丹江中游典型小流域土壤有效鋅的空間分布特征

王　添，任宗萍，張　維，李　鵬，徐國(guó)策

(1 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048；2 陜西省咸陽(yáng)市種苗站，陜西 咸陽(yáng) 712000)

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丹江中游典型小流域土壤有效鋅的空間分布特征

王添1，任宗萍1，張維2，李鵬1，徐國(guó)策1

(1 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048；2 陜西省咸陽(yáng)市種苗站，陜西 咸陽(yáng) 712000)

[摘要]【目的】 研究丹江中游典型小流域土壤有效鋅的空間分布特征，為流域養(yǎng)分資源管理和治理措施的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā?2011-12，利用網(wǎng)格取樣和典型樣地取樣相結(jié)合的方法，在陜西丹江中游鸚鵡溝小流域分3層(0～10，10～20，20～40 cm)采集185個(gè)樣點(diǎn)的土樣，測(cè)定其有效鋅含量，采用地統(tǒng)計(jì)分析和Kriging插值的方法，對(duì)鸚鵡溝小流域土壤有效鋅含量的空間分布特征進(jìn)行研究，并分析了土地利用和地形對(duì)有效鋅分布的影響?！窘Y(jié)果】 土壤有效鋅含量隨土層深度的增加而降低，不同土地利用類(lèi)型下土壤有效鋅含量平均值表現(xiàn)為林地>農(nóng)地>草地。3個(gè)土層土壤有效鋅含量與海拔呈現(xiàn)出顯著(P<0.05)或極顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.01)，農(nóng)地土壤有效鋅含量與坡度、坡向和海拔均呈現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.01)。研究區(qū)3個(gè)土層下，模擬0～10和20～40 cm土層有效鋅含量的最優(yōu)模型為線性模型，模擬10～20 cm土層有效鋅含量的最優(yōu)模型為指數(shù)模型。Kriging插值結(jié)果表明，研究區(qū)土壤有效鋅的空間分布呈帶狀格局，呈東部低西部高的變化趨勢(shì)?！窘Y(jié)論】 影響研究區(qū)土壤有效鋅含量分布的主要因素是土地利用類(lèi)型和海拔；研究區(qū)大部分土壤有效鋅含量處于較低水平。

[關(guān)鍵詞]土壤有效鋅；土地利用；丹江；小流域

鋅是植物生長(zhǎng)所必需的微量元素之一，一定量的鋅能夠促進(jìn)植物光合作用酶、生長(zhǎng)素、蛋白質(zhì)和核酸的合成；另外鋅可以提高植物的耐寒和抗病能力[1]。在正常情況下，植物所需的鋅(有效鋅)主要來(lái)源于土壤，故有效鋅在一定條件下可表征土壤鋅元素的供給水平。土壤有效鋅含量受土壤性質(zhì)、成土過(guò)程和農(nóng)耕活動(dòng)等因素的影響，其空間分布不均勻，從而使有些區(qū)域有效鋅含量缺乏或過(guò)量，對(duì)植物生長(zhǎng)造成一定的影響。故科學(xué)區(qū)劃有效鋅含量范圍對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)及土壤生態(tài)環(huán)境保護(hù)很有必要。了解土壤有效鋅含量的空間變異性是有效鋅科學(xué)區(qū)劃的基礎(chǔ)，因此對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行有效鋅空間變異的研究非常重要。目前，對(duì)土壤養(yǎng)分的變異研究主要集中在氮[2]、有機(jī)碳[3]和有機(jī)質(zhì)[4]等養(yǎng)分上，對(duì)于土壤微量元素的研究也多偏重于微量元素的全量分析[5-7]，對(duì)有效態(tài)含量的研究相對(duì)較少。余存祖等[8]對(duì)黃土高原地區(qū)土壤的研究表明，全量元素的高低不能反映微量元素的有效態(tài)含量。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從土壤性質(zhì)[9-12]及不同土地利用方式[13]對(duì)土壤有效鋅的分布進(jìn)行了許多研究，但關(guān)于小流域土壤有效鋅空間分布特征的研究尚鮮有報(bào)道。

本試驗(yàn)以丹江中游鸚鵡溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合地形因子采用網(wǎng)格法和分層采樣，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，對(duì)該地區(qū)土壤有效鋅含量的空間變異特征進(jìn)行了研究，以期為流域養(yǎng)分資源管理和治理措施的優(yōu)化布局提供參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

