郭鳳清，孫書洪*，曾輝，叢沛桐

1. 天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384；2. 北京大學(xué)深圳研究生院城市規(guī)劃與設(shè)計學(xué)院，廣東 深圳 518055；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510642

海北高寒草甸返青期土壤溫度與水分動態(tài)變化

郭鳳清1，孫書洪1*，曾輝2，叢沛桐3

1. 天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384；2. 北京大學(xué)深圳研究生院城市規(guī)劃與設(shè)計學(xué)院，廣東 深圳 518055；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510642

分析青藏高原高寒草甸返青期土壤水分和溫度的變化以及相互關(guān)系是理解高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)變化的重要基礎(chǔ)。為明晰青藏高原祁連山東部高寒草甸返青期的土壤溫度與水分變化規(guī)律，選擇祁連山東部海北高寒草甸為試驗區(qū)，以實地測試與方差、相關(guān)及回歸分析相結(jié)合的方法研究了海北高寒草甸返青期土壤分層水分和溫度的動態(tài)變化。結(jié)果表明：（1）觀測期內(nèi)，高寒草甸整個返青期表層0 cm及地表以下5、15、30、60和120 cm土壤各層平均溫度分別為10.47、4.11、3.28、1.76、0.80和0.51 ℃，表層0 cm地溫受氣溫變化影響最為顯著；返青早期各層土壤溫度均穩(wěn)定于0 ℃左右，返青中期各層土壤溫度迅速增加，返青中后期自上而下不同土壤層溫度逐漸降低；（2）表層、中層和深層土壤平均含水量分別為17.3%、20.6%和20.9%，中層和深層土壤水分含量較??；表層土壤含水量波動劇烈，在整個返青期呈逐漸下降趨勢，中層和深層土壤含水量連續(xù)增加，波動范圍??；（3）高寒草甸土層0～15 cm的土壤體積含水量與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，隨土壤平均溫度增加，土壤體積含水量逐漸降低；15～30、30～45和45～60 cm較深層土壤含水量與土壤平均溫度呈顯著正相關(guān)，隨土壤深度增加其相關(guān)性也隨之增強。該研究可為理解青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的變化規(guī)律和變化過程提供參考依據(jù)，對高寒草甸的保護及可持續(xù)利用也具有重要意義。

高寒草甸；返青期；土壤溫度；土壤水分

高寒草甸是廣泛分布于青藏高原祁連山東部及其周圍山地的地帶性植被，面積約7×105km2，占區(qū)域內(nèi)可利用草場面積約50%（高貴生，2006；Yu et al.，2010；丁明軍等，2011）。高寒草甸牧草返青期，是牧草生長的關(guān)鍵期，可直觀地指示環(huán)境條件季節(jié)變化的植物物候，近年來引起了研究者的關(guān)心。然而，青藏高原東部高寒草甸包括返青期在內(nèi)的植物物候當(dāng)前整體研究相對薄弱，部分研究側(cè)重于探討高寒草甸對全球氣候變化的響應(yīng)，年內(nèi)返青期預(yù)報及預(yù)報方法，返青期與氣溫、降水關(guān)系分析等方面（Zheng，1996；祁如英等，2008；呂新苗等，2009；Yu et al.，2010；Shen et al.，2011；Piao et al.，2011）。祁連山高寒草甸是青藏高原高寒草甸的典型代表（楊成德等，2010），而目前有關(guān)青藏高原祁連山東部高寒草甸返青期的土壤溫度與水分動態(tài)變化，尤其是明晰土壤分層溫度與水分變化規(guī)律的研究較少。相對于夏、秋季環(huán)境要素，春季環(huán)境要素對春季植物返青期影響更為顯著（張娟等，2012），故選擇春季土壤分層的溫度與水分指標(biāo)與植物返青期進行相關(guān)分析。本研究從重要的土壤環(huán)境因子——土壤溫度與水分方面進行拓展，選擇祁連山東部海北高寒草甸為試驗區(qū)，探討試驗區(qū)返青期土壤分層溫度與水分的動態(tài)變化及其兩者的相關(guān)關(guān)系。本研究是理解青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)返青期土壤水分和熱量的變化以及相互關(guān)系的基礎(chǔ)（呂貽忠等，2002；吳青柏等，2003），對理解海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中土壤內(nèi)能量流動和物質(zhì)運移的機制，以及闡釋整個草地生態(tài)系統(tǒng)土壤中微生物、牧草萌動生長具有一定積極作用。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗樣地選擇

試驗樣地位于青藏高原東北隅祁連山地大通河河谷西段的國家草地生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀察站青海海北站（地理位置為37°29′～37°45′N，101°12′～101°23′E）（圖1）。海北站站區(qū)面積37716 hm2，地形開闊，海拔在3200～3600 m（氣象觀測站海拔高度為3220 m）。該站行政隸屬于青海省海北藏族自治州門源回族自治縣門源馬場，距西寧160 km。海北站具有多種小地域單元，適宜布置多種類型野外試驗（李英年等，2004）。

圖1 海北站位置圖Fig. 1 Location map of HaiBei Station

試驗樣區(qū)選在海北站的山地陽坡灘地。試驗樣區(qū)內(nèi)植被建群種為青藏高原典型的地帶性植被——寒冷濕中生的多年生草本植物矮嵩草（Kobresia humilis）草甸和小嵩草（Kobresia pygmaea）草甸（周興民等，1982）。大量分布的土壤類型有草氈寒凍雛形土（Mat-Cryic Cambisols），又叫高山草甸土，土壤發(fā)育差，土層淺薄，土層深度60 cm左右（樂炎舟等，1982）。2013年試驗初期試驗樣區(qū)內(nèi)植被覆蓋度達95%以上，樣地內(nèi)主要植物為矮嵩草、小嵩草、金露梅（Dasiphora fruticosa）、藏嵩草（Kobresia tibetica）。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計為時間序列的重復(fù)采樣測定，試驗時間為2013年和2014年高寒草甸春季返青期4月20日—6月29日，在自然條件下研究高寒草甸春季返青期土壤水熱運移規(guī)律、土壤水熱耦合效應(yīng)。為較準(zhǔn)確反映研究區(qū)春季返青期土壤溫度與水分動態(tài)變化，在試驗樣地內(nèi)隨機布置4個樣地進行重復(fù)測定，樣地大小為100 m×100 m，各樣地間距50 m，試驗樣地用鐵絲圍欄，排除家畜及人為干擾，使其處于自然封育狀態(tài)。

1.3 測定方法及數(shù)據(jù)獲取

（1）土壤溫度的測定：采用MF51-TL型（北京玻璃研究所生產(chǎn)）熱敏電阻地溫計分層測定土壤溫度，測定頻度為每5天測定1次，每個試驗樣地重復(fù)測定6次，高寒草甸土壤溫度測試層次分別為0、5、15、30、60和120 cm。

（2）土壤體積含水量的測定：采用加拿大產(chǎn)的型號為MP917的時域反射儀（TDR）測定試驗樣區(qū)中土壤的體積含水量，測定時間從每年植物返青期開始，測定頻度為每5天1次，每隔7 d用土鉆法加測1次。每次降雨后用時域反射儀和土鉆法加測1次。每次測定時間為上午10:00，每樣地重復(fù)測定4次。測定體積含水量的土壤層分為4層，分別為0～15、15～30、30～45和45～60 cm（因試驗樣區(qū)內(nèi)土壤厚度大多數(shù)為60 cm，60～120 cm的土壤層經(jīng)反復(fù)測試，土壤體積含水量很低，在試驗分析中未計入考慮）。

（3）氣溫數(shù)據(jù)：研究選用的氣溫數(shù)據(jù)為2013年和2014年春季返青期4月20日—6月29日的日平均氣溫，源于樣地代碼為HBGQX01的海北站氣象觀測場樣地（因研究中的試驗樣地位于該樣地正東方向約500 m距離處，故利用該樣地的日平均氣溫），由海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站提供。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用單因子方差法分析不同測試年份不同層次土壤的溫度、水分以及空氣溫度的差異，通過一般線性回歸分析氣溫、土壤溫度與土壤水分之間的相關(guān)性。試驗數(shù)據(jù)分析均在SPSS 13.0軟件進行，用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果及分析

