海水懸浮物濃度原位測量技術進展

陳永國, 張 濤, 劉之葵, 陳永華, 鄒寶平,葉 良

海水懸浮物濃度原位測量技術進展

陳永國1, 2, 張 濤1, 劉之葵2, 陳永華3, 鄒寶平1,葉 良1

(1.浙江科技學院土木與建筑工程學院, 浙江 杭州 310023; 2.桂林理工大學土木與建筑工程學院, 廣西 桂林 541004; 3.中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071)

海水懸浮物指海水中的懸浮顆粒物和浮游微生物等, 對海水懸浮物濃度進行準確的測量具有重要的意義。海水懸浮物濃度測量技術, 無論是傳統方法(即現場采水), 還是現代方法(即間接測量方式, 包括光學法和聲學法等)都有一定的不足。本文主要綜述了幾種海水懸浮物濃度間接測量方法、國內外有關海水原位過濾測量的技術研發進展及深海原位微孔過濾技術。最后, 對海水懸浮物原位過濾技術的發展方向進行了探討。

海水懸浮物; 測量方法; 原位過濾技術; 深海原位微孔過濾

海水懸浮物(suspended particles concentration, SPC)指海水中的懸浮顆粒物和浮游微生物等。對海水中的懸浮物進行準確的觀測, 在研究海洋物質運輸和水體元素特征等方面具有重要的意義。在近海, 海水懸浮物直接影響著海水的水質、地球化學形態、生物群落等。在深海, 海水懸浮物(包括浮游微生物及痕量元素等)的研究同樣具有重要意義。這些研究都需要收集比較全面的海水樣本, 需要大容量和精準定位的原位樣本采集系統。

海水懸浮物濃度的測量, 主要的方式有兩種, 一種是傳統的測量方法, 一種是現代的測量方法[1]。傳統的測量方法是從現場采集海水(3點或6點法), 然后過濾海水樣品, 進行稱重, 計算海水懸浮物的質量、濃度, 這是目前最為準確的測量方法, 但缺點是比較耗時, 同時, 還需要較大的耗費, 獲得海水懸浮物數據只能為某幾層的深度, 且時間間隔較大?，F代的測量方法是利用光學、聲學、密度、介電常數等間接測量得到海水懸浮物的濃度, 可以得到具有較高時間空間分辨率的海水懸浮物的信息, 但是這是一種間接觀測海水懸浮物濃度的方法, 測量精度低, 需要定期校準使用的設備, 限制了測量深度的應用。

海水懸浮物原位過濾測量技術可以較好解決傳統測量方法和現代測量方法的不足, 發展的方向是能夠省時省力實現多測點、全水深多水層、長時次海水懸浮物濃度的立體測量。

1 海水懸浮物濃度間接測量方法

傳統上, 海水懸浮物濃度測量通常采用現場獲取水樣進行封裝, 在實驗室過濾稱重計算的方法; 近年來, 發展了多種間接測量方式, 即現代方法, 包括光學法和聲學法等, 其中, 光學法主要通過光學濁度計、光學后散射傳感器(optical backscatter sensor, OBS)或激光粒度儀(LISST)等來實現, 聲學方法主要通過聲學后散射傳感器(acoustic backscattering sensor, ABS)來實現。

1.1 光學濁度計反演海水懸浮物濃度

光學濁度計是通過測量光束通過水體的散射或透射光, 來計算樣品體積的濁度。該測量技術優點主要是設備易于安裝和水中布放, 數據采集快速; 不需要輔助測量, 如溫度、壓力等參數, 只需要由濁度反演獲得懸浮顆粒物濃度值; 光學濁度計在所有懸浮顆粒物濃度測量設備中成本最低。但具有如下限制主要是濁度測量值高度依賴測量環境(懸浮顆粒物的截面、顏色和尺寸, 水體有無氣泡等), 經驗模型不具備普遍性, 需要現場標定, 建立回歸模型, 尤其是對懸浮物尺寸的變化高度敏感; 光學濁度測量受限于生物附著和結垢, 并會改變設備的校準曲線; 不同制造商的光學濁度儀不具備可比性[2-8]。

