矿区土壤重金属污染的植物修复研究进展.pdf

第6 0 卷第1 期 20 08 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e * , a l s V 0 1 ．6 0 。N o ．1 F e b r a m y20 08 矿区土壤重金属污染的植物修复研究进展 武强，孙录科 中国矿业大学 北京 资源与安全工程学院，北京 10 0 0 8 3 摘要综述矿区土壤重金属植物修复的研究进展并展望其发展趋势。 关键词环境工程；植物修复；综述；矿区；重金属污染 中图分类号X 5 3 ；X 7 5 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 1 0 1 2 5 0 5 采矿和冶炼业的迅速发展，推动了经济的快速 发展，同时造成了矿冶企业周边地区土壤的重金属 污染【1J 。我国矿藏丰富，随累年开采，矿渣，选矿、 冶炼及电镀等工业废水不断排放到周围环境中，造 成周边土壤P b ，C d ，C u ，Z n ，C r ，H g ，A s 等重金属污 染严重。与其他污染物相比，重金属污染具有隐蔽 性、毒性大、长期性和不可逆转性的特点。因此，土 壤重金属污染防治一直是国际上农业环境研究的难 点和热点L 2 吖Jo 传统的土壤重金属污染治理方法是物理化学修 复方法，主要包括客土法、化学冲洗法、化学固定法、 电化学法、动电修复法等【4J 。传统的物理化学修复 法对于重金属和放射性物质污染的修复适用性较 差。不能从根本上解决大面积的土壤环境污染问 题E 5 ] 。近年来，出现了一种用植物来修复土壤污染 的方法，该方法由于成本低、效果良好、不破坏环境 而受到了广泛的关注，成为污染土壤修复研究的热 点之一，为矿区土壤重金属的治理提供新的方法。 综述矿区土壤重金属污染的植物修复机制及近年来 植物修复的研究进展，以期对矿区重金属污染土壤 的可持续治理提供科学借鉴。 1 植物修复的概念及其修复机理 植物修复 p h y t o r e m e d i a t i o n 是以植物忍耐和 超量富集某种污染物的理论为基础，利用自然生长 或遗传工程培育的植物及其共存微生物体系，清除 污染物的一种环境治理技术‘引。目前植物修复的 对象主要是重金属和有机污染物，而用于修复的植 收稿日期2 0 0 7 1 0 2 6 基金项目国家社会科学基金资助项目 0 0 B J Y 0 3 5 作者简介武强 1 9 5 9 一 。男，内蒙清水河县人，博士，博士生导 师，主要从事矿山环境与地质灾害等方面的研究。 物既有乔木、灌木、草本，也包括作物、水生植物，修 复的介质可以是固相的土壤、沉积物，也可以是液相 的水。根据其作用过程和机理，重金属污染土壤的 植物修复技术分为植物稳定 p h y t o s t a b i l i z a t i o n 、植 物挥发 p h y t o v o l a t i l i z a t i o n 、植物提取 p h y t o e x t r a c t i o n 几种类型。 1 ．1 植物稳定 固化 植物稳定指通过植物根系的吸收、螯合、沉淀或 还原作用，使金属污染物惰性化，转变为低毒性形 态，降低其生物有效性和移动性，从而固定于根系和 根际土壤中，并防止其进入地下水和食物链，减少其 对环境和人类健康危害的风险【引。在此过程中，土 壤中的重金属含量并不减少，只是形态发生变化。 适用于固化污染土壤的理想植物，应是一种能忍耐 高含量污染物、根系发达的多年生常绿植物。这些 植物通过根系吸收、沉淀或还原作用可使污染物惰 性化。如植物通过分泌磷酸盐与铅结合成难溶的磷 酸铅，使铅固化，而降低铅的毒性。此外，植物可以 通过根际微生物改变根际环境的p H 值和E h 值来 改变重金属的化学形态，固定土壤中的重金属。如 印度芥菜 B ．j u n c e a 的根能使有毒的、生物有效性 高的六价c r 还原为低毒的、生物有效性低的三价 C r ，使其固化[ 8 J 。植物固化技术适用于土壤质地黏 重，有机质含量高的污染土壤的修复，对矿区土壤重 金属污染物和放射性核素污染物固定尤为重要。 1 ．2 植物挥发 植物挥发是利用植物的吸收、积累和挥发功能 而减少土壤中一些挥发性污染物，即植物将污染物 吸收到体内后将其转化为气态物质，释放到大气中， 从而减轻土壤污染【9J 。