






摘要:溶解氧是衡量水環境質量和生態系統健康的關鍵參數,研究廣東省7大流域地表水溶解氧的分布特征及其調控因素對于流域水環境管理具有重要意義。基于2022年廣東省地表水監測斷面數據,系統分析了7大流域溶解氧濃度在月度、季節、水期3個時間尺度上的分布特征,采用Pearson相關性系數和lindeman-merenda-gold(LMG)模型分析方法,研究了各流域全年和汛期溶解氧影響因素及相對貢獻。結果表明廣東省溶解氧濃度分布存在時空異質性,空間上,整體呈現從西北內陸向東南沿海逐漸降低的趨勢;時間上,呈現冬季高、夏季低,非汛期高、汛期低的特征。北江、西江、韓江流域水資源充沛,人類開發利用程度相對較小,在全年尺度上溶解氧濃度變化以水溫為主導,對溶解氧的相對貢獻率占比超50%。東江流域河源段開發利用程度較小,流經惠州后人類活動增強,但總體來看,溶解氧在全年尺度上仍以水溫為主導。粵東諸河、粵西諸河、珠三角等沿海流域一方面受上游污染輸入影響,另一方面區域內社會經濟活動發達,污染排放壓力大,在全年尺度上,污染要素(高錳酸鹽指數、氨氮、總氮、總磷)和水溫共同影響溶解氧濃度。在汛期,各流域溶解氧的調控因子從水溫向污染要素轉變,水溫對溶解氧的相對貢獻率下降19%~54%,污染要素的相對貢獻率上升18%~41%,全省溶解氧濃度受汛期面源污染制約明顯,汛期面源污染治理工作仍有待深入推進。
關鍵詞:溶解氧;時空特征;lindeman-merenda-gold(LMG)模型;廣東省7大流域
中圖分類號:X824" " " " 文獻標志碼:A" " " " 文章編號:1674-3075(2025)02-0052-10
溶解氧(dissolved oxygen,DO)影響水體生物地球化學過程,調控水體氮、磷、碳等元素的轉化,是衡量水環境質量的重要指標,對維持水生態系統健康有重要意義(Kannel et al,2007;Jane et al,2021)。水中的氧氣主要來源于大氣復氧及藻類和水生植物的光合作用,消耗途徑包括水生生物的呼吸作用、水體或底泥中的有機物分解,以及其他還原性物質的耗氧等(夏威等,2023)。水溫、氣壓、鹽度等因素通過限制溶解氧飽和度影響溶解氧濃度(楊艾琳等,2022)。人為營養鹽氮和磷等大量輸入引發藻類異常增殖,累積形成大量有機質,通過微生物分解耗氧是低氧發生的重要機制(Chi et al,2017;Li et al,2020)。水動力條件的改變,如筑壩攔截、潮汐影響等過程使得水力停留時間延長,進一步加大水體耗氧過程(Zhang et al,2010)。除了水體耗氧,沉積物-水界面的有機質分解也是造成水體低氧的重要原因(劉笑天等,2022)。受自然要素和人為活動的綜合影響,溶解氧在時間尺度上存在顯著的季節、水期、日內波動特征,在空間尺度上不同區域溶解氧存在較大差異(黃煒惠等,2021;鄭永林等,2021;田盼等,2022)。隨著自然氣候變化和人類活動加劇,許多河流均面臨著溶解氧濃度偏低的問題,對水生動植物的生長繁殖、微生物的群落組成分布等造成不同程度的影響,不利于水生態系統的健康發展(Li et al,2020;李文攀等,2023;汪佳佳等,2024)。
廣東省作為我國改革開放的前沿,社會經濟和城鎮化快速增長,資源環境壓力持續升級,水環境治理任務艱巨。隨著水污染防治攻堅戰的深入推進,地表水環境質量總體向好,但溶解氧偏低問題仍然突出,已經成為制約廣東省地表水環境質量持續改善的瓶頸(徐闖等,2022;溫婧等,2023)。近年來,東江、潭江、深圳河等河流溶解氧分布特征和調控機制已有初步探討(陳仲晗等,2022;徐闖等,2022;溫婧等,2023;薛弘濤等,2023),但仍缺乏對全省溶解氧時空分布規律及調控機制的系統性研究。本文基于2022年廣東省地表水監測斷面逐月水質數據,結合氣象水文資料,系統分析溶解氧的時空分布特征,探究不同流域溶解氧的主要影響因素,為流域水環境管理和面源污染治理提供科學基礎。
1" "材料與方法
1.1" "研究區概況
廣東省地處南海之濱,屬于亞熱帶季風氣候,光照充足,降雨充沛,但年內分布不均,夏秋易洪澇,冬春常干旱,多年平均降水量1 771 mm,年內降水主要集中在4—9月,占全年降水量的75%~95%。根據廣東省水利廳劃分結果(廣東省水利廳,2023),廣東省地表水主要劃分為東江、西江、北江、珠江三角洲(以下簡稱珠三角)、韓江、粵東諸河和粵西諸河等7大流域[圖1,審圖號粵S(2022)297號]。其中,北江、西江、東江等3個流域分別對應北江、西江、東江等珠江3大水系,是廣東境內珠江水系的上游,經佛山市思賢滘、東莞市石龍鎮注入珠江三角洲河網區,和注入三角洲的其他河流共同組成珠三角流域。韓江、粵東諸河和粵西諸河等3個流域為獨流入海流域。
