方冰軻, 李旭東, 程東亞

基于地形梯度的巖溶槽谷土地利用變化特征

方冰軻, 李旭東*, 程東亞

貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院, 貴陽 550025

揭示巖溶槽谷土地利用變化特征, 為地區(qū)退耕還林和生態(tài)保護提供參考。以印江、思南、石阡等5縣區(qū)為研究區(qū), 選取DEM數(shù)據和土地利用數(shù)據, 探究巖溶槽谷土地利用時空分異特征和地形分異特征。結果表明: (1)2000—2018年間, 研究區(qū)土地利用類型以耕地、林地及草地為主, 水域及建設用地其次, 其中林地面積分布最多。(2)2000—2018年間, 研究區(qū)耕地和草地面積有所減少, 林地、水域與建設用地面積有所增加, 其中建設用地面積增長迅速。(3)2000—2018年間, 研究區(qū)耕地、林地峰值分布在海拔700—900 m, 草地峰值分布在500—700 m或700—900 m；2018年水域和建設用地峰值分別為500—700 m、700—900 m。(4)各土地利用類型在0o—25o地區(qū)均有分布, 25o以上地區(qū)以林地為主, 耕地及草地次之, 建設用地主要分布在25o以下。(5)2000—2018年間, 研究區(qū)耕地、林地及草地在半陰坡和半陽坡分布較多; 2018年建設用地在陽坡分布最多。文章結果可為地區(qū)生態(tài)保護、土地政策制定、武陵山生態(tài)脫貧等提供實際借鑒和理論參考。

土地利用; 地形梯度; 時空變化; 巖溶槽谷

0 前言

土地利用是人類活動與自然環(huán)境相互作用的產物, 受自然環(huán)境與社會經濟因素共同影響。在兩者的共同作用下, 不同地貌條件的土地利用變化規(guī)律存在差異?？λ固氐貐^(qū)地形崎嶇破碎, 地貌類型復雜[1], 其水土流失嚴重[2], 石漠化問題突出[3], 生態(tài)環(huán)境極為脆弱[4-5]。中國西南地區(qū)是世界上典型的喀斯特分布區(qū), 根據地貌可分為中高山、斷陷盆地、巖溶高原、巖溶峽谷、峰叢洼地、巖溶槽谷、峰林平原、溶丘洼地(槽谷)八大巖溶地貌類型[6]。巖溶槽谷是喀斯特地區(qū)的一種特殊地貌類型, 是指在“地質上表現(xiàn)為碳酸鹽巖與碎屑巖相間分布, 在地貌上表現(xiàn)為北東向脊壟條帶狀山嶺與槽谷或長條形洼地平行分布的地貌”[7]。巖溶槽谷具有植被稀少、水土流失嚴重、石漠化突出等特征, 同時該地區(qū)各地理要素受地形影響差異明顯[8]。

現(xiàn)階段國內學者對土地利用的研究[9-11]已比較成熟。對非喀斯特地區(qū)不同尺度[12-14]土地利用變化的研究有較為豐富的文獻，研究成果在不同程度上揭示了非喀斯特地區(qū)土地利用特點與轉型、影響因素/驅動機制、變化趨勢等[12-14]?？λ固氐貐^(qū)土地利用變化也受到較多學者關注, 但研究側重點與非喀斯特地區(qū)有所差異。如史晨璐等學者研究喀斯特斷陷盆地的土地利用及對生態(tài)系統(tǒng)的影響[15]; 薛貝等學者研究喀斯特山區(qū)典型縣域土地利用變化[16]; 張興菊等學者研究貴州省關嶺縣的喀斯特石漠化演變過程中土地利用變化特征[17]。對于喀斯特地區(qū)的研究, 其重點在土地利用類型特點與生態(tài)演變的關系, 這些研究成果對地區(qū)石漠化治理、生態(tài)恢復具有積極意義。巖溶槽谷作為喀斯特地貌類型之一, 近年來也有學者對此進行關注和探索，該地區(qū)的研究內容主要集中于地下河[18]、土壤[19]、石漠化[6]等方面, 較少從地形因子視角闡述巖溶槽谷區(qū)土地利用變化規(guī)律。

