陳勝男,胡鈞銘,徐憲立,韋翔華,何鐵光
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綠肥壓青粉壟保護(hù)性耕作對土壤水分入滲及其后延效應(yīng)的影響*
陳勝男1,2,胡鈞銘2**,徐憲立3,韋翔華1,何鐵光2
(1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院,南寧 530004;2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,南寧 530007;3.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長沙 410125)
研究綠肥壓青下粉壟耕作稻田土壤水分入滲規(guī)律對完善稻田保護(hù)性耕作體系具有重要意義。2016?2017年,在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田設(shè)置粉壟保護(hù)性耕作與單免保護(hù)性耕作兩種耕作模式,并設(shè)不施肥、常規(guī)施肥、單倍綠肥壓青和雙倍綠肥壓青4種施肥處理,然后分別于早稻、晚稻收獲后用土壤緊實(shí)度儀及單環(huán)入滲法測量稻田土壤緊實(shí)度及穩(wěn)定入滲速率,并于晚稻水稻收獲后用環(huán)刀法測定土壤容重,以了解綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作對當(dāng)季稻田土壤入滲的影響,并就其對后季稻田的后延效應(yīng)影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明,綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作對當(dāng)季和后季稻田0?15cm土壤緊實(shí)度的影響不明顯,但是可以顯著降低15?30cm土壤緊實(shí)度。同時(shí)顯著降低了當(dāng)季及后季土壤表層及耕層的穩(wěn)定入滲率,使土壤入滲能力降低,提高了土壤容重,降低了土壤孔隙度,使土壤密實(shí)。綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作可顯著降低后季稻田土壤穩(wěn)定入滲率和緊實(shí)度,對土壤結(jié)構(gòu)及水分入滲的后延效應(yīng)明顯。
粉壟;保護(hù)性耕作;綠肥壓青;土壤緊實(shí)度;土壤入滲
施肥和耕作是提高作物產(chǎn)量的重要措施。20世紀(jì)以來,隨著人口和工業(yè)迅猛發(fā)展,愈演愈烈的人地矛盾使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過分依賴化肥投入來保障持續(xù)高產(chǎn)[1]?;蔬^量投入不僅造成肥效降低,生產(chǎn)成本增大,而且養(yǎng)分流失污染地下水,容易導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤理化性狀惡化,誘發(fā)溫室效應(yīng)等嚴(yán)重的環(huán)境問題[2?4]。目前,中國稻田耕作多采用傳統(tǒng)淺耕和免耕方式,長期淺免耕會(huì)導(dǎo)致土壤犁底層變厚上移,耕層變淺,土壤結(jié)構(gòu)退化[5?6]。耕地屬半自然生態(tài)系統(tǒng),具有重要的生態(tài)功能,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展,必須站在糧食安全、食物安全、生態(tài)安全角度高度重視耕地質(zhì)量保護(hù)問題[7?8]。土壤水分是土壤中水溶性成分的運(yùn)輸載體[9],土壤入滲是降水或灌溉水轉(zhuǎn)化為土壤水或地下水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[10],在不同的農(nóng)業(yè)區(qū)域小氣候條件下,入滲速率快慢影響土壤結(jié)構(gòu)與作物生長。隨著國家農(nóng)田化肥減量戰(zhàn)略實(shí)施,探索土壤有機(jī)質(zhì)提升新方法、新模式,穩(wěn)定提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,保育耕地,提高耕地質(zhì)量,增加糧食生產(chǎn)能力,實(shí)現(xiàn)藏糧于地已成為一個(gè)重要有待解決的問題。
