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    杉木林改造后空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能動(dòng)態(tài)變化及其關(guān)系

    2018-11-20 08:34:46胡園杰李際平曹小玉
    關(guān)鍵詞:熟林中齡林比數(shù)

    胡園杰,李際平,曹小玉,陳 娟

    (中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

    土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是林木生長(zhǎng)發(fā)育重要的環(huán)境因素之一,對(duì)調(diào)節(jié)徑流洪峰、涵養(yǎng)水源、保持水土、改善水質(zhì)具有重要作用[1-2]。人工林由于長(zhǎng)期不合理的利用,土壤退化,林地生產(chǎn)力下降,土壤水源涵養(yǎng)功能的研究日益受到關(guān)注。大量科學(xué)研究表明土壤水源涵養(yǎng)功能變化主要受到森林的樹(shù)種組成、林分空間結(jié)構(gòu)及非空間結(jié)構(gòu)的影響[3-5],而林分空間結(jié)構(gòu)是林分結(jié)構(gòu)最直觀的表現(xiàn)和基礎(chǔ)調(diào)控因子,研究林分空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系具有重要理論意義。目前已有大量關(guān)于影響土壤水源涵養(yǎng)功能因子的研究。何斌等[6]對(duì)相同立地條件下厚莢相思林、尾巨桉林和灌草叢3種不同植被類(lèi)型的土壤性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了研究,揭示了不同植被對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能的影響。朱華德[7]通過(guò)研究高程、坡度、坡向等環(huán)境因子對(duì)五龍池小流域土壤水分的影響,闡明了不同環(huán)境因子對(duì)土壤水分的影響。王威[8]選取了樹(shù)種組成、林分年齡、郁閉度、生物量等林分結(jié)構(gòu)因子分析北京山區(qū)水源林結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。已有研究多是關(guān)于環(huán)境因子以及林分非空間結(jié)構(gòu)因子對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能影響的研究,而針對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能間關(guān)系的研究較少。

    本研究以湖南省福壽林場(chǎng)杉木人工林為研究對(duì)象,在量化分析不同齡組杉木林空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上,應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析挖掘影響水源涵養(yǎng)功能的主要空間結(jié)構(gòu)因子,為充分發(fā)揮其水源涵養(yǎng)功能提供理論依據(jù)。

    1 研究區(qū)概況

    研究地點(diǎn)位于湖南省平江縣南部福壽國(guó)有林場(chǎng)(28°41′15″~ 28°32′30″N,113°41′15″~113°41′00″E)內(nèi),總面積 1 274.9 hm2,海拔 835~1 573.2 m,平均坡度22°~27°,地處中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的氣候帶,屬濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫12.1℃,極端最高氣溫33.4℃,極端最低氣溫-15℃,年平均降水量2 100~2 300 mm,年平均相對(duì)濕度87%,森林覆蓋率93%。林場(chǎng)內(nèi)海拔800 m以下的土壤為山地黃壤;800~1 400 m為山地黃棕壤;海拔1 400 m以上的山頂、山脊有小塊草甸土。研究區(qū)內(nèi)所有的杉木林均于2004年被劃分為生態(tài)公益林經(jīng)營(yíng)。研究的樣地是皆伐跡地上人工更新后形成的杉木純林。幼齡林是在2006年?duì)I造的,截止到2012年樣地調(diào)查時(shí)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)撫育;中齡林是在1999年?duì)I造的,期間2007年林場(chǎng)進(jìn)行了1次人工撫育;近熟林是在1989年?duì)I造的,期間在1996和2007年林場(chǎng)分別進(jìn)行了2次人工撫育。2013年上半年,在杉木幼、中齡林中進(jìn)行撫育間伐,并在幼齡林內(nèi)補(bǔ)植馬褂木Liriodendron tulipifera和欒樹(shù)Koelreuteria paniculata,補(bǔ)植后馬褂木、欒樹(shù)、柳杉等混交樹(shù)種總的株數(shù)占比達(dá)到50%左右;中齡林補(bǔ)植馬褂木、欒樹(shù)和深山含笑Michelia maudiae,補(bǔ)植后馬褂木、欒樹(shù)和深山含笑等混交樹(shù)種總的株數(shù)占比達(dá)到40%左右;在近熟林補(bǔ)植紅豆杉Taxus chinensis,補(bǔ)植后紅豆杉、毛竹等混交樹(shù)種總的株數(shù)占比達(dá)到30%左右。

