楊靜雅, 李新國, *, 閆凱, 劉彬
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基于NDVI的新疆和靜縣草地植被覆蓋動態(tài)變化及其與氣溫降水的關(guān)系
楊靜雅1,2, 李新國1,2, *, 閆凱3, 劉彬4
1. 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 烏魯木齊 830054 2. 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室, 烏魯木齊 830054 3. 新疆維吾爾自治區(qū)草原總站, 烏魯木齊 830001 4. 新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830054
以新疆和靜縣為研究區(qū), 以2000、2005、2010和2015年Landsat影像及2000~2015年MODIS-NDVI 16d合成產(chǎn)品為主要數(shù)據(jù)源, 運用ArcGIS疊加分析功能, 分級估算4個不同時期草地植被覆蓋度動態(tài)變化特征, 結(jié)合氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù), 利用NDVI偏差, 采用趨勢線分析方法, 研究區(qū)草地植被覆蓋變化對溫度和降水的響應(yīng)。研究結(jié)果表明: (1)2000—2015年, 研究區(qū)植被覆蓋表現(xiàn)為退化, 退化面積為13763.48 km2, 占研究區(qū)面積49.42%, 較植被覆蓋度增加面積多出12611.65 km2, 是植被覆蓋度增加面積的11.95倍。(2)2000—2015年, 研究區(qū)植被NDVI呈現(xiàn)下降趨勢, 年平均氣溫和NDVI的相關(guān)系數(shù)為–0.32, 呈現(xiàn)負(fù)相關(guān), 年平均降水量和NDVI的相關(guān)系數(shù)為0.76, 呈現(xiàn)正相關(guān)。(3)研究區(qū)NDVI值年內(nèi)變化呈現(xiàn)單峰型, 夏季NDVI值平均每10a增長約–3.6%, 秋季NDVI值平均每10a增長約–1.6%, 春季NDVI值平均每10a增長約0.1%;植被NDVI值和月平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為0.801(=144); 植被NDVI值與月平均降水量相關(guān)系數(shù)為0.832(=144), 均超過<0.01的檢驗。
植被覆蓋變化; NDVI; 趨勢線分析法; 氣溫; 降水; 和靜縣
植被覆蓋變化及其與氣候變化相互關(guān)系的研究是近年來全球變化研究的一個熱點領(lǐng)域之一[1-3]。植被的空間分布及其變化特征是植被對氣候長期適應(yīng)的結(jié)果。一方面, 氣候決定著植被的空間分布, 不同氣候類型都有與之對應(yīng)的植被類型; 另一方面, 不同的植被類型通過影響與大氣間物質(zhì)、能量的相互作用, 從而對氣候產(chǎn)生影響[4]。遙感數(shù)據(jù)由于其時間和空間上的連續(xù)性, 常被用來監(jiān)測全球和區(qū)域植被變化趨勢[5]。利用MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)與Landsat數(shù)據(jù)相結(jié)合, 能直觀反映植被覆蓋變化趨勢在空間上的差異性, 從而直觀地了解自然因素與人類活動對植被覆蓋變化趨勢的影響。利用NDVI數(shù)據(jù)對植被覆蓋變化趨勢及其與氣候因子的關(guān)系研究, 已有一系列的成果[6-8]。已有的研究成果表明, 不同地區(qū)、不同植被類型植被覆蓋變化趨勢具有較大的差異性[9], 同一地區(qū)植被覆蓋變化趨勢在年際和季節(jié)尺度上也表現(xiàn)出不同的變化特征[10]。氣溫和降水是影響植被生長的兩個重要氣候因子, 其在時空上的變化對區(qū)域植被覆蓋狀況有顯著影響[11]。李登科[12]及吳麗麗等[13]的研究表明, 植被對氣溫和降水的響應(yīng)存在一定的時滯性。
利用landsatTM/ETM/OLI2000、2005、2010、2015年四個不同時期的遙感影像, 以及2000—2015年MODIS NDVI數(shù)據(jù), 結(jié)合研究區(qū)對應(yīng)時期的氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)對新疆和靜縣草地植被覆蓋動態(tài)變化進(jìn)行研究, 并分析其與溫度、降水之間的關(guān)系, 為研究區(qū)的草地合理利用與保護(hù)提供理論依據(jù)。
