湖南湘江流域1990～2010年土地利用/覆被變化及影響因素機(jī)理分析

李 濤， 陳 堅， 馮 倩， 王 寬， 廖建軍*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科技學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.南華大學(xué) 設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

湖南湘江流域1990～2010年土地利用/覆被變化及影響因素機(jī)理分析

李 濤1,2， 陳 堅2， 馮 倩2， 王 寬2， 廖建軍2*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科技學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.南華大學(xué) 設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

借助3S技術(shù)，以湘江流域1990年及2010年的遙感數(shù)據(jù)以及經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，從土地利用類型的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變方向及土地利用綜合程度等方面分析其土地利用/覆被時空變化的特征及影響因素.結(jié)果表明：(1)近20年來，湘江流域土地利用綜合程度增強(qiáng)，耕地和建設(shè)用地面積增加，林、草地面積減少，水域及未利用地面積有所增加；(2)耕地向外部擴(kuò)張侵占林地，林地主要轉(zhuǎn)化為耕地及建設(shè)用地；草地面積減少主要是轉(zhuǎn)變?yōu)樯?；水域主要由耕地中的水田轉(zhuǎn)化而來；建設(shè)用地的增加主要來自耕地及林地；未利用地面積增加主要由于湖泊沼澤化；(3)水域及未利用地增長受與氣候變化有一定的關(guān)系，耕地和建設(shè)用地增長主要是經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展引起的.因此，多種因素共同作用影響下致使耕地遞減、林地減少趨勢緩和、水域增加以及未利用地中的沼澤地面積增加.圖4,表2,參23.

湘江流域；土地利用變化；影響因素

土地利用/覆被變化研究是科學(xué)制定土地政策、保護(hù)土地資源、改善生態(tài)環(huán)境的重要決策基礎(chǔ)[1].經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展所引起的土地利用/覆被變化問題已成為全球環(huán)境變化的因素[2,3].人類活動對環(huán)境及生態(tài)帶來的影響越來越受到關(guān)注[4-7]，諸多學(xué)者對土地利用/覆被變化的速度、幅度及趨勢，以及由此帶來的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等方面進(jìn)行了較為深入地研究，并取得了一系列成果[8-10]，已由最初的定性描述發(fā)展到空間分析技術(shù)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的定量表征，許多模型得到了應(yīng)用及發(fā)展[11-13].

湘江是長江的重要一級支流、湖南的母親河，是湖南省生物多樣性保護(hù)和環(huán)境生態(tài)整治的重點區(qū)域，其景觀格局對湖南省生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)與社會地發(fā)展影響重大.近年來，已有不少學(xué)者從環(huán)境污染治理、生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制構(gòu)建、土地利用效率分析以及湘江流域中上游景觀格局的演變等方向展開了對湘江流域環(huán)境與生態(tài)問題的研究[14-16]，尚缺少對整個流域土地利用類型變化的時空特征及規(guī)律性方面的研究.本文在3S (GIS、GPS和RS) 技術(shù)的支持下，對研究區(qū)最近20年內(nèi)的土地利用/覆被時空變化進(jìn)行了系統(tǒng)分析，探討其影響機(jī)制，研究結(jié)果可為促進(jìn)湘江流域的經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展、構(gòu)筑湖南省生態(tài)安全格局提供決策依據(jù).

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域僅涉及湖南省部分(111°01′～114°14′E，111°33′～113°22′N)，包括永州、郴州、衡陽、邵陽、婁底、湘潭、株洲、長沙、岳陽等9市共67個縣市區(qū)，流域面積8.53 萬km2， 1300多條支流分布其中，年均徑流量達(dá)722 億m3.整個流域為太平洋季風(fēng)濕潤氣候，以山地、丘陵地貌為主，礦產(chǎn)資源豐富，植被覆蓋度高，森林覆蓋率高達(dá)54.4%.流域生產(chǎn)總值占近湖南全省的80%，城鎮(zhèn)化率近50%.

