陳愛京，肖繼東，曹孟磊

(新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002)

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基于MODIS數(shù)據(jù)的伊犁河谷植被指數(shù)變化及其對氣候的響應(yīng)

陳愛京，肖繼東，曹孟磊

(新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002)

利用2006-2014年主要生長季(5-9月)的MODIS遙感數(shù)據(jù)，分析了2006-2014年的年平均NDVI和生長季月NDVI變化規(guī)律。同時，收集整理同期伊犁河谷地區(qū)的氣溫與降水資料，并對NDVI與當(dāng)月、2個月滑動、3個月滑動和5個月滑動的平均氣溫、降水值進(jìn)行了相關(guān)性分析。結(jié)果表明，NDVI與氣溫、降水都存在一定的相關(guān)性，NDVI受當(dāng)月平均氣溫的影響最大；NDVI與當(dāng)月降水和滑動平均降水的相關(guān)性都很好，但3個月滑動平均降水對NDVI的影響最大，并且通過了0.01的極顯著性檢驗(yàn)。

NDVI；MODIS數(shù)據(jù)；氣候因子；伊犁河谷

植被是連接土壤、大氣和水分的自然“紐帶”，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，對氣候系統(tǒng)變化有著深遠(yuǎn)的影響，是影響生態(tài)變化的主要驅(qū)動因子[2]。植被變化主要是地球內(nèi)部(土壤母質(zhì)、土壤類型等)及外部(氣溫、降水等)綜合作用的結(jié)果，所以在全球變化研究中充當(dāng)著“指示器”[3]。氣候是決定地球上植被類型及其分布的最主要因素，兩者之間存在密不可分的聯(lián)系，揭示植被與氣候之間的關(guān)系是正確認(rèn)識植被分布的前提和基礎(chǔ)[4]。研究植被變化與氣候因子(降水、氣溫)的關(guān)系可以在一定程度上了解當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境與氣候因子之間的關(guān)系，有利于開展生態(tài)環(huán)境動態(tài)變化的遙感研究。

目前，針對植被與氣候因子的相互關(guān)系開展了較多研究。氣溫和降水被認(rèn)為是影響江蘇省NDVI的主要因素[5]；日照時間、降水和淺層地溫是影響巴音布魯克草原植被生長最主要的因素[6]；黃河三角洲當(dāng)月NDVI對氣溫的響應(yīng)較強(qiáng)，而降雨則對滯后1個月的NDVI的影響較大[7]；內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒草原NDVI主要受降水影響，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.83[8]； 4月的氣溫可能以積溫的形式影響西藏怒江河谷流域牧草返青，而5、6、7月的氣溫影響牧草生長，這對草地放牧有一定的指導(dǎo)意義[9]。從上述研究可以看出，NDVI與氣候因子有明顯的相關(guān)性，但不同的區(qū)域相關(guān)性差別很大。

近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，多時相遙感數(shù)據(jù)為大面積植被覆蓋變化的監(jiān)測提供了技術(shù)支撐[10]。遙感技術(shù)獲取的遙感影像具有多空間分辨率、多光譜分辨率等特點(diǎn)[11]，廣泛應(yīng)用于全球尺度和區(qū)域性植被覆蓋變化的監(jiān)測。MODIS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行大氣校正去除了云的影響，在空間分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量方面都有顯著優(yōu)勢[12]。分辨率為250 m的第1波段(0.62-0.67 μm)、第2波段(0.841-0.876 μm)對植被比較敏感[13]，因此，中分辨率成像光譜儀MODIS衛(wèi)星NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品在地學(xué)綜合研究中被廣泛應(yīng)用[14]。

伊犁河谷地區(qū)位于新疆西北部，氣候溫和濕潤，是新疆最大的綠洲，也是新疆重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地。但是關(guān)于伊犁河谷地區(qū)植被變化情況及其與氣候響應(yīng)的研究較少[15-17]。因此，本研究利用2006-2014年主要生長季(5-9月)MODIS數(shù)據(jù)，采用最大合成法(MVC)合成月NDVI，分析NDVI的變化規(guī)律；同時，結(jié)合伊犁河谷地區(qū)的氣溫、降水資料，分析伊犁河谷地區(qū)植被變化情況與主要?dú)夂蛞蜃?溫度、降水)的關(guān)系，揭示氣候變化對該區(qū)域植被變化的影響，以期為該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

