1985—2015年向海沼澤濕地斑塊穩定性的空間變化

劉吉平, 馬長迪

吉林師范大學 旅游與地理科學學院, 四平 136000

1985—2015年向海沼澤濕地斑塊穩定性的空間變化

劉吉平*, 馬長迪

吉林師范大學 旅游與地理科學學院, 四平 136000

濕地穩定性對濕地生態系統的結構和功能起著至關重要的作用。為了研究濕地斑塊穩定性的區域分異規律及時空動態變化,采用專家打分法,在斑塊尺度上構建了濕地斑塊穩定性模型,并以遙感影像為數據源,對1985—2015年的向海自然保護區及其周邊地區沼澤濕地斑塊穩定性的時空變化進行研究。結果表明：1985年與2015年的沼澤濕地斑塊穩定性呈現中部最強、東部最弱、西部較強的特點；1985—2015年間研究區沼澤濕地斑塊穩定性總體向東偏移,空間集聚性增強；1985—2015年研究區沼澤濕地斑塊穩定性呈上升趨勢,空間結構性變弱,離散程度增強；1985年沼澤濕地斑塊穩定性由核心區向外逐漸遞減,而2015年實驗區的沼澤濕地斑塊穩定性大于緩沖區。研究結果向海自然保護區及其周邊地區沼澤濕地的規劃與管理提供合理性建議。

向海自然保護區；周邊地區；沼澤濕地；斑塊；穩定性

濕地是地球最重要的生態系統之一[1- 3],是由水陸相互作用而形成的獨特的自然綜合體[4- 6],具有抵御洪水、調節氣候、維護生物多樣性和資源利用等生態功能[7- 10]。隨著社會經濟的發展和人口的增加,濕地功能嚴重受損,生態效益日益降低[11]。濕地生態系統的不斷退化,濕地穩定性成為國內外眾多學者的研究熱點。Hill認為熱力學是穩定性概念的來源,穩定性是生態系統的重要特性,對生態系統的結構和功能起著至關重要的作用[12- 13]。景觀生態學將景觀研究尺度明確劃分為景觀尺度、類型尺度和斑塊尺度[14]。目前,國內外學者主要從景觀尺度和類型尺度上研究土地利用景觀格局穩定性[15- 18],針對濕地景觀生態系統,我國學者利用系統穩定性[19]、生態學和系統學理論[20]、景觀生態學原理[21]對其穩定性進行分析與評價。不同學者通過選取不同的相關指標對濕地景觀穩定性及其動態變化進行研究,根據國內學者對濕地景觀穩定性及其動態變化的表述,認為斑塊數量和面積變化率、斑塊密度變化率、斑塊形狀指數、斑塊面積、濕地率、農耕因子、濕地與道路的距離和與居民點的距離等指標均對濕地景觀穩定性及其動態變化具有一定的影響[10,22- 28]。大量研究成果表明,景觀穩定性對景觀的保護與管理,尤其對濕地景觀的保護與管理具有重大意義。然而許多學者大多以典型濕地為研究區域,從景觀尺度或者類型尺度分析濕地景觀的穩定性,在斑塊尺度上的研究相對較少,而研究斑塊尺度上的沼澤濕地穩定性,可以揭示濕地斑塊穩定性的區域分異規律,對沼澤濕地的保護與規劃具有重要意義。

本文以向海自然保護區及其周邊地區為研究區域,通過選取影響沼澤濕地斑塊穩定性的相關指標,構建濕地斑塊穩定性模型,集成RS、GIS技術,從斑塊尺度上分析1985—2015年向海自然保護區以及周邊地區的沼澤濕地斑塊穩定性的時空變化規律,為向海自然保護區沼澤濕地的保護與管理提供理論依據以及合理性建議。