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

根據(jù)Landsat TM影像(1990和2010年，分辨率30 m×30 m)光譜特征，結(jié)合野外實測資料，同時參照有關(guān)地理圖件，對地物的幾何形狀，顏色特征、紋理特征和空間分布情況，應(yīng)用PCI遙感分析軟件進(jìn)行遙感影像解譯，并通過將野外調(diào)查和隨機(jī)抽取動態(tài)圖斑進(jìn)行重復(fù)判讀分析相結(jié)合的方法檢查數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量.最終將本流域景觀類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地共6種一級類型.相關(guān)經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展數(shù)據(jù)來自《湖南省統(tǒng)計年鑒》.兩期影像解譯結(jié)果如圖1所示.

圖1 湘江流域1990～2010年土地利用Fig.1 Land use of Xiangjiang River Basin in 1990 and 2010

1.3 研究方法

土地利用變化過程和趨勢通過定量化的指數(shù)模型或數(shù)值來表征[17]，本文選取土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、動態(tài)度以及綜合利用程度這3種方法進(jìn)行湘江流域土地利用/覆被變化的定量研究.

1.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

用以闡述不同用地類型之間用地面積相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系，可表達(dá)為：

式中，Bij為k時期第i種土地類型轉(zhuǎn)化為(k+1)時期第j種土地類型的面積；n為研究區(qū)土地類型的個數(shù).

1.3.2 某一土地利用類型的空間雙向變化動態(tài)度指數(shù)

該指標(biāo)可以反映其動態(tài)變化的空間轉(zhuǎn)移過程，可以更為準(zhǔn)確和精細(xì)地測算該土地利用類型轉(zhuǎn)移量的動態(tài)變化劇烈程度，其表達(dá)式為：

式中，Ri為i土地利用類型的空間動態(tài)變化度指數(shù)；ΔUiin為研究時段T內(nèi)其它土地利用類型轉(zhuǎn)為i類型的面積之和；ΔUiout為研究時段T內(nèi)i土地利用類型轉(zhuǎn)為其它類型的面積之和；uia為研究初期該土地利用類型的面積；T為研究時段.

1.3.3 土地綜合利用程度

土地綜合利用程度用于表達(dá)研究區(qū)土地利用的廣度和深度,不僅能反映土地本身的自然屬性，也可反映了社會因素和自然因素的綜合效應(yīng)[18].根據(jù)文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)果將土地綜合利用程度劃分為未利用土地、林草水用地、農(nóng)業(yè)用地及建設(shè)用地共4個級別，對應(yīng)指數(shù)分別為1、2、3、4.湘江流域的土地綜合利用程度指數(shù)可用下式表示：

式中，L為土地綜合利用程度指數(shù)；Ai為研究區(qū)內(nèi)i級土地利用程度的分級指數(shù)；Ci為研究區(qū)內(nèi)i級土地利用程度分級面積的百分比；n為土地利用程度的分級數(shù).

2 結(jié)果與分析

由圖1可知，近20年來，湘江流域土地利用的變化集中表現(xiàn)為耕地、建設(shè)用地向外部擴(kuò)張，林地、草地由邊緣開始向內(nèi)部退化的趨勢.建設(shè)用地面積增加較顯著，其空間表現(xiàn)主要分布于流域的下游地區(qū)即長株潭城市群的核心區(qū).水域面積增加主要是由原來處于低海拔區(qū)的水田所形成，未利用地面積增加主要是由水域用地類型中的湖泊沼澤化而形成的.

2.1 各土地利用類型的數(shù)量變化

從土地利用類型的構(gòu)成中可看出(表1和圖1)，湘江流域以林地及耕地為主，2010年分別占流域總面積的61.29%和31.72%，其次是水域、建設(shè)用地和草地，分別占2.78%、2.07%和2.06%，未利用地面積最小，僅占0.08%.

