赫 斌，李 哲，馮 婧，肖 艷，郭勁松

（1：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400044）

（2：中國科學(xué)院水庫水環(huán)境重點實驗室，重慶400714）

（3：中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714）

?

三峽澎溪河回水區(qū)高水位期間高陽平湖總磷模型*

赫 斌1，李 哲2，3**，馮 婧1，肖 艷2，3，郭勁松2，3

（1：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400044）

（2：中國科學(xué)院水庫水環(huán)境重點實驗室，重慶400714）

（3：中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714）

三峽水庫“蓄清排渾”的調(diào)度運行方式使得冬季高水位期間近岸消落帶受淹.消落帶氮、磷等營養(yǎng)物受淹后向水體中釋放與積累對冬末初春的水華將可能具有重要貢獻(xiàn).構(gòu)建高水位時期澎溪河高陽平湖總磷收支模型，定量分析高水位期間總磷的收支途徑、累積量以及累積磷的主要來源.結(jié)果表明：蓄水期，由于蓄水水位升高和頂托而導(dǎo)致大量磷積累；穩(wěn)定期，磷收支變幅較小，總體趨于平緩；水華期，前期積累的磷被大量消耗，形成水華.淹沒消落帶磷釋放是冬季高水位時期高陽平湖總磷的主要來源，蓄水期所淹沒大量消落帶所釋放的磷為冬季末水華暴發(fā)提供條件.研究結(jié)果為后續(xù)定量分析磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化和分配奠定重要基礎(chǔ).

三峽水庫；高水位時期；澎溪河；總磷收支模型；消落帶；高陽平湖

?2016 by Journal of Lake Sciences

磷是影響內(nèi)陸水體富營養(yǎng)化過程的關(guān)鍵生源要素.為揭示天然水體中總磷（TP）的收支及其與富營養(yǎng)化的關(guān)系，1970s，國際上開始關(guān)注于水體TP濃度收支關(guān)系計算以用來服務(wù)環(huán)境管理［1］.較早的TP模型是Vollenweider于1975年提出［1-3］，此后Dillon等對Vollenweider模型進(jìn)行修正，提出不同湖水TP濃度的數(shù)學(xué)模型［4］.但上述模型均未考慮底質(zhì)與水體界面的磷交換過程［5］.Welch等［6］進(jìn)一步改進(jìn)Vollenweider模型，使其包括一個恒定的底質(zhì)磷釋放速率.考慮到底質(zhì)磷交換的動態(tài)性，Lorenzen等［7］構(gòu)建底質(zhì)-水相相互作用的TP模型.不僅如此，Steven［2］和KamP［8］對此逐步進(jìn)行改進(jìn).相比較于更為復(fù)雜的生態(tài)動力學(xué)模型，TP收支模型結(jié)構(gòu)簡單，所需的模型參數(shù)少，容易建構(gòu)并驗證，故在湖泊和水庫富營養(yǎng)化分析中，依然是常用且強大的分析工具.

三峽成庫后的支流富營養(yǎng)化與頻發(fā)的水華現(xiàn)象近年來備受關(guān)注.前期調(diào)查研究中普遍觀點認(rèn)為水庫氮、磷等營養(yǎng)物豐富而通常不易成為限制性因子，但關(guān)于支流TP收支關(guān)系鮮見報道.受“蓄清排渾”調(diào)度運行的影響，水庫冬季蓄水進(jìn)入枯季高水位狀態(tài)，伴隨近岸消落帶受淹、水庫庫容增加，支流回水區(qū)將可能出現(xiàn)顯著的磷積累現(xiàn)象，并可能對冬末初春水華產(chǎn)生顯著貢獻(xiàn).為揭示上述現(xiàn)象，本文選擇三峽典型支流澎溪河回水區(qū)的高陽平湖段，在Vollenweider的TP收支模型基礎(chǔ)上，建立枯季高水位時期高陽平湖TP收支模型.定量分析高水位期間TP的收支途徑、累積量以及累積磷的主要來源，為后續(xù)定量分析磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化和分配奠定基礎(chǔ).

