郭洲華,王 翠,顏 利,王金坑 (國家海洋局第三海洋研究所,福建 廈門 361005)

九龍江河口區(qū)主要污染物時(shí)空變化特征

郭洲華,王 翠,顏 利,王金坑*(國家海洋局第三海洋研究所,福建 廈門 361005)

根據(jù)九龍江河口區(qū)近30年的歷史監(jiān)測資料和2010年2個(gè)航次的現(xiàn)場調(diào)查資料,分析了該海域表層海水中無機(jī)氮(DIN)、活性磷酸鹽(DIP)、化學(xué)耗氧量(COD)和石油類濃度的年際變化特征和平面分布變化特征,并應(yīng)用富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(EI)對海水水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)與分析.結(jié)果表明,近30年,DIN、DIP年均濃度持續(xù)上升,COD年均濃度呈“W”狀小幅波動(dòng)趨勢,石油類年均濃度先緩慢增加再降低;DIN濃度平面分布呈由西至東遞減的特征,不同年份的DIP濃度平面分布有所差別,而COD和石油類濃度平面分布呈由灣內(nèi)、西海域向?yàn)惩膺f減的趨勢;海水 EI呈不斷加速升高的趨勢,海水水質(zhì)富營養(yǎng)化程度急劇惡化;受九龍江徑流影響,高富營養(yǎng)化海域主要分布在九龍江北、中、南港和南溪入?？诟浇?所得的主要污染物濃度年際變化特征和平面分布變化特征等將為實(shí)施入海污染物總量控制奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

主要污染物；年均濃度；時(shí)空變化；富營養(yǎng)化；九龍江河口區(qū)

福建第二大河流九龍江位于閩西南地區(qū),流經(jīng)龍巖、漳州,注入廈門灣;河口區(qū)海端以北為亞鈴狀、半封閉的廈門西海域,如圖1.近年來,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,流域與海岸帶高強(qiáng)度的人類活動(dòng)使得九龍江上游工業(yè)點(diǎn)源與農(nóng)業(yè)面源污染問題日益突出[1-2],河口區(qū)生態(tài)環(huán)境受到不斷干擾和破壞[3],導(dǎo)致海水自凈能力減弱、污染負(fù)荷增大[4-5]、海洋生態(tài)災(zāi)害頻發(fā)[6-7],亟需開展入海污染物總量控制.而認(rèn)識(shí)海域主要污染物濃度的年際變化特征和平面分布變化特征是實(shí)施入海污染物總量控制的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).早在20世紀(jì)50年代,陳再生等[8]首次完成了九龍江口化學(xué)要素調(diào)查,隨后陸續(xù)開展了一系列海洋環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測[9-11].林輝等[12]與陳寶紅等[13]均討論了近幾年廈門海域氮、磷等要素的年際變化;張?jiān)獦?biāo)等[14]則研究了廈門西海域近 20年的營養(yǎng)鹽含量年際變化.但眾多研究常局限于分析廈門海域水質(zhì)的短期年際變化,對整個(gè)九龍江河口區(qū)污染物含量,尤其是其平面分布特征長期變化趨勢的系統(tǒng)研究則尚未見報(bào)道.

本文在搜集九龍江河口區(qū)歷史監(jiān)測資料和進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分析了海水中主要污染物濃度、海水水質(zhì)富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)近30年的年際變化特征和平面分布變化特征,為實(shí)施入海污染物總量控制奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

1 資料與方法

1.1 資料搜集

年際變化資料以國家海洋局第三海洋研究所在九龍江河口區(qū)的監(jiān)測資料為主,輔以歷史文獻(xiàn)數(shù)據(jù),主要包括福建省海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查[15]、廈門市海島資源綜合調(diào)查[16]、廈門海岸帶綜合管理[17]、中國海灣志[18]、福建省海洋研究所[19]、蔡清海[20]、莊萬金等[21]、商少凌等[22]、暨衛(wèi)東等[23]、周玉琴[24]、張曉萍等[25]、高山等[5]、林輝等[12,26]等.平面分布數(shù)據(jù)來源于廈門港灣海洋環(huán)境綜合調(diào)查[9]、廈門海域環(huán)境污染狀況調(diào)查[10]、廈門海域環(huán)境規(guī)劃研究[11]、廈門嵩嶼火電廠海洋環(huán)境調(diào)查[27-28]、廈門灣港口總體布局規(guī)劃戰(zhàn)略環(huán)境影響報(bào)告書[29].

