陳金平, 蘭再平, 楊慎驕, 張笑培, 孫尚偉, 武鵬舉
1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所, 新鄉(xiāng) 453002 2 河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 商丘 476000 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 北京 102300
黃河故道不同灌水方式刺槐人工林幼樹水分利用效率和生長(zhǎng)特性
陳金平1,2,*, 蘭再平3, 楊慎驕1,2, 張笑培1,2, 孫尚偉3, 武鵬舉1,2
1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所, 新鄉(xiāng)453002 2 河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 商丘476000 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 北京102300
干旱一直是限制黃河故道沙區(qū)樹木生長(zhǎng)的重要因素之一,而刺槐(Robiniapseudoacacia)以其較強(qiáng)的耐旱性、較高的成活率在造林時(shí)備受重視。適宜的灌水方式不但可以提高當(dāng)?shù)厮Y源的高效利用,而且可以促進(jìn)刺槐迅速生長(zhǎng),改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境生態(tài)。因此,在2011至2012年間,對(duì)黃河故道沙地進(jìn)行刺槐人工林的建設(shè)與培育,開展滴灌(DI)、溝灌(FI)和軟管噴灌(HSI)3種灌水方式對(duì)刺槐人工林幼樹水分利用效率(WUE)和生長(zhǎng)特性影響的研究。結(jié)果表明,在不同的水文年份,滴灌刺槐的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)高于軟管噴灌,軟管噴灌高于溝灌。水分利用效率受年份影響較大,但均表現(xiàn)為前期下降,8月份前后降到最低值,隨后緩慢回升。不同灌水方式葉綠素含量(CC)差異顯著,滴灌條件下刺槐葉綠素含量最高,其次為軟管噴灌,溝灌最低。不同樹齡,不同灌水方式刺槐株高、地徑和胸徑差異顯著。一年生林,滴灌刺槐的株高、地徑和胸徑分別比軟管噴灌高出23.4、0.27 cm和0.14 cm;二年生林,滴灌刺槐的株高、地徑和胸徑分別比軟管噴灌高53.7 cm、0.61 cm和0.54 cm。滴灌刺槐的株高、地徑和胸徑的年度生長(zhǎng)量分別為軟管噴灌的112.1%、107.1%和111.8%,同時(shí)分別為溝灌的121.8%、191.8%和343.6%。不同灌水方式刺槐幼樹水分利用效率受年際間氣象因素影響較大,滴灌可以顯著地改善刺槐幼樹的光合生理特性,促進(jìn)其快速生長(zhǎng)。
刺槐; 灌水方式; 水分利用效率; 生長(zhǎng)特性; 黃河故道
刺槐為豆科蝶形花亞科刺槐屬木本植物。在我國(guó),目前刺槐的人工栽培面積已達(dá)150萬(wàn)hm2以上,是深受喜愛的“鄉(xiāng)土化”樹種,并出現(xiàn)了很多栽培類型。作為水土治理的優(yōu)良樹種,具有生長(zhǎng)迅速、耐旱性強(qiáng)和氮庫(kù)增容的特性[1-3],更具生態(tài)意義的是其強(qiáng)大的碳匯作用[4]。刺槐同時(shí)也是很好的綠化苗木品種、良好的蜜源植物、優(yōu)良材源的重要補(bǔ)充,其種籽資源、生態(tài)生理特性等的研究,一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視[5-15]。
黃河故道處于黃、淮之間,由西向東綿延數(shù)百公里,故道兩側(cè)十余公里,主要為高灘沙地、中低產(chǎn)鹽堿地和低洼積水易澇漬地3種土地類型。多年以來(lái),隨著國(guó)家的大力治理與開發(fā),故道環(huán)境生態(tài)已經(jīng)得到了顯著的改善,并產(chǎn)生了重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。刺槐作為水土保持、改良土壤環(huán)境的主要種植樹種,被廣泛地栽培在故道區(qū)域,形成了面積大小不一、林農(nóng)交錯(cuò)的刺槐林帶。目前成林、出材的刺槐多為二、三十年前種植,品種老化、生長(zhǎng)勢(shì)弱,甚至停止生長(zhǎng)。