鄒旭東,楊洪斌,汪宏宇,張?jiān)坪?,劉玉?/p>
(中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110166)
1951—2013年丹東地區(qū)氣象條件的變化及其與玉米產(chǎn)量的相關(guān)分析
鄒旭東,楊洪斌,汪宏宇,張?jiān)坪#瑒⒂駨?/p>
(中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110166)
為了解氣象條件對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的作用,探討氣候變化背景下農(nóng)作物產(chǎn)量受到的影響,利用1951—2013年丹東地區(qū)氣溫、0 cm地溫、降水、相對(duì)濕度、日照、蒸發(fā)資料,分析丹東地區(qū)氣象要素的變化趨勢(shì)。利用2002—2012年丹東玉米年平均每667 m2產(chǎn)量和氣象要素資料分析丹東玉米產(chǎn)量受氣象條件的相關(guān)影響。結(jié)果表明,1951—2013年丹東地區(qū)氣溫、0 cm地溫變化呈上升趨勢(shì),降水、相對(duì)濕度、日照、蒸發(fā)的變化呈下降趨勢(shì);相對(duì)濕度和丹東玉米產(chǎn)量的變化呈負(fù)相關(guān),氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)和丹東玉米產(chǎn)量的變化呈正相關(guān),其中氣溫和丹東玉米產(chǎn)量的相關(guān)度最高。建立氣溫、0 cm地溫、降水、相對(duì)濕度、日照、蒸發(fā)對(duì)丹東玉米產(chǎn)量的回歸預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)模型對(duì)丹東玉米產(chǎn)量模擬值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)度高達(dá)0.9496。
氣象條件;玉米產(chǎn)量;相關(guān)分析;丹東地區(qū)
糧食生產(chǎn)關(guān)系國(guó)計(jì)民生、社會(huì)發(fā)展和穩(wěn)定、國(guó)家與地區(qū)安全,一直受到世界各國(guó)政府和農(nóng)業(yè)部門(mén)的高度重視。我國(guó)是全球最主要的糧食生產(chǎn)大國(guó)和消費(fèi)大國(guó),中國(guó)的糧食安全問(wèn)題在全球起著舉足輕重的作用。糧食生產(chǎn)對(duì)氣候條件的依賴(lài)性非常大,氣候的任何波動(dòng)均將直接影響到糧食生產(chǎn),還有可能導(dǎo)致世界性的糧食危機(jī)產(chǎn)生。氣候變暖導(dǎo)致多種極端天氣氣候?yàn)?zāi)害頻繁出現(xiàn),靠天吃飯的農(nóng)業(yè)首當(dāng)其沖受到影響。氣候變暖可能會(huì)導(dǎo)致某些極端天氣氣候事件變得頻率更高、強(qiáng)度更大、范圍更廣、災(zāi)情更重,使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)調(diào)整和變動(dòng),從而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和投資需求將大幅度增加。氣候變化對(duì)水資源、林業(yè)以及農(nóng)業(yè)環(huán)境影響的綜合結(jié)果可能進(jìn)一步增大農(nóng)業(yè)的脆弱性。
遼寧是我國(guó)糧食生產(chǎn)的主要省份之一,關(guān)于氣象條件對(duì)遼寧農(nóng)業(yè)的影響,一些學(xué)者已開(kāi)展了研究。趙春雨等[1]對(duì)遼寧省1956—2005年農(nóng)業(yè)氣候條件的長(zhǎng)期變化情況和空間分布特征進(jìn)行分析,指出50年間遼寧省生長(zhǎng)季日照時(shí)數(shù)明顯減少,生長(zhǎng)季降水量呈微弱的減少趨勢(shì),蒸發(fā)量明顯減少。蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和潛在蒸發(fā)量都呈明顯減少趨勢(shì)。孫鳳華等[2]研究認(rèn)為,近44年來(lái),東北地區(qū)平均氣溫存在明顯的變暖傾向,氣候變暖趨勢(shì)存在著季節(jié)性和地域性差異。冬季增溫最強(qiáng),秋季增溫最弱。