1.2 現(xiàn)場調(diào)查

本項(xiàng)目于2010年8、10月進(jìn)行了海上現(xiàn)場調(diào)查,站位布設(shè)如圖1所示.調(diào)查項(xiàng)目包括化學(xué)耗氧量(COD)、無機(jī)氮(DIN)、活性磷酸鹽(DIP)、石油類等17項(xiàng).現(xiàn)場采樣、監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室分析均依據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB12763-2007)[30]、《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378-2007)[31]的相關(guān)方法進(jìn)行.

2 結(jié)果與討論

2.1 DIN與DIP

2.1.1 DIN與DIP濃度年際變化特征 九龍江河口區(qū)海水中DIN年均濃度變化如圖2所示.20世紀(jì)80年代至今,DIN年均濃度總體呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢.具體而言,20世紀(jì)80年代,DIN年均濃度在《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB3097-1997)[32]第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上限0.20mg/L上下小幅變動(dòng).20世紀(jì)90年代中前期, DIN年均濃度緩慢上升,最高值為 0.40mg/L,均為第三類海水水質(zhì).20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初,DIN年均濃度總體上較之前增加,最高達(dá) 0.59mg/L,已達(dá)到或超過第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).2005年至今, DIN年均濃度明顯上升,2010年達(dá)到最高,為 1.03mg/L,大幅超過第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).陳寶紅等[13]也指出2003～2008年九龍江河口區(qū)海水中的無機(jī)氮年均含量均呈上升趨勢;與20世紀(jì)90年代相比,近幾年的無機(jī)氮年均含量增加了1.4～2.5倍.

圖1 研究區(qū)域與采樣站位Fig.1 Sampling stations in the surveyed areas

圖2 1980～2010年九龍江河口區(qū)DIN濃度年際變化Fig.2 Annual variations of DIN from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

九龍江河口區(qū)海水中 DIP年均濃度變化如圖3.20世紀(jì)80年代至今,DIP年均濃度基本呈不斷上升的趨勢.具體而言,20世紀(jì) 80年代中前期,DIP年均濃度最高為 0.015mg/L,滿足第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).20世紀(jì)80年代末至 90年代末, DIP年均濃度呈先小幅上升、再緩慢下降趨勢,最高為 0.025mg/L,屬第二類海水水質(zhì).21世紀(jì)初,DIP年均濃度明顯升高[14],2006年達(dá)到最高,為0.041mg/L,屬第四類海水水質(zhì);近幾年DIP年均濃度有所回落,但仍為第二、四類海水水質(zhì),此趨勢與陳寶紅等[13]的調(diào)查結(jié)果一致.

2.1.2 DIN與DIP濃度平面分布變化特征 九龍江河口區(qū)表層海水中DIN濃度的平面分布如圖4所示,其平面分布基本呈自河端向海端遞減的特征,可見其主要受河口沖淡水所控制,九龍江徑流輸入是河口區(qū)DIN的最主要來源[13];高值區(qū)主要分布在九龍江北溪、西溪和南溪入海口以及筼筜湖鄰近海域.20世紀(jì)80年代初期,表層海水中DIN濃度相對較低,受南溪徑流以及南岸漫流式泄水的影響[18],其平面分布呈現(xiàn)出由灣內(nèi)到灣外、南岸到北岸遞減的趨勢.20世紀(jì)90年代初期表層海水中DIN分布特征與80年代初期相似,大致呈現(xiàn)出由西南向東北減的趨勢,但其濃度卻大幅增高,大部分海域DIN濃度超過第三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);此特征與文獻(xiàn)報(bào)道一致[16,18].21世紀(jì)初,由于廈門島沿岸的生活污水和九龍江兩岸工業(yè)區(qū)的工業(yè)污水排放量急劇增加[17],導(dǎo)致表層海水中DIN濃度繼續(xù)大幅增高,平面分布呈現(xiàn)出由河口灣內(nèi)和西海域向?yàn)惩膺f減的趨勢,高值區(qū)主要出現(xiàn)于九龍江北港鄰近海域,DIN濃度超過1.00mg/L.2010年DIN濃度平面分布特征與2001年類似,但水質(zhì)持續(xù)惡化,北港附近海域DIN濃度高達(dá)2.50mg/L.

