基于多元分析的岷江下游土壤有機碳密度空間分布及影響因素研究①

賴晶晶，張世熔，劉艷婷，李 婷，徐小遜，姚 蘋，蒲玉琳

(1 四川農業大學環境學院，成都 611130；2 四川農業大學資源學院，成都 611130)

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基于多元分析的岷江下游土壤有機碳密度空間分布及影響因素研究①

賴晶晶1,2，張世熔1*，劉艷婷1，李 婷2，徐小遜1，姚 蘋1,2，蒲玉琳2

(1 四川農業大學環境學院，成都 611130；2 四川農業大學資源學院，成都 611130)

摘 要：采用傳統統計、灰色關聯度、逐步回歸和通徑分析相結合的多元分析方法對岷江下游1 138個樣點的表層(0～20 cm)土壤有機碳密度及其影響因素進行研究。結果表明，該區表層土壤有機碳密度在0.89～6.49 kg/m2之間，均值為3.24 kg/m2。其在空間上呈不規則的斑塊狀分布，具中等空間相關性，表現出中部淺丘區高而西北和東部高丘區低的分布趨勢。土地利用類型、土壤酸堿度(pH)、成土母質、地貌類型、坡度和土壤質地均是影響土壤有機碳密度的主要因素。其中，土地利用類型、pH、地貌類型、坡度和土壤質地與有機碳密度呈極顯著相關。灰色關聯度的分析表明與土壤有機碳密度關聯最為密切的是地貌類型，其次是pH和成土母質，逐步回歸和通徑分析的結果均表明地貌類型是最主要因素，成土母質和pH次之。綜合比較以上方法，得出地貌類型、成土母質和pH為影響岷江下游研究區表層土壤有機碳密度的主要因素。

關鍵詞：有機碳密度；影響因素；灰色關聯度；逐步回歸；通徑分析

土壤碳庫是陸地生態系統中最大的碳庫，土壤有機碳是土壤碳庫的重要組成部分[1]。土壤有機碳不僅直接影響土壤肥力和作物產量，其與大氣中碳的周轉對全球碳平衡格局及氣候變化也有重要影響[2]。通過研究表層土壤有機碳密度的空間分布和影響因素可以更有效地為土壤有機碳的評價提供科學依據[3-4]，這對環境監測、生產管理和預測陸地生態系統與氣候變化之間的反饋效應都有一定的參考價值[5]。

近年來，灰色關聯度法因其計算量小且適用樣本量少或無規律的樣本數據，已在土壤質量評價方面得以應用[6-7]；逐步回歸分析是通過明確各因素影響研究主體的相對重要性篩選出主要因素，構造“最優”回歸方程的一種方法[8]；而通徑分析是回歸分析的拓展，可用于分析多個自變量與因變量的線性關系，判斷回歸模型是否存在多重共線性及其多重共線性的來源和強弱，明確各影響因素間的相互重要性[9]。采用傳統統計、灰色關聯度、逐步回歸和通徑分析相結合的多元分析方法研究土壤有機碳密度的空間分布和影響因素，將更全面地揭示其空間變異規律。

目前，已有研究采用傳統統計和地統計學相結合的方法對土壤有機碳密度的影響因素進行探討[10-12]，但在流域尺度下將傳統統計、灰色關聯度、逐步回歸和通徑分析相結合分析土壤有機碳密度影響因素的研究還鮮見報道。岷江下游地區以丘陵地貌為主，人口稠密，是四川經濟發展速度較快的區域之一。本文采用多元分析方法對該流域表層土壤有機碳密度的影響因素進行分析，揭示其空間變異規律，以期為該區的土壤生產管理和環境監測提供基礎數據和決策依據，也為綜合分析表層土壤有機碳密度影響因素提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

