基于GIS的重慶丘陵山區農村道路網絡特征研究

楊馨越，魏朝富，邵景安，張平倉，丁文峰

（1.西南大學資源環境學院三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400715；2.重慶師范大學三峽庫區山地生態與區域發展研究所，重慶 400047；3.長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

基于GIS的重慶丘陵山區農村道路網絡特征研究

楊馨越1，魏朝富1，邵景安2，張平倉3，丁文峰3

（1.西南大學資源環境學院三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶 400715；2.重慶師范大學三峽庫區山地生態與區域發展研究所，重慶 400047；3.長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

利用GIS空間分析功能，分析了重慶丘陵山區土地整理區農村道路網絡特征變化及其影響因素。結果表明：①土地整理后，道路的總長度由54.58 km增加到73.27 km，總密度由55.12 m／hm2上升到74.00 m／hm2，而且由土質路面變為泥結碎石路面和水泥路面；道路密度的Moran’s I系數由0.19降為0.08，空間分布趨于均衡；道路網絡的α指數、β指數、γ指數均有提高，網絡結構得到明顯優化。②從村級尺度看，農村道路網絡特征主要受微地形和居民點分布的影響，在道路布局時應盡量增加居民點的通達性和節約建設成本。③網絡分析方法能較好地反映農村道路特征變化。

農村道路；村級尺度；土地整理；空間分析

1 概 述

作為社會經濟開發的先導，道路在當今社會和經濟發展中起著中樞作用，其分布范圍之廣和發展速度之快，都是其它建設工程不能比擬的［1］。道路建設及運營在為經濟社會發展提供保障的同時，也帶來了生態系統的分割、干擾、破壞、退化等嚴重問題［2－4］。有關資料表明，道路對周邊環境的影響至少涉及到全球陸地的15%～20%［5，6］，因而受到國內外眾多學者的關注。

目前，相關研究多集中在宏觀尺度下道路對生態系統和景觀格局的影響上。早期的研究重點關注道路對森林、草原等自然景觀的影響［7－9］，后來逐漸擴展到人為活動影響更為復雜的城市和農村區域［10，11］。以往研究多關注道路產生的一系列影響，如道路對土地利用的影響：劉世梁等對云南縱向嶺谷區的道路網絡特征的研究表明，道路網絡與其影響下的土地利用均表現出空間集聚效應［12］。汪自書等以深圳14條城市道路為例，概括道路特征參數對兩側土地利用強度影響的3種映像模式［13］。也有研究高等級道路對景觀的影響的，如張鐿鋰等研究了青藏公路建設導致的道路沿線景觀破碎化過程［14］。而針對道路的特征研究，曹龍熹等定量模擬了黃土高原小流域的道路分布特征，重點關注道路對土地侵蝕的影響［15］。上述研究在道路特征及其影響方面取得了豐碩成果，但其研究尺度大多為省級范圍乃至更大的區域，時間跨度往往在10年以上，集中在高等級干線對土地利用的影響上，而村級尺度下的低等級道路、尤其是農村道路的特征變化及效應研究甚少。

就實際情況而言，我國農村道路包括通村公路、田間道、生產路等類型。生產路是指聯系田塊之間，主要為生產物質、貨物、小型機械向田間流通服務的道路。而田間道路是農田人工物質與能量、農產品輸出的廊道，并由其與林帶、渠系等將農田基質劃分為不同的斑塊，共同形成農田景觀，是農村道路的重要組成部分［16］。作為由生產路和田間道為基礎構建的農村道路網，不僅工程量大、覆蓋面廣，而且是支撐國民經濟發展的毛細血管，關系到農村經濟的繁榮、農業現代化的實現、農民生活水平的提高。隨著新農村建設的開展和農村道路工程建設的興起，農村道路的數量和空間特征發生根本性的轉變，其對農村景觀乃至人地系統的影響是多重的、深刻的。此外，由于農村道路格局受到地形地勢、地質、水文等自然條件與土地用途、耕作方式等社會經濟條件的綜合影響，不同地區道路網格局也不相同。特別是在人多地少的南方丘陵地區，由于機械化程度較低，土地利用集約度較高，它的農村道路格局的分布有盡量減少占地面積，與渠道、防護林結合格局［16］等區域特點。但是，目前對于農村道路特征的定量研究尚不多見，缺乏對農村道路工程效應的客觀評價，尤其缺少針對西南丘陵山區農村道路網的特征研究。

