蔣勇軍, 劉秀明, 何師意, 何丙輝, 謝建平, 羅維均, 白曉永, 肖 瓊

1 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,西南大學(xué)巖溶環(huán)境開放實驗室, 重慶 400715 2 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室，貴陽 550081 3 中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，普定 562100 4 中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 國土資源部,廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室, 桂林 541004 6 西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境與生物資源省部共建國家重點實驗室培育基地, 重慶 400715

喀斯特槽谷區(qū)土地石漠化與綜合治理技術(shù)研發(fā)

蔣勇軍1,*, 劉秀明2,3, 何師意4, 何丙輝5, 謝建平6, 羅維均2, 白曉永2, 肖 瓊4

1 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,西南大學(xué)巖溶環(huán)境開放實驗室, 重慶 400715 2 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國家重點實驗室，貴陽 550081 3 中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，普定 562100 4 中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所, 國土資源部,廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室, 桂林 541004 6 西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境與生物資源省部共建國家重點實驗室培育基地, 重慶 400715

深入揭示流域尺度水-土-生資源格局和研發(fā)因地制宜的水-土-生治理技術(shù)是“十三五”石漠化治理工程的主要瓶頸。國家重點研發(fā)計劃——“喀斯特槽谷區(qū)土地石漠化過程及綜合治理技術(shù)研發(fā)與示范”項目(2016YFC0502300)針對槽谷區(qū)特點,鎖定兩個關(guān)鍵科學(xué)問題和五個關(guān)鍵技術(shù),從過程機理研究-技術(shù)研發(fā)-應(yīng)用示范3個層面解剖區(qū)域水/土/生物資源分布格局與地質(zhì)地貌之間的關(guān)系,闡明石漠化過程中的相關(guān)生態(tài)變化機理,因地制宜地研發(fā)水土資源高效利用、土壤地上/下流/漏失阻控與生態(tài)恢復(fù)技術(shù)；研發(fā)野生砧木及經(jīng)濟樹種互作效應(yīng)與優(yōu)化配套技術(shù),構(gòu)建槽谷區(qū)可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)產(chǎn)業(yè)模式并示范推廣,為區(qū)域生態(tài)改善和貧困問題解決提供科技支撐。

土地石漠化；綜合治理技術(shù)；生態(tài)恢復(fù)； 喀斯特槽谷區(qū)

土地石漠化是不同時期在全球熱帶和亞熱帶喀斯特地區(qū)普遍發(fā)生的現(xiàn)象[1-2],在中國南方喀斯特地區(qū)分布最為廣泛、程度最為嚴重,受到國際喀斯特研究學(xué)界的廣泛關(guān)注[3]。石漠化不僅造成生態(tài)系統(tǒng)退化,而且被稱之為“災(zāi)害之源、貧困之因、落后之根”,嚴重制約著經(jīng)濟社會的發(fā)展[4-5]。第一期(2006—2015年)石漠化治理工程取得明顯效果但問題依然不少[6]。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,石漠化治理目標(biāo)從早期以解決農(nóng)戶生計問題為主轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)考慮生產(chǎn)和生態(tài)服務(wù)能力的提升[7]。這在美國田納西流域和地中海沿岸國家已經(jīng)有成功的治理模式[8-10]。喀斯特地區(qū)的表生系統(tǒng)強烈受地質(zhì)背景制約,是“地質(zhì)-生態(tài)”復(fù)合系統(tǒng)[11-12]。地表的水-土-生資源的分布格局與地質(zhì)背景發(fā)育特點密切相關(guān),在流域尺度上表現(xiàn)得更為明顯[13]。但如何深入地解剖水-土-生資源格局與地質(zhì)背景特點之間的關(guān)系,避免當(dāng)前石漠化治理過程中存在的治理措施雷同、實效有待提高、針對性不強等問題？如何構(gòu)建與自然環(huán)境相適應(yīng)、可持續(xù)發(fā)展的人工生態(tài)系統(tǒng)？如何研發(fā)因地制宜、適合不同喀斯特地貌單元特點的水-土-生治理技術(shù)與體系？依舊是“十三五”石漠化治理中亟須攻關(guān)的難題和關(guān)鍵。

