準噶爾盆地南緣人工梭梭林土壤理化特性時空動態(tài)研究

羅青紅, 寧虎森, 陳啟民,3

(1.新疆林科院造林治沙研究所, 烏魯木齊 830063; 2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011; 3.東北林業(yè)大學, 哈爾濱 150040)

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準噶爾盆地南緣人工梭梭林土壤理化特性時空動態(tài)研究

羅青紅1,2, 寧虎森1, 陳啟民1,3

(1.新疆林科院造林治沙研究所, 烏魯木齊 830063; 2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011; 3.東北林業(yè)大學, 哈爾濱 150040)

人工梭梭林(Haloxylonammodendron)在防風固沙和土壤改良方面具有重要的生態(tài)作用。人工梭梭林土壤理化性質(zhì)在時間序列和垂直空間上的動態(tài)變化規(guī)律研究結(jié)果表明：(1) 在1973—2008年的時間序列上，林地土壤含水量和有效鉀呈雙峰曲線形式，峰值分別出現(xiàn)在1986年和2003年，最低值則在2008年；隨種植年限的延長，土壤pH值在0—40 cm各土層呈先增加后減小的趨勢，在40—100 cm各土層則表現(xiàn)為雙峰曲線，峰值同樣在1986年和2003年；土壤電導率呈波浪形變化；土壤有機碳和有效磷含量呈先增大后減小的趨勢；有效氮則呈增加的趨勢。(2) 0—100 cm的垂直空間上，林地土壤含水量、電導率隨深度增加而增大，土壤pH值和土壤養(yǎng)分隨深度增加而減小。綜上，人工梭梭林土壤理化性質(zhì)隨種植年限的增加而逐漸改善，在種植年限為28年時效果最明顯，以后趨于穩(wěn)定。

人工梭梭林; 造林時間; 土壤理化性質(zhì)

梭梭(Haloxylonammodendron)是在干旱荒漠環(huán)境里，經(jīng)過長期自然選擇的優(yōu)勝植物[1]。其具有耐干旱、耐鹽堿，生態(tài)幅寬、材質(zhì)堅硬等特性，發(fā)揮著抵御沙漠入侵、減少風沙的作用，是維護生態(tài)環(huán)境的重要屏障[2]。新疆準噶爾盆地梭梭林分布面積約7.95萬km2，是我國梭梭林集中分布區(qū)，約占新疆梭梭林總面積的94%，我國梭梭林總面積的68%[3]。梭梭是維持和保護準噶爾盆地周邊綠洲的重要植被。但隨著盆地周邊地下水的大量開發(fā)、鹽堿等因素影響，準噶爾盆地的人工梭梭林生長狀況惡化并且出現(xiàn)因缺水大量死亡及成年梭梭林退化等問題[4-5]。為了維護準噶爾盆地的生態(tài)穩(wěn)定，保護綠洲，有必要研究梭梭林與環(huán)境因子的耦合關(guān)系[6]。

在干旱區(qū)鹽堿環(huán)境下，土壤水分和理化性質(zhì)是影響植物生長的關(guān)鍵因素[7-8]，但同時又受到植被存在的影響[9-10]。因此，研究干旱荒漠區(qū)梭梭林土壤含水量、pH值、電導率和土壤養(yǎng)分的動態(tài)變化規(guī)律，了解梭梭林土壤理化性質(zhì)與植被生長的關(guān)系，對加強梭梭林管理和人工調(diào)控與促進植被恢復和演化具有重要意義。前人對梭梭林地土壤理化性質(zhì)時空分布規(guī)律方面進行了較多的研究，關(guān)于土壤水分的研究主要集中在黑河流域[11-13]、塔里木沙漠公路防護林[14]、庫布齊沙漠[15]、烏蘭布和[16-18]等區(qū)域，而對不同種植年限梭梭林土壤水分狀況的比較研究較少[7,15,19-20]；關(guān)于土壤養(yǎng)分的研究，多集中于對“鹽島”、“肥島”效應研究，而對不同種植年限梭梭林的土壤養(yǎng)分含量的研究卻較少[21-23]。因此，本文針對準噶爾盆地南緣不同種植年限人工梭梭林進行研究，擬回答以下問題：(1) 了解人工梭梭林土壤含水量、pH值、電導率和土壤養(yǎng)分等理化性質(zhì)動態(tài)特征，(2) 探討人工梭梭林對干旱地區(qū)土壤改善作用，以期為干旱區(qū)植被保護和重建提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于準噶爾盆地(西)南緣(85°55′—86°08′E，44°01′—45°10′N，海拔309～332 m)。該區(qū)為典型的大陸性荒漠氣候，年平均氣溫6.6℃，最低氣溫-42.8℃(1月份)，七月最高氣溫43.1℃。年降水量114.89 mm，約31.6%降雨集中在3—5月期間。一般年積雪厚度為13 cm，融雪期集中在三月。年平均潛在蒸發(fā)量1 979.5 mm，西北風盛行，5月和6月大風(風速>20 m/s)頻繁發(fā)生。