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域與樣品采集

澎溪河地處四川盆地東部邊緣，流域面積5173 km2，干流全長182.4 km.其下游回水區(qū)高陽平湖水域［9］（圖1），經(jīng)峽谷流入此處，流速減緩，具有類似湖泊的地貌環(huán)境及水文水力特征.該水域在夏季低水位階段平均水深不足10 m，冬季高水位階段平均水深將超過40 m，水域物理邊界呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性交替特征.為開展對TP收支關(guān)系的計算，本研究選擇高陽平湖入口（31°6′12″N，108°39′12″E；簡寫為“高陽1”）、湖心（31°5′48″N，108°40′20″E；簡寫為“高陽2”），出口（31°4′60″N，108°40′14″E；簡寫為“高陽3”）為控制性斷面（圖1）.于2011年9月至2012年3月一個完整的高水位運行階段開展逐月跟蹤觀測.

圖1　澎溪河回水區(qū)云陽段及高陽平湖示意和采樣點位置Fig.1 Backwater area of the Pengxi River and samPling sites in Lake Gaoyang

消落帶土壤采集在高陽平湖庫灣平臺附近進(jìn)行，于水面上大約0.2、5、10、20 m處消落帶斜坡面分梯度采樣.使用柱狀采樣器（采樣管高55 cm、內(nèi)徑10.5 cm）進(jìn)行采樣，然后切取0～20 cm的表層樣品放于自封袋中冷藏保存帶回實驗室，用于分析消落帶土壤的活性磷；在高陽平湖庫灣平臺附近水面靠近河床處使用柱狀采樣器采集底泥樣品，采集后將樣品放于自封袋中冷藏保存帶回實驗室用于測定底泥的活性磷.土壤監(jiān)測時間為2011年9月至2012年3月，采樣頻次為1次/月，采樣時間控制在采樣當(dāng)天9：30-16：30.

根據(jù)高陽平湖冬季高水位時期水文與水生態(tài)特征，將冬季高水位時期劃分為3個階段：1）蓄水期（9月中旬-10月下旬）：汛末蓄水，在持續(xù)40 d左右的時間內(nèi)，水位不斷上升，高陽平湖庫容不斷增加.2）穩(wěn)定期（11月上旬-次年1月下旬）：三峽水位在170～175 m附近維持高水位運行，高陽平湖庫容和淹沒消落帶面積達(dá)到最大，具有類似深水湖泊的水文水力特征.3）水華期（2月上旬-3月下旬）：處于高水位運行末期，水庫開始下泄放水，冬季末期氣溫逐漸回暖，易于形成水華.研究期間三峽水庫壩前水位如圖2所示.

1.2測定指標(biāo)

測定指標(biāo)包括：水溫、TP、消落帶活性磷（ps1）、永久淹沒區(qū)活性磷（ps2），活性磷計算方法為：活性磷=總磷-無機磷+顆粒物表面的吸附磷+鋁磷+鐵磷［11］.土壤總磷和無機磷采用磷鉬藍(lán)比色法［11］；吸附磷、鋁磷、鐵磷采用SMT連續(xù)浸提法［12］.水質(zhì)化學(xué)測試指標(biāo)分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行［11］，土壤化學(xué)測試指標(biāo)分析方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》進(jìn)行［12］.

圖2　研究期間三峽水庫壩前水位變化Fig.2 Variation of water level in the Three Gorges Reservoir during the research

1.3數(shù)據(jù)來源與分析方法

本文所有數(shù)據(jù)均錄入Excel軟件或Origin軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用變異系數(shù)CV值表征數(shù)據(jù)變化幅度.模型計算中所需的水位數(shù)據(jù)來自于中國長江三峽集團(tuán)網(wǎng)站；日流量數(shù)據(jù)根據(jù)開縣溫泉水文站（占24%控制流域面積）流量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行換算；氣候氣象數(shù)據(jù)直接來自于研究團(tuán)隊設(shè)置在高陽平湖庫灣的氣象站.不同水位下的高陽平湖庫容、水域面積與消落帶實際面積，以175 m以下1：2000DEM為基礎(chǔ)，采用ArcGIS直接提取.

