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粤东柘林湾海洋牧场渔业资源增殖效果评估

王言丰 胡启伟 余景 陈丕茂 舒黎明

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粤东柘林湾海洋牧场渔业资源增殖效果评估

    作者简介: 王言丰(1992— ),女,硕士研究生,从事海洋遥感研究。E-mail: 275002899@qq.com;
    通讯作者: 余景, yujing@scsfri.ac.cn
  • 中图分类号: S931.1

Effect assessment of fishery resources proliferation in Zhelin Bay marine ranching in eastern Guangdong

    Corresponding author: Jing YU, yujing@scsfri.ac.cn ;
  • CLC number: S931.1

  • 摘要: 为评价粤东柘林湾海洋牧场的建设效果,以环境卫星遥感和现场调查相结合的方法,对柘林湾海洋牧场建设前(2011年8月)和建设后(2013年8月)海表温度(sea surface temperature,SST)、叶绿素a质量浓度(chlorophyll a concentration,Chl a)、总渔获物的单位捕捞努力量渔获量(catch per unit effort,CPUE)、生物多样性、底栖动物的生物量及栖息密度等进行了对比分析。结果表明,柘林湾海洋牧场建设后,海域氮磷比(N/P)接近16,Chl a质量浓度由海洋牧场建设前的7.5~12.3 mg·m–3提高到建设后的10.4~16.2 mg·m–3。总渔获物CPUE从2.1~5.5 kg·h–1提高到5.8~14.5 kg·h–1。鱼类、甲壳类、头足类和贝类的种类数分别增加了25种、3种、2种和3种,鱼类、甲壳类、头足类和贝类群落的Shannon-Wiener多样性指数(H′)分别提高了0.5、0.4、0.1和1.0,底栖动物的生物量及栖息密度均有所增加。柘林湾海洋牧场的建设在一定程度上改善了渔业生境,对渔业资源的养护和增殖具有积极作用。
  • 图 1  研究区域和调查站位

    Figure 1.  Research area and survey stations

    图 2  柘林湾海洋牧场建设前后海表温度及单位捕捞努力量渔获量 (a、c)、叶绿素a (b、d) 及单位捕捞努力量渔获量空间分布

    Figure 2.  Spatiotemporal distribution of SST, CPUE (a, c) and Chl a (b, d) in pre- and post- marine ranching in Zhelin Bay

    图 3  柘林湾海洋牧场建设前后单位捕捞努力量渔获量及其密度变化

    Figure 3.  Variation of CPUE and CPUE density in pre- and post-marine ranching in Zhelin Bay

    图 4  柘林湾海洋牧场建设前后各渔获物种类数及多样性指数对比分析

    Figure 4.  Variation in species number and biodiversity index of fish, crustaceans, cephalopods and shellfish in Zhelin Bay

    图 5  柘林湾海洋牧场建设前后底栖动物、叶绿素和营养盐对比分析

    Figure 5.  Variation in biomass and density of zoobenthos, Chl a and nutrients during the pre- (August, 2011) and post- (August, 2013) marine ranching in Zhelin Bay

    表 1  柘林湾海洋牧场建设前后优势种

    Table 1.  Dominant species in pre- and post-marine ranching in Zhelin Bay

    海洋牧场建设前 (2011年8月)
    pre-marine ranching (August, 2011)
    海洋牧场建设后 (2013年8月)
    post-marine ranching (August, 2013)
    鱼类 fish 鹿斑鲾 Leiognathus ruconius 鱼类 fish 丽叶鲹 Alepes kleinii
    甲壳类 crustaceans 口虾蛄 Oratosquilla oratoria 甲壳类 crustaceans 红星梭子蟹 Portunus sanguinolentus
    宽突赤虾 Metapenaeopsis palmensis 宽突赤虾 Metapenaeopsis palmensis
    头足类 cephalopods 短蛸 Octopus ocellatus 头足类 cephalopods 短蛸 Octopus ocellatus
    田乡枪乌贼 Loligo tagoi Sasaki
    贝类 shellfish 大珠母贝 Pinctada maxima 贝类 shellfish 毛蚶 Scapharca subcrenata
    波纹巴菲蛤 Paphia undulata
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-26
  • 录用日期:  2018-09-27
  • 网络出版日期:  2018-12-10
  • 刊出日期:  2019-04-01

