中國天然草地氮磷流動空間特征

魏志標，柏兆海，馬林，張福鎖

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中國天然草地氮磷流動空間特征

魏志標1,2，柏兆海2，馬林2，張福鎖1

（1中國農業大學資源與環境學院/植物-土壤相互作用教育部重點實驗室，北京 100193；2中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心/ 河北省節水農業重點實驗室/中國科學院農業水資源重點實驗室，石家莊 050021）

【目的】定量研究天然草地的氮磷流動空間特征，為優化牧草施肥和提高牧草產量提供科學依據?！痉椒ā拷⒅袊烊徊莸氐尊B分輸入(輸出)數據庫，利用NUFER模型定量中國天然草地氮磷平衡賬戶、利用率和環境排放特征?！窘Y果】(1)2013年，全國天然草地氮和磷的輸入(輸出)總量分別為5 034 Gg N和318 Gg P，單位面積的輸入(輸出)量分別為19 kg N·hm-2和1.2 kg P·hm-2。氮沉降和畜禽糞尿磷分別占氮和磷輸入總量的49%和89%。各區域天然草地氮和磷輸入(輸出)量變化范圍分別為7.0—70 kg N·hm-2和0.12—8.0 kg P·hm-2；(2)2013年，天然草地氮和磷養分利用率分別為105%和191%，各區域間差異很大。中國各地區天然草地的氮利用率變化范圍為67%—141%，磷利用率的變化范圍為75%—538%；(3)2013年，天然草地氮和磷的環境損失量分別為1.7 kg N·hm-2和0.059 kg P·hm-2，氨揮發和侵蝕分別是氮和磷的主要損失途徑。西南和東北地區天然草地氮損失量較多，部分區域的損失量超過8.0 kg N·hm-2；西北地區氮損失量較少，平均不足3.0 kg N·hm-2；青藏高原區氮損失量最少，不足1.0 kg N·hm-2。磷的環境排放空間規律與氮排放相似；(4)2013年，全國天然草地土壤氮和磷的虧缺總量分別為706 Gg N和315 Gg P，單位面積虧缺量分別為2.7 kg N·hm-2和1.2 kg P·hm-2。北方和西南部分地區天然草地的氮土壤累積量為負值，重慶、吉林和遼寧的土壤氮虧損量超過20 kg N·hm-2；西部和西南部分省份天然草地的氮土壤累積量為正值，其中廣西和云南的土壤氮累積量超過5.0 kg N·hm-2。除廣西和貴州外，其他區域天然草地磷養分均有不同程度的虧缺，重慶天然草地磷的虧缺量最大，為3.7 kg P·hm-2?！窘Y論】2013年，全國天然草地的氮和磷輸入量較小，約50%的氮素通過氮沉降輸入系統，約90%的磷素通過畜禽糞尿磷輸入系統；全國天然草地土壤的氮和磷呈虧缺狀態，養分利用率高于100%，當前草地系統不可持續，應注意補施氮磷養分；全國天然草地單位面積氮和磷的環境損失量較小，西南地區天然草地的氮和磷環境損失量大于其他區域。各區域天然草地氮磷流動空間特征差異較大。

