全 文 :黄土高原吕二沟流域侵蚀产沙对土地
利用变化的响应*
张志强1* * 王盛萍1 孙 阁2 张满良3 李建劳3
( 1 北京林业大学 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室, 北京 100083; 2Southern G lobal Change Progr am, USDA Forest
Service, Raleigh, NC 27606, USA; 3水利部黄河水利委员会天水水土保持试验站,天水 741000)
摘要 研究了甘肃天水黄土高原吕二沟流域土地利用变化对流域产沙的影响. 结果表明, 与 1982 年相
比, 1989 年该流域林草面积增加约 5% ,梯田增加 2 09% , 裸地略有增加, 坡耕地减少约 1 5% , 灌木林略
有减少. 1998~ 2000年, 在植被覆被增加、陡坡坡耕地减少情况下, 随降水增多, 其减沙效应明显, 如 803
mm 和 786 mm 降雨条件下,后期较前期( 1982~ 1989 年)分别减少 85 326 t和 52 937 t,降水较少, 减沙效
应较不明显; 从年内含沙量变化来看,后期土地利用的减沙效应主要集中在 5~ 10 月, 与降水的季节分配
一致, 各月降水越多,月日均含沙量减少越多, 50 mm 的月降水月日均含沙量减少 6 kg!m- 3 , 100 mm 月降
水月日均含沙量减少 12 kg!m- 3 两期土地利用在重现期小于 5年时, 后期土地利用洪水含沙量较前期稍
大, 主要由于两期的降水频率分布曲线不一致;若两期降水频率分布曲线一致,则同一频率降水产洪的洪
水含沙量后期将小于前期.
关键词 土地利用变化 产沙变化 黄土高原
文章编号 1001- 9332( 2005) 09- 1607- 06 中图分类号 S154 1 文献标识码 A
Response of sediment production to landuse change in Luergou watershed of Loess Plateau. ZHANG Zhiqiang1 ,
WANG Shengping1 , SUN Ge2 , ZHANG Manliang3 , L I Jianlao3( 1K ey L aboratory of Soil and Water Conser v a
tion and Deser tif ication Combating of Education M inistry , Beij ing For estry Univ ersity , Beij ing 100083, Chi
na; 2Southern Global Change Program , USDA Forest Ser vice, Raleigh, NC 27606, USA ; 3T ianshui Soil and
Water Conser vation Exp er imental Station , Yellow River Water Resour ces Commission of Water Resources M in
istr y , T ianshui 741000, China) . Chin. J . A pp l . Ecol . , 2005, 16( 9) : 1607~ 1612.
The study on the effects of different land use patterns on the sediment production in Luergou w atershed of Loess
Plateau indicated that in comparing with 1982, the areas of for est and grass and of terr ace in 1989 increased by
5% and 2. 09% , r espectiv ely, w hile t hat of slope plowland decreased by 1. 5% , w ith the area of naked land and
shrubbery respectively increased and decreased a little. During 1998~ 2000, w ith the increase of vegetation cover
and the decrease of steep slope plow land, the sediment production r educed significantly under high precipitation,
85 326 and 52 937 t under the precipitation of 803 and 786 mm, respectively, and not distinguishable in dry
years. The reduction effect had a str ong seasonality , w hich consisted w ith rainfall distribution. For example, in a
mont h wit h 50 mm precipitation, the mean daily sediment concentration w as reduced by 6 kg!m- 3, w hile in a
mont h w ith 100 mm precipitation, the reduct ion was 12 kg!m- 3 . Rainfall intensity also played an important role
in soil erosion and sediment production, regardless of land use conditions.
Key words Land use change, Sediment pr oduction, Loss Plateau.