粤东柘林湾海洋牧场渔业资源增殖效果评估

    作者简介:王言丰(1992— ),女,硕士研究生,从事海洋遥感研究。E-mail: 275002899@qq.com
    通讯作者: 余景, yujing@scsfri.ac.cn
  • 1. 中国水产科学研究院南海水产研究所,广东省渔业生态环境重点实验室,农业农村部南海渔业资源环境科学观测实验站,广东省海洋休闲渔业工程技术研究中心,中国水产科学研究院海洋牧场技术重点实验室,广东 广州 510300
  • 2. 上海海洋大学海洋科学学院,上海 201306

摘要: 为评价粤东柘林湾海洋牧场的建设效果,以环境卫星遥感和现场调查相结合的方法,对柘林湾海洋牧场建设前(2011年8月)和建设后(2013年8月)海表温度(sea surface temperature,SST)、叶绿素a质量浓度(chlorophyll a concentration,Chl a)、总渔获物的单位捕捞努力量渔获量(catch per unit effort,CPUE)、生物多样性、底栖动物的生物量及栖息密度等进行了对比分析。结果表明,柘林湾海洋牧场建设后,海域氮磷比(N/P)接近16,Chl a质量浓度由海洋牧场建设前的7.5~12.3 mg·m–3提高到建设后的10.4~16.2 mg·m–3。总渔获物CPUE从2.1~5.5 kg·h–1提高到5.8~14.5 kg·h–1。鱼类、甲壳类、头足类和贝类的种类数分别增加了25种、3种、2种和3种,鱼类、甲壳类、头足类和贝类群落的Shannon-Wiener多样性指数(H′)分别提高了0.5、0.4、0.1和1.0,底栖动物的生物量及栖息密度均有所增加。柘林湾海洋牧场的建设在一定程度上改善了渔业生境,对渔业资源的养护和增殖具有积极作用。

English Abstract

  • 柘林湾位于广东省东北部,地处亚热带海域,水域面积68~70 km2,是广东省12个重要海湾之一,也是中国沿海18个重点海水养殖区之一(图1)。近年来,由于环境污染和过度捕捞等原因,该水域渔业资源严重衰退[1-2],亟须采取有力措施改善海域生态环境,养护和增殖渔业资源。

    图  1  研究区域和调查站位

    Figure 1.  Research area and survey stations

    海洋牧场是一种以人工鱼礁为基本生态工程的现代渔业生产方式,是基于海洋生态系统原理,在特定海域通过人工鱼礁、增殖放流等措施,构建或修复海洋生物繁殖、生长、索饵或避敌所需的场所,改善海域生态环境,增殖养护渔业资源,实现渔业资源可持续利用的渔业模式(《SC/T 9111—2017海洋牧场分类》)。目前,对海洋牧场生态效应的研究主要以海域环境现场调查[3]、生物和渔业资源群落结构的对比分析为主[4-9]。在粤东柘林湾海洋牧场,氮(N)、磷(P)营养盐空间分布呈由西北部近岸海域向东南部海域递减的变化趋势[10]。鱼类资源密度夏季较高,为4.35 kg·km–2;冬季较低,为2.31 kg·km–2[11]。该海域底栖动物主要由软体动物、节肢动物和环节动物组成[12]。这些研究仅明确了该海洋牧场的资源环境现状,而对于海洋牧场建设后的生态效应和资源增殖效果,还需要综合多种技术手段进行研究。

    卫星遥感能够获取大量的海面信息,具有长时间、大面积、近实时获取海洋环境数据的优点,已成功应用于渔业资源评估[13]、渔业环境监测[14-15]、伏季休渔效果评价[16]等领域。笔者在以前的研究中,基于长时间序列的卫星遥感资料分析了大亚湾人工鱼礁的生态效应[17],本研究在此基础上,进一步分析南海典型资源养护型海洋牧场的生态效应,从海域生态环境和资源量变动的角度,揭示柘林湾海洋牧场的渔业资源增殖效果,为海洋牧场的规划、建设和效果评估提供科学依据。

