唐利華, 張永福, 劉小輝

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

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干旱區(qū)河谷城市土地利用生態(tài)風險動態(tài)預測
——以新疆伊寧市為例

唐利華1,2, 張永福1,2, 劉小輝1,2

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

土地利用規(guī)劃和土地生態(tài)安全是土地資源可持續(xù)利用的基礎和核心?；谝翆幨型恋乩每傮w規(guī)劃(2010—2020年)，依照規(guī)劃基期年及末期年土地利用結構特征，借助土地利用變化、土地利用類型動態(tài)度和生態(tài)風險空間分析方法，測算了土地利用生態(tài)風險指數(shù)。并通過運用ArcGIS 9.3對生態(tài)風險進行了系統(tǒng)采樣、半變異函數(shù)分析及空間插值，研究伊寧市土地利用生態(tài)風險動態(tài)演變和空間分異特征。結果顯示：伊寧市土地利用總體規(guī)劃對全市土地利用空間結構進行了較大調整，土地生態(tài)風險具有明顯的區(qū)域性，生態(tài)安全狀況由北向南逐漸加重，且高、較高風險區(qū)在南部區(qū)域呈圓環(huán)式蔓延趨勢。在未來土地利用變更中應加強生態(tài)環(huán)境保護意識，在伊寧市河谷構建良好的生態(tài)用地格局，提高土地利用的綜合效益。

土地利用規(guī)劃; 土地生態(tài)風險; 空間分析; 干旱區(qū)河谷; 伊寧市

土地利用變化不僅影響土地資源的結構與類型，而且通過改變土地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，影響著土地生態(tài)系統(tǒng)的風險與健康程度，其變化過程對區(qū)域生態(tài)安全起著決定性的作用[1-3]。研究土地利用變化及其對生態(tài)環(huán)境產生的風險，對了解生態(tài)環(huán)境和土地資源的合理利用以及恢復和治理有極其重要的現(xiàn)實意義，也能為生態(tài)安全條件下制定土地利用規(guī)劃提供科學依據(jù)[2-4]。土地利用總體規(guī)劃是在一定區(qū)域內，根據(jù)土地資源特點和社會經濟發(fā)展要求，從全局和長遠利益出發(fā)，對各類用地結構和布局進行調整或調配的長期規(guī)劃。韋仕川等[5]運用系統(tǒng)采樣、變異函數(shù)及空間插值方法，借助RS和GIS軟件對黃河三角洲土地生態(tài)風險進行研究；葉長盛等[6]通過系統(tǒng)采樣，借助空間自相關和半方差分析方法，探討了珠江三角洲生態(tài)風險空間分布及變化特征；肖琳等[7]在景觀尺度構造土地利用生態(tài)風險指數(shù)，借助空間統(tǒng)計學方法和彈性理論，分析天津市土地利用生態(tài)風險和變化響應的時空分異特征。區(qū)域生態(tài)風險評價具有時間動態(tài)性、空間異質性及評價過程中的復雜性等特征，大多學者開展的相關研究多數(shù)集中在描述生態(tài)風險空間特征，缺乏對土地利用動態(tài)與生態(tài)風險變化二者響應關系的深入研究。

隨著城市化進程的加快，干旱區(qū)河谷城市土地資源利用不合理、土地生產力下降等土地生態(tài)安全問題日益凸顯。伊寧市所屬的伊犁河谷是東、南、北三面環(huán)山，東高西低、東窄西寬的三角形谷地[8]。伊犁河谷的綠洲形態(tài)成為西北干旱區(qū)獨特的生態(tài)單元，是新疆經濟社會發(fā)展的凈化地帶和生態(tài)相對敏感的區(qū)域[9]。由于其以資源導向型為主的土地利用模式之間的矛盾逐漸顯現(xiàn)，使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境更加嚴峻，甚至威脅到經濟社會的可持續(xù)發(fā)展及西北干旱區(qū)河谷生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定?；谝陨媳尘?，本文選取新疆伊寧市作為典型研究區(qū)。在縣級土地利用規(guī)劃的基礎上，借助半變異函數(shù)和空間插值法，對干旱區(qū)河谷城市土地生態(tài)風險進行空間分析，預測市域土地生態(tài)問題，采取恰當措施，及時做出土地生態(tài)安全規(guī)劃和防護，從而為提高土地利用生態(tài)安全度、科學統(tǒng)籌土地利用總體規(guī)劃提供技術支撐和決策依據(jù)。

