全 文 ：ISSN 1000-0933
CN 11-2031/Q
中国生态学学会 主办
出版
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ica.cn
生
态
学
报
中国科学院生态环境研究中心
第 31卷 第 13期 Vol.31 No.13 2011
生态学报
Acta Ecologica Sinica第三
十
一
卷
第
十
三
期
二
○
一
一
年
七
月
2011-13 2011.7.6, 4:59 PM1
　 　 　 　 　 生 态 学 报
　 　 　 　 　 　 　 (SHENGTAI XUEBAO)
　 　 第 31 卷 第 13 期　 　 2011 年 7 月　 (半月刊)
目　 　 次
我国东部北亚热带植物群落季相的时空变化 陈效逑,亓孝然,阿　 杉,等 (3559)………………………………
华北低丘山地人工林蒸散的季节变化及环境影响要素 黄　 辉,孟　 平,张劲松,等 (3569)……………………
东北东部 14 个温带树种树干呼吸的种内种间变异 许　 飞,王传宽,王兴昌 (3581)……………………………
RS和 GIS支持的洪河地区湿地生态健康评价 王一涵,周德民,孙永华 (3590)…………………………………
应用光合色素研究广西钦州湾丰水期浮游植物群落结构 蓝文陆,王晓辉,黎明民 (3601)……………………
基于不可替代性的青海省三江源地区保护区功能区划研究 曲　 艺,王秀磊,栾晓峰,等 (3609)………………
融雪时间对大卫马先蒿生长和繁殖特性的影响 陈文年,吴　 彦,吴　 宁,等 (3621)…………………………
巴郎山刺叶高山栎叶片 δ13C对海拔高度的响应 冯秋红,程瑞梅,史作民,等 (3629)…………………………
宁南半干旱与半干旱偏旱区苜蓿草地土壤水分与养分特征 任晶晶,李　 军,王学春,等 (3638)……………
南岭小坑藜蒴栲群落地上部分生物量分配规律 李　 根,周光益,王　 旭,等 (3650)……………………………
放牧对五台山高山、亚高山草甸牧草品质的影响 章异平,江　 源,刘全儒,等 (3659)…………………………
短期增温对贡嘎山峨眉冷杉幼苗生长及其 CNP化学计量学特征的影响
羊留冬,杨　 燕,王根绪,等 (3668)
………………………………………
……………………………………………………………………………
锰胁迫对垂序商陆叶片形态结构及叶绿体超微结构的影响 梁文斌,薛生国,沈吉红,等 (3677)………………
土荆芥挥发油对蚕豆根尖细胞的化感潜力 胡琬君,马丹炜,王亚男,等 (3684)…………………………………
喀斯特城市杨树人工林微量元素的生物循环 王新凯,田大伦,闫文德,等 (3691)………………………………
大兴安岭林区多孔菌的区系组成与种群结构 崔宝凯,余长军 (3700)……………………………………………
铜绿微囊藻和斜生栅藻非稳态营养盐限制条件下的生长竞争特性 赵晓东,潘　 江,李金页,等 (3710)………
陆地棉萌发至三叶期不同生育阶段耐盐特性 王俊娟,王德龙,樊伟莉,等 (3720)………………………………
基于模式生物秀丽隐杆线虫的三丁基锡生态毒性评价 王　 云,杨亚楠,简风雷,等 (3728)……………………
大庆油田石油开采对土壤线虫群落的影响 肖能文,谢德燕,王学霞,等 (3736)…………………………………
若尔盖高寒草甸退化对中小型土壤动物群落的影响 吴鹏飞,杨大星 (3745)……………………………………
洞庭湖湿地土壤环境及其对退田还湖方式的响应 刘　 娜,王克林,谢永宏,等 (3758)…………………………
渭北旱塬苹果园地产量和深层土壤水分效应模拟 张社红,李　 军,王学春,等 (3767)…………………………
黄土丘陵区不同土地利用下土壤释放 N2O潜力的影响因素 祁金花,黄懿梅,张　 宏,等 (3778)……………
东北中部地区水稻不同生育时期低温处理下生理变化及耐冷性比较 宋广树,孙忠富,孙　 蕾,等 (3788)……
硫对成熟期烤烟叶绿素荧光参数的影响 朱英华,屠乃美,肖汉乾,等 (3796)……………………………………
高温强光对温州蜜柑叶绿素荧光、D1 蛋白和 Deg1 蛋白酶的影响及 SA效应
邱翠花,计玮玮,郭延平 (3802)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
覆膜对土壤-莴苣体系氮素分布和植物吸收的影响 李丽丽,李非里,刘秋亚,等 (3811)………………………
基于空间分带的崇明东滩水鸟适宜生境的时空动态分析 范学忠,张利权,袁　 琳,等 (3820)…………………
驯鹿对苔藓植物的选择食用及其生境的物种多样性 冯　 超,白学良 (3830)……………………………………
北京城市绿地调蓄雨水径流功能及其价值评估 张　 彪,谢高地,薛　 康,等 (3839)……………………………
专论与综述
冻土甲烷循环微生物群落及其对全球变化的响应 倪永清,史学伟,郑晓吉,等 (3846)…………………………
哺乳动物毛被传热性能及其影响因素 郑　 雷,张　 伟,华　 彦 (3856)…………………………………………
期刊基本参数:CN 11-2031 / Q*1981*m*16*304*zh*P* ￥ 70． 00*1510*33*
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2011-07
封面图说: 滇金丝猴是我国特有的世界珍稀动物之一,属国家一级重点保护物种。 仅生活在滇藏交界处的高寒云冷杉林中,是
我国川、滇、黔三种金丝猴中唯一具有和人类一样美丽红唇的金丝猴。 手中的松萝是它最喜爱的食物之一。
彩图提供: 陈建伟教授　 国家林业局　 E-mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 13 期
2011 年 7 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 13
Jul. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31071374,30771280)
收稿日期:2010鄄11鄄24; 摇 摇 修订日期:2011鄄04鄄07
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: junli@ nwsuaf. edu. cn
张社红,李军,王学春,王亚莉.渭北旱塬苹果园地产量和深层土壤水分效应模拟.生态学报,2011,31(13):3767鄄3777.