圖3 1980～2010年九龍江河口區(qū)DIP濃度年際變化Fig.3 Annual variations of DIP from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

圖4 1981、1992、2001及2010年10月九龍江河口區(qū)表層海水DIN濃度平面分布Fig.4 Spatial distribution of DIN in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October 1981, 1992, 2001 and 2010

九龍江河口區(qū)表層海水中DIP濃度的平面分布如圖5所示,其平面分布特征與DIN有所差異,九龍江徑流對其分布的直接影響并不十分突出.20世紀(jì)80年代初期,DIP濃度平面分布呈南岸高于北岸、自灣內(nèi)和西海域向?yàn)惩膺f減的規(guī)律,可能由河口南側(cè)深水道高磷水舌[33]以及西海域高磷水系[34]所致.但20世紀(jì)90年代初和21世紀(jì)初,DIP濃度分布較為均勻,溶解態(tài)無機(jī)磷并非由九龍江徑流直接補(bǔ)充輸入,可能因活性磷酸鹽在咸淡水混合過程中發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)移、再生和轉(zhuǎn)化,即”磷緩沖”機(jī)制[35-36].2010年DIP濃度平面分布特征與20世紀(jì)80年代基本相似,但濃度大幅升高,高值區(qū)主要出現(xiàn)在筼筜湖和南溪入?？卩徑Ｓ?其濃度已超過第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).可見,DIP平面分布主要受河口南側(cè)深水道高磷水舌、西海域高磷水系以及”磷緩沖”機(jī)制影響,而依據(jù)單一調(diào)查資料所得出 DIP行為的結(jié)論具有很大的局限性.

圖5 1981、1992、2001及2010年10月九龍江河口區(qū)表層海水DIP濃度平面分布Fig.5 Spatial distribution of DIP in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October. 1981, 1992, 2001 and 2010

2.2 COD

圖6 1980～2010年九龍江河口區(qū)COD年際變化Fig.6 Annual variations of COD from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

2.2.1 COD年際變化特征 九龍江河口區(qū)海水中COD年均濃度變化如圖6所示.20世紀(jì)80年代至今,COD年均濃度總體呈“W”狀小幅波動(dòng)趨勢,均達(dá)到第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).20世紀(jì)80年代中前期,COD年均濃度相對較高,在1.50mg/L左右;20世紀(jì)80年代末,COD年均濃度相對較低,此后緩慢上升,并在 90年代中期出現(xiàn)最大值,達(dá)到1.71mg/L,此趨勢與廈門ICM項(xiàng)目[17]的調(diào)查結(jié)果完全吻合.20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初,COD年均濃度明顯回落.近幾年,COD年均濃度有所回升,但仍為第一類海水水質(zhì).

2.2.2 COD平面分布變化特征 九龍江河口區(qū)表層海水中COD濃度平面分布如圖7所示,其平面分布基本呈自河端向海端、灣內(nèi)向?yàn)惩鉁p少的趨勢.20世紀(jì)80年代初期,海水中COD濃度呈由西南向東北逐漸降低的趨勢,南溪入?？卩徑匕逗Ｓ虻戎稻€較密集,高值區(qū)位于海門島以南沿岸海域,低值區(qū)位于灣口.20世紀(jì)90年代初期,COD濃度平面分布較為均勻,變幅較小,河口灣內(nèi)在 1.50～2.00mg/L之間,西海域南部在 1.00～1.50mg/L之間.21世紀(jì)初,COD濃度有所降低,高值區(qū)仍出現(xiàn)在南溪入?？谥梁ｉT島之間.2010年,COD濃度又明顯升高.沿岸生活、工業(yè)污水大量排放以及九龍江徑流輸入[17]加重了該海域的有機(jī)污染,導(dǎo)致其分布特征呈現(xiàn)由河口區(qū)灣內(nèi)、西海域向?yàn)惩庵饾u降低 的趨勢,高值區(qū)主要分布在九龍江北港附近.

圖7 1982、1992、2001及2010年10月九龍江河口區(qū)表層海水COD濃度平面分布Fig.7 Spatial distribution of COD in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October 1982, 1992, 2001 and 2010

2.3 石油類

2.3.1 石油類濃度年際變化特征 九龍江河口區(qū)海水中石油類年均濃度變化如圖8所示.20世紀(jì)80年代至今,石油類年均濃度總體上呈先緩慢增加、再降低的趨勢,均達(dá)到第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).具體而言,20世紀(jì)80年代中期的石油類年均濃度約為10.0～15.0μg/L,遠(yuǎn)低于第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).隨后,石油類年均濃度開始緩慢增加[17],21世紀(jì)初升高至23.3μg/L.2003年之后,石油類年均濃度有所回落,維持在 8.9～19.5μg/L,也遠(yuǎn)低于第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