近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)現(xiàn)代化的迅速發(fā)展,以及人們生活、居住環(huán)境的提高,對(duì)于各種優(yōu)質(zhì)木材的需求有著顯著的增加,而國(guó)際上東南亞、日本、印度等對(duì)我國(guó)優(yōu)質(zhì)木材的出口限制,以及國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)樹種材源的枯竭,都對(duì)國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)良材樹種的栽培提出了迫切的要求。刺槐從材質(zhì)、用途等方面均是我國(guó)優(yōu)質(zhì)材源的重要補(bǔ)充,同時(shí)對(duì)于黃河故道區(qū)域的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及環(huán)境生態(tài)的進(jìn)一步改善都具有重要的作用。
但是,干旱一直是限制刺槐生長(zhǎng)的重要因素之一,年平均蒸散量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量,水資源短缺的問題日益突出。因此,灌溉成為保證刺槐人工林栽培的必要措施。采取適宜的灌水方式,提高水分利用效率,促進(jìn)水資源高效利用和刺槐迅速生長(zhǎng),成為當(dāng)?shù)丶毙杞鉀Q的問題。本研究以黃河故道區(qū)域?yàn)榈乩肀尘?,開展了不同灌水方式對(duì)刺槐人工林幼樹水分利用效率和生長(zhǎng)特性的影響研究,旨在為相關(guān)區(qū)域刺槐人工林建設(shè)和培育過程中的灌水技術(shù)應(yīng)用提供必要的理論依據(jù)。
1.1試驗(yàn)區(qū)自然條件
試驗(yàn)區(qū)位于河南省民權(quán)縣黃河故道北側(cè)高灘沙地申甘林帶(115°06′34″E,34°42′46″N),海拔68 m,屬暖溫帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫14.1 ℃,無(wú)霜期213 d,全年太陽(yáng)輻射量為4727.92—5104.18 MJ/m2,有效輻射量為2301.20—2510.40 MJ/m2,年平均降水量為652—874 mm,雨日27—34 d,年平均蒸發(fā)量1800 mm左右,干旱指數(shù)1.43。2011年和2012年刺槐主要生育期的日平均氣溫、平均地表溫度、日光合有效輻射和降雨量見圖1。
圖1 試驗(yàn)區(qū)刺槐生長(zhǎng)期平均氣溫、平均地表溫度、日光合有效輻射和降雨量變化特征Fig.1 Variation characteristics of daily mean temperature, daily mean surface temperature, daily photosynthetic active radiation and precipitation during growth period of black locust
1.2試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)于2011年4月上旬進(jìn)行土地整理,4月中、下旬開展項(xiàng)目區(qū)20 hm2刺槐造林工作,刺槐品種選擇窄冠刺槐,采取截干造林的方法,種植前刺槐苗木留干15 cm??拷克刺帲謩e建設(shè)滴灌區(qū)、溝灌區(qū)和軟管噴灌區(qū),每個(gè)灌溉試驗(yàn)區(qū)均為1334 m2,株行距為3 m×4 m。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)土壤水分條件,連續(xù)2a,分別于5月上旬、6月中旬、7月上旬和8月上旬進(jìn)行灌水試驗(yàn),灌水定額均為80 mm。
1.3測(cè)定方法
于刺槐生長(zhǎng)期的不同月份,使用LI-6400便攜式光合儀(美國(guó)LI-COR公司)測(cè)定不同灌水方式區(qū)刺槐冠層中部南側(cè)功能葉片的凈光合速率(Pn,μmol m-2s-1)、蒸騰速率(Tr,mmol m-2s-1),并據(jù)此計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率,WUE=Pn/Tr。
同時(shí)使用TYS-A葉綠素測(cè)定儀(浙江TOP公司)測(cè)定葉綠素含量,葉片選取位置與光合相同。并于每年刺槐生長(zhǎng)結(jié)束后(11月中、下旬)使用折尺測(cè)量株高,游標(biāo)卡尺測(cè)量地徑、胸徑,每個(gè)處理小區(qū)測(cè)量株數(shù)為120株。年度生長(zhǎng)量為當(dāng)年的株高、地徑和胸徑與上一年度株高、地徑和胸徑的差值。
1.4數(shù)據(jù)分析
