魏 霞, 李勛貴, 李耀軍

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000)

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典型淤地壩壩控流域水土保持措施的合理性分析

魏 霞, 李勛貴, 李耀軍

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000)

摘要：[目的] 分析淤地壩壩控流域水土保持措施的合理性，為黃土高原的淤地壩建設(shè)與規(guī)劃提供科學(xué)指導(dǎo)。 [方法] 對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)兩座典型淤地壩進(jìn)行分層土樣采集,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)用常規(guī)方法對(duì)土樣的顆粒組成進(jìn)行了分析計(jì)算,在此基礎(chǔ)上,利用分形理論,計(jì)算了分層土樣顆粒組成的分形維數(shù),分析了兩座淤地壩壩地分層淤積物顆粒組成與其分形維數(shù)隨淤積年限的變化趨勢(shì)。 [結(jié)果] 兩座典型淤地壩粒徑組成的分形維數(shù)隨淤積年限的增大都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。 [結(jié)論] 該典型淤地壩壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤存在沙化趨勢(shì)，淤積年限內(nèi)壩控流域水土保持措施配置不合理。

關(guān)鍵詞：典型淤地壩; 壩控流域; 顆粒組成; 分形理論; 合理性分析

土壤侵蝕是世界性的重大環(huán)境問(wèn)題，強(qiáng)烈的水土流失是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，土地資源退化乃至徹底破壞的重要原因，嚴(yán)重制約了土地生產(chǎn)潛力的發(fā)揮，影響當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的生活，與當(dāng)前世界可持續(xù)發(fā)展的理念相違背[1-3]。以小流域?yàn)閱卧M(jìn)行綜合治理,已成為當(dāng)今世界各國(guó)治理水土流失、提高流域可持續(xù)發(fā)展能力的主要形式[4-6]。中國(guó)的黃土高原是世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，地形破碎，溝壑縱橫，陡坡侵蝕、溝道侵蝕獨(dú)特而嚴(yán)重[7-9]，單靠坡面水土保持措施很難在短時(shí)間內(nèi)改觀當(dāng)?shù)貒?yán)重的土壤侵蝕狀況，所以小流域綜合治理在中國(guó)黃土高原地區(qū)也被廣泛的應(yīng)用。小流域綜合治理的目標(biāo)是發(fā)揮最大的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，但由于缺乏權(quán)威和標(biāo)準(zhǔn)的綜合治理效益評(píng)價(jià)方法，使得小流域綜合治理評(píng)價(jià)結(jié)果存在很大的不確定性。以至于許多研究者和技術(shù)人員認(rèn)為，傳統(tǒng)的水土保持綜合治理項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法，不能全面反映小流域綜合治理對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的深遠(yuǎn)影響。針對(duì)這種情況，本文利用修建在各級(jí)溝道中以攔泥淤地為目的的淤地壩[10-13]所控制的面積——壩控流域，可視為一個(gè)綜合治理的小單元，由于淤地壩壩地沉積泥沙記載著建壩后淤積年限內(nèi)的土壤侵蝕環(huán)境變化歷史，可以判測(cè)壩控流域的侵蝕、產(chǎn)沙和侵蝕環(huán)境的變化，尤其是典型淤地壩[14-15]，即“悶葫蘆”壩，壩地淤積物全部來(lái)自壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤，因此典型淤地壩壩地淤積物所提供的分層淤積信息可以反映出壩控流域的水土流失情況[14-17]，對(duì)分析區(qū)域土壤侵蝕變化狀況具有重要意義。同時(shí)，已有研究認(rèn)為土壤是一種具有分形特征的分散多孔介質(zhì)，土壤分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形狀的參數(shù)[18]，在維數(shù)上表現(xiàn)出黏粒含量越高，質(zhì)地越細(xì)，分形維數(shù)越高，沙粒含量越高，分形維數(shù)越小的特征[19-21]。土壤粒徑的分形維數(shù)能客觀地反映退化土壤結(jié)構(gòu)狀況和退化程度，作為退化土壤結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的一項(xiàng)綜合性指標(biāo)[21-22]。鑒于此，本文采用野外試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，結(jié)合分形理論，計(jì)算了分層淤積土樣的分形維數(shù)，并分析了分形維數(shù)隨淤積年限的變化趨勢(shì)，對(duì)典型淤地壩淤積年限內(nèi)壩控流域是否存在沙化趨勢(shì)進(jìn)行探討，對(duì)典型淤地壩壩控流域已有水土保措施的合理性給予評(píng)價(jià)。研究結(jié)果對(duì)黃土高原大規(guī)模的淤地壩建設(shè)與規(guī)劃可提供重要科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，對(duì)改善黃土高原的生態(tài)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)該區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1　研究區(qū)概況

