不同密度飛播馬尾松林凋落物及土壤持水性能比較分析

褚 欣，潘 萍，郭麗玲，寧金魁，歐陽(yáng)勛志，吳自榮

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，江西 南昌330045）

不同密度飛播馬尾松林凋落物及土壤持水性能比較分析

褚 欣，潘 萍，郭麗玲，寧金魁，歐陽(yáng)勛志，吳自榮

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，江西 南昌330045）

根據(jù)飛播馬尾松Pinus massoniana林的林木密度，將林分分為Ⅰ組（900～1 500株·hm－2），Ⅱ組（1 500～2 100株·hm－2）， Ⅲ組（2 100～2 700 株·hm－2）， Ⅳ組（2 700～3 300 株·hm－2）等 4 個(gè)密度組， 并分別各密度組設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查和樣品測(cè)定，分析比較其凋落物和土壤的持水性能。結(jié)果表明：①各密度組凋落物儲(chǔ)存量都表現(xiàn)為半分解層大于未分解層，凋落物總儲(chǔ)存量、最大持水量和有效攔蓄量均為密度組Ⅱ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅳ，最大值分別為4.26，11.55和9.79 t·hm－2，且密度組Ⅱ的最大持水量和有效攔蓄量均顯著高于其余密度組（P＜0.05），凋落物總儲(chǔ)存量各密度組間無(wú)顯著差異（P＞0.05）。②土壤非毛管持水量、毛管持水量和最大持水量的范圍分別是332.62～628.93,2 210.17～2 859.98和 3 792.45～3 984.91 t·hm－2， 均表現(xiàn)為密度組Ⅱ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅳ，但各密度組間無(wú)顯著差異（P＞0.05）。綜合分析表明：飛播馬尾松林密度為1 500～2 100株·hm－2時(shí)，凋落物和土壤的持水性能最好。圖2表3參24

森林生態(tài)學(xué)；馬尾松林；林分密度；凋落物；土壤；持水性能

Abstract:In order to provide guidelines for making effective measures to improve water-holding capacity for an aerially seeded Pinus massoniana plantation,this research was conducted to compare water-holding capacity of forest litter and soils with method of one-way ANOVA test in different stand densities.Four groups ［GroupⅠ（900－1 500 culm·hm－2）,Group Ⅱ（1 500－2 100 culm·hm－2）,Group Ⅲ（2 100－2 700 culm·hm－2）,and GroupⅣ（2 700－3 300 culm·hm－2）］,were set up according to aerially-seeded Pinus massoniana forest density.Sample-plot surveys and sample determination were carried out for a fixed 20 m×20 m standard plot which selected with three replications in each group.Results showed that,（1）the litter storage capacity for each density group in the half-decomposed litter layer was higher than the undecomposed layer.Total storage capacity for litter,maximum water-holding capacity,and effective water-holding capacity of the GroupⅡwere the largest,respectively up to 4.26 t·hm－2,11.55 t·hm－2,9.79 t·hm－2,and were in the order of density Group Ⅱ＞GroupⅢ＞ GroupⅠ＞GroupⅣ compared with other groups.The maximum water-holding capacity and effective water－h(huán)olding capacity of density Group Ⅱ were significantly higher than those of the other density groups（P＜0.05）;however,the total storage capacity of litter in each density group was not significantly different（P＞0.05）. （2） The non-capillary water-holding capacity,capillary water-holding capacity,and maximum waterholding capacity of soil in the four groups showed no significant differences between density groups （P＞0.05）.In conclusion,by controlling stand density of an aerially seeded Pinus massoniana plantation at 1 500－2 100culm·hm－2,the water-holding capacity of the litter and soil would be maximized. ［Ch,2 fig.3 tab.24 ref.］

Key words:forest ecology;Pinus massoniana plantation;stand density;litter;soil;water-holding capacity