80年代初，梭梭作為沙漠化防治的首選植物材料，利用春季融雪和季節(jié)性降雨[24-26]，逐年在準噶爾盆地南緣開始種植，至今，已在時間序列上形成了較完整的梭梭人工林生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 樣方設置和林木調(diào)查

本文以不同種植時間的梭梭人工林為研究對象，所有調(diào)查樣方都是同一個生態(tài)系統(tǒng)中的人工植被，具有相同氣候背景和地形特征。在不同種植時間梭梭人工林內(nèi)分別設置3個20×30 m的樣方作為重復，彼此相距大于100 m。對樣地內(nèi)梭梭群落調(diào)查，逐株測定樣方內(nèi)主林層梭梭的高度、冠幅、基徑，得出不同種植年限梭梭林生長狀況，見表1。

表1 不同種植年限梭梭人工林及天然梭梭林基本生長狀況

注：*表中林木調(diào)查數(shù)據(jù)為3個樣方(重復)中主林層梭梭測值的平均值。

樣地內(nèi)梭梭的株高、冠幅、基徑和生物量均隨著種植年限的延長，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。1995年種植的梭梭(19齡)各項生長狀況最佳，2008年種植的梭梭各項生長指標最小，仍處于快速生長階段；與天然梭梭林相比，2003年之前種植梭梭的株高、冠幅和生物量均較大。

1.3 土壤采樣和測定分析

2013年7—9月間，在所設樣方內(nèi)按照“S‘型選擇3個土壤樣品采集點，在深度100 cm的標準土壤剖面取土，分為0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm共5個層次。同時，在每一層次取3個環(huán)刀土，用于測定土壤含水量。將采集樣品帶回實驗室，挑除袋裝土內(nèi)植物根系和石礫等雜物，于陰涼處自然風干后用四分法過篩，編號待測。

土壤水分含量(SWC)采用烘干法測定。將原土樣自然風干、壓碎，并分成2份，分別過18目(1 mm)和60目(0.25 mm)篩備用。其中過18目篩的樣品用于土壤有效N、有效P、速效K質(zhì)量分數(shù)的測定，過60目篩的樣品用于有機碳質(zhì)量分數(shù)的測定。采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法測定有機碳(SOC)質(zhì)量分數(shù)；采用堿解蒸餾法測定有效N(SHN)質(zhì)量分數(shù)；采用碳酸鈉浸提鉬銻抗比色法測定有效P(SEP)質(zhì)量分數(shù)；采用NH4OAc浸提—火焰光度法測定有效K(SAP)質(zhì)量分數(shù)；pH值采用電位法測定；土壤電導率(EC)采用電導法測定[27]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)梭梭林內(nèi)群落調(diào)查數(shù)據(jù)，按照宋于洋[28]的公式Wsand=0.065421(D2H)0.874842計算梭梭生物量，式中D和H分別代表基徑和樹高。采用SPSS 20.0數(shù)理統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗(one-way ANOVA)和Pearson相關(guān)分析，顯著性水平設為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工梭梭林地土壤含水量動態(tài)變化

