彭霄，蒲甜，楊峰，楊文鈺，王小春

灌水時間和灌水比例對單套作玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

彭霄，蒲甜，楊峰，楊文鈺，王小春

（四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室，成都 611130）

【】探究不同灌水比例和灌水時間對單套作玉米產(chǎn)量及其水分利用效率的影響，為構(gòu)建套作復合群體水分高效管理技術(shù)提供依據(jù)。采用自動式遮雨棚水分精量控制，2016—2017年連續(xù)2年在灌溉定額4 050 m3·hm-2條件下，設置2種種植模式（單作A1、套作A2）、3種灌水比例（播種水25%+拔節(jié)水25%+抽雄水25%+灌漿水25%，B1；播種水25%+拔節(jié)水25%+抽雄水15%+灌漿水35%，B2；播種水25%+拔節(jié)水35%+灌漿水40%，B3）兩因素隨機區(qū)組試驗。研究不同種植模式下灌水時間和灌水比例對玉米生育期內(nèi)土壤含水量、棵間蒸發(fā)量、耗水特征、產(chǎn)量及水分利用效率的影響。相同的灌溉定額下，玉米拔節(jié)后單作土壤含水量比套作平均高出16.60%，拔節(jié)期—成熟期套作棵間蒸發(fā)量平均較單作高出23.60%；單套作耗水強度高峰期均為拔節(jié)—抽雄期，日耗水強度最高達到7.21 mm·d-1，耗水量占全生育期21.62%—31.67%，拔節(jié)期后套作階段耗水強度均顯著高于單作，平均高出3.68%；單作玉米產(chǎn)量在播種水25%+拔節(jié)水35%+灌漿水40%時達最高，平均較單作其他處理提高16.49%，水分利用效率平均提高11.71%，而套作則在灌水處理為播種水25%+拔節(jié)水25%+抽雄水15%+灌漿水35%時，穗粒數(shù)、有效穗數(shù)平均較其他灌水處理增加4.47%、6.97%，從而使產(chǎn)量平均增加22.07%，水分利用效率平均提高19.11%。本試驗灌溉定額為4 050 m3·hm-2下，播種、拔節(jié)期、灌漿期分別灌水25%、35%、40%有利于提高單作玉米產(chǎn)量，而套作玉米采用寬窄行帶狀栽培則需要增加一次灌水時間，在播種、拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期分別灌水25%、25%、15%、35%有利于提高其產(chǎn)量及水分利用效率。

套作；玉米；棵間蒸發(fā)量；產(chǎn)量；水分利用效率

0 引言

【研究意義】間套作種植具有資源高效、避災增收的效果，是西南山地玉米區(qū)主要的種植模式，為滿足機械化生產(chǎn)的需要和實現(xiàn)雙高產(chǎn)，目前間套作均采用寬窄行帶狀栽培。西南地區(qū)玉米大豆套作模式共生期短，長時間的預留空行會導致棵間蒸發(fā)量變化，因此套作模式下需要更合理的灌溉措施?！厩叭搜芯窟M展】水資源短缺已是人類面臨的一個關鍵性問題[1]。我國農(nóng)業(yè)耗水量大，年用水總量4×1011m3，占全國總用水量的70%，其中農(nóng)田灌溉用水量3.6×1011—3.8×1011m3，占農(nóng)業(yè)用水量的90%—95%。同時，農(nóng)田用水浪費嚴重，灌溉農(nóng)田的水分利用率僅為45%左右，灌溉水的利用效率僅為10 kg·mm-1·hm-2左右[2]，而一些發(fā)達國家農(nóng)田水利用率可達80%以上，而水分利用效率在20 kg·mm-1·hm-2以上，造成這種現(xiàn)象的原因主要是灌溉設施的缺陷和管理方法不當以及灌溉技術(shù)研究與應用滯后。前人研究表明，小麥//玉米和蠶豆//玉米兩種模式下，土壤水分利用存在生態(tài)位的差異，與單作相比，耗水量并沒有顯著差異，但水分利用效率顯著提高[3-5]。小麥和玉米2種作物對水分生理需求時間差異是小麥玉米間作高效利用水分的基礎[3]，間作下共生期長，共生期作物的交錯生長減少了作物苗期或后期的棵間無效蒸發(fā)，提高了水分利用效率[6-7]?！颈狙芯壳腥朦c】套作土壤水分蒸發(fā)量、植株蒸騰與單作之間的差異，以及間套作玉米耗水特性和高效的灌水技術(shù)等均缺乏相應研究，隨著間套作種植面積的進一步推廣，將嚴重制約農(nóng)田用水的高效利用?！緮M解決的關鍵問題】本試驗在移動式遮雨棚內(nèi)采用水分精量控制的方式，研究單套作條件下不同灌水比例和灌水時間對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響，以期為構(gòu)建套作復合群體水分高效管理技術(shù)提供理論和實踐支撐，并推動水資源有限地區(qū)套作種植的持續(xù)高效發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016—2017年的4月至8月，連續(xù)2年在四川省雅安市四川農(nóng)業(yè)大學教學科研園區(qū)的活動式防雨棚內(nèi)進行，池長、寬、深分別為2.5 m、1.8 m、2 m，四周用水泥層隔離以避免小區(qū)間水分的相互滲透。地上安裝4 m高的移動式遮雨棚，降雨時遮擋，其余時間自然光照。用水表控制灌水量，灌水方式為均勻浸灌。試驗供試玉米品種為正紅505。

