湖南省现有森林植被主要树种的碳含量
2015-12-21田大伦项文化闫文德康文星邓湘雯
李 斌,方 晰,田大伦,项文化,闫文德,康文星,邓湘雯
(1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院,湖南 长沙 410004;2.国家林业局,北京 100714;3.南方林业生态应用技术国家工程实验室,湖南 长沙 410004)
湖南省现有森林植被主要树种的碳含量
李 斌1,2,方 晰1,3,田大伦1,3,项文化1,3,闫文德1,3,康文星1,3,邓湘雯1,3
(1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院,湖南 长沙 410004;2.国家林业局,北京 100714;3.南方林业生态应用技术国家工程实验室,湖南 长沙 410004)
探讨了湖南省现有森林植被17种树种(杉木、马尾松、湿地松、柏木、乐昌含笑、红花木莲、樟树、桢楠、甜槠、青冈栎、木荷、杜英、山矾、枫香、拟赤杨、杨树、毛竹)各器官的碳含量及其各器官碳含量的算术平均值。结果表明:同一树种不同器官碳含量差异不显著,不同树种各器官碳含量由高至低的排序不完全一致,不同树种同一器官或同一树种不同器官碳含量算术平均值存在一定的差异;针叶树、常绿阔叶树、落叶阔叶树和毛竹各器官碳含量(g·g-1)的变化范围分别为0.491~0.566,0.421~0.549,0.449~0.550,0.470~0.496,各树种种内各器官碳含量算术平均值在0.486~0.551g·g-1之间变化,柏木最高,毛竹最低;针叶树碳含量高于阔叶树、毛竹,各树种树干碳含量普遍较高于其它各器官,变化范围在0.493~0.556g·g-1之间,地上部分碳含量普遍高于相应树种的地下部分;17种树种各器官碳含量的算术平均值为0.504g·g-1。
针叶树种;阔叶树种;毛竹;碳含量;湖南省
森林生态系统碳库动态对大气中CO2等温室气体浓度有着重大的影响,在减缓全球气候变化中起着不可替代的作用[1]。20世纪90年代以来,中国许多学者基于国家或区域尺度对森林生态系统碳储量、碳密度和碳汇功能进行大量的研究,取得了显著的成就[2-15],但由于不同学者采用的估算方法、数据资料的时间或空间不同以及森林生态系统空间上的异质性和时间上的复杂性,森林生态系统碳库的评估在学术界中仍存在很大的不确定性[7-10]。此外,在全球碳平衡估算中出现的CO2“失汇”问题,是由于对陆地生态系统,尤其是森林生态系统的碳收支缺乏精确的了解[16]。因此,为了准确评估森林生态系统在全球碳收支平衡中的作用,在国家或区域尺度上研究森林生态系统碳库储量动态一直是陆地生态系统碳循环研究焦点之一[10,15]。
目前,无论是在国家或是区域还是生态系统尺度上估算森林植被的碳贮量,大多数研究都是由森林植被现存的生物量(或生产量)及其组成树种的碳含量推算而得。因此森林植被组成树种的碳含量成为了估算森林植被碳贮量的关键参数之一。但在过去几十年里,国内外大多研究者在估算国家或区域尺度森林植被碳贮量时,多采用0.5g·g-1或0.45g·g-1作为森林植被的平均碳含量[4-7,17-18]。研究表明,不同树种各器官的碳含量在0.444~0.557g·g-1之间变化,如在估算森林植被生物量碳储量时不考虑树种间碳含量的差异,将会引起约10%的偏差[19-20]。因此,为了减少森林植被碳贮量估算的不确定性,各树种及其各器官碳含量的测定是非常有必要的。湖南省地处中国中南部,长江中游,自然条件优越,森林恢复迅速,森林类型丰富多样,森林覆盖率为57.01%,居于全国第5位①湖南省森林资源监测中心.《湖南省2010年度森林资源统计年报》.2010年12月.,远高于中国森林覆盖率(20.36%)[21],在水源涵养、维系洞庭湖乃至长江流域生态平衡以及区域或中国碳平衡中起着重要的作用,但可用于估算湖南省森林植被碳贮量的主要树种碳含量的数据仍甚少。为此,本文中根据湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站长期实测数据,对湖南省现有森林植被主要组成树种的碳含量进行分析,旨在为湖南省森林植物碳库贮量动态的估算提供基础数据,将有助于减少陆地生态系统,尤其是森林生态系统在碳循环中的不确定性。
1 研究区概况