研究區(qū)主要位于貴州省東北部, 是武陵山貧困地區(qū)之一。該地區(qū)經濟發(fā)展落后, 巖溶生態(tài)環(huán)境脆弱, 人文與社會經濟環(huán)境獨特。這些特征是否影響該區(qū)域土地利用, 其影響的表現(xiàn)形式是否具有規(guī)律性, 這些規(guī)律在地形梯度上又是如何, 值得當前研究進一步推進。

因此, 本文從地形梯度視角闡述巖溶槽谷區(qū)土地利用變化, 揭示其土地利用分布特征、趨勢, 研究結果可為地區(qū)生態(tài)保護、土地政策制定、武陵山生態(tài)脫貧等提供實際借鑒和理論參考。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據來源與處理

1.1 研究區(qū)概況

巖溶槽谷地貌涉及中國西南眾多縣區(qū), 貴州又是該區(qū)域巖溶分布集中且典型的省份, 故本文巖溶槽谷縣區(qū)選取貴州省境內的印江、思南、江口、鳳岡、石阡五個縣區(qū)(圖1)。研究區(qū)位于貴州省東北部地區(qū), 介于N27o18′—28o21′、E107o31′—109o07′, 面積為10126.59 km2；地勢西北高東南低, 海拔介于255—2563 m, 平均海拔818 m, 有武陵山和梵凈山等重要山系, 有烏江、錦江等重要的河流。同時，研究區(qū)地勢高低起伏較大, 氣候特點在垂直方向上差異較大[20]。

1.2 數(shù)據來源與處理

(1)數(shù)據來源。土地利用數(shù)據和DEM數(shù)據分別來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據中心(http://www.resdc.cn)、地理空間數(shù)據云(http://www. gscloud.cn)。土地利用數(shù)據分辨率為1 km, DEM數(shù)據分辨率為30m。土地利用數(shù)據為2000年、2010年、2018年三期數(shù)據, 后期對數(shù)據進行剪裁和統(tǒng)一投影, 其坐標系為WGS 1984 UTM Zone 48N。

(2)土地利用數(shù)據處理。本文所使用的土地利用數(shù)據一級分類分為六大類, 分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地(居民、工礦、城鄉(xiāng)用地)及未利用土地, 二級分類若干類。采用研究區(qū)邊界對其進行剪裁, 得到土地利用數(shù)據，本研究僅考慮一級分類。由于土地利用數(shù)據分辨率為1 km, 未利用土地分布較為分散且面積較小, 無法體現(xiàn), 故本文僅探究五種土地利用類型, 即耕地、林地、草地、水域、建設用地。

圖1 研究區(qū)位置、海拔和主要城市

Figure 1 Location, altitude and major cities of the study area

(3)地形數(shù)據處理。本文提取基本地形因子為海拔、坡度及坡向。土地利用變化的坡向分布規(guī)律是本文重點內容之一, 考慮到研究區(qū)無坡向地區(qū)(即平地)較少, 暫不考慮平地部分土地利用變化。ArcGIS中坡向以正北方向為起始點0o, 順時針旋轉, 其取值范圍0o—360o[21], 因此本文將土地利用坡度變化視為梯度變化。一般坡向分類中有東坡、西坡、南坡等, 但該分類對陰坡與陽坡體現(xiàn)不足。本文參考文獻[22], 將陰坡與陽坡分為4類，進一步分析。具體分類范圍如下：陰坡(0o—67.5o、337.5o—360o)、陽坡(157.5o—247.5o)、半陰坡(67.5o—112.5o、292.5o—337.5o)、半陽坡(112.5o—157.5o、247.5o—292.5o)[22]。

2 結果與分析

2.1 地形基本特征

研究區(qū)海拔大致呈西部、南部及東北部高, 中部及東部河谷地區(qū)海拔低。東北部海拔最高的區(qū)域主要在梵凈山區(qū), 烏江及錦江河谷地帶為研究區(qū)低海拔地區(qū)(圖1)。

研究區(qū)坡度總體來看, 西部地區(qū)坡度起伏較小, 東部地區(qū)起伏較大。東部坡度最大地區(qū)為武陵山最高峰—梵凈山所在區(qū)域(圖2a)。以烏江為界, 烏江西部地區(qū)坡度平緩, 東部地區(qū)坡度則相對較高。研究區(qū)坡度小于5o的地區(qū), 面積占比6.48%, 小于25o的地區(qū)占比73.78%。