在人工梭梭林0—100 cm的土壤剖面上，5個土層的土壤含水量隨年份的變化均為雙峰曲線，0—80 cm各層土壤含水量峰值年份分別為2003年和1986年，80—100 cm土層峰值年份則為1998年和1986年，見表2。方差分析表明，0—80 cm各土層土壤含水量在兩峰值年份之間差異不顯著，但均顯著高于2008年、1973年和天然梭梭林(p<0.05)。80—100 cm土層土壤含水量在峰值年份之間差異不顯著，但1998年梭梭林顯著高于其他梭梭林(p<0.05)。

垂直空間上，土壤含水量隨深度的增加逐漸增大，40—80 cm附近達到最大。土壤含水量在垂直空間上的波動在2003—1986年所植梭梭林內(nèi)較大，隨種植時間的延長，波動逐漸減小。

表2 不同種植年份梭梭人工林與天然林土壤含水量 %

注：表中每一列數(shù)字后不同字母表示在0.05水平上同一土層不同種植年限之間差異顯著，下同。

2.2 人工梭梭林地土壤pH值動態(tài)變化特征

從pH值總體情況來看：整體表現(xiàn)為堿性，見表3。在時間序列比較，隨種植時間的延長，0—40 cm土壤pH值呈先增加后減小的趨勢，最高值出現(xiàn)在1995年；40—100 cm土壤pH值為雙峰曲線，峰值年份分別為2003年和1986年。其中，1973年梭梭林各深度土壤pH值均最小，且顯著低于1995年和2003年。天然梭梭林與人工梭梭林土壤pH值差異不顯著，但與1973年梭梭林最為接近。

垂直空間上，隨土層深度增加，pH值逐漸減小。其中僅1973年梭梭林20—40 cm土壤pH值顯著高于60—100 cm土層；1995年梭梭林0—20 cm和20—40 cm土層pH值之間差異不顯著，但均顯著高于60—80 cm和80—100 cm (p<0.05)。

表3 不同種植年份梭梭人工林與天然林土壤pH值

2.3 人工梭梭林地土壤電導率動態(tài)變化特征

梭梭林土壤電導率時空變化規(guī)律見表4。隨種植時間的延長，0—100 cm各土層土壤電導率呈波浪形變化，波峰年份為2003年、1986年和1973年，波谷年份則為1998年和1982年。0—20 cm土壤電導率，1986年和1973年梭梭林顯著高于其他梭梭林；20—40 cm土壤電導率，2003年梭梭林顯著高于波谷年份；40—100 cm土壤電導率，2008年梭梭林顯著低于1973年和2003年梭梭林(p<0.05)。

垂直空間上，隨土層深度增加，土壤電導率呈增大的趨勢。經(jīng)方差分析，1982年梭梭林80—100 cm土壤電導率顯著高于0—60 cm各土層；1995年梭梭林60—80 cm和80—100 cm土壤電導率顯著高于0—20 cm和20—40 cm土層(p<0.05)。

2.4 人工梭梭林地土壤養(yǎng)分動態(tài)變化特征

2.4.1 土壤有機碳變化規(guī)律 梭梭林土壤有機碳含量隨種植時間的延長，總體呈先增加后減小的趨勢，見表5。0—40 cm土層有機碳在不同年份間差異較大，變異系數(shù)達到65.48%；1982年和1986年梭梭林土壤有機碳含量顯著高于1995年、2008年和天然梭梭林。40—100 cm土層有機碳則較為穩(wěn)定，變異系數(shù)為38.24%～42.87%；1982年和1995年梭梭林土壤有機碳含量顯著高于2008年和天然梭梭林(p<0.05)。

垂直空間上，隨土層深度增加，有機碳含量逐漸減少。經(jīng)方差分析，1973年、1982年和1986年梭梭林地，0—20 cm土層有機碳含量顯著高于40—100 cm土層(p<0.05)。此外，隨種植時間的增加，土壤有機碳在垂直空間的差異先增加后減小。