1990～2010年，流域內(nèi)耕地總面積由31 834.510 2 km2增加到32 142.546 0 km2，動態(tài)度為0.109 6%.林地和草地的面積均呈減少趨勢，分別減少了1 028.080 8 km2和55.048 5 km2，動態(tài)度分別為0.054 6%和0.137 3%.水域和未利用地面積有所增加，分別增加了167.602 5 km2和32.372 1 km2，占總面積的比例分別由1.90%和0.05%升高到2.07%和0.08%.建設(shè)用地面積增加較顯著，由1 509.031 8 km2增加到2 084.150 7 km2，占總面積比例由1.49%升高到2.06%，動態(tài)度為0.505 4%.單一土地雙向變化動態(tài)度指標(biāo)顯示，各土地利用類型的空間轉(zhuǎn)移變化均表現(xiàn)較緩和.

表1 1990～2010年各時期土地利用類型面積及變化(km2)
Tab.1 Area of land use and dynamic change in Xiangjiang River Basin during 1990～2010(km2)

用地類型1990年面積/km22010年面積/km2變化量/km2單一土地雙向變化動態(tài)度(%)耕地31834.510232142.5460308.03580.1096林地63146.062862117.9820-1028.08080.0546草地2876.17772821.1292-55.04850.1373水域1926.98192094.5844167.60250.2167建設(shè)用地1509.03182084.1507575.11890.5054未利用地53.451085.823132.37210.8639

圖2 湘江流域1990和2010年土地利用結(jié)構(gòu)Fig.2 Land use structure of Xiangjiang River Basin in 1990 and 2010

耕地和建設(shè)用地占區(qū)域總面積的比例大小可用來表示人類對自然環(huán)境的干預(yù)程度[20].1990～2010年，湘江流域的耕地和建設(shè)用地占總流域面積的比例由33.31%上升至33.78%，這表明近20年來湘江流域內(nèi)的自然環(huán)境受人類活動的影響加劇了.

2.2 湘江流域土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)化

表2、圖3分別為湘江流域1990～2010年各用地類型間的轉(zhuǎn)移情況及主要用地類型在空間上變化的分布，可總結(jié)為以下幾點：(1)耕地的轉(zhuǎn)入面積大于其轉(zhuǎn)出面積，有1898.8146 km2的其它用地轉(zhuǎn)為耕地，從空間分布上來看，郴州市的桂東縣發(fā)生的轉(zhuǎn)變極為顯著，其它地區(qū)較均勻.耕地表現(xiàn)為向外擴(kuò)張趨勢，增加的面積主要來自對其周邊林地的侵占，林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐拿娣e占耕地總流入面積的91.83%；(2)林地表現(xiàn)為轉(zhuǎn)出，共計有2 237.546 km2轉(zhuǎn)為其它用地類型，從空間分布來看，有兩大主要原因，一是由于受耕地和建設(shè)用地的擴(kuò)張侵占所致，這部分面積分別為1743.615 km2、267.184 8 km2，二是林地退化為草地和水域，兩者總面積為224.059 5 km2；(3)建設(shè)用地的增加主要來自耕地及林地，轉(zhuǎn)入面積分別為379.283 4 km2和267.184 8 km2，從空間分布上來看，長株潭城市群的核心區(qū)表現(xiàn)最為顯著；(4)草地的減少主要是轉(zhuǎn)出為林地，由136.926 9 km2的草地轉(zhuǎn)為林地，占其總轉(zhuǎn)出面積的60.87%；(5)水域面積的增加主要來自于耕地，占51.64%，而耕地中的水田轉(zhuǎn)為水域貢獻(xiàn)最大，占水域總轉(zhuǎn)入面積的38.84%；(6)未利用地面積的增加，主要來自水域的轉(zhuǎn)出，湖泊沼澤化現(xiàn)象最為顯著，空間上分布于湘陰縣北部及汨羅縣西北部的湘江盡頭接洞庭湖處.