巖溶槽谷部分地區(qū)山—槽交替[23], 研究區(qū)局部地區(qū)亦有體現(xiàn)。研究區(qū)坡向以東、東南、西、西北坡向為主, 平地(即無坡向地區(qū))僅占總面積的0.1%, 基本可忽略不計(圖2b)。在印江及思南地區(qū), 東、東南與西、西北坡向相間分布, 構造線突出，具有較為明顯的空間趨勢。

2.2 土地利用空間分布特征

2000—2018年研究區(qū)林地空間上分布最多, 建設用地和水域面積則較少, 草地和耕地相間分布, 分布較為分散(圖3)。

研究區(qū)林地集中分布在梵凈山周邊, 以及研究區(qū)西部和北部坡度較大區(qū)域。草地多分布在林地向耕地過渡區(qū)域。水域零星分布在河流附近。建設用地多分布在縣域行政中心周邊。2000—2018年草地和耕地面積減少, 林地面積略有增加, 建設用地面積明顯增加。研究區(qū)西部邊緣地區(qū), 部分耕地逐漸轉變?yōu)榱值? 南部地區(qū)耕地及草地向林地轉變明顯; 東部邊緣地區(qū)部分林地轉變?yōu)楦丶安莸? 梵凈山附近部分地區(qū)耕地和草地逐漸轉變?yōu)榱值? 林地面積逐漸集中擴大。建設用地集中分布在行政中心附近, 且隨時間變化增加明顯。

2.3 土地利用分階段變化特征

2000—2018年間, 研究區(qū)內林地面積>耕地面積>草地面積>水域面積, 耕地、草地面積呈減少趨勢, 林地及建設用地面積呈明顯增加趨勢, 水域面積略有增加(表1)。

圖2 研究區(qū)坡度、坡向分布特征

Figure 2 Slope and aspect distribution characteristics of the study area

林地面積占研究區(qū)土地利用大部分, 且呈不斷增加趨勢。2000—2010年林地面積增加88.42 km2, 2010—2018年增加3.97 km2, 2000—2018年總體增加92.39 km2, 隨年份增長林地增加幅度逐漸減小。2000—2010年耕地面積增加7.95 km2, 2010—2018年減少55.63 km2, 2010年后耕地呈現(xiàn)減少趨勢, 2000—2018年耕地面積總計減少47.69 km2。2000—2018年草地面積遠低于林地和耕地面積, 不足林地面積的25%, 2000—2010年草地面積減少96.37 km2, 2010—2018年減少5.96 km2, 減少速度遠高于耕地。2000年水域面積占比不足1%, 明顯少于前三種土地利用類型面積。2000—2018年水域面積增加了13.91 km2。2000年和2010年建設用地面積為5種土地利用類別中面積最少的一類，2018年建設用地面積超過水域面積。2000年建設用地面積為7.95 km2, 2018年增長到51.66 km2；期間建設用地增加43.71 km2, 較2000年增加550%。

2.4 海拔梯度特征

2000—2018年研究區(qū)耕地、林地峰值分布在海拔700—900 m, 草地峰值分布在500—700 m或700—900 m；2018年水域和建設用地峰值分別為500—700 m、700—900 m(圖4)。

圖3 2000—2018年研究區(qū)土地利用空間分布特征

Figure 3 Spatial distribution characteristics of land use in the study area from 2000 to 2018

表1 研究區(qū)不同土地利用類型數(shù)量特征(km2)

