的86.41%，面積減少300～700hm2和700hm2以上的柵格數(shù)分別占面積減少柵格總數(shù)的9.40%和4.19%。從種植面積變化的空間特征看，大豆種植面積增加300～700hm2和700hm2以上的柵格主要位于黑龍江，三江平原富錦市、同江市、樺南縣以及西北部訥河市、克山縣、拜泉縣等區(qū)域增加趨勢明顯，吉林敦化市、蛟河市有少量增加，遼寧大面積增加的柵格幾乎沒有，面積減少區(qū)域主要集中在吉林中部連片地區(qū)?？偟膩砜?， 2000—2010年，大豆種植面積變化特征較前兩個時期更為顯著，大豆種植面積大量增加，黑龍江省顯著增加，吉林省和遼寧省明顯減少。

綜合3個時期數(shù)據(jù)，對1980—2010年30年間的大豆種植面積柵格變化進行分析，大豆種植面積柵格變化總數(shù)8 702個，其中，種植面積增加的柵格數(shù)4 956個，占總數(shù)的56.95%； 種植面積減少的柵格數(shù)3 536個，占總數(shù)40.63%； 種植面積基本不變的柵格數(shù)210個，占總數(shù)2.41%。從面積變化量看，大豆種植面積增加的柵格占比分布較為均衡，面積增加在100hm2以內(nèi)、100～300hm2、300～500hm2、500～700hm2、700～1 000hm2、1 000hm2以上的柵格分別占增加柵格總數(shù)的17.55%、28.51%、14.57%、10.61%、11.26%、17.49%，其中，面積增加700hm2以上的柵格黑龍江省有1 359個，占東北三省增加700hm2以上的柵格總數(shù)1 425個的95.37%； 面積減少和3個時期變化趨勢基本一致，主要集中在300hm2以內(nèi)，占面積減少柵格總數(shù)的81.00%，面積減少300～700hm2和700hm2以上的的柵格數(shù)分別占面積減少柵格總數(shù)的16.18%和2.83%。從種植面積變化的空間特征看， 30年間大豆種植面積空間分布變化明顯，黑龍江三江平原、松嫩平原是大豆種植面積增加的主要區(qū)域，吉林和遼寧大豆種植面積都呈現(xiàn)出不同程度減少。

為進一步分析大豆種植面積變化空間集中區(qū)域，對1980—2010年30年間隔期和3個10年間隔期的大豆種植面積在經(jīng)向和緯向的變化進行了統(tǒng)計(圖4)。從經(jīng)向面積變化看，東經(jīng)119°～123°之間在4個時期面積變化都不明顯，這主要是遼寧大豆種植面積變化不大導致形成的，面積變化較大主要集中在東經(jīng)125.5°～131°之間，呈現(xiàn)出大豆種植面積明顯增加，但在不同經(jīng)度上面積增加無明顯規(guī)律性，主要原因是在不同經(jīng)度上，大豆種植面積增減不一，既有面積增加柵格，也有面積減少柵格，但增加面積數(shù)明顯大于減少面積數(shù)。從緯向面積變化看，變化趨勢較為明顯，大豆種植面積主要向北緯47°～50°集中，這也是黑龍江三江平原和松嫩平原所處的緯度區(qū)，面積減少區(qū)域主要在北緯41°～43°區(qū)域，即遼寧所處區(qū)域。

通過分析， 1980—2010年間，東北三省大豆種植面積變化趨勢明顯，呈現(xiàn)出“兩減一增”現(xiàn)象，即遼寧、吉林大豆種植面積減小，黑龍江大豆種植面積增加，增加區(qū)域主要位于黑龍江三江平原和松嫩平原，位于東經(jīng)125.5°～131°和北緯47°～50°之間。

圖5 1980—2010年大豆種植面積空間重心分布

表2 1980—2010年大豆種植重心分布

圖6 MIRCA 2000與SPAM-China 2000大豆空間對比

2.3 大豆種植面積重心遷移

通過提取每個大豆種植面積柵格的經(jīng)緯度坐標，運用重心計算方法，得到東北三省4個時期的大豆種植面積重心分布(圖5)。從總體變化趨勢看， 1980—2010年，大豆種植面積重心大幅北移和小幅東移，重心從位于吉林中部榆樹市移至黑龍江慶安縣。其中， 1980—1990年和1990—2000年2個時期的面積重心變化主要是向北移動，分別從吉林榆樹市移至黑龍江雙城市、從黑龍江雙城市移至呼蘭區(qū)，表明黑龍江大豆種植面積大幅增加，同時重心東移也表明黑龍江三江平原大豆種植面積快速增加； 2000—2010年，黑龍江大豆種植面積急劇增加，同時吉林和遼寧大豆種植面積減少，導致這一時期重心遷移距離明顯大于前2個時期，且三江平原大豆種植面積增加幅度明顯大于松嫩平原，重心東移明顯。

表2計算了東北三省和整個區(qū)域的大豆種植面積重心。從經(jīng)緯度變化看， 1980—2010年，面積重心從126.47°E和44.88N°移至127.81°E和46.75°N，向東遷移約106.20km，向北遷移約208.57km，其中， 1980—1990年，面積重心向東遷移13.13km、向北58.64km； 1990—2000年，面積重心向東遷移19.58km、向北遷移72.80km； 2000—2010年，面積重心向東遷移71.79km、向北遷移77.13km。

