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海南島木麻黃海防林天然更新特征及更新樹種篩選

2020-04-20 11:14楊彬王玉郝清玉
廣西植物 2020年3期
關(guān)鍵詞:海南島

楊彬 王玉 郝清玉

摘 要:天然更新是森林資源再生產(chǎn)的一個重要的生態(tài)學過程,良好的天然更新可促進人工林向近自然林的方向轉(zhuǎn)變。為了解海南木麻黃海防林天然更新現(xiàn)狀和特征,篩選出自然條件下天然更新良好的樹種。該研究在海南島木麻黃海防林內(nèi)共計設(shè)立臨時樣地73塊,樣地總面積為2.51 hm2,采用典型抽樣的調(diào)查方法對海南全島木麻黃海防林天然更新狀況進行系統(tǒng)調(diào)查,應(yīng)用天然更新密度及物種豐富度等指標對干、濕不同氣候區(qū)木麻黃天然更新特征進行比較分析,并應(yīng)用更新密度、更新指數(shù)等指標對天然更新質(zhì)量較好的樹種進行篩選。結(jié)果表明:(1)海南島木麻黃海防林下天然更新質(zhì)量整體不佳,木麻黃自身雖無法實現(xiàn)天然更新,但局部其他樹種天然更新良好,更新良好的比例為15.1%。(2)濕潤區(qū)天然更新豐富度及物種多樣性遠優(yōu)于半干旱區(qū),其中濕潤區(qū)樣地更新樹種為28科、50屬、59種,半干旱區(qū)樣地更新的樹種為6科、6屬、6種。(3)喬木更新情況優(yōu)于灌木。(4)潺槁木姜子、鴉膽子、臺灣相思、欖仁樹等具有較強的天然更新性能,適合與木麻黃混交,可以作為木麻黃海防林的混交樹種或伴生樹種。

關(guān)鍵詞:海防林,天然更新,樹種篩選,木麻黃,海南島

Abstract:Natural regeneration is an important ecological process of forest resource reproduction,and good natural regeneration can promote the transformation of artificial forest to near natural forest. In order to understand the status and characteristics of natural regeneration of Hainan Casuarina equisetifolia coastal windbreaks,and to select the species with good natural regeneration under natural conditions,the natural regeneration status of Hainan C. equisetifolia coastal windbreaks was systematically investigated in this study by typical sampling method,and the natural regeneration characteristics of C. equisetifolia in different dry and wet climate zones were compared and analyzed by using the indexes of natural regeneration density and species richness; the tree species with better natural regeneration quality were screened by regeneration density and regeneration index. A total of 73 temporary quadrats were set,with the total sample areas of 2.51 hm2. The results were as follows:(1) The overall quality of natural regeneration in C. equisetifolia costal windbreaks was not good,and C. equisetifolia could not achieve the natural regeneration by itself,but the natural regeneration of some other species was good in local area,and the percentage of good regeneration was 15.1%. (2) The natural regeneration richness and diversity in the wet zone were much better than that in the semiarid zone,in which there were 28 families,50 genera and 59 regeneration tree species in the wet zone; there were only 6 families,6 genera and 6 regeneration tree species in semiarid zone. (3) The regeneration of trees was better than that of shrubs. (4) Litsea glutinosa,Brucea javanica ,Acacia confusa,Terminalia catappa,et al. were found to have stronger natural regeneration capability,therefore,they were suitable for mixing plantation with Casuarina equisetifolia and could be used as mixed tree species or associated tree species of C. equisetifolia costal windbreaks.

Key words:coastal windbreak,natural regeneration,tree species selection,Casuarina equisetifolia,Hainan Island

海南島位于我國南海北部,具有1 528 km的海岸線,其中宜林海岸線長達1 105 km,約占總海岸線長的72.03%。為防止臺風及熱帶風暴導致沿海沙丘內(nèi)移造成的經(jīng)濟損失,結(jié)合木麻黃(Casuarina equisetifolia)喜光、喜炎熱氣候、喜鈣鎂、耐鹽堿、耐貧瘠土壤、耐干旱、耐潮濕等生物學特性,海南省自20世紀50年代起,開始有計劃地構(gòu)筑以木麻黃為主的沿海防護林。木麻黃生長迅速,抗風力強,不怕沙埋,經(jīng)過多年的栽培,顯現(xiàn)出相當好的地域適應(yīng)性及抗風沙能力(劉強和張亞輝,2002;Chen et al.,2018),已成為我國南方濱海防風固沙的優(yōu)良樹種。至20世紀80年代,涉及沿海12市縣73鄉(xiāng)鎮(zhèn)的全島防護林基本合攏(胡小嬋和溫春生,2009),成林面積5.6萬hm2,全島風沙危害問題基本得到解決。目前,海南島人工海防林中,除了少量的木麻黃椰子混交林、木麻黃相思混交林、椰子林等以外,其余皆為木麻黃純林。但是,木麻黃純林還存在著諸多問題。例如:樹種單一、結(jié)構(gòu)簡單、林分質(zhì)量差、破壞較為嚴重(韓奉疇,2006)以及天然更新困難(張水松等,2000);重新營造木麻黃林時,幼苗成活率降低,生長不良,甚至有的防護林多次更新未獲成功(鄭達賢和沙濟琴,1994);木麻黃防護林存在濱海沙土肥力低下,天然植被稀少(譚芳林等,2003)等問題。

森林更新是指以自然力或人為力重新形成森林的過程,天然更新是森林更新的重要方式,也是森林資源再生產(chǎn)的一個重要手段。與傳統(tǒng)的人工育林方式相比,天然更新具有育林成本低、成林周期短、對空間和地力的利用率高、環(huán)境穩(wěn)定、生態(tài)平衡、幼樹抗性、保存性高、保持水土、提高地力等優(yōu)勢(薄永安和蘆秀珍,1991;劉濟明,2000),是實現(xiàn)森林恢復的重要途經(jīng)(Chazdon & Guariguata,2016)。近年來,我國沿海各省,陸續(xù)對木麻黃海防林更新技術(shù)展開研究,在分析更新障礙因子的基礎(chǔ)上,提出混交造林、良種選育和加強凋落物保護等措施,為木麻黃海防林的改造更新積累了經(jīng)驗(姚寶琪,2011)。陳雪峰(1996)的研究發(fā)現(xiàn),營造混交海防林不僅可以充分利用空間和營養(yǎng)面積,改善立地條件,提高林產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量,較好地發(fā)揮防護效益,而且還可以增強抗御自然災害的能力。有研究表明,采用多樹種進行混交造林,可以增加樹種多樣性,形成不同層次的空間結(jié)構(gòu),增加物種的遺傳多樣性,促進土壤養(yǎng)分循環(huán),改善林帶氣候條件等(劉凱昌和葉渭賢,2001;Liu et al.,2015)。雖然營造混交林重要,但是如何營造能進行天然更新的混交林更為重要,因為天然更新是促進純林向混交林方向轉(zhuǎn)變的有效途徑,是將人工林改造成近自然林的重要環(huán)節(jié)。

對木麻黃海防林的研究雖然有很多,但主要集中在木麻黃生理生化、化感及自身特性上,關(guān)于大面積海防林天然更新情況的研究尚未見有報道。海南島木麻黃海防林面積大、分布廣、營造時間長、氣候區(qū)多樣,天然更新可能存在較大的變數(shù),因此有必要揭示木麻黃海防林天然更新的狀況。本研究擬采用典型抽樣調(diào)查方法對木麻黃海防林進行調(diào)查,了解不同氣候區(qū)木麻黃海防林天然更新現(xiàn)狀及特征,分析木麻黃天然更新中存在的問題,篩選自然條件下優(yōu)良的天然更新樹種,為進一步改善木麻黃林分結(jié)構(gòu),篩選出優(yōu)良的混交樹種,優(yōu)化木麻黃經(jīng)營策略等提供科學依據(jù),同時也為進一步探究影響木麻黃海防林天然更新的障礙因子提供理論基礎(chǔ)。

1 研究地區(qū)概況

研究地區(qū)為海南島木麻黃沿海防護林,位于中國最南端,地處108°37′—111°03′E、18°10′— 20°10′N,陸地總面積為3.5 萬 km2。屬于熱帶季風氣候,各地的年平均氣溫為23.1~26.3 ℃ ,各地溫差不大,氣溫分布較為均勻,東西區(qū)域干濕度差異較大。車秀芬等(2014)的研究表明,以干燥指數(shù)為主要指標、降水量為輔助指標,可以將海南島分為三個干濕區(qū),即濕潤、半濕潤和半干旱區(qū)。結(jié)合天然更新的實際情況,本研究將全島分為濕潤區(qū)(濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)合并)與半干旱區(qū)。其中:半干旱區(qū)年干燥指數(shù)大于 1.5,年降水量小于1 000 mm;濕潤區(qū)年干燥指數(shù)小于 1.5,年降水量大于1 000 mm。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法與樣地選擇

2017年9月至2018年5月,采用典型抽樣調(diào)查方法,對海南島沿海12市縣木麻黃海防林進行了調(diào)查。樣方數(shù)量共計73塊,樣地面積選擇因林地形狀及大小而定(表1)。樣地的選擇首先是通過Google衛(wèi)星高清地圖確定木麻黃林分布區(qū)的位置,然后對各分布區(qū)進行大面積現(xiàn)場踏查,選擇具有代表性的區(qū)域設(shè)立臨時樣地。每個分布區(qū)至少設(shè)立一塊樣地,樣地數(shù)量視分布區(qū)面積及天然更新狀況而定,對于有天然更新的區(qū)域多設(shè)置 2~3 塊樣地,并優(yōu)先選擇天然更新良好的區(qū)域設(shè)立樣地,對于無天然更新的區(qū)域,一般只設(shè)立 1~2 塊樣地。海南島干濕區(qū)及調(diào)查樣地分布情況如圖1所示,其中半干旱區(qū)為東方市西部沿海小部分地區(qū)及昌江南部沿海,其他地區(qū)為濕潤區(qū)。

樣地調(diào)查內(nèi)容包括木麻黃成樹每木調(diào)查、天然更新調(diào)查、環(huán)境生態(tài)因子、草本調(diào)查、凋落物調(diào)查等,主要記錄喬木種名、株數(shù)、胸徑、樹高和幼苗、幼樹種名、株數(shù)、株高以及喬木層郁閉度、林下光照度、草本的蓋度和組成、凋落物厚度等。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

(1)木麻黃林齡劃分的方法:根據(jù)《森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查技術(shù)規(guī)程(GB/T 26424-2010)》,南方木麻黃人工林可以劃分為5個齡級,即幼齡林(≤5 a)、中齡林(6~10 a)、近熟林(11~15 a)、成熟林(16~25 a)和過熟林(≥26 a)。本調(diào)查在結(jié)合更新情況后將中齡林和近熟林合并為中林齡。調(diào)查樣地的齡級是基于對木麻黃海防林附近村民的走訪調(diào)查,結(jié)合樣地平均胸徑、生長狀況確定的。由于木麻黃幼齡林數(shù)量較少,且無天然更新,因此沒有設(shè)置調(diào)查樣地。

(2)天然更新幼苗、幼樹及成樹的劃分標準:天然更新幼苗、幼樹及成樹的劃分標準如表2所示,H表示株高(m),DBH表示胸高直徑(cm)。下同。

(3)天然更新質(zhì)量標準:采用國家林業(yè)局2014年頒布的《森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》中的天然更新質(zhì)量標準判斷更新質(zhì)量(表3)。

對同時具有不同高度級幼苗、幼樹的樣地,參照表2將各高度級的幼苗、幼樹折算為Ⅰ級幼苗的數(shù)量,以此來判定樣地的天然更新質(zhì)量。其中,折算后的Ⅰ級幼苗密度=Ⅰ級幼苗密度+Ⅱ級幼苗密度×1.667(5 000/3 000)+Ⅲ級幼樹密度×2(5 000/2 500)。

(4)天然更新樹種生長型劃分標準(周劉麗等,2015):株高10 m 以上為喬木,6~10 m 為小喬木,5 m 以下為灌木。

(5)更新指數(shù)(連相汝,2014):R=∑nI×2I(1)式中:I為Ⅰ~Ⅳ四級幼苗、幼樹等級;nI為第I 級株數(shù);R為更新指數(shù)。

(6)Margalef 豐富度指數(shù)(黎燕瓊等,2011):SR=(S-1)/lnN(2)式中:SR為Margalef 豐富度指數(shù);S 為物種豐度;N 為各物種個體總數(shù)。

