人工湿地挺水植物脱氮效果研究*

褚 润 陈年来 王小娟 王巧芳

(甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070)

人工湿地挺水植物脱氮效果研究*

褚 润 陈年来#王小娟 王巧芳

(甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070)

为了比较不同季节人工湿地挺水植物的脱氮效果，以菖蒲(Acoruscalamus)、香蒲(Typhaangustifolia)和芦苇(Phragmitesaustralis)3种挺水植物为材料构建潜流型人工湿地，在春夏、夏秋两季间歇式均匀布水条件下，通过测定污水中pH及溶解氧(DO)、氨氮、硝态氮、总氮浓度，分析不同季节挺水植物的脱氮效果。结果表明：出水DO浓度在春夏季表现为对照(CK)湿地>菖蒲湿地>香蒲湿地>芦苇湿地，在夏秋季表现为CK湿地>菖蒲湿地>芦苇湿地>香蒲湿地；人工湿地出水pH均呈弱碱性，种有挺水植物的人工湿地在春夏季和夏秋季的pH分别为7.33～8.09、6.81～7.59；在春夏季，芦苇湿地的总氮去除率最高；在夏秋季，香蒲湿地的总氮去除率最高。

人工湿地 挺水植物 脱氮效果

Abstract: In order to compare nitrogen removal effect of emergent plant in constructed wetland in different seasons,3 kinds of emergent plants (Acoruscalamus,TyphaangustifoliaandPhragmitesaustralis) were used to build subsurface flow wetlands. Under intermittent uniform cloth water in spring-summer and summer-autumn season,through the determination of effluent pH,dissolved oxygen (DO),ammonia nitrogen,nitrate nitrogen and total nitrogen concentrations,nitrogen removal of emergent plants in different seasons was analyzed. The results showed that,the effluent DO concentrations in spring-summer season ranked control (CK) wetland>Acoruscalamuswetland>Typhaangustifoliawetland>Phragmitesaustraliswetland while in summer-autumn season ranked CK wetland>Acoruscalamuswetland>Phragmitesaustraliswetland>Typhaangustifoliawetland. The effluent pH in spring-summer and summer-autumn season were weakly alkaline,varing within 7.33-8.09 and 6.81-7.59,respectively. In spring-summer season,total nitrogen removal efficiency ofPhragmitesaustraliswetland was the highest,while in summer-autumn sesaon,total nitrogen removal efficiency ofTyphaangustifoliawetland was the highest.

Keywords: constructed wetland; emergent plant; nitrogen removal effect

人工湿地是由人工优化模拟自然湿地而建造的，以基质、植物、微生物为生态环境，通过物理、化学、生物作用对污水进行处理的生态系统[1]。植物是人工湿地的核心组成部分，可以向根区输送溶解氧(DO)，在根区形成好氧环境，刺激硝化细菌的生长，有利于氨化与硝化过程，但同时可能会抑制反硝化过程[2]。人工湿地的DO来自大气复氧和植物根系泌氧，且后者为主要来源[3]。合适的植物不仅能提高人工湿地的脱氮效果[4-5]，还能稳固人工湿地表面，在冬季起到保温作用[6]。

季节和温度的变化能影响植物的生长状态，从而对人工湿地脱氮过程产生影响[7]。DAVID等[8]发现，在较高温度下，人工湿地脱氮效果更好。有研究表明，温度较低时，氮素的去除会受到很大影响，选择合适的湿地植物就必须结合植物随温度的变化情况[9]。建造人工湿地时，一般需因地制宜选择优势植物。目前关于人工湿地植物在不同季节脱氮效果的研究鲜见报道，因此本研究以常见的挺水植物菖蒲(Acoruscalamus)、香蒲(Typhaangustifolia)和芦苇(Phragmitesaustralis)为材料，模拟潜流型人工湿地，相同条件下，研究春夏季和夏秋季人工湿地污水中氨氮、硝态氮、总氮的分布，对两季人工湿地植物脱氮效果进行比较，确定适宜的挺水植物，为进一步提高人工湿地脱氮效果提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