綠肥為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)精華,壓青還田,不僅能夠補(bǔ)充作物生長所需的養(yǎng)分,更重要的作用是能夠活化土壤腐殖質(zhì),改善土壤通透性[11?15]。粉壟深旋耕打破土壤耕作層和犁底層,營造適于根系生長的土壤環(huán)境,被廣泛應(yīng)用到旱田耕作[16]。保護(hù)性耕作可以減緩?fù)寥狼治g,改善土壤質(zhì)量,提高養(yǎng)分和水分利用率,是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要生產(chǎn)體系[17?18]。
目前關(guān)于稻田粉壟、綠肥壓青還田的研究較多,但以往研究多將綠肥與粉壟獨(dú)立分析,將二者結(jié)合保護(hù)性耕作的研究較少。開展綠肥壓青條件下粉壟耕作后稻田土壤緊實(shí)度、土壤容重、土壤總孔隙度及土壤穩(wěn)定入滲率的累積效應(yīng)研究,對于明確綠肥壓青下粉壟耕作稻田地表及土壤的水分存儲(chǔ)、運(yùn)移規(guī)律及稻作節(jié)水灌溉具有重要意義,研究結(jié)果可為完善稻田保護(hù)性耕作體系,調(diào)控土壤耕層質(zhì)量,促進(jìn)稻作保水增產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)于2016?2017年在廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所實(shí)驗(yàn)田進(jìn)行。該地區(qū)位于北回歸線南側(cè),屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫21.6℃,年均降水量達(dá)1304.2mm,相對濕度約79 %。供試綠肥為紫云英,其干基養(yǎng)分含為N 2.7 %,P2O50.65 %,K2O 2.5 %。于稻田耕作前取土,測定土壤背景值,供試土壤pH6.6,全氮1.80g·kg?1,全磷0.918g·kg?1,全鉀7.43g·kg?1,有效磷37.9mg·kg?1,有機(jī)質(zhì)24.5g·kg?1,水解性氮131mg·kg?1,速效鉀97.8mg·kg?1。
壓青綠肥為稻田冬綠肥紫云英,于2016年水稻收獲前播種,在2017年秋季稻田耕作時(shí)直接翻壓入田。實(shí)驗(yàn)設(shè)2種耕作方式與4種施肥水平,完全方案設(shè)計(jì),共8個(gè)處理。兩種耕作措施分別為,(1)單免保護(hù)性耕作(CT),即早稻采用常規(guī)耕作措施,翻耕深度約為20cm,晚稻采用免耕耕作方式。(2)粉壟保護(hù)性耕作(SR),即在早稻采用粉壟耕作,利用垂直螺旋型鉆頭刀片快速橫向切割土壤碎土,打破土壤耕作層和犁底層,一次性完成自然懸浮成壟,將土壤耕層加深至30cm[16],晚稻采用免耕耕作方式。小區(qū)肥料以常規(guī)施肥的施氮量為N 240kg·hm?2,氮、磷、鉀按N:P2O5:K2O = 1:0.5:1的比例配施,設(shè)置4種施肥水平,分別為:(1)對照(CK),不翻壓綠肥,不施化肥;(2)常規(guī)施肥(CF),化肥施用量為常規(guī)施肥水平;(3)單倍綠肥壓青(AC),即將本小區(qū)紫云英全部翻壓入田,再配施化肥,使小區(qū)養(yǎng)分投入與CF相等;(4)雙倍綠肥壓青(DC),即翻壓AC處理的雙倍綠肥,再配施化肥,使小區(qū)養(yǎng)分投入與CF相等。綠肥按照設(shè)計(jì)用量翻壓,同時(shí)移出田間多余綠肥。各處理具體設(shè)置見表1。
各小區(qū)面積為46m2,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。供試水稻品種為三系秈型超級稻特優(yōu)582,插秧采用每穴兩株插苗,株行距為12cm′24cm,早稻于2017年4月13日移栽,晚稻于8月11日移栽。保護(hù)性耕作在水稻插秧前進(jìn)行,前茬水稻收割后,各小區(qū)均采取免耕方式,直接栽插晚稻。各處理按照常規(guī)大田超級稻高產(chǎn)栽培措施管理。
表1 小區(qū)實(shí)驗(yàn)處理設(shè)置
用環(huán)刀法測定土壤容重,土壤總孔隙度f根據(jù)土壤容重計(jì)算,即
