王怡君， 趙軍， 魏偉， 韓立欽

(1.西北師范大學地理與環(huán)境科學學院,蘭州 730070； 2.甘肅省地圖院,蘭州 730030；3.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,天水 741025)

近14年黑河流域甘肅段濕地遙感調(diào)查與分析

王怡君1，2， 趙軍1， 魏偉1， 韓立欽3

(1.西北師范大學地理與環(huán)境科學學院,蘭州 730070； 2.甘肅省地圖院,蘭州 730030；3.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,天水 741025)

以2000年、2008年和2013年獲取的TM和ETM遙感圖像、地理國情普查數(shù)據(jù)、水利普查數(shù)據(jù)和多年統(tǒng)計數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，采用遙感和GIS技術(shù)，結(jié)合實地調(diào)查，對黑河流域甘肅段濕地資源的類型、面積、組成和分布等情況進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明: 研究區(qū)濕地面積整體呈減少趨勢，且2008年前減速較快，2008年后減速明顯變緩。濕地資源變化是自然因素和人類活動共同作用的結(jié)果。其中，影響該區(qū)濕地資源變化的主要自然因素有降水量、氣溫、上游來水量、下泄量和凍土等； 人類因素作為一種外在力量在濕地資源變化中的作用越來越明顯，人口數(shù)量的變化與人們對土地改造與利用的強度是逐漸改變濕地景觀最活躍、最直接的影響因素； 政府決策與濕地保護恢復工程則對濕地資源保護起了推動作用。

黑河濕地資源； 遙感監(jiān)測； GIS； 時空變化

0 引言

濕地不僅蘊藏著豐富的自然資源，還具有調(diào)控環(huán)境生態(tài)的能力。濕地生物的高生產(chǎn)力及其所提供的環(huán)境，對人類的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)旅游有重要價值。濕地資源的時空動態(tài)變化特征日益成為現(xiàn)代土地利用過程的主要研究內(nèi)容之一。采用遙感和GIS技術(shù)可有效地監(jiān)測濕地動態(tài)變化[1]，探討濕地時空動態(tài)變化特征及其規(guī)律，對相關(guān)部門規(guī)劃資源的合理利用、濕地生態(tài)環(huán)境的有效保護具有重要的參考價值和現(xiàn)實意義。

本文以2000―2013年獲取的不同分辨率的遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，對黑河流域甘肅段濕地資源的動態(tài)變化進行連續(xù)監(jiān)測和分析； 并結(jié)合對自然、與人類活動等因素的分析，通過對將不同時期濕地空間分布圖的疊加顯示和對比，進行對濕地空間分布特征進行分析研究； 利用GIS空間分析技術(shù)進行不同時期濕地類型轉(zhuǎn)換計算，制作濕地類型轉(zhuǎn)換空間分布圖，并對不同時期、不同季節(jié)濕地空間分布圖做差值運算，得到濕地類型和面積的增減變化，用以分析濕地在不同時期的變化情況。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

黑河流域位于我國西北干旱地區(qū)，全流域可劃分為東、中、西3個子水系。其中，西部子水系為洪水河和討賴河水系，歸宿于金塔盆地； 中部子水系為馬營河和豐樂河諸小河水系，歸宿于明花、高臺鹽池； 東部子水系包括黑河干流和梨園河及東起山丹瓷窯口、西至高臺黑大板河的20多條河流。流域中集水面積大于100 km2的河流約18條，地表徑流量大于1 000萬m3的河流有24條。流域氣候具有明顯的東西差異和南北差異。黑河流域甘肅段(圖1)，南部屬祁連山區(qū)，年平均氣溫2.0～1.5℃，年降水量在200 mm以上(最高達700 mm)，年平均相對濕度約60%，年蒸發(fā)量約700 mm； 中部是走廊平原，光熱資源豐富，年平均氣溫2.8～7.6℃，日照長達3 000～4 000 h，是發(fā)展農(nóng)業(yè)的理想地區(qū)，而平原區(qū)海拔每增加100 m，降水量增加3.5～4.8 mm，蒸發(fā)量減小25～32 mm； 北部金塔地區(qū)平原則深居內(nèi)陸腹地，為典型的大陸性氣候區(qū)，降水少、蒸發(fā)強烈，溫差大，日照時間長，年平均氣溫-10.0～23.6℃，年平均日照時數(shù)約3 193 h，年平均降水僅59.9 mm，年平均蒸發(fā)量高達2 538.6 mm。