伊犁河谷地處歐亞大陸中心，新疆天山最西部，位于42°14′16″-44°50′30″ N，80°09′42″-84°56′50″ E，河谷東西長360 km、南北最寬處275 km，面積5.53×104km2。行政區(qū)范圍包括八縣一市：伊寧市、伊寧縣、霍城縣、察布查爾錫伯自治縣、尼勒克縣、新源縣、特克斯縣、鞏留縣和昭蘇縣。伊犁地區(qū)三面環(huán)山，只有西面敞開，因此，西來的濕潤氣流可以直入伊犁河谷地，形成較多降水，是中亞干旱區(qū)的降水中心。其平原地區(qū)屬于大陸性中溫帶干旱氣候，山區(qū)屬于高山氣候[18]?！吧焦?盆地-河谷平原”的獨(dú)特地形地貌使得伊犁河谷降水充沛，年均降水量為200～800 mm，年均氣溫為2.9～9.1 ℃，年均日照時數(shù)為2 700～3 000 h[19]。

2　數(shù)據(jù)來源與處理

2.1MODIS數(shù)據(jù)處理

本研究所用MODIS遙感數(shù)據(jù)是由新疆維吾爾自治區(qū)氣象局接收的時間序列為2006-2014年主要生長季(5-9月)、空間分辨率為250 m×250 m EOS/MODIS的上午星Terra13-14點(diǎn)的軌道數(shù)據(jù)，每月3旬的晴空圖像，通過預(yù)處理和局地投影，得到分辨率和大小一樣的圖像。采用3S技術(shù)，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行最大合成法(MVC)合成，得到每月的NDVI值，該處理的目的是為了減少大氣的云、顆粒、陰影、視角以及太陽高度角的影響[20]。如果在一旬中沒有晴空資料，就采用多天合成計算植被指數(shù)，用MVC 方法選擇最佳像元。MVC計算公式為：

NDVIi=Max(NDVIj).

式中：i為年份；j為第i年的1，2，3，…，12月；NDVIi為第i年每個柵格的最大NDVI值。

2.2氣象資料處理

將收集來的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，考慮到后續(xù)討論中的植被變化對氣候變化存在滯后性，分別計算伊犁河谷地區(qū)9個氣象臺站2006-2014年主要生長季(5-9月)平均氣溫、平均降水量觀測值的當(dāng)月、2個月滑動平均值、3個月滑動平均值和5個月滑動平均值。

通過計算提取研究區(qū)9年主要生長季內(nèi)的平均NDVI值，并結(jié)合2006-2014年同期的氣溫、降水資料，進(jìn)行NDVI值與氣候因子的相關(guān)性分析。

3　結(jié)果與分析

3.1NDVI變化特征分析

3.1.1NDVI年際變化特征分析對伊犁河谷地區(qū)主要生長季(5-9月)NDVI取平均值，得到伊犁河谷地區(qū)年NDVI值(圖1)。2006-2014年，伊犁河谷地區(qū)的年NDVI值呈波動變化。NDVI值介于0.429～0.515，表明NDVI值比較穩(wěn)定，變化不是很大。

圖1　2006-2014年年NDVI值變化

3.1.2NDVI生長季變化特征分析2006-2014年的主要生長季(5-9月)內(nèi)各月NDVI變化趨勢大體一致，即從5月開始逐漸上升，7月份達(dá)到最大，然后又開始下降(圖2)。2006年6月的NDVI值為0.423，比其它年份同期的低，其余年份6月NDVI值在0.488～0.558，2012年8月的NDVI達(dá)到0.522，為年內(nèi)最大值，其余月份趨勢基本一致，沒有明顯的差異。

