郭 振,王小利*,徐 虎,段建軍,張雅蓉,李 渝,蔣太明
(1 貴州大學農學院,貴州貴陽 550025;2 貴州大學煙草學院/貴州煙草品質研究重點實驗室,貴州貴陽 550025;3 農業部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站,貴州貴陽 550006)
長期施用有機肥增加黃壤稻田土壤微生物量碳氮
郭 振1,王小利1*,徐 虎1,段建軍2*,張雅蓉3,李 渝3,蔣太明3
(1 貴州大學農學院,貴州貴陽 550025;2 貴州大學煙草學院/貴州煙草品質研究重點實驗室,貴州貴陽 550025;3 農業部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站,貴州貴陽 550006)
【目的】微生物量碳、氮是土壤中易于利用的養分庫及有機物分解和礦化的動力,與土壤養分循環密切相關,其變化可反映土壤耕作制度和土壤肥力的變化。本研究旨在揭示長期施肥對貴州黃壤稻田土壤微生物生物量碳 (SMBC) 和土壤微生物生物量氮 (SMBN) 的影響,并探討其合理培肥模式。【方法】以貴州黃壤肥力與肥效長期定位監測基地為依托,采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法,重點研究不同施肥條件下土壤微生物生物量碳氮的變化及其與全量有機碳氮的關系。試驗處理包括不施肥 (CK)、單施化肥 (NPK)、單施有機肥 (M)、低量有機無機肥配施 (0.5MNPK) 和高量有機無機肥配施 (MNPK)。【結果】長期不同施肥處理下,SMBC的變化范圍在423.87~695.04 mg/kg之間,SMBN的變化范圍在44.36~91.65 mg/kg之間。施用化肥 (NPK) 和施用有機肥及兩者配施 (M、0.5MNPK和MNPK) 能增加SMBC和SMBN含量,其中MNPK處理較CK處理SMBC含量增幅最高,達64.0%,顯著高于NPK和0.5MNPK處理,但與M處理差異不明顯;M處理較CK處理SMBN含量增幅最高,達106.6%,顯著高于NPK和0.5MNPK處理,但與MNPK處理差異不明顯;長期單施化肥 (NPK)僅對SMBN含量有顯著提高作用 (44.1%),對SMBC作用不明顯。SOC、TN和微生物熵 (qMB) 的變化與SMBC一致,均表現為MNPK處理最高,其次為M和0.5MNPK處理,NPK處理最低;所有施肥處理下的SMBC/SMBN無顯著性差異且均低于CK處理。【結論】土壤微生物碳、氮量和微生物熵的顯著提高均與土壤有機質和全氮的含量變化呈正相關,單施有機肥和高量有機無機肥配施是提高土壤微生物生物量的有效途徑。
長期施肥;黃壤稻田;土壤微生物量;微生物熵
土壤微生物生物量 (SMB) 是指土壤中除活的植物體外 (如活的植物根系) 體積小于 5 × 103~10 × 103μm3活的微生物總量,是土壤有機質中最活躍和最易變化的部分[1],土壤微生物碳 (SMBC) 和土壤微生物氮 (SMBN) 分別只占耕層土壤總有機碳和全氮含量的3%和5%左右[2]。土壤微生物參與了物質轉化過程中的許多生化反應,是土壤中有機質利用轉化與養分循環的動力, 也是土壤有效養分的重要來源[2–4]。
SMB含量主要受土壤溫度、水分、pH值以及施肥等耕作管理措施的影響[5–6]。由于施肥是農田增產的最主要措施之一,因此施肥對SMB的影響研究一直是國內外土壤科學研究的焦點之一。劉守龍等[6]研究了長期施肥對亞熱帶紅壤稻田土壤微生物生物量碳氮磷的影響,結果表明秸稈還田和施有機肥是提高土壤微生物生物量碳、氮、磷和固持土壤養分的主要途徑;Chu等[7]認為增施有機肥能顯著影響SMBC,平衡施肥處理較養分缺乏的施肥處理SMBC有顯著的提高;徐一蘭等[8]通過29年長期試驗的研究表明,有機無機肥配施較單施化肥SMBC和SMBN均有顯著提高,而且微生物熵(qMB)也有顯著提高,同時單施化肥較不施肥處理SMBC和SMBN也有顯著提高;Singh等[9]在熱帶森林和草原上的研究表明,在土壤養分貧瘠的情況下,伴隨植物迅速生長過程氮的礦化作用加強,SMBN含量顯著降低;孫鳳霞等[10]研究表明長期單施化肥下紅壤SMBC和SMBN最低,可能是由于紅壤本身pH較低,單施化肥使土壤酸化從而影響土壤微生物的活性;梁斌等[11]研究了長期施肥對褐土微生物生物量的影響,結果表明在玉米和小麥生長期間化肥加秸稈還田處理SMBC和SMBN含量均高于不施肥對照和單施化肥處理。