耕地、林地在海拔分布上呈穩(wěn)定單峰型, 峰值均在海拔700—900 m。期間耕地在海拔700—900 m分布面積最大, 900 m后隨海拔升高面積減少, 而1900 m以上分布面積基本為零。2000—2018年耕地面積僅在300—700 m海拔略有增加, 一共增加40.73 km2, 其他各海拔均有減少。林地在各海拔高度均有分布, 海拔700—900 m分布最多, 2018年該海拔林地面積為1723.65 km2。2000—2018年林地面積在海拔300—700 m、大于1900 m略有減少, 其他海拔高度均有增加; 其中海拔700—900 m增加最多, 面積為77.49 km2。2018年的草地面積在海拔700—900 m達到342.74 km2, 900 m后草地面積隨海拔升高減少, 海拔1900 m后草地面積不足10 km2。2000—2018年海拔500—700 m草地面積減少最為明顯, 減少30.80 km2。水域與建設用地面積分布呈不穩(wěn)定單峰型, 2018年兩者的峰值在500—700 m、700—900 m。而2000—2018年的水域在海拔300—1100 m分布最多, 1300 m以上則基本無分布。2000—2018年的水域面積變化較為明顯,呈現(xiàn)增加趨勢, 在海拔500—700 m增加6.95 km2。2000—2018年建設用地在海拔1100 m以下分布面積較大；2018年在海拔700—900 m分布最多, 達到19.87 km2, 較2000年增加16.89 km2。

2.5 坡度梯度特征

研究區(qū)耕地、林地、草地、水域、建設用地五種土地利用類型在坡度0o—25o地區(qū)均有分布, 超過25o后土地利用類型以林地為主, 耕地及草地次之, 建設用地主要分布25o以下(圖5)。

耕地面積隨坡度上升先增加后減少, 在0o—25o地區(qū)分布較多, 10o—15o范圍內面積最大, 超過15o后隨坡度增加面積減少。2000—2018年耕地僅在坡度5o—10o、大于45o略微增加, 其他各坡度都有減少。林地同樣隨坡度增大呈先增加后減少趨勢, 坡度15o—20o林地面積最大, 2018年達到905.04 km2；超過20o后隨坡度增加分布面積逐漸減小, 期間在坡度20o—30o面積增加最為顯著, 共增加66.56 km2; 坡度5o—10o林地面積略微減少, 減少4.97 km2。2000—2018年草地在坡度5o—10o及20o—25o減少顯著, 分別減少28.81 km2、27.82 km2; 2010—2018年減少速度明顯高于2000—2010年。2000—2010年水域面積基本未發(fā)生變化, 2010—2018年水域增加明顯。2000—2018年建設用地在坡度10o—15o分布面積最大且增加顯著, 該坡度增加8.94 km2。2000—2010年坡度30o以上區(qū)域未有建設用地分布, 但2018年坡度30o—40o新增建設用地5.96 km2。

圖4 2000—2018年研究區(qū)土地利用變化的海拔分異特征

Figure 4 Altitude differentiation characteristics of land use changes in the study area from 2000 to 2018

圖5 2000—2018年研究區(qū)土地利用變化的坡度分異特征

Figure 5 The characteristics of slope differentiation of land use changes in the study area from 2000 to 2018

2.5 坡向梯度特征

從具體坡向看，耕地、林地、草地在東西兩坡分布較多, 2018年建設用地在南坡分布較多(圖6); 從陰坡與陽坡看，耕地、林地及草地在半陰坡和半陽坡均分布較多, 2018年建設用地在陽坡分布最多(表2)。

2000年、2010年耕地在西坡分布最多, 面積分別為344.73 km2、350.69 km2; 2018年在西北坡分布最多, 面積為311.95 km2。2000—2018年的耕地面積僅在南坡和東南坡呈現(xiàn)增加趨勢, 分別增加了20.86 km2、0.99 km2; 西坡面積減少最為明顯, 減少46.69 km2。2000—2018年的林地僅在南坡減少了9.93 km2, 其他各坡向都呈增加趨勢, 北坡、西坡增加明顯, 分別增加51.66 km2、56.63 km2。2000—2018年草地在西坡分布最多, 2000年面積為154.98 km2, 2018年減少為144.05 km2; 期間草地在各坡向都呈減少趨勢, 北坡和南坡減少明顯, 減少18.88 km2。2000—2018年水域面積變化明顯, 總體呈增長趨勢。2000年、2010年建設用地在西南坡分布最多, 面積均為1.99 km2; 2018年南坡分布最多, 面積達到8.94 km2。2010—2018年建設用地在各坡向都呈增長趨勢, 南坡增加最為明顯, 增加8.94 km2。

