贵州草海湿地730 ka来的环境变迁及草海未来的演化分析

彭益书，杨瑞东

（贵州大学 喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室，贵阳 550025）

贵州草海湿地730 ka来的环境变迁及草海未来的演化分析

彭益书，杨瑞东

（贵州大学 喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室，贵阳 550025）

本研究通过对草海湿地730 ka以来的气候、水域面积、植被等方面的研究，总结出草海湿地的生态环境演化规律。本研究认为草海盆地发育与环境演变的主要影响因素有地质构造作用、全球气候变迁和近代人类活动的影响三方面，且地质构造运动起控制作用。草海湿地现在处于第四纪间冰期，总的气候环境属于温湿气候，同时，其处于小气候旋回的干凉期末期，所以其总体上处于较差的自然生态环境。草海湿地在未来10 ka，其小气候旋回将从干凉期转变为温湿期，自然生态环境将会自然恢复，但要加强草海湿地生态保护，如减少人为取水、污水处理达标后排放等措施。草海湿地受到构造运动(青藏高原隆起)、全球气候变迁和近代人类活动影响，水域面积从600 —700 ka BP期间的150 km2，减少到目前的20.98 km2，草海湿地有不断向东南减小的趋势，它在几万年后有可能自然消失。

环境变迁；沉积物；湿地；第四纪；草海；贵州

湖泊沉积物已成为反映过去环境变化重要指标之一（Atkinson et al，1987；Wan et al，2003；Grygar et al，2006；Wohlfarth et al，2007；Jin et al，2009；Yu et al，2010；Wu et al，2012；Shen and Li，2013），这主要是因为湖泊的广泛分布、不同的沉积速率和区域或全球气候的敏感性（Lerman，1987；Last and Smol，2001；Smol，2002），封闭型的湖泊水源补给和支出主要由气候决定，故封闭型的湖泊更能反映气候的变化（Smol，2002）。特别是在湖泊沉积物中的钙质生物壳，能够提供古环境信息（Gasse et al，1991；Lister et al，1991；顾兆炎，1994；王苏民等，1998）。一些学者从湖泊沉积物的地球化学特征与其古环境变化的关系进行了探讨（韩淑媞等，1990a，b；余素华等，1995；陈敬安等，1999；刘平贵等，2000），也有一些学者运用湖泊沉积物进行分析研究得出湿地湖泊环境与气候变化情况（Wohlfarth et al，2001；Clague et al，2004；Grygar et al，2006；Wohlfarth et al，2012；Chawchal et al，2013）。因此，对于封闭型湖泊的草海（孔凡翠等，2011a；Zhu et al，2013），运用其沉积物的分布序列、古生物记录、沉积物的化学特征和地质构造活动是可以分析了解古环境演变和气候变化的。

对草海湿地的相关研究自20世纪50年代就已开始，近十年显著增多。草海湿地环境气候的相关研究取得了一定成果，其中大部分是通过研究草海沉积物的地球化学特征或有机质的碳同位素来反映或重建草海古环境（林树基和郑洪汉，1987；王克勇，1987；周启永等，1989；林树基等，1990；于俊伟，1991；史继扬等，1993；Shi et al，1994；陶发祥等，1996；林瑞芬和卫克勤，2000；张乃娴等，2000；孔凡翠等，2010，2011a，2011b，2013；朱正杰等，2011，2014；吴永红，2012；Zhu et al，2013），也有少部分是通过沉积物中孢粉（陈佩英，1987；林树基等，1990；陈佩英等，1991，1993；林瑞芬和卫克勤，2000）、古地磁（林树基和郑洪汉，1987；王俊达等，1986）和甾醇类（朱正杰等，2010）等进行研究。然而研究的主要内容是反映草海的古环境演化和环境变化，很少有结合古环境演化来预测草海未来发展趋势及如何保护而进行的研究。

本研究从草海湿地的沉积物、古生物记录、沉积物的化学特征及构造运动等方面来了解草海的起源和演化规律，开展草海湿地第四纪以来的演化研究，并在此基础上预测未来草海的演变，以期能从宏观上或大的时间尺度上指导草海的保护工作。

