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前面。环绕。科学。,23米一个y2023
秒。土地利用动态
卷11 - 2023 | https://doi.org/10.3389/fenvs.2023.1120704

分析权衡/协同效应在土地使用功能的变化本县,中国

www.雷竞技rebatfrontiersin.org京宁1*,www.雷竞技rebatfrontiersin.org惠美张 1*,www.雷竞技rebatfrontiersin.orgDongwei史2www.雷竞技rebatfrontiersin.orgGuoming杜 1
  • 1公共行政和法律学院、东北农业大学、哈尔滨,中国
  • 2Pingquan Pingquan自然资源和规划局,中国

土地使用功能已成为土地变化科学的重要组成部分。应更多的关注多功能土地实现结构优化和可持续的土地利用。本研究以本中国黑龙江省县为研究区域,探讨土地功能的时空协同模式和权衡关系从2000年到2020年。土地功能被时空定量测量方法的统计数据,投资模型,CASA RUSLE和其他模型。结果表明:1)在2000 - 2020年期间,生产函数显示增强的一个总体趋势。生活功能仍然增强除了在东南部和北部。大部分地区的节水功能被削弱,同时加强了碳固定函数在东南和削弱了中部和北部地区。水土保持功能下降,然后在西南显著增加。2)有一个协同关系生产和生活功能和权衡生态和生产功能和生态之间的关系和生活功能从2000年到2020年。3)生产和生活功能主要是协调的空间,和协同集聚类型主要分布在汤芳镇,受Manjing小镇,和其他地区。 The spatial distribution of trade-offs and synergies between ecological and productive functions and ecological and living functions was similar. The trade-off and agglomeration types were scattered, and the synergies were distributed in Binxi town and Juren town.

1介绍

ecology-economy-society的土地是一个复杂的系统,所有的人类社会和经济活动,为人类提供空间方位和物质基础(黄et al ., 2017;罗,2019)。土地利用研究的深化,它的范围已逐渐扩展到土地利用功能评估、关系、机制、分区。影响人类行为和活动,不同的土地利用功能之间的相互作用是复杂的,但它主要显示两种关系:相互制衡、相互促进的关系。基于这些,我们可以识别和协调不同的土地使用函数之间的关系及其时空分布模式是一种有意义的方式,实现土地资源的优化配置和可持续利用,为管理者提供一个更广泛的角度,利用土地的更好。

研究土地利用的时空模式函数及其权衡和协同是土地科学和地理科学的一个热门话题。孟et al。(2021),朱镕基et al。(2018),彭et al。(2016)采用相关分析的方法来识别服务函数关系,其强度变化(太阳et al ., 2018;徐et al ., 2018)。刘et al。(2019),冯et al。(2017),方et al。(2018)使用均方根误差方法分析权衡和生态系统服务之间的协同和培育多功能土地。杨et al。(2019),莱斯特et al。(2013),Cavend-Bares et al。(2015),Verhagen et al。(2018)定量描述生态系统服务的抽象关系通过可能的生产边界。Zhang et al。(2019)刘et al。(2018)研究和分析土地利用功能之间的关系,城市扩张,耕地保护。王、唐(2018),刘et al。(2021),Willemen et al。(2010)分别把重庆,北京市,荷兰的乡村为例,分析了农村功能耦合关系的权衡。鑫et al。(2019)任正非et al。(2019)使用统计分析,探索土地利用功能之间的相互作用在时间和空间分析用来描述土地利用功能空间的协同关系的权衡。潘et al . (2013)用二元空间自相关分析的空间权衡多个生态系统供应。Qi et al。(2020)确定生态系统服务集群在中国东北,并把他们分成生态功能区域。康et al。(2021)Zhang et al。(2019)分析和显示土地使用功能的特点,基于协同进化和权衡关系综合评价模型和力学模型。