* 国家重点基础研究发展规划资助项目( 2002CB111502)
* * 通讯联系人
2005- 04- 08收稿, 2005- 05- 24接受
1 引 言
土壤侵蚀引起的土地退化和其他环境问题是目
前各国研究的重要领域之一. 在影响土壤侵蚀和流
域产沙的诸多因素(如气候、土壤、地形、植被、人为
因素等)中,土地利用变化是十分重要的方面.因此,
土壤侵蚀和泥沙输移在坡面与流域尺度上对土地利
用/地表覆盖变化的响应是水文学、土壤学、农学、地
理学家共同关注的研究课题, 合理的土地利用/土地
覆被 可以 有 效 地 减 少 流域 土 壤 侵 蚀 和 产
沙[ 5, 10, 13, 19] .目前, 有关侵蚀的研究多集中于坡面
尺度,流域尺度的研究多借助于各种模型进行情景
模拟.这需要提供足够的资料及参数,以保证模型的
有效性. 由于土地覆被资料费时费力以及难以定量
表达,因此, 植被变化与流域侵蚀产沙关系的研究仍
是流域土壤侵蚀产沙研究的薄弱环节[ 13] .高强度集
中降雨,土壤疏松,加之土地利用不合理, 导致我国
黄土高原高地区水土流失十分严重. 本研究以位于
黄土高原的甘肃省天水市吕二沟流域为例,通过回
应 用 生 态 学 报 2005 年 9 月 第 16 卷 第 9 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Sep. 2005, 16( 9)∀1607~ 1612
归模型展延不同时期的资料数据,比较分析了不同
土地利用/土地覆被对流域产沙的影响,旨在以简便
有效的方法探讨土地利用/土地覆被变化与流域侵
蚀产沙的关系, 为今后的流域土地利用规划、管理以
及生态环境建设提供依据.
2 研究地区与研究方法
21 研究地区概况
实验流域位于甘肃省天水市南郊( 105#43∃E, 34#34∃N) ,
是渭河支流藉河右岸的一级支沟. 流域地势南高北低, 相对
高差 532 m,流域面积 1201 km2 ,其中坡面占 807% , 大部
分在 5#~ 20#左右, 沟壑 2 33 km2, 占 193% . 流域内沟壑纵
横,沟壑密度 3 8 km!km- 2 ,溯源侵蚀严重 ,地质结构属陇西
盆地东边缘地带,上游系白垩纪红色沙砾层, 下游显现甘肃
系红层及局部漂白层, 岩石多为红色沙砾岩, 分水梁峁黄土
覆盖, 低山坡脚为青土与红土露头, 土层薄厚不等, 色调不
一,在土壤侵蚀类型上可作为黄土丘陵沟壑区第三副区的典
型代表. 流域年平均降水 5741 mm, 年际变幅大, 年内分布
不均, 5~ 10 月份降水量占全年降水量的 833% , 年均径流
模数 30 260 m3!km- 2 ,年均侵蚀模数 2 577 4 t!km- 2. 流域
上游农田较少,植被较好; 下游覆盖度较差,主要农作物有小
麦 ( T r iticum aestivum )、玉米 ( Zea mays )、洋芋 ( Solanum
tuber osum) 等, 无原生林木, 现人工林多为中龄林,主要林分
为刺槐 ( Robinia pseudoaeacio )、油松 ( Pinus tabulaef ormis )
等. 此外, 分布有山杏 ( Prunus armeniaca)、核桃 ( Juglans
regia) 等经济林; 野生草本植物主要有白草 (Pennisetum
f laccidum)、鹅 冠 草 ( Roegner ia kanoj i)、碱 草 ( Elymus
dahur icus )、蒿类( Pedicular is) 等, 因过度放牧生长不良.
22 研究方法
221 数据采集与处理 数据来源于黄河水利委员会甘肃
天水水土保持试验站.分别在流域内上、中、下游布设降雨观
测站,流域出口设径流、泥沙观测站.降雨采用 SL1 遥测雨量
器观测,一般按两段制观测, 5~ 10 月份按四段制观测; 流域
沟口为自然断面,因城市修建沟道两岸形成较高河堤, 断面
呈梯形,中小水时采用浮标法测速, 浮标系数采用 0 85, 测
杆测量水深,皮尺测量岸边距. 中大水时采用浮标法测速, 标
系数采用 0 65,并记水位, 根据洪前所测断面图确定洪水水
深和岸边距.每天 8: 00 和 20: 00观测 2次, 洪水期视水情增
加测次,每天 5~ 10 次. 流量计算见公式( 1) . 流经流域测站
水流紊动扩散作用强, 悬移质含沙量一般呈均匀分布, 因此
泥沙观测采用水边一点法取样,每天取样次数与测流次数基
本相同,采用置换法获取含沙量,经推导得到式( 2) , 观测时
距相等时,逐日平均流量及逐日平均含沙量采用算术平均法
计算,观测时距不等或部分时段内河干时采用面积包围法计
算.