用SPSS Statistics 17.0(SPSS for Windows, version 17.0, Chicago, Illinois)進(jìn)行方差分析,比較各參數(shù)在不同灌水方式下的差異,具有顯著差異的進(jìn)行多重比較并進(jìn)行字母標(biāo)記。用Microsoft Excel 2003 軟件進(jìn)行制表和繪圖,圖、表中的數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(mean±SD)表示。
2.1不同灌水方式刺槐幼樹水分利用效率
刺槐葉片水平瞬時(shí)水分利用效率不僅受到林地土壤水分條件的影響,還受到林間冠層氣象要素的限制。圖2為2011、2012年6—10月間,滴灌、溝灌和軟管噴灌刺槐的凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率??梢钥闯?,對(duì)于不同的水文年份,3種不同灌水方式刺槐的凈光合速率、蒸騰速率和水分利用效率,在年度內(nèi)生育期的變化趨勢(shì)基本保持一致。其中凈光合速率、蒸騰速率表現(xiàn)為逐步增加,8—10月份達(dá)到最大值,隨后下降。水分利用效率則表現(xiàn)為逐步下降,8月份前后降到最低值,隨后緩慢回升。這說(shuō)明,雖然不同年份水文條件有所差異,但總體年內(nèi)氣候變化趨勢(shì)相似,因此決定了3種不同灌水方式刺槐不同年份間瞬時(shí)水分利用效率變化趨勢(shì)的一致性。
2011年生育期內(nèi),滴灌刺槐凈光合速率、蒸騰速率明顯高于溝灌和軟管噴灌,具體表現(xiàn)為滴灌>軟管噴灌>溝灌,但軟管噴灌與溝灌之間差別較小,同時(shí)3種灌水方式的水分利用效率差別不明顯。2012年度生育期內(nèi),3種灌水方式的凈光合速率、蒸騰速率大小表現(xiàn)規(guī)律與2011年保持一致,但從數(shù)值上看,軟管噴灌的凈光合速率、蒸騰速率更接近于滴灌,并明顯大于溝灌。8月份以前,3種灌水方式的水分利用效率隨著生育進(jìn)程迅速下降,具體表現(xiàn)為滴灌>軟管噴灌>溝灌,8月份以后,不同灌水方式的水分利用效率緩慢回升,并最終表現(xiàn)為軟管噴灌和溝灌的水分利用效率略高于滴灌??梢?,在相對(duì)少雨偏旱的春末夏初時(shí)段,不同灌水方式的刺槐水分利用效率均表現(xiàn)較高,但隨著雨水的逐步增多,則呈下降趨勢(shì);越是在缺雨偏旱的時(shí)期,滴灌刺槐越表現(xiàn)為較高的水分利用效率,隨著雨水的增多和根區(qū)土層貯水量的增加,其水分利用效率反而不及軟管噴灌和溝灌刺槐。
2.2不同灌水方式刺槐幼樹葉綠素含量
葉綠素含量是綠色植物生長(zhǎng)狀況的指標(biāo)性參數(shù),適宜的生長(zhǎng)環(huán)境、高效的水肥管理措施均能促進(jìn)葉綠素含量的提高。表1顯示,不同灌水方式顯著影響了刺槐葉綠素含量。在6、8月份,滴灌刺槐葉綠素含量顯著高于溝灌和軟管噴灌,溝灌和軟管噴灌之間差異不顯著;在9、10月份,滴灌和軟管噴灌刺槐葉綠素含量顯著大于溝灌,但滴灌和軟管噴灌刺槐葉綠素含量之間的差異不顯著。由此說(shuō)明,在年度內(nèi)刺槐生長(zhǎng)的不同階段,氣候因素、水文條件和葉齡影響了葉綠素的變化趨勢(shì),同時(shí)不同的灌水方式則影響了葉綠素含量的高低。滴灌和軟管噴灌能夠在較長(zhǎng)的生育階段,使刺槐葉片的葉綠素含量維持在較高的水平,從而更有利于樹木快速生長(zhǎng)。
對(duì)于年度內(nèi)不同生育期,3種灌水方式刺槐葉綠素含量均表現(xiàn)為隨著生育進(jìn)程逐步升高,9月份達(dá)到一年中的最大值,隨后明顯下降。
表1 不同灌水方式對(duì)刺槐幼樹葉綠素含量的影響Table 1 Effects of different irrigation methods on the chlorophyll content of black locust young trees
表中數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同灌水方式間差異顯著(P<0.05), 不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)
2.3不同灌水方式刺槐幼樹生長(zhǎng)量