2　高水位期間高陽平湖TP模型的建構(gòu)

2.1時空邊界與模型基本假設(shè)

本研究集中于揭示冬季蓄水后高水位時期的TP收支關(guān)系，故研究的時間邊界為9月末（汛末蓄水開始）至次年3月（第一場明顯降雨來臨之前）整個高水位運行期間，空間邊界為高陽平湖高陽1、高陽3控制斷面內(nèi)的175 m高程以下的水域、永久淹沒區(qū)與消落帶.模型具有以下假設(shè)：

1）因研究期間位于冬季，高陽平湖水體不分層且枯水期未出現(xiàn)異重流等改變水質(zhì)空間分布的現(xiàn)象［13］，故水域內(nèi)不存在水平和垂直空間位置差異，假設(shè)變量與參數(shù)均為空間均質(zhì)性［13-15］.不考慮因水動力學(xué)條件改變而產(chǎn)生的各種生態(tài)要素時空遷移特征，即所構(gòu)建的TP模型為零維［16］.

2）因云陽縣高陽污水處理廠排污口位于高陽3斷面下游500 m處，故模型中暫不考慮高陽鎮(zhèn)點源輸入的影響.

3）因研究期間為冬季枯水季節(jié)，期間降水量僅為全年的10%～20%，且相比較于高陽平湖水域面積（水位175 m以下為92 km2），高陽1～高陽3斷面間控制流域面積很?。s為95 km2），故模型中忽略面源污染導(dǎo)致的TP輸入.

4）高陽平湖位于澎溪河回水區(qū)中段，距澎溪河長江匯入口約20 km.根據(jù)“十一五”水專項子課題《水位調(diào)節(jié)壩水質(zhì)水量調(diào)度控藻技術(shù)研究》（2008ZX07104-005-005）模擬結(jié)果，因三峽水庫運行導(dǎo)致的倒灌并不影響到本研究所在的高陽平湖，故不考慮高陽3斷面可能存在的倒灌問題.

5）在模型設(shè)計中以1 d為一個穩(wěn)態(tài)單位，將高水位時期簡單的看成是多個穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的連續(xù)過程.假設(shè)每一個穩(wěn)態(tài)條件下（即1 d內(nèi)）磷釋放率和沉降速率保持不變，水體體積不變，單位時間流入水體流量=流出水體流量.

6）模型為TP模型，不考慮食物網(wǎng)中的捕食關(guān)系（如魚類對藻類捕食）導(dǎo)致的水體TP濃度變化.因研究期間為冬季高水位時期，水生生物活性較低，且水深較大，故在底泥磷釋放中，不考慮底棲動物的貢獻(xiàn).

7）因為冬季水流平穩(wěn)，流體擾動較小，沉積物僅考慮上層0.2 m，0.2 m深度以下的沉積物磷假定不參與系統(tǒng)代謝.

2.2TP模型結(jié)構(gòu)與基本方程

根據(jù)上述假設(shè)，視高陽平湖為一個完全混合反應(yīng)器（CSTR），采用Steven［2］在Vollenweider模型［1-3］基礎(chǔ)上針對底質(zhì)與水體相互作用的修改版為基礎(chǔ)，其TP收支中的源匯項與反應(yīng)項分別為：

1）輸入項：高陽1斷面自上游TP輸入，高陽平湖陸源（點源、非點源）TP輸入（本模型中假設(shè)為0）、水位升高消落帶磷釋放、永久淹沒區(qū)底泥磷釋放；2）輸出項：高陽3斷面向下游TP輸出；3）反應(yīng)項：高水位期間磷的沉積（顆粒態(tài)磷的沉降），永久淹沒區(qū)底泥同水體的交換.