分省來看，遼寧省大豆種植面積重心呈現(xiàn)西移和南移現(xiàn)象，且4個時期都呈現(xiàn)出一致趨勢。1980—2010年吉林省大豆種植面積重心面積向東遷移1.18°、向南遷移0.16°，東移現(xiàn)象明顯，其中， 1990年、2000年兩個時期的面積重心相比1980年變化不大， 2010年，面積重心相比1980年東移明顯，移動1.18°。黑龍江省雖然大豆種植面積增幅較大，但因省內(nèi)各區(qū)域大豆種植面積呈現(xiàn)均衡增加，面積重心變化不顯著， 2010年在1980年的基礎上東移0.03°和北移0.55°。

東北三省大豆種植面積重心遷移表明，黑龍江省成為東北三省乃至全國大豆生產(chǎn)的重點區(qū)域，特別是三江平原和松嫩平原，為大豆種植面積重心北移和東移做出了重要貢獻。遼寧省和吉林省雖然是大豆種植優(yōu)勢區(qū)，但大豆種植面積呈下降趨勢，特別是遼寧省面積重心南移和西移的趨勢表明，大豆種植面積趨于減少，由歷史上的少量連片種植變?yōu)榱阈欠N植，大豆生產(chǎn)優(yōu)勢減弱。

2.4 重構結果對比

圖6是MIRCA 2000和SPAM-China 2000大豆空間分布對比圖?？傮w來看，兩類數(shù)據(jù)的空間分布特征基本一致，大豆種植面積呈現(xiàn)為南少北多，但區(qū)域分布呈現(xiàn)差異。對于種植面積小于200hm2的柵格，MIRCA 2000種植面積柵格在黑龍江北部、吉林西部和遼寧的分布明顯多于SPAM-China 2000數(shù)據(jù)，這也表明，MIRCA 2000數(shù)據(jù)小面積柵格較多。對于面積在200-500ha之間的柵格，MIRCA 2000種植面積柵格在黑龍江三江平原和松嫩平原分布多于SPAM-China 2000數(shù)據(jù)，但在吉林中部和遼寧南部，柵格數(shù)量明顯少于SPAM-China 2000數(shù)據(jù)。對于面積在500～1000ha之間的種植面積柵格，兩類數(shù)據(jù)大多都分布在黑龍江，但MIRCA 2000數(shù)據(jù)更集中于松嫩平原，形成了連片狀態(tài)，SPAM-China 2000數(shù)據(jù)分布較為零散，沒有形成明顯區(qū)域。對于面積在1000hm2以上的柵格，SPAM-China 2000數(shù)據(jù)明顯多于MIRCA 2000數(shù)據(jù)，且分布更為集中，主要位于松嫩平原。

表3 MIRCA 2000與SPAM-China 2000數(shù)據(jù)對比 %

表3提取了兩類數(shù)據(jù)不同面積柵格占總柵格的比例和占總面積的比例。通過比較表明，MIRCA 2000數(shù)據(jù)在200hm2以內(nèi)的柵格數(shù)占總柵格數(shù)的62.1%和總面積的30.2%，大于1 000hm2以上的柵格僅占總柵格數(shù)的0.7%和占總面積的3.6%，而SPAM-China 2000數(shù)據(jù)面積類型分布較為均勻，在200hm2以內(nèi)的柵格數(shù)占總柵格數(shù)的42.5%和總面積的13.4%，大于1 000hm2以上的柵格比例占總柵格數(shù)的7.4%和總面積的30.1%，面積分布主要集中在大面積柵格內(nèi)。兩類數(shù)據(jù)雖然在空間分布有相當?shù)囊恢滦?，但在柵格面積空間分布還存在一定差異性，特別是大面積柵格分布差異明顯，兩類數(shù)據(jù)來源不同，重構方法不一樣，導致了大豆種植面積空間差異較為顯著。

3 結論

研究基于SPAM-China模型，利用1980—2010年期間的東北三省大豆統(tǒng)計數(shù)據(jù)、土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)灌溉以及作物適宜性等多源數(shù)據(jù)，重構了30年東北三省大豆種植面積在柵格尺度上的時空分布，主要結論如下。

(1)大豆種植面積空間分布小幅增加。1980—2010年，東北三省大豆種植區(qū)域小幅增加，種植大豆面積柵格數(shù)量從1980年6 703個增加到2010年7 214個，黑龍江省種植面積最大，黑龍江松嫩平原、三江平原以及吉林中部地區(qū)是整個區(qū)域的大豆主產(chǎn)區(qū)。

(2)大豆種植面積時空變化特征顯著。2010年大豆種植面積約為1980年的3.5倍，種植面積增加顯著，大豆種植面積增加1 000hm2以上的柵格數(shù)量顯著增多。從種植面積經(jīng)緯度變化看，面積增加區(qū)域主要位于東經(jīng)125.5°～131°和北緯47°～50°之間。

(3)大豆種植面積重心向北向東遷移。1980—2010年，東北三省大豆種植面積重心從126.47°E和44.88N°移至127.81°E和46.75°N，向東遷移106.20km，向北遷移208.57km。分省來看，遼寧省、吉林省大豆種植面積重心南移，黑龍江省內(nèi)各區(qū)域大豆種植面積呈現(xiàn)均衡增加，種植面積重心基本保持不變。