蘇建紅，朱新萍，賈宏濤，周建勤，王 益，李春越

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830052；2. 中國科學院地球環(huán)境研究所，西安 710061；3. 陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，西安 710119）

圍欄封育對巴音布魯克草原土壤理化性質(zhì)的影響

蘇建紅1，朱新萍1，賈宏濤1，周建勤1，王 益2，李春越3

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830052；2. 中國科學院地球環(huán)境研究所，西安 710061；3. 陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，西安 710119）

為明確長期圍欄封育對新疆亞高山草原土壤理化性質(zhì)的影響，本研究以巴音布魯克草原圍封26年的高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原為研究對象，對三種類型草地圍欄內(nèi)外土壤理化性質(zhì)進行對比分析，結(jié)果表明：（1）高寒草甸和高寒草原圍欄內(nèi)表層土壤飽和含水量、田間持水量和土壤含水量均高于圍欄外樣地，而土壤容重均低于圍欄外，其中高寒草甸圍欄內(nèi)外的田間持水量、土壤含水量和土壤容重的差異達到顯著水平；（2）高寒草甸圍欄內(nèi)表層土壤有機質(zhì)含量顯著高于圍欄外，全氮則顯著低于圍欄外；三種類型草地圍欄內(nèi)表層土壤全磷含量均低于圍欄外；（3）相關(guān)性分析表明，土壤含水量高的草地，其飽和含水量和田間持水量也較高，土壤容重較??；土壤容重高的草地其有機質(zhì)含量較低；速效鉀含量高的草地，其全磷含量也較高。圍欄封育有利于草地土壤理化性質(zhì)的恢復，但長時間圍封會降低土壤磷素含量，需要通過施肥等管理措施補充以促進草地生態(tài)系統(tǒng)保持良性狀態(tài)，本研究對草地土壤質(zhì)量調(diào)控和退化草地恢復研究具有參考意義。

圍欄封育；巴音布魯克草原；土壤物理性質(zhì)；土壤化學性質(zhì)；磷

新疆有天然草地5.7×107hm2，可利用面積4.8×107hm2，是我國第三大草原省區(qū)。這些草地是該地區(qū)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎，也對水土保持和生態(tài)屏障安全維持起著舉足輕重的作用（中華人民共和國農(nóng)業(yè)部，1996；李云等，2014）。巴音布魯克草原位于新疆天山中部，面積約2.2× 106hm2，是我國第二大草原，它擁有高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原等多種草地類型，是開都河的源頭，在維持開都河流域生態(tài)環(huán)境和南疆塔里木盆地水資源安全中起到重要作用（戎郁萍等，2004；朱新萍等，2012）。長期以來的粗放管理、過度放牧和亂開濫墾等人為破壞原因?qū)е掳鸵舨剪斂瞬菰嘶遮厙乐?，退化草場占可利用草場?9.2%，其中沙化和鹽堿化占20%，不僅影響到新疆畜牧業(yè)的發(fā)展，而且使干旱區(qū)原本脆弱的生態(tài)環(huán)境更加惡化（韓永偉和高吉喜，2005；趙萬羽等，2005；張東杰和都耀庭，2006）。通過圍欄封育將退化嚴重的草地封閉一定時期，禁止放牧和割草，給牧草得到休養(yǎng)生息的機會，為退化草地植被恢復和充分生長創(chuàng)造條件（李赟等，2008）。從20世紀80年代開始，國家啟動了巴音布魯克天然草原退牧還草項目，安裝圍欄4500 km，圍欄封育草地約4×106hm2，草原退化趨勢得到初步抑制，封育草地內(nèi)植被覆蓋率開始逐步回升。