3.2NDVI與氣候因子的相關(guān)性分析

氣候因子是影響植被生長狀況的重要因子，本研究主要分析氣溫和降水對植被NDVI的影響。考慮到地表植被對氣候因子的響應(yīng)普遍存在滯后性，本研究不僅分析了當(dāng)月的氣候因子與NDVI平均值之間的關(guān)系，而且還分析了2個月滑動平均、3個月滑動平均和5個月滑動平均與當(dāng)月NDVI的相關(guān)性。

3.2.1NDVI與氣溫的相關(guān)性分析NDVI變化受當(dāng)月氣溫的變化影響最大，二者的變化趨勢基本同步(圖3)。隨著氣溫的逐漸上升，NDVI也呈上升的趨勢，隨著氣溫的逐漸下降，NDVI也呈下降的趨勢，溫度在6、7、8月達(dá)到高值，NDVI也在每年的6、7、8月達(dá)到高值。但是，NDVI與2個月滑動平均(圖4)、3個月滑動平均(圖5)和5個月滑動平均氣溫(圖6)變化不同步。相關(guān)分析表明，NDVI與當(dāng)月的平均氣溫相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.746(P<0.01)(表1)。NDVI值與2個月滑動平均氣溫呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.17(P>0.05)(表1)。NDVI值與3、5個月的滑動平均氣溫均呈負(fù)相關(guān)且不顯著，所以當(dāng)月氣溫對NDVI值具有決定性的影響，隨著氣溫的變化NDVI值發(fā)生明顯的變化。

圖2　2006-2014年月NDVI值變化曲線

3.2.2NDVI與降水的相關(guān)性分析NDVI與當(dāng)月(圖7)、2個月滑動(圖8)、3個月滑動(圖9)、5個月滑動的平均降水均呈同步變化(圖10)，其中與當(dāng)月平均降水的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.315(P<0.05)(表1)，與2個月滑動平均降水的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.380(P<0.05)，與3個月滑動平均降水的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.532(P<0.01)，與5個月的滑動平均降水的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.372(P<0.05)?？梢钥闯觯琋DVI受降水量的影響顯著，其中NDVI受3個月滑動平均降水的影響最大。

圖3　2006-2014年5-9月月NDVI與當(dāng)月平均氣溫的相關(guān)性

圖4　2006-2014年5-9月月NDVI與2個月滑動平均氣溫的相關(guān)性

圖5　2006-2014年5-9月月NDVI與3個月滑動平均氣溫的相關(guān)性

圖6　2006-2014年5-9月月NDVI與5個月滑動平均氣溫的相關(guān)性

氣候因子Climatefactor氣溫Temperature降水量Precipitation當(dāng)月平均Averageofthesamemonth0.746**0.315*2個月滑動平均Theslidingaverageoftwomonths0.1700.380*3個月滑動平均Theslidingaverageofthreemonths-0.0610.532**5個月滑動平均Theslidingaverageoffivemonths-0.2450.372*

注：**極顯著相關(guān)(P<0.01)，*顯著相關(guān)(P<0.05)。Note: ** and * mean significant correlation at 0.01 and 0.05 level, respectively.