水稻收獲后,挑選無降雨天氣測量土壤緊實(shí)度和土壤穩(wěn)定入滲率。土壤緊實(shí)度(kPa)采用SC-900便攜式土壤緊實(shí)度儀進(jìn)行測定,每2.5cm記錄一次,每個(gè)小區(qū)重復(fù)10次,取平均值。土壤入滲率采用單環(huán)入滲測定法[10],在稻田表層(簡稱表層)和耕層15cm(簡稱耕層)處將PVC單環(huán)垂直慢慢壓入土中,用定量178mL取水器向單環(huán)中快速注水,同時(shí)秒表開始計(jì)時(shí),待水分全部滲入地下,停止計(jì)時(shí),重復(fù)此步驟直至連續(xù)注入3次(或者以上)的時(shí)間相同時(shí),視為入滲達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),即停止實(shí)驗(yàn)。此時(shí)的入滲率即為土壤穩(wěn)定入滲率(i),其計(jì)算方法為
用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及作圖,用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和SPSS軟件比較處理間的差異顯著性。
由圖1a可見,在常規(guī)耕作不施肥(C1)和純施化肥(C2)處理中,表層土壤的穩(wěn)定入滲率均顯著高于耕作層,采用粉壟耕作后,不施肥處理(F1)和純施化肥(F2)處理中表層及耕層土壤入滲率均明顯降低,且純施化肥處理降低幅度明顯大于不施肥處理,說明不施肥和純施化肥條件下采用粉壟耕作會(huì)降低當(dāng)季稻田中土壤的穩(wěn)定入滲率;在常規(guī)耕作方式下,加入壓青綠肥替代部分化肥后(C3、C4),與不施肥(C1)和純施化肥(C2)處理相比,耕層土壤入滲率稍降低,單倍綠肥壓青(C3)處理表層土壤顯著低于不施肥(C1)和純施化肥(C2)處理(P<0.05),而雙倍綠肥壓青(C4)處理表層土壤穩(wěn)定入滲率顯著提高(P<0.05)。說明常規(guī)耕作條件下,配施綠肥可降低當(dāng)季稻田中耕層土壤的穩(wěn)定入滲率,綠肥壓青量低時(shí),會(huì)降低土壤表層入滲率,壓青量高則可提高土壤表層入滲率;采用綠肥壓青粉壟保護(hù)性耕作方式下(F3、F4),當(dāng)季早稻田中表層土壤入滲率稍高于耕層土壤,F(xiàn)4處理表層及耕層土壤穩(wěn)定入滲率均高于F3處理。F3處理表層和耕層土壤穩(wěn)定入滲率均為各處理中最低水平,說明綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作可以降低當(dāng)季稻田表層及耕層土壤的穩(wěn)定入滲率,壓青量低時(shí)效果更明顯。
早稻收獲后,各處理稻田均采用免耕措施、常規(guī)施肥方式種植晚稻,收獲后觀測各處理表層和耕層土壤入滲率,以分析綠肥壓青保護(hù)性耕作的后延效應(yīng),結(jié)果見圖1b。由圖可見,同一耕作處理中,晚稻收獲后田間表層和耕層的土壤穩(wěn)定入滲率均明顯低于早稻田,早稻田表層入滲率是同一處理中晚稻田表層入滲率的3.12~25.75倍,耕層入滲率是同一處理中早稻田入滲率的1.47~6.59倍,這可能與早稻田入滲率觀測時(shí)降雨過多有關(guān),但不影響同一時(shí)期各耕作處理間的比較。
對比圖1b中可見,與早稻田相同,單免保護(hù)性耕作下不施肥(C1)和純施化肥(C2)處理中,表層土壤的穩(wěn)定入滲率均顯著高于耕作層,粉壟保護(hù)性耕作后,不施肥處理(F1)中表層土壤入滲率明顯降低(P<0.05),耕層土壤入滲率升高,純施化肥(F2)處理中表層入滲率變化不明顯,耕層土壤入滲率明顯升高,說明粉壟保護(hù)性耕作對后季晚稻田土壤入滲有后延的促進(jìn)作用;在常規(guī)耕作方式下,加入壓青綠肥替代部分化肥(C3、C4)后,與不施肥(C1)和純施化肥(C2)處理相比,表層土壤入滲率明顯降低,耕層土壤入滲率提高,且C4的這種變化幅度大于C3處理,說明綠肥壓青對后季稻田土壤表層入滲具有后延阻滯作用,對耕層土壤入滲具有后延促進(jìn)作用;采用綠肥壓青粉壟保護(hù)性耕作方式(F3、F4)處理中,后季晚稻田中表層與耕層土壤入滲率無明顯差異,且均明顯低于其它處理,說明綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作對后季稻田土壤表層及耕層土壤入滲具有明顯的后延阻滯作用。
圖1 不同處理早、晚稻收獲后各層土壤穩(wěn)定入滲率觀測結(jié)果的對比
注:耕層為15cm。小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。短線為誤差線。下同。
Note: Plough is 15cm layer. Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The short lines are error lines. The same as below.
