王玲,姚亞楠,奚秀梅,蘇建安,任遠景
(石河子大學師范學院地理系,石河子 832003)
基于遙感的石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水量的研究
王玲,姚亞楠,奚秀梅,蘇建安,任遠景
(石河子大學師范學院地理系,石河子 832003)
植被生態(tài)需水研究已成為水資源優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境建設中的熱點問題。選取石河子墾區(qū)為研究區(qū)域,以2008年中巴衛(wèi)星影像和2003年的土地利用現(xiàn)狀圖為基礎,運用遙感圖像處理技術對研究區(qū)域植被進行了分類,計算了各類植被面積的轉(zhuǎn)移矩陣,分析了各類植被面積的變化,并結合確定的石河子墾區(qū)不同植被生態(tài)需水定額量,通過面積定額法計算了石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水量,分析了石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水量的數(shù)量變化和空間變化。結果表明:研究區(qū)內(nèi)耕地的需水量最大,草地的其次,林地的最小;植被生態(tài)需水量主要集中在綠洲的中部,邊緣部分比較少。這表明石河子墾區(qū)人工植被的生態(tài)需水量最大,因此,適當退耕還林、退耕還木,采用節(jié)水灌溉方式對減緩石河子墾區(qū)水資源的供需矛盾具有重要意義。
生態(tài)需水量;植被指數(shù);植被類型;面積定額法
水是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)構成、發(fā)展和穩(wěn)定的基礎,是中國西部生態(tài)脆弱區(qū)最關鍵的生態(tài)因子,決定著中國西部干旱區(qū)綠洲化過程與荒漠化過程這兩類極具對立與沖突性的生態(tài)環(huán)境演化過程[1]。植被是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復的關鍵所在,而其正常的生長必然消耗一定的水量。因此,近年來植被的生態(tài)需水問題已成為植被生態(tài)恢復和重建研究領域的熱點問題[2-3]。關于植被生態(tài)需水,從現(xiàn)有的文獻資料看還沒有一個明確統(tǒng)一的定義,許多專家學者從不同的方向和層面提出的概念及其內(nèi)涵也有所不同,這些研究成果促進了植被生態(tài)需水理論的發(fā)展[4]。本文認為干旱區(qū)的植被生態(tài)需水主要是指維持天然綠洲和人工綠洲防護體系穩(wěn)定生長的耗水量[5]。
生態(tài)需水最早源于美國20世紀40年代為了維持河道內(nèi)魚類生存而開展的河道基流研究,之后發(fā)展到河岸帶生態(tài)需水研究,直到現(xiàn)在開展的流域尺度、區(qū)域尺度上生態(tài)需水研究[6-7],具有較成熟的理論和計算方法。關于陸地植被生態(tài)需水的研究則側(cè)重于大氣土壤植被之間的生態(tài)水文過程的研究。20世紀20年代開始了對農(nóng)作物需水的研究,并以此為基礎建立了不同條件下農(nóng)作物、森林和草地生態(tài)需水的計算和預報模型[2]。國內(nèi)生態(tài)需水的研究始于20世紀90年代對西北地區(qū)水資源綜合開發(fā)和利用[8],主要研究生態(tài)比較脆弱的干旱、半干旱地區(qū)的河道外植被生態(tài)需水[9]。很多學者圍繞生態(tài)需水量的概念和估算開展了大量研究工作,得出了不同流域(如干旱內(nèi)陸河流域,黃河流域等)的植被生態(tài)需水量計算結果,以新疆為背景對干旱區(qū)生態(tài)用水的概念和分類進行詳盡的闡述,探討了生態(tài)環(huán)境用水的必要性(如瑪納斯河流域生態(tài)與環(huán)境需水研究)[10-11]。
研究植被生態(tài)需水的理論主要有[3]:生態(tài)適應性理論、系統(tǒng)閾值理論、水文循環(huán)水量平衡理論、農(nóng)業(yè)氣象理論。這些理論已在植被生態(tài)需水的研究中得到應用。在生態(tài)需水計算方法研究方面,我國干旱區(qū)植被生態(tài)需水常采用的研究方法有直接計算法(面積定額法)[12]、間接計算法(潛水蒸發(fā)法)[13]、水量平衡法[14-16]和基于遙感與地理信息系統(tǒng)的研究方法[17]。這些方法各有有缺點,直接計算法適用于基礎工作較好的地區(qū)與植被類型,間接計算法僅適用于降水量稀少、植被生長完全依賴地下水維持的干旱區(qū)域,水量平衡法比較適合中小閉合流域生態(tài)環(huán)境需水的計算,Whipple建議用計算機技術進行基礎分析和系統(tǒng)模擬。隨著計算機技術的發(fā)展,基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術對區(qū)域生態(tài)需水進行計算及分析正在研究之中[17]。
