張彩紅 茹豪 武秀娟 雍鵬 趙育鵬 奧小平

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，太原，030012)

龐泉溝流域土壤粒徑分形維數(shù)特征1)

張彩紅 茹豪 武秀娟 雍鵬 趙育鵬 奧小平

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，太原，030012)

對(duì)龐泉溝流域不同海拔人工油松(Pinustabulaeformis)林、天然油松林、人工華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)林、天然華北落葉松林、油松-遼東櫟(Quercuswutaishansea)混交林、山楊(Populusdavidiana)林、白樺(Betulaplatyphylla)林、云杉(Piceaasperata)-華北落葉松混交林等林種10個(gè)典型林分共39份土壤樣品的質(zhì)地、分形維數(shù)以及土壤養(yǎng)分進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：研究區(qū)的土壤質(zhì)地主要砂質(zhì)壤土、粉砂壤土、壤質(zhì)砂土及砂土，其比例分別為46.15%、25.64%、23.08%、5.13%。流域內(nèi)砂粒、粉粒和黏粒含量平均值分別為62.34%、36.58%、1.08%，粉粒和黏粒變異程度高于砂粒。分形維數(shù)介于1.773 3～2.778 9，均值為2.509 0，標(biāo)準(zhǔn)差為0.192 5，土壤質(zhì)地越粗，土壤粒徑分形維數(shù)越小。土壤粒徑分形維數(shù)與土壤砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(Plt;0.01)，與粉粒含量和黏粒含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(Plt;0.01)。流域內(nèi)不同林分土壤pH值在6.25～8.09，天然林土壤表層有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量顯著高于人工林，堿解氮含量人工林顯著高于天然林，所有林分土壤表層均缺乏有效磷。土壤粒徑分形維數(shù)與pH呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(Plt;0.01)，與有機(jī)質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(Plt;0.01)，與全氮、堿解氮、速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(Plt;0.05)，與有效磷相關(guān)性不顯著。分形維數(shù)越大，土壤pH越大，土壤肥力越小。因此，土壤粒徑分形維數(shù)可以作為判斷龐泉溝流域土壤質(zhì)地差異與土壤養(yǎng)分差異的重要指標(biāo)。

土壤粒徑分布；分形維數(shù)；土壤養(yǎng)分

土壤是一種結(jié)構(gòu)組成不規(guī)則、形狀自相似的多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征[1]。土壤粒徑分形維數(shù)可以表征不同土壤的粒徑分布特征和質(zhì)地均勻程度，也能反映土壤肥力大小、土壤侵蝕狀況、土壤退化程度以及不同土地利用類型對(duì)土壤的改良作用等[2-4]。Tyler et al.[5-6]、楊培嶺等[7]通過(guò)土壤顆粒質(zhì)量分布計(jì)算土壤粒徑分布的分形維數(shù)，由于假設(shè)不同土壤粒級(jí)具有相同的密度，導(dǎo)致土壤粒徑質(zhì)量分形模型存在不足。王國(guó)梁等[8]采用激光粒度儀精確測(cè)得土壤顆粒體積分布情況，提出合理的土壤粒徑體積分形維數(shù)模型。隨后，這一方法普遍應(yīng)用于不同土壤類型、不同土層土壤分形特征分析，以及土壤質(zhì)地差異、土壤肥力、成土過(guò)程、立地條件等方面的研究[9-12]?？梢?jiàn)，土壤粒徑分形理論已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土壤研究領(lǐng)域。

