晉西黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型對土壤碳氮儲量的影響

楊 帆, 潘成忠, 鞠洪秀

(北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院, 北京 100875)

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晉西黃土丘陵區(qū)不同土地利用類型對土壤碳氮儲量的影響

楊 帆, 潘成忠, 鞠洪秀

(北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院, 北京 100875)

通過對比晉西黃土區(qū)蔡家川流域人工刺槐林地、人工油松林地、退耕荒草地和農(nóng)地土壤有機(jī)碳和總氮含量的差異性，探討了土地利用變化對該流域土壤碳氮儲量的影響。結(jié)果表明：(1) 4種土地利用類型下，土壤有機(jī)碳和總氮均表現(xiàn)出表聚效應(yīng)，且荒草地垂向降幅最大，各樣地土壤有機(jī)碳和總氮均呈極顯著線性正相關(guān)；(2) 油松林地0—48 cm土層有機(jī)碳含量高于其他樣地，刺槐林地0—48 cm土層總氮含量顯著高于其他樣地，而4種土地利用類型在48—96 cm土層和96—160 cm土層中有機(jī)碳和總氮含量差異不顯著；(3) 從蔡家川流域退耕土壤固碳和固氮效應(yīng)整體而言，退耕林地具有顯著的土壤碳氮固存效應(yīng)，隨著人工林地面積占比的增加，流域土壤總有機(jī)碳和總氮儲量相應(yīng)增加。

土地利用； 碳、氮儲量； 黃土丘陵區(qū)

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最為重要的碳庫之一，是保證生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的重要組成部分[1]。合理的土地利用有助于增加土壤碳氮的儲量，反之則會促使土壤碳氮的釋放[2-3]。土壤有機(jī)碳作為土壤的一個重要組成部分，在維持土壤物理、化學(xué)和生物特征中發(fā)揮著重要的作用，土壤總氮作為評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[4]，是保證植被生長的重要因子。土壤有機(jī)碳和總氮不僅是土壤生產(chǎn)力的核心物質(zhì)，也是全球碳氮的主要存儲方式之一。二者的長期積累不僅影響整個生態(tài)系統(tǒng)的碳氮穩(wěn)定性和持續(xù)性，而且對緩解全球溫室效應(yīng)有著深遠(yuǎn)影響[5-6]。我國開展的退耕還林還草工程正是通過調(diào)整土地利用類型進(jìn)而改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，其通過恢復(fù)植被來改善土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及土壤碳氮的流動狀況，在減少水土流失量的同時提高土壤的碳氮固存能力[7-10]。因此，明確退耕區(qū)域不同土地利用類型下土壤碳氮的儲量及其變化特征，對評價區(qū)域退耕工程的成效具有重要意義。

近年來研究者對黃土丘陵區(qū)不同流域不同土地利用類型下的土壤有機(jī)碳和總氮儲量變化情況進(jìn)行了研究[9-16]，結(jié)果表明，各流域在植被恢復(fù)過程中，土壤有機(jī)碳和總氮儲量均會有一定的增加，但不同區(qū)域，不同土地利用類型下會因其植被生物量形成、積累與分解速率的不同，而使土壤有機(jī)碳和總氮產(chǎn)生不同的積累量[12-17]。許明祥等對陜北黃土丘陵區(qū)安塞附近小流域的不同土地利用類型下有機(jī)碳儲量情況進(jìn)行研究，結(jié)果表明，從該區(qū)域表層(0—20 cm)土壤有機(jī)碳累計量來看，土壤有機(jī)碳儲量表現(xiàn)為退耕林地>退耕撂荒地>退耕還草地[7]。周漢華等對黃土高原燕溝流域的退耕草地、灌木林地、林地和農(nóng)地在不同地形條件下的有機(jī)碳和總氮儲量進(jìn)行比較研究，結(jié)果顯示，在坡地地形下，退耕草地、灌木林地和林地較農(nóng)地總氮儲量分別增加32%，90%和55%，有機(jī)碳儲量增加41%，119%和60%，相比之下，該區(qū)灌木林地具有較高的碳氮儲存能力[18]，諸如以上針對黃土高原小流域退耕土地土壤碳氮儲量的變化研究已有一定的積累。綜合來看，不同退耕地土壤碳氮儲量都較非退耕地有明顯增加，但不同退耕土地利用類型在不同流域內(nèi)發(fā)揮的碳氮儲存能力卻存在差異，因此，有必要對不同退耕流域內(nèi)不同土地利用類型下土壤碳氮儲存能力進(jìn)行比較分析，以期從土壤碳氮儲存能力方面為流域退耕土地利用類型的選擇提供依據(jù)。