石河子墾區(qū)地隸屬于瑪納斯河流域,是新疆最為典型的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)。20世紀50年代以來,由于流域上、中游對水資源的過度開采,使進入下游的水量顯著減少,尾閭湖泊逐漸消失、地下水位下降、植被退化、天然綠洲萎縮、土地荒漠化發(fā)展迅速,以土地荒漠化、植被退化為代表的生態(tài)環(huán)境惡化已嚴重制約流域經(jīng)濟與社會的可持續(xù)發(fā)展[18]。石河子墾區(qū)是瑪納斯河流域水資源的主要使用者,在入境水量有限的情況下,如何合理分配農(nóng)業(yè)灌溉用水與生態(tài)用水是維護與恢復該墾區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的關鍵。本文以石河子墾區(qū)為例,進行植被生態(tài)需水的估算。一方面為瑪納斯河流域水資源的綜合開發(fā)和管理提供理論依據(jù);另一方面為生態(tài)需水理論的完善提供一些探索。
研究區(qū)為石河子墾區(qū),地處天山北麓的中段,古爾班通古特大沙漠南緣,即東經(jīng)84°58′~86°24′,北緯 43°26′~45°20′。研究區(qū)面積 7529 km2,平均海拔高度450.8 m,地勢比較平坦,地形自東南向西北傾斜,由南向北依次為天山山區(qū)、山前丘陵區(qū)、山前傾斜平原、洪水沖積平原、風成沙漠區(qū);土壤多系灰漠土、潮土、草甸土,土質(zhì)多系礫質(zhì)土、沙質(zhì)土、粘質(zhì)土等;屬于典型的大陸性干旱氣候,年平均氣溫6~6.6 ℃,無霜期160~170 d,年降水量110~200 mm,日照2798~2839 h,年蒸發(fā)量1000~1500 mm;水資源較為豐富,年徑流量14.48億 m3,其中地表水資源10.45億 m3,地下水資源4.03億 m3[19]。境內(nèi)有瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝,巴音溝共5條河流,各河流均發(fā)源于天山山脈北坡中段的伊連哈比尕山脈,由南向北流至準噶爾盆地。
石河子墾區(qū)是典型的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),宜農(nóng)宜林宜草宜牧。經(jīng)過近50年的發(fā)展,現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)已初具規(guī)模,形成了規(guī)模化經(jīng)營和機械化水平較高的大農(nóng)業(yè)優(yōu)勢。目前,從石河子的農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及資源現(xiàn)狀來看,農(nóng)業(yè)灌溉需要大量的淡水資源,工業(yè)、生活及城市綠化同樣需要使用水資源,工業(yè)中優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)也圍繞著節(jié)水與灌溉等。目前,水資源的情況是制約石河子墾區(qū)人口數(shù)量,經(jīng)濟發(fā)展,資源開發(fā)和環(huán)境保護的重要因素。
1)以2008年6月3日中巴衛(wèi)星的石河子墾區(qū)影像為主要數(shù)據(jù),該影像來源于石河子大學師范學院地理系數(shù)據(jù)中心,分辨率為19.5 m×19.5 m。利用 ENVI軟件對遙感影像進行處理、拼接、分類,提取面積數(shù)據(jù)。
2)采用石河子墾區(qū)2003年的土地利用類型圖進行輔助分析。
3)收集石河子墾區(qū)2008年水資源總量、石河子墾區(qū)2008年用水量等數(shù)據(jù)用來分析石河子墾區(qū)水資源的供需平衡。