已有的研究主要针对易形 成具有挥发性、低毒性的元素s e 和挥发性重金属 H g 。许多植物可从污染土壤中吸收s e 并将其转化 万方数据 1 2 6 有色金属 第6 0 卷 为可挥发态，如硒积累植物黄芪属可将S e 转化为挥 发态的二甲基二硒。虽然现在还未发现能直接挥发 H g 的自然生长的植物，但有研究利用转基因植物挥 发汞，如M e a g h e r 等人发现经基因工程改良过的烟 草 N i c t i o a n a t o b a c u m 和拟南芥菜 A r a b i d o p s i s t h a l i a n a 能把H 孑 变为低毒的单质H g 挥发掉。 1 ．3 植物提取 植物提取又称为植物萃取，是目前研究最多并 且最有前景的方法。植物提取利用植物从土壤中吸 收金属污染物，并在植物地上部分富集，对植物体收 获后进行处理，从而降低了土壤中重金属的含 量1 10 I 。能用于污染土壤植物修复的超积累植物应 具备以下几个特性即使在污染物浓度较低时也有 较高的积累效率；能在体内积累高浓度的污染物；能 同时积累多种重金属；生长快，生物量大；抗虫抗病 能力强。目前发现的对重金属具有超积累能力的植 。物有4 5 科约4 0 0 多种。R e e v e s 和B r 0 0 k s [ 1 1 】发现 T h l a s p i r o t u n d i f o l i u m 的茎中P b 含量可高达 8 2 0 0 t t g ／g 一千物质。S h e n 等c 1 2 ] 发现溶液培养的 T ．c a r e u l e s e n c e s 地上部吸收Z n 最大可达2 8 0 0 0 t L g ／ g ，溶液z n 处理浓度达1 0 0 0 t t m o l ／L 时未出现明显的 受害症状。植物提取技术关键是筛选出超积累植物。 2 国内外重金属土壤污染的研究进展 1 5 8 3 年意大利植物学家C e s a l p i n o 首次发现在 意大利托斯卡纳“黑色的岩石”上生长的特殊植物， 这是有关超富集植物 H y p e r a c c u m u l a t o r 的最早报 道[ x 3 】，此后在矿藏勘探中陆续发现一些地方性植物 具有富集重金属的特性。重金属污染土壤上大量地 方性植物物种的发现促进了耐金属植物的研究。 1 9 7 7 年B r o o k s 提出了超积累植物的概念f l 引。1 9 8 3 年C h a n e y 提出了利用超积累植物消除土壤重金属 污染的思想【1 5 ] 。随后有关耐重金属植物与超积累 植物的研究逐渐增多，植物修复作为一种安全、廉价 的污染土壤的治理技术被提出，并成为研究和开发 的热点。 英国的B r a d s h a w [ 1 6 』长期致力于矿山废弃地的 生态恢复研究工作，最早利用当地的耐性植物对矿 山土地进行了修复，并且成功的开发出可商业化应 用的针对不同重金属矿山废弃地的耐性品种系列。 K u m a r 在含铅6 2 5 m g ／k g 的土壤盆栽处理中种植 B r a s s i c a 印度芥菜 。三个星期后即使淋溶液中的 铅含量由7 4 0 t l g ／m L 下降到2 2 t - g ／m L 。L e n a 等在 美国中部发现的一种蕨类植物能超量积累A s ，当土 壤中舡浓度为1 5 0 0 0 m g ／k g 时，生长两周后，该植 物叶中舡浓度可达1 5 8 6 0 0 m g ／k g ，并且生长迅速， 可以有效的降低矿区土壤中舡的含量[ 17 i 。B a k e r 等在英国洛桑试验站首次以田间试验研究了在Z n 污染土壤 4 4 0 m g ／g 栽种不同超富集植物和非超富 集植物对土壤Z n 的吸收清除效果。结果表明，超 富集植物T ．c a e u l e s c e n s 富集Z n 是非超富集植物 R a p h n u ss a t i n u s 萝卜 的1 5 0 倍，富集C d 相应则是 1 0 倍。其每年从土壤中吸收的z n 量为3 0 k g ／h m 2 ， 是欧盟允许年输入量的2 倍，而非超富集植物萝卜 则仅能清除其1 ％的量。 我国在植物修复方面虽有许多人进行过探索与 初步尝试，但系统性研究目前尚处于起步阶段。