干旱區典型鹽生植物群落土壤團聚體組成及有機碳分布

王靜婭, 張鳳華

石河子大學, 石河子　832003

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干旱區典型鹽生植物群落土壤團聚體組成及有機碳分布

王靜婭, 張鳳華*

石河子大學, 石河子832003

摘要:以干旱區瑪納斯河流域扇緣帶為研究區，分析了花花柴(Karelinia caspia)、霧冰藜(Bassia dasyphylla)、梭梭(Haloxylon ammodendron)和檉柳(Tamarix ramosissima)4個典型鹽生植物群落土壤團聚體的組成及有機碳分布。研究表明：不同植物群落土壤團聚體均以0.25—0.053 mm粒徑為主，占了46.7%—74.6%，且與其他粒徑差異顯著(P<0.05)，>0.25 mm和<0.053 mm粒徑土壤團聚體含量較少，僅占7.8%—43%。梭梭群落>0.25 mm團聚體平均含量較高，達32%。不同植被群落土壤總有機碳介于2.01—8.73 g/kg之間，不同粒徑團聚體有機碳介于1.70—13.68 g/kg之間。不同群落之間，梭梭和檉柳群落總有機碳和團聚體有機碳含量均相對較高，且隨著土層深度下降而下降。不同粒徑之間，有機碳含量在0.25—0.053 mm粒徑最低，在>0.25 mm和<0.053 mm粒徑中最高，呈現“V”型分布且差異顯著(P<0.05)。0.25—0.053 mm團聚體中有機碳含量的貢獻率最高，達43.43%，而<0.053 mm粒級貢獻率較低，但有機碳含量較高，說明了小粒徑團聚體對有機碳保護能力較強。土壤有機碳含量與0.25—0.053 mm團聚體含量呈顯著負相關(P<0.05)。而從整體來看，梭梭群落>0.25 mm團聚體比例較高，且土壤有機碳和團聚體有機碳含量也較高，說明了在該研究區，梭梭群落聚集土壤養分能力較強，相對其他群落更有利于土壤有機碳的積累。

關鍵詞：干旱區; 鹽生植被; 土壤團聚體; 土壤有機碳

土壤碳庫是大氣碳庫的3倍，生物碳庫的3.8倍，是地球表層最大的有機碳庫,在全球碳循環中起著關鍵作用[1]。土壤團聚體是土壤結構最基本的單元，是有機碳存在的場所[2]，土壤團聚體的形成與穩定與土壤有機碳密切相關[3]，有機碳在團聚體中的分布形式決定了土壤儲存和保留有機碳的能力[4]。同時土壤團聚體的粒徑分布不僅反映土壤結構狀況，而且影響著土壤的通氣、抗蝕、滲水性等。因此，土壤團聚體組成及有機碳分布對土壤結構和土壤肥力的形成具有重要作用。

土壤有機碳在團聚體中分布狀況研究結果不一。有研究指出大團聚體里有機碳含量較高[5- 7]，安韶山[8]對黃土丘陵區的研究也都得出相同結論，即大量的有機碳存儲在2—0.25 mm的團聚體中。而也有研究顯示微團聚體有機碳含量比大團聚體高[9- 10]，各粒徑團聚體的有機碳庫而言，<0.25 mm 團聚體是土壤有機碳的主要載體[11]。Li等和苑亞茹等指出植被覆蓋的黑土0.25—0.053 mm微團聚體有機碳含量最高[12- 13]。而在干旱區的鹽堿土，土壤有機碳在團聚體的分布有待進一步研究。目前關于土壤團聚體有機碳分布的研究多集中在土地利用和人工生態系統。如評價耕作栽培[9-10]、施肥[14- 15]等措施對土壤性質的影響, 而對自然生態系統的研究較少。因此在研究區對鹽生植被群落下土壤有機碳的研究具有一定意義。

