于 革 葉良濤,2,3 廖夢娜,2
(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所 南京 210008;2.中國科學院大學 北京 100049;3.安徽師范大學環境科學與工程學院 安徽 蕪湖 241000)
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晚更新世江蘇海岸帶沉積分布模擬研究
于革1葉良濤1,2,3廖夢娜1,2
(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所南京210008;2.中國科學院大學北京100049;3.安徽師范大學環境科學與工程學院安徽蕪湖241000)
中國邊緣海大陸架在晚更新世時期曾是海岸平原,在古長江、古黃河泥沙填充下形成了陸架堆積體,并在全新世發育了南黃海輻射沙脊群、廢黃河三角洲和長江三角洲。根據點狀的地質鉆孔分析和重建,對南黃?!K海岸的沉積體系的分布和變化機制尚不明了。作為動力機制探討,基于氣候—海面—沉積系統,根據氣候水文學、沉積學原理以及泥沙沉積面的動態高程計算,構建了氣候冰川驅動—東黃海地海系統響應—河流沉積建造的數值模式,模擬了14萬年、4萬年和1萬年不同時間尺度江蘇海岸線和長江三角洲沉積的變化過程和分布,進而對冰川氣候、構造沉降、沉積壓實等復雜效應下的海面特征、陸源泥沙沉積和海岸線進行分析。模擬結果與地質鉆孔資料揭示的層序和埋深能夠進行對比。
氣候冰川沉積海面河流輸沙海岸—河口地理分布數值模擬
中國邊緣海大陸架在晚更新世時期曾是海岸平原,在古長江、古黃河泥沙填充下形成了陸架堆積體,并在全新世發育了南黃海輻射沙脊群、廢黃河三角洲和長江三角洲[1-2]。關于古長江三角洲的核心—南黃海輻射沙脊群,早在1957年就有研究發現長江口外水下地形呈扇形分布的古代水下三角洲,前緣水深-50m,平面中心在32.3°N,面積為7 000km2[3]。此后五十多年以來,不斷有新的發現和認識。到21世紀,根據區域的地質鉆孔,揭示了南黃海輻射沙脊群水深0~25m,以瓊港(32°40′N,120°54′E)為中心,褶扇狀向海展布,面積22 470km2。并認為黃洋沙潮流通道是古長江河谷,沉積體形成的時代成早于43kaB.P.[2,4]。然而,根據點狀分布的地質鉆孔分析和重建,對南黃海—江蘇海岸的沉積體系和演變的分布、規模以及機制尚不明了。陸上海侵層難以保存,重建的海面低于現代海面15~50m,它的海岸線在哪里?大河三角洲沉積位置受沉積基準面控制,由于時間上鉆孔地層不連續、空間上海侵層不連續,特別是沉積和侵蝕基準面不清楚,末次冰期古長江的河口沉積在哪里?此外,大河三角洲沉積通量受到陸源泥沙控制,而泥沙受到流域侵蝕環境和搬運水動力制約,在冰期和間冰期中,氣候降水變化懸殊,影響著入海泥沙量。晚更新世以來的三角洲建造和泥沙沉積與現代有何差異?
本研究擬進行論證和機制探索。由于沉積體系是多種過程的產物,動力過程與沉積記錄的關系十分復雜。采用物理機制進行模擬,已成為過去20多年來包括STRATAFORM在內的多個國際合作項目研究的重要內容[5-6]。在對現代海洋、海岸沉積模型的基礎上,一些學者應用到不同地質時間尺度的邊緣海、海岸河口以及三角洲沉積進行數值模擬。例如對晚第三紀[7]、末次冰盛期[8]、末次冰消期[9]以及過去1 000年[10]等不同時期的模擬嘗試,獲得了對這些重大氣候期沉積體系演變的機理認識。由此,本文在前人基于氣候—海面—沉積系統的概念模型、動力模型研究基礎上,根據氣候水文學、沉積學等原理以及泥沙沉積的動態高程計算,構建氣候冰川驅動—東黃海地海系統響應—河流沉積建造的數值模式,模擬冰川氣候、構造沉降、沉積壓實等復雜效應下的海面特征、陸源泥沙沉積和海岸線分布,從動力學機制上揭示南黃海海岸沉積演變。
首先基于能量守恒定律和質量守恒原理,構建冰川型海面變化模式,模擬晚更新世以來不同氣候期南黃?!K海岸岸線變化和空間格局,分析制約海面與氣候相關點與突變點,以度量和刻畫太平洋邊緣海海面變化過程和特征。其次,基于水沙沉積動力學和地貌高程學原理,構建沉積物表層高程和物質輸移模式,計算潮流海岸和三角洲海岸沉積通量變化,對廢黃河三角洲、江蘇潮灘和長江三角洲不同類型海岸的沉積過程進行模擬。最后,在地質資料重建的海岸線設置的邊界場上,應用于晚更新世以來南黃海—江蘇海岸地質時期海面變化和沉積分布模擬。
該系統從全球海面變化模式(模式1)到江蘇海岸—長江三角洲沉積模式(模式2)分別進行運算,疊置海岸邊界條件后模擬海岸和三角洲的變化分布和過程。多地質鉆孔的地層層序提供了沉積速率以及分布特征,被用來驗證模擬晚更新世地質海岸邊界下的江蘇海岸—長江三角洲沉積通量變化。模式流程見圖1。