刺槐幼樹的生長(zhǎng)勢(shì),是苗木質(zhì)量、環(huán)境因素和后期水肥管理水平的綜合體現(xiàn)。表2表明,在不同年份,滴灌、溝灌和軟管噴灌刺槐的株高、地徑和胸徑均有顯著差異。具體表現(xiàn)為滴灌刺槐的株高、地徑和胸徑顯著高于軟管噴灌、軟管噴灌顯著高于溝灌。2011年,滴灌刺槐的株高、地徑和胸徑分別比軟管噴灌高出23.4、0.27 cm和0.14 cm;2012年,滴灌刺槐的株高、地徑和胸徑分別比軟管噴灌高53.7、0.61 cm和0.54 cm。刺槐幼樹的年度生長(zhǎng)量,則更多表現(xiàn)為后期水肥管理水平的高低。3種不同灌水方式刺槐年度生長(zhǎng)量也具有顯著差異。不同灌水方式下,刺槐株高、地徑和胸徑的年度生長(zhǎng)量均表現(xiàn)為滴灌顯著大于軟管噴灌,軟管噴灌顯著大于溝灌。具體表現(xiàn)為滴灌刺槐的株高、地徑和胸徑的年度生長(zhǎng)量分別為軟管噴灌的112.1%、107.1%和111.8%,同時(shí)分別為溝灌的121.8%、191.8%和343.6%。由此可見,試驗(yàn)中在肥料水平保持一致的條件下,刺槐幼樹的年度生長(zhǎng)量差異主要是因?yàn)楣嗨绞降牟煌?。?種不同的灌水方式中,滴灌顯著地促進(jìn)了刺槐的年度生長(zhǎng)量。
圖2 不同年份不同灌水方式對(duì)刺槐幼樹水分利用效率的影響Fig.2 Effects of different irrigation methods on the water use efficiency of young trees of black locust in different years
表2 不同灌水方式對(duì)刺槐幼樹生長(zhǎng)和年度生長(zhǎng)量的影響Table 2 Effects of different irrigation methods on the growth and annual growth of black locust young trees
不同的灌水方式,對(duì)刺槐幼樹的光合、蒸騰、水分利用效率、葉綠素含量以及生長(zhǎng)量產(chǎn)生顯著的差異。究其原因,在于不同的灌水系統(tǒng)首先影響了水分在樹木根區(qū)的分布與再分布。滴灌、溝灌和軟管噴灌的水分入土方式不同[16-20],因此營(yíng)造了不同的根區(qū)土壤水分環(huán)境,并從而影響了根系的吸水與運(yùn)輸效率。如鄭強(qiáng)卿[16]研究指出,滴灌條件下沙地20 cm以上土層含水率受到降雨和灌水量的影響,因此變化幅度最大。停止灌水后水分發(fā)生再分布,水平方向水分主要分布在0—30 cm土壤。這樣的水分再分布特性,有利于植物根系的吸收與利用。軟管噴灌是更接近于刺槐種植行向的改良的噴灌方法,本項(xiàng)試驗(yàn)研究中,采用的是多孔出流軟管置于兩行刺槐中間的噴灌方式。有研究指出,在噴灌條件下,0—40 cm土層土壤含水率明顯受到灌水量的影響,植物耗水量也隨著灌水量增加而增加。同時(shí)棵間蒸發(fā)量隨著灌水量的增大而增大,但棵間累積蒸發(fā)與耗水量之比則呈下降趨勢(shì)[17]。目前,在刺槐林木栽培的生產(chǎn)實(shí)踐中,大多還是采用莖部地表溝灌的方式。呂殿青[20]研究了溝灌條件下的水分再分布,指出在相同的土層,溝內(nèi)的含水率要大于平地畦灌;在相同的入滲水量時(shí),溝內(nèi)的含水率也大于平地畦灌。本試驗(yàn)中,每次溝灌水分均從莖部地表?xiàng)l形溝的小范圍區(qū)域快速下滲,而刺槐根系分布較廣,吸水功能較強(qiáng)的毛根等多分布于根區(qū)外側(cè)30—40 cm深的土層中,這可能是影響刺槐對(duì)溝灌水分利用的主要原因之一。另外,不同灌水方式的灌溉水在地表的初次分布差異,直接形成了樹木冠層溫度、濕度等小氣候的不同,并進(jìn)一步影響到葉片氣孔的氣體交換行為和對(duì)光合同化能力的差異。
相對(duì)于葉片水平的瞬時(shí)水分利用效率,以產(chǎn)量和耗水量計(jì)算得出的水分利用效率更能體現(xiàn)出不同灌水方式對(duì)促進(jìn)植物高效用水的作用,因?yàn)楣夂贤漠a(chǎn)物在很大程度上并不能全部作為生長(zhǎng)量的積累而存在,相當(dāng)一部分在呼吸作用和對(duì)衰老器官的補(bǔ)償中消耗掉。但是葉片水平瞬時(shí)水分利用效率很大程度上體現(xiàn)了植物對(duì)碳源的同化潛力,也從側(cè)面說(shuō)明了植物生長(zhǎng)環(huán)境的優(yōu)劣[21]。本試驗(yàn)結(jié)果,充分證明了滴灌對(duì)刺槐幼樹光合潛力的促進(jìn)作用,而滴灌條件下葉綠素含量的增加,也證明了滴灌對(duì)刺槐幼樹生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。本試驗(yàn)也同時(shí)說(shuō)明,刺槐葉片水平的瞬時(shí)水分利用效率受年際間氣象因素的影響較大。目前,對(duì)于葉片水平瞬時(shí)水分利用效率的研究,更多的集中于對(duì)植物生理生態(tài)特性的研究中[21-24]。Gerampinis[21]指出,適度的水分脅迫,降低了葉綠素a和葉綠素b的含量,但增加了葉片磷、鈣、鎂、鋅等離子的濃度,瞬時(shí)水分利用效率有所提高。而對(duì)于產(chǎn)量水平水分利用效率的研究,則主要是集中在栽培因素對(duì)作物產(chǎn)量的影響方面[25-28]。Veeraputhiran[28]研究指出,地下滴灌灌溉施肥的甘蔗栽培措施,取得節(jié)水30.7%的試驗(yàn)結(jié)果,同時(shí)產(chǎn)量水平水分利用效率為每公頃65.8 kg/mm,比傳統(tǒng)栽培水平的每公頃34.8 kg/mm具有顯著的提高。在本試驗(yàn)中,由于刺槐正處于前2a的幼樹生長(zhǎng)階段,因此采用了葉片瞬時(shí)水分利用效率指標(biāo)來(lái)進(jìn)行研究。