Zhang S H, Li J, Wang X C, Wang Y L. Modeling the changes of yield and deep soil water in apple orchards in Weibei rainfed highland. Acta Ecologica
Sinica,2011,31(13):3767鄄3777.
渭北旱塬苹果园地产量和深层土壤水分效应模拟
张社红,李摇 军*,王学春,王亚莉
(西北农林科技大学农学院,杨凌摇 712100)
摘要:为了研究实时气象条件下渭北旱塬不同生长年限苹果园地产量变化趋势和深层土壤水分变化规律,在模型适用性与模拟
精度验证基础上,应用 WinEPIC模型模拟研究了 1962—2001 年期间洛川旱塬苹果园地产量演变动态和深层土壤水分效应。 结
果表明:(1) 在模拟研究期间,洛川旱塬 4—40 年生苹果园产量整体上呈波动性下降趋势,初期产量逐渐增加,11—23 年生达到
最大值(平均为 28. 8 t / hm2),之后随降水量年际波动呈现出明显的波动性降低趋势。 (2) 40a 间苹果园地遭受的干旱胁迫日
数呈波动性上升趋势,与年降水量波动趋势相反。 (3) 1—15 年生期间苹果园地平均年耗水量高于同期年降水量,导致苹果园
地 0—10 m土层土壤强烈干燥化,逐月土壤有效含水量波动性降低,1—10 年生、11—20 年生和 21—40 年生期间发生土壤干燥
化并且程度逐渐加剧,但干燥化速率逐渐减缓,土壤干燥化速率分别为 95. 4、12、1. 5 mm / a。 (4) 随生长年限的延长,苹果园地
0—10 m土层土壤湿度逐渐降低、土壤干层分布深度逐渐加大,在 14 年生时超过了 10 m,20 年生以后 2—10 m 土层形成稳定的
土壤干层。 因此,基于土壤水分利用的苹果生长与果园利用的合理年限为 20 a,最长不宜超过 23 a。
关键词:渭北旱塬;苹果园地;产量;土壤水分; WinEPIC模型
Modeling the changes of yield and deep soil water in apple orchards in Weibei
rainfed highland
ZHANG Shehong, LI Jun*, WANG Xuechun, WANG Yali
College of Agronomy, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China
Abstract: Based on model applicability and precision validation, the WinEPIC model was used to simulate the changes of
yield and deep soil desiccation of rainfed apple orchards, using real鄄time weather data and soil data from 1962 to 2001.
Variation of apple productivity and soil moisture in apple orchards were analyzed, based on the simulated results at
Luochuan, one typical area of Weibei Rainfed Highland. The simulated results showed as follows: (1) Fruit yield showed a
decline tendency with fluctuation as a whole from 4 year鄄old orchard to 40 year鄄old orchard during the simulation period.
The fruit yield increased gradually from 4 th year to 11 th year, and reached the highest value ( averaged 28. 8 t / hm2) during
11 th year to 23 th year, then decreased obviously with the fluctuation of annual rainfall. (2) During the simulation period,
annual rainfall at Luochuan fluctuated and decreased gradually, therefore, water stress days of 1—40 year鄄old apple
orchards showed an upward trend which was opposed to the change trend of annual rainfall. And a peak value of 147. 8
stress days occurred at 38 year鄄old apple orchard (in 1999). (3) Mean annual consumption of soil water was higher than
mean annual rainfall in apple orchards at Luochuan. Therefore, soil had been drying strongly in apple orchards, and the
total amount of soil water overuse was 1009 mm during the 40 years. The monthly available soil water contents in 0—10 m
soil layers declined obviously during the simulation period. However, the fluctuation range was higher in the beginning
period than in the later period. The soil desiccation of apple orchards occurred in the period of 1—10 years, 11—20 years
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and 21—40 years and aggravated gradually, but the desiccation rate slowed down, with the soil desiccation rates of 95. 4,
12 and 1. 5 mm per year, respectively. (4) As the soil moisture decreased in 0—10 m soil layers, the thickness of drying
layers increased and became deeper gradually with the growth years of apple trees and the deeper of apple roots distribution,
and the depth of drying layers distribution was more than 10 m in 14 year鄄old apple orchard. However, rainfall infiltrated no
more than 2 m at Luochuan and there was no water supply below 2 m soil layers, so soil water content in 2—10 m soil layers
was stable relatively in 15—40 year鄄old apple orchards. When apple trees grew to 23 years, soil water in 2—10 soil layers
almost could not be used by apple trees, and soil water in 0 2 m soil became the main water resources for the growth of
apple trees. Therefore, soil water content varied sharply with the variation of annual rainfalls in 0—2 m soil layers. Both
fruit yield and soil desiccation were significantly different in different ages of apple orchards. Considering economic and
ecological benefits, reasonable growth and utilization years of apple orchard is 20 years, the longest should not exceed 23
years.