本文以晉西典型黃土丘陵溝壑區(qū)山西吉縣蔡家川流域為研究區(qū)域，以坡向、坡度以及生長年限相近的人工刺槐林地、人工油松林地、退耕荒草地和農(nóng)地為研究對象，對不同土層(0—160 cm)土壤有機(jī)碳和總氮含量進(jìn)行對比研究，并根據(jù)2001年、2004年和2012年該流域土地利用類型面積占比變化情況計算該流域土壤有機(jī)碳和總氮儲量變化情況，進(jìn)一步了解蔡家川流域不同退耕土地利用類型下土壤有機(jī)碳和總氮儲量情況，以期為蔡家川流域退耕土地利用類型的選擇和碳氮儲量效果評價提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1　試驗材料與方法

1.1研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于山西省吉縣蔡家川流域(35°53′10″—36°21′02″N，110°27′30″—111°07′20″E)，屬于黃河的三級支流，流域大體上呈由西向東走向，該流域面積為39.33 km2，海拔高度在904～1 592 m，屬于典型黃土殘塬溝壑區(qū)，多年平均降水量571 mm，年蒸發(fā)量1 729 mm，年平均氣溫9.9℃，≥10℃的積溫為3 358℃，光照時數(shù)2 563.8 h，無霜期172 d。該區(qū)土壤為褐土，黃土母質(zhì)，土壤普遍呈堿性。該區(qū)主要人工植被有刺槐、油松，農(nóng)作物以玉米、小麥、谷子、豆類為主。通過對該地區(qū)林、草地進(jìn)行調(diào)查，以典型性和代表性為原則，選擇退耕年限、坡度、坡向相近的人工刺槐林、人工油松林、退耕荒草地和農(nóng)地4種土地利用類型為研究對象，土地利用類型基本情況見表1。

表1　四種土地利用類型基本情況

1.2樣品采集

于2014年7月，對人工刺槐林地、人工油松林地、退耕荒草地、農(nóng)地進(jìn)行采樣工作。坡面方向，4個坡面坡長均在40米左右，各坡面自坡頂向坡角等間距設(shè)置6個采樣點，各采樣點由3個重復(fù)樣混合而成；剖面方向，根據(jù)采樣工具，設(shè)定每16 cm為一個垂向采樣單位，每個采樣點共設(shè)置10個采樣單位，4個樣地共計240個土壤樣品。土壤樣品自然風(fēng)干，采用四分法挑選待測土樣，將待測土樣通過0.25 mm篩孔以供測定。退耕林地和退耕荒草地自退耕以來基本未受人為活動干擾。

1.3測定項目及方法

土壤樣品有機(jī)碳測定(稀釋熱—重鉻酸鉀容量法)

土壤樣品總氮測定(半微量開氏定氮法)

采用環(huán)刀法測定土壤容重(測定0—16 cm，16—32 cm，32—48 cm土層土壤容重)。

1.4數(shù)據(jù)處理

根據(jù)不同年份人工林地、荒草地和農(nóng)地面積占比計算該年各土地利用類型的有機(jī)碳和總氮總儲量[19]。

土壤有機(jī)碳密度SOCi(kg/m2)，計算公式為：

(1)

式中：Ci為土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；Di為土壤容重(g/cm3)；Ei為土層厚度(cm)；Gi為粒徑>2 mm的石礫含量(%)，研究區(qū)土壤無粒徑>2 mm石礫，所以Gi取值為0。

單位面積一定深度范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳儲量SOCt(t/hm2)計算公式為：

(2)