1 研究區域概況

向海自然保護區中心到邊緣平均距離為20 km,為與區內沼澤濕地進行對比,本文將研究區域確定為向海自然保護區及其向外擴展20公里的周邊地區。研究區位于吉林省西部的通榆縣境內以及內蒙古西部地區,總面積為5680 km2。地理坐標為121°49′—123°05′E,44°40′—45°26′N,主要包括吉林省白城市、內蒙古自治區的突泉縣和興安盟所屬的科爾沁右翼中旗(圖1)。研究區屬于溫帶大陸性季風氣候,春季干旱多風,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥且漫長,年平均氣溫為5.1℃,≥10℃積溫3011.7℃;年蒸發量達1954 mm,年平均降水量408.3 mm,且多集中在7、8月份,尤其在夏季午后,對流雨偏多,因此年內和年際降水量變化幅度較大。該區地處內蒙古高原與東部平原的過渡地帶,總體地勢由西向東稍微傾斜,海拔在155—191 m之間,地勢起伏較小,主要以風沙堆積地貌和周邊風成地貌為主,土壤主要為鹽堿土、風積沙土、草甸土以及栗鈣土。在構造上該區屬松遼凹陷西部沉降帶,河流流經此地,水流散漫排泄不暢,形成大面積的沼澤濕地,其中向海自然保護區內主要有橫貫東西的霍林河、中部的額木太河以及北部的洮兒河的引水工程,三大季節性河流在向海自然保護區內形成大肚泡、付老文泡等22個泡沼,雨季河水漫流于沙丘之間,形成許多天然泡沼,最終形成洪泛性沼澤濕地[29]。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of the study area

2 數據與研究方法

2.1 數據來源與處理

本文利用SPSS軟件,對1985—2015年間16個時期(時間間隔為2 a)的研究區沼澤濕地面積的時間序列進行分析,結果為：

Y=158.9+3.81t

(1)

式中，Y表示面積(km2)；t表示時間(a)

檢驗結果顯示,方程在0.014水平上顯著,并通過了F檢驗(F=7.912)。總體來看,1985—2015年研究區沼澤濕地面積具有逐漸增加的趨勢。因此,本文選取1985年和2015年對向海自然保護區及其周邊地區的沼澤濕地斑塊穩定性進行分析。

本文采用研究區1985年、2015年兩期的土地利用數據,主要通過解譯1985年8月21日和2015年7月7日的TM遙感影像獲得,天氣晴朗無云。2期的遙感影像均由美國地質調查局提供(http://glovis.usgs.gov/),遙感影像數據的空間分辨率均為30m。對于2期遙感影像的具體處理步驟如下：①利用ENVI 5.1軟件,在ENVI Classic界面對2期影像的5、4、3波段進行合成,在ENVI 5.1中對合成影像進行圖像增強、融合處理；②利用1∶10萬地形圖對遙感影像進行幾何糾正；③對處理后的2期影像建立圖像解譯標志,進行目視解譯,在遙感影像上提取耕地、沼澤濕地、居民用地以及主要交通干線,其中沼澤濕地最小斑塊面積為0.01 km2。采用抽樣統計精度驗證法,在野外設立驗證點,并結合高分辨率遙感影像對解譯結果進行檢驗,最終解譯精度達到91.9%以上,基本可以滿足本文的研究需要。

2.2 模型的構建

本文以研究區中的沼澤濕地作為研究對象,參考相關文獻[10,22- 28],并結合研究區現狀,選取6個影響濕地斑塊穩定性的相關指標,分別為濕地斑塊面積、斑塊形狀指數[17]、每個濕地斑塊向外擴展5000 m的濕地率(每個濕地斑塊緩沖區內濕地面積與緩沖區面積之比)、與最近居民點的距離(每個濕地斑塊中心點到最近居民點的距離)、與最近道路的距離(每個濕地斑塊中心點到最近道路的距離)、每個濕地斑塊向外擴展5000 m的農田率(每個濕地斑塊緩沖區內農田面積與緩沖區面積之比)。

為了定量分析各驅動因子對研究區沼澤濕地穩定性的影響,采用專家打分的方法,通過考慮它們對沼澤濕地的空間分布、結構和功能等影響,確定以上6個相關指標對研究區沼澤濕地穩定性的影響程度,從而計算出斑塊面積指數、斑塊形狀指數、每個斑塊向外擴展5000 m的濕地率、與最近居民點的距離指數、與最近道路的距離指數、每個斑塊向外擴展5000 m的農田率對沼澤濕地斑塊穩定性的影響程度依次0.3、0.3、0.4、0.3、0.2和0.5。因此,在濕地斑塊穩定性模型的公式中6個指標的系數分別為0.3、0.3、0.4、0.3、0.2和0.5。其計算式如下：

(2)