湖南省地处于北纬 24°39'~30°08',东经108°47'~114°15',位于中国中南部,长江中游,大部分地区位于洞庭湖以南,南岭以北,北接湖北省,东挨江西省,南与广西壮族自治区、广东省为邻,西和贵州省、重庆市接壤。地貌复杂,东南西三面环山,中部、北部低平,形成向北敞开的马蹄形盆地,土地总面积21.18万km2,其中51%为山地,7%为盆地,13%为平原,29%为丘陵。9.9%为海拔高度50m以下,4.3%为l 000m以上,大部分为海拔高度在100~800m之间,以中低山和丘陵为主,属于大陆型中亚热带季风湿润气候,年平均气温14.5~18.5℃,1月份平均温度最低(4~7℃),7月份平均温度最高(24~30℃),年降水量在1 350~1 450mm之间,主要分布在5~7月份。原生植被为亚热带常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、山顶苔藓矮林。但由于受人类活动干扰较大,原生自然植被破坏严重,现保存以杉木Cunninghamia lanceolata人工林、马尾松Pinus massonana人工林、国外松Pinus elliottii人工林、杨树Populus人工林、桉树Eucalyptus globulus人工林、毛竹Phyllostachys heterocycla林为主的人工林群落及处于不同演替阶段的次生林(常绿阔叶林、落叶阔叶林),土壤以红壤为主。
2 数据来源和研究方法
2.1 树种的选定
湖南省现有森林林分以幼龄林、中龄林为主,森林类型有杉木林、马尾松林、国外松(湿地松)林、柏木Cupressus funebris林、阔叶林、杨树林、桉树林和毛竹林①,地处于中亚热带常绿阔叶林区,主要代表树种为木兰科Magnoliaceae、樟科Lauraceae、壳斗科Fagaceae、茶科Theaceae、杜英科Elaeocarpaceae、金缕梅科Hamamelidaceae等常绿、落叶阔叶树。因此,本研究选择杉木、马尾松、湿地松、柏木等针叶树种,乐昌含笑Michelia chapensis、红花木莲Manglietia insignis、樟树Cinnamomum camphora、桢楠(楠木)Phoebe zhennan、甜槠Castanopsis eyrei、青冈栎Cyclobalanopsis glauca、木荷Schima superba、杜英Elaeocarpus decipiens、山矾Symplocos caudata等常绿阔叶树种,枫香Liquidambar formosana、拟赤杨Alniphyllum fortunei、杨树等落叶阔叶树和毛竹17种树种为研究对象。
2.2 数据来源和分析样品的采集
杉木、马尾松、湿地松、柏木、乐昌含笑、红花木莲、樟树、桢楠、甜槠、青冈栎、木荷、杜英、山矾、枫香、拟赤杨、杨树、毛竹17种树种各器官碳含量数据来源于湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站长期定位实测数据。
在株洲市、长沙市、会同县、邵阳县等地设置样地测定林分生物量的同时,采集各树种标准木的树干、树皮、树枝、树叶、树根的分析样品。在株洲市中南林业科技大学树木标本山采集了杉木、马尾松、湿地松、乐昌含笑、樟树、青冈栎、木荷、山矾、枫香、杨树10种树种,在长沙市采集了马尾松、樟树、青冈栎、山矾、枫香5种树种,在会同县采集了杉木、马尾松、湿地松、乐昌含笑、红花木莲、樟树、桢楠、青冈栎、木荷、杜英、枫香、拟赤杨和毛竹13种树种,在邵阳县采集了马尾松、湿地松、柏木、枫香4种树种。
每株标准木树根采集主根、粗根、细根的混合样品,树干和树皮分别采集,采集树干的下、中、上3个部位的混合样品,树枝、树叶均取全株的混合样品。毛竹采集竹杆(干)、竹枝、竹叶、竹篼、竹根、竹鞭等器官。每1树种各器官的分析样品6~9个重复。
2.3 分析方法和数据处理
用K2Cr2O7-H2SO4氧化法逐一测定植物分析样品的碳含量。
本研究在假定处于不同生长阶段以及不同地区同一树种各器官碳含量基本相同的基础上,根据各树种不同器官碳含量的算术平均值与其林分生物量加权平均碳含量非常接近,两者之间相差不超过1.2%[22-23],采用算术平均法计算各树种平均碳含量。
在比较不同省区同一树种各器官碳含量时,为了提高可比性,本研究尽量选择中龄级林木各器官碳含量进行比较。
用SPSS10.0软件单因素方差(one-way ANOVA)计算平均值和标准差,分析不同树种同一器官之间、同一树种不同器官之间、不同树种各器官平均值之间的差异显著性,用Excel软件绘制图表。
3 结果与分析
3.1 针叶树不同树种各器官的碳含量
