國內(nèi)外湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的研究及啟示

徐菡玲，張海平

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

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國內(nèi)外湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的研究及啟示

徐菡玲，張海平

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

指出了湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)對水體富營養(yǎng)化防治和水質(zhì)保障十分重要。闡述了國內(nèi)外湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的研究進(jìn)展及其制定的思路和方法。針對我國在該研究方面存在的問題，提出了可借鑒國外成熟經(jīng)驗(yàn)，對壓力-響應(yīng)法開展研究，該方法可為我國湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定提供方法基礎(chǔ)，并繼續(xù)對水體富營養(yǎng)化機(jī)制進(jìn)行研究，為湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定提供理論指導(dǎo)。

富營養(yǎng)化；氮磷營養(yǎng)物；水生態(tài)；營養(yǎng)物指標(biāo)；壓力-響應(yīng)模型

1　引言

水質(zhì)基準(zhǔn)是為支持和保護(hù)水的某種指定用途所建議的水質(zhì)標(biāo)值，能代表水體的物理、化學(xué)、生物等特征，反映了水生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況。水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是將水質(zhì)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成環(huán)境法規(guī)條例中規(guī)定的必須強(qiáng)制實(shí)施的水質(zhì)濃度。一個(gè)完整的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)該包括基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)兩部分，其中水質(zhì)基準(zhǔn)是制定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)水質(zhì)基準(zhǔn)的制定方法，它可以分為兩類：一是毒理學(xué)基準(zhǔn)，在大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究的基礎(chǔ)上制定，如人體健康基準(zhǔn)、水生生物基準(zhǔn)等；二是生態(tài)學(xué)基準(zhǔn)，在大量現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析制定，如營養(yǎng)物基準(zhǔn)等。湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)是營養(yǎng)物在湖泊中產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)及其功能或用途的營養(yǎng)物的濃度或水平，是湖泊富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)[1]。筆者綜述了國內(nèi)外關(guān)于湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的一些研究以及國內(nèi)對湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的初步研究與應(yīng)用，分析了我國在營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定過程中存在的問題和從國外的研究中得到的啟示。

2　國內(nèi)外湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的理念、思路和方法

湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)主要包括營養(yǎng)物變量、生物學(xué)變量和流域特征等指標(biāo)[1]，可以是數(shù)值型的，也可以是敘述型的或者二者相結(jié)合的，體現(xiàn)了受到人類開發(fā)活動(dòng)影響程度最小的地表水體富營養(yǎng)化的情況[2]。營養(yǎng)物是湖泊中的水生生物所必需的，湖泊中的氮磷等營養(yǎng)物在濃度較低時(shí)，不會對水生生物和人體產(chǎn)生毒害作用，可以維持健康的生態(tài)系統(tǒng)。氮磷的過量輸入導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化的問題日益嚴(yán)重，因?yàn)檫^量的營養(yǎng)物會刺激浮游藻類的過度增長，最終干擾水生生物的正常生長、娛樂和飲用水供應(yīng)的功能，導(dǎo)致水生生物的死亡和水生態(tài)系統(tǒng)的破壞。近年來，隨著人口的急劇增長、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展以及人類對自然資源的過度開發(fā)，世界范圍內(nèi)的水體富營養(yǎng)化問題十分突出，嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展，研究者對可能引起富營養(yǎng)化的重要因素氮磷等營養(yǎng)物基準(zhǔn)比較關(guān)注，因此營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定對人類活動(dòng)對水生態(tài)系統(tǒng)的影響的評價(jià)，河流湖泊等水體營養(yǎng)狀態(tài)的評價(jià)和水質(zhì)的保護(hù)十分重要。