式中,PS為濕地斑塊穩定性指數,S1為斑塊面積指數,S2斑塊形狀指數,S3為每個斑塊向外擴展5000 m的濕地率,P1為與最近居民點的距離指數,P2與最近道路的距離指數,P3每個斑塊向外擴展5000 m的農田率。

利用ArcGIS 10.2對6個指標數據進行處理,結合SPSS軟件分別對1985年和2015年的6個指數進行極大值標準化處理,使每個指數范圍處于0—1之間。根據公式(2),計算出1985年與2015年濕地斑塊穩定性指數。然后,分別對1985年152個沼澤濕地斑塊和2015年145個沼澤濕地斑塊的穩定性進行Kriging插值。

3 結果與分析

3.1 研究區沼澤濕地斑塊穩定性的空間分布

利用ArcGIS 10.2軟件得到1985—2015年沼澤濕地斑塊空間分布圖(圖2),并對沼澤濕地穩定性指數進行處理,采用普通Kriging插值方法得到1985—2015年研究區沼澤濕地斑塊穩定性指數空間分布圖(圖3)。根據插值結果,沼澤濕地斑塊穩定性數值越大,穩定性等級越高,沼澤濕地斑塊穩定性越強,反之,同理。由圖2、圖3可知,1985年研究區東南部的烏蘭花鎮、四井子鎮附近沼澤濕地分布較少、居民用地較多、人為干擾強度大,因此該區沼澤濕地斑塊穩定性最弱；研究區中心為向海自然保護區的核心區,沼澤濕地斑塊穩定性最強；2015年研究區東部烏蘭花鎮、四井子鎮和西艾力蒙古族鄉附近沼澤濕地斑塊穩定性最弱,該區沼澤濕地分布較少,耕地面積較多,農業干擾強度較大；研究區中心的向海自然保護區窩堡、尖底窩堡附近沼澤濕地斑塊穩定性最強。而1985年與2015年研究區西部科爾沁右翼中旗沼澤濕地斑塊穩定性均相對較強。

圖2 1985—2015沼澤濕地斑塊空間分布圖Fig.2 1985—2015 marshes patch of the spatial distribution

圖3 1985—2015年沼澤濕地斑塊穩定性指數空間分布圖Fig.3 1985—2015 the marshes patch stability of the spatial distribution

圖4 1985—2015年沼澤濕地斑塊穩定性空間變化圖Fig.4 1985—2015 the marshes patch stability of the spatial change

圖5 1985—2015年沼澤濕地斑塊面積及其穩定性標準化橢圓空間變化圖Fig.5 1985—2015 the marshes patch ′s area and stability of the standard deviational ellipse spatial change

3.2 研究區沼澤濕地斑塊穩定性的動態變化

利用ARCGIS 10.2的柵格計算工具,用2015年沼澤濕地斑塊穩定性指數減去1985年沼澤濕地斑塊穩定性指數,對差值進行插值,得出1985—2015年間沼澤濕地斑塊穩定性空間變化圖(圖4),若穩定性值大于0,則穩定性增強；若穩定性值小于0,則說明穩定性降低,若穩定性值等于0,則說明穩定性不變。1985—2015年研究區沼澤濕地斑塊穩定性大多呈降低趨勢,少部分穩定性呈增強趨勢。由圖4可知,1985—2015年間,研究區北部的突泉縣、洮南地區以及研究區西部的興安盟科爾沁右翼中旗附近的沼澤濕地斑塊穩定性降低,穩定性變化幅度較大；研究區中部的創業村和興隆鎮中學窩堡附近沼澤濕地穩定性降低,而研究區中部的向海自然保護區窩堡、尖底窩堡附近的沼澤濕地斑塊穩定性增強；研究區中通榆縣的東南部沼澤濕地斑塊穩定性降低。