其中，模型認(rèn)為消落帶為新受淹土壤，與永久淹沒區(qū)底泥已經(jīng)相對穩(wěn)定的水-底泥磷交換存在顯著區(qū)別.故模型中將消落帶受淹后同水體磷交換的系數(shù)和永久淹沒區(qū)內(nèi)底泥同水體的磷交換系數(shù)分別處理.據(jù)此，模型基本方程為：

式中，V為湖水的容積（m3），隨水位變化而變化；p為湖水總磷濃度（g/m3）；t為時間（d）；W為高陽平湖中的磷負(fù)荷量（g/d）；Q為流量（m3/d）；vs為總磷沉降速率（1/d）；vr1和vr2分別為從消落帶和永久淹沒區(qū)到水體的磷交換系數(shù)（1/d）；A消落帶和A永久淹沒區(qū)分別為消落帶和永久淹沒區(qū)表面積（m2）；ps1和ps2分別為消落帶和永久淹沒區(qū)土壤活性磷濃度（g/m2）.

其中，從消落帶和永久淹沒區(qū)到水體的磷交換系數(shù)vr1和vr2，主要受溫度影響，根據(jù)Vant't Hoff方程，表述為：

式中，Km2和Km3分別為20℃時消落帶磷和永久淹沒區(qū)磷的礦化率（1/d），θm2和θm3分別為其溫度系數(shù).

根據(jù)上述分析，對于總磷模型而言，各磷庫的速率和通量計算公式見表1.

表1　總磷模型速率（g/d）和通量（g/（d·m3））的計算公式Tab.1 Formulas of PhosPhorus fluxes and rates of conversion of TP model

初始條件下，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［17-19］和前期研究結(jié)果，對模型參數(shù)設(shè)置初始估值，見表2.

表2　總磷模型參數(shù)估值Tab.2 Parameters for TP model simulation

2.3TP模型求解與驗證

因采用穩(wěn)態(tài)假設(shè)，故在確定每天相關(guān)因變量的基礎(chǔ)上，在Excel表格基礎(chǔ)上直接進(jìn)行算術(shù)計算，獲得模型預(yù)測與模擬結(jié)果.模型校樣采用狀態(tài)變量校對誤差（Y）、平均狀態(tài)變量校對誤差（R）和最大狀態(tài)變量校對誤差（A）這3個校準(zhǔn)指標(biāo)來定量表示.若3個指標(biāo)的值都比較小，則此模型具有預(yù)測價值［20-21］.其公式分別為：

模型校樣結(jié)果（圖3）表明，模型能較好地描述高陽平湖高水位時期TP濃度的動態(tài)變化，模擬值與實測值兩者的變動趨勢基本一致.模型中TP濃度校驗指標(biāo)Y、R和A值分別為2.078%、5.749%和-6.753%，可以看出其誤差在10%以內(nèi)，在僅提供少量測量數(shù)據(jù)的情況下，上述差異被認(rèn)為可接受.

圖3　研究期間高陽平湖高水位時期TP濃度模擬值與實測值Fig.3 Simulation and measurement of TP concentration in Lake Gaoyang during high water level stage

3　結(jié)果與分析

3.1高水位不同階段各磷庫總磷的轉(zhuǎn)化速率

在高陽平湖TP模型基礎(chǔ)上，對高陽平湖磷累積、磷沉降以及磷交換等關(guān)鍵過程進(jìn)行計算，結(jié)果見表4.

在蓄水初期，TP累積速率和消落帶水土界面磷交換速率都存在不同幅度的上升趨勢，并在此時達(dá)到整個高水位時期的最大值，隨后在蓄水中后期開始存在不同幅度的下降，總體而言都為正值；永久淹沒區(qū)水土界面磷交換速率在蓄水期逐漸下降；而TP沉降速率呈逐漸上升趨勢（圖4）.

表4　研究期間高陽平湖高水位時期各磷庫TP的轉(zhuǎn)化速率*Tab.4 Rates of conversion between the different PhosPhorus _____Pools in Lake Gaoyang during high water level stage

穩(wěn)定期，TP累積速率及消落帶和永久淹沒區(qū)水土界面磷交換速率在整個時期大體表現(xiàn)較平穩(wěn).其中TP累積速率在前期出現(xiàn)幾次短暫的陡降；消落帶水土界面磷交換速率在中期出現(xiàn)短暫的上升；永久淹沒區(qū)水土界面磷交換速率略有上升后繼續(xù)平緩下降；TP沉降速率在該時期逐漸上升，并在穩(wěn)定期末期達(dá)到整個高水位時期的峰值.