新疆是我國最干旱、鹽堿化土壤分布面積最廣、土壤積鹽最重的地區，在特定的自然環境條件下發育著豐富的鹽生植物[16]，不同鹽生植被群落土壤團聚體組成及有機碳含量變化的研究相對較少，且隨著人工綠洲的不斷建立與擴大，加之水土資源不合理利用，使得綠洲外圍鹽生植被帶日趨衰落，其生態效益成為人們關注的焦點。因此，對不同鹽生植被群落覆蓋下土壤團聚體有機碳的分布特征進行研究，旨在探明土壤團聚體中有機碳分布狀況，對當地大面積鹽堿地土壤結構以及碳固定評價具有一定參考意義，也為該區域鹽生植被的保育與恢復提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于瑪河流域扇緣帶，地理位置東經 86°03′—86°08′，北緯 44°64′—44°71′。該地區屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，具有冬季嚴寒，夏季酷熱，日照充足，干旱少雨等特點[17]。年平均氣溫6—7 ℃之間，最高氣溫在7月，最熱月溫度在24—26 ℃，最冷月溫度在-18—-19.5 ℃；農業主要以灌溉為主，年降水量平均值140—180 mm之間，多集中在4—5月。多年平均蒸發量為1521.43 mm，蒸發主要集中在4—9月，約占全年蒸發量的88%。該區地下水位高，流動不暢，灰漠土是該區典型地帶性土壤，土壤含鹽量高，改良條件差，具有表聚現象[18]。該地區植物群落結構通常表現為不連續的灌木層以及相對連續的草本層，形成典型的灌-草型二元結構群落[17]。以旱生、超旱生、耐鹽堿的荒漠植被占優勢，植被的主要物種為白刺NitrariatangutorumBobr.、絹蒿Seriphidiumkaschgaricum、花花柴Kareliniacaspia、霧冰藜Bassiadasyphylla、梭梭Haloxylonammodendron、檉柳Tamarixramosissima、駱駝刺Alhagisparsifolia、小葉堿蓬Suaedamicrophylla、鹽節木Halocnemumstrobilaceum、小獐茅Aeluropuspungens、叉毛蓬Petrosimoniasibirica、鹽爪爪Kalidiumfoliatum、補血草Limoniumsinense等。

1.2研究方法1.2.1樣品的采集與分析

選取瑪河流域扇緣帶棄耕20a以上的天然鹽堿荒地，根據樣地植物群落優勢種的不同，綜合物種組成和群落結構等因素，選擇了坡向、坡度和海拔高度基本一致的花花柴、霧冰藜、梭梭和檉柳4種典型鹽生植被群落。采用樣方法(每個群落設置3個20 m×20 m的樣方)對4個群落進行植被調查，調查包括植物種類、株高、蓋度、植被多樣性和豐富度指數，以及樣地土壤基本理化性質(表1,表2)。

表1　不同樣地植物種類描述

K: 花花柴; B: 霧冰藜; S: 梭梭; T: 檉柳; 不同小寫字母表示植被群落間差異顯著(P<0. 05)

表2　樣地土壤基本理化性質(0—20 cm)

各個群落樣地均采用梅花布點法，選擇生長狀況較一致的優勢植被群落5叢，并在植被群落附近采樣，均挖掘60 cm深的土壤剖面，分別取0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm、40—60 cm 土層原狀土帶回實驗室。于室溫下風干后沿自然裂隙掰成約 1 cm 的小土塊，剔除石塊和根系后過8 mm篩后備用。

1.2.2分析方法

采用干篩法分離出>0.25、0. 25—0. 053和<0.053 mm 共3級土壤團聚體; 土壤 pH 采用電極電位法測定，有機質和有機碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，全氮采用半微量開氏法測定，全磷采用 NaOH熔融-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法測定，全鉀采用 NaOH 熔融-原子吸收法測定，堿解氮采用擴散吸收法測定，速效磷采用 NaHCO3提取-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法測定，速效鉀采用NH4Ac浸提-原子吸收法測[19]。植被多樣性指標計算采用常規公式[20]，各粒徑土壤團聚體對土壤碳的貢獻率(%) 計算方法為[21]:

某級團聚體含量=該級團聚體的重量/各粒級土壤團聚體重之和×100%

1.3數據處理

采用Excel 2003和SPSS 16.0軟件對數據進行統計分析。

2結果與分析

2.1不同植物群落土壤團聚體的分布特征

由圖1可見，不同鹽生植被，0.25—0.053 mm粒徑團聚體含量均最高，占了46.7%—74.6%，且與其他粒徑團聚體含量間存在顯著差異(P<0.05)，>0.25 mm和<0.053 mm粒徑土壤團聚體含量較少，占7.8%—43%。同一土層，不同植被群落各粒徑土壤團聚體含量存在一定差異。在0—60 cm土層，檉柳群落<0.053 mm的團聚體含量顯著高于其它群落(P<0.05)。在0—20 cm土層，花花柴群落0.25—0.053 mm粒徑團聚體顯著高于其它群落(P<0.05)，梭梭群落>0.25 mm粒徑團聚體顯著高于其它群落(P<0.05)。在20—40 cm土層，花花柴、霧冰藜和檉柳群落各粒徑團聚體含量差異不顯著(P>0.05)。

從總體來看，花花柴群落0.25—0.053 mm粒徑團聚體平均含量較高，為68.9%，霧冰藜、梭梭和檉柳群落分別為61.1%、55.7%和60.3%。梭梭群落>0.25 mm粒徑團聚體平均含量較高，占32%，而檉柳群落則平均含量較少，為15.6%，但是，檉柳群落<0.053 mm的團聚體平均含量較高，占22%。

圖1　不同植物群落下土壤團聚體的分布Fig.1　Distribution of soil aggregates with different sizes under different plant communitiesⅠ: 花花柴; Ⅱ: 霧冰藜; Ⅲ: 梭梭; Ⅳ: 檉柳; 不同小寫字母表示不同粒徑團聚體在同一群落間差異顯著，不同大寫字母表示不同群落間在同一粒徑團聚體間差異顯著(P<0.05)

圖2　不同植物群落下土壤有機碳含量　Fig.2　Soil organic carbon content under different plant communities

2.2不同植物群落下土壤總有機碳含量的變化

由圖2可以看出，不同植被群落土壤有機碳含量介于2.01—8.73 g/kg之間，各個群落土壤有機碳含量均隨著土層深度加深而逐層遞減，且差異顯著(P<0.05)。不同植被群落之間，在0—40 cm土層，梭梭和檉柳群落有機碳含量差異不顯著，但顯著高于其他群落(P<0.05)，而在40—60 cm土層，各群落之間差異不顯著(P>0.05)。從總體來看，4個群落土壤有機碳平均含量差異明顯，其中梭梭和檉柳群落較高，為5.68，5.464 g/kg，分別是霧冰藜群落的1.7，1.6倍。

2.3不同群落土壤團聚體中有機碳含量特征

由圖3可以看出，不同粒徑團聚體有機碳含量介于1.70—13.68 g/kg之間。不同植物群落土壤團聚體有機碳含量均差異顯著(P<0.05)，土壤團聚體有機碳含量在0.25—0.053 mm粒徑最低，而在>0.25 mm和<0.053 mm粒徑中最高，呈現“V”型分布。不同群落之間，在0—10 cm土層，檉柳群落各個粒徑土壤團聚體有機碳含量均顯著高于其它群落(P<0.05)。在10—20 cm土層，梭梭群落土壤團聚體有機碳含量均顯著高于其它群落(P<0.05)。在20—40 cm土層，花花柴群落各個粒徑土壤團聚體有機碳含量均顯著高于其它群落(P<0.05)。從土層剖面來看，與土壤總有機碳含量變化規律相似，各群落土壤團聚體中有機碳含量均隨土層深度增加具有下降的趨勢，而花花柴和梭梭群落在總體下降的趨勢上，則分別在20—40 cm和10—20 cm土層出現一次峰值，然后再減少。不同植被群落團聚體有機碳經多元方差分析表明，花花柴、梭梭和檉柳群落之間差異不顯著，但是均顯著高于霧冰藜群落(P<0.05)。由表3相關分析表明，土壤有機碳含量與0.25—0.053 mm團聚體含量呈顯著負相關，但與>0.25 mm和<0.053 mm粒徑團聚體含量相關性不顯著。

圖3　不同植物群落下各土層土壤團聚體有機碳含量Fig.3　Organic carbon content in soil aggregates with different layars under different plant communities不同小寫字母表示不同粒徑團聚體在同一群落間差異顯著，不同大寫字母表示不同群落間在同一粒徑團聚體間差異顯著(P<0.05)