將坡向按陰坡和陽坡進一步分級，更為深入地探究坡向分異規(guī)律[22]。耕地、林地及草地均在半陰坡和半陽坡分布較多, 原因在于研究區(qū)半陰坡及半陽坡面積最大, 且光照水分比陰坡更加充足。陽坡光照及水分條件最優(yōu), 耕地在陽坡增加明顯。林地適應性更強, 在陰坡、半陰坡及半陽坡都有增加。草地在各個坡向均呈減少趨勢。2018年建設用地在陽坡分布最多, 與陽坡采光效果較好有關。

3 討論

3.1 關于土地利用總體變化特征

巖溶槽谷地形條件復雜、耕地質量差且適耕面積小, 近年來喀斯特地區(qū)退耕還林[24]、城市擴張與農村建設[25]都占用了大量耕地。同時, 區(qū)域內鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、鄉(xiāng)村旅游業(yè)的發(fā)展, 吸引了農村剩余勞動力,從事農業(yè)生產的人口減少, 導致坡耕地大量撂荒。生態(tài)移民搬遷等精準扶貧政策實施, 致使原居民點的坡耕地棄耕現(xiàn)象嚴重, 也造成耕地減少。喀斯特地區(qū)林地保護工程及城鎮(zhèn)化建設[26]對草地占用是導致草地變化的重要因素。由于研究區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱, 部分草地因水土流失嚴重轉變?yōu)槲蠢玫鼗蚴潜唤ㄔO用地所占用, 都會導致草地面積不斷減少。水域分布在特定環(huán)境, 雖然略有增加, 但總體面積變動不大, 這與水域面積總體較少密切相關。林地和建設用地面積增加明顯, 政府實施石漠化綜合治理以及退耕還林政策[27], 促使林地不斷增加。近年來, 由于人口增長, 城鎮(zhèn)化加快[28], 山地鄉(xiāng)村旅游發(fā)展, 以及社會基礎設施的不斷完善, 使得建設用地面積增加迅速, 尤其是2010年后最為明顯。

圖6 2000—2018年研究區(qū)土地利用變化的坡度梯度效應

Figure 6 The slope gradient effect of land use change in the study area from 2000 to 2018

表2 2000-2018年土地利用類型的坡向分布占比表(%)

3.2 關于土地利用變化的地形梯度特征

地形因子是山區(qū)土地利用的重要影響因子, 從海拔、坡度、坡向等方面制約著土地利用類型分布。研究區(qū)耕地主要集中于海拔小于1100 m地區(qū), 而在海拔相對較高地區(qū), 人類活動稀少, 林地和草地分布較多。水域受自然因素影響較大, 基本分布于烏江河谷地帶。建設用地大多分布在行政中心附近, 受人類活動范圍及施工條件影響。耕地、林地及草地在坡度0o—25o地區(qū)均有分布, 10o—25o是坡度對三種土地利用類型分布影響最明顯的階段。耕地峰值位于10o—15o, 在25o—30o減少最為明顯。但研究區(qū)屬于巖溶槽谷區(qū), 地塊破碎、坡度大, 適耕地塊較少, 當?shù)鼐用駷榱司S持生計, 坡度大于25o地區(qū)仍有部分坡耕地。林地及草地峰值位于15o—20o, 這也直接說明了生產生活用地與生態(tài)用地存在坡度差異。建設用地受坡度制約最為明顯, 坡度較高地區(qū)不利于人類活動, 且隨著坡度增加建設難度也在不斷提升, 坡度越高越不利于建設用地開發(fā)。2000—2010年坡度30o以上區(qū)域未有建設用地分布, 2018年30o—40o地區(qū)新增建設用地。期間陽坡光照條件最優(yōu), 耕地增加明顯。而作為生態(tài)用地的林地適應性更強, 在各坡向均有分布, 期間陰坡林地也有增長。建設用地受光照因素影響, 在陽坡分布最多, 這也體現(xiàn)了自然環(huán)境對城市建設的影響。

4 結論

(1)2000—2018年間, 研究區(qū)土地利用以耕地、林地及草地為主, 水域及建設用地其次, 其中林地面積分布最多。耕地多分布在縣域行政中心附近及坡度較低的地區(qū); 林地集中分布在梵凈山周邊, 以及研究區(qū)西部和北部坡度較大區(qū)域；草地多分布在林地向耕地過渡區(qū)域；水域零星分布在河流附近；建設用地多分布在縣域行政中心周邊地區(qū)。

