尹 輝, 李 暉, 蔣忠誠(chéng), 楊奇勇

(1.惠州學(xué)院 旅游系, 廣東 惠州 516007; 2.廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,廣西 桂林 541004; 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林 541004)

基于“3S”的廣西典型巖溶區(qū)土壤厚度空間格局研究

尹 輝1, 李 暉2,3, 蔣忠誠(chéng)3, 楊奇勇3

(1.惠州學(xué)院 旅游系, 廣東 惠州 516007; 2.廣西師范大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,廣西 桂林 541004; 3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 廣西 桂林 541004)

運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)，將室內(nèi)布點(diǎn)和實(shí)地監(jiān)測(cè)相結(jié)合，對(duì)廣西典型巖溶區(qū)果化示范區(qū)土壤厚度的空間格局進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：果化示范區(qū)土壤厚度的空間分布存在正向的全局空間自相關(guān)，其空間自相關(guān)尺度為2 200 m。土壤厚度以“低—低”型空間集聚為主要分布類(lèi)型，其空間結(jié)構(gòu)在1～2 200 m區(qū)間內(nèi)為空間集聚；而在2 200～2 800 m區(qū)間內(nèi)為空間孤立。土壤厚度的半方差函數(shù)模型符合球狀模型，最小空間變程為500.0 m，該變程可作為區(qū)內(nèi)土壤厚度樣點(diǎn)間隔的布設(shè)依據(jù)。土壤厚度空間分布不均勻，主要呈條帶狀、弧狀和少量斑狀分布，分布梯度較為明顯。本研究可為果化示范區(qū)及相似巖溶峰叢洼地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、石漠化治理和生態(tài)重建提供參考。

土壤; 厚度; 空間自相關(guān); 空間變異; 典型巖溶區(qū)

巖溶區(qū)土壤具有成土慢、易流失、土層薄且分布不連續(xù)等特點(diǎn)[1]。受自然環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)的影響，我國(guó)西南巖溶區(qū)的石漠化現(xiàn)象較為嚴(yán)重[2-4]。在脆弱的巖溶生態(tài)環(huán)境中，土層厚度是巖溶區(qū)石漠化的主要評(píng)估指標(biāo)之一[5]。近年來(lái)，土壤厚度空間格局的相關(guān)研究已受到越來(lái)越多學(xué)者的高度重視。王紹強(qiáng)等[6]基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)，對(duì)我國(guó)土壤土層厚度的空間變異特征進(jìn)行了分析；劉憲春[7]以野外采樣調(diào)查為依據(jù)，輔以統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù),從不同角度探討了東北漫崗黑土層厚度、土體厚度等土壤指標(biāo)的空間變化規(guī)律；謝運(yùn)杰等[8]運(yùn)用GIS技術(shù)，對(duì)黑龍江典型土壤有效土壤厚度進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研；曾憲勤等[9]運(yùn)用插釬法，對(duì)北京市密云縣山區(qū)坡面土壤厚度的空間分布規(guī)律進(jìn)行了調(diào)查分析，并對(duì)土壤厚度與海拔、坡向等的關(guān)系進(jìn)行了探索；尹亮[10]運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，對(duì)貴州省金沙縣烏箐河小流域土壤厚度的空間變異及其分布格局進(jìn)行了研究?？v觀土壤厚度空間格局的相關(guān)研究成果，在研究方法上已由傳統(tǒng)的量化統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)向基于“3S”技術(shù)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的空間研究，在技術(shù)手段與監(jiān)測(cè)精度上有了質(zhì)的飛躍。而較其它土壤理化指標(biāo)的空間格局研究而言，土壤厚度空間格局的相關(guān)研究仍較為薄弱，特別是對(duì)于土壤淺薄、作物單產(chǎn)低、生態(tài)環(huán)境脆弱的巖溶區(qū)，缺乏從土壤厚度空間關(guān)聯(lián)與空間異質(zhì)到樣點(diǎn)布設(shè)尺度的系統(tǒng)性研究。而作為巖溶區(qū)重要生態(tài)環(huán)境因子之一的土壤厚度，相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的提出與實(shí)地監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展，可為區(qū)域性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、石漠化治理和生態(tài)重建提供科學(xué)依據(jù)。據(jù)此，本文以典型巖溶峰叢洼地——果化示范區(qū)為例，從巖溶區(qū)土層厚度的空間自相關(guān)和空間變異兩個(gè)角度，系統(tǒng)性地探討土壤厚度的空間格局，希冀為相似研究區(qū)的土壤厚度空間格局評(píng)估工作提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