2.3.2 石油類濃度平面分布變化特征 九龍江河口區(qū)石油類濃度平面分布如圖9所示,其平面分布表現(xiàn)出由河口灣內(nèi)、西海域向?yàn)惩膺f減的趨勢.20世紀(jì)80年代中期,石油類濃度平面分布呈由西向東遞減,整體上濃度較小,變幅不大.20世紀(jì) 90年代初期,表層海水石油類濃度有所上升,高值區(qū)出現(xiàn)在九龍江中港、南港和南溪入海口以及筼筜湖鄰近海域,低值區(qū)位于海門島北面和灣口.2004年,石油類濃度略微下降,基本呈現(xiàn)河口灣內(nèi)＞西海域南部海區(qū)＞灣口的情形,海域的油污染源已由以九龍江徑流輸入和船舶排放為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃琵埥瓘搅鬏斎?、城市污水和港口作業(yè)排放為主,并加強(qiáng)了對船舶和港口作業(yè)的管理[17,25],使海域油污染得到一定控制.2010年,石油類濃度整體上與2004年差別不大,高值區(qū)分布在九龍江北港和筼筜湖附近海域.

圖8 1980～2010年九龍江河口區(qū)石油類濃度年際變化Fig.8 Annual variations of petroleum hydrocarbon from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

2.4 海水水質(zhì)富營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)及分析

2.4.1 海水水質(zhì)富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年際變化特征 海水中的營養(yǎng)鹽是海洋生物生存的必要物質(zhì)條件,但過量的營養(yǎng)鹽將導(dǎo)致海水富營養(yǎng)化,并能誘發(fā)赤潮,最終致使水質(zhì)惡化.

圖9 1986、1992、2004及2010年8月九龍江河口區(qū)表層海水石油類濃度平面分布Fig.9 Spatial distribution of petroleum hydrocarbons in the surface water of Jiulongjiang Estuary in August 1986, 1992, 2004 and 2010

富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法以目標(biāo)海域海水中 DIN和DIP濃度為基本環(huán)境要素、以COD表征海水富營養(yǎng)化的間接環(huán)境生態(tài)效應(yīng)[37],富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI采用下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:COD、DIN、DIP濃度單位均為mg/L; a是三者富營養(yǎng)化單項(xiàng)閾值之積,常取4500[37].

圖10 1980～2010年九龍江河口區(qū)海水水質(zhì)富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)年際變化Fig.10 Annual variations of EI from 1980 to 2010 in Jiulongjiang Estuary

EI越大,營養(yǎng)水平越高,富營養(yǎng)化程度越嚴(yán)重;EI＜0.5時(shí),貧營養(yǎng);0.5≤EI＜1.0時(shí),中營養(yǎng); 1.0≤EI＜3.0時(shí),富營養(yǎng);EI≥3.0時(shí),高富營養(yǎng)[38].

按式(1)對九龍江河口區(qū)各年份的富營養(yǎng)化狀態(tài)進(jìn)行評價(jià),結(jié)果見圖10.20世紀(jì)80年代,EI從0.8開始緩慢增加,但仍略低于 1.0,海水處于中營養(yǎng)狀態(tài).20世紀(jì)90年代初,EI已超過2.0,海水已富營養(yǎng)化;到20世紀(jì)90年代末,EI高于3.0,海水呈高富營養(yǎng)狀態(tài).21 世紀(jì)初至今,EI 大幅升高,絕大多數(shù)年份高于3.0,近些年更是超過5.0,2010年EI年均值達(dá)到11.7,為歷年最高,表明海水富營養(yǎng)化已加速加劇至十分嚴(yán)重的程度.由此可見,海水富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI不斷加速升高,海水富營養(yǎng)化程度持續(xù)急劇惡化.

2.4.2 海水水質(zhì)富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平面分布變化特征 九龍江河口區(qū)表層海水富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平面分布如圖11.20世紀(jì)80年代中期,海域EI基本呈由西海域南部海區(qū)向?yàn)晨谥饾u降低的趨勢,幾乎整個(gè)海域EI＜0.5,處于貧營養(yǎng)狀態(tài).20世紀(jì)90年代初期,海域EI顯著升高,全海域EI＞1.0,在九龍江中港、南港和南溪入?？诟浇Ｓ虺霈F(xiàn)EI＞3.0的高富營養(yǎng)海區(qū),并由西向東逐漸降低,在海滄東部養(yǎng)殖區(qū)[5,17]EI仍大于2.0,在廈門島西岸以及灣口EI才降至2.0以下.21世紀(jì)初,海域整體富營養(yǎng)化程度較先前變化不大,全海域EI＞1.0,九龍江中港、南港和南溪入?？诟浇母吒粻I養(yǎng)海區(qū)拓展到海門島北面,九龍江北岸附近也出現(xiàn)一高富營養(yǎng)海區(qū),且其東側(cè)有一EI＜2.0的海區(qū).2010年,海域整體富營養(yǎng)化狀態(tài)急劇顯著惡化,全海域EI＞5.0,其平面分布呈由河口灣內(nèi)、西海域南部向?yàn)惩膺f減的趨勢;海門島以西等值線密集,富營養(yǎng)化程度異常嚴(yán)重.

