雷州半島尾巨桉人工林樹干液流對臺風(fēng)天氣的響應(yīng)

王志超,許宇星,竹萬寬,杜阿朋

(國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，廣東 湛江 524022)

雷州半島尾巨桉人工林樹干液流對臺風(fēng)天氣的響應(yīng)

王志超,許宇星,竹萬寬,杜阿朋*

(國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，廣東 湛江 524022)

[目的]為正確認(rèn)識臺風(fēng)對桉樹人工林蒸騰耗水的影響。[方法]采用熱擴(kuò)散莖流計(jì)對尾巨桉樹干液流在臺風(fēng)前后進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，分析其對臺風(fēng)天氣的響應(yīng)，并同步測定林分氣象條件，分析臺風(fēng)過程中樹干液流與氣象因子之間的相關(guān)性。[結(jié)果]表明：臺風(fēng)當(dāng)天，樹干液流密度與臺風(fēng)登陸前后(單峰)不同，呈不規(guī)律多峰型曲線，樹干日均液流密度(2.89 mL·h-1·cm-2)較臺風(fēng)前減少53%，夜間液流波動較大；日間最大峰值(7.76 mL·h-1·cm-2)出現(xiàn)在下午，峰值較臺風(fēng)前降低55%，樹干液流日通量極顯著小于臺風(fēng)登陸前后；臺風(fēng)登陸前樹干液流密度峰值(17.4 mL·h-1·cm-2)及平均液流密度(6.15 mL·h-1·cm-2)分別是臺風(fēng)登陸過后的1.24倍和1.14倍，臺風(fēng)后樹干液流日通量較臺風(fēng)前均有所下降；臺風(fēng)當(dāng)天，影響液流的主要?dú)庀笠蜃訛轱L(fēng)速、大氣溫度、空氣濕度、水汽壓虧缺和降雨量，液流與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)較臺風(fēng)前增大52%，與降雨量的相關(guān)系數(shù)是臺風(fēng)前的2.6倍，與其他因子的相關(guān)系數(shù)較臺風(fēng)前均下降了50%左右，而臺風(fēng)登陸前后之間的主要影響因子差異不大。[結(jié)論]臺風(fēng)當(dāng)天的日均液流密度、白天的平均液流密度和日通量均極顯著小于臺風(fēng)前后，而夜間液流顯著大于臺風(fēng)前后；臺風(fēng)前后的日均液流密度差異不顯著，夜間液流臺風(fēng)前顯著大于臺風(fēng)后；臺風(fēng)過程中風(fēng)速成為影響液流的關(guān)鍵因子，與太陽輻射相關(guān)性不顯著，其他影響因子與臺風(fēng)前后相同，但相關(guān)系數(shù)除風(fēng)速和降雨量外均顯著下降。