如 龙健、黄昌勇等研究了浙江天台铅锌矿区香根草 V e t i v e r i a z i z a n i o i d e s 及其群落中几种主要植物 C u ，C d ，Z n ，P b 的富集分布，对植物与土壤元素、对 重金属的耐受性作了初步探讨[ 1 8 J 。袁敏、铁柏清通 过盆栽试验的结果表明，高羊毛、早熟禾、黑麦草、紫 花苜蓿在纯尾矿污染土壤或经处理的尾矿污染土壤 上都能生长，利用改良措施与草坪草相结合的方法 来修复重金属污染土壤具有可行性【1 9 ] 。彭桂香、蔡 婧等通过盆栽试验[ 2 0 ] ，观察分析不同的土壤改良配 方对重金属超积累植物尔南景天盆栽土壤中细菌、 真菌和放线菌数的影响，以此来筛选出最优的促进 尔南景天修复锌Z n 、C d 染土壤的改良剂配方。柬 文圣、杨开颜等首次报道鸭跖草是C u 的超富集植 物，可用于C u 污染土壤的植物修复，认为铜绿山海 洲香薷、鸭跖草、蝇子草、头花寥、滨蒿种群都是C u 耐性植物，可用于富C u 土壤如矿业废弃地的植被 重建[ 2 x ] 。丁克强、骆永明对苜蓿修复重金属C u 和 有机物苯并[ a ] 芘复合污染土壤进行了研究[ 2 引。刘 秀梅等在温室砂培盆栽条件下，研究有两种乡土植 物羽叶鬼针草和酸模能够富集重金属铅，对铅有很 好的耐性，铅含量是该项研究工作中另四种植物的 2 ～2 0 倍，能把绝大部分的铅迁移到茎叶，可以作为 先锋植物去修复被铅污染的土壤【23 l 。 利用植物吸收法治理土壤重金属污染耗时太 久，原因主要是尚未找到所需的植物超富集体。近 年来，这一领域引起了国内更多学者的浓厚兴趣且 取得了一定的进展，例如C h e n 和w e i 在中国南方 发现包括苎麻、酸模、牡蒿在内的一批A s 的超积累 植物，可以有效治理A 5 污染土壤出] 。陈同斌等通 过湖南省野外调查和栽培实验，发现砷超富集植物 蜈蚣草，其羽片含砷量可高达5 0 7 0 m g ／k g ，且蜈蚣草 万方数据 第1 期武强等矿区土壤重金属污染的植物修复研究进展 1 2 7 生长快，生物量大，地理分布广，适应性强[ 2 5 】。吴龙 华等在芥菜营养生长旺盛期施用E D T A 可显著提 高旱地红壤C u 的活性，E D T A 可显著增加芥菜茎 叶、根的C u 浓度和吸收量，并且E D T A 用量越大， 效果越明显，表明E D T A 对植物修复铜污染土壤具 有强化作用1 26 | 。 3 植物修复技术的优点和局限性 由于植物修复具有成本低、操作简便等优势，土 壤重金属污染的植物修复得到广泛的应用。其优点 主要表现为 1 植物修复的成本较低，研究表明植 物修复的费用为2 0 0 ～1 0 0 0 0 ／h m 2 ，即污染土壤的 处理费用为0 ．0 2 ～1 ．0 0 ／m 2 ，比物理化学处理的 费用低几个数量级，此外获取的重金属可以重新利 用，获得经济效益； 2 对环境影响小，植物修复属于 原位修复，对环境扰动少，避免了对土壤结构的破 坏； 3 提高土壤有机质含量，增加土壤肥力，植物修 复过程还能增加土壤有机质的含量，激发微生物的 活性，提高土壤肥力，适合于多种农作物的生长。与 此同时重金属污染土壤的植物修复也有一定的局限 性，主要是 1 植物修复速率和效率，目前具有重金 属超富集植物种类较少，而且植株矮小、生物量低、 生长缓慢； 2 对于矿区土壤多种重金属的复合污染 处理能力低，一般一种植物只吸收一种或两种重金 属，从而限制了对重金属复合污染的处理效果； 3 用于吸收重金属的植物器官往往会通过落叶等途径 使重金属元素重返土壤，另外需要对收获的重金属 进行无害化处理。 4 矿区土壤重金属污染植物修复的展 望及发展趋势 4 ．1 寻找和培育超富集植物及超富集机理研究 目前发现的超富集植物主要集中在北美洲、大 洋州和欧洲等发达国家。中国物种资源丰富，但发 现的超富集植物比较少，而且目前能应用到工程化 修复的超富集植物数量更加稀少。因此，继续寻找 开发生物量大、富集重金属能力强的超富集植物是 植物修复技术走向工程应用的首要任务。超富集植 物的鉴别一个简单而有效的方法的是到矿区采集各 种植物进行分析，如在稀土矿区、铜矿区发现了各自 的超富集植物[ 2 7 - 2 8 1 。我国野生植物资源丰富，矿 区类型众多，用于植物修复的野生植物资源十分丰 富。