“五化”視角下高標(biāo)準(zhǔn)糧田時空布局優(yōu)化研究*
——以河南省鶴壁市為例

田潔玫，陳 杰

(1.鄭州大學(xué)公共管理學(xué)院，河南鄭州 450001； 2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001)

·糧食安全·

“五化”視角下高標(biāo)準(zhǔn)糧田時空布局優(yōu)化研究*
——以河南省鶴壁市為例

田潔玫1，陳 杰2※

(1.鄭州大學(xué)公共管理學(xué)院，河南鄭州 450001； 2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001)

目的“十三五”期間國家重點(diǎn)推進(jìn)高標(biāo)準(zhǔn)糧田建設(shè)與實(shí)施，河南省同時處于糧食生產(chǎn)核心區(qū)與中原經(jīng)濟(jì)區(qū)下，肩負(fù)著保證糧食安全與實(shí)現(xiàn)中部崛起的雙重重?fù)?dān)，基于“五化”要求研究高標(biāo)準(zhǔn)糧田時空布局優(yōu)化有其現(xiàn)實(shí)意義。方法基于AHP方法原理構(gòu)建布局優(yōu)化指標(biāo)體系，依據(jù)熵權(quán)值法與優(yōu)化方法獲取權(quán)重，在ArcGIS軟件中實(shí)現(xiàn)地塊平均布局水平測算，并按照規(guī)劃要求相應(yīng)調(diào)整，運(yùn)用綜合排序優(yōu)選法與逼近理想點(diǎn)法進(jìn)行鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田時空布局優(yōu)化。結(jié)果鶴壁市不存在高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局劣等地，布局重心處于?？h與淇縣； 兩縣的空間布局優(yōu)化結(jié)果顯示出更高的集中連片性，平均地塊面積是優(yōu)化之前的1.466倍； 兩縣的時序布局優(yōu)化結(jié)果有利于提高建設(shè)效率，達(dá)成“初期試探摸索-中期大量投建-遠(yuǎn)期穩(wěn)固提升”目標(biāo)。結(jié)論基于“五化”視角的高標(biāo)準(zhǔn)糧田時空布局優(yōu)化為今后高標(biāo)準(zhǔn)糧田區(qū)土地利用優(yōu)化配置以及各項(xiàng)利用規(guī)劃提供了參考與依據(jù)。

五化 高標(biāo)準(zhǔn)糧田 時空 布局優(yōu)化 鶴壁市

0 引言

糧食安全是中國政府長期關(guān)注的重點(diǎn)，河南省作為重要的糧食生產(chǎn)核心區(qū)更肩負(fù)著實(shí)現(xiàn)耕地保護(hù)與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重?fù)?dān)， 2016年《全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃》中對農(nóng)業(yè)布局提出優(yōu)化要求以增強(qiáng)糧食保障能力[1]。如何在未來土地利用布局中充分考慮“五化”(工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、綠色化、信息化)的綜合作用，并同時滿足保證糧食安全與實(shí)現(xiàn)中部崛起的雙重要求是目前研究的熱點(diǎn)問題。

高標(biāo)準(zhǔn)糧田是基于基本農(nóng)田概念提出的，是耕地中質(zhì)量優(yōu)良、集中連片、設(shè)施齊全、產(chǎn)能高效、綠色環(huán)保的土地。對高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化的研究，其內(nèi)涵是為提高耕地質(zhì)量或者滿足土地規(guī)劃要求而對現(xiàn)有基本糧田基于一定標(biāo)準(zhǔn)調(diào)入或調(diào)出，并最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的行為。布局優(yōu)化常采用農(nóng)用地分等[2]或土地利用規(guī)劃成果[3]、地化評估[4]或耕地綜合質(zhì)量評價結(jié)果[5]，通過考察影響因素來選取指標(biāo)[6]進(jìn)行時間[7]和空間[8]的布局安排。借助3S工具尤其是強(qiáng)調(diào)對GIS技術(shù)的運(yùn)用[9]，專家學(xué)者主要從布局指標(biāo)評價方法[10]和布局入選方法[11]的運(yùn)用上取得突破。

文章運(yùn)用RS與GIS的信息化技術(shù)手段，通過AHP方法構(gòu)建出符合農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、綠色化的高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局指標(biāo)體系，從協(xié)調(diào)發(fā)展的訴求入手對布局進(jìn)行劃定，依據(jù)相關(guān)規(guī)劃對布局予以優(yōu)化，最終取得“五化”視角下的研究區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)糧田時空布局優(yōu)化結(jié)果，以期為今后以耕地保護(hù)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)為主題的高標(biāo)準(zhǔn)糧田區(qū)土地利用優(yōu)化配置以及各項(xiàng)利用規(guī)劃提供參考和依據(jù)。

圖1 鶴壁市位置

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

鶴壁市位于河南省北部，東經(jīng)113°59′～114°44′，北緯35°26′～36°3′的太行山東麓向華北平原過渡地帶，地勢上呈現(xiàn)西高東低趨勢，屬暖溫帶半濕潤型季風(fēng)氣候，自古以來就是糧食盛產(chǎn)地，目前為河南省高標(biāo)準(zhǔn)糧田建設(shè)試點(diǎn)市。近年來，鶴壁市城鎮(zhèn)人口增加迅猛，目前城鎮(zhèn)化率已高達(dá)52.8%，經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢良好，其作為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)中“沿京廣發(fā)展軸”上的重要一環(huán)，承擔(dān)著北接京津、溝通南北產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)密集帶的重要作用。鶴壁市下轄2縣(淇縣、?？h)、3區(qū)(淇濱區(qū)、山城區(qū)、鶴山區(qū))，位置如圖1所示。

耕地動態(tài)變化方面的數(shù)據(jù)主要來源于對鶴壁市(條帶號為124，列編號為35)1993年4月26日、2003年4月14日、2013年5月3日的Landsat5 TM、Landsat7 ETM+以及Landsat8 OLI-TIRS三期衛(wèi)星遙感影像使用ENVI 軟件分類解譯空間數(shù)據(jù)庫結(jié)果，經(jīng)ArcGIS處理如下圖2所示； 耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)主要來源于河南省第二次土壤普查數(shù)據(jù)庫結(jié)果以及河南省耕地質(zhì)量評價數(shù)據(jù)庫資料。其他數(shù)據(jù)主要包括：地形地貌數(shù)據(jù)(鶴壁市30m分辨率數(shù)字地形圖)； 矢量數(shù)據(jù)(鶴壁市行政區(qū)劃圖、鶴壁市土地利用現(xiàn)狀圖)； 統(tǒng)計(jì)年鑒及政府規(guī)劃數(shù)據(jù)(鶴壁市統(tǒng)計(jì)年鑒、中國國土資源公報、河南省統(tǒng)計(jì)年鑒、鶴壁市年鑒、鶴壁市土壤志、鶴壁市城市總體規(guī)劃等)。

圖2 鶴壁市三期遙感解譯土地利用類型

2 研究方法

2.1 熵權(quán)值法

權(quán)重確定的常見方法包括特爾菲法及層次分析法，但其主觀性的賦值方法存在缺少客觀性與針對性的問題。Claus R于1850年基于物理學(xué)角度提出熵值概念，其后，Shannon C E等人將熵值應(yīng)用于其他學(xué)科領(lǐng)域[12]。熵權(quán)值法的優(yōu)點(diǎn)在于其能夠直接反映與數(shù)據(jù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)性與相關(guān)性問題，從而減少人為因素?cái)_動[13]。具體公式及步驟如下：構(gòu)建指標(biāo)矩陣，其中Z取值均使用公式(1)； 對Z值進(jìn)行信息熵E計(jì)算，見公式(2)； 基于信息熵E計(jì)算最終指標(biāo)權(quán)重W，見公式(3)。

(1)

(2)

(3)

2.2 綜合排序優(yōu)選法

對“五化”視角下鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化結(jié)果的空間調(diào)整，其實(shí)質(zhì)是基于高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化地塊平均水平H的綜合排序優(yōu)選。目標(biāo)是在保證地塊完整性及地塊平均水平H值降序排列的前提下，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)地塊耕地面積I累加不小于政府規(guī)定的某常量C，滿足以下公式(4)進(jìn)行排序累加時，即可完成高標(biāo)準(zhǔn)糧田空間布局調(diào)整。

(4)

式中，Hi與Hi+1分別表示第i與i+1塊高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化地塊平均水平；C為常數(shù)項(xiàng)；k表示地塊總數(shù)。

2.3 逼近理想點(diǎn)法

Hwang C L和Yoon K在1981年提出的逼近理想點(diǎn)法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)是重要的多目標(biāo)決策方法，其將有限個經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的評價對象按照逼近于理想化目標(biāo)的程度進(jìn)行排序從而幫助選擇[14]。具體步驟如下：依據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)從所有評價對象目標(biāo)中確定最優(yōu)目標(biāo)與最劣目標(biāo)； 按如下公式(5)與公式(6)分別判定評價對象與最優(yōu)目標(biāo)的距離L+與最劣目標(biāo)的距離L-，采用二維歐氏距離； 使用如下公式(7)確定評價對象的逼近度J； 依據(jù)逼近度數(shù)值大小按上文綜合排序優(yōu)選方法排列出所有評價對象次序。

(5)

(6)

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局指標(biāo)及權(quán)重確定

為滿足“五化”各方面要求，根據(jù)Saaty T L 在1977年提出的層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)理論框架[15]，依據(jù)信息化技術(shù)手段提取指標(biāo)并實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化指標(biāo)體系構(gòu)建。

表1 “五化”視角下鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化指標(biāo)及權(quán)重

目標(biāo)層準(zhǔn)則層(權(quán)重)方案層指標(biāo)層(權(quán)重)高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化(040)耕地綜合條件耕地質(zhì)量(007)糧食單產(chǎn)(012)耕地連片性(019)現(xiàn)代化水平農(nóng)用機(jī)械總動力(023)化肥施用量(020)農(nóng)業(yè)科技人員數(shù)量(019)工業(yè)化與城鎮(zhèn)化(030)社會經(jīng)濟(jì)條件工業(yè)生產(chǎn)總值(023)二、三產(chǎn)固定資產(chǎn)投資額(010)城鎮(zhèn)化水平(024)基礎(chǔ)設(shè)施水平道路通達(dá)度(032)農(nóng)村用電量(011)綠色化與信息化(030)生態(tài)環(huán)境條件森林覆蓋度(023)水域敏感度(015)可持續(xù)水平糧食安全性(035)布局穩(wěn)定性(027)

表2 鶴壁市兩縣高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局耕地面積比較

面積(km2)區(qū)域布局劃定結(jié)果政府規(guī)劃要求?？h574623494867淇縣152363109067

為達(dá)成協(xié)調(diào)發(fā)展目標(biāo)，需要對準(zhǔn)則層進(jìn)行均衡權(quán)重賦值，考慮到鶴壁市糧食生產(chǎn)核心區(qū)的試點(diǎn)地位，應(yīng)相對增加農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化權(quán)重。指標(biāo)層的確權(quán)該文采用能夠最大限度避免主觀因素干擾所產(chǎn)生偏差的熵權(quán)值方法進(jìn)行。最終可以得到“五化”視角下的高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局權(quán)重優(yōu)化方案，如表1所示。

3.2 高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局分值及范圍劃定

目前高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局的研究方法主要包括專家邏輯規(guī)則方法以及圖層權(quán)重疊加方法。前者主要依賴于專家學(xué)者主觀上的邏輯分析及規(guī)則制定； 后者則利用客觀數(shù)據(jù)及客觀方法將各個指標(biāo)圖層使用GIS手段基于相應(yīng)權(quán)重予以疊加實(shí)現(xiàn)[16]。在ArcGIS軟件中疊加分析，最終取得鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局綜合水平結(jié)果。對綜合水平分值范圍進(jìn)行分級：劣等取值范圍(0～20)低等(20～40)中等(40～60)良等(60～80)優(yōu)等(80～100)最終分值計(jì)算結(jié)果處于21.850～88.814之間。鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局中不存在劣等地，這從側(cè)面反映了其作為糧食主產(chǎn)區(qū)的優(yōu)越性。

考慮到1993年以來鶴壁市土地利用類型的時空變化情況以及2020年鶴壁市土地利用規(guī)劃結(jié)果，相應(yīng)剔除非耕地部分。目前土地利用布局規(guī)劃的信息化應(yīng)用廣泛，基于行政村或地塊的最小評價單元選擇是主流趨勢，從地塊層面進(jìn)行的平均布局水平測算及高標(biāo)準(zhǔn)糧田劃定將有利于布局規(guī)劃與建設(shè)實(shí)施。因此，以河南省第二次土壤普查成果數(shù)據(jù)庫和河南省耕地地力評價數(shù)據(jù)庫中的耕地資源評價單元作為基礎(chǔ)地塊和最小單元，通過ArcGIS軟件進(jìn)行空間連接，最終可以得到包含1256塊耕地地塊的高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化平均水平圖，其中地塊面積平均值為0.712km2，說明其具有較為顯著的規(guī)模性，如圖3所示。

圖3中可見，淇濱區(qū)的部分區(qū)域?qū)儆谥械人?，但其在鶴壁市城市規(guī)劃中的發(fā)展方向并不利于高標(biāo)準(zhǔn)糧田建設(shè)布局。因此，鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局的重心應(yīng)放在浚縣與淇縣，而2012年鶴壁市政府下發(fā)的《鶴壁市人民政府關(guān)于建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)糧田的實(shí)施意見》也正印證了這一結(jié)論。

由表2中浚縣與淇縣的高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局耕地面積可見，布局劃定結(jié)果數(shù)據(jù)仍顯偏大，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 高標(biāo)準(zhǔn)糧田空間布局優(yōu)化

將綜合排序優(yōu)選方法結(jié)合鶴壁市具體情況，其中H值已知； ?？hC值為494.867、淇縣為109.067； ?？h的k值為576、淇縣為233。經(jīng)過篩選最終得到符合要求的地塊數(shù)共581塊，其中?？h459塊、淇縣122塊； 高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局調(diào)整后的耕地總面積606.338km2，其中浚縣494.943km2、淇縣111.395km2。在ArcGIS中可呈現(xiàn)基于綜合排序方法選取的高標(biāo)準(zhǔn)糧田空間布局范圍，如圖4。

圖4可見，優(yōu)選出的鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田在空間分布上呈現(xiàn)出集中于東部和南部開闊平原區(qū)域的特征； 其平均地塊面積高達(dá)1.044km2，是優(yōu)選前的1.466倍，表現(xiàn)出更加集中連片趨勢。而未被選入的地塊則更加靠近鶴壁市的“一核(鶴淇一體化)雙星(山城鶴山一體化、?？h)”周邊區(qū)域，其成為未來鶴壁市城鎮(zhèn)化與工業(yè)化建設(shè)的“預(yù)留區(qū)”，更是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的有效“緩沖區(qū)”。

3.4 高標(biāo)準(zhǔn)糧田時序布局優(yōu)化

對高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化結(jié)果的時序安排需要充分考慮地塊距離最優(yōu)地塊與最劣地塊的距離，這樣才能在實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中集中力量、集中區(qū)域的進(jìn)行工程建設(shè)。采用逼近理想點(diǎn)法，設(shè)定高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化地塊平均水平最高值與最低值的地塊分別為理想化的最優(yōu)目標(biāo)與最劣目標(biāo)進(jìn)行評價選擇。依據(jù)鶴壁市實(shí)際情況，在ArcGIS軟件中測算所有地塊與目標(biāo)地塊的歐幾里得距離，并最終依據(jù)逼近度數(shù)值作出時序布置安排。根據(jù)自然間斷點(diǎn)分級法將時序分為近期、中期、遠(yuǎn)期3類，結(jié)果如圖5a所示。

圖3 鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局地塊平均水平 圖4 鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田空間布局優(yōu)化

圖5 鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田時序布局優(yōu)化

根據(jù)浚縣及淇縣人民政府制定的《高標(biāo)準(zhǔn)糧田“百千萬”工程建設(shè)規(guī)劃(2012-2020)》中分階段目標(biāo)要求，可將上文自然間斷得到的三期建設(shè)區(qū)域面積作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，依據(jù)逼近度數(shù)值降序排列得出調(diào)整面積，并按其結(jié)果作圖5b。

表3 鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田時序安排面積調(diào)整 km2

從兩幅時序安排圖可見，選用不同分級方法，同時考慮?？h與淇縣情況，鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田在時序安排上均呈現(xiàn)自南向北、自中間向兩邊的總體趨勢。而調(diào)整結(jié)果的三期面積相較自然間斷結(jié)果，則呈現(xiàn)“近期小-中期大-遠(yuǎn)期中”的分布特征，能夠達(dá)到“初期試探摸索-中期大量投建-遠(yuǎn)期穩(wěn)固提升”目的，有利于高標(biāo)準(zhǔn)糧田項(xiàng)目的實(shí)施，更有利于有效節(jié)省人力物力，提高建設(shè)效率。

4 結(jié)論

(1)該文通過AHP模型方法將高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局指標(biāo)與“五化”協(xié)調(diào)發(fā)展指標(biāo)進(jìn)行對接，最終得出1個目標(biāo)層、3個準(zhǔn)則層、6個方案層和15個指標(biāo)層的“五化”視角下高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化指標(biāo)體系； 運(yùn)用優(yōu)化權(quán)重與熵權(quán)值相結(jié)合的方法，確定出各層次指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)體系充分考慮主觀能動性與尊重?cái)?shù)據(jù)客觀性從而增加結(jié)論的可信度，并在方法上實(shí)現(xiàn)了從“五化”協(xié)調(diào)發(fā)展的訴求入手對高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局進(jìn)一步優(yōu)化的研究目的。

(2)通過GIS手段得出鶴壁市高標(biāo)準(zhǔn)糧田布局優(yōu)化結(jié)果，并依據(jù)實(shí)際政府規(guī)劃要求對其時空布局優(yōu)化予以調(diào)整，最終得到空間與時序雙重優(yōu)化結(jié)果：空間布局優(yōu)化結(jié)果符合“一核雙星”的城市規(guī)劃要求； 時序布局優(yōu)化結(jié)果符合“初期試探摸索-中期大量投建-遠(yuǎn)期穩(wěn)固提升”的實(shí)施目標(biāo)。在尊重和達(dá)到規(guī)劃要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了地塊選擇的綜合水平最優(yōu)與逼近度最高的雙項(xiàng)要求。

(3)以鶴壁市為例的研究與探索充分考慮了高標(biāo)準(zhǔn)糧田建設(shè)要求和“五化”發(fā)展目標(biāo)，未來在高標(biāo)準(zhǔn)糧田其他區(qū)域或其他類似高標(biāo)準(zhǔn)糧田區(qū)域的建設(shè)中具有可借鑒性，同時能夠?yàn)楹幽鲜「邩?biāo)準(zhǔn)糧田驗(yàn)收工作提供依據(jù)與參考。進(jìn)一步的研究可以考慮依據(jù)該文方法與思路進(jìn)行鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度布局優(yōu)化安排。

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SPATIAL-TEMPORALLAYOUTOPTIMIZATIONOFHIGHSTANDARDGRAINFIELDBASEDONDEVELOPMENTOFFIVEMODERNIZATIONS*——TAKINGHEBIOFHENANPROVINCEASANEXAMPLE

TianJiemei1，ChenJie2※

(1. School of Public Administration, Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan 450001, China； 2. School of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan 450001, China)

During the period of the "13th Five-Year Plan", the national planning stresses the implementation of the construction of the high standard grain area. As one of the Core Grain Area and the Central Plains Economic Region, Henan province afforded not only ensuring the food security but also realizing the rise of central China. Therefore, the research on the spatial and temporal layout optimization of the high standard grain field based on the five modernizations has its practical significance. This paper constructed an index system of the layout optimization based on Analytic Hierarchy Process model, and obtained the weight based on the Entropy Weight method and Optimization method, and then calculated the average block layout level using the ArcGIS software, and optimized the spatial and temporal layout in accordance with the planning requirements and the corresponding adjustment by using the comprehensive ranking optimization method. The results showed that the croplands in Hebi city were all the high standard grain fields, and the layout concentrated on Xunxian and Qixian county. The spatial layout optimization results showed that the average land area was 1.466 times higher than that before. The sequential layout optimization results can improve the construction efficiency of sequential layout of Hebi city, and meet the goals of the "initial exploratory construction, medium-term substantial investment, long-term steady improvement". The results can provide the reference and basis for the land use optimization allocation and planning.

five modernization； high standard grain field； spatial-temporal； layout optimization； Hebi city

F301.2

A

1005-9121[2017]07029-07

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170705

2016-10-31

田潔玫(1988—)，女，河南焦作人，博士研究生。研究方向：土地可持續(xù)利用與信息化管理。

※通訊作者：陳杰(1966—)，男，河南新鄉(xiāng)人，博士、教授、博士生導(dǎo)師。Email：jchen@zzu.edu.cn

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于分類距離-環(huán)境協(xié)變量回歸模型的土壤數(shù)字化制圖研究”(40971128)； 科技部“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計(jì)劃課題“砂質(zhì)潮土中低產(chǎn)田改良研究與示范”(2012BAD05B02-7)