表2 湘江流域1990～2010年間各研究時段土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣(km2)Tab.2 Transferring matrix of land use type in Xiangjiang River Basin during 1990～2010(km2)

圖3 湘江流域1990～2010年土地利用類型變化在空間上的分布Fig.3 The spatial distribution of the land use conversion in Xiangjiang River Basin,1990～2010

2.3 土地綜合利用程度及變化

1990年湘江流域土地利用程度綜合指數(shù)為234，隨著耕地及建設(shè)用地面積的增加，土地利用程度有所增強(qiáng)，2010年流域土地綜合利用程度指數(shù)上升至236，表明20年來研究區(qū)的土地綜合利用程度處于發(fā)展上升期.

3 討論與結(jié)論

3.1 氣候變化及自然地理條件對土地利用變化的影響

湘江流域氣候呈現(xiàn)以變暖為主要特征的變化，氣溫變暖趨勢顯著，增暖速率為 0.15 ℃/(10a)，夏季平均氣溫呈緩慢上升趨勢，速率為0.02 ℃/(10a).年降水量呈增加的趨勢，春、秋季節(jié)的降水量呈減少趨勢(減少速率分別為6.8、10.8 mm/(10a))，冬、夏季節(jié)呈增加趨勢(增加速率分別為8.5、19.1 mm/(10a))[21]，(見圖4).

圖4 1960～2010 年湖南省年均溫度及降水量趨勢Fig.4 The trend of annual mean temperature & precipitation in Hu-nan province，1960～2010

水域及未利用地中的沼澤地對氣溫及降水量響應(yīng)較敏感.氣溫升高增加流域的蒸發(fā)量，加速水溫循環(huán)及改變熱量分配，從而促使土地利用發(fā)生改變.降水的變化對水域這種用地類型的影響是正效應(yīng)的，即降水量與水位線呈正比；而氣溫變化對水域的影響呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng).氣溫與水位線呈反比關(guān)系.當(dāng)水域在具有相當(dāng)數(shù)量的水量補(bǔ)給時，氣溫的影響會呈現(xiàn)正效應(yīng)，但也只是暫時的.研究區(qū)水域用地類型的水分補(bǔ)給來自降水及徑流，其面積在20年來增加了167.602 5 km2，該區(qū)域降水量的增加尤其是夏季降水量增加是此現(xiàn)象引起因素之一，因為研究所采用的Landsat TM影像正是采集于夏季.研究區(qū)沼澤地面積增加，沼澤化的空間分布正處在湘北地區(qū)即與洞庭湖區(qū)緊鄰的南端，這與前人有關(guān)洞庭湖區(qū)土地利用/覆蓋變化的研究結(jié)果相一致[22].氣溫升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增加從而引起湖泊退化是導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因之一.相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，自1960年以來，洞庭湖地區(qū)是湖南省增暖幅度的最大區(qū)域，其上升速率為 0.33 ℃/(10a)，同時也是平均極端最高溫及年均最高溫上升最為顯著的地區(qū).

在利用ArcGIS軟件分析土地利用綜合指數(shù)空間分布時發(fā)現(xiàn)，湘江流域內(nèi)土地利用程度的分異特征與地形地貌相關(guān)較大，就坡度因素方面分析，流域內(nèi)地勢平緩地區(qū)的經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展水平較高，這是由于自然條件優(yōu)越，人類活動對此區(qū)域的環(huán)境干擾較強(qiáng)，因此土地綜合利用程度相對較高；而山地、丘陵區(qū)域由于地形復(fù)雜且坡度較陡，導(dǎo)致社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展較緩慢，土地綜合利用程度相對偏低.