    • 粤东柘林湾海洋牧场于2010年在南澳岛附近建设,总面积2.067×104 hm2,包括贝类底播区、海藻养殖区、网箱养殖区、增殖放流区和人工鱼礁区等功能区(图1),其中贝类底播区示范面积为519.99 hm2,以养殖波纹巴非蛤 (Paphia undulata)、寻氏肌蛤 (Musculus senhousei)和红肉河蓝蛤 (Potamocorbula rubromuscula)为主;海藻养殖区示范面积为333.33 hm2,以养殖龙须菜 (Asparagus schoberioides)和紫菜 (Porphyra sp.)为主;此外在海洋牧场示范区内增殖放流鱼苗7.2×106尾,以放流鲷科鱼类为主;虾苗1.4×108尾,以放流斑节对虾 (Penaeus monodon)、中国明对虾 (Fenneropenaeus chinensis)为主;网箱养殖区以斜带石斑鱼 (Epinephelus coioides)为主;投放礁体9.682 3×108空方[10],礁体距水面12~13 m,为3 m高的方形、三角形水泥构建等。

      在柘林湾海洋牧场建设前(2011年8月)和建设后(2013年8月),按照设置的站位进行生态环境和渔业资源调查(图1),调查的环境因子包括N、P含量和叶绿素质量浓度(chlorophyll a concentration,Chl a),渔业资源包括鱼类、甲壳类、头足类及贝类渔获量和底栖动物的生物量及其栖息密度。调查渔船船长17.0 m、宽3.9 m,主机功率88.2 kW,网口周长45.0 m,网口网目尺寸45.0 cm,囊网网目尺寸2.5 cm,网长25.0 m。每站拖网1次、每次0.25 h,平均拖速约3.1 kn。各项调查、分析和鉴定均按《海洋监测规范》(GB 17378—2007)、《海洋调查规范—海洋生物调查》(GB 12763.6—2007)中规定的方法进行。所有渔获样品鉴定到种,体质量精确到0.1 g,并对鱼虾类进行体长、对蟹类进行甲宽等的测定与统计。底栖动物用蚌式采泥器采集,样品用甲醛溶液固定后,带回实验室进行分析鉴定。

    • 1)卫星遥感资料。2011年8月(海洋牧场建设前)和2013年8月(海洋牧场建设后)柘林湾海域海表温度(sea surface temperature,SST)、海表Chl a数据来自美国NASA的MODIS-Aqua卫星产品(https://oceandata.sci.gsfc. nasa.gov/),时间分辨率为天(d),空间分辨率为4 km。应用MATLAB软件编程提取研究区域中2011年和2013年8月的SST和Chl a卫星遥感数据,去除无效值、做月平均处理和数据融合,用ArcGIS 10.2软件对SST和Chl a进行克里金插值,绘制月平均分布图。

      2)单位捕捞努力量渔获量[18](catch per unit effort,CPUE,kg·h–1)。计算公式为:

      式中C为总渔获物质量(包括鱼类、甲壳类、头足类和贝类,kg);t为时间(h)。

      3) CPUE分布密度值曲线[19]。表示一组CPUE数据对应的概率密度值分布状况,即CPUE数据分布趋势,其中密度值表示数据分布和集聚状况的概率值,其范围为0~1,为无单位量纲。假设有n个CPUE (X1~Xn),计算某一个CPUE的概率密度值,公式为:

      式中x为CPUE,k为核密度函数,本研究选取高斯分布函数,h为设定的窗口宽度,选取高斯核密度估计量的带宽。本研究应用R语言的密度函数计算CPUE分布密度曲线。

      4) Shannon-Wiener (H′)多样性指数[20]

      式中S为各站渔获的种类总数,Pi为第i种的个体数与总个体数的比值。

      5)栖息密度(个·m–2)。

      式中n为底栖动物个数,s为样方面积。

      6) Redfield值。海洋浮游植物的生长,通常按照N/P 16∶1 (Redfield值)的比例被消耗[21],N/P接近16时表明水质适宜浮游植物生长[22]