(7)Min-max標準化(Min-max normalization):x=(x-min)/(max-min)(3)式中:x為標準化后數(shù)據(jù);x為待標準化數(shù)據(jù);min與max分別為數(shù)據(jù)中的最小值與最大值。

(8)光照度:首先采用 ST-80C 照度計測量,沿樣地對角線等間距測量5個點;然后計算其平均值。采用 Microsoft Excel 2016 及 SPSS 16.0 等軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 木麻黃海防林林分狀況

全島木麻黃海防林平均密度為1 451.55株·hm2,其中半干旱區(qū)為1 733.93株·hm2、濕潤區(qū)為1 380.95株·hm2 ,整體上看半干旱區(qū)的密度要高于濕潤區(qū)。兩個區(qū)的中齡林密度均大于成過熟林,其中半干旱區(qū)和濕潤區(qū)的中齡林和成熟林的平均密度分別為半干旱區(qū)4 000.00株·hm2和1 559.62株·hm2 ,濕潤區(qū)2 060.94株·hm2和1 108.96株·hm2。木麻黃平均胸徑為 11.92 cm,平均樹高為14.30 m。干、濕兩區(qū)木麻黃平均胸徑及樹高均無顯著性差異(Sig.=0.653和0.417>0.05)。木麻黃林平均郁閉度為0.70,平均光照度為17 067 lx,凋落物平均厚度為3.99 cm,且干、濕區(qū)凋落物厚度無顯著性差異(Sig.=0.10>0.05)。半干旱區(qū)約有7%的樣地內(nèi)有草本,平均草本蓋度1.40%,主要的草本組成包括土牛膝(Achyranthes aspera)、黃細心(Boerhavia diffusa)、牛筋草(Eleusine indica)等。濕潤區(qū)中約有41%的樣地中存在草本,平均草本蓋度為19.50%,物種主要組成為土牛膝(Achyranthes aspera)、鬼針草(Bidens pilosa)、飛機(Eupatorium odoratum)、寬葉十萬錯(Asystasia gangetica)等。

3.2 海南島木麻黃海防林天然更新質(zhì)量

調(diào)查樣地中,無天然更新的樣地面積為0.74 hm2(占29.48%),有天然更新的樣地面積為1.77 hm2(占70.52%)(表5)。天然更新總密度為1 323.74株·hm2,其中Ⅲ級幼樹最多(為824.32株·hm2),Ⅳ級幼樹最少(為52.97株·hm2)。66.14%的樣地為無更新或更新不良,其中29.48%的樣地為無天然更新,更新中等以上的樣地占33.87%,更新良好的樣地占15.14%。

對比干、濕兩區(qū),半干旱區(qū)內(nèi)有60.00%的樣地無天然更新,濕潤區(qū)只有24.54%,半干旱區(qū)其他更新質(zhì)量等級的占比均小于濕潤區(qū),半干旱區(qū)各更新質(zhì)量的各級幼苗、幼樹密度均低于濕潤區(qū),濕潤區(qū)的更新指數(shù)(R)遠大于半干旱區(qū)。此外,在15.14%的良好更新樣地中,濕潤區(qū)占14.74%,半干旱區(qū)僅占0.40%;在18.73%的中等更新樣地中,濕潤區(qū)占18.33%,半干旱區(qū)僅占0.40%。從更新數(shù)量的角度來看,可以判定濕潤區(qū)的更新情況要明顯好于半干旱區(qū)。