圖1 研究區(qū)位置和主要濕地分布圖

1.2 數(shù)據(jù)及其預處理

本文使用的遙感數(shù)據(jù)為2000―2013年獲取的不同時期衛(wèi)星圖像，以60景Landsat TM和ETM+為主[2]，以2景IRS P5/P6(空間分辨率2.5 m)、8景SPOT5(空間分辨率10 m)、9景中巴衛(wèi)星(空間分辨率20 m)和WorldView1/2(空間分辨率0.5 m)為補充。

水系數(shù)據(jù)包括河流、水渠、水庫和坑塘等信息，以第一次地理國情普查數(shù)據(jù)為主[3]； 2011年完成的包括河流、湖泊、水庫等信息的水利普查數(shù)據(jù)用作本次監(jiān)測的重要參考數(shù)據(jù)。

土地覆蓋、DEM、土壤類型圖、縣區(qū)年鑒、統(tǒng)計公報等數(shù)據(jù)，可作為遙感圖像解譯、制圖和變化因素分析的重要輔助數(shù)據(jù)。

針對不同傳感器獲取的遙感圖像存在因空間分辨率不同而導致像元大小不一或發(fā)生位移等問題，在對圖像進行精確配準后，采用柵格數(shù)據(jù)重采樣方法加以解決。為了使生成的數(shù)據(jù)表面更光滑，采用雙線性內(nèi)插的重采樣方法，即確定與單元中心最鄰近的4個輸入單元，計算其加權(quán)平均值，將所得的數(shù)值定為要處理單元的輸出值。對于需要銳化的數(shù)據(jù)邊緣，采用三次卷積插值法進行銳化處理。

本文中使用的TM和ETM數(shù)據(jù)中，2013年數(shù)據(jù)齊全； 2000年數(shù)據(jù)部分缺失，缺失部分用較接近ETM和SPOT5數(shù)據(jù)代替； 2008年全年和2013年1月數(shù)據(jù)有條帶噪聲，用鄰年同月的圖像替換彌補條帶空缺，或使用2008年中巴資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)補充。

對水利普查數(shù)據(jù)和國情普查中的水系數(shù)據(jù)成果進行整理、合并、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和投影變換等處理，使其與提取的濕地信息在分辨率、空間尺度和類型編碼等方面保持一致。

針對不同年份、不同季節(jié)遙感圖像，采用人機交互解譯方式提取濕地信息； 利用GIS技術(shù)對濕地圖斑賦予屬性，并進行分類、歸并及糾錯等處理，統(tǒng)計不同時期不同季節(jié)濕地圖斑的面積、類型及構(gòu)成等，最后分析不同時期濕地分布和變化情況[4-7]。

2 研究方法

圖2是本文實施濕地資源動態(tài)監(jiān)測的技術(shù)路線圖。主要包括4個方面： ①濕地資源遙感信息提取。在綜合分析遙感圖像、調(diào)研資料和地理國情普查資料的基礎(chǔ)上，采用人工目視解譯和計算機自動解譯相結(jié)合的人機交互方法提取濕地資源信息，并對提取的數(shù)據(jù)進行成果質(zhì)量評價和野外驗證； ②濕地資源現(xiàn)狀分析。通過得到的2000年、2008年和2013年3個不同時期的濕地提取成果，對濕地資源的基本特征進行分析，包括濕地資源的分布位置、地理界線、范圍、面積、周長、構(gòu)成類型及空間分布特點等； ③濕地資源變化分析。以3期濕地數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合分析濕地資源在不同年份、不同季節(jié)的變化特征； ④濕地資源變化原因分析。包括變化因子確定，驅(qū)動因素分析，濕地變化與流域植被狀況、經(jīng)濟發(fā)展、人口增長等的相互關(guān)系分析。