3.2 經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展對土地利用變化的影響

人口增長與社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是引起湘江流域土地利用變化的重要因素，耕地及建設(shè)用地對人類地活動響應(yīng)最為敏感.流域內(nèi)人口由1990年的4300余萬人增至2000年的4600余萬人，此時期農(nóng)民的生存依靠及經(jīng)濟(jì)來源主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，故在1990～2000年間，流域內(nèi)的耕地由于人口系統(tǒng)的壓力而呈增加趨勢.

流域內(nèi)三大產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)占生產(chǎn)總值的比例中，第一產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)總值在逐步下降，二、三產(chǎn)業(yè)在快速發(fā)展，二、三產(chǎn)業(yè)所占比重已由1990年的64.7%上升到2010年的85.5%.工業(yè)發(fā)展促使社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的工業(yè)部門所占比重日趨上升，因此工業(yè)企業(yè)與工礦用地的面積在不斷增加，同時非農(nóng)產(chǎn)業(yè)和非農(nóng)人口在特定空間上的集聚又引起了土地利用類型在產(chǎn)業(yè)上的重分配和空間布局上的轉(zhuǎn)變，最終促使有較好交通及區(qū)位條件的耕地及林地向工礦用地轉(zhuǎn)變.

另外城鎮(zhèn)化是土地利用變化尤其是城鄉(xiāng)工礦居民增加的直接原因，湘江流域城鎮(zhèn)化率由 1990 年的 18.35%提高到2010 年 47.20% ，期間新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地575.118 9 km2，城鎮(zhèn)人口的急劇增加引起大量農(nóng)林用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌青l(xiāng)建設(shè)用地，這與前人有關(guān)湘江流域景觀格局變化的研究結(jié)果相一致[23].

3.3 多種因素共同影響

用地類型變化的影響因素復(fù)雜多樣，且彼此間存在交互作用.不同空間上的用地類型在各時間段內(nèi)的變化受到多重因素地影響，湘江流域內(nèi)的耕地、林地、水域以及交錯帶的變化受不同驅(qū)動力之間的交互作用明顯.

耕地在1990～2000年間面積呈增加趨勢，而在2000～2010年間呈逐年遞減趨勢；林地自2000開始面積減少速度開始趨緩；水域面積增加但在2000～2010年增加較前10年明顯加快.這是因為，在1990～2000年間，耕地面積增加的主要驅(qū)動力是人口增長，而2000年后，單一的經(jīng)濟(jì)來源已滿足不了流域內(nèi)農(nóng)民的生活需要，越來越多的農(nóng)民選擇進(jìn)城務(wù)工，棄耕現(xiàn)象開始出現(xiàn).同時，湖南省自2001年正式進(jìn)行了退耕還林及退耕還湖工程建設(shè)，故耕地面積又在政策驅(qū)動下開始減少，主要向林地及湖泊進(jìn)行轉(zhuǎn)變，因此除降水影響外，退耕還湖政策也是驅(qū)動水域面積增加的主要因素之一.另外，湘江入洞庭湖處的水域出現(xiàn)的湖泊沼澤化現(xiàn)象，除氣溫上升導(dǎo)致的蒸發(fā)量增加外，主要是由于此處泥沙淤積、化學(xué)沉積和生物沉積較多，致使湖水變淺，在光照、溫度等條件適宜的情況下，開始生長植物，植物死亡后殘體又逐年累積而炭化引起的，這是在無人類活動干擾下的自然演替的必然結(jié)果.

交錯帶區(qū)域的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，對氣候變化和人類活動的干擾反應(yīng)敏感.氣溫上升引起湘江流域的林地萎縮，部分林地開始向草地轉(zhuǎn)變，同時，植樹造林及城市綠化也顯著增加了林地的面積.另外，放牧活動對林草地交錯帶的森林繁育產(chǎn)生較大影響，也引起林線上升、林地向草地轉(zhuǎn)化.

3.4 結(jié)論

(1)流域土地利用類型以林地為主，占60%以上，對流域的景觀格局起決定性作用.其次為耕地，占30%，草地、水域及建設(shè)用地面積較小，所占面積均不足3%，未利用地面積最小.