菖蒲、香蒲、芦苇均由河北省廊坊市水生花卉养殖基地提供。

1.2 试验设计与方法

1.2.1 水质指标

本试验所用污水为自配污水，依照文献[10]配制。该污水pH为7.61，氨氮、硝态氮、总氮分别为32.07、1.45、35.79 mg/L。

1.2.2 试验设计

分别于春夏季(2015年4月27日至6月7日)和夏秋季(2015年7月13日至8月24日)在甘肃农业大学进行试验，两季均持续42 d。选用24个直径50 cm、高90 cm的清洁塑料圆桶模拟潜流型人工湿地，采用间歇进水方式向人工湿地均匀布水，水力停留时间为7 d。圆桶底层铺设粒径为3～5 cm的大砾石20 cm，中层铺设粒径为1～2 cm的小砾石20 cm，上层铺设土壤30 cm。距桶底2 cm处设出水口，距土壤表层5 cm处设置进水口，进水流量由水表计量并用阀门控制。在春夏季和夏秋季，各使用12个圆桶，分为3组，每组4个，每组植物处理做3次重复(进行植物处理的人工湿地称为植物湿地，可细分为菖蒲湿地、香蒲湿地和芦苇湿地)，并设置1个无植物对照(CK)。每组植物处理均选取长势相近的植物幼苗移栽到桶内，每桶9株，株行距为15 cm×15 cm。

人工湿地栽种植物幼苗后立即通入自来水，待植物全部缓苗成活并保持良好生长状态后，将人工湿地中的水全部排空，试验正式开始。通入自配污水20 L，7 d后排水。试验开始后，水样7 d采集1次，春夏季和夏秋季各采集6次，采样时间为8:00—9:00。试验过程中及时清除人工湿地杂草，为避免污水的浓度发生改变，雨天采取遮雨措施。

1.3 水质指标测定

水质指标测定方法参照文献[11]。pH采用PHS-3C便携式pH计测定；DO采用碘量法测定；总氮采用碱性过硫酸钾—紫外分光光度法测定；氨氮采用纳氏试剂光度法测定；硝态氮采用酚二磺酸比色法测定。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 17.0软件进行数据统计分析，采用新复极差法比较不同处理间的差异显著性，采用Excel 2007软件作图。

2 结果与分析

2.1 DO变化

不同季节人工湿地出水DO变化如图1所示。春夏季，出水DO浓度呈先迅速上升后缓慢下降的趋势，且CK湿地出水中DO浓度高于植物湿地。进水DO平均质量浓度为8.05 mg/L。试验初期(5月3日)，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地出水DO分别降为0.23、0.22、0.16、0.34 mg/L，且菖蒲湿地与芦苇湿地、CK湿地差异显著(P<0.05，下同)。5月10日，菖蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地出水DO浓度均达到最大。试验末期(6月7日)，4种人工湿地出水DO浓度差异两两不显著。整个春夏季试验中，出水DO浓度大体表现为CK湿地>菖蒲湿地>香蒲湿地>芦苇湿地。

图1 不同季节人工湿地的DO变化Fig.1 DO variation in construted wetlands in different seasons

图2 不同季节人工湿地的pH变化Fig.2 pH variation of construted wetlands in different seasons

夏秋季，4种人工湿地出水中DO浓度波动趋势相似，但CK湿地出水DO浓度大于植物湿地。进水DO平均质量浓度为7.78 mg/L。试验初期(7月20日)，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地出水DO分别降为0.33、0.22、0.26、0.37 mg/L，菖蒲湿地、CK湿地与香蒲湿地、芦苇湿地的出水DO浓度差异显著。8月10日，菖蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的出水DO浓度均达到最大。试验末期(8月24日)，4种人工湿地的出水DO浓度两两差异显著。整个夏秋季试验中，出水DO浓度大致表现为CK湿地>菖蒲湿地>芦苇湿地>香蒲湿地。

