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SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA >

2013 , Vol. 33 >Issue 2: 231 - 237

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.02.231

Orginal Article

Water Quality and Quantity Characteristics and Its Evolution in Lake Bosten, Xinjiang over the Past 50 Years

  • WU Jing-lu , 1 ,
  • MA Long 2 ,
  • ZENG Hai-ao 1
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  • 1. State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing ,Jiangsu 210008,China
  • 2. State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi ,Xinjiang 830011,China

Received date: 2012-05-05

  Request revised date: 2012-09-17

  Online published: 2013-02-20

Copyright

本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

Abstract

With the analysis of lake water quality and quantity data from a systematic and scientific survey for Bosten Lake in August 2008, and combined with climate and hydrological data in the past 50 years, the characteristics of Bosten Lake evolution were studied. The result showed that the deepest point of Bosten Lake is 13.9 m with the volume of 43.44×108 m3 and the area of 928 km2. The lake evolution has temporal differences in the last 50 years, and it can be summarized into three periods. In the first period, about 1966 years ago, Bosten Lake was influenced by weak human activities with high water level above 1 048 m and low water salinity. In the second period of 1966-1996, the lake water level is low, and the water salinity is high. Especially in 1987, the lake level is the lowest with the highest salinity in the last 50 years. Subsequently, the lake water level increased with decreased water salinity significantly. In the fourth period from 1996 to 2005, the lake had the historic high water level, and the lake salinity decreased but not significantly, which caused by increased agricultural, urban and industrial water demand. In recent years, the lake level dropped rapidly with the lowest level in 2007. The water salinity also has shown a trend of increasing. The fish stocks and production were in a strong intervention of human activity. In addition, watershed urbanization and industrialization in relation to socio-economic development, have also led to water pollution and eutrophication of Bosten Lake, causing further deterioration of the lake’s water quality, which inferred that the lake faces new environmental pressures.

Key words： Lake Bosten; lake resources; human activity; climate change

Cite this article

WU Jing-lu , MA Long , ZENG Hai-ao . Water Quality and Quantity Characteristics and Its Evolution in Lake Bosten, Xinjiang over the Past 50 Years[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2013 , 33(2) : 231 -237 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2013.02.231

近十多年来,新疆干旱地区湖泊经历了湖面扩展、水体淡化到湖泊萎缩、水体咸化的剧烈变化,未来湖泊演化趋势不确定[1]。博斯腾湖作为中国最大内陆淡水湖,除了具有维系区域水位稳定、保持生态环境平衡等功能外,还是新疆最大的天然水域渔业基地。湖泊水位波动引起湖泊水质的剧烈变化,严重影响湖泊渔业产量和质量,直接影响地方经济的发展。2000年开都河进入丰水期,大量淡水进入博斯腾湖,湖水位上升到1 048.45 m,湖水矿化度下降为1.2 g/L,到2002年湖泊水位曾经达到器测以来最高的1 049.36 m[2]。同期,从2000年5月到2003年11月5次向下游应急输水,共计从博斯腾湖调出湖水22.2×108m3,有效地缓解了塔里木河下游生态环境严重恶化的趋势[3,4]。但近年来,尤其是2006年来,入湖河流水量明显减少,湖泊水位下降,2008年水位到1 046.2 m[5],比2000年下降了2.25 m,而到2010年5月,博斯腾湖水位已下降至1 045.39 m[6],离最低控制水位仅差0.39 m。水位迅速降低的同时湖泊矿化度大幅增加,水质明显变差。当前,随着湖泊水位持续下降,博斯腾湖水体咸化、局部富营养化以及生态环境恶化的问题严峻,严重威胁当地社会经济的可持续发展[7,8]。为此,作者在进行博斯腾湖综合调查基础上,结合湖区气象资料,开展近50 a来博斯腾湖水资源及其演化特征研究,为区域湖泊资源的保护与管理提供一定的科学依据。