因此，本文選擇重慶市合川區大石鎮竹山、懣井、高川、柿子4個村為研究區，在村級尺度下，選擇田間道、生產路為研究對象，采用GIS空間分析，定量分析農村道路特征，分析其變化及對農村、農業、農民的影響，為進一步研究農村道路工程奠定基礎，為農村道路規劃、新農村建設提供科學決策依據。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區域

研究區位于重慶市合川區西南部（圖1），介于106°10′14″E至106°12′45″E，0°04′06″N至30°06′35″N之間。地貌類型為淺丘，海拔高度220.9～337.8 m，相對高差在50～80 m。氣候屬亞熱帶濕潤性季風區，年平均氣溫18.10℃，多年平均降水量1 124.0 mm。土壤為侏羅系沙溪廟組發育形成的紫色土和紫色水稻土，形成了以農業為主導產業的土地利用模式。該地區具有西南丘陵地區典型的自然、經濟特征，是重慶市主要的糧經產區、基本農田保護示范區和西部生態建設農田整治工程建設區。通過土地整理工程建設，在很大程度上改變了研究區農村道路的特征，直接影響到農村生產和農民生活狀況，推進了新農村建設的進程。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 The location of study area

2.2 數據處理

本文的主要數據源為整理前1∶2 000的土地利用現狀圖和整理及調查后得到的土地利用圖、1∶2 000的地形圖、施工前后道路分布圖、行政區劃圖以及相關的社會經濟資料。用AutoCAD2007矢量化后轉換格式，在ArcGIS 9.3的支持下，利用I-dentity和Spatial join功能，分別以社、村、區域為統計單位，對整理前后的田間道、生產路等不同等級道路進行統計分析、空間自相關分析。利用ArcGIS 9.3的3D analysis功能，生成研究區的DEM模型（數字高程模型），分析道路在微地形下的分布特征。采用Buffer analysis功能對道路作不同距離的緩沖區，以緩沖區為統計單元，分析土地整理前后道路與居民點鄰近度。

2.3 研究方法

2.3.1 道路網絡要素特征分析

田間道、生產路的長度l與寬度d可以確定農村道路對生態系統的干擾和對能量流阻隔的程度，決定了物質與能量流的運送效率［17］。道路密度表示道路的疏密程度，其計算公式為

式中：l為研究區內道路的長度；S為研究區總面積。

2.3.2 道路網絡空間特征分析

（1）空間自相關分析。空間統計分析的核心是認識與地理位置相關的數據間的依賴、空間關聯或空間自相關，通過空間位置建立數據間的統計關系［12］。空間自相關是測試空間某點的觀測值是否與其相鄰點的值存在相關性的一種分析方法。Moran指數是用來度量空間自相關的全局指標，反映的是空間鄰接或空間鄰近的區域單元觀測值的相似程度，其公式為

式中：xi為區域i的觀測值；wij為空間權重矩陣。空間權重矩陣通常可以通過空間數據的拓撲屬性如鄰接性來構造，也可以通過空間距離來構建，如果i和j之間的距離小于指定距離，則w（i，j）＝1，其他情況為0。文中采用鄰接性來構造空間權重矩。Moran指數的取值一般在［－1，1］之間，＜0表示負相關，＝0表示不相關，＞0表示正相關。

（2）網絡結構分析。網絡的復雜性可用網絡連通度、線點率、網絡閉合度以及成本比進行描述［18］。網絡閉合度是用來描述網絡中回路出現的程度，可用α指數來測度，即

式中：H為道路網絡中的實際環路數；Hmax為道路網絡中最大可能的環路數。設定L為道路數，V為節點數，當L≤V－1時，H＝0；當L＞V－1時，H＝LV＋1；Hmax＝2V－5。當α＝0時，表示網絡無回路；當α＝1時，表示網絡具有最大可能的回路數。