龐泉溝流域位于黃土高原高海拔地帶，其代表性森林植被研究的重點(diǎn)集中在生物多樣性、種群空間分布格局、植被景觀生態(tài)等方面[13-18]，而對(duì)該流域內(nèi)土壤粒徑分布特征及其與土壤化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系方面研究較少[19]。理想的土壤機(jī)械組成比例及養(yǎng)分條件，為植物生長(zhǎng)所需的水、肥、氣、熱提供了良好的土壤結(jié)構(gòu)性和充足的孔隙數(shù)量。不同植被群落的土壤養(yǎng)分種類、數(shù)量及有效性不同，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)換、循環(huán)和利用率[20]。許多研究表明，土壤中養(yǎng)分豐缺與土壤粒徑分布分形關(guān)系密切。趙來(lái)等[21]、張玉斌等[22]研究均認(rèn)為農(nóng)田土壤顆粒的分形維數(shù)越小，土壤中黏粒含量越高，土壤的保肥能力也就越強(qiáng)。鄒誠(chéng)等[23]得出土壤中黏粒越多，其膠體越豐富，吸附土壤養(yǎng)分的能力就越大。因此，本文選取龐泉溝流域內(nèi)不同海拔梯度典型林地森林土壤為研究對(duì)象，分析林地土壤粒徑分形維數(shù)特征及其與土壤質(zhì)地、土壤化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，為龐泉溝流域土壤物理性質(zhì)和土壤肥力情況研究提供重要參數(shù)，并為該地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整及植被恢復(fù)等提供基礎(chǔ)研究資料，以期為黃土高原不同海拔林地資源的合理經(jīng)營(yíng)與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山西龐泉溝自然保護(hù)區(qū)位于呂梁山脈中段，地理位置為東經(jīng)111°22′～111°33′，北緯37°45′～37°55′，氣候?qū)倥瘻貛Т箨懠撅L(fēng)氣候，年降水量822 mm，年平均氣溫4.3 ℃，最冷月(1月)均溫-10.2 ℃，極端最低氣溫-26.1 ℃，最熱月(7月)均溫17.5 ℃，極端最高氣溫32.0 ℃，大部分地區(qū)≥10 ℃的積溫1 800～2 950 ℃，無(wú)霜期100～125 d[24]。保護(hù)區(qū)南北長(zhǎng)15 km，東西寬14.5 km，總面積10 443.5 hm2，其中有林地面積7 709.7 hm2，灌木林面積1 165.9 hm2，植被資源保存良好，森林覆蓋率達(dá)85%，最高海拔2 830 m，最低海拔1 650 m，有暖溫帶地區(qū)完整的植被垂直帶譜，從高到低依次為：亞高山灌叢草甸帶、寒溫性針葉林帶、針闊葉混交林帶和落葉闊葉林帶[14]，土壤垂直分布帶也非常明顯，在森林分布區(qū)內(nèi)自上而下分別是山地棕壤，山地淋溶褐土和山地褐土[17]。

2 研究方法

2.1 土壤樣品采集及處理

在研究區(qū)內(nèi)不同海拔選取人工油松(Pinustabulaeformis)林、天然油松林、人工華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)林、天然華北落葉松林、油松-遼東櫟(Quercuswutaishansea)混交林、山楊(Populusdavidiana)林、白樺(Betulaplatyphylla)林、云杉(Piceaasperata)-華北落葉松混交林等10個(gè)典型林分進(jìn)行土壤樣品采集。在每種林分內(nèi)挖100 cm深土壤剖面，在gt;0～10、gt;10～30、gt;30～50、gt;50～100 cm層環(huán)刀取樣，土壤分層明顯的按實(shí)際分層取樣，并在每10 cm土層分別取樣3次混合裝袋，環(huán)刀帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤容重、孔隙度等測(cè)定，袋裝土在室內(nèi)攤開(kāi)陰干、去根、并過(guò)2 mm篩，一部分用于測(cè)定土壤質(zhì)地，一部分用于測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)(有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀、有效磷等)。按照美國(guó)土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，將土壤粒徑劃分為砂粒0.05≤直徑lt;2 mm；粉粒0.002≤直徑lt;0.05 mm；黏粒直徑lt;0.002 mm。

2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容重法-外加熱法測(cè)定；全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮儀(Foss Kjeltec 8400，F(xiàn)oss Kjeltec，USA)測(cè)定；堿解氮采用擴(kuò)散法測(cè)定；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤粒徑組成采用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3000，Malvern，UK)測(cè)定。

2.3 土壤粒徑分形維數(shù)計(jì)算

土壤粒徑分形維數(shù)采用如下公式計(jì)算：

式中：VRi為粒徑小于Ri的土壤顆粒總體積，VT為土壤顆粒的總體積，Ri為某特定的粒徑，Rmax為土壤顆粒分級(jí)中最大粒徑，D為土壤顆粒的體積分形維數(shù)。

采用Excel2010軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)和分形維數(shù)、砂粒、粉粒和黏粒含量統(tǒng)計(jì)分析；運(yùn)用PASW18.0對(duì)土壤粒徑分形維數(shù)與砂粒、粉粒、黏粒含量相關(guān)性以及土壤粒徑分形維數(shù)與土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 龐泉溝流域土壤質(zhì)地與土壤粒徑分形維數(shù)特征

