森林生态系统水循环研究概述_刘珉
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2 国内外森林生态系统水循环的主要研究成果 欧美研究工作者认为森林不具备增加降水的作
用， 但前苏联学者认为森林可增加降水， 并可增加 河 水 流 量 。 ［４－７］ 但 就 其 整 体 趋 势 而 言 ， 有 关 森 林 生 态系统对水量和水质方面的影响主要表现在林冠截 留、 蒸散发、 地表径流、 下渗与渗透、 森林生态系 统水分平衡等方面。 2.1 林冠截留
Review of Hydrologic Cycle of Forest Ecosystem
LIU Min1，2) WU Zhixiang1) (1 Rubber Research Institute / Ministry of Agriculture Danzhou Investigation and Experiment Station of Tropical
２０１２ 年 ２ 月 Feb． 2012
热带农业工程 TROPICAL AGRICULTURAL ENGINEERING
第 ３６ 卷第 １ 期 Vol．36, NoLeabharlann Baidu1
森林生态系统水循环研究概述①
刘 珉1，2)② 吴志祥1)③
（１
中国热带农业科学院橡胶研究所 农业部儋州热带作物科学观测实验站
海南儋州
Crops, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Danzhou, Hainan 571737; 2 Hainan University, Danzhou, Hainan 571737)
Abstract Forest is a very complicated ecosystem, and forest hydrologic cycle is an important part of water cycle, as well as a hot spot of forest hydrology. On the basis of the research findings of forest hydrology, this article briefly introduced the history of forest hydrology, and summarized the main studying results of the hydrology in aerosphere, canopy, ground, soil layer, and evapotranspiration. Besides, this article analyzed the trend of the study on forest hydrology. Key words forest ; hydrologic cycle ; research status ; development trend
－ １４ －
始 于 ２０ 世 纪 ２０ 年 代 。 罗 德 民 、 李 德 毅 等 学 者 在 １９２４－１９２６年期间分别研究了鲁、 晋地区不 同森林 植被对雨季径流和水土保持效应的影响 。 ６０年代， 我国金栋梁学者研究了大范围的长江流域森林对径 流产流的影响。 ７０年代， 我国先后在琼、 桂、 湘、 川、 甘及东北等地建立了有关森林水文和生态方面 的试验站。 ８０年代初期， 马雪华在多地区研究森林 的采伐对河流流量和泥沙水质的影响。 与之同期的 黄秉维教授提出具有争论性的话题 “森林的作用”。 特别是四川 “８１．７” 特大洪灾后， 森林水文方面的 研究上升到了一个新的发展阶段。 自９０年代以来， 刘世荣、 温远光等研究人员以大尺度、 高层次水平 的层面， 系统地归纳分析我国１０多个森林生态试验 站及水文观测点数十年的科研成果， 使我国森林水 文研究步入了新的发展历程 。 ［２－２０］ 1.2 研究现状
