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1、浮游動(dòng)物在生物操縱法除藻中的作用研究張麗彬,王金鑫,王啟山,王 嵩,李建平南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300071摘要:采用室外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)受控生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了富營養(yǎng)化水體中浮游動(dòng)物對(duì)藻類生長的控制作用。對(duì)浮游動(dòng)物與藻類的計(jì)數(shù)與測(cè)量數(shù)據(jù),利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行了方差分析(LSD多重比較法)和相關(guān)性分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,總磷含量比總氮含量對(duì)浮游動(dòng)物生長的影響更大。浮游動(dòng)物與藻類之間呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系,說明浮游動(dòng)物群體,尤其甲殼類群體,在適當(dāng)條件下對(duì)藻類群體以及其中的藍(lán)藻有一定的控制作用。適當(dāng)?shù)聂~類密度下,浮游動(dòng)物能夠起有效的控藻作用,但魚類密度過高會(huì)抑制該作用。底泥
2、在生態(tài)系統(tǒng)中起重要作用,能夠影響浮游動(dòng)物對(duì)藻類的攝食力。關(guān)鍵詞:浮游動(dòng)物;生物操縱;除藻;浮游植物;藻類中圖分類號(hào):X174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-2175(2007)06-1648-06目前,隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,各種水體出現(xiàn)了日趨嚴(yán)重的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。富營養(yǎng)化改變了水體的理化性質(zhì),破壞生態(tài)平衡。隨著對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成認(rèn)識(shí)的不斷深入,通過改變食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)控制富營養(yǎng)化水體中藻類數(shù)量成為研究熱點(diǎn)。1975年,Shapiro等1提出了生物操縱(biomanipulation),即通過去除食浮游生物者或降低浮游生物食性魚的數(shù)量,使浮游動(dòng)物的生物量增加和體型增大,提高其對(duì)浮游植物的攝食效率
3、,降低浮游植物的數(shù)量。目前生物操縱的主要措施有:通過改變捕食者的種類和組成來操縱浮游動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu),以促進(jìn)濾食性浮游動(dòng)物(特別是枝角類)種群的發(fā)展,進(jìn)而降低藻類生物量以改善水質(zhì),如人工放養(yǎng)鰱鳙或浮游動(dòng)物來控制水體中藻類生物量2-4。浮游動(dòng)物(zooplankton)是指懸浮在水中的水生動(dòng)物,其種類組成極為復(fù)雜。浮游動(dòng)物在淡水生態(tài)系統(tǒng)中有著重要的作用,是生物操縱的關(guān)鍵因子之一。一方面,與浮游植物一樣,是鰱鳙等經(jīng)濟(jì)魚類的主要餌料,另一方面又制約著浮游植物的發(fā)展。利用浮游動(dòng)物控制藻類繁殖,在國內(nèi)外已經(jīng)有了一些成功的案例。Carpenter等報(bào)道,在Michigan湖、Tuesday湖和Peter湖中
4、放養(yǎng)食魚性魚類后,濾食性魚類的數(shù)量顯著減少,而使植食性的浮游動(dòng)物大量繁殖,從而導(dǎo)致葉綠素含量和初級(jí)生產(chǎn)力顯著降低5。在捷克的Rimov水庫,研究者采用3種方法相結(jié)合的措施去除浮游生物食性魚,保證了一定數(shù)量浮游動(dòng)物的存在,控制了富營養(yǎng)化6。Pogozhev等7研究表明長刺溞(Daphnia longispina)可以有效減少藍(lán)細(xì)菌以及銅綠微囊藻(Microcystis aeruginosa)的生物量。北京大學(xué)的陳濟(jì)丁等研究了大型浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的控制作用,結(jié)果表明在適當(dāng)?shù)母粻I養(yǎng)條件下,通過合理的生物操縱,使得大型植食性浮游動(dòng)物達(dá)到和維持足夠的密度,能夠有效地控制浮游植物的過量生長8。陳鳴釗等設(shè)
5、計(jì)了浮游生物濾清器,利用輪蟲類控制藻類,并在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),取得了理想的除藻效果9。張喜勤等10在長春南湖采用直接投放大型溞(Daphnia magna)和方形網(wǎng)紋溞(Gerzoda daphnia gam aranaura)治理營養(yǎng)化湖泊也取得了一定效果。以往有關(guān)浮游生物的研究多局限于浮游植物與理化因子間的關(guān)系、種群演替、某種浮游動(dòng)物對(duì)浮游植物的攝食等,缺乏對(duì)浮游動(dòng)物群體與浮游植物群體的相互關(guān)系的研究。本文通過室外實(shí)驗(yàn)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法,研究浮游動(dòng)物對(duì)藻類生長的控制作用。1 材料與方法1.1 實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段。第一階段為室外圍隔實(shí)驗(yàn),于2006年8月至10月進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選在天津于橋
6、水庫北岸門莊子半島東側(cè),由一廢棄?mèng)~池改建而成。共設(shè)置5個(gè)試驗(yàn)圍隔。每個(gè)長30 m,寬10 m。向其中4個(gè)圍隔(分別記為F1、F2、F3、F4)投入不同密度的鰱、鳙,并設(shè)置空白對(duì)照(記為F0),用以研究有捕食者(魚)存在的條件下浮游動(dòng)物的作用。第二階段為室內(nèi)實(shí)驗(yàn),于2007年4月至5月進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用容積為100 L的白色尼龍桶5個(gè),桶上方加有日光燈為光源的光照系統(tǒng),模擬自然光照。從于橋水庫取水,向每個(gè)桶中加入25 L原水接種,然后稀釋至100 L。設(shè)置升溫、高氮、高磷、加底泥(分別記為Tt、TN、TP、TM)等不同實(shí)驗(yàn)條件的處理以及空白對(duì)照(記為T0),用以研究不同理化條件下浮游動(dòng)物的作用。具體
7、實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置見表1。表1 各處理實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置Table 1 Conditions of treatments處理號(hào)TtTNTPTMF1F2F3F4設(shè)置條件每4日升溫33 mg·L-10.2 mg·L-1加入桶高1/15底泥20 g·m-2鰱33 g·m-2鰱16 g·m-2鳙63 g·m-2鰱13 g·m-2鳙100 g·m-2鰱13 g·m-2鳙(1)浮游動(dòng)物總量變化(1) Changes of quantities of zooplanktonF0F1F2F3F4(2)甲殼動(dòng)物總量變化(2) Chan
8、ges of quantities of crustaceansF0F1F2F3F4(3)輪蟲總量變化(3) Changes of quantities of rotifersF0F1F2F3F4其中,2006年室外實(shí)驗(yàn)中,各圍隔的營養(yǎng)鹽濃度未進(jìn)行人工調(diào)節(jié),整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中其變化范圍為:總磷0.030.08 mg·L-1,總氮0.51.0 mg·L-1。2007年室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)為3 500 lx。由于此次水庫原水中總氮總磷質(zhì)量濃度較高,除TN、TP 兩個(gè)處理外,其它各處理的總氮、總磷質(zhì)量濃度分別依據(jù)原水中水平,控制在2 mg·L-1以及0.1 mg
9、3;L-1。Tt處理的溫度控制在比其它處理高35 。1.2 指標(biāo)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的主要生物指標(biāo)、理化指標(biāo)及其測(cè)定方法如下11:葉綠素a(Chla):分光光度法;浮游動(dòng)物及浮游植物現(xiàn)存量:顯微鏡計(jì)數(shù)、測(cè)量法;總磷(TP):過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法;總氮(TN):過硫酸鉀消解-紫外分光光度法;溫度(T):溫度計(jì);溶解氧(DO):便攜式溶氧儀;pH值:pH計(jì)。1.3 數(shù)據(jù)處理浮游動(dòng)物生物量:根據(jù)顯微鏡觀察時(shí)測(cè)量的各種浮游動(dòng)物體長計(jì)算其個(gè)體重量12。方差分析及相關(guān)性分析:在統(tǒng)計(jì)軟件SPSS13.0中進(jìn)行。在相關(guān)分析中,由于浮游動(dòng)物與藻類的生長都非線性,因此將浮游動(dòng)物數(shù)量、浮游動(dòng)物生物量、藻類數(shù)量、
10、藻類生物量(Chla)等數(shù)據(jù)進(jìn)行以10為底的對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后,再進(jìn)行相關(guān)性分析13-14。2 結(jié)果與討論2.1 浮游動(dòng)物的數(shù)量以及種類的變化本文中浮游動(dòng)物是指輪蟲及甲殼類的枝角類、橈足類浮游動(dòng)物,未包括原生動(dòng)物。室外實(shí)驗(yàn)中,在浮游動(dòng)物個(gè)數(shù)水平上,輪蟲占絕大多數(shù),數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)的為多肢輪蟲(Polyarthra)及龜甲輪蟲(Keratella);甲殼類中無節(jié)幼體(nauplii)占絕大多數(shù),枝角類的優(yōu)勢(shì)種為象鼻溞(Bosmina),橈足類主要為劍水蚤(Tropocyclops)15。有魚圍隔中,浮游動(dòng)物總數(shù)量、甲殼類總數(shù)量以及輪蟲總數(shù)量、都明顯少于無魚對(duì)照圍隔。輪蟲數(shù)量占全部浮游動(dòng)物數(shù)量的大多數(shù)。浮游動(dòng)
11、物總數(shù)量隨時(shí)間經(jīng)歷一個(gè)先上升,再下降,最后趨于穩(wěn)定的變化過程。輪蟲數(shù)量的變化過程與浮游動(dòng)物總數(shù)量變化過程基本一致。甲殼類總數(shù)量在實(shí)驗(yàn)初始階段經(jīng)歷一個(gè)短暫上升后下降,穩(wěn)定一段時(shí)間之后,實(shí)驗(yàn)后期又出現(xiàn)短暫上升。其中F1在后期出現(xiàn)了明顯的上升過程。如圖1所示。圖1 (13)室外實(shí)驗(yàn)(有魚)中浮游動(dòng)物數(shù)量的變化Fig. 1 (13)Changes of quantities of zooplankton in the presence of fish對(duì)室外實(shí)驗(yàn)的浮游動(dòng)物數(shù)據(jù)采用LSD法(最小顯著差數(shù)法)多重比較進(jìn)行方差分析(P=0.05)。結(jié)果表明:F1、F2、F3、F4與F0輪蟲總數(shù)量差異均不顯著;
