河南省農(nóng)業(yè)水土資源時空分異與匹配格局

文 倩, 孟天醒, 鄖雨旱

(河南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 鄭州 450002)

河南省農(nóng)業(yè)水土資源時空分異與匹配格局

文 倩, 孟天醒, 鄖雨旱

(河南農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 鄭州 450002)

水土資源是人類生產(chǎn)、生活的核心資源，其空間分布對區(qū)域糧食生產(chǎn)和耕地可持續(xù)利用有重要影響。河南省是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，為了解河南省水土資源的空間分布與匹配狀況，在構(gòu)建農(nóng)業(yè)水土資源匹配模型的基礎(chǔ)上，對河南省18個地市1999—2013年水土資源時空匹配程度進行了分析評價。結(jié)果表明：(1) 研究期內(nèi)，河南省耕地面積增加了19%，凈增131.3萬hm2，農(nóng)業(yè)用水比重降低了13%、凈減少23.8億m3；河南省耕地資源優(yōu)勢明顯，而水資源匱乏；水土資源數(shù)量不匹配。(2) 河南省水資源主要分布在河南省北部和南部，耕地資源主要分布在河南省東部和南部，水土資源空間不匹配。(3) 河南省水土資源匹配系數(shù)為0.21萬m3/hm2，僅為全國平均水平(0.56萬m3/hm2)的38%；研究期內(nèi)河南省水土資源匹配系數(shù)降低了25%。(4) 河南省水土資源匹配空間差異顯著，呈現(xiàn)出“北部最優(yōu)、南部東部優(yōu)于中部和西部”的格局。全省76%耕地水土資源匹配程度為“較差”(0.33

農(nóng)業(yè); 水土資源; 匹配系數(shù); 時空分異; 河南省

水土資源既是生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和敏感性的因素[1]，也是人類生產(chǎn)生活的核心資源和社會經(jīng)濟發(fā)展的支撐與保障條件[2]。水資源的豐缺程度和開發(fā)利用直接影響耕地資源的生產(chǎn)效率和利用方式，耕地資源的開墾程度也制約著水資源的開發(fā)利用[3]；二者的時空匹配程度與區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展緊密相關(guān)[4]。早期對水土資源的相關(guān)研究多集中于水資源空間分布或耕地資源的數(shù)量與質(zhì)量對農(nóng)業(yè)的影響[5-7]，近期則主要關(guān)注區(qū)域水土資源匹配及其承載力[1,3,8-10]。研究表明我國水土資源匹配程度處于世界平均水平[11]；水資源豐富區(qū)多分布在中東部和南方，糧食生產(chǎn)重心則位于中西部和北方[12]。雖然耕地資源是限制我國糧食生產(chǎn)的主要因素，但北方水資源的約束亦不可忽視[13]；除個別區(qū)域水資源豐富而土地資源相對緊缺外[14]，普遍水資源短缺、水土資源空間錯位、匹配程度差異明顯[3,8-9,15]。例如，我國東北地區(qū)耕地面積占全國16.68%，水資源僅占4.01%[16]。同時受工業(yè)化、城市化影響，農(nóng)業(yè)水土資源出現(xiàn)擠占、短缺和區(qū)域性結(jié)構(gòu)破壞等非持續(xù)利用問題，也將直接威脅國家和區(qū)域的糧食生產(chǎn)安全[17]。

