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2016 , Vol. 38 >Issue 5: 814 - 824

DOI: https://doi.org/10.18402/resci.2016.05.02

Orginal Article

Characteristics of impervious surface changes across coastal China

  • ZHAI Jun ,
  • XIAO Tong ,
  • YANG Min ,
  • SUN Chenxi
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  • Satellite Environment Center,Ministry of Environmental Protection,Beijing 100094,China

Received date: 2015-07-24

  Request revised date: 2016-03-23

  Online published: 2016-05-23

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《资源科学》编辑部
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Abstract

The coastal zone is a frontier zone of economic development in China. The degree of utilization of the coastal zone is gradually increased because of convenient transportation. The coastal zone comprises fragile ecosystem and ecotones. Therefore,long-term over-exploitation and utilization would cause serious deterioration of ecological environment. This article analyzed relationships between key indicators of regional economic and social development and impervious surface area from remote sensing,and occupancy compensation relationships between impervious surface expansion and ecological land reduction. We found that during 2000-2008,the area of coastal zone impervious surface continued to increase in China and was positively correlated with economics and population. In general,GDP density had a better correlation with impervious surface rate than population. In the nine years,economic value added per unit of land improved. The average added value was 29.868 million CNY per square kilometer. Population density increased by an average of 181 persons per square kilometer. From 2000-2008, the expansion of the impervious surface of China's coastal zone included the increase of impervious surface area and impervious surface ratio. The increase of impervious surface area were mainly come from the occupation of cultivated land and ecological land. The expansion of impervious surface was constrained by the local natural geographical features, such as topography, elevation, slope and other factors. The impervious surface expansion were mainly from occupation of cultivated land in the seven economic zones coast. However, in different buffer levels, the impervious surface occupation intensity of cultivated land and ecological land showed obvious regional difference. The southern three economic zones (Beibu Gulf zone, west coast of the Taiwan Strait zone, the Pearl River Delta zone) had higher strength then the northern three economic zones(Beijing-Tianjin-Tangshan zone, Liaodong Bay and Liaodong Peninsula zone, Shandong Peninsula zone) in impervious surface occupation of ecological land. The reason may be that these regions have large area proportion of ecological land. In the future,the protection and development planning of the coastal zone should consider the regional differences of the ecological background, and then seek a more reasonable proportion of ecological land, cultivated land and construction land.

Key words： impervious surface; coastal zone; socioeconomic; ecological land; spatial analysis

Cite this article

ZHAI Jun , XIAO Tong , YANG Min , SUN Chenxi . Characteristics of impervious surface changes across coastal China[J]. Resources Science, 2016 , 38(5) : 814 -824 . DOI: 10.18402/resci.2016.05.02

1 引言

海岸带是陆地和海洋之间的过渡地带,是典型的生态交错带和脆弱区,也是开发利用强度最高的区域之一[1]。中国的海岸带总面积有300万km2,拥有1.8万km的海岸线,横穿热带、亚热带和温带三个地区[2]。随着全球变化问题的日益突出,海岸带以其独特的地理位置和在海陆交互过程中的特殊地位和作用,使得海岸带地区的土地利用和土地覆被变化研究日益受到关注[3]。由于海岸带土地的多种适宜性及优越的区位特点,其土地利用具有类型多样、方式集约、变化显著以及分异明显的特征[4]。但是近年来,海岸带地区快速的经济发展过程以及对资源的过度开发,大量的滨海原生湿地消失,自然保护和生物多样性保育面积减少,生态环境污染退化的问题愈发严重[5,6]。由于海岸带不同地区经济发展模式和土地利用模式的差异[7],地表覆盖的形式千差万别,不透水地表的增长是引起区域生态环境变化的关键要素之一,尤其是在城市地区[8]。在中国城市化快速发展的今天,城市高强度的扩展增加了不透水地表的面积,使城市产生的污染物直接以径流形式进入河流[9],对近海地区的地表和海洋水质状况产生了严重影响。有研究表明,城市面源污染是流域地表水环境恶化的重要原因之一,当流域不透水地表大于25%时会导致地表水环境的严重退化与毁坏[10]。因此对海岸带地区土地利用方式,尤其是不透水地表分布状况、增长方式、增加强度等方面的监测,对于进一步分析区域水环境特征,评价城市化对区域生态环境变化的影响和对生态系统健康程度的影响具有重要的数据支持和科学支撑意义。
生态用地指的是区域中以提供生态系统服务功能为主的土地利用类型,即能够直接或间接改良区域生态环境、改善区域人地关系（如维护生物多样性、保护和改善环境质量、减缓干旱和洪涝灾害和调节气候等多种生态功能）的用地类型[11]。一般来说,区别于人工表面和农业用地的用地类型,生态用地主要包括林地、草地、湿地等。海岸带重要生态用地的侵占,例如滩涂、红树林等,会严重威胁海岸带生物多样性与海岸带防护功能,导致生态退化、生态调节能力下降,增加生态风险[12,13]。合理的生态用地、建设用地结构比例,是海岸带生态环境保护、海岸带地区经济社会可持续发展的基本保障。