林冠层所截留降水与蒸腾耗水的机制与大气、 土壤等多层界面紧密联系。 澳大利亚的Ｓｃｈｏｆｉｅｌｄ、 Ｐｒｅｂｂｌｅ等、 印度Ｓｉｎｇｈ等分别测得桉树、 银叶铁皮 树 （E.melanophloria）、 ３５ 年 生 雪 松 （Cedrusdeodara） 的 截 留量为降水的９ ％－１６ ％、 １１ ％、 ２５．２ ％。 此外， ３５年 生雪松在降水最大的７月、 最小的２月截留量分别为 １８．７ ％、 ６９．１ ％， 这些研究结果表明雨季的截留量 小于旱季； 热带林木截留量小于温带及寒带林木。 Ｐｌａｍｏｎｄｏｎ等研究指出 冷杉林（AbiesfabriCraib）的 截 留 量与其落叶量的增长呈反比， 与地被物率的增加呈 正 比 。 美 国Ｔｒｏｍｂｌｅ在 探 究 拉 瑞 阿 灌 木（Larreatridentata）截留与叶面积之间的定量关系方面， 其结果表 明叶面积与林冠截留关系最为密切［２－２１］。 据闫俊华［２１］ 研究森林生态系统对水循环动态过程的调节， 首先 是通过截留、 蒸散等途径实现， 这说明林冠层在界 面水分传输和水量转换上起着重要作用。 林冠截留 量的大小主要取决于林地叶面积指数和降水前林冠 的干燥程度。 降雨前， 若林带长期处于干旱状态， 降雨时林冠则能截留相当数量的雨水； 若林内前期 已有较大降水， 截留已达到极限值， 则截留量不再 增加。 另外， 同一林分的截留量会随着郁闭度的变 化而不同 。 Ｔｅｋｌｅｈａｉｍａｎｏｔ［２２］指 出 林 分 通 透 性 、 林 地湍流、 蒸发同截留量的变化一致。 据马雪华［２０］研
早在２０世纪初， 森林水文学作为一门单独研究 森林流域与水文关系的学科， 在森林砍伐对流域水 量影响方面的研究比较集中。 现代实验性森林水文 学 的 开 端 始 于 １９００ 年 瑞 士 Ｅｍｍｅｎｔａｌ 山 地 的 对 比 ２ 个 小型流域的试验。 １９４８年美国 学者Ｋｉｔｔｒｅｄｇｅ提出 森林水文学（ｆｏｒｅｓｔ ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ）这个学科术 语， 他把 森林对水分影响的重要方面， 如降水、 土壤水、 河 流、 洪水等单独称为森林水文学， 因此， 森林水文 成为一门边缘性的独立学科。 ２０世纪６０年代， 美国 生 态 学 家 Ｂｏｒｍａｎ 和 Ｌｉｋｅｎｓ 率 先 在 创 立 的 Ｈａｒｂｏａｒｄ Ｂｒｏｏｋ 试 验 站 应 用 小 集 水 区 技 术 法 从 事 森 林 水 文 研 究， 并试图从宏观角度阐明水文的时空变化规律， 建立基于森林水文物理过程的分布式参数模型。 他 们将森林生态系统定位观测与森林水文学研究相结 合， 从生态系统结构与功能的角度阐述森林水分运 动的规律和机制、 森林演替过程和森林环境变化对 水分循环的影响， 进而推动了森林水文学研究由定 性到定量、 由单项到综合的深层发展。 上世纪８０年 代以来， 森林水文学进入了一个全新的发展阶段， 研究森林水文作用的主要内容集中在对水分循环 量、 质及循环机制的影响； 并构建基于森林水文物 理 变 化 过 程 的 分 布 式 参 数 模 型 。 ２０世 纪９０年 代 以 后， 生态水文学已成为国际水文和生态研究的焦点 和热点。 ２１世纪初期， 以描述生态格局和生态过程 水文学机制的生态水文学逐渐兴起， 它注重研究生 态学和水文学的交叉领域。 我国近代森林水文研究
森林与水的关系一直是森林生态系统研究的中 心议题， 也是探索水文循环的重要内容。 森林水分 的时空分配、 传输转换及循环机制的影响问题是水 文研究的核心。 有效控制与合理改善森林生态系统 水 分 状 况 是 提 高 森 林 生 产 力 的 重 要 措 施 。 ［１－２］ 森 林 生态系统中各相关水分因子量的时空分配及转化形 式对当地生态环境和整个水分循环过程均产生较大 的影响。 从森林林冠层、 土壤层等不同界面层次中 水分截留、 蒸发、 储蓄、 下渗、 径流形成与汇集的 过程出发， 对系统地探讨森林水分的时空分布及其 蓄持、 运移、 转换机制、 森林生态结构对水分循环 的影响， 特别是在森林生态系统的可持续经营管理
② 刘 珉（１９８４－）， 女， 河南新乡人， 硕士研究生； 研究方向： 橡胶林生态系统水分平衡。 ③ 通讯作者。
－ １３ －
２０１２ 年 ２ 月
热带农业工程
第 ３６ 卷第 １ 期