本研究所選的兩座典型淤地壩為小河溝流域石畔峁淤地壩和王茂溝流域關(guān)帝溝3號(hào)淤地壩。小河溝流域和王茂溝流域均為黃土丘陵溝壑區(qū)第Ⅰ副區(qū)，兩個(gè)流域的具體概況如下：小河溝流域位于陜西省榆林市子洲縣南部，地理坐標(biāo)介于東徑109°47′42″—109°65′61″，北緯37°36′17″—37°43′34″，屬于無(wú)定河一級(jí)支流大理河的一級(jí)支流，流域面積63.5 km2，相對(duì)高差328 m。流域地形支離破碎，梁窄坡陡，梁峁起伏，溝壑縱橫，平均溝壑密度為3.6 km/km2。流域多年平均降水量為421 mm，多年平均侵蝕模數(shù)為15 000 t/(km2.a-1)，年均輸沙量9.225×105t。流域土壤主要為黃綿土、粉質(zhì)壤土、紅膠土和淤積土，其中以黃綿土為主，約占流域總面積的70%左右。流域降水特點(diǎn)為年際變化大，年內(nèi)分布不均，且多以暴雨形式出現(xiàn)[23]。王茂溝流域是陜北綏德縣韭園溝中游左岸的一條支溝，是無(wú)定河的一條二級(jí)支溝，位于東經(jīng)110°20′26″—110°22′46″，北緯37°34′13″—37°36′03″，海拔高度940～1 188 m，流域面積5.97 km2。流域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造比較單一，表層多被質(zhì)地勻細(xì)、組織疏松的黃綿土覆蓋，厚度20～30 m。在長(zhǎng)期水土流失影響下，地面受到嚴(yán)重切割，表現(xiàn)為支離破碎、梁峁起伏、溝壑縱橫，溝壑密度4.3 km/km2。雨量少而分布不均，多暴雨，多年平均年降水量為513 mm，汛期(6—9月)降水一般占年降水總量的70%以上，水土流失嚴(yán)重，一次暴雨產(chǎn)沙量往往可占全年總產(chǎn)沙量的60%以上。

1.2　研究方法

土樣的采集采用挖剖面方法，在采樣時(shí)，考慮到沙粒沉積的先后順序，要保證每個(gè)淤積層內(nèi)不同高度的泥沙樣均要取到，以保證該樣品的理化指標(biāo)能夠代表該淤積層淤積泥沙的理化指標(biāo)。分層土樣土壤顆粒級(jí)配采取篩分法(干篩)，吸管法和比重計(jì)法相結(jié)合的方法來(lái)求取。對(duì)粒徑較粗的土粒，采用干篩法進(jìn)行，對(duì)于粒徑較細(xì)的土粒，采用吸管法和比重計(jì)法相結(jié)合進(jìn)行測(cè)定。在采用比重計(jì)法時(shí)，由于在實(shí)際測(cè)定中，當(dāng)比重計(jì)浸入懸液中，此時(shí)讀取的有效沉降深度要比實(shí)際的沉降深度要偏大，另外，比重計(jì)的讀數(shù)原以彎液面的下緣為準(zhǔn)，但在實(shí)際操作中，由于懸液渾濁不清只能用彎液面上緣的讀數(shù)，因此在運(yùn)用比重計(jì)法之前必須對(duì)土粒有效沉降深度、刻度及彎液面進(jìn)行校正。同時(shí)還需要對(duì)溫度、土粒比重進(jìn)行校正，對(duì)于溫度和土粒比重的校正比較簡(jiǎn)單，可由相應(yīng)的校正表查的。對(duì)于土粒有效沉降深度、刻度及彎液面的校正嚴(yán)格按照南京土壤研究所的《土壤物理性質(zhì)測(cè)定方法》進(jìn)行。土壤顆粒分形維數(shù)的計(jì)算應(yīng)用楊培嶺等[20,23]提出的用粒徑的重量分布表征的土壤分形模型來(lái)求解。土壤顆粒的重量分布與平均粒徑間的分形關(guān)系式為：

(1)