森林的持水性能是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，其凋落物層與土壤層調(diào)控著90%以上的降雨，是森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮水源涵養(yǎng)的主要作用層［1］。很多學(xué)者對(duì)不同林分類型的凋落物層和土壤層的持水性能開展了研究［2－4］， 如殷沙等［5］針對(duì)馬尾松 Pinus massoniana-木荷 Schima superba不同比例混交林分析得出對(duì)馬尾松純林補(bǔ)植闊葉樹種，有利于水源涵養(yǎng)功能的改善。吳迪等［6］對(duì)北京九龍山8種林分研究結(jié)果得出華北落葉松Larix principis-rupprechtii純林和油松Pinus tabulaeformis-華北落葉松混交林水源涵養(yǎng)能力較好，樟子松Pinus sylvestris var．mongolica純林則最差。石媛等［7］對(duì)河北霧靈山不同密度油松人工林研究得出密度為1 400株·hm－2的油松人工林水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)。陳莉莉等［8］針對(duì)不同密度油松人工林探究結(jié)果為油松人工林密度在2 617株·hm－2時(shí)水源涵養(yǎng)功能最好。高琛等［9］對(duì)北京松山不同密度丁香 Syzygium aromaticum天然林分析得出丁香天然林在密度為1 210株·hm－2左右時(shí)水源涵養(yǎng)能力較好，而趙磊等［10］對(duì)江西大崗山不同密度杉木Cunninghamia lanceolata林研究得出，杉木林林分密度在3 500株·hm－2左右其水源涵養(yǎng)功能較好等?？梢钥闯觯煌瑢W(xué)者研究的結(jié)論不盡相同，這可能主要是由于研究對(duì)象所在區(qū)域及林分特征不同所造成的。馬尾松為針葉樹種，具有抗旱、耐貧瘠、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要分布在中國(guó)的南方地區(qū)。由于受諸多歷史因素的影響，至20世紀(jì)60年代，贛南是中國(guó)水土流失較嚴(yán)重的地區(qū)之一，尤其是該區(qū)的興國(guó)縣，水土流失范圍廣強(qiáng)度大，曾被稱為 “江南沙漠”。為改善生態(tài)環(huán)境，減少水土流失，20世紀(jì)60－90年代初贛南開展了大面積的馬尾松飛播造林工作，飛播林占目前有林地面積的21.4%，而這些林分大部分以固土蓄水為主要經(jīng)營(yíng)目標(biāo)。然而，由于飛播林特殊的造林方式，林分密度相差較大，密度的差異對(duì)林分凋落物及土壤持水性能的影響目前尚不清楚。因此，本研究以馬尾松飛播造林具有代表性的興國(guó)縣為研究區(qū)，旨在通過(guò)對(duì)不同密度飛播馬尾松林的凋落物和土壤的持水性能進(jìn)行比較分析，為提高飛播馬尾松林持水性能有效措施的制訂提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

興國(guó)縣（26°03′～26°42′N， 115°01′～115°51′E）位居江西省的南部， 贛州市的北部地區(qū)。 海拔高為 130 ～1 200 m，低山、丘陵為其主要地貌，土壤類型主要為紅壤。氣候是亞熱帶東南季風(fēng)氣候，年平均氣溫為18.9℃，年平均降水量為1 539.0 mm，無(wú)霜期為284 d。縣域森林資源豐富，森林覆蓋率為72.2%，植被類型主要有針葉林、常綠闊葉林等，其中飛播馬尾松林面積達(dá)6.4萬(wàn)hm2，共占現(xiàn)有有林地面積的29.5%［11］。