Q = a % F % V (1)
式中, Q 为流量(m3! s- 1) ; V 为流速(m! s- 1 ) ; F 为过流断面
面积(m2) ; a 为浮标系数.
Ws =
r s
r s - r w
( Ww s - W 2 ) ( 2)
取 r s = 265, r w = 10,得到
Ws = 1 6 % ( W ws - W 2) ( 3)
S =
W s
V
% 1000 ( 4)
式中, W ws为取样瓶及浑水重( g) ; W 2 为与样品同体积的清
水重及瓶重( g ) ; W s 为净沙重( g) ; r s、r w 分别为沙和水的容
重; V 为样品体积( ml) , S 为含沙量( kg!m- 3 ) .
2 2 2 土地利用分类标准 该流域 20 世纪 80 年代以前修
建了大量水土保持工程, 80 年代以后开展了水文泥沙气候
观测. 1989 年与 2000 年相比流域土地利用未发生明显变
化,因此,以 1982年和 1989 年两期土地利用资料为依据分
为两个时段进行分析, 即 1982~ 1988 为前期, 1989~ 2000
为后期.由于两期土地利用分类稍有出入, 采用统一分类标
准重新划分: 有林地、草地、果园、灌木林、疏林地、裸地、坡耕
地、居民占地和梯田.
3 结果与分析
31 吕二沟流域土地利用变化
表 1 对比了吕二沟流域两期土地利用变化:后
期土地利用植被覆被面积较前期有所增加,有林地、
疏林地、草地和果园分别增加了 096%、19%、
04%和 04%, 其中有林地增加的百分比较小, 但
其所占流域面积比例较大;流域内坡耕地及梯田均
占流域较大面积, 后期较前期坡耕地减少 152%,
而梯田增加了 209%;灌木林具有较强的水土保持
效益,虽然后期较前期有所减少, 但其所占面积较
小,对流域侵蚀产沙的影响作用较小.流域侵蚀产沙
不仅与植被覆被密切相关, 还受坡度的影响,而土地
利用变化既指植被覆被的变化, 也是土地格局的变
化,缓坡裸地面积的增加对侵蚀产沙的影响与陡坡
裸地明显不同,因此,进一步比较两期土地利用各级
坡度的裸地、坡耕地面积变化(图 1) : 前、后两期土
地利用的裸地、坡耕地占流域面积分别达 2365%
和 2224% ,而图中两期土地利用的裸地、坡耕地几
乎均位于黄土高原面蚀与沟蚀的临界侵蚀坡度
5#[ 24]以上,其中 25#以上的裸地、坡耕地占流域面积
分别为 341%和 354%, 与灌木林、果园等地类相
比,其面积比例仍不容忽视,流域内土壤侵蚀以细沟
侵蚀、浅沟以及切沟侵蚀为主. 比较两期土地利用,
后期较前期裸地、坡耕地减少 6%, 且主要集中在坡
度 15#~ 25#的区域内, 有助于减小流域产沙. 表中居
民占地实际包括村庄、厂矿占地,以及非农业生产用
地,土地利用后期厂矿用地及非农业生产用地有所
减少,因此居民占地面积比例减少.
1608 应 用 生 态 学 报 16卷
表 1 吕二沟流域两期土地利用对比
Table 1 Comparison of land use between two periods in Luergou watershed( total area: 1201 km2)
土地利用
Land use period
灌木林
Shrub
果 园
Orchard
草 地
Grassland
裸土地
Bare soil
居民占地
Habitation occupation
坡耕地
Sloping farmland
疏林地
Sparse wood
梯 田
Terrace
有林地
Forested land
1 982~ 1988 面积A rea( km2) 0200 0174 2921 0 029 1 096 2 811 0329 1572 2879
占流域 Percent of area( % ) 166 145 2432 0 24 9 12 23 41 274 1309 2397
1 989~ 2000 面积A rea( km2) 0126 0222 3405 0 042 0 212 2 629 0557 1823 2993
占流域 Percent of area( % ) 105 185 2835 0 35 1 77 21 89 464 1518 2492
变化Change( % ) - 061 + 040 + 403 + 0 11 - 7 35 - 1 52 + 190 + 209 + 096
图 1 吕二沟流域两期土地利用各级坡度裸地、坡耕地累积面积比
Fig. 1 Cumulat ive percent area of bare soil t ogeth er w ith sloping farm
lan d.
