近岸海域自動監(jiān)測浮標(biāo)在赤潮預(yù)警中的應(yīng)用及其缺陷

李天深，藍(lán)文陸，盧印思，謝鑫（廣西壯族自治區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西北海536000）

近岸海域自動監(jiān)測浮標(biāo)在赤潮預(yù)警中的應(yīng)用及其缺陷

李天深，藍(lán)文陸，盧印思，謝鑫
（廣西壯族自治區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣西北海536000）

摘要：利用位于廣西北部灣的自動監(jiān)測站，研究2012年2月薄壁幾內(nèi)亞藻以及2014年2月球形棕囊藻的赤潮自動監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的差異。結(jié)果表明，薄壁幾內(nèi)亞藻赤潮期間pH、溶解氧以及葉綠素出現(xiàn)同步的變化趨勢，溶解氧以及葉綠素顯著升高；球形棕囊藻的赤潮期間，pH、溶解氧以及葉綠素未發(fā)生明顯變化，與棕囊藻自身生理生態(tài)習(xí)性有關(guān)。自動監(jiān)測浮標(biāo)在硅藻等高含葉綠素種類的赤潮中能夠起到較好的監(jiān)控和預(yù)警作用，但在微微型、混合營養(yǎng)及異養(yǎng)赤潮種類的赤潮預(yù)警應(yīng)用方面仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證及研究。

關(guān)鍵詞：自動監(jiān)測；赤潮；預(yù)警

1　引言

隨著環(huán)境監(jiān)測技術(shù)和管理需求的不斷發(fā)展，近岸海域自動監(jiān)測浮標(biāo)由于可以在惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)無人值守的全天候、全天時長期連續(xù)定點(diǎn)觀測，已經(jīng)成為常規(guī)的海洋現(xiàn)場監(jiān)測手段[1]，代表近岸海域重點(diǎn)和敏感區(qū)域環(huán)境監(jiān)測的一個發(fā)展趨勢。自動監(jiān)測浮標(biāo)可提供實(shí)時、連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，是赤潮監(jiān)測預(yù)警中較好的有效監(jiān)測手段。目前，通過對自動監(jiān)測浮標(biāo)數(shù)據(jù)的變化趨勢分析，國內(nèi)外學(xué)者實(shí)現(xiàn)對赤潮的跟蹤監(jiān)測及預(yù)報(bào)（見表1），但主要是對于已發(fā)生的赤潮自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，現(xiàn)場應(yīng)用還是較少，仍缺乏足夠的實(shí)際應(yīng)用以驗(yàn)證準(zhǔn)確性和不足之處。本研究應(yīng)用北部灣的自動監(jiān)測浮標(biāo)，分析其對同一海域、同一段時期的薄壁幾內(nèi)亞藻(Guinardia flaccida)和球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)赤潮過程的自動監(jiān)測與預(yù)警作用，探討自動監(jiān)測浮標(biāo)在不同赤潮種赤潮預(yù)警的應(yīng)用及其缺陷，為自動監(jiān)測浮標(biāo)赤潮預(yù)警預(yù)報(bào)提供更科學(xué)有效的參考。

2　材料與方法

2.1主要儀器設(shè)備

自動監(jiān)測浮標(biāo)（GX09號）位于廣西廉州灣（見圖1），由密封倉系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、航標(biāo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、固定錨鏈系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)和室內(nèi)監(jiān)控接收系統(tǒng)組成，具有自動采樣、分析、記錄、數(shù)據(jù)儲存和無線傳輸?shù)裙δ埽稍谑覂?nèi)隨時接收監(jiān)測站位的水質(zhì)變化，系統(tǒng)內(nèi)置備用電源，可確保監(jiān)測的連續(xù)進(jìn)行。其中，監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)為多參數(shù)水質(zhì)測定儀（YSI6600型，美國YSI公司生產(chǎn)）。

