改進(jìn)的輸出系數(shù)法在農(nóng)業(yè)污染源估算中的應(yīng)用

陸建忠，陳曉玲，肖靖靖，余進(jìn)祥，劉 海

（1．武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430079；2．江西師范大學(xué) 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330022；3．江西省農(nóng)業(yè)廳 農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，南昌替換為 330046）

改進(jìn)的輸出系數(shù)法在農(nóng)業(yè)污染源估算中的應(yīng)用

陸建忠1＊，陳曉玲1，2，肖靖靖1，余進(jìn)祥3，劉 海1

（1．武漢大學(xué) 測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430079；2．江西師范大學(xué) 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330022；3．江西省農(nóng)業(yè)廳 農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，南昌替換為 330046）

農(nóng)業(yè)污染源是非點(diǎn)源污染的重要來源，了解農(nóng)業(yè)污染源現(xiàn)狀是研究流域非點(diǎn)源污染的前提．該文考慮了降雨和地形特征對(duì)污染物遷移的損失，并給出了降雨與地形特征對(duì)流域農(nóng)業(yè)源污染損失系數(shù)的確定方法，研究了改進(jìn)的輸出系數(shù)模型．將改進(jìn)的輸出系數(shù)模型應(yīng)用于鄱陽湖流域的4個(gè)小區(qū)域內(nèi)，并分別計(jì)算4個(gè)小流域的降雨和地形特征影響因子，對(duì)各種污染物輸出系數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證，使改進(jìn)后的輸出系數(shù)模型更符合農(nóng)業(yè)源污染物運(yùn)動(dòng)機(jī)理，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，部分模擬精度有所提高，并得到了一組適合鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)源非點(diǎn)源污染物的輸出系數(shù)，將其應(yīng)用到整個(gè)鄱陽湖流域的農(nóng)業(yè)源污染物的快速估算，為鄱陽湖流域非點(diǎn)源污染控制提供了科學(xué)依據(jù)．

輸出系數(shù)模型；農(nóng)業(yè)源污染；降雨；地形；非點(diǎn)源污染

水環(huán)境污染源的主要種類有點(diǎn)源和非點(diǎn)源兩種［1］．非點(diǎn)源污染的形成與土壤侵蝕、農(nóng)藥化肥的過量施用、農(nóng)村家畜糞便與垃圾的隨意堆放、農(nóng)田污水灌溉、地表徑流、大氣沉降、水體底泥污染物釋放、水產(chǎn)養(yǎng)殖等密切相關(guān)［2－3］，對(duì)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源、水生生物棲息地和流域水文水質(zhì)特征產(chǎn)生嚴(yán)重的影響［4－5］．與點(diǎn)源污染相比，非點(diǎn)源污染具有空間上的廣泛性，時(shí)間上的不確定性、滯后性、模糊性、潛伏性，具有信息獲取難度大，危害規(guī)模大等特點(diǎn)．由于非點(diǎn)源污染由于涉及范圍廣、控制難度大，在環(huán)境污染中的比重逐漸增大，是導(dǎo)致地表水污染的主要原因，其中又以農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)最大［6］．

自Johnes 1996年提出的輸出系數(shù)模型及其以后逐步改進(jìn)的的輸出系數(shù)模型，在實(shí)際應(yīng)用中還存在較多多不足，如土地利用分類比較簡(jiǎn)單，沒有細(xì)分各類農(nóng)業(yè)用地（如不同作物類型等），假定所有土地利用類型的輸出系數(shù)固定不變，污染物輸出量與該類土地的面積呈線性關(guān)系等［7］．蔡明等認(rèn)為Johnes的輸出系數(shù)模型未考慮流域污染物在到達(dá)流域出口斷面過程中的流域損失，而且輸出系數(shù)采用多年平均值，忽視了降雨年際變化造成的輸出系數(shù)的改變．因此提出了考慮流域損失和降雨影響的改進(jìn)的輸出系數(shù)模型［8］．丁曉雯等在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了地形的影響對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)［9］，并提出了利用流域內(nèi)多個(gè)小流域的監(jiān)測(cè)資料建立產(chǎn)污方程，并采用最優(yōu)化求解方式得出各種土地利用類型輸出系數(shù)的方法［10］．劉瑞明等利用該模型進(jìn)行了長(zhǎng)江上游大寧河流域的非點(diǎn)源污染模擬，研究土地利用／覆蓋變化對(duì)非點(diǎn)源污染的影響［11］．