圖7　2006-2014年5-9月月NDVI與當(dāng)月平均降水量的相關(guān)性

圖8　2006-2014年5-9月月NDVI與2個月滑動平均降水量的相關(guān)性

圖9　2006-2014年5-9月月NDVI與3個月滑動平均降水量的相關(guān)性

4　結(jié)論

伊犁河谷地區(qū)是一個生態(tài)脆弱帶，干濕波動對伊犁河谷地區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化影響極大，掌握植被變化的規(guī)律，對于該地區(qū)生態(tài)保護(hù)，制定減災(zāi)、防災(zāi)對策，資源的合理利用和開發(fā)，指導(dǎo)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本研究分析了2006-2014年主要生長季(5-9月)NDVI的變化趨勢，從年際尺度看，NDVI變化相對穩(wěn)定；從季節(jié)尺度看，年內(nèi)NDVI值表現(xiàn)出從5月開始上升，7月份達(dá)到最高點(diǎn)，然后開始慢慢下降的趨勢，年內(nèi)周期變化趨勢相似，但變化幅度會有不同，2006年6月的NDVI值明顯小于其它年份同期的NDVI值。從NDVI與當(dāng)月氣候因子的影響關(guān)系來看，當(dāng)月的氣溫和降水都對NDVI有較大的影響，當(dāng)月平均氣溫對NDVI的影響最顯著，其次是當(dāng)月平均降水；從氣候因子對NDVI的滯后性影響分析可以看出，降水對NDVI的影響比較明顯，尤其是3個月滑動降水對NDVI的影響最大最明顯，即降水量越大，植被長勢越好，滑動氣溫對NDVI的影響很小甚至沒有影響。

圖10　2006-2014年5-9月月NDVI與5個月滑動平均降水量的相關(guān)性

本研究分析2006-2014年伊犁河谷地區(qū)主要生長季的植被變化情況與主要?dú)夂蛞蜃?氣溫、降水)的響應(yīng)研究，不僅分析了當(dāng)前植被與氣候因子的變化，而且還研究了植被對氣候變化的時滯效應(yīng)，但沒有考慮不同植被類型對氣候變化的影響，因此在后續(xù)的研究中需加強(qiáng)這方面的研究工作。

References：

[1]張生軍，王濤，王天明，盧愛剛，葛劍平.新疆不同植被NDVI的變化及其與氣候因子的關(guān)系.草業(yè)科學(xué)，2009，26(5):26-30.

Zhang S J,Wang T,Wang T M,Lu A G,Ge J P.The variations in NDVI of different vegetation types in Xinjiang and its relation to climate factors.Pratacultural Science,2009，26(5):26-30.(in Chinese)

[2]常進(jìn)，張克斌，邊振,程中秋，王黎黎，肖紅霞.青海省都蘭縣NDVI變化及影響因子研究.水土保持通報，2011，31(5):204-207.

Chang J,Zhang K B,Bian Z,Cheng Z Q,Wang L L,Xiao H X.Variations and impact factors of NDVI in Dulan County of Qinghai Province.Bulletin of Soil and Water Conservation,2011，31(5):204-207.(in Chinese)

[3]于小飛，孫睿，陳永俊，劉紹民，周會珍，張忠山.烏審旗植被覆蓋度動態(tài)變化及其與降水量的關(guān)系.資源科學(xué)，2006，28(4):31-37.

Yu X F,Sun R,Chen Y J,Liu S M,Zhou H Z,Zhang Z S.Dynamics of vegetation cover and its relationship with rainfall in Wushen County of Inner Mongolia.Resources Science,2006，28(4):31-37.(in Chinese)

[4]楊紹鍔，廖雪萍，譚裕模，胡鈞銘，賈坤.廣西近十年植被NDVI變化及其對降水的響應(yīng)特征分析.西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，26(2):766-771.

Yang S E,Liao X P,Tan Y M,Hu J M,Jia K.Analysis of Guangxi vegetation NDVI variations and response to precipitation in recent decade.Southwest China Journal of Agricultural Sciences,2013，26(2):766-771.(in Chinese)

[5]徐勇，奚硯濤，許偉,劉欣婷，顏丙囤.歸一化植被指數(shù)對江蘇省氣溫、降水變化的時空響應(yīng)特征.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，54(3):599-604.

Xu Y,Xi Y T,Xu W,Liu X T,Yan B T.Characteristics of spatial and temporal response of NDVI to the variation of temperature and precipitation in Jiangsu Province.Hubei Agricultural Sciences,2015，54(3):599-604.(in Chinese)

[6]丁濤，李遠(yuǎn)，劉艷.巴音布魯克草原主要植被NDVI變化與氣候因子的關(guān)系.遙感應(yīng)用，2009(1):53-59.