32 土地利用变化对流域年产沙量的影响
建立年产沙量与年降水、年径流的回归方程可
揭示 1982~ 1988、1989~ 2000年前后两期土地利用
的降水、产流和产沙规律,但由此产生的回归模型未
达显著水平,因此改用逐步回归分别建立回归方程.
1982 ~ 1988: S 1 = - 8502 351+ 1346 455Q 1
( R 2 = 0694, n = 7) (5)
1989 ~ 2000: S 2 = 2568 224 + 633884Q 2
( R
2
= 0767, n = 12) (6)
式中, S 1、S 2 为年输沙量 ( t ) ; Q 1、Q 2 为年径流量
(mm) ; n 为样本数.
关于流域产沙、输沙的研究,多数学者以径流为
主要预测因子[ 6, 20, 21] . Fitgerald[ 2]认为,在多元回归
模型中, 降水可作 为一个潜在的预测因子;
Lemke[ 12]等曾以降水为预测因子之一研究流域产
沙、输沙.本研究回归模型仅包括径流预测因子. 由
于植被等地表物质的作用, 降水将通过地表径流间
接影响流域产沙.与农业流域相比,当流域植被覆盖
增加时,降水对流域产沙的影响将由直接影响转为
以间接影响为主,因此可能得到仅有径流预测因子
的回归模型.模型本身不仅体现了径流对产沙的影
响,还间接地反映了降水对产沙的影响.
由于本研究基于单个流域不同土地利用时期的
水文资料, 因此必须剔除降水的影响才能分析土地
利用变化对流域产沙的影响. 根据式( 5)、( 6)分别计
算1982~ 2000年各年降水径流条件下的产沙量,
得到相同降雨、径流条件下不同土地利用状况的预
测径流.由图 2可以看出,在相同降水径流条件下,
当降水较多时,后期植被覆盖度较多,裸地、坡耕地
减少,其土地利用较前期产沙量显著减小;当平水年
或降水较少时,同一降水径流条件下后期土地利用
较前期年产沙量减少较小或有所增加.有学者认为,
降雨量增大弱化了下垫面条件对降雨产沙关系的
影响[ 5, 27] , 而部分研究[ 17]则认为退耕还林还草在多
雨和暴雨多年份减沙减水效应最强, 与本研究结论
相似.经初步分析得到流域随着降水增多,土地利用
/植被变化对降水产流的影响作用增强.径流作为水
流挟沙的主要动力,降水量较多,不同土地利用的降
雨- 产流差异增大, 产沙、输沙差异随之增大,反之
亦然.可见黄土高原地区植被覆盖率增加、坡耕地减
少在一定程度上可以减少小流域产沙、输沙,但其作
用程度取决于降水量的大小,降水量越多,其减沙效
应越明显;降水量越少,则土地利用变化对产沙的影
响越小.
图 2 降雨( & )与流域输沙量( ∋ )年变化
Fig. 2 Variat ion of annual sediment yield change( ∋ ) and precipitat ion
over t ime( & ) .
33 土地利用变化对流域产沙季节性变化的影响
为避免极值影响, 以月日均含沙量为对象探讨
土地利用变化对流域产沙的季节性影响. 概括两期
土地利用的各月降水、径流及含沙量多年平均值,建
立三者之间的回归方程:
1982 ~ 1988:
Sc1 = - 1116 + 0 154 % P1m - 0042 % Q 1m
( R 2 = 0 981, n = 12) ( 7)
16099 期 张志强等:黄土高原吕二沟流域侵蚀产沙对土地利用变化的响应
1989 ~ 2000:
S c2 = - 0 886+ 0047 % P 2m + 0 975 % Q 2m
( R 2 = 0917, n = 12) (8)
式中, Sc1、Sc2为月日均含沙量( kg!m- 3) , P1m、P2m为
月均降水量( mm) , Q1m、Q2m为月均径流量( mm) .为
有效地比较不同时期土地利用变化对产沙的季节性
影响,仍根据回归模型计算多年平均各月降水、径流
条件下的产沙量,旨在剔除降水、径流的影响.