1 草海湿地概况

草海1985年成为省级自然保护区，并在1992年晋升为国家级自然保护区。草海是一个完整、典型的高原湿地生态系统，是我国特有的高原鹤类——黑颈鹤的主要越冬地之一。在我国为数不多的亚热带高原湿地生态系统中，草海湿地生态环境的脆弱性、典型性、重要性、生物多样性和气候的特殊性以及交通的优越性都具有明显的代表意义，在“中国生物多样性保护行动计划”中被列为一级重要湿地，被誉为云贵高原上一颗璀璨明珠。

草海湿地位于贵州省西部的威宁县（图1），处在长江和珠江水系分水岭地带的古老夷平面上，是威宁弧形背斜轴部自晚上新世以来发育的构造岩溶盆地（孔凡翠等，2011a），属于乌蒙山区的一个山间盆地，盆底海拔为2172 m，盆地内为石炭系碳酸盐岩，岩溶发育，岩溶盆洼地积水成湖，形成草海，是封闭型的岩溶湖泊（孔凡翠等，2011a；Zhu et al，2013）。如图1所示，草海湿地周围的地表河流是不发育的，仅有几条季节性溪流，无远源河流流入，所以积水主要是周围的雨水汇入而成。草海湿地周围土壤以碳酸盐岩发育的为主，土层较薄，石漠化较严重，但第四纪沉积的粘土层具有一定程度的发育。草海湿地的年平均气温为10.5 ～ 11.3℃，年平均降雨量大约是999.3 ～ 966.5 mm，全年累积日照时数大约在1702 ～ 1827 h，气候总体上属温凉气候型，且植被主要是云南松、华山松和落叶阔叶林以及中旱生草坡，属于半湿润常绿林植被（林树基和郑洪汉，1987）。草海湿地以湖泊和沼泽为主，主要以淤泥和泥炭为主，且冲积扇沉积砂砾仅分布于湖泊边缘。

2 草海湿地730 ka以来的环境变化

2.1 草海湿地的湖体变迁

根据湖泊内不同类型沉积物的时空分布、古生物记录、沉积物组分的地球化学特征和挽近构造运动等方面的特征，将草海盆地的演化分为三个大阶段（林树基和郑洪汉，1987），如表1所示。据图2中新草海湖的沉积物剖面说明草海形成了三个泥炭发育期和五层泥炭层，这与王俊达等人（1987）研究一致。新草海湖的沉积物以粉砂质粘土与泥炭为主组成的湖沼相沉积，说明在近730 ka以来，经历了三次主要的湖进湖退。湖进期以粉砂质粘土为主，是浅湖相沉积；湖退期则伴随泥炭沼泽发育。

图1 草海湿地位置图Fig.1 The position of Caohai wetland

表 1 草海盆地的演化Table 1 The evolution of the Caohai Lake basin

图2 草海730 ka来沉积序列（据林树基和郑洪汉（1987））Fig.2 The sedimentary sequence of the Caohai Lake in 730 ka (after Lin and Zheng, 1987)

2.2 草海湿地植被演变与气候变化

草海周围植被从早期到晚期有较大的变化，早期以常绿栎、栗、胡桃和枫杨等阔叶树组成成分较多，含有不少椴、木樨和木兰等亚热带组分；晚期则以松、云杉、冷杉、铁杉和桦等组分显著增加为特征，显示出草海气候向干冷演变的特征。如图3所示，草海经历了五次针阔叶混交林、一次阔叶林、三次针叶林、一次稀树草原和一次森林草原的植物群演替过程，由此可划分出五个冷暖气候旋回，即三次针叶林、一次稀树草原和一次森林草原代表寒冷气候，寒冷期分别为700 ka BP前后，640 — 570 ka BP，380 — 250 ka BP，160 — 100 ka BP和53 — 12 ka BP（林树基和郑洪汉，1987），其余的为五个气候温暖时期。近15 ka以来，草海经历了为四个小气候温暖时期（陈佩英，1991）。

图3 草海730 ka 来植被演替过程Fig.3 The progress of vegetation succession in Caohai Lake in 730 ka BP

草海近5000 a以来的气候变迁，可分为二个阶段，如表2所示。在5000 — 700 a BP期间，草海苔草–芦苇繁盛，沼泽发育。根据草海沉积物中孢粉分析，草海地区气候可划分为三个温湿期，二个干凉期（陈佩英，1991）。在700 a BP —现代，草海古气候为干凉期，与北半球小冰期对应，属于干凉期。