鸚鵡溝小流域位于陜西省商洛市商南縣城東南約2 km處的城關(guān)鎮(zhèn)五里鋪村，位于東經(jīng)110°52′16″～110°55′30″、北緯33°29′55″～33°33′50″。流域總面積1.86 km2，流域內(nèi)主溝長(zhǎng)3 232.90 m，最大主溝道比降0.01，流域坡面比降0.33，屬于多邊形水系。流域大部分為低山丘陵地貌，溝谷開(kāi)闊，最高海拔600 m，最低海拔464 m；年平均降水量803.2 mm，其中7-9月份的降水量占全年降水量的50%左右，且多以暴雨形式出現(xiàn)。

流域內(nèi)土壤以黃棕壤為主，坡面有效土層厚度為20～70 cm；土地利用類(lèi)型以農(nóng)地、林地和草地為主；喬木以櫟樹(shù)、松樹(shù)為主，灌木樹(shù)種較多且雜，草地以禾本科草為主，林草覆蓋率在60%以上；農(nóng)作物以小麥、玉米和花生為主[2]。

1.2土壤樣品的采集

在對(duì)研究區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合其實(shí)際地形及土地利用方式，于2011-12在研究區(qū)域以100 m×100 m網(wǎng)格進(jìn)行土壤樣品采集，采樣點(diǎn)以GPS定位，共185個(gè)點(diǎn)(圖1)，分布于整個(gè)流域。

土樣采集深度為40 cm，每個(gè)采樣點(diǎn)分別按0～10，10～20，20～40 cm土層采集樣品，分裝后帶回實(shí)驗(yàn)室。將土樣在自然狀態(tài)下風(fēng)干，經(jīng)研磨和過(guò)篩后進(jìn)行分析測(cè)定。

1.3測(cè)定項(xiàng)目與方法

稱(chēng)取25.0 g風(fēng)干土樣放入180 mL塑料瓶中，加入50.00 mL的DTPA浸提液，在25 ℃下用振蕩機(jī)振蕩2 h，過(guò)濾后得到浸出液，用北京普析公司生產(chǎn)的原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定土壤有效鋅含量。稱(chēng)取經(jīng)研磨為0.149 mm的風(fēng)干土樣0.1 g于白色陶瓷取樣舟內(nèi)，然后加入1～2滴0.1 mol/mL的鹽酸，充分潤(rùn)濕后在105 ℃下恒溫烘4 h，取出后靜置冷卻12 h，然后用德國(guó)耶拿公司的TOC分析儀測(cè)定土壤總有機(jī)質(zhì)含量。

1.4數(shù)據(jù)分析與處理方法

運(yùn)用SPSS 16.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析；采用Pearson進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)；半方差函數(shù)采用GS+(7.0)進(jìn)行計(jì)算；運(yùn)用ArcGIS(9.3)進(jìn)行空間分析。

半方差函數(shù)理論模型可用來(lái)分析土壤有效鋅空間變異的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性。該函數(shù)表達(dá)式為：

式中：γ(h)為半方差函數(shù)；[z(xi)-z(xi+h)]為間隔為h的2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值；N(h)為以h為步長(zhǎng)所有觀測(cè)點(diǎn)的成對(duì)數(shù)目。由r(h)對(duì)h作圖可以得到半方差函數(shù)圖，依據(jù)決定系數(shù)R2和殘差RSS對(duì)半方差函數(shù)進(jìn)行擬合得到合理的理論模型。

圖 1研究區(qū)土地利用情況及采樣點(diǎn)分布

Fig.1Land use and distribution of sampling points in the study area

2結(jié)果與分析

2.1不同土層深度有效鋅含量的分布特征

從表1可以看出，隨著土層深度的增加土壤有效鋅的含量平均值逐漸減小，其中10～20與20～40 cm土層有效鋅含量平均值變化不大。0～10，10～20，20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值分別為9.10，5.83和6.54 g/kg。對(duì)不同深度土層下有效鋅含量與有機(jī)質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果僅0～10 cm土層土壤有效鋅與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，這與Wei等[14]、Mackowiak等[15]和Phillips[16]的研究結(jié)果一致。有效鋅在土層中的這種分布形式與動(dòng)植物殘?bào)w在土壤中的分布關(guān)系密切，動(dòng)植物殘?bào)w大部分存在于土壤表層，隨土層深度的增加逐漸減少[2]。動(dòng)植物殘?bào)w的存在提高了有機(jī)物的含量，而有機(jī)物的分解物可以促進(jìn)有效鋅的形成。

不同土層土壤有效鋅含量的變異系數(shù)(CV)為41%～63%。據(jù)Nielson等[17](1985) 的分類(lèi)系統(tǒng)(CV≤10%，弱變異；10%

表 1　陜西鸚鵡溝小流域不同土層深度有效鋅含量的統(tǒng)計(jì)特征

2.2不同土地利用類(lèi)型土壤有效鋅含量的分布特征

表2表明，農(nóng)地、林地、草地3種土地利用方式下土壤有效鋅含量平均值分別為0.80，1.07，0.77 mg/kg，均高于陜南地區(qū)土壤有效鋅的均值(0.54 mg/kg)[18]。185份土樣只有16%的樣品有效鋅含量低于該平均值。3種土地利用方式下土壤有效鋅含量平均值表現(xiàn)為林地>農(nóng)地>草地，這是因?yàn)榱值刂杏写罅康膭?dòng)植物殘?bào)w和發(fā)達(dá)的植物根系，促進(jìn)了有效鋅的形成[14-15]，故其有效鋅含量較高。

農(nóng)地、林地和草地有效鋅含量平均值均高于有效鋅極低水平的臨界值(0.5 mg/kg)[8]，而低于土壤受鋅污染的閾值(300 mg/kg)[19]。根據(jù)“全國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的土壤速效微量元素豐缺指標(biāo)”和“中國(guó)科學(xué)院微量元素組的土壤有效態(tài)微量元素評(píng)價(jià)指標(biāo)”[20]可知，土壤有效鋅含量≤0.5 mg/kg，屬于極低水平；0.5<土壤有效鋅含量≤1.0 mg/kg，屬于低水平；1.0<土壤有效鋅含量≤2.0 mg/kg，屬于中等水平；2.0<土壤有效鋅含量≤5.0 mg/kg，屬于高水平。本研究區(qū)土壤有效鋅含量為0.28～2.94 mg/kg，其中有效鋅含量屬于極低水平的農(nóng)地、林地和草地分別占10.71%，2.99%和23.08%，含量屬于低水平的分別占72.26%，52.24%和69.23%，含量屬于中等水平的分別占15.74%，34.33%和7.7%，含量屬于高水平的分別占1.56%，10.45%和0%。故研究區(qū)大部分土壤(超過(guò)50%)有效鋅含量處于較低水平。

表2還表明，農(nóng)地、林地、草地的有效鋅含量分別為0.35～2.18，0.39～2.94，0.28～2.4 mg/kg，極差表現(xiàn)為林地>草地>農(nóng)地。農(nóng)地、林地、草地有效鋅的變異系數(shù)分別為41%，53% 和57%，均屬于中等變異，說(shuō)明有效鋅的分布離散程度較大。

表 2　陜西鸚鵡溝小流域不同土地類(lèi)型有效鋅含量的統(tǒng)計(jì)特征

2.3土壤有效鋅含量與地形因子的相關(guān)關(guān)系

2.3.1不同土層深度下有效鋅與地形因子的相關(guān)關(guān)系有研究表明，坡度、坡向和海拔對(duì)土壤有效鋅含量均有不同程度的影響[21-22]，因此本研究分析了以上3種地形因子與土壤有效鋅的相關(guān)關(guān)系。從表3可以看出，0～10，10～20，20～40 cm土層有效鋅含量均與海拔呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.176(P<0.05)、-0.330(P<0.01)，-0.215(P<0.01)，其原因可能是隨海拔的升高，氣溫降低，動(dòng)植物的代謝受到影響，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了變化，進(jìn)而影響到土壤有效鋅的含量，故二者之間顯著相關(guān)[15]；僅10～20 cm土層有效鋅含量與坡向呈顯著負(fù)相關(guān)， 3個(gè)土層有效鋅含量與坡度之間無(wú)顯著的相關(guān)性，這可能是由于人類(lèi)對(duì)土地的開(kāi)墾及種植模式的變化消弱了坡度和坡向?qū)τ行т\含量的影響所致[2]。

表 3　陜西鸚鵡溝小流域不同土層深度下土壤有效鋅與地形因子的相關(guān)關(guān)系

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)；** 表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。下表同。

Note:* significant atP<0.05;** significant atP<0.01.The same below.