果化示范區(qū)是我國(guó)“十五”科技攻關(guān)課題“喀斯特峰叢洼地生態(tài)重建技術(shù)與示范”和“十一五”科技支撐計(jì)劃課題“喀斯特峰叢洼地脆弱生態(tài)系統(tǒng)重建技術(shù)研究”的石漠化治理與生態(tài)重建，以及立體農(nóng)業(yè)生態(tài)模式綜合示范區(qū)。果化示范區(qū)始建于2001年，位于廣西百色市平果縣果化鎮(zhèn)，主要為距果化鎮(zhèn)5 km處的龍何屯、布堯屯和隴堯屯及其各自的耕作區(qū)，地理坐標(biāo)為23°22′28.7″—23°23′40.7″N，107°22′40.8″—107°23′56.9″E，總監(jiān)測(cè)面積約為2.71 km2。示范區(qū)屬典型峰叢洼地，海拔為176.4～535.0 m，地處區(qū)域構(gòu)造龍味背斜北翼，北西向斷裂發(fā)育，出露的地層主要為石炭系上統(tǒng)(C3)和二疊系下統(tǒng)(P1)。示范區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫約為21℃，區(qū)內(nèi)總體降水量豐富，年均降水量多達(dá)1 322.3 mm，但時(shí)間分配不均，降水年內(nèi)變化較大。示范區(qū)土壤以巖溶石灰土為主，主要發(fā)育棕色石灰土和黃棕色石灰土。示范區(qū)幾乎不存在園地、牧草地和地表水域，土地利用類(lèi)型以種植玉米、黃豆的旱作坡耕地為主，植被類(lèi)型主要為稀疏林地、灌叢和低矮灌草，絕大多數(shù)植物是陽(yáng)生灌木和草本種類(lèi)，如紅背山麻桿(Alchorneatrewioides)、黃荊條(VitexnegundoLinn)、灰毛漿果楝(Cipadessacinerascens)、類(lèi)蘆(Neyraudiareynaudiana)、青香茅(Gramineae)、蔓生秀竹(Microsteniumvagans)等。

1.2 圖件來(lái)源與處理

平果果化示范區(qū)的主要圖件有：果化自然屯區(qū)劃圖、1∶1萬(wàn)5 m等高距地形圖、地質(zhì)圖、2009年9月的alos高分辨率遙感影像(全色2.5 m分辨率，多光譜10 m分辨率)。以ArcGIS 9.3為操作平臺(tái)，完成果化自然屯區(qū)劃圖和1∶1萬(wàn)地形圖的空間配準(zhǔn)和矢量化，生成數(shù)字化高程圖(DEM)、坡度圖等圖件；運(yùn)用Envi 4.8遙感軟件，對(duì)alos影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正、影像融合、影像裁剪等處理，為果化示范區(qū)土壤厚度的空間布點(diǎn)作準(zhǔn)備。

1.3 樣點(diǎn)選取與實(shí)地監(jiān)測(cè)

將上述專(zhuān)題數(shù)據(jù)提取到ArcGIS 9.3空間處理平臺(tái)，運(yùn)用投影轉(zhuǎn)換工具，將各圖層的空間參考轉(zhuǎn)換為高斯—克呂格投影坐標(biāo)系下的“Beijing_1954_3_Degree_GK_Zone_36”北京54投影坐標(biāo)系，按照標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)進(jìn)行均勻布點(diǎn)，并將準(zhǔn)采樣點(diǎn)的坐標(biāo)輸入GPS，于2011年9—10月進(jìn)行樣點(diǎn)定位和監(jiān)測(cè)。實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，對(duì)于待測(cè)樣點(diǎn)落在難以到達(dá)的險(xiǎn)峰、深谷、陡密樹(shù)林深處等區(qū)域，在待測(cè)樣點(diǎn)5～50 m內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，并用GPS記下實(shí)際監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的坐標(biāo)，如不能調(diào)整，則該監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)剔除。遵照這個(gè)原則共得到圖1所示的有效監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)191個(gè)(各樣點(diǎn)的平均間距約為120 m，樣點(diǎn)密度約為70個(gè)/km2)。