圍欄封育作為退化草地恢復治理的有效手段之一，主要通過植被自然更新作用使退化草地生產(chǎn)力得到提高，進而對草地土壤性質(zhì)的演變起到重要作用。國內(nèi)外學者對圍欄封育措施下草地恢復過程開展了大量研究工作，主要研究了不同恢復年限和恢復措施對草地植物群落特征、生物量和土壤理化性質(zhì)的影響。范永剛等（2008）研究了不同圍欄時間對草地植物多樣性和生物量的影響，研究結(jié)果表明圍欄初期植物群落會迅速恢復，但封育期過長卻不利于牧草的正常生長和發(fā)育；劉鳳嬋等（2012）對文獻整合分析發(fā)現(xiàn)隨著放牧強度的增加，土壤表層容重增加，而封育措施可以消除土壤緊實層，改善土壤結(jié)構(gòu)與性狀，圍欄封育也有利于增加土壤肥力；姚小萌等（2015）研究結(jié)果表明，隨著草地恢復土壤表層的容重減小，物理性質(zhì)趨于良好，土壤質(zhì)量綜合指數(shù)大幅度提高；傅子洹等（2015）研究了黃土高原水蝕風蝕交錯帶不同植被恢復措施對退化草地土壤水分的影響，發(fā)現(xiàn)不同植被類型下土壤水分動態(tài)特征具有明顯差異；單貴蓮等（2012）對內(nèi)蒙古錫林郭勒典型草原恢復演替過程中土壤性狀的變化規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)與自由放牧草地相比，圍封使土壤0—30 cm容重顯著下降，土壤有機質(zhì)顯著增加。雖然國內(nèi)外學者在草地退化土壤性質(zhì)方面做了大量研究，但目前對巴音布魯克草原長期圍欄封育下草地土壤理化性質(zhì)的變化研究還相對較少，在當前新疆生態(tài)脆弱、土地資源短缺、草地退化嚴重的情況下，研究圍欄封育對草地土壤性質(zhì)的影響對于土壤質(zhì)量調(diào)控和退化草地恢復有積極意義。本文選取巴音布魯克草原高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原三種不同類型草地，對圍欄內(nèi)外土壤的理化性質(zhì)進行研究，以期對該區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復和重建提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

巴音布魯克草原位于天山中部的尤爾都斯盆地，在巴音郭楞蒙古自治州和靜縣西北，83°00′ —86°17′E，42°18′ — 43°35′N，海拔2400 — 3500 m，面積約2.3×104km2。年平均氣溫為-4.8℃，1月最低氣溫可達-48℃，7月最高氣溫為30.5℃，年平均降水量276.2 mm，年蒸發(fā)量高達1022.9 —1247.5 mm，年日平均溫度≥10℃的積溫為227.2℃，僅為20 d，年日照為2466 — 2616 h，熱能為1.34×105J · cm-2· a-1，年平均風速2.7 m · s-1，全年積雪日達150 — 180 d，無絕對無霜期，屬典型的高寒氣候（麥來·斯拉木等，1991）。

巴音布魯克地區(qū)草地類型較多，分布著全疆面積最大的高山沼澤草甸、高寒草原、高寒草甸、高寒草甸草原等類型，土壤類型主要以潮土、草甸土為主。該地區(qū)高等植物有50個科160個屬262個種，主要有紫花針茅（Stipa purpurea）、羊茅（Festuca ovina）、線葉嵩草（Kobresia capillifolia）、細果苔草（Carex stenocarpa），群落總蓋度約為50%，紫花針茅（Stipa purpuea）在群落中占絕對優(yōu)勢，相對蓋度為20% — 35%。其他禾草，如冰草（Agropuron cristatum）、草地早熟禾（Poa pratensis）等蓋度相對較低。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集方法

2010年8月，以中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所巴音布魯克草原生態(tài)系統(tǒng)研究站圍封26年的高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原三種不同類型草地圍欄樣地為研究對象，分別在三種不同類型草地圍欄內(nèi)和圍欄外（對照）設置大樣地，圍欄內(nèi)外研究區(qū)距離不超過50 m。每個樣地采用樣線法設置三個樣方，在每個樣方中用土鉆隨機采集5個土壤表層（0 — 20 cm）樣品并混合，用環(huán)刀采集土壤容重、飽和含水量和田間持水量測定樣品（0 — 20 cm，每5 cm采集一個，土壤容重、飽和含水量和田間持水量取4個層次樣品的平均值）。將每個土壤樣品混勻后風干，然后分別過1 mm和0.25 mm的篩子，用于測定土壤理化性質(zhì)。