1　試驗材料與方法

1.1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

伊寧市地處新疆維吾爾自治區(qū)西部邊境伊犁河谷中部，東連伊寧縣，西接霍城縣，北靠天山西部的科古琴山，南倚伊犁河，北緯43°50′—44°09′，東經80°04′—81°29′，是農牧混合交錯地區(qū)，整體呈現(xiàn)北高南低、由東北向西南傾斜的地貌格局。境內總面積62 279.94 hm2(除兵團)，2009年全市總人口達45.92萬人；平均海拔108 310 m，其中城區(qū)662.5 m，地貌單元分為中低山地、沖—洪積扇和河谷階地；土壤類型眾多，水資源豐富，素有“塞外江南”的美譽。由于受地中海、黑海暖濕氣流的影響，氣候適宜，形成具有中亞典型的溫帶大陸性半干旱特征。近年來，由于經濟的高速發(fā)展和對生態(tài)環(huán)境保護的忽視，土地利用的生態(tài)環(huán)境問題日益嚴重。

本研究數(shù)據(jù)包括GIS數(shù)據(jù)和社會經濟數(shù)據(jù)。GIS數(shù)據(jù)包括：伊寧市2009年、2020年的土地利用類型數(shù)據(jù)、1∶10萬土地利用地形圖、1∶5萬土地利用現(xiàn)狀圖，以上數(shù)據(jù)來源于《伊寧市土地利用總體規(guī)劃(2010—2020)》項目研究成果，數(shù)據(jù)可靠程度較高。借鑒前人研究成果并結合本研究需要，將伊寧市土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、牧草地、城鄉(xiāng)建設用地、交通用地、水域和未利用地8種類型。社會經濟數(shù)據(jù)包括：《伊寧市統(tǒng)計年鑒》和《伊寧市城市總體規(guī)劃(2010—2030)》。

1.2試驗方法

1.2.1采樣方式根據(jù)伊寧市土地利用類型的面積(62 279.94 hm2)情況，采用1 km×1 km的單元網格將生態(tài)風險指數(shù)進行空間化(圖1)，采用等間距系統(tǒng)采樣法，共有697個樣區(qū)，可以保證空間分異特征的呈現(xiàn)。根據(jù)生態(tài)風險指數(shù)公式計算出每一樣區(qū)內各個土地類型的綜合生態(tài)風險指數(shù)，以此作為樣地中心點的生態(tài)風險水平。

圖1生態(tài)風險樣地劃分

1.2.2土地利用結構變化信息熵可以表示城市土地利用的空間結構特征，全面反映市域內各類土地利用系統(tǒng)的動態(tài)演變過程和轉換程度的特點。依照Shannon信息熵[10]計算公式：

Fi=Ai/A

(1)

(2)

式中：A——區(qū)域土地總面積；Ai——某一地類面積；Fi——各地類占土地總面積的比例；H——土地利用結構信息熵，其大小可反映人類活動與自然作用對土地利用系統(tǒng)的改造程度。土地利用結構熵值低，其土地利用系統(tǒng)的有序性較高，生態(tài)風險程度較?。煌恋乩媒Y構熵值高，其土地利用系統(tǒng)的有序性低，生態(tài)風險程度較高。

1.2.3土地利用類型動態(tài)度變化土地利用動態(tài)度是分析土地利用動態(tài)變化過程的一個重要指標，反映的是某一地區(qū)某一時間某一土地利用類型面積發(fā)生變化的一種量度[11]。單一土地利用動態(tài)度為：

(3)