試驗采用二因素隨機區(qū)組設計，種植模式為單作，A1；套作，A2；玉米各生育時期的不同灌水定額為播種水（25%）+拔節(jié)水（25%）+抽雄水（25%）+灌漿水（抽雄后15 d）（25%），B1；播種水（25%）+拔節(jié)水（25%）+抽雄水（15%）+灌漿水（抽雄后15 d）（35%），B2；播種水（25%）+拔節(jié)水（35%）+灌漿水（抽雄后15 d）（40%），B3。灌溉定額4 050 m3·hm-2，以播種、拔節(jié)、抽雄、灌漿初期進行一次性灌水，試驗6個處理，每處理3次重復，共18個小區(qū)。

套作玉米采用“40 cm+160 cm”的寬窄行種植模式，4月12日播種玉米，6月12日于玉米寬行內(nèi)種大豆，玉米大豆行比2﹕2，套作玉米行距40 cm，株距16.7 cm，穴植單株；單作玉米行距70 cm，株距23.8 cm，穴植單株；玉米種植密度60 000株/hm2，底肥施過磷酸鈣600 kg·hm-2（含P2O512%），氯化鉀150 kg·hm-2（含K2O 60%）；玉米全生育期共施純氮240 kg·hm-2，按底肥﹕穗肥為5﹕5施用。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 土壤含水量 從玉米播種期到收獲期每14 d采用烘干法，測定0—40 cm土層（20 cm一層）的土壤含水量。套作取玉米行、玉豆行、大豆行3個點土壤含水量的平均值表示套作玉米土壤含水量；灌溉前后均加測1次。

1.2.2 棵間蒸發(fā)量 參照王健等[8]方法用PVC管自制的微型蒸發(fā)器（MicroLysimeter）取原狀土進行測定，微型蒸發(fā)器高15 cm，直徑11 cm，單作每小區(qū)安裝1個，套作分別在大豆行間（SS）、玉米行間（MM）、玉米行與大豆行間（MS）各安裝1個，重復3次，于玉米播種后每3 d測定一次土壤的水分蒸發(fā)量。每次測量時，重新裝入原狀土測量，用精度為0.01 g的LP3102型電子天平稱重，以計算土壤棵間蒸發(fā)量；微型蒸發(fā)器中土樣每減少1 g相當于蒸發(fā)水分0.1053 mm。

1.2.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 玉米成熟期收獲前考察有效穗，小區(qū)實收折算實際產(chǎn)量，根據(jù)均重法每小區(qū)另選取20個果穗考察穗部性狀（穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長、禿尖長、千粒重）。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計算方法