12、F1、F2、F3、F4與F0甲殼類總數(shù)量差異均顯著;F1、F2、F3、F4與F0浮游動(dòng)物總數(shù)量差異均不顯著。在有魚圍隔中,浮游動(dòng)物被魚類捕食,導(dǎo)致其數(shù)量低于無魚圍隔。輪蟲數(shù)量在浮游動(dòng)物總數(shù)量中占很大比重,因此,輪蟲數(shù)量變化決定了浮游動(dòng)物總數(shù)量的變化,其變化趨勢(shì)基本一致。對(duì)于甲殼類動(dòng)物而言,由于其個(gè)體較大,容易成為魚類的捕食對(duì)象,因此其數(shù)量與輪蟲相比,減少的幅度較大,有魚圍隔與無魚圍隔的甲殼類總數(shù)量差異均顯著。又由于甲殼類比輪蟲個(gè)體大,生長周期較長,因此在實(shí)驗(yàn)后期又出現(xiàn)了數(shù)量增加。對(duì)于F1圍隔,因?yàn)閮H投入鰱魚,而未投入食浮游動(dòng)物的鳙魚,所以在實(shí)驗(yàn)后期出現(xiàn)的甲殼動(dòng)物數(shù)量的上升比其它圍隔明顯。由于輪
13、蟲個(gè)體較小,魚類對(duì)其攝食力不強(qiáng),所以有魚圍隔與無魚圍隔的輪蟲總數(shù)量差異不顯著。同時(shí),輪蟲數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)也導(dǎo)致有魚圍隔與無魚圍隔浮游動(dòng)物總數(shù)量差異均不顯著。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,輪蟲在浮游動(dòng)物個(gè)數(shù)上占很大優(yōu)勢(shì),其優(yōu)勢(shì)種為螺形龜甲輪蟲(Keratella cochlearis)以及矩形龜甲輪蟲(Keratella serrulata);甲殼類群體比輪蟲出現(xiàn)得晚,其中無節(jié)幼體(nauplii)占絕大多數(shù),枝角類的優(yōu)勢(shì)種為透明溞(Daphnia hyaline)以及銳額溞(Alonella),橈足類主要為劍水蚤(Tropocyclops)。各處理?xiàng)l件下的浮游動(dòng)物總生物量都經(jīng)歷了逐漸增加,直至趨于穩(wěn)定的過程。其中加
14、入底泥的TM中浮游動(dòng)物總生物量的增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它處理。各處理中的甲殼類總生物量除加入底泥的TM外,均經(jīng)歷一個(gè)緩慢上升至趨于穩(wěn)定的過程。TM中甲殼類總生物量經(jīng)歷了一個(gè)大幅增加后又大幅減小的過程。輪蟲總生物量在個(gè)處理中均經(jīng)歷一個(gè)上升后下降的過程,其中TM和Tt處理中的變化幅度較大。如圖2所示。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的浮游動(dòng)物數(shù)據(jù)用LSD多重比較法進(jìn)行方差分析(P=0.05)的結(jié)果表明,浮游動(dòng)物總數(shù)量:TM、Tt、TP與T0差異顯著,TN與T0差異不顯著;浮游動(dòng)物總生物量:TM、Tt、TN、TP與T0差異均不顯著;甲殼類總數(shù)量:TM與T0差異顯著,Tt、TN、TP與T0差異不顯著;甲殼類總生物量:TM與T0差
15、異顯著,Tt、TN、TP與T0差異不顯著;輪蟲總數(shù)量:TM、Tt、TP與T0差異顯著,TN與T0差異不顯著;輪蟲總生物量:TM、Tt、TP與T0差異顯著,TN與T0差異不顯著。(1) 浮游動(dòng)物生物量變化(1) Changes of biomass of zooplanktonT0TMTtTNTPT0TMTtTNTP(2)甲殼類總生物量變化(2) Changes of biomass of crustaceansT0TMTtTNTP(3)輪蟲生物量變化(3) Changes of biomass of rotifers圖2 (13)室內(nèi)(無魚)實(shí)驗(yàn)中浮游動(dòng)物生物量的變化Fig. 2 (13)Ch
16、anges of biomass of zooplankton in the absence of fish加入底泥的TM中,由于水庫底泥中帶有一定數(shù)量的浮游動(dòng)物休眠卵,在室內(nèi)培養(yǎng)過程中適當(dāng)條件下會(huì)萌發(fā)形成新的種群;另外,底泥中帶有一些額外的營養(yǎng)元素,相當(dāng)于額外加入了營養(yǎng)鹽,也更能促進(jìn)浮游動(dòng)物的生長,因此在實(shí)驗(yàn)過程中浮游動(dòng)物的增長比其它處理有很大的優(yōu)勢(shì)16。Tt中由于進(jìn)行升溫處理,為輪蟲生物量的增長提供了良好的條件。從浮游動(dòng)物總數(shù)量、輪蟲總數(shù)量和總生物量來看,TN與T0差異不顯著,說明總氮對(duì)浮游動(dòng)物生長的影響不及總磷大。2.2 浮游動(dòng)物對(duì)藻類的影響 藻類數(shù)量的變化室外實(shí)驗(yàn)中,藻類的優(yōu)勢(shì)種為藍(lán)藻
17、中的微囊藻(Microcystis)。藻類數(shù)量以及藍(lán)藻數(shù)量都經(jīng)歷在實(shí)驗(yàn)初期大幅減小后趨于穩(wěn)定的過程,由圖3可見。(1) 藻類總數(shù)量變化(1) Changes of quantities of phytoplanktonF0F1F2F3F4(2) 藍(lán)藻數(shù)量變化(2) Changes of quantities of blue algaeF0F1F2F3F4圖3 (12)室外(有魚)實(shí)驗(yàn)中藻類數(shù)量的變化Fig. 3 (12)Changes of quantities of phytoplankton in the presence of fish室外實(shí)驗(yàn)中,F(xiàn)1、F2、F3、F4與F0中的藻類個(gè)數(shù)
18、和藻類生物量經(jīng)LSD多重比較法進(jìn)行方差分析(P=0.05),差異均不顯著。由于魚類對(duì)浮游動(dòng)物和藻類都有捕食作用,所以在有魚圍隔中,藻類數(shù)量的影響因素極為復(fù)雜。浮游動(dòng)物和魚類控制作用的此消彼長,是導(dǎo)致各處理間藻類差異不顯著的一個(gè)可能原因。穩(wěn)定期F4中藻類數(shù)量略高于其它圍隔,可能是其中較高的魚類密度影響了浮游動(dòng)物對(duì)藻類的攝食而造成的17。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)種為藍(lán)藻中的微囊藻(Microcystis)和綠藻中的小球藻(Chlorella)。對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的藻類數(shù)據(jù)用LSD多重比較法進(jìn)行方差分析(P=0.05),結(jié)果顯示:TM、Tt、TN、TP與T0中的藻類總個(gè)數(shù)和藍(lán)藻總個(gè)數(shù)差異均不顯著;綠藻個(gè)數(shù):TP與T
19、0差異顯著,TM、Tt、TN與T0差異均不顯著。(1) 藻類總數(shù)量變化(1) Changes of quantities of phytoplankton(2) 藍(lán)藻數(shù)量變化(2) Changes of quantities of blue algaeT0TMTtTNTP圖4 (12)室內(nèi)(無魚)實(shí)驗(yàn)中藻類數(shù)量的變化Fig. 4 (12)Changes of quantities of phytoplankton in the absence of fish在整個(gè)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的過程中,TM、TN、TP處理內(nèi)的藻類總個(gè)數(shù)以及藍(lán)藻個(gè)數(shù)變化幅度較大,因而導(dǎo)致各處理間藻類數(shù)量的差異不顯著。TP中的綠藻個(gè)數(shù)
20、與T0中出現(xiàn)了顯著差異,說明綠藻,尤其是本實(shí)驗(yàn)中占優(yōu)勢(shì)的小球藻,對(duì)于P含量的變化可能更為敏感,同時(shí)也暗示了浮游動(dòng)物在此實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)于小球藻的攝食力不強(qiáng)。由于磷元素對(duì)藻類生長的促進(jìn)作用更強(qiáng),因此TP比TN中更早出現(xiàn)藻類對(duì)數(shù)生長期。 