野外實(shí)地監(jiān)測(cè)應(yīng)用GPS的精確定位技術(shù)，依據(jù)土壤樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)，采取野外實(shí)地定位方法進(jìn)行土壤剖面的調(diào)查。由于巖溶區(qū)土壤較為淺薄，每個(gè)土壤剖面均挖取至基巖可見(jiàn)為止。對(duì)于土壤厚度不足0.5 m的土壤樣點(diǎn)，用卷尺量取土層厚度，對(duì)于土壤厚度大于0.5 m的土壤樣點(diǎn)，在已挖取土壤剖面的基礎(chǔ)上，將鐵釬插入與基巖接觸的土層底部，用皮尺零刻度按壓在與土壤表層接觸的鐵釬部位，抽出鐵釬，將皮尺的另一端拉直，量測(cè)插入土壤的鐵釬長(zhǎng)度值，作為該樣點(diǎn)的土壤厚度。同一土壤樣點(diǎn)，重復(fù)3次測(cè)量，將3次測(cè)量所得的土壤厚度均值填入土壤樣點(diǎn)剖面調(diào)查表，作為土壤厚度空間分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

圖1 果化示范區(qū)土壤樣點(diǎn)布設(shè)圖

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

首先，將野外實(shí)地監(jiān)測(cè)的每一個(gè)土壤樣點(diǎn)的地理坐標(biāo)、土壤厚度值和空間環(huán)境信息輸入Excel中，導(dǎo)入ArcGIS 9.3并定義為WGS 1984投影坐標(biāo)系，生成shp格式的土壤厚度樣點(diǎn)布設(shè)圖(圖1)，并運(yùn)用ArcGIS 9.3的投影轉(zhuǎn)換工具，將shp文件的WGS 1984坐標(biāo)系轉(zhuǎn)為“Beijing_1954_3_Degree_GK_Zone_36”北京54投影坐標(biāo)系。然后，將投影轉(zhuǎn)換后的shp文件，導(dǎo)入空間自相關(guān)軟件Geoda 9.2完成土壤厚度空間權(quán)重矩陣、Moran′I指數(shù)和空間自相關(guān)性的計(jì)算，得到土壤厚度Moran散點(diǎn)圖、土壤厚度Moran′I指數(shù)圖、土壤厚度空間自相關(guān)和Lisa顯著性水平分布圖；再將shp文件的屬性信息導(dǎo)入地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+7.0，得到土壤厚度半方差函數(shù)圖，并擬合出最優(yōu)變異函數(shù)模型，得到相應(yīng)的塊金值(C0)、基臺(tái)值(Sill)、變程(m)等主要參數(shù)；最后，打開(kāi)ArcGIS 9.3的地統(tǒng)計(jì)模塊，參照GS+7.0已模擬的模型參數(shù)，完成shp格式土壤厚度的空間插值，并根據(jù)示范區(qū)邊界，在ArcGIS 9.3出圖界面輸出土壤厚空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤厚度的空間自相關(guān)格局

2.1.1 土壤厚度的全局空間自相關(guān)性 由圖2可知，示范區(qū)土壤厚度的Moran指數(shù)為正向的空間關(guān)聯(lián)，表明土壤厚度的空間分布存在正向的全局空間自相關(guān)。土壤厚度樣點(diǎn)多數(shù)位于第三象限，屬于“低—低”型空間集聚類(lèi)型，表明多數(shù)土壤厚度的低值區(qū)為附近的低值區(qū)所包圍。從土壤厚度的高、低值空間集聚結(jié)構(gòu)來(lái)看，“低—低”型空間集聚較為集中，而“高—高”型空間集聚則較為分散。

圖2 土壤厚度Moran散點(diǎn)圖

圖3表明，示范區(qū)土壤厚度的Moran′sI標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)在1～2 200 m區(qū)間內(nèi)為正值，表明土壤厚度的空間結(jié)構(gòu)在1～2 200 m區(qū)間內(nèi)為空間集聚；而土壤厚度的Moran′s I標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)在2 200～2 800 m區(qū)間內(nèi)為負(fù)值，表明土壤厚度的空間結(jié)構(gòu)在2 200～2 800 m區(qū)間內(nèi)為空間孤立，從而得到示范區(qū)土壤厚度的空間自相關(guān)尺度為2 200 m。

圖3 土壤厚度間隔距離與Moran′s I指數(shù)

2.1.2 土壤厚度的局部空間自相關(guān)性 圖4可見(jiàn)，示范區(qū)土壤厚度的空間分布存在明顯的空間集聚區(qū)：龍何耕作區(qū)北部的土壤厚度呈現(xiàn)出“高—高”型空間集聚區(qū)；隴堯西部的土壤厚度呈現(xiàn)出“低—低”型的空間集聚區(qū)；土壤厚度空間分布的“高—低”型和“低—高”型空間孤立區(qū)較少，其中，土壤厚度的“高—低”型空間孤立區(qū)主要分布在“低—低”型空間集聚區(qū)附近，而“低─高”型空間孤立區(qū)則主要伴隨“高—高”型空間集聚區(qū)出現(xiàn)。