1 概 况

博斯腾湖流域北为阿拉沟山,山峰海拔为4 000~4 300 m;南是霍拉山与库鲁克塔格,海拔3 000~2 000 m;西部额尔宾山,海拔4 300 m以上,部分山峰为冰雪覆盖;东部为干燥的低山丘陵,海拔低于2 000 m(图1)。博斯腾湖位于焉耆盆地东南部博湖县境内,是新疆目前湖面积最大的湖泊,也是中国最大的内陆淡水湖,盆地集水面积4.5×104km2,流入博斯腾湖的河流有开都河、黄水沟、清水沟等,常年性河流只有开都河[9]。开都河发源于西部积雪的高山(天山中部),由山地降水和冰雪融水补给,全长513 km,流域面积2.2×104 km2,年径流量达34.1×108 m3,孔雀河及西泵站扬水枢纽的输水干渠从西南角出湖[10]。
Fig.1 The geographical location of Bosten Lake

图1 博斯腾湖位置

2 野外调查与试验分析

于2008年8月,对博斯腾湖进行了较为全面的综合考察。采用南方灵舟SDE-28型回声测深仪和灵锐S80 GPS卫星定位系统测量湖内不同位置的水深,测量精度0.05 m。根据已有资料和湖泊轮廓,预先设定需测量的横断面和纵断面,实测时沿断面测量水深,每间隔5 m测量一个点。对测得水深采用克里金插值法[11],用ArcGIS 9.3作博斯腾湖等深线分布图（图2）。
Fig.2 Bathymetric map of Bosten Lake

图2 博斯腾湖等深线

湖泊水样采集包括湖体和河口,现场利用Hariba D54多参数水质分析仪测量pH、电导和水温,采用酸碱指示剂滴定法测定碱度。硬度根据Ca2+和Mg2+浓度计算获得。水样现场经GF/F滤膜过滤后,加1:1的硝酸酸化保存。实验室内采用ICP测量水体K+、Na+、Ca2+和Mg2+浓度,离子色谱法分析SO42-和Cl–浓度。

3 湖泊水量与水质特征

3.1 水位与水量

本文根据2008年对博斯腾湖的湖底地形测量,获得湖泊水深-面积-水量曲线（图3）,直观地展示了湖泊水位波动与湖泊面积以及水量变化的关系。由图3可知,博斯腾湖在最大水深为14 m时,湖泊面积为1 005 km2,蓄水量为59×108m3。总体上,博斯腾湖面积和水量的变化趋势基本一致,这与新疆地区其他湖泊明显不同[12],导致博斯腾湖对气候变化和人类活动的响应与新疆其它湖泊存在差异。
Fig.3 The relationships between water depth, surface size and volume of Lake Bosten

图3 博斯腾湖水深-面积-容积曲线

3.2 水化学特征

博斯腾湖湖水矿化度的变化范围为1.18 ~1.82 g/L,平均1.48 g/L,标准偏差为0.11（表1）。矿化度的最高值出现在湖泊西南部,最低值出现在湖泊中心(图4)。主要原因在于开都河河水从湖泊西南角注入,而开都河河水由于接纳了大量农田排盐水而矿化度明显偏高。博斯腾湖既是开都河的尾闾,又是孔雀河的源头,造成入水口和出水口都在大湖西南较小的区域内,湖区中部和东部水体交换能力弱,因而湖水矿化度分布不均匀。湖水pH差异较小,变化范围为8.51~8.75,平均8.65,属弱碱性,标准偏差为0.06,整个湖泊分布均匀(图4)。
Na+是博斯腾湖湖水的主要阳离子（表2）,浓度变化范围为8.84~12.63 meq/L,占总阳离子的百分比为52.02%。SO42-和Cl-是主要的阴离子,浓度变化范围分别为8.02~11.04 meq/L和6.28~8.82 meq/L,占阴离子总量的百分比为45.8%和35.9%。湖水主要离子浓度高低顺序为SO42->Cl->HCO3->CO32-、K++Na+>Mg2+>Ca2+。按照水化学分类原则[13],博斯腾湖湖水属于硫酸盐类、钠组、Ⅱ型水（图5）。
Table 1 The eigenvalues of total dissolved solids, total hardness, alkalinity and pH in Bosten Lake