Ding T,Li Y,Liu Y.Relationship between the change of NDVI and the main vegetative and climate factors in Bayinbuluk grassland.Remote Sensing Information,2009(1):53-59.(in Chinese)

[7]李小濤，黃詩峰，李紀(jì)人，徐美，楊海波，孫濤.黃河三角洲NDVI變化與氣候因子的相關(guān)分析.人民黃河，2007，29(6):20-22.

Li X T,Huang S F,Li J R,Xu M,Yang H B,Sun T.Correlation analysis on NDVI variation and climatic factors of the Yellow River Delta in recent years.The people of the Yellow River,2007，29(6):20-22.(in Chinese)

[8]張圣微，趙鴻彬，張發(fā)，尚士友.基于MODIS NDVI的錫林郭勒草原近10年的時空動態(tài).草業(yè)科學(xué)，2014，31(8):1416-1423.

Zhang S W,Zhao H B,Zhang F,Shang S Y.Temporal and spatial dynamic of Xilingol steppe based on MODIS NDVI in recent ten years.Pratacultural Science,2014，31(8):1416-1423.(in Chinese)

[9]袁雷，杜軍，周刊社.西藏怒江河谷流域NDVI變化與主要?dú)夂蛞蜃拥年P(guān)系.草業(yè)科學(xué)，2010，27(8):52-58.

Yuan L,Du J,Zhou K S.NDVI variation and its relation with main climatic factors in the watershed of Nujiang River in Tibetan Autonomous Region.Pratacultural Science,2010，27(8):52-58.(in Chinese)

[10]白文龍，張福平，倪海燕，劉焱序，劉憲峰.關(guān)中地區(qū)植被覆蓋變化及其對氣候因子的響應(yīng)研究.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2013,34(1):104-108.

Bai W L,Zhang F P,Ni H Y,Liu Y X,Liu X F.Analyzing dynamic vegetation change and its response to climatic factors in Guanzhong Plain,China.Research of Agricultural Modernization,2013,34(1):104-108.(in Chinese)

[11]蔡朝朝，安沙舟，蒲智，淮永建．基于TM NDVI的庫爾勒市域植被覆蓋動態(tài)變化.草業(yè)科學(xué)，2015，32(7):1069-1078.

Cai Z Z,An S Z,Pu Z,Huai Y J.A study on vegetation coverage change in Korla City based on the TM NDVI.Pratacultural Science,2015，32(7):1069-1078.(in Chinese)

[12]杜子濤，占玉林，王長耀，宋廣智.基于MODIS NDVI的科爾沁沙地荒漠化動態(tài)監(jiān)測.國土資源遙感，2009，80(2):14-18.

Du Z T,Zhan Y L,Wang C Y,Song G Z.The dynamic monitoring of desertification in Horqin sandy on the basis of land MODIS NDVI.Remote Sensing for Land & Resources,2009，80(2):14-18.(in Chinese)

[13]杜靈通.MODIS 1B數(shù)據(jù)的預(yù)處理及歸一化植被指數(shù)計算.沙漠與綠洲氣象，2008，2(1):25-28．

Du L T.Preprocessing and NDVI calculation of MODIS 1B Data.Desert and Oasis Meteorlogy,2008，2(1):25-28．(in Chinese)

[14]賈虎軍，楊武年，周丹，佘金星，許娟.基于MODIS地表溫度和歸一化植被指數(shù)的生態(tài)環(huán)境變化分析.遙感信息，2014，29(3):44-49.

Jia H J,Yang W N,Zhou D,She J X,Xu J.Analysis of the ecological environment changes in land surface temperature and NDVI based on MODIS remote sensing data.Remote Sensing Information,2014，29(3):44-49.(in Chinese)

[15]閆俊杰，喬木，周宏飛，周生斌，盧磊，宋鵬.基于MODIS/NDVI的新疆伊犁河谷植被變化.干旱區(qū)地理,2013，36(3):512-519.

Yan J J,Qiao M,Zhou H F,Zhou S B,Lu L,Song P.Vegetation dynamics in Yili River Valley of Xinjiang based on MODIS/NDVI.Arid Land Geography,2013，36(3):512-519.(in Chinese)

[16]劉芳，張紅旗，董光龍.伊犁河谷草地植被NDVI變化及其降水敏感性特征.資源科學(xué),2014，36(8):1724-1731.