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

本研究中海岸带范围为中国自北向南1.8万km的海岸线向陆地部分扩展10km产生的缓冲区。在典型区分析中,为了获取不同典型区不透水地表占用其他类型用地的空间变化情况,缓冲区范围扩展到100km。海岸带边界数据来自《全国生态环境十年变化遥感调查评估》项目提供的1:25万中国边界数据[14]。整个区域由北向南跨越了30个纬度,涉及14个省区,包括2个直辖市,京津唐地区、长三角地区、珠三角地区等最发达的主要城市群,以及辽东湾及辽东半岛、北部湾地区、山东半岛和海峡西岸地区等中国近年来经济发展较为迅速的地区。总面积为104 676.8km2,本文涉及的研究区不包括中国6500多个岛屿[15]。

2.2 数据来源

（1）土地利用数据。地表土地利用数据来自2000年与2008年中国LUCC数据集,分别基于2000年Landsat TM和2008年Landsat TM与中巴资源卫星（CBERS）人工数字化解译获取[16-19]。
（2）区域不透水地表数据生成。区域不透水地表数据来自于匡文慧基于MODIS NDVI和DMSP-OLS数据建立的中国不透水地表（Impervious Surface Area）分布[8],包括2000年、2008年的不透水地表空间分布与不透水地表指数（Impervious Surface Area index：ISAindex）,用面积比例表示,简称为不透水率。空间分辨率为250m,城乡用地边界信息精度达98%,像元不透水率的误差幅度基本控制在20%以内[19]。其中,MODIS NDVI数据和DMSP-OLS数据均来自美国地质调查局（USGS）与美国国家地球物理数据中心（NGDC）,其中MODIS NDVI数据是2000年、2008年每年的16天合成250m空间分辨率栅格数据[20],DMSP-OLS数据产品可探低强度灯光,不受光线阴影影响,广泛用于城镇信息提取与城市扩张研究,数据空间分辨率为30弧秒[21]。为了和土地利用数据一致,减少统计误差,不透水地表数据采样为30m进行计算分析。
（3）社会经济统计数据。2000年和2008年沿海各省及沿海县域GDP与人口数据来源于统计年鉴[22-25]。

2.3 研究方法

（1）缓冲区分析方法。本文自北向南依次选取辽东湾及辽东半岛、京津唐、山东半岛、长三角、海峡西岸、珠三角、北部湾共7个典型区进行缓冲区分析。具体方法为以10km为间隔设计10级递增缓冲区,形成共100km缓冲区,分别统计不同级别缓冲区内不透水地表占用耕地和林、草、湿地的面积,通过散点图判断不同级别缓冲区的面积变化趋势、阈值特征等。进而对比分析典型区不同级别缓冲区内不透水地表扩展对生态用地占用的变化特征。
（2）相关分析方法。为了比较不透水地表面积和社会经济指标之间的关系,从人口和经济两个角度计算2000年和2008年两个时间的县域尺度不透水率和社会经济指标相关系数公式为：
r xy = ∑ i = 1 n ( x i - X ¯ ) ( y i - Y ¯ ) ∑ i = 1 n ( x i - X ¯ ) 2 ∑ i = 1 n ( y i - Y ¯ ) 2 （1）
式中 r xy 为相关系数;x和y分别为不透水率和社会经济指标;i为第i个县;n为县域个数; X ¯ 和 Y ¯ 分别为不透水率和社会经济指标平均值。

3 结果分析

3.1 中国海岸带不透水地表分布的总体状况

中国海岸带面积最大的是广东省,海岸带中不透水地表面积最大的是山东省,不透水地表占海岸带面积比例最高的是河北省,从2000-2008年,海岸带不透水地表面积增加最多的是福建省,增加了702.1km2,而不透水地表面积增量占区域海岸带面积比例最高的是上海市,增加的194.1km2不透水地表占到海岸带面积的12.6%,见表1。
Table 1 The area and impervious surface change statistics table of national nearly coastal zone from 2000 to 2008

表1 2000-2008年中国海岸带面积及不透水地表面积变化统计

省份 海岸带
面积
/km2		 2008年不透水地表面积
/km2		 2008年不透水地表面积占海岸带面积比例/% 2008年不透水地表增量占海岸带面积比例/% 不透水面
增量
/km2		 GDP增量/亿元 人口增量
/万人
上海 1 538.3 560.3 36.4 12.6 194.1 9 147.0 214
天津 1 046.0 422.0 40.3 4.7 49.1 4 715.0 175
辽宁 11 035.4 1 753.2 15.9 0.7 79.2 8 792.5 77
河北 3 106.3 1 285.2 41.4 1.1 34.4 11 099.6 245
山东 14 287.3 3 462.9 24.2 4.3 609.5 22 529.7 338
江苏 7 384.1 1 528.0 20.7 1.5 112.4 22 399.3 239
浙江 9 841.8 1 156.1 11.8 4.8 467.5 15 450.6 443
福建 12 256.2 1 764.9 14.4 5.7 702.1 6 903.0 133
广东 20 250.0 2 407.3 11.9 1.5 308.5 26 034.2 902
广西 4 617.1 396.7 8.6 0.2 9.3 5 121.4 327
海南 9 216.1 512.9 5.6 0.8 70.7 940.8 67
港澳台 10 098.1 1 033.7 10.2 10.5 108.9 - -
合计 104 676.7 16 283.2 241.4 48.4 2 636.8 - -
典型区及10km缓冲区空间分布见图1。通过计算中国海岸带10km缓冲区范围内不透水率的分布,将不透水地表划分为0~20%,20%~40%,40%~60%,60%~80%,80%~100%5个等级,分别统计了辽东湾及辽东半岛、京津唐、山东半岛、长三角、海峡西岸、珠三角、北部湾7个典型地区不同等级不透水地表面积（表2）。结果表明,2008年,7个典型区中,山东半岛、海峡西岸地区不透水地表面积最大,北部湾地区最小。但从不透水率的面积比例来看,不透水率大于80%的面积以珠三角与辽东湾及辽东半岛地区最大（图2）,北部湾地区仍然最小。
Figure 1 Spatial distribution of typical zones and 10km buffer

图1 典型区及10km缓冲区空间分布

Table 2 The area of different impervious rate grades of typical zones in 2008 （km2）

表2 2008年典型区不同等级不透水率面积

不透水率范围/% 辽东湾及辽东半岛 京津唐 山东半岛 长三角 海峡西岸 珠三角 北部湾
0~20 95.69 10.81 43.44 30.38 11.50 7.19 23.25
20~40 426.38 89.94 442.75 233.69 250.19 72.94 189.38
40~60 355.13 188.38 774.25 444.06 734.13 127.81 83.19
60~80 465.44 1 057.38 1 552.19 716.81 925.63 527.81 65.75
80~100 378.38 348.94 664.81 243.00 479.38 416.44 27.88
合计 1 721.02 1 695.45 3 477.44 1 667.94 2 400.83 1 152.19 389.45
Figure 2 Statistic results of area proportion of impervious rate in typical zones

图2 典型区不同等级不透水率面积比例统计结果

3.2 不透水地表分布与社会经济的关系

基于海岸带不透水地表的空间分布数据以及该地区县域社会经济统计数据,分别建立了2000年和2008年区域不透水率与经济社会发展统计参数之间的相关关系（如图3）。图3显示：2000年和2008年,沿海各县GDP密度与区域地表不透水率均具有较好的相关性,R2分别为0.3915和0.7084。而各县人口密度与区域地表不透水率相关性略差,2000年和2008年分别为0.1319和0.3459。表明沿海地区不透水率的空间差异与各地区经济状况关系要比与各地人口密度关系更为紧密。另外从图3也可以看出,沿海地区不透水率与社会经济统计数据的线性相关系数在2008年均优于2000年。可见到2008年,随着不透水地表面积的逐渐扩大,土地集约利用程度也在不断增加,GDP密度明显提升,沿海各县平均增加了2986.8万元/km2。人口密度平均增加了181人/km2。这一现象也与中国2000年以来快速的城镇化现象一致。
Figure 3 The relationship of Chinese coastal impervious surface area increase and social and economic statistics in 2000, in 2008（exclude Hongkong Macau and Taiwan）