    2 研究方法

    2.1 樣地設(shè)置及調(diào)查

    2012年通過(guò)對(duì)林場(chǎng)內(nèi)杉木人工林進(jìn)行全面踏查,選擇立地條件一樣的幼、中、近熟林3個(gè)齡組作為研究對(duì)象,分別設(shè)置6塊面積為20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地,共18塊,采用相鄰網(wǎng)格調(diào)查法,將標(biāo)準(zhǔn)地劃分為6個(gè)10 m×10 m的調(diào)查單元,并測(cè)量樣方內(nèi)全部林木的坐標(biāo)(X,Y)、胸徑、樹(shù)高、冠幅等基本測(cè)樹(shù)因子(具體情況見(jiàn)表1)。同時(shí),在每塊標(biāo)準(zhǔn)地中選擇具有代表性的位置設(shè)置寬度為0.8~1.0 m,深度為0.6~0.8 m的土壤剖面,于0~15 cm、15~30 cm、30~45 cm以及45~60 cm 4層,用體積100 cm 3的環(huán)刀分層取原狀土,每層取3個(gè)重復(fù)土樣,測(cè)定土壤的持水量、孔隙度和容重等物理性質(zhì)。2014年7月~2017年7月,每年對(duì)18塊標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行復(fù)測(cè)。

    表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本概況Table 1 Basic information of the sample plots

    2.2 林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)的計(jì)算

    (1)全混交度(Mci)

    全混交度是用來(lái)描述樹(shù)種間隔離程度的參數(shù),計(jì)算公式為:

    式中,Di為對(duì)象木i所處空間結(jié)構(gòu)單元的辛普森指數(shù);Mi為對(duì)象木i的簡(jiǎn)單混交度;n為鄰近木株數(shù);si為對(duì)象木i所處空間結(jié)構(gòu)單元的樹(shù)種數(shù)量;nj為對(duì)象木i所處空間結(jié)構(gòu)單元中第j樹(shù)種株數(shù);ni為鄰近木中不同樹(shù)種數(shù)量?

    顯然Mci∈[0,1],將Mci的取值劃分為0、(0,0.25]、(0.25,0.50]、(0.50,0.75]、(0.75,1.00]5個(gè)區(qū)間,分別對(duì)應(yīng)林木間零度混交、弱度混交、中度混交、強(qiáng)度混交和極強(qiáng)度混交。

    (2)競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(CIi)

    競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)反映了林木所承受的競(jìng)爭(zhēng)壓力,計(jì)算公式為:

    式中,di為對(duì)象木i的胸徑,dj為鄰近木j的胸徑,Lij為對(duì)象木i與鄰近木j間的距離,ni為對(duì)象木i的鄰近木株數(shù)。

    顯然CIi∈[0,+∞),競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)越大,表明林木承受的競(jìng)爭(zhēng)壓力越大。

    (3)開(kāi)闊比數(shù)(OPi)

    開(kāi)闊比數(shù)反映的是對(duì)象木受鄰近木遮蔽的程度,計(jì)算公式為:

    顯 然OPi∈ (0,1],OPi取 值 為 0、0.25、0.50、0.75、1.00分別對(duì)應(yīng)對(duì)象木所處的透光條件為完全遮擋、遮擋、中等開(kāi)闊、開(kāi)闊和非常開(kāi)闊。

    (4)林層指數(shù)(Si)

    林層指數(shù)是描述林層多樣性的指標(biāo),計(jì)算公式為:

    式中,zi為對(duì)象木i所在空間結(jié)構(gòu)單元中林層個(gè)數(shù);

    顯然Si∈(0,1],林層指數(shù)越接近1,表明林分在垂直方向上的成層性越復(fù)雜。

    (5)角尺度(Wi)

    角尺度是用來(lái)反映林木水平分布格局,計(jì)算公式為:

    顯 然Wi∈ (0,1], 將Wi的取值劃分為[0,0.327)、[0.327,0.357]、(0.357,1.00]3個(gè)區(qū)間,分別對(duì)應(yīng)林木水平分布格局趨于均勻分布、隨機(jī)分布和團(tuán)狀分布。