從更新的生長型來看,木麻黃海防林天然更新的主要生長型為喬木(表6),更新密度為742.58株·hm2,遠高于小喬木256.51株·hm2和灌木324.66株·hm2。此外,喬木成樹的更新數(shù)量為78.20株·hm2,分別高于小喬木10.96株·hm2和灌木0.68株·hm2。從更新結(jié)構(gòu)來看,喬木的各更新級密度呈W型結(jié)構(gòu),Ⅰ、Ⅲ級密度高,Ⅱ、V級密度低;小喬木和灌木均呈倒V型結(jié)構(gòu),僅Ⅲ級幼樹密度高,因此喬木更新結(jié)構(gòu)相對較為合理,基本可以維持一個相對穩(wěn)定的更新動態(tài)。這一現(xiàn)象在半干旱區(qū)表現(xiàn)得更為明顯,小喬木總計更新密度為 253.75株·hm2,其中251.79株·hm2都為Ⅲ級幼樹,占比為99.23%。此外,除半干旱區(qū)小喬木的Ⅲ級幼樹外,其他生長型幾乎沒有更新。在濕潤區(qū),不同生長型各更新級的結(jié)構(gòu)基本上與全島的相同,即喬木呈W型,小喬木和灌木均呈倒V型。這表明濕潤區(qū)喬木的更新結(jié)構(gòu)相對較為合理,更新結(jié)構(gòu)遠好于小喬木和灌木。

3.3 木麻黃海防林天然更新物種豐富度

全島調(diào)查樣地共有天然更新植物29科、50屬、60種,Margalef 豐富度指數(shù)達7.295 1,其中喬木的豐富度指數(shù)最高(為3.030 8),灌木次之(為2.909 9),小喬木最少(為2.349 2)(表7)。更新密度最大的兩物種分別為潺槁木姜子(Litsea glutinosa)和臺灣相思(Acacia confuse),二者均為喬木,合計密度為706.02株·hm2,占更新總密度的46.87%。露兜簕(Pandanus tectorius)和鴉膽子(Brucea javanica)的更新密度次之,分別占總更新密度的7.84%和7.44%,二者均為小喬木,合計密度為333.04株·hm2。灌木的更新密度較其他生長型更少。

半干旱區(qū)樣地天然更新的樹種有6種,其中有1種為半干旱區(qū)獨有,半干旱區(qū)的Margalef 豐富度指數(shù)為1.271 7;濕潤區(qū)樣地天然更新樹種有59種,其中有54種為濕潤區(qū)獨有更新樹種,Margalef 豐富度指數(shù)高達7.185 5??梢?,濕潤區(qū)天然更新的豐富度要遠好于半干旱區(qū)。

在半干旱區(qū)中,主要的天然更新樹種為露兜簕和鴉膽子,二者皆為小喬木,屬于濕潤區(qū)更新數(shù)量前五的樹種;在濕潤區(qū)樣地中,潺槁木姜子與臺灣相思天然更新的數(shù)量最多,達706.02株·hm2,占濕潤區(qū)更新的47.61%,但在半干旱區(qū)密度為0;欖仁樹(Terminaliacatappa)、刺籬木(Flacourtia indica)和基及樹(Carmona microphylla)是半干旱區(qū)前五更新樹種,在濕潤區(qū)內(nèi)也有少量分布。此外,從生長型分類可以發(fā)現(xiàn),半干旱區(qū)更新樹種以小喬木及灌木為主,濕潤區(qū)更新樹種主要為喬木與小喬木(表8)。

4 討論與結(jié)論

4.1 海南島木麻黃海防林總體天然更新質(zhì)量不佳,局部更新良好

本研究在全島木麻黃海防林調(diào)查樣地中,大多數(shù)樣地無天然更新或更新不良,僅有15.14%的樣地面積更新質(zhì)量達到良好,表明木麻黃海防林總體上更新質(zhì)量不佳,這與張水松等(2000)對福建省東山縣的木麻黃林調(diào)查結(jié)果相一致,但木麻黃林局部還是可以實現(xiàn)天然更新的,遺憾的是沒有發(fā)現(xiàn)木麻黃樹種自身天然更新的跡象??紤]到此次調(diào)查的結(jié)果是基于在有更新區(qū)設(shè)置的樣地數(shù)量多于無更新區(qū),因而海南島木麻黃實際更新情況比本調(diào)查結(jié)果還要差。盡管木麻黃局部天然更新良好的比例十分有限,但是若能對天然更新良好的木麻黃林實施保護及必要的管理,這些局部天然更新良好的木麻黃人工林就完全可以實現(xiàn)向近自然林方向的轉(zhuǎn)變。此外,在25 100 m2調(diào)查樣地中共發(fā)現(xiàn)天然更新的樹種為60種,與海南尖峰嶺南崖林場2 700 m2杉木天然更新的131種和2 700 m2馬占相思的62種(彭文成等,2015)相比,單位面積木麻黃海防林天然更新的樹種豐富度顯然不夠理想,考慮到木麻黃海防林天然更新的困難程度及不利的沿海立地條件,60種能在木麻黃林海防實現(xiàn)天然更新是極為寶貴的。