从表1可以看出,4种针叶树各器官的碳含量在0.491~0.566g·g-1之间变化,算术平均值为0.519g·g-1。其中,柏木各器官碳含量算术平均值最高,为0.551g·g-1,马尾松、湿地松次之,分别为0.520g·g-1和0.515g·g-1,杉木为最低,为0.508g·g-1,且杉木与柏木之间差异显著(p<0.05),但马尾松、湿地松与杉木、柏木之间差异不显著(p>0.05)。不同树种同一器官碳含量存在一定的差异:① 树干、树枝中,柏木>马尾松>湿地松>杉木,且杉木与柏木之间差异显著(p<0.05),但马尾松、湿地松与杉木、柏木之间差异不显著(p>0.05);② 树皮中,杉木>柏木>湿地松>马尾松,但两两之间差异不显著(p>0.05);③ 树叶中,柏木>湿地松>马尾松>杉木,且杉木与柏木之间差异显著(p<0.05),但马尾松、湿地松与杉木、柏木之间差异不显著(p>0.05);④ 树根中,柏木>马尾松>杉木>湿地松,但两两之间差异不显著(p>0.05)。表明柏木各器官(除树皮外)碳含量及其算术平均值均高于湿地松、马尾松和杉木。
同一树种不同器官碳含量不同,且不同树种各器官碳含量由高至低的排序不尽一致。杉木为树皮>树叶>树干>树根>树枝,马尾松的为树干>树根>树叶>树枝>树皮,湿地松的为树叶>树干>树枝>树皮>树根,柏木的为树叶>树干>树皮>树枝>树根,但同一树种不同器官之间差异均不显著(p>0.05)。4种针叶树同一器官碳含量的算术平均值以树干、树叶最高,为0.530g·g-1,树皮、树枝和树根相近,为0.511g·g-1,但不同器官两两之间差异不显著(p>0.05)(见表1)。
表1 针叶树不同树种各器官的碳含量†Table 1 Carbon concentrations of different organs in different coniferous tree species (g·g-1)
3.2 常绿阔叶树不同树种各器官的碳含量
如表2所示,9种常绿阔叶树各器官碳含量在0.421~0.549g·g-1之间变化,算术平均值为0.501g·g-1。以木荷各器官碳含量算术平均值最高,为0.519g·g-1;乐昌含笑、红花木莲次之,为0.510g·g-1,山矾最低,为0.480g·g-1。乐昌含笑、红花木莲、樟树、甜槠、木荷各器官碳含量算术平均值高于0.50g·g-1,但不同树种两两之间差异均不显著(p>0.05)。不同树种同一器官碳含量存在一定的差异:①树干中,乐昌含笑、木荷、杜英最高,为0.544~0.549g·g-1;红花木莲、樟树、甜槠、青冈栎、山矾较高,为0.523~0.539g·g-1;楠木最低,为0.506g·g-1。但不同树种树干碳含量之间差异不显著(p>0.05)。② 树皮中,除楠木高于0.500g·g-1外,其它树种均低于0.500g·g-1,且青冈栎、楠木与乐昌含笑、樟树、杜英之间差异显著(p<0.05)。③树枝中,木荷、杜英最高,为0.529g·g-1;乐昌含笑、樟树、甜槠较高,为0.501~0.524g·g-1;红花木莲、楠木、青冈栎、山矾最低,低于0.497g·g-1,但不同树种之间差异不显著(p<0.05)。④ 树叶中,乐昌含笑、樟树为最高,为0.533~0.535g·g-1;其次是红花木莲、木荷、甜槠,为0.502~0.529g·g-1;楠木、青冈栎、杜英、山矾最低,低于0.498g·g-1,且乐昌含笑、樟树与山矾之间差异显著(p<0.05)。⑤树根中,仅乐昌含笑、红花木莲、甜槠、木荷、山矾高于或等于0.500g·g-1,但不同树种之间差异不显著(p>0.05)。
表2 常绿阔叶树各器官的碳含量Table 2 Carbon concentration of different organs in different evergreen broad-leaved tree species (g·g-1)
同一树种不同器官碳含量不同,基本上呈现出树干碳含量最高,其次是树枝和树叶,最低为树根或树皮的规律。如乐昌含笑、樟树、甜槠、木荷、杜英树皮分别为相应树种各器官碳含量最低,且乐昌含笑、樟树、甜槠、杜英树皮碳含量与其各器官碳含量差异达到了显著水平(p<0.05);青冈栎树根碳含量也是其各器官碳含量的最低,但差异不显著(p>0.05),樟树、木荷、甜槠、乐昌含笑、杜英树根的碳含量也较相应树种各器官碳含量低,且樟树、甜槠、乐昌含笑、杜英树根碳含量分别与其各器官差异达到显著水平(p<0.05)。此外,桢楠以树叶为最低,红花木莲以树枝为最低,但2种树种各器官碳含量差异不显著(p>0.05)。9种常绿阔叶树种同一器官碳含量算术平均值从高至低的排序为:树干(0.534g·g-1)>树枝(0.511g·g-1)>树根(0.500 g·g-1)>树叶(0.496g·g-1)>树皮(0.463g·g-1),树干与树皮之间差异显著(p<0.05),但树干、树皮与树枝、树叶、树根之间差异均不显著(p>0.05)(见表2)。
3.3 落叶阔叶树不同树种各器官的碳含量
