70多年來紙坊溝小流域土壤侵蝕演變過程

龐國偉，謝紅霞，李銳，楊勤科

(1.中國科學院水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國科學院研究生院，100049，北京;3.湖南農業大學資源環境學院，410128，長沙;4.西北大學城市與環境學院，710127，西安)

70多年來紙坊溝小流域土壤侵蝕演變過程

龐國偉1，2，謝紅霞1，3，李銳1?，楊勤科4

(1.中國科學院水利部 水土保持研究所，712100，陜西楊凌;2.中國科學院研究生院，100049，北京;3.湖南農業大學資源環境學院，410128，長沙;4.西北大學城市與環境學院，710127，西安)

為了系統研究黃土高原丘陵溝壑區土壤侵蝕演變過程及其規律，以黃土高原紙坊溝流域為例，在GIS的支持下，運用RUSLE估算了該流域1938—2010年間18個年份的年侵蝕量和侵蝕強度，分析了70多年來流域土壤侵蝕時空演變過程。結果表明：1)紙坊溝流域的土壤侵蝕隨時間呈四次拋物線變化，侵蝕模數由1938年的7 584.39 t/(km2·a)猛增到1958年的4萬6 392.56 t/(km2·a)，隨后總體呈遞減趨勢，到2010年侵蝕模數降至5 150.80 t/(km2·a)。2)1938年中度以下侵蝕面積占流域總面積的52.99%;1958—1978年以劇烈侵蝕為主，占流域總面積的67.05%，其中1958年高達78.61%;1978—1998年侵蝕強度有所下降，微度侵蝕面積占流域總面積比例達到29.27%;1999年以來，微度侵蝕面積達到3.85 km2，劇烈侵蝕面積僅占流域總面積的8.96%。經過30多年的綜合治理，該流域生態環境明顯改善，但溝谷陡荒坡侵蝕依然嚴重，是今后水土流失治理的重點區域。

土壤侵蝕;GIS;RUSLE;演變過程;黃土高原

土壤侵蝕是當今世界最嚴重的生態環境問題之一，嚴重威脅著人類的生存和發展，一直受到各國研究者的普遍關注和重視［1-2］。由于自然和歷史原因，黃土高原成為我國乃至全球土壤侵蝕最嚴重的地區，是水土保持領域研究的重點區域。土壤侵蝕受氣候、地質地貌、土壤、植被、人為活動等因素的長期影響，具有明顯的時空異質性，了解其時空演變規律對于土壤侵蝕的預測預報及科學防治具有重要意義。小流域是土壤侵蝕發生和發展的最基本單元，是探索土壤侵蝕規律和評價流域治理效益的重要途徑和內容。在小流域綜合治理中，如何及時、快速、準確查清土壤侵蝕強度、面積和空間分布變化規律，仍是水土保持工作中亟待解決的重要問題?；贕IS技術的小流域土壤侵蝕模型是進行土壤侵蝕過程定量研究與土壤侵蝕評價的有效方法，其中，修正通用土壤流失方程(RUSLE)較為全面地考慮了土壤侵蝕的影響因素，已被國內外廣泛應用［3-6］。紙坊溝流域屬典型黃土高原丘陵溝壑區，1974年開始以造林種草為重點的綜合治理，1986年以來，該流域又連續作為國家“七五”“八五”“九五”科技攻關的試驗區，特別是隨著1999年“退耕還林(草)工程”的實施，生態環境明顯改善，同時，在近25年的綜合治理及減沙效益監測研究中積累了大量的數據和資料，在此基礎上，對綜合治理的減沙效益［7-11］、土壤侵蝕評價［12-14］等進行了深入的研究;但在減沙效益研究中基本以定點觀測為主，空間表達尚顯不足，在土壤侵蝕評價方面，僅對2000年之前作了分析，退耕還林(草)實施10年來對土壤侵蝕的影響評價還未見報道。為了較為完整、系統地分析該流域土壤侵蝕演變過程，筆者基于GIS和修正通用土壤流失方程，定量評估、分析流域1938—2010年不同時期的土壤侵蝕演變過程及特征，以期為黃土高原丘陵溝壑區水土流失防治及水土保持效益評價提供參考和依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