Key Words: Weibei rainfed highland; apple orchard; yield; soil water; WinEPIC model
近 30 a来,陕西渭北旱塬区苹果(Malus domestica Borkh)产业发展迅速,已成为陕西农村经济发展的主导
特色产业[1]。 2009 年陕西苹果种植面积达 56. 5 万 hm2,总产量达 805 万 t,出口逾 250 万 t,总产值 120 亿元
以上。 其中,渭北旱塬 30 个苹果生产重点基地县苹果园地面积已占总耕地面积的 50%—70% 。 如洛川县总
耕地面积 4. 27伊104 hm2,苹果园地面积 3. 33伊104 hm2,果园面积已占耕地面积的 78% 。 但渭北旱塬苹果生产
基地 80%以上为旱作果园,由于苹果树耗水量高于 1 年生农作物,加之黄土高原气候干暖化趋势加剧[2],旱
作农田改种苹果后加剧了土壤供需水矛盾,苹果园地土壤干燥化现象普遍发生,苹果树生长逐渐衰败,产量逐
渐降低,严重威胁到渭北旱作苹果生产基地健康稳定发展。
近年来,有关学者测定和分析了渭北旱塬苹果园地土壤水分状况、土壤干层分布特征及其水分环境效
应[3鄄12],初步揭示了旱地果园深层土壤干燥化现象及其对苹果生产的潜在危害,但对苹果园地长周期产量演
变动态和深层土壤干燥化发生过程的定量研究不足。 鉴于苹果园地长周期定位试验观测难度较大,本研究借
助美国研制的 WinEPIC模型,定量模拟和分析渭北旱塬区苹果园地深层土壤水分利用和产量效应动态变化,
揭示长时段内“自然降水、土壤贮水和苹果树耗水冶间的动态关系,探讨渭北旱塬旱作苹果园地深层土壤水分
生态效应和产量的稳定性,为渭北旱塬苹果园地土壤水分可持续利用和苹果生产基地健康与稳定发展提供科
学依据。
1摇 材料与方法
本研究以洛川为代表点,在模型数据库组建和模拟精度验证基础上,利用洛川站 1962—2001 年实时气象
数据、土壤数据和已验证过的苹果树参数,应用 WinEPIC 模型定量模拟研究了洛川 1—40 年生(1962—2001
年)旱作苹果园地产量和深层土壤水分变化动态。
1. 1摇 试区概况
试验区设置于陕西洛川县,位于渭北旱塬沟壑区,东经 109毅13忆14义—109毅45忆47义,北纬 35毅26忆29义—36毅04忆
12义,属于暖温带半湿润大陆性季风气候,平均海拔 1072 m,年均气温 9. 2 益,年均降水量 600 mm,主要集中在
7、8、9 月,年均日照 2552 h,无霜期 167 d。 主要土壤类型为黏黑垆土,其质地为中壤土,土壤剖面质地分布均
一,0—10 m 土层土壤平均田间持水量、土壤稳定湿度和凋萎湿度分别为 0. 312 m / m(24% )、0. 202 m / m
(15郾 5% )和 0. 112 m / m(8. 6% ),平均土壤容重为 1. 30 g / cm3。 本区热量资源丰富,夏无炎热,冬无严寒,气
温日差较大,光能资源丰富,土层疏松深厚,符合优质苹果生产的各项指标要求,是我国苹果生产的优势产区
之一。
1. 2摇 WinEPIC模型简介
环境政策综合气候模型(Environmental Policy Integrated Climate,EPIC)是美国农业部研究局研制的定量
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评价“气候鄄土壤鄄作物鄄管理冶综合系统的动力学模型[13],能够以天为时间步长,定量模拟气候变化、径流与蒸
散、水蚀与风蚀、养分循环、农药迁移、植物生长、土壤管理、经济效益分析等过程与环节,可用于水土资源利用
规划与农田作物管理评价研究,社会与生态效益十分显著。 本研究采用的 WinEPIC 3060,对土壤水分动力学
过程描述比较细致,可以输出逐日分层土壤水分数据,适用于作物生产系统综合性模拟分析和应用研究,特别
适合于旱地土壤水分生态环境效益的模拟和分析研究[14鄄15]。
1. 3摇 WinEPIC模型数据库组建
WinEPIC模型的运行需要逐日气象要素、土壤剖面理化特性、作物生长参数和肥料管理等数据库的支
持[16]。 逐日气象数据以洛川站为代表点,将洛川气象台站 1962—2001 年 40 a 实时气象观测的逐日太阳辐
射、最高气温、最低气温、降雨量、相对湿度、风速等气象数据按照 EPIC 模型要求处理后,导入模型气象数据
库中,建成逐日实时气象数据库。 土壤数据库以洛川旱塬典型农田土壤———黏黑垆土为代表,通过实地测定
和参阅相关文献[17鄄18],建立黏黑垆土 0—10 m土层土壤剖面理化性状参数数据库(表 1),其中黏黑垆土中砂
粒、粉粒和黏粒含量分别为 11% 、74. 2%和 14. 8% [19],其饱和导水率为 10 mm / h[20]。 WinEPIC模型通过作物
参数控制作物的生长发育阶段和产量形成过程,估算温度、水分、养分等环境因素对生物量积累和经济产量形
成的胁迫[21]。 WinEPIC模型中已经包括苹果生长参数,根据黄土高原旱塬地苹果树栽培技术和生理生态试
验研究成果及《中国果树志》(苹果卷) [22],对洛川苹果生长的 39 个生理生态参数进行了修订,使之符合黄土
高原苹果生产实际情况。 表 2 为 WinEPIC模型中苹果部分重要生长参数修订值。
表 1摇 WinEPIC模型中洛川旱塬黏黑垆土部分重要理化参数
Table 1摇 Some important physical and chemical parameters of Clay Heilu soil at rainfed highland of Luochuan in WinEPIC model
项目 Item
土层编号 Layer Number
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
土层深度 Soil depth / m 0. 01 0. 5 1 2 3 4 5 6 8 10
土壤容重 Bulk density / (g / cm3) 1. 18 1. 23 1. 33 1. 35 1. 43 1. 38 1. 38 1. 34 1. 34 1. 34
凋萎湿度 Wilting point / (m / m) 0. 10 0. 10 0. 10 0. 10 0. 11 0. 11 0. 12 0. 12 0. 13 0. 13
田间持水量 Field capacity / (m / m) 0. 31 0. 29 0. 30 0. 30 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32
有机氮含量 Organic nitrogen / (mg / kg) 350 380 360 370 380 380 390 370 380 370
pH 8. 1 8. 1 8. 1 8. 2 8. 2 8. 2 8. 2 8. 2 8. 2 8. 2
有机质含量 Organic matter / % 0. 75 0. 90 0. 91 0. 85 0. 83 0. 64 0. 57 0. 41 0. 30 0. 21
碳酸钙含量 Calcium carbonate / % 4. 4 1. 5 1. 4 1. 03 11. 3 14. 6 11. 7 11. 72 11. 72 11. 72
阳离子交换量
Cation exchange capacity / (cmol / kg) 11. 9 12. 1 12. 9 16. 36 10. 9 8. 9 8. 9 9 8. 9 8. 9
磷浓度 Phosphorus / (mg / kg) 3 3 3. 2 3. 2 3 3 2 0 0 0
表 2摇 WinEPIC模型中苹果部分重要生长参数修订值
Table 2摇 Some important revised growth parameters of apple in WinEPIC model
参数
Parameter
取值
Value
含义
Meaning
CPNM APPLE 作物 作物名称
WA 40. 0 潜在生物量鄄能量比率 / ( t·hm-2·MJ-1)
HI 0. 50 收获指数(通常取值 0. 01—0. 95)
TG 20. 0 作物生长最适温度 / 益
TB 6. 0 作物生长最低温度 / 益
DMLA 3. 0 最大潜在叶面积系数
DLAI 0. 99 播种至作物叶面积系数达到最大时占整个生长期的比率(常取值 0. 4—0. 99)
RLAD 1. 0 叶面积下降参数,1. 00 代表线性(通常取值 0—10)
RBMD 1. 0 生物量鄄能量转换比率下降参数,1. 00 代表线性(通常取值 0—10)
9673摇 13 期 摇 摇 摇 张社红摇 等:渭北旱塬苹果园地产量和深层土壤水分效应模拟 摇
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摇 摇 续表
参数
Parameter
取值
Value
含义
Meaning
HMX 4. 00 最大株高 / m
RDMX 10. 00 最大根系分布深度 / m
FRST1 15. 01 生物量遭受霜冻曲线参数,当温度达到零下(小数点左面数值)时(益),作物生物量损失(小数点右面数值)(% )
RFST2 25. 05 生物量遭受霜冻曲线参数,当温度达到零下(小数点左面数值)时(益),作物生物量损失(小数点右面数值)(% )
RWPC1 0. 40 出苗时根重系数
RWPC2 0. 20 成熟时根重系数
1. 4摇 模拟研究方法
为了比较不同生长年限苹果园地产量和土壤水分利用演变状况,依据试区苹果种植方式,设定模型中苹
果树种植密度为 825 株 / hm2,最大根深设置为 10 m,最大株高设置为 4 m,在挂果后每年的 10 月 1 日收获,其
他管理措施同大田。 在 40 a(1962—2001 年)期间,定量模拟和比较分析洛川旱塬地不同生长年限苹果园地
产量和土壤水分效应。 在分析苹果园地逐月土壤有效含水量变化动态时,以每月 15 日土壤有效含水量代表
该月土壤有效含水量;在分析苹果园地土壤湿度剖面分布变化特征时,采用模型输出的每年 8 月 15 日土壤湿
度剖面分布特征代表该年土壤湿度剖面分布特征。
1. 5摇 土壤干燥化评价方法
在黄土高原半湿润区,许多学者常利用土壤稳定湿度作为判断土壤干燥化的上限,凋萎湿度为下
限[19,23鄄24]。 本研究中,半湿润区土壤稳定湿度值采用文献[25]中提出的 0. 202 m / m(15. 5% )作为评判标准,若
某一土层的土壤湿度低于土壤稳定湿度就视为该土层发生了干燥化现象。
1. 6摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 2003 进行统计处理, SAS ( Statistical Analysis System) 8. 0 软件进行方差及相关
分析[26鄄27]。
2摇 WinEPIC模型模拟精度验证
利用 EPIC模型连续模拟了 1979—2001 年实时气象条件下洛川旱塬 1—23 年生苹果园地逐年产量,并选
择 13—23 年生(即 1991—2001 年期间)苹果园地产量模拟值和同龄果园产量观测值进行比较,以评价 EPIC
模型对苹果园产量的模拟准确性。 其中观测值为延安农科所洛川苹果试验站于 1991—2001 年间对果农进行
跟踪调查所得的统计数据。 在 1991—2001 年试验研究期间,洛川 13—23 年生苹果园产量模拟值与观测值的
平均值分别为 25. 94 t / hm2和 25. 82 t / hm2,产量模拟值和观测值的相关系数为 0. 784,达到极显著水平,平均
相对误差为 2. 58% ,模拟平方根误差 RMSE为 1. 84 t / hm2(表 3)。 13—23 年生苹果园地产量模拟值和观测值
基本上均匀分布在 1 颐1 直线附近(图 1),表明 WinEPIC 模型能够较为精确的模拟洛川旱塬苹果园地产量
水平。
选择 EPIC模型模拟的 15 年生(1991—2005 年)苹果园地 0—10 m土层土壤含水量剖面分布数据和洛川
同龄果园土壤含水量实地观测值比较,以评价 EPIC 模型模拟苹果园地土壤含水量的准确性。 其中,土壤含
水量观测值为 2005 年本课题组实地测定的 15 年生苹果园地 0—10 m 土层土壤湿度经单位转换而得。 将
EPIC模型中 0. 5、1、2、3、4、5、6、8、10 m土层 9 个土壤含水量模拟值与对应土层 9 个土壤含水量观测值进行
对比分析。 洛川 15 年生苹果园地 0—10 m土层土壤剖面含水量模拟值与观测值的平均值分别为 0. 173 m / m
和 0. 181 m / m,各个土层土壤含水量模拟值和观测值的相关系数为 0. 847,为极显著相关,平均相对误差为
-4. 67% ,RMSE为 0. 463 m / m(表 3)。 15 年生果园土壤含水量模拟值和观测值基本上均匀分布在 1 颐1 直线
附近,表明 EPIC 模型能够较为真实的描述洛川旱塬果园土壤水分变化过程和 0—10 m土层土壤含水量剖面
分布情况(图 2)。
0773 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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综上所述,经过修订的 EPIC模型能够满足研究苹果园地的产量和土壤水分效应的基本要求,可以用来
研究本文设计的模拟研究长时段内渭北旱塬苹果园地的产量和土壤水分效应。
表 3摇 洛川旱塬苹果园产量和土壤含水量模拟值与观测值比较
Table 3摇 Comparison between simulated and observed fruit yield and soil water contents on apple orchards at rainfed highland of Luochuan
项目 Items 模拟值 Simulated 观测值 Observed 相对误差 Error / %
果实产量 平均值 Average 25. 83 25. 30 2. 58
Fruit yield / ( t / hm2) RMSE 1. 84
相关系数 Correlation coefficient 0. 784
标准差 Std 2. 80 3. 14 8. 40
土壤含水量 平均值 Average 0. 173 0. 181 -4. 67
Soil water / (m / m) RMSE 0. 463
相关系数 Correlation coefficient 0. 847
标准差 Std 0. 015 0. 012 4. 37
20
22
24
26
28
30
模拟
值
Simu
lated
/(t/hm
2 )
观测值 Observed/(t/hm2)20 22 24 26 28 30
摇 图 1摇 洛川旱塬不同生长年限苹果园地果实产量模拟值与观测值
的比较
Fig. 1 摇 Comparison between simulated and observed yield on
different ages of apple orchards at rainfed highland of Luochuan
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
模拟
值
Simu
lated
/(m/m
)
观测值 Observed/(m/m)
摇 图 2摇 洛川旱塬地 15 年生苹果园地 0—10 m 土层土壤含水量模
拟值与观测值的比较
Fig. 2摇 Comparison of statistic values between the simulated and
observed soil water contents in 0—10 m profile on 15 years apple
orchards at rainfed highland of Luochuan
3摇 结果与分析
3. 1摇 苹果园地年耗水量与产量变化动态
1962—2001 年洛川旱塬年降水量为 342—912 mm,40 a平均值为 607. 9 mm,标准差为 124. 2 mm,变异系
数为 20. 4% 。 在这 40 a期间,洛川年降水量呈波动性降低趋势(图 3),如第 4 个 10a(1992—2001 年)较第 1
个 10a(1962—1971 年)年均降水量减少了 86. 7 mm。
在 40 a 模拟研究期间,洛川苹果园地年耗水量介于 412—854 mm,平均值为 633. 1 mm,标准差为 120
mm,变异系数为 19% ,整体上呈现波动性降低的变化动态(图 3)。 在 40 a期间,苹果园地年耗水量平均值分
别比同期年降水量平均值高 25. 2 mm,40 a共多耗水 1009 mm。 在 1—15 年生(1962—1976 年)期间,苹果园
地年耗水量值普遍高于当地同期年降水量值,此期年均多耗水 64 mm,16—40 年生(1977—2001 年)苹果园地
年耗水量值和年降水量值基本接近或者相等,波动趋势完全吻合和一致,表明苹果园地深层土壤发生干燥化
后,苹果树生长耗水主要依靠当年雨季降水供给。
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年份 Year
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产量
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yield
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胁迫
天数
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年耗
水量
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年降
水量
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图 3 摇 洛川旱塬实时降水量、苹果园地年耗水量、干旱胁迫天数和果实产量模拟值变化动态
Fig. 3摇 Dynamic of real鄄time annual precipitation, simulated annual water consumption, water stress days, and fruit yield at rainfed
highland of Luochuan
在 1962—2001 年模拟研究期间,洛川 4—40 年生苹果园地连年产量为 16. 1—31. 3 t / hm2,平均为 23. 3 t /
hm2,标准差为 3. 59 t / hm2,变异系数为 15. 4% 。 在模拟初期,苹果园地连年产量呈波动性增加趋势,在 11—
23 年生(1972—1984 年)平均值达到最大,为 28. 8 t / hm2,此后,24—40 年生(1985—2001 年)平均值仅为
20郾 7 t / hm2,此时苹果园地产量随降水量年际波动呈现出明显的波动性降低趋势(图 3)。
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EPIC模型中干旱胁迫日数是指每年生长季节中苹果树生长遭受土壤干旱胁迫的天数,用以描述土壤水
分亏缺对当季苹果树生长的胁迫程度。 在 1—40 年生期间,苹果树生长遭受年干旱胁迫天数介于 0—147. 8
d,平均 65. 5 d,标准差为 41. 5 d,变异系数为 63. 3% 。 在 1—9 年生(1962—1970 年)苹果园地土壤干旱胁迫
日数为零,表明此期尚未出现土壤干旱胁迫。 在 10—40 年生(1971—2001 年)苹果园地土壤干旱胁迫日数呈
现明显的波动性上升趋势,并且其波动趋势与年降水量波动趋势相反,表明苹果树生长遭受土壤干旱胁迫的
程度日趋增加(图 3),此期,在 1999 年土壤干旱胁迫天数达到最大值 147. 8 d。
3. 2摇 苹果园地 0—10 m土层逐月土壤有效含水量变化动态
土壤有效含水量是指苹果园地土壤含水量减去凋萎湿度含水量的差值,其含义是果树能够吸收利用的土
壤水分含量。 在 1962—2001 年模拟研究期间,苹果园地 0—10 m土层逐月土壤有效含水量模拟值介于 560—
1780 mm, 480 个月平均值为 785. 1 mm,标准差为 368. 5 mm,变异系数为 46. 7% 。 在 40 a 期间,苹果园地逐
月土壤有效含水量下降趋势十分明显(图 4)。
1—10 年生(1962—1971 年)苹果园地 0—10 m土层土壤有效含水量呈显著下降趋势(图 4),由 1962 年
1 月份的 1780 mm 迅速减少到 1971 年 12 月份的 760 mm,平均减少了 954. 2 mm,此期土壤干燥化速率为
95郾 4 mm / a;11—20 年生(1972—1981 年)苹果园地 0—10 m 土层土壤有效含水量在 780—620 mm 范围内波
动(图 4),平均值为 667. 5 mm,标准差为 38. 7 mm,变异系数为 5. 8% ,平均减少了 119. 8 mm,此期土壤干燥
化速率为 12 mm / a;21—40 年生(1982—2001 年)苹果园地 0—10 m 土层土壤有效含水量在 700—560 mm的
范围内发生小幅度波动(图 4),平均值为 616. 3 mm,标准差为 27. 2 mm,变异系数为 4. 4% ,平均减少了 30. 8
mm,此期土壤干燥化速率为 1. 5 mm / a。 苹果园地在前 20 a(1962—1981 年)生长过程中土壤有效含水量呈
显著减少趋势,而后 20 a(1982—2001 年)在较低水平上发生小幅度波动,表明随苹果树生长年限的延长,土
壤干燥化速度逐渐减小(图 4)。
3. 3摇 苹果园地 0—10 m土层土壤湿度剖面分布变化动态
在 1962—2001 年模拟研究期间,洛川 1—10 年生苹果园地 0—10 m土层土壤湿度剖面分布变化剧烈,随
着苹果树根系不断下扎和旺盛生长耗水,苹果园地土壤湿度逐年降低,土壤干层逐渐形成并且逐年加厚,苹果
园地土壤干层最大分布深度在 1—2 年生时不超过 1 m,3 年生时超过了 1 m,4 年生时超过了 2 m,6 年生时达
到了 3 m,7 年生时超过了 4 m,8 年生时达到了 6 m,9 年生时达到了 7 m,10 年生时超过了 8 m,11—12 年生
时超过了 9 m,14 年生时超过了 10 m,20 年生以上苹果园地 2—10 m土层土壤湿度基本接近凋萎湿度,并在
此后长期保持稳定的土壤干层,只有上层土壤湿度随降水量发生变化(图 5)。 此后深层土壤水库调节作用的
丧失使苹果树生长基本完全依靠当季降水供给,再加上降水量的趋势性减少和土壤干旱胁迫程度的加剧,导
致苹果园地产量逐渐下降。
4摇 讨论与结论
4. 1摇 讨论
4. 1. 1摇 关于渭北旱塬苹果园地产量和土壤干燥化效应
(1)土壤干层[28]作为一种特殊的土壤水文现象,广泛分布于黄土高原地区,它的形成严重恶化了土壤水
分生态环境,对林草建设带来了不利影响[19]。 渭北旱塬苹果园地土壤干燥化现象是气候暖干化趋势和苹果
树强烈耗水综合作用的结果。 渭北旱塬 1955—1997 年气候暖干化趋势明显[2],年均气温上升 0. 02 益,年均
降水量减少 1. 5 mm。 据笔者对 1962—2001 年洛川 40 a降水量变化趋势分析显示,前 20 a 降水量平均值为
633. 2 mm,而后 20 a降水量平均值仅为 582. 7 mm,前后平均年降水量减少了 50. 5 mm,表明传统的半湿润区
正在向半湿润偏旱区演变。 在这种气候暖干化环境下,苹果园地蒸腾耗水作用不断增强,不仅消耗掉当季降
