摘要:有效的排土场植被重建会有利于矿区及周边生态功能的恢复,不同措施植被恢复效果不同。以锡林郭勒盟胜利煤田西二号露天煤矿外排土场为研究对象,于2007年开始进行修复工作,本研究对排土场恢复第13年3种不同恢复措施下的植物群落进行调查。其中,3种不同措施分别为生物笆覆盖措施(简称SW)、沙障覆盖措施(简称SZ)和人工条播措施(简称RT)。不同措施坡面同时分为坡上(PS)、坡中(PZ)、坡下(PX)和平台(PT)4个高度。结果表明:(1)覆盖措施恢复效果明显,物种多样性显著高于RT措施,其中SW措施效果较好。(2)同一措施下各高度中,PT恢复效果最好,坡度对于植物生长存在一定影响。(3)一年生草本植物芸薹(Brassica rapa var. oleifera),多年生草本植物披碱草(Elymus dahuricus),灌木植物小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、柠条锦鸡儿(C. korshinskii)对于胜利煤田矿区排土场生态环境适应性较好。
关键词:锡林郭勒盟;露天煤矿;排土场;生物笆措施;沙障措施
中图分类号:S812.5""" 文献标识码:A""""" 文章编号:1007-0435(2024)07-2214-11
doi:10.11733/j.issn.1007-0435.2024.07.022
引用格式:
赵伟璇, 王彤彤, 沈浩伟,等.锡林浩特露天煤矿排土场不同恢复措施植被群落特征分析[J].草地学报,2024,32(7):2214-2224
ZHAO Wei-xuan, WANG Tong-tong, SHEN Hao-wei,et al.Analysis of Vegetation Community Characteristics under Different Restoration Measures in Xilinhot Open-pit Coal Mine Dump[J].Acta Agrestia Sinica,2024,32(7):2214-2224
收稿日期:2023-12-27;修回日期:2024-02-01
基金项目:内蒙古典型矿区土壤和植被修复重建及保护关键技术研究(2020ZD0020-3)资助
作者简介:
赵伟璇(1998-),男,汉族,内蒙古包头人,硕士研究生,主要从事矿区排土场生态修复研究,E-mail:zwx980804@163.com;*通信作者Author for correspondence,E-mail:wangmj_0540@163.com
Analysis of Vegetation Community Characteristics under Different Restoration
Measures in Xilinhot Open-pit Coal Mine Dump
ZHAO Wei-xuan, WANG Tong-tong, SHEN Hao-wei, LI Yue, GAO Tian, WANG Ming-jiu*
(College of Grassland and Resources and Environment/Key Laboratory of Grassland Resources of Ministry of Education,
Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot, Inner Mongolia 010018,China)
Abstract:Effective vegetation restoration in the soil stacking area will contribute to the restoration of ecological functions in the mining area and its surrounding areas. Different restoration measures have different effects on vegetation restoration. Different restoration measures provide different environments for vegetation restoration,resulting in differences in vegetation community succession. Taking the soil stacking area of the West No. 2 open-pit coal mine in Shengli Coalfield,Xilinguole League as the research object,restoration work was conducted in 2007. This study investigated the plant communities under three different restoration measures in the 13th year of restoration. The three different restoration measures were respectively the straw coverage measure (SW),the sand barrier coverage measure (SZ),and the manual strip sowing measure (RT). The slopes under different measures were divided into four heights:upper slope (PS),middle slope (PZ),lower slope (PX),and platform (PT). The results showed that (1) the restoration effect of the coverage measures was obvious,and species diversity was significantly higher than the RT measure,with the SW measure having better effect. (2) As for the height under the same restoration measure,the PT had the best restoration effect,and slope gradient had a certain impact on plant growth. (3) The annual herb Brassica rapa var. oleifera,the perennial herb Elymus dahuricus,and the shrubs Caragana microphylla and C. korshinskii had good adaptability to the ecological environment of the soil stacking area in Shengli Coalfield.