2.4不同群落土壤團聚體對土壤有機碳的貢獻率

由表 4可以看出，雖然0.25—0.053 mm團聚體中的有機碳含量比其它粒徑的團聚體稍低，但其貢獻率高達43.43%。經方差分析表明，花花柴、霧冰藜和檉柳群落，0.25—0.053 mm團聚體對有機碳的貢獻率均顯著高于其他粒徑團聚體(P<0.05)，梭梭群落，在0—20 cm土層，>0.25 mm團聚體對有機碳的貢獻率均顯著高于其他粒徑團聚體(P<0.05)。4個群落中，<0.053 mm粒徑團聚體有機碳含量雖然稍高，但是其對有機碳的貢獻率較小。不同土層間，相同粒徑土壤團聚體對土壤有機碳的貢獻率總體隨土層深度加深而降低。

表3各粒徑團聚體含量與土壤有機碳含量的相關系數

Table 3Correlation coefficients of soil aggregates with different sizes and soil organic carbon content

土壤團聚體粒徑Soilaggregatessize>0.25mm0.25—0.053mm<0.053mmr-0.190-0.498*0.405

*P<0. 05

圖4　不同植物群落下土壤團聚體有機碳含量　Fig.4　Organic carbon content in soil aggregates under different plant communities不同小寫字母表示植被群落間差異顯著(P<0. 05)

3討論

表4不同植物群落下土壤各粒徑團聚體對土壤有機碳含量的貢獻率

Table 4Contribution of aggregates with different sizes to soil organic carbon content

群落類型Communitytype粒徑Size/(mm)貢獻率Contributionrate/%0—10cm10—20cm20—40cm40—60cmⅠ>0.2511.73b25.21b11.53b15.71b0.25—0.05346.89a35.22a38.69a44.95a<0.05312.46b8.31c9.68c12.58bⅡ>0.2512.02b30.74a19.39b24.31b0.25—0.05341.92a33.52a41.57a32.69a<0.05312.78b9.19b10.69c6.09cⅢ>0.2557.59a45.42a20.36b12.39b0.25—0.05339.51b43.43a36.61a35.78a<0.0539.88c18.97b8.87a11.39bⅣ>0.2520.36b10.99c16.94b11.35b0.25—0.05343.40a40.53a25.29a35.09a<0.05327.03c24.60b12.94b12.75b

Ⅰ: 花花柴;Ⅱ: 霧冰藜;Ⅲ: 梭梭;Ⅳ: 檉柳；不同小寫字母表示表示不同粒徑團聚體在同一群落間差異顯著(P<0. 05)

在干旱和半干旱地區，干團聚體的分布和穩定性與

水分利用和土壤風蝕有非常密切的聯系[22]，干團聚體的分布也一定程度上反映該地區土壤質量狀況。一般認為，土壤團聚體可分為大團聚體(粒徑>0.25 mm)和微團聚體(粒徑<0.25 mm), 而大團聚體含量越高說明了土壤結構越穩定[23]。本研究中，4個植物群落土壤團聚體均以0.25—0.053 mm的粒徑團聚體為主，而>0.25 mm大粒徑團聚體含量較少，平均含量僅占22.8%，說明了研究區土壤結構較差。土壤基本理化性質表明，土壤有機質含量在10g/kg 以下，而土壤pH(8.8左右)、電導率(3.5 s/m 左右)、容重(1.45 g/cm3左右)均較大，反映了土壤鹽漬化嚴重、養分貧瘠、土壤質量嚴重退化的現狀。這主要是因為流域內干旱少雨、植被稀疏、鹽漬化嚴重而使土壤結構性變差，導致土壤大團聚體的結構崩解破壞，引起大團聚體比例減小，微團聚體比例上升。研究指出，有機碳作為膠結物質能夠促進團聚體的形成并提高其穩定性[24]。其中，梭梭群落>0.25 mm的團聚體含量較高于其他群落，且土壤有機碳含量也相對較高，可見，梭梭群落相對于其他群落更有利于有機碳的儲存，碳匯效應較強。