从表2可看出，近5000 a以来，草海植被以松为主的针阔叶混交林类型，其与现在草海植被面貌类似。近五千年来，草海地区气候变化不大，与我国气候总体格局一致。草海五千年来经历了1000 a左右的三个温湿期和三个干凉期，现在草海正处于干凉期，并处于干凉气候末期，随后即将开始新的温湿期。

2.3 草海湿地水域面积变化

如图4，草海在600 — 700 ka BP期间，水域面积大约为150 km2，在200 — 300 ka BP间，水域面积大约为80 km2（林树基和郑洪汉，1987），近代草海水域面积不到50 km2（林瑞芬和卫克勤，2000），目前草海湿地的水域面积只有大约为20.98 km2（齐建文，2012）。从草海湖体变迁趋势以及水域面积变化进行分析，草海水域面积有不断缩小，并且水域中心向东面迁移的趋势。

表2 草海近5000a以来的气候变迁Table 2 The climate change of Caohai lake in 5000 a BP

图4 威宁草海水域面积变化情况Fig.4 The changes of the water area of Caohai lake in Weining（图A、B、C和D分别为草海在600 — 700 ka BP、200 — 300 ka BP、40 ka BP和现代的湖泊分布）( The f gure of A, B, C and D were separately distribution area of the Caohai Lake in 600 — 700 ka BP, 200 — 300 ka BP, 40 ka BP and at present)

3 草海湿地环境变化的原因分析及其演化规律

3.1 草海湿地环境变化的原因分析

从古草海形成、演变和消亡的过程可以看出，古草海主要受到地壳的构造运动和全球气候变化的影响。

（1）草海湿地发育及环境演化主要受地质构造运动的控制。古草海在距今约2200 — 900 ka BP时间段消失，主要就是构造活动相当激烈，早期、晚期的地壳急剧隆升作用导致的。并且新草海在这730 ka以来也受到了地质构造运动的控制。如图5所示，草海周围的地质构造线走向较为复杂，有北西向、东北向等，但主要走向为北西方向；而草海所形成的长轴方向也正好是北西向。根据王苏民和窦鸿身（1998）对中国湖泊的成因研究得出，在受青藏高原隆升的地质构造运动作用控制下的湖泊，其形成的湖泊长轴方向与主要区域地质构造线方向相同。这就说明草海湿地发育有可能受青藏高原隆升的地质构造运动作用控制。这与孔凡翠等人（2011a）和王克勇（1987）的研究结果相似。且据吉汝安（1992）对贵州第四纪环境演化的研究指出，贵州在早第三纪时，受喜山运动的影响，尤其是贵州西南部；并且在早更新世晚期至晚更新世，威宁草海在高原整体抬升（青藏高原的隆升）影响下发生断拗作用。林树基和刘爱民（1985）对贵州中新代板块活动研究也指出，自中更新世以来，贵州就开始自西向东掀斜隆升，但隆升幅度和隆升时间分别较青藏高原小和晚。另外，草海40 ka BP开始的最近一次湖退，恰好与青藏高原40 ka BP时期强烈隆升作用对应，导致湖体减少，草海湿地的海草繁盛，泥炭沼泽发育。而从图2中可知，新草海湖形成的近730 ka以来，经历了三次主要的湖水进退，而湖水进退与间歇性隆升活动的不同阶段有关，湖进期对应构造稳定阶段，湖退期对应激烈隆升阶段。同时一些学者认为青藏高原的隆起还影响了中国大部分的气候变化（李吉均和方小敏，1988；吉汝安，1992；葛肖虹等，2006；刘晓东和Dong，2013）。这些说明草海湿地的发育和环境演化受地质构造运动（青藏高原的隆升活动）的控制。

图5 草海地质构造线走向（左图）和海拔高度（右图）Fig.5 The strike of geologic structure lines (eg: left f gure) and the altitude (eg: right f gure) of Caohai Lake