圖2為早、晚兩季水稻收獲期,各處理土壤緊實(shí)度與土壤深度的關(guān)系。由圖2a可見,在常規(guī)耕作不施肥(C1)和純施化肥(C2)處理中,耕層(0?15cm)土壤緊實(shí)度顯著低于下土層(15?35 cm),采用粉壟耕作后,不施肥(F1)和純施化肥(F2)處理,與常耕下(C1、C2)處理相比,耕層土壤緊實(shí)度基本一致,下土層土壤緊實(shí)度顯著降低,說明粉壟耕作可有效降低當(dāng)季稻田下層土壤緊實(shí)度;在常規(guī)耕作方式下,加入壓青綠肥替代部分化肥后(C3、C4處理)與不施肥(C1)和純施綠肥(C2)相比,C3處理稻田耕層和下土層土壤緊實(shí)度明顯降低,C4處理耕層土壤緊實(shí)度變化不大,下土層土壤緊實(shí)度明顯降低,說明綠肥壓青可有效降低當(dāng)季土壤下土層土壤緊實(shí)度,且在壓青量為單倍時(shí),也可以降低稻田耕層土壤緊實(shí)度。采用綠肥壓青粉壟保護(hù)性耕作方式下(F3、F4),當(dāng)季早稻中耕層和下土層中土壤緊實(shí)度基本一致,兩者間無顯著差異,且明顯低于其它處理,說明綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作可降低當(dāng)季稻田下土層土壤緊實(shí)度。
對比圖2a、圖2b可見,晚稻收獲期土壤緊實(shí)度均小于早稻收獲期,這可能是由于兩季水稻收獲期稻田土壤含水量不同,但這不影響同季各處理間的比較。
由圖2b所示,與早稻田相同,晚稻田在常規(guī)耕作不施肥(C1)和純施化肥(C2)處理中,耕層(0? 15cm)土壤緊實(shí)度顯著低于下土層(15?35cm),粉壟保護(hù)性耕作兩處理(F1、F2)中耕層土壤緊實(shí)度與單免處理(C1、C2)基本一致,下土層土壤緊實(shí)度明顯降低,說明粉壟耕作會(huì)使當(dāng)季稻田土壤疏松,并且這種變化會(huì)后延至下一季;在常規(guī)耕作中加入壓青綠肥替代部分化肥(C3、C4)處理中,表層和耕層土壤緊實(shí)度與不施肥(C1)和純施化肥(C2)基本一致,說明綠肥壓青對后季稻田土壤緊實(shí)度無明顯影響;采用綠肥壓青粉壟保護(hù)性耕作方式(F3、F4)處理中,后季稻田中耕層和下土層中土壤緊實(shí)度基本一致,兩者間無顯著差異,耕層土壤緊實(shí)度略高于其它處理,下土層土壤緊實(shí)度明顯低于其它處理,說明綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作對后季稻田下土層土壤有后延疏松作用。
圖2 兩季水稻收獲后各處理土壤剖面緊實(shí)度變化
考慮耕作對土壤全年累積效應(yīng)的影響,對晚稻土壤容重及土壤總孔隙度的研究發(fā)現(xiàn)(表2),晚稻收獲后,粉壟保護(hù)性耕作處理(F1、F2)的土壤容重均高于常規(guī)耕作(C1、C2)處理(P<0.05),而土壤總孔隙度則相反,均低于常規(guī)耕作(C1、C2)(P<0.05),說明粉壟耕作對后季稻田表層土壤有后延密實(shí)作用;在單免保護(hù)性耕作方式下,加入綠肥替代部分化肥后(C3、C4處理),與不施肥(C1)和純施化肥(C2)處理相比,土壤容重顯著下降,孔隙度上升,說明綠肥壓青可有效降低后季稻田土壤容重,提高孔隙度。
采用綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作方式下處理(F3、F4),后季稻田收獲期,土壤容重和土壤孔隙度均無顯著差異,兩處理土壤容重高于常規(guī)耕作處理(C1、C2、 C3、 C4),但低于粉壟耕作不施肥(F1)和純施化肥(F2)處理,而總孔隙度表現(xiàn)與土壤容重相反,說明綠肥壓青粉壟保護(hù)性耕作對土壤容重、孔隙的變化存在后延的緩沖效應(yīng)。
表2 不同處理晚稻收獲后土壤容重及含水量等的比較
土壤健康耕層結(jié)構(gòu)是作物增產(chǎn)的重要基礎(chǔ)[19],本研究結(jié)果表明,綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作可顯著降低當(dāng)季稻田表層穩(wěn)定入滲率,使土壤入滲能力降低,同時(shí)提高土壤容重,降低土壤孔隙度,使土壤密實(shí)。這會(huì)造成土壤氧氣供應(yīng)不足,阻止水分入滲,降低化肥的利用率,使得植物根系生長阻力變大,導(dǎo)致作物減產(chǎn)[20?21]。分析其原因,一是因?yàn)榉蹓鸥魇沟咎锿寥朗杷桑咎锊煌诤堤?,長期處于淹水狀態(tài),積水會(huì)破壞土壤表層結(jié)構(gòu),使其密實(shí),造成土壤導(dǎo)水孔隙封閉,從而降低土壤入滲能力,使得土壤容重增加,孔隙度下降;二是由于粉壟作為高動(dòng)力深耕型耕作方式,應(yīng)用到水田擾動(dòng)了稻田原有耕層結(jié)構(gòu),打破了犁底層,造成土壤上下懸浮交換,引起土壤表層容重增大。
耕層土壤中,綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作可顯著降低當(dāng)季稻田土壤緊實(shí)度,同時(shí)降低土壤穩(wěn)定入滲速率。這與莫斌等[22?23]研究結(jié)果有所不同。分析其原因,下層土壤受土壤表層積水影響較小,疏松的土壤結(jié)構(gòu)未被破壞或破壞程度較小,故土壤緊實(shí)度會(huì)下降。而稻田長期積水會(huì)造成土壤含水量較高,進(jìn)而導(dǎo)致土壤水分入滲能力下降。
綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作除影響當(dāng)季水稻土壤性狀外,對后季土壤影響存在一定的后延效應(yīng)。有研究表明,翻壓紫云英可減少化肥施用,從而降低面源污染,對生態(tài)環(huán)境保護(hù)有積極意義[24],甘秀芹等研究表明,粉壟耕作當(dāng)季增產(chǎn),對后季產(chǎn)量仍有影響[25?26]。本研究結(jié)果表明,綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作不僅降低當(dāng)季稻田土壤的穩(wěn)定入滲速率及緊實(shí)度,還可以顯著降低后季稻田土壤的穩(wěn)定入滲率和土壤緊實(shí)度,因此,綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作對稻田結(jié)構(gòu)的影響具有明顯的后延效應(yīng),這在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,可起到節(jié)耕、節(jié)本、節(jié)能的作用。土壤結(jié)構(gòu)和性狀的變化是一個(gè)漫長的過程,并受耕作、氣候、栽培管理等各種因素的影響,因此,本研究結(jié)果仍需要在不同耕作環(huán)境下進(jìn)一步開展定位試驗(yàn)驗(yàn)證。