表1 博斯腾湖矿化度、总硬度、碱度和pH

水化学指标 最高值 最低值 平均值±标准偏差
矿化度（g/L） 1.82 1.18 1.48±0.11
总硬度 （mg/L） 552.42 426.80 519.47±25.58
碱度（mg/L） 206.84 158.49 193.39±10.75
pH 8.75 8.51 8.65±0.06
Fig.4 Spatial distribution of total dissolved solids （a）and water pH value（b） in Lake Bosten

图4 博斯腾湖矿化度（a）和pH（b）空间分布

Table 2 The eigenvalues of major ion concentration in Lake Bosten

表2 博斯腾湖主要离子浓度特征值

特征值 阳离子(mg/L)/(meq/L) 阴离子(mg/L)/(meq/L)
K+ Na+ Ca2+ Mg2+ HCO3- CO32- SO42- Cl-
最高值 23.27
0.60		 290.40
12.63		 50.94
2.55		 102.02
8.50		 206.51
3.39		 45.00
1.50		 530.10
11.04		 313.00
8.82
最低值 16.45
0.42		 203.24
8.84		 45.57
2.28		 75.09
6.26		 146.40
2.40		 20.19
0.67		 384.80
8.02		 223.00
6.28
平均值 22.01
0.56		 263.78
11.47		 49.61
2.48		 94.91
7.91		 177.64
2.91		 30.45
1.01		 486.54
10.14		 286.13
8.06
标准偏差 1.58
0.04		 16.72
0.73		 1.24
0.06		 5.56
0.46		 15.42
0.25		 6.87
0.23		 28.18
0.59		 17.50
0.49
注：带下划线的数字单位为mg/L;其他数字单位为meq/L。
Fig.5 Ternary diagrams of major cations and anions in Bosten Lake

图5 博斯腾湖主要阴离子和阳离子三角比例关系

4 博斯腾湖对气候与人类活动影响的响应

4.1 湖区气候变化特征

选择焉耆和库尔勒气象站近50 a来的气象资料,对博斯腾湖地区的气候变化特征进行分析（图6）。据统计,焉耆多年平均气温为8.4 ℃,多年平均降水量为74.4 mm。库尔勒气象站多年平均气温11.7 ℃,多年平均降水量为55.3 mm。焉耆气象站距博斯腾湖20 km左右,由于博斯腾湖的蒸发,在焉耆盆地产生较多的水汽来源,导致焉耆降水量比位于塔里木盆地边缘的库尔勒降水量偏多。同时由于受四周高山环绕和近千平方公里博斯腾湖水面的影响,夏季气温比库尔勒低,冬季气温比库尔勒高。两站近50 a来年均气温和年降水量变化趋势相似,20世纪50年代以来年均气温总体上保持上升趋势,目前温度处于上升阶段。从年降水量的时间变化分析,焉耆气象站1988~2010年降水量平均值86.3 mm与1952~1987年降水量平均值66.8 mm相比,增加了23%;库尔勒气象站1988~2009年降水量平均值59.6 mm与1959~1987年降水量平均值51.9 mm相比,增加了14%。从整体来看,博斯腾湖地区1988~2010年降水量处于近50 a来的高值阶段,但2000年以来降水量有下降的趋势。相对环湖地区降水的变化幅度,流域平均降水增加较缓慢,但总体增加;温度变化也有相似的变化趋势,湖周地区温度变化幅度大于流域平均温度的变化[14]。对应于气候变化,约1987年以来,博斯腾湖湖泊水位呈现稳步升高的趋势。湖泊水位由1987年的约1 044.95 m的低点到2002年的约1 049.40 m,反映了流域入湖水量的增加。
Fig.6 The annual average temperature and annual precipitation and their 5-year running average in Yanqi and Kuerle meteorological stations

