范微維, 易桂花,2, 張廷斌,3,4, 別小娟, 王 琦
(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610059; 2.中國科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041; 3.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614007; 4.地學(xué)空間信息技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610059)
黃河源區(qū)青海省瑪多縣2000—2014年NDVI變化及氣候驅(qū)動(dòng)因子
范微維1, 易桂花1,2, 張廷斌1,3,4, 別小娟1, 王 琦1
(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610059; 2.中國科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041; 3.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614007; 4.地學(xué)空間信息技術(shù)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610059)
[目的] 研究黃河源區(qū)青海省瑪多縣2000—2014年NDVI的變化及其驅(qū)動(dòng)因子氣候的變化,為瑪多縣生態(tài)環(huán)境保護(hù)和土地資源規(guī)劃提供決策依據(jù)。[方法] 利用瑪多縣及其周邊地區(qū)9個(gè)氣象站生長季氣象資料和MOD13Q1/NDVI遙感影像數(shù)據(jù)集,采用最大值合成法、趨勢(shì)分析法和相關(guān)分析方法,分析NDVI的變化及氣候驅(qū)動(dòng)因子。[結(jié)果] 近15 a瑪多縣NDVI整體上呈增加趨勢(shì),增速為0.012/10 a;瑪多縣65.84%區(qū)域的植被覆蓋保持在基本不變狀態(tài),改善區(qū)域(27.47%)大于退化區(qū)域(6.69%);NDVI與生長季氣溫和降水均呈正相關(guān)關(guān)系,其中生長季降水對(duì)NDVI的影響更大;研究區(qū)內(nèi)NDVI變化主要受非氣候因子驅(qū)動(dòng)影響,占研究區(qū)面積的83.61%,受氣候驅(qū)動(dòng)影響的面積僅占16.39%,其中,氣溫降水綜合驅(qū)動(dòng)型占3.93%,氣溫驅(qū)動(dòng)型占2.74%,降水驅(qū)動(dòng)型占9.72%。[結(jié)論] 2000—2014年非氣候因素是影響瑪多縣植被NDVI變化的決定性因素。
NDVI; 植被覆蓋; 氣候變化; 驅(qū)動(dòng)因子; 瑪多縣
文獻(xiàn)參數(shù): 范微維,易桂花,張廷斌,等.黃河源區(qū)青海省瑪多縣2000—2014年NDVI變化及氣候驅(qū)動(dòng)因子[J].水土保持通報(bào),2017,37(1):335-340.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.059; Fan Weiwei, Yi Guihua, Zhang Tingbin, et al. Variation of NDVI and its climatic driving factors in Maduo County of Qinghai Province in Yellow River source region during 2000—2014[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1):335-340.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.059
植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是土壤、大氣和水分的自然紐帶,在全球變化中起著不可替代的作用[1-2]。氣候因素是植物生長和發(fā)育的重要條件,近年來,對(duì)植被與氣候要素關(guān)系的研究在全球變化研究中占有重要地位,已成為全球氣候變化研究的熱點(diǎn)之一[3-7]。遙感數(shù)據(jù)具有覆蓋區(qū)域面積大、地表分辨率高、多時(shí)相重復(fù)觀測(cè)等特點(diǎn),是區(qū)域植被變化研究的重要手段[8],在眾多的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品中,歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)是地表植被覆蓋和光合作用有效輻射吸收能力的一個(gè)較好指標(biāo)[3],能夠在大范圍內(nèi)連續(xù)、準(zhǔn)確地反映植被覆蓋狀況和生長狀況[9]。