2 材料與方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

由于研究區(qū)保存的飛播馬尾松林多為中齡林，故以飛播馬尾松中齡林為研究對(duì)象，依據(jù)其林木密度情況， 分為Ⅰ組（900～1 500 株·hm－2）， Ⅱ組（1 500～2 100 株·hm－2）， Ⅲ組（2 100～2 700 株·hm－2）， Ⅳ組（2 700～3 300株·hm－2）等4種密度組，設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)地3個(gè)·密度組－1，共12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地，標(biāo)準(zhǔn)地面積為0.04 hm2（20 m×20 m）。標(biāo)準(zhǔn)地土壤類型均為紅壤，成土母巖為花崗巖，坡向?yàn)榘腙?yáng)坡，坡位為中坡。草本植物主要是雀稗Paspalum thunbergii，鐵芒萁Dicranopteris linearis和五節(jié)芒Miscanthus floridulus等，林下灌木主要是檵木Loropetalum chinense和胡枝子Lespedeza bicolor等。各密度組標(biāo)準(zhǔn)地基本概況見表1。

表1 不同密度組標(biāo)準(zhǔn)地基本概況Table 1 Basic situation of different density groups

2.2 凋落物儲(chǔ)存量及其水分含量測(cè)定

在各標(biāo)準(zhǔn)地的上部、中部、下部分別選取3個(gè)1 m×1 m具有代表性的凋落物小樣方，用收獲法按未分解層（枯枝落葉保持原狀，葉形完整，外表沒(méi)有分解痕跡的凋落物層）、半分解層（大部分枯枝落葉已經(jīng)粉碎，葉形不完整，分解成碎屑的凋落物層）分別收獲凋落物并稱鮮質(zhì)量；將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，置于80℃的烘箱內(nèi)烘干測(cè)定干質(zhì)量，計(jì)算其含水率，推算出1 hm2林地凋落物的儲(chǔ)存量。選用室內(nèi)浸泡的方法把烘干后的凋落物放入尼龍網(wǎng)袋中并擱置水中浸泡24 h，取出后稱量，分別測(cè)定未分解層、半

分解層的最大持水率、有效攔蓄率、 最大持水量和有效攔蓄量等。 計(jì)算公式為［5］其中： M 為凋落物儲(chǔ)存量（t·hm－2）； k為換算系數(shù)，k=凋落物干質(zhì)量（g）/凋落物鮮質(zhì)量（g）;m，m1，m0，m2為取樣樣方凋落物鮮質(zhì)量、凋落物取樣鮮質(zhì)量、烘干質(zhì)量、凋落物浸水24 h后的質(zhì)量（g）；kr，krm，krs為凋落物自然持水率、最大持水率、 有效攔蓄率（%）； W1， W2為凋落物最大持水量、 有效攔蓄量（t·hm－2）。

2.3 土壤物理性質(zhì)測(cè)定及其持水量計(jì)算

在各標(biāo)準(zhǔn)地的上部、中部、下部各挖取1個(gè)典型土壤剖面，記錄坡面的形態(tài)特征后，分別在0～10 cm，10～20 cm，20～40 cm，40～80 cm土層中的5 cm，15 cm，30 cm，60 cm處用環(huán)刀采集取樣，取3次·層－1。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，測(cè)定其土壤含水率、容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度等物理性質(zhì)，并由此分層計(jì)算得出土壤的最大持水量、毛管持水量和有效持水量，計(jì)算公式分別為［5］Wt=10 000Pth,Wc=10 000Pch,Wo=10 000Poh。 其中： Wt為土壤最大持水量（t·hm－2）； Wo為土壤毛管持水量（t·hm－2）； Wc為土壤非毛管持水量（t·hm－2）； Pt為土壤總孔隙度（%）； Po為土壤毛管孔隙度（%）； Pc為土壤非毛管孔隙度（%）；h為土層厚度（m）。

2.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖，運(yùn)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物儲(chǔ)存量及持水性能