本研究選擇的研究區(qū)為鄱陽湖流域中紅壤多山丘陵地區(qū)，以農(nóng)業(yè)（農(nóng)林畜牧等）為經(jīng)濟(jì)支柱，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染嚴(yán)重，具有很強(qiáng)的代表性．嘗試從地區(qū)實(shí)際出發(fā)，在現(xiàn)有可獲得的有限資料基礎(chǔ)上，考慮降雨和地形特征的影響，利用輸出系數(shù)模型對(duì)流域非點(diǎn)源污染情況進(jìn)行模擬，以期改進(jìn)模型模擬精度，為江西中部紅壤丘陵區(qū)非點(diǎn)源污染評(píng)價(jià)和最佳管理措施評(píng)估提供技術(shù)支持．

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1．1 研究區(qū)域

鄱陽湖位于長(zhǎng)江中下游，江西境內(nèi)，鄱陽湖流域面積16．22萬km2，與江西省行政區(qū)劃范圍高度吻合，流域內(nèi)除北部較為平坦外，東西南部三面環(huán)山，中部丘陵起伏，成為一個(gè)整體向鄱陽湖傾斜而往北開口的巨大盆地．鄱陽湖流域雨量充沛，年均降水量1 341～1 940mm，因此，考慮降雨與地形特征的影響對(duì)計(jì)算鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷具有重要意義．江西省是典型的紅壤區(qū)，省內(nèi)各地氣候條件相似，通過流域局部代表性小流域率定得到的輸出系數(shù)在全流域范圍內(nèi)也可適用．本文選擇鄱陽湖流域里4個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站控制的小流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，分別選取信江梅港站以上流域和貢水峽山站以上流域觀測(cè)數(shù)據(jù)用于率定輸出系數(shù)，然后用樂安河香屯站和樂安河洎陽橋站觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)輸出系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，所選取的水質(zhì)觀測(cè)站及其控制范圍在鄱陽湖流域中的分布位置如圖1所示．

圖1 鄱陽湖流域與水質(zhì)站點(diǎn)控制范圍Fig．1 Poyang Lake watershed，water quality observation station and its control basins

1．2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文研究中用于輸出系數(shù)模型模擬的數(shù)據(jù)包括2007年江西省農(nóng)業(yè)源污染普查數(shù)據(jù)中的禽畜養(yǎng)殖和種植業(yè)數(shù)據(jù)、人口、地形以及2007年江西省境內(nèi)88個(gè)測(cè)站的降水?dāng)?shù)據(jù)．本研究通過泰森多邊形的方法模擬雨量站的影響范圍，將站點(diǎn)數(shù)據(jù)擴(kuò)展到流域內(nèi)，即每個(gè)多邊形內(nèi)降雨量由落在該多邊形內(nèi)的站點(diǎn)降雨量來確定．

應(yīng)用輸出系數(shù)模型的關(guān)鍵是合理確定輸出系數(shù)的數(shù)值．影響流域非點(diǎn)源污染物輸出系數(shù)的因素很多，主要包括流域內(nèi)地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結(jié)構(gòu)、地質(zhì)、植被、管理措施以及人類活動(dòng)等．在明確流域土地利用和人類活動(dòng)情況的基礎(chǔ)上，確定輸出系數(shù)的兩個(gè)基本途徑是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和查閱文獻(xiàn)值［12］．本研究根據(jù)文獻(xiàn)給定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，進(jìn)行輸出系數(shù)模擬，并通過小流域?qū)崪y(cè)值進(jìn)行參數(shù)率定，得到一組適合鄱陽湖流域污染物輸出系數(shù)，最后將其推廣到整個(gè)流域．

根據(jù)江西省土地利用圖、DEM圖、降雨數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料、國家環(huán)境保護(hù)部的禽畜排污系數(shù)，并結(jié)合文獻(xiàn)［13］關(guān)于非土地利用營(yíng)養(yǎng)源的輸出系數(shù)研究成果，初步確定鄱陽湖流域在旱地、水田、果園、其它林地、農(nóng)村生活和禽畜養(yǎng)殖上的輸出系數(shù)．在此基礎(chǔ)上，初步確定禽畜養(yǎng)殖輸出系數(shù)如表1所示，由于文獻(xiàn)中給出的輸出系數(shù)都是前人在特定條件下得出的結(jié)果，因此有待校準(zhǔn)．