水入渗量,还不断利用土壤水库贮水,导致苹果园地深层土壤水分逐年降低,加剧了深层土壤的干燥化。
(2)由于苹果树根系发达和生物量大,苹果园地耗水强度和耗水深度都远高于一般农作物,也高于渭北
旱塬半湿润区年降水量和降水入渗深度。 8 年生、15 年生和 28 年生苹果园地多年平均蒸散量比同期多年降
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日期 Time
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图 4摇 洛川旱塬实时气象条件下苹果园地 0—10 m 土层逐月土壤有效含水量模拟值变化动态
Fig. 4摇 The simulated monthly available soil water content changes in 0—10 m soil layers of apple orchards under real - time weather
condition at rainfed highland of Luochuan
水量平均值分别高出 21. 6、50. 9、28. 1 mm[5]。 据刘贤赵、冉伟等测算[3, 6],7 年生以上苹果园地最大降水入渗
深度仅为 2—3 m,而苹果树根系耗水深度可达 10 m[5]。 渭北旱塬地苹果树根系最大耗水深度尚缺少实际观
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1年生2年生3年生4年生
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35年生36年生37年生38年生
39年生40年生
田间持水量
土壤稳定湿度
土壤湿度 Soil moisture/(m/m) 土壤湿度 Soil moisture/(m/m)
土壤湿度 Soil moisture/(m/m) 土壤湿度 Soil moisture/(m/m)
土壤
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图 5摇 洛川塬地不同生长年限苹果园地 0—10 m土层土壤湿度剖面分布特征比较
Fig. 5摇 Comparison of soil moisture distributions in 0—10 m soil layers on different ages of Apple orchards at Luochuan highland
测数据,据本课题组对洛川试点苹果园地土壤湿度测定结果显示,26 年生以上苹果树根系耗水深度都在 13 m
以上,而且随苹果树生长年限的延长,根系深层耗水使苹果园地土壤水分利用深度和土壤干层分布深度不断
加大,因此渭北旱塬 40 年生以上苹果园地最大耗水深度极有可能超过了 15 m。
(3)在苹果树生长初期,土壤水分条件较好,苹果树生长旺盛,产量不断增加,受当季降水量的影响较小,
但苹果园地均出现了土壤干层,并且随着苹果树生长年限的延长,土壤干燥化剧烈,土壤干层分布深度逐年加
大,到一定年限(14 年生)后,土壤干层分布深度超过了模型中设置的最大土层深度(10 m),2 m 以下土层土
壤湿度减少幅度较小,而且在一定生长年限(20 年生)以后 2—10 m土层土壤干燥化进程极为缓慢(图 5),但
土壤干燥化程度还在加剧。 由于土壤干层的出现及其分布深度的增大削弱了土壤水库对年际和季节性干旱
的调节作用,最终导致苹果园地产量随降水量的自然变化呈现较大波动。
(4)许多学者对苹果园地土壤干燥化现象已有不少研究报道,并指出果园土壤水分状况对苹果的产量有
重要影响,但至今无人明确提出适合渭北旱塬苹果园生长和利用的年限。 本研究借助 EPIC 模型,定量模拟
和分析了渭北旱塬苹果园地土壤干燥化效应对其产量水平的影响,并对苹果园产量的稳定性进行了分析。 苹
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果园地土壤干燥化进程在前期(1—10 年生)快、中期(11—20 年生)较慢、后期(21—40 年生)极为缓慢(图
5),从苹果园地土壤含水量考虑,中期苹果园地深层土壤含水量减少幅度逐渐下降,到后期苹果园地 2—10 m
土层形成了稳定的土壤干层,在土壤含水量相对较好的中期阶段种植苹果比在后期更有生态效益;苹果园在
前期处于初果期(4—10 年生)、中期处于盛果期(11—23 年生)、后期处于衰退期(24—40 年生) [6],从苹果产
量水平考虑,在产量较高的中期阶段种植苹果比在初期更有经济效益。 据此,兼顾经济效益和生态效益,渭北
旱塬苹果园地生长和利用的合理年限以 20 a左右为宜,最长不宜超过 23 a。
4. 1. 2摇 关于苹果园地产量和土壤水分效应模拟方法
由于苹果树生长周期较长,苹果园地土壤水分变化过程较长,采取长期定位方法测定苹果园地产量和土
壤水分效应的工作难度较大。 目前尚未见到关于苹果园地产量和深层土壤水分动态的长周期定位试验研究
报道。 因此,在较长时段内,运用“气候鄄土壤鄄植物鄄管理冶复合系统动力学模型 WinEPIC定量模拟研究渭北旱
塬苹果园地产量和土壤水分效应,是一种简便和有效的研究方法。 在本研究中,WinEPIC 模型模拟结果是在
实时气候、土壤和管理措施下对理想状态苹果园地树体生长和土壤水分利用潜在能力的反映,现实生产中老
果园遭受干旱和病虫胁迫加剧,果园实际产量显著降低,使得果园产量模拟值较实际值偏高、而深层土壤含水
量模拟值较实际观测值偏低,这应该是一种不可避免的、但尚可接受的模型误差。
在 WinEPIC模型中最多可建立的土层数为 10 层,由于受土层数的限制,本研究建立的数据仅为 10 m。
本课题组于 2010 年 7 月中旬在洛川试点进行实地调查时发现,苹果树根系对土壤水分的利用深度可以达到
15 m,因此本研究已建立的土壤数据库,不能完全满足模拟苹果园地土壤含水量的需要。 如果按照 15 m深度
建立土壤数据库则会因土壤剖面厚度过大,而使模拟精度降低。 因此,扩大模型中土层数或许会提高模型对
苹果园地土壤含水量的模拟精度。
4. 2摇 结论
(1)在 1962—2001 年模拟研究期间,洛川年均降水量和苹果园地年耗水量均呈波动性降低趋势,但 40 a
间年耗水量平均值比同期年降水量平均值高。 4—40 年生苹果园地产量整体呈降低趋势,在模拟初期苹果园
地产量逐渐增加,在 11—23 年生期间平均值达到最大,此后随降水量年际波动呈现出明显的降低趋势。 苹果
园地出现土壤干旱胁迫后,干旱胁迫天数波动性上升。
(2)在模拟研究期间,苹果园地 0—10 m 土层逐月土壤有效含水量整体上呈降低趋势,在 1—10 年生期
间下降趋势较为明显,此后降低幅度逐渐减小,1—10 年生、11—20 年生和 21—40 年生期间发生土壤干燥化
并且程度逐渐加剧,但苹果园地土壤干燥化速度减缓。 随着苹果树生长年限的延长,土壤湿度逐渐降低,土壤
干层分布深度逐渐增大,到一定生长年限(14 年生)后,土壤干层分布深度超过了 10 m。
(3)兼顾苹果园地的经济效益和生态效益,洛川旱塬苹果园地生长和利用的合理年限应为 20 a,最长不
宜超过 23 a。
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7773摇 13 期 摇 摇 摇 张社红摇 等:渭北旱塬苹果园地产量和深层土壤水分效应模拟 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 13 July,2011(Semimonthly)
CONTENTS
Spatiotemporal variation of plant community aspections in the north-subtropical zone of eastern China
CHEN Xiaoqiu, QI Xiaoran, A Shan, et al (3559)
…………………………………