2.2監(jiān)測方法

自動監(jiān)測站主要監(jiān)測表層(1.5 m)水質(zhì)狀況，包括：水溫、鹽度、電導(dǎo)、pH值、DO、DO%、濁度、葉綠素、藍(lán)綠藻。測定一次的時間間隔為30 min，數(shù)據(jù)通過移動衛(wèi)星通信GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)測分析方法均采用相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)方法。監(jiān)測期間定期（<15天/次）對儀器進(jìn)行維護(hù)、校準(zhǔn)及比對，以保證儀器的運(yùn)行性能維持在最佳工作狀態(tài)，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

浮游植物調(diào)查和分析方法：利用小體積采水器分別采集表層海水0.5 L，立即用魯哥氏液固定，使其最終濃度為15‰。帶回實(shí)驗(yàn)室后，搖勻水樣，取出0.1 ml樣品，利用浮游植物分析框在Olympus IX51倒置式顯微鏡下觀察、計(jì)數(shù)和鑒定種類。為了使誤差減少到10%，每次計(jì)數(shù)的浮游植物細(xì)胞數(shù)均達(dá)到400個以上。

表1　自動監(jiān)測浮標(biāo)對赤潮的跟蹤監(jiān)測及預(yù)警預(yù)報(bào)

圖1　廉州灣GX09號自動監(jiān)測站位置

2.3數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，主要對2012年2月14日—3月8日以及2014年2月4日—3月8日的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，期間包括赤潮發(fā)生前期、中期及消亡期。數(shù)據(jù)處理采用excel及origin軟件完成。

3　結(jié)果與分析

3.1赤潮調(diào)查過程與現(xiàn)場描述

2012年2月21—24日，廉州灣的GX09號自動監(jiān)測站的葉綠素、溶解氧及pH值數(shù)據(jù)均出現(xiàn)異常情況，存在同步升降的現(xiàn)象，且葉綠素值顯著升高，懷疑有赤潮的爆發(fā)。2月23—24日，到現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查時發(fā)現(xiàn)海水顏色呈棕褐色，與正常近岸海水水色存在明顯差異，表層水體中薄壁幾內(nèi)亞藻密度達(dá)到16.5×104—29.7×104個/L，達(dá)到幾內(nèi)亞藻赤潮的標(biāo)準(zhǔn)限值（10×104個/L），認(rèn)定為存在薄壁幾內(nèi)亞藻赤潮爆發(fā)。經(jīng)與葉綠素自動監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對應(yīng)比較，薄壁幾內(nèi)亞藻達(dá)到赤潮密度時，葉綠素自動監(jiān)測結(jié)果為35.9—45.2μg/L。從葉綠素自動監(jiān)測結(jié)果分析，薄壁幾內(nèi)亞藻赤潮應(yīng)從2月21日開始，2月26日消亡?，F(xiàn)場調(diào)查顯示赤潮主要發(fā)生在GX09附近海域（見圖2a）。

圖2　廉州灣赤潮發(fā)生區(qū)域

2014年2月26—28日，在對廉州灣調(diào)查時發(fā)現(xiàn)GX09自動監(jiān)測站附近海域出現(xiàn)大面積的棕色球狀懸浮藻體，且近岸有大量的藻體聚集，水體呈深棕色，在自動監(jiān)測站附近及廉州灣近岸海域采集浮游植物樣品，經(jīng)鏡檢發(fā)現(xiàn)，水體中棕色球形藻體為球形棕囊藻，藻團(tuán)密度達(dá)10個/L，達(dá)到2007年汕頭灣爆發(fā)球形棕囊藻赤潮的細(xì)胞密度[8]。經(jīng)對周邊漁民進(jìn)行咨詢，出現(xiàn)這種現(xiàn)象已經(jīng)有將近一周。因此，此次球形棕囊藻赤潮時間大概在2月20—3月10日左右，主要分布在近岸海域（見圖2b）。

