李艷華, 許月卿, 孫丕苓, 趙菲菲

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院 土地資源管理系, 北京100193)

生態(tài)脆弱區(qū)土地利用變化及驅(qū)動力
——以河北省張北縣為例

李艷華, 許月卿, 孫丕苓, 趙菲菲

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院 土地資源管理系, 北京100193)

[目的] 研究河北省張北縣的土地利用變化及其驅(qū)動因素，為該區(qū)域土地管理決策和土地資源可持續(xù)利用供科學(xué)依據(jù)。[方法] 以1989，1995，2000，2010年TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，運用遙感、地理信息系統(tǒng)、數(shù)理統(tǒng)計分析等技術(shù)與方法，系統(tǒng)分析了張北縣土地利用變化的時空特征，剖析了土地利用變化的驅(qū)動因素。[結(jié)果] 張北縣主要地類為耕地、林地和草地，1989—2010年土地利用數(shù)量變化主要表現(xiàn)為耕地和草地面積的減少，林地和建設(shè)用地面積的增加，其中2000—2010年土地利用變化更為劇烈；地類轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為耕地、草地向林地轉(zhuǎn)變以及耕地、草地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變；空間變化主要表現(xiàn)為東部壩頭地區(qū)林地增加明顯，中部平原地區(qū)建設(shè)用地擴張明顯。[結(jié)論] 近20年來張北縣土地利用變化明顯，主要受自然及社會經(jīng)濟因素綜合影響。此外政策因素也是該區(qū)域土地利用變化的主要驅(qū)動因素。

生態(tài)脆弱區(qū); 土地利用變化; 驅(qū)動力; 典型相關(guān)分析

自1995年國際地學(xué)與生物圈研究計劃(IGBP)與全球環(huán)境變化人文計劃(HDP)聯(lián)合提出“土地利用/土地覆被變化”研究計劃以來，土地利用/覆被變化(LUCC)一直是全球變化研究的熱點問題[1]。利用遙感影像作為數(shù)據(jù)源，地理信息系統(tǒng)作為分析數(shù)據(jù)的技術(shù)支持，分析區(qū)域土地利用變化及其驅(qū)動力成為土地利用/覆被變化研究的重要方向。目前，眾多學(xué)者在土地利用/覆被變化的特征、驅(qū)動力以及趨勢預(yù)測等方面開展了大量研究，并取得了一系列研究成果[2-7]。但以往研究多關(guān)注大城市周圍及經(jīng)濟快速發(fā)展的熱點地區(qū)，而對生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域的土地利用變化研究有待進(jìn)一步加強。生態(tài)脆弱區(qū)土地利用變化敏感，全球環(huán)境響應(yīng)比較突出，研究生態(tài)脆弱區(qū)的土地利用變化及其驅(qū)動機制對于豐富土地利用變化科學(xué)研究的實證研究以及促進(jìn)LUCC和全球土地計劃研究的集成和完善具有重要意義[8-11]。

張家口市地處京津冀都市圈生態(tài)功能區(qū)，在阻擋風(fēng)沙、保障京津生態(tài)安全方面處于重要的戰(zhàn)略地位，又是京津地區(qū)的重要水源地。這里生態(tài)環(huán)境脆弱，土地退化嚴(yán)重，人們生活貧困，土地利用矛盾尖銳。隨著京津冀一體化和區(qū)域協(xié)作發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn)，張家口市迎來了前所未有的發(fā)展機遇[12-14]，城市化和工業(yè)化進(jìn)程將加速，各業(yè)用地需求將增加，土地資源供需矛盾將進(jìn)一步加劇，迫切需要對這個特殊地域內(nèi)土地利用變化的過程及其驅(qū)動機制進(jìn)行研究。有鑒于此，本文選擇張家口壩上張北縣作為典型案例區(qū)，基于1989，1995，2000，2010年4期TM遙感影像，運用PCC(post classification comparison)遙感解譯技術(shù)、土地利用變化模型、主成分分析法及典型相關(guān)分析法，結(jié)合實地調(diào)查及問卷，系統(tǒng)分析1989—2010年張北縣土地利用變化的時空特征，揭示土地利用變化過程及其演變規(guī)律，探討土地利用變化的驅(qū)動因素，以期為張北縣及張家口市土地管理決策和土地資源可持續(xù)利用供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