3.1.1 凋落物儲(chǔ)存量 由圖1可知：所有標(biāo)準(zhǔn)地林分凋落物未分解層、半分解層及總儲(chǔ)存量 （未分解層+半分解層）的范圍分別為 0.47～1.34 t·hm－2， 0.93～2.92 t·hm－2， 1.40～4.26 t·hm－2。半分解層及總儲(chǔ)存量表現(xiàn)為密度組Ⅱ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅳ，未分解層儲(chǔ)存量表現(xiàn)為密度組Ⅱ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅳ，各密度組半分解層儲(chǔ)存量均大于未分解層。方差分析表明：未分解層和總凋落物儲(chǔ)存量不同密度組間無(wú)顯著差異（P＞0.05），但密度組Ⅱ的總凋落物儲(chǔ)存量明顯高于其他密度組；半分解層除密度組Ⅱ與Ⅳ表現(xiàn)出顯著差異外（P＜0.05），其他各密度組間均無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

圖1 不同密度組凋落物儲(chǔ)存量Figure 1 Litter storage capacity in different density groups

3.1.2 凋落物持水性能 由表2可知：4種密度組凋落物的平均最大持水率為116.22%～267.21%，總最大持水量為1.80～11.55 t·hm－2， 均為密度組Ⅱ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅳ；最大持水率、最大持水量均為半分解層大于未分解層，且都表現(xiàn)為密度組Ⅱ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅳ。方差分析發(fā)現(xiàn)，未分解層中，密度組Ⅱ和密度組Ⅲ的最大持水率顯著高于其他密度組（P＜0.05），密度組Ⅱ與密度組Ⅲ之間最大持水率無(wú)顯著差異（P＞0.05），而最大持水量則是密度組Ⅱ顯著高于其他密度組（P＜0.05）；半分解層中，密度組Ⅱ除與密度組Ⅲ最大持水率無(wú)顯著差異外（P＞0.05），與其他各密度組均有顯著差異（P＜0.05），最大持水量也是密度組Ⅱ顯著高于其他密度組（P＜0.05）；就整體凋落物層而言，平均最大持水率、總最大持水量均表現(xiàn)出密度組Ⅱ顯著高于其他密度組（P＜0.05）。

表2 不同密度組凋落物持水特性Table 2 Water holding characteristics of litter in different density groups

由表2可知：4種密度組凋落物平均有效攔蓄率、有效攔蓄量均以密度組Ⅱ最高，分別為226.21%和9.79 t·hm－2。經(jīng)多重比較發(fā)現(xiàn)，凋落物有效攔蓄率和有效攔蓄量無(wú)論是不同分解層還是就整個(gè)凋落物層而言，其結(jié)果均與相應(yīng)層次的凋落物最大持水率和最大持水量分析結(jié)果相一致。

綜上所述，4種密度組的凋落物儲(chǔ)存量、持水與蓄水功能均表現(xiàn)為密度組Ⅱ（1 500～2 100株·hm－2）優(yōu)于其他密度組。這可能是由于密度過(guò)低其凋落物儲(chǔ)存量較少不利于持水與蓄水，而密度過(guò)高，林分郁閉度增加，光照不足，溫度降低，影響了凋落物的分解速度，使凋落物層的持水性能降低，不利于飛播馬尾松林的水源涵養(yǎng)和水土保持。

3.2 土壤物理性質(zhì)及持水性能

3.2.1 土壤容重及孔隙度 由表3可知：0～80 cm土壤容重平均值范圍是1.29～1.41 g·cm－3，表現(xiàn)為密度組Ⅳ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅱ，土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度平均值范圍分別是29.45%～35.87%，4.57%～8.55%和47.92%～51.32%，表現(xiàn)為密度組Ⅱ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅳ。方差分析發(fā)現(xiàn)，不同密度組間相同土層的土壤容重、毛管孔隙度、總孔隙度均無(wú)顯著差異（P＞0.05），非毛管孔隙度除40～80 cm土層密度組Ⅱ與密度組Ⅳ有顯著差異外（P＜0.05），其他相同土層不同密度組間無(wú)顯著差異（P＞0.05），0～80 cm土層土壤容重、毛管孔隙度均值無(wú)顯著差異（P＞0.05），非毛管孔隙度均值表現(xiàn)為密度組Ⅱ除與密度組Ⅲ無(wú)顯著差異外（P＞0.05），與其他各密度組均有顯著差異（P＜0.05），總孔隙度均值則表現(xiàn)為密度組Ⅱ與密度組Ⅳ有顯著差異（P＜0.05）。