从表3可以看出,3种落叶阔叶树各器官碳含量在0.449~0.550g·g-1之间变化,算术平均值为0.495g·g-1,以枫香碳含量算术平均值最高,高于0.50g·g-1,拟赤杨次之,杨树最低,且拟赤杨、杨树低于0.50g·g-1,但3种落叶阔叶树两两之间差异不显著(p>0.05)。不同树种同一器官碳含量也存在一定的差异,但除树皮外,差异均不显著(p>0.05)。同一树种不同器官碳含量不同,但枫香、拟赤杨树干碳含量最高,其次是树枝和树叶,最低为树根或树皮,且树干、树枝、树叶与树皮之间差异显著(p<0.05)。杨树树皮碳含量最高,其它各器官碳含量较低,但各器官之间差异不显著(p>0.05)。3种落叶阔叶树种同一器官碳含量的算术平均值从高至低的排序为:树干(0.517g·g-1)>树枝(0.507g·g-1)>树叶(0.500 g·g-1)>树根(0.491g·g-1)>树皮(0.461g·g-1),树干与树皮之间差异显著(p<0.05),但树干、树皮与树枝、树叶、树根之间差异均不显著(p>0.05)。
表3 落叶阔叶树种各器官的碳含量Table 3 Carbon concentration of different organs in different deciduous broadleaf tree species (g·g-1)
3.4 毛竹不同器官的碳含量
如图1所示,毛竹各器官的碳含量变化范围在0.470~0.496g·g-1之间,算术平均值为0.486g·g-1,各器官碳含量从高到低的排序为干/秆=枝>根>鞭=蔸>叶,但各器官两两之间差异未达到显著水平(p>0.05)。
3.5 各树种地上部分与地下部分的碳含量
从图2可以看出,除马尾松、山矾、拟赤杨、毛竹外,其它树种地上部分(干、皮、枝、叶)碳含量算术平均值均高于相应树种地下部分(根)的碳含量,但所有树种地上部分与地下部分碳含量之间差异不显著(p>0.05)。除桢楠、拟赤杨、杨树、毛竹外,其它树种地上部分碳含量算术平均值均高于0.50g·g-1,且以柏木的为最高(0.554g·g-1);除马尾松、柏木、乐昌含笑、红花木莲、木荷、拟赤杨外,其它树种地下部分的碳含量低于0.50g·g-1,且以青冈栎的为最低(0.476g·g-1)。
图1 毛竹各器官的平均碳含量Fig.1 Average carbon contents of different organs of Phyllostachys heterocycla
图2 不同树种地上部分和地下部分的平均碳含量Fig.2 Mean carbon contents of above ground,under ground of different species
3.6 不同省区同一树种碳含量的比较
从表4可知,同一树种同一器官碳含量及其各器官碳含量的算术平均值在不同省区之间存在一定的差异,但差异不大。如,不同省区杉木各器官碳含量在0.467~0.533g·g-1之间变化,树皮碳含量普遍较高,其次是树叶,各器官碳含量的算术平均值在0.497~0.522g·g-1之间变化;不同省区马尾松各器官碳含量在0.468~0.586g·g-1之间变化,树干碳含量普遍较高,其次是树根,各器官碳含量算术平均值在0.485~0.525g·g-1之间;不同省区湿地松各器官碳含量在0.488~0.593g·g-1之间变化,树叶碳含量最高,其次树干和树枝。
表4 不同省区同一树种各器官的碳含量Table 4 Carbon contents of different organs in same species in different prefecture (g·g-1)
4 结论与讨论
本研究中,17种树种各器官碳含量的变化范围在0.431~0.566g·g-1之间,与不同省区同一树种或不同树种各器官碳含量的变化范围在0.432~0.593g·g-1之间基本一致[19-20,24-26,28,30-32,37,41-42]。同一地区不同树种同一器官碳含量不同,且不同树种各器官碳含量由高至低的排序也不尽一致,表明不同树种各器官碳含量的高低分布并不呈现出一定的规律性,可能与各树种的生物学特性和生态学特性有关。本研究中,17种树种树干碳含量普遍较高于其它各器官,但不同树种树干碳含量不同,变化范围在0.493~0.556g·g-1之间,与中国10种温带树种树干碳含量的变化范围(0.434~0.556g·g-1)[20]、北美41种树种树干碳含量的变化范围(0.463~0.552g·g-1)[42]基本一致,但高于32种热带树种树干碳含量的变化范围(0.444~0.494g·g-1)[41]。可能与树干含有较多的木质素以及各树种器官的结构、功能及其生理特点不同有关[43]。