    計(jì)算林分的全混交度、競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、開(kāi)闊比數(shù)、林層指數(shù)與角尺度時(shí),將林分內(nèi)所有林木各指標(biāo)值的和除以林木總株數(shù)即可。

    2.3 土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)的計(jì)算

    (1)土壤容重(Y)

    式中,Y為土壤容重(g/cm3);g為環(huán)刀內(nèi)濕樣質(zhì)量(g);V為環(huán)刀體積(cm3);W為樣品含水百分?jǐn)?shù)(%)。

    (2)土壤持水量(W0)

    式中,W0為土壤毛管持水量(%);Pt為環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量(g);P0為環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量(g)。

    (3)土壤毛管孔隙度(P1)

    式中,P1為土壤毛管孔隙度(%);Y為土壤容重(g/cm3);W0為土壤持水量(%)。

    2.4 數(shù)據(jù)處理

    (1)初值化處理

    由于各指標(biāo)數(shù)據(jù)的量綱不同,沒(méi)有可比性,采用初值化的方法對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)變化和處理。

    (2)灰色關(guān)聯(lián)分析

    為深入研究林分空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系,將杉木林不同齡組的空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)和土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)視為灰色系統(tǒng),以土壤持水量、土壤毛管孔隙度和土壤容重為參考序列,以全混交度、競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、開(kāi)闊比數(shù)、林層指數(shù)和角尺度為子序列,見(jiàn)公式10,運(yùn)用Matlab進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析[9]。

    式中,x0(t)表示第t年的土壤水源涵養(yǎng)功能各指標(biāo)初值化值;xs(t)表示第t年的林分空間結(jié)構(gòu)各指標(biāo)初值化值;表示分辨系數(shù),本研究取值為0.5;ξi(k)表示第i個(gè)林分空間指標(biāo)與各土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù);表示各林分空間指標(biāo)與各土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度。

    數(shù)據(jù)分析利用 SPSS 20.0 和 Matlab 2014a軟件,圖表繪制與數(shù)據(jù)處理在 Microsoft Excel 2013中完成。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 不同齡組林分空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析

    由圖1可知,杉木林3個(gè)齡組的全混交度均隨時(shí)間增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),2017年較2012年幼、中、近熟林的全混交度分別提高了80.57%,208.97%,36.33%,其中幼齡林從弱度混交變成中度混交,說(shuō)明林分的樹(shù)種空間隔離程度大大提高;近熟林的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)跟全混交度變化相似,隨時(shí)間增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),由2012年的3.635 5上升為2017年的4.372 1,而幼齡林與中齡林的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)分別下降了6.44%和7.16%,變化幅度較??;幼齡林的開(kāi)闊比數(shù)隨著時(shí)間增長(zhǎng)而減少,由2012年的0.897 7下降為2017年的0.698 7,林分的透光條件從非常開(kāi)闊變?yōu)殚_(kāi)闊,而中齡林和近熟林的開(kāi)闊比數(shù)隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢(shì),分別下降了35.95%和25.09%,林分的透光條件從開(kāi)闊變?yōu)橹械乳_(kāi)闊;幼齡林未達(dá)到劃分林層的標(biāo)準(zhǔn),中齡林和近熟林的林層指數(shù)隨著時(shí)間增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),2014年達(dá)到最大值分別為0.523 9和0.412 5,2017年較2012年分別提高了26.72%和92.52%,說(shuō)明補(bǔ)植后林分在垂直結(jié)構(gòu)上分層現(xiàn)象越來(lái)越復(fù)雜;幼齡林的角尺度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而減少,由2012年的0.448 6下降為2017年的0.357 6,林分水平分布格局從團(tuán)狀分布變?yōu)楦m合生長(zhǎng)的隨機(jī)分布,說(shuō)明通過(guò)間伐補(bǔ)植使幼齡林的水平分布格局更合理,而中齡林和近熟林的角尺度分別在0.325 9~0.349 0和0.351 3~0.361 4內(nèi)上下波動(dòng),林分水平分布格局更趨向于均勻分布的隨機(jī)分布。方差分析表明, 幼、中、近熟林的全混交度、競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、開(kāi)闊比數(shù)、林層指數(shù)與角尺度這5個(gè)林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)存在顯著差異(P<0.05)。

    3.2 不同齡組土壤水源涵養(yǎng)功能動(dòng)態(tài)分析

    由圖2可知,杉木幼、中、近熟林的土壤持水量變動(dòng)范圍分別在37.50%~45.27%,33.84%~47.05%和40.03%~55.21%之間,均隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),2017年較2012年分別提高了18.85%,36.94%,32.78%;幼齡林的土壤毛管孔隙度在50.84%~51.14%內(nèi)上下波動(dòng),中齡林和近熟林的土壤毛管孔隙度變動(dòng)范圍分別在46.51%~53.96% 和51.89%~57.33%之間,隨時(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),2017年較2012年分別提高了0.59%,11.57%和8.58%;幼齡林和近熟林的土壤容重變動(dòng)范圍分別在1.11~1.37 g/cm3和1.03~1.30 g/cm3之間,均隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì),2017年較2012年分別減少了16.06%和18.46%,而且幼齡林土壤松緊度從緊密變成適度,近熟林從稍緊變成疏松,中齡林的土壤容重變動(dòng)范圍在1.13~1.39 g/cm3之間,隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減少,2017年較2012年減少了18.71%,而且土壤松緊度從緊密變成疏松;說(shuō)明林分經(jīng)過(guò)間伐補(bǔ)植后,土壤結(jié)構(gòu)得到明顯改善。方差分析表明, 幼、中、近熟林的土壤持水量、土壤毛管孔隙度與土壤容重這3個(gè)土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)存在顯著差異(P<0.05)。

    3.3 不同齡組空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能的關(guān)聯(lián)分析

    圖1 不同齡組林分空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化Fig.1 The dynamic changes of stand spatial structure in different age groups

    由表2可知,幼齡林中,空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤持水量的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)榻浅叨龋?.750 5)>開(kāi)闊比數(shù)(0.728 4)>競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(0.621 0)>全混交度(0.535 6),與土壤毛管孔隙度關(guān)聯(lián)度排序?yàn)殚_(kāi)闊比數(shù)(0.615 1)>競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(0.513 5)>全混交度(0.499 5)>角尺度(0.487 7),與土壤容重關(guān)聯(lián)度排序?yàn)榻浅叨龋?.747 4)>開(kāi)闊比數(shù)(0.733 7)>競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(0.603 5)>全混交度(0.538 1);中齡林中,空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤持水量的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)榱謱又笖?shù)(0.768 3)>全混交度(0.518 3)>角尺度(0.511 3)>競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(0.510 0)>開(kāi)闊比數(shù)(0.487 7),與土壤毛管孔隙度排序?yàn)榻浅叨龋?.776 2)>競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(0.776 1)>開(kāi)闊比數(shù)(0.557 3)>林層指數(shù)(0.544 6)>全混交度(0.500 3),與土壤容重排序?yàn)榻浅叨龋?.645 0)>林層指數(shù)(0.638 0)>競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(0.637 4)>開(kāi)闊比數(shù)(0.529 6)>全混交度(0.506 6);近熟林中,空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤持水量的關(guān)聯(lián)度排序?yàn)槿旖欢龋?.809 6)>林層指數(shù)(0.807 9)>角尺度(0.517 6)>開(kāi)闊比數(shù)(0.492 9)>競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(0.477 7),與土壤毛管孔隙度排序?yàn)榻浅叨龋?.845 6)>全混交度(0.732 0)>林層指數(shù)(0.674 7)>競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(0.616 4)>開(kāi)闊比數(shù)(0.588 6),與土壤容重排序?yàn)槿旖欢龋?.823 0)>林層指數(shù)(0.789 0)>角尺度(0.628 5)>開(kāi)闊比數(shù)(0.529 0)>競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(0.526 7)??梢钥闯觯寄玖值牟煌L(zhǎng)發(fā)育階段,空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)關(guān)聯(lián)序存在差異??傮w而言,對(duì)幼齡林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)是角尺度跟開(kāi)闊比數(shù),對(duì)中齡林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)是角尺度跟林層指數(shù),對(duì)近熟林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)是全混交度跟角尺度。

    圖2 不同齡組土壤水源涵養(yǎng)功能動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The dynamic changes of soil water conservation function in different age groups

    表2 土壤水源涵養(yǎng)功能與空間結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)度及其排序Table 2 The correlativity and sort of soil water conservation function and spatial structure

    4 結(jié)論與討論

    研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)間伐補(bǔ)植,不同齡組杉木林的混交度和林層指數(shù)顯著提高,林木水平分布格局更趨向于均勻分布的隨機(jī)分布,林分的透光條件變差,幼、中齡林林木競(jìng)爭(zhēng)降低,而近熟林林木競(jìng)爭(zhēng)加劇,這主要是由于幼、中齡林進(jìn)行了撫育間伐,并在樣地的空曠地帶補(bǔ)植了鄉(xiāng)土樹(shù)種,使得林木分布更加均勻,樹(shù)種多樣性提高,下層林木數(shù)量增加,再加上林木生長(zhǎng)發(fā)育,因此林分郁閉度逐漸增大,透光條件變差,而近熟林未進(jìn)行撫育間伐直接補(bǔ)植,造成補(bǔ)植后近熟林中林木間競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈;幼、中、近熟林的土壤持水量分別增加了18.85%,36.94%,32.78%,土壤毛管孔隙度分別增加了0.59%,11.57%,8.58%,土壤容重分別減少了16.06%,18.71%,18.46%,這主要是由于杉木林改造后,林木分布更加均勻,混交度的增加,有利于根系和微生物活動(dòng),使土壤通透性和土壤養(yǎng)分增加,從而改善了土壤結(jié)構(gòu)。

    對(duì)幼齡林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指數(shù)是角尺度跟開(kāi)闊比數(shù),這可能是因?yàn)榱址稚形从糸],水平空間未充分利用,比較開(kāi)闊,樹(shù)冠層稀疏,林分進(jìn)行間伐補(bǔ)植后,一方面林木分布均勻化,使林木對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收更為合理,土壤微生物活動(dòng)更劇烈,使土壤通透性增加,另一方面促進(jìn)林木枝葉生長(zhǎng),使林分開(kāi)闊程度下降,林地內(nèi)枯枝落葉相對(duì)增加,影響土壤養(yǎng)分,從而有利于土壤結(jié)構(gòu)的改善[10-11];對(duì)中齡林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指數(shù)是角尺度跟林層指數(shù),這可能是因?yàn)榱址钟糸],樹(shù)冠層較茂密,林分進(jìn)行間伐補(bǔ)植后,一方面林木分布均勻化,影響枯落物及光斑分布,導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)出現(xiàn)差異,另一方面大大增加了林層指數(shù),充分利用了林分的垂直空間,使林木垂直方向上樹(shù)冠重疊交錯(cuò),林地內(nèi)易形成較多的枯枝落葉,增加土壤的有機(jī)質(zhì),同時(shí)影響林下光照、溫度及濕度,土壤微生物活動(dòng)更劇烈[12];對(duì)近熟林土壤水源涵養(yǎng)功能影響較大的空間結(jié)構(gòu)指數(shù)是全混交度跟角尺度,這可能是因?yàn)榱址纸?jīng)過(guò)補(bǔ)植紅豆杉后,林分的枯枝落葉含量增加,有利于土壤養(yǎng)分積累,進(jìn)一步改善土壤結(jié)構(gòu);與樊丙玉[5]的研究結(jié)果相似。在實(shí)際經(jīng)營(yíng)中,為提高土壤水源涵養(yǎng)功能,應(yīng)隨著林木的生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)整不同的林分空間結(jié)構(gòu)因子。

    本研究在探索杉木林不同齡組空間結(jié)構(gòu)與土壤水源涵養(yǎng)功能的關(guān)系時(shí),由于研究樣本數(shù)量有限,以后可擴(kuò)大樣本數(shù)量,建立土壤水源涵養(yǎng)功能與林分空間結(jié)構(gòu)因子之間的關(guān)系模型,為進(jìn)一步探明林分空間結(jié)構(gòu)影響土壤水源涵養(yǎng)功能的機(jī)理提供科學(xué)的依據(jù)。

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