官冬杰, 蘇 印, 何政春
(重慶交通大學 河海學院, 重慶 400074)
基于模糊數(shù)學模型的城市生態(tài)系統(tǒng)健康動態(tài)變化評價
官冬杰, 蘇 印, 何政春
(重慶交通大學 河海學院, 重慶 400074)
城市生態(tài)系統(tǒng)健康與否關系到城市的可持續(xù)發(fā)展,開展城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究可為制訂城市規(guī)劃、生態(tài)和環(huán)境保護規(guī)劃提供科學的依據(jù)。以重慶市為例,選取城市生態(tài)系統(tǒng)活力、組織結構、恢復力、服務功能和動態(tài)變化5個方面,作為城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系?;谥鞒煞址治龇ù_定指標的權重,運用模糊數(shù)學評價方法對重慶市2004—2011年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行評價分析,另外,為了反映重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康的優(yōu)劣程度,選取上海、青島和成都2011年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況與重慶作橫向對比評價。結果表明:重慶市2004—2011年生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈逐年良性發(fā)展態(tài)勢;在2011年城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況對比評價中,上海最優(yōu),成都其次,重慶第三,青島相對最差。最后,提出了改善城市生態(tài)系統(tǒng)健康水平的建議。
生態(tài)系統(tǒng); 健康; 主成分分析法; 模糊數(shù)學; 重慶市
隨著全球經濟的快速增長,生態(tài)環(huán)境問題日益突出,人類賴以生存和生產的生態(tài)環(huán)境不斷惡化,資源日益枯竭,自然災害頻繁發(fā)生,維系經濟發(fā)展和人類健康乃至全社會可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境容量急劇縮減。近年來,生態(tài)系統(tǒng)健康評價已成為國際生態(tài)領域的研究熱點[1-3],20世紀80年代后期以Schaeffer和Rapport為代表的生態(tài)學家對生態(tài)系統(tǒng)健康的概念重新定義[4-5],Schaeffer等認為生態(tài)系統(tǒng)的功能在沒有超過臨界值的時候,生態(tài)系統(tǒng)健康一直在朝前發(fā)展,在這里臨界值定義為當超過時會增加維持生態(tài)系統(tǒng)的不利風險的任何條件或狀態(tài)。Rapport等在1998年將生態(tài)系統(tǒng)健康的概念總結為“以符合適宜的目標為標準來定義的一個生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)、條件或表現(xiàn)”。因為這些概念趨于強調生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)學方面,很多學者認為這些概念不夠完善[6-7],更全面的是把人類健康也包括進來,也就是生態(tài)系統(tǒng)健康應該包含兩方面內涵:滿足人類社會合理要求的能力和生態(tài)系統(tǒng)本身自我維持與更新的能力[8]。此外,還有專家對生態(tài)系統(tǒng)健康的概念和內涵作出了不同的解釋[9-10]??梢娔壳瓣P于生態(tài)系統(tǒng)健康概念還沒有達成共識,應該需要進一步修改和完善。盡管如此,學者們認為生態(tài)系統(tǒng)健康的概念所涵蓋的研究問題和領域的價值是無可置疑的,在生態(tài)系統(tǒng)管理實踐中是無法回避的。要使生態(tài)系統(tǒng)健康的概念具有現(xiàn)實意義,唯有通過對生態(tài)環(huán)境進行有效可靠的、可操作的、可廣泛推廣的,并能為決策者提供指導信息的健康評價來得以實現(xiàn)。決定評價是否成功的關鍵是如何選擇適宜的評價指標與評價標準,目前國外關于生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標主要有三類:第一類考慮生態(tài)系統(tǒng)自身特點的指標體系[11];第二類考慮生態(tài)環(huán)境的指標體系[12];第三類考慮人類活動的指標體系[13]。