人類活動是向海自然保護區及其周邊地區沼澤濕地斑塊穩定性空間變化的主要因素。隨著人口的增多,人類對耕地的需求量增加,逐漸加大對沼澤濕地的開墾,因此研究區北部、西部沼澤濕地斑塊穩定性逐漸降低。由于內蒙古科爾沁右翼中旗草地較多,長期發展畜牧業,人為干擾強度逐漸增大,沼澤濕地抗干擾能力減弱,破碎化程度加劇,因此科爾沁右翼中旗附近的沼澤濕地斑塊穩定性降低幅度比研究區北部的降低幅度大；研究區中部創業村和興隆鎮中學窩堡附近沼澤濕地分布較少,附近農村居民所需的生活用水以及農業用水均對該區的沼澤濕地的存在產生直接影響,從而使得此區域沼澤濕地斑塊穩定性降低；而研究區中部的向海自然保護區窩堡、尖底窩堡附近的沼澤濕地大多處于向海自然保護區的核心區位置,沼澤濕地分布較多,居民用地相對較少,農業活動較少,沼澤濕地抗干擾能力較強,因此該區沼澤濕地斑塊穩定性增強；研究區東南部沼澤濕地斑塊數量較少,且耕地面積較多,農業生產活動影響較大,因此該區沼澤濕地斑塊穩定性降低。

3.3 沼澤濕地斑塊穩定性標準化橢圓空間變化

利用GIS技術,制作出研究區1985—2015年沼澤濕地斑塊面積及其穩定性標準化橢圓空間變化圖(圖5)。由圖5可知,1985—2015年沼澤濕地斑塊面積重心總體呈現“西北—東南”的空間分布格局,重心轉移距離為2.899 km,減少的沼澤濕地主要集中在西部以及西北地區,受人類活動影響較大。1985—2015年沼澤濕地斑塊面積標準差橢圓的短軸與長軸之比逐漸減小,長軸和短軸均呈現縮短趨勢,這表明研究區沼澤濕地斑塊穩定性在東-西方向和南-北方向均呈現收縮狀態,且短軸的收縮趨勢強于長軸的收縮趨勢。

隨著人口增多,人類活動頻繁,農業干擾活動較多,1985—2015年沼澤濕地斑塊穩定性重心總體呈現“西-東的空間分布格局,重心轉移距離為2.283 km,沼澤濕地斑塊穩定性標準差橢圓的短軸與長軸之比逐漸減小,且長軸和短軸呈現縮短趨勢,這表明研究區沼澤濕地斑塊面積在東-西方向和南-北方向均呈現收縮狀態,且短軸的收縮趨勢強于長軸的收縮趨勢。

總之,1985—2015年沼澤濕地斑塊面積重心與1985—2015年間沼澤濕地斑塊穩定性重心總體變化趨勢基本保持一致,均呈現向東移動的趨勢,二者標準差橢圓均呈現收縮趨勢。結合1985—2015年間研究區的實際情況以及相關政策,在一定程度上可以解釋沼澤濕地斑塊穩定性空間格局的變化。近幾年,吉林省西部地區河湖連通工程的實施,主要將汛期中的霍林河、洮兒河富余的水引入向海自然保護區內的大型泡沼中,進行生態補水。受水文因素的影響,研究區中東部水量不斷增加,沼澤濕地面積增加,因此二者重心均向研究區東部偏移。

3.4 沼澤濕地斑塊穩定性研究分區動態變化分析

利用ARCGIS 10.2軟件,結合向海自然保護區功能區規劃圖,將研究區劃分為核心區、緩沖區、實驗區以及向海自然保護區的周邊地區。利用SPSS軟件,在類型尺度上,計算分別得出4個研究分區沼澤濕地斑塊穩定性面積加權平均值(表1)。

從整體來看,1985—2015年研究區沼澤濕地斑塊穩定性總體呈上升趨勢；從研究分區來看,1985—2015年向海自然保護區內的核心區、緩沖區、實驗區以及周邊地區的沼澤濕地斑塊穩定性指數逐漸增加,其中核心區、緩沖區、實驗區沼澤濕地面積分別大約增長了26、5、70 km2,增幅分別為24%、20%、79%(表2)。這主要與近幾年吉林省耕地補償制度、“退耕還濕”政策以及“引洮入向”、“引霍入向”工程的實施有著直接聯系。

表1 研究分區沼澤濕地斑塊穩定性面積加權平均值

表2 研究區沼澤濕地以及耕地面積

3.5 沼澤濕地斑塊穩定性空間變異分析

結合SPSS統計軟件,計算得出1985年與2015年研究區沼澤濕地斑塊穩定性的平均值(MN)、標準差(SD)和變異系數(CV)。根據變異系數可以將沼澤濕地斑塊穩定性分為3個程度,CV≤0.1為弱變異程度、0.1