2.2 pH变化

春夏季，出水pH总体呈先迅速上升后缓慢波动下降趋势(见图2(a))。菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的出水pH在5月3日分别为7.35、7.33、7.34、7.66，在5月17日分别升至8.09、8.04、7.96、8.14，达到最高值，之后呈现波动下降趋势。整个春夏季试验中，出水pH均呈弱碱性，且植物湿地的pH在7.33～8.09变化。5月3日和5月10日，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地的出水pH差异两两不显著；5月17日、5月24日和5月31日，菖蒲湿地出水pH显著高于芦苇湿地；6月7日，4种人工湿地出水pH两两差异显著。除5月17日和5月31日菖蒲湿地与CK湿地差异不显著外，其他时间植物湿地出水pH均显著低于CK湿地。

夏秋季，出水pH总体呈先下降后缓慢波动上升趋势(见图2(b))。菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地出水pH在7月20日分别为7.41、7.28、 7.45、7.17，在7月27日分别降为6.91、6.91、7.20、6.81，达到最低值，之后呈现波动上升趋势。整个夏秋季试验中，出水pH均呈弱碱性，且植物湿地在出水pH在6.81～7.59变化。7月20日，菖蒲湿地与香蒲湿地、芦苇湿地出水pH差异不显著，但与CK湿地出水pH差异显著，且香蒲湿地与芦苇湿地出水pH差异显著；7月27日和8月10日，芦苇湿地与菖蒲湿地、香蒲湿地、CK湿地出水pH差异显著；8月3日，4种人工湿地出水pH两两差异不显著；8月17日，4种人工湿地出水pH两两差异显著；8月24日，植物湿地与CK湿地差异显著。

2.3 氨氮去除率变化

春夏季，氨氮去除率整体呈先上升后下降再缓慢波动上升的趋势(见图3(a))。5月3日，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的氨氮去除率分别为86.44%、90.42%、87.22%、81.84%。5月10日，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的氨氮去除率分别上升至96.04%、98.78%、97.29%、90.69%。5月17日，氨氮去除率降低，随后大体上波动上升。6月7日，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的氨氮去除率分别为96.49%、98.26%、97.30%、93.66%。整个春夏季试验中，植物湿地的氨氮去除率均显著高于CK湿地，且香蒲湿地对氨氮的去除率显著高于菖蒲湿地和芦苇湿地。4种人工湿地的氨氮去除率表现为香蒲湿地>芦苇湿地>菖蒲湿地>CK湿地，以香蒲湿地的氨氮去除效果最好。

夏秋季，氨氮去除率整体呈先上升再下降的趋势(见图3(b))。7月20日，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的氨氮去除率为97.72%、97.93%、96.36%、92.63%。8月3日，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的氨氮去除率均达到最大，分别为99.66%、99.95%、99.05%、95.43%。8月24日，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的氨氮去除率分别降至97.17%、97.23%、96.26%、90.41%。整个夏秋季试验中，菖蒲湿地和香蒲湿地的氨氮去除率均显著高于CK湿地；除7月27日外，芦苇湿地与CK湿地的氨氮去除率也差异显著。4种人工湿地的氨氮去除率表现为香蒲湿地>菖蒲湿地>芦苇湿地>CK湿地，同样以香蒲湿地的氨氮去除效果最好。

2.4 硝态氮去除率变化

春夏季，硝态氮去除率呈现先上升后下降的趋势(见图4(a))。5月24日、5月31日和6月7日，芦苇湿地硝态氮去除率分别为21.08%、92.30%、12.22%；5月31日，香蒲湿地与菖蒲湿地的硝态氮去除率为80.34%、42.81%；其他时间，4种人工湿地的硝态氮出水浓度均高于进水。5月3日，芦苇湿地硝态氮(5.18 mg/L)显著低于菖蒲湿地(8.94 mg/L)、香蒲湿地(7.43 mg/L)、CK湿地(10.61 mg/L)。5月10日至5月31日，4种人工湿地硝态氮浓度两两差异显著。整个春夏季试验中，氨氮去除率表现为芦苇湿地>香蒲湿地>菖蒲湿地>CK湿地。