1.2 基于聲學技術測量海水懸浮物濃度

基于聲學技術的懸浮物濃度測量儀器, 是利用壓電換能器將聲音脈沖發射到介質中, 水體中的顆粒產生脈沖能量回波, 這種后向散射能量由相同的換能器進行感測, 依靠接收的回波強度來反演懸浮顆粒物濃度[9-20]。該測量技術的優點主要是聲學測量儀器具有非侵入性, 相比光學測量儀器, 不易受生物結垢的影響; 聲學測量可以實現水體斷面的沉積物性質測量。但具有如下限制主要是將后向散射信號轉換為懸浮顆粒物濃度的算法較為復雜, 需要對環境水體性質和儀器特性進行補償測量, 因此需要輔助測量溫度、鹽度等參數; 使用單頻率聲學儀器來區分懸沙濃度(suspended sediment concentration, SSC)和粒徑分布(particle size distribution, PSD)之間的變化存在困難[17]; 聲學儀器的后向散射強度響應在較高SSC處是非線性的, 使用聲學儀器進行SSC測量的誤差隨著PSD的變化而增加[18]; 聲學方法適合于在有限粒徑尺寸范圍內的測量, 不適用于粒徑低于10 μm的懸浮物質測量。

1.3 激光衍射測量海水懸浮物濃度方法

激光粒度儀LISST是一種較為成熟的儀器, 用于連續測量沉積物性質。LISST是將激光發射器、接收器、控制單元、存儲單元以及電池集成在一個密封、耐壓的殼體內, 其原理是利用不同波長的激光在通過懸浮顆粒周圍時發生衍射, 光線方向發生改變, 通過記錄不同波長光束的偏轉角, 再通過概率統計來計算單位體積液體中不同粒徑顆粒的含量。該測量技術優點是目前現代測量儀器中最準確、可靠的方式; 能夠測量水體中天然沉積物的粒徑分布以及數目, 精度約10%; 在粒度測量范圍內, 基于激光衍射的懸浮顆粒物濃度測量不會由于懸浮粒徑分布的變化而導致不準確, 且無需頻繁重新校準。但缺點是該技術受限于激光衍射反演算法, 基于Mie散射理論的逆矩陣僅對已知折射率的均勻組分有效, 并且無法穿透高濃度水體; LISST不能分辨混合樣本顆粒間的窄峰, 無法區分相似大小的顆粒; LISST對懸浮顆粒物的鑒別有一定適用范圍; LISST的成本高于其他懸浮顆粒物濃度測量裝置[21-28]。

1.4 基于水體電導特性測量海水懸浮物濃度

測量不同懸浮沉積物水體的電導特性變化, 來反演懸浮物濃度的方法有兩種: 一是直接測量表觀介電常數的變化; 二是測量水體電容的變化, 并通過預先建立的經驗關系推算懸浮物濃度?；谒w電導特性測量海水懸浮物濃度這種方法的精度取決于水的鹽度以及水體中氣泡和藻類含量, 該技術屬于侵入性測量, 并且易受生物附著和結垢的影響。利用水體電導特性測量懸浮物濃度的適用受到一定條件限制, 目前尚處在理論研究階段[29-33]。

1.5 基于壓差的海水懸浮物濃度測量技術

基于壓力差測量懸浮物濃度的設備, 主要由在水柱中不同高度處兩個高靈敏度的壓力傳感器組成。壓力傳感器監測流體密度, 通過水溫校正后由密度值差異計算懸浮物濃度值。該技術會受流體流速、溫度的影響, 主要取決于壓力傳感器的測量精度, 信噪比較低。該測量技術的優點主要是壓差技術的優勢是能夠進行懸浮顆粒物濃度高于10g/L的測量; 基于壓力差的懸浮物濃度測量相對穩定, 沒有生物堵塞和信號漂移的問題; 基于壓差的懸浮物濃度測量成本較低。但有以下幾個限制主要是壓差技術取決于壓力傳感器的靈敏度、流動湍流、溶解固體濃度、水密度以及懸浮物質的密度等; 由于該測量方式具有低信噪比, 該技術在懸浮物濃度低于10 g/L時是不可靠的[34-38]。