由表1可知，龐泉溝海拔1 342～2 233 m的土壤粒徑分布分形維數(shù)為1.773 3～2.778 9，均值為2.509 0，標(biāo)準(zhǔn)差為0.192 5。

變異系數(shù)不受量綱和尺度影響，可以反映土壤粒徑分布變異的強(qiáng)度，變異系數(shù)越大，土壤粒徑分布變化越劇烈，反之，變異系數(shù)越小，土壤粒徑分布變化越穩(wěn)定。由表2可知，龐泉溝流域內(nèi)砂粒、粉粒和黏粒含量的平均值分別為62.34%、36.58%、1.08%，變異系數(shù)分別為0.24、0.39、0.65，說(shuō)明各類土樣中，黏粒的變異強(qiáng)度明顯高于砂粒和粉粒，這是由于在該地區(qū)水蝕是主要的土壤侵蝕方式，降雨徑流對(duì)土壤黏粒的運(yùn)移作用大于砂粒和粉粒。

表1 土壤樣品粒徑分布、分形維數(shù)及質(zhì)地分類

表2 分形維數(shù)、砂粒、粉粒和黏粒含量統(tǒng)計(jì)分析

注：n=39。

為了進(jìn)一步探尋土壤粒徑分形維數(shù)與土壤顆粒組成之間的關(guān)系，對(duì)土壤粒徑分形維數(shù)與砂粒、粉粒和黏粒含量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。由表3可知，龐泉溝流域內(nèi)土壤粒徑分形維數(shù)與土壤砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(Plt;0.01)，與粉粒含量和黏粒含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(Plt;0.01)。說(shuō)明土壤質(zhì)地越粗，土壤粒徑分形維數(shù)越小，反之，土壤質(zhì)地越細(xì)，土壤粒徑分形維數(shù)越大，這與已有研究結(jié)論一致[3-4，7-11]。

表3 土壤粒徑分形維數(shù)與砂粒、粉粒、黏粒含量相關(guān)性分析

注：** 表示在Plt;0.01水平顯著；n=39。

按照美國(guó)土壤質(zhì)地分類，對(duì)龐泉溝39個(gè)土壤樣品進(jìn)行劃分，該流域內(nèi)土壤可以分為四類，分別是砂質(zhì)壤土、粉砂壤土、壤質(zhì)砂土及砂土。由表1和圖1可知，砂質(zhì)壤土、粉砂壤土、壤質(zhì)砂土及砂土分別占樣本總數(shù)的46.15%、25.64%、23.08%、5.13%，且4類土壤中砂粒均占主導(dǎo)地位，土壤質(zhì)地較粗。油松-遼東櫟混交林、云杉-華北落葉松混交林、山楊林、白樺林整個(gè)土層砂性較大，且土層中含有大型石塊，質(zhì)地十分不均勻；天然油松林、天然華北落葉松林、人工油松林、人工華北落葉松林土層內(nèi)石塊較少，但小型石礫占較大比例，質(zhì)地亦不均勻。通過(guò)環(huán)刀法測(cè)得的土壤毛管孔隙度為34.78%～54.71%，加之土層中伴有石塊、石礫，因此龐泉溝流域內(nèi)的土壤具有較好的保水性和蓄水性以及良好的通氣性、透水性，有利于植物生長(zhǎng)。

圖1 土壤樣品質(zhì)地分類

3.2 土壤粒徑分形維數(shù)與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

林種、林齡、枯落物數(shù)量及微生物活性等直接影響土壤養(yǎng)分儲(chǔ)量及有效性。由表4可知，龐泉溝流域內(nèi)不同林分土壤pH值在6.25～8.09，處于弱酸、中性和弱堿性，十分有利于植物吸收土壤養(yǎng)分。高海拔林分土壤表層pH值相對(duì)低海拔林分小，其中，華北落葉松-云杉林表層土壤pH值最小，這是由于該林分海拔最高，并且林齡較大，林下枯落物豐富，枯落物在分解過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸隨著雨水的淋溶作用滲入土壤，導(dǎo)致土壤呈弱酸性[25]。