目前在中国境内发现的许多超富集植物，如中 国科学院陈同斌等人在境内发现的砷超富集植物 蜈蚣草 P t e r i s 口i t t a t 口L ． 、浙江大学杨肖娥等 人在浙江发现了锌超富集植物一东南景天 一 d “m a l f r e d i iH a 刀c e 等1 29 | 。另外要特别重视寻找、 培育多种重金属超富集植物，开展土壤重金属复合 污染的治理工作。 4 ．2 植物组合技术 由于超富集植物往往植株矮小、生物量小，再加 上环境条件的限制，土壤重金属污染的植物修复的 效率受到了限制。为解决这一问题，组合技术可弥 补单一技术的不足，对现有各种重金属污染治理技 术进行综合利用而形成的所谓的植物组合技术将成 为今后土壤污染植物修复的一个重要研究领域。具 体表现为 1 螯合剂．植物修复，向土壤中施用螯合 剂诱导或强化植物超富集作用，从而强化植物对重 金属的吸收； 2 电压一植物修复，在电压作用下，电 极附近土壤溶液发生电化学反应，改变土壤中的 E h 、p H 值等理化性质，加快土壤重金属的解吸，提 高土壤溶液中重金属的含量，从而强化植物的吸收 和积累； 3 植物一微生物组合修复，与植物共生真 菌，其发达的菌丝提高了植物根系吸收营养的范围， 能促进植物对营养物质和重金属的吸收，同时许多 真菌对重金属有很高的耐性和积累性，真菌的活动 能降低重金属对植物的毒性，提供了对植物根系的 保护，有利于修复植物的生长，将适合某种污染的真 菌接种在超富集植物的根部，可以促进植物修复，例 如在煤矿区接种形成的丛枝菌根对于植物的生物和 重金属的去除具有十分明显的效果。 4 ．3 与传统物理化学方法相结合的综合技术研究 将电化学、土壤淋洗法和植物提取综合应用到 土壤修复中，比使用任何单一方法效果要好。电流 能有效地将吸附的重金属从土壤颗粒中释放出来， 含配体的溶液能提高土壤溶液中重金属的浓度，植 物利用根系巨大的表面积将溶液中金属离子或金属 配位离子进行吸附、吸收和进一步转运。综合技术 可以弥补单一技术的缺陷，有利于在短时间内推上 市场，将称为矿区土地重金属污染的一个发展研究 方向。 4 ．4 基因工程在植物修复中的应用研究 利用基因重组技术将具有金属富集特性的基因 导人到生物量大且易收获的植物中，并利用该植物 特定的受体细胞与载体一起得到复制和表达，使受 体细胞获得新的遗传特性，最后将转基因植物进行 田间试验，以确定是否达到目的。目前，将基因技术 应用于植物修复的研究才刚刚起步，但近年来研究 万方数据 1 2 8 有 色金属 第6 0 卷 结果表明基因技术的研究将是植物修复研究中的一 个重要并很有价值的方向。如研究发现[ 3 0J ，具有汞 离子还原酶基因 m e r A 的细菌不仅能还原H 9 2 ， 对A u 3 和A g 也有一定的还原能力，将m e r A 引入 到A r a b i d o p s i s t h a l i a n a ，发现转基因的植物抗汞能 力提高了3 倍，并提高了对汞的吸收的能力，这种植 参考文献 物对A u 3 抗性也得到提高。 随着目前的植物修复试验基本上还处于试验摸 索阶段，大规模的工程应用较少。随着植物学、基因 工程、微生物学等科学技术的发展，植物修复技术必 将在矿区土壤重金属治理中大放异彩。 【1 ] 国土资源部．2 0 0 3 年中国国土资源公告[ E B ／O L ] ．[ 引用日期y y y y - 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m e t a l sf r o ms o i l s 【J ] ． E n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 5 ，2 9 5 1 2 3 2 1 2 3 8 ． [ 1 1 ] 王学锋，朱桂芬．重金属污染研究新进展[ J ] ．环境科学与技术，2 0 0 3 ，2 6 1 5 4 5 6 ． [ 1 2 ] 龙新宪，杨肖娥，倪吾钟．重金属污染土壤修复技术研究的现状与展望[ J ] ．应用生态学报，2 0 0 2 ，1 3 6 7 5 7 7 6 2 ． [ 1 3 ] B a k e r ，AJM ，M c G r a t hSP ，S i d o l i ， ，e ta t ．