3.2自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)變化

3.2.12012年赤潮前后環(huán)境因子變化

2012年廉州灣赤潮前后（2月14日—3月8日）水溫、鹽度、pH、溶解氧以及葉綠素的變化情況見圖3。2012年2月廉州灣水溫變化范圍為10.8—17.46℃，水溫變化比較顯著（圖3a）。從12日開始，廉州灣水溫出現(xiàn)一個的升高趨勢，至16日出現(xiàn)一個峰值（15.77℃），此后受冷空氣影響，2月19日水溫下降到10.8℃。隨著天氣回暖，2月20日水溫又出現(xiàn)爬升態(tài)勢，至24日，水溫升高到17.46℃，升溫幅度比第一次更大。2月25日之后水溫又開始顯著回落，2月28日下降至11.15℃。

2012年2月廉州灣鹽度變化范圍為19.82—31.01，每天的變化幅度較大，主要受到南流江入海徑流的影響，具有典型河口海灣特征。在赤潮發(fā)生期間，鹽度均在正常的波動范圍之內(nèi)（圖3b）。

溶解氧的變化與水溫出現(xiàn)同步的變化趨勢，溶解氧隨著水溫下降而降低，隨著水溫升高而升高（圖3d）。2012年2月溶解氧濃度變化范圍為8.53—14.02 mg/L，溶解氧百分比含量變化范圍為94.1%—171.3%，在水溫升高期間溶解氧明顯過飽和，溶解氧最高值出現(xiàn)在2月24日，與水溫出現(xiàn)最高值的日期一致。

在2012年2月份pH值變化范圍為7.81—8.55。pH值在2月12—2月23日之間均保持相對穩(wěn)定，在2月24日出現(xiàn)一個顯著升高的過程，從8.09升高到8.55，pH值最高值出現(xiàn)時間與溶解氧以及水溫一致，此后pH值維持在相對較高的水平（圖3c）。

在第一個升溫過程即2月12—16日，葉綠素監(jiān)測值變化范圍為1.5—31.2μg/L，出現(xiàn)明顯的晝夜變化規(guī)律，從上午開始升高，至下午15點(diǎn)左右出現(xiàn)一天最高值，此后回落，到夜間出現(xiàn)最低值。期間在2 月16日葉綠素監(jiān)測最高值達(dá)到31.2μg/L，超過赤潮發(fā)生的葉綠素閾值。在2月17—19日的降溫過程，葉綠素并沒有出現(xiàn)下降趨勢，而在2月20日開始的第二個升溫過程，葉綠素出現(xiàn)顯著升高的趨勢，葉綠素變化范圍為8—61.1μg/L，且全天絕大部分的監(jiān)測值均大于10μg/L的赤潮閾值[9]，在25日出現(xiàn)最高值，此后開始隨著水溫的下降迅速回落（圖3e）。

圖3　廉州灣環(huán)境因子的變化（2012年2月14日—3月8日）

3.2.22014年赤潮前后環(huán)境因子變化

2014年廉州灣赤潮前后（2月4日—3月8日）水溫、鹽度、pH、溶解氧以及葉綠素的變化情況見圖4。2014年2月廉州灣水溫變化范圍為8.8—21.5℃，水溫變化幅度較2012年2月份大。2月初，水溫維持在20℃左右，2月8日水溫開始下降，至2 月13日達(dá)到最低值（8.8℃），此后水溫出現(xiàn)一個的升高趨勢，19—20日略有下降之后，又開始顯著升高，至2月28日達(dá)到20.9℃，接近月初水溫值（見圖4a）。

圖4　廉州灣環(huán)境因子的變化（2014年2月4日—3月8日）

2014年2月廉州灣鹽度變化范圍為19.66—31.31，每天的變化幅度較大，主要受到南流江入海徑流的影響，具有典型河口海灣特征。在赤潮發(fā)生期間，鹽度均在正常的波動范圍之內(nèi)（見圖4b）。

與2012年不同，溶解氧與水溫變化趨勢相反，從2月8—13日，溶解氧隨著水溫下降而升高，溶解氧濃度從7.06 mg/L升高到10.35 mg/L，溶解氧百分比從94.1%升高到102.9%，溶解氧沒有出現(xiàn)明顯的過飽和現(xiàn)象。2月14—18日，水溫升高，溶解氧略有下降，21—28日溶解氧又隨著水溫升高而降低（見圖4d）。2014年2月份，pH值變化范圍為7.85—8.31，保持在相對平穩(wěn)（見圖4c）。

2014年2月份，葉綠素變化范圍為0.9—14.5μg/L。其中在2月14—18日的水溫升高過程中，葉綠素在18日之前保持在較低水平，變化范圍為1.5—3.2μg/L，到18日出現(xiàn)一個顯著的升高，最高值達(dá)到8.8μg/L。此后，在2月21—28日水溫升高過程，維持在相對較高的水平，但僅有個別監(jiān)測數(shù)值大于10μg/L的赤潮閾值。與2012年的數(shù)據(jù)相比，葉綠素沒有出現(xiàn)逐步升高的趨勢，且在棕囊藻赤潮過程中，自動監(jiān)測的葉綠素值并沒有顯著升高（見圖4e）。

4　討論

4.12012年與2014年赤潮過程環(huán)境因子變化的差異

從水溫、溶解氧、pH以及葉綠素這幾個因子的變化情況分析，2012年與2014年2次赤潮發(fā)生過程中環(huán)境因子變化存在著較大的差異，主要表現(xiàn)在以下2點(diǎn)。一是溶解氧的變化，2012年溶解氧變化與水溫變化基本一致，而2014年溶解氧變化則與水溫變化相反。近岸海域水溫是控制水體中溶解氧含量的主要因素，水溫升高，水體中的溶解氧濃度應(yīng)有所降低，但2012年，溶解氧隨水溫的升高而升高，與水溫升高造成浮游植物（薄壁幾內(nèi)亞藻）大量增殖，葉綠素顯著升高，光合作用強(qiáng)烈有關(guān)。而2014年在水溫升高時，溶解氧濃度隨之下降，此時盡管處于球形棕囊藻赤潮，但葉綠素含量并沒有顯著升高，仍維持在相對較低水平，浮游植物光合作用釋氧作用不強(qiáng)，此時水溫可能是控制水體溶解氧含量的主要因素。二是葉綠素變化不同，2012年薄壁幾內(nèi)亞藻赤潮期間，自動監(jiān)測站的葉綠素含量出現(xiàn)顯著升高，在2月23—25日，葉綠素濃度維持在較高水平，變化范圍為17.9—61.1μg/L，全天均超過10μg/L的葉綠素赤潮閾值。而2014年，在棕囊藻赤潮期間，葉綠素的自動監(jiān)測值卻較低，日平均值最高值僅為7.5μg/L，且僅有少個別時段出現(xiàn)大于10μg/L的葉綠素赤潮閾值。

4.2自動監(jiān)測浮標(biāo)在硅藻赤潮預(yù)警中的應(yīng)用

在本次研究中，自動監(jiān)測站在硅藻赤潮中的預(yù)警作用表現(xiàn)較好，這和莊宏儒等的報(bào)道相一致[4-5]。硅藻是海洋浮游植物的重要組成類群，是生物多樣性最為豐富的光合作用類群，其光合作用的色素主要是葉綠素a、C1、C2和β-胡蘿卜素，巖藻黃素、硅藻黃素等[10]。硅藻較低的表面積體積比決定其生長需要較高的營養(yǎng)鹽條件[11]，因而在高營養(yǎng)鹽環(huán)境中硅藻易成為浮游植物群落的優(yōu)勢類群。在外部條件合適下，硅藻赤潮藻通過其更高的生長率，在短時間大量增殖，從而形成赤潮。硅藻大量增殖過程中，水體葉綠素含量顯著升高，而且由于其強(qiáng)烈的光合作用，水體中二氧化碳濃度降低，釋放大量的氧氣，造成溶解氧及pH值顯著升高。典型硅藻如中肋骨條藻、角毛藻、幾內(nèi)亞藻等發(fā)生赤潮時，其葉綠素a監(jiān)測值均較高，甚至達(dá)到95.6μg/L，同時溶解氧及pH值也會顯著升高（見表2）。通過對葉綠素、溶解氧、pH值三者的協(xié)同變化情況分析可對硅藻赤潮的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。

從2012年的薄壁幾內(nèi)亞藻赤潮的自動監(jiān)測結(jié)果分析，在赤潮發(fā)生前（2月17—19日），水體中葉綠素開始出現(xiàn)升高，最高值達(dá)到30μg/L，且溶解氧、pH以及葉綠素存在同步漲落的現(xiàn)象，表明赤潮開始爆發(fā)。而在2月21—25日，葉綠素、溶解氧顯著升高，溶解氧明顯過飽和，且葉綠素監(jiān)測值在一天中均維持在較高水平，表明水體中硅藻密度較高，處于赤潮發(fā)展及維持期間。2月26—28日，受冷空氣影響，葉綠素及溶解氧自動監(jiān)測值開始顯著下降，表明赤潮開始消亡。自動監(jiān)測浮標(biāo)完整的監(jiān)控到薄壁幾內(nèi)亞藻赤潮的發(fā)生過程，為其赤潮預(yù)警提供良好的數(shù)據(jù)資料和依據(jù)。目前，國內(nèi)學(xué)者利用自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立基于葉綠素等參數(shù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)和經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模式，實(shí)現(xiàn)對中肋骨條藻、旋鏈角毛藻、圓海鏈藻、丹麥細(xì)柱藻等典型硅藻赤潮的在線監(jiān)控及預(yù)警[4-5,7]。可見根據(jù)光合自養(yǎng)的生理生態(tài)特征，自動監(jiān)測站可應(yīng)用于高葉綠素含量的硅藻赤潮的預(yù)警預(yù)報(bào)。

4.3自動監(jiān)測浮標(biāo)赤潮預(yù)警的缺陷性

與硅藻赤潮相比，棕囊藻赤潮發(fā)生時其葉綠素a及溶解氧監(jiān)測值明顯偏低（見表2）。Hai研究發(fā)現(xiàn)球形棕囊藻赤潮時，葉綠素a與溶解氧變化不一致，葉綠素監(jiān)測值出現(xiàn)相對較高的水平(37.8μg/L)，但溶解氧濃度卻很低(5.7—6.4 mg/L)[12]。同樣從我們自動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，與2012年的硅藻赤潮相比，2014年球形棕囊藻赤潮發(fā)生期間，葉綠素、溶解氧以及pH并沒有發(fā)生明顯的增高趨勢，葉綠素總體與正常值相近，僅有個別時段出現(xiàn)大于10μg/L，溶解氧也未出現(xiàn)明顯的過飽和，從自動監(jiān)測數(shù)據(jù)并不能很明顯的發(fā)現(xiàn)該次赤潮的發(fā)生。

球形棕囊藻赤潮期間pH、溶解氧和葉綠素的自動監(jiān)測結(jié)果未有明顯增高的現(xiàn)象可能與其復(fù)雜的生理生態(tài)史有關(guān)。球形棕囊藻存在2種截然不同的生活形態(tài)——游離單細(xì)胞形態(tài)和囊體形態(tài)，并且能夠在2種形態(tài)間自由交替[13]。盡管游離鞭毛細(xì)胞和囊體細(xì)胞共生，棕囊藻藻華時一般以囊體細(xì)胞和囊體為主要形式[14]，且囊體大都分布在水體上層[15]。我們現(xiàn)場觀測也發(fā)現(xiàn)，球形棕囊藻主要呈條狀態(tài)的漂浮在海水表層，而自動監(jiān)測儀器則放置在水下約1.5 m左右，監(jiān)測水層與藻體水層分布的不一致可能是造成不能準(zhǔn)確并實(shí)時監(jiān)控到赤潮的原因之一。另外，由于球形棕囊藻的細(xì)胞呈球形或近球形，單細(xì)胞的直徑為3—9μm，在各個方向均能產(chǎn)生強(qiáng)度一致的散射光[16]，一定程度上降低球形棕囊藻的葉綠素自動監(jiān)測結(jié)果。而且，球形棕囊藻囊體內(nèi)的細(xì)胞有10%—35%甚至達(dá)到40%的生物量被消耗于囊體的建設(shè)上[17-18]，因此囊體內(nèi)細(xì)胞本身的生物量減少，即使囊體數(shù)量很多，但是對葉綠素a的貢獻(xiàn)相對較低[19]，這也是球形棕囊藻赤潮時葉綠素含量較低的另一個可能原因。在2014年球形棕囊藻赤潮時溶解氧含量也未發(fā)生顯著的變化，可能與囊體的形成限制氧氣的擴(kuò)散有關(guān)[20]，球形棕囊藻細(xì)胞光合作用產(chǎn)生的氧氣被囊體包裹，增大了囊體的體積并且降低密度，進(jìn)而控制囊體的浮力[21]。有研究還表明在營養(yǎng)鹽限制的情況下，球形棕囊藻可能具有吞噬營養(yǎng)的能力[22]，因此在球形棕囊藻赤潮期間，葉綠素以及溶解氧可能不會發(fā)生顯著的變化，自動監(jiān)測系統(tǒng)可能將難以對球形棕囊藻赤潮進(jìn)行有效地監(jiān)控和預(yù)警。

表2　典型硅藻及棕囊藻赤潮期間pH、DO及葉綠素a的監(jiān)測值

近年來，隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷進(jìn)步，在我國渤海海域連續(xù)發(fā)現(xiàn)由微微型藻海金藻（Pelagophyte) Aureococcus anophagefferens引起的“褐潮”[33-34]。該微微型藻赤潮發(fā)生時，溶解氧以及pH也沒有明顯上升，可能與其屬混合營養(yǎng)類型，異養(yǎng)模式是其主要營養(yǎng)方式有關(guān)[34]。此外，某些異養(yǎng)的原生動物也能引發(fā)赤潮[35]。因此，根據(jù)之前的研究以及本次研究結(jié)果，自動監(jiān)測浮標(biāo)很可能在硅藻等高含葉綠素種類的赤潮中能夠起到較好的自動監(jiān)測和預(yù)警作用，但在微微型、混合營養(yǎng)及異養(yǎng)赤潮種類的赤潮預(yù)警方面仍有待在現(xiàn)場應(yīng)用中進(jìn)一步的補(bǔ)充和研究。

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Application of automatic monitoring buoy in early warning for algal blooms in offshore area

LI Tian-shen, LAN Wen-lu, LU Yin-si, XIE Xin
(Marine Environmental Monitoring Center of Guangxi, Beihai 536000 China)

Abstract：Differences in changes of automatic monitoring data of Guinardia flaccida bloom in February 2012 and Phaeocystis globosa bloom in February 2014 were studied using automatic monitoring buoy data in the Beibu Gulf in Guangxi. The contents of DO、pH and chlorophyll appeared synchronous changing trend, while DO and chlorophyll increased significantly in Guinardia flaccida bloom. However, during Phaeocystis globosa bloom, DO、pH and chlorophyll did not change significantly, which related to the physiological and ecological habit of Phaeocystis globosa. Automatic monitoring buoy could play a good role in monitoring and early warning for red tide of high chlorophyll-containing of phytoplankton, such as diatom. However, using automatic monitoring buoy in early warning for bloom of pico-phytoplankton, mixed and heterotrophic nutrition species, remains to be further studied.

Key words：automatic monitoring；algal blooms；early warning

作者簡介：李天深（1981-），男，工程師，碩士，主要從事近岸海域自動及生態(tài)監(jiān)測方面研究。E-mail：litianshen@126.com

基金項(xiàng)目：國家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201309008）；廣西自然科學(xué)基金（2013GXNSFBA019224；2013GXNSFAA019281）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃（桂科攻14124004- 3-13；桂科合14125008-2-8）

收稿日期：2014-5-23

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.011

中圖分類號：X55

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）01-0070-09