本文采用面積定額法計算石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水量。在使用面積定額法計算植被生態(tài)需水量的過程中,先對影像的面積數(shù)據(jù)進行預處理,然后在ENVI中利用決策樹方法對遙感影像進行分類,將植被分為不同的類型和不同的覆蓋度,再利用遙感影像的柵格屬性計算不同植被類型、不同覆蓋度的面積的方法最終獲取面積數(shù)據(jù)。采用前人實際測定的不同植被類型潛水蒸發(fā)量以及灌溉用水定額確定不同植被類型不同覆蓋度的生態(tài)需水定額。
1.3.1 植被生態(tài)需水量的計算方法
本文對石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水量的計算采用面積定額法。面積定額法是以某一地區(qū)某一類型植被的面積乘以其生態(tài)需水定額計算,得到該類型植被的生態(tài)需水量,各種類型植被的生態(tài)需水量總和即為所求的該地區(qū)植被生態(tài)需水總量。該法適用于基礎工作較好的地區(qū)與植被類型,如防風固沙林、人工綠洲以及農(nóng)田系統(tǒng)等人工植被的生態(tài)需水量的計算。由于石河子墾區(qū)具有較好的基礎工作與植被類型,如農(nóng)田系統(tǒng)、人工綠洲等,因此可以用面積定額法計算石河子墾區(qū)的植被生態(tài)需水量。具體計算公式如下:
式(1)中:W為生態(tài)需水總量(m3),Wi為植被類型i的生態(tài)需水總量(m3),Ai為植被類型i的面積(m2),ri為植被類型i的生態(tài)需水定額即潛水蒸發(fā)定額(m3/m2)。
使用面積定額法計算石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水量的關鍵問題是要確定墾區(qū)內(nèi)不同類型植被的需水定額與面積,即需要對墾區(qū)內(nèi)的植被進行分類,然后采取合適的方法得出不同植被類型對應的需水定額與面積。
1.3.2 植被類型的分類方法
1.3.2.1 遙感影像預處理
若要對石河子墾區(qū)的植被進行分類,首先需要得到石河子墾區(qū)遙感影像圖。具體是先將覆蓋石河子墾區(qū)的三幅遙感影像拼接,然后結合覆蓋石河子墾區(qū)的柵格圖像(.tif,是遙感影像)與石河子邊界矢量圖(.shp),將石河子墾區(qū)的遙感影像在ArcGIS中用掩膜剪裁的方法剪裁獲得所需要的區(qū)域范圍,即石河子墾區(qū)的遙感影像(圖1)。
圖1 石河子墾區(qū)遙感影像圖Fig.1 Remote image of Shihezi reclamation area
1.3.2.2 植被分類方法
石河子墾區(qū)不同植被類型的面積需要先確定不同植被的類型。因此,本文參照土地利用類型圖及其他輔助資料,采用人機交互式判讀方式對處理后的影像進行非監(jiān)督分類,制作形成植被類型分布圖,將石河子墾區(qū)的植被類型分為林地(分為高、中、低覆蓋度的林地)、草地(分為高、中、低覆蓋度的草地)和耕地三大類,并且通過分類結果計算不同植被類型的面積。
石河子墾區(qū)的遙感影像的成像原理是利用不同類型的地物能夠輻射不同波長的電磁波的原理拍攝得到,根據(jù)地物光譜反射率的差異作比值運算可以突出遙感影像中植被的特征,提取植被類別或估算綠色生物量。
遙感影像中不同植被類型不同覆蓋度的屬性信息可以通過植被指數(shù)提取。植被指數(shù)(VI)有多種類型,本文采用的是歸一化植被指數(shù)(NDVI)。NDVI是利用近紅外波段與紅波段做比值運算,具體計算如下:
式(2)中:NDVI指歸一化植被指數(shù),rnir指近紅外波段的反射值,rred指紅外波段的反射值。
本文利用 ENVI軟件直接計算NDVI,將地物類型分為植被與非植被類型,不同植被類型具有不同的NDVI數(shù)值的范圍,以此將NDVI范圍作為分類依據(jù),而后利用決策樹的分類方法將植被分為不同的類型。
1.3.3 植被面積計算方法
分類后的遙感影像就是不同植被類型不同覆蓋度的柵格圖像,因為遙感影像有其固定的分辨率和坐標系統(tǒng),根據(jù)遙感影像的分辨率和像元數(shù)量,即可求出遙感影像的面積。分類后通過每種植被類型的像元信息和遙感影像分辨率即可算出每種植被類型不同覆蓋度的面積,不同植被類型面積的計算公式如下:
式(3)、(4)中:Ai指不同植被類型的面積,N指植被類型代表的像元總數(shù),X%指不同植被類型占總像元的百分比。19.5×19.5指單個像元的面積。單位為m2,Ni指不同植被類型的像元個數(shù)。
1.3.4 植被生態(tài)需水定額的確定
由于影響植被需水的因子非常多,各種自然條件下植被的需水定額很難測定。因此,本文主要采用前人實際測定的不同植物類型潛水蒸發(fā)量以及灌溉用水定額量確定不同植物類型的生態(tài)需水定額。參考文獻[20]的方法,確定不同植被類型的生態(tài)需水潛水蒸發(fā)定額與灌溉用水量定額見表1。