1.2" "數據來源與統計分析
本研究選取2022年廣東省地表水監測斷面的數據進行綜合分析,數據頻率為逐月,分析指標包括溶解氧、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮、濁度、電導率和水溫,監測斷面分布見圖1。降雨量數據來自中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)。
本研究的統計分析借助Excel2019完成,圖表借助Arcgis10.2和Origin2021軟件制作,采用折線圖、箱型圖展示溶解氧的時空分布特征,揭示7大流域溶解氧的時空分布格局。在此基礎上,借助IBM SPSS Statistics21.0完成顯著性檢驗和Pearson相關性系數計算。本文檢驗取顯著性水平0.05和0.01,當P<0.05或0.01時,說明通過了置信度為95%或99%的顯著性檢驗。相關性系數R用于度量2個變量間相關程度的強弱,變化范圍為[-1,1],R<0代表溶解氧和影響因素之間存在負相關關系,反之則為正相關關系(薛弘濤等,2023)。采用R語言(4.3.2版本)構建lindeman-merenda-gold(LMG)模型(Gromping,2006;Shi et al,2021;薛鑫等,2023),對影響因素的相對重要性進行定量評價,明晰各流域、不同時段影響溶解氧濃度的關鍵驅動因素。LMG模型的計算公式如下:
[L(xi)=1i!r(i)sR2[xi|si(r)]]" " " " " " " " " " " " " " ①
式中:L(xi)為自變量xi進入模型后,所引起的R2增加量的平均值;r為序列,r=1,2,...i!;r(i)為自變量xi進入模型的順序;si(r)為在r種排列中xi進入模型前的自變量組合;sR2[xi|si(r)]為加入xi后所引起的R2增量平均值。該評價方法能較好地避免回歸變量的階次效應,從而準確給出各個因子的相對重要性度量。本文以水溫、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮、濁度、電導率、降雨量為自變量,以溶解氧為因變量,定量化評價各因子對溶解氧的相對貢獻。
2" "結果與分析
2.1" "溶解氧分布特征
為探究廣東省地表水溶解氧濃度年內變化規律,從月度、季節、水期[參考廣東省水利廳(2023)對水期的劃分標準,本研究中汛期為4—9月,非汛期為1—3月/10—12月]等3個時間尺度對7大流域的溶解氧進行分析。由圖2可知,各流域逐月溶解氧濃度呈現先下降后上升的變化趨勢,5—9月溶解氧濃度較低,1—2月和12月溶解氧濃度較高。季節分布上溶解氧濃度整體呈現春冬高、夏秋低的特點,夏、秋季溶解氧濃度差異不明顯,其他季節間溶解氧濃度差異顯著(圖3,Plt;0.01)。具體來看,各流域冬季溶解氧濃度最高,均值為7.71~8.67 mg/L。北江、西江、韓江流域秋季溶解氧濃度最低,均值為6.72~7.27 mg/L。珠三角、粵東諸河、粵西諸河流域夏季溶解氧濃度最低,均值為5.66~6.25 mg/L。東江流域夏季、秋季最低且較接近,均值為6.66~6.72 mg/L。水期分布上,各流域非汛期、汛期溶解氧濃度均呈顯著差異(Plt;0.01),且非汛期溶解氧濃度均高于汛期(圖4)。
從空間分布上看(圖3,圖4),廣東省地表水溶解氧濃度整體呈現北江(7.87±1.45)mg/Lgt;西江(7.8±1.06)mg/Lgt;韓江(7.34±1.17)mg/Lgt;東江(7.28±1.72)mg/Lgt;全省均值(7.14±1.68)mg/Lgt;粵西諸河(6.42±1.93)mg/Lgt;珠三角(6.82±1.79)mg/Lgt;粵東諸河(6.42±1.93)mg/L的規律。流域間兩兩顯著性分析(共21組)顯示,全年、汛期尺度有17組呈顯著性差異(Plt;0.05),非汛期有12組呈顯著性差異(Plt;0.05),說明流域間溶解氧差異較顯著,且在汛期流域間溶解氧差異增大。
2.2" "其他要素分布特征
高錳酸鹽指數、氨氮、總磷濃度在粵東諸河、粵西諸河流域最高,總氮濃度在東江流域最高,濁度在珠三角流域最高,電導率在粵東諸河、粵西諸河、珠三角流域最高,水溫、降雨量在各流域的分布較為接近(圖5)。與全年相比,汛期水溫、濁度、降雨量、高錳酸鹽指數、總磷濃度上升,氨氮、總氮基本與全年均值持平,部分流域下降,電導率呈下降趨勢。