式中：K為土層數(shù)，以同樣的公式計算土壤總氮密度和總氮儲量。

采用SPSS 19.0軟件對不同土層、不同土地利用類型土壤有機(jī)碳和總氮含量和儲量進(jìn)行LSD差異顯著性檢驗。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤有機(jī)碳和總氮垂向變化

四種土地利用類型下，土壤有機(jī)碳和總氮含量均隨土層深度的增加而減小(圖1)，且均在64 cm深度范圍內(nèi)降幅較大，而>96 cm深度以下降幅不大。降幅大小順序為荒草地(74.03%)>油松林地(72.56%)>刺槐林地(61.65%)>農(nóng)地(47.21%)?？傮w來看，土地利用對土壤有機(jī)碳和總氮含量的影響主要體現(xiàn)在0—64 cm土層，這可能與土壤地下生物量和微生物數(shù)量垂直分布有關(guān)。在0—64 cm土壤中，林地枯落物中含有較多難分解有機(jī)質(zhì)(木質(zhì)素、蠟紙等)，枯落物為土壤有機(jī)碳的主要來源，另一方面，林木根系發(fā)達(dá)，向下延伸范圍廣，富裕的地下生物量是土壤有機(jī)碳的重要來源，而土壤氮素含量在很大程度上取決于土壤有機(jī)碳的積累及其分解作用的相對強(qiáng)度[20]，因此土壤總氮變化趨勢與有機(jī)碳變化趨勢相似[21]。

另外，本研究結(jié)果顯示，各土地利用類型下土壤有機(jī)碳和總氮含量隨土層深度的變化均以冪函數(shù)擬合性最佳( 表2 所示)，此擬合關(guān)系式可為該地區(qū)4種土地利用類型下不同土層深度土壤碳氮儲量的計算奠定基礎(chǔ)。

圖1　四種土地利用類型土壤有機(jī)碳和總氮垂向分布特征表2　四種土地利用類型垂向有機(jī)碳總氮擬合關(guān)系

見表3，各土地利用類型下土壤有機(jī)碳和總氮之間均呈極顯著線性正相關(guān)，這與其他研究結(jié)果相同[22-23]，且油松林地相關(guān)性最好。在氮素條件相同的情況下，3種退耕土地利用類型的有機(jī)碳和總氮含量均高于農(nóng)地生態(tài)系統(tǒng)，說明退耕措施有利于土壤有機(jī)碳和總氮的積累。

表3　四種土地利用類型土壤有機(jī)碳和總氮擬合關(guān)系式

注:**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

2.2土地利用類型間土壤有機(jī)碳和總氮分層比較

為了進(jìn)一步分析各坡地垂向間土壤有機(jī)碳和總氮含量的差異性，現(xiàn)根據(jù)土壤剖面有機(jī)碳和總氮的變異系數(shù)，將土壤剖面劃分為0—48 cm土層，48—96 cm土層和96—160 cm土層。

由表4看出，各土地利用類型下土壤有機(jī)碳和總氮含量在剖面中的分布具有明顯的層次性，且0—48 cm深度含量最高。刺槐林地、油松林地和荒草地0—48 cm深度與96—160 cm深度有機(jī)碳和總氮含量差異顯著，而農(nóng)地各深度間有機(jī)碳和總氮含量差異不顯著。說明較農(nóng)地而言，刺槐林地、油松林地和荒草地土壤有機(jī)碳和總氮的表聚效應(yīng)顯著。從各土地利用類型下不同深度土層的變異系數(shù)來看，油松林地各深度土層有機(jī)碳變異系數(shù)最大，刺槐林地深度土層總氮變異系數(shù)最大，土壤剖面有機(jī)碳和總氮變異系數(shù)的大小間接反映了地下碳氮的流動性，變異系數(shù)大流動性強(qiáng)，由此看出油松林地有機(jī)碳流動性強(qiáng)，刺槐林地總氮流動性強(qiáng)。