研究表明,由于针叶树种脂肪类物质和木质素含量比阔叶树种高,因此针叶树种碳含量普遍高于阔叶树种[44]。本研究中,针叶树种算术平均碳含量普遍高于阔叶树种,平均高出0.020g·g-1,与马钦彦等[22]、方运霆等[45]、王海立等[46]的研究结果基本一致。也有研究表明,由于树种碳含量主要是由树种与环境之间的相互作用所决定的,气候条件和树种本身的生理特点决定了它们的碳含量不同[19,42,47],不同树种具有不同新陈代谢和生长特征,具有不同种类的碳水化合物[20],种内与种间碳含量也受到立地条件、林分特征(如年龄、社群地位)、经营管理措施等的影响[19,41]。树种的生物量年生长量与其加权平均碳含量呈显著的负相关性,即生长速度缓慢的树种,其加权平均碳含量较高,相反生长速度快的树种,其加权平均碳含量较低[20,48],因此可能是诸多潜在的因子导致同一地区同一树种不同器官间或不同树种间碳含量的差异,以及同一树种同一器官碳含量在不同地区研究结果的差异。在本研究中,生长速度缓慢的柏木各器官及种内算术平均碳含量最高,而生长速度较快的杨树各器官碳含量和种内算术平均碳含量较低。
由于目前对不同地区森林植被主要组成树种碳含量的研究报道不多,且比较零散,有关估算森林碳储量时是否应该采用不同的碳含量,以及不同区域、不同尺度上估算森林植被碳贮量时采用何种碳含量的研究报道很少[49],为此大多研究者在估算不同区域尺度森林植被碳贮量时,多采用0.50g·g-1或0.45g·g-1作为森林植被的平均碳含量[4-7,17-18]。研究表明,不同森林类型因组成树种不同,其植被中各树种碳含量存在明显的差异[2,20,26,37,50-54],即使同一森林类型,在不同气候带,其主要树种各器官碳含量的算术平均值也有一定的差异,因而对森林植被碳贮量的估算产生不同程度的影响[22,23,55]。本研究中,湖南省针叶树、阔叶树(常绿、落叶)和毛竹各器官碳含量的算术平均值在0.486~0.551g·g-1之间变化,最高与最低相差0.065g·g-1,17种树种各器官碳含量的算术平均值为0.504g·g-1,略高于0.50g·g-1,明显高于0.45g·g-1。因此当采用0.45g·g-1或0.50g·g-1作为统一值估算不同区域尺度森林植被碳储量时,可能导致的误差将随着森林植被生物量的增加而增加。因此,为能更准确地估算不同区域尺度上的森林植被碳贮量,应根据不同森林类型采用其主要组成树种的碳含量作为转换参数,以减少森林植被碳贮量估算中的不确定性。本研究在假定处于不同生长阶段以及生长在湖南省内不同地区的同一树种各器官的碳含量基本相同基础上,探讨了湖南省现有森林植被主要组成树种各器官、不同树种各器官碳含量的算术平均值,为准确估算湖南省现有森林植被碳贮量提供可靠的地面验证数据,避免以往研究采用固定碳含量数值估算碳贮量的误差,提高了估算精度。
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Studies on carbon concentration of main forest vegetation tree species in Hunan province
LI Bin1,2,FANG Xi1,3,TIAN Da-lun1,3,XIANG Wen-hua1,3,YAN Wen-de1,3,KANG Wen-xing1,3,DENG Xiang-wen1,3
(1.School of Life Science and Technology,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,Hunan,China;2.State Forestry Administration,Beijing 100714,China; 3.State Key Lab.of Ecological Applied Technology in Forest Area of South China,Changsha 410004,Hunan,China)
Carbon concentrations of different organs and intra-species from 17 tree species(Cunninghamia lanceolata,Pinus massoniana,Pinus elliottii,Cupressus funebris,Michelia chapensis,Manglietia insigni,Cinnamomum camphora,Phoebe zhennan,Castanopsis eyre,Cyclobalanopsis glauca,Schima superba,Elaeocarpus decipiens,Symplocos