(2)近20年來流域土地利用變化較緩和.耕地和建設(shè)用地在增加，分別增加308.035 8 km2和575.118 9 km2；林地和草地面積減少，分別減少1 028.080 8 km2和55.048 5 km2；水域面積增加167.602 5 km2，未利用地面積增加32.3721 km2.

(3)從土地類型間的轉(zhuǎn)化來看，耕地表現(xiàn)為向外擴(kuò)張趨勢，轉(zhuǎn)入面積大于其轉(zhuǎn)出面積，新增面積主要來自對其周邊林地的侵占；林地表現(xiàn)為轉(zhuǎn)出，主要是由于耕地和建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張所致，以及林地退化為草地和水域；建設(shè)用地的增加主要來自耕地及林地，從空間分布上來看，長株潭城市群的核心區(qū)表現(xiàn)最為顯著；草地的減少主要是轉(zhuǎn)出為林地；水域面積的增加主要來自于耕地中的水田轉(zhuǎn)化；未利用地的面積增加部分主要來自湖泊沼澤化.

(4)流域土地利用綜合程度在不斷提高，區(qū)域不均衡性表現(xiàn)明顯，地勢平緩、自然條件相對優(yōu)越的區(qū)域，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，人類活動對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境干擾強(qiáng)烈，土地利用綜合程度高.

(5)流域土地利用變化受氣候變化和人類活動的共同作用.氣候變化對水域及未利用地等土地類型的變化、分布有一定影響；經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展是引起耕地和建設(shè)用地擴(kuò)張的重要原因；耕地開始遞減、林地減少趨緩、水域增加以及未利用地中的沼澤地增加，是多種因素共同作用下的結(jié)果.

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Biography：LI Tao,male,born in 1984,Ph.D.,lecturer,research direction for Landscape ecological planning and design.

Analysis of land use/cover change from1990 to 2010 and its driving forces mechanism in Xiangjiang River Basin of Hunan

LI Tao1,2, CHEN Jian2, FENG Qian2, WANG Kuan2, LIAO Jian-jun2*

(1.College of Biotechnology,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2.College of Design and Art,University of South China,Hengyang 421001,Hunan ,China)

With the remote sensing data of 1990 and 2010 as well as social-economic development data about Xiangjiang River Basin,the space-time variation characteristics and influencing factors of land use/cover were analyzed from the following aspects including land use structure,transformation direction and comprehensive degree.The results may be summarized as follows: (1) The land use pattern in Xiangjiang River Basin has been greatly changed in the past 20 years,the comprehensive degree was enhanced,the area of cultivated land and construction land as well as waters and unutilized land increased while the forestland and grassland decreased;(2) The forestland was mainly changed into farmland and construction land.The area of grassland decreased because it was mainly into the forest.Water mainly came from farmland and paddy field; The increase of construction land was mainly the reason of the transformation from cultivated land and woodland,while the area of unutilized land increased mainly due to the swamping of the lake; (3) There was certain relationship with climate change considering the increase of waters and unutilized land.The increased areas of cultivated land and build-up land were mainly caused by the economic and social development.The changes of cultivated land declining,the eased decreasing trend of woodland as well as water and swamp area increasing were due to combined action of multi factors.4figs.,2tabs.,23refs.

land use change; influence factors; Xiang jiang River Basin; 3S technology

2016-06-30

湖南省科技計劃項目資助(編號：2015SK2003)；衡陽市社會科學(xué)項目資助(編號：2015D040)；衡陽市科技計劃項目資助(編號：2014KS21)

李 濤(1984-)，男，江蘇連云港人，講師，博士研究生，研究方向：景觀生態(tài)規(guī)劃與設(shè)計. *通訊作者，E-mail：ljjn65@163.com.

2095-7300(2016)04-010-08

Q149

A