圖4　研究期間高陽平湖高水位時期各磷庫TP的轉(zhuǎn)化速率Fig.4 Rates of conversion between different PhosPhorus Pools in Lake Gaoyang during high water level stage

水華期，TP累積速率在該時期大體表現(xiàn)平穩(wěn)并在末期逐漸下降；消落帶和永久淹沒區(qū)水土界面磷交換速率在該時期呈逐漸下降趨勢，并在水華期末期達(dá)到整個高水位時期的最低值，但總體都為正值；TP沉降速率在水華期呈先下降后小幅上升趨勢.

3.2高水位期間不同階段各磷庫TP通量

高陽平湖高水位期間不同階段各磷庫TP通量（圖5）表明，TP累積通量與消落帶和永久淹沒區(qū)水土界面磷交換通量具有相同的變化趨勢，在蓄水期達(dá)到最大值，隨著時間增加而逐漸降低，在水華期達(dá)到最低，即在蓄水期出現(xiàn)磷量的累積，而在高水位中期開始隨即出現(xiàn)累積磷量下降；而TP沉降通量在3個時期都表現(xiàn)出較平穩(wěn)的狀態(tài)，僅在穩(wěn)定期略高一些.

圖5　研究期間高陽平湖高水位不同階段各磷庫TP通量Fig.5 PhosPhorus fluxes of different PhosPhorus Pools in Lake Gaoyang

4　討論

蓄水期，持續(xù)不斷的蓄水導(dǎo)致大量TP隨流水帶入高陽平湖.水位增高也使得淹沒消落帶面積不斷增多，被淹消落帶在物理和生化過程作用下逐漸向上覆水中釋放碳、氮、磷等物質(zhì)［22-23］，因而在蓄水初期TP累積速率、消落帶水土界面磷交換速率不斷增加.研究發(fā)現(xiàn)，在蓄水期消落帶和永久淹沒區(qū)土壤磷釋放動力學(xué)過程是個由快轉(zhuǎn)慢的過程［24-27］，即在蓄水初期具有較大磷釋放速率而到了蓄水中后期磷釋放速率逐漸減緩，磷釋放量逐漸達(dá)到最大值，動力學(xué)趨向于平衡.因此在蓄水中后期，TP累積速率和消落帶水土界面磷交換速率開始下降；永久淹沒區(qū)隨著淹沒時間增長，水土界面磷交換速率在此期間呈現(xiàn)下降趨勢；在整個蓄水期，隨著水位逐漸逼近最高水位，徑流量逐漸減少和水位壅升的交替作用使得此時高陽平湖流速逐漸減緩，水體滯留時間延長，加之降雨量的明顯減少，水體中懸浮顆粒物逐漸下降，因而在整個蓄水期TP沉降速率逐漸增大.蓄水期間，靜水壓力增加亦可能影響消落帶和底泥的磷釋放，并可能影響高陽平湖磷達(dá)到釋放-沉降動態(tài)平衡的時間.但本模型中假設(shè)底泥和消落帶的磷釋放并不受靜水壓力影響.后續(xù)研究將對此進(jìn)行進(jìn)一步修正完善.

穩(wěn)定期，蓄水達(dá)到最大庫容，水庫進(jìn)入冬季枯水季節(jié)，上游來水較少，高陽平湖水體接近靜止?fàn)顟B(tài)，動力條件近似于深水湖泊，因而TP沉降速率在蓄水期的基礎(chǔ)上持續(xù)增大［28］；在經(jīng)歷蓄水期的浸泡后，消落帶和永久淹沒區(qū)水土界面磷釋放速率已達(dá)到動態(tài)平衡；TP累積速率在此時變幅較小，總體趨于平緩并且都表現(xiàn)為正值.

水華期，受到水位逐漸降低和水體擾動的影響，使得TP沉降速率受到干擾，在該時期呈下降趨勢；水位的下降也使得淹沒消落帶面積減少，消落帶水土界面磷交換速率也逐漸減小，并到達(dá)整個高水位時期的最低值；永久淹沒區(qū)受到水位變化的影響較小，水土界面磷交換速率達(dá)到動態(tài)平衡，略有下降；出湖水量的增加和內(nèi)源釋放的減少使得TP累積速率呈現(xiàn)穩(wěn)步降低的趨勢.

