土地利用變化對芝罘連島沙壩附近海岸帶的影響

邸向紅, 王周龍, 王 慶, 張明明, 梁 彥

(1. 魯東大學 海岸研究所, 山東 煙臺 264025; 2. 山東壽光市第一中學, 山東 壽光 262700)

土地利用變化對芝罘連島沙壩附近海岸帶的影響

邸向紅1, 王周龍1, 王 慶1, 張明明1, 梁 彥2

(1. 魯東大學 海岸研究所, 山東 煙臺 264025; 2. 山東壽光市第一中學, 山東 壽光 262700)

在RS, GIS技術(shù)支持下, 經(jīng)過遙感影像解譯獲取了研究區(qū)1979, 1989, 1997和2007年4個典型時期土地利用信息, 通過對土地利用變化分析, 表明近 30 a來建設(shè)用地始終大幅增長, 耕地一直大量減少, 養(yǎng)殖池和河漫灘從無到有, 其他地類呈波動式變化。在快速城市化進程中人類活動對芝罘連島沙壩附近海岸帶產(chǎn)生了深刻影響： 其土地利用形式徹底改變, 灘涂向養(yǎng)殖池和建設(shè)用地轉(zhuǎn)變, 面積大幅減少; 岸線形狀發(fā)生變化, 岸線長度增長, 自然海岸消失, 人工海岸建設(shè)不斷向海延長, 連島沙壩變寬的同時地表被人工建筑覆蓋; 海底沖淤發(fā)生動態(tài)變化?？傊? 土地利用變化已經(jīng)深刻影響了芝罘連島沙壩及附近海岸帶的變化, 對這一問題的深入研究可為本地區(qū)海岸開發(fā)管理服務, 也對實現(xiàn)海岸帶可持續(xù)利用具有現(xiàn)實的研究價值。

土地利用; 芝罘連島沙壩; 海岸帶; 城市化; 人類活動

芝罘連島沙壩是一個世界著名的典型連島壩,以其獨有的海岸地貌環(huán)境引起國內(nèi)外學者的廣泛研究。前人[1-4]已針對芝罘連島沙壩在自然條件下的成因機理做出過不同程度的探討, 但其附近海岸帶近年來已發(fā)生很大變化, 針對在人類活動影響下連島沙壩附近海岸演變研究尚不多見, 只有張振克[5]曾簡單描述了人為活動對煙臺附近海岸地貌演變的影響。

海岸帶是海陸交互作用(LOICZ)的敏感反應區(qū),人地海矛盾表現(xiàn)突出, 當前 LOICZ與城市化和土地利用/覆被變化(LUCC)三者相互結(jié)合研究是一個新的全球變化中人文因子作用的關(guān)注熱點[6]。煙臺市近年來工業(yè)化、城市化發(fā)展迅速, 對連島沙壩附近海岸帶產(chǎn)生巨大影響。本文所選研究區(qū)域?qū)焖俪鞘谢l(fā)的土地利用變化已做出敏感響應, 文章重點對連島壩附近海岸帶土地利用變化進行研究, 解析在人為活動干預下本區(qū)土地利用方式、沙壩壩體及近岸海域變化情況, 從而為本地區(qū)海岸開發(fā)管理服務,也對實現(xiàn)海岸帶的可持續(xù)利用具有現(xiàn)實研究價值。

1 研究區(qū)域地理概況

研究區(qū)地理位置 121°16′～121°32′E, 37°28′～37°38′N(圖 1), 行政區(qū)劃上屬于煙臺市主城區(qū), 地處黃海、芝罘灣、套子灣包圍之中。沙壩原呈雙曲線形, 連接芝罘島和大沽夾河河口東側(cè)的海積平原。芝罘島北岸及南岸東西兩側(cè)、芝罘灣與大沽夾河之間的地區(qū)地貌類型都屬于基巖山地, 套子灣一側(cè)發(fā)育有砂質(zhì)海灘和河海作用沖積平原。芝罘灣以東擔子島、崆峒島等一系列島嶼形成天然屏障, 使芝罘灣成為一個半封閉小海灣。本區(qū)盛行偏北風, 各月最多風向是NW風。大沽夾河是本區(qū)最大的入海河流, 發(fā)源于棲霞市境內(nèi), 下游由內(nèi)夾河、外夾河兩支匯合而成,年入海泥沙平均為100萬t, 近年來有所減少。夾河泥沙入海后向芝罘島方向發(fā)生縱向搬運, 是芝罘連島沙壩建構(gòu)的主要泥沙來源[3]。本區(qū)屬于北溫帶東亞季風大陸性氣候, 全年溫度適中, 氣候溫和。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