紀(jì)瑞鵬等[3]指出1971—2000年遼寧省增溫趨勢(shì)明顯,熱量資源更加豐富,降水量出現(xiàn)減少趨勢(shì),太陽(yáng)輻射和日照時(shí)數(shù)一直呈下降趨勢(shì);遼寧省總體農(nóng)業(yè)氣候變化呈現(xiàn)以“氣溫顯著升高,降水、日照減少”為主要特點(diǎn)的暖干化趨勢(shì)。汪宏宇等[4]對(duì)東北地區(qū)生長(zhǎng)季的降水做了研究,認(rèn)為東北地區(qū)生長(zhǎng)季降水存在減少趨勢(shì),旱災(zāi)略多于澇災(zāi)。金文巖[5]指出,氣候變暖對(duì)遼寧農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、土壤質(zhì)量、農(nóng)業(yè)水分資源、農(nóng)作物病蟲(chóng)害、農(nóng)作物生產(chǎn)能力、農(nóng)田管理和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生影響。
氣候與農(nóng)業(yè)息息相關(guān),氣候變暖對(duì)農(nóng)業(yè)和糧食保障的影響更是令人矚目,但針對(duì)農(nóng)業(yè)氣候條件長(zhǎng)期變化的研究還很少[6-8]。丹東地處黃海之濱、鴨綠江畔,位于遼寧省東南部,是一個(gè)以工業(yè)、商貿(mào)、物流、旅游為主的沿江沿海沿邊城市。本研究通過(guò)分析近63年丹東溫度、0 cm地溫、降水、相對(duì)濕度、日照、蒸發(fā)的變化,闡明氣象條件和農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)性,探索氣候變化背景下氣象條件的變化對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量產(chǎn)生的影響,為增進(jìn)氣候變化背景下農(nóng)作物產(chǎn)量變化的認(rèn)識(shí)提供參考。
氣象和玉米產(chǎn)量資料來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心。玉米產(chǎn)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地理坐標(biāo)為40.43°E、124.47°N,位于丹東境內(nèi)(圖1)。按季節(jié)統(tǒng)計(jì)丹東1951—2013年氣溫、0 cm地溫、降水、相對(duì)濕度、日照、蒸發(fā)的年際變化和線性趨勢(shì)。
圖1 玉米產(chǎn)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)站點(diǎn)位置
統(tǒng)計(jì)丹東玉米1999—2013年平均每667 m2產(chǎn)量的逐年變化。將丹東農(nóng)作物產(chǎn)量的變化趨勢(shì)和氣溫、0 cm地溫、降水、相對(duì)濕度、日照、蒸發(fā)變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比,分析農(nóng)作物產(chǎn)量和各氣象要素的相關(guān)程度。利用多元線性回歸方法,建立各氣象要素對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的多元線性回歸模擬模型,并對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。氣象要素資料和農(nóng)作物產(chǎn)量資料均來(lái)自國(guó)家氣象信息中心。
多元線性回歸模型為:
式中,ε為隨機(jī)誤差,φi( u ),i = 1,2,m為已知變量,根據(jù)n組y和φi( u ),i = 1,2,m的觀測(cè)值用最小二乘估計(jì)法確定線性回歸系數(shù)β1,β2,βm和ε。
2.1 氣象條件變化
2.1.1 氣溫 溫度對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量有重要影響。近百年來(lái),全球氣候變暖并日趨加劇已是公認(rèn)的事實(shí)[9]。1951—2013年丹東氣溫均呈上升趨勢(shì),其中氣溫上升最明顯的是冬季和春季,趨勢(shì)傾向率分別是0.0288、0.0248,然后是夏季和秋季,趨勢(shì)傾向率分別是0.0134、0.0190。1952年冬季平均氣溫為-9.2℃,2006年冬季平均氣溫達(dá)到-2.5℃,冬季氣溫年際變化幅度最大,1953、1980、1981、2001、2006、2013年冬季平均氣溫較上一年的變化值超過(guò)3℃,其中,1953、1981年變化值超過(guò)了4℃(圖2)。