律［３］。 森 林 水 循 环 是 陆 地 水 循 环 的 主 要 组 成 部 分 ， 它不但影响森林生态系统的结构、 功能及分布格 局， 还影响着各项水因子动态过程中的分配、 传输 与转换机制。 由此可见， 水循环在森林生态系统的 水分平衡过程中发挥着重要作用。 径流补给和涵养 水源不仅是森林水文功能的主要生态效应， 而且对 森林生产力、 养分循环等其它功能也产生影响。 因 此， 森林与水的关系仍是当今生态学与水文学研究 的中心议题 。 ［４－１０］ 森林生态系 统中水分由 于森林的 影响而表现出来的降雨、 林冠截留、 树干茎流、 蒸 散、 地表径流等时空分配的动态过程即森林的水文 响应［１１］。 森林水循环研究主要在于揭示森林水文特 征， 为探讨水分运动过程机制提供基础资料， 也是 当 前 森 林 水 文 学 研 究 中 的 一 个 重 要 方 面 ［１２］。
及水资源的合理开发利用方面， 从理论基础的角度 阐明森林生态建设的水文循环特征及效应评价问题。
1 国内外森林水文的发展概况 1.1 发展简史
水是地球上一切生命的源泉， 也是森林生态系 统物质循环中不可或缺的因素之一。 森林水文学是 研究森林和水关系的学科， 主要目的是探索研究森 林植被对水分循环的影响及森林水文循环的整个动 态变化过程， 即通过测定森林水分收支的各项因子 量以探知雨量在森林中时空分布规律及流域内水文 效应的特征， 进而阐明林地生态系统的水文功能规
刘 珉 等 森林生态系统水循环研究概述
当前， 随着高新技术的发展， 森林水文的研究 方法也在不断更新， 其中涡度相关技术是一种测定 近地表层水热通量较为精准的方法， 所获取的观测 数据得到微气象学、 水文学、 地理学和生态学研究 工作者和专家们的广泛认可， 并已成为检验各种模 型估算精度的权威资料［１０］， 它在国内外森林水文研 究中的投入运作、 观测探索和应用发展等诸多方面 起着重要的引领作用。
关于森林生态系统水量平衡、 森林流域内降水 的分配及森林对水质的影响， 国内外水文工作者对 其积极开展了研究和探索， 并取得了骄人的成绩。 其中， 一致认为运用对比流域的试验方法是最有效 的研究手段［１４］。 ２０世纪５０年代以来， 国内外森林水 文工作者为探索森林流域内水文的作用开展了颇有 成就的探索。 其中， 关于森林植被截留降雨的研究 十分活跃， 并取得了一系列有价值的成果， 特别是 林冠截留的研究从理论到模型已经获得相对成熟的 结果。 我国自１９８９年以来在森林水文研究方面取得 了较多成果， 其研究方向主要体现在森林的综合水 文效应、 森林区域的水分循环和水量平衡、 森林对 降水的影响、 森林蒸散发、 森林对径流的作用、 森 林对水质的影响、 通过模拟研究建立森林水文模 型、 气候变化对森林水文的影响等。 由于我国森林 水文定位监测的时间较短， 数据不足， 难以充分阐 释问题， 观测方法及手段尚存在缺陷。 目前已取得 的研究成果多为定性研究和典型区域研究， 森林水 文要素的单项研究较多， 综合系统性的定位研究 少， 同国外的研究相比还存在较大差距。 因此， 加 强对不同区域典型的森林生态系统水文过程与生态 学过程及相关因子的长期定位观测与研究， 长期积 累连续的森林植被与水分循环研究的数据显得十分 必 要 ［４－１９］。
５７１７３７；
２海
南
大
学 海南儋州 ５７１７３７）
摘 要 森林是一个复杂的生态系统， 森林水循环是陆地水循环的重要组成部分， 也是历来森林水文研究的热 点。 基于近几年有关森林水循环的研究成果， 简要介绍森林水文的发展历史， 概述森林在大气层、 林冠层、 地被 层、 土壤层等不同界面层的水文现象及蒸散的主要研究成果， 并初步探析我国森林水文研究的发展趋势。 关键词 森林 ； 水文循环 ； 研究现状 ； 发展趋势 中图分类号 Ｓ７１５－３
① 基 金 项目 ： 中 国 热带 农 业 科学 院 橡 胶研 究 所 基本 科 研 业 务 费 专 项（Ｎｏ．１６３００２２０１１０１３）； 农 业 部 儋 州 热 带 作 物 科 学 观 测 实验站运行费资助项目。 收稿日期： ２０１２－０１－０６ 责任编辑／黄东杰 Ｅ－ｍａｉｌ： ｒｎｇｃｒｎｇｃ３＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ。