从国内外研究的角度来看,有一些土地使用功能的研究进展。然而,仍有显著进步的空间应用土地利用函数来评估内容和结果。下面是缺点:1)在研究内容、研究主要专注于构建一个功能评价指标体系,空间和时间的分布函数,并分析影响因素。在分析土地利用空间和时间模式功能,缺乏空间相关性分析和研究土地利用时空动态和异质性的功能。2)在研究和应用方面,研究结论和实际应用的结合不是强有力的,和典型的研究病例很少,集中的地区没有参考价值的研究在中国其他地区的土地使用功能。在未来,应扩大研究范围,尤其是对区域土地利用综合研究价值高的功能,提供方法情况下改善多功能区域范围内的土地利用水平。在此基础上,这项工作需要本郡,一个典型黑土地区土地利用的特点,为研究区域进行多功能土地利用的研究。的帮助下空间数据统计方法,投资模型,CASA模型,和RUSLE模型,这项工作定量衡量土地利用的时空分布模式生产、生活和生态功能。本研究使用相关系数和二元局部空间自相关方法研究的特点,权衡协同土地使用功能之间的关系从空间和时间的角度揭示了动态和空间异质性和土地利用提供参考,开发和建设。

2研究区

本郡南部的黑龙江,哈尔滨城市的管辖。它的地理位置是在126°55′-128°19′E和45°30 '−46°01′N,如图所示图1。其平面和狭窄的外形,总面积约为3843 .16公里2。本县西北高东南低,平均海拔405米。它有一个冷的温带大陆性气候,年平均温度为4.5°C和平均年降水量为570毫米。香港有八个主要河流与复杂的水文地质条件,年平均地表径流是4.11米3×1083。本县是一个产粮大县。耕地是主要的土地利用类型,占61.31%的县。第二个是森林和草。县森林总面积为1180公里2、草原综合植被覆盖率为81.3%,和丰富的森林和草,这是发展生态功能的一个重要基石。主要有八本县的土壤类型,其中优质土壤资源、黑土、草甸土等的平原和丘陵地区,为农业种植是一个很好的基础。

图1
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图1。研究区域的位置和高度。

3材料和方法

3.1数据来源

本研究主要包括1)社会经济统计数据统计年鉴的黑龙江省,本郡的统计年鉴(2000 - 2020),和本县水资源公报。丢失的统计数据计算得到的平均年增长率和其他方法。2)自然环境数据,如遥感数据、地形数据、气象数据、土壤数据,等。3)参考数据用于模型计算设置相关参数(表1)。

表1
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表1。数据源和描述。

其中,土地利用数据的收集是提取土地利用数据本县从2000年到2020年的5.3软件的环境结合人机交互目视判读和修改解释结果结合谷歌地球软件和现场调查以满足精度要求。为了方便功能的定量测量模型用于土地利用功能评估,初步进行了数据处理。所有栅格和矢量数据投影到ArcGIS10.5软件平台,在坐标统一WGS_1984_UTM_Zone_52N,面具是用本行政边界县2020年,和准确性是统一的。

3.2方法

3.2.1生产函数

净初级生产力(NPP)的区别是有机物的总量由绿色植物通过光合作用产生和消费由于单位时间内植物的呼吸作用和区域,即有机质量积累的植被(江,2020)。因此,植被NPP可以反映不同植被作物耕地的生产能力,可以作为标准来衡量不同作物的生产能力。在此基础上,根据功能测量模型提出的粮食生产粉丝(2019),本研究分配粮食作物产量的统计数据在乡镇耕地网格通过NPP实现粮食供给函数的空间化和分析粮食供给函数的变化。结合土地利用矢量数据,耕地向量层提取,基于l公里矢量网格研究地区。整个研究区域的NPP数据然后输入使用ArcGIS空间分析工具。提取相交NPP光栅层通过将耕地向量层作为一个面具。网格规模的粮食作物产量定量量化与统计行政区的籽粒产量和地区生产函数是彻底的特点。具体计算公式如下:

Y e l d Y e l d j = N P P N p p j ( 1 )

在产量是第m个网格的籽粒产量和产量j的粮食产量是乡第m个网格在哪里。NPPm网格和NPP的NPP吗j的总NPP乡第m个网格在哪里。单位是吨/公里2

3.2.2生活功能

基于夜灯之间的关系数据,非农业经济产出价值,和人口居住,1公里网格尺度的空间表达式实现通过结合土地利用类型,夜灯指数和居住密度,根据行政区的人口数据和第二、三产业的价值(汉et al ., 2012)。计算公式如下:

非农产值:

G D P 23 = 3 一个 n × N l n + B n × N U n + C n × l E n ( 2 )

在国内生产总值23米的值是非农产业(第二、三产业)n网格;问,怒,勒是三个土地照明参数m个二级类型在网格中的建设用地;和一个BC的相应权重的三个参数m网格中的土地利用类型。单位是一万元/公里2

生活负荷:

P o p P o p = ( 3 )

在流行是人口数量的第m个网格,流行是行政区的人口值m网格在哪里,和Mm和m是土地利用类型的总重量,夜灯指数和住宅密度的行政区第m个网格在哪里。单位的人/公里2

3.2.3生态功能

3.2.3.1节约用水

出水量是能够代表该地区的供水和保证它。降水之间的差异和实际蒸散在网格单元x的出水量是选定的投资模型(刘et al ., 2020;潘et al ., 2020)。投资节水模型利用网格单元参数计算出水量,包括表面或地下水径流、土壤含水量、持水量的枯萎的对象,和林冠截留。这些参数包括降水、植物蒸腾、表面蒸发,植物根深度、植物提供水和土壤最大根埋藏深度。计算公式如下:

Y x = 1 一个 E T x P x × P x ( 4 )
一个 E T x P x = 1 + P E T x P x 1 + P E T x P x ω 1 ω ( 5 )
ω x = 一个 W C x × Z P x + 1.25 ( 6 )
P E T x = K c x × E T O x ( 7 )
E T O x = 0.0013 × 0.0408 × 年代 R x × T x + 17 × T d v x 0.0123 P x ( 8 )
一个 W C x = 最小值 R e 年代 t l 一个 y e r d e p t h , r o o t d e e p t h × P 一个 W C x ( 9 )
P 一个 W C = 54.509 0.132 年代 一个 n d 0.003 年代 一个 n d 2 0.055 年代 l t 0.006 年代 l t 2 0.738 C l 一个 y + 0.007 C l 一个 y 2 2.699 O + 0.501 O 2 ( 10 )

在情商。4Yx,让x和Px水的平均年收益率(毫米),年均实际蒸散(毫米)和平均年降水量(mm)的x在每个网格单元在研究区,分别。在情商。5、宠物x潜在蒸散(毫米),ω是一个非现实的参数。在情商。6,风能网x可用的土壤含水量(mm)的x在每个网格单元,Z是一个经验常数,从1到10,Z = 4.12通过线性拟合根据地表径流在本郡的水资源公报。在情商。7,Kcxx的植物蒸散系数是在每个网格单元,设置在吗表2。采访时表示xx的参考作物蒸散是在每个网格单元,这是Penman-Monteith获得的公式。在情商。8,老x太阳辐射,Tx每日平均温度,Tdv吗x之间的区别是最高的和最低的温度,和点吗x月平均降水。在情商。9、根深根系数和参数设置所示表2;PAWCx可用的植被含水量在每个网格单元的x。在情商。10,砂土壤含砂量,淤泥是土壤泥沙含量,粘土土壤粘粒含量,Om是土壤有机质含量。

表2
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表2。植被蒸散系数和根深度系数。

3.2.3.2碳固定

固碳作用是一个重要的生态功能测量气体平衡和温度调节在一个地区,指碳固定和氧的过程在植被通过光合作用释放增长(张任,2015)。本项目打算用改进的CASA模型计算NPP,可以通过光合作用方程转化为碳固定。计算公式如下:

N P P x , t = 一个 P 一个 R x , t × ε x , t ( 11 )
一个 P 一个 R x , t = 年代 O l x , t × F P 一个 R x , t × 0.5 ( 12 )
ε x , t = T ε 1 x , t × T ε 2 x , t × W ε x , t × ε 马克斯 ( 13 )
c = N c × β × N P P x , t ( 14 )