表1 禽畜養(yǎng)殖業(yè)輸出系數(shù)Tab．1 Export coefficients of livestock breeding

初步確定本研究的旱地、水田、果園、其它林地、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)村生活輸出系數(shù)如表2所示．

表2 農(nóng)業(yè)污染源輸出系數(shù)表Tab．2 Export coefficients of agricultural source pollutant

通過查閱文獻(xiàn)［14－15］，初步確定雨水平均硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總無機(jī)氮和總磷的濃度．水質(zhì)監(jiān)測(cè)測(cè)得的是點(diǎn)源污染物和非點(diǎn)源污染物的總量．非點(diǎn)源污染物入河量與流域降雨量有很大關(guān)系，絕大多數(shù)非點(diǎn)源污染物是在汛期排入水體．因此，本文設(shè)定非汛期進(jìn)入水體的非點(diǎn)源污染物為0，用汛期的污染物負(fù)荷減去非汛期的污染物負(fù)荷，所得即為非點(diǎn)源污染物負(fù)荷量［13］．通過監(jiān)測(cè)的污染物濃度和徑流量，計(jì)算得到的污染物負(fù)荷用來對(duì)輸出系數(shù)模型中的參數(shù)進(jìn)行率定，并將另外測(cè)站的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證模型的精度．

2 輸出系數(shù)模型

2．1 模型原理

降雨是非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的基本條件，地形是非點(diǎn)源污染輸移的中重要影響因素，兩者均對(duì)非點(diǎn)源污染起關(guān)鍵作用．Johnes［16］于1996年提出的輸出系數(shù)模型是對(duì)非點(diǎn)源污染多年平均情況較為客觀而穩(wěn)定的估計(jì)，適用于降雨均勻、地勢(shì)平坦地區(qū)，但是缺乏對(duì)降雨、地形方面影響的表征，使得模型在模擬江西這種多山丘陵地區(qū)的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的靈敏度和準(zhǔn)確度不足．因此需要針對(duì)江西省降雨、地形特征對(duì)Johnes輸出系數(shù)模型進(jìn)行改進(jìn)，得到更符合江西省特征的輸出系數(shù)模型．改進(jìn)后的Johnes輸出模型［13］如式（1）：

式中，L為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失量；α為降雨影響因子，用來表征降雨對(duì)污染的影響；β為地形影響因子，用來表征地形對(duì)污染的影響；Ei為對(duì)i營(yíng)養(yǎng)源的輸出系數(shù)；Ai為第i類土地利用類型的面積或第i種牲畜的數(shù)量、人口數(shù)量；Ii為第i種營(yíng)養(yǎng)源的營(yíng)養(yǎng)物輸入量；P為由降水輸入的營(yíng)養(yǎng)物量．根據(jù)全國農(nóng)業(yè)污染源普查數(shù)據(jù)，Ai（Ii）為第i類土地利用類型所施肥料的營(yíng)養(yǎng)物含量或第i種牲畜的排泄物的營(yíng)養(yǎng)物含量．

由降雨產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物輸入P的計(jì)算方法如式（2）：

式中，c為降水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度；a為年m3降雨量，等于流域的年降雨量乘以流域總面積；q為徑流系數(shù)．

2．2 降水和地形特征因子計(jì)算

降雨空間分布對(duì)非點(diǎn)源污染的影響主要是指就某一年份而言，不同地區(qū)因降雨不同而造成的非點(diǎn)源污染差異．因此降雨影響因子α可以表示為式（3）：

式中，α為降雨影響因子；Rj為流域內(nèi)子流域第j年降雨量；R為流域全區(qū)平均年降雨量．

坡度是影響坡面產(chǎn)污的重要因素，它主要是通過影響徑流量來影響其攜帶的N、P流失量，而對(duì)坡面徑流中各養(yǎng)分的濃度沒有明顯影響．大量研究證實(shí)，坡度與地面徑流量呈正相關(guān)關(guān)系，地表徑流量可以表示為坡度的冪函數(shù)與常量的乘積：

式中，Q為徑流量；S為坡度；a、b為常量．

坡度影響因子主要是反映不同地區(qū)因坡度起伏而造成的非點(diǎn)源污染空間差異，可以表示為式（5）：

式中，S為子流域的坡度；ˉS為流域全區(qū)的平均坡度；a、b為常量．

由于缺乏針對(duì)江西省溶解態(tài)氮、磷負(fù)荷與坡度的相關(guān)關(guān)系的研究，在查閱相關(guān)文獻(xiàn)［13］的基礎(chǔ)上，初步確定b為0．610 4．依據(jù)2007年全年的降水?dāng)?shù)據(jù)和江西省數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，分別根據(jù)式（3）和式（5）計(jì)算得到各流域地形和降水修正因子見表4．