隨著人們對生態(tài)系統(tǒng)服務功能認識的逐漸深入和對生態(tài)環(huán)境質量要求的不斷提高,國內學者也開始關注生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)系統(tǒng)管理這一生態(tài)學新領域的研究,并逐步成為熱點問題[14-21]。城市生態(tài)系統(tǒng)是一個整合生態(tài)—社會經濟—人類健康的復雜的巨系統(tǒng),其健康不僅強調從生態(tài)學角度出發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)結構合理、功能高效與完整,而且更加強調生態(tài)系統(tǒng)能維持對人類的服務功能,以及人類自身健康及社會經濟健康不受損害。城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究的關鍵在于建立適宜的評價指標體系,所以,本研究將以重慶市為例,通過對城市生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀分析的基礎上,建立一套能反映地域特色的評價指標體系及評價標準,然后選用模糊數(shù)學方法對重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行評價,為了找出重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康的不足和優(yōu)勢,本研究嘗試選取其他城市作為參照,進行對比評價,期望為重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展提供指導。
重慶市位于中國內陸西南部、長江上游地區(qū),地跨東經105°11′—110°11′、北緯28°10′—32°13′的青藏高原與長江中下游平原的過渡地帶。主城區(qū)人口795萬,面積約為5 495 km2。重慶市的人口密度1998—2003年是呈上升趨勢,2003年以后,開始緩慢下降,但2006年又有明顯的回升。日照總時數(shù)1 000~1 200 h,冬暖夏熱,無霜期長、雨量充沛、常年降雨量1 000~1 450 mm。年平均氣溫在18℃左右,屬中亞熱帶濕潤季風氣候。重慶氣候溫和多霧,素有“霧都”之稱,是長江上游地區(qū)的經濟和金融中心及航運、政治、文化、教育、科技等中心。“西部大開發(fā)”、“三峽工程建設”給重慶的城市發(fā)展帶來了前所未有的契機,隨著經濟建設和城市化進程的加快,重慶市的生態(tài)環(huán)境問題日益突出,主要包括廢水排放量大,處理率低,水質污染突出;大氣污染嚴重,酸雨頻率增加;地質災害頻發(fā);植被破壞嚴重,人均綠地少,水土流失加劇。因此,評價重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,探討城市生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的驅動機制,預測未來城市生態(tài)健康發(fā)展趨勢,可以為重慶市城市建設管理及城市的可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。
2.1 評價指標的選取
國內外文獻對城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價應包含的指標并沒有達成統(tǒng)一的共識。目前較普遍的看法是通過生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織結構、恢復力、生態(tài)系統(tǒng)服務功能的維持、管理選擇、外部輸入減少、對鄰近系統(tǒng)的影響及人類健康影響8個方面來衡量生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[22-23],這主要是針對自然生態(tài)系統(tǒng)提出的,作者將其引申到城市生態(tài)系統(tǒng)中,由于城市生態(tài)系統(tǒng)是一種高度人工化的自然—社會—經濟復合生態(tài)系統(tǒng),主要從影響城市生態(tài)系統(tǒng)健康的自然和人文因子的角度出發(fā),在遵循評價指標選擇原則的基礎上,選擇活力、組織結構、恢復力、生態(tài)系統(tǒng)功能的維持、人群健康狀況作為城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價的5個要素,構建一套相對完整的城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系(表1)。一是從城市生態(tài)系統(tǒng)健康活力、結構和功能完整性出發(fā),構建活力評價指標體系;二是從城市生態(tài)系統(tǒng)的自然、經濟和社會結構方面出發(fā),構建組織結構評價指標體系;三是從城市生態(tài)系統(tǒng)的對抗自然和人為干擾的能力以及可持續(xù)性利用能力出發(fā),構建恢復力評價指標體系;四是從城市生態(tài)系統(tǒng)對社會生活的便利程度出發(fā),構建服務功能評價指標體系。五是在考慮影響城市生態(tài)系統(tǒng)變化自然因素的基礎上,著重從人群健康和人類素質方面選擇系列因素構建動態(tài)變化評價指標體系。