3.2.2 土壤持水性能 由圖2可知：不同密度組0～80 cm土壤非毛管持水量、毛管持水量、最大持水量的范圍分別是 332.62～628.93， 2 210.17～2 859.98， 3 792.45～3 984.91 t·hm－2， 均表現(xiàn)為密度組Ⅱ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅳ。分析土壤不同密度組的非毛管持水量、毛管持水量和最大持水量發(fā)現(xiàn)，各密度組之間無(wú)顯著差異（P＞0.05）。

綜上分析，4種不同密度組中，土壤物理性質(zhì)和土壤蓄水能力均表現(xiàn)為在密度組Ⅱ時(shí)處于最大值，表明飛播馬尾松林林木密度為1 500～2 100株·hm－2能較好地改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤持水能力。

4 結(jié)論與討論

4.1 凋落物儲(chǔ)存量與持水性能

4種密度組凋落物總儲(chǔ)存量為1.40～4.26 t·hm－2，表現(xiàn)為密度組Ⅱ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅳ，以中等密度1 500～2 100株·hm－2的最大，且各密度組凋落物儲(chǔ)存量均表現(xiàn)為半分解層大于未分解層。趙芳等［12］對(duì)飛播馬尾松林不同林下植被類型凋落物及土壤水文效應(yīng)研究以及張偉等［13］對(duì)冀北山地不同林分凋落物蓄積量研究等也表明：凋落物中半分解層大于未分解層，而劉宇等［14］對(duì)不同密度華北落葉松人工林研究結(jié)果也得出，中等密度林分的凋落物儲(chǔ)存量最多。本研究得出凋落物總儲(chǔ)存量隨林分密度的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。究其原因，可能是凋落物最終的儲(chǔ)存量是由凋落物總體的量和它分解的速度來(lái)決定的［12］，由于林木密度的大小會(huì)對(duì)林木、林下植被的凋落物量產(chǎn)生影響，而且通過(guò)影響光照、溫濕度等因子也會(huì)對(duì)凋落物的分解速度等產(chǎn)生影響［15－17］，因此凋落物儲(chǔ)存量并不是隨著密度的增大而增大。

表3 不同密度組土壤容重及孔隙度Table 3 Soil bulk density and porosity of different density groups

圖2 不同密度組0～80 cm土壤持水量Figure 2 Soil water holding capacity of 0－80 cm in different density groups

凋落物的持水能力與凋落物儲(chǔ)存量有密切關(guān)系，儲(chǔ)存量越大，其持水能力越強(qiáng)。本研究表明：凋落物總最大持水量、平均最大持水率的變化與凋落物儲(chǔ)存量表現(xiàn)出同樣的規(guī)律，即隨林分密度的增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，以密度組Ⅱ最大，而未分解層與半分解層的最大持水量和最大持水率也表現(xiàn)出相同的規(guī)律，且半分解層均大于未分解層。曾建軍等［18］研究城市水源5種森林凋落物水文效應(yīng)也得出類似的結(jié)果。一般情況下，凋落物的實(shí)際攔蓄能力是通過(guò)有效攔蓄量的大小來(lái)衡量的，飛播馬尾松林凋落物的有效攔蓄量隨密度的增加出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。魯邵偉等［19］對(duì)北京山地不同密度側(cè)柏 Platycladus orientalis人工林凋落物變化以及杜阿朋等［20］對(duì)不同林分密度鄧恩桉Eucalyptus dunnii凋落物持水特性的研究結(jié)果均得出同樣的規(guī)律，但余林等［21］對(duì)不同密度毛竹Phyllostachys edulis林凋落物層水文特性研究結(jié)果則表明：最大密度林分（3 000株·hm－2）的凋落物持水特性最大。由此可見，雖然凋落物的持水功能與凋落物的儲(chǔ)存量有密切關(guān)系，但隨林分密度的變化規(guī)律不盡相同。這可能是由于林分類型、地形環(huán)境等因素差異所造成。