選取1979, 1989, 1997和2007年4期遙感影像作為數(shù)據(jù)源, 所選圖像質(zhì)量較好而且研究區(qū)都處于退潮期。1979年為MSS影像, 分辨率為80 m; 1989年和1997年為TM影像, 地面分辨率為30 m; 2007年使用SPOT影像, 空間分辨率為10 m。其中SPOT圖像已經(jīng)過幾何糾正, 將其作為標準底圖對剩余3幅圖像進行幾何精校正, 并最終統(tǒng)一到 Albers投影下, 保證每幅糾正影像誤差控制在 1個像元以內(nèi)。收集煙臺市地形圖、海圖、土地利用現(xiàn)狀圖進行數(shù)字化, 同有關(guān)圖文資料一并作為輔助研究材料。根據(jù)海圖實測數(shù)據(jù), 得出海灣海底沖淤動態(tài)變化, 與遙感影像數(shù)據(jù)相結(jié)合進行芝罘沙壩附近海岸帶研究。

2.2 土地利用分類

根據(jù)目視解譯初步判讀, 結(jié)合研究區(qū)實際土地利用情況, 將分類系統(tǒng)劃為 13類： 耕地、果園、林地、河流、灘涂、養(yǎng)殖池、沼澤、建設(shè)用地、裸地、潟湖、庫塘、草地和河漫灘。耕地包括水澆地、旱地和菜地。建設(shè)用地包括居民地、工礦用地、防波堤及交通用地。潟湖包括有天然潟湖和人工潟湖。城市中連片規(guī)模大但植株較矮景觀綠化地歸為草地,植株高大的連片綠化地歸為林地。

2.3 土地利用信息提取

由于本文采用 3種不同空間分辨率影像作為數(shù)據(jù)源, 為保證解譯精度及數(shù)據(jù)一致性, 統(tǒng)一在1 ： 50 000比例尺下進行解譯。在Arcview GIS3.2軟件環(huán)境下, 根據(jù)已有分類系統(tǒng)對4幅圖像在近紅外、可見光波段組合數(shù)據(jù)融合后進行目視解譯, 提取本區(qū)土地利用信息, 得到1979, 1989, 1997和2007年研究區(qū)土地利用圖(圖2)。

圖2 不同時期研究區(qū)土地利用Fig. 2 Land use in different years

3 研究結(jié)果

3.1 土地利用變化

土地利用變化表現(xiàn)在不同年份存在的用地類型有所差異, 也反映在同一種土地類型在不同年份面積總量和斑塊數(shù)量的變化, 通過統(tǒng)計 4期土地利用圖得到本區(qū)土地利用變化表(表1)。

耕地面積近30 a來始終大幅下降, 斑塊數(shù)增加后急劇減少, 其原因在于研究期間耕地不斷轉(zhuǎn)化為其他土地利用形式, 大面積連片耕地被分解呈破碎分布。耕地在1979年是本區(qū)最主要的土地利用形式,使用方式包括旱地、水澆地和菜地, 但到2007年耕地只剩下在城區(qū)周邊的蔬菜大棚, 旱地、水澆地耕作方式已不存在。果園在1979～1997年期間面積呈明顯上升趨勢, 斑塊數(shù)的變化說明其從零星小塊分布到連片種植。到1997年果園已成為本區(qū)重要的土地利用形式, 但在城市建設(shè)擴展的大趨勢下, 1997年后種植規(guī)模大幅縮減。林地面積變化較小, 只是在1997年后斑塊數(shù)成倍增加, 這與城市中大量景觀樹木栽種有密切關(guān)系。

表1 不同時期研究區(qū)土地利用類型的變化Tab. 1 Variation of land use in the study area at various stages