2結(jié)果與分析

2.1小河溝流域石畔峁壩分層淤積土樣顆粒組成的分形維數(shù)隨淤積年限的變化

石畔峁壩位于陜西省子洲縣小河溝流域，于1972年建成，1980年在一場(chǎng)大暴雨中被沖垮，石畔峁壩共有22個(gè)淤積層，由于壩地淤積物的最上面一層已被當(dāng)農(nóng)田耕作，所以為了提高分析的精度，剔除最頂層的一個(gè)淤積層，即分析時(shí)只考慮下面的21個(gè)淤積層。各淤積層的顆粒分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，該典型淤地壩的壩地分層淤積物的粒徑主要分布在25～100 μm。由土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，該典型壩壩控流域土壤顆粒主要介于細(xì)砂粒和粗粉粒之間。根據(jù)土壤分散系數(shù)的定義——微團(tuán)聚分析的黏粒(小于0.001 mm顆粒)與顆粒分析的黏粒數(shù)的百分比，利用表1中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出各淤積層土壤的分散系數(shù)(表1)。并在此基礎(chǔ)上建立了微團(tuán)聚含量(小于0.001 mm顆粒)與土壤分散系數(shù)的關(guān)系，擬合關(guān)系式為對(duì)數(shù)函數(shù)形式，具體方程如下：

y=0.294 5 lnx+0.600 1(R2=0.375 5)

(2)

式中：y——土壤分散系數(shù)(%)；x——微團(tuán)粒的含量(%)；R2——決定系數(shù)。由關(guān)系式可知，隨著土壤微團(tuán)聚體含量的增加，土壤的分散系數(shù)呈對(duì)數(shù)函數(shù)遞增。但由于本文未對(duì)土壤的孔隙度、土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性進(jìn)行測(cè)試，所以，此關(guān)系的可靠性是以土壤顆粒級(jí)配的測(cè)定為前提的。

表1　石畔峁壩各淤積層土壤粒級(jí)分布及土壤顆粒的分形維數(shù)

土壤被認(rèn)為是一種具有分形特征的分散多孔介質(zhì)，土壤分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形體的參數(shù)。運(yùn)用回歸分析法，計(jì)算出土壤顆粒的分形維數(shù)，回歸分析所得相關(guān)系數(shù)均在0.84以上，線性相關(guān)極顯著(表1)。由表1可知，該典型淤地壩壩地分層淤積物的分型維數(shù)在2.033～2.219。為了進(jìn)一步分析淤積年限內(nèi)分形維數(shù)隨淤積年份的變化趨勢(shì)，根據(jù)石畔峁壩的淤積層與次侵蝕性降雨的分析結(jié)果[23]，做出淤積年限內(nèi)石畔峁壩各淤積層分形維數(shù)隨淤積年份的變化關(guān)系見(jiàn)表2。依據(jù)表2繪制出石畔峁壩分形維數(shù)隨淤積年份的變化圖(圖1)。由圖1可知，該典型淤地壩在淤積年限內(nèi)隨著淤積年份的增大分形維數(shù)呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，經(jīng)添加趨勢(shì)線后，發(fā)現(xiàn)擬合曲線滿足線性關(guān)系，決定系數(shù)為0.708 9?？梢?jiàn)隨著淤積年限的增大，該典型淤地壩壩地分層淤積土樣的分形維數(shù)逐漸減小，根據(jù)土壤粒徑分形的物理意義[19-22]可知，壩地分層淤積土樣中沙粒含量增大，粉粒和黏粒減小，表明壩控流域淤積年限內(nèi)的土壤顆粒級(jí)配變粗。究其原因可能是： (1) 壩控流域內(nèi)下墊面改變，包括不同土地利用類型面積的改變或者不同水土保持措施配置比例的改變； (2) 壩控流域內(nèi)小氣候的改變，包括氣溫、日較差、空氣濕度、土壤濕度、風(fēng)速風(fēng)向、太陽(yáng)輻射等的改變；這些因素都有可能誘發(fā)土壤物理性質(zhì)發(fā)生微小的變化，進(jìn)而改變土壤的顆粒級(jí)配。但由于淤積年限比較短，所以壩控流域內(nèi)的小氣候因素對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響可以忽略，因此，結(jié)果表明：該典型淤地壩壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤存在沙化趨勢(shì)，淤積年限內(nèi)壩控流域水土保持措施配置不合理。

表2　石畔峁壩各淤積層分形維數(shù)隨淤積年份的變化

圖1　石畔峁壩分形維數(shù)隨淤積年份的變化趨勢(shì)