表4 不同種植年份梭梭人工林與天然林土壤電導率 mS/cm

表5 不同種植年份梭梭人工林與天然林土壤有機碳質(zhì)量分數(shù) mg/kg

2.4.2 土壤有效氮變化規(guī)律 梭梭林各土層有效氮含量均隨種植時間的延長而增加，見表6。0—20 cm土層有效氮含量，1973年梭梭林顯著高于其他林地，1982年梭梭林顯著高于天然梭梭林和2008年梭梭林；20 cm以下各土層有效氮含量，僅1973年顯著高于其他年份(p<0.05)。

垂直空間上，隨土層深度增加，土壤有效氮含量呈減小趨勢。其中，1973年梭梭林，80—100 cm土壤有效氮含量顯著低于0—60 cm各土層；1982年梭梭林，20—100 cm土壤有效氮顯著低于0—20 cm；2008年梭梭林，80—100 cm土壤有效氮含量顯著低于0—20 cm和40—60 cm (p<0.05)。

表6 不同種植年份梭梭人工林與天然林土壤有效氮質(zhì)量分數(shù) mg/kg

2.4.3 土壤有效磷變化規(guī)律 隨種植時間延長，梭梭林地0—40 cm各土層有效磷含量變化較大，40—60 cm各土層則變化較小，見表7。其中，0—20 cm土層，1986年與1982年之間差異不顯著，但顯著高于其他年份；20—40 cm土層，1986年顯著高于其他年份；60—80 cm土層，1995年顯著高于1982年、2003年、2008年和天然梭梭林，80—100 cm土層，僅1995年顯著高于其他年份(p<0.05)。

垂直空間上，1995年梭梭林內(nèi)土壤有效磷含量隨土層深度增加而增加，其80—100 cm土層有效磷含量顯著高于表層土壤；其余梭梭林土壤有效磷含量隨土層深度增加而減小，各土層土壤有效氮差異不顯著(p<0.05)。

表7 不同種植年份梭梭人工林與天然林土壤有效磷質(zhì)量分數(shù) mg/kg

2.4.4 土壤有效鉀變化規(guī)律 隨種植時間的延長，0—60 cm各土層有效鉀含量變化為雙峰曲線，峰值年份為2003年和1986年；60—100 cm各土層有效鉀含量則呈減小的趨勢，見表8。0—60 cm各土層，1986年與2003年梭梭林土壤有效鉀差異不顯著，但均顯著高于2008年和天然梭梭林(p<0.05)。60—80 cm土層，2003年顯著高于1998年、2008年和天然梭梭林；80—100 cm土層，1995年顯著高于1973年、2008年和天然梭梭林(p<0.05)。

垂直空間上，土壤有效鉀含量呈隨土層的加深而減少的趨勢，表層土壤顯著高于40—100 cm各土層(p<0.05)。

表8 不同種植年份梭梭人工林與天然林土壤有效鉀質(zhì)量分數(shù) mg/kg

2.5 人工梭梭林生長狀況與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系分析

土壤理化指標取1 m剖面內(nèi)平均值，梭梭林生長指標取樣地內(nèi)平均值，對兩者進行相關(guān)性分析(df=7)，結(jié)果見表9。

梭梭林土壤水分含量、pH值、電導率以及土壤養(yǎng)分均與梭梭的生長呈正相關(guān)關(guān)系，其中電導率與冠幅呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，有效鉀與株高、冠幅均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。其原因可能是，土壤含水量、土壤pH值和有效氮受梭梭生長的影響較小，電導率、有機碳、有效磷和有效鉀受梭梭生長影響較大。梭梭林土壤的理化性質(zhì)受植物生長狀況的影響，其中地上部分影響作用顯著。

表9 梭梭林林木生長因子與土壤理化指標相關(guān)系數(shù)