累積生長(zhǎng)量是苗木質(zhì)量、土壤環(huán)境、水肥條件、氣候因素等對(duì)樹木生長(zhǎng)的綜合反映,而年度生長(zhǎng)量,則更多表現(xiàn)為后期栽培管理水平對(duì)樹木的影響。試驗(yàn)中,滴灌刺槐的株高、地徑和胸徑的年度生長(zhǎng)量分別為軟管噴灌的112.1%、107.1%和111.8%,同時(shí)分別為溝灌的121.8%、191.8%和343.6%,表明在其它栽培要素保持一致的情況下,滴灌顯著地促進(jìn)了刺槐幼樹的生長(zhǎng)。因此,選擇適宜的灌水方式,對(duì)于刺槐生態(tài)林和刺槐用材林的快速建設(shè)與培育而言,均具有重要的促進(jìn)作用。
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Water use efficiency and growth characteristics of young trees ofRobiniapseudoacaciaplantation forest under different irrigation methods in old course of Yellow river area
CHEN Jinping1,2,*, LAN Zaiping3, YANG Shenjiao1,2, ZHANG Xiaopei1,2, SUN Shangwei3, WU Pengju1,2
1FarmlandIrrigationResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Xinxiang453002,China2NationalResearchandObservationStationofShangqiuAgro-ecologySystem,Shangqiu476000,China3ForestryExperimentCenterofNorthChina,ChineseAcademyofForestry,Beijing102300,China
Drought is one of the important factors that limits the growth of trees in the sand of old course of Yellow river area, so the black locust (Robiniapseudoacacia) has been getting attention in the last several years, for its stronger drought resistance and higher survival rate in forestation. Appropriate irrigation methods not only can promote the efficient utilization of local water resource and the growth of plants quickly, but also improve the local ecological environment. This project was held in 2012 and 2013 years, in order to find the optimal irrigation method for black locust young trees. Plants were subjected to three irrigation methods: drip irrigation (DI), furrow irrigation (FI) and hose sprinkler irrigation (HSI). The plot area of each treatment was 1334 m2, and the plant spacing was 3 m×4 m. The results showed that in different hydrological years, the net photosynthetic rate (Pn) and transpiration rate (Tr) of plants under DI both higher than that