圖1 海面—沉積模式流程圖Fig.1 Flow chart of sea level and depositional model
模式1的第一模塊盡管是以全球尺度進行從輻射到冰量和水量模擬,但以點模式(0維模式)模擬。其結果驅動具有三維空間的第二模塊運行,在地形場(東黃海沉積后期海面效應模塊)上模擬海面變化,其時間尺度采用了0.25ka步長模擬。模式2對沉積物輸移和累積的模擬設置在東黃海地形場上,采用了0.25ka時間步長。因此模式1和模式2在空間和時間尺度上能夠耦合。
2.1冰川型海面—后期構造沉積效應模式
該模式基于物理學、氣候學和沉積學的基本原理,以輻射—氣候驅動熱量與冰量熱力平衡、全球冰川型海面水量平衡、東黃海海面響應等不同層次,構建三個動力模塊。
(1) 輻射—冰量熱量平衡模塊:根據全球太陽輻射溫度的能量平衡的Planck輻射定律,計算溫度變化:
T=[S(1-α) /δA ]1/4
(1)
其中T是理論計算地表溫度,α是地表反射率,δ是Stefan-Boltzmann常數(5.67×10-8W/m2K4),A是表面積(計算全球理論溫度采用5.1×1014m2),S是太陽輻射總量(1.74×1017W)。對晚更新世不同氣候期(冰期和間冰期),根據陸面和海面面積變化,海陸采用不同的反射率計算。
其次,根據氣候狀況(溫度變化)和冰量(第四紀冰蓋變化),采用冰融化能量平衡模式(能量=比熱×質量×溫度變化),計算溫度升高時吸收的熱量:
Q=CmΔT
(2)
其中,C是熱容量或比熱,水體比熱 Cw=4 100J/(kg·℃),冰比熱 Ci=2 100J/(kg·℃)。m是冰質量,kg,ΔT是冰體融化所吸收的溫度:ΔT=Ti-Tm,其中Ti冰溫度,Tm冰融化溫度(0℃)。根據溫度升高/降低時冰體吸收/釋放的熱量變化,針對晚更新世不同地質時期期相對現代的變化,模擬從狀態1(地質時期) 到狀態2(現代)在熱量恒定下冰體積的變化:
Cm1ΔT1=Cm2ΔT2
(3)
(2) 冰量—海水物質平衡模塊
從冰量變化模擬海洋水體體積變化,擬采用全球固態水與液態水的水量物質平衡:V=Vi+Vw,其中V是全球水體總量,Vi為固態水(冰量),Vw為液態水。地質時期可采用變化量計算,水量變化(%)和冰量變化(%)的總和為100%(V=1)。由于冰密度ρi與水密度差異(冰融化水后體積減小1/11),固態水轉化液態水的增量ρiVi。獲得高程動態變化的微分方程:
(4)
其中 h海面變化量,m,Vi受溫度控制的冰量(%)。ρi和ρw分別是冰密度與水密度。A(h)為模擬的海域面積,它是h的狀態函數。由此對微分方程(4)求數值解,獲得晚更新世水量變化以及不同冰量體積變化下海水體積變化。
(3) 東黃海沉積后期海面效應模塊
依據海面與地面系統變化地質學原理,分別對海侵層后期的海、陸升降效應進行模擬。地面系統(VL)與海面(VS)之間的相對海面變化(HR),定義為古海面在沉積層中的位置[11]。它以高程計量,是冰川型海面(HS)與后期海、陸效應(HL、HM)的平衡:HR=HS- (HL+HM)。
HS是冰量引起的海水體系變化,通過冰期—間冰期輻射與冰量能量轉換—冰量與水量的物質平衡—地形響應多層模式的模擬獲得。晚更新世不同氣候期(冰期和間冰期)的冰量模擬結果與現代相比為減少。
HL是陸面系統變化,主要考慮構造沉降和沉積壓實兩個效應:HL=HG+HP。其中HG是構造沉降,其效應使海侵層降低,相對海面增高;以現代百年級的沉降速率估計。HP為上覆沉積壓實作用,其效應使海侵層降低,相對海面增高;以鉆孔巖芯層的孔隙率計算。
HM是海面系統變化,主要考慮海盆體積和陸源泥沙充填二個效應:HM=HF+HB。其中HF為大陸河流泥沙充填邊緣海,其效應使海洋容積減少、海面相對增高。HB是海盆構造沉降,使海盆體積增大,引起海面相對降低。
綜合上述5個分量和變化方向,可計算古海面在沉積層中的位置:
HR=-HS-(HG+HP)-(HF-HB)
(5)
2.2晚更新世江蘇海岸—長江三角洲沉積模式
當沉積速率大于可容空間增速下,形成加積層序,依次向盆地方向進積,形成高位體系域和低位前積楔狀體的沉積特征。理想三角洲沉積是指由陸向海的加積沉積(包括水下沉積和水上沉積),一般是從三角洲和潮灘海岸頂點沉積物在河口水流、泥沙流和重力作用下向前推移和累積[12-13]。根據泥沙運動公式[14],其垂向沉降的微分方程有:

(6-1)

(6-2)
在河流泥沙向海洋輸運的加積作用下,泥沙沉積的分布過程可采用邏輯斯諦方程(Logistic)表達[8]:
(6-3)
其中,K為Logistic方程中半飽和系數,它在沉積過程中是與河口形態高差有關的參數,可采用參數率定。輸沙量受到流量和含沙量控制,而流量受到水動力變化控制。在地質時期,主要考慮受到流域降水變化的控制。因此,流量變率(Q)采用降水變率(P)相關:Q=α2P;泥沙變率采用流量變率相關Qsed=α3Q,進一步用降水變率相關:Qsed=α3Q = α3α2P,其中α2與流量、α3與含沙量相關的經驗系數。上式成為:
(6-4)

(6-5)
3.1地形和海陸岸線
地形邊界條件根據中國東部大陸—東黃海等高/等深地形圖,GIS劃分格點(5×5經緯格點精度的數值化)以計算逐米等深線面積,以多項式擬合變量為深度(m) 和面積(km2)函數,用于模式的狀態變量。在地形海拔高度-20~+10m范圍內,以它占東中國海總面積542 000km2的46.8%面積[15],設置微分范圍和步長。通過各個格點微分方程數值求解,獲得不同海拔高度對應的水域面積(圖2)。
全新世中期以來海岸線作為模擬的動態邊界條件,采用據江蘇沿海和南黃海記錄地質鉆孔和海岸線分布的重建資料[1-4](圖3)。根據6kaB.P.、4.5kaB.P.、2kaB.P.、1.2kaB.P.以及歷史時期海岸線和河口不同時期的位置,進行2D的同化處理,物理量綱為岸線的高程(m)。

圖2 東黃海精度5分的海底地形(a)及海面高度與海水體積變化關系(b)Fig.2 Gridded-topography in 5×5 minute resolution (a) and relations between sea level changes and sea water volume (b)