(2)2000—2018年間, 研究區(qū)耕地和草地面積有所減少, 林地、水域與建設用地面積有所增加, 其中建設用地面積增長迅速。2018年相較于2000年，耕地面積減少47.69 km2, 草地減少102.33 km2; 林地增加92.39 km2; 水域增加13.91 km2; 建設用地增加43.71 km2。

(3)2000—2018年間, 研究區(qū)耕地、林地峰值分布在海拔700—900 m, 草地峰值分布在500—700 m或700—900 m；2018年水域和建設用地峰值分別為500—700 m、700—900 m。耕地、草地及建設用地主要分布在海拔1100 m以下區(qū)域。林地主要分布在海拔300—1500 m之間, 林地適應性較強, 分布范圍最廣。2000—2018年水域峰值從700—900 m過渡到500—700 m。

(4)各土地利用類型在0o—25o地區(qū)均有分布, 25o以上地區(qū)以林地為主, 耕地及草地次之，建設用地主要分布在25o以下。坡度越大開發(fā)難度越高, 因此耕地、建設用地主要分布在坡度小于25o地區(qū)。坡度較大地區(qū)耕作難度大, 且水土流失嚴重, 宜發(fā)展林地, 但研究區(qū)大于25o地區(qū)仍有坡耕地存在。

(5)2000—2018年間, 研究區(qū)耕地、林地及草地在半陰坡和半陽坡分布較多；2018年建設用地在陽坡分布最多。期間，半陰坡與半陽坡耕地、林地、草地分布均比較多，建設用地也有一定分布。2018年陽坡建設用地最多，達到了13.91 km2。

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Study on land use change of karst trough valley based on terrain differentiation

FANG Bingke, LI Xudong*, CHENG Dongya

School of Geography and Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550025, China

This paper reveals the characteristic of land use in karst trough valley and provides a reference for returning farmland to forest and ecological protection in this region. Five counties including Yinjiang, Sinan and Shiqian, etc are as the research areas. This paper selects DEM and land use data to explore the spatial and temporal variation and terrain variation characteristics of land use in karst trough valley. The results are as follows. (1) From 2000 to 2018, the land use in the study area was dominated by cultivated land, forest land and grassland, followed by water area and construction land, among which the forest land area was the most distributed. (2) From 2000 to 2018, the area of cultivated land and grassland in the study area decreased, while the area of woodland, water area and construction land increased, among which the area of construction land increased rapidly. (3) From 2000 to 2018, the peak distribution of cultivated land and forest land in the study area was 700-900 m above sea level, and the peak distribution of grassland was 500-700 m or 700-900 m; in 2018, the peak values of water and construction land were 500-700 m and 700-900 m, respectively. (4) All land use types were distributed in the area of 0o-25o. The area above 25owas dominated by forest land, followed by cultivated land and grassland, and construction land was mainly distributed below 25o. (5) From 2000 to 2018, the cultivated land, forest land and grassland in the study area were more distributed on semi-shady and semi-sunny slopes; in 2018, the construction land was most distributed on sunny slopes. The results of this paper can provide practical and theoretical references for regional ecological protection, land policy formulation, and ecological poverty alleviation in Wuling Mountain.

land use; terrain gradient; spatial-temporal change; karst trough valley

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.017

K921

A

1008-8873(2022)04-142-09

2020-07-27;

2020-09-29

貴州省科技廳項目【黔科合J字[2009]2253】

方冰軻(1998—), 女, 河南襄城人, 碩士研究生, 主要從事資源利用與低碳發(fā)展研究, E-mail:2556210887@qq.com

通信作者:李旭東, 男, 湖南邵東人, 教授, 主要從事人口地理與區(qū)域發(fā)展, 應對氣候變化與低碳經濟研究, E-mail: 616507732@qq.com

方冰軻, 李旭東, 程東亞. 基于地形梯度的巖溶槽谷土地利用變化特征[J]. 生態(tài)科學, 2022, 41(4): 142–150.

FANG Bingke, LI Xudong, CHENG Dongya. Study on land use change of karst trough valley based on terrain differentiation[J]. Ecological Science, 2022, 41(4): 142–150.