注：*.在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3 討 論

水分是植物賴以生存的基本條件，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動，了解土壤水分動態(tài)變化規(guī)律和空間立體分布具有重要意義。Ma等[29]研究認為土壤含水量隨梭梭林齡的增大呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，種植30 a后林地土壤含水量達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。本研究中梭梭林土壤水分則是先上升后下降的雙峰曲線規(guī)律，達到30 a后(1982年、1973年)林地土壤含水量同樣保持相對穩(wěn)定，且與天然梭梭林相近。土壤水分下降限制梭梭生長，而梭梭的生長又會進一步加劇土壤水分下降[29]，已有的研究認為，栽植后8 a為土壤水分下降最快的階段[20]。在本研究中栽種6 a后(2008年)，土壤含水量最低，其原因可能是梭梭的快速生長消耗大量土壤水，而且地表蒸發(fā)劇烈，使得其土壤含水量較低。隨著植株的生長，植被地表覆蓋度逐漸增大，由于遮蔽作用地表蒸發(fā)減小，但蒸騰作用加劇，兩者共同作用，使得土壤水分含量不斷變化。在1995年梭梭生長最為旺盛，強烈的蒸散發(fā)作用使得土壤含水量大幅下降。此后隨時間的延長，整個群落由于自疏作用[30-31]，植株量減少，蒸散量減小，且梭梭根系逐漸發(fā)達，根系縱向發(fā)展增強對深層土壤水分的吸收能力，最終使得梭梭對土壤水分的消耗恢復到平衡狀態(tài)。在垂直空間上，表層土土壤含水量低于其他土層。該結(jié)果與朱雅娟等[7]、格日樂等[15]的研究結(jié)果基本一致。表層土壤主要受自然降水控制，在7月份自然降水量很低，但蒸發(fā)強烈，因此表層土含水量較低。

梭梭林土壤pH值隨種植年限增加，逐漸接近于天然梭梭林，反映出梭梭作為耐鹽堿植物可調(diào)節(jié)林內(nèi)土壤酸堿性的特性。不同深度土壤pH值隨種植年限的變化規(guī)律不同，0—40 cm土層土壤pH值呈先增加后減小的趨勢，最高值出現(xiàn)在1995年；40—100 cm土層土壤pH值為雙峰曲線，峰值年份分別為2003年和1986年，可見梭梭林對不同深度土壤酸堿度調(diào)節(jié)作用不一致。而垂直空間上，僅1973年和1995年表層土壤pH值顯著高于其他深度土壤，其余種植年份各土層之間差異不顯著(p<0.05)，該結(jié)果與齊黎黎[32]對甘家湖梭梭林研究基本一致，反映出20齡和41齡階段梭梭林對土壤酸堿性影響最明顯。

土壤電導率反映出土壤中總鹽量大小，它可能與植被覆蓋度、土壤和地下水埋深等因素差異有關(guān)[33]。本研究中隨種植時間的增加，梭梭林土壤電導率呈波浪形變化，且土壤電導率的變化與梭梭冠幅呈顯著正相關(guān)關(guān)系(見表4)，說明梭梭生長狀況對改善土壤鹽漬化有重要影響。在垂直方向上，土壤鹽分含量基本均由表層向下逐漸增多，電導率值均小于2 mS/cm，表層聚鹽現(xiàn)象不明顯，與司朗明等[34]的研究結(jié)果相反，但與郝建秀[35]對綠洲荒漠過渡帶的研究結(jié)果相同。造成這一結(jié)果的原因可能是植物根系吸收土壤深層水，水分向根部運移，攜帶部分鹽離子向根部聚集，使得深層土壤中電導率較高[33]。