夾河于2000年后對原河道裁彎取直, 河道形狀平直, 河流面積略有增加。灘涂面積持續(xù)減小, 尤其是1989年面積不足1979年面積的一半, 到2007年其面積的減少和斑塊數(shù)的大量增加, 說明其破碎化程度進一步加深。1989～1997年間在內(nèi)、外夾河匯合處附近開始出現(xiàn)河漫灘, 之后 10 a間河漫灘向大沽夾河河口延伸增長, 面積成倍增加。在近海養(yǎng)殖業(yè)帶動下從 1979年到 1997年養(yǎng)殖池面積迅速增長,1997年后在煙臺房地產(chǎn)業(yè)向海岸帶發(fā)展影響下, 近岸養(yǎng)殖池被填埋轉(zhuǎn)建為海岸住宅區(qū), 造成其面積銳減。由于城市中大量人工景觀湖泊和城市蓄水水庫的修建, 1989年后庫塘的面積和斑塊數(shù)明顯增長。草地面積和斑塊數(shù)在1997～2007年間激增, 通過軟件的空間模塊分析其增長區(qū)域應為城市綠化帶。

在 1979～1989年期間建設(shè)用地面積大幅增加,相對應裸地面積大量減少, 根據(jù) GIS軟件空間分析表明, 1979年建設(shè)用地附近裸地到10 a后大多已轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。到1989～1997年期間, 建設(shè)用地繼續(xù)擴大, 斑塊數(shù)卻有所減少, 呈現(xiàn)出由單獨小塊擴展向連片發(fā)展的趨勢。此后10 a間建設(shè)用地集中大面積擴展, 所占總面積的比重到 2007年已超過50%。同期裸地的面積下降, 且基本都分布在建設(shè)用地內(nèi)部及周邊。

綜合分析近 30 a來研究區(qū)土地利用變化趨勢,建設(shè)用地始終急劇增加且幅度較大, 耕地數(shù)量一直在急劇減少且幅度較大。其他地類呈波動式變化, 不同時期均有數(shù)量增減。各土地利用類型增減變化及相互轉(zhuǎn)化受到經(jīng)濟因素和城市建設(shè)雙重影響, 1997年后更凸顯出城市建設(shè)在本區(qū)土地利用變化中起到絕對主導地位, 其他用地類型數(shù)量和方式的轉(zhuǎn)變也都是對其影響的響應。

3.2 芝罘連島沙壩岸線變化

在全面分析本區(qū)土地利用變化基礎(chǔ)上, 對芝罘連島壩岸線的土地利用格局作進一步闡述。統(tǒng)計四期土地利用圖, 得到沙壩附近海岸線 30 a變化(圖3)。

連島沙壩以西套子灣一側(cè), 1979年為大片灘涂,到1989年已開發(fā)為養(yǎng)殖池且其后8 a中繼續(xù)擴大養(yǎng)殖面積, 到1997年連島沙壩西側(cè)灘涂已全部消失。1997年以后, 養(yǎng)殖池面積向陸地大幅縮減, 且一部分轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。連島沙壩與大沽夾河口間的沿岸海灘始終向西后退。芝罘島南岸西側(cè)在 1997～2004年間建造了數(shù)條防波堤。沙壩以東芝罘灣一側(cè), 1979年的大面積灘涂, 到1989年僅剩8.8 hm2。灘涂被圈圍造陸, 建設(shè)用地向海一側(cè)擴展, 在此過程中出現(xiàn)過人工小潟湖后又消失。1989年后此處繼續(xù)保持向海造陸趨勢, 建設(shè)用地面積迅速擴大。

圖3 連島沙壩附近海岸線變化Fig. 3 Changes of the coastal line near the island tombolo

1979年連島壩上有兩塊共約61.65 hm2的裸地,到1989年僅剩3.19 hm2, 其余全部轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。沙壩上林地在這十年中連片增長, 隨后到1997年間有所減少, 至2007年呈小面積離散分布。本區(qū)只在1997年前后出現(xiàn)過約13 hm2果園, 其他時間段無果園分布。草地在2007年約有33.21 hm2, 其他年份無草地分布。