和靜縣位于新疆中部, 天山中段南麓, 焉耆盆地西北部, 地處82°28′—87°52′E, 42°06′—43°33′N之間, 境內(nèi)多山, 總面積3.6569×104km2, 山地面積約占區(qū)域總面積的92.60 %[14]。地勢呈現(xiàn)西北高、東南低, 西部和北部分別為大、小尤魯都斯山間盆地, 東南部為焉耆盆地, 有開都河、黃水溝、烏拉斯臺河等水系, 植被資源尤其是草地資源較為豐富, 草地面積約占區(qū)域總面積70%[15]。因地形影響, 氣候差異較大, 研究區(qū)內(nèi)有全國第二大高山草原—巴音布魯克草原, 由大、小尤魯都斯2個高位山間盆地和山區(qū)丘陵草場組成, 海拔2000—2500 m, 總面積約2.3×104km2, 屬高寒帶濕潤區(qū), 年均溫8.8 ℃, 年均降水量68.1 mm, 其草地植被的變化, 對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境變化具有重要的影響作用[16]。
(1)遙感數(shù)據(jù)。Landsat數(shù)據(jù)為研究區(qū)2000、2005、2010、2015年4個不同時期7月底至9月初云量小于10%的Landsat TM/ETM+/OLI影像, 影像數(shù)據(jù)來自于美國地質(zhì)勘探局(USGS)網(wǎng)站(http://glovis. usgs.go), 共16景, 均采用Albers投影。MODIS數(shù)據(jù)采用NASA(Daimler Chrysler)提供的MOD13Q1級產(chǎn)品, 時間跨度為2000年3月至2015年11月, 共144景, 時間分辨率為16d, 空間分辨率為250 m。
圖1 研究區(qū)位置示意圖
表1 數(shù)據(jù)類型與來源
(2)其他數(shù)據(jù)。1961—2015年研究區(qū)的月平均氣溫、月平均降水量數(shù)據(jù)、邊界、等高線、水系等要素值、地形圖、土地利用圖、草地類型圖、DEM(空間分辨率30m)以及2010—2015年研究區(qū)草地監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
基于ArcGIS10.0對MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換, 利用研究區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)對重投影后的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪,得到研究區(qū)的NDVI數(shù)據(jù)。利用ENVI5.1和ArcGIS10.0對研究區(qū)NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析。從年際和季節(jié)尺度分析植被NDVI值的變化特征。根據(jù)氣象學(xué)方法劃分為4季, 3—5月為春季, 6—8月為夏季, 9—11月為秋季, 12月至翌年2月為冬季。由于研究區(qū)冬季溫度較低, 冰雪覆蓋, 植被基本停止生長或已枯萎, 因此不對冬季的NDVI值進(jìn)行分析。使用均值法合成2000~2015年各年NDVI平均值和春夏秋季的NDVI平均值。
2.3.1 植被指數(shù)生成NDVI偏差
式中,為第個像元第年第月的NDVI月平均值。NDVI偏差廣泛應(yīng)用在植被動態(tài)監(jiān)測上[18]。
2.3.2 趨勢線分析
趨勢線是對一組隨時間變化的變量進(jìn)行回歸分析, 預(yù)測其變化趨勢。我們多用線性趨勢線來模擬植被覆蓋的年際變化, 即最小二乘法擬合直線, 其斜率計算公式為[19]:
式中,為監(jiān)測時間段的年數(shù)。SLOPE為正值時表示植被有增加的趨勢, 為負(fù)值時表示植被存在退化的趨勢。
運用ENVI5.1和ArcGIS10.0軟件對四期遙感影像預(yù)處理, 并對每期影像進(jìn)行NDVI的提取, 利用NDVI值估算植被覆蓋度, 通過疊加分析, 研究植被覆蓋度空間格局的變化特征。
由圖2可知, 2000—2015年, 研究區(qū)植被覆蓋空間上整體呈現(xiàn)退化。以每5年為一個時段, 2000—2005年研究區(qū)植被覆蓋退化區(qū)域主要分布在小尤魯都斯盆地, 植被覆蓋度增加區(qū)域在研究區(qū)零星分布; 2005—2010年研究區(qū)植被覆蓋退化區(qū)域主要分布在小尤魯都斯盆地中心沼澤草甸處, 植被覆蓋度增加區(qū)域主要在小尤魯都斯盆地北、西北處, 其余區(qū)域植被覆蓋增加和減少均零星分布, 且增加區(qū)域零星分布更多。2010—2015年, 研究區(qū)植被覆蓋整體呈現(xiàn)退化, 主要原因在于2015年是旱年, 當(dāng)年7月底至9月初, 沒有降水天氣, 降水量為0, 導(dǎo)致草地植被在生長季沒有獲得有利條件, 遙感影像獲取的是這個時期內(nèi)的, 因此2010—2015年植被覆蓋空間上整體表現(xiàn)為退化。