圖3 全新世不同時期江蘇海岸和長江三角洲變化Fig.3 Changes in Yangtze delta and coastlines in Jiangsu during the Holocene
3.2邊界場和初始場設置
模式1的邊界場,采用了矢量形式的變量輸入,包括相對于現代的太陽輻射變率、陸地冰量變率以及研究區域的降水變率。根據文獻綜述[16-17]和本文分析,設置了晚更新世(約140kaB.P.)以來的主要氣候期的全球輻射、相對現代的大陸冰量變化、研究區降水變化等邊界閾值。表1列出140kaB.P.以來主要氣候期邊界場閾值和相應的參考文獻。模式2邊界場主要是各個時期的海岸線分布,采用了地質和沉積資料重建的全新世以來江蘇海岸線分布,以岸線的經度、緯度相對0kaB.P.的位置表示。各個時期的岸線分布位置見圖3。
模擬試驗的初始場和參數采用設置和率定獲得。模式1采用了平均區域構造垂直升降速率、沉積物壓實率作為沉積后期高程變化的主要參數,系根據前人研究的成果設置[30-33]。模式2采用的海陸邊界高程差(H0)、與海岸和河口沉積高差、坡降有關的半飽和系數(K),以及計算沉積通量的入海河流徑流量(Q)、入海河流輸沙量(Qsed)。由于區域地貌差異,劃分研究區為三段不同類型海岸:北部廢黃河三角洲、中部海岸潮灘和南部長江三角洲,因此初始場分三段海岸設置。對6-4式中的參數,系根據多年的江蘇長江河口段、廢黃河口段水沙資料擬合獲得。采用6-5式,當t=1,2,…n年和年降水P=P1,P2…Pn時,設置了河口初始高程(H0)后,通過非線性最小二乘法擬合函數擬合獲得3個參數解。由于江蘇海岸中段水沙資料有限[1],僅采用類比性設置。表2列出設置的各項參數和相應的參考文獻。

表1 晚更新世以來主要氣候期邊界條件設置

表2 初始場和參數設置
3.3沉積物埋深
多地質鉆孔的地層層序[1-4,10,33-35]提供了沉積物埋深的實際情況,被用來驗證模擬晚更新世地質海岸邊界下的江蘇海岸—長江三角洲沉積通量變化。根據鉆孔沉積物測定的年齡,劃分晚更新世以來的不同氣候特征期(35±3kaB.P.、21±3kaB.P.、15±1kaB.P.、12±1kaB.P.、10±1kaB.P.、8±1kaB.P.、6±1kaB.P.、4±0.7kaB.P.、2±0.5kaB.P.、1±0.3kaB.P.)為標志性年代。采用鉆孔樣品年代和層序計算沉積速率,利用Kringe幾何數學方法做空間內插,確定區域空間不同時代的沉積層厚度和埋藏(圖4)。這些鉆孔沉積物顯示了自4萬年以來的分布特征,特別是在幾個變化顯著階段。在35kaB.P.時長江三角洲北部是一個大海灣,在20kaB.P.時沉積重心自西向東遷移,到了10kaB.P.時瓊港外形成面狀沉積體,在6kaB.P.時候海岸沉積帶向西推進。
地質時期的沉積物分布特征和過程,采用上述二個模式和一個動態邊界場,時間總長度140ka,步長為0.25ka。采用模式1模擬冰期—間冰期海面,計算冰川型海面,并對后期構造沉降、沉積物壓實等復雜效應下的海面高度的時間序列。輸出物理量綱為海面垂直高度(m)。同時,采用模式2中模擬河流三角洲泥沙,系根據晚更新世長江和黃河流域氣候經歷了冰期和間冰期變化,導致降雨干濕并引起入海流量和泥沙巨大變化,驅動陸源泥沙入海和海岸與河口沉積通量變化。輸出物理量綱是沉積物埋深(m)。