圖2 技術(shù)路線

3 濕地資源時空分布及其變化

3.1 濕地資源空間分布

圖3示出研究區(qū)濕地資源現(xiàn)狀空間分布情況?？梢钥闯?，黑河流域甘肅段濕地資源主要呈條帶狀和斑塊狀分布于黑河干流及其支流周邊廣大地區(qū)。總體來看，黑河干流及其周圍主要濕地類型為河流濕地、草本沼澤和灌叢沼澤濕地； 而水庫、農(nóng)用坑塘、灌溉用溝、渠和城市人工景觀水面等則以零星斑塊狀分布于各縣(區(qū))城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點周邊。沼澤化草甸和森林沼澤主要分布在海拔較高的肅南縣境內(nèi)，那里冰川和河流廣布、森林覆蓋程度高，孕育了十分豐富的濕地資源。

圖3 濕地資源現(xiàn)狀圖

通過對比分析不同時期、不同季節(jié)濕地資源的分布位置和形狀，發(fā)現(xiàn)黑河流域甘肅段濕地分布具有以下特征： ①濕地分布范圍廣，類型多； ②濕地與綠洲、沙漠、戈壁景觀鑲嵌分布； ③濕地資源整體變化小，局部變化大； ④濕地資源受季節(jié)變化的影響較為明顯。

3.2 濕地資源總量變化

圖4示出黑河流域甘肅段濕地資源不同年份、不同季節(jié)的面積變化。

(a) 年際變化(b) 年內(nèi)變化

圖4濕地資源面積變化

Fig.4Areachangesofwetlandresource

從圖4(a)可以看出，研究區(qū)濕地資源從2000—2013年整體呈減少趨勢，14 a間共減少濕地總面積145.081 km2； 其中，2008年比2000年減少133.305 km2，2013年比2008年減少11.857 km2。從濕地面積變化特征來看，研究區(qū)濕地總面積呈減少趨勢，其中在2000—2008年減少趨勢較為劇烈，濕地面積減少較為明顯； 在2008—2013年濕地面積雖仍呈減少趨勢，但減少趨勢有所緩和，減少幅度有所降低。

使用4個較有代表性的1,4,7,10月份分別代表春、夏、秋、冬4個季節(jié)，用以分析濕地在不同季節(jié)的時空分布特征。從季節(jié)變化監(jiān)測的結(jié)果看(圖4(b))，4個不同月份的濕地面積差異較為顯著，大部分地區(qū)濕地面積在7月份分布最多，4月份次之，10月份第三，1月份最少。這是因為氣候和生物的季節(jié)性變化引起濕地在不同季節(jié)的面積差異： 夏季降水和冰雪融水相對充裕，上游水補給充足，蘆葦、香蒲等主要群種生長繁茂，沼澤濕地面積增加明顯； 溫帶內(nèi)陸地區(qū)大部分在春季開始春灌，上游地區(qū)水庫、水電站在春季均會加大對下游放水力度，使河流濕地面積進一步增加，沼澤濕地面積也有增加趨勢，從解譯結(jié)果來看，春季濕地面積也較大； 10月份隨著溫度降低，部分植被開始枯萎，徑流量也開始減少，濕地面積也隨之減少； 冬季大部分地區(qū)植物萎縮，河流因結(jié)冰而徑流量減少，濕地范圍也最小，其中灌叢沼澤、草本沼澤和河流沼澤減少最為明顯。

3.3 各地區(qū)濕地資源變化

從黑河流域甘肅段涉及的3市9縣的濕地面積變化情況來看，14 a間各縣區(qū)濕地在研究區(qū)濕地總面積中所占比例的變化并不明顯(表1)。

表1 各縣區(qū)濕地面積及比例變化

其中，肅南裕固族自治縣濕地所占比例從2000年的54.01%增加到2013年的58.33%，年均增加0.31%。從肅南縣濕地面積實際情況來看，該縣濕地面積從2000年的1 513.01 km2減少到2013年的1 512.36 km2，減少了0.66 km2。其余濕地面積較大的高臺縣、金塔縣、肅州區(qū)和臨澤縣等，近年來隨著濕地資源面積的減少，濕地面積在總面積中的比重略有下降。而在黑河流域內(nèi)濕地面積較小的嘉峪關(guān)市和玉門市，因濕地資源面積在整個研究區(qū)所占比重不大，比例變化也較小(表1)。

