全 文 ：第 wt卷 第 w期
u s s x年 z 月
林 业 科 学
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湿地功能评价两级模糊模式识别模型
的建立及应用
袁 军t ou ov 吕宪国t
kt q中国科学院东北地理与农业生态研究所 长春 tvsstu ~ u q国家林业局调查规划设计院 北京 tssztw ~
v q中国科学院研究生院 北京 tsssv|l
摘 要 } 湿地功能一般可分为水文功能 !生境功能和生物地化学循环功能 v种类型 ov类功能各包括若干子功能 o
各子功能的强弱由可以量化 !相互独立 !能够表示其本质特征的评价指标表示 o指标总和即为湿地功能评价指标体
系 ∀湿地功能所具有的模糊属性决定了模糊数学方法在湿地功能评价中具有广泛的应用前景 ∀运用模糊数学理
论和方法进行湿地功能评价的实质就是确定待评价湿地属于哪个事先划分好的模糊集合 o或描述它属于某个集合
的程度 ∀两级模糊模式识别模型的原理是通过确定评价对象对最优 !最劣 u种状态的隶属程度 o从而定量判断评
价对象的优劣状况 ∀对于任意一块待评价的湿地 o以其原始状况下指标最大可能特征值作为最优标准值 o以其在
人类干扰下指标可能达到的最小特征值作为最劣标准值 ∀运用模型对黑龙江三江平原洪河国家级自然保护区不
同年份kt|{s ot|{{和 ussu年l湿地功能进行了评价 o结果表明该区湿地功能对最优状态的隶属度在 t|{s !t|{{和
ussu年分别为 s q|zw v !s q{xz v和 s qzsv s o呈明显下降趋势 ∀
关键词 } 湿地功能评价 ~两级模糊模式识别模型 ~洪河国家级自然保护区
中图分类号 }÷{u 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussxlsw p ssst p sy
收稿日期 }ussw p tt p sw ∀
基金项目 }中国科学院东北地理与农业生态研究所学科前沿领域项目kŽ≤÷v p ≥• p ‘„ p stl资助 ∀
∆εϖελοπ µεντ ανδ Αππλιχατιον οφ Α ∆υαλpΓραδε Φυζζψ Παττερν Ρεχογνιτιον Μοδελ
ον Φυνχτιοναλ Ασσεσσµεντ οφ Ωετλανδσ
≠∏¤±∏±tou ov | ÷¬¤±ª∏²t
kt1 Νορτηεαστ Ινστιτυτε οφ Γεογραπηψανδ Αγριχυλτυραλ Εχολογψo Χηινεσε Αχαδεµψοφ Σχιενχεσ Χηανγχηυν tvsstu ~ u q Αχαδεµψοφ Φορεστ Ινϖεντορψ ανδ
Πλαννινγ o Στατε Φορεστρψ Αδµινιστρατιον Βειϕινγtssztw ~ v q Γραδυατε Σχηοολοφ Χηινεσε Αχαδεµψοφ Σχιενχεσ Βειϕινγtsssv|l
Αβστραχτ} Š¨ ±¨ µ¤¯ ¼¯ º¨ ·¯¤±§©∏±¦·¬²±¶¦¤± ¥¨ §¬√¬§¨§¬±·²·«µ¨¨·¼³¨¶}«¼§µ²¯²ª¬¦o«¤¥¬·¤·¤±§¥¬²ª¨²¦«¨ °¬¦¤¯ ©∏±¦·¬²±¶q
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Κεψ ωορδσ} ©∏±¦·¬²±¤¯ ¤¶¶¨¶¶°¨ ±·²©º¨ ·¯¤±§¶~⁄∏¤¯pŠµ¤§¨ ƒ∏½½¼ °¤·¨µ± • ¦¨²ª±¬·¬²± ²§¨¯~‹²±ª«¨ ‘¤·¬²±¤¯ ‘¤·∏µ¨ • ¶¨¨µ√¨
所谓湿地功能 o就是湿地中发生的各种物理 !化学和生物学过程及其外在表征k¬·¶¦« ετ αλqousssl ∀湿