尾巨桉；臺風(fēng)；樹干液流；熱擴(kuò)散式探針法

臺風(fēng)是熱帶海洋上生成的一種強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，因其超強(qiáng)的風(fēng)力和降雨嚴(yán)重影響了林業(yè)的正?？沙掷m(xù)發(fā)展[1-2]，成為我國東南部沿海的主要自然災(zāi)害之一[3]。目前，國內(nèi)外很多學(xué)者研究了臺風(fēng)對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響[4-6]，但大部分集中在森林生態(tài)系統(tǒng)的植被結(jié)構(gòu)動態(tài)[7-11]、生態(tài)水文功能[12-13]、水土流失[14]和森林恢復(fù)[15]等方面的研究，對臺風(fēng)過程中林木單株生理活動研究較少。林木蒸騰是林木生理活動的重要體現(xiàn)，是林木吸水的主要動力，定量研究植物的蒸騰耗水一直是樹木生理生態(tài)學(xué)和生態(tài)水文研究的重要方向[16-17]。桉樹(EucalyptusL’Hérit.)作為我國南方的重要戰(zhàn)略樹種，其耗水研究一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，王志超等[18]對尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)樹干液流動態(tài)及其影響因子進(jìn)行了分析，張寧南[19]研究了尾葉桉(E.urophyllaS. T. Blakely)液流密度及其耗水特征，VERTESSY等[20]與WULLSCHEGER等[21]研究了王桉(E.regnansF. M. )的樹干液流動態(tài)，孫振偉等[22]對檸檬桉(CorymbiascitriodoraHook. f.)水分利用特征的季節(jié)動態(tài)進(jìn)行了研究。由于我國桉樹的種植區(qū)域多為臺風(fēng)高發(fā)地[23]，洪奕豐等[24]研究發(fā)現(xiàn)，桉樹是臺風(fēng)過程中受災(zāi)最嚴(yán)重的樹種，其平均受害級高達(dá)2.82，受害指數(shù)高達(dá)0.56，均顯著高于濕地松(PinuselliottiiEngelm.)和木麻黃(CasuarinaequisetifoliaForst.)，且重度受害占76.5%，因此，研究臺風(fēng)過程中桉樹生理活動對了解桉樹在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)機(jī)制具有重大意義。目前，國內(nèi)對臺風(fēng)天氣下的林木蒸騰研究較少，僅見對馬尾松(PinusmassonianaLamb.)[25]和木麻黃[26]的研究，而對臺風(fēng)天氣下桉樹人工林樹干液流的響應(yīng)尚未見報(bào)道。尾巨桉是桉樹屬最具有代表性的樹種之一，廣泛種植于廣東、廣西等地，因此，本研究在之前工作的基礎(chǔ)上利用熱擴(kuò)散探針法對2年生(最易受害林齡[27])尾巨桉在整個臺風(fēng)過程中的樹干液流進(jìn)行連續(xù)觀測，并同步測定各氣象因子，以期揭示尾巨桉樹干液流在臺風(fēng)天氣下的響應(yīng)，進(jìn)而為探討桉樹人工林對惡劣環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制以及為臺風(fēng)降雨是否增加桉樹可利用水分提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況及臺風(fēng)情況

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于臺風(fēng)高發(fā)地的廣東湛江，試驗(yàn)地設(shè)置在南方國家級林木種苗示范基地(21°30′N，111°38′E，)，屬海洋性季風(fēng)氣候，每年平均臺風(fēng)1～2次，風(fēng)力均在12級以上，年平均氣溫23℃，年降水量1 500 mm以上，多集中在5—9月份，年相對濕度80%以上，年蒸發(fā)量高達(dá)1 700 mm，基本無霜期。試驗(yàn)地所處地區(qū)地勢平坦，屬臺地及低丘陵緩坡地形，螺崗嶺為最高峰，海拔220.8 m，土壤為磚紅壤，pH值為5.4～5.7，肥力中等。試驗(yàn)林地喬木層主要是尾巨桉和少量臺灣相思(AcaciaconfusaMerr.)；灌木層有鵝掌柴(Scheffleraoctophylla(Lour.) Harms)、白背葉(Mallotusapelta(Lour.)Muell.-Arg.)、五色梅(LantanacamaraL.)等；草本層較為豐富。試驗(yàn)地造林樹種為尾巨桉無性系32-29，造林密度1 666株·hm-2，造林時(shí)間為2012年7月，造林面積為2 hm2，造林方式為挖穴造林；其中，2年生林分的平均胸徑為8.48 cm，平均樹高為9.78 m，平均冠幅為3.14 m×3.6 m(東西×南北)，葉面積指數(shù)平均為4.16。

1.2 臺風(fēng)情況

根據(jù)中央氣象臺的觀測結(jié)果，臺風(fēng)“海鷗”的中心于2014年9月16日9時(shí)40分前后在海南省文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力13級(40 m·s-1)，中心最低氣壓為960 hPa。2014年9月16日12時(shí)45分前后在廣東徐聞南部沿海再次登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力13級(40 m·s-1)，中心最低氣壓為960 hPa。根據(jù)南方國家級林木種苗示范基地內(nèi)桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的氣象觀測場測定數(shù)據(jù)顯示，15日夜間19：30時(shí)起風(fēng)(風(fēng)速6.22 m·s-1)后逐漸加大，到16日14：30風(fēng)速達(dá)到最大(61.95 m·s-1)，之后逐漸降低。 15—16日2 d降水量總計(jì)為71.4 mm。

