基于GIS的安塞縣縣南溝流域農(nóng)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)

李茂森, 王繼軍,2, 陳 超, 成思敏, 李 玥

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 2.中國(guó)科學(xué)院水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌712100; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049; 4.陜西地建土地工程技術(shù)研究院, 陜西 西安 710075)

安塞縣縣南溝流域作為黃土高原丘陵溝壑區(qū)的典型代表，自1999年實(shí)施退耕還林工程以來草地和林地面積顯著增加，生態(tài)環(huán)境得到了巨大改善。與此同時(shí)流域內(nèi)凈碳匯量增量明顯[1-2]，種植業(yè)生態(tài)價(jià)值也呈穩(wěn)步遞增趨勢(shì)，流域碳匯產(chǎn)業(yè)潛力巨大[3]。但實(shí)際中縣南溝流域內(nèi)資源并沒有得到充分合理利用，資源與產(chǎn)業(yè)不相協(xié)調(diào)現(xiàn)象依然存在[4-5]，資源短缺與資源浪費(fèi)并存，林草產(chǎn)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后使區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展受到了嚴(yán)重制約[6]。農(nóng)用地作為農(nóng)業(yè)資源系統(tǒng)中的重要組成部分是直接用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地[7]。在保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，為了能夠充分利用流域內(nèi)農(nóng)業(yè)資源，合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)布局，需要對(duì)縣南溝流域內(nèi)農(nóng)用地生態(tài)適宜性進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。

農(nóng)用地的常規(guī)評(píng)價(jià)多依賴于地理信息等科學(xué)方法和技術(shù)，通過一定的算法和模型來開展農(nóng)用地評(píng)價(jià)[8]，是一種較為完善的評(píng)價(jià)方法體系。目前常用的土地適宜性評(píng)價(jià)方法大多為判別分析法或模糊綜合評(píng)價(jià)法[9-11]，雖然主觀性較強(qiáng)，但在一定程度的土地適宜性評(píng)價(jià)內(nèi)不失為一種有效的評(píng)價(jià)方式。在評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取方面，目前的農(nóng)用地適宜性評(píng)價(jià)大多為多層次，綜合化評(píng)價(jià)體系，但在不同地域類型側(cè)重點(diǎn)不同，在黃土高原地區(qū)，受自然環(huán)境、人為等因素的限制，在進(jìn)行農(nóng)用地適應(yīng)性評(píng)價(jià)時(shí)則更加側(cè)重于生態(tài)效益[12-13]。

縣南溝流域內(nèi)農(nóng)地?cái)?shù)量較為穩(wěn)定，農(nóng)地變化主要表現(xiàn)為內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化[14]。在此基礎(chǔ)上，利用RS，GIS技術(shù)，從立地條件、土壤性質(zhì)和土地利用狀況3個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，綜合應(yīng)用層次分析和模糊綜合評(píng)價(jià)方法構(gòu)建評(píng)價(jià)模型對(duì)縣南溝流域農(nóng)用地進(jìn)行生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)，從而劃分科學(xué)合理的土地利用方式，為流域的高效可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概括和數(shù)據(jù)來源

縣南溝流域位于延安市北部，安塞縣沿河灣鎮(zhèn)內(nèi)(東經(jīng)109°12′12″—109°22′12″，北緯36°41′24″—36°46′12″)。流域內(nèi)梁峁起伏、溝谷縱橫，最高地海拔為1 404 m,最低點(diǎn)海拔為1 012 m，平均海拔為1 219 m。流域年降水量為500～550 mm，降雨年分配不均，主要集中在7—9月，屬大陸性干旱半干旱氣候?？h南溝流域總面積為4 426.04 hm2，人口約為2 500人，目前流域耕地面積為377.37 hm2，占流域總面積的8.53%，果園面積為148.86 hm2，占3.36%，水域、居民區(qū)等非生產(chǎn)用地面積為66.91 hm2，占1.51%，其余為林地和草地分別占35.91%和50.69%。縣南溝流域內(nèi)林地樹種主要以刺槐為主，耕地主要分布在壩地、川地和梯田上，種植作物大多為玉米、土豆，果園則分布在梯田及緩坡地上，果樹樹種主要為蘋果樹。

本文主要數(shù)據(jù)來源是縣南溝流域2015年數(shù)字高程圖(DEM)，2015年的Google高清遙感影像圖(TM)，2015年縣南溝流域調(diào)查數(shù)據(jù)以及1984年延安市土壤普查數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 農(nóng)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