3.4 濕地資源類型轉(zhuǎn)換

3.4.1 不同季節(jié)濕地類型的轉(zhuǎn)換

根據(jù)濕地時空數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，2000,2008和2013年這3 a的季節(jié)變化基本一致，故以2013年數(shù)據(jù)說明1,4,7,10月濕地類型的轉(zhuǎn)換。圖5示出2013年不同季節(jié)的濕地類型間轉(zhuǎn)換空間分布。

(a) 2013年1—4月濕地類型轉(zhuǎn)換 (b) 2013年4—7月濕地類型轉(zhuǎn)換(c) 2013年7—10月濕地類型轉(zhuǎn)換

圖5 2013年1,4,7,10月濕地類型轉(zhuǎn)換圖

圖5表明： 2013年1—10月份濕地類型的轉(zhuǎn)換在空間分布上差異較小，濕地資源類型整體穩(wěn)定，不同類型的濕地資源只是在局部相互轉(zhuǎn)換； 轉(zhuǎn)換最活躍的分別是永久性河流與洪泛濕地間的轉(zhuǎn)換、季節(jié)性河流與洪泛濕地間的轉(zhuǎn)換及洪泛濕地與草本沼澤間的轉(zhuǎn)換。

3.4.2 不同年際濕地類型的轉(zhuǎn)換

2008年與2000年相比(圖6(a))，草本沼澤增加最多(10.81 km2)，城市人工水面和娛樂水面有少量增加； 其余濕地類型均有所減少，尤以永久性河流為甚(-40.27 km2)。

2013年與2000年相比(圖6(b))，河流濕地(-84.91 km2)、草本沼澤(-30.42 km2)、洪泛濕地(-32.35 km2)、沼澤化草甸(-14.91 km2)和灌溉用溝、渠(-4.56 km2)都呈減少趨勢； 湖泊(15.25 km2)、水庫(22.70 km2)和農(nóng)用池塘(2.02 km2)等面積有所增加。

2013年與2008年相比，季節(jié)性河流、灌叢沼澤、永久性淡水湖、農(nóng)用池塘、水庫、季節(jié)性洪泛農(nóng)業(yè)用地、城市人工水面和娛樂水面等9類濕地面積有明顯增長，永久性河流、洪泛濕地、草本沼澤、沼澤化草甸和淡水養(yǎng)殖場等6類濕地面積有所下降。

(a) 2000—2008年 (b) 2008—2013年

圖62000,2008和2013年研究區(qū)濕地資源變化

Fig.6Changesofwetlandresourcesinstudyareain2000,2008and2013

從圖6中可以明顯看出，14 a間濕地整體呈先惡化后緩解的特征。2013年與2008年相比，人工濕地面積有大幅增長，但河流濕地及沼澤濕地的狀況依然不容樂觀。

4 影響因素分析

4.1 自然因素

4.1.1 水文因素

水文因素(特別是上游來水量的變化)是影響濕地變化的主要因素。2000—2013年的水文觀測數(shù)據(jù)(圖7)表明，黑河出山口鶯落峽的年徑流量呈上升趨勢，從2000年的14.53×108m3增加到2011年的17.55×108m3，增加了20.8%。

圖7 黑河上游來水量及下泄水量變化

黑河上游來水量主要受到年降水量與祁連山冰川融水的影響[8]。氣象觀測資料表明，近年研究區(qū)降水量總體趨于平穩(wěn)，說明年降水量不是影響黑河來水量的主要因素； 而近年來隨著全球氣溫升高，使得冰川融水補給黑河的水量增大，這與黑河上游來水量增加有很大關(guān)系。黑河來水量的增多對濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的好轉(zhuǎn)有正面效應。近年來，黑河流域甘肅段濕地資源總體面積雖有下降，但下降速度明顯減緩，這與上游來水量增加使得河流濕地及周邊洪泛濕地和沼澤濕地面積增加亦有一定關(guān)系。