2 研究方法

2.1 氣象因子測定

在尾巨桉人工林的林外空地及林下各放置1個美國CSI-Compell公司生產(chǎn)的CR3000型自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)，觀測樣地的各氣象指標(biāo)，記錄頻率為10 min 1次，最終換算出30 min中的平均值(降雨量為和)，使之與熱擴(kuò)散樹干液流測定儀同步；同時(shí),為了綜合反映大氣溫度和相對濕度的協(xié)同效應(yīng)，增加了水汽壓虧缺(VPD，KPa)指標(biāo)。水汽壓虧缺通過大氣溫度和相對濕度計(jì)算得出，計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中：RH為空氣相對濕度，%；T為空氣溫度，℃。

2.2 尾巨桉樹干液流測定

在尾巨桉人工林固定樣地內(nèi)，選擇生長狀況良好、樹干通直無擠壓、無病蟲害的標(biāo)準(zhǔn)木3株實(shí)施樹干液流連續(xù)監(jiān)測，樣木的基本情況見表1。由于樣樹胸徑較小，莖流傳感器采用2針型探針傳感器(型號SF-G，探針長度33mm，Ecomatik公司，德國)，安裝高度為1.3m。為了避免樹干不同方位產(chǎn)生的液流差異和日曬的影響，統(tǒng)一將探針安裝在樹干的北側(cè)，且用防輻射鋁箔覆蓋。數(shù)據(jù)采集器采用Campbell公司的CR3000，頻率為30min1次。液流通量密度計(jì)算公式為：

(2)

(3)

式(2)、(3)中：Js為液流密度，指單位邊材面積單位時(shí)間內(nèi)的液流量(mL·h-1·cm-2)；ΔTmax為無液流時(shí)加熱探針與參考探針的最大溫差值，ΔT為測定溫差值。

表1 樣木基本情況

3 結(jié)果分析

3.1 環(huán)境因子和樹干液流密度的變化

分析臺風(fēng)前后尾巨桉樹干液流(3株樣樹平均值)及各環(huán)境因子變化并作圖。由圖1可看出：尾巨桉樹干液流密度在臺風(fēng)登陸前及臺風(fēng)過后，均呈現(xiàn)白天高夜晚低的單峰型變化曲線，白天液流變化幅度大，夜晚較小且平穩(wěn)；臺風(fēng)前液流峰值各日差異不大，4日平均為17.4 mL·h-1·cm-2，是臺風(fēng)登陸過后4日平均值的1.24倍；臺風(fēng)前后樹干平均液流密度分別為6.15、5.38 mL·h-1·cm-2，二者差異不顯著。臺風(fēng)當(dāng)天的樹干液流密度呈不規(guī)律多峰型曲線，夜晚變化幅度較大，最高峰值出現(xiàn)在15：30，為7.76 mL·h-1·cm-2，較臺風(fēng)前下降55%，其余2個較大峰值分別出現(xiàn)在7：30和22：30，分別為4.56、3.42 mL·h-1·cm-2，臺風(fēng)當(dāng)天樹干平均液流密度為2.89 mL·h-1·cm-2，較臺風(fēng)前減少了53%，極顯著小于臺風(fēng)前和臺風(fēng)后。對臺風(fēng)前、中、后期白天和晚上的樹干液流密度分別進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明：臺風(fēng)當(dāng)天，白天的樹干平均液流密度(3.53 mL·h-1·cm-2)極顯著小于臺風(fēng)前(9.86 mL·h-1·cm-2)和臺風(fēng)后(8.01 mL·h-1·cm-2)，而晚上的樹干平均液流密度(2.17 mL·h-1·cm-2)極顯著大于臺風(fēng)前(1.26 mL·h-1·cm-2)和臺風(fēng)后(0.88 mL·h-1·cm-2)。臺風(fēng)前后白天差異不顯著，但晚上臺風(fēng)前顯著大于臺風(fēng)后。臺風(fēng)期間主要環(huán)境因子的變化情況表現(xiàn)為：臺風(fēng)當(dāng)天，降雨集中達(dá)55.4 mm，風(fēng)速最高達(dá)61.95 m·s-1，平均風(fēng)速達(dá)35.15 m·s-1，空氣相對濕度保持在81.2%以上，三者均極顯著大于臺風(fēng)前后；水汽壓虧缺最高為0.56 KPa，太陽輻射波動較小，最高峰值只有60.72 W·m-2，大氣溫度一直在23.8℃和27.7℃間波動，范圍變小，三者在臺風(fēng)當(dāng)天的平均值均極限顯著小于臺風(fēng)前后；而臺風(fēng)前后之間的氣象指標(biāo)除風(fēng)速臺風(fēng)后顯著大于臺風(fēng)前外，其他各指標(biāo)間的差異均不顯著。