用， 但前苏联学者认为森林可增加降水， 并可增加 河 水 流 量 。 ［４－７］ 但 就 其 整 体 趋 势 而 言 ， 有 关 森 林 生 态系统对水量和水质方面的影响主要表现在林冠截 留、 蒸散发、 地表径流、 下渗与渗透、 森林生态系 统水分平衡等方面。 2.1 林冠截留
Review of Hydrologic Cycle of Forest Ecosystem
LIU Min1，2) WU Zhixiang1) (1 Rubber Research Institute / Ministry of Agriculture Danzhou Investigation and Experiment Station of Tropical
２０１２ 年 ２ 月 Feb． 2012
热带农业工程 TROPICAL AGRICULTURAL ENGINEERING
第 ３６ 卷第 １ 期 Vol．36, NoLeabharlann Baidu1
森林生态系统水循环研究概述①
刘 珉1，2)② 吴志祥1)③
（１
中国热带农业科学院橡胶研究所 农业部儋州热带作物科学观测实验站
海南儋州
Crops, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Danzhou, Hainan 571737; 2 Hainan University, Danzhou, Hainan 571737)
Abstract Forest is a very complicated ecosystem, and forest hydrologic cycle is an important part of water cycle, as well as a hot spot of forest hydrology. On the basis of the research findings of forest hydrology, this article briefly introduced the history of forest hydrology, and summarized the main studying results of the hydrology in aerosphere, canopy, ground, soil layer, and evapotranspiration. Besides, this article analyzed the trend of the study on forest hydrology. Key words forest ; hydrologic cycle ; research status ; development trend
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始 于 ２０ 世 纪 ２０ 年 代 。 罗 德 民 、 李 德 毅 等 学 者 在 １９２４－１９２６年期间分别研究了鲁、 晋地区不 同森林 植被对雨季径流和水土保持效应的影响 。 ６０年代， 我国金栋梁学者研究了大范围的长江流域森林对径 流产流的影响。 ７０年代， 我国先后在琼、 桂、 湘、 川、 甘及东北等地建立了有关森林水文和生态方面 的试验站。 ８０年代初期， 马雪华在多地区研究森林 的采伐对河流流量和泥沙水质的影响。 与之同期的 黄秉维教授提出具有争论性的话题 “森林的作用”。 特别是四川 “８１．７” 特大洪灾后， 森林水文方面的 研究上升到了一个新的发展阶段。 自９０年代以来， 刘世荣、 温远光等研究人员以大尺度、 高层次水平 的层面， 系统地归纳分析我国１０多个森林生态试验 站及水文观测点数十年的科研成果， 使我国森林水 文研究步入了新的发展历程 。 ［２－２０］ 1.2 研究现状