4.1.2 氣溫與降水

氣候條件對濕地資源的影響主要表現(xiàn)在降水和溫度2個方面[9-11]， 圖8示出黑河流域甘肅段各縣(市、區(qū))的年均氣溫及降水量變化。

圖8 氣溫及年降水量變化

從氣候因素對濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境影響來看，有正面影響，也有負面影響(如降水量的減少會加速濕地環(huán)境的惡化)。2008年降水量從186.14 mm減少至121.66 mm，而該年的河流濕地、水庫和池塘等濕地面積均有明顯縮減。同時，氣候變暖也與濕地變化密切關(guān)聯(lián)。在其他氣象因素變化較小的情況下，氣溫升高必然會加速地表水分與水面蒸發(fā)，導致湖泊、沼澤濕地的水量減少而面積萎縮； 另一方面，氣溫升高還會導致祁連山冰川的加速消融?？傮w來看，降水量在2008年以后的緩慢升高與濕地資源在2008年以后面積減少幅度的降低有密切關(guān)系； 從氣溫來看，各年變化較為平穩(wěn)，對濕地局部變化有一定影響，但對整體變化影響有限。

4.2 人文因素

4.2.1 人口與土地利用

從圖9可以看出，2000―2013年，黑河流域甘肅段人口數(shù)量及耕地面積整體均呈明顯上升趨勢。

圖9 黑河流域甘肅段人口數(shù)及耕地面積

黑河流域甘肅段人口數(shù)量從195.26萬人增加到214.22萬人，耕地從 25.44萬hm2增加到31.01萬hm2。尤其是在免除農(nóng)業(yè)稅而增加農(nóng)業(yè)補貼后，農(nóng)戶和農(nóng)業(yè)開發(fā)公司開墾荒灘和濕地，耕地面積擴展極快； 同時也增加了需水量，這直接加劇了濕地面積的減少。在黑河干流周邊自然濕地邊緣，濕地被人工開墾為耕地的現(xiàn)象時有發(fā)生，部分永久性湖泊因人為改成水庫或開挖為灌溉用溝和渠，改變了濕地的天然屬性，也勢必造成濕地退化、面積萎縮。盡管當?shù)卣跐竦刂苓吜⒈畡澖纾蚪?jīng)濟效益驅(qū)使和對農(nóng)業(yè)用地需求增加，加之農(nóng)戶對濕地保護意識不強，造成了耕地增加、濕地減少的趨勢。因此，在當前濕地生態(tài)環(huán)境承載力十分有限的情況下，人口數(shù)量的增加和耕地面積的持續(xù)擴展是促使?jié)竦氐壬鷳B(tài)環(huán)境惡化的重要因素之一。

另外，隨著城鎮(zhèn)化進程加快和非農(nóng)業(yè)人口膨脹，城市周邊建設用地和商用住宅用地占用濕地現(xiàn)象普遍存在，也會對自然濕地的保護造成嚴重威脅。

4.2.2 分水政策

黑河流域水系復雜，水資源短缺，供需矛盾突出。為抑制下游逐漸惡化的生態(tài)系統(tǒng)，實行中游向下游分水政策,通過灌區(qū)節(jié)水改造、水資源合理調(diào)配、作物結(jié)構(gòu)調(diào)整等措施對水資源進行統(tǒng)一調(diào)度，以確保農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展及下游生態(tài)建設用水。這對實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、解決區(qū)際區(qū)內(nèi)水事矛盾、維護民族團結(jié)和社會安定都具有非常重要的意義。但是向下游分水,難免會造成中游水環(huán)境的負效應變化。

黑河中游地下水是農(nóng)業(yè)灌溉的重要水源之一,而黑河分水通過對地表水的影響,進而影響地下水資源。中游甘州區(qū)、臨澤縣和高臺縣地下水位都在不同程度地下降，地下水可開采儲量也隨之減少，這與分水結(jié)果使地表水轉(zhuǎn)化為地下水的數(shù)量減少、中游地區(qū)在農(nóng)業(yè)灌溉中大量開采地下水有密切關(guān)系。