喀斯特槽谷區(qū)是中國南方喀斯特分布面積最大的“老、少、邊、山、窮”地區(qū),槽谷區(qū)石漠化區(qū)域水資源高效利用[14-15]、土壤漏失和肥力保育[16-17]、困難立地造林、生態(tài)經(jīng)濟型樹種、草種篩選、坡耕旱地系統(tǒng)整治等一些關(guān)鍵性技術(shù)問題亟待解決?？萍疾恐攸c研發(fā)計劃——“喀斯特槽谷區(qū)土地石漠化過程及綜合治理技術(shù)研發(fā)與示范”項目針對槽谷區(qū)緊密式箱型背斜/向斜構(gòu)造發(fā)育、巖層傾角大、碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖互層、高位蓄水構(gòu)造頻繁出露、干谷區(qū)旱澇災(zāi)害頻發(fā)等特點,加強對喀斯特槽谷地區(qū)“三水”轉(zhuǎn)換過程、生境高度異質(zhì)性的認識和改造、植物適應(yīng)性及適生物種的篩選、物種搭配及群落構(gòu)建等研究和技術(shù)研發(fā),最后構(gòu)建穩(wěn)態(tài)喀斯特生態(tài)系統(tǒng)和綠色產(chǎn)業(yè)發(fā)展機制與生產(chǎn)和生態(tài)服務(wù)能力協(xié)同的流域適應(yīng)性管理體系。

1 項目研究內(nèi)容

1.1 研究思路

針對喀斯特槽谷區(qū)石漠化治理的主要問題,聚焦兩個關(guān)鍵科學(xué)問題:(1)背斜/向斜型槽谷區(qū)水土資源分配格局及動態(tài)差異機制？(2)野生砧木及經(jīng)濟樹種與土壤生態(tài)環(huán)境互作機制？擬解決5個關(guān)鍵技術(shù)問題：(1)干谷雨洪“攔-引-蓄-用”與防洪排澇技術(shù)；(2)“籬-埂-路-溝-池(窖)” 順層坡土壤侵蝕控制與蓄水技術(shù)；(3)土壤大團聚體重塑與根系構(gòu)型改良的“根-土復(fù)合體”阻隔逆層坡土壤漏失技術(shù)；(4)野生砧木及經(jīng)濟樹種互作效應(yīng)與優(yōu)化技術(shù)；(5)近自然群落-經(jīng)濟植物復(fù)合種植與生態(tài)恢復(fù)技術(shù),提出研究思路(圖1): 以喀斯特槽谷區(qū)土地石漠化過程的空間格局及驅(qū)動力研究為出發(fā)點,通過對典型槽谷的解剖,揭示水資源時空變化過程及特點,研發(fā)相應(yīng)的利用技術(shù)并示范；揭示土壤流/漏失過程及特點,研發(fā)相應(yīng)的防治技術(shù)并示范；揭示植物群落退化過程與特點,研發(fā)相應(yīng)的調(diào)控與恢復(fù)技術(shù)并示范；構(gòu)建與喀斯特槽谷生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力維持機制相匹配的生態(tài)產(chǎn)業(yè)示范體系；評估中國南方喀斯特槽谷區(qū)小流域主要類型對不同治理模式的適應(yīng)性,提出槽谷區(qū)小流域主要類型綜合治理優(yōu)化方案的系列咨詢報告。

1.2 主要研究內(nèi)容

圍繞上述研究思路,項目設(shè)置6個課題,具體研究內(nèi)容如下：

圖1 項目研究思路圖Fig.1 Diagram of the project work flow

1.2.1 喀斯特槽谷區(qū)石漠化發(fā)生與演變規(guī)律及驅(qū)動機制

用多時相數(shù)據(jù)闡明區(qū)域石漠化演變的時空格局及地質(zhì)背景制約的分異規(guī)律,解析重大人為活動的驅(qū)動機制[18]；用高分遙感數(shù)據(jù)精細刻畫流域的地質(zhì)背景、水-土-生資源配置、貧困空間分布格局及規(guī)律,揭示石漠化演變過程與規(guī)律,解析驅(qū)動力、關(guān)鍵因子交互關(guān)系并構(gòu)建景觀模型進行預(yù)景,為區(qū)域石漠化的分類治理決策、流域石漠化治理與精準(zhǔn)扶貧的實施等提供科技支撐。

1.2.2 喀斯特槽谷區(qū)水資源時空變化及高效利用技術(shù)研發(fā)與示范

針對槽谷區(qū)干谷發(fā)育且降雨產(chǎn)匯流過程迅速、旱澇災(zāi)害頻發(fā)、高位蓄水構(gòu)造頻繁出露但利用開發(fā)難度大、槽谷兩翼山地水資源漏失嚴重以及高強度的人類活動帶來日趨嚴重的水污染[13,19-20]等問題,通過地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)資料收集、定位動態(tài)監(jiān)測、示蹤與水文地球化學(xué)等技術(shù)手段,闡明水資源時空演化規(guī)律及形成機制；研發(fā)干谷雨-洪水資源的“攔-引-蓄-用”與防洪排澇技術(shù)；研發(fā)“路-溝-池(窖)”的 坡面蓄水與凈化處理技術(shù)體系、“蓄-引”的高位表層巖溶泉和接觸泉開發(fā)利用技術(shù),通過試驗與示范,為坡地石漠化綜合治理提供水資源保障；提出槽谷區(qū)水資源開發(fā)利用集成模式。