caudate,Liquidambar formosana,Alniphyllum fortune,Populus,and Phyllostachys heterocycla)were studied in the existing forest vegetation in Hunan Province,China.The results show that there was no signi fi cant difference among carbon concentration of different organs from the same species,the sequences of carbon concentration in different organs for different species were not exactly the same,and there were obvious differences among mean arithmetical values of carbon concentrations of the same organ from different species or that of intra-species in different organs; Carbon concentrations of organs varied from 0.491g ·g-1to 0.566g·g-1for coniferous trees,from 0.421g·g-1to 0.549g·g-1for evergreen broad-leaved tree species,from 0.449g·g-1to 0.550g·g-1for deciduous broadleaf tree species and 0.470g·g-1to 0.496g·g-1for P.heterocycla,the arithmetic average carbon concentrations of organs from the same tree species varied from 0.486g·g-1to 0.551g·g-1,of the 17 species,Cupressus funebris had the highest carbon concentration,and Eucalyptus globules had the lowest concentration,the carbon concentrations of coniferous trees were higher than those of broad-leaved tree species,that of P.heterocycla was the lowest; Carbon concentrations of trunks were generally higher than those of other organs,the average carbon content of trunk across 17 species varied from 0.493 to 0.556g·g-1,carbon concentration of aboveground was higher than that of the subterranean from the corresponding species;The arithmetic average of carbon concentrations of organs from 17 tree species was 0.504g·g-1.
coniferous species; deciduous species; Phyllostachys pubescens Mazel ex H.de Lebaie; carbon content; Hunan province
S718
A
1673-923X(2015)01-0071-08
10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.01.014
2014-01-17
国家林业公益性行业科研专项(201104009);国家林业局林业科技推广项目([2012]61号)
李 斌,博士研究生;E-mail:gjlyjlb@sina.com
方 晰,教授,博士生导师;E-mail:fangxizhang@sina.com
李 斌,方 晰,田大伦,等.湖南省现有森林植被主要树种的碳含量[J].中南林业科技大学学报,2015,35(1):71-78.
[本文编校:谢荣秀]