目前湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的研究時(shí)間較短，國際上尚未建立起系統(tǒng)的營養(yǎng)物基準(zhǔn)方法學(xué)體系。近年來許多國家和地區(qū)都在加緊開展相關(guān)的研究，以滿足當(dāng)?shù)氐暮垂芾硇枨?。美國是最早開始研究水質(zhì)基準(zhǔn)的國家，在推動(dòng)國際湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的研究方面起了重要的作用。美國和歐洲確定湖泊參照狀態(tài)的方法基本類似，主要包括調(diào)查數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、模型預(yù)測和推斷、古湖沼學(xué)重建和專家判斷等[3]。目前我國還沒有形成清晰的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)行的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)的制定缺乏營養(yǎng)物基準(zhǔn)的研究，尚未建立起適合我國水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的營養(yǎng)物基準(zhǔn)體系。

2.1美國湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的理念、思路和方法

在湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)制訂過程中，湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)及其參照狀態(tài)的合理確定是基準(zhǔn)制訂的重要基礎(chǔ)。根據(jù)美國國家環(huán)境保護(hù)局(United States Environment Protection Agency，US EPA)制定的湖泊與水庫的營養(yǎng)物基準(zhǔn)技術(shù)指南，湖泊與水庫的水體富營養(yǎng)化基準(zhǔn)指標(biāo)有4項(xiàng)，包括引起富營養(yǎng)化的2項(xiàng)主要指標(biāo)—氮磷營養(yǎng)鹽和兩項(xiàng)生物反應(yīng)變量—藻類的葉綠素含量和塞氏透明度或藻類濁度。總氮(Total Nitrogen, TN)和總磷(Total Phosphorus, TP)是引起富營養(yǎng)化的原因變量，葉綠素和透明度是初始反應(yīng)變量。反應(yīng)變量可以清楚地表明問題的存在，但是有時(shí)候，雖然水體看起來很清澈，卻有異常高的氮磷濃度。氮對大多數(shù)淡水湖泊來說，不是主要的影響因素。氮和磷是湖泊中藻類植物生長所必須的營養(yǎng)鹽，通常認(rèn)為磷是調(diào)節(jié)湖泊藻類生長速度的營養(yǎng)鹽，也是最易被控制的。因此，磷是湖泊和水庫富營養(yǎng)化問題的主要變量。

US EPA于1998年發(fā)布了“制定區(qū)域營養(yǎng)物基準(zhǔn)的國家戰(zhàn)略”[2]，編制了湖泊水庫、河流、河口海灣和濕地4種類型的營養(yǎng)物基準(zhǔn)技術(shù)指南。US EPA推薦的制定營養(yǎng)物基準(zhǔn)的方法主要有：參照狀態(tài)法、機(jī)理模型法和壓力—響應(yīng)模型法[4]。以對湖泊和水庫使用的參照狀態(tài)法為例，首先確定生態(tài)區(qū)內(nèi)參考湖泊的條件，對參考湖泊進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，然后對參考湖泊的營養(yǎng)物水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將上等25%對應(yīng)的值作為基準(zhǔn)推薦值。在實(shí)際情況中，如果參考湖泊的數(shù)量不足，可以對所有湖泊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，此時(shí)將下等25%對應(yīng)的值作為營養(yǎng)狀態(tài)基準(zhǔn)值，見圖1。US EPA認(rèn)為，采用該參照狀態(tài)法制定的基準(zhǔn)值可以保護(hù)水體的指定用途，并給管理者一定的靈活性。但是，該標(biāo)準(zhǔn)值不是直接與指定用途相聯(lián)系的，因?yàn)樗鼪]有解釋基準(zhǔn)指標(biāo)和基準(zhǔn)值指定的理由。

圖1　利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定營養(yǎng)物基準(zhǔn)的示意

美國將全國分成了14個(gè)生態(tài)區(qū)，分別頒布了各區(qū)湖泊和水庫的營養(yǎng)物基準(zhǔn)[5]，見表1。美國各州也陸續(xù)結(jié)合其自然、經(jīng)濟(jì)、社會和技術(shù)等條件，制定了對于不同指定用途水體的營養(yǎng)物基準(zhǔn)。

表1　美國14個(gè)生態(tài)區(qū)的湖泊、水庫營養(yǎng)物基準(zhǔn)