岷江下游流域(103°40′～104°03′E，30°06′～30°27′N)位于四川盆地與川西北丘狀高原山地過渡地帶前緣，地處古隆中新陷雁行褶皺帶內。該區地勢西北高、東南低，岷江由北向南縱貫區境，東西兩側多為圓狀淺丘，中部構成沖積平原。其地貌兩側是丘陵，中部為平原。區內東西兩側土壤由侏羅系和白堊系頁巖、砂巖坡殘積物發育而成，中部土壤主要由第四系河流沖積物和老沖積物發育而成。土壤類型主要有水稻土、潮土、紫色土和黃壤。土地利用類型主要為耕地、林地和園地，其中耕地以水田和旱地為主。區內作物主要是水稻、玉米、小麥、油菜，為岷江下游的典型農業區。區域屬亞熱帶濕潤季風氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，年均溫16.8℃，無霜期長，年平均降水量955.2 mm，年日照時數1 106.8 h。研究區域面積為705 km2，境內有一條鐵路，兩條高速公路(成雅、成樂)和一條省級公路。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集及分析 結合研究區衛星影像圖、地形圖、成土母質分布圖、第二次土壤普查的土壤類型分布圖及其67個原樣點分布圖和剖面記載表等資料，在考慮樣點代表性和空間分布均勻性的基礎上，按網格法和分層抽樣法進行區域尺度下的樣點設計，于2007年調查樣點1 138個(圖1)。采樣同時記錄每個采樣點的地理坐標、海拔、土壤類型、土地利用方式等信息。每個樣點土樣由同一地塊的3個表層土壤(0～20 cm)樣品混合組成。土壤樣品經自然風干，去掉植物殘體和石塊，研磨過2 mm篩，采用重鉻酸鉀容量法－外加熱法測定其有機碳含量。

圖1　樣點分布圖Fig.1 Distribution map of sampling points

1.2.2 有機碳密度計算 某一土層i的有機碳密度(SOCDi，kg/m2)的計算公式為[13]：

式中：δ% 為直徑大于2 mm的石礫含量(體積百分比)，Ci為土壤有機碳含量(g/kg)，Bi為土壤體積質量(g/cm3)，Li為土層厚度(cm)。

1.2.3 數據統計分析 運用SPSS19.0軟件對研究區1 138個表層土壤樣本的SOCD進行描述性統計，采用K-S檢驗分析土壤有機碳密度分布的正態性，通過方差分析、相關回歸分析、逐步回歸分析和通徑分析，研究岷江下游流域土壤有機碳密度實測值與土地利用類型、土壤酸堿度、成土母質、地貌類型、坡度和土壤質地等因素及各因素之間的相關性。其中平均數的比較采用最小顯著差數法(LSD)。土地利用類型、成土母質、地貌類型和土壤質地為定性分類變量，研究中采用啞變量進行賦值。在ArcGIS 10.0平臺上繪制樣點分布圖，利用DEM計算獲取坡度數據。在ArcGIS 10.0平臺上，制作樣點分布圖；利用DEM計算坡度；進行趨勢效應分析，獲得最佳變異函數模型，通過普通克里格插值獲取土壤有機碳密度空間分布圖。

1.2.4 灰色關聯度分析 灰色關聯度分析根據序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯系是否緊密，通過定量各序列之間的聯系，確定相關程度最大的因素。序列作為系統行為的映射量，間接地表征系統行為。本研究采用區域土壤有機碳密度實測值作為參考序列Xo，將相關影響因素的賦值作為比較序列Xi，計算公式如下[14]：

1.2.5 逐步回歸分析 土壤有機碳密度受多個因素的共同影響，但眾多影響因素并非都能進入線性回歸模型，逐步回歸分析將每個影響因素不斷進入回歸方程，再次判斷是否存在刻意剔除出方程的影響因素，從而篩選出對有機碳密度影響最大的因素。多元線性回歸的數學模型是：

式中：a為模型中的未知參數，B為隨機誤差。

1.2.6 通徑分析 通徑分析通過分解自變量與因變量之間的表面直接相關性，研究自變量對因變量的直接和間接重要性，是一種用于分析多個自變量與因變量之間的線性關系的多元統計分析方法，是回歸分析的拓展[15]。

式中：Riy為自變量Xi與Y之間的簡單相關系數，Piy為Xi與Y之間的直接通徑系數，即Xi與Y標準化后的偏相關系數，表示Xi對Y的直接影響效應；Iiy為間接通徑系數，表示Xi通過其他變量對因變量Y的總間接影響效應。