在前人研究中提到連島沙壩北端有一小潟湖[4],在1979年仍可見, 面積約為3.23 hm2, 到1989年面積已縮小為1.81 hm2。此后此潟湖被人工開發(fā)為庫塘至今。1989年至2007年沙壩處出現(xiàn)的潟湖均為圍海造陸過程中形成的人工潟湖, 此處的天然潟湖已經(jīng)消亡。連島沙壩曾在形成中發(fā)育有四條礫石堤[2], 在1979年圖像上已無法辨認, 其原因可能是1979年影像分辨率低無法解譯, 但也有可能是當時礫石堤已遭到破壞, 不復原貌, 殘留面積較小無法達到解譯要求, 后者在走訪調(diào)查中已得到證實。連島沙壩在自然條件下形成時南部寬6 km, 北部寬0.8 km, 中間最窄處寬 0.4 km[3]。在建設(shè)用地迅速擴大的趨勢下,沙壩南北部已完全融入建設(shè)用地, 到2007年中間最窄處寬0.7 km。

芝罘連島沙壩岸線所擁有的土地利用類型變化情況與整個研究區(qū)土地利用變化趨勢基本保持一致。在快速城市化過程中, 連島沙壩岸線變化已完全處于人類活動控制之下。

3.3 海灣海底沖淤動態(tài)

對 1960年和 2007年煙臺港海圖等深線、離散等深點進行數(shù)字化提取, 等深線間隔為1 m, 以煙臺港水深理論基準面為標準, 取陸地高程基準值為1.4 m給予賦值。在Arcgis軟件中進行空間疊加分析后得到芝罘連島沙壩附近海岸沖淤強度及其分布(圖4)。取基本與芝罘島長軸(NWW向)相平行的縱剖面線, 得到連島沙壩地形縱剖面圖(圖5)。

1960年已存在的沙壩區(qū)到2007年高程未發(fā)生變化(0 m區(qū)域); 緊鄰沙壩以東原灘涂處發(fā)生輕度淤積(0～1 m)和中度淤積(1～5 m); 進一步向東的環(huán)海區(qū)域發(fā)生重度淤積(5～10 m)。此處的淤積并非波浪作用下的泥沙堆積, 而是由于煙臺港的建設(shè)不斷填海造陸, 原水下岸坡出露水面成為港口碼頭, 距離原岸線越遠深度差值越大, 淤積程度越深。由于停泊水位的需要, 人工加大水深深度, 造成新建碼頭附近發(fā)生嚴重侵蝕(＜－5 m)。按照船舶航行航道水深要求,在芝罘灣內(nèi)部人工加大水深造成中度侵蝕(－5～－1 m)和輕度侵蝕(－1～0 m)。灣內(nèi)的大面積輕度淤積區(qū),現(xiàn)調(diào)查為養(yǎng)殖區(qū), 根據(jù)養(yǎng)殖需要較 1960年水深變淺。沙壩以西1960年為灘涂, 到2007年已被開挖成水深2 m的養(yǎng)殖池。

從1960～2007年連島沙壩地區(qū)地形發(fā)生了很大變化(圖5)。1960年剖面線處沙壩寬度僅0.5 km, 剖面線形平滑, 距離岸線越遠水深隨之緩慢加深。2007年沙壩明顯擴展, 寬度已達0.97 km。此時的海底地形情況復雜, 從岸到海, 水深加大但其變化速率明顯高于1960年。因為航行和停泊的需要部分海水深度大大增加, 又由于海上養(yǎng)殖區(qū)的需要部分海水深度變淺, 二者相間分布加大了本區(qū)海域的復雜性。

圖4 連島沙壩附近海域沖淤強度及其分布Fig. 4 Intensity and distribution of the erosion and deposition in the waters near the island tombolo

圖5 連島沙壩地形變化縱剖面圖Fig. 5 Elevation profile of topographic changes of the island tombolo

4 討論與分析

海岸帶作為生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū), 會對土地利用方式轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的影響做出積極響應[7-8]。引起土地利用變化的作用因子眾多[9-11], 本地區(qū)體現(xiàn)為快速城市化中人類活動的影響。隨著快速城市化發(fā)展, 人類以各種方式對芝罘連島沙壩附近海岸進行開發(fā)利用。

4.1 城市建設(shè)