圖4 江蘇海岸沉積鉆孔晚更新世沉積物埋深分布a.徑向剖面;b.緯向剖面Fig.4 Longitudinal (a) and latitudinal (b) distributions of Pleistocene sediment depths from the Jiangsu coastal cores
根據黃海、東海的大陸與海底地形,沉積和構造分量,模擬了140kaB.P. 以來區域冰川—沉積海面垂直變化,海面變化2D再現。模擬表明,當海面在東黃海下降到-55m時,渤海海峽關閉。臺灣海峽在海面下降到-80m時關閉。當海面達到-90m時,黃海成陸。在末次盛冰期的低海面(-145m)階段,對馬海峽關閉,整個東亞大陸的大陸架暴露成陸,海岸線向東推進了1 000km(圖5a,b)。這個模擬與全球海面研究成果[20,36]對比,冰期與間冰期海面變化一致,而區域性的不同變化部分占10%~18%。
根據降雨—流量—泥沙運動特征和參數,模擬不同地質時期大陸入海泥沙的沉積通量、沉積層高程以及區域空間分布。由于沉積物的堆積,岸線和河口向海推進,改變了地形深度和分布。把黃河三角洲海岸、江蘇潮汐海岸和長江三角洲海岸不同地貌類型的沉積侵蝕與堆積模擬結果,與海面變化疊置模擬了距今140kaB.P. 以來江蘇海岸線和長江三角洲地貌與沉積長期變化過程。2D模擬輸出顯示,大陸泥沙輸移和堆積造就了海岸帶和三角洲的依次變化。在末次冰盛期ca. 19kaB.P.時海面達到最低,與琉球群島鏈呈現內陸湖泊。海面在晚冰期ca. 14kaB.P.時,從低海面不斷上升,形成北黃海內陸湖泊。從全新世早期到中期ca. 6kaB.P.,海侵到江蘇低平原地區,蘇北達到范公堤以西(圖5c,d)。

圖5 模擬晚更新世東黃海海面變化和海陸岸線分布a.6 ka B.P.;b. 20 ka B.P.;c. 沉積模式下6 ka B.P.;d. 沉積模式下20 ka B.P.Fig.5 Simulations of sea level changes and land-sea coastal lines during the Pleistocene a. 6 ka B.P.; b. 20 ka B.P.; c. 6 ka B.P. under depositional model; d. 20 ka B.P. under depositional model
根據江蘇沿海徑向8個鉆孔點的35±3kaB.P.海侵層記錄,對比模擬35kaB.P.沉積物分布 (圖6)。對比表明,模擬的東海和黃海海面高度在-30.2~-23.7m。沉積物經3.5萬年以來海陸構造沉降、上覆地層壓實、河流泥沙充填后,分布高度在-33.5~-22.8m,不同地點模擬誤差在±(2.5~4.5)m。對比地質記錄,模擬誤差小于10%,結果可以接受。從區域上來看,模擬結果能夠與鉆孔層位(圖4)對比,模擬的空間分布與地質記錄基本一致。

圖6 35 ka B.P.沉積物分布模擬與地質鉆孔沉積物埋深的對比Fig.6 Comparisons between simulation of sediment distributions and coring-sediment depths
本文介紹地質時期海面和沉積分布模式設計與實現,分別從氣候—泥沙水動力驅動、下墊面海面—地形兩個方面構建了模式系統的主要功能,并把兩個動力系統模式進行了耦合。模式1的輻射—冰量—水量的0維模式疊加在東黃海地形場進行3D模擬,輸出海面高度變化作為模式2邊界條件,繼續在3D區域地形場上模擬沉積物分布,較好地解決了在兩個模式在空間和時間尺度的耦合。
本研究模擬了距今14萬年、4萬年和1萬年不同時間尺度江蘇海岸線和長江三角洲地貌與沉積長期變化過程。模擬發現,當海面在東黃海下降到-55m時,渤海海峽關閉。臺灣海峽在海面下降到-80m時關閉。當海面達到-90m時,黃海成陸。在末次盛冰期的低海面(-145m)階段,對馬海峽關閉,整個東亞大陸的大陸架暴露成陸,海岸線向東推進了1 000km。這個模擬與全球海面研究成果對比,冰期與間冰期海面變化一致,而區域性的不同變化部分占10%~18%。該模擬與數個地質鉆孔資料進行的對比驗證,表明在晚更新世以來冰期—間冰期—晚冰期—冰后期的海岸分布和沉積記錄的變化趨勢基本一致。
本研究嘗試的物理機制模式對地質時間尺度的模擬,結果表明在晚更新世以來氣候環境下,能夠模擬由地質推斷的沉積體系,表明在河海交互下復合動力能夠建造大揚子沉積系統。在今后的工作中,筆者將進一步對模式進行完善和擴展,使其成為一個診斷和預測海面變化和我國海岸響應研究的有效工具。
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SimulationsofCoastalSedimentPatternsduringtheLatePleistoceneinJiangsuCoasts
YUGe1YELiangTao1,2,3LIAOMengNa1,2
(1.NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,AnhuiNormalUniversity,Wuhu,Anhui241000,China)
TherehadbeenacoastalplaininacontinentalshelfoftheYellowSeaduringthelatePleistocene,onwhichfilledabundantterrestrial-sourcedsedimentsundertransportationanddepositionofancientYangtzeRiverandYellowRiver.TheSouthYellowSeaRadialSandRidges,theYangtzeRiverDeltasandtheabandonedYellowRiverDeltasweredevelopedonthesedimentsystem.Howevertheevolutionpatternsandmechanismsarehardlyunderstoodifonlybasedondiscreteevidencefromgeologicalcores.Torecognizekeyissuesontheglaciationsealevelsandcostalsedimentationchanges,onthebasisofhydrology,sedimentology,andgeomorphologicelevations,thisstudyattemptestoconstructanumericmodeltosimulatethechangesintheprocessesandpatterns.Themodelisconstructedintwomodules:onesubmodelisbuiltfortheglacial-drivensealevelandpost-tectonicandsedimentcompaction-impactedrelativesealevel.Theothersubmodelisforcoastalsedimentationundervariedsealevelsandwithrivermud-transportation.ThreecoastaltypesintheSouthYellowSearadialsandridges,theYangtzeRiverdeltasandtheabandonedYellowRiverdeltaswereprescribed,andtheHoloceneboundariesofcoastallinesthatwerereconstructedbygeologicalevidencewerealsoprescribed.ThemodelwasrunbyglaciationandclimateforcesofthelatePleistocene,andsimulatedthepatternsandprocessesofsealevels,coastallinesandcoastal-estuariessedimentfluxsince140kaB.P., 40kaB.P.and10kaB.P.respectively.Theresultsshowedthatseallevelswerethelowestin19kaB.P.whenitwasduringthelastmaximumglaciation,whichinlandlakeswereformedbetweencontinentalcoastsandtheRyukyuIslands.Duringthelateglaciationca.14kaB.P.,thesealevelstartedtoriseandtheinlandlakeswereformedinseaareasoftheYellowSea.BetweentheearlyHoloceneandthemid-Holocene,theseatransgressionwasoccurredtothelowplainsofJiangsu,andthecoastallinesarrivedthewesttoFangongDam,ca6kaB.P..Furthermoreeffectsoftheclimaticglacial,tectonicsubsidingandsedimentcompactionwereanalyzedandresultsshowedthatthechangeswererespondedtolong-termclimatevariations,sea-landsurfaceinteraction,andterrestrialsedimenttransportations.Thesimulationsareconsistentwithgeologicalsequenceandstratadepths,whichthesimulationoftherelativesea-levelsarebetween-30.2~-23.7ma.s.l.Thesimulationerrorsinvaryinglocalitiesarebetween±(2.5~4.5)m,suggestingthattheerrorbarisrelativesmallandthemodelingresultscanbeaccepted.Thestudyisofsignificancetounderstandthecharacteristicsofsedimentationandpatternsundermultiplecomplexland-seainteractionsandtoillustratetheclimateandglacialmechanismsforchangesinJiangsucoastsandsedimentssincethelatePleistocene.
climaticglaciation;sedimentation;sealevel;riversedimenttransport;coast-estuary;geographicaldistribution;numericmodeling
1000-0550(2016)04-0670-09
10.14027/j.cnki.cjxb.2016.04.007
2015-07-09; 收修改稿日期: 2015-11-27
國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2013CB956501, 2012CB956103);中科院國際合作計劃(CAS/SAFEAKZZD-EW-TZ-08-3)[Foundation:NationalKeyBasicResearchProgramsofChina(973Program),No. 2013CB956501, 2012CB956103;InternationalCooperationProgramoftheChineseAcademyofSciences,No.CAS/SAFEAKZZD-EW-TZ-08-3]
于革女1957年出生研究員湖泊沉積學與古氣候模擬E-mail:geyu@niglas.ac.cn
P736.2A