河南省作為國家確定的糧食生產(chǎn)核心區(qū)和《全國新增1 000億斤糧食生產(chǎn)能力規(guī)劃(2009—2020年)》中確定的重點區(qū)域之一，在中國糧食安全格局中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位[18]；但隨著經(jīng)濟的快速增長，水土資源供需矛盾亦日益突出[19]。本研究通過構(gòu)建洛倫茲曲線和區(qū)域水土資源匹配測算模型，定量研究和科學評價河南省水土資源的時空匹配特征，不僅有利于優(yōu)化水土資源空間配置，實現(xiàn)水土資源持續(xù)利用，同時可為進一步挖掘區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力，保障國家糧食安全提供科學指導。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河南省地處中原地區(qū)，地理位置北緯31°23′—36°22，東經(jīng)110°21′—116°39′，土地總面積16.55萬km2，其中耕地面積8.14萬km2。地勢西高東低，平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%，26.6%和17.7%。屬暖溫帶—亞熱帶，濕潤—半濕潤季風氣候。年平均氣溫12.4～16.1℃，年平均降水量432～1 632 mm，降雨以6—8月最多，氣候溫和、無霜期長，適宜多種農(nóng)作物生長。河南省地跨長江、淮河、黃河、海河4大流域，省內(nèi)河流大多發(fā)源于西部、西北部和東南部山區(qū)，流域面積超過100 km2的河流有560條。多年平均水資源總量403.5億m3，人均水資源占有量383 m3。土壤類型以黃棕壤、棕壤、黃褐土、褐土、潮土為主，土壤肥力高、較適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展?，F(xiàn)轄18個省轄市以及10個直管縣。

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.2.1 農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度評價 評價農(nóng)業(yè)水土資源匹配程度主要有基尼系數(shù)法和單位耕地面積所擁有的水資源量法兩種方法。本文通過構(gòu)建河南省洛倫茲曲線來計算基尼系數(shù)，對河南省水土資源匹配狀況進行總體評價。用單位耕地面積擁有的水資源量計算、評價河南省各地市水土資源匹配狀況。區(qū)域水資源量可采用水資源總量或可利用水資源量來表征。由于水資源總量中包含了不具備開發(fā)利用價值的地下水以及不適合開發(fā)利用的生態(tài)用水[20]，為使分析結(jié)果更加嚴謹、可靠，本文使用水資源可利用量表征水資源量，進行水土資源匹配程度分析。

(1) 基尼系數(shù)計算。依據(jù)克魯格曼在產(chǎn)業(yè)與空間布局關(guān)系方面的研究，結(jié)合資源的空間分布特性，可通過構(gòu)造洛倫茲曲線研究區(qū)域資源的匹配問題。具體步驟如下[21]：① 以河南省18個地級市為基本單位，計算單位體積水資源量所服務(wù)的耕地面積，并由低到高排序；② 分別計算各地市水、土資源占河南省資源總量的比例，按照步驟①的排序，計算各地市水、土資源占河南省資源總量的累積比例；③ 將水資源占全省水資源總量的累積比例作為橫坐標，土地資源占全省土地資源總量的比例作為縱坐標，繪制水、土資源空間匹配的洛倫茲曲線；④ 對曲線進行參數(shù)估計并擬合曲線方程，利用積分求解0～1間曲線與45°線所夾圖形的面積，該面積的2倍即為基尼系數(shù)G。耕地資源的地理分布與水資源的地理分布越一致，則曲線越與45°線接近，G值越小，當各區(qū)域水土資源分布完全匹配時，曲線與45°線重合，即G=0；反之，若耕地資源幾乎完全集中在某一區(qū)域，而該區(qū)域水資源又很缺乏時，則區(qū)域基尼系數(shù)G越接近于1，說明水土資源極不匹配。

(2) 水土資源匹配系數(shù)測算模型構(gòu)建。采用單位耕地面積所擁有的水資源可利用量計算水土資源匹配系數(shù)。其中農(nóng)業(yè)水資源量依據(jù)河南省用水結(jié)構(gòu)(農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水)中農(nóng)業(yè)用水比重來確定，水土資源匹配系數(shù)計算以市域為基本單元。河南省水土資源匹配系數(shù)計算模型為：

(1)

式中：Rik為河南省i市k年水土資源匹配系數(shù)(104m3/hm2)；Wik為i市k年水資源可利用量(108m3)；Lik為i市k年耕地面積(104hm2)；αik為i市k年農(nóng)業(yè)用水占總用水的比重；n為河南省地級市數(shù)，本文為18。

河南省域水土資源匹配系數(shù)表征省內(nèi)各市水土資源匹配系數(shù)的平均水平，其計算模型為：

(2)