4.2.3 濕地保護工程與濕地公園建設

圍繞黑河濕地生態(tài)保護與建設，先后實施了張掖黑河流域濕地保護工程、甘肅黑河流域中游濕地恢復與治理一期和二期工程、甘肅黑河濕地國家級自然保護區(qū)能力建設以及甘肅黑河流域中游濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站等項目，同時啟動實施了退耕還林工程。通過濕地保護、退耕還濕、植被恢復、生態(tài)補水等工程的實施，有效遏制了濕地面積萎縮的趨勢，改善和恢復了黑河流域生態(tài)環(huán)境，減少了水土流失，促進了農(nóng)民增收，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。

5 結(jié)論

本文對2000―2013年14 a間黑河流域甘肅段濕地資源時空變化研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)濕地面積在監(jiān)測后期減少速度小于前期，濕地減少速度有所放緩； 濕地變化主要受降水量、氣溫、來水量及下泄量等綜合影響，所以這些因素是濕地資源變化的根本驅(qū)動力； 人口數(shù)量的變化和人們對土地改造與利用的強度是逐漸改變濕地時空格局的最活躍、最直接的驅(qū)動力。因此，應該從減少人為破壞出發(fā)，以濕地的保護恢復為重要工作，形成科學治理和法律保護的社會氛圍，實現(xiàn)濕地資源的合理利用和全流域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

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(責任編輯：邢宇)

RemotesensinginvestigationandanalysisofwetlandinGansusectionofHeiheRiverBasininthepast14years

WANG Yijun1，2， ZHAO Jun1， WEI Wei1， HAN Liqin3

(1.CollegeofGeographyAndEnvironmentScience，NorthwestNormalUniversity，Lanzhou730070，China； 2.MapInstituteofGansu，Lanzhou730030，China； 3.GansuIndustryPolytechnicCollege，Tianshui741025，China)

In this study, the authors used the data of TM and ETM remote sensing images, geographical condition census data and water conservation census data obtained in 2000, 2008 and 2013 and multi-year statistic data as the main data sources. Using remote sensing and GIS technology, combined with the field survey, the authors systematically studied the types, sizes, composition and distribution of wetland resources in Gansu section of Heihe River Basin. The results show that the area of wetland in the study area is decreasing, slowdown was faster before 2008, and slowdown is significantly slower since 2008. The change of wetland resources results from natural factors and human activities. Among them, the impact of the main factors on the changes of wetland resources in the area is precipitation, temperature, upstream water, discharge and permafrost. Human factors are becoming more and more obvious in the change of wetland resources as an external force. The change of population quantity and the intensity of the land reform and utilization are the most active and direct factors influencing the wetland landscape. Government decision making and the restoration project of wetland protection have played a role in promoting the evolution of wetland resources.

Heihe River wetland resource； remote sensing monitoring； GIS； temporal and spatial variation

10.6046/gtzyyg.2017.03.16

王怡君,趙軍,魏偉,等.近14年黑河流域甘肅段濕地遙感調(diào)查與分析[J].國土資源遙感,2017,29(3)：111-117.(Wang Y J,Zhao J,Wei W,et al.Remote sensing investigation and analysis of wetland in Gansu section of Heihe River Basin in the past 14 years[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(3)：111-117.)

2016-03-21；

2016-05-20

國家自然科學基金重點項目“面向黑河流域生態(tài)―水文過程集成研究的數(shù)據(jù)整理與服務”(編號： 91025001)和甘肅省地理國情監(jiān)測項目“黑河流域濕地資源調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測”(編號： GSGP-2014-24)共同資助。

王怡君(1992-),女,碩士研究生,主要研究方向為地理信息系統(tǒng)空間分析。Email： wyjwxc@163.com。

趙軍(1963-),男,博士,教授,博士生導師,主要從事環(huán)境遙感與GIS應用研究。Email： zhaojun@nwnu.edu.cn。

TP 79

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： 1001-070X(2017)03-0111-07