由图 3可见,后期各月日均含沙量较前期减小.
含沙量并不等同于输沙量,但含沙量大,意味着同一
流域内单位面积上的土壤流失量较大, 反之亦然. 由
于该流域后期土地利用条件的各月产流较前期减
少,因此从月的水平来看, 含沙量减小, 其输沙量也
势必减小.
图 3 不同土地利用流域产沙累积比较
Fig. 3 Comparison of sediment yield dist ribution for dif ferent land use.
A: 1982~ 1988年降雨、径流条件 The case of precipitat ion and runof f
f or 1982~ 1988; B: 1989~ 2000年降雨、径流条件 The case for 1989
~ 2000; 1)预测 1 Prediction 1; 2) 预测 2 Predict ion 2; 3 )降雨量 Pre
cipitat ion.
此外, 两期土地利用曲线均在 5~ 10月增长较
快, 10月以后曲线基本平行,说明流域侵蚀产沙主
要集中在 5~ 10月, 其它各月侵蚀较少或无侵蚀. 很
明显, 5~ 10月降水占全年降水 833%, 降水增大,
侵蚀也将增大. 彭文英等[ 18]也认为减流减沙效应在
暴雨多的季节效应较强.图 3中 A 与 B的后期土地
利用日均含沙量曲线增长速率不同,主要是由于两
期土地利用总体降水不同,后期较前期丰水年较多,
各月降水也较多, 侵蚀增多,日均含沙量增大, 曲线
上升较快. 根据式 ( 7)、式 ( 8) 分别计算了 1982 ~
1988、1989~ 2000年两期土地利用各月的日均含沙
量,并进行比较,图 4为后期土地利用较前期日均含
沙量变化与各月降水的关系, 虽然部分散点仍远离
趋势,但整体上月降水越多, 月日均含沙量减少越
多,增加植被覆盖、减少坡耕地的土地利用其减少侵
蚀产沙的作用越明显, 如当月降水为 50 mm 时, 日
均径流含沙量减少 6 kg!m- 3, 而当月降水达 100
mm 时,日均径流含沙量减少 12 kg!m- 3.
图 4 降水日均含沙量减少散点图
Fig. 4 Relationship betw een precipitat ion and reduct ion of daily sediment
concent rat ion relat ive to the earlier period.
34 土地利用变化对洪水产沙的影响
黄土高原地区降雨产流以超渗产流为主,土壤侵
蚀与产流产沙多发生于短历时、高强度的降雨[ 17] ,土
地利用变化对于小尺度的暴雨产流产沙将具有显著
影响.为此,采用频率曲线( Duration curve)首先分析了
不同土地利用的降雨、产流,而后依据各期土地利用
洪水时间尺度上的降水径流产沙关系探讨土地利
用变化对洪水产沙的影响.图 5为 Pearson(计算得
到两期土地利用降雨、洪水的频率分布, 其中洪水以
平均流量大于 1 m3!s- 1进行摘录. 相关分析表明,洪
水平均含沙量与雨强、洪峰流量均存在相关性,因此,
以雨强、洪峰流量为预测因子,分别对两期土地利用
的洪水平均含沙量进行回归预测.
图 5 两期土地利用降水( I)、洪峰流量( Q)频率分布
Fig. 5 Durat ion curves of precipitat ion( I) and peak flow ( Q) for two pe
riods.
1) 1982~ 1988; 2) 1989~ 2000.下同 T he same below .
1982 ~ 1988: Scf 1 = 46381 + 1 214I h1+ 16 053Q p1
1610 应 用 生 态 学 报 16卷
( R 2 = 0884, n = 27) (9)
1989 ~ 2000: Scf 2 = 85 945 + 1 901I h2 + 7 064Q p2
( R 2 = 0684, n = 17) ( 10)
式中, S cf 1、Scf 2为洪水平均含沙量 ( kg!m- 3) ; I h1、
I h2为平均雨强( mm!h- 1 ) ; Q p1、Q p2为洪峰流量( m3
!s- 1) .根据式( 9)、( 10)计算了两期土地利用条件下
相同频率降雨、洪水的产沙量 (图 6) . 由图 6 可见,
在相同频率的降水及洪水重现期条件下, 当重现期
< 5年时,后期土地利用洪水含沙量较前期大; 重现
期> 5年时, 后期土地利用产沙量较前减小.结合降
雨、洪水频率分析, 当降水及洪水频率分布在 20%
~ 100%范围内(重现期)105年而< 5年时, 相同
频率下后期土地利用洪峰流量较前期偏小, 但降水
强度显著大于前期.洪峰流量与雨强均为回归方程
中预测因子,因此此频率范围段内计算含沙量后期
要大于前期.若两期土地利用雨强频率分布一致, 后
期洪峰流量较前期减少, 则后期洪水含沙量将较前
图 6 相同降水频率下两期土地利用洪水产沙量比较
Fig. 6 Comparison of sediment concent rat ion corresponding to the same
f requency of precipitat ion for tw o lan d use periods.