图6 焉耆和库尔勒年均气温、年降水量及5年滑动平均曲线

4.2 流域人类活动变化特征

除了气候变化因素外,影响博斯腾湖流域水资源变化的主要因素就是流域人类活动耗水,尤其是流域灌溉用水的变化是影响湖泊水资源的重要因素。农业灌溉面积扩展使得耗水量增加,导致入湖水量减少。20世纪60年代中期以后尤其是70年代末以来,博斯腾湖流域经历了大规模的农业开发。通过开渠引水、洗盐排水、植树造林等人类活动,湖泊流域绿洲由原来以荒漠植被、地表盐分含量较大的天然绿洲,变成了林带成网、沟渠纵横的人工绿洲。绿洲面积的扩大带动相应引水量的增加。20世纪50年代初,流域农田灌溉面积约1×104hm2,引水量约3×108m3。50年代末,农垦事业迅速发展,从1960年灌溉面积为5.78×104hm2到1989年为10.24×104hm2。绿洲引水量由1950年的3×108m3,1958年的8.17×108m3,增加到1986年的约10.3×108m3左右[15]。然而,自1987年以来,流域总引水量比前期有所减少并趋于相对稳定。1999年以来灌溉面积从1999年的12.62×104hm2增加到2003年的约15.6×104hm2,流域用水量也增加到2003年的约17.9×108m3左右[16]。

4.3 气候与人类活动影响的湖泊响应

博斯腾湖的水质水量变化是气候和人类活动共同影响的结果。20世纪50年代以来至1987年,湖泊水量呈逐年下降趋势,下降幅度为29.43×108 m3,此后,湖水量开始增加,至2002年上升幅度为34.34×108 m3,随着湖泊扩展和萎缩,湖泊水体也出现淡化和浓缩（图7）。50年代以来至1987年,湖水矿化度呈逐年上升趋势,上升幅度为1.26 g/L,此后,湖水矿化度开始下降,至2002年矿化度下降幅度为0.68 g/L。近十几年来,湖水又开始出现明显咸化趋势,2009年达到1.512 g/L[17]。
Fig.7 Water-storage capacity and salinity of Bosten Lake compared with annual total precipitation of Yanqi, irrigation area and agricultural water demand( The data of water salinity derived from reference[17] and the data of irrigation area and agricultural water demand are from reference[15,16])

图7 博斯腾湖水量、矿化度以及湖区降水与灌溉面积和灌溉耗水量变化(注：矿化度参照文献[17],灌溉面积和灌溉耗水量参照文献[15,16]。)

从降水和湖泊水量变化对应关系分析,湖泊水量短期波动与年降水变化一致。20世纪50年代至1987年湖泊水量呈下降趋势,对应于20世纪60年代后期至80年代中期降水量减少（图6）。湖泊水量波动变化的另一因素是农业灌溉用水量的增减。20世纪50年代初,流域农田灌溉面积约1×104 hm2,引水量约3×108 m3。50年代末,农垦事业迅速发展,从1960年灌溉面积为5.78×104 hm2到1989年为10.24×104 hm2。随着灌溉面积的扩大,引水量迅速增加（图7）,1960年引水12.36×108 m3,1981年高达16.46×108 m3,以后,加强灌溉管理,灌溉定额降低,引水量减少。另外,1983年后,解放一渠减少向孔雀河输水。因此,在干旱气候与人类灌溉用水增加的共同作用下,1987年以前,博斯腾湖蓄水量出现明显的下降,湖水矿化度增加。1987年以来,流域降水量增加同时人类活动耗水量也基本稳定,湖泊水位升高。自1988~1992年期间,湖泊水量以增加为主,但处于历史低位。1995年以来,随着开都河进入丰水期,加之人们提高了对博斯腾湖生态与环境认识,加大了湖泊生态与环境综合治理的力度,促使流域入湖水量的大幅增加,至2002年湖泊水位达到1 049.4 m的历史高水位,湖泊水量为74.20×108m3。然而,近几年,湖泊水量又出现快速下降,2008年湖泊水量58.42×108 m3至2010年湖泊水量下降到近历史低点,湖水环境加剧恶化。
湖水矿化度变化与水量呈现总体一致趋势。1958~1982年,湖水矿化度急剧升高,增长幅度为0.051 g/L。期间,由于入湖水量的减少,湖泊水量逐渐下降,加之流域内大量高含盐的农田排水直接进入湖体,导致湖水中的盐分积累,矿化度升高,使得博斯腾湖由淡水湖变为微咸水湖。1983~至1988年,湖水矿化度稳定在较高值（1.83~1.87 g/L）。1983年湖西部扬水站投入运行,博斯腾湖的盐累积情况得到一定的缓解。1989~2002年,湖水矿化度逐步降低,减小幅度为0.046 g/L。20世纪90年代以来,开都河上游径流增大,入湖水量逐年增加,博湖水面上升,蓄水量逐年增加,而河水入湖量相对稳定,使得博湖污染物浓度逐年呈下降趋势。2003年以来,湖水矿化度又以0.055 g/L的速度快速增加。2003年以来,博斯腾湖蓄水量开始逐渐下降,2004年水位与2002年8月相比下降了近1.5 m,塔河中游首次出现了断流现象,同期的开都河来水量也创下了历史同期最低水位。总之,博斯腾湖的矿化度变化与水量变化密切相关,20世纪60年代蓄水量较高,矿化度低。尔后,随水量降低矿化度渐渐升高,并于1987年处于最高值段,对应的湖泊水量为近50 a来最低,保持较好的相关。约2002年,湖泊蓄水量处于器测记录以来的最高段,湖水矿化度明显下降。近年来,随湖泊蓄水量的快速下降,矿化度再次出现较明显的升高趋势,但近期湖水矿化度增加幅度大于20世纪50~80年代间的幅度,表明人类活动在矿化度的变化中也起到重要作用。