T h ep o s s i b i l i t yo f i ns t u d yh e a v y - m e t a ld e c o n t a m i n a t i o no fp o l l u t e ds o i l s u s i n gc r o p so fm e t a l 2 a c c n m u l a t i n gp l a n t s [ J ] ．R e s o u r c e s ，C o n s e r v a t i o na n dR e c y c l i n g ，1 9 9 4 ，1 1 3 4 1 4 9 ． [ 1 4 ] B r o o k sRR ，L e eJ ，R e e v e sRD ，e ta 1 ．D e t e c t i o no fn i c k e l i f e r o u sr o c k sb ya n a l y s i so fh e r b a r i u ms p e c i e so fi n d i c a t o rp l s n t s [ J ] ． J o u r n a lo fG e o c h e m i c a lE x p l o r a t i o n ，1 9 7 7 ，7 1 4 9 5 7 ． [ 1 5 ] C h a n e yRL ．P l a n tu pt a k eo fi n o r g a n i cw a s t ec o n s t i t u e n t s [ M ] ／／P a r rJF ．L a n dT r e a t m e n to fH a z a r d o u sw 部t 器．P a r k R i d g e ，N e wJ e r s e y ，US A N o y e sD a t aC o r p o r a t i o n ，1 9 8 3 5 0 7 6 ． [ 1 6 3B r a d s h a wAD ，C h a d w i c kMJ ．T h eR e s t o r a t i o nO fL a n d [ M ] ．O x f o r d B l a c k w e l lS c i e n c ep u b l i c a t i o n s ，1 9 8 0 5 5 5 9 ． [ 1 7 ] L e n aQM ．Af e r nt h a th y p e r a c c n m u l a t e sa r s e n i c [ J ] ．N a t u r e ，2 0 0 1 ，4 0 9 3 5 7 9 ． [ 1 8 ] 沈振国，刘友良．重金属超量积累植物研究进展[ J ] ．植物生理学通讯，1 9 9 8 ，3 4 2 1 3 3 1 3 9 ． [ 1 9 ] 褒敏，铁柏清，唐美珍．土壤重金属污染的植物修复及其组合技术的应用[ J ] ．中南林学院学报，2 0 0 5 ，2 5 1 8 1 8 5 ． [ 2 0 ] 武正华，张宇蜂，王晓蓉，等．土壤重金属污染植物修复及基因技术的应用[ J ] ．农业环境保护，2 0 0 2 ，2 1 1 8 4 8 6 ． [ 2 1 ] 薛生国，陈英旭，林琦，等．中国首次发现的锰超积累植物一商陆[ J ] ．生态学报，2 0 0 3 ，2 3 5 9 3 5 9 3 7 ． [ 2 2 ] 束文圣，杨开颜．湖北铜绿山古铜矿冶炼渣植被与优势植物的重金属含量研究[ J ] ．应用与环境生物学报，2 0 0 1 ，7 1 7 1 2 ． [ 2 3 ] 刘秀梅，聂俊华，王庆仁．6 种植物对铅的吸收与耐性研究【J ] ．植物生态学报，2 0 0 2 ，2 6 5 5 3 3 5 3 7 ． [ 2 4 ] 骆永明．金属污染土壤的植物修复[ J ] ．土壤，1 9 9 9 ， 5 2 6 1 2 6 5 ． [ 2 5 ] 陈同斌，韦朝阳，黄泽春，等．砷超富集植物蜈蚣草及其对砷的富集特征[ J ] ．科学通报，2 0 0 2 ，4 7 3 2 0 7 2 1 1 ． [ 2 6 ] 吴龙华，骆永睨，黄焕忠．铜污染旱地红壤植物修复作用[ J ] ．应用生态学报，2 0 0 1 ，1 2 3 4 3 5 4 3 8 ． [ 2 7 ] B a k e rAJM ，W a l k e rPL ．