Key words:Xilingol league;Open-pit coal mine;Soil dumping site;Biological fence measures;Sand barrier measures
锡林浩特露天煤矿是中国重要的煤炭资源开采基地之一,其煤炭产量居内蒙古自治区第二位[1]。然而,煤矿开采过程中排出的土石方大量堆放在场地上,导致环境质量恶化,威胁到周边自然生态系统和人类健康[2-4]。在锡林郭勒地区,现代化露天煤矿的大规模开采已经引发了生态系统的不稳定性问题[5],导致矿区排土场及其周边地区的草地大规模退化,植被覆盖度急剧下降,土壤养分贫瘠,保水性差[6]。这种生态破坏对于区域的可持续发展构成了重要的威胁,因此迫切需要采取措施加速排土场的生态恢复进程。
排土场的不同恢复措施对植被群落的恢复和发展具有不同的影响[7],而植被群落的恢复对于排土场生态环境的修复至关重要[8]。植被重建是进行排土场生态改善的关键环节[9],排土场的土壤通常是矿区中最早挖掘出来的,经过长期堆积会变得比较坚硬,并且本身的养分含量非常低[10]。于爽等[11]在高寒露天煤矿排土场植被恢复研究中提到矿植被恢复和群落重建是矿区生态恢复的关键环节,随着修复年限的增加,排土场生物量和群落多样性均显著增加。尤云楠等[12]同样在露天矿复垦土壤微生物固碳潜力的研究中发现,排土场植被种类越多,土壤有机质等含量均得到显著提升。而煤炭资源开采对植被生长环境的破坏,导致植被群落的破坏和生态系统的失衡[13-14]。范冰艳等[15]在矿区生态环境的修复的研究中提到,排土场土壤有效性差,植物无法进行较好的定植,生态恢复困难。因此,矿区排土场植被的恢复已经成为当前环境恢复领域中备受关注的研究热点。在这一背景下,实施合理的植被配置被认为是最为有效的手段之一[16]。通过科学规划和管理植被,可以最大程度地促进排土场生态环境的恢复,达到生态平衡的目标。杨卓等[10,17]在立地条件对露天矿排土场植被重建影响的研究中认为禾本科、豆科植物是较为理想的先锋植物,两种植物具有良好的抗逆性,能够短时间形成较为密集的根系,为灌木半灌木植物提供适宜的水热条件和土壤环境。Lesica等[18]在生态遗传学与植被恢复的研究中同样证明了合适的植被配置是进行生态恢复的重点。
本次试验以锡林浩特露天煤矿排土场为调查对象,在前人[19]的研究的基础上,继续开展不同坡向植被重建及恢复的调查,主要探究不同恢复措施下植被群落特征,拟回答以下问题:(1)经多年恢复后,不同措施下植被群落是否存在差异?(2)覆盖措施是否在植被群落演变过程中起到作用?(3)同一措施不同高度恢复效果是否存在差异?本研究旨在通过不同措施下植被群落的特征,为煤炭资源开采后的场地恢复提供参考依据,为植被群落的恢复和保护提供参考和建议。
1" 材料与方法
1.1" 研究区概况
试验区位于内蒙古自治区锡林浩特市胜利煤田西二号露天煤矿排土场,43°57′N~44°00′N,115°54′E~115°58′E。属于温带半干旱大陆性季风气候,夏季温热少雨,冬季寒冷多雪,冻结期较长[20]。矿区年平均气温1.7℃,最热为7月,月平均气温为20.8℃,最冷为1月,月平均气温为19.8℃,年平均降水量为287.2 mm,年蒸发量1 759 mm,降水主要集中在6—8月份[21],属于典型草原区[22]。
1.2" 研究方法
1.2.1" 试验设计及试验区的选取" 试验区选取南排土场,坡长28~30 m,坡度30°。于2007年采用3种措施进行修复,措施实施前该坡面为未进行人工干预的裸露坡面。每种措施试验小区重复3次,共9个试验小区,每个小区宽约15 m,3种恢复措施小区随机分布,由西向东约150 m;每个试验小区分为坡上(PS)、坡中(PZ)、坡下(PX)、平台(PT)4个高度,每个高度小区面积约为150 m2(10 m×15 m),各高度设置3个样点。样地建立后均进行自然状态下恢复,不采取人工干预措施。同时选取矿区周边未被破坏的草场作为背景对照参考。
采用的3种不同措施分别为:生物笆覆盖措施(简称SW):生物笆是由柠条、沙棘、沙柳等植物的枝茎作为生物材料编织成20 cm×20 cm的网格状篱笆,每一片生物笆规格为5 m×5 m,平铺到排土场边坡上,由桩固定;沙障覆盖措施(简称SZ):沙障是由沙柳枝条插入土壤,入土深度20 cm,以菱形形状垂直插入排土场边坡;人工条播措施(简称RT):仅将混合好的种子人工条播,行距50 cm。
在进行植被重建前,对排土场进行平整处理[23],根据黑岱沟、安太堡等大型露天煤矿修复经验,采用灌草结合的配置方式,选取耐旱耐贫瘠植物,根据播种总量及播种面积,按面积折算,把多年生草本,一、二年生草本和灌木半灌木种子按5∶2∶3的比例混合,进行人工条播种植,播量为20 kg·m-2,覆土1~2 cm(表1)。
1.2.2" 研究内容与方法" 本研究在2020年8月对人工植被重建后自然演替13年后的排土场继续进行植被群落特征的研究,于8月中旬进行取样。对每个小区采用样方法进行调查,样方大小为1 m×1 m,在小区内进行随机取样,每个小区设置3个样点。主要调查内容为乔灌草的物种名、植物的自然高度、密度、分盖度、样方总盖度以及乔灌草的干重、鲜重。本试验中,人工种植植物种归为本土人工种植植物,未在排土场区域种植的物种均归为外来入侵植物。
1.3" 数据处理及计算
1.3.1" 重要值计算" 重要值用以下公式进行计算:
重要值=相对多度+相对频度+相对高度+相对盖度4
其中:
相对多度=某一种的个体数样方内所有种的个体数之和×100%
相对频度=某物种出现的样方数样方总数×100%
相对盖度=某一种的盖度之和样方内总的盖度之和×100%
相对高度=某一种的平均高度样方内所有种的平均高度×100%
1.3.2" 物种多样性的计算" 物种多样性中α多样性代表一个群落或一种条件下种的多样性[24],研究选取α多样性进行分析。α指数可分为物种丰富度指数(Species richness index)、物种均匀度指数(species evenness index)、物种相对多度分布(Species abundance distribution)[25-26]。本试验所测指标为Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和Simpson多样性指数。
Margalef丰富度指数(DMG):
D=S-1/lnN
Shannon-Wiener多样性指数(H):
H=-∑si=1Pi×lnPi
Pielou均匀度指数(E):
E=H/lnS
Simpson优势度指数(C):
C=∑Si=1Ni(Ni-1)/NN-1
式中,Pi为频度,Pi=Ni/N,S为类群数目,Ni为第i个类群的个体数,N是所有类群的总个体数,i为个体数,i=1,2,3…m。
1.3.3" 统计方法" 植物群落组成、优势度统计分析利用Excel 2016和R 4.2.0完成;不同坡向植物群落地上生物量和群落多样性显著性分析采用单因素方差分析。
2" 结果与分析
2.1" 植物群落特征分析
2.1.1" 不同措施植被组成分析" 3种不同措施下的排土场坡面经植被自然演替13年后,共出现46种植物,分属14科36属。其中,禾本科植被种类最多共有12种,豆科植物有11种,菊科植物有7种,藜科植物有4种,唇形科植物有2种,十字花科植物有2种;蓼科植物、麻黄科植物、马齿苋科植物、牻牛儿苗科植物、苋科植物、旋花科植物、榆科植物、鸢尾科植物较少,均仅有1种。其中以SW措施效果最好,植被组成最丰富,共38种。SZ措施和人工条播措施植被种类较少,共29种。
2.1.2" 不同措施群落生活型分析" 3种不同措施植被生活型组成一致,均以草本植物为主,其中以多年生草本为主,乔木所占比例较小。3种不同措施中,SW措施多年生草本植物数量所占比例较大,SZ措施灌木半灌木数量所占比例较大,而RT措施一、二年生草本所占比例较大。其中,仅有SW措施中出现乔木,其他两个措施中均未出现。
2.1.3" 不同植被来源群落生活型分析" 不同植被来源群落生活型分析结果显示,本土人工种植植物主要以多年生草本植物占主导地位,约占总体的50.00%。入侵植物主要以一、二年生草本植物为主,约占总体的51.52%(表2)。
2.1.4" 矿区周边植被组成及生活型分析" 矿区周边植物种类共35种,同比往年降低。矿区周边未破坏草场植被组成分属12科29属。其中,禾本科植物和豆科植物最多,各有7种,藜科植物有6种,百合科植物有5种,菊科植物有3种;车前科植物、麻黄科植物、蔷薇科植物、莎草科植物、旋花科植物、鸢尾科植物、芸香科植物较少,仅有1种。
2.2" 植物重要值分析
2.2.1" 不同措施植物重要值分析" 3种不同措施中,不同措施下植物重要值不同。其中SZ措施各类植物重要值所占比重最低。SZ措施中一、二年生草本植物所占比例较大,多年生草本植物所占比例较小,豆科植物小叶锦鸡儿所占比例较大。RT措施中以禾本科植物、菊科植物、豆科植物以及十字花科植物占主要地位,分别占总重要值的13.03%,15.04%和21.22%。SW措施中禾本科植物、豆科植物和十字花科植物占主要地位,分别占重要值的14.61%,12.34%和 23.23%。其中以禾本科植物披碱草以及豆科植物黄花苜蓿等多年生草本植物、灌木半灌木所占比例较大,狗尾草等一、二年生先锋植物所占比例逐渐减少。
2.2.2" 不同植被来源植物重要值分析" 其中本土人工种植一、二年生草本植物仅有芸薹出现逐年更替的现象,一、二年生侵入植物以苋菜、狗尾草、猪毛菜等杂草占主要地位。本土人工种植多年生植物以披碱草、黄花苜蓿占主要地位,多年生侵入植物以羊草占主要地位。本土人工种植灌木半灌木植物主要以小叶锦鸡儿、柠条锦鸡儿占主要地位(表3,表4)。
2.3" 植物群落生物量分析
2.3.1" 不同措施植物群落生物量分析
如图2所示,不同措施之间,SW措施下的PZ高度显著高于其他两种措施(Plt;0.05)。相同措施中,SW措施下PX高度群落生物量最大,4个不同高度地上生物量不存在显著性差异;RT措施下PX高度群落地上生物量最大,PZ高度下地上生物量显著低于PX和PT(Plt;0.05);SZ措施下PS水平地上生物量最大,显著高于PZ和PT(Plt;0.05)。
2.3.2" 不同植被来源群落生物量分析" 如图3所示,3种不同措施之间,不同来源植被地上生物量均存在显著性差异(Plt;0.05),SW措施显著高于其他两个恢复措施;SW措施外来入侵植物地上生物量同样显著高于其他两种措施(Plt;0.05)。同一措施中,本土入侵植物地上生物量显著高于外来入侵植物(Plt;0.05)。
2.4" 植物群落多样性分析
2.4.1" 不同措施下各高度植物群落多样性" 如图4所示,不同措施之间,RT措施各高度下的植物群落多样性均不如其他两种覆盖措施;SW措施下PZ高度恢复较差,物种多样性显著低于SZ措施(Plt;0.05)。同一措施中,SW措施中的PT高度物种丰富度最高,植物分布较为均匀,较其他3个水平恢复效果好;其Shannon指数与Margalef指数显著高于PZ(Plt;0.05),说明PT高度物种丰富度较高。SZ措施中,PZ高度Pielou指数显著高于PT高度(Plt;0.05),而Margalef指数显著低于PT高度(Plt;0.05),说明PT高度物种丰富度显著高于PZ。由各项指标可以看出,RT措施PS高度下植物丰富度较高,植物分布比较均匀,PX高度优势植物生态功能突出,物种丰富度显著高于PZ高度(Plt;0.05),物种数为4个不同高度中最多。
2.4.2" 不同植被来源植物群落多样性" 如图5所示,不同措施之间,SW措施本土人工种植植物物种多样性显著低于其他两种措施(Plt;0.05),外来入侵植物物种多样性较其他两种措施好。同一措施中,SW措施外来入侵植物的物种多样性指数显著高于本土人工种植植物(Plt;0.05),外来入侵植物群落物种较为丰富,个体密度较大,分布较为均匀;本土人工种植植物优势种生态功能突出,分布较为集中。SZ措施和RT措施下,物种多样性指数均不存在显著性差异;本土人工种植植物和入侵植物分布较为均匀,优势植物生态功能不突出。
2.4.3" 矿区周边植物群落多样性" 矿区周边草场植物群落物种多样性指数均优于矿区排土场不同措施。说明矿区周边草场物种丰富度较高,植物分布比较均匀,物种密度较大,物种多样性高。
2.5" 不同措施各高度植物群落物种数与地上生物量关系
PS高度中,SZ措施与RT措施地上生物量对于植物群落内物种数的响应趋势均呈显著负线性关系(Plt;0.05,图6a);在PZ水平和PX水平下,各措施物种数与地上生物量呈无显著关系,但逐渐由负线性相关转向正线性相关(图6b,图6c);而在PT高度中,物种数与地上生物量呈正线性关系(Plt;0.05,图6d),其中SZ措施呈极显著正线性关系(Plt;0.01),说明在PT高度下,群落内地上生物量随着物种数增加而增大(图6)。
3" 讨论
不同措施下的各物种的群落结构特征以及群落物种多样性均有很大改观,说明随着恢复年限的增加,排土场的生态环境以及植被群落均得到了较好的恢复,排土场生态环境恢复到原始状态只是时间问题[27]。但目前大多数煤矿排土场的恢复措施主要集中在植被恢复上,缺乏对其他生态环境因素的重视,导致生态系统的多样性受到了限制[28]。对于矿区生态修复应当通过多样化的恢复措施,包括植被恢复、土壤修复、水体恢复等方面的综合措施,提高生态系统的多样性,以实现对生态环境的全面修复。
3.1" 植被群落组成
以3种不同恢复措施进行恢复的排土场坡面经过13年的自然恢复,共出现79种植物,分属22科58属。其中,SW措施中出现38种植物,SZ措施中出现29种植物,RT措施中出现29种植物。SW措施植物种数量明显比其他两种恢复措施多,主要是由于生物笆自身由柳条编织成,既有助于土壤有机质的增加,又有利于土壤水分的保持,为植被生长提供了更为良好的生长条件[29]。不同措施植物群落组成均以禾本科、豆科、菊科植物为主,小叶锦鸡儿、柠条锦鸡儿等灌木半灌木植物相比2018年有所增加,与李晴[30]对霍林河露天矿区植被类型分析得出的结论相似,说明植物演替朝着正向进行。在本研究中,植物种类较齐雪等[19]在2018年对排土场植物群落的研究中显著增加,先锋植物数量逐渐减少,与其得到的排土场植被恢复需要较长时间,人工措施可以缩短这个时间的结论相符。同时,在研究中发现,排土场各个措施均出现大量的十字花科植物芸薹。芸薹作为一年生草本植物,对于温度的要求比较敏感[31],且适合生长在疏松的土壤中,芸薹的大量出现说明经过多年的自然恢复,土壤条件得到了较好的改善,芸薹自身能够很好的进行逐年繁殖。因此选择合适的植被配置以及合理的人工恢复措施可以有效的改善原有的土壤条件[32],为植被演替提供良好的基础[33]。
试验中SW措施和SZ措施植物生活型组成均以多年生草本植物为主,多年生草本植物逐渐取代一、二年生草本植物的位置,特殊的水热条件使得灌木半灌木数量也逐渐增多,乔木较少,能够稳定生长的物种较多。与许木桑等[34]基于高光谱遥感的排土场植被覆盖与植物多样性分析的研究中植物生活型以多年生草本植物为主的结论相类似。植被在恢复过程中不断适应土壤环境,在此过程中植物群落会不停更替[35],多年生草本植物大量且稳定的定植,说明经覆盖措施干预后,加快了排土场群落正向演替,覆盖措施更有利于植被的定植与稳定生长,表明经人工覆盖措施干预的排土场坡面植物群落越来越趋向于稳定,其生态环境更适合物种的长期生存[36]。覆盖措施中多年生草本植物比例的增加,主要是因为其自身的特性,能够为植被定植提供良好的生长条件。RT措施一、二年生草本植物所占比例较其他两种覆盖措施更大,灌木半灌木所占比例较小,但RT措施同样以多年生草本植物占主导地位。表明RT措施植物群落演替向正向进行,但演替相对较为缓慢。
3.2" 植物群落生物量
根据不同措施各高度下植物群落生物量的分析,SW措施中植物群落地上生物量明显高于其他两种措施,其中PT高度的地上生物量最高,主要是由于该高度下植物生长环境较为稳定,相对于其他高度不容易出现水土流失等问题,水分保存较为完好,植株较为高大。SZ措施和RT措施下,PZ高度的地上生物量显著低于其他高度(P<0.05),可能是由于坡面水土流失较为严重,植物根系所能吸收的养分有限。SW措施与SZ措施恢复效果比RT措施更好,能够促进地上生物量的增加,有利于为群落演替积累良好的水热条件[37]。覆盖措施中出现植株较为高大的灌木及半灌木,说明覆盖措施更有利于灌木半灌木的生长,其土壤环境更适宜植物扎根。
3种措施中,本土人工种植植物地上生物量均大于外来入侵植物,主要由于人工种植植物的优势种为小叶锦鸡儿、柠条锦鸡儿等灌木、半灌木,植株比较高大,故群落生物量较大。灌木、半灌木植物根系较为发达[38],对于坡面的适应性更好,能够更好的适应矿区排土场的环境。矿区周边主要以多年生草本植物为主,灌木半灌木较少,因此生物量较低。
3.3" 植物群落生物多样性
对于植物群落生物多样性的分析,措施不同,物种多样性也不同[39]。不同措施之间,SW覆盖措施物种多样性显著优于RT措施,覆盖措施在一定程度上改善了植被生长环境,更利于植被的定植和生长,与刘祥宏等[40]研究结果一致。同一措施下对比结果显示,不同措施中均以PZ高度的植物群落多样性最差,PS高度同样优于PZ水平,可能是PS水平更接近顶部平面,土壤较为夯实,水分不易散失;而PZ水平下水土流失较为严重,土壤矿物质等营养成分流失,但对于小叶锦鸡儿等根系较为发达的灌木植物影响较小[41],所以造成坡面物种丰富度较小,而平台物种丰富度较大的现象。
在不同植被来源物种多样性的研究中,SW措施下外来入侵植物群落植物多样性较大,物种较为丰富,但分布不均匀,出现少部分成群生长的现象,外来入侵植物以一、二年生杂草占主要地位,这些植物对于环境的适应性较好,由柳条编织的生物笆措施不仅能够较好的保持水分,促进植物生长,同时为植物提供了较为良好的生存条件,有利于外来入侵物种的定植,因此SW措施下物种丰富度较高。SZ措施和RT措施下入侵植物与本土人工种植植物分布较为均匀;RT措施总体上物种多样性不如覆盖措施。表明覆盖措施对于植被群落的演替效果更为明显,其中SW措施效果较SZ措施好。
3.4" 不同恢复措施植被物种数与地上生物量关系
物种多样性是一个生态系统最基本的特征,而生物量是衡量生产力的基本指标[42-43],陈彭祯霓等[44]在川西贡嘎山海螺沟冰川退缩区对植被物种多样性和地上生物量的研究中提出,不同演替阶段物种组成差异大,群落生物量与物种多样性之间存在正线性相关。本研究中,不同措施下PT高度内物种数与地上生物量呈正线性相关,与牛钰杰等[45]研究结论一致。坡面植物群落丰富度较低,植被较为单一,随着坡面的下降,物种数与地上生物量之间的线性关系逐步向正相关转变。坡面植物生境及演替阶段的不同,对于物种多样性的影响较为明显,PT高度群落演替较快,因此PT高度下物种数与地上生物量之间呈现正线性关系,与陈彭祯霓等[44]得出结论一致。
4" 结论
人工覆盖恢复措施下经多年修复后的露天煤矿排土场坡面植物群落多样性均有一定程度的变化,其中生物笆措施下植物演替度较高,植被盖度较大,恢复效果较好,沙障措施次之,但排土场整体植被群落仍处于演替初级阶段。生物笆措施为植被的生长和发育提供了良好的生长环境,有利于植被的定植。不同措施中坡度不同对植物生长存在一定的影响,平台中物种数与地上生物量呈正线性相关,最有利于植被的定植。在胜利煤田排土场地区,一年生草本植物芸薹,多年生草本植物披碱草,灌木植物小叶锦鸡儿、柠条锦鸡儿对于矿区排土场生态环境适应性较好,能够更快的定植。
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(责任编辑" 刘婷婷)