本文采用多因子分級(jí)加權(quán)指數(shù)和法[15]作為縣南溝流域農(nóng)用地的生態(tài)適宜性綜合評(píng)價(jià)模型，其評(píng)價(jià)步驟如下：通過對(duì)評(píng)價(jià)流域的實(shí)地分析篩選出影響農(nóng)用地利用的主要因子，通過專家打分的方式得到各個(gè)因子對(duì)農(nóng)用地影響程度的分值，采用層次分析法(AHP)得到各因子的權(quán)重值，然后對(duì)每一因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量化，通過ArcGIS軟件分析處理得到各評(píng)價(jià)因子的流域矢量圖，利用ArcGIS的圖層疊加分析功能將各個(gè)矢量圖進(jìn)行加權(quán)疊加，得到各土地利用類型適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，劃分評(píng)價(jià)單元適宜性等級(jí)，最后得到農(nóng)用地適宜性的空間分布[16]。評(píng)價(jià)模型表達(dá)式為：

式中：Suit為某一評(píng)價(jià)單元的適宜性綜合評(píng)價(jià)分值；n為評(píng)價(jià)因子總數(shù)；Wi表示第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；Pi為評(píng)價(jià)單元的第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的分值；i為評(píng)價(jià)因子編號(hào)。

2.2 農(nóng)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分的確定 通過對(duì)黃土高原丘陵溝壑區(qū)農(nóng)用地實(shí)際情況的分析，結(jié)合野外生態(tài)調(diào)查與歷史資料收集，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的基本原則[17]，結(jié)合影響流域內(nèi)農(nóng)用地利用的實(shí)際情況與數(shù)據(jù)獲取的可行性，最后與專家分析討論，選擇立地條件指標(biāo)(坡度、坡向、海拔、地貌類型)、土地利用現(xiàn)狀指標(biāo)、土壤性質(zhì)指標(biāo)(土壤類型、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu))共8個(gè)因子作為縣南溝流域適宜性分析的主要影響因子。

對(duì)于立地條件指標(biāo)層中坡度、坡向、海拔數(shù)據(jù)通過ArcGIS軟件處理流域數(shù)字高程圖(DEM)得到，地貌類型數(shù)據(jù)則利用ArcGIS軟件提取DEM中的山脊線和山谷線，從而得到流域地貌類型特征[18]，繪制完成地貌類型圖；而土地利用現(xiàn)狀則通過綜合分析Google遙感影像圖和縣南溝2015年調(diào)查數(shù)據(jù)并借助ENVI軟件劃分得到；土壤性質(zhì)指標(biāo)層數(shù)據(jù)為1984年延安市安塞縣土壤普查數(shù)據(jù)。

將各評(píng)價(jià)因子的土地適宜性等級(jí)劃分為4個(gè)等級(jí)[19]:高度適宜、中等適宜、勉強(qiáng)適宜、不適宜。對(duì)應(yīng)適宜性的4個(gè)等級(jí)，采用4分制，分別對(duì)應(yīng)4，3，2，1。在評(píng)價(jià)因子的等級(jí)劃分中坡度等級(jí)節(jié)點(diǎn)劃分為6°，15°，25°，45°，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)6°以下的農(nóng)用地可作為農(nóng)用旱地或牧草地；6°～15°可以通過利用水土保持工程措施修筑開挖梯田；25°為國(guó)家實(shí)施退耕還林還牧政策的坡度界限；45°為退耕還林的極限坡度[20-22]；由于流域內(nèi)海拔相對(duì)高差對(duì)于流域土地利用類型沒有決定性的影響作用，為減少高程分類同一級(jí)中的差異，增加級(jí)間的差異，提高小尺度流域評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性采用自然間斷法[23]將縣南溝海拔高度劃分為三類，分別為1 012～1 169 m，1 169～1 257 m，1 257～1 404 m。其余評(píng)價(jià)因子則根據(jù)其內(nèi)在屬性進(jìn)行劃分(表1)。

表1 縣南溝流域農(nóng)用地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定 本文利用層次分析法將指標(biāo)體系分為目標(biāo)層(縣南溝流域農(nóng)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià))、指標(biāo)層、因子層3層，通過專家打分的方式確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)層及其評(píng)價(jià)因子層的相對(duì)重要性，構(gòu)建指標(biāo)層與因子層的兩兩判斷矩陣，計(jì)算判斷矩陣的特征根和特征向量，得到各個(gè)指標(biāo)體系分層的適宜性權(quán)重，最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)其CR均小于0.1，判斷矩陣滿足一致性(表2)。

表2 評(píng)價(jià)因子權(quán)重

3 結(jié)果與分析

3.1 各評(píng)價(jià)單元適宜性等級(jí)劃分

利用ArcGIS軟件將包含7個(gè)評(píng)價(jià)因子的矢量圖進(jìn)行疊加，得到縣南溝流域農(nóng)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)單元圖，單元圖共劃分為1 511個(gè)評(píng)價(jià)單元，每個(gè)評(píng)價(jià)單元都具有坡度、坡向、海拔高度、地貌類型、土壤類型、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)和土地利用現(xiàn)狀8個(gè)屬性數(shù)據(jù)。根據(jù)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合表1到表4中單元評(píng)價(jià)因子分級(jí)的賦值與權(quán)重，采用地圖代數(shù)方法計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)單元林地、草地、耕地、園地的適宜性評(píng)價(jià)得分，適宜性得分越高則表示適宜性越好。評(píng)價(jià)結(jié)果為連續(xù)的柵格表面，其中林地適宜性得分值為1.747 6～4，草地適宜性得分值為3.040 3～4，耕地適宜性得分值為1.369 7～4，園地適宜性得分值為1.393 3～4，非生產(chǎn)地各土地利用類型適宜性評(píng)分值為0(附圖10)。

利用自然斷點(diǎn)法將各個(gè)評(píng)價(jià)單元的土地利用類型適宜性程度劃分為高度適宜、中度適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜四類，得到各土地利用類型適宜性在流域內(nèi)的面積分布。流域內(nèi)土地利用類型適宜性最高的為草地，農(nóng)用地草地適宜性面積達(dá)到流域總面積的97.04%，少許的草地不適宜性農(nóng)用地主要分布在流域南坡坡度較陡的陽(yáng)坡地上；流域內(nèi)林地也表現(xiàn)出高度適宜性，僅中度宜林以上的農(nóng)用地面積就占到流域總面積的58.02%，高度宜林的農(nóng)用地面積也達(dá)到流域總面積的24.24%，主要分布在壩地、川地、流域北坡的溝谷以及坡度較緩的陰坡地上；園地在流域內(nèi)的適宜性面積相比草地、林地則相對(duì)較少，但所占流域比例依然很大，達(dá)到流域總面積的79.52%，但高度宜園的農(nóng)用地面積則只有573.34 hm2僅為流域總面積的12.95%；流域內(nèi)農(nóng)用地的耕地適宜性在所有土地利用類型里適宜性最低，雖然可耕作的農(nóng)用地面積也達(dá)到流域總面積的74.48%，但高度宜耕性的農(nóng)用地僅為流域總面積的10.50%，而且大多為梯田、壩地這些通過水土保持工程措施改造的農(nóng)用地，具體詳見表3。

表3 縣南溝流域農(nóng)用地不同土地利用類型適宜性狀況

3.2 縣南溝流域各土地利用類型劃分

在縣南溝流域土地利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)單元得到的各土地利用類型的適宜程度等級(jí)，按照耕地、園地、林地、草地的優(yōu)先順序，從高度適宜到不適宜依次選取，為保障耕地、園地生產(chǎn)力的高效性只選取高度適宜和中度適宜耕地、園地的評(píng)價(jià)單元。其次各評(píng)價(jià)單元確定的適宜性土地利用類型，如果存在同一評(píng)價(jià)單元內(nèi)有多個(gè)同等適宜程度的土地利用類型，在優(yōu)先順序不超1的情況下判斷為二者同等適宜。由于草地的高適宜性，在評(píng)價(jià)單元中耕地、園地為勉強(qiáng)適宜的在不適宜林地的情況下皆判斷為宜草地，四種土地利用類型皆不適宜的評(píng)價(jià)單元?jiǎng)t判斷為不適宜地。從而得到縣南溝流域農(nóng)用地各適宜性土地利用類型分布(附圖11)：其中適宜性面積最大的土地利用類型依然為草地，占流域總面積的33.66%,主要分布在流域北坡的坡面部，而在流域南坡的坡面處則更適宜園地的使用，對(duì)流域進(jìn)行適宜性選擇后，流域的適宜性園地總面積為1 155.57 hm2，占流域總面積的26.11%，其中宜園地面積為773.15 hm2，宜耕宜園地面積為225.46 hm2，宜林宜園地面積為156.96 hm2。在適宜性選擇后，適宜性林地總面積相比流域林地現(xiàn)有面積變化不大為1 448.30 hm2，占流域總面積的32.72%，其中881.43 hm2為宜林宜草地，利用現(xiàn)狀主要為林地和草地，但單宜林性農(nóng)用地只有流域總面積的9.26%，主要原因?yàn)榇蟛糠脂F(xiàn)有林地表現(xiàn)出與宜林性同等的宜草性或更高的宜園性。宜耕地則依然表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境的苛刻性，總宜耕面積僅為流域總面積的14.26%，除了主要在川地、壩地、梯田上分布外，其余則分布在流域北坡的部分緩坡處(表4)。

表4 縣南溝流域農(nóng)用地適宜性面積分析 hm2

3.3 適宜性評(píng)價(jià)前后流域土地利用類型變化

縣南溝流域農(nóng)用地適宜性評(píng)價(jià)后，由于雙適宜性農(nóng)用地對(duì)各適宜性土地利用類型的緩沖作用，各土地利用類型適宜性總面積相比于流域各土地利用現(xiàn)狀除了園地適宜性面積有明顯增加外其余變化不大(圖1)。但總的宜林面積相比于流域現(xiàn)狀則有所減小，主要原因?yàn)楝F(xiàn)有林地具有多種適宜性，表現(xiàn)為部分林地展現(xiàn)出更好的宜園性以及少許林地的宜耕性，而且總的宜林、宜草面積相比于流域現(xiàn)有林地、草地面積明顯減少，減少面積占現(xiàn)有林地、草地面積的23.34%。除了面積變化外，各土地利用類型適宜性空間分布相比土地利用現(xiàn)狀也變化較大，主要表現(xiàn)為流域南坡的陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡上部分緩坡地的現(xiàn)有草地、林地表現(xiàn)出更好地宜園性，這也是適宜性園地面積明顯高于現(xiàn)有園地面積的主要原因，而在一些陰坡半陰坡的溝谷和緩坡地上的現(xiàn)有草地、林地則表現(xiàn)為宜林宜草的雙適宜性。相比現(xiàn)有林地、草地適宜性的變化，現(xiàn)有耕地、園地則變化不大，除了部分耕地、園地表現(xiàn)出宜耕宜園的雙適宜性外，其余絕大部分依然表現(xiàn)出良好的現(xiàn)有土地利用類型的適宜性。

圖1 評(píng)價(jià)前后土地利用類型所占流域比例

4 討 論

4.1 縣南溝流域農(nóng)用地有待合理利用，農(nóng)用地資源潛力巨大

縣南溝流域作為黃土高原丘陵溝壑區(qū)典型代表，生態(tài)環(huán)境脆弱，流域內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨著如何與生態(tài)環(huán)境保持協(xié)調(diào)等問題。本文通過建立多因子評(píng)價(jià)模型，應(yīng)用GIS技術(shù)對(duì)流域內(nèi)農(nóng)用地利用方式的適宜性進(jìn)行了合理劃分。從劃分結(jié)果來看在實(shí)施退耕還林工程后縣南溝流域耕地、園地面積仍然有提升空間，特別是園地發(fā)展空間巨大。其次流域草地空間發(fā)展?jié)摿薮?，適宜性評(píng)價(jià)后現(xiàn)有草地中除單一宜草地外，其他適宜性土地利用類型草地面積占現(xiàn)有總草地面積的36.00%，占流域總面積的18.25%，主要為較好的宜園和宜林性。所以流域內(nèi)現(xiàn)有荒草地可向林地、園地適當(dāng)轉(zhuǎn)變，這樣不僅能夠更好地保持流域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加經(jīng)濟(jì)收入還能增加流域內(nèi)的碳匯儲(chǔ)量，對(duì)流域低碳發(fā)展能起到良好的促進(jìn)作用。

4.2 果業(yè)發(fā)展前景較好，應(yīng)適當(dāng)增加果業(yè)投入

山地蘋果為安塞縣的特色產(chǎn)業(yè)，有著得天獨(dú)厚的氣候環(huán)境和完善的產(chǎn)業(yè)鏈?？h南溝流域內(nèi)果業(yè)潛力巨大，流域現(xiàn)有果園面積占流域總面積的3.36%，但適宜果園面積達(dá)到流域總面積的26.11%，其中高度適宜面積為流域總面積的12.95%相比現(xiàn)有果園面積增加2.85倍。流域可根據(jù)自身情況加大果業(yè)投入，開墾未利用的適宜園地，其中高度宜園的農(nóng)用地可發(fā)展蘋果、梨等高產(chǎn)值果業(yè)，中度宜園的農(nóng)用地則可種植核桃、山杏、棗樹等具有水土保持效益的經(jīng)濟(jì)樹種。合理規(guī)劃發(fā)展在增加流域生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也能保持流域的生態(tài)效益，維持流域發(fā)展的可持續(xù)性。

4.3 農(nóng)用地利用緩沖性強(qiáng)，土地利用方式多樣

從流域農(nóng)用地適宜性等級(jí)劃分的結(jié)果可知，單適宜性分布的宜耕地、宜園地、宜林地和宜草地所占流域比列皆在70%以上，同時(shí)具有雙類型同等適宜程度的農(nóng)用地面積比例也達(dá)到流域總面積的28.55%。流域內(nèi)農(nóng)用地表現(xiàn)出多適宜性，土地利用結(jié)構(gòu)方式多樣，特別是部分林草地具有著多種土地利用類型的適宜性。在保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和流域農(nóng)用地各適宜性范圍內(nèi)，根據(jù)不同需求可合理改變土地利用結(jié)構(gòu)，在適應(yīng)不同環(huán)境變化的同時(shí)也能維持流域內(nèi)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的動(dòng)態(tài)平衡。

5 結(jié) 論

基于GIS技術(shù)的農(nóng)用地適宜性評(píng)價(jià)可以將具體的要素?cái)?shù)據(jù)化，通過多層次因子的疊加分析能較全面的綜合農(nóng)用地適宜性的各種影響要素，在一定程度內(nèi)提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和合理性。同時(shí)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的劃分通過計(jì)算機(jī)完成，較好的保持了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。本文以多因子評(píng)價(jià)模型為基礎(chǔ)從立地條件、土壤性質(zhì)和土地利用狀況三個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，劃分了縣南溝流域農(nóng)用地不同土地利用類型的適宜性，從評(píng)價(jià)結(jié)果的劃分來看各適宜性土地利用類型所占流域比例較為合理，分別為宜耕宜園地面積占流域面積的5.09%，宜耕地面積地占9.17%，宜林宜園地面積占3.55%，宜園地面積占17.47%，宜林宜草地面積占19.91%，宜林地面積占9.26%，宜草地面積占33.66%。從評(píng)價(jià)結(jié)果的前后變化來看，除了流域開發(fā)較少的園地適宜性面積有明顯的增加外，其余土地利用類型的總適宜性面積變化不大，以此可以表明以多因子評(píng)價(jià)模型建立的縣南溝流域農(nóng)用地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方法是可行的。

6 問題與展望

6.1 流域農(nóng)用地適宜性劃分沒有絕對(duì)性

本文劃分的流域內(nèi)農(nóng)用地各土地利用類型適宜性是以耕地、園地、林地、草地的重要程度依次劃分的，劃分的各土地利用類型適宜性并沒有絕對(duì)性，是在一定程度內(nèi)的科學(xué)參考，例如宜耕、宜園地區(qū)域只是在同等條件下最適宜耕地、園地使用的區(qū)域，而對(duì)于林地、草地這類土地利用類型可能同樣適宜使用。在以后的研究中可根據(jù)流域的不同需求改變流域土地利用類型的側(cè)重點(diǎn)，劃分不同類型的流域農(nóng)用地適宜性，從而達(dá)到流域發(fā)展的動(dòng)態(tài)平衡與可持續(xù)性。

6.2 適宜性評(píng)價(jià)因子選擇與賦值的主觀性

由于沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文的適宜性評(píng)價(jià)因子的選擇主要是通過與該領(lǐng)域的多個(gè)專家討論分析得到的，而且對(duì)農(nóng)用地適宜性影響較大的土壤侵蝕因子和水源條件，由于土壤侵蝕數(shù)據(jù)無法獲取以及流域內(nèi)農(nóng)用地基本依靠雨水灌溉并沒有納入到本文的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，評(píng)價(jià)體系的全面性可能會(huì)受到影響。其次各因子適宜性評(píng)價(jià)的劃分標(biāo)準(zhǔn)和各因子權(quán)重都是采用專家咨詢的方式產(chǎn)生，由于這種方式比較主觀，整個(gè)評(píng)價(jià)體系的客觀性也有待深入研究。未來可以結(jié)合實(shí)際需要，應(yīng)用新的技術(shù)方法獲取更全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，減少主觀因素在評(píng)價(jià)中的影響，從而得到更科學(xué)更合理的流域農(nóng)用地適宜性。

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