陳端呂 彭保發(fā) 李際平

摘要：從近年來植被水土保持效應的研究進展來看，不同學者根據(jù)不同尺度采用不同的研究方法，對斑塊、坡面、景觀和流域四大尺度進行了系統(tǒng)研究。由于植被水土保持生態(tài)過程與機制在大尺度與小尺度既有關聯(lián)又有差異，植被水土保持效應存在明顯的尺度性。通過對現(xiàn)有研究方法、結果和觀點的整理與討論，認為水土流失效應的影響因素隨著研究尺度的變大變得越來越復雜，水土流失的尺度效應可從小區(qū)、坡面、小流域、大流域以及區(qū)域等不同尺度開展系統(tǒng)研究，旨在從小區(qū)和坡面等小尺度水土流失的研究結果上外推到較大尺度區(qū)域。

關鍵詞：植被；水土保持效應；尺度性

中圖分類號：Ｓ１５７．２文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）03－0433-04

A Review on Scale-dependency of Soil and Water Conservation Effect of Vegetation

ＣＨＥＮ Ｄｕａｎ－ｌü１，ＰＥＮＧ Ｂａo－ｆａ１，ＬＩ Ｊｉ－ｐｉｎｇ２

（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｏｕｒｉｓｍ， Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｔｓ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｃｈａｎｇｄｅ ４１５０００，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｄｖａｎｃｅｓ， ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｈａｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｃａｌｅｓ ｏｆ ｐａｔｃｈ， ｓｌｏｐｅ， ｌａｎｄｓｃａｐｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃａｌｅｓ． Ａｓ ｔｈｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ａｔ ｂｉｇ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｓｃａｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｗｈｉｌｅ ｄｉｆｆｅｒｅｄ， ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｓｃａｌｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ ｗａｓ ｃｌａｉｍｅｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｖｉｅｗｓ， ｉｔ ｗａｓ ｆｉｇｕｒｅｄ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｓｃａｌｅ ｗａｓ， ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ． Ｔｈｅ ｓｃａｌｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｌｏｓｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｃａｌｅｓ ｏｆ ｐｌｏｔ， ｓｌｏｐｅ， ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｂａｓｉｎ ａｎｄ ｒｅｇｉｏｎ； ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｄｕｃｅｄ ｔｏ ｌａｒｇｅｒ ｓｃａｌｅｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ； ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ conservation effect； ｓｃａｌｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ

植被與水土流失的關系一直是人們研究的重要內容，植被水土保持效應的尺度性研究具有復雜性。通過總結近年來國內外植被水土保持效應的相關研究成果，從斑塊、坡面、景觀和流域對植被的水土保持效應的尺度性研究進行了綜述，旨在為在不同尺度上采取合理的人類經營活動、實現(xiàn)植被恢復和水土保持控制提供參考。

１植被的水土保持效應機理

植被類型多樣、物種豐富、結構復雜，其水土保持機理體現(xiàn)在植被層次、主層植物年齡、總覆蓋度等結構因素上。在水土保持生態(tài)過程中，植被是通過冠層、地被物層和根系土壤層對降水的截持和儲蓄、減少對土壤的擊濺和沖刷而實現(xiàn)其保持水土作用的［１］。

冠層是植被水分傳輸過程的開始，水土保持效應首先體現(xiàn)在植被冠層上。植被冠層具有較大的截留容量，對雨水的截留和緩沖作用，截流差異決定于樹種的生物學特性，特別是樹種分枝角度、樹種密度等。冠層擁有較大的空氣動力學阻力進而形成截持雨量的蒸發(fā)，減少地表徑流，從而起到削弱洪峰流量、涵養(yǎng)水源與防止土壤侵蝕的作用。植被冠層截留量、蒸散量受到樹種組成、植被冠層結構特點、年齡大小、郁閉度、降雨量和降雨強度的影響。

植被枯落物層可避免濺蝕，阻礙消耗了降雨動能，減少了動能對面層徑流的擾動和攜沙能力，同時具有較大的貯水持水能力，一般認為枯枝層持水量是其本身的２～４倍，對水源涵養(yǎng)、養(yǎng)分循環(huán)、促進生物活動、物質循環(huán)、水量平衡和水土保持等方面具有重要作用［２］?？萋湮锸峭寥烙袡C養(yǎng)分的主要來源，具有改良土壤、增加土壤團粒結構、促進入滲的功效。

植物根系的盤繞固結作用及植被本身對水流的抵抗作用，使土壤的抗沖、抗蝕性明顯提高，根系的分布特征也能反映土壤的水分狀況。根系的存在能夠改良土壤的物理性質，增大土壤的孔隙度［３］，同時阻止地表結皮的形成，增加了入滲，減弱了水流對地表的沖刷作用［４，５］。

植被覆蓋度能增加對水分和養(yǎng)分的截獲能力，改變地表徑流的流向，改善小氣候，形成一種良性反饋機制［６］?？偢采w度越大，單位面積的平均總截留量、枯落物平均吸水量、根系平均生物量也越大，所以植物對土壤的保持能力越強，土壤沖刷量也越小，其差異也越明顯［７］。

２尺度性概念與研究方法

２．１尺度性概念

尺度是自然過程抑或觀測研究在空間、時間抑或時空上的特征量度［８］，是在研究某一物體或現(xiàn)象時所采用的空間或時間單位［９］。不同尺度的現(xiàn)象和過程之間相互作用、相互影響。尺度可以分為本征尺度和研究尺度［１０］。本征尺度指自然本質存在的、隱匿于自然實體單元、格局和過程中的真實尺度，一般可分為空間尺度、時間尺度、組織尺度和功能尺度等。研究尺度是針對所研究的對象或者詳細程度而人為設定的尺度，包括測量尺度和操作尺度。測量尺度是一種感知尺度［１１］，包含范圍、解析水平，操作尺度一般為不同級別的行政管理單元。本征尺度源于地球表層自然界的等級組織、空間異質性和復雜性，對本征尺度特征的揭示是尺度研究的最終目標。

尺度性是指基于空間和時間的變化事物所發(fā)生的變化，宏觀尺度與微觀尺度的過程與機制既有關聯(lián)又有差異。由于空間尺度和時間尺度的變化，生態(tài)過程顯得復雜化，部分指標的不匹配性增大，影響因素及其作用也發(fā)生了變化，尺度性表現(xiàn)在空間尺度和時間尺度的變化上，需要在尺度轉換中衡量和實現(xiàn)。將小尺度信息向大尺度轉換稱為尺度上推，反之稱為尺度下推。當一個變量與尺度變化的關系為線性時，這種轉換可能較為直接和簡單，而當這種關系為非線性時，轉換就不是簡單的疊加，不能進行本尺度的簡單外推。水土流失存在多因子綜合影響，是一個復雜的多重尺度的時空變異過程［１２］，開展水土保持的尺度性研究正在進一步的深入探討之中。

２．２水土保持效應尺度性的研究方法

植被水土保持效應的研究方法主要有水文測驗、同位素水文學和動力水文學等計算方法。尺度不同，研究方法也不同，對小區(qū)、坡面和徑流小區(qū)的水土流失機理和影響一般研究采用試驗觀測與模型模擬手段，流域尺度更多根據(jù)基礎資料建立模型與率定參數(shù)，探索植被相應指標變化引起的水土流失表征指標的變化。

根據(jù)尺度轉化實現(xiàn)的方式，尺度轉換方法通常包括主導因子更替法、影響因子尺度轉換法等［１３］，但是這些轉換方法還遠不夠完善，也沒有建立一套成熟的尺度轉換規(guī)則，還沒有形成完整的理論和方法體系。隨著信息技術的發(fā)展，更多地借助于３Ｓ技術，研究植被水土流失過程的空間表征和時間動態(tài)，在不同時空尺度上，針對植被及其他因子與水土流失過程之間的動態(tài)作用關系及其隨尺度變化的規(guī)律性，提取不同尺度上水土流失過程中植被因子的影響程度，分析驅動因素，探討水土流失過程及其驅動要素的尺度依賴性特征［６］。

３水土保持效應尺度性研究進展

３．１斑塊尺度

斑塊尺度上水土保持效應在很大程度上取決于斑塊本身的類型與結構。不同植被斑塊在減少地表徑流數(shù)量、減慢徑流速度、減少土壤侵蝕量、增加土壤含水量和生物量以及生物活性等方面作用不同。不同斑塊類型植被截留差異較大，針葉林樹冠截留率大于闊葉林，一般常綠闊葉林對暴雨的截留率為８％，熱帶雨林截留率為１４％，溫帶針葉林為２０％～４０％，亞熱帶杉木林為１５％，亞熱帶馬尾松林為１０％～２０％，華山松為２１％［１４］。不同斑塊類型存在根系垂直分布與水平分布兩種類型，不同類型有不同的近地表根系分布密度，對土壤具有不同的抗沖性。

植被水土保持效應的實現(xiàn)與斑塊結構之間具有密切聯(lián)系，樹種組成、植被冠層結構特點、年齡大小、郁閉度等結構差異，特別是斑塊垂直結構對涵養(yǎng)水源、凈化水質、保持水土等能力具有較大的影響。研究證實，結構復雜的植被可以強化土壤抗沖性和土壤通透性以及蓄水容量，增加入滲，削減超滲徑流，防止沖刷，尤為重要的是灌草類植被可以消除上方襲來的侵蝕性股流，增加坡面徑流運動阻力，削減徑流的侵蝕能力，進而減少當?shù)氐乃亮魇?。馬金平［１５］的報道表明，植被密度對于土壤侵蝕也具有明顯的作用，在植被密度不足的地方，土壤侵蝕作用也會明顯增強。

植被斑塊特征包括種類、形狀、大小、密度等。植被斑塊特征顯著影響水土流失過程。傅伯杰等［６］在分析植被斑塊形狀時比較分析了各種斑塊形狀特征對徑流、泥沙及養(yǎng)分的截獲能力。結果表明帶狀斑塊較點狀斑塊徑流截持率約增加８％，且由于對土壤養(yǎng)分的截獲，植物生產力提高近１０％。

３．２坡面尺度

坡面是水土流失發(fā)生最基本的單元。坡面水土流失包括雨滴擊濺和徑流沖刷引起的土壤分離、泥沙輸移和沉積３大過程。坡面上植被水土保持效應通過氣候因子、土地利用因子、地形因子影響植被而產生作用。坡面坡向、坡度、土壤性質對植被生長和分布格局產生影響，坡面上植被類型、植被在坡面上的位置對水土流失有直接的控制作用。坡面水土保持是個多因素的結果，植被只是下墊面的一個因子，單獨研究相對較少［６，１６］。坡面植被覆蓋率越大，曼寧糙率系數(shù)越大，地表徑流承受的抵抗力也越大［１７］。

３．３景觀尺度

景觀尺度主要從景觀基質、廊道、景觀格局等方面對水土保持效應產生影響。

基質是面積最大、連通性最好的景觀要素［１８］。景觀基質控制著水土流失生態(tài)過程，基質覆蓋面越大，單位面積平均總截留量、枯落物平均吸水量、根系平均生物量越大，植物對土壤的保持能力越強，土壤沖刷量也越小，其差異也越明顯［７］。

在景觀廊道方面，植物活籬笆可起到改善土壤物理狀況、提高土壤入滲率、減緩地表徑流、防止土壤濺蝕和徑流挾帶而流失的作用。研究表明，在我國南方紅壤區(qū)、紫色土地區(qū)的濕潤半濕潤山區(qū)，選用當?shù)毓嗖葜参镒鳛槠碌厮亮魇ё铚鹊烙休^大的水土保持效應，而且也易于被民眾接受和推廣［１９］。

景觀格局包括景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置［２０］。植被景觀格局通過樹冠截留、地表滯留、植物根系固定土層，以及改變坡度和坡長的途徑減少水土流失影響蒸發(fā)、截留、地表徑流、土壤水分入滲和地下水形成等過程，對產匯流過程及相伴的土壤侵蝕產生影響。水土流失過程主要通過水分、土壤資源再分配和聚集影響植被格局，進而驅動景觀格局的空間異質性動態(tài)［６］。王軍等［２１］研究認為，植被與水土保持工程形成的格局中，產流區(qū)與非產流區(qū)鑲嵌分布，提高了徑流過程的不連續(xù)性，減少了整個坡面產流的可能性與侵蝕。

目前，在運用景觀指數(shù)研究水土流失過程時，研究者開始結合研究區(qū)的地貌、土壤和植被等自然地理特征，有所選取地使用景觀指數(shù)，以期更好地分析解釋水土流失過程的發(fā)生。游珍等［２２］選用斑塊大小、斑塊破碎度、等高連通度、順坡連通度和斑塊相對位置指數(shù)等５個指標，對黃家二岔河流域的景觀格局進行分析，并結合具有不同植被覆蓋特征的陰坡和陽坡計算景觀格局與土壤侵蝕之間的關系。

３．４流域尺度

流域是水文響應的基本單元，也是研究景觀格局與水土流失理想的空間尺度。流域尺度植被因子與水土流失關系更加復雜，水土流失過程是水文因子、氣象因子、下墊面因子的函數(shù)［２３］，在水土流失過程中受到這些因子的綜合影響，植被只是作為有影響的下墊面因子。

流域內植被以其集群優(yōu)勢遏止水土流失的作用即植被整體作用，其作用大小衡量的指標為森林覆蓋率或林草覆蓋率。流域林草覆蓋率高，植被斑塊數(shù)增多，它們之間的距離可能縮短，林草地自身難以產生徑流，而且還有可能阻斷更多的徑流通道。對植被的水土保持作用而言，起關鍵作用的是植被的有效覆蓋度［２４］。

３．５尺度效應

植被水土流失是一個具有明顯尺度效應的過程，存在尺度依賴性。大尺度的水土流失影響因子是小尺度因子的綜合，是共性和規(guī)律的體現(xiàn)。水土流失規(guī)律研究已經開始從微觀的室內侵蝕試驗、坡面流失調查過渡到小流域、中尺度流域，甚至大區(qū)域的宏觀范疇。在水土流失定量評價中，由于水土流失的尺度效應，水土流失的作用機制將會發(fā)生明顯變化，使得在小區(qū)尺度上觀測到的大量數(shù)據(jù)無法得到有效的利用，從而導致前期研究成果很難再有新的突破。徑流小尺度上的降水與植被下墊面可以認為是相互獨立的，降雨徑流過程相對簡單，影響因子數(shù)量較少且因子間的疊加效果不顯著，在流域尺度上，降水與植被下墊面聯(lián)系緊密，降水徑流過程不再呈現(xiàn)簡單的線性關系［２５，２６］，水土流失的空間尺度變化機理復雜。

從尺度大小分析，徑流小區(qū)尺度是一個微坡面尺度，由于小區(qū)面積較小，在小區(qū)尺度上產生的水土流失效應主要受到降雨及土壤特性的影響，植被具有一定的調節(jié)作用。而坡面尺度下的水土流失效應與植被通過對坡面地表覆蓋的相關性大，可以有效消減侵蝕性降雨的作用。當研究的尺度進一步擴大到流域時，除了影響流域水土流失效應因子與影響自然坡面因子存在一致性以外，植被空間格局及其鑲嵌則成了影響小流域這一更大尺度條件下水土流失效應的重要因素。

在不同的尺度下，水土流失的影響機制并不相同［２７］，傳統(tǒng)的水土流失研究一般集中在坡面徑流小區(qū)和小流域兩個單一尺度上，這在很大程度上限制了水土流失的空間尺度外推和過程分析［２８］。坡面、景觀與流域尺度上水土流失因子有差別［２９］，因為坡面徑流小區(qū)的觀測樣地比較小，很難代表整個小流域的景觀要素變異和水文過程［３０］。流域水土流失量不再是小尺度流失量單一的總和，而是受到小尺度水土流失效應之間的協(xié)同作用和耦合作用的影響。利用徑流小區(qū)試驗數(shù)據(jù)外推到大尺度上很難反映出景觀的空間變異性和水土流失的尺度變異性［３１］。隨著研究尺度的變大，水土流失效應的影響因素會變得越來越復雜，如果只是把整個小流域作為黑箱處理，這就很難對流域內多重尺度上水土流失機制進行觀測和研究，應當從小區(qū)、坡面、小流域、大流域以及區(qū)域等不同尺度開展系統(tǒng)研究，為將小區(qū)和坡面等小尺度水土流失研究結果外推到較大尺度區(qū)域奠定基礎。