1.2.3 喀斯特槽谷區(qū)土壤地上/下流/漏失過程與保護技術(shù)研發(fā)及示范

針對喀斯特槽谷區(qū)特殊地質(zhì)構(gòu)造與水土流/漏失的特殊性,通過全坡面徑流場結(jié)合多核素示蹤技術(shù),闡明喀斯特槽谷區(qū)土壤地上地下流/漏失過程與機理；研發(fā)順層坡 “籬-埂-路-溝-池(窖)” 坡面土壤流失防控關(guān)鍵技術(shù)；研發(fā)逆層坡土壤大團聚體重塑及根-土復(fù)合體阻隔逆層坡土壤漏失技術(shù)；揭示不同石漠化階段土壤化學(xué)侵蝕過程,研發(fā)養(yǎng)分均衡有機化的土壤保育技術(shù)。通過土壤內(nèi)部調(diào)控與坡面控制工程相結(jié)合,集成量、質(zhì)雙增的土壤保育關(guān)鍵技術(shù)并進行示范。

1.2.4 喀斯特槽谷區(qū)退化植物群落生態(tài)恢復(fù)技術(shù)與示范

在樣帶調(diào)查、經(jīng)濟樹種及野生砧木資源收集、先鋒種和優(yōu)勢種的篩選、野外控制試驗、室內(nèi)培養(yǎng)試驗的基礎(chǔ)上,采用該領(lǐng)域比較先進的技術(shù)如穩(wěn)定性同位素技術(shù)[21-23]、分子生物學(xué)、功能基因組學(xué)、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組,Biolog代謝板、NMR代謝組學(xué)[24,25]等,闡明植被退化的生態(tài)過程與機制與土壤微生物特征；篩選植被恢復(fù)的建群種和優(yōu)先種,確定槽谷區(qū)干旱貧瘠土壤適生野生砧木和經(jīng)濟樹種,闡明野生砧木及經(jīng)濟樹種與土壤生態(tài)環(huán)境互作機制,建立近自然群落-經(jīng)濟植物復(fù)合種植與生態(tài)恢復(fù)技術(shù)；研發(fā)野生砧木和適生經(jīng)濟樹種嫁接、種植與產(chǎn)量品質(zhì)調(diào)控技術(shù)；篩選并優(yōu)化促進野生砧木根系發(fā)育的微生物菌株,研制微生物菌劑,加快退化植被生態(tài)恢復(fù)。

1.2.5 喀斯特槽谷區(qū)生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系研發(fā)與應(yīng)用示范

解析喀斯特槽谷類型與生態(tài)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的耦合關(guān)系,選取典型喀斯特槽谷構(gòu)建和集成示范“特色經(jīng)濟作物高效栽培、產(chǎn)品精加工技術(shù)與生態(tài)農(nóng)林產(chǎn)業(yè)體系”、“道地中藥材高效豐產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與精品生態(tài)藥業(yè)產(chǎn)業(yè)體系”、“武陵山區(qū)(槽谷)生態(tài)游憩資源與商品開發(fā)產(chǎn)業(yè)體系”、“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)鏈”等,全方位構(gòu)建槽谷石漠化治理與經(jīng)濟效益相促進的多種生態(tài)產(chǎn)業(yè)體系,形成生態(tài)治理與生態(tài)產(chǎn)業(yè)協(xié)同技術(shù)方案,開展縣域范圍以上應(yīng)用示范,建立符合科學(xué)邏輯和可演繹的喀斯特石漠化治理與生態(tài)產(chǎn)業(yè)模式。

1.2.6 喀斯特槽谷區(qū)石漠化綜合治理模式評價與優(yōu)化及區(qū)域推廣

針對大型水利工程改變喀斯特地下水流場[26],生態(tài)系統(tǒng)效益與生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)混亂[27-28],流域適應(yīng)性管理缺乏有效集成[29-31],石漠化協(xié)同治理模式難以進行區(qū)域推廣等問題,采用水文地球化學(xué)技術(shù)、PSR模型[32-33]、PLM、ELM模型與DPSIR框架發(fā)展決策支持系統(tǒng)等多種手段相結(jié)合的研究方法,揭示水利工程的生態(tài)效應(yīng)特征及其規(guī)律,構(gòu)建石漠化治理恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)系統(tǒng)健康的指標(biāo)體系,對不同類型槽谷石漠化治理模式進行優(yōu)化,提出槽谷區(qū)石漠化協(xié)同治理模式。