利用ENVI5.1, 以每5年為基本單位進(jìn)行疊加分析, 將高植被覆蓋度轉(zhuǎn)為與其相比低的植被覆蓋度稱為退化, 同理, 將低植被覆蓋度轉(zhuǎn)為比其高植被覆蓋度稱為增加, 沒有發(fā)生變化的稱為未變化。
圖2 2000—2015年研究區(qū)植被覆蓋空間動態(tài)變化特征
表2 研究區(qū)植被高—低覆蓋度間面積變化統(tǒng)計
由表2可知, 2000—2015年, 研究區(qū)植被覆蓋表現(xiàn)為退化, 退化面積為13763.48 km2, 較植被覆蓋度增加面積多出12611.65 km2, 是植被覆蓋度增加面積的11.95倍。以每5年為一個時段, 2000—2005年, 研究區(qū)植被覆蓋度增加面積相較退化面積多出677.30 km2, 說明在此期間植被覆蓋度由低變高的趨勢; 2005—2010年, 研究區(qū)植被覆蓋度增加面積相較退化面積多出2546.12 km2, 說明在此期間植被覆蓋度仍然處于由低變高的趨勢, 且增加面積多出2000—2005年增加面積1868.82 km2; 2010—2015年, 研究區(qū)植被覆蓋度退化面積相較增加面積多出16311.21 km2, 退化面積是增加面積的53.61倍, 在此期間研究區(qū)植被覆蓋整體呈現(xiàn)退化趨勢。
植被覆蓋度可由遙感影像反演的NDVI充分反映, 并與NDVI呈正相關(guān), 即植被覆蓋度愈好, NDVI值愈大[20-21]??傮w上來看, 植被NDVI呈遞減趨勢, 年內(nèi)變化曲線為單峰型, 春季(3—5月)NDVI快速增加, 秋季(9—11月)NDVI快速降低, 夏季處于高位。為了更清晰地說明植被覆蓋隨時間的變化情況, 下面分別從年際和季節(jié)變化分析植被NDVI的變化。
1)不同年份植被覆蓋變化。根據(jù)年最大化NDVI數(shù)據(jù)散點圖, 能清晰的看出研究區(qū)2000—2015年植被覆蓋總體上呈減少趨勢, 說明植被覆蓋度在下降。這主要是由于過度放牧, 導(dǎo)致天然草場退化, 植被覆蓋降低。
2)不同季節(jié)植被覆蓋變化。由圖4可知, 研究區(qū)夏季植被覆蓋度最高, 秋季次之, 春季相對最低; 根據(jù)擬合的線性回歸方程, 可看出夏季NDVI值平均每10 a增長約-3.6%; 秋季NDVI值平均每10 a增長約-1.6%; 春季NDVI值平均每10 a增長約0.1%, 基本不變。
圖3 2000—2015年研究區(qū)植被NDVI年際變化
圖4 2000—2015年研究區(qū)植被NDVI不同季候變化
由圖5可知, 1961—2015年和靜縣平均溫度呈升高趨勢, 三個氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)表明從1995年到2000年, 研究區(qū)增溫效果明顯, 且從2000年以后溫度較2000年以前平均氣溫高出1.4 ℃, 導(dǎo)致蒸發(fā)量增加, 使干旱程度加大, 影響草地植被生長。大氣降水是高寒地區(qū)土壤水分變化的主導(dǎo)因素之一, 它的季節(jié)性規(guī)律導(dǎo)致土壤水分在時間上也有季節(jié)動態(tài), 而土壤水分的變化導(dǎo)致草地植被的生長變化。從研究區(qū)三個氣象站點的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出, 1990—2015年研究區(qū)年平均降水量183.8 mm, 年平均降水量均呈現(xiàn)增加趨勢, 但2000—2015年相較1961—2000年年平均降水量減少46.36 mm。降水的季節(jié)不均衡和區(qū)域分布不均勻也影響草地植被長期以來的生長。
由圖6可知, 研究區(qū)植被NDVI值和月平均氣溫之間呈顯著的指數(shù)趨勢, 復(fù)相關(guān)系數(shù)0.60,相關(guān)系數(shù)為0.801(=144), 超過<0.01的檢驗。植被NDVI值和月平均降水量之間呈現(xiàn)對數(shù)增長趨勢, 研究區(qū)植被月平均NDVI值和月降水量相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.832(=144), 超過<0.01的檢驗。圖中可看出, 隨著月降水量的增加, 研究區(qū)月均NDVI也隨之增加, 0—30 mm月均NDVI增加迅速, 當(dāng)月降水量超過30 mm后, 平均NDVI不再有明顯增長趨勢。