式中：Rk為河南省k年農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)；Rik為i市k年水土資源匹配系數(shù)；n為河南省轄市的數(shù)量，n=18。

1.2.2 數(shù)據(jù)來源及圖件制作 水資源數(shù)據(jù)來源于《河南省水資源公報》(1999—2013)；耕地資源數(shù)據(jù)來源于《河南省統(tǒng)計年鑒》(1999—2013)。利用ArcGIS 10.0軟件采用自然斷裂法(Jenks)對可利用水資源量、耕地資源總量及水土資源匹配系數(shù)等指標進行分級，得到水資源、耕地資源及水土資源空間分布圖。

2 河南省水土資源時空分布

2.1 水土資源動態(tài)變化

河南省多年平均水資源總量為403.5億m3，其中地表水資源量302.66億m3，地下水資源量190.00億m3，地表水和地下水重復量95.13億m3[22]。為分析近15 a河南省農(nóng)業(yè)水資源與土地資源的基本狀況，選取1999年、2004年、2013年份數(shù)據(jù)進行趨勢研究(表1)。研究期內(nèi)河南省水資源可利用總量基本不變、但空間差異較大。1999年全省水資源可利用總量228.6億m3，比常年減少50.6%；全省農(nóng)業(yè)用水比重為69%、用水總量159.7億m3，94.9%農(nóng)業(yè)用水用于灌溉；農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水比例為69.8∶17.7∶12.5。2004年水資源可利用量和農(nóng)業(yè)用水總量較1999年分別減少12%和8%。2013年水資源可利用總量238.6億m3，較多年均值偏少46.7%，全省農(nóng)業(yè)用水占總用水量的57.0%，其中92.21%用于灌溉；農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水比例為56.4∶24.7∶18.8。研究期內(nèi)農(nóng)業(yè)用水總量減少23.8億m3，比重降低12.9%，工業(yè)和生活用水分別增加6.8%和6.1%，其中城鎮(zhèn)生活用水增長最為顯著。1999—2013年，鄭州、開封、洛陽、平頂山、濮陽、三門峽、周口水資源可利用量有所增加，特別是平頂山的水資源可利用量增加了35.5%；鶴壁、許昌、漯河、新鄉(xiāng)等市下降明顯，其余地市水資源可利用數(shù)量基本不變。

2013年河南省耕地總面積為814萬hm2，較1999年增加了19.2%、凈增131.3萬hm2，年均增加8.8萬hm2。各市耕地面積均有所增加，其中信陽、新鄉(xiāng)、洛陽、平頂山、南陽等市耕地面積增加量超過20%，特別是信陽耕地面積增加了62%。土地整理復墾是新增耕地的主要來源，河南省國土資源公報(2013)顯示，2013年河南省完成高標準基本農(nóng)田建設(shè)60.1萬hm2。1999年，單位耕地面積水資源量2 339.7 m3/hm2，2013年單位耕地面積水資源量1 668.7 m3/hm2，近15 a河南省單位耕地面積水資源量減少了28.7%，每1 hm2耕地水資源占有量凈減少671.0 m3，水資源短缺危機進一步加劇。

表1 1999年、2004年、2013年河南省水資源可利用量、農(nóng)業(yè)用水比重及耕地面積

2.2 水土資源空間分布

從空間上看，河南省水資源的分布很不均衡、表現(xiàn)出“南北多、中西少”的特點。豫南和豫北地區(qū)的南陽、信陽、新鄉(xiāng)、周口、商丘、濮陽等市水資源較為豐富(圖1)，水資源可利用量均超過17億m3，約占全省水資源可利用總量的56%。豫西和豫中則相對匱乏，如濟源、三門峽、漯河、鶴壁等市的水資源可利用量僅為全省平均水平的20%～36%，其中濟源水資源可利用量僅為南陽的10%。其原因為河南省北部屬黃河、海河流域，南部屬長江、淮河流域，因此水資源較為豐富。