1.3.1 相關指標計算公式 作物生育期內(nèi)耗水量采用水量平衡方程計算：ET=P+I+U+△W-SI-Q[9]。

式中，ET為耗水量（mm），P為降雨量（mm），I為灌溉量（mm），U為地下水補給量（mm），△W為土壤貯水量變化量（mm），SI為土壤水滲漏量（mm），Q為徑流量（mm）。試驗小區(qū)位于移動旱棚內(nèi)，不受降水影響，地表徑流和土壤水分滲漏量為0，地下水埋深較大，地下水的補充也忽略不計。故上式可簡化為：ET=I+?W。

耗水強度＝各生育階段耗水量/生育階段天數(shù)；

耗水模系數(shù)＝各生育階段耗水量/總耗水量；

玉米產(chǎn)量水平上的水分利用效率：WUE= Y/ET[10-11]。

式中，WUE為玉米水分利用效率（kg·mm-1·hm-2），Y為玉米籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2），ET為耗水量（mm）。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)采用Excel 2003 和DPS 7.05進行統(tǒng)計分析及差異顯著性檢驗（Duncan法，α=0.05），使用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果

2.1 土壤含水量

2年土壤含水量變化結(jié)果表明，拔節(jié)前各處理間土壤含水量差異不顯著，拔節(jié)后單套作土壤含水量差異顯著（圖1）。拔節(jié)期—成熟期單作土壤含水量平均較套作高出6.58%。單作B1、B2、B3拔節(jié)—成熟期土壤含水量分別較套作B1、B2、B3高出7.50%、7.58%和5.73%。

2.2 棵間蒸發(fā)量

表1結(jié)果表明，玉米拔節(jié)前不同處理間棵間蒸發(fā)量差異不顯著，拔節(jié)以后單套作間差異顯著。拔節(jié)期—成熟期套作較單作平均高出23.60%。拔節(jié)期—抽雄期單套作條件下，B3的棵間蒸發(fā)量較B2、B1顯著增加，分別提高4.37%、15.58%。抽雄期—灌漿期單套作表現(xiàn)為B1、B2下的棵間蒸發(fā)量顯著高于B3，平均高出279.21%、170.37%。灌漿期—成熟期單套作下都表現(xiàn)為B3的棵間蒸發(fā)量較B2、B1顯著增大，分別增加23.15%、19.17%，表明增加灌水量會顯著增加棵間蒸發(fā)量。

套作各行間棵間蒸發(fā)量結(jié)果均表現(xiàn)為大豆行＞玉豆行＞玉米行，差異顯著，大豆行棵間蒸發(fā)量較玉豆行、玉米行分別高出2.88%、11.27%。表明套作下大豆行、玉豆行棵間蒸發(fā)量增加，從而導致套作較單作棵間蒸發(fā)量增加（表2）。

2.3 土壤貯水消耗量

2016年土壤貯水消耗量數(shù)據(jù)表明，在玉米拔節(jié)期前各處理間土壤貯水消耗量差異不顯著，拔節(jié)期后套作土壤貯水消耗量顯著高于單作水平，平均高出115.38%。抽雄期—灌漿期單套作下均表現(xiàn)為B2＞B1＞B3，隨著灌水比例的增加土壤貯水消耗量顯著減少，平均降低89.56%，A1B3、A2B3處理抽雄期未澆水土壤含水量較低，因此對土壤貯水消耗量最小（表3）。2017年的研究結(jié)果與2016年表現(xiàn)出同樣的趨勢。

2.4 耗水特征

2016年玉米生育階段耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強度結(jié)果表明，玉米各生育階段耗水量受灌水比例影響顯著。灌漿—成熟期日耗水量達3.87—6.10 mm·d-1，耗水量占總耗水量的25.77%—39.50%，耗水模系數(shù)最高。耗水強度高峰期為拔節(jié)—抽雄期，日耗水強度最高達到7.21 mm·d-1，耗水量占全生育期21.62%—31.67%。拔節(jié)期前各處理間耗水強度差異不顯著，套作拔節(jié)期以后階段耗水強度均顯著高于單作，平均高出3.68%，各處理階段耗水強度均表現(xiàn)為拔節(jié)期—抽雄期＞灌漿期—成熟期＞播種期—拔節(jié)期＞抽雄期—灌漿期。不同灌水處理下階段耗水量、耗水強度差異顯著，表現(xiàn)為隨灌水比例增加該階段耗水量、耗水強度顯著增加（表4）。2017年的結(jié)果與2016年表現(xiàn)出同樣的趨勢。