图3 2000年、2008年中国海岸带沿海县域不透水率与社会经济统计数据散点分布（不包括港澳台地区）

3.3 不透水地表扩展来源分析

从2000-2008年,典型区内不透水地表的扩展必然会占用一定量的生态用地,例如林地、草地和湿地等具有重要生态功能的土地类型。本文利用卫星遥感解译的土地利用数据和海岸带不透水地表数据进行了空间叠置分析。为了更好地了解全国不同地区海岸带不透水地表增加占用耕地与生态用地（包括：林地、草地、湿地三种类型）的情况,对7个典型区进行了监测。从监测结果看（表3）,2000-2008年,7个典型区海岸带不透水地表的扩展,以京津唐扩展比例最小,为13.5%,北部湾地区最大,为65.1%。
Table 3 The ecological land and farmland area and proportion of impervious surface increase occupancy for typical zones from 2000 to 2008

表3 2000-2008年典型区不透水地表增加占用生态用地和耕地面积及其比例

典型区 占用生态用地比例
/%		 占用生态用地面积
/km2		 占用耕地比例
/%		 占用耕地面积
/km2		 不透水地表扩展比例/%
珠三角 61.9 108.3 38.1 66.5 43.1
京津唐 29.6 50.5 67.6 115.5 13.5
辽东湾及辽东半岛 27.5 82.5 72.5 217.8 31.7
海峡西岸 26.1 176.8 73.8 499.0 63.9
北部湾 24.3 34.5 75.4 107.0 65.1
山东半岛 22.8 135.8 74.6 444.5 31.9
长三角 8.3 36.5 91.7 405.0 53.6
从扩展来源看,珠三角地区不透水地表的扩展占用生态用地的比例最大,达到61.9%,在增加的174.8km2不透水地表中,有108.3km2来自于生态用地。其次,京津唐地区、辽东湾及辽东半岛、海峡西岸地区、北部湾地区、山东半岛地区不透水地表的扩展占用生态用地的比例分别为29.6%、27.5%、26.1%、24.3%和22.8%。长三角地区不透水地表的扩展占用生态用地面积比例最小,仅为8.3%。从不透水地表扩展占用生态用地的面积看,海峡西岸地区最大,为176.8km2。其次为山东半岛和珠三角地区,占用面积均超过100km2,占用面积最小的是北部湾地区,占用面积为34.5km2。总体上,绝大多数典型区不透水地表的扩展主要来自于耕地,在7个典型区中,除珠三角地区外,其余典型区不透水地表扩展占用耕地的比例均超过50%,长三角地区达到91.7%。从面积来看,海峡西岸地区不透水地表扩展占用耕地面积最大,为499.0km2,珠三角地区占用面积最小,为66.5km2。
从7个典型区不透水地表扩展方式来看,占用生态用地面积与占用耕地面积比例呈现明显差异,可以大致分为两类：珠三角地区不透水地表扩展占用的生态用地面积最大,比例为61.9%;其它地区不透水地表扩展占用生态用地面积小于耕地面积,其中长三角地区不透水地表扩展占用生态用地面积比例为8.3%。

3.4 人工建设地表不透水率空间差异分析

基于250m分辨率的遥感数据获得不透水率[8],可以描述像元内部的不透水率变化信息,弥补了土地利用类型不变情况下的不透水地表的变化特征。本文基于空间统计方法,计算了2000-2008年全国7个典型区地表不透水率的增长情况平均值（图4）。结果表明：7个典型区不透水率增加幅度的差异较小。长三角地区不透水率提高最大,平均值为13.4%。其次为海峡西岸地区和北部湾地区。京津唐地区不透水率提高最小,平均值为6.3%。
Figure 4 The impervious surface area index increase for typical zones from 2000 to 2008

