全 文 ：黄土高原沟壑区退耕还林典型优化模式机理分析 3
李世东1 ,2 3 3 　张丽霞2 ,3
(1 国家林业局办公厅 ,北京 100714 ;2 北京林业大学研究生院 ,北京 100083 ;3 江西农业大学林学院 ,南昌 330045)
【摘要】　以退耕还林工程重点地区的黄土高原沟壑区为研究对象 ,引入系统动力学理论和技术 ,采取试验
站点观测与广泛调研集成等 5 个结合的技术路线 ,横跨自然、经济、社会科学三大领域 ,共获取原始数据
10 000 多个 ,对黄河中游黄土高原沟壑区山西省乡宁县试验点退耕还林生态2经济2社会效益最优结合、可
持续发展的油松 ×侧柏 ×花椒 ×刺槐优化模式的作用机理 ,从生态、经济、社会效益及其相互作用等方面
进行了分析研究. 结果表明 ,该模式的生态、经济和社会效益各主要指标均处于最佳或较好状态 ;三大效益
综合比较 ,该模式是最佳模式 ;经 F 检验 ,该模式与其它模式均呈极显著性差异.
关键词 　退耕还林 　优化模式 　机理分析 　黄土高原沟壑区
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 09 - 1541 - 06 　中图分类号 　S71815 　文献标识码 　A
Mechanism analysis of optimized model of conversion from farmland to forestland in the hill2gully sub2region
of Loess Plateau. L I Shidong1 ,2 , ZHAN G Lixia2 ,3 ( 1 Of f ice , S tate Forest ry A dminist ration , Beijing 100714 ,
China ;2 Postgraduate Institute , Beijing Forest ry U niversity , Beijing100083 , China ; 3 Forest ry College , Jiangxi
A griculture U niversity , N anchang 330045 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (9) :1541～1546.
Conversion from Farmland to Forestland Program (CFF) is one of the six great ecological forest programs in Chi2
na. This study covered the CFF model area of the hilly2gully sub2region of loess plateau ,and introduced system
dynamics and other latest theories and methodologies. Based on the analysis of five modules including that of the
site observation of field stations and extensive investigations ,and over 10 000 original data obtained in the fields
of natural science ,social science and economics ,the operational mechanism of the optimized model was studied.
The optimized operational models integrated maximized ecological ,economic and social benefits ,while sustainabil2
ity concepts were proposed for typical CFF sites : The Pinus tabulaef ormis + Platycladus orientalis + Zanthoxy2
l um spp. + Robinia pseudoacacia model at the eroded flat ridges of the middle reaches of the Yellow River. The
result showed that the ecological ,economic and social benefits of the optimized model reflected by main indexes
were the best or better ,and in the other models ,either individual one was the best or others were not . From the
viewpoint of comprehensive comparison of three great benefits ,the optimized model was most excellent ,and had
eminent difference comparing to other ones through F test . The relationship between ecological and social benefit
was eminent positive correlative. Social benefit was the same with economical one at some degrees. The relation2
ship between ecological and economical benefit was more complicated. On the whole ,they were positive correla2
tive ,but the economical benefit was not the greatest when the ecological one was the greatest . In general ,from
the viewpoint of largest comprehensive benefit ,the three great benefits were not all the best ,indicating that the
combination of the modules must be reasonable. In order to achieve the ultimate goal of CFF ,we must choose the
optimized combination of ecological ,economical and social benefits ,and can’t only pursue any one maximum of
three great benefits.
Key words 　Conversion of Farmland to Forests (CFF) ,Optimized model ,Mechanism analysis , Hill2gully subre2
gion of Loess Plateau. 3 国家林业局重点科研资助项目 (2000228) .3 3 通讯联系人.
2003 - 11 - 28 收稿 ,2004 - 03 - 22 接受.