β指數也稱線點率，是指網絡中每個節點的平均連線數，

當β＜1時，表示形成樹狀格局；當β＝1時，表示形成單一回路；β＞1時，表示有更復雜的連接度水平。

網絡連通度γ是用來描述網絡中所有節點被連接的程度，即一個網絡中連接道路數與最大可能連接道路數之比，用來衡量道路網絡連通性、復雜度。

式中：L為道路數；V為節點數。γ指數的變化范圍為0～1，當γ＝0時，表示沒有節點相連；當γ＝1時，表示每個節點都彼此相連。

成本比則考慮道路的長度，主要反映了網絡的有效性，其計算公式為

式中：L為道路數；l為道路長度。

3 結果分析

3.1 農村道路網絡要素屬性變化

3.1.1 數量特征

對整理前后道路的條數、長度、密度進行統計，從總體上看，土地整理使區域內道路總條數由原來的188條增加到333條；總長度由原來的54.58 km增加到了73.27 km，其中生產路增加了10.23 km，田間道增加了8.46 km；總密度由55.12 m／hm2上升到74.00 m／hm2（圖2，圖3，表1）。以變化最顯著的竹山村為例，一方面，整理前竹山村的田間道密度僅為0.38 m／hm2，整理后田間道密度的增長幅度高達43.7倍，與田間道密度最大的柿子村的差距縮小到12.44 m／hm2；另一方面，田間道的等級和作用均高于生產路，竹山村通過維修擴建原有生產路，將其改變為等級較高的田間道。上述數據充分說明，土地整理中農村道路工程的實施顯著改善了落后地區的居民通行狀況。

圖2 農村道路長度變化Fig.2 The change of rural roads’length

圖3 農村道路密度變化Fig.3 The change of rural roads’density

表1 農村田間道路廊道結構指數變化Tab le 1 Changes of structfure parameter of various rural roads

3.1.2 質量特征

農村道路質量是影響農業生產和居民生活的顯著因素。路網的質量與整個路網的通行能力和服務水平密切相關。它一方面直接影響到通行質量，另一方面又直接影響到道路運輸經濟效益，并可以直接反映出路面狀況。很多農村道路標準、結構采用隨意性很大，且部分路段結構設計考慮的承載力不足，造成了一些路段早期破壞較為嚴重。在土地整理前，項目區77.06%的田間道均為土質路面，因長年過度利用與欠維修養護，部分路段已有不同程度的壓損破壞，導致路面坑洼不平，晴通雨阻，物流、人流不暢。生產路是連接居民點、坑塘以及農田等農民重要生產生活場所的紐帶，寬度為1 m的生產路僅占生產路的14.64%。土地整理實施以后，農村田間道路工程標準明顯提高，田間道的路面層由土質變為水泥路面。生產路寬度由0.4～1.0 m變為1.2～2.0 m，路面層由土質變為泥結碎石路面或水泥路面，保證正常的田間生產作業和維護管理，方便了小型機械在耕作與收割季節進出田塊。通過提高農村道路質量標準，有效緩解了農民的日常出行和機械化作業問題。

圖4 農村道路密度M oran’s I指數變化Fig.4 The change of M oran’s I coefficient in rural road density

圖5 整理前、后道路網絡對比圖Fig.5 Contrast of networks of rural road before and after land consolidation

3.2 農村道路網絡空間特征變化

3.2.1 道路密度的空間自相關分析

選擇道路密度這一重要的特征參數，統計不同鄉的道路密度，在ArcGIS中計算全局Moran’s I系數。系數越高，反映道路分布越集聚；系數越低，說明道路分布越離散和均勻。由圖4可知，土地整理前的Moran’s I系數為0.19，整理后這一指數降為0.08，且未通過顯著性檢驗，這說明通過土地整理，道路密度的空間集聚性明顯下降，空間均勻度顯著提高。整理前后，田間道的Moran’s I系數從0.53下降為－0.25，生產路的系數從0.22下降至0.11，這反映了生產路的分布形態比田間道更為離散。空間自相關分析結果可為道路布局提供指導，減少“高－高集聚”、“低－低集聚”造成的村或鄉的道路密度差異。