2.1 土壤溫度的動態(tài)變化

土壤溫度是直接影響草甸草原返青期植物發(fā)芽和出苗的一個主要因素，而且不同土壤層溫度在此階段差異顯著。由圖2可知，海北站高寒草甸返青期土壤溫度變化劇烈，波動范圍較大，尤其是表層（0～15 cm）土壤溫度變化最為顯著。返青后期土壤溫度顯著增加。

測定年內(nèi)，海北站高寒草甸在整個返青期的氣溫變化表現(xiàn)出顯著（P=0.019）的不穩(wěn)定性，波動范圍在-9.2～14.9 ℃，空氣平均溫度為3.82 ℃。返青早期（4月20日—5月16日）氣溫各測定值在0 ℃上下波動，平均氣溫為-1.81 ℃；返青中期（5月17日—6月10日）氣溫變化范圍為-1～11.3 ℃，平均氣溫為5.12 ℃；返青后期（6月11日—6月29日）氣溫變化范圍為3.2～14.9 ℃，平均氣溫為8.15 ℃。2014年因受4月23日和24日寒潮影響，整個返青期平均氣溫低于2013年（2013年5.17 ℃，2014年2.47 ℃）。

土壤表層0 cm處地溫受氣溫變化最為顯著，其變化趨勢和氣溫一致，波動范圍在1.3～20.0 ℃，地表0 cm土壤溫度平均值為10.47 ℃。

地表以下5、15、30、60和120 cm土壤溫度動態(tài)變化在不同觀測年限（2013年和2014年）均表現(xiàn)出相同趨勢，在整個返青期，各層平均溫度分別為4.11、3.28、1.76、0.80和0.51 ℃。返青早期各層土壤溫度變化不明顯，不同土壤層間地溫差異也不顯著，均穩(wěn)定于0 ℃左右；返青中期，當(dāng)日均溫度持續(xù)≥0 ℃時，表層土壤完全解凍，各層土壤溫度迅速增加，溫度躍變值為6 ℃；返青中后期自上而下不同層次土壤溫度測定值隨著土壤深度的增加而逐漸降低，5 cm處土壤溫度最高，120 cm處土壤溫度始終較低。

圖2 返青期高寒草甸氣溫和土壤溫度動態(tài)變化Fig. 2 Dynamic changes of air temperature and soil temperature during re-greening period on Alpine Meadow

2.2 土壤體積含水量的動態(tài)變化

總體上，海北站高寒草甸返青期土壤層0～60 cm含水量較高，均在10%～30.5%之間，但不同土壤層其含水量動態(tài)趨勢差異明顯（圖3）。高寒草甸在返青初期由于太陽輻射加強，地表消融，表層土壤（0～15 cm）水分含量較高；隨著溫度逐漸升高，凍融作用使得深層土壤（30～60 cm）中的水分向上運動并集聚，其結(jié)果是中層土壤（15～30 cm）含水量明顯增加。

由圖3可知，測定年內(nèi)，表層土壤0～15 cm含水量波動劇烈，受降雨影響較大，且在整個返青期呈逐漸下降趨勢，土壤平均水分為17.3%。返青早期，地表解凍，土壤含水量較高，表層土壤平均含水量為21.8%，此后，土壤含水量逐漸下降，返青中后期，表層土壤平均含水量分別為16.0%和14.2%。其主要原因可能是蒸散耗水量較大，而降雨補給又少。在蒸散耗水量強烈的氣候環(huán)境條件下，形成一定厚度的干土層，該干土層的形成阻礙了較深層次土壤水分的散失，有利于春季草地土壤保墑，為多年生牧草的萌動生長提供了良好的土壤水分環(huán)境。