夏秋季，硝态氮去除率主要呈现先下降后上升趋势(见图4(b))。8月3日，菖蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的出水硝态氮浓度高于进水，其他时间相反。7月20日，香蒲湿地的硝态氮去除率(63.49%)显著高于菖蒲湿地(18.77%)、芦苇湿地(45.64%)和CK湿地(6.21%)。人工湿地的硝态氮去除率在7月27日有所上升，但在8月3日明显下降，之后波动上升。8月24日，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的硝态氮去除率分别为54.77%、71.15%、61.22%、23.37%。整个夏秋季试验中，硝态氮去除率表现为香蒲湿地>芦苇湿地>菖蒲湿地>CK湿地。

图3 不同季节人工湿地的氨氮去除率Fig.3 Ammonia nitrogen removal efficiency of construted wetlands in different seasons

图4 不同季节人工湿地的硝态氮去除率Fig.4 Nitrate nitrogen removal efficiency of construted wetlands in different seasons

2.5 总氮去除率变化

春夏季，总氮去除率大体呈波动上升趋势(见图5(a))。5月3日，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的总氮去除率分别为62.49%、66.32%、70.43%、60.48%。随着试验进行，4种人工湿地的总氮去除率均上升，于5月31日达到最高值，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的总氮去除率分别为86.68%、94.33%、94.67%、84.39%。6月7日，总氮去除率略有降低。5月3日至5月24日，4种人工湿地的总氮去除率两两差异显著；5月31日和6月7日，香蒲湿地、芦苇湿地与菖蒲湿地、CK湿地的总氮去除率差异显著。整个春夏季试验中，芦苇、香蒲和菖蒲均能有效去除污水中的总氮，但芦苇总体上脱氮效果最好。

夏秋季，4种人工湿地的总氮去除率波动趋势相似(见图5(b))。7月20日，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的总氮去除率分别为84.86%、85.91%、81.87%、76.04%。8月10日，总氮去除率达到最高值，菖蒲湿地、香蒲湿地、芦苇湿地和CK湿地的总氮去除率分别为93.39%、95.89%、92.59%、90.37%。8月17日，总氮去除率略有降低，8月24日又有所回升。7月20日至7月27日，菖蒲湿地、香蒲湿地与芦苇湿地、CK湿地的总氮去除率差异显著；8月3日，4种人工湿地的总氮去除率两两差异显著；8月10日至8月17日，植物湿地与CK湿地总氮去除率差异显著；8月24日，4种人工湿地的总氮去除率两两差异不显著。植物湿地对总氮去除率均高于CK湿地。整个夏秋季试验中，芦苇、香蒲和菖蒲均能有效去除污水中的总氮，但香蒲总体上脱氮效果最好。

2.6 相关关系

各水质指标间的相关性见表1。春夏季，pH与DO、氨氮、硝态氮、总氮浓度呈极显著正相关；DO与氨氮浓度呈显著正相关，与硝态氮、总氮浓度呈极显著正相关。夏秋季，pH与DO、氨氮、硝态氮浓度呈极显著负相关，与总氮浓度呈显著负相关；DO与氨氮、硝态氮、总氮浓度呈极显著正相关。

图5 不同季节人工湿地的总氮去除率Fig.5 Total nitrogen removal efficiency of construted wetlands in different seasons

季节指标pHDO氨氮硝态氮总氮pH1.0000.869**0.908**0.936**0.966**DO1.0000.708*0.933**0.890**春夏季氨氮1.0000.838**0.909**硝态氮1.0000.957**总氮1.000pH1.000-0.759**-0.778**-0.836**-0.688*DO1.0000.787**0.964**0.819**夏秋季氨氮1.0000.900**0.967**硝态氮1.0000.884**总氮1.000