有機(jī)質(zhì)是表征土壤肥力最直接的指標(biāo)。由于天然林林齡長(zhǎng)，枯枝落葉積累量大，土壤微生物豐富且活性高，因此，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，尤其在天然闊葉林十分明顯，如山楊林土壤表層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，為60.6 g·kg-1；針葉人工純林枯落物少，不易分解，土壤養(yǎng)分含量比天然林低，如海拔相近的人工華北落葉松林土壤表層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.1 g·kg-1。土壤表層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小依次為：山楊林(1 622 m)、油松-遼東櫟林(1 450 m)、華北落葉松-云杉林(2 233 m)、人工華北落葉松林(1 550 m)、白樺林(2 124 m)、天然油松林(1 350 m)、人工油松林(1 549 m)、人工華北落葉松林(1 350 m)、天然華北落葉松林(1 815 m)、人工油松林(1 342 m)。

表4 不同林分土壤表層化學(xué)性質(zhì)

按照全國(guó)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[26](見(jiàn)表5)，達(dá)到有機(jī)質(zhì)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的有5種林分，其中4種為天然林；達(dá)到全氮一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的有7種林分，其中5種為天然林；只有人工華北落葉松林(1 550 m)土壤表層堿解氮達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，人工油松林達(dá)到了三級(jí)和四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而天然林土壤表層堿解氮?jiǎng)t處于四級(jí)、五級(jí)；有效磷普遍低，均處于四級(jí)、五級(jí)，天然林略高于人工林；速效鉀達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的有五種林分，其中4種為天然林，其他林分處于二級(jí)、三級(jí)。從總體上看，天然林土壤表層有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量顯著高于人工林，堿解氮含量人工林顯著高于天然林，所有林分土壤表層均缺乏有效磷。

由表6可知，分形維數(shù)與pH呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.416；分形維數(shù)與有機(jī)質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.617；分形維數(shù)與全氮、堿解氮、速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.411、-0.336、-0214；分形維數(shù)與有效磷相關(guān)性不顯著。因此，分形維數(shù)可以反映土壤中pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀等養(yǎng)分狀況，即分形維數(shù)越大，土壤pH越大，土壤肥力越小。

土壤化學(xué)性質(zhì)與分形維數(shù)具有相關(guān)性，而土壤肥力又是通過(guò)土壤化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)。吳承禎等[27]認(rèn)為分形維數(shù)是表征土壤肥力的重要指標(biāo)。相關(guān)研究表明分形維數(shù)越大，土壤肥力越低[28-29]，本文也得出相同結(jié)論。

表5 全國(guó)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表6 土壤粒徑分形維數(shù)與土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析

注：*表示在Plt;0.05水平顯著；** 表示在Plt;0.01水平顯著。

4 結(jié)論與討論

龐泉溝流域土壤粒徑分形維數(shù)天然林比人工林小，混交林比純林小。土壤粒徑分形維數(shù)與土壤砂粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與粉粒含量和黏粒含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤粒徑分形維數(shù)能夠表征該流域土壤質(zhì)地，土壤粒徑分形維數(shù)越小，土壤質(zhì)地越粗，土壤粒徑分形維數(shù)越大，土壤質(zhì)地越細(xì)。與有關(guān)的研究結(jié)果一致[5-6，9，30]。說(shuō)明天然林、混交林改良土壤效果優(yōu)于人工林、純林。流域內(nèi)土壤中砂粒含量較多，粉粒、黏粒含量較少，土壤上層毛管孔隙度較大，具有較好的保水性和蓄水性，下層土壤質(zhì)地較粗，并伴有石塊、石礫，具有良好的通氣性、透水性，這種土壤結(jié)構(gòu)有利于植物生長(zhǎng)，這些林地土壤粒徑分形維數(shù)分布在2.24～2.60。呂剛等[31]研究認(rèn)為土壤中礫石的存在能夠促進(jìn)土壤入滲，也能夠延緩?fù)寥廊霛B，礫石含量多的土壤具有良好通氣透水性的結(jié)論與本文研究結(jié)果一致。

龐泉溝流域內(nèi)天然林土壤肥力比人工林高，闊葉林土壤肥力比針葉林高。天然林土壤表層有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀含量顯著高于人工林，人工林堿解氮含量顯著高于天然林，所有林分土壤表層均缺乏有效磷。這是由于天然林林齡長(zhǎng)，枯枝落葉積累量大，土壤微生物豐富且活性高。土壤分形維數(shù)也可以表征土壤化學(xué)性質(zhì)[32]，分形維數(shù)越高，pH越大，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀等養(yǎng)分含量越小。土壤肥力較好的林地土壤粒徑分形維數(shù)分布在2.32～2.60。這與Marshall et al.[33]、丁楊等[34]對(duì)晉西黃土區(qū)不同林地土壤粒徑與土壤肥力相關(guān)性的研究結(jié)果一致。