(1)2000—2015年, 研究區(qū)植被覆蓋表現(xiàn)為退化, 退化面積為13763.48 km2, 較植被覆蓋度增加面積多出12611.65 km2, 是植被覆蓋度增加面積的11.95倍; 以每5年為一個時段, 2000—2005年, 研究區(qū)植被覆蓋度增加面積相較退化面積多出677.30 km2; 2005—2010年, 研究區(qū)植被覆蓋度增加面積相較退化面積多出2546.12 km2; 2010—2015年, 研究區(qū)植被覆蓋度退化面積相較增加面積多出16311.21 km2,退化面積是增加面積的53.61倍, 在此期間研究區(qū)植被覆蓋整體呈現(xiàn)退化趨勢。
圖5 1961—2015年研究區(qū)年平均氣溫、降水量距平曲線
圖6 2000—2015年研究區(qū)植被NDVI與溫度及降水的年內(nèi)關(guān)系
(2)1961—2015年研究區(qū)平均氣溫呈升高趨勢, 2000—2015年年平均氣溫相較1961—2000年升高1.4 ℃, 研究區(qū)2000—2015年植被NDVI呈現(xiàn)下降趨勢, 年平均氣溫和NDVI的相關(guān)系數(shù)為–0.32, 呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。1961—2015年研究區(qū)降水呈增加趨勢, 但2000—2015年降水處于下降趨勢, 2000—2015年年平均降水量相較1961—2000年減少46.36 mm, 年平均降水量和NDVI的相關(guān)系數(shù)為0.76, 呈現(xiàn)正相關(guān)。
(3)研究區(qū)植被NDVI值變化年內(nèi)呈現(xiàn)單峰型, 夏季的NDVI值10 a增長約-3%, 秋季約為-1%, 春季基本不變。植被NDVI值和月平均氣溫之間呈顯著的指數(shù)趨勢, 復(fù)相關(guān)系數(shù)0.60, 相關(guān)系數(shù)為0.801(=144); 植被NDVI值和月平均降水量之間呈現(xiàn)對數(shù)增長趨勢, 與月降水量相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.832(=144), 均超過<0.01的檢驗。
植被覆蓋變化及其空間上的差異性是自然因素和人類活動共同作用的過程, 本文僅探討2000—2015年研究區(qū)植被覆蓋變化與氣溫降水的關(guān)系, 例如日照時數(shù)、土壤有機(jī)質(zhì)等自然要素和人類活動對植被覆蓋變化的影響尚未定量分析, 研究結(jié)果具有一定的局限性, 在今后的研究中, 有待進(jìn)一步探討。
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Grassland vegetation dynamics and the relationship between the temperature and precipitation in Hejing County, Xinjiang, Based on NDVI
YANG Jingya1,2, LI Xinguo1,2,*,YAN Kai3, LIU Bin4
1. College of Geographic Sciences and Tourism, Xinjiang Normal University, Urμmqi 830054, China 2. Xinjiang laboratory of lake environment and resources in arid zone, Urμmqi 830054, China 3. General Grassland Station of Xinjiang, Urumqi 830001, China 4. College of life Sciences, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China
Hejing County of Xinjiang was taken as the study area, in which the main data source included Landsat images of 2000, 2005, 2010 and 2015 as well as MODIS-NDVI 16d synthetic products of 2000-2015. The features of dynamic change of vegetation coverage at the grassland during 4 different periods were classified and evaluated by means of ArcGIS overlay analysis function, and the response of vegetation coverage change at the grassland to temperature and rainfall was researched based on the data of temperature