在情商。11APAR (x, t)是光合有效辐射吸收MJ / m2/月)和ε(x, t)是实际的光能利用率(gC /乔丹)。在情商。12索尔(x, t)是总太阳辐射(MJ / m2/月),阳光的太阳辐射计算时间,和FPAR (x, t)是植被的有效辐射比入射光合作。在情商。13Tε1(x, t)和tε2(x, t)是高温和低温的影响,强调光能量利用率,Wε(x, t)是水条件对光能利用的影响,和ε马克斯是最大光能利用率(gC /乔丹)。ε,NDVImax NDVImin设置根据朱温泉的修改CASA模型(朱et al ., 2006 a;朱et al ., 2006 b;朱et al ., 2007)。在情商。14Mc的碳含量是有限公司2在大气中固定的植被,数控是C公司的内容2,即27.27%;β= 1.63,这表明1.63公斤有限公司2将固定每1公斤植被产生的有机物质。

3.2.3.3水土保持

绿色植被的水土保持功能代表了能力来保护土壤和肥力。在这项研究中,修改后的通用土壤侵蚀模型(RUSLE)被用来估计土壤保护本郡(彭et al ., 2017),计算公式如下:

一个 c = 一个 p 一个 r
一个 p = R × K × l 年代
一个 r = R × K × l 年代 × C × P ( 15 )

交流是一年一度的水土保持(t /嗯2/ a),潜在的侵蚀Ap之间的差异和实际侵蚀Ar。潜在的土壤侵蚀是指土壤侵蚀没有节水工程措施(t /嗯2/ a),而实际的土壤侵蚀是指土壤侵蚀(彭et al ., 2017)基于范围内植被和水土保持措施的利用率(t /嗯2/一个)。R是年均降雨侵蚀力因子,Wischmeier获得的经验公式。K是土壤侵蚀因子,计算了EPIC模型。LS在给定方程斜率代表长度和坡度因素,分别计算的方法Zhang et al。(2015)无量纲。C是植被覆盖和管理因素。P是水土保持管理的因素。

3.2.3.4权衡分析和协同作用

协同关系的动态变化在时间的体重,和相关系数法探索之间的关系生产、生活,在不同的时间点和生态功能及其强度,在1公里网格的规模从2000年到2020年。当相关系数是积极的,它表明两个土地使用功能的功能关系是在同一个方向,这是一个协同关系;相关系数为负,表明两个土地使用功能的功能关系是相反的方向,这是一种交换关系。土地使用功能变化的协同效应和权衡的绝对数量相关值(粉丝,2019)。

使用二元局部空间自相关可以实现协同的权衡关系的动态变化的空间尺度,可以实现分布模式的取舍协同两个土地利用功能之间的关系。二元丽莎集群映射中使用不同的聚集类型可以表示权衡或协同区域。有五个类别:高集聚协同区域,新低集聚协同区域,高低区域集聚权衡,权衡低集聚区域,无关紧要的区域(程et al ., 2021)。

4的结果

4.1分析土地利用时空格局变化的函数

以下4.4.1时空变化模式的生产函数

从时间的角度特征,从2000年到2005年,本郡的生产函数显示增强的一个总体趋势,和增强面积约218.60公里2(图2)。从2005年到2010年,生产函数的减少,主要是由于在2010年降水和籽粒产量较低。从2010年到2015年,大部分地区的生产功能增强,增强功能区域的面积约为1958.86公里2。从2015年到2020年,本郡没有改变的生产函数,从功能变化的面积,增强区域的面积是类似于削弱。从生产函数的空间分布的变化,结果表明,增强区域主要是滨州北部的小镇,Ningyuan小镇,和百度,而削弱了区域主要是巴航北部的小镇,小镇的新店,长安镇。

图2
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图2。空间和时间模式的生产功能在本郡。

4.1.2土地利用时空变化模式生活的功能

从时间的角度来看,从2000年到2005年,本郡的整体生活功能弱化的趋势,和增强的区域只占0.84%的县区域(图3)。从2005年到2010年,从2010年到2015年,本郡的生活功能均呈增长趋势,面积3705 .57公里23822 .02点公里2,分别。从2015年到2020年,本郡的整体生活功能仍是增强在很大程度上,显示一个集中分布。生产函数的空间分布的变化表明,增强区域主要是滨州北部的小镇,Ningyuan小镇,和百度,而削弱了区域主要是巴航北部的小镇,小镇的新店,长安镇。