河南省耕地資源主要分布在豫東、豫南，其次為豫北、豫中，豫西耕地最少(圖1)。南陽、周口、駐馬店、信陽是河南省耕地最多的幾個地區(qū)，耕地面積均超過80萬hm2，其耕地面積之和占河南省耕地面積的45%。但可利用水資源量僅占全省總量的30%；特別是駐馬店耕地面積占全省總面積的12%，水資源可利用量僅占4%，水土資源分布極不平衡。

圖12013年河南省水資源和耕地資源空間分布格局

3 河南省水土資源匹配水平及時空分異

3.1 基尼系數(shù)動態(tài)變化

依照構(gòu)建洛倫茲曲線的方法，分別建立河南省1999年與2013年可利用水資源量、農(nóng)業(yè)用水量與耕地資源匹配的洛倫茲曲線并計算基尼系數(shù)(圖2A、圖2B)。圖2A顯示，近15 a河南省可利用水資源與耕地面積匹配的基尼系數(shù)G略有增加但變化不大，水土資源分布相對合理，35%的可利用水資源服務(wù)了50%的耕地面積。由于大多數(shù)地市可利用水資源量基本不變甚至有所增加,因此基尼系數(shù)增大主要是由于耕地面積的不均衡增加造成的。但從基于實際用水量計算的基尼系數(shù)來看，研究期內(nèi)基尼系數(shù)變化顯著(圖2B)。1999年基尼系數(shù)G=0.132，小于可利用水資源與耕地面積匹配的基尼系數(shù)，說明區(qū)域內(nèi)實際用水量與土地資源分布相對均衡、較為匹配；但2013年基尼系數(shù)G=0.330，不僅比1999年顯著增加，同時還明顯高于可利用水資源與耕地面積匹配的基尼系數(shù)，反映了研究期內(nèi)河南省水資源實際利用與分配的不均衡程度在不斷加劇，35%的可利用水資源服務(wù)了約55%的耕地面積，其根本原因是區(qū)域內(nèi)部水資源在不同產(chǎn)業(yè)間的利用與分配結(jié)構(gòu)的變化導致的。

3.2 水土資源匹配系數(shù)動態(tài)變化

河南省1999—2013年平均水土資源匹配系數(shù)為0.21萬m3/hm2，遠低于全國平均水平(0.56萬m3/hm2)[11]?？傮w上看，焦作、濮陽、鶴壁、濟源、新鄉(xiāng)等市水土資源匹配系數(shù)較高、焦作最高；駐馬店、漯河、三門峽、許昌、周口、南陽、洛陽、平頂山、商丘等市匹配系數(shù)較低，駐馬店匹配系數(shù)最低、僅為焦作的17%、單位耕地水資源量比焦作少0.35萬m3/hm2。其根本原因是水土資源的分布狀況，焦作耕地面積小但有豐富的地表及巖溶水資源；駐馬店耕地面積全省第二，但地表水資源多分布于山區(qū)，可利用水資源比例小，因此農(nóng)業(yè)用水需求和供給矛盾突出。此外，耕地資源豐富的南陽、駐馬店、周口、信陽與商丘的水土資源匹配系數(shù)都低于0.11萬m3/hm2(表2)。

1999—2013年，河南省水土資源匹配系數(shù)降低了34%。其中，許昌、平頂山、漯河、信陽、鄭州，洛陽等地區(qū)降幅超過50%，許昌最多，下降了近60%；洛陽、鶴壁、新鄉(xiāng)下降了30%～50%，其余地區(qū)下降了9%～30%；僅周口、濮陽水土資源匹配系數(shù)略有增加。

研究期內(nèi)，河南省水土資源匹配特征發(fā)生了較大變化。河南省是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，由于國家嚴格的耕地保護政策，1999—2013年，耕地面積增加了約19%并保持穩(wěn)定；但與之對應(yīng)的水土資源匹配系數(shù)卻不斷下降，15 a降低了近25%，其下降程度超過耕地面積的增加程度。水土資源匹配系數(shù)降低人口數(shù)量與耕地面積增長、用水結(jié)構(gòu)改變以及用水效率低下和水利設(shè)施建設(shè)滯后有關(guān)[18,23]。水資源相對于耕地數(shù)量的不足日趨嚴重，將成為河南省農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食生產(chǎn)重要的限制因素。