2.3" "溶解氧影響因素
2.3.1" "相關性分析" "溶解氧年均值與其他參數的相關分析結果見表1。各流域的溶解氧濃度與水溫均呈顯著負相關。除北江流域高錳酸鹽指數、總磷、濁度、降雨量,韓江流域總氮、濁度、降雨量,西江流域氨氮、總氮、濁度與溶解氧濃度沒有相關性外,其他流域溶解氧濃度與高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮、濁度、降雨量均呈現顯著負相關,表明不同類型水體污染輸入差異是影響各流域溶解氧的關鍵因素。東江、韓江、西江流域溶解氧濃度與電導率呈顯著負相關,其他流域沒有相關性。
各流域汛期溶解氧濃度和其他參數的相關分析結果見表2。與全年相比,汛期各流域溶解氧濃度與水溫的相關性系數下降,與高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮、濁度、電導率、降雨量等指標的相關性系數上升。總體來看,溶解氧濃度與8項參數均有一定相關性,且在不同時段相關性系數呈現差異化特征。
2.3.2" "LMG分析" "河流溶解氧的時空變化受到自然要素和人為活動的綜合影響,但主要熱點地區低氧的發生幾乎都與人為引起的富營養化有著密切聯系。因此,本研究主要聚焦污染輸入對溶解氧的影響,選擇直接影響溶解氧且相關性較強的8個參數進行LMG分析(圖6)。從計算結果看,全年尺度上,北江、東江、韓江、西江流域水溫對溶解氧的相對貢獻率超50%,是影響溶解氧濃度的主控因素。粵東諸河、粵西諸河、珠三角流域水溫及氮磷對溶解氧的相對貢獻率較高。與全年相比,在汛期,水溫對各流域溶解氧的相對貢獻率下降19%~54%,高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮等污染指標對溶解氧的相對貢獻率上升18%~41%,其中氮磷對各流域溶解氧的相對貢獻率上升11%~33%。
3" "討論
3.1" "溶解氧空間差異影響因素
廣東省地表水溶解氧濃度整體呈現從西北內陸向東南沿海逐漸降低的趨勢。北江、西江、韓江、東江流域溶解氧濃度變化在全年尺度上以水溫為主導,相對貢獻率大于50%(圖6)。粵東諸河、粵西諸河、珠三角等東南沿海流域溶解氧受到水溫和污染要素的雙重調控影響,與水溫、高錳酸鹽指數、總磷、氨氮和總氮呈負相關,降水量、濁度等參數對溶解氧也有一定的貢獻(表2)。水溫一方面調控著飽和溶解氧濃度,提高冬季溶解氧背景值,降低春夏季溶解氧背景值(溫婧等,2023),另一方面影響浮游生物的新陳代謝和生長繁殖,從而耗氧速率增高(殷燕等,2014)。高錳酸鹽指數、氨氮和總氮反映了水體中各種有機物和無機物的耗氧降解過程(徐闖等,2022)。在本研究中,粵東諸河、粵西諸河及珠三角流域氮對溶解氧的相對貢獻率較高,且在粵西諸河及珠三角流域,總氮相對貢獻率均高于氨氮(圖6)。下游河網區往往是氮濃度累積與轉化的關鍵區(溫婧等,2023),受潮水頂托作用和閘壩密集分布影響,河口區污染物滯留在河口(含感潮段)和海灣內,難以向外海排出,氨氮在局地滯留降解,耗氧過程更為顯著。粵西諸河、粵東諸河、珠三角流域總磷對溶解氧的相對貢獻率均較大,這和福建河口區的研究結果類似(楊艾琳等,2022)。磷是氧化-還原敏感參數,在不同溶解氧水平下沉積物中的磷呈現出不同的源匯特征(Kang et al,2018)。劉笑天等(2022)對近岸海域不同溶解氧條件下沉積物-水體系磷循環進行研究發現,在低氧狀態下(DO濃度lt;2 mg/L),沉積物對磷的保存能力降低。張恒等(2010)研究發現珠江口底層水體出現季節性缺氧,部分區域底層溶解氧低于2 mg/L,薛弘濤等(2023)研究發現深圳河流域深圳河口斷面夏季部分月份表層溶解氧均值低至2.35 mg/L,本研究中粵西諸河、粵東諸河、珠三角等3個流域溶解氧濃度處于全省較低水平,流域內部分斷面溶解氧月均值低于4 mg/L,可見在夏季、汛期等低氧易發時段,沿海流域溶解氧可降至較低水平,從而可能促進沉積物中磷的釋放。另一方面,磷屬于顆粒活性物質,易與金屬顆粒結合,如陳婷等(2023)研究發現沉積物中羥基氧化鐵可以吸附磷酸鹽,在缺氧時逐漸轉換成硫化亞鐵并使磷酸鹽解吸,在水體擾動下釋放至水體中從而參與耗氧。本研究中,3個流域總磷與濁度均呈顯著正相關(Plt;0.01),暗示在水體擾動過程中,可能存在未監測的還原性物質隨磷酸鹽釋放至水體中,從而參與了耗氧過程,未來需要進一步開展研究。