注：1)*表示P<0.05，**表示P<0.01。

3 讨 论

潜流型人工湿地中，除了有机物生化及污水中其他还原物质外，水生植物呼吸作用也会消耗DO[12]。CK湿地在春夏季和夏秋季的出水DO浓度均大于植物湿地，说明植物湿地的耗氧过程更强烈，与龙丽珠等[13]的研究一致。试验初期，DO浓度上升，这可能与水生生物和耗氧有机物浓度有关。水生生物和耗氧有机物会消耗DO，但刚通入污水时水生生物较少且耗氧有机物作用不明显[14]。由于夏秋季温度高于春夏季，微生物数量增多，微生物耗氧强于春夏季，从而导致夏秋季DO浓度比春夏季低。

pH通过影响微生物活动而影响人工湿地氮素浓度，微生物在中性条件下最适宜生长，在强酸和强碱条件下，活动受到抑制。春夏季试验初期，pH升高，可能是发生阳离子交换或碳酸盐溶出导致[15]。夏秋季试验初期，pH降低，可能是因为受湿地基质的影响。进水pH均为7.61，春夏季和夏秋季的出水pH均呈弱碱性，且春夏季pH略高于夏秋季，这可能是由于温度与出水碱度呈显著负相关[16]，春夏季温度低于夏秋季，因此pH高于夏秋季。春夏季和夏秋季的出水pH均小于8.5，可以忽略氨挥发导致的氮素减少[17]。

微生物反硝化作用强弱与进水中氮素存在形态有关，如果以氨氮为主，硝化作用的快慢是影响反硝化作用的主要因素；以硝态氮为主，反硝化作用会加强[18]。本研究中，氮素主要以氨氮形态存在，春夏季硝化作用明显强于反硝化作用，夏秋季反硝化作用有所增强，可能是因为反硝化细菌受外界气温影响较大，随着气温的逐渐升高，其数量逐渐上升[19]。春夏季和夏秋季的氨氮、总氮去除率均较高，可能是挺水植物根区形成了好氧环境，而远离根区处形成了厌氧环境，促进硝化和反硝化反应的连续进行[20]，同时植物吸收和微生物同化共同促进了硝态氮、氨氮的去除，从而使总氮浓度降低。春夏季，芦苇对总氮去除效果最好；夏秋季，香蒲对总氮的去除效果最好。这可能是因为芦苇和香蒲通气组织发达，可将大量DO输送至其根部，使根部微生物数量增加，从而提高对污水中污染物的去除能力[21]。春夏季和夏秋季试验末期的氨氮去除率均在90%左右，总氮去除率在80%以上，高于和丽萍等[22]的研究结果(氨氮和总氮去除率为60%左右)，说明本研究的人工湿地设计有利于处理含氮污水。

春夏季，pH与氨氮、硝态氮及总氮浓度呈正相关，夏秋季相反，考虑到春夏季pH大于夏秋季，且人工湿地pH对微生物有显著影响[23]，因此pH是人工湿地脱氮过程中重要的影响因子。硝化作用和反硝化作用均受到DO浓度的限制[24]。春夏季和夏秋季试验中，DO均与氨氮、硝态氮、总氮浓度呈正相关，且氨氮、硝态氮、总氮浓度也呈现两两正相关，表明氨氮在硝化细菌作用下转化成了硝态氮，硝态氮在反硝化细菌作用下转化成了N2O和N2，硝化反应的同时也在进行反硝化作用。

4 结 论

春夏季，总氮去除率表现为芦苇湿地>香蒲湿地>菖蒲湿地>CK湿地；夏秋季，总氮去除率表现为香蒲湿地>菖蒲湿地>芦苇湿地>CK湿地。芦苇、香蒲和菖蒲均能有效去除污水中的总氮，但春夏季以芦苇脱氮效果最好，夏秋季以香蒲脱氮效果最好。

[1] 吴树彪，董仁杰．人工湿地污水处理应用与研究进展[J]．水处理技术，2008，34(8)：5-9．

[2] 刘臣．基于季节变化与收割研究芦苇根系泌氧在湿地污染物去除中的作用[D]．济南：山东大学，2014．

[3] 吴海明，张建，李伟江，等．人工湿地植物泌氧与污染物降解耗氧关系研究[J]．环境工程学报，2010，4(9)：1973-1977．

[4] 陈玉成．污染环境生物修复工程[M]．北京：化学工业出版社，2003．

[5] WÖRMAN A,KRONNS V.Effect of pond shape and vegetation heterogeneity on flow and treatment performance of constructed wetlands[J].Journal of Hydrology,2005,301(1/2/3/4):123-138.