5 结论与讨论

在气候和人类活动的共同驱动下,博斯腾湖水质水量经历了不同的演化阶段,湖泊对不同时期气候和人类活动的响应存在较大的差异。20世纪60年代中后期,人类活动对湖泊环境的影响明显加剧,同时气候出现干旱,农业灌溉面积大幅增加,农业引水量增加,使入湖淡水减少而高矿化度农田排水量增加。1975年扩建了解放一渠向孔雀河直接输水,使得湖水咸化过程加剧,人为直接导致入湖水量减少。1982年以后虽然停止使用解放一渠,但气候干旱使湖泊水位仍然快速下降。1987年以来,在气候变化的驱动下,入湖水量增加,湖泊水体矿化度呈下降趋势。而近年来,气候变化频繁,加之流域人类用水途径和方式从早期较单一的农业用水到目前的多样化用水,尤其是农业用水外,工业用水、城市用水等对水资源需求大幅增加。同时,人类活动对湖泊除了有用水量要求外,还造成大量污染物的排泄入湖。据统计,近年环湖地区每年约有4.8×108 m3的农田排水、2000×104 m3的超标工业废水和生活污水直接或间接排入博斯腾湖[16],使得湖水质量快速下降,对湖泊环境造成双重压力。据本次调查,2008年比2000年水量下降15.78×108 m3,而水质除咸化外,出现严重的污染和富营养化,博斯腾湖水质在III-IV类,总体上为III类,水体以黄水沟区污染最重,达到V类。水质污染和富营养化,加剧了湖泊水体资源以及环境的危机。生物资源,尤其是鱼类资源出现结构性变化,土著鱼类在70年代基本消失[2]。目前,博斯腾湖渔业资源主要依赖人工培养引种养殖,加大鱼种增殖放流,保持高产量。但随着水质进一步的恶化,对渔业资源的可持续发展造成严重威胁。
根据博斯腾湖水量水质以及流域温度、降水、农业灌溉耗水量等变化分析,结合湖泊渔业资源的变化[2],可以将博斯腾湖演化划分为3个不同的阶段。
1) 1966年以前,湖泊处于1 048 m以上的高水位,矿化度低,约为0.43 mg/L,湖泊生物以自然状态为主,鱼种十分单一,主要为土著鱼扁吻鱼(Aspiorhynchus laticeps)和塔里木裂腹鱼(Schizothorax biddulphi),湖泊受人类活动影响弱。
2) 1966~1996年,湖泊水位低,矿化度高,其中约1987年湖泊水位处于历史低值而矿化度为最高时段。鱼类种群结构演替,土著鱼类扁吻鱼和塔里木裂腹鱼消失,河鲈（Perca fluviatilis）、贝加尔雅罗鱼（Leuciscus baicalensis）同时引进,并以河鲈为主的时期。这一时期可以分为两个不同的时段,1966~1987年,湖泊水位呈逐步下降趋势并在约1987年处于最低值段,矿化度则不断增加,在1987年达到最高的1.78 g/L并保持高值段,湖泊萎缩水体咸化。期间,1973年土著鱼扁吻鱼消失,1984年塔里木裂腹鱼也几乎绝迹,而河鲈成为主要的鱼种,湖泊鱼类种群结构发生明显的变化。湖泊环境的明显变化与气候干旱化以及人类活动的强烈影响有关,表现为这一时段流域的降水量处于低值段而人类活动耗水明显增加、耕地面积逐步扩大。1987~1996年湖泊处于低水位且矿化度较高,但明显处于水位的上升、矿化度下降阶段,鱼类除河鲈外,鲫鱼（Carassius auratus）也占有较大的比例,同时池沼公鱼(Hypomesus olidus)开始引进并占有一定的比例。这一时段流域降水量增加,耕地面积虽然有所增加但人类灌溉引水量下降,湖泊扩展水体淡化。
3) 1996~2005年,湖泊水位快速上升到历史高值的1 048 m,并处于高水位,矿化度有所下降但不明显,这一时期降水量较高但有减少趋势而流域人类用水处于历史高位,鱼类再次出现明显的变化,河鲈明显下降,池沼公鱼为主要鱼类。最近几年湖泊水位快速下降,并出现历史的低水位,湖泊矿化度也呈现升高趋势,鱼类种群和产量受人类强烈干预。另外,除了传统农业活动引起湖泊水量水质变化外,流域社会经济发展带来的城市化和工业化,带来入湖营养盐和污染物增加,导致湖泊污染和富营养化,引起水质进一步恶化,湖泊将面临新的生态环境压力。