紙坊溝流域(圖 1)(E 109°19'30″，N 36°51'30″)位于黃土高原丘陵溝壑區第二副區，是延河支流杏子河下游的一級支溝，流域面積8.27 km2，把口站控制面積為8.05 km2，海拔在1 040～1 425m之間，流域內梁峁起伏，地形破碎，溝壑密度高達8.06 km/km2。氣候上屬于暖溫帶半濕潤半干旱氣候過渡區，年均降雨量482.7mm，降雨主要集中在6—9月，以暴雨為主，降雨量占全年的73.6%，尤其是集中于7—8月，降雨量占全年降雨量的46.3%。流域內土壤類型較為單一，地帶性黑壚土因長期遭侵蝕，大部分已流失，現今主要土壤為在黃土母質上發育的幼年土壤黃綿土，其面積占總土壤面積的65.5%，其次為紅膠土、二色土等，占25.1%。流域內的主要土壤黃綿土，質地均一，顆粒組成以粉粒級為主，質量分數為53.9% ～74.8%，土壤物理黏粒為16% ～26%，有機質含量低，結構疏松，土性綿軟，極易被分散和搬運［15］。紙坊溝流域處于森林草原帶的北部邊緣，天然植被主要為半旱生的草灌類，治理前植被稀少，開墾指數極高，水土流失嚴重，多年平均侵蝕產沙模數高達1萬4 000 t/(km2·a)［10］，1974年以來，在流域綜合治理中，開展了造林種草，植被有了較大恢復和發展，形成了以人工林為主體的植被景觀。

圖1 紙坊溝流域示意圖Fig．1 Location of Zhifanggou Watershed

1.2 數據基礎

數據包括：1)1938—2010年共18期土地利用圖，其中1938年土地利用數據采用農戶訪問調查、實地調查勾繪、文獻資料查閱等方式獲取;1958、1975、1978、1987、1990 和2003 年6 期土地利用圖根據航空遙感影像(1∶1萬)，采用目視解譯，結合地面調查和農戶訪問獲得;1991—2000年、2010年的土地利用數據，根據地面逐年實際監測制圖獲得。2)5m分辨率DEM。3)1∶1萬土壤圖。4)1956—2010年日降雨數據，其中1956—1984年數據用紙坊溝與其附近的招安、安塞、沿河灣、磚窯灣4個水文站進行逐步回歸得到。

1.3 計算方法

1.3.1 降雨侵蝕力因子R降雨侵蝕力因子反映降雨引起土壤分離和搬運的動力大小，即降雨產生土壤侵蝕的潛在能力。精確估算降雨侵蝕力的方法是根據擬定的降雨侵蝕力指標、計算一定時期內全部侵蝕性次降雨的侵蝕力［1，16］，但在很多國家和地區，很難獲得所必須的次降雨過程資料。本文選擇基于日降雨資料的年降雨侵蝕力計算方法［17-18］：

式中：Ri為第i年降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h·a);k為1年內的時間，d;Pj為年內第j天侵蝕性降雨量，mm(按黃土高原侵蝕性降雨標準［19］，要求大于12mm，否則按0計);α、β為研究區降雨特征參數;Pd12為日降雨量≥12mm的多年平均日降雨量，mm;Py12為雨量≥12mm的年均降雨量，mm。

考慮到流域面積較小，降雨空間異質性不明顯，降雨侵蝕力統一采用把口站降雨數據計算。

1.3.2 土壤可蝕性因子K土壤可蝕性即土壤遭受侵蝕的敏感程度，是土壤抵抗由降雨、徑流產生的侵蝕能力的綜合體現。RUSLE中，土壤可蝕性因子定義為標準小區內單位降雨侵蝕力引起的土壤流失率。根據EPIC模型［20］計算K值。

式中：M、F、N分別為砂粒、粉粒、黏粒質量分數，%;T為土壤有機碳質量分數，%;δ=1-M/100。計算的K值為美制單位(t·acre·hr/100·acre·feet·tonf·inch)，將其乘以0.131 7 轉化為國際制單位(t·hm2·h/hm2·MJ·mm) 。

1.3.3 坡度坡長因子LS地形對土壤侵蝕的影響由坡度(S)和坡長(L)決定。坡長因子采用W.H.Wischmeier等［16］提出的計算方法，由于黃土高原多陡坡，坡度因子的計算采用D.K.McCool等［21］的計算方法和Liu Baoyuan等［22］陡坡計算公式：