天然草地；氮；磷；養分流動；養分利用率；土壤養分累積

0 引言

【研究意義】中國天然草地的面積為4億公頃，是中國國土面積的42%，耕地面積的3.2倍[1-2]。草地不僅具有生產功能，而且還有諸多的生態功能，據估計，通過優化放牧和管理，草地系統可以吸收1.5億噸CO2當量的溫室氣體[3-4]。中國天然草地牧草的產量基本不足1 000 kg·hm-2，除寧夏外其他地區的載畜量均有不同程度的超載[5]。天然草地養分流動特征的研究可以為優化草地施肥提供理論依據。【前人研究進展】氮和磷是牧草生產的主要限制因素，其循環對草地系統有重要影響[6-7]。張杰琦等[8]在青藏高原的研究表明，添加氮可以提高高寒草甸的植被高度和蓋度，添加磷同樣對天然草地有重要影響；閆鐘清等[9]研究了人類活動對中國草地系統氮循環關鍵過程的影響，認為人類活動，如放牧、開墾和火燒，是草原生態系統維持穩定的重要干擾因子，可能會增加硝態氮的流失和N2O的排放。草地系統磷流動方面的研究較少，Chen等[10]分析了中國農業系統的磷流動及其對水體和人類生活的影響，研究指出，盡管中國農業系統每年磷的盈余量為15 kg P·hm-2，但草地生產系統呈現嚴重的磷虧缺，每年的虧損量接近10 kg P·hm-2，嚴重影響草地的生產和生態功能。當前相關方面的研究尚有很多不足[11-12]。天然草地基本不施肥且載畜量較高，管理和利用方式不合理，約90%的草地出現不同程度的退化，草原區沙化土地占國土面積的3.9%，局部治理，整體惡化的趨勢仍在繼續[13-15]?！颈狙芯壳腥朦c】天然草地氮磷流動特征研究對于國家政策制定和農戶生產均具有重要意義，而當前在這方面的研究尚需完善，本研究通過建立中國各區域的天然草地氮磷輸入和輸出的數據庫，借助NUFER模型，估算各區域天然草地氮磷流動特征、利用率和環境排放特征。【擬解決的關鍵問題】定量中國不同區域天然草地的養分平衡賬戶；分析不同區域天然草地氮磷利用率；評估不同區域天然草地的氮磷環境排放。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究利用NUFER模型計算，模型包括輸入模塊、輸出模塊和計算模塊[16-17]。輸入模塊包括變量和參數。化肥用量、牧草播種面積、作物產量等屬于模型變量，來源于統計數據。參數例如牧草氮磷含量、養分環境排放因子來源于文獻數據。模型輸出模塊包括氮磷平衡帳戶、氮磷利用率和各種形態氮磷環境排放，包括揮發（NH3）、氧化亞氮排放（N2O）、反硝化（N2）、氮磷徑流、侵蝕、淋洗等。

1.2 模型計算

養分賬戶的輸入項包括糞尿輸入、大氣沉降、生物固氮（N）；輸出項包括牧草收獲、揮發（NH3）、氧化亞氮排放（N2O）、反硝化（N2）、氮磷徑流、侵蝕、淋洗和土壤累積。具體的養分輸入和輸出公式如下：

Igtotal=Igmanure+Igdeposition+Igfixation（1）

式中，Igtotal表示天然草地氮（磷）總輸入量（kg·hm-2），Igmanure代表天然草地中糞尿氮（磷）輸入（kg·hm-2），Igdeposition代表氮（磷）沉降（kg·hm-2）；Igfixation代表草地生物固氮（kg·hm-2）。具體數值見表1。

Ogtotal=Oggrass+OgNH3+OgN2O+Ogdenitrification+Ogrunoff+Ogerosion+Ogleaching+Ogaccumulation（2）

Oggrass=yield×grassN(P)C/100 （3）

式中，Ogtotal表示天然草地氮（磷）總輸出量（kg·hm-2），Oggrass表示天然草地牧草氮（磷）輸出量（kg·hm-2），其數值基于牧草產量和牧草氮含量估算；牧草產量（kg·hm-2）和牧草氮（磷）含量（%）分別由yield和grassN（P）C表示，各地區的具體量見表2；OgNH3表示氨揮發，OgN2O表示氧化亞氮排放，Ogdenitrification表示反硝化，Ogrunoff表示氮（磷）徑流，Ogerosion表示氮（磷）侵蝕，Ogleaching表示氮（磷）淋洗，Ogaccumulation表示天然草地氮（磷）土壤累積（kg·hm-2），以上數據由NUFER模型模擬得到[16-17]，該模型可模擬食物鏈養分流動情況。

N(P)UEg=（Oggrass/Igtotal）×100% （4）

式中，N(P)UEg表示天然草地氮（磷）利用率，由牧草氮（磷）輸出量和天然草地氮（磷）輸入量的比值得到。

表1 2013年中國不同區域天然草地氮磷養分輸入量

表中數據為2013年的值，基于發表的文章。草地生物固氮量基于草產量估算，青藏高原區天然草地生物固氮量占總吸氮量的9.0%，其他區域占20%

Date used derived from published articles and based on the results of 2013. N fixation of natural grassland was calculated based on grass yield. N fixation of natural grassland in Tibet Plateau accounts for 9.0% of total N uptake, while other regions account for 20%