表3 各小流域降水和地形修正因子Tab．3 Precipitation and terrain modified factors of water quality observation station controlled basin

2．3 模型參數(shù)率定與結(jié)果模擬

根據(jù)江西省農(nóng)業(yè)源污染普查數(shù)據(jù)，結(jié)合小流域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用試錯(cuò)法進(jìn)行輸出系數(shù)率定，即通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)定一組參數(shù)，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算，比較模擬值與實(shí)測(cè)值，調(diào)整參數(shù)，分析對(duì)比，直到達(dá)到最優(yōu)．

經(jīng)過小流域率定驗(yàn)證，確定了鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)源污染物輸出系數(shù)如表7所示．

表4 率定后的農(nóng)業(yè)污染源輸出系數(shù)表Tab．4 Calibrated expert coefficients of agricultural source pollutants

將率定得到的輸出系數(shù)代入模型計(jì)算，利用相對(duì)誤差來評(píng)價(jià)模擬結(jié)果的精度如表8和表9所示．

表5 小流域輸出系數(shù)法模擬的溶解無機(jī)氮與實(shí)測(cè)值的比較Tab．5 Dissolved inorganic nitrogen comparison between observed and modeled by ECM for the four controlled basins

表6 小流域輸出系數(shù)法模擬的總磷與實(shí)測(cè)值的比較Tab．6 Total phosphorus comparison between observed and modeled by ECM for the four controlled basins

利用梅港站控制流域、峽山站控制流域進(jìn)行輸出系數(shù)率定，并進(jìn)行地形和降水校正．然后用香屯站、洎陽橋站的觀測(cè)數(shù)據(jù)分別驗(yàn)證其控制流域污染物負(fù)荷．由表5可以看出，雖然經(jīng)過地形和降水因子修正之后，峽山站溶解無機(jī)氮含量估算精度有所提高，另外洎陽橋站估算精度在可接受的范圍之內(nèi)．然而，梅港站與香屯站溶解無機(jī)氮估算精度并沒提高，尤其是香屯站誤差增加，由于樂安河香屯水文站只有每月一次的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而樂安河流量年內(nèi)變化很大，由這個(gè)數(shù)據(jù)推算出的年徑流量與實(shí)際相比誤差較大，導(dǎo)致計(jì)算得到的實(shí)際污染物含量也有很大誤差．

表6可以看出，除了洎陽橋站控制流域計(jì)算結(jié)果誤差較大外，其他流域計(jì)算結(jié)果都在可接受范圍之內(nèi)，通過考慮降水和地形特征的輸出系數(shù)模擬的梅港站、峽山站和香屯站的總磷結(jié)果精度有較大提高，而洎陽橋站的總磷在考慮降水和地形特征因子的模擬精度并沒有得到提高．污染物輸出系數(shù)的初值選取時(shí)受到主觀經(jīng)驗(yàn)的影響；率定參數(shù)時(shí)，最后確定的輸出系數(shù)最優(yōu)的條件是估算的污染物負(fù)荷總量誤差平方和最小，可能也對(duì)率定結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差．因此，尋求一種最優(yōu)條件，控輸出系數(shù)的制率定結(jié)果，將是下一步深入研究的內(nèi)容．非點(diǎn)源氮主要是以溶解態(tài)形式流失，而非點(diǎn)源磷則主要以吸附態(tài)存在，輸出系數(shù)模型作為一種快速估算流域污染物負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)溶解態(tài)污染物的模擬的靈敏性要高于對(duì)吸附態(tài)污染物的模擬．

計(jì)算結(jié)果可以看出，輸出系數(shù)模型參數(shù)少，意義簡(jiǎn)單［17］，但是模型穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步提高．盡管如此，輸出系數(shù)作為一種快速估算流域污染物負(fù)荷的模型，具有其他機(jī)理模型無法比擬的優(yōu)點(diǎn)．通過輸出系數(shù)模型的參數(shù)率定，結(jié)合小流域模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮各輸出系數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的可能影響，獲得了一組適合鄱陽湖流域非點(diǎn)源污染模擬的輸出系數(shù)，并通過輸出系數(shù)模型計(jì)算將其推廣到整個(gè)流域，為流域污染物負(fù)荷估算和流域污染物控制提供科學(xué)的依據(jù)．由于鄱陽湖流域與江西省行政邊界的高度吻合，可以按照行政區(qū)劃統(tǒng)計(jì)分析得到，江西省各市級(jí)行政單元內(nèi)農(nóng)業(yè)源污染負(fù)荷，如表7所示．