式中：L為坡長因子;S為坡度因子;λ為由DEM提取得坡長;α為坡長指數;θ為由DEM提取的坡度。坡度坡長的獲取利用研究區5m分辨率DEM數據在區域坡度坡長因子提取工具［23］中運行完成。

1.3.4 覆蓋與管理因子CRUSLE中，植被覆蓋和經營管理因子指在一定條件下，農耕地的土壤流失量與同等條件下實時翻耕連續休閑對照地土壤流失量比率，反映所有覆蓋管理因素對土壤侵蝕的綜合作用，其值大小取決于具體的作物覆蓋、輪作順序及管理措施的綜合作用以及作物不同生長期侵蝕性降雨的分布狀況。C的計算公式［1］為

式中：C為年均值或一個作物生長期的平均值;Bi為第i個時段的土壤流失比率;Qi為第i時段的降雨侵蝕力指數(Q)值占全年Q值的比例，%;n為時段數;Qt為所有時段Q比例之和，而每一時段的土壤流失比率B由前期土地利用次因子(PLU)、冠層覆蓋次因子(CC)、表面糙度次因子(SR)、土壤水分次因子(SM)、地面覆蓋次因子(SC)等5個次因子的乘積來計算得到，這使得對C因子值的直接計算往往難以進行。張巖等［24-25］依據USLE/RUSLE的基本理論，估算了黃土高原主要農作物和不同植被的C因子值。據調查，研究區主要農作物為玉米(Zeamays)、土豆(Solanum tuberosum)、谷子(Setaria italica)和大豆(Glycinemax)，據張巖等［24］的研究，黃土高原玉米、土豆、谷子、大豆的C因子分別為0.28、0.47、0.53、0.51，由于缺乏具體農作物信息，取其均值0.45作為研究區農地的C因子值。流域內喬木林多為刺槐(Robinia pseudoacacia)、小葉楊(Populus simonii)，灌木林多為檸條(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等，草地包括人工草地和天然荒草地，人工草地多種植苜蓿(Medicago sativa)、沙打旺(Astragalus adsurgens)、紅豆草(Onobrychis viciifolia)等，參考前人［7-9，25］研究，將有林地、幼林地、疏林地、灌木林地、人工草地、天然草地的C因子值確定為 0.004、0.225、0.144、0.06、0.26、0.24。根據調查，研究區果園內多間種農作物，因此將疏林地和農地C因子的均值0.297作為果園的C因子值，居民建設用地和水域的C因子賦值為1。

1.3.5 水土保持措施因子PRUSLE中，水土保持措施因子定義為采用特定措施土地上的土壤流失量與順坡種植的土壤流失量的比值，主要是通過改變地形和匯流方式減少徑流量，降低徑流速率等作用減輕土壤侵蝕。據調查，流域內的水土保持措施主要有水平梯田、水平溝、魚鱗坑、草田帶狀間輪作、淤地壩等。研究［11，26-30］表明，水平梯田、水平溝、魚鱗坑、草田帶狀間輪作的減沙效益分別為91.6%、56.1%～87.17%、75.0%～81.3%、40.0%～50.0%，因此水平梯田、水平溝、魚鱗坑、草田帶狀輪作的P值分別取 0.084、0.329、0.219、0.550。認為淤地壩沒有侵蝕，P值取0，對于耕地，研究區的耕作措施主要為等高耕作，根據實際及前人［31］研究成果對耕作措施P因子值進行賦值(表1)。未采用水土保持措施的土地利用類型P值取1。對不同土地利用類型分別賦予不同的P值，得到P因子圖層。

表1 紙坊溝流域耕作措施P因子值Tab．1 P value of tillagemeasure in Zhifanggou Watershed

2 結果與分析

2.1 侵蝕因子演變特征

2.1.1 降雨侵蝕力因子R利用日降雨侵蝕力模型計算了紙坊溝流域54 a降雨侵蝕力(圖2)。紙坊溝流域54 a來最大降雨侵蝕力為1964年的3 278.87mJ·mm/(hm2·h·a)，最小降雨侵蝕力為1997 年的 437.31mJ·mm/(hm2·h·a)，多年平均降雨侵蝕力為 1 427.96mJ·mm/(hm2·h·a)。