1.3 研究方案與技術(shù)路線

在深入認識喀斯特槽谷區(qū)特點的基礎(chǔ)上,詳細分析槽谷區(qū)地質(zhì)地貌背景和前期石漠化治理成效,進行槽谷類型和流域類型劃分,剖析區(qū)域水/土/生物資源分布格局與形成機制,揭示流域尺度土地石漠化的時空格局演變過程與驅(qū)動機制,揭示典型槽谷流域喀斯特生態(tài)系統(tǒng)的運行過程與規(guī)律,因地制宜地研發(fā)水土資源高效利用、土壤坡面流失控制和地下漏失阻控、土壤保育與生態(tài)恢復(fù)技術(shù)體系,闡明經(jīng)濟作物生長的限制性因子與機制,研發(fā)野生砧木和經(jīng)濟樹種互作效應(yīng)與優(yōu)化配套技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化體系,解決經(jīng)濟與生態(tài)效益之間的矛盾。同時構(gòu)建槽谷區(qū)穩(wěn)定且可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)產(chǎn)業(yè)模式,并進行示范推廣,為區(qū)域生態(tài)改善和貧困問題解決提供科技支撐。具體技術(shù)路線如圖2所示。

2 總體目標(biāo)

2.1 項目目標(biāo)

項目將在理論上闡明槽谷區(qū)水-土-生物資源的分配格局及形成的差異機制,揭示流域尺度土地石漠化形成演化過程及驅(qū)動機制,揭示順層坡土壤流失與逆層坡土壤漏失過程及差異機制,闡明水文-生態(tài)系統(tǒng)對典型大型工程建設(shè)的響應(yīng)過程,闡明土壤營養(yǎng)元素流失過程及經(jīng)濟林(果)退化早衰的土壤限制性因子,揭示生態(tài)系統(tǒng)退化及野生砧木-微生物根際互作的分子機理。在技術(shù)上研發(fā)干谷“攔-引-蓄-用”與防洪排澇技術(shù)、“路-溝-池(窖)”坡面水系利用技術(shù)、“引”為主或“蓄-引”并重的地下水利用技術(shù)、“路-溝-池”間“籬-埂”順層坡水土流失控制技術(shù)、“根-土復(fù)合體”逆層坡土壤漏失阻控技術(shù)、經(jīng)濟林(果)早衰防控技術(shù)、定向培肥與養(yǎng)分均衡有機化土壤保育技術(shù)、野生砧木和適生經(jīng)濟樹種嫁接、種植與產(chǎn)量品質(zhì)調(diào)控技術(shù)近自然群落-經(jīng)濟植物復(fù)合種植與生態(tài)恢復(fù)技術(shù)、適宜且具槽谷特色的生物能源、生物醫(yī)藥、山地旅游等生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)。最終建立水土資源高效利用模式與示范、穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)與適宜槽谷特色生態(tài)產(chǎn)業(yè)模式與示范、退化植被生態(tài)恢復(fù)的經(jīng)濟樹種產(chǎn)業(yè)開發(fā)配套技術(shù)模式與示范、不同類型槽谷石漠化綜合治理模式與示范、槽谷區(qū)石漠化協(xié)同治理模式與區(qū)域推廣等模式目標(biāo),為喀斯特槽谷石漠化區(qū)生態(tài)環(huán)境改善、長江中上游地區(qū)生態(tài)安全屏障建設(shè)提供科技支撐。

2.2 考核指標(biāo)

項目整體考核指標(biāo)包括水土資源高效利用技術(shù)與模式6項、土壤流/漏失阻控技術(shù)4項、土壤質(zhì)量保育技術(shù)5項、生態(tài)修復(fù)與優(yōu)化配置技術(shù)4項、生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)模式8項、開展縣域范圍以上應(yīng)用示范,具體包括發(fā)表論文、專著 、研發(fā)專利、開發(fā)數(shù)據(jù)庫、培養(yǎng)人才等,同時歸納總結(jié)石漠化土地綜合治理模式8—10項、土壤流/漏失阻控技術(shù)4項、土壤質(zhì)量保育技術(shù)5項、生態(tài)修復(fù)與優(yōu)化配置技術(shù)4項、生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)模式8項,建立2個示范基地,為省部級以上政府部門采納的戰(zhàn)略咨詢報告2份。