浮游動(dòng)物與藻類的相關(guān)性對(duì)室外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析(P=0.05),結(jié)果顯示:F1中浮游動(dòng)物總個(gè)數(shù)和葉綠素含量顯著相關(guān);F2中甲殼類個(gè)數(shù)與葉綠素含量顯著相關(guān)、與藍(lán)藻個(gè)數(shù)極顯著相關(guān)、與藻類生物量極顯著相關(guān),浮游動(dòng)物總個(gè)數(shù)與藻類個(gè)數(shù)顯著相關(guān)、與葉綠素含量極顯著相關(guān);F3中無顯著相關(guān)關(guān)系;F4中甲殼類個(gè)數(shù)與葉綠素含量顯著相關(guān),浮游動(dòng)物總個(gè)數(shù)與葉綠素含量極顯著相關(guān)。室外實(shí)驗(yàn)中
21、,除F3外,其它圍隔中浮游動(dòng)物總個(gè)數(shù)與葉綠素含量都呈顯著或極顯著相關(guān),說明在有魚存在的條件下,浮游動(dòng)物對(duì)于藻類整個(gè)群體還是有較強(qiáng)的控制作用。F2與F4中甲殼類個(gè)數(shù)與葉綠素的顯著相關(guān)關(guān)系說明了大型浮游動(dòng)物雖然更容易被魚類攝食,但還會(huì)對(duì)藻類生長起重要的控制作用。F2中甲殼類個(gè)數(shù)與藍(lán)藻的極顯著相關(guān)關(guān)系證明了前者對(duì)后者的較強(qiáng)攝食作用。F2中的幾種顯著和極顯著相關(guān)關(guān)系也說明,在33 g/m2鰱、16 g/m2鳙的條件下,浮游動(dòng)物種群能夠得以較好的保全,并發(fā)揮重要的控藻作用。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析(P=0.05)結(jié)果顯示:TP中浮游動(dòng)物總生物量與葉綠素含量呈極顯著相關(guān);TN中浮游動(dòng)物總生物量與葉綠素極顯
22、著相關(guān)、與藍(lán)藻個(gè)數(shù)顯著相關(guān),甲殼類總生物量和藍(lán)藻個(gè)數(shù)顯著相關(guān);Tt中浮游動(dòng)物總生物量和藍(lán)藻個(gè)數(shù)顯著相關(guān),甲殼類總生物量和葉綠素含量顯著相關(guān);TM中無顯著相關(guān)關(guān)系。高氮,高磷處理中,浮游動(dòng)物總生物量和葉綠素含量都呈極顯著相關(guān),說明在氮、磷含量較高的富營養(yǎng)化水體中,浮游動(dòng)物能夠?qū)υ孱愒诳偭克狡鹩行У目刂谱饔?。高氮處理中,甲殼類總生物量與藍(lán)藻數(shù)量的顯著相關(guān),說明了甲殼類浮游動(dòng)物群體在適當(dāng)條件下對(duì)藍(lán)藻有一定的控制作用。升溫處理中,浮游動(dòng)物總生物量和藍(lán)藻個(gè)數(shù)顯著相關(guān),說明在適宜溫度的水體中,浮游動(dòng)物能夠?qū)υ孱?,尤其藍(lán)藻起到控制作用。加入底泥的TM中,可能由于底泥中營養(yǎng)物質(zhì)的釋放而促進(jìn)藻類生長的作用大于
23、浮游動(dòng)物對(duì)藻類的控制作用,導(dǎo)致后者作用不明顯。3 結(jié)論(1)浮游動(dòng)物群體,尤其是甲殼類群體,在適當(dāng)條件(氮、磷含量,溫度)下,可以對(duì)藻類群體生長的起有效的控制作用,對(duì)于其中藍(lán)藻群體也有一定的控制作用。(2)總氮含量對(duì)浮游動(dòng)物生長的影響不及總磷含量的影響大。(3)在水體中魚類密度適當(dāng)?shù)臈l件下,浮游動(dòng)物群體能夠?qū)υ孱惿L起較強(qiáng)的控制作用;但是魚類密度過高,會(huì)影響浮游動(dòng)物對(duì)藻類的攝食能力。(4)底泥的存在對(duì)于浮游動(dòng)物對(duì)藻類生長的控制作用有影響。參考文獻(xiàn):1 劉春光,邱金泉,王 雯,等.富營養(yǎng)養(yǎng)化湖泊治理中的生物操縱理論 J .農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2004 , 23(1) : 198-200.LIU C
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