2 海水懸浮物原位采樣與過濾技術進展

2.1 國外海水懸浮物原位采樣與過濾技術

20世紀80年代, 國外海水原位過濾技術的研究開發就已開始, 美國的伍茲霍爾(Woods Hole)海洋研究所研究探索了海水原位過濾技術, 并且開發了海水直流泵。20世紀90年代, 德國的基爾大學海洋學院也開發了海水懸浮物原位過濾裝置, 工作深度達4 000 m[41]。之后, Woods Hole海洋研究所和Mclane公司共同開發了一種大體積的海水水樣抽濾采樣系統(large volume water transfer system(WTS-LV)[42], 并開發出了產品(圖1)。

圖1 德國基爾大學和美國McLane公司分別研制的懸浮物原位過濾裝置

該系統已進行了一系列的過濾取樣研究[43-46], 其通過大容量的海水原位微孔過濾采樣器, 可讓海水通過過濾器支架內的吸附濾或薄膜濾紙, 能夠實現連續抽取海水, 收集海水中的懸浮和溶解性顆粒物質。其可應用于海洋、河川、湖泊、水庫等多種類型水體, 實現對浮游生物樣品、微量金屬樣品、沉積物顆粒等進行采樣, 工作主要功能部件采用汽缸泵, 主體材料為鈦合金及不銹鋼, 最大可承受5 500 m的水深壓力[47]。另外, 也有用戶基于研究的需要在深海微生物采樣裝置中嵌入了傳感器, 如溫鹽深傳感器(conductivity temperature depth, CTD)、熒光計、濁度計等, 用于取得樣品區域環境參數[48]。

雖然該系統已經開發成為產品, 但還有缺點。其缺點主要是該系統過濾裝置的濾膜面積較小, 容易引起濾網的堵塞; 取濾膜時容易沖刷掉濾膜上的附著物、殘留物, 引起實驗的誤差; 同時, 其過濾器裝置密封方式不好, 測量結束后過濾裝置內會有水液殘留; 流量計對水流有較大阻礙作用。國外使用該裝置進行了一些探討: 關于實驗室過濾結果和深海表層原位過濾結果的對比研究[49]; 關于一些特殊的應用, 如海水中210Po和210Pb的檢測, 對檢測結果以及誤差校正修正系數等進行了相關分析研究[50]; 還有對此類裝置進行比測, 探討其結果的準確性[51]; 實驗誤差因素和比對方法的研究[52-53],深入探討了使用該裝置的檢測結果的準確性和誤差因素等。

目前, 該系統可以作為傳統的海水提升后到實驗室進行過濾方法的重要補充。海水原位過濾技術能夠實現大通量的海水過濾, 如: 一次單通道過濾水量超過100 L, 但是, 要求濾膜不容易被堵塞, 一般主要用在水質非常好的區域, 如深海[54]。

2.2 國內海水懸浮物原位采樣與過濾技術

國內的海水原位過濾技術研究開發始于近10年, 由中國科學院海洋研究所于2015年底成功開發了深海微生物原位獲取原理樣機, 并進行了深海測試[55-56]。這個系統的總成海水泵采用了油充電動機的隔膜泵, 主體采用了鈦合金(如圖2所示)。工作深度最大可達到4 000 m, 深海海水的過濾量達5 L/min, 能夠進行3層的分級過濾, 實現了較快完成高通量海水的原位過濾取樣。

圖2 中國科學院海洋所研制的深海微生物取樣裝置[55]

相對于WTS-LV, 該深海海水原位采樣及分級過濾系統在小型化的基礎上, 實現了更多層級濾膜的采樣和較大范圍的流量控制, 兩套原位抽濾系統的參數對比如表1所示。針對此類海洋裝備的實際應用需求, 該系統實現了所有部件的自主研制和深海測試及應用, 尤其是深海泵的研發與應用。

表1 兩套系統裝置的參數對比

2.3 小結

綜合來看, 國內外都開展了有關海水原位過濾的技術研發和探索[57-61], 但其結構形式還比較單一, 沒有實現分時選通的功能, 通道比較單一, 沒有實現多時次過濾取樣, 國內尚無比測應用先例; 且依據其已有的優勢, 整體偏笨重, 主要用在深水海域。

3 深海原位微孔過濾技術

3.1 深海原位微孔過濾的必要性

對于深海微型生物分布模式及生態功能, 至今并未形成系統的認知。研究這些深海懸浮物(包括浮游微生物和痕量元素等)的首要條件也是獲取一定數量具有原位特性的懸浮顆粒物樣本[62]。目前, 幾乎所有研究都是基于Niskin采水瓶在特定水層采集水樣后, 在實驗室處理獲得數據[63]。傳統的Niskin采水瓶采樣方式會導致對壓力和溫度敏感的微型生物, 尤其是原生動物, 在采樣過程中出現細胞死亡和破碎等[64], 進而導致低估深海微型生物的豐度和多樣性。深海原生動物對細菌的捕食效率研究, 也同樣受此局限影響, 深海樣品采集到實驗室后, 由于壓力溫度和溶解氧等巨大變化, 導致微型生物相關生理活性發生巨變, 使得我們無法獲知微生物網在深海原位狀態下的效率。不穩定的活性分子, 如mRNA, 也會隨著壓力和溫度等變化, 出現降解[65]。鑒于傳統的Niskin采水方式對研究的影響, 唯有開發原位采樣和處理技術才可以最小化深海微型生物多樣性和生態作用研究的偏好性。美國伍茲霍爾研究所的學者2016年嘗試開展了深海原位培養的攝食實驗, 獲得了較常規采樣更為精準的數據, 為理解深海生態系統提供了更為準確的數據支撐[66]。為更加準確地理解深海生態系統以及深海微型生物的生態功能, 亟待開發和應用原位精準樣品采集和處理平臺。

并且, 大洋中大部分水域懸浮顆粒物或浮游生物群落或微生物的濃度較低, 為了開展其研究, 有時候需要采水數百升到1 000 L[67], 而在大洋深處開展研究可能需要采集更多的水體樣本, 甚至達到4 000 L[68]。傳統的方法主要是使用深海采水器進行采水, 上船到實驗室過濾后獲取樣品。但取樣瓶的容量有限, 難以獲得足夠數量的樣品以及完全的生物群落組合。也就是說, 以往的采樣得到的樣本很難滿足快速發展的海洋生物學、地球科學、環境科學及海洋資源研究的樣本需求[69]。有時候為了研究深海某個站位的懸浮顆粒物或海洋浮游微生物的情況, 需要多次進行深水取樣, 而單次深海取水就需要數個小時, 這樣就大大延長了科考船時。而大洋科考船每小時費用近萬元, 同時深海采水器采水又需要多人協作, 并且在船上實驗室過濾也非常費時, 這就極大的浪費了人力和財力。所以, 針對深海懸浮顆粒物研究中獲取樣品的要求, 需要研究發展一種簡潔、高效和通用性強的新型取樣方法與技術。

3.2 基于船載絞車的深海海水原位微孔過濾系統

現在, 深海原位微孔過濾已成為傳統方法的有益補充[54]。20世紀80年代開始, 國外就已開始研發深海原位微孔過濾技術, 美國的伍茲霍爾海洋研究所進行了深海原位過濾技術研究, 研發深海直流泵。德克薩斯農工大學海洋科學系的Baskaran等[70]在研究墨西哥灣海水中釷、鉛、鐳同位素的含量時，就采用了原位提取方法, 并且分6層同步采樣; 加利福尼亞大學地球與行星科學系的Bishop等[71]進行大洋取樣時, 在0～900 m的深度范圍內分12層同步進行原位微孔過濾。此種取樣方法省時省力, 可在海洋研究和海洋開發等方面發揮重要作用, 即可為海洋生物基因、海洋環境和基礎地質研究等提供一種簡約有效的取樣方法與技術。

近幾年, 國內才開展深海原位微孔過濾技術研發, 中國科學院海洋研究所研制的系統可安裝3層濾膜進行分級過濾。該系統是具有單套過濾裝置獨立自容工作的樣機(如圖3所示), 系統由總成深海泵模塊、過濾模塊、采集通訊控制模塊和輔助模塊(支撐架體、電源、密封艙體、連接管路等)等構成。其工作原理是: 將整套裝置下放到預定深度, 啟動總成深海泵工作, 將海水經初級過濾器后, 通過過濾裝置中的濾膜(濾膜孔徑最小一般為0.22 μm), 相應尺寸范圍內的懸浮物就富集在相應濾膜上, 裝置提升至甲板后, 取出濾膜, 即可獲得樣品。