1.2.2 樣品分析方法

土壤容重、飽和含水量和田間持水量采用環(huán)刀法測定：將采集的環(huán)刀樣品稱重后，在環(huán)刀兩端墊上濾紙，放入盛有水的水槽里，8 — 10 h后稱其重量；然后將環(huán)刀墊上濾紙放在盛有沙子的盤子里去掉重力水，24 h后稱重；之后將環(huán)刀放入烘箱105℃烘干后稱環(huán)刀和土壤的干重；最后將環(huán)刀中的土樣保存起來，清洗環(huán)刀并烘干稱量環(huán)刀的重量。通過測定的重量，分別計算土樣的飽和含水量、田間持水量和土壤容重；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮采用凱氏法測定；全磷采用鉬銻鈧比色法測定；全鉀用火焰分光光度法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；速效鉀采用火焰分光光度法測定（鮑士旦，2000）。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

所有試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件處理，用Duncan法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期圍欄封育對不同草原類型土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤水分物理常數(shù)

土壤水分是土壤重要的組成部分之一，它在土壤形成過程中起著極其重要的作用，土壤剖面土層內(nèi)各種物質(zhì)的遷移，主要是以溶液形式進行的，同時土壤水是作物所需水分的主要來源，它也是自然界水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié)，處于不斷的動態(tài)變化中，必然影響到作物的生長和土壤中許多化學、物理和生物過程，因此，研究土壤中的水分物理常數(shù)和含量對作物的正常生長有著極為重要的意義。土壤容重的數(shù)值大小受密度和孔隙兩方面的影響，而后者的影響更大，疏松多孔的土壤容重小，反之則大。本研究中，無論是高寒草甸還是高寒草原，圍欄內(nèi)表層土壤飽和含水量、田間持水量和土壤含水量均高于圍欄外；而高寒草甸草原其圍欄內(nèi)表層土壤飽和含水量、田間持水量和土壤含水量均低于圍欄外，如表1所示。對于三種不同類型的草地，其圍欄內(nèi)外表層土壤的飽和含水量差異均不顯著；高寒草甸草原、高寒草原的圍欄內(nèi)外表層土壤的田間持水量和土壤含水量差異不顯著，但高寒草甸圍欄內(nèi)表層土壤的田間持水量和土壤含水量顯著高于圍欄外（P＜ 0.05）。由于三種不同類型草地的海拔不同，可能會引起不同類型草地降水量的不同，從而對草地的表層土壤含水量造成一定的差異性。

表1 三種類型草地圍欄內(nèi)外表層（0 —20 cm）土壤物理特征Tab.1 Soil physical properties inside and outside the fence of three lawn types

2.1.2 土壤容重

不同草地類型的表層土壤容重也不相同，結(jié)果見表1所示。三種草地類型土壤容重大小為高寒草原＞高寒草甸草原＞高寒草甸。其中高寒草甸圍欄內(nèi)表層土壤容重顯著小于圍欄外（P＜ 0.05）；高寒草原、高寒草甸草原圍欄內(nèi)與圍欄外表層土壤容重差異不顯著。三種不同類型的草地，其圍欄內(nèi)外土壤容重各不相同，這與土壤本身的孔隙和密度有關(guān)，人類活動也可能導致土壤的容重增大。

2.2 長期圍欄封育對不同草原類型土壤化學性質(zhì)的影響

土壤養(yǎng)分是“土壤圈”物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中維持生物生命周期的必要條件。植物的生長離不開土壤中各種營養(yǎng)元素的供給，因而土壤中養(yǎng)分含量的高低對植物的生長發(fā)育有著顯著的影響。