2.2歐盟等國湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的理念、思路和方法

從2008年開始，歐盟、澳大利亞等國也基于營養(yǎng)物的生態(tài)分區(qū)以科學(xué)地確定湖泊的營養(yǎng)物基準(zhǔn)，對控制湖泊富營養(yǎng)化發(fā)揮了巨大作用[6]。歐盟國家在制定湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的過程中比較注重生態(tài)指標(biāo)的應(yīng)用，比如藻類生物量、種群結(jié)構(gòu)、水生昆蟲、底棲動(dòng)物等[7，8]。與美國類似，歐盟等也運(yùn)用了參照狀態(tài)法、輸入-響應(yīng)模型法和模型推斷法等，根據(jù)不同的使用功能將水體劃分為了不同類型。在營養(yǎng)物基準(zhǔn)候選范圍確定后，要考慮若干年后的有效性，所以要對其進(jìn)行預(yù)測和驗(yàn)證，目前主要是使用灰色系統(tǒng)預(yù)測模型[9]，因?yàn)槠渌Ｐ投夹枰S富的數(shù)據(jù)，處理也比較困難。

采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件處理數(shù)據(jù)，計(jì)量資料采用（±s）表示，進(jìn)行 t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料采用[n（%）]表示，進(jìn)行χ2檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.3我國湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的初步理念、思路和方法及分析

我國的湖泊眾多，這些湖泊在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和文化等方面發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)，我國的湖泊富營養(yǎng)化問題也十分嚴(yán)重，但目前我國對于湖泊富營養(yǎng)化的研究處于起步階段[10]，尤其缺乏在湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)方面的研究。我國目前控制湖泊富營養(yǎng)化的標(biāo)準(zhǔn)是《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，它主要參考了美國水質(zhì)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及美國各州、日本、前蘇聯(lián)、歐洲等國家及地區(qū)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同水體的功能與相應(yīng)的營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)，其中涉及到湖泊氮和磷的標(biāo)準(zhǔn)值，而這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值主要是參考國外的相關(guān)資料而制定的[11]，不能科學(xué)地反映我國各個(gè)生態(tài)區(qū)的具體情況和對水生生物的保護(hù)要求，可能導(dǎo)致保護(hù)不到位或者過分保護(hù)的情況。因此，針對我國的具體情況來制定合理的湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)十分重要。

為了應(yīng)對我國各地的區(qū)域差異性，國家“十一五”水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)“我國湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)和富營養(yǎng)化控制標(biāo)準(zhǔn)研究”(2009ZX07106-001)首次系統(tǒng)地開展了我國湖泊富營養(yǎng)化區(qū)域差異性調(diào)查與分析，建立了能反映區(qū)域差異的全國湖泊營養(yǎng)物生態(tài)分區(qū)理論和技術(shù)方法體系，完成了對全國8個(gè)一級分區(qū)和37個(gè)二級分區(qū)的研究，確定了典型湖區(qū)的營養(yǎng)物基準(zhǔn)/標(biāo)準(zhǔn)[12]。

在借鑒國外最新研究成果的基礎(chǔ)上，從2008年開始，我國開展了營養(yǎng)物基準(zhǔn)的研究工作?；趯σ巴庥^察數(shù)據(jù)的分析，US EPA發(fā)展了代表氮磷營養(yǎng)物濃度與初級生產(chǎn)力關(guān)系的壓力-響應(yīng)模型[13]。根據(jù)給定的藻類生物量基準(zhǔn)，壓力-響應(yīng)模型適用于推斷受人類活動(dòng)影響較嚴(yán)重的湖泊的營養(yǎng)物基準(zhǔn)，以保護(hù)水體的指定用途。從2012年開始，為了應(yīng)對我國各地的區(qū)域差異性，我國的湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定的壓力-響應(yīng)模型方法及案例研究得到了較為系統(tǒng)的發(fā)展。陳奇[14]針對東部平原湖區(qū)、蒙新高原湖區(qū)和云貴高原湖區(qū)3個(gè)區(qū)域的湖泊，探討了營養(yǎng)物參照狀態(tài)的建立方法，系統(tǒng)分析和評價(jià)了國外確定湖泊營養(yǎng)物參照狀態(tài)的若干種方法，包括參照湖泊法、湖泊群體分布法、回歸分析等幾種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以及模型推斷和古湖沼學(xué)重建方法。田志強(qiáng)[15]運(yùn)用遙感反演法提出了內(nèi)蒙古呼倫湖營養(yǎng)物基準(zhǔn)值。紀(jì)丹鳳等[16]從湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)入手，探討制定我國湖泊營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)的方法，以期為現(xiàn)階段我國營養(yǎng)物標(biāo)準(zhǔn)體系的制定提供技術(shù)參考。霍守亮等[10，17]通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法，提出了我國云貴髙原生態(tài)分區(qū)的營養(yǎng)物參照狀態(tài)和基準(zhǔn)值。我國的兩個(gè)生態(tài)分區(qū)東部平原湖區(qū)[18]和東北地區(qū)[19]的湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)也陸續(xù)被提出。