（2）草海湿地发育及环境演化还受第四纪北半球气候变化的重要影响。 草海形成了五层泥炭层和三次泥炭沉积期（图2）。据泥炭发育期分析，湖水进退周期大概在240 — 340 ka。又根据湖盆周围植被面貌显示，草海经历了五次针阔叶混交林、一次阔叶林、三次针叶林、一次稀树草原和一次森林草原的植物群演替过程（如图3），这时期气候出现五个冷暖旋回，寒冷期分别在距今700 ka前后、640 —570 ka BP、380 —250 ka BP、160 —100 ka BP和53 —12 ka BP左右出现。由林树基等人利用14C年龄和古地磁测定推算，这五个寒冷期与第四纪北半球的可以对应（林树基和郑洪汉，1987）。一些学者（孔凡翠等，2010，2011a，2011b，2013）通过草海湿地沉积物的地球化学研究发现，沉积物中地球化学特征与气候环境变化具有对应关系，也说明草海环境出现五次大寒冷期和温湿期。草海约30 ka前出现泥炭沉积，基本分布在且仅局部超出现在草海范围，这表明在30 ka BP，草海开始萎缩，这与最后冰期寒冷气候期对应。且陶发祥等人通过泥炭纤维素的δ13C和δ18O研究发现草海对全球变化是敏感的（陶发祥等，1996）。这可以很好地说明草海环境变化与全球气候变化是基本同步的，同时也可以说明草海环境变化受第四纪北半球环境变化和气候的重要影响。

（3）草海湿地的演变和环境变化还受人类活动的重要影响。人类活动在草海湿地的演变和环境变化中起着重要作用，既能促进草海湿地的生态环境恢复，缓解湖泊向沼泽的演化，同时也能加剧生态环境的恶化，加速湖泊向沼泽的演化。从图4中可看出，草海水域面积有不断缩小，并且水域中心向东面迁移的趋势。草海水域面积一直变小可能与其自身地形所造成的水源补给单一有关，易受气候变化和周围的生态环境状况影响。而草海湿地水域中心位置不断向东南偏移，这可能是其西面受青藏高原隆起而引起的地壳隆升作用导致的。

另外，从草海湿地水域面积减少的速率看（表3），在600 — 700 ka BP到200 — 300 ka BP间，由150 km2减少至80 km2，减少速率为0.175 km2·ka−1；在200 — 300 ka BP到40 ka BP间的减少速率为0.1429 km2·ka−1；从40 ka BP 到目前阶段的减少速率为0.7255 km2·ka−1；平均减少速率为0.3478 km2·ka−1。前两个时间段内的变化速率都低于平均值，且从近代到目前阶段的水域面积减少速率最大，高于平均值将近两倍，即草海湿地水域面积每1 ka就减少0.755 km2。这可能是草海湿地在近代受人类活动的干扰影响。另据《威宁彝族回族苗族自治县志》，草海在近代由于人为活动影响导致草海出现过消亡和复苏现象。通过对草海进行研究，刘凤英（2005）认为人为干扰对脆弱的草海湿地影响很大，也有一些学者认为污水排放、水土流失淤塞等，严重影响草海湿地生态环境（齐建文等，2012；彭益书等，2014）。另外，国家政府机关和一些国际组织对草海湿地治理提供了一些经济、技术支持，人们也采取了一些措施（如生态植被恢复等）对草海进行治理，这在一定程度上减缓了草海环境的恶化，为草海保护提供了积极作用（张华海等，2007）。因此，人类活动对草海湿地生态环境的影响是不可忽视的。

表 3 草海在不同时期的变化速率Table 3 The change rate of in different periods in Caohai lake

3.2 草海湿地环境演化规律

从古草海的发育、演化和消亡过程以及新草海的发育、730 ka BP演化和环境变化情况进行分析，得出草海湿地环境演化的规律如下：

（1）从图4中可以看出古草海湖的范围大致在现代草海西北部的姬家营、耿家屯、陈选屯、窑上一带，包括现代草海湿地及其西北边缘的大片地区，新草海湖的范围与现代草海的范围基本一致，但湖面积缩小，湖体水域中心不断向东南移动。而由图5的右图可知，草海湿地除了西北方向的海拔稍比其他几个方向低外，其他几个方向均比草海湖体所处位置的海拔高。如果草海湿地继续受地质构造运动（隆升）控制，中心位置继续向东南迁移，湖体将无法继续向东南迁移，从而湖体面积将会变得狭窄，最后可能在未来的某一天消失。而这主要取决于地质构造运动（隆升）的强度。另外，从图5左图可以看出草海湿地周围的地质构造线复杂，断层较多，容易发生断裂，这有可能加快或减缓草海的消亡。