and rainfall by means of NDVI deviation and trend line analysis. Results are as follows. (1) The vegetation coverage in the study area degraded by 13763.48km2during 2000-2015, which accounted for 49.42% of the total area. The degraded area was 12611.65km2larger than the increased area of vegetation coverage and 11.95 times as much as the latter. (2) NDVI of the vegetation in the study area tended to fall during 2000-2015; moreover, the correlation coefficient between annual average temperature and NDVI was -0.32, which was a negative correlation,and the correlation coefficientbetween average annual precipitation and NDVI was 0.76, which was a positive correlation. (3) The annual change of NDVI value was unimodal in the study area, with the average NDVI value in summer increasing by approximate -3.6% every 10a, the average NDVI value in autumn increasing by approximate -1.6% every 10a, the average NDVI value in spring increasing by approximate 0.1% every 10a. The correlation coefficient between NDVI value of vegetation and average monthly temperature was 0.801 (=144), and the correlation coefficient between NDVI value of vegetation and average monthlyprecipitation was 0.832 (=144), which both exceeded the inspection of<0.01.
vegetation coverage changes; NDVI; the trend line analysis; temperature; precipitation; Hejing County
10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.005
S127; X171.4
A
1008-8873(2018)06-038-07
2017-08-05;
2018-06-27
國家自然科學(xué)基金項目“新疆天山南坡中段種子植物區(qū)系特征及其垂直分布格局研究”(31360039); 國家自然科學(xué)基金項目“博斯騰湖西岸湖濱綠洲鹽漬土剖面土壤性質(zhì)演化及其高光譜響應(yīng)” (41661047); 新疆維吾爾自治區(qū)草原總站專項資金項目
楊靜雅(1991—), 女, 碩士研究生, 主要從事干旱區(qū)資源與環(huán)境變化及其遙感應(yīng)用研究, E-mail:yjy9059@163.com
李新國, 男, 博士, 教授, 主要從事干旱區(qū)資源與環(huán)境變化及其遙感應(yīng)用研究, E-mail:onlinelxg@sina.com
楊靜雅, 李新國, 閆凱, 等. 基于NDVI的新疆和靜縣草地植被覆蓋動態(tài)變化及其與氣溫降水的關(guān)系[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(6): 38-44.
YANG Jingya, LI Xinguo, YAN Kai, et al. Grassland vegetation dynamics and the relationship between the temperature and precipitation in Hejing County, Xinjiang, Based on NDVI[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 38-44.