龐泉溝流域內(nèi)沿海拔梯度分布的頂級(jí)群落分別為：中低山區(qū)(1 300～1 650 m)以天然油松林、人工油松林、人工華北華北落葉松林、油松-遼東櫟天然混交次生林、山楊天然次生林為主，具有整體布局合理、林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、生態(tài)功能良好等特點(diǎn)，土壤粒徑分形維數(shù)在1.77～2.78；高山區(qū)(gt;1 800 m)以云杉、華北落葉松等天然針葉林，以白樺天然闊葉林為主，該林分具有林齡大、林下枯落物及土壤微生物豐富，土壤肥力較大等特點(diǎn)，土壤粒徑分形維數(shù)在2.24～2.73。總體上看，高山區(qū)土壤粒徑分形維數(shù)小于中低山區(qū)，土壤質(zhì)地較中低山區(qū)均勻，土壤肥力也較中低山區(qū)高。這與高山區(qū)以頂級(jí)森林群落為主、人為擾動(dòng)少、雨水淋溶作用小于中低山區(qū)等有關(guān)[4，35-37]。建議在龐泉溝流域中低山區(qū)重要生態(tài)功能區(qū)實(shí)施嚴(yán)格的封山育林措施，以提高涵養(yǎng)水源、保持水土、調(diào)節(jié)局地小氣候等能力，增加生物多樣性、提升森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等。

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FractalDimensionCharacteristicsofSoilParticleSizeinPangquangouCatchment//

Zhang Caihong, Ru Hao, Wu Xiujuan, Yong Peng, Zhao Yupeng, Ao Xiaoping

(Shanxi Academy of Forestry Sciences, Taiyuan 030012, P. R. China)//

Soil particle size distribution; Fractal dimension; Soil nutrients; Correlation

1)山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(201603D321004)。

張彩紅，女，1972年10月生，山西省林業(yè)科學(xué)研究院，高級(jí)工程師。E-mail:lkychz@163.com。

茹豪，山西省林業(yè)科學(xué)研究院，工程師。E-mail:ruhao1987@163.com。

2017年6月12日。

責(zé)任編輯：王廣建。

S714.2

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(11)：83-88.

The soil texture, fractal dimension and soil nutrient contents of 39 soil samples were studied for 8 typical forest stands at different altitudes in Pangquangou catchment. There were 2 plantations and 1 natural forest ofPinustabulaeformis, 2 plantations and 1 natural forests ofLarixprincipis-rupprechtii,Pinustabulaeformis-Quercuswutaishanseamingled forest,Populusdavidiananatural forest,Betulaplatyphyllanatural forest,Piceaasperata-Larixprincipis-rupprechtiinaturalforest. The soil texture in the study area are mainly sandy loam, silty loam, loamy sand and sandy soil. The proportions are 46.15%, 25.64%, 23.08% and 5.13% respectively. The average values of sand, silt and clay are 62.34%, 36.58% and 1.08%, respectively, and the variation degree of silt and clay are higher than that of sand. The soil particle size fractal dimension (SPSFD) is in 1.773 3-2.778 9, the average value is 2.509 0, the standard deviation is 0.192 5, and the coarser the soil texture is, the smaller the SPSFD is. From correlations analysis, the SPSFD has a very significant negative correlation with sand content (Plt;0.01), and a very significant positive correlation with silt content and clay content (Plt;0.01). In this catchment, soil pH value is 6.25-8.09. The soil organic matter, total nitrogen, available potassium content of natural forest were significantly higher than that of artificial forest. On the contrary, the content of alkali-hydrolyzable nitrogen of artificial forest was significantly higher than that in natural forest. All soil sample were lack of effective phosphorus. The SPSFD has a very significant positive correlation with pH (Plt;0.01), and a very significant negative correlation with soil organic matter (Plt;0.01). And it was negatively correlated with total nitrogen, alkali-hydrolyzable nitrogen and available potassium (Plt;0.05). The correlation between the SPSFD and available phosphorus was not significant. The larger the fractal dimension is, the greater the soil pH is, and the smaller the soil fertility is. Therefore, the SPSFD can be used as an important index to judge soil texture and soil nutrient difference in Pangquangou catchment.