3.2.2 網絡結構指數分析

首先，從空間視覺效果來看，土地整理前生產路、田間道、公路在空間上沒有形成連通的網絡，居民點和農田未能通過農村道路得到有效的組織（圖5）。尤其是研究區北部，道路結構簡單，分布極不均勻，存在較多的斷頭路。而且，田間道主要集中在柿子村和高山村一帶，在其余2個村分布很少。這一網絡特征在土地整理后發生顯著改變，田間道以太大公路和212國道為軸線，形成了“四縱三橫”的格局。村與村的田間道交織成網，并與公路相連，形成各個村落相互連接的多條回路。在兼顧各村實際交通需求情況下，連接了居民點和農田的集中分布區，生產組織得到有效改善。

其次，從定量分析結果來看，土地整理前后道路網絡特征指數發生顯著變化（表2）。經過整理，區域的道路網絡閉合度、線點率、連通度均有提高，α指數由0上升到0.361，β指數由原來的0.959上升到1.708，γ指數由原來的0.323上升到0.575，成本比由0.997降低為0.995，這表明整理后道路網絡的連接度水平變得更加復雜，各個節點彼此相連的情況變得更好，從整體上提高了道路網絡的有效性。從不同村的橫向對比來看，土地整理前，懣井村和高川村道路網絡的α指數都為0，路網無回路，柿子村的α指數最高但也僅為0.16；土地整理后4個村的α指數均顯著增加，柿子村的α指數已達到0.568。β指數、γ指數也呈現類似的變化趨勢，但各個村的成本比差異較小。其中，柿子村各個指數的變化最為顯著，包括回路數、線點率、連接度在內的指數均呈上升趨勢，這說明項目區北部道路網絡結構得到了有效提高。

表2 農村田間道路網絡結構指數變化Table 2 The changes of rural roads’network strusture indexes

3.3 農村道路網絡特征變化的影響因素

3.3.1 道路布局與地形起伏的關系

以田間道、生產路為中心線，通過道路緩沖區與DEM進行空間疊加（圖6），提取每條道路的高程標準差并統計其平均值，得到的結果如圖7所示。可以發現，整理前，田間道與生產路高差標準值的平均值差異較大，超過2.76 m。土地整理實施后，項目區田間道的高差標準差平均值降低了0.8 m，生產路提高了0.2 m。但田間道高差標準差的平均值還是超出生產路高差標準差的平均值1.76 m。結合圖6可以看出，研究區地勢南北高、中間低，具有丘陵地區沖溝的形態特征；整理后新增的田間道多從東向西貫穿整個研究區，道路起伏相對平坦，導致其平均高差相對下降，但田間道整條跨越的區域遠遠大于生產路，地勢起伏相對復雜，使得田間道的相對高差超過生產路的相對高差；而生產路由于建設條件要求較低、修筑相對容易，整理時，在地形起伏較大或鄰近坡地居民點的地區也增加了生產路的布設，從而帶動了高程標準差平均值的上升，上述分析表明，在農村道路工程中，不僅需要考慮數量的增加和質量的提高，而且要結合當地的地形特點合理布設不同級別的農村道路。

圖6 道路的地形特征分析圖Fig.6 Contrast of rural roads’goomorphic characteristics before and after road consolidation

圖7 農村道路高程標準差的平均值變化圖Fig.7 The average standard deviation of the height for roads

3.3.2 道路布局與居民點分布的關系

農村道路的空間布局中，最關鍵的是要考慮到居民點的通行半徑，方便農民出行和田間生產活動。因此，農村道路布局與居民點分布的相互影響，成為評價道路工程效應的一個重要指標。以田間道、生產路向外作間隔20 m的緩沖區，統計不同緩沖半徑內的居民點個數，并剔除面積小于150 m2的零碎居民點，具體結果見圖8。由圖可知，整理前后道路緩沖區的居民點區位特征有顯著變化。土地整理實施以后，距道路20 m和40 m以內的居民點數量明顯增加，180 m以外的居民點個數變為0，這說明農村道路工程顯著增加了居民點的道路鄰近度，減少了居民生產生活半徑，方便了農村生產和農民生活。從曲線的剖面斜率來看，距道路80 m的位置出現明顯的拐點，這說明80 m以內的范圍是農戶擇居的主要區域。因此，在布設農村道路時應充分考慮居民點臨路而建的特點，盡量避免出現“道路建設－居民點擴張－耕地縮減”的負面效應。