1 　引 　　言
退耕还林工程作为我国六大重点林业生态工程
和世界十大重点林业生态工程之一. 1999 年试点、
2002 年正式启动以来 ,完成退耕地造林和宜林荒山
造林各 616 ×106 hm2 [12～16 ,22 ] . 黄土高原沟壑区是
我国退耕还林的重点地区. 应用系统动力学等先进
理论和技术 ,经过大量试验研究 ,该地区典型试验点
(山西省乡宁县) 的生态2经济2社会效益最优结合、
可持续发展的最优模式为油松 ×侧柏 ×花椒 ×刺
槐[1 ]1 该模式与其他模式及对照均有极显著性差 异. 为进一步探讨其作用机理 ,本文从生态、经济和社会效益及其相互作用等方面进行了分析研究.2 　研究地区与研究方法211 　研究地区概况试验地设在黄土高原沟壑区的山西省乡宁县 . 该县位于吕梁山南端 ,西隔黄河与陕西的韩城、宜川相望. 海拔大部分在 900 m 上下. 属于黄河中游 ,主要有鄂河、青石峪等河流.西部黄土残垣区土层深厚 ,地面破碎 ,沟壑密布 ,坡陡沟深 ,沟壑密度在 3 km·km - 2左右 ,切割深度一般为 10 m ,甚至
应 用 生 态 学 报 　2004 年 9 月 　第 15 卷 　第 9 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Sep. 2004 ,15 (9)∶1541～1546
200 m 以上 ,垣面呈长条或鸡爪行 ,沟底呈“V”字形 ,加上植
被差 ,黄土裸露 ,土壤流失严重 ,年平均径流模数 217 ×107
m
3·km - 2 ,侵蚀模数 8 200～9 400 t·km2 . 属大陆性气候 ,年
平均气温 9～11 ℃,年降雨量 500～650 mm ,其中 7、8、9 月
占全年总降雨量的 60 %左右 ,年日照时数 2 400 h , > 10 ℃
有效积温 2 800 ℃以上 ,无霜期 180～240 d. 土壤类型比较
单一 ,95 %以上是地带性土壤褐土. 暖温带落叶阔叶林区. 土
地总面积 2 026 km2 ,耕地面积 319 ×104 hm2 ,人均耕地 0123
hm2 ,有林地 711 ×104 hm2 ,宜林荒山 515 ×104 hm2 . < 2°的
基本农田 5 28617 hm2 , 5～15°的坡耕地 7 57313 hm2 ,15～
25°的 10 260 hm2 ,25°以上的 12 86617 hm2 . 全县辖 11 个乡
镇 ,186 个行政村 ,1 260 个自然村 ,29 666 户 ,22 万人 ,其中
农村人口 18 万人 ,农村劳动力 418 万人. 2002 年农业总产
值 114 ×108 元 ,粮食作物主要有小麦、玉米、谷子、大豆等 ,
年产量 13 ×104 t ,农民人均占有粮食 591 kg ,农民人均纯收
入 1 900 元. 村村通公路 ,30 %的村通电话.
212 　研究方法 21211 试验模式布设及指标测定 　经过系统分析和初步筛选 ,设立 10 个试验模式和 1 个对照模式 (表 1) ,2000 年栽植 ,每个模式面积 1～10 hm2 . 1) 植物指标测定 :标准地法(10 m ×10 m ,3 个重复) ;生物量测定附以标准木法、样方法 ,长量测定附以解析木法 ;根系测定采用土钻法. 2) 水土保持指标测定 :径流场法 ,规格为 20 m ×5 m ,在每个模式典型部位建立 1 个径流场 ,每次降雨后进行观测. 3) 土壤性质指标测定 :土壤剖面法、环刀法 ,附以水分速测仪法. 4) 土壤养分室内测定 :p H 值采用酸度计法 (饱和氯化钾) 、有机质采用重铬酸钾法、全 N 采用凯氏定 N 法、全 P 和全 K采用三酸硝化法 ( ICP 测定) 、B 采用沸水浸提法、其它微量元素采用DTPA 浸提法 ( ICP 测定) . 5) 气象地理指标测定 :小气候指标采用标准地法林内实测 ,其它气象指标采用当地气象台站观测指标 ,自然地理指标现场实测. 6)造林经营指标测定 :标准地法 ,现场实测与实地调查相结合. 7)社会经济指标测定 :主要采取直接入户调查法 ,每个模式随机调查 3～5 个农户 ,物价指数等指标采用资料收集法 [1～11 ,17～21 ] .