表4　不同土地利用類型土層間土壤有機(jī)碳和總氮比較

注:不同小寫字母表示在相同土地利用類型下不同土層間土壤有機(jī)質(zhì)和總氮含量差異顯著(p<0.05)。

比較不同深度土層4種土地利用類型間有機(jī)碳和總氮含量的差異情況(圖2)，在有機(jī)碳含量方面，油松林地0—48 cm土壤有機(jī)碳含量最高，刺槐林地和荒草地次之，三者間差異不顯著，而農(nóng)地含量顯著低于林草地；在48—96 cm和96—160 cm深度土層，兩種林地土壤有機(jī)碳含量相當(dāng)，且均略高于荒草地和農(nóng)地含量，4者間差異不顯著。在總氮含量方面，刺槐林地0—48 cm土層土壤總氮含量最高，荒草地次之，而農(nóng)地含量顯著低于其他3者，刺槐林地48—96 cm土層土壤總氮含量與農(nóng)地48—96 cm土層土壤總氮含量差異顯著，而此土層其他各坡地間差異不顯著，各坡地96—160 cm土層土壤總氮含量相當(dāng)，差異均不顯著。綜合來看，土地利用類型對坡面各層有機(jī)碳和總氮含量有一定的影響，但影響程度存在差異。

注:圖中不同小寫字母表示不同土地利用類型在同一深度土層土壤有機(jī)質(zhì)和總氮含量的差異顯著(p<0.05)。

圖2不同土地利用類型下土壤有機(jī)碳和總氮含量比較

2.3各土地利用類型0-48 cm土層土壤有機(jī)碳和總氮儲量變化

土壤有機(jī)碳和總氮儲量是由有機(jī)碳密度和總氮密度計算而得，而土壤有機(jī)碳密度和總氮密度主要由各層土壤容重、有機(jī)碳含量、總氮含量決定。根據(jù)各土地利用類型0—16，16—32，32—48 cm土壤容重(表5)、有機(jī)碳和總氮含量的測算得0—48 cm土層土壤有機(jī)碳密度和總氮密度，進(jìn)而求得各土地利用類型單位面積(1 hm2)表層(0—48 cm)土壤的有機(jī)碳和總氮儲量(圖3)。

由圖3看出，4種土地利用類型0—48 cm土層土壤有機(jī)碳儲量大小為油松林地(4.89 t/hm2)>荒草地(4.38 t/hm2)>刺槐林地(4.04 t/hm2)>農(nóng)地(2.69 t/hm2)，其中，農(nóng)地顯著低于其他3種土地利用類型(p<0.05)；表層土壤總氮儲量大小為刺槐林地(1.65 t/hm2)>荒草地(1.58 t/hm2)>油松林地(1.13 t/hm2)>農(nóng)地(0.82 t/hm2)，刺槐林地和荒草地0—48 cm土層土壤氮儲量顯著高于農(nóng)地(p<0.05)。

表5　各土地利用類型不同土層土壤容重值

不同土地利用類型下0—48 cm土層土壤碳氮儲量的差異主要與地表枯落物和地下生物量的分布有關(guān)。就本研究流域，農(nóng)地表層枯落物平均為1.7 cm的厚度，而林地表層枯落物覆蓋厚度能達(dá)到4 cm，調(diào)查顯示，蔡家川流域油松林地枯落物能夠達(dá)到16.45 t/hm2，刺槐林地枯落物能夠達(dá)到12.88 t/hm2[24]。

圖3　種土地利用類型0-48 cm土層內(nèi)有機(jī)碳和總氮儲量比較

另一方面，土壤內(nèi)部有機(jī)碳和總氮儲量還受根系的生長發(fā)育和分布以及微生物的活動影響，退耕林地隨著生長年限的延長，在龐大根系的作用下土壤理化性質(zhì)逐步改善，進(jìn)而有利于枯落物的分解，增加碳氮儲量。

利用計算得到的刺槐林地、油松林地、荒草地和農(nóng)地0—48 cm土層單位面積(1 hm2)有機(jī)碳和全氮儲量(圖3)和不同年份蔡家川流域各土地利用類型面積的占比情況，求得該流域不同年份土壤有機(jī)碳和總氮儲量隨土地利用的變化情況。