3.3 水土資源匹配時空分異

為研究市域尺度河南省水土資源匹配系數(shù)空間分布，將1999年、2013年河南省水土資源匹配系數(shù)劃分為四個等級以進行空間分析:Ⅰ匹配程度較優(yōu)(0.33

圖2 河南省1999年與2013年農(nóng)業(yè)用水量與可利用水資源量、耕地資源匹配洛倫茲曲線

104 m3/hm2

4 討 論

4.1 水土資源秉賦

水土資源是人類生產(chǎn)、生活的基本資料，水土資源耦合是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的先決條件；但由于水土資源分布空間錯位，干旱成為我國北方地區(qū)農(nóng)業(yè)及糧食生產(chǎn)的主要災(zāi)害[17]。河南省是我國極度缺水的6大地區(qū)之一[24]，水資源占有量不足全國的1.4%，每1 hm2耕地水資源占有量為全國的26%[25]。同時，河南省大、中型灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施完好率不足40%，超過40%的農(nóng)用機井建于20世紀80年代之前，70%的小型水庫建于20世紀70年代[26]。因此，河南省水資源短缺既有自然性缺水的約束，也是工程性缺水的后果。農(nóng)業(yè)是我國的用水大戶，占總用水量的70%[27]；但農(nóng)業(yè)用水效率低下，平均用水效率僅為49.1%[28]，單位面積灌溉用水效率低于60%[29]，每1 m3水糧食產(chǎn)量少于1 kg、不到發(fā)達國家的50%[30]。1999—2013年，河南省農(nóng)業(yè)用水比重降低了12.9%，工業(yè)和生活用水凈增31.5億m3；隨著經(jīng)濟發(fā)展，工業(yè)和生活用水會進一步擠占農(nóng)業(yè)用水，農(nóng)業(yè)將成為河南省主要的缺水戶[22]。河南省耕地面積占全國耕地總面積的6%，糧食產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)的10%，已連續(xù)15 a糧食總產(chǎn)全國第一[26]，為國家糧食安全作出了重要貢獻。第二次土地調(diào)查顯示，河南省85.3%的耕地坡度<2°，65.6%耕地具有灌溉設(shè)施；而我國耕地中有灌溉設(shè)施、質(zhì)量較好的僅占39%[17]，因此，河南省耕地質(zhì)量和數(shù)量總體較高。但河南省仍有近54%的耕地屬于中低產(chǎn)田[31]，有330萬hm2中低產(chǎn)田和近133萬hm2低洼易澇耕地需要治理[26]。若解決好水利基礎(chǔ)設(shè)施、科學技術(shù)等制約因素，還有30%的糧食增產(chǎn)潛力、可增產(chǎn)糧食總量超過2 000萬t[19]。

圖3 河南省1999年與2013年水土資源空間匹配格局

4.2 水土資源匹配

受自然條件限制，水土資源短缺及其匹配錯位是我國土地資源的基本格局[17]，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程中長期的根本性的制約因素[32-33]，將直接影響中國可持續(xù)食物安全[17]。河南省地貌類型多樣、氣候差異明顯，水土資源時空分布不均衡，因此水土資源匹配程度時空差異明顯。1999—2013年，河南省平均水土資源匹配系數(shù)(0.21萬m3/hm2)不僅遠低于全國平均水平，甚至低于陜西、河套灌區(qū)、延安等干旱區(qū)域的水土資源匹配系數(shù)[9,15]；其中，又以豫東、豫南的水土資源匹配系數(shù)最低。豫東、豫南是河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要區(qū)域，河南省東部地形平坦、耕地面積占河南省耕地總面積的46.5%、占河南省總產(chǎn)能的48.8%；可實現(xiàn)糧食單產(chǎn)、可實現(xiàn)糧食總產(chǎn)均為省內(nèi)最高[34]。但河南省東部也是嚴重缺水的地區(qū)，特別是周口、駐馬店水資源消耗總量最大，利用效率卻很低[35]。水土資源不匹配將直接影響河南省耕地資源的可持續(xù)利用和糧食高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