瑪多縣位于青海省果洛藏族自治州,地理坐標(biāo)范圍位于33°50′—35°40′N,96°55′—99°20′E,總面積為26 099 km2,是黃河上游最大的水源涵養(yǎng)區(qū)和主要產(chǎn)流區(qū),有“千湖之縣”的美稱。由于瑪多縣嚴(yán)酷而獨(dú)特的自然環(huán)境,該區(qū)也是三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境最敏感和最脆弱的地區(qū)之一[10]。區(qū)內(nèi)植被類型比較簡單,以高寒草原、高寒草甸和高山稀疏植被為主[11],生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱,對(duì)氣候變化敏感且響應(yīng)迅速。自20世紀(jì)80年代以來,受全球氣候變暖的影響,氣候表現(xiàn)為暖干化趨勢(shì),加之超載放牧、鼠害泛濫以及采藥開礦等人類活動(dòng)較為頻繁,黃河源地區(qū)開始出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象,引發(fā)高寒草原、高寒草甸退化、土地沙漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。進(jìn)入21世紀(jì)以后研究區(qū)出現(xiàn)暖濕化趨勢(shì)[12-15],但是氣候變化對(duì)瑪多縣植被生長的影響研究則較少。那么,在長期氣候變暖背景下,研究瑪多縣近15 a NDVI的時(shí)空變化特征和規(guī)律,氣候變化對(duì)植被NDVI的影響范圍和幅度,以及氣候與非氣候因素影響植被NDVI的定量評(píng)價(jià)等問題,對(duì)理解全球變化對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響具有重要的意義?;诖?,本文擬以MOD13Q1/NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),研究2000—2014年黃河源區(qū)瑪多縣NDVI的時(shí)空變化特征及其對(duì)氣溫和降水的響應(yīng),以期為瑪多縣生態(tài)環(huán)境保護(hù)和土地資源規(guī)劃提供決策依據(jù)。
1.1 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理
研究區(qū)植被生長季為5—9月[9],故選用2000—2014年每年第129—273 d的16 d合成數(shù)據(jù)MOD13Q1。MOD13Q1遙感影像數(shù)據(jù)是由美國對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃EOS/Terra衛(wèi)星攜帶的中分辨率成像光譜儀MODIS(moderate resolution imaging spectroradiometer)獲取的,空間分辨率為250 m。利用MODIS MRT(modis reprojection tool)處理工具對(duì)MOD13Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換(投影坐標(biāo)為WGS_1 984_UTM_Zone_47 N)。為減少NDVI數(shù)據(jù)系列的噪聲[16],采用國際上慣用的最大值合成法(MVC)對(duì)生長季16 d合成NDVI影像取最大值作為月NDVI數(shù)據(jù)。
氣候數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.gov.cn/),包括清水河、石渠、達(dá)日、果洛、興海、都蘭、諾木蘭、瑪多和曲麻萊等9個(gè)氣象站點(diǎn)2000—2014年的月氣溫和月降水量資料,運(yùn)用ArcGIS的地統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging空間插值,生成與NDVI數(shù)據(jù)空間分辨率一致、投影相同的柵格數(shù)據(jù)。
1.2 研究方法
1.2.1 趨勢(shì)分析 趨勢(shì)分析是通過對(duì)一組隨時(shí)間變化的變量進(jìn)行線性回歸分析,從而預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)的方法0。該方法可計(jì)算研究區(qū)域時(shí)段內(nèi)每個(gè)柵格點(diǎn)NDVI的變化趨勢(shì),反映該區(qū)域植被NDVI變化的方向和速率[3,17]。計(jì)算公式如式(1)所示。
(1)
式中:n——監(jiān)測(cè)年數(shù);MNDVIi——第i年生長季NDVI最大值;θslope——NDVI的回歸斜率;如果θslope>0,則說明在研究時(shí)間段中NDVI的變化趨勢(shì)是增加,反之則減少,θslope=0說明NDVI沒有變化。
1.2.2 偏相關(guān)分析 由于在實(shí)際地理系統(tǒng)中影響要素因子比較多,一個(gè)要素的變化必然會(huì)引起其他各要素的變化,故研究某一要素對(duì)另一要素的影響時(shí)可用偏相關(guān)來表示兩要素的密切程度。偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如式(2)所示。
(2)
式中:rxy,z——將變量z固定后變量x和變量y之間的偏相關(guān)系數(shù),即xy相關(guān)中剔除了z的影響;rxy,rxz,ryz——變量x和y,變量x和z,變量y和z的相關(guān)系如式(3)。
(3)
偏相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)方法,計(jì)算公式如式(4)。
(4)
式中:n——樣本數(shù);m——自變量個(gè)數(shù)。