式中：Ua，Ub——研究期開始和結束某一土地類型的數(shù)量；T——研究時段長。

綜合土地利用動態(tài)模型為：

(4)

式中：LUi——檢測開始時第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j——監(jiān)測時段內第i類土地利用類型轉化為其他土地利用類型面積總和；T——研究時間段。筆者設定T的時段為年，LC的值為土地利用類型年變化率。

1.2.4土地生態(tài)風險指數(shù)利用各土地利用類型的面積比重，構造各土地利用類型的生態(tài)風險指數(shù)(ERI)[12]，來建立土地利用類型與綜合區(qū)域生態(tài)風險之間的經驗聯(lián)系，描述綜合土地生態(tài)風險的相對大小，并通過采樣方法把土地利用空間結構轉化為空間化的生態(tài)風險變量，計算公式為：

(5)

式中：Ai——第i種土地利用類型面積；A——總面積；Wi——第i種土地利用類型所反映的生態(tài)風險強度參數(shù)。

1.2.5生態(tài)風險空間分析方法區(qū)域生態(tài)風險指數(shù)是可以利用地統(tǒng)計學方法進行空間特征分析的空間變量。經過生態(tài)風險指數(shù)系統(tǒng)采樣，利用ArcGIS 9.3中的Geostatistical Analyst(地統(tǒng)計分析模塊)，得到半變異函數(shù)[13]：

(6)

式中：γ(h)——變異函數(shù)；Z(xi)，Z(xi+h)——系統(tǒng)某屬性Z在空間位置x，x+h處的值；N(h)——樣本對數(shù)；h——空間距離。在此基礎上，采用Ordinary Kriging模型進行表面模擬預測，并檢查模型的合理性，得出研究區(qū)域生態(tài)風險程度空間分布圖，來直觀描述伊寧市生態(tài)風險空間分布狀況。

2　結果與分析

2.1土地利用結構變化

依照公式(1)—(2)得到2009年和2020年土地利用結構信息熵(表1)。伊寧市2009—2020年土地利用結構信息熵由0.677 6增加至0.711 8，凈增了0.034 2，表明土地利用的空間結構特征變化較大，2009年土地利用結構信息熵較低，土地利用系統(tǒng)的有序性較高，生態(tài)風險程度相對較低；至2020年土地利用結構信息熵增大，土地利用系統(tǒng)的有序性較低，生態(tài)風險程度也有增加的趨勢。

表1　伊寧市2009年和2020年土地利用結構變化和信息熵　hm2

2.2土地利用類型動態(tài)度變化

根據(jù)公式(3)得出伊寧市土地利用結構變化(表1)。如表1所示，伊寧市11年間土地利用變化速度并不快，土地利用類型年變化率僅為0.016%。本輪規(guī)劃中城鄉(xiāng)建設用地、交通用地所占比例大大增加，其中城鄉(xiāng)建設用地增加了6 642.23 hm2，增幅72.27%，交通用地增加了4 549.5 hm2；而耕地、園地、林地、牧草地、水域及未利用地均有一定減少，其中未利用減少了630.89 hm2，減少的比重最大，達到52.49%，水域面積變化最小。減少的農用地及未利用主要轉變?yōu)榱私ㄔO用地。

2.3各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場)土地利用生態(tài)風險動態(tài)演變

生態(tài)風險指數(shù)大小是相對于生態(tài)問題可能發(fā)生的綜合性概率量度，可為宏觀環(huán)境的生態(tài)保護決策提供依據(jù)[14]。土地生態(tài)風險強度參數(shù)Wi的確定參考韋仕川等[5]的研究成果，耕地、園地、牧草地、林地、城鄉(xiāng)建設用地、交通用地、水域、未利用地的Wi分別取0.112 7，0.069 3，0.755 7，0.017 4，0.295 6，0.211 9，0.079 1，0.084 4。根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場)土地利用類型和面積，利用生態(tài)風險指數(shù)公式和ArcGIS 9.3空間分析統(tǒng)計模板，得出2009年和2020年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場)土地利用生態(tài)風險指數(shù)(表2)、生態(tài)風險空間分布(圖2)、生態(tài)風險不同等級面積比例(圖3)。根據(jù)各樣地生態(tài)風險指數(shù)評價結果以及伊寧市土地生態(tài)風險模擬結果，將生態(tài)風險劃分為5個等級，即Ⅰ低生態(tài)風險區(qū)(0.088 7～0.125 1)、Ⅱ較低生態(tài)風險區(qū)(0.125 1～0.161 5)、Ⅲ中等風險區(qū)(0.161 5～0.197 9)、Ⅳ較高風險區(qū)(0.197 9～0.234 3)、Ⅴ高風險區(qū)(0.234 3～0.270 7)。

表2　伊寧市2009年和2020年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場)生態(tài)風險指數(shù)

圖2　伊寧市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場)土地利用平均生態(tài)風險空間變化分布

圖3　不同等級生態(tài)風險區(qū)在各年所占比例

如表2所示，土地利用總體規(guī)劃中伊寧市的生態(tài)風險指數(shù)由2009年的0.122 3增至預計2020年的0.151 9，風險程度增加了24.20%，整體平均生態(tài)風險指數(shù)波動較大，生態(tài)安全程度也在逐步惡化。

由圖2—3可知，伊寧市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場)的土地生態(tài)風險具有明顯的區(qū)域性，2009年生態(tài)安全狀況由北向南逐漸加重，而2020年中南部地區(qū)生態(tài)安全惡化最為明顯，北端生態(tài)安全惡化并不十分嚴重，處于中等風險、較低風險和低風險區(qū)。伊寧市市區(qū)位于伊寧市中心城區(qū)，生態(tài)安全處于高風險區(qū)，2009年生態(tài)風險指數(shù)為0.260 8，預計2020年增至0.269 8，一直處于高風險重警狀態(tài)，生態(tài)安全處于較差水平，這與伊寧市城市化、工業(yè)化建設、中心城區(qū)范圍不斷擴張有關；巴彥岱鎮(zhèn)、托格拉格鄉(xiāng)和市園藝場風險指數(shù)有所增加，但一直處于低風險狀態(tài)，生態(tài)狀況好于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場)；在土地利用規(guī)劃中，克伯克圩孜鄉(xiāng)、潘津鄉(xiāng)一直處于較低風險區(qū)，這與其多農業(yè)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)，大力發(fā)展農產品密切相關；2020年英也爾鄉(xiāng)、達達木圖鄉(xiāng)、喀爾墩鄉(xiāng)、漢賓鄉(xiāng)和塔什科瑞克鄉(xiāng)生態(tài)風險指數(shù)較2009年相比均有明顯的增長趨勢，英也爾鄉(xiāng)從低風險區(qū)轉變?yōu)橹械蕊L險區(qū)，達達木圖鄉(xiāng)從較低風險區(qū)轉變?yōu)橹械蕊L險區(qū)，喀爾墩鄉(xiāng)從中等風險區(qū)轉變?yōu)檩^高風險區(qū)，漢賓鄉(xiāng)和塔什科瑞克鄉(xiāng)分別從中等風險區(qū)轉變?yōu)楦叩蕊L險區(qū)，處于重警狀態(tài)，是生態(tài)安全惡化明顯的兩個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

研究區(qū)內2009年、2020年各級生態(tài)風險指數(shù)面積比例均存在一定的差異。2009年低生態(tài)風險區(qū)面積占研究區(qū)面積的62.32%，較低生態(tài)風險區(qū)面積占19.57%，中等風險區(qū)面積占12.84%，無較高生態(tài)風險區(qū)，高生態(tài)風險區(qū)面積占5.27%。規(guī)劃至2020年，上述各級別的面積均呈現(xiàn)變化趨勢，低生態(tài)風險區(qū)面積占研究區(qū)面積的比例減至47.77%，較低生態(tài)風險區(qū)面積比例減至10.46%，中等風險區(qū)面積比例增至23.65%，較高生態(tài)風險面積比例增至5.54%，高生態(tài)風險區(qū)面積比例增至12.58%。上述變化說明2009—2020年，研究區(qū)內生態(tài)環(huán)境狀況趨于惡化，這個變化趨勢與前述以研究區(qū)整體進行評價時的結論是一致的。