2.2 土壤厚度的空間分布格局

表1可見(jiàn)，示范區(qū)土壤厚度的半方差函數(shù)模型符合球狀模型，其決定系數(shù)R2為0.641，擬合殘差僅為0.009，說(shuō)明土壤厚度半方差函數(shù)模型的擬合效果較好，能夠反映示范區(qū)土壤厚度的空間結(jié)構(gòu)特征。示范區(qū)土壤厚度的C0/Sill值為26.84之間(表1)，表明示范區(qū)土壤厚度約25%的變異性是由空間隨機(jī)部分引起的，而約75%的變異性是由土壤厚度的結(jié)構(gòu)性變異引起的，其空間結(jié)構(gòu)具有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)。

圖4 土壤厚度區(qū)域空間關(guān)聯(lián)和Lisa顯著性水平分布

土壤指標(biāo)模型塊金值C0基臺(tái)值SillC0/Sill變程/mR2殘差RSS土壤厚度球狀0.0510.19026.84490.00.6410.009

從圖5所示的土壤厚度空間插值結(jié)果可知，示范區(qū)土壤厚度的空間分布不均，主要呈條帶狀、弧狀和少量斑狀分布，梯度分布較為明顯。土壤厚度的空間集聚結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為：龍何耕作區(qū)的北部呈現(xiàn)出高值區(qū)空間集聚；隴堯屯的中、西部地區(qū)則呈現(xiàn)出低值區(qū)空間集聚。從屯落尺度的土壤厚度集聚中心來(lái)看，龍何耕作區(qū)北部高值區(qū)的空間集聚較為明顯，但因龍何屯以北的區(qū)域被道路和峰叢隔斷，難以形成完整的閉合型集聚中心；龍何屯北部、布堯屯南部和隴堯屯東南部呈現(xiàn)出次一級(jí)的高值集聚中心，而隴堯中偏北的山峰區(qū)域則呈現(xiàn)出低值集聚中心。

圖5 土壤厚度空間插值

從土壤厚度分布來(lái)看，龍何屯及其耕作區(qū)的土壤厚度略高于布堯屯和隴堯屯，主要與龍何屯開(kāi)展過(guò)較大規(guī)模的土地整理有關(guān)，龍何屯的土地整理工作從坡改梯、平整土地、土壤改造以及相應(yīng)的農(nóng)業(yè)措施著手，實(shí)現(xiàn)了龍何屯保土增厚的預(yù)期效果。從布堯屯和隴堯屯的實(shí)地調(diào)查來(lái)看，布堯屯和隴堯屯的土壤厚度主要與地形條件直接相關(guān)：地勢(shì)較為低平的屯落附近，以及各屯落耕作區(qū)的平整區(qū)域和低洼地段，土壤厚度相對(duì)較大；而山體高度、坡度較大的地段和巖石裸露率較高的區(qū)塊，土壤厚度相對(duì)較薄。

2.3 土壤厚度的合理取樣間隔

與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相比，地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在樣點(diǎn)的空間布局、取樣形狀、布局方式和取樣設(shè)計(jì)的有效性等方面更具優(yōu)勢(shì)。因而，在確保土壤厚度研究精度的前提下，確定示范區(qū)土壤厚度的合理取樣間隔，除考慮土壤厚度的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征以外還要考慮其空間結(jié)構(gòu)特性。一般而言，空間變程決定了取樣間隔的大小，其變程越大，取樣間隔可相應(yīng)加大，其取樣密度可漸趨稀疏，取樣數(shù)目可相應(yīng)減少，從而降低了土壤取樣所需的人力、物力和財(cái)力損耗。由半方差函數(shù)模擬的變異參數(shù)可知，若進(jìn)行較大尺度的土壤厚度空間監(jiān)測(cè)，土壤厚度的最小空間變程即為土壤空間監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)的最適取樣間隔。由表1可見(jiàn)，示范區(qū)土壤厚度的最小空間變程490.0 m(約500.0 m)，可作為區(qū)內(nèi)土壤樣點(diǎn)間隔的布設(shè)依據(jù)。

3 結(jié)論與討論

空間自相關(guān)分析表明，果化示范區(qū)土壤厚度的空間分布存在正向的全局空間自相關(guān)，其空間自相關(guān)尺度為2 200 m；半方差函數(shù)分析表明：果化示范區(qū)土壤厚度變異性為26.84%的結(jié)構(gòu)性變異，屬于中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)?？臻g插值分析表明，果化示范區(qū)土壤厚度空間分布不均，主要呈條帶狀、弧狀和少量斑狀分布，分布梯度較為明顯。其中，龍何耕作區(qū)的北部呈現(xiàn)出高值區(qū)空間集聚；隴堯屯的中、西部地區(qū)則呈現(xiàn)出低值區(qū)空間集聚。