土壤有機碳含量主要受植物枯枝落葉、植物根系、動物及微生物遺體等的影響。研究表明，4個群落中，梭梭和檉柳群落的總有機碳和團聚體有機碳含量均較高，霧冰藜群落團聚體有機碳顯著低于其他群落(P<0.05)。研究表明[25]檉柳的半球型樹冠更利于保護和捕獲凋落物，而較多的凋落物輸入與土壤結構和土壤養分間形成正反饋機制。同時梭梭與檉柳群落較其他群落物種多樣性豐富，根系發達且冠幅較大，而霧冰藜群落物種單一，植被矮小且為一年生草本植物，因此梭梭和檉柳群落對土壤輸入的碳源較高，有機碳儲量較高。從土壤剖面來看，土壤有機碳和團聚體有機碳含量均隨著土層深度升高而降低，這是因為表層枯落物對土壤有機碳的影響會隨著土層深度的加深而降低，因而表層土壤有機碳含量較高。這與前人[26- 27]的研究結果一致。但是在20—40 cm土層，花花柴群落土壤團聚體有機碳含量相對10—20 cm升高，可能是由于其根系主要分布在這個土層，根系纏繞和聯結土壤顆粒并釋放分泌物，導致了根際土壤物理、化學和生物學性質的變化從而影響土壤團聚化[28]，使得該群落團聚體有機碳在20—40 cm土層出現一個峰值。隨著土層深度的加深，不同群落間的有機碳含量差異逐漸減小，主要是由于成土母質大致相同所致[29]。

相關研究表明，有機碳含量在各粒徑團聚體中分布規律不一。一些研究[5- 6]發現土壤中大團聚體的有機碳含量更高，如有研究表明[6]子午嶺植被恢復過程中土壤團聚體有機碳含量主要集中在大團聚，也有研究表明[30]<0.053 mm團聚體中有機碳含量最高，大約占土壤總碳量的44%—88%。劉敏英等[14]表明土壤團聚體中有機碳含量基本隨團聚體直徑的減小而增加，最大值均集中于<0.25 mm微團聚體中。本研究表明，土壤團聚體有機碳含量在0.25—0.053 mm粒徑最低，而在>0.25 mm和<0.053 mm粒徑中最高，呈現“V”型分布且差異顯著(P<0.05)。其原因主要是有機質把微團聚體膠結成大團聚體，以及在大團聚體中處于分解狀態的根系和菌絲極大地增加了其有機碳的濃度[5-6]，因而>0.25 mm土壤團聚體有機碳含量較高。而<0.053 mm粒徑土壤團聚體有機碳含量較高，其原因為較小團聚體中有機和無機膠體能緊密結合固持碳，固持的碳不易為微生物分解釋放[9]。有研究結果表明[31- 32]大團聚體中的有機碳比微團聚體中的有機碳年輕, 大團聚體中的有機碳更容易礦化, 而微團聚體中的有機碳則大多是高度腐殖化的惰性組分。在干旱區荒漠帶，土壤總有機碳含量比較低, 且活性有機碳容易受環境的影響而轉化，微團聚體中有機碳主要是以穩定的腐殖質碳占優勢, 不易被礦化，因此不斷積累而使微團聚體有機碳含量升高。而在微團聚體中，0.25—0.053 mm粒徑土壤團聚體有機碳含量低于<0.053 mm粒徑可能是因為<0.053 mm粒徑高度腐殖質碳含量更高，固持了更多的穩定碳源。雖然0.25—0.053 mm粒徑團聚體有機碳含量最低，但是其對土壤有機碳的貢獻率最大，這是因為這個粒徑的聚體含量占了絕對優勢。4個植物群落的0.25—0.053 mm粒徑團聚體占61% 以上，其含量遠遠大于其他粒徑團聚體含量。有研究表明[15]不同粒徑土壤團聚體含量與土壤有機碳分布關系密切。相關分析表明，土壤有機碳含量與0.25—0.053 mm團聚體含量呈顯著負相關，但與>0.25 mm和<0.053 mm粒徑團聚體含量相關性不顯著。相關研究[33]指出，大粒徑團聚體對土壤有機碳的保護能力較微團聚體對土壤有機碳的保護能力較差。<0.053 mm粒級團聚體中有機碳含量較高，而貢獻率最低。由此可見, 在干旱鹽堿荒漠地區，小粒徑團聚體對土壤有機碳的保護能力較強。