2.4土地利用生態(tài)風險空間分異特征分析

利用ArcGIS 9.3中的地統(tǒng)計分析模塊(Histogram模塊)，得出伊寧市ERI值接近于正態(tài)分布，具有空間相關性。采用線性克里格法對伊寧市生態(tài)風險進行空間內插，后按掩膜提取(Extract by Mask)分析，得到伊寧市土地利用生態(tài)風險空間分異圖(圖4)。結果檢驗中均值(0.002 052)、平均標準差(0.006 862)接近于0，均方根(0.013 26)、平均預測標準差(0.014 06)非常接近，均很小，標準均方根預測誤差(0.914 0)接近于1，檢驗結果表明誤差在允許范圍內，保證了伊寧市生態(tài)風險指數(shù)的準確性和可靠性。

圖4　伊寧市土地利用生態(tài)風險空間分異

從2009年和2020年生態(tài)風險空間變化分異來看，在土地利用總體規(guī)劃中，伊寧市土地生態(tài)風險趨于惡化趨勢。南部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境已經受到了極大破壞，生態(tài)重警區(qū)迅速擴大，較高風險區(qū)和中等風險區(qū)蔓延的速度也很快，尤其是向南部和東南部發(fā)展較為明顯。原因主要是：在總體規(guī)劃中，伊寧市的工業(yè)發(fā)展將步入正軌，英也爾鄉(xiāng)、喀爾墩鄉(xiāng)和達達木圖鄉(xiāng)結合本身的土地資源利用潛力和經濟發(fā)展的方向目標，轉型升級，大力發(fā)展能源、電力、科技園、建材園等高新產業(yè)，如新入駐的國網新疆電力公司、伊犁供電公司、伊犁川寧生物技術有限公司和新疆伊犁建能煤化工機械有限公司，嚴重忽視了生態(tài)環(huán)境建設，對生態(tài)安全造成威脅。伊寧市市區(qū)始終是伊寧市未來土地利用發(fā)展的重點，中心城區(qū)的發(fā)展方向主要是以市區(qū)為中心輻射發(fā)展，向南部(漢賓鄉(xiāng)、塔什科瑞克鄉(xiāng))和西北方向拓延，而北部和東北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)(巴彥岱鎮(zhèn)、潘津鄉(xiāng)和克伯克圩孜鄉(xiāng))多趨向于發(fā)展農業(yè)型，重點發(fā)展小麥生產和特色林果業(yè)。市域北部大比例面積是牧草地，但隨著城鎮(zhèn)建設發(fā)展存在的潛在影響也是值得考慮的，應在生態(tài)環(huán)境尚未惡化前加大保護力度，防患于未然。

3　結 論

(1) 在伊寧市土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)中，對全市的土地利用空間結構和布局進行了很大的調整。規(guī)劃至2020年，研究區(qū)內的土地利用類型未發(fā)生變化，但各土地類型的面積及其所占的比例變化明顯。2009—2020年，水域面積幾乎未發(fā)生變化，未利用地及耕地面積減少明顯，城鄉(xiāng)建設用地及交通用地面積增加明顯。通過分析認為，隨著研究區(qū)人口的增多、建設用地的增加及其社會經濟的發(fā)展，引發(fā)了一系列生態(tài)問題，人為因素對土地利用結構變化的影響愈發(fā)顯著。

(2) 土地利用結構的改變導致了研究區(qū)生態(tài)風險的差異。從總體變化分析來看，規(guī)劃至2020年，研究區(qū)生態(tài)風險呈上升趨勢，生態(tài)風險指數(shù)由2009年的0.122 3上升到2020年0.151 9。規(guī)劃期內，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(場)的生態(tài)風險具有明顯的區(qū)域性，生態(tài)風險指數(shù)相對較低的區(qū)域面積總體上趨于減少狀態(tài)，而生態(tài)風險指數(shù)相對較高的區(qū)域面積總體上趨于增加狀態(tài)。隨著研究區(qū)生態(tài)風險的加劇，研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題受到了越來越多人的關注。

(3) 2009—2020年，研究區(qū)生態(tài)風險空間變化分異明顯，生態(tài)風險由北向南逐漸加重，高、較高生態(tài)風險區(qū)呈圓環(huán)式向周圍蔓延，通過分析預測說明，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況總體上呈現(xiàn)惡化趨勢。

土地利用生態(tài)風險預測是在土地利用總體規(guī)劃中土地利用變化格局上構建生態(tài)風險的評價方法與評價模型，并借助GIS軟件對研究區(qū)生態(tài)風險進行評價，利用地統(tǒng)計學中的空間分析方法定量化地反映生態(tài)風險的空間分布特征，從靜態(tài)的現(xiàn)狀評價轉為動態(tài)的預測，進一步建立在人類活動頻繁下的土地利用與區(qū)域生態(tài)環(huán)境的有機聯(lián)系，為土地利用總體規(guī)劃修編提供決策依據(jù)和理論支持。區(qū)域生態(tài)風險指數(shù)能夠較好地評價生態(tài)環(huán)境狀況，通過對生態(tài)風險指數(shù)級別的劃分，高度重視高、較高生態(tài)風險區(qū)，尋求原因，提高土地生產力；加強建設中等、較低風險區(qū)，力求結構更加合理。土地利用規(guī)劃是對區(qū)域各類用地結構和布局進行的長期調配，本研究區(qū)應完善土地利用規(guī)劃決策體系，建立規(guī)劃實施評價、規(guī)范修改制度，切實實施土地利用年度計劃管理制度與社會經濟發(fā)展相結合，樹立科學發(fā)展觀，按分期實現(xiàn)的原則將主要規(guī)劃目標分階段納入研究區(qū)國民經濟與社會發(fā)展5年計劃中，構建良好的生態(tài)用地格局，提高土地利用的綜合效益。

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Dynamic Forecast of Ecological Risk of Land Use in the Arid River Valley City—A Case Study of Yining City in Xinjiang Uygur Autonomous Region

TANG Lihua1,2, ZHANG Yongfu1,2, LIU Xiaohui1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China)

Planning of land utilization and land ecological security are the foundations and cores of the sustainable use of land resources. We estimated ecological risk index based on the varieties of land use in the overall planning of land utilization of Yining City at two time points: the base year and the end year through change of land use and the method of ecological risk spatial analysis. After sampling was carried out, the semi-varogram analysis and block Kriging were used to analyze the dynamic evolution and spatial distribution of ecological risk of the land use in Yining City by ArcGIS 9.3. The results indicated that the spatial structure of land use had been a major adjustment in the overall planning of land utilization, the spatial distribution of land ecological risk was imbalanced in Yining City, ecological security was becoming more severe gradually from north to south, moreover, the high and the higher risk of the southern area had the tendency of ring type spreading. The change of land use in the future, ecological awareness of environmental protection should be strengthened to build an ecological land pattern in Yining valley and improve the comprehensive benefit of land use in the city.

planning of land utilization; land ecological risk; spatial analysis; arid valley; Yining City

2015-5-11

2015-06-02

新疆伊寧市土地利用總體規(guī)劃修編項目;新疆伊寧市中期實施評估項目

唐利華(1988—),女,新疆石河子人,碩士,研究方向為土地資源規(guī)劃、土地資源評價。E-mail:tanglihuahappy@126.com

張永福(1964—),男,新疆烏魯木齊人,副教授,碩士生導師,主要從事土地資源評價及土地利用規(guī)劃、土地整治開發(fā)研究。E-mail:zyf431@sina.com

F301

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1005-3409(2016)03-0240-06