2 結果與討論

2.1 土壤有機碳密度的描述性統計特征

運用SPSS19.0軟件對土壤樣本的有機碳密度值進行描述性統計，經單一樣本K-S檢驗，結果表明研究區1 138個樣點的表層土壤有機碳密度呈正態分布(P ＞ 0.05)，從偏度值和峰度值可知其分布呈右偏態且較為平緩，土壤有機碳密度值在0.89～6.49 kg/m2，均值為3.24 kg/m2(表1)。根據20世紀80年代第二次土壤普查的有機質含量分級標準，該區表層土壤有機碳含量屬于中上水平(20.1～30.0 g/kg)。

表1　土壤有機碳密度統計特征Table 1 Descriptive statistical characteristics of soil organic carbon density

2.2 空間分布特征

利用ArcGIS10.0軟件的地統計分析功能對土壤有機碳密度進行趨勢效應分析，結果表明研究區土壤有機碳密度分布在南-北方向和東-西方向皆呈二階趨勢效應。通過變異函數的套合模型模擬，得到的最優模型為指數模型(表2)。結果表明，該區土壤有機碳密度的分布長軸方向約為北-南向，具有顯著的異向性特征，隨機變異所占比例為47.96%，土壤有機碳密度具有中等空間相關性，空間變異以隨機變異為主。采用指數模型擬合結果的參數進行普通克里格插值，得到土壤有機碳密度的空間分布圖(圖2)。結果表明，土壤有機碳密度總體上呈不規則的斑塊狀分布，高值區(＞ 4.00 kg/m2)主要位于中部低丘區，低值區(＜2.50 kg/m2)位于西北和東部高丘區域，這表明其受結構性因素和隨機性因素的雙重影響。

表2　土壤有機碳密度半方差函數模型及相關參數Table 2 Theory model and parameters of sermi-variogram for soil organic carbon density

圖2　土壤有機碳密度空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of topsoil organic carbon density

2.3 影響因素分析

土壤有機碳密度的變化實質是其碳輸入和輸出動態平衡的結果，它受結構性因素和隨機性因素的共同影響，其影響因素隨空間尺度的不同而改變[16]。岷江下游地區社會經濟和農業生產發展迅速，土地利用方式和土壤酸堿度是自然條件和人類活動的綜合反映，直接影響土壤有機碳密度的分布。區內地貌以丘陵為主，樣點在低丘、中丘和高丘皆有分布，成土母質、地貌類型、坡度和土壤質地都與該區土壤有機碳密度有一定關系。本文根據研究區的實際情況主要探討土地利用類型、土壤酸堿度、成土母質、地貌類型、坡度和土壤質地對土壤有機碳密度的影響。

2.3.1 土地利用類型 土地利用類型主要通過控制有機碳的輸入來源及其積累和分解速率影響土壤有機碳密度[17]。研究區4種不同土地利用類型的土壤其有機碳密度存在極顯著差異(P＜0.05)，主要表現為水田的土壤有機碳密度(4.68 kg/m2)顯著高于菜地、果園和旱地，但菜地、果園和旱地之間均無顯著差異(P＞0.05)。這是由于該區菜地、果園和旱地因在輪作方式下土壤透水通氣性好，長期處于好氧狀態下土壤有機質易于分解[13]，因此盡管其有機肥施用量較高，但土壤有機碳不易累積；水田因長期處于淹水的嫌氣狀態，土壤有機質分解緩慢，因而有機碳易于累積使其含量較高。菜地、果園和旱地在區內分布較集中，其土壤理化性質、地表植被覆蓋情況、人為干擾程度相似，土壤有機碳密度無顯著差異[18]。

2.3.2 土壤酸堿度 土壤酸堿度(pH)是土壤的重要化學性質，對土壤微生物的活性和有機質的形成及分解均有著重要作用，與土壤有機碳密度關系密切[19]。研究區土壤pH范圍在4.34～9.01，現將它們按 ＜5.0、5.0～6.5、6.5～7.5、7.5～8.5、＞ 8.5分為強酸性、酸性、中性、堿性、強堿性土壤。結果表明，pH與土壤有機碳密度呈極顯著相關(P＜0.001)，酸性和中性土壤之間的有機碳密度差異不顯著，但均顯著高于其他的pH范圍(表3)。