研究區(qū)正處于煙臺市主城區(qū), 建設(shè)用地面積數(shù)量近 30 a來始終快速增長, 所占比重逐年增大, 但其增長速率在近年減緩。煙臺市于 2003年獲得“世界最佳人居獎”, 此后其城市建設(shè)規(guī)劃不只注重面積的擴大, 更多關(guān)注已建城市用地的環(huán)境問題, 沙壩區(qū)林地、草地1997年后的增加即大量修建城市綠化帶的結(jié)果。城市建設(shè)改變了沙壩原有天然岸線形態(tài),城市化以前的自然岸線簡單較圓滑, 很少有尖銳岬角。1979年后大量人工建筑的修建使岸線變得復雜曲折, 建筑物突起伸向海洋。自然海岸消失, 人工海岸建設(shè)不斷向海推進, 同時海岸灘涂增減變化由自然作用過程轉(zhuǎn)變?yōu)閷ㄖ玫刈兓捻憫?/p>

4.2 港口建設(shè)

從1979年以來, 海岸灘涂開發(fā)強度大, 到2007年面積只剩1979年的1/3, 芝罘灣一側(cè)灘涂全部轉(zhuǎn)建成為港口碼頭。芝罘灣海域因其特有的地理條件成為建設(shè)港口的最佳海域[12], 近年來煙臺市國內(nèi)外貿(mào)易額逐年增長, 港口吞吐量猛增, 因此對原芝罘灣港口的進一步建設(shè)成為必然, 迫使海岸線大幅度向海推移, 到2009年芝罘灣港口人工岸線已達8 300 m,而且這種增長的趨勢在短期內(nèi)不會停止。人工建筑的修建會形成較陡的海岸縱剖面, 使波浪直接在建筑物側(cè)壁上發(fā)生破碎, 產(chǎn)生強烈的沖撞, 對建筑物造成極大破壞。

4.3 近海養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展

在經(jīng)濟因素作用下, 自1979年以來, 套子灣一側(cè)灘涂被用于發(fā)展近海養(yǎng)殖, 修建大面積養(yǎng)殖池。由于大沽夾河輸沙逐年減少, 波浪作用加強, 對河口灘涂的侵蝕日漸嚴重, 河口西側(cè)沙嘴破碎化明顯,但在河口東側(cè)的海岸灘涂由于入海泥沙向芝罘島運動過程中受到養(yǎng)殖池的阻擋而發(fā)生向海堆積, 并未被侵蝕。2003年前后, 緊鄰河口東側(cè)又修建一個養(yǎng)殖池, 進一步阻擋入海泥沙向東運動, 造成此處海灘泥沙收支失衡, 到2007年海灘寬度已略有變窄?？梢灶A見, 如果未來本地養(yǎng)殖池仍存在或進一步擴大養(yǎng)殖面積, 在河流泥沙量持續(xù)減少的情況下, 此處灘涂會因沉積物來源不足引起海灘侵蝕加強, 海灘進一步變窄。

4.4 海岸工程

套子灣海岸帶建設(shè)有大片濱海防護林, 夾河口以東的防護林在2004年后遭到大面積砍伐, 建設(shè)成海濱景觀綠地、建筑物和沿海公路。防護林對海岸海灘有防風固沙的保護作用, 大量砍伐防護林轉(zhuǎn)而修建人工建筑物, 使風浪作用加強, 海陸風對海灘及其內(nèi)部建筑作用再無緩沖, 波浪對海灘沖蝕力度加大, 直接導致此處海灘動力作用條件的改變。而且套子灣風浪要素作用強烈, 人工建筑物如在外側(cè)無海灘保護, 會直接受到波浪的強大沖擊, 加上夾帶巖屑砂礫隨波浪的磨蝕作用, 可對此處海岸帶帶來強大破壞。

海灘作為一種重要的旅游游樂資源, 有很大的開發(fā)保護價值。1997～2007年期間在研究區(qū)東南部海岸出現(xiàn)若干小面積灘涂, 據(jù)調(diào)查是開發(fā)海水浴場、觀光沙灘人為擴大海岸灘涂的原因, 同時也受到修建防波堤的影響。在其附近修建防波堤后, 泥沙運動受阻, 在堤壩迎浪一面發(fā)生堆積, 背浪一面發(fā)生侵蝕, 使得迎浪一側(cè)人工海灘面積進一步擴大。近30 a來, 芝罘島南岸西側(cè)海岸不斷被侵蝕后退, 據(jù)分析此海域強浪為NE向, 在芝罘島西岬角阻擋作用下對灣內(nèi)海岸影響不大, 但其常浪為 NW 向, 在夾河泥沙受阻無法到達的情況下導致灣內(nèi)海岸侵蝕, 因此近 10 a來已人工修建數(shù)條防波堤, 造成原有岸線形狀變化。