（2）从图3和表2可知，草海湿地的植被在寒冷或干凉期，由于气候较为干燥寒冷，一方面，植被主要是以耐冷型或耐旱型的针叶林木为主的，这种生态多样性单一，生态环境较为脆弱；另一方面，草海湿地水体温度较低，水中藻类等微生物和植物生长繁殖缓慢，供湖中动物的食物也就较少，从而动物数量及种类就少。而在温暖或温湿期，草海湿地的气候较为温暖湿润，一方面植被以喜湿喜暖的植被为主，形成针阔叶林，这种生态多样性较好，生态环境好；另一方面，草海湿地水体温度较暖和，水中藻类等微生物和植物生长繁殖快，供湖中动物的食物也就较多，从而动物数量及种类就多。

（3）人类活动对草海湿地有重要影响，具有两面性，既能促进草海湿地的生态环境恢复，也能加剧生态环境的恶化。

总的来讲，草海盆地发育与环境演变不但受地质构造运动的控制，还受到全球气候变化和近代人类活动的重要影响。草海盆地沉积物具有岩溶洼地填积相—湖相—湖沼相的演变趋势，这与一般湖泊发展趋势一致，湖泊到了沼泽化后就渐渐消失，从草海发展历史看，草海已经到了湖泊发展晚期，它最后将消失。因此，草海保护无法改变其消失的发展规律，但能人为延缓草海湿地的寿命。

4 未来草海演化趋势分析

利用从湖泊沉积物中提取古环境记录信息对研究过去的环境变化和预测将来的环境演变趋势是有意义的（Jin et al，2001；Wan et al，2003）。故本文从草海730 ka以来的演化规律和近5000 a的变化趋势出发，来预测未来草海演化趋势。

4.1 草海湿地水面积范围变化趋势

从草海湿地湖泊的变迁历史来看，草海从730 ka BP到300 ka BP，水域面积从150 km2减少到80 km2，近代草海水域面积仅50 km2，甚至到目前的20.98 km2。在青藏高原整体抬升的背景下，草海湿地西面会不断抬升，湖体向东萎缩，由于东南面均是山地，湖体无法向东南方向发展，按草海湿地演化趋势，其在未来的某一天将会逐渐消失。而这一天到来的早或晚，主要取决于地质构造运动、全球气候变化和近代人类活动等因素的影响。

4.2 草海湿地气候变化趋势

草海湿地从730 ka BP以来，气候经历了五个温湿—干凉旋回，目前气候正处于干凉期。从5000 a来的小气候变化规律分析，草海5000 a来经历了1000 a左右的三个温湿期和三个干凉期，现在草海正处于干凉期，并处于干凉气候末期，随即将开始新的温湿期。从这规律分析，草海湿地随着雨水的增加，湖水面积会增大，湿地生态系统会明显改善。

4.3 草海湿地植被变化趋势

由于草海湿地目前正在处于干凉气候期，湖水面积小，水草发育。但随着干凉气候的结束，温湿气候的到来，草海湿地及其周围植被会明显增加，针叶林减少，阔叶林植物增加，草海中的水草会减少（陈佩英等，1993）。近三十年来，草海湿地浮游植物组成属种数量变化不大，但属种类型变化大，草海藻类物种的变化呈以下两种趋势：优势物种朝富营养化藻类发展以及物种朝着适应高pH值的方向物种发展。

4.4 草海湿地动物变迁趋势

草海国家级自然保护区的底栖动物有83属121种。目前草海底栖动物的优势种主要为度摇蚊属幼虫、锯齿新米虾、中华圆田螺、狭萝卜螺和黄蜻幼虫，且其密度有明显增大的趋势。外来种黄黝鱼、彩石鲋已成为草海鱼类的优势种，经济鱼——鲫鱼种群数量下降、产量严重下滑和个体小型化；同时，由于环境污染，出现富营养化（郭媛等，1991），水草繁盛，而原有的普栉鰕虎鱼、洞庭栉鰕虎鱼、油餐和青鰕等已很难发现。