1.2.3 復(fù)相關(guān)分析 研究幾個(gè)要素與某一要素的密切程度可用復(fù)相關(guān)法分析法實(shí)現(xiàn)?;贜DVI與降水和氣溫的復(fù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如式(5)所示。
(5)
復(fù)相關(guān)的顯著性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn)法,計(jì)算公式如式(6)所示。
(6)
式中:n——樣本數(shù);k——自變量個(gè)數(shù)。
2.1 瑪多縣植被NDVI時(shí)空變化特征
由瑪多縣2000—2014年5—9月NDVI值得到對(duì)應(yīng)年生長季NDVI最大值和平均值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,近15 a瑪多縣植被NDVI最大值和NDVI平均值變化趨勢(shì)基本一致,呈波動(dòng)上升趨勢(shì)(圖1)。其中NDVI均值、最大值都在2003年出現(xiàn)極小值分別為0.28,0.48,在2010年出現(xiàn)極大值分別為0.35,0.55。其中NDVI最大值、均值在2003年前呈緩慢下降趨勢(shì),而后開始上升,2004—2007年都沒有明顯的變化,在2008年 NDVI最大值、均值都降低明顯,2008—2010年NDVI最大值、均值又都逐漸上升,在2010年后NDVI最大值、均值都降低、但變化趨勢(shì)較穩(wěn)定,植被覆蓋沒有明顯變化。
圖1 2000—2014年瑪多縣植被NDVI變化趨勢(shì)
同時(shí),經(jīng)統(tǒng)計(jì)瑪多縣生長季NDVI平均值、最大值的線性傾向率分別為0.012/10 a,0.004/10 a,說明近15 a瑪多縣植被覆蓋整體上表現(xiàn)呈增長趨勢(shì)。
對(duì)每年生長季5期NDVI月合成數(shù)據(jù)取最大值,得到一年中植被覆蓋的最佳狀態(tài),為了展示NDVI最大值空間分布,對(duì)2000—2014年的NDVI最大值取平均,得到NDVI最大值多年均值的空間分布圖(圖2)?,敹嗫hNDVI總體上表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間異質(zhì)性,NDVI值整體由東南向西北呈遞減趨勢(shì)。受季風(fēng)影響,瑪多縣東南部地區(qū)降水較多、熱量豐富有較好的水熱條件,植被生長對(duì)于水熱條件的依賴性較強(qiáng),瑪多縣氣候因子自西北向東南存在明顯的梯度變化,且有大面積的濕地,有利于植被生長,因此NDVI高值區(qū)主要分布在瑪多縣南部馬查理鎮(zhèn)和黃河鄉(xiāng)地勢(shì)較低和多湖泊地區(qū),植被類型為高寒草甸;另外在瑪多縣東部花石峽鎮(zhèn)內(nèi)海拔相對(duì)較高地區(qū)也為NDVI高值區(qū),植被類型為高寒草甸以及高山植被。而瑪多縣西北地區(qū)水熱條件較差,土地類型主要為草原以及荒漠,所以NDVI低值主要分布在北部的扎陵湖鄉(xiāng)和花石峽鎮(zhèn)附近,植被類型以高寒草原為主;另外在研究區(qū)中部呈條帶狀分布的荒漠地區(qū)也為NDVI低值區(qū),植被類型以高寒草原為主。
對(duì)研究區(qū)內(nèi)逐柵格像元進(jìn)行趨勢(shì)分析,得到研究區(qū)15 a NDVI變化趨勢(shì)的空間分布狀況(圖2),在ArcGIS中采用標(biāo)準(zhǔn)差法對(duì)結(jié)果進(jìn)行分類[18],本文將研究區(qū)域劃分為顯著退化、輕微退化、基本不變、輕微改善和顯著改善5個(gè)等級(jí)(表1),以便更加直觀的反映瑪多縣植被變化的空間差異。因在使用ArcGIS標(biāo)準(zhǔn)差分類時(shí),以1倍標(biāo)準(zhǔn)差分類結(jié)果自動(dòng)分為6類,即slope<-0.023 4,-0.023 4 結(jié)果表明:NDVI變化率格局為由東南向西北逐漸上升,2000—2014年研究區(qū)植被覆蓋顯著退化區(qū)域占0.58%,零星分布在瑪多縣西南部;輕微退化區(qū)域占6.57%,主要分布在瑪多縣瑪查理鎮(zhèn)、黃河鄉(xiāng)以及花石峽鎮(zhèn),海拔在4 200~4 900 m,地勢(shì)相對(duì)平坦,人口分布較集中;基本不變區(qū)域占總面積比重最大(63.54%),全區(qū)均有分布;輕微改善區(qū)域占28.96%,分布全區(qū);顯著改善區(qū)域占0.35%,集中在扎陵湖和鄂陵湖周圍。在研究時(shí)間段內(nèi),瑪多縣水、熱條件變好,同時(shí)由于三江源國家自然保護(hù)區(qū)的建立,大量生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程如退耕還草、退牧還草、鼠害治理等措施的實(shí)施,初見成效,對(duì)區(qū)內(nèi)植被覆蓋狀況的改善發(fā)揮了積極作用。文中計(jì)算的所有面積百分比都不包含水域面積。 圖2 2000—2014年瑪多縣植被NDVI最大值空間分布及變化趨勢(shì) 類型變化范圍百分比/%顯著退化slope≤-0.01330.58輕微退化-0.0133 2.2 瑪多縣植被生長季NDVI與降水量、平均氣溫之間的關(guān)系及驅(qū)動(dòng)分析 利用研究區(qū)瑪多氣象站點(diǎn)1953—2014年的氣候 數(shù)據(jù),采用3 a移動(dòng)平均法得到研究區(qū)生長季平均氣溫和降水量趨勢(shì),近62 a瑪多氣象站生長季平均氣溫以0.22 ℃/10 a速率升高,降水量以8.29 mm/10 a速率增加。