4.2 氣候條件對木麻黃海防林天然更新影響明顯

本研究中,從更新數(shù)量來看,海南島濕潤區(qū)天然更新的平均密度遠高于半干旱區(qū),濕潤區(qū)更新良好的樣地也多于半干旱區(qū),半干旱區(qū)大多數(shù)的樣地無天然更新,濕潤區(qū)僅有小部分無天然更新。在更新物種豐富度方面,無論是物種豐富度還是Margalef 豐富度指數(shù),濕潤區(qū)都遠大于半干旱區(qū),濕潤區(qū)與半干旱區(qū)的物種豐富度相差近10倍。從生長型來看,半干旱區(qū)各生長型的樹種數(shù)相當,濕潤區(qū)喬木數(shù)略高。從密度較高的前五個樹種來看,半干旱區(qū)小喬木為主要更新樹種,密度最高,灌木次之;濕潤區(qū)喬木為主要更新樹種,小喬木次之。不同氣候區(qū),更新樹種生長型的差異性,即半干旱區(qū)更適合小喬木更新,而濕潤區(qū)則更適應(yīng)喬木生長型更新,說明干、濕氣候區(qū)對更新物種的選擇具有重要作用。綜上所述,海南島濕潤區(qū)的木麻黃林天然更新狀況要遠優(yōu)于半干旱區(qū),且不同氣候區(qū)適應(yīng)天然更新的生長型也有所不同。

4.3 潺槁木姜子、鴉膽子等樹種天然更新能力強,適合與木麻黃混交

本研究調(diào)查發(fā)現(xiàn),濕潤區(qū)有兩個天然更新密度較大的樹種,分別為潺槁木姜子(喬木)和臺灣相思(喬木),標準化密度均在0.80 以上,位列前五的其他樹種依次為苦楝(喬木)、鴉膽子(小喬木)和露兜簕(小喬木),標準化密度均小于0.30。半干旱區(qū)更新密度較大的兩個樹種分別是露兜簕(小喬木)和鴉膽子(小喬木),標準化密度分別為1.00和0.30,位列前五的其他樹種依次是欖仁樹(喬木)、刺籬木(灌木)、基及樹(灌木),標準化密度均小于0.10。從理論上來說,干、濕區(qū)各位列前

五的樹種均具備作為木麻黃混交樹種的潛力。鑒于氣候區(qū)對生長型和更新樹種具有選擇性,可初步篩選標準化密度在0.30以上的樹種作為木麻黃混交林的適宜樹種。其中:濕潤區(qū)為潺槁木姜子和臺灣相思,均為喬木生長型;半干旱區(qū)為露兜簕和鴉膽子,均為小喬木生長型。此外,由于露兜簕和鴉膽子在干、濕區(qū)的密度均排在前五,因此這兩個樹種可作為濕潤區(qū)木麻黃混交林的伴生樹種。上述天然更新標準化密度小于0.30的其他樹種是否適合作為木麻黃海防林的混交樹種尚需進行深入調(diào)查研究。

本研究調(diào)查發(fā)現(xiàn),潺槁木姜子和鴉膽子雖然天然更新能力較強,但目前尚未被納入海南島海防林造林的樹種。臺灣相思、苦楝、欖仁樹等樹種雖然是人工造林樹種,但由于對其天然更新性能認識不足,這些樹種與木麻黃混交的造林面積還非常有限,尤其是苦楝和欖仁樹僅見零星分布。鑒于潺槁木姜子、鴉膽子、臺灣相思、苦楝和欖仁樹等具有在木麻黃林下實現(xiàn)天然更新的潛力,建議今后加大這些樹種與木麻黃混交的力度?;谠谀韭辄S海防林中具有較強天然更新性能來篩選樹種,并將其與木麻黃混交,會顯著提高該混交林將來實現(xiàn)天然更新的潛力,逐步實現(xiàn)人工海防林向近自然林方向的轉(zhuǎn)變。

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(責任編輯 蔣巧媛)

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