…………………………………………………………………………………
Seasonal variations and environmental control impacts of evapotranspiration in a hilly plantation in the mountain areas of North
China HUANG Hui, MENG Ping, ZHANG Jinsong, et al (3569)…………………………………………………………………
Intra- and inter-specific variations in stem respiration for 14 temperate tree species in northeastern China
XU Fei,WANG Chuankuan, WANG Xingchang (3581)
……………………………
……………………………………………………………………………
Assessment of the ecological health of wetlands in Honghe supported by RS and GIS techniques
WANG Yihan,ZHOU Demin,SUN Yonghua (3590)
………………………………………
…………………………………………………………………………………
Phytoplankton community structure in Qinzhou Bay during flood season by analysis of HPLC photosynthetic pigment signatures
LAN Wenlu, WANG Xiaohui, LI Mingmin (3601)
………
…………………………………………………………………………………
Irreplaceability-based function zoning of nature reserves in the Three Rivers Headwater Region of Qinghai Province
QU Yi, WANG Xiulei, LUAN Xiaofeng, et al (3609)
…………………
……………………………………………………………………………
Effects of snowmelt timing on individual growth and reproduction of Pedicularis davidii var. pentodon on the eastern Tibetan
Plateau CHEN Wennian, WU Yan, WU Ning, et al (3621)………………………………………………………………………
Response of foliar δ13C of Quercus spinosa to altitudinal gradients FENG Qiuhong, CHENG Ruimei, SHI Zuomin, et al (3629)……
Soil water and nutrient characteristics of alfalfa grasslands at semi-arid and semi-arid prone to drought areas in southern Ningxia
REN Jingjing, LI Jun, WANG Xuechun, et al (3638)
……
……………………………………………………………………………
Aboveground biomass of natural Castanopsis fissa community at the Xiaokeng of NanLing Mountain, Southern China
LI Gen, ZHOU Guangyi, WANG Xu, et al (3650)
…………………
…………………………………………………………………………………
Impacts of grazing on herbage quality of the alpine and subalpine meadows within Wutai Mountain
ZHANG Yiping, JIANG Yuan, LIU Quanru, et al (3659)
……………………………………
…………………………………………………………………………
Short-term effects of warming on growth and stoichiometrical characteristics of Abies fabiri (Mast. ) Craib seedling in Gongga
mountain YANG Liudong, YANG Yan, WANG Genxu, et al (3668)……………………………………………………………
Manganese stress on morphological structures of leaf and ultrastructures of chloroplast of a manganese hyperaccumulator,
Phytolacca americana LIANG Wenbin, XUE Shengguo, SHEN Jihong, et al (3677)……………………………………………
Allelopathicpotential of volatile oil from Chenopodium ambrosioides L. on root tip cells of Vicia faba
HU Wanjun, MA Danwei, WANG Yanan, et al (3684)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Contents and cycling of microelements in Karst urban poplar plantations WANG Xinkai,TIAN Dalun,YAN Wende, et al (3691)……
Fungal flora and population structure of polypores in the Great Xingan Mountains CUI Baokai,YU Changjun (3700)…………………
Growth competition characteristics of Microcystis aeruginosa Kutz and Scenedesmus obliquus (Turp. ) Kutz under non-steady-state
nutrient limitation ZHAO Xiaodong, PAN Jiang, LI Jinye, et al (3710)…………………………………………………………
The characters of salt-tolerance at different growth stages in cotton WANG Junjuan, WANG Delong, FAN Weili, et al (3720)……
Assessment of tributyltin ecotoxicity using a model animal nematode Caenorhabditis elegans
WANG Yun, YANG Yanan, JIAN Fenglei, et al (3728)
……………………………………………
…………………………………………………………………………
Effectof oil exploitation on soil nematode communities in Daqing Oilfield