其中,2000—2014年瑪多縣生長季氣溫和降水量增速均高于20世紀(jì)50年代以來歷史水平(圖3)。 近15 a,多年生長季平均氣溫為5.8 ℃,平均多年生長季降水量為300.1 mm。生長季氣溫升高、降雨量增加,改善了區(qū)內(nèi)水熱條件,從而促使植被NDVI向增長趨勢(shì)發(fā)展。 圖3 基于氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的區(qū)域生長季降水及平均氣溫均值變化趨勢(shì) 為全面分析研究區(qū)植被NDVI與氣候要素的關(guān)系,采用研究區(qū)周圍9個(gè)氣象站點(diǎn)的插值氣象資料與NDVI開展逐像元相關(guān)分析,分別得到植被NDVI與生長季氣溫、降水量的偏相關(guān)、復(fù)相關(guān)系數(shù)。偏相關(guān)分析結(jié)果表明(圖4),研究區(qū)內(nèi)植被NDVI與生長季平均氣溫呈正相關(guān)的區(qū)域占總面積的92.77%(圖4a),說明生長季平均氣溫對(duì)植被的生長起促進(jìn)作用,其中通過0.05顯著性檢驗(yàn)水平的區(qū)域占13.68%。NDVI與生長季降水呈正、負(fù)相關(guān)的區(qū)域分別占79.68%,20.32%,降水對(duì)研究區(qū)植被生長整體上表現(xiàn)為促進(jìn)作用;其中通過0.05顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占21.02%,主要分布在扎陵湖和鄂陵湖區(qū)(圖4b)。整體而言,瑪多縣植被NDVI與生長季氣溫和降雨量呈正相關(guān)關(guān)系,且對(duì)生長季降雨量的響應(yīng)更為敏感。 圖4 瑪多縣NDVI與生長季平均氣溫和降水量偏相關(guān)系數(shù)分布 參考國內(nèi)眾多學(xué)者研究的中國植被覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)分區(qū)方法[19],結(jié)合研究區(qū)的情況,對(duì)瑪多縣植被覆蓋變化進(jìn)行驅(qū)動(dòng)分析。分類準(zhǔn)則見表2,分類結(jié)果見圖5。 表2 植被覆蓋驅(qū)動(dòng)分區(qū)準(zhǔn)則 注:rNDVIT,P,rNDVIP,T分別為NDVI與氣溫、降水的偏相關(guān)系數(shù);RNDVI,TP表示NDVI與氣溫和降水的復(fù)相關(guān)系數(shù);t,F(xiàn)分別表示t,F(xiàn)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量值;t0.05和F0.05分別為t檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)的0.05顯著性水平。 氣溫驅(qū)動(dòng)型占研究區(qū)面積的2.74%,以扎陵湖和鄂陵湖以北最為明顯,該區(qū)以NDVI低值為主,土地類型主要為沙地和草地,植被類型為高寒草甸和高寒草原。降水驅(qū)動(dòng)型占9.72%,主要分布于扎陵湖、鄂陵湖附近,其它零星分布在研究區(qū)北部,主要為NDVI低值,土地類型主要為沙地和草地,植被類型為高寒草甸以及高寒草原。 氣溫降水驅(qū)動(dòng)型占3.93%,零星分布在研究區(qū)的西南地區(qū),主要為植被NDVI高值區(qū),覆蓋類型主要為灌木叢和高寒草甸。非氣候因子驅(qū)動(dòng)型所占比例最大為83.61%,呈片狀分布在研究區(qū)大部分地區(qū)。研究區(qū)屬于放牧大縣、人類活動(dòng)頻繁、鼠害嚴(yán)重[12-14],非氣候因子對(duì)植被覆蓋變化的影響較大。 圖5 2000—2014年瑪多縣植被覆蓋變化驅(qū)動(dòng)因子分布 受氣溫驅(qū)動(dòng)以及降水驅(qū)動(dòng)影響的地區(qū)主要分布在研究區(qū)北部,植被變化趨勢(shì)類型以輕微改善為主。該區(qū)位于高海拔地區(qū),生態(tài)環(huán)境相對(duì)較差;自2004年以來實(shí)施的生態(tài)移民等相關(guān)政策,這些地區(qū)受人類活動(dòng)影響程度降低。受氣溫驅(qū)動(dòng)地區(qū)分布著大量的沼澤濕地,表現(xiàn)為氣溫驅(qū)動(dòng)為主;而受降水驅(qū)動(dòng)的地區(qū)多為沙地和覆蓋度低的草地,植被生長態(tài)勢(shì)主要取決于降水。氣溫降水驅(qū)動(dòng)型主要分布在研究區(qū)南部海拔較高的地區(qū),受人類活動(dòng)影響程度低,植被變化趨勢(shì)以基本不變和輕微退化為主。 (1) 2000—2014年,瑪多縣NDVI整體呈上升趨勢(shì),增速為0.012/10 a。植被覆蓋率較大的地區(qū)主要分布在瑪多縣南部的馬查理鎮(zhèn)和黃河鄉(xiāng)地勢(shì)較低和多湖泊地區(qū)。植被覆蓋率低的地區(qū)主要分布在瑪多縣北部扎陵湖鄉(xiāng)和花石峽鎮(zhèn)?,敹嗫h65.84%的區(qū)域植被覆蓋保持在基本不變的狀態(tài),改善區(qū)域(27.47%)大于退化的區(qū)域(6.69%)。 (2) 2000—2014年瑪多縣氣溫、降水量均呈上升趨勢(shì)。