一系列的研究已經(jīng)表明，壓力-響應(yīng)關(guān)系法中的概念模型可以用于確定營養(yǎng)物變量和響應(yīng)模型之間的可能路徑，并且，單獨(dú)分析這些可能的路徑也有利于確定壓力-響應(yīng)模型的精度[20]，因此可以為我國湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)體系的建立提供理論依據(jù)。王驥等[21]結(jié)合壓力-響應(yīng)關(guān)系法中的概念模型圖，與我國湖泊富營養(yǎng)化的實(shí)際情況相聯(lián)系，提出了我國的湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)的優(yōu)選方法。吳超等[22]針對太湖流域營養(yǎng)物基準(zhǔn)進(jìn)行了研究，將該流域湖泊的基本功能確定為娛樂、水生生物棲息地及飲用水，以此構(gòu)建流域概念模型。選擇壓力變量為總氮、總磷和有機(jī)物，響應(yīng)變量為葉綠素 a，建立了壓力-響應(yīng)模型以制定湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)。目前國內(nèi)外都沒有形成完整的湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)指標(biāo)的優(yōu)選方法，因此給湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定帶來一定的困難[24～27]。

3　目前我國湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定中的問題

我國的湖泊分布廣泛、類型多樣、成因和演化過程復(fù)雜，但水質(zhì)和水生態(tài)的監(jiān)測資料嚴(yán)重缺乏，湖泊流域受人類的擾動(dòng)強(qiáng)度較大，US EPA推薦的參照湖泊法、湖泊群體分布法、三分法等被用于我國一些地區(qū)的案例研究，得出這些方法比較適合對那些能獲得參照湖泊的區(qū)域制定營養(yǎng)物基準(zhǔn)。但我國大多數(shù)的湖泊生態(tài)區(qū)不能找到不受人類活動(dòng)影響或影響較小的參照湖泊，因此這些方法不適合我國，尤其是受人類活動(dòng)影響較大的東部淺水湖泊。同時(shí)，這些方法在制定基準(zhǔn)時(shí)也沒有考慮水體的功能對營養(yǎng)物基準(zhǔn)的影響。

在湖泊富營養(yǎng)化管理的方面，我國主要依據(jù)的是GB3838-2002。涉及營養(yǎng)物的標(biāo)準(zhǔn)值的確定時(shí)缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐和營養(yǎng)物基準(zhǔn)支撐，且缺乏針對不同區(qū)域特點(diǎn)的營養(yǎng)物基準(zhǔn)，無法體現(xiàn)分區(qū)控制和分類指導(dǎo)，給我國湖泊富營養(yǎng)化問題的識別、評價(jià)和管理帶來很大難度，難以達(dá)到我國水生態(tài)安全保障的基本目標(biāo)。因此，目前急需按照“分區(qū)、分類、分期、分級”的總體思路來制定不同分區(qū)的湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)[6]。