廣東省地表水溶解氧濃度的空間分布特征與流域區位特點及污染排放格局有關。北江、西江、韓江位于廣東省上游區位,水資源充沛,人類開發利用程度相對較小,高錳酸鹽指數、氨氮、總磷等指標濃度處于全省較低水平,在全年尺度上溶解氧濃度變化以水溫為主導。東江流域河源段開發利用程度較小,流經惠州后人類活動增加,但總體來看,溶解氧在全年尺度上仍以水溫為主導。粵東諸河、粵西諸河、珠三角等東南沿海流域位于廣東省下游區位,大量陸源顆粒物(含有機物與礦物顆粒)通過河流或沿岸排污口進入該區域,同時區域內人口密度高,社會經濟活動發達,污染排放壓力大,污染要素和水溫共同影響溶解氧濃度。樊艷翔等(2023)研究表明廣東省水體富營養化整體呈現由東南沿海向西北內陸水體富營養化程度減輕的空間演變態勢,珠三角和粵東水體富營養化較為嚴重,其次是粵西地區,與本研究中溶解氧濃度的空間分布特征有一定協同性。居民生活和農業養殖是東南沿海流域主要的污染來源,一方面,該區域人口密集,社會經濟活動發達,但污水收集處理效能不高,污水處理基礎設施建設還有較大的提升空間(劉田原,2020;薛弘濤等,2023),粵東諸河流域治理短板更為突出,粵東相關地市生活污水集中收集率低于全省平均水平。另一方面,粵西諸河流域陽江、湛江、茂名,粵東諸河流域汕尾、珠三角流域江門等區域畜禽養殖量大,養殖方式仍較為粗放,根據現場排查情況,糞污處理設施配備普遍不完善,養殖糞污無法得到有效處置,大部分散養、專業戶糞污直接排入魚塘,導致富營養化嚴重,進而影響周邊水體水質。曹佳霖等(2023)在對廣東省農業面源污染現狀及變化的多尺度評價中發現,粵西地區農業面源污染程度最高,珠三角、粵東地區次之,粵北地區污染程度最低,與本研究結果一致。
3.2" "溶解氧年內變化影響因素
廣東省地表水溶解氧濃度在年內大體呈現先下降后上升的趨勢,5—9月溶解氧濃度較低,1—2月和12月溶解氧濃度較高,整體呈現冬春高、夏秋低,非汛期高、汛期低的特征,與珠江口、東江、深圳河等區域變化規律相近(徐闖等,2022;薛弘濤等,2023)。廣東省位于亞熱帶季風區,雨熱同期特征明顯,春末夏初進入汛期后,在降水沖刷作用下,流域地表污染物大量入河,水體耗氧物質增加,同時水溫升高促進有機質分解,進而影響河流水質(薛弘濤等,2023)。本研究中,在汛期,水溫對溶解氧濃度的相對貢獻率下降,污染相關要素對溶解氧的相對貢獻率上升,各流域溶解氧濃度均低于非汛期,與上述研究結論一致。
不同流域溶解氧低值時段有明顯差異,且在夏季及汛期,流域間的溶解氧濃度差距增大,這與各流域污染格局的年內變化有關。在北江、西江、韓江等上游流域,隨著秋季汛期結束,流量開始下降,水力停留時間延長,水中營養鹽和有機質呈現富集效應,持續耗氧,造成秋季溶解氧濃度最低。在珠三角、粵東諸河、粵西諸河等下游流域,夏季溶解氧濃度最低,這種差異在福建省河流—河口溶解氧分布中也有發現(楊艾琳,2022),暗示下游流域的低氧問題和本地污染輸入關系更為密切。廣東省沿海地區是當前經濟發展和人口最密集的區域,涉及珠三角、粵東諸河等流域的粵港澳大灣區已躋身世界第4大灣區(黃報遠等,2020),總氮排放量顯著高于其他周邊城市,主要來源于居民生活、農業種植和畜禽養殖污染,分散的污染水系在河口或海岸匯聚后,對下游河口區造成很大的污染排放壓力(董斯齊等,2021),在汛期面源沖刷污染進一步加劇,加上夏季水溫升高促進微生物耗氧過程,導致下游流域夏季溶解氧濃度普遍偏低。
隨著水污染防治攻堅工作不斷深入,點源污染正逐步得到有效控制,由降雨徑流帶來的管網溢流型城鎮面源、農業面源污染問題逐漸凸顯。祝明月等(2023)在珠三角深圳河流域發現降雨期間流域受污水溢流沖擊影響嚴重。余香英等(2023)在粵西潭水河流域發現降雨期間呈現出“指標組團式”污染特征,河流水質明顯惡化。傅博(2020)在對珠三角四堡水庫非點源污染與健康評價研究中亦發現氮磷流失主要集中在汛期的4—9月,特別是集中在降水較大的月份,6—8月基本是流失高峰。從現場排查情況來看,廣東省污水系統以合流制為主,暗渠暗涵治理、片區雨污分流改造工程仍在起步階段,部分區域現有管網運維不到位,雨季截污工程無法充分發揮減排效益,大量雨污直排入河,導致干流水質快速惡化。農業面源方面,糞污治理水平低,存在旱季“藏污納垢”,汛期“零存整取”情況,強降雨時高氮磷污水容易溢流進入周邊水體,導致汛期降雨面源污染增加。總體來看,汛期面源污染已成為制約全省溶解氧進一步改善的重要因素,需要以城市面源和農業面源為抓手,深入推進面源污染治理工作。