圖3 深海原位微孔過濾裝置結構與原理圖

注: CTD指水溫、鹽度和深度; DO指溶解氧濃度

此裝置部分地改進了國外裝置的缺點: 增大了濾膜面積(直徑為200 mm), 對濾膜堵塞有所改善; 過濾裝置的密封圈改成“T”型滿槽式, 取換濾膜時不會脫落, 已在海上開展了多次測試應用, 如在卡洛琳海山海域, 使用深海原位微孔過濾裝置獲得的樣品經過分析, 與使用采水器取水到甲板進行過濾的傳統方法相比, 原位抽濾可獲得更多的物種。并且隨深度增加, 原位抽濾所獲得的物種相比較更多, 凸顯了原位過濾取樣的優勢。前期測試應用是將其綁縛到船載絞車上, 由船載絞車預估其下放到某一深度進行高通量海水采集及分級過濾, 可在船載絞車的纜系上分層敷設多個原位微孔過濾取樣器, 來同步獲取多層(如水下100 m、水下1 000 m、水下2 000 m等)足夠數量的深海懸浮顆?；蚋∮挝⑸飿颖?圖4)。

原位抽濾方法有效覆蓋了受壓變化易裂解的微生物類群, 降低了海洋水體樣品在抽濾過程對群落結構的有偏好影響。原位抽濾技術對還原深海微生物的真實群落結構具有重要意義。采樣深度越深, 傳統方法造成的損耗越大; 并且這種損耗是有偏好的, 會導致近50%的微生物種類缺失。

基于船載絞車的深海海水原位微孔過濾系統, 由于是自容工作, 受海流等作用, 其采樣位置很難精準確定; 尤其是對近海底的冷泉和熱液羽流等深海研究的熱點區域無法實現精準定位和原位取樣, 更沒有辦法對這些感興趣的研究區域分時間或空間梯度進行原位采樣及過濾, 無法對這些區域的微生物等生態環境開展精細化研究。

圖4 深海原位過濾垂直剖面多層同步實施方案圖

3.3 基于水下機器人(ROV)平臺的深海原位微孔過濾技術

上述原位抽濾采樣應用基本都是圍繞CTD絞車或地質絞車開展的, 即在CTD采水架上固定此單通道海水采樣及分級過濾裝置, 或者綁縛在絞車纜線的不同位置上, 由絞車釋放纜線, 預估采樣深度, 事先設置啟動時間和采樣時間間隔, 進行盲采。無法實現精確位置的采樣, 無法對特點鮮明的海洋取樣區(如冷泉或熱液噴口)進行精細化取樣(按多個時次或采樣地點錯落分梯度取樣)[72]。

國內外有關深海原位微孔過濾很少有實現精準定位、分梯度多濾膜原位采樣的[73-76], 而基于深海ROV平臺的原位過濾取樣是可行的方法之一。目前, 只有美國伍茲霍爾海洋研究所研制了基于ROV的原位過濾取樣設備[77], 但也沒有實現高通量采樣。

近幾年, 中國科學院海洋研究所探索基于深海原位微孔分時空梯度取樣過濾技術和原位精準取樣過濾技術的結合, 裝置(圖5)自身改造后, 可以實現深海原位分時空梯度取樣過濾, 搭載深海ROV平臺可以實現精準取樣過濾技術, 將二者進行結合, 可以實現一次下潛, 在船上ROV操控實驗室內, 人為監測和操控下, 對感興趣海區分時空梯度的精準取樣過濾, 一次獲取多個連續樣品, 有利于開展海洋科學研究, 發現海洋中新的現象和資源等, 同時, 其分時次原位過濾技術也可以應用到近海小流量(比如數升的水樣過濾量)的原位過濾中, 具有廣泛的應用價值。

圖5 基于ROV的海水采樣及分級過濾系統

基于深海ROV平臺的深海原位精準過濾關鍵技術主要包括: 實現一次下放多點(12個點位以上)分時或分區域精準采樣和過濾(即可實現時空梯度取樣); 深海高通量采樣及過濾裝置與深海ROV平臺的結構、電源和通信控制的完整對接; 形成基于深海ROV平臺的深海原位采樣及過濾應用方案。開展此平臺裝置的深海實踐應用, 以及在與傳統的下潛采水后甲板過濾進行比對測試的基礎上, 評價其高通量原位精準采樣及過濾的性能, 并總結形成基于深海ROV平臺的深海原位采樣及過濾應用方案。