表3　不同pH、成土母質和土壤質地下土壤有機碳密度值與方差分析Table 3 Mean and variance analyses of soil organic carbon densities in different pH values,parent materials and textures

2.3.3 成土母質 成土母質作為土壤形成的物質基礎直接影響著土壤的成土過程，是決定土壤結構和有機碳最初含量與分布特征的主要因素，與土壤的通氣性、保肥保水性及耕作難易性關系密切，不同成土母質的土壤其有機碳密度存在差異[20]。該區土壤主要由第四系成土母質發育而成，統計結果表明(表3)，老沖積物和河流沖積物上發育的土壤其有機碳密度值差異不明顯，但均顯著高于砂質泥巖和泥質砂巖上發育的土壤(P ＜ 0.05)。產生這種差異的原因主要是該區砂質泥巖和泥質砂巖上發育的土壤保肥保水能力較差，有機質易分解，土壤有機碳儲量少且難積累，而更新統老沖積物和全新統近代河流沖積物上發育的土壤養分含量豐富且質地黏重，土壤黏粒及其吸附的有機質所形成的團粒結構有利于有機碳的長期積累[21]，因而土壤有機碳密度較大。在相同母質下，不同質地間表層土壤有機碳密度也存在差異。例如，同為河流沖積物上發育的土壤，黏土表層土壤有機碳密度為3.63 kg/m2，顯著高于重壤(3.31 kg/m2)、中壤(3.11 kg/m2)、輕壤(3.04 kg/m2)和砂壤(3.02 kg/m2)，而中壤、輕壤和砂壤間無顯著差異(P＜0.05)。顯然，在同類母質下，質地亦可能影響土壤有機碳密度。

2.3.4 地貌類型 地貌類型支配著地表和土壤中水熱資源的重新分配，影響土壤生態系統的物質循環過程，對土壤有機碳密度有著深遠影響[22]。研究區地貌主要以丘陵為主，樣點在低丘、中丘和高丘皆有分布。分析結果表明(圖3)，不同地貌條件下土壤有機碳密度差異極顯著(P ＜ 0.01)，低丘、中丘和高丘的土壤有機碳密度分別為3.70、3.25、2.38 kg/m2。土壤有機碳密度隨著海拔的升高而降低，這與不同海拔條件下植被覆蓋、土壤侵蝕、耕作制度、成土物質的再分配和景觀單元內水分分配差異等有一定關系。土壤侵蝕使研究區內高丘區大量肥沃表土流失，土壤肥力和植物量降低導致有機碳輸入量較低。低丘區多為農用地，在人為管理下有機肥料投入量大，土壤有機碳含量較高。

圖3　不同地貌類型下土壤有機碳密度均值與方差分析Fig.3 Statistical characters of soil organic carbon densities in different terrains

2.3.5 坡度 坡度通過影響微地形的水土平衡和太陽輻射，一定程度上使不同坡度土壤有機碳密度產生差異[23]。將坡度用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級分別表示0°～5°、5°～10°、10°～15°、15°～20°、20°～25°、＞ 25°。分析結果表明，在不同的坡度條件下土壤有機碳密度存在極顯著差異(P＜0.01)。隨著坡度的增加，土壤有機碳密度呈現出在Ⅰ級～Ⅴ級坡度先降低，Ⅴ級～Ⅵ級坡度再升高的趨勢(圖4)，這是由于在0°～25° 坡度級別內，研究區土壤侵蝕使坡面流失的土壤、水肥集中下坡位，使該位置土壤的有機物質量增大，利于有機碳的積累，因而土壤有機碳密度隨著坡度的增加呈下降趨勢；Ⅴ級～Ⅵ級為坡度＞ 25° 區域，農用地較少，多為植被覆蓋率高且人類活動少的林地，有機碳密度相對較高。多重比較表明，Ⅰ級(0°～5°)與Ⅱ級(5°～10°)和Ⅲ級(10°～15°)的土壤有機碳密度差異極顯著(P＜0.01)，這和Ⅰ級坡度區域多水田有一定關系，表明土壤有機碳密度受坡度和土地利用類型的共同影響。

圖4　不同坡度下的土壤有機碳密度均值Fig.4 Soil organic carbon densities in different slope gradients