地功能评价就是对目标湿地内的物理 !化学和生物学过程进行研究 o讦估其是否运转正常 ∀它一般需要预先
建立一套评价指标体系 o设定各指标的评价标准 o然后通过一定步骤确定湿地单项功能或综合功能与评价标
准的符合程度 o从而对湿地功能的优劣程度作出定量或定性评估 o以便为制定正确的管理决策提供依据 ∀湿
地功能评价是湿地研究的核心内容之一 o也是开展湿地管理工作的重要工具 ∀美国 !欧盟与有关国际机构在
湿地功能评价方面开展了很多研究工作 o开发了诸如水文地貌法k«¼§µ²ª¨²°²µ³«¬¦¤³³µ²¤¦«l !生境评估法
k«¤¥¬·¤·¨ √¤¯∏¤·¬²± ³µ²¦¨§∏µ¨¶l !湿地评价技术kº¨ ·¯¤±§ √¨¤¯∏¤·¬²± ·¨¦«±¬´∏¨ l和快速评价法kµ¤³¬§¤¶¶¨¶¶°¨ ±·²©
º¨ ·¯¤±§¶l等湿地功能评价方法k…¤µ·²¯§∏¶ot||| ~Ž¨±·ousstl o但迄今为止并未建立一种得到广泛认可的评价指
标 !理论和方法体系 ∀我国湿地功能评价研究尚在起步阶段 o不能适应快速发展的湿地管理需要 o急需加强
这方面工作k陈宜渝 oussu ~袁军等 ousswl ∀本文在分析湿地功能特征的基础上 o提出了一套简明 !合理的湿
地功能评价指标体系 o引入模糊数学方法 o建立了湿地功能评价的两级模糊模式识别模型 o并应用模型对黑
龙江洪河自然保护区 us余年来湿地功能变化情况进行了评价 ∀
t 基本原理
湿地功能一般可分为 v种类型 }水文功能 !生境功能和生物地化循环功能 ov类功能各包括若干子功能 o
各子功能的强弱由可以量化 !相互独立 !能够表示其本质特征的评价指标表示 o指标总和即为湿地功能评价
指标体系 ∀湿地水文功能一般包括储存地表水 !土壤蓄水 !消能 !调节区域气候 !储存或补充地下水 !维持流
域水文过程的整合性等 y个子功能 ~湿地生境功能一般包括维持特定的植物群落 !维持特定的动物群落 !维
持景观的空间结构等 v个子功能 ~湿地的生物地化循环功能包括营养物循环 !滞留沉积物 !降解污染物 !固碳
和排碳等 w个子功能 ∀对于某一特定的待评价湿地 o它可能并不全部具备这些子功能 o或由于条件所限无法
获取某些子功能的指标特征值 o因此在实际湿地功能评价过程中 o所采用的评价指标体系并非一成不变 o而
是随具体条件有所不同 ∀
对于一个未受干扰的湿地生态系统 o其内部正常发生的物理 !化学和生物学过程必然使湿地表现出各种
功能 ∀在自然或人为干扰作用下 o湿地的水文条件 !物种组成 !群落结构 !生产力 !元素循环和能量流动等都
可能发生改变 o从而使湿地功能偏离自然状态 o而偏离程度则是一个不易确定的模糊概念 ∀
进行湿地功能评价的目的主要是了解湿地在外来干扰下功能变化的情况 o因此可以假设未受干扰时湿
地功能处于最佳状态 o而在强大干扰作用下湿地功能达到最低限时为最劣状态 o则对于任意受到一定程度干
扰的湿地 o其功能必定处于最佳和最劣状态之间的某一点 o因此湿地功能评价的实质就是找出该点与最佳或
最劣状态之间的距离 o与最佳状态距离愈近 o则功能越优 ~反之越劣 ∀湿地功能评价的两级模糊模式识别模
型的原理是通过确定评价对象对/功能最佳湿地0或/功能最劣湿地0这 u个集合的隶属度 o从而定量判断待
评价湿地的优劣状况k陈守煜 ot||{l ∀
u 模型建立
设水文功能 !生境功能和生物地化循环功能 v类湿地功能的指标特征值向量分别为
κξ € kκξt oκξu o, oκξµkκll ktl
式中 }κξ为功能 κ的 µkκl个指标特征值向量 }κ € t ou ov ~µkκl表示功能 κ的指标个数 o各功能的指标数不
一定相同 ∀
若湿地功能评价按最优k理想状态l !最劣k最劣状态l两级进行 o以待评价湿地在原始状况下指标最大可