測定年內(nèi)，整個高寒草甸返青期，中層（15～30 cm）和深層（30～60 cm）土壤水分均值非常接近，分別為20.6%和20.9%；中層和深層土壤水分動態(tài)變化趨勢也一致，各層土壤含水量連續(xù)增加，且與0～15 cm土壤水分動態(tài)呈相反的變化趨勢，土壤含水量受降雨量影響不明顯，波動范圍小。

通過比較15～30、30～45和45～60 cm不同土層同一時段含水量測定值可知，總體上，隨著土壤深度的增加，含水量也逐漸增加。返青早期由于深層土壤沒有完全解凍，土壤處于凍融交替狀態(tài)中，各土壤層含水量差異不明顯，保持在較穩(wěn)定狀態(tài)，土壤各層含水量在15%左右。而到了返青后期，各層土壤含水量急劇增加，尤其15～30、30～45和45～60 cm各層土壤在該階段含水量均穩(wěn)定維持在25%左右，不同深度土壤層含水量差異最為顯著（P=0.015）。

圖3 返青期高寒草甸土壤水分動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic changes of soil humidity during re-greening stage on Alpine Meadow

2.3 土壤溫度和土壤水分動態(tài)變化的相關(guān)性

在本試驗研究中，不同測定年限土壤體積含水量和土壤溫度相關(guān)性一致，因此僅著重分析2013年返青期土壤水分和溫度相關(guān)性變化特點（圖4）。

由圖4可知，高寒草甸表層0～15 cm的土壤含水量與土壤溫度負(fù)相關(guān)性顯著（P=0.002，r2=0.430，圖4a），隨著土壤平均溫度的增加，土壤含水量逐漸降低。主要是因為返青期降雨量少，導(dǎo)致表層土壤水分補給不足，又由于太陽輻射加強，蒸散耗水量大，使得高寒草甸返青期表層土壤呈干燥化的過程。

15～30 cm土層土壤含水量與土壤平均溫度呈顯著正相關(guān)（P=0.017，r2=0.775，圖4b）。同樣，30～45 cm土層土壤含水量與土壤平均溫度也呈顯著正相關(guān)（P=0.020，r2=0.858，圖4c）。45～60 cm土層土壤含水量與土壤平均溫度呈顯著正相關(guān)（P=0.003，r2=0.871，圖4d）。土壤溫度對45～60 cm深度土壤水分的影響較為顯著，從土壤溫度-0.8 ℃上升到2.2 ℃時，其土壤含水量從10%迅速上升到30%左右，幾乎呈垂直直線上升。由此可知，隨著土壤深度的增加，土壤含水量與土壤平均溫度相關(guān)性與隨之增強。

從土壤溫度與土壤體積含水量回歸方程來看，除15～30 cm處土壤溫度與土壤容積含水量呈指數(shù)相關(guān)，其他各層土壤溫度與土壤含水量呈多項式相關(guān)。

圖4 高寒草甸返青期土壤溫度與土壤水分相關(guān)性（2013）Fig. 4 The correlation of soil temperature and humidity during re-greening period on Alpine Meadow (2013)

3 討論

3.1 返青期氣溫及土壤溫度變化

海北高寒草甸返青期土壤表層0 cm地溫變化趨勢和氣溫一致。此研究結(jié)果與宋春橋等（2012）、Ding et al.（2013）的研究結(jié)論一致：天然高寒草甸土壤溫度主要受太陽輻射的影響。5～120 cm各層土壤溫度在返青早期變化不明顯，不同土壤層間地溫差異也不顯著，均穩(wěn)定于0 ℃左右，最主要的原因可能是在返青早期，土壤沒有完全解凍，土壤環(huán)境處于日消夜凍狀態(tài)，該過程消耗大量熱量，故日光輻射的積累沒有導(dǎo)致土壤溫度的急劇上升。