图4 2000-2008年典型区不透水率增加情况

3.5 不透水地表扩展空间差异

为了进一步分析在不同典型区不透水地表占用生态用地和耕地的空间差异,对各个典型区占用土地利用类型,以10km为间隔设计10级递增缓冲区,对不同典型区、不同缓冲区级别不透水地表增量中的耕地、生态用地的占用情况进行统计分析（图5）。结果表明：各典型区在不同缓冲区范围内占用的用地以耕地为主。尤其是北部典型区,占用耕地面积比占用生态用地面积大一个数量级,例如京津唐地区、长三角地区和山东半岛地区。随着缓冲区范围不断增大,不透水地表扩展占用耕地面积上升明显,但存在显著的区域差异。例如山东半岛、海峡西岸地区和珠三角地区存在明显趋缓特征,表明不透水地表扩展占用耕地分别在距海岸线70km、60km和80km的区域附近达到峰值。图上呈现出对数变化特征。但是在京津唐地区、长三角地区,不透水地表扩展占用耕地表现为持续增加,在100km范围内未达到阈值,呈现出线性变化特征。对于不透水地表扩展占用生态用地来说,类似占用耕地变化特征,山东半岛、海峡西岸地区和珠三角地区分别在70km、60km和80km缓冲区处均表现出趋缓特征。值得注意的是,北部湾地区、辽东湾及辽东半岛地区的不透水地表占用耕地和生态用地面积变化分别在40km和30km处分别表现出先趋缓、后加速增加的特征,并不像其他地区变化较为连续。整体上,海岸带缓冲区内不透水地表扩展占用耕地和生态用地的空间变化斜率差异表明（图5）,位于北部的三个典型区（京津唐、辽东湾及辽东半岛、山东半岛）海岸带不透水地表的扩展占用耕地的强度基本是占用生态用地强度的4倍以上;南部的三个典型区（北部湾、海峡西岸、珠三角）不透水面的扩展对生态用地的占用强度明显高于北部地区,占用耕地的强度基本是占用生态用地强度的2倍以下;长三角地区是中国第一大经济区,由于区域内有丰富的耕地资源,以及经济社会快速发展,不透水地表扩展占用耕地的强度是占用生态用地强度的8.69倍。
Figure 5 The farmland and ecological land area change of impervious surface occupancy for typical zones from 2000 to 2008