2.1.2 土壤可蝕性因子K研究區土壤以黃綿土為主，利用式(4)計算不同類型土壤的K值。以K值作為屬性添加到土壤類型圖中，以K值為字段將矢量圖轉為柵格尺寸為5m的柵格圖層中(圖3)。研究區K值的大小介于0.032 7～0.052 2 t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)之間，平均為 0.043 15 t·hm2·h/(hm2·MJ·mm) 。

2.1.3 坡度坡長因子LS基于研究區5m分辨率DEM數據，計算得到該流域坡度、坡長結果如表2，利用區域LS計算工具計算了LS因子(圖4)，LS值在0～58.5之間，平均為10.46。

圖2 紙坊溝流域1956—2010年降雨侵蝕力Fig．2 Rainfall erosion force from 1956 to 2010 in Zhifanggou Watershed

圖 3 紙坊溝流域土壤可蝕性因子(t·hm2·h/(hm2·MJ·mm))Fig．3 K factor in Zhifanggou Watershed

表2 紙坊溝流域坡度、坡長統計特征Tab．2 Statistical characteristic of slope gradient and length in Zhifanggou Watershed

2.1.4 覆蓋與管理因子C基于研究區1938—2010年的土地利用圖，借助ArcGIS進行賦值處理，得到1938—2010年的C值圖。統計結果(圖5)顯示，紙坊溝流域的C因子值隨時間呈四次拋物線變化，由1938年的0.153增加到1958年的0.443，自1974年中國科學院水利部水土保持研究所在該流域開展水土流失綜合治理以來，特別是從1986年開始，該流域作為國家“七五”“八五”和“九五”的科技攻關項目試驗區，通過25年的水土流失綜合治理，植被得以恢復，C因子值從1975年的0.427降到2000年的0.240，特別是隨著1999年退耕還林(草)工程的實施，到2010年C因子值降為0.171，植被基本恢復到1938年的水平。

圖4 紙坊溝流域坡度坡長因子Fig．4 LS factor in Zhifanggou Watershed

圖5 紙坊溝流域C因子值變化Fig．5 Change of C value in Zhifanggou Watershed

2.1.5 水土保持措施因子P基于研究區1938—2010年的土地利用圖，通過實地調查，借助ArcGIS進行賦值，得到1938—2010年P值圖。經統計(圖6)，紙坊溝流域P因子值隨時間呈線性遞減趨勢，P因子值的變化經歷了4個時期：1938—1978年由0.944減少到0.770;隨著水土流失綜合治理，特別是退耕還林(草)工程實施以來，到1987年，P因子值已減到0.657;1990—1998年P因子值相對穩定，維持在0.650～0.659之間;1999年以來，P因子值由0.611減為2010年的0.559。

2.2 土壤侵蝕演變特征

圖6 紙坊溝流域P因子值變化Fig．6 Change of P value in Zhifanggou Watershed

2.2.1 紙坊溝流域土壤侵蝕年際變化 在ArcGIS下將各因子數據相乘，并根據國家標準［32］劃分等級，得到1938—2010年的年土壤侵蝕強度空間分布圖(圖7)。統計顯示，紙坊溝流域把口站1985—2010年監測的多年平均輸沙量為2萬6 079.78 t/a，利用RUSLE模型估算同期多年平均侵蝕量為7萬1 898.51 t/a，該流域于1975年在樊家溝、小止溝修建了控制面積分別為0.18和0.72 km2的淤地壩，攔截上游全部來沙，樊家溝淤地壩到1990年基本淤平，1987年在正溝修建了控制面積為3.51 km2的泄洪淤地壩，考慮到淤地壩的攔沙作用［11］，流域同期計算多年平均侵蝕量為5萬4 196.86 t/a，侵蝕量為輸沙量的2.03倍。結果基本符合實際狀況，說明基于GIS和RUSLE評價黃土高原小流域土壤侵蝕是可行的。從年際變化(圖8)上看，土壤侵蝕模數隨時間呈四次拋物線變化，由1938年的7 584.39 t/(km2·a)猛增到 1958 年的 4 萬 6 392.56 t/(km2·a)，1958年以來，紙坊溝流域侵蝕模數總體上呈遞減趨勢，到2010年侵蝕模數降至5150.80 t/(km2·a)。