圖1 臺風(fēng)過程環(huán)境因子和樹干液流變化進(jìn)程Fig.1 Environmental factors and the change of the sap flow process in the process of the typhoon

3.2 樹干液流與環(huán)境因子的相關(guān)性

對臺風(fēng)前后及臺風(fēng)過程中樹干液流及各氣象因子指標(biāo)(以30 min尺度)作Pearson相關(guān)分析，結(jié)果(表2)表明：臺風(fēng)前樹干液流密度與太陽輻射、空氣濕度、水汽壓虧缺及風(fēng)速呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.874、0.937、0.921、0.506，與空氣相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)-0.923)，與降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)-0.122)。在臺風(fēng)過程中，樹干液流密度與太陽輻射相關(guān)不顯著，與空氣溫度、水汽壓虧缺及風(fēng)速呈極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.472、0.396、0.768)，與臺風(fēng)前相比，除與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)增大52%外，與其他氣象因子的相關(guān)系數(shù)均下降較大；與空氣相對濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)-0.388)，較臺風(fēng)前下降58%；與降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)-0.312)，是臺風(fēng)前的2.6倍。臺風(fēng)過后，樹干液流密度與各氣象因子間的關(guān)系與臺風(fēng)前相同，各相關(guān)系數(shù)除降雨量外均有少許下降，但差異不大。

表2 臺風(fēng)前后與期間的尾巨桉樹干液流密度與各氣象因子的相關(guān)系數(shù)

3.3 臺風(fēng)過程對尾巨桉水分利用情況的影響

由圖2可看出：3株樣樹在臺風(fēng)當(dāng)天的液流通量均維持在較低水平。通過方差分析發(fā)現(xiàn)：臺風(fēng)當(dāng)天，3株樣樹的日通量均極顯著小于臺風(fēng)前和臺風(fēng)后(P<0.01)。臺風(fēng)前，樣樹1的液流日通量(4.03 kg·d-1)極顯著大于臺風(fēng)后(3.18 kg·d-1)，而臺風(fēng)后，樣樹2和樣樹3的液流日通量雖比臺風(fēng)前有所下降，但不顯著。

圖2 臺風(fēng)前后及期間的樹干液流日通量變化Fig. 2 The variation of daily sapflow flux before, during and after the typhoon