The authors have declared that no competing interests exist.

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
[1]
吴敬禄,马龙.新疆干旱区湖泊演化及其气候水文特征[J].海洋地质与第四纪地质,2011,31(2):135~143.

[2]
郭焱,张人铭,蔡林刚,等.博斯腾湖鱼类资源及渔业[M].乌鲁木齐:新疆科学技术出版社,2005:1~156.

[3]
左其亭,李静,马军霞,等.博斯腾湖向塔里木河输水风险分析方法[J].干旱区地理,2004,27(3):361~366.

[4]
左其亭. 博斯腾湖向塔里木河生态输水效果及风险[J].地理科学,2006,26(5):564~568.

[5]
中国环境监测总站.博斯腾湖水环境形势堪忧[N/OL].中国环境监测总站,2008-01-29.

[6]
张慧疆.博斯腾湖水位已下降至1045.39米[N/OL].亚心网,2000-05-06.

[7]
万洪秀,孙占东,王润.博斯腾湖水位变动对湿地生态环境的影响[J].自然资源学报,2006, 21(2):260~266.

[8]
高华中,姚亦锋.近50年来人类活动对博斯腾湖水位影响的量化研究[J].地理科学,2005,25(3):305~309.

[9]
王苏民,窦鸿身.中国湖泊志[M].北京:科学出版社,1998:345~346.

[10]
左其亭,马军霞,陈曦.博斯腾湖水体矿化度变化趋势及调控研究[J].水科学进展,2004,15(3):307~311.

[11]
Wackernagel H.Multivariate Geostatistics:an introduction with applications[M].New York:Springer,2003:79~120.

[12]
吴敬禄,曾海鳌,马龙,等.新疆主要湖泊水资源及近期变化分析[J]. 第四纪研究, 2012, 32(1):142~150.

[13]
吴吉春,张景飞.水环境化学[M].北京:中国水利水电出版社,2009:59~60.

[14]
陈喜,吴敬禄,王玲.人工神经网络模型预测气候变化对博斯腾湖流域径流影响[J].湖泊科学,2005,17(3):207~212.

[15]
周成虎,罗格平,李策,等.博斯腾湖环境变化及其与焉耆盆地绿洲开发的关系[J].地理研究,2001,20(11):14~23.

[16]
张建平. 博斯腾湖流域生态环境现状及治理对策浅析[J].环境科技,2010,23(S2):76~79.

[17]
董新光,钟瑞森,刘丰.近50年博斯腾湖与孔雀河水盐演变过程[J].科技导报,2006,24(1):34~37.

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