表1 不同植被類型不同覆蓋度的潛水蒸發(fā)定額 mmTab.1 Phreatic evaporation quota of different vegetation type and vegetation coverage
對遙感影像進行預處理后,經(jīng)處理得到石河子墾區(qū)遙感影像圖,利用 ENVI軟件計算石河子墾區(qū)遙感影像圖的NDVI數(shù)值,將石河子墾區(qū)的影像圖分為植被和非植被類,通過 EDVI值找到不同類型不同植被覆蓋度的歸一化植被指數(shù)范圍。以不同植被的歸一化植被指數(shù)范圍為依據(jù),利用決策樹的方法將石河子墾區(qū)遙感影像圖分類為草地(分為高、中、低覆蓋度)、耕地、林地(分為高、中、低覆蓋度),分類后結果圖見圖2。
從圖2可以看出:石河子墾區(qū)植被分布在空間上有一定的規(guī)律,耕地形狀規(guī)則,中蓋度草地與耕地交錯存在,在分類圖中分布在耕地周圍,處于綠洲的中心地帶。低蓋度的草地分布在人工綠洲的邊緣地帶,與處于北部與東南部的林地環(huán)繞在綠洲的外緣。高蓋度的草地分布面積相對較少,分布也比較分散,呈斑塊狀散布在綠洲中。
圖2 石河子墾區(qū)植被分類圖Fig.2 Vegetation classification of Shihezi reclamation area
根據(jù)分類圖的像元數(shù)量或像元所占的比例,利用植被面積計算的方法可以求出不同植被類型的面積。不同植被類型的像元數(shù)量與面積的計算結果見下表2。表2中包含了遙感影像分類圖中的信息,像元數(shù)量是直接由 ENVI軟件通過屬性查詢而得,面積數(shù)據(jù)是植被面積的計算公式計算不同類型的植被的面積而得。其中,耕地像元數(shù)最多,為3303476,面積最大為1256146749 m2,草地次之,像元數(shù)8697249,面積為3307128932 m2,林地最小,像元數(shù)為772101,面積為335016229 m2。
表2 不同植被類型像元數(shù)量和面積Tab.2 Pixel number and area of different vegetation type
2.3.1 石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水量的計算
結合通過ENVI計算的不同植被類型不同覆蓋度的面積數(shù)據(jù)和植被生態(tài)需水定額量,采用面積定額法計算石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水量,結果見表3。
表3顯示:不同植被類型的面積和生態(tài)需水總量,不同覆蓋度的植被的面積和生態(tài)需水量,石河子墾區(qū)植被的需水總量。石河子墾區(qū)草地生態(tài)需水量為492939080 m3,耕地生態(tài)需水量為1023131527.1 m3,林地生態(tài)需水量為59506500.166 m3,石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水總量為1563668116.266 m3。
表3 石河子墾區(qū)生態(tài)需水量計算結果Tab.3 Ecological Water Requirement result of Shihezi reclamation area
2.3.2 石河子墾區(qū)不同植被生態(tài)需水的分析
將石河子墾區(qū)不同植被類型生態(tài)需水量總量(表3)進行對比可知:耕地>草地>林地。在不區(qū)分覆蓋度的情況下,按單位面積生態(tài)需水量計算,草地生態(tài)需水量為0.149 m3/m2,耕地的生態(tài)需水量為0.814 m3/m2,林地的生態(tài)需水量為0.246m3/m2。對比結果可知:耕地>林地>草地。這表明:不同植被的生態(tài)需水量,耕地無論從總量上還是單位面積的生態(tài)需水量都是最大的。
2.3.3 石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水的空間分析
結合植被生態(tài)需水量計算結果與分類后不同植被的空間分布規(guī)律,石河子墾區(qū)植被的生態(tài)需水量在空間上符合植被的空間分布規(guī)律,石河子墾區(qū)綠洲的中部分布為生態(tài)需水量較高的耕地和中蓋度植被,其需水總量為1192282809.1 m3,約占墾區(qū)總需水量的76%,位于墾區(qū)邊緣的林地及低蓋度草地需水量為116154335.166 m3,約占墾區(qū)需水量的7%,散布在墾區(qū)中的高蓋度草地需水量267139751 m3,約占總需水量的17%。綠洲植被的需水量主要集中在綠洲的中部,邊緣部分比較少。
石河子墾區(qū)位于西北干旱區(qū),由于蒸發(fā)量大降雨稀少,水資源的總量為地表水與地下水的總和,為14.48億 m3。2008年該區(qū)全年總用水量為16.35億 m3,其中農(nóng)業(yè)灌溉用水15.71億 m3,工業(yè)、生活及城市用水0.64億 m3。
將石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水總量的計算結果與石河子水資源的現(xiàn)狀結合起來分析,石河子墾區(qū)植被的生態(tài)需水量在石河子的水資源利用方面占了較大的部分。根據(jù)遙感影像圖分析計算得出的植被生態(tài)需水總量為15.64億 m3,結合2008年石河子總用水量,水資源的利用雖然除了植被維系其一定環(huán)境功能狀況客觀需求外,還有工業(yè)、生活等的水資源的利用,但是總的來說是植被的需水量最大。由此可知,在水資源受到限制的時候,植被生態(tài)系統(tǒng)必然首先受到影響;石河子墾區(qū)水資源的需求量大于供給量,水資源的供求未處于平衡狀態(tài)。產(chǎn)生該供需不平衡的主要原因是:一是由于該地區(qū)水資源本身由于位于干旱區(qū)的原因總量本就不充足,二是因為水資源的利用配置不合理。
從植被生態(tài)需水的角度來看,是由于人工植被即耕地的需水量較大,導致該原因的因素除了維持耕地上植被現(xiàn)狀的單位面積生態(tài)需水量本就大外,另一個主要原因是因為耕地本身所占有的植被面積也比較大,在三種植被類型中面積最大。
由于耕地的占地面積與需水量在墾區(qū)內(nèi)都是最大的,因此,解決石河子墾區(qū)水資源的供需不平衡問題的方法主要有以下三種:
1)從生態(tài)系統(tǒng)的角度可通過退耕還林、退耕還牧等方法。因為該方法一方面可以降低耕地的生態(tài)需水總量,另一方面林地與草地的單位面積的植被生態(tài)需水量都較耕地的少,因此可以降低墾區(qū)植被的總的需水量,從而從需求角度減緩石河子墾區(qū)的水資源總量供需不平衡的狀態(tài)。
2)改進耕地的用水方式。采用節(jié)水灌溉,如噴灌、滴灌等,減少漫灌來減少單位面積耕地的生態(tài)需水量,進而減少耕地的生態(tài)需水總量。
3)節(jié)約生活用水,減少工業(yè)用水等方式也可以減少水資源的總的利用,減緩水資源使用的供需不平衡的現(xiàn)狀。
通過上述植被生態(tài)需水量的計算與分析可以得出以下結論:
1)石河子墾區(qū)的植被生態(tài)需水總量為1563668116.266 m3,其中草地的生態(tài)需水量為492939080 m3,耕地的生態(tài)需水量為1023131527.1 m3,林地的生態(tài)需水量為59506500.166 m3。耕地需水總量最大,林地的最小。
2)目前石河子墾區(qū)水資源的現(xiàn)狀為供需不平衡。石河子墾區(qū)植被生態(tài)需水短缺。
3)利用遙感技術研究植被生態(tài)需水量具有一定的優(yōu)勢。通過遙感技術增加了面積定額法獲取計算生態(tài)需水量數(shù)據(jù)的途徑和方法。有利于提高計算結果的現(xiàn)實意義,而且由于其時效性的特點使得利用遙感技術能夠及時的估算出某一區(qū)域的植被生態(tài)需水量。
石河子墾區(qū)生態(tài)需水量的研究,結果證明了石河子墾區(qū)當前水資源的利用現(xiàn)狀,對未來石河子地區(qū)的發(fā)展有制約性。本文從以下兩方面討論本研究的意義。
1)從技術手段上來看,遙感探測能在較短的時間內(nèi),從空中乃至宇宙空間對大范圍地區(qū)進行對地觀測,并從中獲取有價值的遙感數(shù)據(jù),有其它技術手段與之無法比擬的特點。但是利用遙感影像更新、更快的特點提取數(shù)據(jù)計算植被在不同生長階段的生態(tài)需水量,更加精細的根據(jù)植被的不同生長階段的生態(tài)需水量對研究區(qū)域的水資源利用進行合理有效的調(diào)整還有待進一步研究。