(1) 遙感數(shù)據(jù)。以1989，1995，2000，2010年4期TM影像為數(shù)據(jù)源，通過影像校正，將誤差控制在一個像元內(nèi)，按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人機交互解譯，并到實地進(jìn)行定點校對核實，將實地調(diào)研結(jié)果與解譯結(jié)果進(jìn)行對照，結(jié)果顯示解譯精度高于85%，滿足研究目的，進(jìn)而得到張北縣1989，1995，2000，2010年土地利用覆被圖。

(2) 社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要是指研究區(qū)2000—2010年的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主要來源于《張家口社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》(2000—2010年)以及2000—2010年張家口土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)等。

1.2 研究方法

本文主要運用主成分分析和典型相關(guān)分析方法進(jìn)行土地利用變化驅(qū)動力的定量研究。主成分分析和典型相關(guān)分析具體方法見參考文獻(xiàn)[5,15]。

依據(jù)科學(xué)性、數(shù)據(jù)的可獲取性、因子能定量化、與研究區(qū)土地利用變化具有較大的相關(guān)性等原則篩選與土地利用變化相關(guān)的驅(qū)動因素見表1。將選取的指標(biāo)在SPSS中進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行主成分分析，進(jìn)而進(jìn)行典型相關(guān)分析，從而定量分析土地利用變化的主要驅(qū)動因素。

表1 張北縣土地利用變化驅(qū)動因素

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化分析

由表2可見，張北縣土地利用類型以耕地、林地和草地為主，三者之和占到縣域土地總面積的90%。1989—2000年，耕地、草地和未利用地面積減少，林地、園地、建設(shè)用地和水域面積增加。其中耕地面積減少最多，期間耕地占土地總面積的比例減少了11.58%。林地增加面積最多，2010年林地面積將近為1989年的3倍，其中2000—2010年林地面積增加最為明顯，期間林地增加面積占研究期間總增加面積的75.26%。

表2 張北縣1989，1995，2000，2010年土地利用類型面積及比例

從不同階段各地類轉(zhuǎn)換看(表3)，張北縣各地類間的轉(zhuǎn)換以耕地、林地、草地、建設(shè)用地之間的轉(zhuǎn)換最為顯著。1989—1995年間主要表現(xiàn)為耕地、林地、草地之間的相互轉(zhuǎn)換，少量耕地和草地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，部分未利用地轉(zhuǎn)化為草地及水域；1995—2000年地類轉(zhuǎn)換與1989—1995年類似，但轉(zhuǎn)換劇烈程度有所增加；2000—2010年為地類轉(zhuǎn)化劇烈階段，大量耕地和草地轉(zhuǎn)化為林地，部分耕地和草地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，未利用地向草地轉(zhuǎn)化幅度也有所增加。

相對于前兩個階段，2000—2010年間各地類之間轉(zhuǎn)換幅度與劇烈程度均顯著增加。耕地轉(zhuǎn)換成林地的比例在1989—1995年間為2.52%，在2000—2010年期間則增加到18.06%；耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的比例在1989—1995年為0.02%，在2000—2010年則增加到0.18%；草地轉(zhuǎn)為林地的比例在1989—1995年為1.03%，在2000—2010年期間則增加到23.4%。

表3 1989-1995，1995-2 000，2000-2010年土地利用類型轉(zhuǎn)換面積 hm2

從土地利用類型空間轉(zhuǎn)換看，1989—2000年耕地和草地之間的轉(zhuǎn)換較為明顯，有部分耕地向草地轉(zhuǎn)化，亦有部分草地向耕地轉(zhuǎn)化，這符合了張北縣地處農(nóng)牧交錯帶的地理背景，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民亦農(nóng)亦牧，主要靠種植業(yè)和畜牧業(yè)為生，因此在2000年以前縣域耕地與草地轉(zhuǎn)換顯著，且多分布在中部平原地區(qū)。2000—2010年大量耕地和草地向林地轉(zhuǎn)化，在東部地勢較高的壩頭地區(qū)轉(zhuǎn)化更為明顯。中部平原地區(qū)部分草地向耕地轉(zhuǎn)化，部分耕地和草地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，部分草地退化成未利用地。

2.2 土地利用變化驅(qū)動機制分析

基于張北縣土地利用時空變化趨勢的分析，以張北縣土地利用變化較為劇烈的時期2000—2010年為研究期，根據(jù)表1中相關(guān)指標(biāo)，借助SPSS軟件平臺，采用主成分分析及典型相關(guān)分析方法，定量分析土地利用類型變化的主要驅(qū)動因子，剖析張北縣土地利用變化的內(nèi)在及外在驅(qū)動機制。

2.2.1 主成分分析 通過分析各成分特征值及貢獻(xiàn)率，第1主成分的貢獻(xiàn)率為65.41%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為16.14%，第3主成分的貢獻(xiàn)率為9.68%，前3個主成分貢獻(xiàn)率之和為91.23%>85%，表明前3個主成分的數(shù)值變化包含了所選指標(biāo)的大部分信息，可用第1，2，3主成分來代替原有指標(biāo)。通過相關(guān)系數(shù)分析，最終選取對主成分貢獻(xiàn)率較大的GDPX10，人均GDPX14，經(jīng)濟密度X15，非農(nóng)業(yè)人口X21，農(nóng)民人均純收入X32，城鎮(zhèn)居民可支配收入X33，糧食總產(chǎn)量X41，人均糧食產(chǎn)量X43，年降雨量X61進(jìn)行下一步的典型性相關(guān)分析。

2.2.2 典型相關(guān)分析 基于上述主成分分析結(jié)果，將2000—2010年耕地、林地、草地、建設(shè)用地、未利用地面積變化量設(shè)為因變量，園地和水域兩者變化程度較小，由SPSS共線性排除未進(jìn)入，因此不予考慮。2000—2010年GDP、人均GDP、經(jīng)濟密度、非農(nóng)業(yè)人口、農(nóng)民人均純收入、城鎮(zhèn)居民可支配收入、糧食總產(chǎn)量、人均糧食產(chǎn)量、年降雨量的變化量為土地利用變化驅(qū)動因子，在SPSS軟件支持下進(jìn)行土地利用變化驅(qū)動因素典型相關(guān)分析。

典型載荷體現(xiàn)2個變量組X和Y之間的相關(guān)程度，將每一變量從其余變量中逐步分離，以分析土地利用格局變化的主要驅(qū)動因素[15]。經(jīng)典型相關(guān)系數(shù)檢驗和冗余度分析，前3個典型變量的典型相關(guān)系數(shù)均大于0.8，相關(guān)性極為顯著，其被自然、社會經(jīng)濟因素解釋的比例較高，在87%以上，后兩個典型變量被自然、社會經(jīng)濟因素解釋的比例較低，解釋效果較差(表4)。可見，張北縣的土地利用格局主要受自然條件和社會經(jīng)濟因素的綜合影響。

表4 土地利用結(jié)構(gòu)及驅(qū)動因素的典型載荷

第1個典型變量將耕地減量從其他地類中分離出來，與之相對應(yīng)的解釋變量主要是非農(nóng)業(yè)人口和農(nóng)民人均純收入?？梢姼孛娣e變化主要受人口結(jié)構(gòu)和農(nóng)民收入影響，且非農(nóng)業(yè)人口和農(nóng)民人均純收入與耕地面積呈負(fù)相關(guān)。

第2個典型變量將草地減量從其他地類中分離出來，與之相對應(yīng)的解釋變量主要是年均降水量?？梢姴莸孛娣e變化主要受自然因素影響，且年均降水量與草地面積呈正相關(guān)。

第3個典型變量將建設(shè)用地增量從其他地類中分離出來，與之相對應(yīng)的解釋變量主要是GDP和城鎮(zhèn)居民可支配收入?？梢娊ㄔO(shè)用地面積變化主要受經(jīng)濟總量和居民收入影響，且GDP和城鎮(zhèn)居民可支配收入與建設(shè)用地面積呈正相關(guān)。

第4個變量解釋的是林地增加量和第5個變量解釋的未利用地減量和社會經(jīng)濟因素相關(guān)量較小。這主要是因為林地面積的變化更受當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)脆弱條件以及國家在當(dāng)?shù)貙嵤┑纳鷳B(tài)保護(hù)政策影響，與社會經(jīng)濟因素相關(guān)性較小。

3 討 論

3.1 土地利用變化驅(qū)動因素解釋

由典型相關(guān)分析可知，張北縣2000—2010年土地利用結(jié)構(gòu)的變化，尤其是耕地、草地和建設(shè)用地的面積變化與張北縣社會經(jīng)濟發(fā)展、城市化進(jìn)城的推進(jìn)、城鎮(zhèn)居民和農(nóng)民生活水平提高以及自然氣候狀況有密不可分的關(guān)系。

耕地面積的變化主要與非農(nóng)業(yè)人口的增加和農(nóng)民生活水平的改善有關(guān)。人口因素是影響土地利用結(jié)構(gòu)變化的最活躍的因素，主要表現(xiàn)為人口總量的增加，人口結(jié)構(gòu)的變化以及人口從事行業(yè)或者生活區(qū)域的改變。張北縣自2000以來非農(nóng)業(yè)人口持續(xù)增加，城市化率不斷提高。2000年縣域非農(nóng)業(yè)人口僅為4萬人左右，2010年縣域非農(nóng)業(yè)人口增加到7萬人，農(nóng)業(yè)人口非農(nóng)化趨勢導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用地用途的轉(zhuǎn)變，耕地面積呈現(xiàn)持續(xù)減少態(tài)勢，逐漸向建設(shè)用地或生態(tài)用地轉(zhuǎn)變(圖1)。

此外，耕地面積的變化還與農(nóng)民生活水平的提高有關(guān)。2000—2010年農(nóng)業(yè)始終是縣域的主要支撐產(chǎn)業(yè)，農(nóng)民是縣域人口的主體，對縣域土地利用結(jié)構(gòu)變化起著重要的推動作用。由圖1可知，在研究期階段，縣域農(nóng)民人均純收入和糧食單產(chǎn)均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。在對張北縣農(nóng)戶問卷調(diào)查的過程中發(fā)現(xiàn)縣域農(nóng)民收入來源以外出打工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地承包以及旅游業(yè)收入為主，農(nóng)民從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中解脫出來，農(nóng)民收入來源不再以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主。由此必然導(dǎo)致耕地面積的減少，耕地被棄荒轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸鼗蛘咭蛘咭笞優(yōu)榱值?。進(jìn)城務(wù)工的人口勢必帶動城鎮(zhèn)的進(jìn)一步擴張，對住宅、商業(yè)、娛樂用地的需求日益增加，建設(shè)用地面積進(jìn)一步增加，同時使得一部分耕地被建設(shè)用地占用。

圖1 張北縣2000-2010非農(nóng)業(yè)人口、 農(nóng)民人均純收入及耕地面積變化

草地面積的變化主要受自然因素影響。由圖2可見，2000—2010年降水量總體呈下降趨勢，張北縣干旱化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，草地面積呈現(xiàn)減少的趨勢。張北縣農(nóng)民以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和牧業(yè)生產(chǎn)為主要生計來源，草地的面積及質(zhì)量的保證是當(dāng)?shù)啬撩竦靡陨娴那疤?。張北縣草地中有部分荒草地存在，不適合放牧活動，因此針對該部分荒草地應(yīng)將其培育成人工草場或者改造為林地。

圖2 2000-2010降水及草地面積變化

建設(shè)用地變化主要受社會經(jīng)濟發(fā)展程度和城鎮(zhèn)居民生活水平因素驅(qū)動。張北縣屬于國家重點扶貧縣，研究期屬于縣域經(jīng)濟調(diào)整期，產(chǎn)業(yè)布局仍以第一產(chǎn)業(yè)為主，二三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。由圖3可知，2000—2010年張北縣經(jīng)濟總量增長迅速，縣域經(jīng)濟發(fā)展態(tài)勢良好。經(jīng)濟總量的增長促進(jìn)縣域建設(shè)性投資，這為建設(shè)用地面積擴張，加速縣域城鎮(zhèn)化進(jìn)程提供了強有力的支撐。以旅游業(yè)為主導(dǎo)的第三產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，亦需要更多的旅游地產(chǎn)等建設(shè)用地的保障，因此在此期間建設(shè)用地面積處于不斷上升趨勢。

城鎮(zhèn)居民生活水平的提高促進(jìn)縣域?qū)ㄔO(shè)用地的需求。由圖3可見，2000年張北縣城鎮(zhèn)居民可支配收入不到4 000元/人，2010年增長到12 000元/人，城鎮(zhèn)居民生活水平顯著提高。城鎮(zhèn)居民可支配收入的提高促進(jìn)城鎮(zhèn)居民消費活動以及不動產(chǎn)投資等積極性，增加了對城市住宅及基礎(chǔ)設(shè)施用地的需求，促使城鎮(zhèn)范圍進(jìn)一步擴張，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢。

圖3 2000-2010張北縣經(jīng)濟總量、城鎮(zhèn) 居民可支配收入及建設(shè)用地面積變化

3.2 政策因素與土地利用變化

前面土地利用變化驅(qū)動因素定量分析未考慮難以量化的政策因素，而政策驅(qū)動因素在張北縣土地利用變化過程中起到重要作用。張北縣是典型的北方農(nóng)牧交錯區(qū)，氣候干旱，風(fēng)沙較大，水土流失及鹽堿化較為嚴(yán)重。為了改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，政府在2000年啟動了退耕還林試點工程，縣委、政府確立了“為京津阻沙源保水源，為農(nóng)民增資源拓財源”的工程建設(shè)方略，致使2000—2010年大量耕地及草地向林地轉(zhuǎn)變，林地面積在這10 a翻了一番，可見退耕還林工程成效較為顯著。而增加的林地有60.5%來源于耕地，屬于退耕還林。

此外，張北縣1999年開始把調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)當(dāng)作全縣農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的頭等大事，形成畜牧業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，馬鈴薯、蔬菜、甜菜、雜豆為特色高效作物的“一主四特”農(nóng)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)格局。1998年全縣進(jìn)一步推進(jìn)了小型水利工程產(chǎn)權(quán)制度改革，進(jìn)一步完善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，發(fā)展了節(jié)水噴灌，加快了水利建設(shè)步伐。1998年全縣打機井121眼，大口井45眼，各類農(nóng)田小井2 507眼，并利用新打的各類農(nóng)田井發(fā)展噴灌面積1.93×103hm2，全縣水利建設(shè)和節(jié)水灌溉有了新的突破。兩者的結(jié)合使得縣域內(nèi)水澆地面積迅速增加，尤其是2000年以后，呈現(xiàn)出大幅增加的趨勢，而水澆地來源一般都為旱地，因此旱地面積在2000年以后減少速度更快。

4 結(jié) 論

(1) 1989—2010年，張北縣土地利用類型以耕地、林地、草地為主，期間耕地、草地、未利用地面積減少，其他地類面積均在增加；耕地減少主要分布在縣域東北部，中部平原地區(qū)建設(shè)用地擴張明顯，林地增加最顯著的區(qū)域分布在縣域東北部壩頭地區(qū)，且2000—2010年增加更為劇烈；地類轉(zhuǎn)換主要變現(xiàn)為耕地、草地向林地以及建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，未利用地向其他地類間的轉(zhuǎn)換，其中以2000—2010年轉(zhuǎn)換最為劇烈。

(2) 張北縣土地利用變化受自然及社會經(jīng)濟因素綜合影響。人口結(jié)構(gòu)和農(nóng)民收入是影響耕地面積變化的主要因素，草地面積變化與自然因素降水量具有密切關(guān)系，建設(shè)用地面積變化主要受經(jīng)濟總量和居民收入影響。此外，政策因素如退耕還林還草政策亦是導(dǎo)致縣域地類變化的重要驅(qū)動因素。

(3) 張北縣作為張家口壩上第1縣，是壩上保育發(fā)展區(qū)和壩下優(yōu)化發(fā)展區(qū)的過渡地帶，土地利用以農(nóng)林牧業(yè)為主。隨著京津冀一體化政策進(jìn)程的推進(jìn)，張北縣社會經(jīng)濟將得到快速發(fā)展，未來土地利用供需矛盾將加劇，尋求既滿足自身區(qū)域社會經(jīng)濟需求又滿足京津冀對其生態(tài)涵養(yǎng)功能定位要求的土地利用結(jié)構(gòu)模式，將成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展過程中面臨的主要關(guān)鍵問題。

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Land-use Change and Its Driving Forces in Ecologically Fragile Region-A Case Study of Zhangbei County, Hebei Province

LI Yanhua, XU Yueqing, SUN Piling, ZHAO Feifei

(DepartmentofLandResourcesandManagement,CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

[Objective] This paper aimed to investigate the land use change and its driving forces in Zhangbei County, Hebei Province to provide references for the decision-making in land use management and sustainable use of land resources in this region. [Methods] Based on the TM remote sensing images in 1989, 1995, 2000, and 2010, using the technology and method of remote sensing, geographic information system and multivariate statistical analysis, this paper analyzed the spatial and temporal variations of land use in Zhangbei County. Factors driving land-use change were investigated. [Results] The main land-use types in Zhangbei County were arable land, forest land and grass land. During the period of 1989—2010, arable land and grass land decreased and forestland and construction land increased, especially in the period from 2000 to 2010. As to the land use types, arable land and grassland mainly changed into forestland and construction land. As to the spatial variation, forest land increased significantly in the eastern edge of Zhangbei Bashang Plateau, and the construction land expanded dramatically in the central plain of the county. [Conclusion] Major land-use change has occurred in Zhangbei County in the past 20 years owing to the influence of natural and social-ecnomic factors.

ecologically fragile region; land-use change; driving force; typical correlation analysis

2014-06-03

2014-08-29

國家自然科學(xué)基金項目“環(huán)京津冀北貧困帶土地利用變化及其優(yōu)化利用調(diào)控研究”(41171088)， “基于多源數(shù)據(jù)融合的冀北貧困帶土地利用多功能演變研究”(41571087)

李艷華(1989—),女(漢族),江蘇省南通市人,碩士研究生,研究方向為土地利用/覆被變化、土地可持續(xù)利用。 E-mail: 809109719@qq.com。

許月卿(1972—),女(漢族),河北省定州市人,博士,副教授,主要從事土地利用變化與可持續(xù)利用、土地資源利用與評價等方面研究。 E-mail:xmoonq@sina.com。

A

1000-288X(2015)05-0239-06

F301.24