綠肥壓青下粉壟保護(hù)性耕作措施可以影響當(dāng)季及后季土壤穩(wěn)定入滲率、緊實(shí)度、土壤容重及土壤總孔隙度,后延效應(yīng)明顯。綠肥壓青下粉壟耕作有利于提高土壤耕層蓄水力,且因具有后延效應(yīng),可減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入,完善保護(hù)性耕作體系。
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Effect of Smash Ridging Conservation Tillage with Green Manure on Rice Field Soil Infiltration and Its Delayed Action
CHEN Sheng-nan1,2, HU Jun-ming2, XU Xian-li3, WEI Xiang-hua1, HE Tie-guang2
(1. Agricultural College, Guangxi University, Nanning 530004,China;2. Agricultural Resource and Environment Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007; 3. Institute of Subtropical Agriculture, The Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125)
Studying the smash riding conservation tillage with green manure on rice filed soil infiltration is playing an importance role in improving the conservation tillage systems on rice field. In order to find out the effect of smash ridging conservation tillage with green manure on rice field soil infiltration in first season and its delayed action, a field experiment was carried out under 2 tillage modes and 4 manuring modes in Guangxi Academy of Agricultural Sciences from 2016 to 2017. The study measured the soil compaction and soil infiltration by SC-900 and single ring after early and late rice harvesting, and used cutting ring to measure the soil bulk density after late rice harvesting. The results showed that smash ridging conservation tillage with green manure had no significant effect on 0?15cm soil compaction, and can reduce plough layer soil compaction. At the same time, smash ridging conservation tillage with green manure can reduce soil stable infiltration rate in first season and second season, which result to soil infiltration capacity fell. Smash ridging conservation tillage with green manure increased soil bulk density and reduced soil porosity, which made soil ramming. Smash ridging conservation tillage with green manure had significantly effect on soil infiltration and soil structure in second season.
Smash ridging; Conservation tillage; Green manuring; Soil compaction; Soil infiltration
10.3969/j.issn.1000-6362.2018.12.002
陳勝男,胡鈞銘,徐憲立,等.綠肥壓青粉壟保護(hù)性耕作對土壤水分入滲及其后延效應(yīng)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(12):778-785
*2018?07?23
通訊作者。E-mail:jmhu06@126.com
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41661074);廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)重大專項(xiàng)(桂科AA17204078-2;桂科AA17204037-3);廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(桂農(nóng)科2018YT08);廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技發(fā)展專項(xiàng)(桂農(nóng)科2017JZ09;桂農(nóng)科2017ZX01)
陳勝男(1996?),女,碩士生,主要從事土壤環(huán)境生態(tài)研究。E-mail:chensn1996@163.com
共同第一作者:胡鈞銘(1974?),博士,研究員,主要從事農(nóng)業(yè)有機(jī)資源利用與生境調(diào)控研究。E-mail:jmhu06@126.com