4 討論

對雷州半島2年生尾巨桉人工林在臺風(fēng)前后與臺風(fēng)中天氣下的樹干液流研究表明：臺風(fēng)前后尾巨桉樹干液流密度均呈晝高夜低的單峰曲線，而臺風(fēng)當(dāng)天呈不規(guī)律多峰型曲線，夜晚出現(xiàn)2個較大峰值，通過分析得出，晚上峰值出現(xiàn)的原因是多個氣象因子綜合影響的結(jié)果，其中，水汽壓虧缺、溫度和風(fēng)速在峰值時(shí)刻均出現(xiàn)較大峰值，而相對濕度恰恰相反。臺風(fēng)當(dāng)天，樹干平均液流密度極顯著小于臺風(fēng)前和臺風(fēng)后，最高峰值出現(xiàn)在下午，峰值較臺風(fēng)前下降55%，液流日通量較低，極顯著的小于臺風(fēng)登陸前后，這與鄭懷舟等[25]對臺風(fēng)天氣下馬尾松樹干液流的研究結(jié)果相似，原因是較低的太陽輻射和空氣溫度，減弱了植物的蒸騰動力，同時(shí)，較高的空氣濕度導(dǎo)致水汽壓虧缺減小。晚間的樹干平均液流密度極顯著大于臺風(fēng)前和臺風(fēng)后，原因是臺風(fēng)當(dāng)天晚上較大的風(fēng)速加速葉片周圍的空氣流動，加大了蒸騰拉力，較大的降雨量使土壤水分含量增加，促進(jìn)林分蒸騰；而白永會[26]對沙地木麻黃臺風(fēng)天氣下液流明顯提高的研究結(jié)果與本文相反，這可能是沙地土壤含水量較少，臺風(fēng)較大的降雨量增加了土壤含水量，從而較大促進(jìn)了其蒸騰作用，或與其本身生物學(xué)特性有關(guān)，具體原因還需進(jìn)一步求證。

臺風(fēng)天氣下的劇烈環(huán)境變化使桉樹樹干液流與氣象因子的關(guān)系也發(fā)生了較大改變，臺風(fēng)當(dāng)天樹干液流密度與太陽輻射不顯著相關(guān)，原因是較小的日均太陽輻射(12.9 W·m-2)產(chǎn)生的蒸騰動力對液流影響較小，而臺風(fēng)天氣下較大的風(fēng)速加速了葉片周圍水汽交換，反而成為影響液流的最關(guān)鍵因子，相關(guān)系數(shù)較臺風(fēng)前顯著增大，較大的降雨量很大程度增大了空氣濕度、降低了大氣溫度，使水汽壓虧缺顯著減小，從而較大的抑制了樹木的蒸騰，因此，樹干液流密度與降雨量的相關(guān)(負(fù)相關(guān))系數(shù)較臺風(fēng)前后顯著增大，而與其他氣象因子(大氣溫度、相對濕度和水汽壓虧缺)的相關(guān)系數(shù)均顯著下降。

對臺風(fēng)前和臺風(fēng)后的樹干液流密度對比發(fā)現(xiàn)：日平均液流密度、白天平均液流密度，臺風(fēng)前后均差異不顯著，而晚上的平均液流密度臺風(fēng)前顯著大于臺風(fēng)后。臺風(fēng)前樹干液流密度峰值是臺風(fēng)后的1.24倍。3株樣樹的液流日通量在臺風(fēng)后均有所下降，其中，樣樹1臺風(fēng)后液流日通量極顯著的小于臺風(fēng)前，而樣樹2和3在臺風(fēng)前后液流日通量差異不顯著，造成這種結(jié)果的原因推測可能是臺風(fēng)對枝葉的機(jī)械損傷造成的。臺風(fēng)對林木的損害，如枝葉脫落、樹干折斷甚至連根拔起[28-29]，這些機(jī)械損傷嚴(yán)重影響林木蒸騰。另外，土壤含水量增加在一定程度上又促進(jìn)林木蒸騰[30]，因此，推測臺風(fēng)前后的蒸騰差異是否明顯，由包括林木機(jī)械損傷程度在內(nèi)的多個因素決定的，還需進(jìn)一步的研究求證。

5 小結(jié)