表 1 　退耕还林试验模式基本情况
Table 1 Basic situation of CFF experimental models
模式代号
Model
code
模式搭配
Model
pattern
坡　度
Gradient
(°)
坡　向
Direction
of slope
坡　位
Location on
the slope
海　拔
Altitude
(m)
整地方式
Preparation
of soil
模式配置
Model
collocate
初植密度
Original
density
per hm2
保存密度
Established
density
per hm2
郁闭度
Crown
density
1 A ×B 25 半阳
Half sun
slope
中上
Middle2
up
1170 水平沟
Contour
trench
株间混交
Inter plant
mixture 1∶1 ,
115 m ×2 m A :3330B :3330 A :2835B :2835 013
2 A ×C 25 阳坡
Sun
slope
中上
Middle2
up
1000 水平沟
Contour
trench
株间混交
Inter plant
mixture 1∶1 ,
2 m ×115 m A :3330C :3330 A :2835C :2835 013
3 D 25 半阳
Half sun
slope
中
Middle
800 水平沟
Contour
trench
2 m ×3 m 1665 1500 014
4 D ×E 25 半阳
Half sun
slope
中下
Middle2
down
780 水平沟
Contour
trench
行带混交
Row2strip
mixture ,
D :2 m ×3 m
D :1665
E∶撒播
Broadcast
seeding
D :1500
E∶撒播
Broadcast
seeding
011 + 015
5 B 25 半阳
Half sun
slope
中上
Middle2
up
1060 水平沟
Contour
trench
1 m ×4 m 2490 2115 013
6 E 25 半阳
Half sun
slope
中
Middle
1000 全面
Thorough
撒播
Broadcast
seeding
撒播
Broadcast
seeding
撒播
Broadcast
seeding
013
7 B ×D ×A ×C 25 阳坡
Sun
slope
中
Middle
800 水平沟
Contour
trench
带状混交
Inter strip
mixture
D :2 m ×3 m ,
其它 :1 m ×3 m
D :1170
B :660
A :165
C :165
D :1050
B :570
A :135
C :135
015
8 B ×C 25 阳坡
Sun
slope
上
Up
1000 水平阶
Contour
bench
行间混交
Inter row
mixture
115 m ×4 m B :1665C :1665 B :1410C :1410 012
9 F ×G 25 阳坡
Sun
slope
中
Middle
960 水平沟
Contour
trench
行间混交
Inter row
mixture
F :3 m ×4 m ,
G:2 m ×4 m
F :825
G:1245
F :750
G:1125
011
10 H 22 阳坡
Sun
slope
中上
Middle2
up
1150 水平沟
Contour
trench
3 m ×4 m 825 750 0105
CK I 30 阳坡
Sun slope
中
Middle
820 全面
Thorough
015 m ×016 m 33300 33300 012
A :油松 Pinus tabulaef ormis ;B :刺槐 Robinia pseudoacacia ;C :侧柏 Platycladus orientalis ;D :花椒 Zanthoxylum spp1 ; E :紫花苜蓿 Medicago sati2
va ; F :核桃 J uglans regia ; G:金银花 L onicera japonica ; H :枣树 Zizyphus jujuba ; I :玉米 Zea mays L . ;CK:对照 Control.
2451 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
21212 数据分析方法 　主要应用系统动力学、回归分析、灰
色分析、层次分析、方差分析和 MA TLAB 等手段 [23 ]进行数
据分析.
3 　结果与分析
311 　生态效益机理分析
从减少地表径流、防止土壤侵蚀、改善土壤结
构、增加土壤养分等指标进行分析[24～26 ] .
由图 1 可知 ,在减少地表径流和土壤侵蚀方面 ,
模式 7 在各年度效益均基本处于最佳状态 ;经 F 检
验 ,与模式 1、模式 2 和模式 6 无显著差异 ,与其他
模式均有极显著或显著性差异. 结构决定功能 ,模式
7 的 4 个树种均处于其集中分布的中心地带 ,耐干
旱瘠薄且根系发达 ,从模式配置上来看 ,油松与侧柏
在上坡行状混交 ,油松深根性与侧柏浅根性合理搭
配 ,能有效地拦截上坡水土流失 ;中间带状花椒由于
其发达的浅层根系 ,对拦截局部水土流失起到重要
作用 ;最下部的带状刺槐因其密集交织的根系和丰
富的地表植被、枯枝落叶层 ,对拦蓄降雨、保持水土
起到最后一道防线的作用. 由于 4 个树种合理混交
搭配 ,对防止水土流失发挥了整体大于各部分之和
的累加效应. 而模式 9、模式 3 和模式 10 都是单一
树种模式 ,并且都是按照经济林进行经营 ,可见其防
止水土流失作用较低.
由图 2 可知 ,模式 7 的土壤容重、总孔隙度仅次
于模式 5 而处于次佳状态 ,与刺槐改善土壤结构的
效益显著相关. 由图 3 可知 ,模式 7 增加土壤有机质
图 1 　退耕还林各模式减少地表径流 (a)和土壤侵蚀 (b)效益对比
Fig. 1 Decrease run2off of earth surface (a) and soil erosion (b) on CFF
models.
1～10)模式 1～模式 10 Model 1 to model 10 ;CK:对照 Control. 下同
The same below.
图 2 　退耕还林模式土壤结构比较
Fig. 2 Soil structure on CFF models.
图 3 　退耕还林模式有机质含量对比
Fig. 3 Soil organic substance on CFF models.
的效益也处在较前列 ,经 F 检验 ,与模式 10、模式 2、
模式 9、模式 3 及对照均有极显著性差异.
312 　经济效益机理分析
由于各个树种材积生长速生期、盛果期的早晚
变化较大 ,各个模式的直接经济效益在各个年龄阶
段变化也较大 (图 4) . 模式 7 在前 8 年的直接经济
效益较低 ,但从第 5 年开始 ,由于花椒进入结果期 ,
该模式效益大幅度上升 ,第 8 年花椒进入盛果期、油
松和侧柏也可以进行“间苗”出售 ,从第 9 年开始超
越大部分模式 ,仅次于模式 10 而处于第 2 位 ,第 10
年刺槐可以采伐矿柱材. 同时 ,各树种的市场风险等
可以优势互补 ,形成直接经济效益 ,并一直保持较佳
状态. 经 F 检验 ,与模式 10、模式 3 和模式 4 无显著
性差异 ,与其它模式均有极显著性差异.
　　在间接经济效益方面 ,模式 7 在促进人均增收
方面一直处于稳定上升和较佳状态 ,经F检验 ,除
34519 期 　　　　　　　　　　　李世东等 :黄土高原沟壑区退耕还林典型优化模式机理分析 　　　　　　　　　　　
图 4 　退耕还林模式经济效益对比
Fig. 4 Economic benefit on CFF models.
模式 5、模式 8 和模式 3 外 ,与其它模式均有显著性
或极显著性差异 (图 4) . 深入农户调查分析可见 ,模
式 5、模式 8 等促进人均增收较佳的模式都有刺槐
树种. 这主要因为当地是重点煤矿基地 ,刺槐作为速
生优良的矿柱材具有长期稳定的市场需求 ,从而保
证了其具有稳定的经营收入. 此外 ,经营刺槐的农户
大部分都有 1～2 人在当地煤矿工作 (比其他模式比
例高得多) ,人均增收较高. 这与促进就业、发挥社会
效益关系十分紧密.
313 　社会效益机理分析
在促进产业结构调整方面 ,模式 7 一直处于最
佳或次佳状态 ,模式 5。模式 1 等包含刺槐的模式
也较好 ,经 F 检验 ,三者无显著性差异 (图 5) 1 此外 ,
模式 7 与其它模式均有极显著性差异. 这主要是由
于其本身经济效益好 ,促进农工结合 ,从而更加自觉
地减少单纯坡耕地耕作的结果.
在生态建设支持率方面 ,模式 7 是最快速持续
上升的模式 ,虽然在前 8 年处于中等 ,但从第 9 年开
始达到次佳并且在第 17 年以后达到最佳 (图 5) . 由
此可见 ,该模式生态、经济等综合效益最佳的逐步显
现 ,对促进人们生态意识的提高并逐步支持生态建
设起到重要作用[27 ] . 其它模式或者效益较低、或者
效益不稳定. 经 F 检验 ,模式 7 与模式 9、模式 5、模
式 2、模式 1 无显著性差异 ,与其它模式均有极显著
性差异. 在群众生活满意度方面 (图 5) 也有同样的
效应 ,模式 7 效益最佳 ,经 F 检验 ,除模式 5、模式 8、
模式 9 外 ,与其它模式均有极显著性差异.