2.2 評價指標標準的確定
健康是一種相對概念,絕對的健康標準也是不存在的[24-25],區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評價,更多地應著力于探討區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的時間動態(tài)與空間差異,而非人為判定某時某地生態(tài)系統(tǒng)的健康與否,從而保障研究的客觀性。因此,為便于更直觀表現(xiàn)城市生態(tài)健康狀況,本文針對活力、組織結構、恢復力、服務功能和動態(tài)變化5個要素中共20個指標,作出對應的評價指標標準,將城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價標準分為5個等級:病態(tài)、不健康、亞健康、健康、很健康。
各指標的具體評價標準值參照國家城市考核指標標準,國際發(fā)達國家城市建設標準,國內城市建設最佳值或較好值,國內城市發(fā)展現(xiàn)狀,國家環(huán)??偩诸C布的生態(tài)縣、生態(tài)市、生態(tài)省建設指標(試行)標準,國際大都市的平均值,中等發(fā)達國家的標準值作為很健康的標準值,以全國最低值為病態(tài)的限定值,在前者基礎上向下浮動20%作為健康和亞健康的標準值,在后者基礎上向上浮動20%作為不健康和亞健康的標準值,前后兩次確定的亞健康標準值相互調整得到最終值[26-27](表2)。
表1 重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系
注:數(shù)據(jù)來源于重慶市2004—2011年統(tǒng)計年鑒。
表2 重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標標準
2.3 評價指標權重的確定
在城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價中,因評價指標的目的不同而對指標集中某項的重視程度不同,或因某項指標的影響程度不同而在評價時給予不同的重視,因此在評價的過程中應對各個指標賦予不同的權重。目前關于指標權重的確定方法很多,本文利用主成分分析法來確定重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康權重,其步驟為:① 對數(shù)據(jù)進行標準化處理;② 求出樣本的相關系數(shù)矩陣;③ 計算其特征值、主成分的貢獻率及累積貢獻率;④ 求出主成分荷載,確定主成分個數(shù),最后,將主成分載荷矩陣和貢獻率相乘,得到城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標權重(表3),其具體操作可借助SPSS軟件進行統(tǒng)計計算。
表3 重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標權重
2.4 評價模型的構建
模糊數(shù)學是研究和處理模糊性現(xiàn)象的一種數(shù)學理論和方法。很顯然,城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的好壞是相對于標準值而言的,很難對某生態(tài)系統(tǒng)是健康的或不健康的作出明確的結論,健康與否只是一個相對概念。因此,城市生態(tài)系統(tǒng)健康與否可以作為一個模糊問題來處理。模糊數(shù)學方法(Fuzzy Mathematics)的基本思想是應用模糊關系合成的原理,根據(jù)被評價對象本身存在的性態(tài)或隸屬上的亦此亦彼性,從數(shù)量上對其所屬成分都給以刻畫和描述。因此,應用模糊數(shù)學的概念和方法建立的城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型比傳統(tǒng)的評價方法能夠更符合實際地描述現(xiàn)實情況。
本文應用模糊數(shù)學方法擬定的城市生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型Z=W·U,式中Z為城市生態(tài)系統(tǒng)健康診斷結果,W為5個健康評價要素(活力、組織結構、恢復力、服務功能、動態(tài)變化)對總體健康程度的權重矩陣,W=(W1,W2,W3,W4,W5);U為各個生態(tài)系統(tǒng)健康評價要素對各級健康標準的隸屬度矩陣:
(1)
式中:Umn——第m個健康評價要素對第n級健康標準的隸屬矩陣,m=5,n=5。相對隸屬度的計算主要分正向指標和負向指標兩種計算方法,等級健康標準值取范圍的平均值。對正向指標計算公式為:當xi≥ri,5時,Ui,5=1,Ui,1=Ui,2=Ui,3=Ui,4=0
(2)
(3)
當xi≤ri,j時,Ui,1=1,Ui,2=Ui,3=Ui,4=Ui,5=0
(4)
對負向指標其計算公式為:當xi≥ri,1時,Ui,1=1,Ui,2=Ui,3=Ui,4=Ui,5=0
(5)
(6)
當xi≤ri,5時,Ui,5=1,Ui,1=Ui,2=Ui,3=Ui,4=0
(7)
式中:Uij——第i個指標對第j級標準的相對隸屬度;wi——第i個指標的權重系數(shù);xi——第i個指標的現(xiàn)狀值;ri,j——第i指標的第j級健康標準值。當1≤I≤2時,Uij組成矩陣U1j;當3≤i≤9時,Uij組成矩陣U2j;當10≤i≤12時,Uij組成矩陣U3j;當13≤i≤16時,Uij組成矩陣U4j;當17≤i≤20時,Uij組成矩陣U5j。
3.1 重慶市與不同城市生態(tài)系統(tǒng)對比分析
通過橫向對比不同城市同一年的生態(tài)系統(tǒng),分析各城市生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,得出重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康的優(yōu)劣程度。本文通過查詢上海、青島、成都和重慶4個城市2011年的年鑒構建了評價指標現(xiàn)狀值(表4)。
表4 2011年上海、青島、成都和重慶評價指標體系現(xiàn)狀值
注:數(shù)據(jù)通過查詢上海、青島、成都和重慶4個城市2011年的年鑒獲得。
將指標代入(式1—7)計算出評價指標5個要素層的健康隸屬度,模糊綜合結果分析最常用的方法是最大隸屬度法,但其存在一定的局限性,當評判對象對不同等級的隸屬度相差不大時,可能會得到不合理的評價結果。在此采用加權平均原則求隸屬等級的方法對模糊綜合評價結果向量進行分析,以避免用最大隸屬度原則所帶來的局限性。公式如下:
(8)
式中:B*——隸屬度;j——健康等級,k=2,目的是控制較大的Uj所起的作用。
根據(jù)公式(8),按照加權平均原則,B*<1.5為病態(tài),1.5 ≤B*<2.5為不健康,2.5 ≤B*<3.5為亞健康,3.5 ≤B*<4.5為健康,B*≥4.5為很健康,進而分別得出上海、青島、成都、重慶4個城市的活力、組織結構、恢復力、服務功能和動態(tài)變化5個要素的隸屬度特征值B*(圖1)。
從圖1中可以看出,在2011年重慶活力子系統(tǒng)比其他三個城市都差,處于亞健康狀態(tài),其主要原因是重慶市人均GDP比其他三個城市都低;而上?;盍ψ酉到y(tǒng)最強,處于很健康狀態(tài),因為其人均GDP在全國居首;成都處于健康狀態(tài);青島也處于亞健康狀態(tài)。重慶組織結構子系統(tǒng)和上海、青島都處于亞健康狀態(tài);成都處于健康狀態(tài),成都組織結構子系統(tǒng)比其他三個城市好的原因主要是其財政收入占GDP的比重最高,雖然成都的組織結構子系統(tǒng)最強,但彼此間的差距不大。重慶市恢復力子系統(tǒng)最低,青島第三,成都第二,但都處于亞健康狀態(tài);上?;謴土ψ酉到y(tǒng)最高,處于很健康狀態(tài);上?;謴土ψ酉到y(tǒng)比青島、成都和重慶好的原因是前兩個城市的工業(yè)固廢綜合利用率和工業(yè)廢水排放達標率比后兩個城市高,而且工業(yè)二氧化硫排放量較后兩個城市低。重慶、上海、青島和成都服務功能子系統(tǒng)都處于亞健康狀態(tài);主要是由于4個城市的人均綠地面積與人均住宅面積以及人均道路面積比較低。重慶、上海、青島和成都動態(tài)變化系統(tǒng)處于很健康狀態(tài);其原因主要是這4個城市的人口自然增長率較低,而每萬人在校大學生人數(shù)比較高。
圖1 2011年上海、青島、成都和重慶五要素隸屬度特征值
為了對上海、青島、成都和重慶生態(tài)系統(tǒng)健康整體狀況進行評價,利用評價模型Z=W·U,分別得出城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的隸屬度值如圖2所示。
圖2 2011年上海、青島、成都和重慶生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價
按照加權平均健康等級原則,2011年各城市的綜合健康等級次序為:上海>成都>重慶>青島(圖2)。重慶、上海和成都都處于健康狀態(tài),只有青島處于亞健康狀態(tài)。其原因是重慶自然組織結構方面的森林覆蓋率低于成都,城市綠化率不如上海和成都;在恢復力方面工業(yè)固廢氣廢的利用率和排放達標率也比上海、成都低;而成都在經濟水平和恢復力系統(tǒng)方面略低于上海;青島市比其他三個城市健康狀況差的原因主要有:財政收入占GDP比重較小、工業(yè)廢水排放達標率較低。