圖2 1951—2013年丹東季節(jié)平均氣溫年際變化
2.1.2 地表地溫 地溫對(duì)大氣環(huán)流和氣候變化有重要影響,在氣候變化背景下,地溫變化研究已成為熱點(diǎn)[10]。淺層地溫直接影響大田,但由于距離地表近,受太陽(yáng)輻射、土壤濕度、土壤性質(zhì)等多種因子影響[11]。由于人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化,引起了近地表溫度發(fā)生變化,改變了原有的地溫變化規(guī)律,影響了地下及地面生態(tài)系統(tǒng)對(duì)作物生長(zhǎng)的正常作用[12]。1954—2013年丹東一年四季地溫有明顯上升趨勢(shì),其中冬季平均地溫上升趨勢(shì)最明顯,趨勢(shì)傾向率為0.0409,然后是秋季、春季、夏季,趨勢(shì)傾向率分別是0.0213、0.0151、0.0094。1956年冬季平均地溫為-9.4℃,2006年冬季平均地溫為-2.3℃。冬季平均地溫的年際變化幅度最大,1956、1957、1980、1981、1986、2001、2006年冬季平均地溫較上一年的變化值超過(guò)3℃(圖3)。
圖3 1954—2013年丹東季節(jié)平均0cm地溫年際變化
圖4 1951—2013年丹東季節(jié)降水量年際變化
2.1.3 降水量 降水是一個(gè)地區(qū)氣候變化最直接、最敏感的因素,降水量變化直接影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)[13]。丹東地區(qū)年平均雨量多為800~1 200 mm,是我國(guó)北方雨量最多的地區(qū),降水2/3集中于夏季[14]。1951—2013年丹東一年四季降水變化趨勢(shì)分別是:春季降水是上升趨勢(shì),趨勢(shì)傾向率為1.0089;夏季、秋季、冬季降水呈下降趨勢(shì),趨勢(shì)傾向率分別是-1.8397、-0.2463、-0.0420,夏季降水下降趨勢(shì)最明顯。1951—1970年夏季降水量超過(guò)800 mm有9年,1994—2013年夏季降水量超過(guò)800 mm僅有3年(圖4)。夏季降水量的年際變化值最大,然后是秋季、春季,冬季降水量年際變化值最小,1952—2013年中夏季降水量年際變化超過(guò)300 mm有14年。
2.1.4 相對(duì)濕度 相對(duì)濕度是空氣中實(shí)際水汽壓與當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓之比,表征大氣中水汽的飽和程度。相對(duì)濕度能反映出氣溫、降水等要素的綜合影響及氣候變化對(duì)區(qū)域水循環(huán)的影響。相對(duì)濕度是影響地表水分、能量收支、氣溶膠、霧霾形成、生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)植物生長(zhǎng)及人類(lèi)舒適度等的重要因素[15]。1951—2013年丹東四季平均相對(duì)濕度的逐年變化均呈下降趨勢(shì),趨勢(shì)傾向率分別是,冬季-0.0863、秋季-0.0657、春季-0.0486、夏季-0.0250,其中冬季下降趨勢(shì)最明顯(圖5)。1951—1960年冬季平均濕度超過(guò)60%的有9年,其中1958年冬季平均濕度超過(guò)63%。2004—2013年冬季平均濕度超過(guò)60%的有3年,其中2011年冬季平均濕度不到50%。季節(jié)平均濕度年際變化值最大的也是冬季,1951—2013年年際變化值超過(guò)10%的有7年。
圖5 1951—2013年丹東季節(jié)平均相對(duì)濕度年際變化
2.1.5日照時(shí)數(shù) 日照是氣候形成的重要因素,是太陽(yáng)輻射最直觀的表現(xiàn),也是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的條件。研究日照的變化趨勢(shì),對(duì)合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)有重要作用[16-17]。1951—2013年丹東四季平均日照都是呈下降趨勢(shì),趨勢(shì)傾向率分別是,春季-0.0159、夏季-0.0174、秋季-0.0126、冬季-0.0083,其中夏季平均日照下降最明顯(圖6)。1958年夏季平均日照最長(zhǎng),為8.4 h,1952、 1955、1957—1958、1962—1963、1965、1968年夏季平均日照都超過(guò)7 h,2005年夏季平均日照最短、為3.7 h,1985、1990、1993—1996、1998、2004—2013年夏季平均日照均不足6 h。夏季平均日照年際變化幅度最大。