2.2.1 土壤有機質(zhì)與速效養(yǎng)分

由表2可知，三種類型草地表層土壤有機質(zhì)含量為高寒草甸＞高寒草甸草原＞高寒草原，這與地表植被覆蓋度大小具有顯著的關(guān)系，由于高寒草甸植被覆蓋度高，故其表層土壤有機質(zhì)含量也高。高寒草甸圍欄內(nèi)表層土壤有機質(zhì)含量顯著高于圍欄外（P＜ 0.05）；而高寒草甸草原和高寒草原圍欄內(nèi)外土壤有機質(zhì)含量差異不顯著。

表2 三種類型草地圍欄內(nèi)外表層土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量對比Tab.2 The surface soil organic matter, available nutrient contents inside and outside the fence of three lawn types

三種類型草地表層土壤堿解氮含量為高寒草甸草原＞高寒草甸＞高寒草原；速效鉀含量為高寒草原＞高寒草甸草原＞高寒草甸。高寒草甸和高寒草甸草原圍欄內(nèi)表層土壤的堿解氮含量均低于圍欄外，其中高寒草甸草原、高寒草原圍欄內(nèi)和圍欄外表層土壤堿解氮含量差異達到顯著水平（P＜ 0.05）。高寒草甸和高寒草甸草原圍欄內(nèi)表層土壤速效鉀含量均顯著低于圍欄外（P＜ 0.05），但高寒草原圍欄內(nèi)表層土壤速效鉀含量顯著高于圍欄外（P＜ 0.05）。這可能與草地圍欄外動物的踩踏和人類活動等外界因素影響了土壤中植物殘體的分解速度有關(guān)。

2.2.2 土壤全量養(yǎng)分

由表3可知，高寒草甸草原和高寒草原圍欄內(nèi)表層土壤全氮含量均高于圍欄外，但圍欄內(nèi)和圍欄外差異性均不顯著；高寒草甸圍欄內(nèi)表層土壤全氮含量顯著低于圍欄外（P＜ 0.05）。三種類型草地圍欄內(nèi)表層土壤全磷含量均低于圍欄外，且高寒草甸草原和高寒草原圍欄內(nèi)外具有顯著的差異性（P＜ 0.05），高寒草甸圍欄內(nèi)外差異不顯著。高寒草甸草原圍欄內(nèi)表層土壤全鉀含量顯著高于圍欄外（P＜ 0.05），而高寒草甸和高寒草原圍欄內(nèi)表層土壤全鉀含量均低于圍欄外，高寒草甸圍欄內(nèi)外表層土壤全鉀含量差異性不顯著，但高寒草原圍欄內(nèi)外土壤全鉀含量具有顯著的差異性（P＜ 0.05）。土壤中氮磷鉀的含量與微生物的分解作用密切相關(guān)，微生物的數(shù)量和分解速度對土壤中氮磷鉀含量的高低具有顯著影響。

2.3 圍欄內(nèi)外表層土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

對三種不同草地類型各處理的測定指標進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。土壤含水量與飽和含水量、田間持水量具有極顯著的正相關(guān)性（P＜ 0.01）；土壤飽和含水量和有機質(zhì)含量具有顯著的正相關(guān)性（P＜ 0.05）；土壤容重與飽和含水量具有極顯著的負相關(guān)性（P＜ 0.01），與土壤田間持水量、土壤含水量和有機質(zhì)含量具有顯著的負相關(guān)性（P＜ 0.05）；土壤的速效鉀與全磷含量具有顯著的正相關(guān)性（P＜ 0.05）。這說明含水量高的土壤，其飽和含水量和田間持水量也較高，但土壤容重則較小；土壤容重高的土壤，其有機質(zhì)含量則較低；速效鉀含量高的土壤，其全磷含量也較高。

表3 三種類型草地圍欄內(nèi)外表層土壤全量養(yǎng)分含量對比Tab.3 The surface soil total nutrient contents inside and outside the fence of three lawn types

表4 圍欄內(nèi)外表層土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Tab.4 The correlation analysis of soil properties inside and outside the fence