圖8 道路緩沖區居民點數量變化趨勢圖Fig.8 The change of rural residential numbers in different buffer areas of roads

4 結論與討論

4.1 土地整理對農村道路特征具有顯著影響

本文的分析表明，土地整理以30.1%的農村道路工程投資，使農村道路的整體情況得到了極大改善，主要體現在：全區道路的總長度由54.58 km增加到73.27 km，總密度由55.12 m／hm2上升到74.00 m／hm2。路面材料由土質路面變為泥結碎石路面和水泥路面；道路密度的Moran’s I系數由0.19降為0.08，空間分布更加均勻；α指數由0上升到0.361，β指數由原來的0.959上升到1.708，γ指數由原來的0.323上升到0.575，成本比由0.997降低為0.995，整個道路網絡結構明顯得到優化。尤其是道路條件較差的懣井村和柿子村，通過土地整理顯著改善了道路密度和連通程度，密切了區域內外的交通聯系。上述研究結果與同類研究具有一致性，例如，鄧勝華等的研究揭示了土地整理使農村道路面積提高了8.7%［19］；楊曉艷等發現土地整理使田間道和生產路的長度、密度、連通度和環通度提高［20］；王松山等的研究表明直接臨路的農路由20%上升到100%，且增加了農道與公路的銜接度［21］。道路網絡的改善反映土地整理使居民點、田塊之間的連通度增加，農戶耕作半徑減少和農業機械作業半徑增加，農村人流、物流、信息流加強［22］。相關研究證實，土地整理可使農場到田塊的平均距離減少30%，使平均運輸時間減少38%［23］。

4.2 微地形、居民點分布影響農村道路布局

道路工程布局受到多種因素的共同作用。在宏觀尺度上，自然、社會、經濟等的空間分異決定了高等級道路路網布局具有顯著差異［24］。例如，黃土高原典型小流域的道路分布主要受坡面形態的影響［15］。然而，在村級尺度上，居民點與農田的分布決定了道路網絡的分布特征［25］，因此，本文結合區域的實際情況，主要考慮了地形這一自然因素的影響和農村居民點分布這一社會因素的影響。首先，前面的分析表明，在小范圍的研究區域，以微地形為代表的自然條件差異較小，不同道路的相對高差均在5 m以內，對于道路施工技術的要求并不高。然而，考慮到農村資本的稀缺性和農業機械化生產的便利性，在修建農村道路時應盡量做到節約成本和提高效率。其次，道路工程布局更多受到社會、經濟的影響，取決于農業生產、物流運輸和農民生活不同層次的需求。尤其是針對農民反映最強烈的是農村道路等級低、質量差、通行不便的問題，通過縮小農戶的出行半徑來增加居民點的通達性。由于西南丘陵區農村居民點分布具有小而散的特點，農田分布又多以面積較小的沖溝、沖田為主，因此，道路網絡的布設應在增加便利的同時，盡可能促進農村居民點的適度集中、減少對耕地斑塊的進一步分割和干擾。總體上，農村道路布局原則：一是盡量減少道路高程標準差和降低投資成本，二是盡可能增加農村居民點的道路鄰接性。

4.3 村級尺度上農村道路特征研究適宜采用網絡分析方法

目前農村道路網絡的分析多局限于傳統的定性方法，較少采用網絡特征定量分析方法。一般來說，道路網絡分析等定量研究方法在高等級公路或城市主干道規劃設計方面的應用較多［18，26］。高等級公路以射線狀為主要特征，而農村道路更多是基于連通性的考慮，以構建多個環路為主要網絡特征，運用網絡分析方法進行研究具有其優勢。本文的分析表明：①農村道路密度的空間自相關指數很小，整理前僅為0.19，整理后下降到0.08，這一計算結果遠遠低于云南縱向嶺谷區等研究案例［1，12，26］的相關數據，反映了村級尺度上農村道路分布的趨同性，在地理空間異質性方面不如交通干線顯著；②土地整理項目的實施，在短期內使農村道路的α指數、β指數、γ指數分別增加了0.361，0.749，0.252，網絡連通度和閉合度大幅度提升，這也是不同于高等級公路的主要特征。因此，通過引入網絡分析等定量手段，突出農村道路分布的空間異質性和網絡連通性，更好刻畫了農村道路特征變化，揭示了農村道路對農村區域的影響。