林冠层所截留降水与蒸腾耗水的机制与大气、 土壤等多层界面紧密联系。 澳大利亚的Ｓｃｈｏｆｉｅｌｄ、 Ｐｒｅｂｂｌｅ等、 印度Ｓｉｎｇｈ等分别测得桉树、 银叶铁皮 树 （E.melanophloria）、 ３５ 年 生 雪 松 （Cedrusdeodara） 的 截 留量为降水的９ ％－１６ ％、 １１ ％、 ２５．２ ％。 此外， ３５年 生雪松在降水最大的７月、 最小的２月截留量分别为 １８．７ ％、 ６９．１ ％， 这些研究结果表明雨季的截留量 小于旱季； 热带林木截留量小于温带及寒带林木。 Ｐｌａｍｏｎｄｏｎ等研究指出 冷杉林（AbiesfabriCraib）的 截 留 量与其落叶量的增长呈反比， 与地被物率的增加呈 正 比 。 美 国Ｔｒｏｍｂｌｅ在 探 究 拉 瑞 阿 灌 木（Larreatridentata）截留与叶面积之间的定量关系方面， 其结果表 明叶面积与林冠截留关系最为密切［２－２１］。 据闫俊华［２１］ 研究森林生态系统对水循环动态过程的调节， 首先 是通过截留、 蒸散等途径实现， 这说明林冠层在界 面水分传输和水量转换上起着重要作用。 林冠截留 量的大小主要取决于林地叶面积指数和降水前林冠 的干燥程度。 降雨前， 若林带长期处于干旱状态， 降雨时林冠则能截留相当数量的雨水； 若林内前期 已有较大降水， 截留已达到极限值， 则截留量不再 增加。 另外， 同一林分的截留量会随着郁闭度的变 化而不同 。 Ｔｅｋｌｅｈａｉｍａｎｏｔ［２２］指 出 林 分 通 透 性 、 林 地湍流、 蒸发同截留量的变化一致。 据马雪华［２０］研
早在２０世纪初， 森林水文学作为一门单独研究 森林流域与水文关系的学科， 在森林砍伐对流域水 量影响方面的研究比较集中。 现代实验性森林水文 学 的 开 端 始 于 １９００ 年 瑞 士 Ｅｍｍｅｎｔａｌ 山 地 的 对 比 ２ 个 小型流域的试验。 １９４８年美国 学者Ｋｉｔｔｒｅｄｇｅ提出 森林水文学（ｆｏｒｅｓｔ ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ）这个学科术 语， 他把 森林对水分影响的重要方面， 如降水、 土壤水、 河 流、 洪水等单独称为森林水文学， 因此， 森林水文 成为一门边缘性的独立学科。 ２０世纪６０年代， 美国 生 态 学 家 Ｂｏｒｍａｎ 和 Ｌｉｋｅｎｓ 率 先 在 创 立 的 Ｈａｒｂｏａｒｄ Ｂｒｏｏｋ 试 验 站 应 用 小 集 水 区 技 术 法 从 事 森 林 水 文 研 究， 并试图从宏观角度阐明水文的时空变化规律， 建立基于森林水文物理过程的分布式参数模型。 他 们将森林生态系统定位观测与森林水文学研究相结 合， 从生态系统结构与功能的角度阐述森林水分运 动的规律和机制、 森林演替过程和森林环境变化对 水分循环的影响， 进而推动了森林水文学研究由定 性到定量、 由单项到综合的深层发展。 上世纪８０年 代以来， 森林水文学进入了一个全新的发展阶段， 研究森林水文作用的主要内容集中在对水分循环 量、 质及循环机制的影响； 并构建基于森林水文物 理 变 化 过 程 的 分 布 式 参 数 模 型 。 ２０世 纪９０年 代 以 后， 生态水文学已成为国际水文和生态研究的焦点 和热点。 ２１世纪初期， 以描述生态格局和生态过程 水文学机制的生态水文学逐渐兴起， 它注重研究生 态学和水文学的交叉领域。 我国近代森林水文研究
森林与水的关系一直是森林生态系统研究的中 心议题， 也是探索水文循环的重要内容。 森林水分 的时空分配、 传输转换及循环机制的影响问题是水 文研究的核心。 有效控制与合理改善森林生态系统 水 分 状 况 是 提 高 森 林 生 产 力 的 重 要 措 施 。 ［１－２］ 森 林 生态系统中各相关水分因子量的时空分配及转化形 式对当地生态环境和整个水分循环过程均产生较大 的影响。 从森林林冠层、 土壤层等不同界面层次中 水分截留、 蒸发、 储蓄、 下渗、 径流形成与汇集的 过程出发， 对系统地探讨森林水分的时空分布及其 蓄持、 运移、 转换机制、 森林生态结构对水分循环 的影响， 特别是在森林生态系统的可持续经营管理
② 刘 珉（１９８４－）， 女， 河南新乡人， 硕士研究生； 研究方向： 橡胶林生态系统水分平衡。 ③ 通讯作者。
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２０１２ 年 ２ 月
热带农业工程
第 ３６ 卷第 １ 期