3.2 返青期土壤水分變化

研究區(qū)域整個返青期土壤平均水分表現(xiàn)為表層17.3%＜中層20.6%＜深層20.9%。一方面是因為返青期隨著土壤溫度的升高，表層土壤自上而下逐漸解凍；另外，返青期降水量少，土壤水分補給不足，再加之表層土壤水分蒸散嚴(yán)重。返青早期研究區(qū)域較深層土壤水分明顯低于表層。以往研究也有相似的結(jié)論，如White et al.（2009）分析北美典型草原遙感數(shù)據(jù)得出的研究結(jié)果：由于降水對底層的直接補給作用弱，深層土壤的含水量相對較低；買小虎等（2014）在河北沽源國家草地生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測站的試驗結(jié)果表明：返青早期表層土壤含水量明顯大于中層和深層。但進入返青后期，由于表層土壤完全解凍，引起底層土壤水分向上運移，各層土壤含水量急劇增加，15 cm以下各層土壤在該階段含水量均穩(wěn)定維持在25%左右。表層土壤解凍過程中自由水的增加有利于多年生牧草無性系分株的萌動生長，該階段土壤水分的增加為多年生牧草初期營養(yǎng)生長階段提供了良好的條件，在一定程度上，緩解了“春旱”對牧草返青期萌動生長的不利影響，而返青期牧草的萌動生長是整個生長季牧草生長的關(guān)鍵期。

3.3 返青期土壤溫度與土壤水分的相關(guān)性

返青期海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的土壤熱量和水分兩者相互影響、相互作用。Shen et al.（2011）、Piao et al.（2011）對青藏高原的研究也表明，土壤中熱量的差異和改變會引起水分遷移和轉(zhuǎn)化；Delbart et al.（2006）的研究也得出結(jié)論，土壤水分通過改變土壤熱特性來影響土壤溫度，土壤水分的流動與空間分配對于土壤熱量的傳輸起著決定作用。其中，高寒草甸表層0～15 cm的土壤含水量與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，此研究結(jié)果與李英年等2004年研究有關(guān)海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)氣候分析的結(jié)論是一致的。海北高寒草甸返青期15～30、30～45、45～60 cm土層土壤含水量與土壤平均溫度均呈顯著正相關(guān)，土壤溫度與水分的動態(tài)變化總趨勢，以及它們之間的相互關(guān)系結(jié)果，與買小虎等（2014）在沽源國家草地生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測站對返青期土壤溫濕度的動態(tài)變化的研究結(jié)果相似。

隨著土壤深度的增加，土壤含水量與土壤平均溫度相關(guān)性隨之增強，其原因可能是，一方面隨著土壤深度的增加，蒸散耗水量相應(yīng)減少；另一方面，隨著環(huán)境溫度的增加，高寒草甸凍土解凍，土壤含水量迅速增加，并且在土壤解凍的過程中較深層土壤水分向表層遷移與集聚（李衛(wèi)朋等，2014）。

然而，海北高寒草甸返青期土壤溫度與水分動態(tài)變化的研究需要長時間序列的觀測數(shù)據(jù)的分析。此外，復(fù)雜的高原下墊面上，低溫、降水等惡劣天氣條件對長時間序列觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性有很大的挑戰(zhàn)，不同觀測點的比較研究也應(yīng)是本研究下一步需要開展的工作。

4 結(jié)論

對海北高寒草甸草原2013年和2014年土壤溫度、水分的測試數(shù)據(jù)進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）表層0 cm地溫受氣溫變化最為顯著，平均值為10.47 ℃，其變化趨勢和氣溫一致，波動劇烈，地表以下5、15、30、60和120 cm土壤各層平均溫度分別為4.11、3.28、1.76、0.80和0.51 ℃；返青早期各層土壤溫度均穩(wěn)定于0 ℃左右，返青中期各層土壤溫度迅速增加，溫度躍變值為6 ℃，返青中后期自上而下不同土壤層的溫度逐漸降低。