4　研究展望

近年來國內(nèi)的一些研究者對US EPA推薦的營養(yǎng)物基準(zhǔn)制定方法之一——壓力-響應(yīng)法開展了一些研究。壓力-響應(yīng)法通過建立營養(yǎng)物指標(biāo)與生態(tài)、健康指標(biāo)之間的壓力響應(yīng)模型，適用于某些污染較為嚴(yán)重的地區(qū)?；羰亓恋萚23]建立了多個(gè)壓力-響應(yīng)模型，并在不同區(qū)域尺度開展了案例研究。壓力-響應(yīng)模型目前在美國和歐洲等的湖泊已經(jīng)得到了較成功的應(yīng)用，US EPA采用壓力-響應(yīng)模型推斷得到了支持指定水體使用功能的數(shù)值化氮、磷標(biāo)準(zhǔn)。

壓力-響應(yīng)法適合在我國不同區(qū)域尺度開展案例研究，可以為我國湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定提供方法基礎(chǔ)。但是，目前壓力-響應(yīng)模型在我國并沒有廣泛用于湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定，研究者可以應(yīng)用當(dāng)前可利用的壓力-響應(yīng)模型以確定我國湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)，并進(jìn)行分區(qū)營養(yǎng)物基準(zhǔn)的制定工作，尤其是對反映流域特征并受人類活動(dòng)影響嚴(yán)重的區(qū)域[6]。

5　結(jié)語

目前研究者們對水體富營養(yǎng)化的機(jī)理還不完全了解，長遠(yuǎn)地看，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到富營養(yǎng)化機(jī)制的研究十分重要。因此，國家需要給予更多的投入，用于更系統(tǒng)而深入的研究。國外對湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的相關(guān)研究對我國有一些啟示。

(1)我國的湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)研究起步較晚，不同地區(qū)的地理、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)環(huán)境等情況差異很大，可以借鑒US EPA的生態(tài)分區(qū)方法，根據(jù)水生生物區(qū)系的地域性來劃分不同的生態(tài)區(qū)域，相應(yīng)地選取代表性的生物進(jìn)行毒性試驗(yàn)研究，在明確的毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上來進(jìn)行湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的研究。

(2)建立水體基本物理、化學(xué)和生物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是國際上在營養(yǎng)物基準(zhǔn)及其他水質(zhì)基準(zhǔn)制訂過程中首先開展的重點(diǎn)工作。我國可以借鑒US EPA的方法，系統(tǒng)考慮數(shù)據(jù)的采樣站點(diǎn)、指標(biāo)的分析方法、實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制等，對數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)歸類和刪減，最終建立起完善的水體基本物理、化學(xué)和生物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，作為制定營養(yǎng)物基準(zhǔn)的基礎(chǔ)和前提。

(3)國家需要投入更多的人力、物力，相關(guān)研究者需對水體富營養(yǎng)化機(jī)制進(jìn)行深入研究，在湖泊營養(yǎng)物基準(zhǔn)的能夠確定的基礎(chǔ)上再制定出相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以充實(shí)我國的環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)和環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫，并且可以分析水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施對社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響。

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Domestic and International Researches on Lake Nutrient Criteria and the Enlightenment

Xu Hanling， Zhang Haiping

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

This paper pointed out that lake nutrient criteria was very important for prevention of eutrophication and guarantee of water quality. We expounded domestic and international research advances of lake nutrient criteria and outlined the ideas and methods of formulating lake nutrient criteria. Aiming at the problems in the study of lake nutrient criteria in China, we could refer to foreign relatively mature methods: studies on pressure-response method would provide methodological basis for formulating lake nutrient criteria in China and more studies on mechanism of eutrophication should be conducted, which could provide theoretical guidance for formulating lake nutrient reference in China.

eutrophication; nitrogen and phosphorus nutrients; water ecology; nutrient indicators; pressure-response model

2016-07-13

徐菡玲(1992—)，女，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境科學(xué)碩士研究生。

張海平(1965—)，男，教授，主要從事區(qū)域水污染控制的教學(xué)與科研工作。

X832

A

1674-9944(2016)16-0103-04