圖11 1986、1992、2001及2010年10月九龍江河口區(qū)表層海水富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)平面分布Fig.11 Spatial distribution of EI in the surface water of Jiulongjiang Estuary in October 1986, 1992, 2001 and 2010

3 結(jié)論

3.1 20世紀(jì)80年代至今,九龍江河口區(qū)海水中DIN、DIP年均濃度持續(xù)上升,其中DIN濃度變化范圍為 0.17～1.03mg/L,DIP濃度變化范圍為0.018～0.041mg/L;COD年均濃度總體呈”W”狀小幅波動(dòng)趨勢,濃度變化范圍為 0.56～1.71mg/L;石油類年均濃度先緩慢增加、再降低,濃度變化范圍為8.9～28.0μg/L.

3.2 DIN平面分布主要受河口沖淡水所控制,呈由西至東遞減趨勢,高值區(qū)主要分布在九龍江南港和南溪入?？诟浇?DIP平面分布與DIN有所差異,受河口南側(cè)深水道高磷水舌、西海域高磷水系以及“磷緩沖”機(jī)制等因素影響,依據(jù)單一調(diào)查資料所得出 DIP行為的結(jié)論具有很大的局限性,其不同年份的平面分布有所差別,呈相對均勻分布或自南岸向北岸、灣內(nèi)和西海域向?yàn)惩膺f減的趨勢,高值區(qū)基本出現(xiàn)在南溪入?？诤凸o筜湖附近;COD和石油類濃度平面分布均呈由灣內(nèi)、西海域南部向?yàn)惩膺f減的趨勢,高值區(qū)位于九龍江北港、南港和南溪入?？谝约肮o筜湖附近.

3.3 近30年的海水富營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI呈不斷加速升高的趨勢,海水富營養(yǎng)化程度持續(xù)加速惡化.其中,20世紀(jì)80年代中期,整個(gè)海域的EI幾乎均小于0.5,海水處于貧營養(yǎng)化狀態(tài);20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初,大部分海域的EI超過2.0,海水已迅速富營養(yǎng)化;2010年,整個(gè)海域的富營養(yǎng)狀態(tài)急劇顯著惡化,EI均超過 5.0.因九龍江徑流輸入的大量營養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物等所致,高富營養(yǎng)化海域主要分布在九龍江北港、中港、南港和南溪入?？诟浇?

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Spatiotemporal variations of main pollutants in Jiulongjiang Estuary.

GUO Zhou-hua, WANG Cui, YAN Li, WANG Jin-keng*(Third Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Xiamen 361005, China). China Environmental Science, 2012,32(4)：679～686

Based on the survey data, including 2 cruises in 2010, obtained from recent 30 years in Jiulongjiang Estuary, the annual variations and spatial distribution of DIN, DIP, COD and petroleum hydrocarbon were analyzed and eutrophication index (EI) were applied to assess the eutrophication conditions. The annual concentration of DIN and DIP tended to rise in recent 30 years while the petroleum hydrocarbon concentration increased slowly at first and then declined and COD fluctuate in small amplitude. DIN was higher in the west than the east of the estuary with variations of DIP annually while COD and petroleum hydrocarbon concentration were high in the inner estuary and lower in the western waters of Xiamen harbor and in the outer estuary. The increasing EI for 30 years indicates that the seawater quality was in a state of deteriorating. The most eutrophic areas were located in the north, middle and south part of Jiulongjiang Estuary and at the Nan Xi opening, which suggests that it was resulted from the great input of Jiulongjiang River. All data, annual variations of pollutants with their horizontal distribution, should lay a solid foundation for establishment of total amount control of pollutants to the sea.

important pollutants；annual concentration；spatiotemporal variations；eutrophication；Jiulongjiang Estuary

2011-07-18

國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200805065);國家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(海三科2011017)

* 責(zé)任作者, 研究員, xm2195331@126.com

X522

A

1000-6923(2012)04-0679-08

致謝：感謝唐森銘研究員對本文英文寫作的指導(dǎo)與幫助.

郭洲華(1987-),男,福建福安人,國家海洋局第三海洋研究所碩士研究生,主要從事環(huán)境規(guī)劃與評價(jià)研究.發(fā)表論文1篇.