律［３］。 森 林 水 循 环 是 陆 地 水 循 环 的 主 要 组 成 部 分 ， 它不但影响森林生态系统的结构、 功能及分布格 局， 还影响着各项水因子动态过程中的分配、 传输 与转换机制。 由此可见， 水循环在森林生态系统的 水分平衡过程中发挥着重要作用。 径流补给和涵养 水源不仅是森林水文功能的主要生态效应， 而且对 森林生产力、 养分循环等其它功能也产生影响。 因 此， 森林与水的关系仍是当今生态学与水文学研究 的中心议题 。 ［４－１０］ 森林生态系 统中水分由 于森林的 影响而表现出来的降雨、 林冠截留、 树干茎流、 蒸 散、 地表径流等时空分配的动态过程即森林的水文 响应［１１］。 森林水循环研究主要在于揭示森林水文特 征， 为探讨水分运动过程机制提供基础资料， 也是 当 前 森 林 水 文 学 研 究 中 的 一 个 重 要 方 面 ［１２］。
及水资源的合理开发利用方面， 从理论基础的角度 阐明森林生态建设的水文循环特征及效应评价问题。
1 国内外森林水文的发展概况 1.1 发展简史
水是地球上一切生命的源泉， 也是森林生态系 统物质循环中不可或缺的因素之一。 森林水文学是 研究森林和水关系的学科， 主要目的是探索研究森 林植被对水分循环的影响及森林水文循环的整个动 态变化过程， 即通过测定森林水分收支的各项因子 量以探知雨量在森林中时空分布规律及流域内水文 效应的特征， 进而阐明林地生态系统的水文功能规
刘 珉 等 森林生态系统水循环研究概述
当前， 随着高新技术的发展， 森林水文的研究 方法也在不断更新， 其中涡度相关技术是一种测定 近地表层水热通量较为精准的方法， 所获取的观测 数据得到微气象学、 水文学、 地理学和生态学研究 工作者和专家们的广泛认可， 并已成为检验各种模 型估算精度的权威资料［１０］， 它在国内外森林水文研 究中的投入运作、 观测探索和应用发展等诸多方面 起着重要的引领作用。
关于森林生态系统水量平衡、 森林流域内降水 的分配及森林对水质的影响， 国内外水文工作者对 其积极开展了研究和探索， 并取得了骄人的成绩。 其中， 一致认为运用对比流域的试验方法是最有效 的研究手段［１４］。 ２０世纪５０年代以来， 国内外森林水 文工作者为探索森林流域内水文的作用开展了颇有 成就的探索。 其中， 关于森林植被截留降雨的研究 十分活跃， 并取得了一系列有价值的成果， 特别是 林冠截留的研究从理论到模型已经获得相对成熟的 结果。 我国自１９８９年以来在森林水文研究方面取得 了较多成果， 其研究方向主要体现在森林的综合水 文效应、 森林区域的水分循环和水量平衡、 森林对 降水的影响、 森林蒸散发、 森林对径流的作用、 森 林对水质的影响、 通过模拟研究建立森林水文模 型、 气候变化对森林水文的影响等。 由于我国森林 水文定位监测的时间较短， 数据不足， 难以充分阐 释问题， 观测方法及手段尚存在缺陷。 目前已取得 的研究成果多为定性研究和典型区域研究， 森林水 文要素的单项研究较多， 综合系统性的定位研究 少， 同国外的研究相比还存在较大差距。 因此， 加 强对不同区域典型的森林生态系统水文过程与生态 学过程及相关因子的长期定位观测与研究， 长期积 累连续的森林植被与水分循环研究的数据显得十分 必 要 ［４－１９］。
５７１７３７；
２海
南
大
学 海南儋州 ５７１７３７）
摘 要 森林是一个复杂的生态系统， 森林水循环是陆地水循环的重要组成部分， 也是历来森林水文研究的热 点。 基于近几年有关森林水循环的研究成果， 简要介绍森林水文的发展历史， 概述森林在大气层、 林冠层、 地被 层、 土壤层等不同界面层的水文现象及蒸散的主要研究成果， 并初步探析我国森林水文研究的发展趋势。 关键词 森林 ； 水文循环 ； 研究现状 ； 发展趋势 中图分类号 Ｓ７１５－３
① 基 金 项目 ： 中 国 热带 农 业 科学 院 橡 胶研 究 所 基本 科 研 业 务 费 专 项（Ｎｏ．１６３００２２０１１０１３）； 农 业 部 儋 州 热 带 作 物 科 学 观 测 实验站运行费资助项目。 收稿日期： ２０１２－０１－０６ 责任编辑／黄东杰 Ｅ－ｍａｉｌ： ｒｎｇｃｒｎｇｃ３＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ。