基于GIS的長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)森林景觀格局分析與優(yōu)化

孫擁康　湯景明*　全永壽　林孝培

（1湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北武漢430075；2長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)，湖北建始445300）

基于GIS的長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)森林景觀格局分析與優(yōu)化

孫擁康1湯景明1*全永壽2林孝培2

（1湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北武漢430075；2長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)，湖北建始445300）

以建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基本材料，在GIS技術(shù)支持下，從森林景觀格局總體特征、景觀斑塊異質(zhì)性和景觀水平異質(zhì)性3個(gè)層次對(duì)該林場(chǎng)森林景觀格局特征進(jìn)行定量化分析。結(jié)果表明：其森林景觀存在分布極不均衡、未利用林地斑塊數(shù)量多、受干擾及破碎化程度高、生態(tài)功能及效益得不到有效發(fā)揮等問題。對(duì)此，有針對(duì)性地提出了森林景觀格局優(yōu)化建議，指出了森林景觀格局優(yōu)化方向。研究結(jié)果從景觀尺度為建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供了科學(xué)依據(jù)。

森林景觀格局；景觀異質(zhì)性；景觀破碎化；景觀格局優(yōu)化；長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)

森林景觀格局是指性質(zhì)、大小及形狀各異的森林景觀要素在空間上的分布和組合特征，是當(dāng)今森林景觀生態(tài)學(xué)研究的核心［1］。它是在一定的自然條件和人類活動(dòng)綜合作用下，森林景觀異質(zhì)性在空間上的具體表現(xiàn)［2］。對(duì)其進(jìn)行定性、定量的描述和分析，有助于揭示景觀結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系、發(fā)現(xiàn)景觀內(nèi)部潛在的、有意義的變化規(guī)律和形成機(jī)制，是進(jìn)一步開展景觀評(píng)價(jià)、優(yōu)化利用和保護(hù)、景觀恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展等的重要基礎(chǔ)和基本途徑［3-5］。近年來，隨著GIS等信息技術(shù)手段的快速發(fā)展，將現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于區(qū)域森林景觀格局定量研究中，使得這一領(lǐng)域的研究開始變得更加深入［6-10］。

目前，我國(guó)對(duì)森林景觀格局的研究相對(duì)成熟，主要集中在對(duì)森林景觀格局特征、景觀格局動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)力、景觀格局尺度效應(yīng)等方面，這些研究對(duì)我國(guó)森林景觀格局定量化研究具有積極的推動(dòng)作用，為我國(guó)森林景觀格局定量指標(biāo)的建立、完善、測(cè)量及統(tǒng)計(jì)等提供了重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐［11-12］。建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)森林資源豐富，是我國(guó)南方重要的速生豐產(chǎn)林基地，在鄂西山區(qū)占據(jù)著重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)地位。雖然已有大量文獻(xiàn)從該場(chǎng)小尺度的林分水平開展相關(guān)林業(yè)科學(xué)研究，但從中、大尺度的景觀水平開展的研究還較少涉及。本文研究以建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)森林資源為研究對(duì)象，運(yùn)用景觀格局分析軟件和GIS技術(shù)相結(jié)合的方法，從森林景觀格局總體特征、景觀斑塊異質(zhì)性和景觀水平異質(zhì)性3個(gè)方面出發(fā)，對(duì)全場(chǎng)森林景觀格局進(jìn)行了量化分析，并針對(duì)性的提出全場(chǎng)森林景觀格局優(yōu)化建議，以期為區(qū)域合理配置景觀結(jié)構(gòu)、科學(xué)規(guī)劃經(jīng)營(yíng)方案、最大限度發(fā)揮森林綜合效益，實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)，地處鄂西山區(qū)巫山余脈南端，林場(chǎng)中心位置地理坐標(biāo)為30°48′N、110°03′E，海拔高度1 600～1 900m，平均坡度25°；屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，林場(chǎng)年均氣溫11.7℃，極端最高氣溫29℃，極端最低氣溫-17.2℃，無霜期203d；年降水量1 884.3mm，年蒸發(fā)量933.3mm，相對(duì)濕度85%；年日照時(shí)數(shù)1 533h；土壤主要為山地黃壤、黃棕壤，成土母質(zhì)主要為石灰?guī)r、硅質(zhì)頁巖等，土壤平均厚度為80cm左右，pH值5.6～6.5，呈酸性，有機(jī)質(zhì)含量豐富，但氮磷含量較低。林場(chǎng)內(nèi)森林植被豐富，除日本落葉松外，主要鄉(xiāng)土喬木樹種有檫木、漆樹、鵝掌揪、光皮樺、錐栗等［13］。

2　材料與方法

2.1數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理以建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)2009年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源。在Arcgis10.0平臺(tái)支持下，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理及各矢量圖層的疊加，構(gòu)建了研究區(qū)具有小班屬性的數(shù)字化森林景觀復(fù)合圖層。該復(fù)合圖層屬性表數(shù)據(jù)包括編號(hào)、林班號(hào)、小班號(hào)、小班面積、林種、地類、立地類型、起源、優(yōu)勢(shì)樹種、樹種組成、年齡、齡組、郁閉度、經(jīng)營(yíng)類型、土壤類型、土壤厚度、腐殖質(zhì)厚度、海拔、坡度、坡向、坡位、權(quán)屬、每公頃株數(shù)、每公頃蓄積、小班蓄積等30余個(gè)屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)。

2.2森林景觀類型劃分為從不同層次上全面客觀地反映建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)森林景觀格局特征，本文根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，在遵循植被分布規(guī)律和分類結(jié)果不至于過分破碎原則基礎(chǔ)上，兼顧森林景觀外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異，按照地類因子、植被因子及地形因子相結(jié)合的3級(jí)分類方法，將研究區(qū)森林景觀劃分為松類、杉類、速闊類、針針混交類、針闊混交類、闊葉混交類、無林地類共7類景觀類型，全場(chǎng)森林景觀要素類型分布見圖1。

圖1　森林景觀要素類型空間分布示意

2.3景觀格局指數(shù)選擇景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局的信息，是反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征的定量指標(biāo)，因此，選擇出相關(guān)性較小且生態(tài)學(xué)意義明確的景觀指數(shù)顯得非常重要［14］。本文綜合考慮不同指標(biāo)特點(diǎn)、研究目的及研究?jī)?nèi)容等，主要從3方面對(duì)研究區(qū)景觀格局進(jìn)行了描述：（1）景觀類型特征分析指標(biāo)：斑塊個(gè)數(shù)（NP）、斑塊面積（CA）、面積百分比（PLAND）、平均面積（MPS）、斑塊形狀指數(shù)（PSI）；（2）景觀斑塊類型水平異質(zhì)性指標(biāo)：斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）；（3）景觀水平異質(zhì)性指標(biāo)：蔓延度（CONTAG）、相似鄰近百分比（PLADJ）、散布與并列指數(shù)（IJI）、多樣性指數(shù)（SHDI）、均勻度指數(shù)（SHEI）。

3　景觀格局定量分析結(jié)果

3.1景觀格局總體特征從表1可以看出，建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)7類森林景觀要素類型，共有斑塊數(shù)146個(gè)，總斑塊面積為1 095.37hm2，平均斑塊面積為7.50hm2。其中，松類景觀斑塊個(gè)數(shù)和斑塊面積均最大，分別為99個(gè)和658.96hm2，約占全場(chǎng)總森林景觀面積的60.16%，但其平均斑塊面積和形狀指數(shù)相對(duì)較小，分別為6.66hm2和2.72，說明松類景觀在全場(chǎng)森林景觀組分中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，為研究區(qū)的基質(zhì)景觀類型，對(duì)研究區(qū)整體景觀結(jié)構(gòu)、功能及動(dòng)態(tài)過程起著主導(dǎo)作用，但其斑塊形狀簡(jiǎn)單，受干擾程度和破碎化程度較大；杉類景觀和針針混交林景觀斑塊個(gè)數(shù)分別為14個(gè)、7個(gè)，面積分別為168.02hm2、95.10hm2，兩者共占全場(chǎng)總森林景觀面積的24.02%，說明該兩類景觀也是研究區(qū)森林景觀的重要組成部分，對(duì)維持全區(qū)森林景觀多樣性和穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用；其他森林景觀類型面積相對(duì)較小，但形狀指數(shù)相對(duì)較大，特別是闊葉混交林，形狀指數(shù)最大，為3.74，說明這些景觀類型斑塊形狀及空間分布相對(duì)較復(fù)雜，受干擾程度相對(duì)較小。此外，無林地景觀斑塊個(gè)數(shù)為17個(gè)，斑塊面積為131.79hm2，從面積上看僅次于松類和杉類景觀的景觀類型，無林地景觀相對(duì)較多，在為各類型森林景觀提供必要的生態(tài)廊道和基質(zhì)的同時(shí)，也極大增大了各類型森林景觀受干擾及分布不均衡的風(fēng)險(xiǎn)，是造成研究區(qū)森林景觀異質(zhì)性和破碎化的重要原因之一。