（續(xù)表4 Continued Tab.4）

3 討論與結(jié)論

（1）通過對圍欄內(nèi)外土壤物理性質(zhì)變化的研究發(fā)現(xiàn)，無論是高寒草甸還是高寒草原，圍欄內(nèi)表層土壤飽和含水量、田間持水量、土壤含水量較圍欄外均有所提高，而高寒草甸草原其圍欄內(nèi)表層土壤飽和含水量、田間持水量、土壤含水量均低于圍欄外；高寒草甸圍欄內(nèi)土壤容重顯著小于圍欄外（P＜ 0.05），高寒草原、高寒草甸草原圍欄內(nèi)與圍欄外土壤容重差異不顯著。其中高寒草甸圍欄內(nèi)表層土壤的飽和含水量達到了65%，這是由于高寒草甸圍欄內(nèi)植被覆蓋度高，表層土壤中根系含量較多造成的，這與國內(nèi)外一些學者的研究結(jié)果有一定的相同之處。Greenwood et al（1998）對威爾士南部冷溫帶草原研究表明，圍封25年后由于消除家畜的踐踏，表層土壤物理性質(zhì)得到改善，相對于放牧樣地土壤非飽和水傳導率增加，土壤容重減小。楊穎慧等（2006）通過對西藏那曲地區(qū)碾壓干擾矮嵩草草甸群落不同恢復演替階段土壤物理性狀調(diào)查，發(fā)現(xiàn)隨著恢復時間的延續(xù)，表層土壤總孔隙度增大，土壤容重減小，與演替階段呈極顯著相關(guān)；并且隨著土壤的通氣性和滲透、排水率的改善，土壤有效水分增加。

（2）通過對圍欄內(nèi)外土壤化學性質(zhì)的對比研究發(fā)現(xiàn)，高寒草甸圍欄內(nèi)表層土壤有機質(zhì)含量顯著高于圍欄外（P＜ 0.05），而高寒草甸草原和高寒草原圍欄內(nèi)外土壤有機質(zhì)含量差異不顯著；高寒草甸和高寒草甸草原圍欄內(nèi)表層土壤速效鉀含量均顯著低于圍欄外（P＜ 0.05），但高寒草原圍欄內(nèi)表層土壤速效鉀含量則顯著高于圍欄外（P＜ 0.05）。高寒草甸草原和高寒草原圍欄內(nèi)表層土壤全氮含量均高于圍欄外；高寒草甸圍欄內(nèi)表層土壤全氮含量顯著低于圍欄外（P＜ 0.05）；三種類型草地圍欄內(nèi)表層土壤全磷含量均低于圍欄外；高寒草甸草原圍欄內(nèi)表層土壤全鉀含量顯著高于圍欄外（P＜ 0.05），而高寒草甸和高寒草原圍欄內(nèi)表層土壤全鉀含量均低于圍欄外。本研究結(jié)果與國外圍欄封育對土壤化學性質(zhì)影響的研究具有一定的差異性。對埃塞俄比亞最北部的丘陵地帶的研究表明，圍封不僅可以有效地恢復植被，而且也能改善土壤養(yǎng)分，減少土壤侵蝕。圍封5年與10年的草地土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷均顯著高于放牧地，一方面由于圍封地植被的恢復有效防止了降雨引起的濺蝕和徑流侵蝕，另一方面植被的恢復也增加了地表凋落物及根系周轉(zhuǎn)向土壤的營養(yǎng)輸入（Wolde et al，2007）。Dormaar et al（1989）研究表明，長期放牧下土壤有機碳、氮等指標呈現(xiàn)減小趨勢。對美國北部大草原的研究發(fā)現(xiàn)圍封草地與放牧草地相比具有較高的碳含量，但全氮含量較低（Bauer et al，1987）。

（3）通過對三種類型草地圍封26年后圍欄內(nèi)外表層土壤的相關(guān)性分析得出，土壤含水量高的草地，其飽和含水量和田間持水量也較高，但土壤容重則較??；土壤容重高的土壤，其有機質(zhì)含量則較低；速效鉀含量高的土壤，其全磷含量也較高。