under HSI, as well as that under HSI than FI. Water use efficiency (WUE) was greatly influenced by the different hydrological years, characterized by early fall, down to the lowest in August and then slowly rose again. There were significant differences in the chlorophyll content (CC) of young trees between different treatments. The CC of plants under DI was highest, followed by which under HSI, and which under FI was minimal. For different ages, there were significant differences in plant height, ground diameter and diameter breast height of young trees between different irrigation methods. In 2011, the plant height, ground diameter and diameter breast height of young trees under DI were 23.4 cm, 0.27 cm and 0.14 cm higher than that under HSI, respectively. In 2012, the plant height, ground diameter and diameter breast height of young trees under DI were 53.7 cm, 0.61 cm and 0.54 cm separately higher than that under HSI. The annual growth of plant height, ground diameter and diameter breast height of young trees under DI were 112.1%, 107.1% and 111.8% of that under HSI, at the same time were 121.8%, 191.8% and 343.6% of that under FI, respectively. The WUE of young trees under different irrigation methods was greatly influenced by the meteorological factors of different years. DI can significantly improve photosynthetic physiological characteristics of black locust sapling, and promote the rapid growth of them.
Robiniapseudoacacia; irrigation method; water use efficiency; growth characteristics; old course of Yellow river
國(guó)家公益性行業(yè)(林業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201104018)
2013-06-10;
日期:2014-05-16
10.5846/stxb201306101568
*通訊作者Corresponding author.E-mail: chenjp72@126.com
陳金平, 蘭再平, 楊慎驕, 張笑培, 孫尚偉, 武鵬舉.黃河故道不同灌水方式刺槐人工林幼樹水分利用效率和生長(zhǎng)特性.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(8):2529-2536.
Chen J P, Lan Z P, Yang S J, Zhang X P, Sun S W, Wu P J.Water use efficiency and growth characteristics of young trees ofRobiniapseudoacaciaplantation forest under different irrigation methods in old course of Yellow river area.Acta Ecologica Sinica,2015,35(8):2529-2536.