由表3可知，紙坊溝流域侵蝕強度分布具有階段性，1938年各類侵蝕強度所占比例差別不大，其中以微度侵蝕(＜1 000 t/(km2·a))面積最大，占流域總面積的25.35%，中度以下侵蝕(＜5 000 t/(km2·a)) 面 積 為 4.41 km2，占 流 域 總 面 積 的52.99%;1958—1978年以劇烈侵蝕(≥15 000 t/(km2·a))為主，劇烈侵蝕平均面積為 5.58 km2，占流域總面積的67.05%，其中1958年劇烈侵蝕面積更是高達 6.55 km2，占流域總面積的 78.61%;1978—1998年微度侵蝕面積占流域總面積比例為29.27%，劇烈侵蝕面積下降到2.09 km2，占流域總面積的25.12%。1999年以來，微度侵蝕平均面積達到3.85 km2，劇烈侵蝕平均面積下降到0.75 km2，占流域總面積的8.96%。此外，紙坊溝流域主要侵蝕強度類型為微度和劇烈侵蝕，1938—2010年微度和劇烈侵蝕平均面積比例分別為28.98%和28.02%。

圖7 紙坊溝流域1938—2010年侵蝕模數空間分布Fig．7 Spatial distribution of soil erosionmodule from 1938 to 2010 in Zhifanggou Watershed

表3 紙坊溝流域1938—2010年不同侵蝕強度面積與比例變化Tab．3 Area and percentage of different erosion intensity from 1938 to 2010 in Zhifanggou Watershed

圖8 紙坊溝流域1938—2010年年均侵蝕模數變化Fig．8 Change of annual average soil erosionmodule from 1938 to 2010 in Zhifanggou Watershed

2.2.2 紙坊溝流域土壤侵蝕空間分布及其變化由圖7可以看出，1938年中度以下侵蝕主要分布在流域中部和溝口川地，強烈以上侵蝕主要分布在陡荒坡和坡耕地;1958—1978年侵蝕格局相似，流域以強烈以上侵蝕為主;1987和1990年侵蝕格局相似，中度以下侵蝕主要分布在流域東部的林地、溝口川地、中部的梯田及緩坡草地，而強烈以上侵蝕主要分布在溝間坡耕地、溝谷陡荒坡、中上游溝道及兩側陡坡裸地;1991—1998年侵蝕格局相似，該時期中度以下侵蝕面積較1990年前有所增加，主要分布在流域中東部，強烈以上侵蝕主要分布于溝間坡耕地、溝谷陡荒坡，其中1997年因降雨量少而使該年侵蝕強度等級普遍降低，劇烈侵蝕分布面積僅為流域面積的2.05%，而微度侵蝕面積比例達到44%;1999年以來，隨著退耕還林(草)工程的開展，流域侵蝕格局發生了根本變化，中度以下侵蝕強度面積顯著增加，主要分布于流域中下游，而強烈以上侵蝕主要分布在溝谷陡荒坡;隨著植被的不斷恢復，2003—2010年侵蝕格局雖與1999年基本類似，但侵蝕強度明顯降低，中度以下侵蝕面積比例達到76.72%，其中微度侵蝕面積比例達54.80%。

3 結論與討論

1)在1938—2010年的70多年間，紙坊溝流域的土壤侵蝕經歷了一個先增強后減弱的過程。侵蝕模數隨時間呈四次拋物線變化，由1938年的7 584.39 t/(km2·a)猛增到1958年的4萬6 392.56 t/(km2·a)，隨后總體呈遞減趨勢，到2010年侵蝕模數降至 5 150.80 t/(km2·a)。

2)1938年中度以下侵蝕面積占流域總面積的52.99%，1958—1978年以劇烈侵蝕為主，占流域總面積的67.05%，其中1958年高達78.61%;1978—1998年侵蝕強度有所下降，微度侵蝕面積占流域總面積比例達到29.27%;1999年以來，微度侵蝕面積達到3.85 km2，劇烈侵蝕面積僅占流域總面積的8.96%。