图3
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图3。空间和时间模式本郡的生活功能。

4.1.3时空变化的土地利用生态功能模式

4.1.3.1生态节水功能

从2000年到2020年,根据水产量的分布在每一个乡镇,Ningyuan镇长安镇Binan小镇,和百度镇水收益率相对较高(图4)。从2000年到2005年,降水增加和水保护功能是增强在大多数地区,占全县总面积的92.34%。从2005年到2010年,加强节水面积减少,削弱区域约1106。45公里2,主要集中在本郡的中部和东部地区。从2010年到2015年,降水与前期相比明显增加。此外,由于完善的水土保持设施建设和植被生产好,植被是固定和稳定,地表径流增加,出水量显示整体增加的趋势。从2015年到2020年,由于台风的影响“Bawei”2020年夏季降水丰富,导致增加的落叶和枯叶,削弱了植被蒸散,东南部山区的温度下降。因此,增加水源的地区主要分布在东南部地区。

图4
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图4。空间和时间模式的生态节水本郡的函数。

4.1.3.2碳固定的生态功能

在时间方面,从2000年到2005年,该地区与增强的碳固定函数为1700.21公里2,占44.24%。从2005年到2010年,碳功能增强和减弱地区相似,分别占50.15%和49.85%。从2010年到2015年,大部分地区的碳固定函数显示一个扩展的增长趋势,和增强区域扩大了约2840 .86点公里2。然而,从2015年到2020年,碳固定功能下降。对碳固定空间,增强地区主要集中在汤芳镇,受永和镇的新店,巴航镇和Juren村,而减少碳固定区域分散在各乡镇(图5)。

图5
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图5。空间和时间模式的生态功能碳固定在本郡。

4.1.3.3水土保持的生态功能

从2000年到2005年,水土保持功能的变化显示出双方的减少和增加的趋势在中间,即在本郡,三宝镇Binan乡、应该镇民和乡、和一些其他领域均呈增长趋势的功能,增强区域的比例约为44.24% (图6)。从2010年到2015年,大部分地区显示弱,增加趋势,分布和功能增强部分显示不完整的。土壤功能的改变在2005 - 2010和2015 - 2020的空间分布趋势一致,节约用水的节水功能,因为变化直接相关的水土保持能力,这是一个显著的正相关。地表径流加速土壤表面损失,不利于水土保持。

图6
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图6。空间和时间模式的水土保持生态功能本郡。

4.2协同分析本县土地利用功能的取舍

4.2.1土地利用时空变化分析准备功能取舍和协同作用

可以看出图7生产和生活功能的相关系数在本郡在2000年的5个时间点,2005年,2010年,2015年和2020年都大于零,值在0.671和0.789之间,表明显著正相关,也就是说,一个稳定的协同关系。总的来说,平均相关系数为0.619,表明高度的协同作用。然而,从变化的角度,协同关系改变了随着时间的推进,表明土地利用功能之间的协同关系的权衡是挥发性和动态。

图7
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图7。联系生产、生活和生态功能在本郡。

图7,从2000年到2020年,生产和生态功能,本郡总是呈负相关,相关系数的平均值是−0.094,表明稳定平衡度改变。一般来说,从2000年到2020年,生产和生态功能之间的相关系数在本郡先增加,然后下降,再次增加。2005年,生产和生态功能之间的权衡关系显著减弱,和权衡关系增强。

从2000年到2020年,生活和生态功能在本郡显示不同程度的负相关在五个不同的时间点。在研究期间,相关系数的绝对值显示第一次递减的趋势,增加,减少,表明两个函数之间的权衡关系也表现出相应的波动。总之,从2000年到2020年,之间的平衡程度,本郡的生活和生态功能不断减弱,而相关系数降低了0.148在20年。之间的权衡关系在本郡生活和生态功能显著改变在2000 - 2005和2015 - 2020。

4.2.2空间变化分析土地利用功能的取舍和协同作用

具体权衡和协同效应在生产、生活、生态功能所示表3,所示的空间分布模式图8

图8
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图8。空间分布模式功能取舍/协同关系本县2000 - 2020年的土地利用。