图5 2000-2008年不同典型区在不同缓冲区范围内不透水地表占用耕地和生态用地面积变化

4 讨论

（1）从地理学角度分析中国海岸带人口分布与不透水地表关系、不透水地表占用生态用地的空间差异特征。可以看出,随着海岸带社会经济发展,人口压力逐渐增大,不透水地表逐渐增长。一般来说,城市人口密度的增加往往是由于人口从农村迁移到城市,并非人口自然增长所造成[26]。海岸带作为中国人口最稠密、经济最发达,但环境最脆弱的地区,正在面临由于人口迁徙增长和频繁的人类社会经济活动所带来的严重环境问题,威胁着可持续发展赖以实现的基础[27]。从海岸带不透水地表扩展占用其他用地类型情况看,京津唐地区、辽东湾及辽东半岛地区海岸带不透水地表扩展面积有限,而北部湾地区、海峡西岸地区,不透水地表面积均扩展了一倍以上,这与不同区域海岸带地区国土空间发展自然限制因素差异有关。珠三角地区不透水地表扩展占用生态用地面积超过扩展总面积的50%,大于其他典型区。除长三角地区外,其余地区这一比例大于20%（表2,表3）,这与典型区人口增长和经济社会的高速发展是分不开的。另外,原有不透水地表的不透水率增加情况也表明（图4）,在过去近10年的发展过程当中,这些地区处在沿海发展的前列,但是海峡西岸和北部湾地区的发展有“摊大饼”式的趋向,土地的集约化利用程度远不及长三角地区。
（2）作为人口集中分布的沿海地区,耕地面积明显大于生态用地等自然植被面积,因此,表3反映出随着城镇化等人类活动加剧,耕地被占用的现象也更为显著。但从北到南来看,不同典型区海岸带不透水地表占用耕地和生态用地的面积差异逐渐缩小。中国耕地主要分布在东北、华北地区[28,29],相对南方地区,生态用地面积整体比例较小。因此在北方地区,不透水地表扩展对耕地的占用要比对生态用地的占用更为明显。例如京津唐地区。相关研究表明,2000-2010年来,全国耕地减少速率最高的区域也集中在这些地区[30]。
（3）除了人为开发建设活动对海岸带不透水地表扩展有明显的驱动作用,地形地貌条件对土地利用变化特征也会产生较为显著的限制影响[31,32]。图5显示出不同宽度缓冲区范围内,7个典型区不透水地表扩展占用生态用地面积变化呈现出两类模式：京津唐、长三角地区表现出连续性较好的增长特征;其余典型区出现随着缓冲区增大,不透水地表占用耕地或生态用地面积变化会表现出逐渐趋缓（如海峡西岸、珠三角、山东半岛地区）,或先趋缓、后增长（如北部湾、辽东湾及辽东半岛地区）的特征,存在阈值。其原因主要是由于京津唐、长三角地区海岸带地貌以平原或冲积平原为主,而其他典型区丘陵、山地分布较多,并且距海岸远近程度不同,地形较为复杂,在海拔较高、坡度较大的地区减缓了不透水层的扩展速率[33]。对于这两类变化模式的进一步研究,对未来沿海城镇生态环境脆弱性与气候风险评价具有现实指导意义[34]。但是,本文所用不透水地表数据分辨率为250m,尽管不透水地表边界信息精度达98%,像元不透水率精度大于80%,但对于占用生态用地的进一步精细分类分析（如林地、草地、湿地）,精度尚有不足,不透水地表的空间精度限制了统计的结果,会带来一定的误差。所以,进一步的研究不仅需要提高不透水地表数据的空间分辨率,同时也要结合高精度的地形地貌数据进行分析,并且需要对缓冲区进一步细化。
（4）海岸带面临的压力要远远大于内陆地区,而随着全球气候变化,使得本来受到各种重压影响的海岸带更加脆弱,海岸带生态环境正在面临着前所未有的严重威胁[18]。因此,结合高分辨率卫星数据对海岸带生态用地侵占进行定量分析、定期监测,不仅可为海岸带土地利用决策提供定量评估方法,同时可以进一步建立海岸带国土空间开发控制线,服务于海岸带生态环境管理与决策。

5 结论

（1）从2000-2008年,中国海岸带不透水地表面积和不透水率均呈现增加趋势,与区域内不断增加的人口数量和GDP密度表现出明显的正相关关系。相比人口密度,沿海各县GDP密度与区域地表不透水率具有更好的相关性。9年间,沿海地区GDP密度明显提升,沿海各县平均增加了2986.8万元/km2,人口密度平均增加了181人/km2。
（2）从2000-2008年,中国海岸带不透水地表的扩展包括新增不透水地表和不透水率增加。新增不透水地表主要以占用耕地和生态用地为主。不透水地表的扩展受到当地自然地理特征的制约。在不透水地表扩展明显的7个典型区中,在距离海岸带100km的区域内,地形平坦、海拔较低、坡度较小的区域,不透水地表的扩展呈现明显的线性增加特征;而在地形较为复杂、海拔较高、坡度较大的地区,这种自然特征减缓了人类对土地的开发建设利用,不透水地表的增速随距离海岸带距离的增加而放缓。
（3）7个典型区海岸带不透水地表扩展均以占用耕地为主,但在不同缓冲区范围内,不透水地表占用耕地和生态用地强度表现出明显的区域差异特点。北部3个典型区（京津唐、辽东湾及辽东半岛、山东半岛）海岸带不透水地表的扩展占用耕地的强度基本是占用生态用地强度的4倍以上;南部的3个典型区（北部湾、海峡西岸、珠三角）不透水地表扩展占用耕地的强度是占用生态用地强度的2倍以下,这种差异主要由于这些区域生态用地面积比例较高而引起。在未来的海岸带保护与开发规划中,应综合考虑生态本底的区域差异,进而寻求更合理的生态用地、耕地和建设用地比例。
致谢：感谢“国家重点基础研究发展计划（973）项目第一课题：大尺度LUCC过程及其驱动机制的国际对比研究”提供不透水地表数据;“全国生态环境十年变化遥感调查评估项目”提供的海岸带边界数据。感谢编辑部提供的宝贵建议和指导。

The authors have declared that no competing interests exist.

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