    • 柘林湾海洋牧场建设后海域SST、Chl a和渔业资源CPUE均有所增加,且变化范围增大。空间叠加分析表明,海洋牧场建设前(2011年8月),SST主要在27.1~28.9 ℃波动,Chl a在2.7~12.1 mg·m–3波动,CPUE为2.1~5.5 kg·h–1(图2-a,b)。高CPUE主要分布在海藻养殖区和网箱养殖区(S6、S7和S8站),对应的SST为27.6~28.6 ℃,Chl a为7.5~12.3 mg·m–3(图2-a,b)。海洋牧场建设后(2013年8月),SST主要在28.1~29.6 ℃波动,Chl a在5.1~20.5 mg·m–3波动,CPUE为5.8~14.5 kg·h–1,柘林湾海域的SST、Chl a及CPUE均增加,高CPUE分布在贝类底播区和人工鱼礁区(S1、S3和S10站),对应的SST为28.8~29.4 ℃,Chl a为10.4~16.2 mg·m–3(图2-c,d)。海洋牧场建设后,柘林湾SST平均值增加了0.77 ℃,卡方检验表明SST增加极显著(P=0.001<0.01);Chl a平均值增加了7.63 mg·m–3,卡方检验表明Chl a增加极显著(P=0.002<0.01);高CPUE区域的空间分布呈现由海藻养殖区、网箱养殖区向贝类底播区、人工鱼礁区扩大的趋势,渔业资源CPUE平均值约为海洋牧场建设前的1.9倍,卡方检验表明,CPUE增加不显著(P=0.07>0.05)。

      图  2  柘林湾海洋牧场建设前后海表温度及单位捕捞努力量渔获量 (a、c)、叶绿素a (b、d) 及单位捕捞努力量渔获量空间分布

      Figure 2.  Spatiotemporal distribution of SST, CPUE (a, c) and Chl a (b, d) in pre- and post- marine ranching in Zhelin Bay

    • 柘林湾海洋牧场建设后,渔业资源CPUE密度分布更加均匀。海洋牧场建设前(2011年8月)CPUE为0~6 kg·h–1,主要变动在2~6 kg·h–1,最高CPUE密度为0.22 (图3)。海洋牧场建设后(2013年8月) CPUE为0~15 kg·h–1,主要波动在0~10 kg·h–1,最高CPUE密度为0.11。海洋牧场建设后,较低CPUE (2~6 kg·h–1)内的CPUE密度降低到海洋牧场建设前的1/2,CPUE密度值分布的高值区范围增大(图3)。

      图  3  柘林湾海洋牧场建设前后单位捕捞努力量渔获量及其密度变化

      Figure 3.  Variation of CPUE and CPUE density in pre- and post-marine ranching in Zhelin Bay

    • 柘林湾海洋牧场建设后各渔获物的种类数及其多样性指数增加。海洋牧场渔获物中鱼类的种类数从海洋牧场建设前的38种增加到建设后的63种,增加的鱼种主要分布在贝类底播区、网箱养殖区和人工鱼礁区;甲壳类从39种增加到42种,增加的甲壳类主要分布在贝类底播区、海藻养殖区和增殖放流区;头足类从2种增加到7种,增加的种类主要分布在贝类底播区和人工鱼礁区;贝类从3种增加到6种,增加的种类主要分布在贝类底播区。鱼类多样性指数H′从3.4 (海洋牧场建设前)增加到3.9 (海洋牧场建设后),甲壳类的H′从3.8增加到4.2,头足类的H′从1.0增加到1.1,贝类的H′由0.6增加到1.6 (图4)。柘林湾海洋牧场建设前后各渔获种类的优势种见表1

      图  4  柘林湾海洋牧场建设前后各渔获物种类数及多样性指数对比分析

      Figure 4.  Variation in species number and biodiversity index of fish, crustaceans, cephalopods and shellfish in Zhelin Bay

      海洋牧场建设前 (2011年8月)
      pre-marine ranching (August, 2011)
      海洋牧场建设后 (2013年8月)
      post-marine ranching (August, 2013)
      鱼类 fish 鹿斑鲾 Leiognathus ruconius 鱼类 fish 丽叶鲹 Alepes kleinii
      甲壳类 crustaceans 口虾蛄 Oratosquilla oratoria 甲壳类 crustaceans 红星梭子蟹 Portunus sanguinolentus
      宽突赤虾 Metapenaeopsis palmensis 宽突赤虾 Metapenaeopsis palmensis
      头足类 cephalopods 短蛸 Octopus ocellatus 头足类 cephalopods 短蛸 Octopus ocellatus
      田乡枪乌贼 Loligo tagoi Sasaki
      贝类 shellfish 大珠母贝 Pinctada maxima 贝类 shellfish 毛蚶 Scapharca subcrenata
      波纹巴菲蛤 Paphia undulata