表3
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表3。类型的多功能土地利用/协同关系的权衡。

4.2.2.1生产和生活功能

从2000年到2020年,取舍之间协同关系的生产和生活功能在本郡有明显的空间异质性。2000年,生产和生活功能之间的关系主要表现为production-living高协同和新低的协同作用。production-living权衡(高低)和生活生产的权衡(低)显示一个不规则的空间格局。2005年,高集聚单位的数量从936年的2000下降到229,和新低集聚的数量单位稳定,表明公共区域减少,低集聚和高低集聚单位从85增加到110,和权衡面积略有增加。从2010年到2020年,空间之间权衡/协同稳定生产和生活功能改变,主要表现为协同作用的关系。聚集的数量单位,2010年,2015年和2020年占36.44%,分别为38.99%和38.57%。高集聚网格细胞占39.90%,55.02%,和55.18%的合作关系,这表明合作关系逐渐由高集聚的空间。

4.2.2.2生产和生态功能

从2000年到2020年,权衡的空间分布协同生产功能和生态功能在本郡之间的关系是稳定的。生产环境的新低协同类型主要分布在北部河谷平原面积本郡,而生产环境高协同类型主要分布在宾西镇Niaohe乡、Binan镇和Ningyuan镇的北部地区。高低聚集(production-ecological权衡)类型的权衡关系是分散在一些地区汤芳镇,受的新店,Binan小镇,低聚集(eco-production权衡)类型主要分布在南部的低丘陵地区,本郡。

4.2.2.3生活和生态功能

从2000年到2020年,生活在本郡的主要特征和生态功能living-ecology高协同(高)和living-ecology新低协同(新低),其中新低集聚类型占59.24%,63.08%,60.24%,58.3%,和59.39%的协同关系。这表明,主导新低集聚类型的协同关系。另一方面,交易类型,呈下降趋势、高集聚(living-ecological权衡)类型占69.47%,56.11%,56.90%,73.70%,和61.56%的平衡关系,表明高低集聚类型为主的权衡关系。根据空间分布模式之间的权衡和协同地区生活和生态功能,平衡地区分布在汤芳镇,受永和镇,三宝乡,南部山区潘镇西北的本郡。

5的结论

本研究以本县为研究区域,分析多功能土地利用的动态变化,探索权衡的时空变化模式和协同效应在不同土地使用功能,旨在为优化多功能土地利用提供科学参考本郡。

(1)基于文献研究和开发本郡的特点,土地利用功能被划分为生产、生活、生态功能。从2000年到2020年,本郡的生产函数显示增强的一个总体趋势。东南部山区的生活功能增强除了本郡和北沿松花江。节水功能减弱在大多数地区的县和碳固定功能增强本县东南部,但削弱了中央的山丘和平原北部地区。水土保持功能降低,然后增加的趋势,本郡西南部和功能明显改善。

(2)土地利用功能的取舍和协同效应在本郡在2000年,2005年,2010年,2015年和2020年测量从时间和空间两个维度,和土地利用的时空演变趋势函数在1公里网格规模进行了分析。在研究期间,生产和生活功能在本郡总是表现出显著的协同关系,和生产和生态功能,以及生活和生态功能重要的权衡。从2000年到2020年,本郡的生产和生活功能主要表现出的合作关系在空间,和集群类型的协作关系是分布在汤芳镇,受Manjing小镇,和其他地区。权衡和协同效应的空间分布在生产、生活、生态功能相似,集群类型的交易表现出不规则的分布模式。这些类型的协同效应主要分布在宾西镇Juren村,和其他地区。

数据可用性声明

原始数据支持本研究的结论将由作者提供,没有过度的预订。

作者的贡献

约负责数据处理、模型计算、写的手稿,并验证。赫兹是负责撰写的手稿和验证。DS负责数据处理和模型计算。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这项研究是由中国国家自然科学基金批准号41971217;中国国家重点研发项目批准号2021 yfd1500101。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或那些出版商编辑和评论员。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

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收到:2022年12月10日;接受:09年5月2023;
发表:2023年5月23日。

编辑:

Jiren徐英国格拉斯哥大学

审核:

宇鸿张哈尔滨师范大学,中国
王磊东北林业大学,中国

版权©2023 Ning,张史和杜。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。

*通信:京宁,jning@neau.edu.cn;惠美张2857852358 @qq.com

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