表1　景觀要素類型特征指數(shù)

3.2景觀斑塊異質(zhì)性分析景觀斑塊異質(zhì)性反應(yīng)了不同景觀要素斑塊之間的空間關(guān)系特征，斑塊密度和邊緣密度是描述景觀斑塊異質(zhì)性的常用指標(biāo)［15］。斑塊密度常用來反應(yīng)景觀整體的分化程度，邊緣密度則常用來反應(yīng)景觀整體的復(fù)雜程度。由表2可以看出，研究區(qū)各森林景觀斑塊密度和邊緣密度差異性明顯：斑塊密度以松類景觀最大，達(dá)9.04塊/km2，無林地、杉類、針針混交林、速闊類景觀斑塊密度次之，均大于0.50塊/km2，針闊混交林、闊葉混交林類景觀斑塊密度則較小。說明研究區(qū)森林景觀異質(zhì)性顯著，斑塊分化程度較高，特別是松類景觀受經(jīng)營(yíng)、采伐等人為干擾因素的影響，斑塊較分散，斑塊破碎化程度較高；邊緣密度與斑塊密度基本呈現(xiàn)相一致的結(jié)果，以松類景觀最大，達(dá)17.26m/hm2，闊葉混交林類景觀最小，為0.01m/hm2，說明松類景觀作為研究區(qū)基質(zhì)景觀類型，主導(dǎo)著斑塊與環(huán)境、斑塊與斑塊之間物質(zhì)、能量等信息交換的同時(shí)，森林景觀類型單位面積上的周長(zhǎng)值大，斑塊邊緣被分割程度較高，而闊葉混交林類景觀則相反，斑塊面積和周長(zhǎng)均較小，邊緣密度低，斑塊相對(duì)較集中，類型保存較完整，邊緣密度也間接反映了景觀斑塊的破碎化程度。

表2　景觀斑塊異質(zhì)性指數(shù)

3.3景觀水平異質(zhì)性分析景觀水平異質(zhì)性分析有助于更好的認(rèn)識(shí)區(qū)域景觀格局的空間特征［16］。本文從景觀水平上，共選取蔓延度、相鄰與鄰近百分比、散布與并列指數(shù)、多樣性指數(shù)及均勻度指數(shù)5個(gè)景觀指數(shù)來表征全場(chǎng)森林景觀異質(zhì)性。由表3可知，全場(chǎng)森林景觀要素類型蔓延度指數(shù)較高，為72.54，蔓延度反映了景觀中不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)，蔓延度高說明全場(chǎng)森林景觀主要由少數(shù)大斑塊類型團(tuán)聚組成，并且具有較好的連接性；全場(chǎng)森林景觀要素類型相似鄰近百分比指數(shù)及散布與并列指數(shù)也較高，分別為87.53%和57.43%，相似鄰近百分比指數(shù)反映了區(qū)域斑塊的聚集程度，散布與并列指數(shù)反映了全場(chǎng)森林景觀分散與相互混雜程度，兩者值均較高，說明全場(chǎng)森林景觀斑塊相對(duì)較集中，分散程度較小，且各景觀斑塊類型鄰接程度較大；全場(chǎng)森林景觀要素類型多樣性指數(shù)較大，為1.21，而均勻度指數(shù)較小，為0.39，景觀多樣性和均勻度指數(shù)是反應(yīng)、評(píng)價(jià)景觀異質(zhì)性和分布狀況的重要指標(biāo)，景觀多樣性指數(shù)大，說明全場(chǎng)整體景觀水平多樣性較高，景觀組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜；而景觀均勻度指數(shù)小，說明全場(chǎng)森林景觀斑塊類型分布不均衡，景觀主要受一種或少數(shù)幾種優(yōu)勢(shì)斑塊類型所支配，結(jié)合全場(chǎng)景觀格局總體特征分析結(jié)果，優(yōu)勢(shì)景觀斑塊為松類景觀和杉類景觀。

表3　景觀水平異質(zhì)性指數(shù)

4　景觀格局優(yōu)化建議

景觀格局優(yōu)化目標(biāo)是調(diào)整優(yōu)化景觀組分、斑塊的數(shù)量和空間分布格局，使各組分之間達(dá)到和諧、有序，以改善受脅受損的生態(tài)功能，提高景觀總體生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展［17］。根據(jù)上述分析可知，建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)整體森林景觀還存在分布極不均衡、未利用林地斑塊數(shù)量多、受干擾及破碎化程度高、生態(tài)功能及效益得不到有效發(fā)揮等問題，本文從研究區(qū)實(shí)際出發(fā)，針對(duì)現(xiàn)狀問題提出如下景觀格局優(yōu)化建議。

4.1立足區(qū)域定位，科學(xué)系統(tǒng)規(guī)劃景觀格局區(qū)域定位是開展景觀格局優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提。建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)地處鄂西山區(qū)巫山余脈南端，不僅是我國(guó)南方重要的速生豐產(chǎn)林基地，同時(shí)，該區(qū)也是我國(guó)典型的生態(tài)脆弱區(qū)，在維護(hù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展及生態(tài)安全等方面占據(jù)著重要地位。因此，開展景觀格局優(yōu)化必須建立在對(duì)全場(chǎng)整體景觀格局、功能及過程的深入理解基礎(chǔ)上，通過科學(xué)、系統(tǒng)地景觀格局規(guī)劃，將其作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分析過程，綜合考慮景觀格局優(yōu)化的整體生態(tài)功能優(yōu)先、多目標(biāo)、多功能、尺度適宜性、結(jié)構(gòu)合理及平衡性等原則，建立整體優(yōu)化目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各種景觀類型在空間和數(shù)量上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)森林景觀格局整體最優(yōu)化和生態(tài)綜合價(jià)值的最大化［18-20］。

4.2遵循自然生境條件，合理配置植物群落建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)地形屬中高山區(qū)，地勢(shì)起伏多變，環(huán)境復(fù)雜，在進(jìn)行全場(chǎng)森林景觀格局優(yōu)化時(shí)不能只注重形態(tài)優(yōu)美、視覺豐富，更應(yīng)遵循山區(qū)地形和自然生境條件的特殊性和復(fù)雜性，注重與山地地形地貌、氣候、土壤、水文等外界因素的聯(lián)系，詳細(xì)凋查和記錄好場(chǎng)區(qū)每個(gè)山位的植物群落類型、土壤狀況、坡度和坡向等自然生境因子，為以后的優(yōu)化配置提供科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時(shí)，植物群落的景觀格局配置和優(yōu)化是隨著符合特定植物生境條件而定的，是以生態(tài)學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)為基礎(chǔ)的擬自然處理手法，在選擇和配置植物群落時(shí)應(yīng)結(jié)合外界生態(tài)因素，注重從植物群落整體完整性、結(jié)構(gòu)異質(zhì)性、功能連續(xù)性、內(nèi)部穩(wěn)定性以及環(huán)境適應(yīng)性等多方面、多層次進(jìn)行合理優(yōu)化配置［21-23］。

4.3增加景觀異質(zhì)性，營(yíng)造和諧景觀空間結(jié)構(gòu)森林經(jīng)營(yíng)的本質(zhì)是維持和促進(jìn)森林景觀異質(zhì)性，提高景觀多樣性與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)［24］。建始縣長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)各類型景觀斑塊分布極不均衡，全場(chǎng)景觀主要由松類和杉類等少數(shù)幾個(gè)優(yōu)勢(shì)景觀類型團(tuán)聚組成，整體破碎化程度較高，且該類型景觀多以單一純林植物群落為主，整體景觀空間格局及群落結(jié)構(gòu)不盡合理，不利于整體景觀生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)展。因此，在進(jìn)行景觀格局優(yōu)化時(shí)，除考慮特定自然生境條件外，還應(yīng)注重增加景觀異質(zhì)性，營(yíng)造植物群落之間和諧的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系。在配置和優(yōu)化植物群落景觀格局中，當(dāng)植物群落結(jié)構(gòu)比較單一情況下，相應(yīng)增加植物群落種類和數(shù)量，保持植物群落結(jié)構(gòu)的完整性、連通性、多樣性及異質(zhì)性，同時(shí)，還應(yīng)注意保持植物生態(tài)廊道的完整和分散斑塊之間的連接性，這樣才能達(dá)到景觀空間結(jié)構(gòu)的多樣性和異質(zhì)性，豐富植物群落的景觀效果，從而加強(qiáng)植物群落景觀空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與和諧［25-26］。