5 結(jié)語

近30 a來研究區(qū)土地利用變化顯著, 快速城市化對芝罘連島沙壩附近海岸帶進行了徹底的改造。連島沙壩在其形成過程中及隨后漫長的地質(zhì)歷史時期, 主要受自然動力因素影響, 地表覆被類型穩(wěn)定,且寬度窄。1979年后人類活動劇烈, 沙壩上原有地貌類型如礫石堤、潟湖、砂質(zhì)海灘已消失或被改造,沙壩寬度被建設(shè)用地擴充迅速變寬, 地表已被人工建筑覆蓋, 沙壩岸線形態(tài)發(fā)生巨大變化。沙壩近岸海域已完全處于人類活動控制之下, 海水泥沙運動、淤積侵蝕變化也受到自然人為雙重影響。

永久人工建筑的修建提高了波浪的擾動性和侵蝕能力, 加大海蝕作用強度。寬廣的海灘有利于保護其后海岸, 但沙壩兩側(cè)的灘涂已全部轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地, 使外來的波浪能直接到達岸邊作用于建筑物。水下沙壩是保護海岸免遭波浪沖刷的一道屏障, 隨著圍海造陸的不斷推進, 水下沙壩必將遭受破壞, 海岸進一步受到?jīng)_蝕。由于波浪對沿海建筑物的破壞作用, 芝罘連島沙壩附近海岸帶應加大剩余海灘的保護力度, 在海岸條件允許的情況下大力建設(shè)人工海灘。合理規(guī)劃養(yǎng)殖池修建位置和面積大小, 同時應慎重考慮建設(shè)用地的向海擴展是否合理, 采用得當?shù)谋Ｗo措施, 不要引起在保護基礎(chǔ)上的進一步侵蝕。

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Effects of land use on the development of coastal zone near the Zhifu Island tombolo

DI Xiang-hong1, WANG Zhou-long1, WANG Qing1, ZHANG Ming-ming1, LIANG Yan2
(1. Institute of Coastal Research, Ludong University, Yantai 264025, China; 2. No.1 Middle School of Shouguang, Shouguang 262700, China)

Oct., 14, 2009

land use; Zhifu Island tombolo; coastal zone; urbanization; human activities

This study aimed at revealing the influence of changes of land use on the coastal zone near the Zhifu Island tombolo. Based on remote sensing images, spatial-pattern changes of land use of the study area were obtained with GIS software in the typical periods of 1979, 1989, 1997 and 2007. We found a substantial increase in construction land and a corresponding decrease in arable land, and culture ponds and flood plain appeared gradually and other land types fluctuated. Rapid urbanization impacted greatly on the coastal zone near the Zhifu Island tombolo, and led to a thorough change of land cover pattern. It was found that tidal flat was transformed into culture ponds and construction land, so its area remarkably reduced. As for coastal line shape, natural coastline disappeared and artificial coastline extended to the sea. The Zhifu Island tombolo covered by artificial construction became broadened, and the erosion and deposition were dynamically changed in the waters near the island tombolo. In a word, changes in land use have a profound impact on the Zhifu Island tombolo and the nearby coastal zone.In-depth studies on this issue will provide coastal development and management with insights of sustainable use of coastal zone.

F061.6

A

1000-3096(2011)08-0076-07

2009-10-14;

2011-04-08

山東省自然科學基金重點項目(Z2008E03, Z2003E01); 煙臺市科技攻關(guān)項目(2008323)

邸向紅(1982-), 女, 山東德州人, 在讀碩士研究生, 主要從事土地利用與遙感監(jiān)測應用研究, 電話： 13655452056, E-mail：dessa1982@126.com; 王周龍, 通信作者, E-mail： zhoulongw@sina.com

劉珊珊)