Liu F,Zhang H Q,Dong G L.Vegetation dynamics and recipitation sensitivity in Yili Valley Grassland.Resources Science,2014，36(8):1724-1731.(in Chinese)

[17]王倩，楊太保，楊雪梅.新疆伊犁河流域植被變化動態(tài)監(jiān)測與評價.干旱區(qū)資源與環(huán)境,2015，29(8):126-131.

Wang Q，Yang T B，Yang X M.Monitoring and assessment of vegetation variation over the Yili River Basin in Xinjiang.Journal of Arid Land Resources and Environment,2015，29(8):126-131.(in Chinese)

[18]趙麗，楊青，韓雪云.1961-2009年伊犁地區(qū)降水指數(shù)的時空分布及變化特征分析.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010，28(10):82-88.

Zhao L,Yang Q,Han X Y.Spatial and temporal differences of extreme precipitation during 1961-2009 in Xinjiang,China.Journal of Desert Research,2010，28(10):82-88.(in Chinese)

[19]周聿超.新疆河流水文水資源.烏魯木齊：新疆科技衛(wèi)生出版社，1999.

Zhou Y C.Xinjiang River Water Resources.Urumqi:Xinjiang science and Technology Publishing House,1999.(in Chinese)

[20]陳云浩，李曉兵，史培軍.1983-1992年中國陸地NDVI變化的氣候因子驅(qū)動分析.植物生態(tài)學(xué)報，2001，25(6):716-720.

Chen Y H,Li X B,Shi P J.Variation in NDVI driven by climate factors across China,1983-1992.Acta Phytoecologica Sinica,2001，25(6):716-720.(in Chinese)

(責(zé)任編輯武艷培)

Research on change of vegetation index and response to climate in Yili River Valley based on MODIS data

Chen Ai-jing, Xiao Ji-dong, Cao Meng-lei,

(Xinjiang Climate Center, Urumqi 830002, China)

Based on MODIS remote sensing data of the main growing season (5-9 months) from 2006 to 2014, through to the remote sensing data preprocessing, local projection, the biggest synthesis, synthesis of the Yili river valley in 2006-2014 NDVI value, analyzes the average and more years growing season NDVI change rule. At the same time, the main climatic factors of Yili River Valley were collected and analyzed. The results show that the NDVI is influenced by average temperatures during the month, the largest passed 0.01 significance test, and the relationship with sliding average temperature is very small; Average NDVI and monthly precipitation and the correlation of moving average precipitation are good, reach the significance test of 0.05 above, but 3 months moving average precipitation had the greatest influence on NDVI, and passed the extremely significance test of 0.01.

NDVI; MODIS data; climatic factor; Yili River Valley

Xiao Ji-dongE-mail：xjd_xj@126.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0682

2015-12-04接受日期：2016-05-30

2015年氣候變化專項(xiàng)“伊犁河谷地區(qū)草地植被變化對氣候變化的響應(yīng)”項(xiàng)目(CCSF201534)

陳愛京(1980-)，女，湖南藍(lán)山人，工程師，碩士，主要從事生態(tài)環(huán)境遙感應(yīng)用研究工作。E-mail:caj206@126.com

肖繼東(1961-)，男，湖北丹江口人，正研級高工，碩士，主要從事生態(tài)遙感研究工作。E-mail:xjd-xj@126.com

S812.1;S162.1

A

1001-0629(2016)8-1502-07

陳愛京，肖繼東，曹孟磊.基于MODIS數(shù)據(jù)的伊犁河谷植被指數(shù)變化及其對氣候的響應(yīng).草業(yè)科學(xué),2016,33(8)：1502-1508.

Chen A J,Xiao J D,Cao M L.Research on change of vegetation index and response to climate in Yili River Valley based on MODIS data.Pratacultural Science，2016,33(8)：1502-1508.