相關(guān)研究表明，典型巖溶區(qū)的土壤理化指標(biāo)空間變異較大[11-13]，若直接進(jìn)行大尺度的區(qū)域高密度取樣，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生極大的人力、物力和財(cái)力消耗；而大尺度的低密度取樣，又難免會(huì)因監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)數(shù)量的不夠而影響其研究精度[14]?？梢?jiàn)，探討土壤樣點(diǎn)的布設(shè)尺度是急待系統(tǒng)研究的科學(xué)問(wèn)題。針對(duì)土壤理化指標(biāo)的合理取樣，在考慮土壤指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征的同時(shí)，還應(yīng)考慮其空間結(jié)構(gòu)性，特別應(yīng)結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的空間變程來(lái)決定土壤樣點(diǎn)的取樣間隔，以明確取樣形狀和布局方式，制定出合理高效的取樣方案。本文在土壤厚度空間尺度的研究方面，將微尺度、高密度的室內(nèi)布點(diǎn)和小區(qū)域?qū)嵉乇O(jiān)測(cè)相結(jié)合，應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)，探索空間異質(zhì)性較大的巖溶區(qū)土壤厚度最適取樣間隔：本研究表明，示范區(qū)土壤厚度的最小空間變程約為500.0 m，該變程可作為區(qū)內(nèi)土壤厚度樣點(diǎn)間隔的布設(shè)依據(jù)，相關(guān)研究方法可為相似研究區(qū)土壤理化指標(biāo)樣點(diǎn)的空間布設(shè)、空間自相關(guān)和空間變異研究提供科學(xué)借鑒。

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StudyonSpatialPatternofSoilThicknessinTypicalKarstAreainGuangxiBasedon‘3S’Technology

YIN Hui1, LI Hui2,3, JIANG Zhong-cheng3, YANG Qi-yong3

(1.TourismDepartment,HuizhouUniversity,Huizhou,Guangdong516007,China; 2.CollegeofEnvironment&Resources,GuangxiNormalUniversity,Guilin,Guangxi541004,China; 3.InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin,Guangxi541004,China)

By using geo-statistics and GIS, combining indoor sampling point distribution and field monitoring of soil thickness in typical karst area of Guohua demonstration zone in Guangxi, the spatial pattern characteristics of soil thickness were studied. The results showed that the spatial distribution of soil thickness showed obviously positive global spatial autocorrelation. The spatial autocorrelation distance of soil thickness was 2 200 m. The ‘low-low’ spatial agglomeration was the main spatial distribution type, showing two types of spatial structures: the one was spatial agglomeration between 1 m to 2 200 m in spatial distances, the other was spatial isolation between 2 200 m to 2 800 m in spatial distances. Soil thickness of the semivariance function models was well in accord with spherical model. The minimum spatial variable scale of soil thickness was nearly 500.0 m, which could be served as the best interval of soil thickness for sampling point distribution in Guohua demonstration zone. The soil thickness showed uneven banded, arc-shaped and small amounts of porphyritic distribution, and the gradient distribution was obvious. This paper is of great theory and reference significance to guide agricultural production, to manage desertification, and to reconstruct the ecology in typical karst peak cluster-depressions of Guohua demonstration zone and other similar karst areas.

soil; thickness; spatial autocorrelation; spatial variability; typical karst area

2013-12-02

：2014-02-04

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2010BAE00739-02);廣西自然科學(xué)資助項(xiàng)目(2013GXNSFBA019222);巖溶所所控項(xiàng)目(121237128100212);桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(20110120-6,20120122-2,20120125-1);廣西師范大學(xué)教育發(fā)展基金會(huì)教師成長(zhǎng)基金(JS2012009，JS2012012);廣西教育廳科研項(xiàng)目(201106LX070、201203YB028、2013YB040);惠州學(xué)院博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(C513.0206)

尹輝(1983—),男,廣西桂林人,講師,博士,主要研究方向?yàn)橥寥馈⑸鷳B(tài)和“3S技術(shù)”。E-mail:yinhui741852963@163.com

李暉(1981—),男,河南南陽(yáng)人,副教授,博士,主要從事水文水資源與生態(tài)環(huán)境等方面的研究。E-mail:lh1029@126.com

S159

：A

：1005-3409(2014)06-0025-05