T e r r e s t r i a lh i g h e rp l a n t sw h i c hh y p e r a c c u m u l a t em e t a le l e m e n t s ar e v i e wo ft h e i rd i s o o v e r yo ft h e i r ’d i s t r i b u t i o n [ J ] ．E c o l o g y ，a n dp h y t o c h e m i s t r y ，B i o d i s e o v e r y ，1 9 9 0 ， 1 8 1 1 2 6 ． [ 2 8 ] 王玉琦，孙景信，陈红民，等．种子活化法研究稀土矿区植物体中稀土元素的分布特征[ J ] ．中国稀土学报，1 9 9 7 ，1 5 2 1 6 0 1 6 4 ． [ 2 9 ] Y a n gX ，L o n gXX ，N iWZ ，e ta 1 ．S e d u ma l f r e d i i H An e wZ nh y p e r a c c u m u l a t i n gp l a n tf i r s tf o u n di nC h i n a [ J ] ．C h i n e s eS c i e n c e B u l l ，2 0 0 2 ，4 7 1 9 1 6 3 4 1 6 3 7 ． 万方数据 第1 期 武强等矿区土壤重金属污染的植物修复研究进展 1 2 9 [ 3 0 ] R u g hCL ．D e v e l o p m e n to fn a n s g e n l cy e l l o wf o rm u r c u r yp h y t o r e m e d i a t i o n [ J ] ．N a t u r eB i o t e e h n o l o g y ，1 9 9 8 ，2 3 6 9 2 5 9 2 8 ． A d v a n c e so fP h y t o r e m e d i a t i o nI n v e s t i g a t i o no nM i n i n gA r e aS o i l C o n t a m i n a t e db yH e a v yM e t a l s W UQ i a n g ．S U NL u 一如 C o l l e g eo fR e s o u r c ea n dS e c u r i t y ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，B e O i n g ，1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea d v a n c e so fp h y t o r e m e d i a t i o nr e s a r c ho ns o i lc o n t a m i n a t e db yh e a v ym e t a l si nm i n i n ga r e aa r er e v i e w e d a n dt h ed e v e l o p i n gt r e n do fr e l a t i v et e c h n o l o g i e si sp r o s p e c t e d ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ；p h y t o r e m e d i a t i o n ；r e v i e w ；m i n i n ga r e a ；h e a v ym e t a l sp o l l u t i o n 欢迎通过“非邮联订”订阅 ‘有色金属 季刊 一直参加全国非邮发报刊联合征订，联订代号为7 6 9 1 。欢迎广大订户通过全国非邮 发报刊联合征订服务部订阅本刊；全国非邮发报刊联合征订服务部地址为天津市大寺泉集北里别墅1 7 号。邮编3 0 0 3 9 5 。联系电话0 2 2 2 3 9 7 3 3 7 8 ／2 3 9 6 2 4 7 9 。该服务部开通刊林网站，可进行网上联订，网址 为w w w ．L H Z D ．C O r n 。当然，您仍然可以通过编辑部订阅，请直接与张振健主编联系。 有色金属 季刊 编辑部 万方数据