      表 1  柘林湾海洋牧场建设前后优势种

      Table 1.  Dominant species in pre- and post-marine ranching in Zhelin Bay

      柘林湾海洋牧场建设后,底栖动物的生物量和栖息密度均增加。海洋牧场建设前,底栖动物生物量的主要为10~30 g·m–2,最大值383.4 g·m–2,出现在贝类底播区(S3站),最小值5.6 g·m–2,出现在对比区(S11站);底栖动物栖息密度主要为70~150个·m–2,最大值260个·m–2,出现在贝类底播区(S3站),最小值50个·m–2,出现在贝类底播区(S2站)。柘林湾海洋牧场建设后,底栖动物生物量主要为40~200 g·m–2,最大值增加至400.3 g·m–2,位于贝类底播区(S5站),最小值增加至20 g·m–2,出现在对比区(S12站);底栖动物栖息密度提高到100~300个·m–2,最大值690个·m–2,出现在贝类底播区(S2站),最小值40个·m–2,出现在海藻养殖区(S6站,图5-a)。

      图  5  柘林湾海洋牧场建设前后底栖动物、叶绿素和营养盐对比分析

      Figure 5.  Variation in biomass and density of zoobenthos, Chl a and nutrients during the pre- (August, 2011) and post- (August, 2013) marine ranching in Zhelin Bay

      柘林湾海洋牧场建设后,各站位的Chl a有所增加。海洋牧场建设前,海域Chl a主要为2~6 mg·m–3,最大值7.7 mg·m–3,出现在贝类底播区(S4站),最小值1.1 mg·m–3,出现在人工鱼礁区(S9站)。海洋牧场建设后,Chl a提高到5~15 mg·m–3,最大值17.6 mg·m–3,出现在贝类底播区(S5站),最小值2.3 mg·m–3,出现在贝类底播区(S1站,图5-b)。

      柘林湾海洋牧场建设前氮磷比(N/P)的变化范围为5~50,Redfield值接近16的站位主要分布在贝类底播区、网箱养殖区和对比区(S6、S8和S11站)。海洋牧场建设后,各站位的N/P的变化范围为9~17,Redfield值接近16的站位增加到7个,分布在贝类底播区、海藻养殖区和对比区(S1、S2、S3、S5、S7、S11和S12站;图5-c)。

    • 海洋牧场建设后,改变了柘林湾海域水体的营养盐状况,水体Chl a有所增加。水体中营养盐(N、P等)浓度影响海洋浮游植物的生长,其中N/P直接反映水域现存N、P的营养状态。海洋牧场建设后,柘林湾海域N/P接近Redfield值的站位比建设前多了4个,水质改善较明显的区域主要在贝类底播区、海藻养殖区和人工鱼礁对比区。贝类拥有发达的滤食系统,滤水率极高,柘林湾贝类底播区大面积的贝类在一定程度上促进了水体中碳(C)、N、P的高效利用[23]。此外,贝类还具有增强海水交换的能力,使海域营养盐分布更加均匀,缓解富营养化[24]。柘林湾海藻养殖区以种植龙须菜和紫菜为主,大型海藻具有吸收N、P等营养盐的功能,对水质有一定净化作用[25]。在柘林湾人工鱼礁区,礁体通过改变海水的流速和流向、增加附着生物生物量等改善水质[26],其生态效应延伸到人工鱼礁对比区。

      水体中Chl a与营养盐成正比关系[27]。柘林湾海洋牧场建设前,该海域出现富营养化现象,营养盐对浮游植物生长的调控作用减弱[28]。本研究表明,海洋牧场建设后,柘林湾贝类底播区、海藻养殖区、人工鱼礁区和对比区海域的Chl a有所增加,这与象山港海洋牧场建设后Chl a变动趋势类似[29-30],与獐子岛海洋牧场建设后Chl a提高2倍以上的研究结果类似[31]。研究表明,海藻场通过固碳作用[32]、人工鱼礁通过改变流场提高了海洋牧场海域的初级生产力[26],改善了生物的栖息环境,为渔业资源增殖和养护奠定物质基础。

    • 海洋牧场建设后,渔业资源CPUE、底栖动物生物量及其栖息密度均有所增加,各渔获物的种类数及种类多样性均提高。鱼类对水温的变化非常敏感,适宜的温度是鱼群聚集的重要条件[33]。卫星遥感研究表明,海洋牧场建设后,柘林湾海域SST空间分布更均匀,Chl a有所增加,初级生产力提高,为海洋生物的生长繁衍提供了适宜的环境和充足的饵料,使柘林湾海域的渔业资源CPUE增高、CPUE密度分布更加均匀。其中,贝类底播区、人工鱼礁区和对比区的渔业资源CPUE显著增加,这与贝类底播区、人工鱼礁区和对比区的Chl a在海洋牧场建设后的提高有关。柘林湾海洋牧场各功能区的流场效应、饵料效应等增加了海域的营养盐浓度,进而提高柘林湾海域水体的Chl a。底播贝类在一定程度上提高了海域初级生产力[34]。柘林湾海洋牧场建设后,鱼类、甲壳类、头足类和贝类的种类数分别增加了25种、3种、2种和3种,鱼类、甲壳类、头足类和贝类的多样性指数H′值分别增加了0.5、0.4、0.1和1.0;CPUE密度增加且变化范围增大。这与大亚湾杨梅坑及獐子岛海洋牧场人工鱼礁区渔业资源的变动趋势一致[35-36]。人工鱼礁投放后,在礁体周围产生上升流和背涡流[37-38],上升流把底层营养盐带到表层,有利于浮游生物的繁殖,增加水体的溶解氧;背涡流区有机质的停留为鱼类等海洋生物的聚集提供饵料基础;此外,人工鱼礁投放后产生的背涡流使流速降低[39],为牧场生物提供栖息、产卵及庇护的场所[26,40],在礁区附近海域产生集鱼效应。在增殖放流区,贝类的底播和鱼类的放流与渔业资源CPUE的提高有关。此外,CPUE密度值范围增大也可能与伏季休渔有关,柘林湾海洋牧场适宜的栖息环境和伏季休渔措施,促进了渔业资源的增殖[16]。卡方检验结果表明,渔业资源CPUE增加不显著,海洋牧场的建设在短期内对渔业资源的增殖效果有限,还需要积累长期连续的监测数据进行综合分析。

      柘林湾海洋牧场建设后,底栖动物生物量和栖息密度均有增加,其中贝类底播区、人工鱼礁区和对比区增加明显,这主要是因为海洋牧场的建设有利于底栖动物生物量的增加[41]。底栖动物长期生活在底泥中[42],贝类可净化底质,为底栖动物营造良好的栖息地,促进底栖动物的生长,从而提高底栖动物的生物量和栖息密度[43]。此外,人工鱼礁提高了附着生物的生物量,对海洋生物有良好的诱集作用,有助于牧场区渔业资源的养护和增殖[38]。相关研究表明,柘林湾海洋牧场建设后,底栖动物种类数、丰富度指数相对较高[44]。此外,本研究表明不同站位的底栖动物生物量及栖息密度有一定程度的波动,可能是因为在海洋牧场建设过程中,人工鱼礁的投放、贝类底播区的建设等人类活动对底栖生物的栖息繁殖产生了一定的干扰,虽然生态系统拥有自我恢复能力,但每个站位恢复到稳定状态所需的时间却存在差别[45]

    • 本研究应用卫星遥感和现场调查数据,分析了柘林湾海域海洋牧场建设前后渔业资源和环境的变化。海洋牧场建设后,N/P接近Redfield值的海域范围扩大,Chl a由7.5~12.3 mg·m–3提高到10.4~16.2 mg·m–3,平均渔业资源CPUE为海洋牧场建设前的1.9倍。底栖动物的生物量和栖息密度也有所增加。柘林湾海洋牧场的建设,有助于渔业生境的修复,促进了柘林湾海域渔业资源的增殖和养护。海洋牧场是改善生态环境、资源增殖和养护的系统工程,本研究选取了卫星遥感可获取的生态环境因子,对海洋牧场生态效应的解释有限,其全面的评估还需要长期监测调查资料的积累。

参考文献 (45)

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