能特征值作为最优标准值 o以其在人类干扰下指标可能达到的最小特征值作为最劣标准值 o则 u个级别的指
标标准特征值矩阵为
κΨ €
κψtt κψtu
κψut κψuu
, ,
κψµkκlt κψµkκlu
€ kκψιηl kul
式中 }κψιη 表示功能 κ指标 ι级别 η的标准特征值 ~κ € t ou ov ~ι € t ou o, oµkκl ~η € t ouk分别表示优 !劣两
级l ∀这样 o湿地功能 κ的指标特征值与指标标准值对优级的相对隶属度可分别按线性内插式 kvl和kwl确
u 林 业 科 学 wt卷
定 }
κρι €
s o κξι [ κψιu 或 κξι ∴ κψιu
κξι p κψιu
κψιt p κψιu o κψιt  κξι  κψιu 或 κψιt  κξι  κψιu
t o κξι ∴ κψιt 或 κξι [ κψιt
kvl
κΣιη € t o η € ts o η € u kwl
式中 }κρι 为湿地功能 κ指标 ι对湿地功能优级的相对隶属度 ~κξι 为湿地功能 κ指标 ι的特征值 ~κσιη 为湿地功
能 κ指标 ι级别 η的标准值对湿地功能优级的相对隶属度 ~κψιt 为湿地功能 κ指标 ι级别 t的标准值 ~κψιu 为
湿地功能 κ指标 ι级别 u的标准值 ∀
设湿地功能 κ的 µkκl个指标的权向量为
κω € kκωt oκωu o, oκωµkκll kxl
则由工程模糊集理论 o可得湿地功能 κ对湿地功能级别 η € tk优级l的隶属度表达式为
κυt € t
Ε
u
τ€ t
Ε
µkκl
ι € t
≈ κωιkκρι p κσιtl π
Ε
µkκl
ι € t
≈ κωιkκρι p κσιτl π
u
π
kyl
式中 }π为距离参数 oπ € t为海明距离 oπ € u为欧氏距离 ∀
由式kwl知 oσιt € t oσιu € s o则式kyl变为
κυt € t
t n
Ε
µkκl
ι € t
≈ κωιkκρι p tl π
Ε
µkκl
ι € t
kκωι κριlπ
u
π
kzl
由于湿地功能 κ对 t级和 u级的隶属度满足补余律 o即 κυt n κυu € t o故只需求解对 t级的隶属度即可 o且 κυt
越大 o表示功能 κ越优 o湿地功能发挥越正常 ∀
设 v类湿地功能的归一化权重向量为
ω € k ωt oωu oωvl k{l
则湿地综合功能对优级的隶属度为
υt € k ωt oωu oωvl # kt υt ou υt ov υtlΤ k|l
式中 }s [ υt [ t o当 υt € t时 o湿地功能处于最优状态 ~当 υt € s时 o湿地功能处于最劣状态 ~当 s  υt 
t时 o湿地功能处于最优与最劣之间的中间状态 o且 υt 的值越大 o表示湿地功能越佳 ∀
v 案例研究 ) ) ) 黑龙江洪河国家级自然保护区湿地功能评价
3 .1 湿地特征
洪河国家级自然保护区位于黑龙江省三江平原腹地 o同江市和抚远县境内 o浓江和沃绿兰河交汇的低洼
处 o地理位置为东经 tvvβvwχv{δ ) tvvβwuχu|δ o北纬 wzβwuχt{δ ) wzβxuχssδ o总面积 uxt qyu ®°u ∀保护区地势西南
高东北低 o地面坡降为 tΠx sss ∗ tΠtu sss o海拔 wt ∗ xx °∀
洪河保护区具有发育大范围湿地的有利条件 ∀这里地势低平 o地表粘土层深厚 o阻碍地表水下渗 ~河床
纵比降小 o河槽不明显 o河漫滩宽广 ~喜湿植物茂密 o加大了地表粗糙度 o使地表水流动缓慢 ~气候冷湿 o蒸发
量小 ~冬季雪量大 o春季融化后增加土壤湿度 ~降水多集中在夏秋 o容易形成洪水 o由于排泄不畅 o导致大量河
水漫溢 o且由于结冻早 !化冻晚 o造成当年降水形成的径流到来年 y月才能排出 o更加大了土壤潴水程度 ∀这