图 7 降水( a)和洪水输沙( b)过程线比较
Fig. 7 Comparison of precipitat ion ( a) and sediment concent rat ion ( b)
over time.
1) 19840619; 2) 19900907.
期小.图 7为降雨过程线及洪水过程线,平均雨强为
22 mm!h- 1,按雨量等级划分属于暴雨 ( 500 ∗ I d
∗ 999) . 虽然降水过程并不一致, 但比较主雨峰对
应的主洪峰, 后期土地利用洪水含沙量相对前期要
小.因此认为相同频率下,若两期土地利用雨强分布
一致,则对于任意重现期的洪水, 后期植被增多、坡
耕地减少的土地利用洪水平均含沙量将较前期减
小,在完全相同的降水下,后期洪水产沙将较前期减
小.
4 讨 论
植被增多,流域产沙减小.研究中后期植被覆盖
增加、坡耕地减少的土地利用较前期年产沙量减小,
但其减小的程度取决于年降水量的多少, 丰水年植
被增多、坡耕地减少的土地利用变化对流域产沙量
的减小影响显著, 如 803 mm、786 mm 的年降雨条
件下后期较前期分别减少 85 326 t和 52 937 t; 而平
水年或降水较少年份, 土地利用变化对流域产沙量
影响较小,后期较前期产沙量减小不明显.从年内变
化来看,流域产沙主要集中在 5~ 10月份,与降水的
季节分布一致.有降水,且有一定挟沙能力的水流即
可发生侵蚀,研究结果中,月降水量为 50 mm 时,月
日均含沙量后期较前期减少 6 kg!m- 3,而月降水量
为 100 mm 时,月日均含沙量后期较前期减少 12 kg
!m- 3. 两期土地利用当洪水重现期< 5 年时, 洪水
平均含沙量后期较前期大. 结合各期的降雨、洪水频
率分布曲线分析, 若两期土地利用具有相同频率分
布的雨强,则任一重现期内后期土地利用的洪水平
均含沙量也将小于前期.
有研究曾提出极限含沙量的理论[ 24, 25] , 认为黄
土丘陵沟壑区土层深厚, 只要产流且水流具有一定
挟沙能力就能获得足够的泥沙补给而达到其极限含
沙量,与该研究中提出的极限含沙量相比, 其毛沟、
干沟、支沟极限含沙量分别高达 920、1 160和 1 290
kg!m- 3,而本研究得到多年平均各月日均值, 最大
值 3854 kg!m- 3,二者相比显然很小.并不否认后
期植被增多、坡耕地减少的土地利用变化的显著减
沙效应,但若以极限含沙量为前提,某种意义上仍存
在很强的土壤侵蚀的必然性.结合流域土地利用情
况, 流域内仍存在很大面积比例的坡耕地, 约占
20%,而林草面积虽然后期较前期有所增加,但后期
较前期林、草面积也仅增加 5%左右;灌木林占流域
面积较少,且后期较前期减小. 因此, 流域必须减少
坡耕地,增加林草面积, 并考虑受降水因素影响, 以
16119 期 张志强等:黄土高原吕二沟流域侵蚀产沙对土地利用变化的响应
进一步发挥合理的土地利用的减沙效应.
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作者简介 张志强, 男, 1967 年生, 博士, 副教授. 主要从事
生态水文、侵蚀控制与流域管理研究, 发表论文 40 余篇.
T el: 01062338097; Email: zhqzhang@ bjfu. edu. cn
1612 应 用 生 态 学 报 16卷