表2 2013年中國不同區域天然草地牧草產量、氮磷含量和牧草氮磷攜出量

天然草地產量數據源于全國草原監測報告；牧草氮和磷含量通過文獻總結獲得（附錄）

Natural grassland yield data used derived from The National Grassland Report. The content of N and P of forage acquired by summarizing published articles (appendix)

2 結果

2.1 2013年中國天然草地氮磷流動特征

2013年中國天然草地氮總輸入（輸出）量為5 034 Gg N，氮沉降是氮輸入天然草地的一種主要途徑，占總輸入量的49%，牧草攜出是天然草地氮輸出的最主要方式，占總輸出量的105%。全國天然草地磷總輸入（輸出）量為318 Gg P，動物糞尿是天然草地磷輸入的一種主要途徑，占總輸入量的89%，另外有11%的磷以沉降的形式輸入到天然草地，牧草攜出是天然草地磷輸出的最主要方式，占總輸出量的191%。

2013年中國單位面積天然草地氮總輸入量為19 kg N·hm-2，牧草攜出氮為20 kg N·hm-2，天然草地氮利用率為105%，以氨揮發等環境損失的方式進入到大氣或水體中的量為1.7 kg N·hm-2，天然草地土壤氮累積量為-2.7 kg N·hm-2。單位面積天然草地磷輸入（輸出）量較少，為1.2 kg P·hm-2，動物糞尿是天然草地磷輸入的一種主要途徑（1.1 kg P·hm-2），以沉降的形式輸入到單位面積天然草地的量為0.14 kg P·hm-2。在單位面積天然草地磷的各輸出項中，牧草攜出量為2.3 kg P·hm-2，以徑流和侵蝕等環境損失的方式進入到地表和地下水體中的量分別為0.029和0.061 kg P·hm-2，磷利用率為191%，草地土壤磷累積量為-1.2 kg P·hm-2（表3）。

2.2 2013年中國各地區天然草地氮磷平衡賬戶

2013年中國各地區單位面積天然草地氮輸入量變化范圍為7.0—70 kg N·hm-2，南方和東北地區天然草地氮輸入量較大，內蒙、新疆、甘肅、西藏和青海5大牧區的氮輸入量均較小，其中青藏高原區的輸入量最少，西藏和青海的氮輸入量為7.4和7.0 kg N·hm-2。各地區天然草地的氮輸出量變化范圍為6.3—91 kg N·hm-2，氮輸入量越大的地區牧草攜出的養分越多，重慶通過牧草攜出的氮養分最多，為91 kg N·hm-2（圖1-a）。

2013年中國各地區單位面積天然草地磷輸入量變化范圍為0.12—8.0 kg P·hm-2，西南和東北地區磷輸入量較高，輸入量最高的省份為貴州（8.0 kg P·hm-2）；5大牧區單位面積的輸入量較低，最低的省份為青海，輸入量僅為0.21 kg P·hm-2。磷輸入量較多的區域一般牧草攜出量也偏高，牧草攜出量分布在0.61—11 kg P·hm-2（圖1-b）。

表3 2013年全國天然草地氮磷流動特征

圖1 2013年中國不同地區天然草地氮磷平衡賬戶

2.3 2013年中國各地區天然草地氮磷利用率

2013年中國各地區天然草地的氮利用率變化范圍為67%—141%，由于青海、重慶、吉林、遼寧、內蒙古和甘肅的牧草攜出量大于當地天然草地的氮總輸入量，故上述區域的氮利用率超過100%，其中青海天然草地的氮利用率最高，為141%；其余9個地區的牧草攜出量小于氮的總輸入量，氮利用率小于100%，云南的氮利用率最低（67%）（表4）。

2013年中國地區天然草地的磷利用率高于氮利用率，變化范圍為75%—538%。青海的磷利用率最高，達到538%，主要原因是當地天然草地的磷輸入量非常低。內蒙和甘肅的磷利用率也較高，超過200%；僅廣西、貴州和云南的磷利用率小于100%（表4）。

2.4 2013年中國各地區天然草地氮磷環境損失

西南和東北地區天然草地氮損失較多，貴州、云南、廣西和吉林的氮損失量分別為10、9.5、9.4和7.5 kg N·hm-2；西北地區的氮損失量較少，平均不足3.0 kg N·hm-2；青藏高原區氮損失量最少，不足1.0 kg N·hm-2。氨揮發是氮損失的主要途徑，遼寧、吉林、貴州、重慶和廣西等地區通過氨揮發損失的氮大于5.0 kg N·hm-2（圖2-a）。磷的環境排放與氮排放規律相似，西南和東北地區的排放量較多。通過淋洗損失的磷很少，通過侵蝕損失的量較多，但基本不超過1.0 kg P·hm-2（圖2-b）。

2.5 2013年中國各地區單位面積天然草地氮磷土壤累積

北方和部分西南地區的氮土壤累積量為負值，重慶、吉林和遼寧的土壤氮虧損量超過20 kg N·hm-2。西部和西南部分地區的氮土壤累積量為正值，其中廣西和云南兩地的土壤氮累積量超過5.0 kg N·hm-2。西藏、寧夏和貴州的氮土壤累積量介于0—2.0 kg N·hm-2，土壤氮基本處于平衡狀態（圖3）。

除廣西和貴州外，其余地區均有不同程度的磷虧缺。其中新疆和云南草地土壤磷虧缺量不足0.1 kg P·hm-2，土壤磷基本處于平衡狀態，重慶天然草地磷的虧缺量最大，為3.7 kg P·hm-2。廣西 和貴州天然草地的土壤磷累積量分別為1.3和0.26 kg P·hm-2（圖3）。

圖2 2013年中國不同地區天然草地氮磷損失

圖3 2013年中國不同地區天然草地氮磷土壤累積

表4 2013年中國不同地區天然牧草氮磷利用率

3 討論

3.1 中國天然草地氮磷流動特征

本研究發現，中國天然草地氮磷養分賬戶均為負值，草地土壤養分略有虧缺，草地嚴重退化與此相關。草地氮磷的利用率超過100%，青海等部分地區的磷利用率甚至超過200%。Gu等[21]研究表明，中國草地系統氮利用率為59%—95%，與本研究結果存在差異。主要有兩方面原因，首先Gu等的研究對象包括天然和栽培草地兩種類型，由于化肥的投入，栽培草地的養分利用率低于天然草地。另外，限于數據的問題，本研究認為天然草地的產量等于草地的氮磷移除量，故本研究的草地養分利用率較高。下一步的研究中，可以區分放牧區和沒有采食的地區或禁牧區，將這部分草地的牧草輸出設為0，以減小研究結果的誤差。

中國天然草地土壤氮虧缺量為2.7 kg N·hm-2，且各區域間差異很大，這與前人研究結果較為一致。Giese等[22]在內蒙古的計算結果表明，放牧區氮累積量為負值，禁牧區的氮累積量為正值；Chen等[23]認為中國天然草地的土壤氮虧缺量為-31.7 kg N·hm-2，養分輸出方面，牧草攜出氮量為80 kg N·hm-2，糞尿氮的輸入量僅為13 kg N·hm-2，兩方面的原因導致其計算的氮賬戶為負值。在本研究所涉及的地區中，吉林省牧草攜出量與Chen等計算的牧草氮帶走量相當，而吉林天然草地的氮累積量為-24 kg N·hm-2，略高于Chen等的估算，原因是本研究中吉林的糞尿輸入量為29 kg N·hm-2，高于Chen等的估算。

動物糞尿歸還草地量占天然草地氮總輸入量的33%（表3），Bouwman等[24]研究表明，糞尿施用量占亞洲農用地氮總輸入量的31%。Bouwman等的研究對象包括耕地和草地，而本文的研究對象是天然草地。耕地和人工草地的糞尿施用比例遠小于天然草地[11,17]，本研究的糞尿歸還天然草地的比例實際低于Bouwman等的研究結果。其一是因為中國的氮沉降量較大（約占天然草地氮總輸入量的50%）；其二是因為中國牲畜糞尿環境損失量較高[7]。