些因素综合在一起 o形成了洪河保护区以内陆淡水沼泽 !河流 !河漫滩和湿草甸为主要类型的湿地群 ∀
v 第 w期 袁 军等 }湿地功能评价两级模糊模式识别模型的建立及应用
3 .2 人类活动对洪河保护区湿地的影响
自 t|{w年洪河自然保护区建立至今 o保护区周边开展了大规模的农业开发和水利建设活动 o使保护区
内湿地明显退化 ∀洪河保护区原自然状态下集水面积为 t zvs quu ®°u o年降水量为 yss qs °° o折合成水量为
tsv {tv万 °v o地表水产流量平均为 tv {wu万 °v ∀t|{{年浓江上游截流 o将原浓江上游 zsv q{y ®°u 的来水截
走 o形成浓鸭总干汇入卧牛河进入黑龙江 o相当于将多年平均来水量 x yvt万 °v 的客水截走 ~洪河农场 !前
锋农场以及鸭绿河农场 o采取围堤截流 !强排改道使 zzw qzw ®°u 面积的来水改道不进入保护区 o使保护区又
减少年来水量 y t|{万 °v ∀这样 o经过多次人工截流 o使保护区汇水面积合计减小 t wz{ qys ®°u o减少入流量
tt {u|万 °v ∀目前 o洪河保护区湿地水源主要靠境内降水补充 o致使水源不足 ∀
3 .3 评价范围
洪河保护区周边都有渠道 !河道等明显障碍物与周边农场分隔开 o保护区边界清晰 !范围独立 o因此本研
究选取整个洪河保护区作为评价对象 o面积为 uxt qyu ®°u ∀
保护区内虽然存在 w种湿地类型 o但它们之间存在一定的水文联系 o功能相同或接近 o故可把保护区内
的湿地看作一个整体进行评价 o即评价洪河保护区湿地群的总体功能 ∀
3 .4 评价目的
通过对洪河保护区 t|{s年k周边无开发活动的准原始状态l !t|{{年k浓鸭总干建成 !保护区主要水源被
截走l和 ussu年k现状lv个年份的湿地功能状况进行评价 o了解在人类活动影响下该保护区湿地功能的退
化情况 o从而为制定正确的湿地管理措施提供依据 ∀
3 .5 评价指标体系
鉴于有关洪河保护区水文功能方面的数据较为丰富 o而有关其生境功能和生物地化循环功能两方面的
数据匮乏 o故评价指标体系侧重水文功能 ∀洪河保护区湿地水文功能主要包括维持水文过程的整合性 !储存
地表水 !土壤蓄水和调节局域气候 w个子功能 o分别以汇水区面积 !蒸发蒸腾量 !土壤蓄水量和蓄洪量 w个指
标表示功能强度 ~生境功能有维持动植物种群和维持景观空间结构 v个子功能 o但考虑到历史数据的限制 o
仅以保护区中重沼泽面积表示其维持景观空间结构的子功能 ~生物地化循环功能包括前述 w个子功能 o但由
于缺乏历史数据 o仅以毛果苔草k Χαρεξ λασιοχαρπαl的平均高度表示其营养物循环子功能 ∀
图 t 不同年份湿地水文 !生境 !生物地化循环
及综合功能对理想状态隶属度的变化趋势
ƒ¬ªqt ⁄¼±¤°¬¦·µ¨±§²© ° °¨¥¨µ¶«¬³§¨ªµ¨ ¶¨²©
º ·¯¨¤±§«¼§µ²¯²ª¬¦¤¯ o«¤¥¬·¤·o¥¬²ª¨²¦«¨ °¬¦¤¯ ¤±§
¶¼±·«¨¶¬½¨ ©∏±¦·¬²±¶·²¬§¨¤¯¬¶·¬¦¦¬µ¦∏°¶·¤±¦¨
¬± §¬©©¨µ¨±·¼¨ ¤µ¶
3 .6 保护区 3个代表年份湿地功能评价(图 1)
v qy qt 水文功能评价 通过实地勘测 !历史资料调研和计
算机模拟分析 o得出洪河保护区 v个年份湿地水文功能评价
指标特征值如表 tk陈刚起等 ot||yltl ∀
tl国家林业局 Š∞ƒ湿地项目办公室 qussv q˜‘⁄°ΠŠ∞×/中国湿地生物多样性保护与可持续利用0项目子合同 v成果报告
表 1 湿地水文功能评价指标特征值
Ταβ . 1 Χηαραχτεριστιχσ ϖαλυεσ οφινδεξ φορ ωετλανδ