（2）整個高寒草甸返青期，表層（0～15 cm）、中層（15～30 cm）和深層（30～60 cm）土壤平均含水量分別為17.3%、20.6%和20.9%，中層和深層土壤水分含量較??；表層土壤含水量波動劇烈，受降雨影響較大，在整個返青期呈逐漸下降趨勢；中層和深層土壤含水量連續(xù)增加，受降雨量影響不明顯，波動范圍小。

（3）高寒草甸0～15 cm的土壤含水量與土壤溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，而15～30、30～45和45～60 cm較深層土壤含水量與土壤平均溫度呈顯著正相關(guān)，隨著土壤深度的增加，其相關(guān)性隨之增加，相關(guān)系數(shù)r2分別達到0.775、0.858、0.871。

致謝：中國國家生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網(wǎng)絡(luò)（CNERN）提供了本研究中的一些數(shù)據(jù)，在此表示致謝！

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Dynamic Change of Soil Temperature and Moisture during Re-greening Period on Alpine Meadow at Haibei Station

GUO Fengqing1, SUN Shuhong1, ZENG Hui2, CONG Peitong3
1. College of Water Conservancy Engineering, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. School of Urban Planning and Design, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055, China; 3. College of Water Conservancy and Civil Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China

It is a key basis to analyze the dynamics of soil moisture and soil temperature and the correlation between them during re-greening period on the Alpine Meadow of the Tibet Plateau, and the work can help to better understood the ecosystem changes on the alpine meadow. The field experiments, combined with the methods such as variance, correlation and regression analysis, were conducted in the Haibei alpine meadow to the eastern Qilian Mountain on the Tibetan Plateau in China to study the dynamic changes of the soil moisture and soil temperature of during re-greening period. The study results indicated that, (1) The average soil temperatures at the ground surface 0 cm, and the underground depths of 5, 15, 30, 60 and 120 cm were 10.47, 4.11, 3.28, 1.76, 0.80 and 0.51 ℃, respectively, during the whole re-greening period on the Haibei alpine meadow; The ground temperature at the surface 0 cm was significantly influenced by the air temperature and the change was obvious. The soil temperatures of different soil layers were around 0 ℃ at the early re-greening phase, all the soil temperatures increased rapidly at the mid-re-greening phase, and then the difference between the soil temperatures from the top to the bottom decreased gradually at the late re-greening phase. (2) The average soil moistures at the surface layer, middle layer and deep layer were 17.3%, 20.6% and 20.9%, respectively; The soil moisture gradient at the middle and deep layers was smaller. The soil moisture at the surface layer was remarkably fluctuated during the whole re-greening period and showed the trend of gradual decline. The soil moisture raised continuously at the middle and deep layers and the fluctuation range was small. And (3) the correlation of the soil moisture and soil temperature at the soil layer 0～15 cm was obviously negative, where the soil moisture was decreased gradually with the soil temperature increased. However, the correlations of them at the soil layers 15～30, 30～45 and 45～60 cm were all remarkably positive, and the correlation coefficient was increased with the soil depth increased. Our study results may provide the reference to better understand the change rules of the alpine meadow ecosystem on the Tibetan Plateau, such as biological diversity, biological processes and characteristics, and hydrological processes on the land, but also they are of great significance to protect the alpine meadow.

alpine meadow; re-greening period; soil temperature; soil moisture

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.03.007

S812.2; X171.1

A

1674-5906（2017）03-0408-07

郭鳳清, 孫書洪, 曾輝, 叢沛桐. 2017. 海北高寒草甸返青期土壤溫度與水分動態(tài)變化[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 26(3): 408-414.

GUO Fengqing, SUN Shuhong, ZENG Hui, CONG Peitong. 2017. Dynamic change of soil temperature and moisture during re-greening period on alpine meadow at Haibei station [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(3): 408-414.

國家重大科技研究計劃項目（2013CB956303）；天津市科技支撐重點項目（14ZCZDNC00001）

郭鳳清（1974年生），女，講師，博士，研究方向為自然地理學(xué)與生態(tài)水文。E-mail:gfqlwr@163.com *通信作者：孫書洪，教授，研究方向為生態(tài)水文。E-mail: hongss63@126.com

2017-02-08