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  • ISSN 1007-6336
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天津市近海海域人工鱼礁选址适宜性评价

许妍 鲍晨光 梁斌 兰冬东 朱容娟 于春艳 马明辉

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天津市近海海域人工鱼礁选址适宜性评价

    作者简介: 许妍(1981-), 女, 辽宁营口人, 博士, 助研, 主要从事海洋生态环境评价、风险评估与生态区划研究, E-mail:yxu@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 马明辉(1962-), 研究员, E-mail:mhma@nmemc.org.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金(41301079);国家海洋局青年海洋科学基金(2013125);天津科技兴海项目(KJXH2013-17)
  • 中图分类号: X37

Suitability evaluation of artificial reefs site selection in Tianjin offshore waters area

  • 摘要: 鱼礁选址是人工鱼礁建设首要考虑的重要环节,科学评价分析是确保人工鱼礁建设成功的前提。本文依据影响鱼礁选址的主要因素,从海洋功能区划、海洋物理化学环境、海洋生物资源环境三方面选取了海洋功能区、水深、流速、水质、底质类型、生物资源、重要渔业水域等7项指标,运用ArcGIS技术手段,对天津市近海海域人工鱼礁投放的适宜性进行了评价,得出最适宜、较适宜及一般适宜人工鱼礁布设区域的空间分布,这三类区域所占面积分别为8.61 km2、29.78 km2和38.02 km2,其中,最适宜鱼礁投放的区域位于汉沽区营城镇蔡家堡村至大神堂村以南水深4~5 m的海域,与天津市目前已开展的人工鱼礁投礁区域相距较近;较适宜开展鱼礁投放的区域主要分布在太平镇沙井子乡以东水深9~10 m的海域及最适宜区的外围区域。实证研究结果可为天津市人工鱼礁建设提供技术支撑和参考依据,同时也为我国人工鱼礁建设适宜性评价提供借鉴。
  • 图 1  研究区域

    Figure 1.  Study region

    图 2  海洋功能区划的适宜性分析

    Figure 2.  Suitability analysis of marine functional zoning

    图 3  天津市人工鱼礁选址的物理化学环境单项因子适宜性评价

    Figure 3.  The single factor suitability evaluation of artificial reefs site selection

    图 4  物理化学环境适宜性评价结果

    Figure 4.  The suitability evaluation results of physical and chemical environment factors

    图 5  物理化学环境适宜区

    Figure 5.  Most suitable region of physical and chemical environment factors

    图 6  生物资源综合分布情况

    Figure 6.  Comprehensive distribution of biological resources

    图 7  重要渔业水域

    Figure 7.  The important fishing areas

    图 8  天津市人工鱼礁投放适宜性评价结果

    Figure 8.  Suitability evaluation result of artificial reefs site in Tianjin

    表 1  天津市近海海域鱼礁布设指标体系及等级划分

    Table 1.  The indicator system and hierarchies of artificial reefs site

    要素 指标 分级 赋值
    海洋功能区划 海洋保护区、农渔业区、旅游休闲娱乐区 适合鱼礁投放 3
    保留区 一般 2
    港口航运区、工业与城镇用海区 不适合鱼礁投放 1
    海洋物理化学环境 水深/m -4~-10 3
    -10~-16 2
    0~-4 1
    流速/m·s-1 0.3~0.8 3
    0.1~0.3 2
    < 0.1或>0.8 1
    底质类型 黏土质粉砂(YT) 3
    粉砂质黏土(TY) 2
    水质 二、三类水质 3
    四类水质 2
    劣四类水质 1
    海洋生物资源环境 生物资源 丰富 3
    较丰富 2
    重要渔业水域 一般 1
    重要鱼类、虾类等的产卵场、索饵场、洄游通道 3
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    表 2  天津市鱼礁布设适宜区域情况