增強區(qū)域水土資源匹配程度的根本途徑是水利工程建設(shè)[17]。2011年河南省節(jié)水灌溉面積僅占有效灌溉面積的30%[23]；河南省應(yīng)以節(jié)水灌溉、機井建設(shè)和灌區(qū)續(xù)建配套工程為重點，全面加強農(nóng)田水利工程建設(shè)。同時，依據(jù)區(qū)域水資源實際承載能力，合理確定有效灌溉面積，避免水資源過度開發(fā)引起土地退化[36]和土地資源利用形式改變[37]等生態(tài)環(huán)境問題；才能從根本上有效改善水土資源不匹配的現(xiàn)狀，為河南省農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食生產(chǎn)提供最基本的保障。

5 結(jié) 論

通過運用水土資源匹配系數(shù)測算模型，對1999—2013年河南省農(nóng)業(yè)水土資源的時空分異與匹配格局進行了評價研究，結(jié)果表明：(1) 研究期內(nèi)，河南省耕地面積增加了19%，凈增131.3萬hm2，農(nóng)業(yè)用水比重降低13%、農(nóng)業(yè)用水量凈減少23.8億m3；水土資源數(shù)量不匹配。(2) 河南省水資源主要分布在北部與南部，耕地資源主要分布在東部與南部，水土資源空間不匹配。(3) 河南省水土資源匹配系數(shù)為0.21萬m3/hm2，僅為全國平均水平(0.56萬m3/hm2)的38%；研究期內(nèi)河南省水土資源匹配系數(shù)降低了25%。(4) 河南省水土資源匹配空間差異顯著，呈現(xiàn)出“北部最優(yōu)、南部東部優(yōu)于中部和西部”的格局。全省76%耕地水土資源匹配程度為“較差”或“極差”，僅有6%的耕地水土資源匹配程度“較優(yōu)”。

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TemporalandSpatialVariationandMatchPatternofAgriculturalLandandWaterResourcesinHen′anProvince

WEN Qian, MENG Tianxing, YUN Yuhan

(CollegeofResourcesandEnvironment,He′nanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

Water and land resources are the core resources for human being, and their spatial distributions have the significant impact on regional grain production and sustainable utilization of cultivated land. He′nan Province is one of major grain product areas in China. We aimed to reveal the spatial matching status of water and land resource of 18 cities in He′nan Province from 1999 to 2013 by using water and soil resources matching model. The results showed that: (1) the cultivated land was 19% higher in 2013 than in 1999, and the water consumption for agricultural was 13% lower in 1999 compared with 2013; He′nan Province was rich in cultivated land, while water resource was relatively poor, so the water and soil resources were mismatched; (2) There was a spatial mismatch between water and land resources, the southern and eastern He′nan had major cultivated land, however, the northern and southern He′nan had major water resources; (3) the matching coefficient of water and land resources was 2.1×103m3/hm2, which was far below the national average level (5.6 × 103m3/hm2); (4) the matching level gradually deteriorated from the northern and southern boundaries of He′nan to the middle of the area, north He′nan was optimal and east and west He′nan took the middle place which was better than central and west He′nan. For water and land resources matching conditions, only 6% of He′nan covered the good level while 76% of He′nan showed poor level or even poorer. Therefore, the shortage of water resources was the main limiting factor for the agriculture development in He′nan Province. To against the distinct regional diversity of water and land resources, constructing water conservancy works, comprehensive agricultural water saving technology and optimizing water distribution should be involved and applied.

agricultural; land and water resources; matching coefficient; temporal and spatial distribution difference; He′nan Province

2016-07-25

：2016-09-01

國家自然科學基金(40901120);河南省自然科學基金(152300410075)

文倩(1974—),女,遼寧本溪人,副教授,博士,主要從事區(qū)域土地資源利用與可持續(xù)發(fā)展研究。E-mail:wenqian23@163.com

F323.2

：A

：1005-3409(2017)05-0233-07