同時(shí)，根據(jù)收集到的石畔峁壩壩控流域土地利用類型資料(表3)可知，石畔峁壩壩控流域土地利用結(jié)構(gòu)中耕地面積最大，為218 hm2，占到土地利用面積的39.6%，以下依次為林地、未利用荒地、梯田和草地，分別占到32.73%，20.91%，5.09%，1.64%。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，石畔峁壩壩控流域內(nèi)1972—1979年時(shí)間段內(nèi)多年平均侵蝕產(chǎn)沙量為46 761 t/a，多年平均侵蝕模數(shù)為8 502 t/(km2·a)，達(dá)到了極強(qiáng)度侵蝕標(biāo)準(zhǔn)。黃土高原多年平均侵蝕模數(shù)為3 928 t/(km2·a)，而黃河流域水土流失最嚴(yán)重的河龍區(qū)間(黃河中游河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間)的多年平均侵蝕模數(shù)也小于5 000 t/(km2·a)[24]，都遠(yuǎn)小于石畔峁壩壩控流域內(nèi)的多年平均侵蝕模數(shù)。這也進(jìn)一步說(shuō)明了石畔峁壩壩控流域內(nèi)不合理的土地利用方式使得流域的土壤侵蝕強(qiáng)度增加幅度之大，分析結(jié)果與以上根據(jù)壩地淤積物顆粒的分形維數(shù)分析的結(jié)果一致，即該典型淤地壩壩控流域內(nèi)的水土保持措施的配置不合理。

表3　石畔峁壩壩控流域土地利用結(jié)構(gòu)

2.2　王茂溝流域關(guān)帝溝3號(hào)壩分層淤積土樣顆粒組成的分形維數(shù)隨淤積年限的變化

關(guān)帝溝3號(hào)壩位于陜西省綏德縣王茂溝流域，于1959年建成，1987年在一場(chǎng)大暴雨中被沖垮，共有31個(gè)淤積層，同理，為了減少淤積物頂層認(rèn)為耕作的影響，剔除最頂層的一個(gè)淤積層，即分析時(shí)只考慮下面的30個(gè)淤積層。各淤積層的顆粒分析結(jié)果見(jiàn)表4，由表4可知，該典型淤地壩的壩地分層淤積物的粒徑主要分布在25～100 μm。由土壤顆粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可知，該典型壩壩控流域土壤顆粒主要介于細(xì)砂粒和粗粉粒之間。根據(jù)土壤分散系數(shù)的定義——微團(tuán)聚分析的黏粒(小于0.001 mm顆粒)與顆粒分析的黏粒數(shù)的百分比，利用表1中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出各淤積層土壤的分散系數(shù)(表1)。并在此基礎(chǔ)上建立了微團(tuán)聚含量(小于0.001 mm顆粒)與土壤分散系數(shù)的關(guān)系，擬合關(guān)系式為對(duì)數(shù)函數(shù)形式，具體方程如下：

y=0.081 3 lnx+0.672(R2=0.799 4)

(3)

式中：y——土壤分散系數(shù)(%)；x——微團(tuán)粒的含量(%)；R2——決定系數(shù)。由關(guān)系式(3)可知，隨著土壤微團(tuán)聚體含量的增加，土壤的分散系數(shù)呈對(duì)數(shù)函數(shù)遞增。但由于本文未對(duì)土壤的孔隙度、土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性進(jìn)行測(cè)試，所以，此關(guān)系的可靠性是以土壤顆粒級(jí)配的測(cè)定為前提的。

運(yùn)用回歸分析法，計(jì)算出土壤顆粒的分形維數(shù)，回歸分析所得相關(guān)系數(shù)均在0.66以上，線性相關(guān)顯著，結(jié)果見(jiàn)表4。土壤被認(rèn)為是一種具有分形特征的分散多孔介質(zhì)，土壤分形維數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)幾何形體的參數(shù)。由表4可知，該典型淤地壩壩地分層淤積物的分形維數(shù)在2.661～2.703。為了進(jìn)一步分析淤積年限內(nèi)分形維數(shù)隨淤積年份的變化趨勢(shì)，根據(jù)關(guān)帝溝3號(hào)壩的淤積層與次侵蝕性降雨的分析結(jié)果[25]，做出淤積年限內(nèi)關(guān)帝溝3號(hào)壩各淤積層分形維數(shù)隨淤積年份的變化表見(jiàn)表5。根據(jù)表5繪制出關(guān)帝溝3號(hào)壩分形維數(shù)隨淤積年份的變化圖(圖2)。由圖2可知，該典型淤地壩在淤積年限內(nèi)隨著淤積年份的增大呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)，經(jīng)添加趨勢(shì)線后，發(fā)現(xiàn)擬合曲線滿足線性關(guān)系，決定系數(shù)為0.370 5。可見(jiàn)隨著淤積年限的增大，該典型淤地壩壩地分層淤積土樣的分形維數(shù)逐漸減小，表明壩控流域淤積年限內(nèi)的土壤顆粒級(jí)配變粗。究其原因,基本與2.1小河溝流域石畔峁壩分層淤積土樣顆粒組成的分形維數(shù)隨淤積年限的變化原因相同。同理，根據(jù)土壤粒徑分形的物理意義[19-22]可知，壩地分層淤積土樣中沙粒含量增大，粉粒和黏粒減小。因此，本研究結(jié)果表明：該典型淤地壩壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤存在沙化趨勢(shì)，淤積年限內(nèi)壩控流域水土保持措施配置不合理。

表4　關(guān)帝溝3號(hào)壩各淤積層土壤粒級(jí)分布及土壤顆粒的分形維數(shù)

圖2　關(guān)帝溝3號(hào)壩分形維數(shù)隨淤積年份的變化趨勢(shì)

由表6可知，關(guān)帝溝3號(hào)壩壩控流域土地利用結(jié)構(gòu)中草地面積最大，占土地利用面積的36.51%。梯田、坡耕地、林地和壩地分別占25.78%，22.32%，9.15%，6.24%。根據(jù)實(shí)測(cè)資料計(jì)算出王茂溝流域的實(shí)際土壤侵蝕模數(shù)為7 413 t/(km2·a)，達(dá)到了強(qiáng)度侵蝕標(biāo)準(zhǔn)。同理，這也進(jìn)一步說(shuō)明了關(guān)帝溝3號(hào)壩壩控流域內(nèi)不合理的土地利用方式使得流域的土壤侵蝕強(qiáng)度增加幅度之大，這一結(jié)果與以上根據(jù)壩地淤積物顆粒的分形維數(shù)分析的結(jié)果一致，即該典型淤地壩壩控流域內(nèi)的水土保持措施的配置不合理。

表5　關(guān)帝溝3號(hào)壩各淤積層分形維數(shù)隨淤積年份的變化

表6　關(guān)帝溝3號(hào)壩壩控流域土地利用結(jié)構(gòu)

3結(jié) 論

本文針對(duì)目前水土保持綜合治理評(píng)價(jià)中存在的問(wèn)題，根據(jù)典型淤地壩壩地分層淤積物能夠反映出壩控流域淤積年限內(nèi)水土流失情況這一特征，利用室內(nèi)壩地分層淤積物的顆粒分析結(jié)果，結(jié)合分形理論，對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)第I副區(qū)2座典型淤地壩壩控流域已有水土保持措施的合理性給予分析，結(jié)果表明：兩座典型淤地壩壩地分層淤積土樣的分形維數(shù)隨淤積年限的增大，都呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，即典型淤地壩壩控流域不同土地利用類型表層或者更深層的土壤存在沙化趨勢(shì)，典型淤地壩壩控流域淤積年限內(nèi)水土保持措施配置不合理。研究方法拓寬了水土保持措施合理性的評(píng)價(jià)方法，研究結(jié)果為壩控流域水土保持措施的合理配置提供科學(xué)指導(dǎo)。

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Rationality Analysis of Soil and Water Conservation Measures in Basin System Controlled by Typical Check Dams

WEI Xia, LI Xungui, LI Yaojun

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：[Objective] To analyze the rationality of soil and water conservation measures in order to provide a scientific guidance in basin system controlled by typical check dam. [Methods] Two typical check dams were selected, soil sample were collected, grain composition and fractal dimension were calculated, and the fractal dimension trends with the deposition years were analyzed by combining field tests and laboratory tests. [Results] The fractal dimension decreased with the depositing years increasing for the two typical check dams. [Conclusion] There existed desertification in surface or more deep soil of the basin systems controlled by two typical check dams, which showed that the configuration of soil and water conservation measures were unreasonable in the basin system controlled by two typical check dams.

Keywords:typical check dam; basin system controlled by check dams; grain composition; fractal theory; rationality analysis

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0012-06

中圖分類號(hào)：S157

收稿日期：2014-03-26修回日期：2014-04-23

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“典型淤地壩淤積過(guò)程辨識(shí)及其主要影響因素研究”(41001154),“復(fù)雜環(huán)境下涇河流域汛期難控制利用洪水臨界效應(yīng)研究”(51109103); 中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目“基于壩地分層淤積信息的淤積過(guò)程與壩控流域坡溝侵蝕產(chǎn)沙的響應(yīng)研究”(20110490862)

第一作者：魏霞(1980—),女(漢族),陜西省扶風(fēng)縣人,博士后,副教授,主要從事土壤侵蝕與水土保持、水文學(xué)及水資源等方面的研究。E-mail:weix@lzu.edu.cn。