2)水資源與環(huán)境是相互依存的,缺水會導致環(huán)境惡化,環(huán)境惡化又會引發(fā)資源利用與經(jīng)濟發(fā)展的問題。地處干旱區(qū)的石河子墾區(qū)生態(tài)平衡與發(fā)展的主要制約因素是水,因而石河子墾區(qū)的可持續(xù)發(fā)展與水資源的合理利用密不可分。水資源的利用在一定程度上影響石河子墾區(qū)生態(tài)平衡與經(jīng)濟發(fā)展的方向,由于植被在生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用,應該將植被與其他生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水量結合起來,找到一條既能維持個生態(tài)系統(tǒng)安全與穩(wěn)定,又能實現(xiàn)該區(qū)域資源、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的有效途徑,從而使該區(qū)域經(jīng)濟穩(wěn)步快速的發(fā)展。
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The Ecological Water Requirement of Vegetation in Shihezi Based on Remote Sensing
WANG Ling,YAO Ya’nan,XI Xiumei,SU Jian’an,REN Yuanjing
(Department of Geography,Teachers College,Shihezi University,Shihezi 832003,China)
The vegetation ecological water demand has become one of hot issues in optimal allocation of water resources and ecological environment construction.Shihezi reclamation area has been selected as the study area in this paper.Based on the CBERS Satellite Datum in 2008 and the land-use map in 2003,the vegetation types were classified by using remote sensing image processing technique.The area change of every type was analyzed by using transfer matrix.Then the amount of vegetation ecological water demand can be gotten by quota.Through analysis of the spatial changes of vegetation ecological water demand,the result shows that the water requirement in cultivated land is the biggest,that in grassland takes the second place,and that in forest is the least.Moreover,the nearer to the core of oasis,the more the vegetation ecological water demand.This indicates that the water demand in cultivated land occupies the largest part.So conversion of cropland to forest,replacing cropland with pasture and using water saving irrigation are very important to alleviating the supply and demand contradiction of water in Shihezi reclamation area.
ecological water requirement;vegetation index;vegetation type;quota of area
Q948.1
A
1007-7383(2011)02-0218-06
2010-11-08
國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目(101075901)
王玲(1974-),女,副教授,從事3S技術在資源環(huán)境領域的應用研究;e-mail:wling@shzu.edu.cn。