圖6 1951—2013年丹東季節(jié)平均日照時(shí)數(shù)年際變化
2.1.6 蒸發(fā)量 蒸散在水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程中占有重要地位,是水量平衡和能量平衡的重要組成部分。蒸散過(guò)程涉及土壤、植被和大氣等與大氣、氣候密切相關(guān)的多種過(guò)程,是地表水量平衡計(jì)算、干旱監(jiān)測(cè)及作物產(chǎn)量模擬中的一個(gè)關(guān)鍵變量,更是水資源管理的重要參數(shù)。東北地區(qū)處于北半球中高緯度地區(qū),是氣候變暖的強(qiáng)增溫區(qū)域,暖干化趨勢(shì)明顯,干旱趨勢(shì)嚴(yán)重,水資源短缺的局面難以改變,在這種氣候背景下,研究參考蒸散量變化及氣象要素變化對(duì)它們的影響,對(duì)深入了解氣候變化對(duì)水資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響有重要意義。1951—2013年丹東夏季、冬季平均日蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì),春季、秋季平均日蒸發(fā)量是下降趨勢(shì),因?yàn)榻?0年夏季的資料缺失,所以總體上平均日蒸發(fā)量是下降趨勢(shì)。趨勢(shì)傾向率分別是,春季-0.0026、秋季-0.0095、夏季0.0185、冬季0.0039。其中,秋季平均日蒸發(fā)量下降最明顯(圖7)。秋季平均日蒸發(fā)量最大值出現(xiàn)在1988年、為4.1 mm,1961—2001年秋季平均日蒸發(fā)量都超過(guò)3 mm。2002—2013年秋季平均日蒸發(fā)量明顯下降,2002年出現(xiàn)秋季平均日蒸發(fā)量最小值、為1.7 mm,2009、2010、2012、2013年秋季平均日蒸發(fā)量都不到2 mm。值得注意的是,2000年后春季和秋季的平均日蒸發(fā)量都處于明顯的低值。
圖7 1951—2013年丹東季節(jié)平均日蒸發(fā)量年際變化
相關(guān)研究結(jié)果表明,近幾十年遼寧的氣溫處于上升趨勢(shì)[18],地溫升溫明顯[19],遼寧南部地區(qū)降水明顯減少[20],相對(duì)濕度呈顯著下降趨勢(shì)[21],日照時(shí)數(shù)變化有下降趨勢(shì)[22-23],大部分地區(qū)蒸發(fā)量也呈下降趨勢(shì)[24]。經(jīng)分析表明,丹東地區(qū)氣象條件變化和遼寧保持一致。1951—2013年丹東氣溫、地溫變化趨勢(shì)是明顯上升,降水變化趨勢(shì)明顯下降,相對(duì)濕度變化趨勢(shì)也是明顯下降,日照、蒸發(fā)呈下降趨勢(shì)。因此,溫度升高和降水減少造成了丹東的氣候變化有暖干化趨勢(shì)。
2.2 氣象條件變化與玉米產(chǎn)量的關(guān)系
統(tǒng)計(jì)2002—2012年丹東地溫、日照、蒸發(fā)、相對(duì)濕度、降水、氣溫和玉米產(chǎn)量的變化趨勢(shì)以及各種氣象條件和玉米產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)。2002—2012年丹東玉米年平均每667 m2產(chǎn)量總體呈下降趨勢(shì),趨勢(shì)傾向率為-5.8091。2003年平均每667 m2產(chǎn)量最高、為590 kg,2008—2012年平均每667 m2產(chǎn)量都不到510 kg。在相同時(shí)段內(nèi),降水、日照變化是上升趨勢(shì),趨勢(shì)傾向率分別是降水11.6236、日照0.0200。氣溫、0 cm地溫、蒸發(fā)、濕度變化是下降趨勢(shì),趨勢(shì)傾向率分別是氣溫-0.0845、0 cm地溫-0.0527、蒸發(fā)-0.0364、濕度-0.0318。相對(duì)濕度和玉米年平均每667 m2產(chǎn)量變化是負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.0681。氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)和玉米年平均每667 m2產(chǎn)量變化是正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別是氣溫0.6108、0 cm地溫0.5047、日照0.2758、降水0.0619、蒸發(fā)0.2228,其中氣溫和玉米年平均每667 m2產(chǎn)量的相關(guān)度最高(圖8)。
圖8 2002—2012年丹東玉米產(chǎn)量和各氣象要素的逐年變化及相關(guān)系數(shù)
因?yàn)榈|玉米產(chǎn)量和相對(duì)濕度的變化是負(fù)相關(guān),和氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)的變化是正相關(guān)。由前面分析結(jié)果可知,1951—2013年丹東地區(qū)氣溫、0 cm地溫的變化呈上升趨勢(shì),降水、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、蒸發(fā)量的變化是下降趨勢(shì)。所以,丹東地區(qū)氣溫、0 cm地溫、相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)對(duì)丹東玉米產(chǎn)量增加是有利的,降水、日照、蒸發(fā)的變化趨勢(shì)對(duì)丹東玉米產(chǎn)量增加是不利的。氣候變暖導(dǎo)致東北地區(qū)氣象條件有暖干化趨勢(shì),但是丹東地區(qū)因其處于長(zhǎng)白山脈向西南延伸的支脈,南臨黃海,有利于形成降水,降水減少并不明顯,水資源相對(duì)豐富,總體上氣象條件變化有利于玉米產(chǎn)量增加。
2.3 線性擬合模擬及檢驗(yàn)
用多元線性回歸的方法建立濕度、氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)對(duì)丹東玉米產(chǎn)量的多元線性回歸預(yù)測(cè)模型:
式中,y為農(nóng)作物每667 m2產(chǎn)量,x1為濕度,x2為氣溫,x3為0 cm地溫,x4為日照,x5為降水,x6為蒸發(fā)。
將線性回歸模擬值和實(shí)測(cè)值相對(duì)比(圖9),丹東玉米年產(chǎn)量的模擬值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)度較高,r值為0.9496。由于玉米產(chǎn)量資料有限,只有11年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),而且除了氣象條件之外農(nóng)作物產(chǎn)量變化還受人工管理、施肥等多種因素的影響,所以農(nóng)作物產(chǎn)量模擬值和實(shí)際值會(huì)不可避免地出現(xiàn)偏差。
圖9 丹東玉米平均每667 m2產(chǎn)量線性回歸模擬值和實(shí)測(cè)值(kg)
1951—2013年丹東氣溫、0 cm地溫變化呈上升趨勢(shì),降水、濕度、日照、蒸發(fā)的變化是下降趨勢(shì);2002—2012年丹東玉米平均每667 m2產(chǎn)量是下降趨勢(shì)。在各氣象要素對(duì)玉米產(chǎn)量的相關(guān)影響中,氣溫對(duì)玉米產(chǎn)量的相關(guān)影響最大。
(1)近63年丹東氣象條件的變化分別為:季節(jié)平均氣溫均呈上升趨勢(shì),其中冬、春季的上升趨勢(shì)更為明顯;季節(jié)平均0 cm地溫的變化都是呈上升趨勢(shì),其中冬季上升趨勢(shì)最明顯;降水量是下降趨勢(shì),其中春季降水有上升趨勢(shì),夏、秋、冬季降水是下降趨勢(shì),夏季降水下降趨勢(shì)最明顯;各季節(jié)平均相對(duì)濕度都是下降趨勢(shì),其中冬季下降趨勢(shì)最明顯;各季節(jié)平均日照時(shí)數(shù)都是下降趨勢(shì),其中夏季下降趨勢(shì)最明顯;平均日蒸發(fā)量是下降趨勢(shì),其中夏、冬季平均日蒸發(fā)量是上升趨勢(shì),春、秋季平均日蒸發(fā)量是下降趨勢(shì),秋季下降趨勢(shì)最明顯。
(2)在各氣象條件和玉米產(chǎn)量的相關(guān)分析中,相對(duì)濕度和玉米產(chǎn)量的變化呈負(fù)相關(guān);氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)和玉米產(chǎn)量的變化呈正相關(guān)。其中氣溫和玉米產(chǎn)量的相關(guān)程度最高,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6108。建立濕度、氣溫、0 cm地溫、日照、降水、蒸發(fā)對(duì)丹東玉米產(chǎn)量的多元線性回歸預(yù)測(cè)模型。檢驗(yàn)得出,預(yù)測(cè)模型對(duì)丹東玉米產(chǎn)量的模擬值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)度高達(dá)0.9496。
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(責(zé)任編輯 白雪娜)
Changes of meteorological conditions in Dandong area during 1951—2013 and its correlation with corn yield
ZOU Xu-dong,YANG Hong-bin,WANG Hong-yu,ZHANG Yun-hai,LIU Yu-che
(Institute of Atmospheric Environment,China Meteorological Administration,Shenyang 110166,China)
In order to understand the effects of meteorological conditions on the yield of crops,and to discuss the impact on crop yield under climate change,based on the temperature,ground temperature,precipitation,relative humidity,sunshine and evaporation data of Dandong area in 1951-2013,the changing trend of meteorological factors in Dandong area was analyzed,and the effects of meteorological conditions on the yield of maize in Dandong based on the data of annual average yield per 667 m2and meteorological conditions in 2002-2012 were analyzed. The results showed that the changes of temperature and ground temperature showed an upward trend in Dandong area during 1951-2013,precipitation,relative humidity,sunshine,evaporation showed a downward trend,the change of relative humidity was negatively correlated with corn yield in Dandong area,temperature,ground temperature,sunshine,precipitation,evaporation had positive correlation with corn yield,in while the correlation of temperature and corn yield in Dandong area was the highest. The regression forecasting model of corn production in Dandong area was established with temperature,ground temperature,precipitation,relative humidity,sunshine and evaporation. The correlation degree between simulation and measured value of corn yield in Dandong area was 0.9496.
meteorological conditions;corn yield;correlation analysis;Dandong area
S513.047
A
1004-874X(2016)11-0007-07
2016-08-11
國(guó)家自然科學(xué)基金(41240034);中國(guó)氣象局山洪地質(zhì)災(zāi)害項(xiàng)目(2015);遼寧省氣象局項(xiàng)目(2015)
鄒旭東(1979-),男,碩士,助理研究員,E-mail: zouxd_163.com@163.com
鄒旭東,楊洪斌,汪宏宇,等. 1951—2013年丹東地區(qū)氣象條件的變化及其與玉米產(chǎn)量的相關(guān)分析[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,43(11):7-13.