圖1 玉米生育期土壤含水量動態(tài)變化

表1 不同處理對玉米各生育階段棵間蒸發(fā)量的影響

不同小寫字母、*表示處理間差異顯著（＜0.05），**表示處理間差異顯著（＜0.01）。下同

Different small letters and * mean significant differences among treatments at 0.05 level, ** mean significant differences among treatments at 0.01 level . the same as below

表2 玉豆帶狀套作系統(tǒng)不同位置棵間蒸發(fā)量

ss：大豆行間Soybean line；ms：玉豆行間Between soybean and maize line；mm：玉米行間maize line；AVG：平均值average value

2.5 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

2.5.1 產(chǎn)量構(gòu)成因素 不同處理對玉米千粒重和穗長的影響差異未達顯著水平（表5），但顯著影響了禿尖長、穗粒數(shù)、有效穗數(shù)和空稈。穗粒數(shù)表現(xiàn)為單作平均較套作高出9.67%，有效穗數(shù)表現(xiàn)為單作顯著高于套作，平均高出5.28%。A1B3較A1B1、A1B2處理穗粒數(shù)顯著增加8.78%、4.07%，有效穗顯著增加5.95%、4.50%，空稈平均降低66.79%；A2B2較A2B1、A2B3穗粒數(shù)顯著增加7.58%、6.07%，有效穗數(shù)顯著增加5.66%、8.11%，空桿平均降低49.29%。單作下增加灌漿期灌水比例顯著提高穗粒數(shù)、有效穗數(shù)，降低空稈數(shù)，套作下則表現(xiàn)為增加抽雄期灌水比例，有利于提高穗粒數(shù)、有效穗數(shù)，降低空稈數(shù)。

表3 2016年不同處理對玉米不同生育階段土壤水分消耗量的影響

表4 不同處理對玉米生育階段耗水量、耗水模系數(shù)和耗水強度的影響

不同小寫字母表示處理間差異顯著（＜0.05）。CA：耗水量；CP：耗水模系數(shù)；CD：耗水強度

Different small letters mean significant differences among treatments at 0.05 level. CA: Water consumption; CP: Water consumption percentage; CD: Diurnal water consumption

2.5.2 產(chǎn)量 2年產(chǎn)量數(shù)據(jù)表明，單作較套作產(chǎn)量平均增加22.51%，而在不同灌水比例處理下，B2顯著高于B1、B3，分別高出16.34%、6.01%。單作下隨著灌漿水比例的增加，產(chǎn)量顯著增加，A1B3處理的產(chǎn)量分別比A1B1、A2B2處理高出24.70%、8.27%。而套作下表現(xiàn)為增加抽雄水比例，產(chǎn)量提高明顯，A2B2處理顯著高于A2B1、A2B3處理，分別高出14.45%、22.11%。單作下增加灌漿期灌水比例產(chǎn)量顯著增加，而套作下增加抽雄期灌水比例，可以顯著提高產(chǎn)量（圖2）。

2.6 水分利用效率

套作不計入大豆用水的情況下，A2B2處理水分利用率顯著增大，平均較A2B1、A2B3處理分別高出13.45%、23.23%；而單作下則表現(xiàn)為隨灌漿期灌水比例增加水分利用效率顯著增大，灌漿水灌水比例最大的A1B3處理顯著高于A1B1、A1B2處理，分別高出16.25%、7.17%。單作下增加灌漿期灌水比例，水分利用效率顯著增加，而套作下增加抽雄期灌水比例，可以顯著提高水分利用效率（表6）。