4 討論與結論

4.1 討論

趙峰等在三江源典型區濕地景觀穩定性與轉移過程分析的研究中,選取了斑塊結構穩定性作為衡量該濕地景觀穩定性變化的指標之一,斑塊結構穩定性值越高,說明斑塊鑲嵌結構越穩定,反之則說明斑塊鑲嵌結構越不穩定[16,32- 33],具體公式見文獻[16]。本文通過計算研究區沼澤濕地的斑塊結構穩定性對模型合理性進行驗證,結果如表3。1985—2015年研究區沼澤濕地斑塊結構穩定性值逐漸升高,說明1985—2015年研究區沼澤濕地斑塊鑲嵌結構越穩定,其計算結果與研究區沼澤濕地斑塊穩定性面積加權平均值計算結果一致,說明本文濕地斑塊穩定性模型的建立具有一定的合理性。

本文在GIS、RS技術支持下,經野外實地考察,綜合考慮自然因素和人為因素,結合影響當地沼澤濕地斑塊穩定性的相關指標,構建了向海自然保護區及其周邊地區濕地斑塊穩定性模型。本文基于濕地斑塊穩定性模型,不僅對該區沼澤濕地斑塊穩定性的空間分布、時空變化以及各研究分區的動態變化進行分析,并且對研究區沼澤濕地的保護與管理提出了合理性建議,為保護區及其周邊地區沼澤濕地的管理提供了一定的科學依據,模擬結果基本滿足本研究的需要。但模型也有相應的不足,所建模型雖然基本將影響沼澤濕地斑塊穩定性的相關指標考慮在內,但對影響斑塊與斑塊之間鑲嵌結構的穩定性的指標考慮較少；本模型是在斑塊尺度上對沼澤濕地斑塊穩定性進行的研究,但大多數研究多集中在類型尺度或者景觀尺度上,因此對濕地斑塊穩定性模型的驗證方法較少。在今后研究當中應當綜合考慮影響濕地斑塊穩定性的內因和外因,不斷完善所建立的濕地斑塊穩定性模型,找到更好且更多驗證本模型合理性的方法,從而為研究區沼澤濕地的維系與管理建言獻策。

羅格平等在三工河流域綠洲景觀斑塊穩定性的研究中認為綠洲斑塊分為天然和人為綠洲斑塊,而綠洲斑塊的穩定性主要表現在自然穩定性和人為穩定性,其中人為干擾起到關鍵性作用,人為干擾很弱或不存在,綠洲斑塊則為天然綠洲斑塊且為自然穩定性,而人類干擾強烈, 綠洲斑塊則為人為綠洲斑塊且為人為穩定性[18]。根據研究分區沼澤濕地斑塊穩定性面積加權平均值,1985—2015年核心區平均值最高,主要原因為核心區內人口較少,人為干擾強度較弱,此時沼澤濕地斑塊為天然沼澤濕地斑塊,主要表現為自然穩定性；1985—2015年間緩沖區尤其是實驗區、周邊地區人為干擾較多,強烈的人類干擾是3區平均值較低的主要因素,此時緩沖區尤其是實驗區和周邊地區的沼澤濕地斑塊為人為沼澤濕地斑塊,主要表現為人為穩定性。1985—2015年向海自然保護區內沼澤濕地斑塊穩定性總體呈上升趨勢,說明研究區內沼澤濕地的管理基本達到了保護效果。但由研究分區沼澤濕地斑塊穩定性面積加權平均值可知,1985年實驗區穩定性指數低于核心區和緩沖區穩定性指數,而2015年實驗區穩定性指數由原來1.877上升至2.294,并且高于緩沖區穩定性指數,接近核心區穩定性指數,說明在實驗區中有部分人為穩定性沼澤濕地斑塊正在向自然穩定性沼澤濕地斑塊過渡。受降水量、水文以及政策等因素的影響,向海自然保護區內實驗區沼澤濕地面積不斷增多,沼澤濕地分布格局發生較大變化,因此向海自然保護區在各功能分區的劃分上有一定不合理性。在未來保護區的規劃和設計中,建議將位于向海蒙古族鄉水庫周圍的沼澤濕地劃分為核心區,對其進行重點保護。1985—2015年向海自然保護區周邊的西南部濕地斑塊穩定性指數由0.938上升至2.346,東北部穩定性指數由2.346上升至2.349。與周邊地區沼澤濕地斑塊相比,二者沼澤濕地斑塊保存較為完整,穩定性指數相對較高,在今后沼澤濕地保護與管理中,建議將二者進行重點保護與維系。

圖6 1985—2015年研究區降雨量變化圖 Fig.6 1985—2015 the change of the precipitation in the study area

濕地景觀格局在時空尺度上具有顯著的異質性,表現為濕地景觀類型、數目及分布隨時空變化而改變,常與氣候、水文、人類活動等多種因素密切相關[34]。氣候因子在較大尺度上制約著濕地的水量收支平衡,它與水文過程一起主導濕地景觀格局的變化[35]；農田開墾及其他形式的土地利用變更則局部改變著濕地的面積和空間分布[36- 37]。研究區位于半干旱半濕潤的大陸性季風區域,年際之間降水變率較大(圖6),降雨量的變化對濕地斑塊面積、形狀會有很大影響,進而影響到研究區沼澤濕地斑塊穩定性。降雨量的變化趨勢及其空間分布狀況具有一定的差異性,主要受研究區域、站點密度、季節等因素影響[38]。本文研究區域面積小,氣象站少,降雨量空間變異較小。因此,在濕地斑塊穩定性模型的構建過程中沒有考慮降雨量等氣象因素的影響。

4.2 結論

利用濕地斑塊穩定性模型分析向海自然保護區及其周邊地區沼澤濕地斑塊穩定性的動態變化,得出以下結論：(1) 1985—2015年沼澤濕地斑塊穩定性重心由西向東偏移,沼澤濕地斑塊穩定性空間集聚性增強；(2) 1985—2015年研究區沼澤濕地斑塊穩定性總體呈增強趨勢,其空間結構性逐漸減弱；(3) 1985—2015年研究區中核心區、緩沖區和實驗區以及周邊地區沼澤濕地斑塊穩定性升高,其變化趨勢與整個研究區沼澤濕地斑塊穩定性的變化趨勢一致；(4) 2015年緩沖區沼澤濕地斑塊穩定性比實驗區低,并且實驗區沼澤濕地斑塊穩定性接近核心區,在未來保護區功能區規劃中建議將向海水庫周圍的沼澤濕地劃分到核心區中。

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The spatial variation in the patch stability of marshes in Xianghai between 1985 and 2015

LIU Jiping*, MA Changdi

CollegeofTouristandGeoscience,JilinNormalUniversity,Siping136000,China

Wetland stability plays a vital role in the structure and functions of wetland ecosystems. In order to study the regional change in wetland patch stability and the space-time dynamic of the marshes, an expert evaluation method was used to construct a wetland patch stability model at the patch scale. Sensing image data were collected to investigate the space-time changes to marshes patch stability in the Xianghai National Nature Reserve and its surrounding area between 1985 and 2015. The results suggested that between 1985 and 2015, the marsh patch stability characteristics were strongest in the central areas, weakest in the east, and relatively stronger in the west. Marsh patch stability was skewed towards the east, and the spatial centralization increased in the study area between 1985 and 2015. Furthermore, marsh patch stability gradually increased, its spatial structure weakened, and measures of dispersion increased between 1985 and 2015. Marsh patch stability has gradually decreased from the core area to the periphery since 1985 and marsh patch stability was greater in the experimental zone than in the buffer zones in 2015. This study provides practical suggestions that will improve marsh planning and management in the Xianghai National Nature Reserve and its surrounding area.

Xianghai National Nature Reserve; surrounding area; marshes; patch; stability

中央財政林業科技推廣示范資助項目(吉推[2014]16號)；國家自然科學基金資助項目(41071037)

2016- 06- 30;

2016- 11- 10

10.5846/stxb201606301329

*通訊作者Corresponding author.E-mail: Liujpjl@163.com

劉吉平, 馬長迪.1985—2015年向海沼澤濕地斑塊穩定性的空間變化.生態學報,2017,37(4):1261- 1269.

Liu J P, Ma C D.The spatial variation in the patch stability of marshes in Xianghai between 1985 and 2015.Acta Ecologica Sinica,2017,37(4):1261- 1269.