本研究表明，中國天然草地的土壤磷虧缺量為1.2 kg P·hm-2。Sattari等[12]對亞洲草原系統磷流動特征分析的結果表明，草原磷虧缺量為3.7 kg P·hm-2，低于本研究計算的結果。Sattari等認為每年牧草攜出的磷為6.6 kg P·hm-2, 按照磷含量0.22%計算，每年牧草的產量為3 000 kg·hm-2，而中國主要牧區牧草實際產量不足1 000 kg·hm-2，因此，Sattari等對亞洲草原區牧草的產量有所高估，進而低估了草原磷累積量。Chen等[10]使用模型估算了中國草地磷流動特征，表明中國草地的磷累積量為-4.7 kg P·hm-2，其估算的累積量結果更低。原因除高估了中國天然草地的產量外（3 441 kg·hm-2），他們還認為僅有16%的動物糞尿歸還到草地。事實上中國牧區多為天然放牧，除了環境損失和牧民取暖消耗掉部分動物排泄物外，多數糞尿重新歸還草地。

3.2 中國天然草地養分管理優化策略

基于本研究結果，對于中國天然草地養分管理的優化策略應該包括以下兩個方面：

其一，中國天然草地應適當的補施氮肥和磷肥。當前天然草地退化嚴重，不僅制約了畜牧業的發展，還嚴重影響草地的生態功能[5,25-26]。以往的研究認為氣候和放牧強度是影響草地生產力的最主要因素[27-28]，本研究發現中國天然草地土壤氮磷整體上略有虧缺。長期以來，中國天然草地基本不施肥，且載畜量較高，草地土壤養分的管理不合理可能是天然草地退化的一個更直接原因。

其二，不同牧草種植區應采用不同的氮磷養分管理策略，西南和西部地區天然草地土壤氮磷養分基本平衡，草地退化并非由土壤養分管理不合理所導致。遼寧、吉林和重慶天然草地土壤氮虧缺嚴重，每年應補施氮20—30 kg N·hm-2。草原磷賬戶方面，除廣西和貴州外，全國草原磷賬戶均為負值。為了增加草地的生產力，應適當補施磷肥。內蒙和重慶應在控制載畜量的基礎上，補施部分磷肥，防止草地退化。

3.3 模型的不確定性

本研究利用NUFER模型模擬了中國天然草地氮磷流動特征，但是由于模型的算法和參數的獲取的缺陷，也存在一些不確定性，主要表現在以下幾方面：本研究中氮沉降的數據源于文獻[18]。大氣按沉降的形式主要分為干沉降和濕沉降，其中報道最多的是濕沉降。由于下墊面土地利用方式和測定方法的不同，現有研究關于氮沉降量的報道差異很大。其中，對氮濕沉降的研究比較系統，使用該數值作為本研究的沉降量雖然會對總沉降量造成低估，但各區域的相對大小可以保證。

磷沉降方面，磷沉降同樣分為干沉降和濕沉降，沉降形式主要為無機磷。對濕沉降的研究相對比較系統，因此本研究所用的數據來自Zhu等[19]2016年對全國各地區磷濕沉降的研究結果。當前關于磷沉降的研究較少，且報道的數值變化較大，本研究中，全國的平均值為0.21 kg P·hm-2。近年來關于中國北方地區特別是內蒙古沙塵的報道逐漸增多，大量的沙塵會導致磷以干沉降的形式進入草原系統[29-31]。但不能忽略的是，由于利用不合理，放牧強度過大等原因，內蒙古草地的沙化問題不斷加劇[32]。本研究中，內蒙地區的草原磷沉降為0.11 kg P·hm-2（濕沉降量），雖然該數值未包含干沉降的部分，但是筆者認為干沉降進入系統的磷和通過風蝕等途徑向系統外輸出的磷在總量上可以抵消，因此不予考慮。

天然草地糞尿輸入量根據Bai等[7]的算法獲得，利用中國各區域牛、羊、馬等草食動物的養殖量計算糞尿產生量，再基于糞尿歸還草地的比例獲取天然草地糞尿輸入量。養分的環境排放方面，當前關于天然草地環境排放參數的系統報道很少，本研究根據使用NUFER模型中的算法，根據植被覆蓋等因子，計算相應的環境排放量[16-17]。