    Table 2.  The latitude and longitude of the suitable region

    布设区域 纬度 经度 面积/km2
    适宜区域 117°54′5″ 39°2′56″ 8.61
    117°55′3″ 39°4′55″
    117°57′11″ 39°5′14″
    117°55′51″ 39°3′33″
    117°56′54″ 38°38′36″
    较适宜区域 区域1 117°59′51″ 38°40′55″ 22.22
    118°0′12″ 38°40′4″
    117°56′54″ 38°38′35″
    117°54′49″ 39°2′11″
    区域2 117°56′43″ 39°3′32″ 7.56
    117°57′11″ 39°4′43″
    一般适宜区域 117°58′53″ 39°5′34″ 38.02
    118°0′19″ 39°5′52″
    117°59′26″ 39°1′1″
    117°57′11″ 39°4′43″
    117°58′53″ 39°5′34″
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-08-26
  • 录用日期:  2015-11-16
  • 刊出日期:  2016-12-20

天津市近海海域人工鱼礁选址适宜性评价

    作者简介:许妍(1981-), 女, 辽宁营口人, 博士, 助研, 主要从事海洋生态环境评价、风险评估与生态区划研究, E-mail:yxu@nmemc.org.cn
    通讯作者: 马明辉(1962-), 研究员, E-mail:mhma@nmemc.org.cn
  • 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金(41301079);国家海洋局青年海洋科学基金(2013125);天津科技兴海项目(KJXH2013-17)

摘要: 鱼礁选址是人工鱼礁建设首要考虑的重要环节,科学评价分析是确保人工鱼礁建设成功的前提。本文依据影响鱼礁选址的主要因素,从海洋功能区划、海洋物理化学环境、海洋生物资源环境三方面选取了海洋功能区、水深、流速、水质、底质类型、生物资源、重要渔业水域等7项指标,运用ArcGIS技术手段,对天津市近海海域人工鱼礁投放的适宜性进行了评价,得出最适宜、较适宜及一般适宜人工鱼礁布设区域的空间分布,这三类区域所占面积分别为8.61 km2、29.78 km2和38.02 km2,其中,最适宜鱼礁投放的区域位于汉沽区营城镇蔡家堡村至大神堂村以南水深4~5 m的海域,与天津市目前已开展的人工鱼礁投礁区域相距较近;较适宜开展鱼礁投放的区域主要分布在太平镇沙井子乡以东水深9~10 m的海域及最适宜区的外围区域。实证研究结果可为天津市人工鱼礁建设提供技术支撑和参考依据,同时也为我国人工鱼礁建设适宜性评价提供借鉴。

English Abstract

  • 当前,我国海洋渔业资源面临捕捞强度过大、渔业资源严重衰退、海洋生物栖息地退化和丧失、海洋生物种群和物种数量减少等诸多问题。为扭转渔业资源衰退趋势,保护海洋生态环境,近年来国家有关部门采取了众多措施,其中人工鱼礁建设是已被证实的改善海域生态环境、修复渔业资源的有效途径,是农牧化渔业中优化生态环境的主要手段之一[1]。人工鱼礁建设的成败除与礁体结构、规模有关外,与投礁地点的选择是否适当也密切相关。因此,鱼礁选址是人工鱼礁建设首先需要考虑的重要环节,科学的开展选址工作,是确保人工鱼礁建设成功有效的前提。美国、苏格兰等发达国家已经开展了大量人工鱼礁选址研究。苏格兰的“海鳗湾”人工鱼礁建设,通过咨询专家,并结合海区实际的水深、流速等海况要素进行选址[2];美国NOAA在《国家人工鱼礁规划》中对人工鱼礁布设的影响因素给出了全面系统的表述[3];Robert Wright、PLA Erftemijer、Thomas M.Ash等学者也通过选取相关指标,运用GIS技术,在英国马里湾、福罗里达州等区域开展了人工鱼礁选址的实证研究[4-6]。自上世纪70年代起,我国也陆续在海洲湾、大亚湾、嵊泗列岛、秦皇岛等地开展了人工鱼礁的投放,取得了一定成效。目前,人工鱼礁研究多偏重于鱼礁构建后所产生的生态效应和经济效益,而人工鱼礁建设之前的选址研究尚显薄弱,且理论研究居多,分析手段、评价方法尚处于探索阶段,缺乏典型区域的实证研究[7-14]。天津作为渤海湾经济圈经济发展的核心区域,大规模海洋海岸工程破坏了海洋生物的栖息环境,海洋生态修复工作迫在眉睫。本文以天津市海域为典型案例,开展人工鱼礁选址适宜性评价,以期科学选址,为人工鱼礁投放提供理论依据和技术支持,确保人工鱼礁建设取得预期效果,达到增殖和优化天津市渔业资源、修复和改善海洋生态环境的目的。

    • 天津近岸海域位于渤海的西部(图 1),管辖海域面积约为3000 km2,其滩涂面积约370 km2,海岸线长约153 km[15]。海域的年均水温较为稳定,海水盐度较高,多年平均盐度为28.4。天津邻近的渤海湾海域曾是重要的海洋经济水产物种的繁育区。近年来,受海洋环境污染、过度捕捞以及城镇化向海扩张等影响,天津市渔业资源种群再生能力急剧下降,鲈鱼、对虾、梭子蟹等主要经济渔业资源大幅度减少,鱼卵、仔稚鱼的种类数及其密度明显下降,品质结构和群体结构呈现小型化、低龄化,渔业资源量减少明显,优质鱼类资源的更新能力亟待修复。

      图  1  研究区域

      Figure 1.  Study region

    • 人工鱼礁选址涉及海洋物理环境、化学环境和生物环境等多种因素。因此,在进行选址时既要确保全面,又要根据实际情况具体分析研究区域影响人工鱼礁选址的主要因素,使指标体系更简洁、更有效。文章结合已有研究[8-9, 16],从人工鱼礁的基本特征和建设内容出发,结合天津市海洋功能区定位,从海洋物理化学环境、海洋生物资源环境等方面进行分析,并建立指标体系,开展天津市人工鱼礁选址的适宜性评价。

      (1)海洋功能区划

      人工鱼礁建设首先应考虑鱼礁选址是否与拟投放海域的海洋功能区划相符合。在功能定位为人工鱼礁区的海域投放鱼礁是最合理、适宜的,但考虑到海洋功能区划的兼容性,在少数其他功能区域也可以投放人工鱼礁,如农渔业区、旅游休闲娱乐区、海洋保护区。对于一些排他性强的功能区域,如航道功能区、军事用地,在人工鱼礁投放时,要注意与其有足够距离,避免由于礁体的移动或投放时定位精度欠佳而妨碍海域的其他功能[9]

      (2)水深

      人工鱼礁投放的海水深度对人工鱼礁的集鱼效果和渔业资源的增殖效果影响也较大。大多数海洋生物的光合作用和呼吸作用都受控于温度和光照,而温度和光照又受到水深的影响。但目前适宜人工鱼礁投放的水深尚未有统一标准,Fast和Pagen认为人工鱼礁投放深度最好不要超过20 m[17];Nakamura认为10~100 m的水深皆可投放人工鱼礁[18];邵广昭指出适合投礁的水深约为20~30 m[19]。根据已有汉沽大神堂人工鱼礁区的运行情况和天津市水深特征判断天津市人工鱼礁较适宜建在4~16 m水深的海域中。

      (3)流速

      流速影响人工鱼礁的增殖效果和稳定性。流速过大,水循环导致的洗掘现象可能会使礁体与底土层脱离,发生移位或者翻滚,影响周围其他项目用海,同时也减少或停止给礁体生物提供食物,使幼虫的生长条件恶化[20];流速过小,水循环会导致较大的沉积,可能造成人工鱼礁被掩盖,引起固着性海底生物窒息和磨损。因此,鱼礁不宜投放在流速过大或过小的海域,投放海域的流速一般以不超过0.8 m/s为宜[8]

      (4)底质类型

      礁区的底质情况将影响礁体的整体稳定性和使用寿命。有浅层细砂覆盖的坚硬岩石质海床是建造人工鱼礁的理想场所。应避免在粘土、淤泥质和散沙上建造人工鱼礁,以防礁体下沉或因泥沙淤积掩埋着生在礁体上的生物,阻碍光线的到达,影响鱼礁功能的正常发挥[7, 9]

      (5)水质环境

      礁区水质对于生物的生长和繁殖有重要影响。水环境质量直接影响浮游藻类的原初生产力和各级饵料生物的产量,进而影响鱼类的生产量。水体透明度不仅直接影响水中浮游植物的光合作用,也可大致反映水体溶氧量的补充数量、浮游生物数量和水质肥度[9]。因此,选取无机氮、活性磷酸盐、化学需氧量、石油类等作为水质环境指标,进行水质评价分析其是否满足人工鱼礁建设的要求。

      (6)生物资源

      人工鱼礁的投放场地应是海洋生物总量大,且生物群体分布密集的海域,尤其是叶绿素a含量较高和初级生产力发达的海域,以此符合生物链的规律[21]。另外,人工鱼礁的建造位置要看有无对象鱼种在该地生息,或者是否是鱼类洄游通道,并依据海区生物资源状况确定人工鱼礁建设目的和结构类型。

    • 研究区海洋功能区划数据来源于全国海洋功能区划;海洋水深数据来自中国科学院地理空间数据云网站提供的SRTM DEM数据,分辨率为90 m;海底底质类型数据来自中国东部海域海底沉积物成因环境图[22];海水水质数据来源于国家海洋局趋势性水质监测数据评价结果;海洋生物数据依据230个监测站位实际监测数据,运用IDW空间插值法获得;平均流速数据则基于天津海域实际海流监测结果进行数值模拟获取。

    • 目前,针对鱼礁选址适宜性评价尚无统一、明确的标准。本研究参考相关研究成果[8-9, 18, 21],在分析天津市近海海域生态环境特征的基础上,依据各项指标对鱼礁布设的适宜性程度和限制性强度进行等级划分,并赋予相应的数值,用于分析各评估指标在鱼礁投放适宜性上的相对空间差异,赋值越高代表越适宜人工鱼礁建设。不同指标分级标准详见表 1

      要素 指标 分级 赋值
      海洋功能区划 海洋保护区、农渔业区、旅游休闲娱乐区 适合鱼礁投放 3
      保留区 一般 2
      港口航运区、工业与城镇用海区 不适合鱼礁投放 1
      海洋物理化学环境 水深/m -4~-10 3
      -10~-16 2
      0~-4 1
      流速/m·s-1 0.3~0.8 3
      0.1~0.3 2
      < 0.1或>0.8 1
      底质类型 黏土质粉砂(YT) 3
      粉砂质黏土(TY) 2
      水质 二、三类水质 3
      四类水质 2
      劣四类水质 1
      海洋生物资源环境 生物资源 丰富 3
      较丰富 2
      重要渔业水域 一般 1
      重要鱼类、虾类等的产卵场、索饵场、洄游通道 3

      表 1  天津市近海海域鱼礁布设指标体系及等级划分

      Table 1.  The indicator system and hierarchies of artificial reefs site

    • 首先,根据等级划分标准对各项指标进行单因子适宜性评价,并采用逐级分层归并方法,将海洋物理化学环境类指标进行加权求和,计算得到人工鱼礁布设的物理化学环境适宜性指数,公式如下:

      式中:S为人工鱼礁布设的物理化学环境适宜性指数;Yi为各单项指标值;wi为第i个指标的权重;i为指标数。

      参考已有研究[10],明确海洋物理化学环境指标的重要程度由高到低分别为水深、底质类型、水质、流速,运用AHP法确定其权重分别为0.35、0.3、0.2、0.15。

      其次,依据生物资源对人工鱼礁布设的影响,选取底栖生物密度、浮游动物(Ⅰ、Ⅱ型)生物量及叶绿素a浓度、重要渔业水域等生物生态指标,经标准化处理后进行等权叠加,得到海洋生物资源丰富度指数,并运用ArcGIS中的自然断点法(Natural breaks)将其划分为高、中、低3个等级,用以识别生物资源较为丰富的区域,并与前述物理化学环境适宜区进行空间叠置,最终得到天津市人工鱼礁选址适宜性的综合评价结果。

    • 按照天津市海洋功能区划的要求(图 2),大港区的南港工业区和塘沽地区的天津港、临港工业区属于港口航运区、矿产资源利用区、工程用海区,目前仍处于建设时期,海洋海岸工程较多,船舶航行安全形势严峻,不适宜进行人工鱼礁建设。海洋保护区、休闲旅游区、渔业资源利用和养护区等适宜鱼礁布设的区域主要集中在滨海新区北部的汉沽区,该区域拥有重要生态价值的纯天然泥质牡蛎礁群,是青蛤、多毛类资源及贝类资源恢复增殖区,浅海生物资源丰富,生态环境质量良好,因此,适宜开展人工鱼礁投放。此外,天津东南部农渔业区和大港滨海湿地海洋特别保护区也较适宜人工鱼礁的投放。

      图  2  海洋功能区划的适宜性分析

      Figure 2.  Suitability analysis of marine functional zoning

    • (1)水深和流速

      天津近岸海域水深在0~16 m之间,入海河流众多,在夏季丰水期,入海径流泄洪带来大量泥沙和污染物,河口地区的表层沉积物增加,水环境质量下降。此外,天津浅海区不断增加的海洋海岸工程扰动海底,水体悬浮物浓度增加,局部海域底泥沉积物增多,因此,浅海区不适宜开展人工鱼礁投放(图 3a)。天津近岸流速调查结果表明(图 3b),天津海区海流以潮流为主,并呈往复流运动形式,整体海区海流较缓,全年平均流速在0.002~0.55 m/s,较适宜人工鱼礁投放。

      图  3  天津市人工鱼礁选址的物理化学环境单项因子适宜性评价

      Figure 3.  The single factor suitability evaluation of artificial reefs site selection

      (2)底质类型

      天津浅海区以堆积地貌为基本特征,沉积物以粘土质粉砂、粉砂质黏土、粉砂为主。根据天津海洋底质调查资料表明,在地壳构造,河流搬运,海洋潮流和贝类生物的影响下,沉积物粒度分布从东北部向南变细,沉积物类型由砂和粉砂质砂变为砂质粉砂,再变为粘土质粉砂、粉砂质黏土(图 3c)。经测算,汉沽大神堂外海西北-东南走向的粉砂质砂的承载力在8 t/m2,具备人工鱼礁建设选址所需的硬质海底条件[23]

      (3)水质环境

      据水质评价结果表明(图 3d),2013年天津市近海海域二类、三类、四类及劣四类海水水质面积占研究区域面积比例分别为2.2%、35.8%、44.4%和19.6%,天津市整个近岸海域总体污染程度较高,以三类和四类水质为主,无一类水质区域,污染严重区域集中在汉沽近岸、天津港航道附近以及南港工业区近岸,主要污染因子为无机氮、活性磷酸盐和化学需氧量,污染形式以富营养化为主。天津大神堂牡蛎礁国家级海洋特别保护区水质相对较好。

    • 运用ArcGIS空间分析技术,从水深、底质类型、水质、流速等物理、化学环境方面进行适宜性评价(图 4),其中,适宜区域综合指数在2.8~3.0之间,较适宜区域综合指数在2.3~2.8之间,不适宜区域的综合指数在1.6~2.3之间。在符合海洋功能区划定位的基础上,从物理化学环境角度分析得出天津市近海海域最适宜人工鱼礁投放的区域(图 5),区域一集中在大神堂自然保护区的南部,位于汉沽农渔业区内,面积约为53.1 km2;区域二集中在天津市东南部农渔业区内,面积约为23.3 km2

      图  4  物理化学环境适宜性评价结果

      Figure 4.  The suitability evaluation results of physical and chemical environment factors

      图  5  物理化学环境适宜区

      Figure 5.  Most suitable region of physical and chemical environment factors

    • 为保证人工鱼礁建设后的渔业资源恢复效果,进一步从海洋生物资源及重要渔业水域等方面对天津市生物资源综合本底情况进行了分析(如图 6所示)。结果表明,生物资源环境适宜性指数在3~8之间,其中,生物资源丰富的地区适宜性指数在5~8之间,主要集中在北塘入海口、海河入海口、独流减河入海口的北侧及汉沽农渔业区、东南部农渔业区、高沙岭保留区等地,这些区域海洋生物密集、种类丰富、叶绿素含量高,可为鱼类提供丰富的食物来源。此外,从渤海对虾、底层鱼类和表层鱼类的“三场一通道”分布情况可见(图 7),天津市中部和外部海域是对虾、表层鱼类的产卵场和索珥场,从生物资源环境角度看,这些区域较适宜投放人工鱼礁。

      图  6  生物资源综合分布情况

      Figure 6.  Comprehensive distribution of biological resources

      图  7  重要渔业水域

      Figure 7.  The important fishing areas

    • 在物理环境适宜性评价结果基础上,结合天津近海海域生物资源的分布情况,最终识别出最适合人工鱼礁布设的区域及较适宜和一般适宜的区域(如图 8所示),所占面积分别为8.61 km2、29.78 km2、38.02 km2

      图  8  天津市人工鱼礁投放适宜性评价结果

      Figure 8.  Suitability evaluation result of artificial reefs site in Tianjin

      其中,最适宜鱼礁投放的区域位于汉沽区营城镇蔡家堡村至大神堂村以南水深4~5 m的海域,其转点坐标为(117°54′5″ 39°2′56″,117°55′3″ 39°4′55″,117°57′11″ 39°5′14″,117°55′51″ 39°3′33″),该海域底质为黏土质粉砂,浮游生物及底栖生物种类和数量较多,温、盐度季节变化明显、透明度较高、水色相对较清,水质绝大多数指标符合国家一、二类水质标准,海域适合沿岸岛礁性鱼类、贝类栖息生长,历史上渔业资源丰富,是渤海对虾的产卵场和索饵场,因此,适宜人工鱼礁投放。此外,这一区域与天津市已进行建设的人工鱼礁投礁区域相距较近,未来可与已有鱼礁形成大规模稳定的生态人工鱼礁群,有效修复和构建水产生物的生活和栖息场所,优化海域生态环境。较适宜开展鱼礁投放的区域主要分布在太平镇沙井子乡以东水深9~10 m的海域,其转点坐标为(117°54′49″ 39°2′11″,117°56′43″ 39°3′32″,117°57′8″ 39°4′29″,117°58′53″ 39°5′34″),这一海域位于天津东南部农渔业区,符合海洋功能区划的主导功能定位,海洋环境质量总体良好,基础生产力较高,生物多样性和饵料生物较丰富,适宜建设人工鱼礁。此外,在最适宜区外围有7.56 km2的区域较适宜开展鱼礁投放,还有38.02 km2的区域属于一般适宜区,具体情况见表 2

      布设区域 纬度 经度 面积/km2
      适宜区域 117°54′5″ 39°2′56″ 8.61
      117°55′3″ 39°4′55″
      117°57′11″ 39°5′14″
      117°55′51″ 39°3′33″
      117°56′54″ 38°38′36″
      较适宜区域 区域1 117°59′51″ 38°40′55″ 22.22
      118°0′12″ 38°40′4″
      117°56′54″ 38°38′35″
      117°54′49″ 39°2′11″
      区域2 117°56′43″ 39°3′32″ 7.56
      117°57′11″ 39°4′43″
      一般适宜区域 117°58′53″ 39°5′34″ 38.02
      118°0′19″ 39°5′52″
      117°59′26″ 39°1′1″
      117°57′11″ 39°4′43″
      117°58′53″ 39°5′34″

      表 2  天津市鱼礁布设适宜区域情况

      Table 2.  The latitude and longitude of the suitable region

      3结论

      人工鱼礁建设作为当前较为热门的一种现代化渔业发展模式,正受到前所未有的关注。开展科学有效的人工鱼礁选址是确保人工鱼礁建设成功的重要前提。本文根据人工鱼礁投放对海洋环境、生态条件的基本要求,从海洋功能区划、海洋物理化学环境、海洋生物资源环境三方面选取指标,构建了人工鱼礁建设适宜性评价指标体系,设定了适宜性评价等级和标准,运用ArcGIS等技术手段对人工鱼礁投放进行了适宜性评价。评价结论中最适宜鱼礁投放的区域与天津市目前已成功开展的人工鱼礁投礁区域相距较近,进一步验证了本文使用的方法具有一定的可行性和合理性,可为天津市人工鱼礁建设提供技术支撑和参考依据,同时也可为我国人工鱼礁建设适宜性评价提供借鉴。此外,由于海洋环境复杂,影响人工鱼礁投放的因素众多,人工鱼礁选址适宜性分析尚处于探索阶段,有关评价方法和标准体系仍有待今后进一步实践和完善。

参考文献 (23)

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