偏相關(guān)分析結(jié)果表明,研究區(qū)NDVI總體上與氣溫、降水呈正相關(guān)關(guān)系,其中NDVI與氣溫正相關(guān)中通過0.05顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占13.68%,而與降水量呈正相關(guān)且通過0.05顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域占21.02%,說明生長季降水對(duì)研究區(qū)植被生長的影響略高于氣溫。 (3) 瑪多縣植被NDVI驅(qū)動(dòng)因子分析結(jié)果表明,非氣候因子驅(qū)動(dòng)型占83.61%,氣溫驅(qū)動(dòng)型占2.74%,降水驅(qū)動(dòng)型占9.72%,氣溫降水綜合驅(qū)動(dòng)型占3.93%;2000—2014年瑪多縣植被NDVI變化主要受非氣候因子驅(qū)動(dòng)。 本文以降水和氣溫作為氣候驅(qū)動(dòng)因子對(duì)瑪多縣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)分析,在時(shí)間尺度上僅考慮了年際變化的水平,未將植被生長對(duì)水熱條件的滯后性納入考慮。故在以后的研究中,植被演變的因子分析應(yīng)考慮到研究區(qū)域范圍和研究的時(shí)間尺度,結(jié)合多種影響因子進(jìn)行綜合分析,以揭示植被覆蓋變化的規(guī)律和原因。 [1] 郭鈮,朱燕君,王介民,等.近22 a來西北不同類型植被NDVI變化與氣候因子的關(guān)系[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2008,32(2):319-327. 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[Methods] MODIS13Q1/NDVI time series data, mean air temperature and precipitation data from 9 associated weather stations in growing-season during 2000 to 2014 were collected. Methods including maximum value synthesis, trend line analysis, correlation analysis, partial correlation analysis and multiple correlation analysis were applied. [Results] At temporal scale, NDVI had increased gradually at a rate of 0.012/10 a, which showed a good development trend for the vegetation cover in this region. At spatial scale, 65.84% area of vegetation coverage remained unchanged basically, while the increased and decreased area covered by 27.47% and 6.69% of this area, respectively. NDVI changes in the study area were mainly driven by non-climatic factors, which accounted for 83.61% of the area of the study area. In contrast, only 16.39% of the area was affected by climatic factors, of which, 3.96% was driven by a combined climatic factor of both air temperature and precipitation, 2.74% was driven by temperature and 9.72% was driven by precipitation. [Conclusion] Human activities are the key factors that affect the vegetation changes in Maduo County during the period from 2000 to 2014. NDVI; vegetation cover; climate change; driving factor; Maduo County 2016-03-25 2016-06-12 國家科技支撐項(xiàng)目“重點(diǎn)領(lǐng)域氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”(2012BAC19B05) 范微維(1989—),女(漢族),四川省廣安市人,碩士研究生,主研究方向?yàn)樯鷳B(tài)遙感。E-mail:1282985955@qq.com。 易桂花(1982—),女(漢族),四川省南充市人,博士,副教授,主要從事生態(tài)遙感研究。E-mail:yigh@cdut.edu.cn。 A 1000-288X(2017)01-0335-06 Q9483 結(jié) 論