2.3.2不同土地利用類(lèi)型土壤有效鋅含量與地形因子的相關(guān)關(guān)系為了更全面地分析有效鋅在研究區(qū)域的空間分布特征，進(jìn)一步分析了不同土地利用下土壤有效鋅含量與地形因子的相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，農(nóng)地有效鋅含量與坡度、坡向和海拔呈現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明農(nóng)地受地形因子的影響較大；林地和草地有效鋅含量與坡度、坡向及海拔之間均無(wú)顯著相關(guān)性，說(shuō)明地形因子對(duì)林地和草地有效鋅含量的影響較小。

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際地形，將坡度劃分為5個(gè)等級(jí)，坡向劃分為3個(gè)類(lèi)型，海拔劃分為4個(gè)等級(jí)，測(cè)算不同土地利用方式下不同坡度、坡向、海拔土壤有效鋅含量的平均值，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，農(nóng)地土壤有效鋅含量平均值隨坡度和海拔的增大而減??；農(nóng)地土壤有效鋅的含量與坡向的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)為無(wú)坡向>陽(yáng)坡=陰坡，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)隨著光照強(qiáng)度和溫度的升高土壤有效鋅的含量隨之增加。草地土壤有效鋅含量平均值隨著坡度的升高而增大，隨海拔的升高先增大后減小；土壤有效鋅含量在坡向上表現(xiàn)為陰坡>陽(yáng)坡>無(wú)坡向。林地土壤有效鋅含量平均值隨海拔的增大無(wú)明顯變化，隨坡度的增加總體上呈先升后降的趨勢(shì)；土壤有效鋅含量平均值在坡向上表現(xiàn)為陰坡>無(wú)坡向>陽(yáng)坡。因?yàn)榱值睾筒莸囟喾植荚诹⒌貤l件較差的高海拔和大坡度地區(qū)，故高海拔和大坡度地區(qū)的土壤有效鋅含量相對(duì)較高。

表 4　陜西鸚鵡溝小流域不同土地類(lèi)型土壤有效鋅與地形因子的相關(guān)關(guān)系

表 5　陜西鸚鵡溝小流域不同土地類(lèi)型在各地形因子下的土壤有效鋅含量平均值

2.4土壤有效鋅的空間分布特征

為了更直觀地反映土壤有效鋅的空間分布特征，對(duì)鸚鵡溝流域3個(gè)采樣深度下土壤有效鋅含量(SAZ)進(jìn)行了Kriging插值， 由于Kriging插值對(duì)呈正態(tài)分布的指標(biāo)預(yù)測(cè)較好，故在進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)前，需檢驗(yàn)土壤有效鋅含量是否滿(mǎn)足正態(tài)分布。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個(gè)土層土壤有效鋅含量的P值均小于0.05，不服從正態(tài)分布。因此，對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行常用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化(lg(SAZ))，轉(zhuǎn)化后的分布曲線(圖2)經(jīng)K-S檢驗(yàn)P值均大于0.05，滿(mǎn)足正態(tài)分布的要求。

圖 2　陜西鸚鵡溝小流域不同土層土壤有效鋅含量(SAZ)經(jīng)常用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后的分布曲線

在GS+中，對(duì)3個(gè)土層lg(SAZ)進(jìn)行半方差函數(shù)模擬，得到半方差函數(shù)模型及其參數(shù)，擬合度(R2)最高且殘差平方和(RASS)最小的模型為最優(yōu)模型。由表6可知，0～10， 20～40 cm土層土壤有效鋅的最優(yōu)模型為線性模型，其決定系數(shù)均為0.83；10～20 cm土層土壤有效鋅的最優(yōu)模型為指數(shù)模型，其決定系數(shù)為0.74。此外，3個(gè)模型的殘差平方和也均較小，表明模型的擬合精度較好，可以很好地反映研究區(qū)域土壤有效鋅含量的空間結(jié)構(gòu)。

表 6　陜西鸚鵡溝小流域不同土層lg(SAZ)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)

用最優(yōu)模型進(jìn)行插值后繪制3個(gè)土層土壤有效鋅的空間分布圖，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，隨著土層深度的增加，土壤有效鋅含量呈降低趨勢(shì)，且變化范圍也逐漸縮小。0～10 cm土層的有效鋅含量最高；10～20 cm土層的有效鋅含量的分布范圍明顯比0～10 cm土層小，有效鋅含量為0.4～1.3 mg/kg；20～40 cm土層的有效鋅含量相對(duì)較低，有效鋅含量為0.4～1.0 mg/kg。3個(gè)土層下，土壤有效鋅含量沿河流流向逐漸增加，整體呈東部低西部高的變化趨勢(shì)。因?yàn)楹恿魈幱跍瞎忍?，且由高海拔處流向低海拔處，雨水由陡坡或高海拔處流向緩坡或低海拔處，泥沙隨之遷移，從而使有效鋅沿水流方向富集。

圖 3　陜西鸚鵡溝小流域3個(gè)土層土壤有效鋅含量的空間插值分布

3結(jié)論

1)研究區(qū)0～10，10～20，20～40 cm土層土壤有效鋅含量的平均值分別為1.24，0.76和0.75 mg/kg，可知土壤有效鋅含量隨土層深度的增加而逐漸減小。3個(gè)土層有效鋅含量的變異均為中等變異，變異系數(shù)隨土層深度的增加逐漸減小。

2)農(nóng)地、林地、草地3種土地利用方式下土壤有效鋅含量均值均高于陜南地區(qū)的均值，采樣點(diǎn)中有16%的土壤在均值以下；農(nóng)地、林地、草地土壤有效鋅含量均值分別為1.07，0.80和0.77 mg/kg，表現(xiàn)為林地>農(nóng)地>草地，其中農(nóng)地有效鋅含量的變異系數(shù)最小。

3)0～10 cm 土層土壤有效鋅含量與海拔呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性(P<0.05)，10～20 和20～40 cm土層土壤有效鋅含量與海拔呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性(P<0.01)。農(nóng)地土壤有效鋅含量與坡度、坡向和海拔均呈現(xiàn)出極顯著的相關(guān)性(P<0.01)。

4)研究區(qū)3個(gè)土層下，模擬0～20 和20～40 cm土層土壤有效鋅含量的最優(yōu)模型為線性模型，模擬10～20 cm土層土壤有效鋅含量的最優(yōu)模型為指數(shù)模型。流域不同土層下土壤有效鋅的空間分布呈帶狀格局，且隨土層深度的增加有效鋅含量及其變化范圍也逐漸減小，沿水流方向逐漸增加，總體呈東部低西部高的趨勢(shì)。

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Spatial distribution of soil available zinc in a typical watershed of middle Danjiang River

WANG Tian1,REN Zong-ping1,ZHANG Wei2,LI Peng1,XU Guo-ce1

(1StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China;2SeedlingsStationofXianyang,Shaanxi,Xianyang,Shaanxi712000,China)

Abstract:【Objective】 The spatial distribution of soil available zinc (SAZ) was studied in a typical small watershed of the middle reaches of Danjiang River to provide scientific basis for nutrient resource management and control measures of watershed.【Method】 Combined with grid and typical spot samples,185 sites were collected with three soil layers (0-10 cm (A1),10-20 cm (A2),and 20-40 cm (A3)) at the Yingwugou watershed of Danjiang River in Shanxi in 2011-12.The spatial distribution of SAZ was studied by geostatistical analysis and Kriging interpolation,and the impact of land use and terrain conditions was analyzed.【Result】 The content of SAZ decreased with the increase of soil depth.The average SAZ contents of different land use types were in the order of woodland>farmland>grassland.There was extremely significant (P<0.01) or significant (P<0.05) correlation between the SAZ content and elevation.SAZ in cropland was significantly correlated with slope,aspect and elevation (P<0.01).In three soil depths,the best fitted model was linear model indicating moderate spatial dependence in A1 and A3.The best fitted model in A2 was expoential model indicating moderate spatial dependence.The spatial distribution of SAZ was zonal pattern using Kriging interpolation,and SAZ content was lower in the eastern part than in western part.【Conclusion】 The SAZ was mainly affected by the land use and elevation,and the SAZ content was at a low level in the study area.

Key words:soil available zinc;land use;Danjiang River;small watershed

DOI：網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2016-02-0209:3710.13207/j.cnki.jnwafu.2016.03.012

[收稿日期]2014-08-04

[基金項(xiàng)目]國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD31B01)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401316)；水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201201084)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014JQ5175)

[作者簡(jiǎn)介]王添(1989-)，男，河南南陽(yáng)人，在讀碩士，主要從事水土保持生態(tài)修復(fù)與環(huán)境保護(hù)研究。E-mail： wthuanjing@126.comE-mail：lipeng74@163.com

[通信作者]李鵬(1974-)，男，山東煙臺(tái)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事水土資源與環(huán)境研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)]S143.7+2

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1671-9387(2016)03-0082-07