在密切干群关系及社会稳定度方面 ,模式 7 在各
个年度一直保持领先 ,并从第 9 年开始基本稳定在完
全满意状态 ,这是该模式综合效益的最终体现 (图 5) .
经 F 检验 ,模式 7 与其它模式均有极显著性差异.
　　综上所述 ,模式 7 在生态、经济、社会三大效益
的各个具体主要指标方面 ,都处于最佳或较好状态 ,
其他模式或者个别指标很好 ,或者所有指标均不在
前列. 从三大效益综合比较 ,模式 7 最佳 ,经 F 检验 ,
模式 7 与其它模式均有极显著性差异[15 ] .
314 　生态、经济、社会效益相互关系机理分析
运用 MA TLAB 对模式生态效益、经济效益和
社会效益的关系进行描述. 设定 X 轴表示生态效
益 ,Y 轴表示经济效益 , Z 轴表示社会效益值 ,在 3
大效益所构成的三维坐标中 ,通过效益值的比较可
图 5 　退耕还林模式社会效益对比
Fig. 5 Social benefit on CFF models.
4451 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
直观表达它们之间的关系. 根据计算所得到的不同
林龄所对应的三大效益值的大小 ,构筑数据初始矩
阵 ,通过 MA TLAB 数学运算 ,绘制出三大效益所构
成的三维坐标中不同效益值之间的对应关系 (图
6) . MA TLAB 运算程序为 :
X = [0132710 0134709 , ⋯⋯,0137914 0137896 ] ;
Y = [0121939 0119440 , ⋯⋯,0123335 0122648 ] ;
Z = [0113344 0112823 , ⋯⋯,0116955 0116920 ] ;
ti = 01327 :01052/ 49 :01379 ;
tj = 01121 :01136/ 49 :01257 ;
[ X1 , Y1 ] = meshgrid (ti ,tj) ;
Z1 = griddata (X , Y ,Z ,X1 , Y1 ,’v4’) ;
surf (X1 , Y1 ,Z1) .
图 6 　退耕还林模式生态、经济和社会效益值间的对应关系
Fig. 6 Relation among ecological , economic and social benefits of CFF
model.
　　由图 6 可知 ,生态效益与社会效益的关系呈明
显的正相关. 乡宁县是一个生态退化十分严重、群众
对改善生态的要求十分迫切的县 ,生态效益的逐步
增加 ,自然起到良好的社会效果. 社会效益与经济效
益阶段 (在经济效益达到一定程度后) 正相关. 而生
态效益与经济效益的关系较复杂 ,虽然其间总体上
也有一定的正相关性 ,但生态效益最大时经济效益
不是最大. 总的来看 ,综合效益最大处 ,不是生态、经
济、社会效益都是最大之处 ,说明模式搭配必须科学
合理 ,须找准三者的最佳结合点 ,才能发挥最大的综
合效益 ,达到退耕还林的最终目标.
4 　讨 　　论
油松、侧柏和刺槐是黄土高原沟壑区的三大“当
家”树种 ,花椒是该区优良乡土树种. 油松材质好、用
途广 ,但自身的土壤改良能力差 ,火险性大 ,易发生
病虫危害 ;刺槐适应性强、耐瘠薄 ,具有较强的土壤
改良作用. 同时 ,当地是我国著名的煤炭工业基地 ,
需要大量的刺槐作矿柱材 ;花椒具有良好的生态经
济效益. 将其混交 ,可以充分利用种间关系 ,促进形
成稳定的林分 ,既能有效防止水土流失 ,又能改善土
壤理化性质 ,还能发挥较好的经济效益和社会效益 ,
促进当地由生态经济恶性循环逐步改变为生态与经
济相互依存、相互促进的良性循环 ,走上生态2经济2
社会可持续发展轨道.