對臺風(fēng)天氣下的尾巨桉樹干液流的研究表明，臺風(fēng)天氣下的液流特征較臺風(fēng)前后均有較大差異，臺風(fēng)當(dāng)天樹干液流密度呈不規(guī)律多峰型曲線，而臺風(fēng)前后均是晝高夜低的單峰曲線，且臺風(fēng)當(dāng)天的日均液流密度、液流峰值、白天的平均液流密度和日通量均極顯著小于臺風(fēng)前和臺風(fēng)后，而夜間的液流密度顯著大于臺風(fēng)前和臺風(fēng)后；臺風(fēng)前的日均液流密度與臺風(fēng)后差異不顯著，夜間液流密度臺風(fēng)前顯著大于臺風(fēng)后；臺風(fēng)過程中，風(fēng)速成為影響液流的關(guān)鍵因子，與太陽輻射相關(guān)不顯著，其他影響因子與臺風(fēng)前后相同，但相關(guān)系數(shù)除風(fēng)速和降雨量外均顯著下降。

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(責(zé)任編輯：徐玉秀)

Responses of Sap Flow ofEucalyptusurophylla×E.grandisto Typhoon Weather in Leizhou Peninsula

WANGZhi-chao,XUYu-xing,ZHUWan-kuan,DUA-peng

(China Eucalypt Research Centre, Guangdong Zhanjiang Eucalyptus plantation Ecosystem Research Station, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

[Objective]To examine the affect of typhoon to water consumption of eucalyptus plantation, [Methods] The sap flow ofEucalyptusurophylla×E.grandisplantation was continuously measured using thermal diffusion stem flow meter (Germany, SF-G) during the typhoon process, and to analyze the responses of sap flow ofE.urophylla×E.grandisto the typhoon weather conditions. The stand meteorological conditions were determined synchronously to enable the correlations between sap flow and meteorological factors to be examined during the typhoon weather process. [Result] The results showed that diurnal variations of sap flow displayed irregular multi-peak curves during the typhoon process, which was different from the typical single-peaked curves before and after the typhoon. The average daily flow density (2.89 mL·h-1·cm-2) was 53% less than that before the typhoon landing. The sap flow during typhoon night changed a lot, and the maximum peak (7.76 mL·h-1·cm-2) appeared in the afternoon which was 55% less than that before the typhoon landing. The flux in the day time during the typhoon process was significantly less than that before and after the typhoon (P<0.01). The flow peak before typhoon landing (17.4 mL·h-1·cm-2) and the average flow density (6.15 mL·h-1·cm-2) were respectively 1.24 times and 1.14 times after the typhoon, and the flux in day time after the typhoon was lower than that before the typhoon. The main meteorological factors during the typhoon weather process were wind speed, air temperature, air humidity, vapor pressure deficit and rainfall, and the correlation coefficient of the wind speed increased by 52% compared to that before the typhoon. The correlation coefficient of rainfall was 2.6 times in front of the typhoon, and the other factors decreased about 50% than that before the typhoon. The main meteorological factors changed little before and after the typhoon process. [Conclusion] The average daily flow density, average flow density in the day time and daily flux during typhoon process were significantly less than that before and after the typhoon landing. But the fluid flow at night was significantly greater than that before and after the typhoon process. There was no obvious difference about the average daily flow density before and after the typhoon landing. But the fluid flow at night before the typhoon landing was significantly greater than that after the typhoon landing. The typhoon speed became the key factor of fluid flow through, and no significant correlation with solar radiation during the typhoon was found. Other factors kept unchanged before and after the typhoon, but the correlation coefficient in addition to the wind speed and rainfall were down significantly.

Eucalyptusurophylla×E.grandis; typhoon; stem sap flow; thermal dissipation probe (TDP)

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.04.021

2017-01-09

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(31300383)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CAFYBB2014QB024)；廣東湛江桉樹林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站運(yùn)行補(bǔ)助(2017-LYPT-DW-137)

王志超，碩士，助理研究員，從事生態(tài)水文研究.E-mail:wzc2254@163.com

* 通訊作者：杜阿朋，博士，副研究員，從事森林生態(tài)學(xué)研究.E-mail:dapzj@163.com

S792.39

A

1001-1498(2017)04-0679-06