表6為蔡家川流域現(xiàn)有年份不同土地利用類型面積占比情況，以人工刺槐林地和人工油松林地單位面積(1 hm2)表層(0—48 cm)有機(jī)碳和總氮儲量的平均值為該流域人工林地表層有機(jī)碳和總氮儲量值，計算得到各統(tǒng)計年份下不同土地利用類型有機(jī)碳和總氮儲量的變化情況(表7)?？芍?004年和2012年蔡家川流域人工林地面積占比較2001年分別增加11.39%和11.96%，有機(jī)碳和總氮儲量增幅均在60%以上；2004年和2012年該流域荒草地面積占比較2001年分別減小6.74%和6.51%，有機(jī)碳和總氮儲量降幅均在33%；2004年和2012年該流域農(nóng)地面積占比較2001年分別減小1.03%和0.9%，有機(jī)碳和總氮儲量降幅均在13%。蔡家川流域2004年和2012年3種土地利用類型總面積占比較2001年分別增加10.21%和10.17%，2004年和2012年3種土地利用類型總有機(jī)碳儲量增幅均在12%以上，總氮儲量增幅在9.1%以上，由此說明，自2001—2012年退耕還林面積的增加對該流域土壤有機(jī)碳和總氮儲量的積累具有積極作用。

表6　蔡家川流域不同年份土地利用類型面積占比情況[25-28]

表7　蔡家川流域有機(jī)碳和總氮儲量變化

3　討 論

本研究中，各土地利用類型土壤有機(jī)碳和總氮含量在垂直于坡面方向均呈現(xiàn)下降趨勢，且變化趨勢符合冪函數(shù)關(guān)系。垂向土壤有機(jī)碳含量的變化主要受外源輸入過程與內(nèi)部分解過程的約束，各土地利用類型土壤上層植物枯落物多，有機(jī)碳來源廣，且植物根系大多分布在上層，因此土壤上層外源輸入和內(nèi)部分解過程均較發(fā)達(dá)，土壤有機(jī)碳和總氮含量呈現(xiàn)出隨土層深度的增加而遞減的趨勢，這與前人大部分研究結(jié)果相一致[29]。

本研究指出林地土壤具有較高的有機(jī)碳和總氮儲量，其原因在于林地植被蓋度較大，枯落物來源豐富，使得其土壤有機(jī)碳和總氮含量普遍較高，又由于林地在秋冬季節(jié)被大量枯落物覆被，其土壤處于被保護(hù)狀態(tài)，進(jìn)而減少了碳氮的散失；另外，樹木具有發(fā)達(dá)的根系，能夠在深層次土壤中積累和固存有機(jī)碳，根系是下層土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的重要驅(qū)動力，也是將光合產(chǎn)物直接輸入到地下的重要途徑，因此林地根系在增強(qiáng)林地土壤抵抗侵蝕能力的同時也為林地土壤碳氮的固存提供重要保障。

天然荒草地同樣有著較大的枯落物來源，且大量枯落物覆蓋于地表可作為土壤的保護(hù)層。但相對于林地來說，草地枯落物成分相對單一，且其地下生物量分布范圍較小，在改良土壤結(jié)構(gòu)和促進(jìn)生物活動方面不及林地。本研究所選取的荒草地為連續(xù)多年生的草地，由于長時間在相似的自然條件下生長，其物種和產(chǎn)出方式等都較為單一，使的其對有機(jī)碳和總氮儲存能力低于林地。

農(nóng)地屬于掠奪式開發(fā)利用土壤，其植被蓋度較小，枯落物回歸量較少，且農(nóng)作物根系普遍分布較淺，地下生物量少，因此造成農(nóng)地土壤碳氮收支不平衡。另外，農(nóng)地收割后，土地基本處于裸露狀態(tài)，土壤受外界因素的影響程度增大，進(jìn)而會造成表層土壤淋失、微生物活性降低、土壤質(zhì)地粗化、土壤團(tuán)聚性降低等，這些因素都會降低土壤碳氮的存儲。農(nóng)地土壤有機(jī)碳和總氮含量普遍低于林地和草地含量，究其原因在于：一般農(nóng)地使用的無機(jī)肥會過度激發(fā)土壤微生物的活性以及土壤養(yǎng)分的可利用性，進(jìn)而加速土壤有機(jī)質(zhì)的降解，不利于土壤碳的固存；另外，人工種植過程對土壤擾動較大，灌溉和耕種會使土壤干濕交替頻繁，進(jìn)而會破壞土壤團(tuán)聚性，加速土壤氮的分解、釋放與淋失。

通過計算可以看出，自2001年以來，蔡家川流域退耕林地面積增加迅速，加之該區(qū)域林地土壤儲存碳氮的能力較強(qiáng)，因而退耕林地在該流域的碳氮固存方面發(fā)揮著重要作用。因此，在不影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提下，進(jìn)行退耕還林、封山育林等土地利用的轉(zhuǎn)變可促進(jìn)流域土壤碳氮儲量。

4　結(jié) 論

(1) 4種土地利用類型下，土壤有機(jī)碳和總氮含量均隨土層深度的增加而減小，土壤有機(jī)碳和總氮含量隨土層深度的變化均以冪函數(shù)擬合性最佳?；牟莸亟捣畲?74.03%)，油松林地和刺槐林地次之(72.56%，61.65%)，農(nóng)地最小(47.21%)，土壤有機(jī)碳和總氮呈極顯著線性相關(guān)性(p<0.01)。

(2) 將垂向土層劃歸為0—48 cm深度土層、48—96 cm深度土層和96—160 cm深度土層，根據(jù)垂線變異系數(shù)分析，油松林地有機(jī)碳流動性強(qiáng)，刺槐林地總氮流動性強(qiáng)。油松林地0—48 cm土層有機(jī)碳含量最高，刺槐林地0—48 cm土層總氮含量最高，且與其他3種土地利用類型間差異顯著(p<0.05)，各土地利用類型間48—96 cm土層和96—160 cm土層土壤的有機(jī)碳和總氮含量存在差異，但差異不顯著。

(3) 油松林地0—48 cm土層土壤有機(jī)碳儲量最大，刺槐林地0—48 cm土層土壤總氮儲量最大。蔡家川流域2004年和2012年較2001年人工林地面積占比增加，總面積占比分別增加10.21%和10.17%，同期流域總有機(jī)碳儲量增幅在12%以上，總氮儲量增幅在9.1%以上，由此說明，人工退耕還林的實施對流域土壤有機(jī)碳和總氮儲量的積累具有積極作用。

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Effects of Different Land Use Types on Storage of Soil Organic Carbon and Total Nitrogen in Western shanxi Hilly Loess Plateau Region

YANG Fan, PAN Chengzhong, JU Hongxiu

(CollegeofWaterSciences,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)

The difference of soil organic carbon and total nitrogen contents for cropland, abandoned land,RobiniapseudoacaciaandPinustabulaeformiswoodlands in hilly loess region were analyzed to explore the effects of land use types on the storage of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN ). The results showed that: (1) the contents of SOC and TN decreased with the increase of soil depth, the surface soils had higher contents of SOC and TN than the subsoils, especially for abandoned land. The highly significant correlation between SOC and TN centents was found in each land use type; (2) in the surface soil layer (0—48 cm), the SOC content inPinustabulaeformisstand is significant higher than others, and the TN content ofRobiniapseudoacaciastand is significant higher than others, there are not significant different among them in superficial layer(48—96 cm) and deep layer(96—160 cm); (3) the results also show that at the regional scale, abandoned land,RobiniapseudoacaciaandPinustabulaeformisstands have remarkable SOC and TN sequestration compared with cropland, and the artificial forest is the best. The increase of forestland area will enhance the storage of SOC and TN in this region.

land use type; SOC and TN storage; hilly loess region

2015-09-07

2015-09-14

國家自然科學(xué)資助項目(41271285;51309007;41530858);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助

楊帆(1990—),女,新疆昌吉人,碩士研究生,研究方向為水土保持措施過程研究。E-mail:201321470014@mail.bnu.edu.cn

潘成忠(1980—),男,江蘇灌云人,副教授,主要從事坡面水文和土壤侵蝕研究。E-mail:pancz@bnu.edu.cn

S153

A

1005-3409(2016)04-0318-07