[6] 张太平，陈韦丽．人工湿地生态系统提高氮磷去除率的研究进展[J]．生态环境，2005，14(4)：580-584．

[7] 成水平，吴振斌，况琪军．人工湿地植物研究[J]．湖泊科学，2002，14(2)：179-184．

[8] DAVID A K,DAVID M B,GENTRY L E,et al.Effectiveness of constructed wetlands in reducing nitrogen and phosphorus export from agriculture tile drainage[J].Journal of Environment Quality,2000,29(12):1262-1274.

[9] 丁怡,宋新山,严登华.影响潜流人工湿地脱氮主要因素及其解决途径[J].环境科学与技术,2011，34(增刊2):103-106.

[10] 彭赵旭，彭永臻，刘旭亮，等．实际污水与模拟污水活性污泥系统的特性差异[J]．环境工程学报，2012，6(3)：749-754．

[11] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会．水和废水监测分析方法[M]．4版．北京：中国环境科学出版社，2002．

[12] 王锋德．垂直流人工湿地质流输氧机理研究及系统模型构建[D]．泰安：山东农业大学，2006．

[13] 龙丽珠，阮晓红，赵振华．组合人工湿地工艺微生物群落结构及脱氮效果研究[J]．环境污染与防治，2008，30(6)：75-77．[14] 张洪刚．人工湿地及湿地植物对生活污水净化效果研究[D]．北京：首都师范大学，2006．

[15] 张欢欢，黄玉明．潜流人工湿地污水处理系统长期运行中pH及酸度和碱度的变化[J]．西南大学学报(自然科学版)，2012，34(5)：63-67．

[16] VILE M A,WIEDER R K.Alkalinity generation by Fe(Ⅲ) reduction versus sulfate reduction in wetlands constructed for acid mine drainage treatment[J].Water,Air,and soil Pollution,1993,69(3/4):425-441.

[17] 熊飞，李文朝，潘继征，等．人工湿地脱氮除磷的效果与机理研究进展[J]．湿地科学，2005，3(3)：228-234．

[18] 赵桂瑜，杨永兴，杨长明．人工湿地污水处理系统脱氮机理研究进展[J]．四川环境，2005，24(5)：64-67．

[19] 夏宏生,蔡明,向欣.人工湿地净化作用与微生物相关性研究[J].广东水利水电,2008(3):4-8.

[20] 李胜男，崔丽娟，宋洪涛，等．不同湿地植物土壤氮、磷去除能力比较[J]．生态环境学报，2012，21(11)：1870-1874．

[21] 胡智勇，陆开宏，梁晶晶．根际微生物在污染水体植物修复中的作用[J]．环境科学与技术，2010，33(5)：75-80．

[22] 和丽萍,陈静,杨逢乐,等.季节变化及植物生长对人工湿地处理效率的影响[J].环境工程,2014，32(增刊1):221-224.

[23] 卢少勇，金相灿，余刚．人工湿地的氮去除机理[J]．生态学报，2006，26(8)：2670-2677．

[24] BOWMER K.Nutrient removal from effluents by an artificial wetland:influence of rhizosphere aeration and preferential flow studied using bromide and dye tracers[J].Water Research,1987,21(5):591-599.

Thenitrogenremovaleffectofemergentplantinconstructedwetland

CHURun,CHENNianlai,WANGXiaojuan,WANGQiaofang.

(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,LanzhouGansu730070)

2016-05-06)

褚 润，女，1981年生，硕士，讲师，研究方向为污水处理及资源化利用。#

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*甘肃省青年科技基金计划资助项目(No.1506RJYA004)；甘肃农业大学资源与环境学院青年教师培育基金资助项目(No.NDZH2015-01)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.015