４結語與展望

就水土保持來看，經歷了近一個世紀的研究，經過了由經驗到理論、由靜態(tài)到動態(tài)、由定性到定量、由小區(qū)到流域的發(fā)展過程，研究成果頗豐，逐步建立了一些有物理成因基礎、能模擬土壤侵蝕與產沙物理過程的數(shù)學模型。在我國，廣大學者也對水土流失機理進行了廣泛的研究，在測定方法、指標體系、影響因素以及時空變化規(guī)律方面取得了顯著成果，建立了水土保持效益觀測研究系統(tǒng)和評價體系。

植被在控制水土流失、防止土壤侵蝕、改良土壤等方面效果十分明顯。植被水文機制和水文特征研究以及植被功能與水文特征相互關系的宏觀研究，在研究區(qū)域和深度上得到了進一步的發(fā)展。綜觀目前的研究成果，植被的水文生態(tài)、水土保持的生態(tài)過程、演化與驅動機制、水土保持功能優(yōu)化的空間配置研究相對較成熟，并形成了較為成熟的理論體系和技術模式。近２０年來的研究已從流域試驗與單項水文因子的試驗研究擴展到從點尺度、坡面尺度到景觀尺度、流域尺度乃至區(qū)域尺度系統(tǒng)研究森林與水文、地質、地貌、氣候、生態(tài)等的相互作用機制的新階段。

從目前所能檢索到的文獻來看，在水土保持科學的研究中，水土流失空間尺度效應定量評價及其空間尺度轉換模型的研究并不多見，對水土流失空間尺度效應的研究大都是對水土流失空間尺度效應產生機理及其表現(xiàn)形式的描述，國內外比較成功的水土流失預測評價研究也主要是在小尺度（坡面、小流域）上進行與實現(xiàn)的，開發(fā)了大量的如ＵＳＬＥ、ＲＵＳＬＥ、ＷＥＰＰ等統(tǒng)計和物理模型，而在區(qū)域尺度上，迄今為止還沒有開發(fā)出有較大實用價值的統(tǒng)計或物理模型。盡管如此，國內外還是有一些學者對水土流失的空間變異與尺度變異做過研究或正在潛心研究和探討?？傮w上來看，無論是國內或國外，水土流失空間尺度效應定量評價和空間尺度轉換研究均與數(shù)字高程模型（ＤＥＭ）分析和地理信息系統(tǒng)（ＧＩＳ）的應用緊密結合在一起。

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［２８］ ＤＥ Ｂ Ｄ Ｈ，ＣＡＭＰＢＥＬＬ Ｉ Ａ． Ｓｐａｔｉａｌ ｓｃａｌｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ ａ ｓｅｍｉ－ａｒｉｄ ｂａｄｌａｎｄ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂａｓｉｎ［Ｊ］． Ｃａｔｅｎａ， １９８９，１６（３）： ２７７－２９０．

［２９］ 傅伯杰，趙文武，陳利頂，等．多尺度土壤侵蝕評價指數(shù)［Ｊ］．科學通報，２００６，５１（１６）：１９３６－１９４３．

［３０］ ＧＯＶＥＲＳ Ｇ． Ａ ｆｉｅｌｄ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃａｌ ａｎｄ ｔｏｐｓｏｉｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｒｕｎｏｆｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｃａｔｅｎａ， １９９１，１８（１）： ９１－１１１．

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收稿日期：２０１１－０５－１７

基金項目：國家自然科學基金項目（３０９７３６２）； 湖南文理學院博士啟動基金項目（ＢＳＱＤ１０１５）；湖南省自然科學基金項目（０９ＪＪ６０３９）

作者簡介：陳端呂（１９６５－），男，湖南隆回人，教授，博士，主要從事景觀地理和３Ｓ技術的教學與科研工作，（電話）１３１０７３６４３１９（電子信箱）

ｄｕａｎｌｕｃｈｅｎ＠１２６．ｃｏｍ；通訊作者，李際平，教授，博士，博士生導師，主要從事林業(yè)系統(tǒng)工程教學與科研工作，

（電子信箱）ｌｉｊｉｐｉｎｇ＠ｖｉｐ．１６３．ｃｏｍ。