4 結論

（1）2013年，全國天然草地的氮和磷輸入量較小，氮沉降和畜禽糞尿磷分別是最主要的氮和磷輸入項；（2）2013年，全國天然草地氮和磷的養分利用率高于100%，各區域氮和磷利用率差異較大；（3）2013年，全國天然草地單位面積氮和磷的環境損失量較小，各區域的環境損失量差異較大，西南地區天然草地的氮和磷環境損失量大于其他區域；（4）2013年，全國天然草地土壤氮和磷呈虧缺狀態，當前草地系統不可持續，應注意補施氮磷養分。

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（責任編輯 岳梅）

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spatial Characteristics of Nitrogen and phosphorus Flow in natural grassland of China

WEI Zhibiao1,2, BAI Zhaohai2, MA Lin2, ZHANG Fusuo1

(1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University/Key Laboratory of Plant-Soil Interactions, Ministry of Education, Beijing 100193;2Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences/Hebei Key Laboratory of Water-Saving Agriculture/Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences , Shijiazhuang 050021)

【Objective】The objective of this study is to quantify the spatial characteristics of nitrogen (N) and phosphorus (P) flow in natural grassland of China, and to provide a scientific basis for optimizing forage fertilization and increasing forage yield. 【Method】The input and output database of N and P in natural grassland of China was established, the nutrient balance budget, nutrient use efficiency and environmental emission characteristics in natural grassland of China were quantified by using NUFER model. 【Result】(1) In 2013, the total input of N and P in natural grassland of China was 5 034 Gg N and 318 Gg P, respectively. The N and P input per unit area in natural grassland was 19 kg N·hm-2and 1.2 kg P·hm-2, respectively. The N deposition and the manure P applied accounted for 49% and 89% of total N and P input. The range of input (output) of N and P in natural grassland in different regions was 7.0-70 kg N·hm-2and 0.12-8.0 kg P·hm-2; (2) In 2013, the use efficiency of N and P in natural grassland of China was 105% and 191%, respectively. There were great differences among different regions. The range of use efficiency of N and P was 67%-141%, 75%-538%, respectively; (3) In 2013, the environmental loss of N and P in natural grassland of China was 1.7 kg N·hm-2and 0.059 kg P·hm-2, respectively. Ammonia emission and erosion were the main loss pathways of N and P in natural grassland, respectively. The N loss in natural grassland of Southwest and Northeast China was over 8.0 kg·hm-2. The N loss of Northwest China was relatively low, which was less than 3.0 kg·hm-2on average. The N loss in Tibet plateau was the lowest, which was less than 1.0 kg·hm-2. Spatial regularity of environmental P emission was similar to that of N emission; (4) In 2013, the total N and P deficit in natural grassland of China was 706 Gg N and 315 Gg P, respectively. The deficit per unit area of N and P was 2.7 kg N·hm-2and 1.2 kg P·hm-2, respectively. The value of soil N accumulation in North and Southwest China was negative, and the soil N deficit in Chongqing, Jilin and Liaoning was more than 20 kg N·hm-2. The value of soil nitrogen accumulation in West and Southwest China was positive, and the soil N accumulation in Guangxi and Yunnan was more than 5.0 kg N·hm-2. Soil P accumulation in natural grassland of China was different from N accumulation. With the exception of Guangxi and Guizhou, all of other regions had a negative soil P accumulation. The P deficit of natural grassland in Chongqing was the largest, which was -3.7 kg P·hm-2.【Conclusion】In 2013, the total input of N and P in natural grassland of China was relatively low, about 50% of the N was input through the N deposition and 90% of the P was input by manure P applied. The soil accumulation of N and P in natural grassland of China was negative in 2013, and the N and P use efficiency was higher than 100%. The current grassland system was unsustainable and applying moderate chemical fertilizers was sensible. In 2013, the environmental loss of N and P in natural grassland of China was relatively low. The nutrient loss in Southwest China was larger than that in other regions. The spatial flow characteristics of N and P in natural grassland varied greatly among different regions.

natural grassland; nitrogen; phosphorus; nutrient flow; nutrient use efficiency; soil nutrient accumulation

2017-07-31；

2017-09-29

國家重點研發計劃（2016YFD0800106，2016YFD0200105）、國家自然科學基金面上項目（31572210）、河北省杰出青年基金（D2017503023）、中國科學院百人計劃項目

魏志標，E-mail：weizb1993@126.com。

馬林，E-mail：malin1979@sjziam.ac.cn