5　結(jié)論與討論

本研究基于景觀尺度水平，通過對(duì)建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)森林景觀格局特征進(jìn)行定量化分析，結(jié)果表明：該場(chǎng)森林景觀存在分布極不均衡、未利用林地斑塊數(shù)量多、受干擾及破碎化程度高、生態(tài)功能及效益得不到有效發(fā)揮等問題，在此基礎(chǔ)上，筆者依據(jù)研究區(qū)實(shí)際，并綜合考慮區(qū)域定位、生境條件、植物配置、景觀結(jié)構(gòu)等具體實(shí)踐要求，系統(tǒng)總結(jié)出立足區(qū)域定位，科學(xué)系統(tǒng)規(guī)劃景觀格局、遵循自然生境條件，合理配置植物群落、增加景觀異質(zhì)性，營(yíng)造和諧景觀空間結(jié)構(gòu)3條景觀格局優(yōu)化建議，指出了研究區(qū)景觀格局優(yōu)化方向。研究結(jié)果對(duì)于從整體宏觀上指導(dǎo)建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)進(jìn)行景觀空間結(jié)構(gòu)調(diào)控與優(yōu)化、科學(xué)經(jīng)營(yíng)與管理具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)有林場(chǎng)是我國(guó)生態(tài)修復(fù)和建設(shè)的重要力量，是維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。如何有效發(fā)揮國(guó)有林場(chǎng)保護(hù)培育森林資源、維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全主體責(zé)任功能，一直以來都是林業(yè)科學(xué)研究的焦點(diǎn)之一。近年來，隨著我國(guó)景觀生態(tài)學(xué)研究的不斷發(fā)展和完善，將景觀生態(tài)學(xué)原理運(yùn)用并實(shí)踐到國(guó)有林場(chǎng)森林經(jīng)營(yíng)工作中，為從整體上分析和評(píng)價(jià)森林景觀結(jié)構(gòu)組成、分布特征及空間配置關(guān)系，指導(dǎo)區(qū)域制定合理的景觀生態(tài)規(guī)劃、管理及保護(hù)等經(jīng)營(yíng)措施提供了新的理論和方法。但鑒于景觀格局與生態(tài)過程之間關(guān)系的復(fù)雜性，在組織植物群落景觀營(yíng)造時(shí)，如何選擇合適的配置造林樹種，完善植物群落景觀的整體性與連續(xù)性，提高植物群落景觀異質(zhì)性和多樣性；如何減少單一植被類型景觀的分布區(qū)域，降低植物群落景觀的破碎化；如何因地制宜的構(gòu)建符合區(qū)域?qū)嶋H的整體景觀格局優(yōu)化空間發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)景觀與生態(tài)最優(yōu)生態(tài)格局，還有待在具體實(shí)施過程中進(jìn)一步細(xì)化和研究［27-28］。

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（責(zé)編：張長(zhǎng)青）

GIS-based Analysis and Optimization of Forest Landscape Pattern in Changlinggang Forest Farm

Sun Yongkang1et al.
（1Hubei Academy of Forestry，Wuhan 430075，China）

Based on the forest resource inventory data of Changlinggang national Forest Farm in Jianshi County，the landscape patterns in the farm were quantitatively analyzed with the support of GIS from three aspects：overall landscape characteristics，landscape patch and landscape heterogeneity.The results showed that the overall forest landscape has many current problems，such as extremely imbalanced landscape distribution，a large number of unused forest patch，a higher degree of interference and fragmentation，not giving full play to ecological functions and benefits，etc.On this basis，some optimizing suggestions and directions of the forest landscape pattern were put forward in this paper.The results of the study，provided scientific basis in the aspect of landscape scale for forest sustainable management of Changlinggang forest farm in Jianshi County.

Forest landscape pattern；Landscape heterogeneity；Landscape fragmentation；Landscape pattern optimization；Changlinggang forest farm

Q948

A

1007-7731（2016）09-104-04

湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目：鄂西山區(qū)日本落葉松人工林高效栽培技術(shù)研發(fā)（2015BBA212）。

孫擁康（1987-），男，河北邯鄲人，碩士，助理研究員，從事森林經(jīng)營(yíng)方面研究工作。*通訊作者

2016-04-13