4.5 草海湿地生态系统演变趋势

草海湿地第四纪演化表明，其生态系统随着气候环境变化和构造演化而变化。在700 ka BP前后、640—570 ka BP、380—250 ka BP、160—100 ka BP和53—12 ka BP左右是冰期，气候严寒，水体缩小，动植物大量减少，草海湿地以水草发育，因而，泥炭层形成了5层。现在草海正处于大的间冰期，气候相对温湿，生态系统较为良好。但从小的气候旋回分析，草海正处于干凉气候期，湿地水体面积小，动植物属种少，草海湿地中以海草发育为特征。但小气候旋回的干凉期即将结束，温湿期开始，草海水体面积会加大，动植物属种增加，海草会减少，草海湿地生态环境会比现在明显改善。但是，在整体大环境相同的情况下，也即全球环境变化和地质构造运动相同情况下，人类活动对草海湿地生态环境的影响是不可忽视的。因此，要加强草海湿地的环境保护，草海湿地将会迎来更好的自然生态环境恢复期。

5 结论

分析草海近730 ka以来的演化历程，可以了解到草海湿地的发展趋势，对草海湿地保护具有重要意义。本文通过对草海湿地近730 ka以来的气候、水域面积、植被等研究，总结出草海湿地的生态环境演化规律，并结合草海湿地的演化，提出草海湿地未来生态演变趋势。

（1）草海盆地发育与环境演变不但受地质构造运动控制，还受到全球气候变迁和近代人类活动的重要影响。

（2）草海湿地目前处于第四纪间冰期，总的气候环境属于温湿气候，同时，其处于小气候旋回的干凉期末期，所以其总体上处于较差的自然生态环境。

（3）由于受到青藏高原隆起的影响，草海湖体不断向东南迁移，但其东南面山地发育，湖体向东南迁移受到限制，故草海湿地面积不断向东南缩小。730 ka BP以来，水体面积从150 km2减少到目前的20.98 km2，并有不断减小的趋势，预计在未来的某一天草海湿地可能会自然消失，同时，地质构造运动、全球气候变化和近代人类活动，有可能加速或减缓草海消失现象的发生。

（4）草海湿地未来10 ka，其小气候旋回将从干凉期转变为温湿期，自然生态环境将会比现在更好，雨水增加，湖水面积增加，动植物繁盛，水草减少，湿地生态系统自然恢复，但要加强草海湿地生态保护，如减少人为取水、污水治理达标后排放等措施。

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Environmental change of Caohai Lake, Guizhou Province from 730 ka to present and future evolution

PENG Yi-shu, YANG Rui-dong
( Key Laboratory of Karst Environment and Geohazard Prevention, Ministry of Education, Guizhou University, Guiyang 550025, China )

On the basis of climatic change, distribution area and plant content of Caohai Lake, ecological environmental change of Caohai Lake, Guizhou Province from 730 ka to present was discussed in the paper. There were some conclusions that were showed as follows on this article. There are three main factors that influence the development and environmental evolution of the Caohai Lake basin, for instance, the geological tectonic movement effect, the global climate change and human beings activities in modern times; especially the tectonic movement is a main controlling factor. And then, climate belongs to Quaternary interval glacial epoch with warm and humid environment in present. At the same time, its climate is located at last epoch of second scale climate cycle (dry and cold climate). And the Caohai Lake's climate and ecology is generally odious in present, but the ecological environment of the Caohai Lake will return to well with climate changing from dry and cold to warm and humid after 10 ka. However, the ecological protection measures were put forward for the Caohai Lake, such as reducing artificial taken water and the domestic sewageand industrial wastewater treatment up to emission standard. Additionally, the Caohai Lake has been removing from west to east because of tectonic movement (such as the uplift of the Qinghai – Tibet Plateau), the global climate change and human beings activities. And distribution area of Caohai Lake has been reducing from 150 km2during 600—700 ka BP to 20.98 km2at present; there would have a slowly decreasing trend toward southeast in the distribution area of Caohai Lake as well. Therefore, the Caohai Lake would vanish on some day in the future.

environmental change; sediment; wetland; Quaternary; Caohai Lake; Guizhou

P532；X141

：A

：1674-9901(2014)03-0194-13

10.7515/JEE201403003

2014-05-08

国家科技支撑计划项目（2011BAC02B02）

杨瑞东，E-mail: rdyang@gzu.edu.cn