土壤養(yǎng)分為植物生長提供必需的營養(yǎng)元素，同時也受植物的影響。席軍強等[36]對生長20 a的人工梭梭林研究認為，營造梭梭林可改善林內(nèi)土壤，土壤養(yǎng)分含量增加；劉乃君[21]發(fā)現(xiàn)，種植5～30 a梭梭林內(nèi)土壤有效鉀、有機質(zhì)含量隨林齡增長而增高，全氮、全磷無明顯規(guī)律。本研究中，土壤有機碳、有效氮和有效磷隨種植年限增加呈增加趨勢，有效鉀則呈略減小趨勢；且垂直空間上，隨著種植年限的減小，各土層之間差異減小。說明梭梭林對土壤養(yǎng)分確有重要影響。吉小敏等[37]對天然梭梭林土壤研究發(fā)現(xiàn)，林下土壤養(yǎng)分受控于梭梭的分布與生長狀況，本研究中，土壤養(yǎng)分含量與梭梭生長狀況呈正相關(guān)關(guān)系(見表4)。梭梭冠幅的增大使得地表植被覆蓋度逐漸增大，同時大量枯落物進入土壤，在水熱條件和土壤微生物的作用下，植被枯落物和植物根系分泌物、殘留物發(fā)生一系列的化學反應，地表逐漸形成生物結(jié)皮，結(jié)皮的形成使土壤理化性質(zhì)發(fā)生很大變化，加快土壤的形成，而林冠下層及林間空地天然植被逐漸發(fā)育，地上現(xiàn)存生物量進一步增加，使得植被對土壤的改造作用增強。

不同種植年限梭梭林與天然梭梭林相比，峰值年份(1986年和2003年)人工梭梭林不同深度土壤含水量、電導率和土壤養(yǎng)分均超過天然梭梭林；土壤pH值雖差異不顯著，但仍可看出隨種植年限增加，土壤pH值減小，且逐漸小于天然梭梭林。說明梭梭林對環(huán)境改善作用隨梭梭林的生長狀況而變化，隨種植年限的增加，人工梭梭林逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊凰笏罅?，其改善環(huán)境能力也隨之增強，逐漸接近天然梭梭林并趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

準噶爾盆地南緣人工梭梭林，林地土壤理化性質(zhì)隨種植年限的延長而逐漸改善，在種植年限為28 a時效果最明顯，以后趨于穩(wěn)定。土壤含水量呈現(xiàn)雙峰曲線的形式，在1986年和2003年達到峰值；土壤pH值隨種植年限增加逐漸減??；電導率呈波浪形變化；土壤養(yǎng)分含量則隨種植年限增加逐漸增大。人工梭梭林隨種植年限增加，不斷向天然梭梭態(tài)轉(zhuǎn)化，適應并改善其生境，可見人工種植梭梭對沙漠植被的保護和恢復有積極作用。

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Spatiotemporal Characteristic of Soil Physical and Chemical Properties inHaloxylonammodendronStand at the Southern Margin of Junggar Basin

LUO Qinghong1,2, NING Husen1, CHEN Qimin1,3

(1.InstituteofAfforestationandSandControl,XinjiangAcademyofForestryScience,Urumqi830063,China; 2.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 3.NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

PlantedHaloxylonammodendron(H.ammodendron) stand has an important ecological effect on sand fixation and soil improvement. The changes of soil physicochemical properties were discussed under the time series and the vertical space inH.ammodendronplantation. The results showed that: (1) in the time series of 1973—2008, the changes of soil water content (SWC) and soil available potassiumfollowed the bimodal curve, and the peak values were observed in 1986 and 2003, respectively, the soil pH value of 0—40 cm layer increased at first and then decreased, while in 40—100 cm, the change followed the bimodal curve and the peak was observed in 1986 and 2003, respectively, the electrical conductivity (EC) showed in a wave type and the contents of soil organic carbon and available phosphorus increased at first and then decreased gradually, while the available nitrogen content increased; (2) In the vertical direction, the SWC and EC increased with the increase of depth, while the pH value and soil nutrient decreased. In summary, soil physical and chemical properties improved gradually overtime of plantation, and the effect was most obvious in 29-year stands, and then tended to be stable.

Haloxylonammodendronplantation; afforestation time; soil physical and chemical properties

2016-01-12

2016-02-22

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD16B03);公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項(XMBM000002014;KY201516)

羅青紅(1980—),女,新疆拜城人,碩士,副研究員,研究方向:植物逆境生理和荒漠化防治。E-mail:lqh482325@sina.com

寧虎森(1966—),男,新疆焉耆人,教授級高級工程師,研究方向:生態(tài)恢復和荒漠化防治。E-mail:ninghusen@sina.com

S714.2

A

1005-3409(2016)06-0309-07