ηψδρολογιχαλφυνχτιον ασσεσσµεντ
指标 Œ±§¨¬ 年份 ≠ ¤¨µt|{s t|{{ ussu
汇水面积 ≤¤·¦«° ±¨·¤µ¨¤Π®°u t zvs t suy uxt
湿地蓄洪量 ƒ¯ ²²§¶·²µ¤ª¨ ¬± º ·¯¨¤±§¶Πtsw °v | |yt ty svt us |yt
土壤蓄水量 • ¤·¨µ¶·²µ¤ª¨ ¬± ¶²¬¯Πtsw °v yxt t tsw u uss
蒸发量 ∞√¤³²µ¤·¬²±Πtsw °v ux u|| uw w{w uv uys
对于汇水面积 o理想状态特征值为自然状态下的汇水面
积 t zvs ®°u o最劣状态特征值为无外部来水 !完全靠保护区
自身补给的 uxt ®°u ~对于蓄洪量 o理想状态特征值为地表水
完全丧失时洪河保护区的最大容积 vt zyt万 °v o最劣状态
特征值为保护区地表水处于最高水位 xv qs °时的容积 s °v ~对于土壤蓄水量 o水位处于最低的 wy qx °时土
w 林 业 科 学 wt卷
壤蓄水能力最强 o此时蓄水量 v uyu °v 为理想状态特征值 o水位最高时有最劣状态特征值 s °v ~对于蒸发量 o
理想状态特征值为近似原始态时的蒸发量 ux u||万 °v o最劣状态特征值为保护区全部转为其他土地类型时
的蒸发量 tv s{w万 °v ∀
这样 o水文功能评价指标特征值矩阵 }
η Ξ €
t zvs t suy uxt
| |yt ty svt us |yt
yxt t tsw u uss
ux u|| uw w{w uv uys
€ kη Ξιϕl
式中 }ι € t ou ov ow ~ϕ€ t ou ov ∀
理想状态和最劣状态 u个级别的标准特征值矩阵为
ηΨ €
t zvs uxt
vt zyt s
v uyu s
ux u|| tv s{w
€ kηψιηl
式中 }ι € t ou ov ow ~η € t ou ∀
由式 v得指标相对隶属度矩阵为
η Ρ €
t1sss s s1xuw s s1sss s
s1vtv y s1xsw z s1yys s
s1t|| y s1vv{ w s1yzw w
t1sss s s1|vv v s1{vv t
€ kηριϕl
运用非结构性决策模糊集分析单元系统理论 o得到汇水面积 !蓄洪能力 !土壤蓄水量和蒸发量 w个指标
的归一化权向量 ηω € ks1xty os1uut os1tzu os1s|tl ∀
令 π € tk海明距离l o根据式kzl得
ηυtϕ € t
t n t p
t
Ε
w
ι € t
ηωι # ηριϕ
u
将相关数据代入 o算得
ηυtt € s1{xz { oηυtu € s1xxs s oηυtv € s1usy v
令 π € uk欧氏距离l o根据式kzl得
ηυtϕ € t
t n
Ε
w
ι € t
≈ ηωιkηριϕ p tl u
Ε
w
ι € t
kη ωι # ηριϕlu
将相关数据代入 o算得 ηυtt € s q{y| | oηυtu € s qxu| | oηυtv € s qtu{ u ∀由于采用u种距离参数解得的相对
隶属度不一致 o故采用 π € t与 π € u相对隶属度的平均值 o得 ηυ € ks1{yv { os1xws s os1tyz ul o它表示 t|{s
年时洪河保护区水文功能相当于理想状态的 s q{yv { ot|{{年降至 s qxws s oussu年降至 s qtyz u o湿地水文功
能呈明显下降趋势 ∀
v qy qu 生境功能评价 通过历史资料对比 o得到 t|{s !t|{{和 ussu年 v个年代的指标特征值即重沼泽面积
分别为 tv s{w !tu vwt和 tt uuy «°u ∀这样 o得到指标特征值向量为 ε Ξ € ktv s{w otu vwt ott uuyl ~其理想状