2.3.6 土壤質地 土壤質地對有機碳密度的影響與土壤礦物顆粒組合狀況關系密切[24]。該區土壤質地主要包括砂壤、輕壤、中壤、重壤和黏土。土壤有機碳密度均值比較為黏土＞重壤＞中壤＞輕壤＞砂壤(表3)，其中有機碳密度在輕黏土中顯著高于其他4種質地類型(P＜0.05)。這是由于黏土中黏粒礦物含量高，土壤孔隙度相對較小、通氣性差，從而緩解有機碳的分解，同時土壤碳與黏粒礦物的相互作用形成如團聚體結構的物理保護，使土壤有機碳不易被微生物或酶分解[25]，因此能夠較長期蓄積在土壤中；另一方面，土壤中較高的黏粒含量和粉粒含量增強了土壤的保水能力[26]，促進植物生長，使更多的碳輸入到土壤中。此外，研究區內黏土多由老沖積物及河流沖積物發育而來，用作耕地后因施用有機肥多而土壤有機碳密度高。

2.4 不同因素對土壤有機碳密度的影響程度

土壤有機碳密度受到眾多因素的共同影響，土地利用、pH、成土母質、地貌類型、坡度和質地都在不同程度下影響著岷江下游流域的土壤有機碳密度，但傳統統計方法難以反映各影響因素的主次性和重要性，因此本文將采用灰色關聯度法和逐步回歸分析法進一步探討各影響因素對土壤有機碳密度的影響程度，運用通徑分析法研究各因素間的相互重要性及其對土壤有機碳密度的直接和間接重要性。

2.4.1 灰色關聯度分析 為探討影響土壤有機碳密度的主要因素，剔除次要因素，首先采用灰色關聯度分析法進行研究。根據公式(1～5)求得土壤有機碳密度與各影響因素的灰色關聯度，并進行排序。從表4可以看出，在所選取的影響因素中，與土壤有機碳密度關聯最為密切的是地貌類型，其次是pH和成土母質。地貌類型在研究區內很大程度上影響著人類活動、土地利用類型、pH、成土母質和土壤質地的差異，因其反映的環境信息量大，對土壤有機碳密度產生的空間分布差異解釋能力較強[27]。岷江下游研究區頻繁的農業活動受到成土母質的限制較大，同時人類活動對土壤pH產生了深刻影響，因此pH和成土母質也是該區影響土壤有機碳密度的主要因素。

表4　土壤有機碳密度與影響因素的灰色關聯度及排序Table 4 Gray correlation degrees and sorting of soil organic carbon densities with influence factors

2.4.2 逐步回歸分析 本文主要選擇了土地利用、pH、成土母質、地貌類型、坡度和土壤質地6個影響因子進行研究，分別設為X1、X2、X3、X4、X5和X6，采用逐步回歸分析法建立逐步回歸方程(表5)。為了充分反映回歸模型的可靠性，確定建立逐步回歸方程的顯著性水平需要達到0.05。按照所設定的P＜0.05一定進入方程，P＞0.1一定不進入方程的原則，X2、X3和X4先后進入方程，最終的回歸方程中常數項、X2、X3和X4的偏相關系數t的顯著性分別為0.000、0.000、0.003和0.006，偏相關系數是X4(-2.742)＞X3(-2.950)＞X2(-7.695)，表明X2(pH)、X3(成土母質)和X4(地貌類型)都是影響有機碳密度的重要因素，而又以地貌類型為影響土壤有機碳密度的最主要因素，成土母質和pH次之。

表5　土壤有機碳密度與影響因素逐步回歸方程Table 5 Stepwise regression equations of soil organic carbon densities with influence factors

2.4.3 通徑分析 對各影響因素進行逐步回歸分析后，再對pH、成土母質和地貌類型與土壤有機碳密度進行通徑分析。由表6可知，X4(地貌類型)是對有機碳密度直接影響中作用最大的因素，X3(成土母質)次之，X2(pH)的直接作用最小。分析各個間接通徑系數發現，X2(pH)通過X4(地貌類型)對有機碳密度的間接作用最大，其間接通徑系數R24×P4Y= -0.007 7。這可能是因為土壤pH受人類活動的影響較大，而不同地貌條件下的土壤受到的人為干擾程度差異較明顯，因此土壤pH在不同的地貌類型區對土壤有機碳密度的影響較大[28]。