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Effects of enclosure on soil physical and chemical properties of Bayanbulak Subalpine Steppe

SU Jianhong1, ZHU Xinping1, JIA Hongtao1, ZHOU Jianqin1, WANG Yi2, LI Chunyue3
(1. College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China; 2. Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710061, China; 3. College of Tourism and Environment Sciences, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

Background, aim, and scopeXinjiang is China’s third prairie provinces and its natural grassland is about 5.7×107hm2. Bayanbulak grassland located in Middle Tianshan Mountain in Xinjiang, with an area of about 2.2×106hm2, is the second largest grassland in China. Bayinbuluke grassland plays an important role in maintaining the Kaidu River basin ecological environment and southern Tarim Basin Water Resources security. Bayinbuluke grassland degradation is serious for the long-term extensive management, overgrazing and indiscriminate reclamation. To evaluate the effects of fencing enclosure to restore the degraded grassland, soil physical and chemical properties inside and outside26 a history fences in alpine meadow, alpine meadow steppe and alpine steppe were analyzed.Materials and methodsThree parallel soil samples were collected at the inside and outside fence area at 0 — 20 cm. Soil bulk density, saturated water content, fi eld capacity were tested by cutting ring method. Soil moisture was tested by 105℃ oven drying method. Organic matter was determined by potassium dichromate heating method. Total nitrogen was tested by Kjeldahl’s method. Total phosphorus was analyzed by Mo-Sb colorimetric method. Soil potassium was tested by fl ame spectrophotometric method. Alkaline hydrolysis nitrogen was analyzed by alkali N-proliferation method. Available potassium was tested by fl ame spectrophotometric method.ResultsThe results showed as follows: (1) Saturated water content, fi eld capacity and soil moisture were higher inside the alpine meadow and alpine steppe fence; soil bulk density was lower than outside. The differences of fi eld capacity, soil moisture and soil bulk density between inside and outside the fence were signi fi cant at alpine meadow. (2) Soil organic matter inside the fence of alpine meadow was significantly higher than outside whereas soil nitrogen was signi fi cantly lower. Soil phosphorus inside the alpine meadow, alpine meadow steppe and alpine steppe sites was lower than outside. (3) The site has a higher soil moisture also has a higher saturated water content and fi eld capacity, and a lower bulk density. The higher bulk density soil has a lower soil organic matter content. The soil has higher available potassium also has higher total phosphorus.DiscussionThe results showed that fencing grassland is a bene fi t management scheme to soil physical and soil chemical properties recovery, but long time enclosure reduces soil phosphorus content. Therefore, the right management should carry out to maintain the fencing grassland ecosystem sustainable development.ConclusionsThe result shows that soil physical and soil chemical properties were recovery after the grassland was fenced. The phosphorus need supplemented by fertilization to promote the grassland ecological system maintains healthy state.Recommendations and perspectivesThis research provides a signi fi cant scienti fi c basis for grassland soil quality control and degraded grassland restoration. It is recommended that fencing enclosure is an effective method to recovery the degraded alpine grassland in Xinjiang. Phosphorus fertilization should be considered in the fencing area.

enclosure; Bayanbulak Subalpine Steppe; soil physical property; soil chemical property; phosphorus

WANG Yi, E-mail: wangyi@ieecas.cn

10.7515/JEE201605007

2016-05-30；錄用日期：2016-09-07

Received Date:2016-05-30;Accepted Date:2016-09-07

新疆草地資源與生態(tài)自治區(qū)重點實驗室開放課題（XJDX0209-2013-05)；國家自然科學基金項目（41671269，41501255）；中國科學院西部之光項目

Foundation Item:Open Project funded by Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resource and Ecology (XJDX0209-2013-05); National Natural Science Foundation of China (41671269, 41501255); West Light Foundation of Chinese Academy of Sciences

王 益，E-mail: wangyi@ieecas.cn