4結論

從整體來看，在干旱鹽堿荒漠區，土壤鹽漬化嚴重，養分貧瘠，土壤質量較差。不同鹽生植被群落對土壤團聚體比例，有機碳分布及貢獻率呈現較大差異。梭梭和檉柳群落土壤總有機碳和團聚體有機碳含量均較高，碳匯能力相對較強。其中，梭梭群落土壤有機碳含量及大團聚體比例均為最高，聚集土壤養分能力較強，相對其他群落更有利于土壤有機碳的積累。不同粒徑之間土壤團聚體有機碳含量差異顯著，隨粒徑呈現“V”型分布，說明了小團聚體固持了更多穩定碳源。由于0.25—0.053 mm粒徑土壤團聚體占主導優勢，因此其對土壤有機碳的貢獻率遠高于其他粒徑。而<0.053 mm粒級團聚體有機碳含量較高，但貢獻率最低，說明了在該區域小粒徑團聚體對土壤有機碳的保護能力較強。總之，在干旱鹽堿荒漠區，梭梭群落土壤碳匯能力較強，可以改善土壤質量狀況，提高土壤大團聚體比例和有機碳含量，具有較好的生態效益。

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Distribution of soil aggregates and aggregate-associated organic carbon from typical halophyte community in arid region

WANG Jingya, ZHANG Fenghua*

ShiheziUniversity,Shihezi832003,China

Abstract：Soil aggregates are organic-inorganic complexes and the basic unit of soil structure. Their formation and stability are closely related to soil organic carbon content. The distribution of aggregate-associated organic carbon determines the capacity for soil organic carbon storage and retention. Currently, research on soil aggregate-associated organic carbon mainly focuses on agricultural and artificial ecosystems; relatively few studies have focused on natural ecosystems. In particular, little is known about distribution of aggregate-associated organic carbon in halophyte communities in Xinjiang. In light of this, a field experiment was conducted on an alluvial fan in the Manasi River Basin to quantify changes in soil aggregation and aggregated-associated soil organic carbon associated with four halophytes (Karelinia caspia, Bassia dasyphylla, Haloxylon ammodendron, and Tamarix ramosissima). Our objective was to determine 1) the particle size that is most conducive to carbon retention and 2) which of the four halophytes is associated with the accumulation of the most soil organic carbon. The results showed: 1) 46.7% to 74.6% of the total soil mass comprised particles of intermediate diameter (0.25—0.053 mm). This was significantly greater (P<0.05) than the other two classes of particle size defined in this study (>0.25 mm and <0.053 mm). The >0.25 mm or <0.053 mm classes only comprised 7.8% to 43% of soil mass. The >0.25 mm class was most abundant in the Haloxylon ammodendron community, accounting for 32% of soil mass. 2) Soil total organic carbon content was 2.01—8.73 g/kg, and aggregate-associated soil organic carbon content varied from 1.70 to 13.68 g/kg among communities. Total organic carbon and aggregate-associated organic carbon were greater in the Haloxylon ammodendron and Tamarix ramosissima communities than in the other communities studied. These measures decreased in all communities with depth. 3) The aggregate-associated organic carbon content was lowest in the 0.25—0.053 mm class, and significantly higher (P<0.05) in the >0.25 mm and <0.053 mm classes. 4) Because the 0.25—0.053 mm class was the most abundant, aggregate-associated organic carbon in this fraction contributed more to soil total organic carbon contained 43.43%. There was more aggregate-associated organic carbon in the <0.053 mm class, but this contributed less to total soil organic carbon, indicating that these micro-aggregates have the greatest potential to retain soil organic carbon. There was a significant negative relationship between the abundance of 0.25—0.053 mm soil aggregate particles and soil organic carbon content．Total soil organic carbon, aggregate-associated soil organic carbon and abundance of >0.25 mm aggregate particles were highest in the Haloxylon ammodendron community, which implies that this community has the greatest potential to gather soil nutrients of the four communities studies, could be useful for accumulating soil organic carbon in arid areas.

Key Words:arid region; halophyte vegetation; soil aggregate; soil organic carbon

DOI:10.5846/stxb201405221057

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: zfh2000@126.com

收稿日期:2014- 05- 22; 網絡出版日期:2015- 06- 11

基金項目:國家自然科學基金項目(U1203282, 31360320); 教育部科學技術研究項目(213039A)

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