3)經過30多年的綜合治理，紙坊溝流域生態環境明顯改善，但溝谷陡荒坡侵蝕依然嚴重，屬強烈以上侵蝕，是今后水土流失治理的重點區域。

RUSLE作為一個坡面經驗模型，雖然通過地形因子反映了細溝侵蝕、細溝間侵蝕［1］，但未考慮坡面淺溝侵蝕和切溝、重力等溝道侵蝕。江忠善等［12］基于徑流小區的次降雨、地形資料初步建立了溝間地和溝谷地土壤侵蝕模型，較好地模擬了次降雨的溝間地淺溝侵蝕、溝谷地溝蝕;但由于受到資料的限制，給推廣應用帶來了困難。李斌兵等［14］的研究表明，考慮淺溝侵蝕后，流域極強烈和劇烈侵蝕面積比例增加8.5%，溝間地劇烈侵蝕面積增加12.83 hm2;而在本文中，坡面侵蝕量和溝蝕量都是基于坡面模型計算，因此在一定程度上低估了流域的侵蝕量。此外，本文雖然考慮了淤地壩的攔沙效益，但淤地壩除了能攔蓄上游洪水泥沙外，還具有減蝕作用，這在一定程度上可能又高估了淤地壩控制范圍內的溝道侵蝕。本文計算侵蝕量大于觀測輸沙量，主要原因是將坡面模型直接用于流域侵蝕量的估算中，雖然考慮了工程措施的攔沙作用，但沒有考慮泥沙在輸移過程中的沉積，即流域侵蝕量是基于坡面模型的每個柵格單元侵蝕量的簡單求和，而沒有考慮每個柵格的泥沙是否發生沉積，每個柵格的泥沙是否都輸移到觀測斷面，這是本研究與其他眾多相關研究所面臨的共同問題;因此，如何克服模型本身的局限性是今后研究的重點。

中國科學院水利部水土保持研究所安塞試驗站提供了部分降雨泥沙數據，雷泳南、謝名禮參與了野外調查，在此表示感謝!

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Soil erosion dynamics of Zhifanggou Watershed during the past 70 years

Pang Guowei1，2，Xie Hongxia1，3，Li Rui1，Yang Qinke4

(1.Institute of Soil and Water Conservation，CAS＆MWR，712100，Yangling，Shaanxi;2.Graduate School of the Chinese Academy of Science，100049，Beijing;3.Resource and Environment College of Hunan Agriculture University，410128，Changsha;4.Urban and Environment College of Northwest University，710127，Xi’an：China)

In order to explore the dynamic change of soil erosion in Loess Hilly-gully Area of Loess Plateau，this paper，taking Zhifanggou Watershed as a case study，evaluated the soil erosion change from 1938 to 2010.Combined with GIS technique，the revised universal soil loss equation(RUSLE)was used to evaluate spatial and temporal change of soil erosion.The results showed that：1)The soil erosionmodulus increased significantly from 7 584.39t/(km2·a)in 1938 to 46 392.56 t/(km2·a)in 1958，while it decreased to 5 150.80 t/(km2·a)in 2010.2)The area belowmoderate erosion account for 52.99%of the whole area in 1938.3)During the periods from 1958 to 1978，severe erosion account for amajor part of the whole area，which was 67.05%，and themost severe erosion happened in 1958，which account for 78.61%of the whole area.4)Soil erosion intensity decreased slightly during the period from 1978 to 1998，the area with slight erosion accounted for 29.27%of the whole area;the area increased to 3.85 km2since 1999，and area severe erosion only account for 8.96%of the watershed area.As the continuous ecologicalmanagement over the past 30 years，the eco-environment in Zhifanggou Watershed was improved，but soil erosion in steep slope and gullies are still the key problems in the future conservation.

soil erosion;GIS;RUSLE;changing process;Loess Plateau

2011-10-10

2012-03-08

國家重點基礎研究發展計劃項目“中國主要水蝕區土壤侵蝕過程與調控研究”(2007CB407203)

龐國偉(1982—)，男，博士研究生。主要研究方向：GIS與區域水土保持。E-mail：gwpang@nwsuaf.edu.cn

?責任作者簡介：李銳(1946—)，男，研究員，博士生導師。主要研究方向：水土保持、水土流失動態遙感監測。E-mail：lirui@ms.iswc.ac.cn

(責任編輯：程 云)