态特征值取 t|{s年近似原始状态下特征值 tv s{w «°u o最劣状态特征值为 s ∀应用式kvl将矩阵 ε Ξ变换为对
湿地功能优级的相对隶属度向量 }ε Ρ € kt qsss s os q|wv u os q{x{ sl ∀由于只有 t个指标 o向量 ε Ρ实际上表示
了 v个年份的生境功能对理想状态的隶属程度 ∀
v qy qv 生物地化循环功能评价 根据对保护区毛果苔草样方在不同历史年代的特征分析 o得到 t|{s !t|{{
x 第 w期 袁 军等 }湿地功能评价两级模糊模式识别模型的建立及应用
和 ussu年 v个年代毛果苔草的平均高度分别为 zv qzv !yy qx|和 xx qxw ¦°∀这样 o得到指标特征值向量为 β Ξ
€ kzv qzv oyy qx| oxx qxwl ~其理想状态特征值取 t|{s年近似原始状态下特征值 zv qzv ¦° o最劣状态特征值为
s ∀应用式kvl将矩阵 β Ξ变换为对湿地功能优级的相对隶属度向量 }β Ρ € kt qsss s os q|sv u os qzxv vl ∀由于
只有 t个指标 o向量 β Ρ实际上表示了 v个年份的生物地化循环功能对理想状态的隶属程度 ∀
v qy qw 洪河保护区湿地功能综合评价 由前文同样方法 o得水文功能 !生境功能和生物地化循环功能 v个
指标的归一化权向量 φω € ks qt{| os qxy{ os quwvl o则由式k|l可得洪河保护区湿地综合功能在 t|{s !t|{{和
ussu年 v个年份对理想状态的隶属度向量为
υ € ks qt{| os1xy{ os quwvl #
s1{yv { s1xws s s1tyz u
t s1|wv u s1{x{ s
t s1|sv u s1zxz v
€ ks1|zw v os1{xz v os1zsv sl
这表明该保护区湿地功能对最优状态的隶属度 t|{s年为 s q|zw v ot|{{年为 s q{xz v oussu年为s qzsv s ∀
洪河保护区湿地功能呈缓慢下降趋势 o这似乎与我们的主观判断不吻合 ∀一般认为 o自 us世纪 {s年代初
以来 o洪河保护区由于外界水源逐渐减少直至完全断绝 o湿地功能应该大幅度下降 o但实际上水源减少后 o湿
地某些功能确实明显降低 o但另有一些功能反而增强 o如储存地表水功能和土壤蓄水功能随湿地水位下降而
增强 ∀还有一些功能如维持动植物群落的生态功能没有明显的变化 ∀这样增减相抵 o该区湿地的总体变化
趋势是缓慢降低 ∀因此 o由模型得出的评价结果是可靠的 ∀
w 结论
湿地功能所具有的模糊属性决定了模糊数学方法在湿地功能评价中具有广泛的应用前景 ∀运用两级模
糊模式识别模型评价湿地功能 o能够较容易地将不同质的评价指标进行无量纲化处理 o得出量化的湿地单项
功能和综合功能评价结果 ∀
对洪河保护区进行评价的结果表明 o模型对指标特征值响应良好 o评价结果能够较好地反映洪河保护区
湿地功能的历史变化情况 o证明该模型易于操作 !便于应用 o缺点是需要历史数据进行支持 ∀因此 o该模型对
于具有长期监测数据的湿地特别适用 ∀
参 考 文 献
陈刚起 o吕宪国 o杨 清 qt||y q三江平原沼泽蒸发研究 q见 }陈刚起 o吕宪国 o牛焕光编 q三江平原沼泽研究 q北京 }科学出版社 ox p tt
陈守煜 qt||{ q工程模糊集理论与应用 q北京 }国防工业出版社
陈宜渝 qussu q湿地功能与湿地科学研究的方向 q中国基础科学 oktl }tz p t|
袁 军 o吕宪国 qussw q湿地功能评价研究进展 q湿地科学 oukul }txv p tys
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