綜上所述，在高水位蓄水期，由于蓄水水位升高和頂托而導(dǎo)致大量磷積累.因此利用TP模型對2011-2012年整個高水位時期TP收支途徑和累積量進(jìn)行模擬.在冬季高水位時期，高陽平湖水中TP主要通過上游TP輸入、消落帶和永久淹沒區(qū)磷釋放這3種途徑來累積，通過下游輸出和水體總磷沉降這2種途徑來支出（圖6）.對于收入途徑來說，永久淹沒區(qū)磷釋放通量占輸入總通量的13.48%，消落帶磷釋放通量高于上游TP輸入通量，占輸入總通量的57.37%，是冬季高水位時期高陽平湖TP的主要來源.這說明由于蓄水水位升高和頂托所淹沒的消落帶在一定程度上成為庫區(qū)重要的磷源，并可能對冬末初春水華形成具有重要貢獻(xiàn).對于支出途徑來說，下游TP輸出通量略高于TP沉降通量，成為TP支出的首要途徑，占TP總支出通量的63.41%.

圖6　研究期間高陽平湖高水位時期TP累積通量示意Fig.6 Fluxes of TP accumulation in Lake Gaoyang during high water level stage

5　結(jié)論

在高陽平湖高水位蓄水期、穩(wěn)定期和水華期這3個階段中各磷庫TP通量各不相同，冬季高水位時期的外源性TP輸入、輸出基本相當(dāng).蓄水期，由于蓄水水位升高和頂托而導(dǎo)致磷大量累積；穩(wěn)定期，磷收支變幅較小，總體趨于平緩；水華期，前期積累的磷被大量消耗，形成水華.淹沒消落帶是冬季高水位時期高陽平湖TP的主要來源（占輸入總通量的57.30%），由于蓄水水位升高和頂托所淹沒大量消落帶所釋放的磷為冬季末水華暴發(fā)提供條件.

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TotaL phosphorus modeL in Lake Gaoyang during the period of high water LeveL in Pengxi River backwater zone，Three Gorges Reservoir

HE Bin1，LI Zhe2，3**，F(xiàn)ENG Jing1，XIAO Yan2，3&GUO Jinsong2，3
（1：Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，P.R.China）
（2：Key Laboratory of Water Environment Reservoir，Chinese Academy of Sciences，Chongqing 400714，P.R.China）
（3：Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology，Chinese Academy of Sciences，Chongqing 400714，P.R.China）

The mode of oPeration of storing clear and releasing muddy in Three Gorges Reservoir makes drawdown areas submerged alongshore during the Period of high water level in winter.After drawdown areas are submerged，the accumulation and release of nutrients such as nitrogen and PhosPhorus may have an imPortant contribution to the algae bloom at the end of winter.This article establishes a model of the total PhosPhorus，which analyzes the balance of Payments and the cumulant of total PhosPhorus，as well as the main source of cumulative PhosPhorus during the Period of high water level in Lake Gaoyang of Pengxi River.In imPounding stage，the increasing water level led to a great amount of PhosPhorus accumulation.In stable stage，the total tends to be mild.In algae bloom stage，the accumulation of PhosPhorus is consumed heavily in early time，forming algae bloom.The release of PhosPhorus in submerged drawdown area is the main source of total PhosPhorus throughout the Period in Lake Gaoyang.It Provides conditions for the outbreak of algae bloom at the end of winter.The results have set a solid foundation for the conversion and distribution of PhosPhorus forms.

Three Gorges Reservoir；high water level；Pengxi River；total PhosPhorus budget model；drawdown area；Lake Gaoyang

10.18307/2016.0208

*國家自然科學(xué)基金項目（51179125，51309220）和中國科學(xué)院西部行動計劃項目（KZCX2-XB3-14）聯(lián)合資助.2015-02-13收稿；2015-05-12收修改稿.赫斌（1991～），男，碩士研究生；E-mail：binhe85@163.com.

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；E-mail：Lizhe@cigit.ac.cn.