從總體上看,廣東省地表水溶解氧濃度整體呈現從西北內陸向東南沿海逐漸降低的趨勢。全年尺度上,水溫是影響溶解氧時空變化的首要影響因子,汛期水溫對溶解氧的相對貢獻率下降,氨氮、總氮等污染要素的相對貢獻提升。廣東省地表水溶解氧濃度的年內變化特征與我國地表水溶解氧濃度的變化趨勢較為一致,整體呈現冬季高、夏季低,非汛期高、汛期低的特征,但地表水溶解氧濃度總體低于遼河、淮河、松花江、黃河等北方流域,與西南諸河、浙閩片區等南方流域較為接近(李文攀等,2023),氣溫的區域性差異是導致廣東省地表水溶解氧濃度整體偏低的重要因素,在黃煒惠等(2021)研究中也有體現。從7大流域空間分布上看,珠三角、粵西諸河、粵東諸河等下游入海流域的溶解氧濃度普遍較低。與長江口(孫毅等,2021)、遼河入河口(王繼龍等,2004)等典型沿海流域相比,人口密集、經濟發達、工業化、水動力條件復雜是低氧發生的共性原因,低緯度、高溫度導致廣東沿海流域溶解氧濃度進一步低于上述流域。我國現行的《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)溶解氧標準值相對單一,除I類水可采用溶解氧飽和率進行評價外,主要采用溶解氧濃度對地表水環境質量進行評價,未充分考慮地表水溶解氧濃度的區域性和季節性差異,有必要綜合考慮氣候、地理條件等因素對溶解氧的影響,制定差異化的溶解氧評價標準,推動水生態環境管理進一步精細化、科學化。
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(責任編輯" "熊美華)
Distribution and Influencing Factors of Dissolved Oxygen in Surface Water of the Seven Major River Basins of Guangdong Province
XU Zeting1,2, YU Xiangying1,2, XU Chuang1,2, XIONG Jinjing1,2, ZHU Mingyue1,2
(1. Guangdong Provincial Academy of Environmental Science, Guangzhou" "510045, P.R. China;
2. Guangdong-Hongkong-Macau Joint Laboratory of Collaborative Innovation for Environmental Quality, Guangzhou 510045, P.R. China)
Abstract:Dissolved oxygen (DO) is a key parameter for assessing water environment quality and ecosystem health, so investigating the spatiotemporal patterns and influencing factors of DO levels is important for managing the water environment. Based on 2022 surface water monitoring data for Guangdong Province, we analyzed the spatiotemporal pattern of DO in the seven major river basins at different time scales (month, season, and water year). Pearson correlation and the Lindeman-Merenda-Gold (LMG) model were used to clarify the relationships between exogenous influencing factors and DO, as well as their relative influence on the DO in each river basin, both annually and during flood season. The distribution of DO concentrations in Guangdong Province was spatially