黃土旱塬壟作覆膜栽培土壤水分及溫度變化研究

朱偉，黎曉，李會杰，李明，蔣銳

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100）

黃土旱塬壟作覆膜栽培土壤水分及溫度變化研究

朱偉，黎曉，李會杰，李明，蔣銳

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌712100）

黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)水分缺乏是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因子。本研究在黃土高原長武塬進行小區(qū)試驗，通過壟作覆膜（RP）與平作不覆膜（FP）兩種處理的對比研究，分析壟作覆膜下玉米生長時期土壤水分與溫度的變化，以及降雨事件對于土壤水分的動態(tài)影響。結(jié)果表明，壟作覆膜在30～60 cm土層土壤水分顯著高于平作不覆膜約8%，而平作不覆膜在深層（100～160 cm）土壤水分明顯高于壟作覆膜，玉米生長季土體儲水量變化壟作覆膜壟與溝在30～60 cm處均高出平作不覆膜20 mm，而在100～160 cm處壟作覆膜比平作不覆膜低25 mm。壟溝覆膜－壟（RPR）土壤表層10 cm處溫度較壟溝覆膜－溝（RPF）與平作不覆膜分別高2.01℃和1.91℃。中雨情況下，壟作覆膜降雨土壤入滲深度可達30 cm，平作不覆膜下可以到10 cm，但強降雨事件中壟作覆膜土壤深層入滲受到抑制。降雨強度越大，土壤前期含水量越高，土壤水分峰值產(chǎn)生的時間越短；壟作覆膜由于土壤水分條件的改善使得土壤水分峰值出現(xiàn)時間較平作不覆膜早。壟作覆膜由于壟溝微地形改變使溝內(nèi)具有集水效應(yīng)，同時溝內(nèi)集水對壟上水分存在側(cè)向補充，但時間上存在滯后效應(yīng)，滯后時間與降雨量和降雨前土壤含水量相關(guān)。壟作覆膜能夠保水保墑，增加降雨入滲，抑制強降雨事件的深層入滲，抑制“自覆蓋”現(xiàn)象的發(fā)生，從而對玉米生長具有重要的意義。

壟作覆膜；土壤水分；土壤溫度；降雨；黃土旱塬

土壤水分是地表水文過程的一個綜合指標(biāo)，其動態(tài)變化是大氣降水、植物耗水以及水分運動共同作用的結(jié)果，積累了地表水文過程的大量信息，是研究我國北方干旱化問題客觀定量的綜合指標(biāo)之一［1］。土壤溫度是表征土壤熱量狀況的關(guān)鍵指標(biāo)。通過地膜覆蓋的方式可以改變土壤地面特征，一方面有效地阻礙土壤與空氣的熱交換和水分蒸發(fā)，使得土壤中的水分凝結(jié)在膜的內(nèi)壁保持土壤濕度；另一方面增強土壤表面和膜之間的溫室效應(yīng)［2－4］，從而影響土壤水分與溫度變化，使其為作物的生長發(fā)育提供良好的條件［5］。由于覆膜技術(shù)保水保溫的這一特點，可以彌補黃土高原缺水和春玉米苗期低溫的局限性，因此在黃土高原糧食增產(chǎn)方面起到了舉足輕重的作用。

目前，黃土高原覆膜栽培下土壤水分和熱量變化的研究已經(jīng)取得了一定進展，但是缺乏高頻率的田間監(jiān)測，尤其對于降雨事件下土壤水分熱變化實時動態(tài)監(jiān)測的研究相對較少，所以覆膜情況下土壤水熱動態(tài)信息還不全面［6－7］。本文通過對黃土高原塬區(qū)玉米地壟作覆膜以及平作不覆膜的水分和溫度變化的高頻率監(jiān)測，分析覆膜條件下玉米生長期間的土壤水分和溫度變化過程，進一步認(rèn)識黃土高原覆膜栽培對土壤水熱的影響機理。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在中國科學(xué)院水土保持研究所長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站進行，試驗地位于陜西省咸陽市長武縣洪家鎮(zhèn)王東村（35°12′N，107°40′E），處于西北內(nèi)陸腹地，屬暖溫帶半濕潤、大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年均降雨584 mm，降水季節(jié)性分布不均，主要集中在7—9月；最高氣溫36.9℃，最低氣溫－24.9℃，年均氣溫9.1℃。該地海拔940～1 220m，地下水深50～80m，屬于典型的黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，具有熱量適中、光照充足、大氣濕度較低，晝夜溫差大等特點［8］。供試土壤類型為黑壚土，土壤質(zhì)地為粉壤。試驗區(qū)土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soils

圖1 玉米生長季氣候情況Fig.1 Precipitation and average daily temperature during maize growing season

1.2 試驗設(shè)計

試驗開始于2013年4月底并于10月初結(jié)束，覆蓋一個完整的玉米生長季。試驗分為壟作覆膜和平作不覆膜兩個處理。平作不覆膜采用寬窄行播種方式，寬行60 cm，窄行40 cm，株距30 cm；壟作覆膜實行壟上覆膜，壟寬70 cm、高15 cm，溝寬30 cm、壟上播種，玉米播種于膜側(cè)15 cm處，行距分別為60 cm和40 cm，株距30 cm（圖2）。每個小區(qū)均為10 m×9 m，采用推薦施肥（N：180 kg·hm－2，P：40 kg·hm－2，K：75 kg·hm－2），磷、鉀肥按肥料設(shè)計用量于播種時一次性施入，氮肥基肥和追肥各占70%和30%。在玉米播前整地施肥完后起壟，供試玉米品種為“先玉335”，于4月底播種，9月下旬收獲，玉米全生育期不進行灌溉，按照常規(guī)管理。玉米生長季期間的氣候條件如圖1所示，生長季內(nèi)溫度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。根據(jù)相關(guān)文獻［9］，長武縣1957—2006年50年間平均降雨量579.8 mm，主要集中于5—9月，期間降雨量總量為423.2mm。試驗期內(nèi)玉米生長初期（5、6月份）降雨稀少，7月份出現(xiàn)強降雨事件，9月降雨豐沛，生長期內(nèi)總降雨量為437.0 mm，屬于平水年。

1.3 測定項目與方法

在壟作覆膜的壟（RPR）、溝（RPF）以及平作不覆膜（FP）小區(qū)均安裝EM50水熱自動監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測土壤水分和溫度，監(jiān)測頻率為1 h。水分與溫度監(jiān)測土層深度如圖2所示，分為壟上10～0 cm（壟＋10 cm）、壟下0～10、10～30、30～60 cm和60～100 cm（以溝面為水平面），溝0～10、10～30、30～60、60～100 cm和100～160 cm；平作則是0～10、10～30、30～60、60～100 cm和100～160 cm。

圖2 試驗設(shè)計及EM50水熱自動監(jiān)測系統(tǒng)探針安裝位置Fig.2 Experimental design and EM50 hydrothermal automatic monitoring system probe mounting position

1.4 統(tǒng)計分析方法

數(shù)據(jù)用SPSS18.0軟件（Statistical Product and Service Solutions 18.0）進行方差分析，采用Origin8.0進行作圖，Excel2010繪制表格。所有的差異顯著性分析均采用新復(fù)極差法（SSR）在P＜0.05水平上進行檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 壟作覆膜栽培對土壤水分的影響

RPR、RPF和FP處理玉米生長過程中不同深度土壤水分變化如圖3所示。由于地表水分蒸發(fā)、作物生長耗水以及降雨事件的影響［10－11］，各個處理土壤表層0～30 cm處土壤含水量變化較大，深層土壤水分變化只在強降雨事件下發(fā)生。整個玉米生長季不同處理土壤水分變化特征表現(xiàn)為：（1）0～10 cm FP土壤水分較RPF水分低，但比RPR上10～0 cm（以溝為水平面，壟＋10 cm）和RPR下0～10 cm水分高，且差異性顯著（P＜0.05，表2）。這是由于壟溝覆膜增加了溝間集雨面積使得其表層土壤有較好的蓄水保水效果，而RPR表層土壤水分主要依靠水分的橫向運移補充，降雨及夜間露水的補給由于受覆膜的阻隔而受到限制，且這種補充作用也是導(dǎo)致RPR表層土壤水分上升滯后的因素之一；（2）在10～60 cm處FP土壤水分低于RPR和RPF，且差異性顯著（P＜0.05，表2）。10～30 cm FP土壤水分相對RPR低15%，相對RPF低5%，在30～60 cm處RPR和RPF土壤水分變化基本一致，F(xiàn)P水分比RPR與RPF低15%（表2）。分析認(rèn)為，10～60 cm深度土壤水分差異主要受覆膜影響，覆膜有效地限制了土壤表層水分的蒸發(fā)，具有保水保墑的作用［12－14］；FP水分蒸發(fā)大，且植物根部的主要部分集中在0～60 cm［15］，更加強這一層的耗水，可見在其它條件相同的情況下，覆膜在10～60 cm處土壤水分的提高對于滿足作物生長意義重大［16］；（3）在60～100 cm與100～160 cm層，RPR和RPF水分之間的差異性變小；在60～100 cm處平作土壤水分受強降雨事件的影響很明顯，在強降雨事件下土壤水分快速升高，隨后下降也十分迅速；100～160 cm平作土壤水分比RPF高，且差異顯著（P＜0.05，表2）。

圖3 玉米生長季壟作覆膜下壟、溝和平作不覆膜不同深度下土壤水分變化Fig.3 Soil water content of different soil depths for mulching treatment ridge and furrow and flat treatment in maize growing season

表2 玉米生長季不同處理和深度之間土壤水分／%Table 2 Comparison of different management of soil water content during maize growing season

結(jié)果顯示，壟作覆膜與平作不覆膜土壤水分變化差異顯著。整個生長季內(nèi)，壟作覆膜在30～60 cm土層土壤水分顯著高于平作不覆膜約8%，而平作不覆膜在深層（100～160 cm）土壤水分明顯高于壟作覆膜，尤其是在玉米生長季初的干旱時期。玉米生長季土體儲水量變化壟作覆膜壟與溝在30～60 cm處均高出平作不覆膜20 mm，而在100～160 cm處壟作覆膜比平作不覆膜低25 mm（見表3）。究其原因，黃土旱塬蒸發(fā)強烈，但降雨少，且雨水滲透通常在表層0～30 cm以內(nèi)土層中發(fā)生，試驗區(qū)域黑壚土在30～60 cm土層存在厚度為10～30 cm不等的犁底層，此層土壤容重較大，飽和導(dǎo)水率較低（見表1），因此平作不覆膜下表層降雨入滲與蒸發(fā)容易在犁底層形成“自覆蓋層”，筆者認(rèn)為這是一種“自覆蓋”現(xiàn)象（self－mulching）。“自覆蓋”現(xiàn)象在此可描述為輕壤質(zhì)土壤在大氣蒸發(fā)力很強、土壤導(dǎo)水率不能滿足大氣蒸發(fā)力時，耕作層及其下層土壤由于干濕交替使犁底層逐漸形成暫時性缺水層，該層非飽和導(dǎo)水率極低，其與下層濕土之間龜裂，土體毛管破裂，從而對下層土壤具有保墑效果。作物生長季前期根系尚淺，暫時性缺水層（自覆蓋層）的存在影響根系對深層水分的吸收，干旱時期這一缺水層的存在成為制約平作不覆膜下作物生長的重要因素。而覆膜則避免了此現(xiàn)象，一是淺層土壤水分得到明顯提高，二是土壤水分因毛管作用不斷上升，增加了作物對土壤深層水分的利用（表2，表3）。由于水熱條件改善，覆膜的玉米生長狀況顯著好于平作不覆膜，植株在光合作用期間，有效光合作用葉片面積平均高于平作不覆膜254 cm2；在玉米收獲期株高較平作不覆膜平均高6 cm；覆膜產(chǎn)量（14 t·hm－2）顯著高于平作不覆膜（6.7 t·hm－2）。由此可見，覆膜這種干旱時期“自覆蓋現(xiàn)象”的避免以及對深層水的充分利用很可能是旱地覆膜栽培作物增產(chǎn)的主要機制，這在旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作用巨大［17］。

表3 玉米生長季不同深度土壤蓄水量Table 3 Soil storage of different depths during maize growing season

2.2 壟作覆膜栽培對土壤溫度變化的影響

由圖4可見：RPR、RPF和FP之間溫度的差異主要體現(xiàn)在土壤表層（10～0～10 cm），且差異顯著。RPR 10～0 cm較RPR 0～10 cm、RPF 0～10 cm和FP 0～10 cm層分別高0.88℃、2.01℃和1.91℃；在0～10 cm土層RPR分別高出RPF和FP 1.13℃和1.03℃（表4）。這種差異是由于土壤表層裸地受輻射影響較大，水汽蒸發(fā)帶走較多熱量，而覆膜可以有效阻止這部分水汽向外擴散［18］，從而使得其溫度相對高于裸地部分（溝和平作）。

已有研究表明，當(dāng)土壤含水量高時土壤溫度一般較低，二者呈極顯著負相關(guān)關(guān)系［19］，這主要受降雨的影響。在降雨事件影響下土壤溫度的降低和土壤水分的增高有一個明顯的同步效應(yīng)，由圖4可見小降雨事件對于土壤水熱變化的同步性主要表現(xiàn)在土壤表層，表層土壤在降雨和大氣溫度的相互作用下改變，而強降雨事件能影響到土壤深層溫度，如7月強降雨過程使0～100 cm土層的溫度均有所降低。但深層土壤溫度對于降雨事件（除強降雨事件）的響應(yīng)并不明顯，從圖4中可以看到深層土壤（60～160 cm）溫度表現(xiàn)出的趨勢主要受大氣氣溫影響。溫度的變化主要是熱量的傳導(dǎo)，當(dāng)土壤表層的溫度降低，土壤深層的熱量向上傳導(dǎo)，從而引起深層溫度呈下降趨勢。同時土壤是一個相對穩(wěn)定的體系，這部分熱量的散失會很快得到補充，包括更深層土壤熱量的補充，以及土壤表層在之后接受太陽輻射時吸收熱量向下傳遞［20］。同時該地區(qū)雨季主要集中在6—8月份，這一時期的土壤溫度也相對其它月份較高，雨熱同期，這對于作物的生長具有良好的促進作用［21－23］。水分管理措施對土壤結(jié)構(gòu)、物理性狀、地表遮蓋度等都有一定影響，從而影響土壤熱特性［24］。地膜覆蓋可有效改變土壤溫度狀況，并將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能匯集在土壤中，創(chuàng)造更有利的作物生長環(huán)境［25］，地膜覆蓋同時隔斷了土壤與大氣之間的直接聯(lián)系，阻擋了土壤水分的垂直蒸發(fā)，可大大降低土壤水分蒸發(fā)速度從而保持耕層較高水分含量，除此之外，地膜覆蓋能促進作物根系生長，提高作物對光能以及土壤水分、養(yǎng)分利用率［26］。土壤溫度也可以直接影響土壤水、氣的保持和運動［27］，從而形成土壤水和溫度相互影響的現(xiàn)象。

2.3 土壤水分變化對降雨事件的響應(yīng)

圖5～圖7分別反映的是不同降雨事件下（表5）土壤水分含量變化情況。為闡明壟作覆膜下土壤水分運移特征，我們分析了發(fā)生于6、7月及9月降雨量分別為22 mm（中雨），133.8 mm（大暴雨）和46.8 mm（大雨）三次降雨下土壤水分變化情況。

降雨量影響水分入滲深度從表6統(tǒng)計中可以看出：在中雨事件（6月降雨）下RPR和RPF最大入滲深度為30 cm，F(xiàn)P為10 cm；在暴雨事件（7月降雨）下RPR和RPF最大入滲深度達到100 cm，F(xiàn)P降雨最大入滲深度達到160 cm（圖6）；在大雨事件（9月降雨）下RPR最大入滲深度為30 cm，RPF和FP為60 cm。分析認(rèn)為降雨量是影響入滲深度的決定因素，其次是由于不同處理下雨水的入滲方式存在差異，RPR由于覆膜影響，膜上雨水匯集到RPF內(nèi)，從而造成RPF入滲深度較深。但強降雨事件中，壟作覆膜土壤水分的深層入滲卻受到抑制，主要可能是由于溝內(nèi)水分向壟的側(cè)向補給。

圖4 玉米生長季壟作覆膜下壟、溝和平作不覆膜不同深度下土壤溫度變化Fig.4 Soil temperature of different soil Depths for mulching treatment ridge and furrow and flat treatment in maize growing season

表4 不同處理下表層10 cm處土壤溫度變化差異比較Table 4 Comparison temperature of 10 cm soil depths on different treatments

表5 三次降雨事件特征比較Table 5 The Characteristic of these three times rainfall

降雨事件中各層土壤含水量到達峰值時間差異顯著，深層土壤水分入滲過程是一個相對緩慢的過程（表6）。一方面受壟溝微地形的影響，如7月降雨事件RPF 10～30 cm處土壤水分峰值的出現(xiàn)較0～10 cm處早2 h，反映出溝內(nèi)的側(cè)向補給；另一方面受前期土壤含水量的影響，圖6所示7月降雨開始后51 h FP在100～160 cm土壤水分出現(xiàn)上升趨勢，而RPR和RPF在60～100 cm處在22、20 h后出現(xiàn)峰值，100～160 cm土壤含水量不變化，這是因為這個時期FP在10～60 cm土層水分含量在降雨前極低，相對于壟作覆膜需要更長的補給時間，而待上層土壤飽和之后才能補給深層，因此平作深層峰值出現(xiàn)需要更長的時間。同時，由于覆膜避免了土壤“自覆蓋”現(xiàn)象，土壤水分因毛管作用不斷上升，增加了作物對土壤深層（100～160 cm）水分的利用，另外壟溝微地形聚雨，加速了水分的下滲，加之蒸發(fā)受到抑制，10～60 cm土層水分含量高，飽和時間短，因而使深層水分變化快速。降雨強度對土壤含水量峰值影響顯著，如在7月強降雨事件下壟作覆膜－壟10～0、0～10、10～30、30～60 cm與60～100 cm土壤最大含水量分別較降雨前上升了10.6%、8%、13.2%、11.2%和9.8%；而9月降雨事件下RPR僅在0～10和10～30 cm處土壤最大含水量分別較降雨前上升了4.7%、6.7%，土壤其它層含水量并無變化。

表6 降雨前后不同處理下不同深度土壤含水量變化差異比較Table 6 Change of soil water content under different treatments and depths

圖5 中雨事件（6月）下土壤水分變化Fig5 Change of soil water content during moderate rain

降雨事件中，壟作覆膜－溝在土壤表層（0～30 cm）具有很好的蓄水效果。同時降雨事件下RPR表層土壤（0～30 cm）水分含量出現(xiàn)上升，但變化比RPF內(nèi)0～30 cm處存在明顯的滯后效應(yīng)（表6），且10～0 cm處比0～10 cm土壤水分上升滯后更明顯，這是由于RPR表層土壤水分主要受到RPF的橫向補充，當(dāng)強降雨事件時溝內(nèi)蓄水，壟0～10 cm土層首先得到補充，然后隨水分向上擴散，壟上10～0 cm處也隨即得到補充。

圖6 暴雨事件（7月）下土壤水分變化Fig.6 Change of soil water content during heavy rain

圖7 大雨（9月）事件下土壤水分變化Fig.7 Change of soil water content during hard rain

由三次降雨可以看出，降雨事件對于土壤水分變化影響顯著，其影響表現(xiàn)為降雨量影響降雨入滲深度，但壟作覆膜由于溝內(nèi)水分側(cè)向補充壟上，因而強降雨事件對土壤入滲深度有一定的抑制作用；土壤水分峰值產(chǎn)生的時間受降雨強度與土壤前期含水量的影響，而壟作覆膜由于水分條件的改善影響前期含水量，進而影響峰值產(chǎn)生的時間；壟作覆膜由于壟溝微地形改變使溝對降雨具有集水效應(yīng)，同時溝內(nèi)集水對壟上水分存在側(cè)向補充，但時間上存在滯后效應(yīng)。

3 結(jié)論

壟作覆膜在30～60 cm土層土壤水分顯著高于平作不覆膜，而平作不覆膜在深層（100～160 cm）土壤水分明顯高于壟作覆膜。平作不覆膜在玉米生長季初期由于干旱產(chǎn)生“自覆蓋”現(xiàn)象，而壟作覆膜由于改善了土壤水分和溫度條件，促使深層水分得到利用，從而避免了“自覆蓋”現(xiàn)象對玉米生長的不利影響，因而對于維持作物生長具有重要的意義。

壟作覆膜與平作不覆膜之間溫度差異主要體現(xiàn)在土壤表層，覆膜能夠有效地保溫、保墑。

降雨事件對于土壤水分動態(tài)變化影響顯著，其影響表現(xiàn)為降雨量影響降雨入滲深度；降雨強度與土壤前期含水量影響土壤水分峰值產(chǎn)生的時間。壟作覆膜由于壟溝微地形改變使溝內(nèi)具有集水效應(yīng)，溝內(nèi)集水對壟上水分存在側(cè)向補充但滯后明顯，同時強降雨事件使土壤水分深層入滲受到抑制。壟作覆膜由于改善土壤水分條件，從而影響土壤前期含水量，使土壤水分峰值產(chǎn)生的時間較平作不覆膜早。壟作覆膜能夠保水保墑，增加降雨入滲，抑制強降雨事件的深層入滲，抑制“自覆蓋”現(xiàn)象的發(fā)生，對玉米生長具有重要的意義。

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Soil moisture and temperature for plateau plastic mulching cultivation in drylands of Loess Plateau

ZHUWei，LIXiao，LIHui-jie，LIMing，JIANGRui
（College of Natural Resources and Environment，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China）

Water deficit is the key restrictive factor for grain production in the rainfed agricultural region of Loess Plateau.The experiment was performed in Changwu tableland.The paper aims to analyze the changes of soil water content and temperature under plastic film mulching and the dynamic impact of rainfall events on soil water by comparison between ridge plastic film mulching cultivation（RP）and flat cultivation without plastic film mulching（FP）treatments.The results showed that the soil moisture in 30～60 cm soil layer significantly increased by approximate 8%between FP and RP treatments；Soil water storage in FP treatment in deep soil layer（100～160 cm）was significantly higher than that in RP treatment.Soil water storage of 30～60 cm in RP treatment and furrow were both higher about20 mm than that in FP treatment throughout growth season，but the soil water in 100～160 cm in RP treatment was lower25mm than soil water in FP treatment.Soil temperature above 10 cm soil surface in RP－Ridge（RPR）was 2.01℃and 1.91℃higher than RP－Furrow（RPF）and FP treatment，respectively.The deeper rainfall infiltration appeared in RP treatment when middle rainfall events occurred；the deep infiltration was limited in RP treatment when storm events occurred.The peak value of soil water content after rainfall was depended on the amount of rainfall and the antecedent soil moisture before rainfall.The peak time appeared earlier in RP treatment than that in FP treatment，due to the improved soil moisture conditions under plastic film mulching.RPF could well-catch the rain water from ridge and the water in furrow could supply the ridge by lateral movement with a certain delay.RP can enhance soil water content and soil temperature.It also could increase infiltration of rainfall，but limit the deep infiltration if storm events occurred，and avoid the“self-mulching”phenomenon.Therefore RP had positive effects on maize growth.

plastic film mulching；soil moisture；soil temperature；rainfall；Loess Plateau

S343.1

A

1000-7601（2016）06-0032-09

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.06

2016-01-24

國家自然科學(xué)基金（41201279）；中央高校業(yè)務(wù)經(jīng)費（QN2013076）

朱偉（1992—），男，安徽滁州人，碩士生，主要研究方向為環(huán)境化學(xué)。E-mail：zhuwei631＠163.com。

蔣銳（1984—），女，四川安岳人，副教授，主要從事流域與農(nóng)田氮素遷移研究。E-mail：jiangrui＠nwsuaf.edu.cn。