表6　影響因素對土壤有機碳密度值的通徑分析Table 6 Path analysis of relative values to soil organic carbon densities under influence factors

綜合比較灰色關聯度分析、逐步回歸分析和通徑分析 3 種方法，得出 6 個影響因素中以 pH、成土母質和地貌類型為主。灰色關聯度的分析表明，與土壤有機碳密度關聯最為密切的是地貌類型，其次是pH 和成土母質。逐步回歸和通徑分析的結果均表明地貌類型是影響表層土壤有機碳密度的最主要因素，成土母質和 pH 次之。由于進行灰色關聯度分析時僅通過比較參考序列和比較序列的曲線幾何形狀的相似程度定量關聯程度，而逐步回歸和通徑分析在考慮數據的分布特征后進行計算，因此灰色關聯度分析與逐步回歸和通徑分析在對成土母質和 pH 的影響程度大小上有不同的分析結果[14]，但均以地貌類型、成土母質和 pH 為表層土壤有機碳密度的主要影響因素。

3 結論

1)本研究區位于人口稠密的岷江下游，1 138個表層(0～20 cm)土壤樣本中有機碳密度呈正態分布，其值為3.24 kg/m2，空間上呈不規則的斑塊狀分布，具有中等空間相關性，表現出中部淺丘區高而西北和東部高丘區低的分布趨勢。

2)該區土壤有機碳密度受到結構性因素和隨機性因素的共同影響，土地利用類型、土壤酸堿度、成土母質、地貌類型、坡度和土壤質地與其關系密切，其中土地利用類型、土壤酸堿度、地貌類型、坡度和土壤質地與有機碳密度呈極顯著相關，成土母質對表層土壤有機碳密度的影響達顯著水平。

3)灰色關聯度的分析表明，與土壤有機碳密度關聯最為密切的是地貌類型，其次是pH和成土母質。逐步回歸和通徑分析的結果均表明地貌類型是影響土壤有機碳密度的最主要因素，成土母質和pH次之。綜合比較以上3種方法，得出土地利用類型、pH、成土母質、地貌類型、坡度和質地中以地貌類型、成土母質和pH為影響岷江下游研究區表層土壤有機碳密度的主要因素。

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Spatial Distribution and Its Influence Factors of Soil Organic Carbon Density of Lower Reaches of Minjiang River Based on Multivariate Analysis Method

LAI Jingjing1,2,ZHANG Shirong1*,LIU Yanting1,LI Ting2,XU Xiaoxun1,YAO Ping1,2,PU Yulin2
(1 College of Environment Sciences,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China; 2 College of Resources,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China)

Abstract:Spatial distribution and its influence factors of topsoil(0-20 cm)organic carbon density(SOCD)of the Lower Reaches of Minjiang River were studied by the combination of traditional statistical analysis,gray related analysis,stepwise regression analysis and path analysis.SOCD ranged from 0.89 to 6.49 kg/m2with a mean value of 3.24 kg/m2.Its overall distribution displayed irregular plaque-shaped,with a moderate spatial correlation,and SOCD was higher in the central low hilly than northeastern and eastern high hilly area.Among the influence factors,it showed extremely significant correlations with the land use,soil pH,topography,slope gradient and soil texture.Gray related analysis indicated that the highest correlation degree of SOCD with terrain,and followed by soil pH and soil parent material.Stepwise regression analysis combined with path analysis showed that terrain was the most significant influence factor,followed by soil parent material and pH.Therefore,terrain,soil parent material and pH were the main influence factors of topsoil organic carbon density in the lower reaches of Minjiang River.

Key words:Soil organic carbon density; Influence factor; Gray related analysis; Stepwise regression analysis; Path analysis

作者簡介：賴晶晶(1990—)，女，江西贛州人，主要從事土壤肥力評價研究。E-mail:Lcici1031@163.com

* 通訊作者(rsz01@163.com)

基金項目：①國家自然科學基金項目(41401328)和四川省科技支撐計劃項目(2014NZ0044)資助。

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.01.024

中圖分類號：S159