and temporally heterogeneous. Spatially, the DO concentration gradually decreased from the northwest inland rivers to southeast coastal rivers. Temporally, the DO concentration was generally high in winter and low in summer, and high in the dry season and low in flood season. Due to abundant water resources and relatively low exploitation and utilization intensities, water temperature was the primary influencing factor on DO concentrations in the Beijiang, Xijiang and Hanjiang river basins throughout the year, with a cumulative relative contribution above 50%. Human activity intensity in the upper Dongjiang River basin was small, but increased after Huizhou, but the overall annual DO concentration was affected by water temperature. Due to upstream pollution inputs and high pollution releases due to developed socio-economic activities, the DO concentrations in the river basins of eastern Guangdong, western Guangdong, and the Pearl River Delta are affected by both water temperature and pollutant inputs (permanganate index, ammonia nitrogen, total nitrogen, and total phosphorus). During the flood season, the primary driving factor of DO concentration changed from water temperature to pollutant inputs. The relative contribution of water temperature decreased by 19%-54%, while the contribution of pollutants increased by 18%-41%. Overall, the DO concentration was clearly limited by non-point source pollution during the flood season, and the control of non-point source pollution during the flood season needs to be further strengthened.
Key words:dissolved oxygen (DO); spatiotemporal patterns; Lindeman-Merenda-Gold model; seven major river basins in Guangdong Province
基金項目:廣東省重點領域研發計劃項目(2020B1111350001);廣東省環保專項資金項目(粵財預〔2024〕4號);廣東省環境科學研究院科技創新項目(HKYKJ-202201)。
作者簡介:許澤婷,1993年生,女,碩士,研究方向為水環境、水生態。E-mail:aesxzting@126.com
通信作者:余香英,1984年生,女,碩士,高級工程師,研究方向為水環境保護與管理。E-mail:tinyfishyxy@pku.org.cn