4.2 土壤物理性質(zhì)與持水性能

本研究中0～80 cm土壤容重平均值范圍是1.29～1.41 g·cm－3，表現(xiàn)為密度組Ⅳ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅱ，且同一密度組的土壤容重隨著土壤深度的增加而增加，而土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度變化則與土壤容重的變化相反，這與LI等［22］對(duì)滇池流域4種森林生態(tài)系統(tǒng)水土保持能力、石媛等［7］對(duì)河北霧靈山油松Pinus tabuliformis人工林土壤物理性質(zhì)以及殷沙等［5］對(duì)馬尾松-木荷的不同比例混交林等研究所得出的結(jié)果類似，主要是因?yàn)殡S著土層深度的增加，土壤的有機(jī)物質(zhì)含量、土壤團(tuán)聚性降低，導(dǎo)致土壤的緊實(shí)性增加，也有可能是由于土壤表面層凋落物合成成分、凋落物儲(chǔ)存量及其分解速率、土壤地下根系成長(zhǎng)發(fā)育情況等差異造成的［23］。

土壤持水性能的大小主要是由土壤的非毛管孔隙度來(lái)決定，而孔隙度與土壤本身的透氣性關(guān)系密切。本研究得出土壤非毛管持水量、毛管持水量以及最大持水量均表現(xiàn)為密度組Ⅱ＞密度組Ⅲ＞密度組Ⅰ＞密度組Ⅳ，與土壤容重的變化規(guī)律相反，這也說(shuō)明了土壤容重越小，土壤疏松多孔，其結(jié)構(gòu)性就越好，從而增強(qiáng)土壤持水能力。土壤非毛管持水量、毛管持水量以及最大持水量各密度組間雖無(wú)顯著差異（P＞0.05），但均表現(xiàn)為密度組Ⅱ最大，這一結(jié)果與肖欣等［24］研究的同等密度下飛播馬尾松土壤持水性能的結(jié)論相一致。

綜上所述，飛播馬尾松林密度為1 500～2 100株·hm－2的林分，枯枝落葉的儲(chǔ)存量大，能夠較好地改善土壤結(jié)構(gòu)，使得其凋落物層和土壤層的持水性能都明顯優(yōu)于其他密度組。因此，在今后的飛播馬尾松林的經(jīng)營(yíng)管理和水源涵養(yǎng)林建設(shè)中，可考慮對(duì)飛播馬尾松林的密度進(jìn)行控制，以改善林地土壤結(jié)構(gòu)，提高其持水性能。由于條件所限，本研究沒(méi)有對(duì)林冠層和林下植被層的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行調(diào)查分析。在今后研究中有待將林冠層、林下植被層、凋落物層、土壤層等4方面結(jié)合起來(lái)，以較全面了解其水源涵養(yǎng)功能。

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Comparing water-holding capacity in forest litter and soils for an aerially seeded Pinus massoniana plantation with different stand densities

CHU Xin,PAN Ping,GUO Liling,NING Jinkui,OUYANG Xunzhi,WU Zirong
（College of Forestry,Jiangxi Agricultural University,Nanchang 330045,Jiangxi,China）

S715

A

2095-0756（2017）05-0808-08

2016-10-18；

2016-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31360181，31160159）

褚欣，從事森林資源監(jiān)測(cè)與管理研究。E-mail：chuxin8_2015@163.com。通信作者：歐陽(yáng)勛志，教授，博士生導(dǎo)師，從事森林資源監(jiān)測(cè)與管理研究。E-mail：oyxz_2003@hotmail.com