3.2 重慶市各年份生態(tài)系統(tǒng)對比分析
利用SPSS主成分分析法計算得到指標對應的權重,再運用模糊數(shù)學方法計算隸屬度,最后按照加權平均原則,就可以得出重慶市2004—2011年活力、組織結構、恢復力、服務功能和動態(tài)變化5大要素隸屬度特征值B*。重慶市活力要素和組織結構要素都是2004—2005年處于不健康狀態(tài);2006—2009年處于亞健康狀態(tài);2010—2011年處于健康狀態(tài),有向很健康狀態(tài)發(fā)展的趨勢(圖3)。
圖3 重慶市2004-2011年五大要素特征值
在具體評價指標中,人均GDP、進出口總值和建成區(qū)綠化覆蓋率明顯上升,而城市人口平均每戶就業(yè)率和失業(yè)率的波動最大,在今后發(fā)展中,應努力提供更多的就業(yè)崗位,同時注意分散城市中心的人口壓力。2004—2011年重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康的恢復力要素和服務功能要素由前四年的不健康狀態(tài)逐漸過渡到后三年的亞健康狀態(tài),具體是由于人均住宅面積、人均道路面積、人均公共綠地面積、用水普及率在不斷的提升。重慶市動態(tài)變化要素2004—2006年處于亞健康狀態(tài);2007—2009年處于健康狀態(tài);2010—2011年處于很健康狀態(tài),并且趨于穩(wěn)定。究其原因是萬人在校大學生人數(shù)在逐年遞增而人群健康狀況在不斷的波動,人群健康狀況成為重要的脅迫因子,要保持在很健康的穩(wěn)定狀態(tài),就要保證人群健康的穩(wěn)定。
利用權矩陣綜合評價及加權平均原則,對重慶市2004—2011年的生態(tài)系統(tǒng)健康評價結果進行綜合評價,得到重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況總體趨勢。
由圖4可以看出,2004—2005年重慶市生態(tài)系統(tǒng)綜合健康狀態(tài)變化不是很大,都處于不健康狀態(tài);2006—2009年健康狀況發(fā)展有所上升,處于亞健康狀態(tài);2010—2011年健康狀態(tài)變化上升,處于健康狀態(tài)。總的來說,重慶市生態(tài)系統(tǒng)在不斷的改善,狀態(tài)一直往好處發(fā)展。這歸功于重慶市走了集中型和分散型城市化相結合的道路,依托現(xiàn)有中心城市,因地制宜,走大中小城市協(xié)調發(fā)展之路,在城市生態(tài)環(huán)境建設中,注意當?shù)厣镔Y源的保護,有效控制有害的外來物種,強化政府職能建設,在進一步發(fā)展經濟的同時,積極采取轉變經濟發(fā)展模式和經濟增長方式,控制污染源和高效利用能源與資源等措施以保護生態(tài)環(huán)境。并且特別考慮人口發(fā)展與環(huán)境容量的關系,注意生物安全、環(huán)境安全、資源安全、食物安全、人類安全和生態(tài)系統(tǒng)等生態(tài)安全問題。
圖4 2004-2011年重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康評價結果
本文將生態(tài)系統(tǒng)健康的理論運用于城市生態(tài)系統(tǒng)健康研究,從自然、經濟、社會方面構建了評價指標體系,運用主成分分析法確定指標權重,建立了模糊數(shù)學評價模型,并將其運用到對重慶、上海、青島和成都的生態(tài)系統(tǒng)健康評價中,得到了下列結論:
(1) 重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康2004—2011年發(fā)生了很大變化,2004—2005年重慶市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況處于不健康狀態(tài);2006—2009年處于亞健康狀態(tài);2010—2011年處于健康狀態(tài),并且有向很健康狀態(tài)發(fā)展的趨勢;
(2) 重慶與上海、青島和成都2011年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況橫向對比中,重慶、上海和成都都處于健康狀態(tài),只有青島處于亞健康狀態(tài)。但總排序重慶位于第三,上海第一,成都次之,青島相對最差;
(3) 在2004—2011年影響重慶生態(tài)系統(tǒng)健康的因素當中,有利因素是恢復力子系統(tǒng)和服務功能子系統(tǒng),不利因素是組織結構當中的社會結構;
(4) 和另外三個城市生態(tài)系統(tǒng)健康對比中,對重慶有利的因素是服務功能,不利因素是活力、恢復力和動態(tài)變化;
(5) 未來重慶市生態(tài)系統(tǒng)要想保持良好的健康發(fā)展水平,應進一步加強服務功能建設,增加人均道路面積和綠地面積,提高居民生活出行便利條件。重點是改善恢復力、活力和動態(tài)變化,提高廢氣廢渣的排放達標率和利用率、降低萬元GDP能耗、加大力度吸引高層次人才。
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DynamicEvaluationonUrbanEcosystemHealthBasedonFuzzyMathematicsModel
GUAN Dong-jie, SU Yin, HE Zheng-chun
(SchoolofRiver&OceanEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)
The health of urban ecosystem is related to the sustainable development of cities. The study of the urban ecosystem health assessment could provide the criterion for formulating schedules about the urban development and the protection of ecological environment. We took the vigor of urban ecological system, organization structure, restoring force, service function and dynamic change as the healthy criterion for the urban ecological system and applied the criterion to Chongqing City. This paper ensured the weight factor of the criterion, and adapted fuzzy mathematical evaluation method to analyze the ecological system health condition of Chongqing City from 2004 to 2011 by using principal component analysis. On the other hand, in order to identify how well the ecosystem of Chongqing City is, in corresponding, we chose other three cities, Chengdu, Shanghai and Qingdao to compare their ecosystem health condition in 2011 with Chongqing. The comparison result showed that Chongqing′s ecosystem health condition was growing better yearly from 2004 to 2011; in 2011, at the evaluation of these four cities′ ecosystem health condition, Shanghai is the best, followed by Chengdu and Chongqing, Qingdao City is relatively the worst. At last, this paper gave some suggestions for how to improve the urban ecosystem health condition.
ecosystem; health; principal component analysis (PCA); fuzzy mathematics; Chongqing City
2013-11-14
:2013-12-15
國家自然科學基金(41201546,41261038);重慶市自然科學基金(cstc2012jjA20010);國家十二五科技支撐計劃專題(2011BAC02B02);國家十二五科技支撐計劃項目(2012BAJ25B09)
官冬杰(1980—),女,黑龍江省富錦人,教授,工學博士,主要從事生態(tài)環(huán)境及土地利用。E-mail:guandongjie_2000@163.com
X171
:A
:1005-3409(2014)05-0150-07