4 結論

海水懸浮物濃度的測量, 無論是傳統方法還是現代方法都有一定的不足, 目前采用的原位過濾技術較好解決了上述方法存在的問題。

國內外開展了有關海水原位采樣與過濾技術和設備研發的探索[78-82], 但目前系統結構形式單一, 沒有分時選通的功能, 通道單一, 沒有實現多時次過濾,國內尚無比測應用先例; 且依據其已有的優勢, 主要用在深水海域, 整體偏笨重[WTS-LV尺寸: 92cm× 60cm×33 cm, 總重量: 51 kg; 中國科學院海洋研究所研制的深海海水原位采樣與分級過濾系統相應設備尺寸: 90cm×57cm×26 cm, 總重量: 35kg][72]。國內外有關深海原位微孔過濾很少有實現精準定位、分梯度多濾膜原位采樣的, 而基于深海ROV平臺的原位過濾取樣是可行的方法。

目前, 海水懸浮物原位過濾技術的發展方向是建立全新的海水懸浮物多通道(如26通道)原位過濾裝置, 建立一種基于海水原位過濾并適用于多種海域的多站位、多水層、多時次海水懸浮顆粒物原位立體取樣方法。主要解決以下三個關鍵技術: 實現原位過濾系統的精確測量, 解決流量計數、濾膜過流能力與壓力損失等因素造成的誤差問題; 形成立體式、多層、多通道原位過濾裝置, 解決原位過濾與其他水體環境參數一致的立體式、同步測量問題; 建立多種間接觀測海水懸浮物濃度方法的校正方案, 利用原位過濾方式快速獲取測量水體的特征顆粒物, 解決間接觀測方式校正繁瑣的問題。

海水懸浮物原位過濾裝置可以與垂直立體監測浮標載體相結合, 構建一定海域范圍內多個站點、每個站點在垂直剖面錨系上懸掛若干個原位取樣裝置的海水懸浮物原位同步取樣系統。能夠避免眾多水樣獲取、運輸和實驗室逐個過濾等繁瑣的程序, 多點多層同步自動過濾提高效率, 以簡約的方式實現海水懸浮物的立體同步自動測量。

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In-situ measurement technology of suspended particle concentration of seawater

CHEN Yong-guo1, 2, ZHANG Tao1, LIU Zhi-kui2, CHEN Yong-hua3, ZOU Bao-ping1, YE Liang1

(1. School of Civil and Architectural Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China; 2. School of Civil and Architectural Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 3. Institute of Oceanography, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Suspended particle concentration in seawater indicates the amount of suspended particles and planktonic microorganisms in seawater. Accurate measurement of their concentration is of considerable importance. The measurement methods of these suspended particle concentrations, whether traditional methods (i.e., on-site water collection) or modern ones (i.e., indirect measurement methods, including optical and acoustic methods), suffer from several shortcomings. This paper summarizes several indirect measurement methods for estimating suspended particle concentration, advances in the research and development of in-situ seawater filtration measurement technology at home and abroad, and an in-situ deep-sea microporous filtration technology. Finally, the direction for developing an in-situ technique for measuring the suspended particle concentration in the deep sea is also discussed.

suspended particles concentration of the seawater; measurement method; in-situ filtration technology; deep sea in situ microporous filtration

Nov. 7, 2021

[National Natural Science Fund, No.42076194]

O432

A

1000-3096(2023)8-0120-11

10.11759/hykx20211107001

2021-11-07;

2022-02-14

國家自然科學基金資助項目(42076194)

陳永國(1979—), 男, 山東棗莊人, 博士, 講師, 主要從事海洋工程地質方面的研究, E-mail: 108016@zust.edu.cn; 劉之葵(1968—), 通信作者, 男, 江西興國人, 博士, 教授, 博士生導師, 主要從事巖土工程及地質工程方面的研究, E-mail: liuzhikui@126.com; 陳永華(1976—), 通信作者, 男, 山東棗莊人, 博士, 研究員, 主要從事海洋裝備研發與系統集成技術研究, E-mail: chenyonghua@qdio.ac.cn

(本文編輯: 楊 悅)