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［22］文云朝，汪一鳴.土地規劃與農村整治——比利時瓦隆區國土整治經驗借鑒［J］.地理研究，1998，17（2）：201－207.（WEN Yun-chao，WANG Yi-ming.Land use planning and rural management——on the experience of territorialmanagement in theWallonne Region of Belgium［J］.Geographical Research，1998，17（2）：201－207.（in Chinese））

［23］張正峰，陳百明.土地整理的效益分析［J］.農業工程學報，2003，19（2）：210－213.（ZHANG Zheng-feng，CHEN Bai-ming.Primary analysis on land consolidation benefits［J］.Transactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering，2003，19（2）：210－213.（in Chinese））

［24］張曉峰，周 偉.基于GIS的生態景觀結構分析及其在公路網規劃環評中的應用［J］.北京工業大學學報，2007，33（2）：197－202.（ZHANG Xiao-feng，ZHOU Wei.Analysis of ecological landscape structure and its application in road network planning and environmental assessment［J］.Journal of Beijing University of Technology，2007，33（2）：197－202.（in Chinese））

［25］劉世梁，溫敏霞，崔保山，等.基于網絡特征的道路生態干擾——以瀾滄江流域為例［J］.生態學報，2008，28（4）：1672－1680.（LIU Shi-liang，WEN Min-xia，CUIBao-shan，et al.Ecological effect of road based on network analysis：A case study in Lancang River valley［J］.Acta Ecologica Sinica，2008，28（4）：1672－1680.（in Chinese））

［26］王 娟，崔保山，劉世梁，等.各級道路網絡對縱向嶺谷區景觀結構健康的影響［J］.環境科學學報，2008，28（2）：261－268.（WANG Juan，CUI Bao-shan，LIU Shi-liang，et al.Effects of different level road networks on landscape structure health in the longitudinal rangegorge region［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2008，28（2）：261－268.（in Chinese））

（編輯：劉運飛）

Spatial Analysis of Rural Road Network in Hilly Area of Chongqing Based on GIS

YANG Xin-yue1，WEIChao-fu1，SHAO Jing-an2，ZHANG Ping-cang3，DINGWen-feng3
（1.Key Laboratory of Eco－environments in Three Gorges Reservoir Region（Ministry of Education），College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing 400715，China；2.Three-Gorges Reservoir Area，Chongqing Normal University，Chongqing 400047，China；3.Soil and Water Conservation Institute of Changjiang Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The quantity and spatial characteristics of rural roads in Chongqing City have been changed because of the implementation of new countryside construction and rural road construction projects.Thus this paper employed the spatial analysis of geographic information system（GIS）to analyze the characteristics change and its influence factors for rural roads in a land consolidation project area，which is located in the hilly area of Chongqing City.The results show that the total length of roads increases from 54.58 km to 73.27 km before and after land consolidation，and the road density increases from 55.12 m／hm2to 74.00 m／hm2during the same period.Thematerials used for building rural road have adopted mixed mud and rock as well as concrete，Moran’s I coefficient indicating road density is decreased from 0.19 to 0.08，which means that the road network is becomingmore and more even and optimization due to land consolidation.The network indexes ofα，β，γdemonstrate the improvement of road network.From the view point of village，the road network features are largely influenced bymicro-topography and distribution of rural residential area，thus road layout should consider to increase the proximity of residential area to roads and the cost-saving of roads’construction.Finally，the network analysis is proved to be effective in describing the characteristics change of rural roads.

rural road；village scale；land consolidation；spatial analysis

X144；U412.1

A

1001－5485（2010）11－0025－08

2010-09-10

國家科技支撐計劃課題（2008BAD98B02），教育部科學技術研究重點項目（210181）

楊馨越（1987-），女，四川德陽人，碩士研究生，主要從事土地利用與生態過程方面研究，（電話）023-68216497（電子信箱）weiyangsuifeng＠yahoo.com.cn。

魏朝富（1962-），男，四川樂山人，教授，博士生導師，主要從事土壤物理學、土地利用與生態過程方面研究，（電話）023-68251249（電子信箱）weicf＠swu.edu.cn。