该模式位于山西省乡宁县 ,是典型的黄土高原
沟壑区. 其具有在该类自然和社会经济条件下综合
效益最佳的效果 ,适宜在黄土高原沟壑区的相似立
地条件推广应用. 但由于该模式树种组成较多 ,造林
经营技术较为复杂 ,推广应用时需要进行一定的技
术培训.
致谢 　承蒙沈国舫院士和翟明普教授、李俊清教授指导.
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23 　Wang Q2F (王其藩) . 1995. Advanced System Dynamics. Beijing : Qinghua University Press. (in Chinese)24 　Wang W2Z(王万忠) ,Jiao J2Y(焦菊英) . 1996. Quantitative evalu2ation on factors influencing soil erosion in China. B ull Soil W aterCons (水土保持通报) ,16 (5) :1～20 (in Chinese)25 　Xiao H(肖　寒) ,Ouyang Z2Y(欧阳志云) ,Zhao J2Z(赵景柱) , etal . 2000. Forest ecosystem services and their ecological valuation —A case study of tropical forest in Jiangfengling of Hainan island.Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,11 (4) :481～484 (in Chinese)26 　Zhang J2E (章家恩) , Xu Q (徐 　琪 ) . 1999. Major issues inrestoration ecology researches. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,10 (1) :109～113 (in Chinese)27 　Zhi L (支　玲) . 2001. A discussion on replacing agriculture by af2forestation in western China and coordinative development of ecolo2gy and economy. Ph. D. Dissertation. Beijing :Beijing Forestry Uni2versity. (in Chinese)作者简介 　李世东 ,男 ,1966 年生 ,博士 ,高级工程师 ,主要从事退耕还林和林业生态工程方面的研究 ,发表论文 60 多篇 ,出版著作 5 部. Tel : 84238611 ; E2mail : eastworld @sohu.com
致　读　者　·　作　者
　　《应用生态学报》系中国科学院沈阳应用生态研究所和中国生态学会主办的国内外公开发行的学术性期
刊 ,科学出版社出版. 国际标准刊号为 ISSN100129332. 专门刊载有关应用生态学 (主要包括森林生态学、农
业生态学、草地牧业生态学、渔业生态学、自然资源生态学、景观生态学、全球生态学、城市生态学、污染生态
学、化学生态学、生态工程学等)的具有创新性的综合性论文、研究报告和研究简报等.
　　本刊创刊于 1990 年 ,现为月刊 ,采用国际标准开本 (210 mm ×285 mm) ,192 面 ,每期 43 万字. 本刊系中
国自然科学核心期刊 ,曾荣获全国优秀科技期刊和中国科学院优秀期刊称号. 本刊整体质量和水平已达到相
当高度 ,在国内外应用生态学界的影响日益扩大.《中国科学引文索引》、《中国生物学文摘》、美国《生物学文
摘》(BA) 、美国《化学文摘》(CA) 、英国《生态学文摘》( EA) 、日本《科学技术文献速报》(CBST)和俄罗斯《文摘
杂志》(РЖ)等数十种权威检索刊物均收录本刊的论文摘要 (中英文) .
　　据悉 ,您们正在从事有关生态与环境科学研究项目 (如国家基础科学人才培养基金项目、国家杰出青年
科学基金项目、国家自然科学基金重大和重点项目、国家攀登计划项目、国家“863”和“973”计划项目、国家重
点科技攻关项目、“百人计划”项目、“长江学者计划”项目和国际合作研究项目等) ,并有望取得重大研究成果
和产生一系列创新论文 ,本刊编辑同仁热切希望您及您的同行们充分利用这一科学园地 ,竭诚为您们提供优
质跟踪服务 ,本刊将及时发表您们的创新成果论文 (或以特刊、专刊及增刊等形式发表 ,或以专刊形式发表优
秀英文创新论文) . 我们相信这一承诺一定能得到您们的积极响应 ,愿我们迎着新世纪的曙光 ,为应用生态学
的发展协同奋进 !
　　我们的目的 :
　　　读者 ———广泛订阅这一优秀期刊
　　　作者 ———充分利用这一科学园地
　　　编者 ———精心编制这一信息精品
《应用生态学报》编辑部
6451 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