表7 輸出系數(shù)模型估算的江西省各市農(nóng)業(yè)源污染物負(fù)荷Tab．7 Agricultural source pollutant loads estimated by ECM for each city in Jiangxi Province

雖然流域內(nèi)沒有集中排放的大型點(diǎn)污染源，但由城鎮(zhèn)建設(shè)用地而來的污染仍然客觀存在，無法忽略．本研究輸出系數(shù)模型僅考慮了農(nóng)業(yè)和農(nóng)村生活以及大氣濕沉降帶來的非點(diǎn)源污染，未考慮城市用地輸出對(duì)流域出口氮磷的貢獻(xiàn)，因此，得到的一組輸出系數(shù)適用于該區(qū)域農(nóng)業(yè)源污染負(fù)荷的估算．

3 結(jié)論

本文在Johnes提出的輸出系數(shù)模型的基礎(chǔ)上，討論了采用地形和降水校正因子對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)的原因．利用鄱陽湖流域內(nèi)的信江梅港站以上流域、貢水峽山站以上流域進(jìn)行輸出系數(shù)率定，并進(jìn)行地形和降水校正．然后用樂安河香屯站、樂安河洎陽橋站的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)輸出系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較．用相對(duì)誤差作為指標(biāo)描述模擬效果，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的模型更符合農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，模擬的精度也有所提高，尤其是針對(duì)總磷的模擬．通過地形和降水校正因子改進(jìn)后的模型，直觀地闡明了地形、降水因子與非點(diǎn)源污染物含量間的定量關(guān)系，模擬結(jié)果更接近實(shí)際，可以為流域非點(diǎn)源污染控制提供科學(xué)依據(jù)．

輸出系數(shù)模型作為典型的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，參數(shù)少，意義簡(jiǎn)單，參數(shù)率定較方便，不需要對(duì)非點(diǎn)源污染形成過程進(jìn)行深入的了解即可以完成參數(shù)率定工作．在獲得流域內(nèi)多個(gè)小流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，基于水文水質(zhì)資料的非點(diǎn)源輸出系數(shù)模型參數(shù)確定方法，可以獲得的準(zhǔn)確的土地利用輸出系數(shù)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了參數(shù)率定工作．

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Abstract：Agricultural source pollutant is an important source of non－point source pollutant，which is the basis of estimate of non－point source pollutant in watershed．The paper improved Export Coefficient Model（ECM）considering the effect of precipitation and terrain on pollutant transport．Firstly，the estimation method of loss coefficients of agricultural source pollutant influenced by precipitation and terrain factors are intro－duced．The ECM is employed to apply in the four basins in Poyang Lake watershed to compute the precipitation and terrain factors．Then，the export coefficients for the pollutants are calibrated and validated after estimating the precipitation and terrain factors．The improved ECM is more reasonable for agricultural source transport mechanism．The accuracy of most modeling results is improved after carrying out the experiment．Finally，agroup of export coefficients for various pollutants are obtained and applied to quickly estimate the agriculture source pollutant load in the whole Poyang Lake watershed，which can scientifically support the non－point source pollution control in Poyang Lake watershed．

Key words：Export Coefficient Model（ECM），agricultural source pollution；precipitation factor；terrain factor；non－point source pollution（NPS）

Application of improved Export Coefficient Model in estimation of agricultural source pollutant

LU Jianzhong1，CHEN Xiaoling1，2，XIAO Jingjing1，YU Jinxiang3，LIU Hai1
（1．State Key laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079；2．Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research，Ministry of Education，Jiangxi Normal University，Nanchang 330022；3．Agricultural Environmental Monitoring Stations，Department of Agriculture of Jiangxi Province，Nanchang 330046）

X501，X508

A

1000－1190（2012）03－0373－06

2011－06－29．

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201001054）；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（20100480861）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41101415，41071261）；江西省農(nóng)業(yè)廳委托項(xiàng)目；測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目．

＊E－mail：lujzhong＠163．com．