3 討論

前人研究表明，不同灌水定額下玉米禿尖長、千粒重差異顯著[12-17]。拔節(jié)水可顯著增加穗粒數(shù)，孕穗水可以提高百粒重，灌漿水能夠延長小麥旗葉功能期，通過限量灌溉，穗數(shù)會隨灌水量的增加而顯著增加[18-21]。在本試驗條件下，單作下抽雄期不灌水處理的穗粒數(shù)及有效穗數(shù)顯著增加，產(chǎn)量提高，套作下表現(xiàn)為抽雄期灌水15%的處理穗粒數(shù)、有效穗數(shù)顯著增加，抽雄階段缺水降低了玉米的授粉結(jié)實率，空稈率增加，產(chǎn)量降低。在相同灌溉定額下套作相對于單作增加一次抽雄期灌水，可以顯著增產(chǎn)，提高水分利用效率。

表5 不同處理對玉米穗部性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

圖2 不同處理對玉米產(chǎn)量的影響

表6 不同處理下玉米的水分利用效率

夏玉米全生育期增加灌水次數(shù)有利于增產(chǎn)，在農(nóng)田水分管理中應優(yōu)先滿足抽雄期和拔節(jié)期的需水，拔節(jié)—抽雄期、抽雄—灌漿期，植株生長旺盛、環(huán)境溫度高，前人研究多認為這兩個階段是玉米生長的需水關鍵時期[22-25]?？赫褴姷萚23]在溝灌試驗中發(fā)現(xiàn)，抽雄期是春玉米需水關鍵時期，此時期虧水將會減產(chǎn)。本試驗條件下，由于單作下土壤水分散失較小，采用播種水25%+拔節(jié)水35%+灌漿水40%灌水處理，通過增加拔節(jié)期灌水比例，達到增產(chǎn)提高水分利用效率的目的；而套作條件下，土壤水分蒸發(fā)較大，玉米生育后期大豆耗水，需采用播種水25%+拔節(jié)水25%+抽雄水15%+灌漿水35%處理，增加一次抽雄期灌水，才能保證抽雄期的需水，提高水分利用效率。玉米需水關鍵時期與前人研究結(jié)果一致，但單套作種植模式不一樣，造成田間蒸發(fā)量差異，需要采取不同的灌水制度。

降低棵間蒸發(fā)量是減少土壤水分無效散失、提高水分有效利用的重要措施[26-28]；在冬小麥生長后期植株間遮蔽效果好，相對抑制或減弱了棵間蒸發(fā)的作用，從而減少了無效水分的散失[29]。本試驗結(jié)果表明，在缺水條件下能夠顯著降低其棵間蒸發(fā)量；套作模式采用寬窄栽培，寬行植株間遮蔽效果較差，因此棵間蒸發(fā)量顯著高于單作，套作拔節(jié)期后土壤含水量低于單作，與前人研究結(jié)果一致[26-29]，套作下長時間的大豆預留空行是增加其無效耗水的主要原因。套作下隨著灌水量的后移棵間蒸發(fā)量減小，這是由于在玉米生育后期有大豆的存在，減少一部分無效蒸騰作用；而單作模式下隨灌水量的后移棵間蒸發(fā)量增大，是因為在玉米生育后期氣溫高并且在玉米灌漿以后的需水量減小，因此增大了無效水的消耗。

隨著灌水量和灌水次數(shù)的增加，耗水量增加，水分利用效率呈先增加后降低的趨勢[30]。褚鵬飛等[31]在小麥拔節(jié)期和開花期灌水，各灌水60 mm，水分利用效率顯著升高，灌水量超過90 mm，水分利用效率降低，不利于水分的高效利用。前人研究表明，適宜的灌水次數(shù)和量會顯著影響水分利用效率[22]。本試驗研究結(jié)果表明，各生育階段耗水量受灌水定額的影響較大。在玉米各生育階段灌水定額一樣時，各階段日耗水強度差異不大，但耗水量差異顯著，主要是由于增加了對土壤水的利用，播種—拔節(jié)期、灌漿—成熟期對土壤水的消耗較多；在抽雄—灌漿期不澆水的處理中，該玉米生育階段的耗水量、耗水強度、耗水模系數(shù)顯著降低，這是由于本試驗在干旱棚內(nèi)進行，除了灌溉水外沒有降雨補充土壤水，拔節(jié)期前玉米耗水來自灌溉水和底墑水，進入拔節(jié)期后玉米耗水主要來自于灌溉水，此時灌水定額小的處理耗水量、耗水模系數(shù)、耗水強度均減小。

4 結(jié)論

單套作玉米由于田間配置不同，土壤含水量從玉米拔節(jié)期開始表現(xiàn)出明顯差異，套作寬行棵間蒸發(fā)量顯著增大導致土壤含水量迅速下降，拔節(jié)期以后各階段耗水強度、耗水量均顯著大于單作，同時抽雄期套作大豆加入，需水量增加。因此在灌溉定額為4 050 m3·hm-2下，單套作玉米應采用不同的灌水比例和時間，套作玉米增加一次抽雄水有利于增產(chǎn)，采用播種水25% +拔節(jié)水25%+抽雄水15%+灌漿水35%灌水方式有利于提高產(chǎn)量和水分利用效率；而玉米單作條件下，播種水25%+拔節(jié)水35%+灌漿水40%的產(chǎn)量和水分利用效率最高。

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Effects of irrigation time and ratio on yield and water use efficiency of maize under monoculture and intercropping

PENG Xiao, PU Tian, YANG Feng, YANG WenYu, WANG XiaoChun

(College of Agronomy, Sichuan Agricultural University/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in Southwest China, Ministry of Agriculture/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Cultivation, Sichuan Province, Chengdu 611130)

The effects of different irrigation proportion and irrigation time on yield and water use efficiency of monoculture and intercropping maize were studied to provide a basis for the high efficient water management technology for intercropped maize. 【】 The experiment was conducted with two factors randomized block by using automatic rain shelter from 2016-2017, the planting mode and irrigation ratio under the irrigation quota of 4 050 m3·hm-2. Planting mode included monoculture and intercropping. The irrigation ratio included B1(sowing water (25%) + jointing water (25%) + tasseling water (25%) + filling water (25%)), B2(sowing water (25%) + jointing water (25%) + tasseling water (15%) + filling water (35%)), and B3(sowing water (25%) + jointing water (35%) + filling water (40%)). the effects of irrigation time and proportion on soil water content, inter-plant evaporation, water consumption characteristics, yield and water use efficiency of maize in different planting patterns were studied. 【】 The results showed that under the same irrigation quota, the soil moisture content for the monoculture maize at the jointing stage was 16.60% higher while it was 23.60% lower from jointing stage to maturity stage than that of intercropped maize. The peak stage of water consumption intensity of monoculture and intercropping was at jointing-tasseling stage, and the maximum daily water consumption intensity reached 7.21 mm·d-1, occupied by 21.62%-31.67% of the whole growth period. However, the water consumption intensity of intercropping after jointing stage was significantly higher than that of monoculture by 3.68%. The yield of monoculture maize reached the highest in B3 treatment, it was 16.49% higher than other monoculture treatments, and the water use efficiency was 11.71% higher. However, for intercropped maize, the kernels per spike and effective spike in B2 treatment was 4.47% and 6.97% higher than other irrigation treatments which lead the average yield increased 22.07%, and WUE increased 19.11%. 【】 Under the irrigation quota of 4 050 m3·hm-2in this experiment, the monoculture maize get the highest yield when irrigated with 25%, 35% and 40% water at sowing, jointing and filling stages, respectively. For intercropped maize with wide and narrow rows and strips, the yield and water use efficiency get the highest, when the irrigated with 25%, 25%, 15% and 35% water at sowing, jointing, tasseling and filling stages, respectively.

intercropping; maize; soil evaporation; yield; water use efficiency

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.21.005

2019-03-17；

2019-05-16

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD03002009）、西南丘陵旱地糧油作物節(jié)水節(jié)肥節(jié)藥綜合技術(shù)集成與示范（20150312705）、四川省育種攻關項目（2016NYZ0051-2）、成都市農(nóng)業(yè)技術(shù)成果應用示范項目（2015-NY01-00100-NC）

彭霄，E-mail：969119853@qq.com。通信作者王小春，E-mail：xchwang@sicau.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩）