半濕潤半干旱過渡區(qū)洮河流域植被蓋度變化特征

許幼霞, 周 旭, 趙 娟, 周秋文, 韋小茶

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽 550001)

半濕潤半干旱過渡區(qū)洮河流域植被蓋度變化特征

許幼霞, 周 旭, 趙 娟, 周秋文, 韋小茶

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽 550001)

[目的] 通過對(duì)半濕潤半干旱過渡區(qū)洮河流域較高空間分辨率植被蓋度變化分析，為新一輪退耕還林還草政策落實(shí)，流域生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展決策等提供參考。 [方法] 以1993年Landsat 5 TM, 2001年Landsat 7 ETM+, 2015年Landsat 8 OLI和ASTER GDEM為數(shù)據(jù)源，先用像元二分模型反演植被蓋度，再用流域分區(qū)、高程、坡度及坡向分級(jí)所得基礎(chǔ)單元，統(tǒng)計(jì)分析各單元內(nèi)的植被蓋度均值和植被蓋度變化面積比例。 [結(jié)果] 1993—2015年洮河流域植被蓋度均值增加了17.52%，正向變化面積比占62.24%，負(fù)向變化面積仍占有6.41%；3期數(shù)據(jù)均表明，高程2 500 m以下植被蓋度最低，高程4 000 m以上無明顯變化與負(fù)向變化面積比例之和最大；坡度0°～5°,10°～15°之間植被蓋度均值最低但增幅最大，無明顯變化和負(fù)向變化面積比例之和隨坡度增加而增加，并在60°以上達(dá)到最大；坡向?qū)χ脖簧w度分布的限制作用逐漸減弱。[結(jié)論] 洮河流域植被地形分異特征明顯，植被蓋度總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但還存在一定的負(fù)向變化；未來應(yīng)重視高程2 500 m以下，坡度20°以下，坡向?yàn)槠降亍⑽髌?、南坡的植被恢?fù)；加強(qiáng) 4 000 m以上，坡度45°以上和東坡、東北坡現(xiàn)有植被生態(tài)保護(hù)。

植被蓋度變化; 高程; 坡度; 坡向; 半干旱半濕潤過渡區(qū); 洮河流域

陸地表面典型過渡區(qū)是地理學(xué)、生態(tài)學(xué)和大氣科學(xué)等多學(xué)科高度重視的熱點(diǎn)區(qū)域[1-5]。中國半干旱半濕潤過渡區(qū)主要分布在東北、華北及青藏高原中東部[6]，面積超過全國土地面積的1/3，是生態(tài)環(huán)境十分脆弱且對(duì)全球變化高度敏感的區(qū)域。植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，也是全球及區(qū)域尺度生態(tài)環(huán)境變化的關(guān)鍵指標(biāo)。中國在東北及青藏高原等典型過渡區(qū)的植被變化研究成果豐碩[7-15]。但這些成果多用NOAA/AVHRR，GIMMS NDVI，SPOT VEGETATION或MODIS NDVI等較低空間分辨率數(shù)據(jù)，研究大區(qū)域植被整體變化特征，及其與氣溫、降水、干燥度或人類活動(dòng)等因素的關(guān)系。植被變化是多因素、多時(shí)空尺度長期相互作用的結(jié)果。以水土保持與生態(tài)恢復(fù)為根本目的的造林、種草、退耕還林還草等植被活動(dòng)，已大量落實(shí)到小流域或坡面等小范圍尺度，大空間尺度的宏觀趨勢(shì)研究已不足以支撐后續(xù)生態(tài)恢復(fù)工程布局與效益評(píng)價(jià)等。高程、坡度和坡向通過影響降雨分配和土壤水分運(yùn)移等，進(jìn)而影響小氣候變化，同時(shí)影響人類活動(dòng)的可進(jìn)入性。焦超衛(wèi)等[16]研究證實(shí)植被分布與高程、坡度和坡向關(guān)系密切；周旭等[17]研究發(fā)現(xiàn)不同高程和坡向分區(qū)內(nèi)，植被恢復(fù)的空間差異和可持續(xù)性差異顯著；蔡宏等[18]研究指出植被變化受坡向和坡度的影響較大。洮河流域是黃河上游一級(jí)支流，具有高寒濕潤半濕潤與溫帶半干旱氣候特征，是青藏高原東緣向隴西黃土高原過渡區(qū)，同時(shí)是典型的半濕潤半干旱過渡區(qū)。因此，用30 m較高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，探明洮河流域植被蓋度變化特征，能夠?yàn)槎鄷r(shí)空尺度植被蓋度變化分析，新一輪退耕還林還草政策落實(shí)以及流域生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展決策等提供參考。

1 研究區(qū)概況

洮河為黃河上游右岸一級(jí)支流，位于101°30′—104°20′E，34°05′—35°58′N，流域面積約25 527 km2[19-20]。河流發(fā)源于昆侖山余脈西傾山的勒爾當(dāng)，由西向東經(jīng)碌曲、臨潭、卓尼至岷縣北折，經(jīng)臨洮到永靖矛龍峽匯入黃河，干流全長673 km。流域內(nèi)地勢(shì)自西南向東北逐級(jí)降低，最高高程4 866 m，最低高程1 002 m。地貌以白石山、太子山為界，分別是甘南高原和隴西黃土高原，屬于青藏高原東緣向黃土高原西南緣過渡帶。集水單元以岷縣斷面和海甸峽斷面為界，分別為上、中、下游。下游為黃土高原溫帶半干旱氣候區(qū)，溝壑縱橫，塬梁峁與深切河谷相間分布，年均降水量400～600 mm，植被以半干旱稀疏林地與稀疏草地為主。中上游為甘南高原高寒濕潤半濕潤氣候區(qū)，由地勢(shì)平緩、河谷開闊的草原區(qū)過渡為高山聳立、河流曲折的森林草原區(qū)，年均降水量600～900 mm，植被以高寒草原草甸和山地森林為主。中上游水源涵養(yǎng)能力強(qiáng)，是引洮工程的飲水區(qū)；下游地表破碎，水土流失嚴(yán)重。獨(dú)特的自然要素區(qū)域差異是資源利用與生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)條件。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

為了研究相對(duì)精細(xì)尺度的植被蓋度變化特征，本研究分別從中國地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.gscloud.cn/)和美國馬里蘭大學(xué)GLCF平臺(tái)(http:∥www.landcover.org/)，下載洮河流域1993年Landsat 5 TM，2001年Landsat 7 ETM+，2015年Landsat 8 OLI和ASTER GDEM數(shù)據(jù)，空間分辨率均為30 m。遙感數(shù)據(jù)行列號(hào)分別為130/35，130/36，131/35，131/36，成像時(shí)間集中在植被生長季，圖像質(zhì)量較好。所有數(shù)據(jù)均用ENVI 5.0和ArcGIS 10.2進(jìn)行波段合成、幾何校正、快速大氣校正、拼接和裁剪等預(yù)處理，投影定義為我國常用的Albers雙標(biāo)準(zhǔn)緯線等面積割圓錐投影。

2.2 研究方法

(1)

式中：NDVI——?dú)w一化植被指數(shù);NIR——近紅外波;R——紅光波段;VC——植被蓋度;NDVIsoil——完全裸露土壤的NDVI值;NDVIveg——完全植被覆蓋的NDVI值。

反演結(jié)果經(jīng)流域?qū)＜覍?shí)地調(diào)研，目視估測(cè)現(xiàn)狀植被蓋度檢驗(yàn)精度達(dá)90%以上。再參考水利部《土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，將植被蓋度分為1級(jí)植被覆蓋(<30%)、2級(jí)植被覆蓋(30%～45%)、3級(jí)植被覆蓋(45%～60%)、4級(jí)植被覆蓋(60%～75%)和5級(jí)植被覆蓋(>70%)。植被覆蓋級(jí)別越高，長勢(shì)和蓋度越好，反演得到3期植被蓋度圖為后續(xù)分析做準(zhǔn)備。

2.2.2 植被蓋度變化分析 為分析植被蓋度變化特征，參考文獻(xiàn)[16-18]，用DEM提取出高程、坡度和坡向3因子數(shù)據(jù)后，再按表1將各因子數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)得到相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)單元。

表1 地形因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

為分析植被蓋度整體變化特征，將流域內(nèi)典型地貌分區(qū)圖、高程、坡度及坡向分級(jí)圖分別與3期植被蓋度圖空間疊加，運(yùn)用公式(2)逐像元統(tǒng)計(jì)各基礎(chǔ)單元內(nèi)的植被蓋度均值，均值越大表明植被覆蓋整體質(zhì)量越高。

(2)

為分析不同單元內(nèi)、不同年份間植被蓋度的正負(fù)向變化特征，將2015年植被蓋度減去1993年植被蓋度后，用公式(3)逐像元判斷出植被蓋度變化方向后，再統(tǒng)計(jì)各向植被蓋度變化的面積比例，比例越大表明該類植被變化主導(dǎo)性越強(qiáng)。

(3)

式中：DVC(i,j)——植被蓋度變化閾值;VC′——2015與1993年植被蓋度之差; i——VC′的第i行，j——VC′的第j行; M——總行數(shù); N——總列數(shù)。若DVC(i,j)>1則表示正向變化，若DVC(i,j)<1則表示負(fù)向變化，若-1≤DVC(i,j)≤1則表示無明顯變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 全流域植被蓋度變化特征

遙感反演植被蓋度空間分布如圖1所示。由圖1可見，3期植被蓋度均呈由南向北逐漸降低的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)全流域及各地貌單元的植被蓋度均值如圖2所示。由圖2可見，洮河下游黃土區(qū)、中上游甘南高原區(qū)和全流域的植被蓋度均值，1993年分別為22.63%，56.99%和48.36%，2001年分別為25%，63.4%和53.75%。2015年分別為58.03%，71.15%和65.88%。黃土區(qū)和甘南高原植被蓋度差距呈減小趨勢(shì)，植被蓋度總體呈增加趨勢(shì)，全流域平均增加了17.42%。全流域1,2,3,4,5各級(jí)植被覆蓋面積比例，1993年分別為29%，10.33%，21.66%，28.51%和10.49%，2001年分別為30.63%，8.9%，13.6%，18.08%和28.79%，2015年分別為8.2%，8.3%，17.5%，29.5%和36.6%。全流域植被蓋度變化主要表現(xiàn)為較低植被覆蓋面積比例減少和較高植被覆蓋面積比例增加。22a間洮河流域植被蓋度變化空間分布如圖3所示。

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，全流域植被蓋度正向變化面積比例為66.23%，無明顯變化面積比例為31.35%，負(fù)向變化面積比例為6.41%，植被蓋度變化以大面積正向變化為主。正向變化集中分布在下游黃土區(qū)和洮河中游大拐彎處，表明黃土區(qū)惡劣自然條件下人為植被恢復(fù)效果已較顯著。無明顯變化出現(xiàn)在下游黃土區(qū)北端及黃土區(qū)西南緣向甘南高原過渡區(qū)內(nèi)、中游森林區(qū)南緣和上游草原區(qū)，表明在地形邊緣和林地邊緣過渡區(qū)的植被恢復(fù)還有待加強(qiáng)。負(fù)向變化零星分布在上游草原區(qū)。

圖1 洮河流域3期植被蓋度空間分布

圖2 洮河流域植被蓋度均值分區(qū)統(tǒng)計(jì)

圖3 洮河流域22 a間植被蓋度變化空間分布

3.2 植被蓋度隨高程變化特征

洮河植被蓋度均值隨高程變化的分異特征如圖4所示。由圖4可見，3期植被蓋度隨高程變化均表現(xiàn)為隨高程增加先增加后減少，蓋度均值最小值都出

現(xiàn)在2 000 m以下，高程上升到2 000 m后均迅速增加，3 000～3 500 m區(qū)間出現(xiàn)最大值，4 000 m后又迅速減小。這與洮河流域高程2 000 m后，地貌由隴西黃土高原向甘南高原過渡，半濕潤氣候條件下降水量增加土壤水分條件變好，4 000 m以上高寒氣候水熱條件變差等垂向分異規(guī)律是相適應(yīng)的。同時(shí)，各高程帶上2015年植被蓋度均值均明顯高于2000年的值，這與李常斌等發(fā)現(xiàn)近期洮河流域氣溫持續(xù)增加，楊林山等指出氣溫增加促進(jìn)上游植被恢復(fù)、人工措施促進(jìn)下游植被活動(dòng)增強(qiáng)等解釋是較符合的。22 a間植被蓋度均值增幅較大出現(xiàn)在1 500～2 000 m(23.09%)和2 000～2 500 m(29.11%)區(qū)間，增幅較小出現(xiàn)在3 500～4 000 m(12.19%),4 000 m以上(9.09%)區(qū)間。總體來看，低海拔植被蓋度一直處于較低水平，但增長速度最快，仍是未來植被生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵帶。海拔4 000 m以上，植被蓋度較低且恢復(fù)速度慢，要特別注意這一地帶現(xiàn)有植被保護(hù)。

植被蓋度變化面積比例隨高程變化的分異特征如圖5所示。由圖5可見，在各級(jí)高程范圍植被蓋度變化表現(xiàn)為:正向變化面積比例>無明顯變化面積比例>負(fù)向變化面積比例。同時(shí)，隨著海拔升高正向變化逐漸變小而負(fù)向變化逐漸增加，1 500～2 000 m,2 500～3 000 m,3 000～3 500 m,3 500～4 000 m及4 000 m以上區(qū)間負(fù)向變化與無明顯變化面積比之和較大，分別為32.81%，36.57%，45.62%，43.55%和56.34%，這些地區(qū)在生態(tài)恢復(fù)的同時(shí)要特別注意負(fù)向變化問題，防止生態(tài)退化。

注：1表示高程范圍為1 002～1 500 m;2為1 500～2 000 m;3為2 000～2 500 m;4為2 500～3 000 m;5為3 000～3 500 m;6為3 500～4 000;7為4 000以下。下同。圖4 洮河流域植被蓋度均值隨高程變化統(tǒng)計(jì)

圖5 洮河流域植被蓋度變化隨高程變化統(tǒng)計(jì)

3.3 植被蓋度隨坡度變化特征

植被蓋度均值隨坡度變化的分異特征如圖6所示。由6可見，3期植被蓋度均值均隨坡度增加而先緩慢增加后迅速減少，植被蓋度增幅隨坡度增加而迅速減小，說明坡度越高植被恢復(fù)越困難。植被蓋度最低值出現(xiàn)在0°～5°,10°～15°之間，但增幅最快，22 a間分別增加20.26%和19.96%。3期蓋度值均在10°～15°之間出現(xiàn)凹陷，說明這2個(gè)坡度級(jí)植被受人類活動(dòng)影響大，且對(duì)恢復(fù)重建措施響應(yīng)最快。2015年植被蓋度值在各個(gè)坡度級(jí)上均較1993和2001年有較明顯增加，且最大值所在坡度由1993年和2001年的30°～35°之間下移到25°～30°之間，這是氣候暖干化背景下，持續(xù)落實(shí)25°以上坡耕地退耕還林還草的重要成效。

植被蓋度變化面積比例隨坡度變化的分異特征如圖7所示。由圖7可見，植被蓋度正向變化面積比例較大值依次在0°～5°(占67.25%),5°～10°(占66.22%),10°～15°(占66.91%)，15°～20°(占64.29%)之間，且正向變化面積比例隨坡度增加呈減少趨勢(shì)，說明坡度越低，植被恢復(fù)越快。無明顯變化和負(fù)向變化面積比例之和較大的依次在60°以上(占67.48%),55°～60°(占58.82%),50°～55°(占53.92%),45°～50°(占51.12%)之間，整體呈隨坡度增加而增加的趨勢(shì)，這些坡度級(jí)仍然是未來植被生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域。

注：a為0～5°;b為5～10°;c為10～15°;d為15～20°;e為20～25°;f為25～30°;g為30～35°;h為35～40°;i為40～45°;為45～50°;k為50～55°;e為55～60°;m為60°以上。圖6 洮河流域植被蓋度隨坡度變化統(tǒng)計(jì)

圖7 洮河流域植被蓋度變化隨坡度變化統(tǒng)計(jì)

3.4 植被蓋度隨坡向變化特征

植被蓋度均值隨坡向變化的分異特征如圖8所示，3期植被蓋度均值都在平地達(dá)到最小值。1993和2001年都在東北坡達(dá)到最高值分別為51.11%和57.29%，東北坡、東坡植被明顯高于南坡及其他坡向；較好的體現(xiàn)了干旱條件下陽坡光照較強(qiáng)、水分較差、植被較差，而陰坡光照較弱、水分較好、植被較好的自然狀態(tài)。2015年，植被蓋度最大值變?yōu)闁|坡為67.46%，在各個(gè)坡向上平均增加了18.29%，在平地、西坡、南坡增幅較大，分別為23.66%，18.64%，18.25%。同時(shí)，植被蓋度值在個(gè)坡向的差距變小，在造林、種草和退耕還林還草等積極人類活動(dòng)與當(dāng)?shù)厮疅釛l件耦合作用下，坡向?qū)χ脖簧w度分布的限制作用在逐漸減弱。

植被蓋度變化面積比例隨高程變化的分異特征如圖9所示?？梢?，植被蓋度正向變化面積比例較大的依次為平地(68.65%)、南坡(65.40%)、西坡(64.63%)和西南坡(64.5%)；無明顯變化面積比例較大的依次為東北坡(34.33%)、北坡(34.25%)、西北坡(32.56%)；負(fù)向變化面積比例較大的依次為東坡(8.16%)、東北坡(7.73%)、東南坡(6.99%)。北坡、東北坡和東坡的負(fù)向變化與無明顯變化面積比例之和均在40%左右，植被恢復(fù)過程中可能存在顧此失彼的問題，未來在原本植被長勢(shì)較好的陰坡上仍有較強(qiáng)的植被恢復(fù)潛力。

圖8 洮河流域植被蓋度隨坡向變化統(tǒng)計(jì)

圖9 洮河流域植被蓋度變化隨坡向變化統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

(1) 全流域植被蓋度變化主要表現(xiàn)為流域北部植被蓋度值增加迅速而南部增加緩慢，較低植被覆蓋面積減少而較高植被覆蓋面積增加。1993—2015年，洮河流域植被蓋度總體平均增加了17.52%，黃土區(qū)植被蓋度增加35.4%，甘南高原增加14.16%，北部增加較快而南部增加緩慢。22 a間1,2,3,4,5級(jí)植被蓋度變化值分別為-20.8%,-2.07%,-4.16%，0.95%，26.09%，低級(jí)植被蓋度減小而高級(jí)植被蓋度增加。

(2) 植被蓋度在高程上的分異特征表現(xiàn)為蓋度均值隨高程增加而先增加后減少，海拔越低植被恢復(fù)速度越快，海拔越高負(fù)向變化越大。3期植被蓋度峰值均出現(xiàn)在3 000～3 500 m范圍內(nèi)，最低值出現(xiàn)在2 500 m以下；低海拔植被蓋度較低，但增長速度較快，海拔4 000 m以上，植被蓋度較低且恢復(fù)速度慢。同時(shí)，隨著海拔升高正向變化逐漸變小而負(fù)向變化逐漸增加，要特別注意高海拔區(qū)域現(xiàn)有植被的保護(hù)。

(3) 植被蓋度在坡度上的分異特征表現(xiàn)為植被蓋度均值隨坡度增加而先緩慢增加后迅速減少，無明顯變化與負(fù)向變化之和隨坡度增加而增加。坡度越低植被恢復(fù)越快，坡度越高植被恢復(fù)越困難。3期數(shù)據(jù)均在10°～15°之間出現(xiàn)凹陷且增幅較大，說明洮河流域10°～15°坡度級(jí)受人類活動(dòng)影響最大，坡度45°以上無明顯變化與正向變化之和的平均值為56.13%，未來植被生態(tài)恢復(fù)與保護(hù)應(yīng)十分重視這些區(qū)域。

(4) 植被蓋度在坡向上的分異特征表現(xiàn)為植被蓋度均值在平地達(dá)到最小值，在東北坡和東坡達(dá)到最高值，北坡、東北坡、東坡無明顯變化和負(fù)向變化之和較大，均在40%左右，要注意生態(tài)恢復(fù)過程中顧此失彼的問題。2015年植被蓋度均值在各個(gè)坡向上的差距變小，表明在積極人類活動(dòng)與當(dāng)?shù)厮疅釛l件耦合作用下，坡向?qū)χ脖簧w度分布的限制作用在逐漸減弱。

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Vegetation Coverage Variation Features River in Semi-humid and Semi-dry Transitional Region of Taohe River Basin

XU Youxia, ZHOU Xu, ZHAO Juan, ZHOU Qiuwen, WEI Xiaocha

(SchoolofGeographicandEnvironmentalSciences,GuizhouNormalUniversity,Guiyang，Guizhou550001,China)

[Objective] The objective of this paper was to analyze the variation of vegetation coveragein in semi-humid and semi-dry transitional region of Taohe River basin through high resolution RS image in order to provide a reference for the implementation of new way of returning farmland to forest and grassland, and for decision making of the basin’s ecological civilization construction and sustainable development. [Methods] Landsat 5TM in 1993, Landsat 7ETM+in 2000, Landsat 8 OLI in 2015 and ASTER GDEM data sets were used in this paper. Firstly, Dimidiate Pixel Model was used to invert vegetation coverage. Then base units extracted from the basin partition, elevation, slope and aspect were used to count and analyze the mean and variation area ratio of vegetation coverage. [Results] On a whole level, vegetation coverage mean increased by 17.52% in Taohe River basin from 1993 to 2015. Increased area covered 62.24% and the decreased covered 6.41%. The date sets showed that the lowest vegetation coverage was below the altitude of 2 000 m. The sum area ratio of decrease and no significant change run up to the maximum as the altitude is above 4 000 m. Vegetation coverage reached the lowest but increased fast in the slopes between 0°～5° and 10°～15°. The sum area ratio of decrease and no significant change grew with the increase of slope, and reached its highest as it was above 60° (covered 67.48%). Effect of slope exposure to the the distribution of the vegetation coverage was weaken. [Conclusion] The results showed that the basin’s general trend of vegetation coverage was increasing, but there were still decrease in some areas and had significant variation features. In the future we should pay great attention to vegetation restoration in the areas as the elevation is below 2 500 m, slope grade is below 20° and the slope aspect is western, southern or at level ground. Existing vegetation should be well protected in the elevation above 4 000 m, and when slope is above 45° and slope aspect is eastern and northeast.

vegetation coverage; elevation; slope; aspect; semi-humid and semi-dry transitional region; Taohe basin

2016-01-14

2016-03-17

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“黃河中游河川徑流銳減驅(qū)動(dòng)力及人為調(diào)控效應(yīng)研究”(2012BAB02B00); 黃河水利委員會(huì)科技項(xiàng)目; 貴州省教育廳教改項(xiàng)目

許幼霞(1991—),女(漢族),安徽省合肥市人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥恋匾?guī)劃與GIS應(yīng)用。E-mail:394159469@qq.com。

周旭(1981—),男(漢族),四川省古藺縣人,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事遙感水文與GIS應(yīng)用研究。E-mail:zxzy8178@163.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.052

A

1000-288X(2016)06-0308-07

S717， S157.1

文獻(xiàn)參數(shù)： 許幼霞, 周旭, 趙娟, 等.半濕潤半干旱過渡區(qū)洮河流域植被蓋度變化特征[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：308-314.