XIAO Nengwen, XIE Deyan, WANG Xuexia, et al (3736)
………………………………………………………………
………………………………………………………………………
Effect ofhabitat degradation on soil meso- and microfaunal communities in the Zoigê Alpine Meadow, Qinghai-Tibetan Plateau
WU Pengfei, YANG Daxing (3745)
………
…………………………………………………………………………………………………
Characteristics of the soil environment of Dongting Lake wetlands and its response to the converting farmland to lake project
LIU Na, WANG Kelin, XIE Yonghong, et al (3758)
…………
………………………………………………………………………………
Modeling the changes of yield and deep soil water in apple orchards in Weibei rainfed highland
ZHANG Shehong, LI Jun, WANG Xuechun, et al (3767)
………………………………………
…………………………………………………………………………
Potential soil N2O emissions and its controlling factors under different land use patterns on hilly-gully loess plateau
QI Jinhua, HUANG Yimei, ZHANG Hong, et al (3778)
…………………
…………………………………………………………………………
Comparison between physiological properties and cold tolerance under low temperature treatment during different growing stages
of rice in northeast
central region of China SONG Guangshu, SUN Zhongfu, SUN Lei, et al (3788)………………………………………………………
Effect of sulfur on chlorophyll fluorescence of flue-cured tobacco at maturation stage
ZHU Yinghua,TU Naimei, XIAO Hanqian, et al (3796)
…………………………………………………
…………………………………………………………………………
Effects of high temperature and strong light on chlorophyll fluorescence, the D1 protein, and Deg1 protease in Satsuma mandarin,
and the protective role of salicylic acid QIU Cuihua, JI Weiwei, GUO Yanping (3802)…………………………………………
Effect of plastic film mulching on the distribution and translocation of nitrogen in soil-lettuce system
LI Lili, LI Feili, LIU Qiuya, et al (3811)
…………………………………
…………………………………………………………………………………………
An analysis on spatio-temporal dynamics of suitable habitats for waterbirds based on spatial zonation at Chongming Dongtan,
Shanghai FAN Xuezhong, ZHANG Liquan, YUAN Lin, et al (3820)……………………………………………………………
The bryophyte consumed by reindeers and species diversity of bryophyte in reindeer habitats FENG Chao, BAI Xueliang (3830)……
Evaluation of rainwater runoff storage by urban green spaces in Beijing ZHANG Biao, XIE Gaodi, XUE Kang, et al (3839)………
Review and Monograph
Advances in methane-cycling microbial communities of permafrost and their response to global change
NI Yongqing,SHI Xuewei, ZHENG Xiaoji, et al (3846)
………………………………
……………………………………………………………………………
Heat transfer property of mammal pelage and its influencing factors ZHENG Lei, ZHANG Wei, HUA Yan (3856)…………………
2009 年度生物学科总被引频次和影响因子前 10 名期刊★
(源于 2010 年版 CSTPCD数据库)
排序
Order
期刊
Journal
总被引频次
Total citation
排序
Order
期刊
Journal
影响因子
Impact factor
1 生态学报 11764
2 应用生态学报 9430
3 植物生态学报 4384
4 西北植物学报 4177
5 生态学杂志 4048
6 植物生理学通讯 3362
7
JOURNAL OF INTEGRATIVE
PLANT BIOLOGY
3327
8 MOLECULAR PLANT 1788
9 水生生物学报 1773
10 遗传学报 1667
1 生态学报 1. 812
2 植物生态学报 1. 771
3 应用生态学报 1. 733
4 生物多样性 1. 553
5 生态学杂志 1. 396
6 西北植物学报 0. 986
7 兽类学报 0. 894
8 CELL RESEARCH 0. 873
9 植物学报 0. 841
10 植物研究 0. 809
　 ★《生态学报》 2009 年在核心版的 1964 种科技期刊排序中总被引频次 11764 次,全国排名第 1; 影响因
子 1． 812,全国排名第 14;第 1—9 届连续 9 年入围中国百种杰出学术期刊; 中国精品科技期刊
　 　 编辑部主任　 孔红梅　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 执行编辑　 刘天星　 段　 靖
生　 态　 学　 报
(SHENGTAI　 XUEBAO)
(半月刊　 1981 年 3 月创刊)
第 31 卷　 第 13 期　 (2011 年 7 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
　
(Semimonthly,Started in 1981)
　
Vol． 31　 No． 13　 2011
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