圖2 項目技術(shù)路線圖Fig.2 Schematic representation of the technologies for this project

2.3 預(yù)期成果

科學(xué)方面：從流域尺度上揭示典型背斜/向斜型槽谷區(qū)水土資源分配格局、土壤流/漏失與土地石漠化形成的動力學(xué)機制,及野生砧木及經(jīng)濟樹種與土壤生態(tài)環(huán)境互作機制,闡明槽谷區(qū)“地質(zhì)-生態(tài)”復(fù)合系統(tǒng)的水-巖-土-氣-生的相互作用與相互影響過程,為因地制宜進行石漠化治理提供科學(xué)依據(jù)。

技術(shù)方面：研發(fā)和集成具有槽谷特色的水土資源高效利用、土壤流/漏失阻控與質(zhì)量保育以及生態(tài)修復(fù)與優(yōu)化配置等技術(shù),以及適宜的生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)模式,并形成相應(yīng)的示范區(qū),推動槽谷區(qū)域社會、生態(tài)和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)語

“天無三日晴,地?zé)o三尺平,人無三分銀”,是喀斯特地區(qū)環(huán)境和社會的真實寫照,本項目將形成具有典型示范價值的喀斯特槽谷石漠化區(qū)生態(tài)治理、生態(tài)產(chǎn)業(yè)、生態(tài)富民相結(jié)合的系統(tǒng)性技術(shù)解決方案,實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟、社會等綜合效益,對即將啟動的第二期國家石漠化治理工程提供強有力的科技支撐作用。但是在項目實施過程中,石漠化發(fā)生與演變規(guī)律多時相數(shù)據(jù)、不同時空尺度遙感數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)耦合的理論和方法、石漠化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的關(guān)鍵技術(shù)能否成功突破；單項技術(shù)能否有效整合以及在喀斯特槽谷示范區(qū)有效集成需要各課題間加強合作與交流,及時總結(jié)成功經(jīng)驗,同時需要項目專家組實時實地對項目實施進行指導(dǎo)與評估。

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Research and development of comprehensive rehabilitation measures for land rocky desertification in karst trough valley area

JIANG Yongjun1,*, LIU Xiuming2,3, HE Shiyi4, HE Binghui5, XIE Jianping6, LUO Weijun2, BAI Xiaoyong2, XIAO Qiong4

1SchoolofGeographicalSciences&KarstEnvironmentLaboratory,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China2StateKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry,InstituteofGeochemistry,Guiyang550081,China3ChineseAcademyofSciences,PudingKarstEcosystemResearchStation,ChineseAcademyofSciences,Puding562100,China4KeyLaboratoryofKarstDynamics,MinistryofLandandResources&Guangxi,InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin541004,China5CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China6StateKeyLaboratoryBreedingBaseofEco-EnvironmentandBio-ResourceoftheThreeGorgesArea,SchoolofLifeSciences,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China

The bottleneck of the “Thirteenth- five” Program of Rock Desertification Control is to unveil the watershed scale water-soil-biology pattern and develop water-soil-biology restoration technologies corresponding to local conditions. The National key research and development program of China (2016YFC0502300) integrates multi-disciplinary teams to explore the land rocky desertification landscape restoration and for pilot test in the karst trough valley, two key scientific questions and five technologies are the foci of this program. The project will probe the relationships between the distributions of water-soil-biology and landscape and geology, and elucidate the mechanism of the ecological deterioration during the land rocky desertification process, and develop high efficient techniques on soil and water resources utilization and the soil flow/loss prevention upon/underground. Appropriated technologies for better combination the advantages of aboriginal wild rootstocks and economic tree species will be developed, with special aim to reconcile the seemingly conflicting interests between economy development and ecological protection, a sustainable ecosystem and eco-industry model in karst trough valley will be established, which will provide a scientific and technological support for regional ecosystem restoration and poverty elimination.

land rock desertification;comprehensive rehabilitation measures;ecological restoration;Karst trough valley area

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0502300)

2016- 10- 14

10.5846/stxb201610142074

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jiangjyj@swu.edu.cn

蔣勇軍, 劉秀明, 何師意, 何丙輝, 謝建平, 羅維均, 白曉永, 肖瓊.喀斯特槽谷區(qū)土地石漠化與綜合治理技術(shù)研發(fā).生態(tài)學(xué)報,2016,36(22):7092- 7097.

Jiang Y J, Liu X M, He S Y, He B H, Xie J P, Luo W J, Bai X Y, Xiao Q.Research and development of comprehensive rehabilitation measures for land rocky desertification in karst trough valley area.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7092- 7097.