以往的許多研究均表明施用有機肥能顯著提高土壤微生物生物量碳氮,但對于單施化肥是否能增加土壤微生物量碳、氮還存在分歧。土壤類型和施肥措施的差異也能使研究結果有所差異。因此,本研究以貴州省黃壤性水稻土長期定位試驗為依托,研究不同施肥處理對黃壤稻田SMBC和SMBN的影響,為提高黃壤稻田土壤生產力,建立因地制宜的科學施肥制度和實現可持續發展提供理論依據。
1.1 試驗地概況
長期試驗地位于貴州省貴陽市小河區貴州省農業科學院內 (106°07′E、26°11′N),地處黔中丘陵區,屬亞熱帶季風氣候,平均海拔1071 m,年均氣溫15.3℃,年均日照1354 h左右,相對濕度75.5%,全年無霜期270 d左右,年降雨量1100~1200 mm。試驗地為黃壤性水稻土,成土母質為三疊系灰巖與砂頁巖風化物。該長期定位試驗始于1995年(2002年開始水改旱一直到2006年,自2007年開始旱改水田),初始耕層 (0—20 cm) 土壤基本性質為土壤有機質31.15 g/kg、全氮1.76 g/kg、全磷2.30 g/kg、全鉀13.84 g/kg、堿解氮134.44 mg/kg、有效磷21.05 mg/kg、速效鉀157.89 mg/kg、pH值6.60。
1.2 試驗設計
本研究選取該長期試驗點5個不同施肥處理:對照 (CK)、單施化肥 (NPK)、單施有機肥 (M)、低量有機無機肥配施 (0.5MNPK) 和高量有機無機肥配施 (MNPK) 處理。試驗小區面積為 201 m2,采用大區對比試驗,不設重復。所施化肥類型為尿素、普鈣、氯化鉀,有機肥為牛廄肥 (年平均養分含量為C 413.8 g/kg、N 2.7 g/kg、P2O51.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg)。各處理每年施肥量見表1。每年根據有機肥的養分含量來調節化學氮肥的施用量。所有肥料全部作基肥在春播之前一次性施入,水稻于每年4月份插秧,10月中下旬收獲。各處理具體施肥方案如表1。
1.3 分析測定方法
在2015年水稻收獲后進行采樣,將大區分為3個小區,采3個土樣作為3次重復,用“S”形采樣法隨機采集水田表層0—20 cm土壤,5點組成一個土樣。將采集的土樣除去動、植物殘體混勻分成兩份,一份土樣過孔徑2 mm篩,置于冰箱 (4℃左右) 內用于測定微生物量碳氮;另一份土樣風干后過0.25 mm篩,用于測定土壤總有機碳和全氮。土壤有機碳采用外加熱重鉻酸鉀氧化法,全氮采用凱氏定氮法[12],土壤微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L K2SO4浸提法測定[11,13–14],微生物量碳氮的換算系數分別為0.45和0.54。

表1 各處理每年施肥量Table 1 Fertilizer application rates in the treatments
1.4 數據分析
數據采用Excel 2016整理后,用SPSS 17.0 軟件進行ANOVA分析,不同處理之間采用Duncan新復極差法進行多重比較。
2.1 長期施肥對黃壤稻田SMBC的影響
長期施肥試驗結果表明,SMBC的變化范圍在423.87~695.04 mg/kg之間 (圖1)。方差分析結果表明,不同施肥處理之間SMBC存在顯著差異 (P<0.05)。CK處理的SMBC為423.87 mg/kg。與CK處理相比,NPK處理的SMBC含量增加不顯著 (P>0.05)。施用有機肥處理 (M、0.5MNPK和MNPK) 的SMBC含量顯著高于CK處理和NPK處理 (P< 0.05),增幅分別為35.7%~64.0%和25.0%~51.0%。其中,M和MNPK處理的SMBC含量顯著高于0.5 MNPK處理 (P< 0.05)。以上結果表明,長期施用化肥或者有機肥均能提高SMBC含量,但是施用化肥的提升效果并不明顯,SMBC隨有機肥施入量的增加而增加,以高量有機無機肥配合施用的效果最好。
2.2 長期施肥對黃壤稻田SMBN的影響
長期施肥試驗結果表明,SMBN的變化范圍在44.35~91.65 mg/kg之間 (圖1)。方差分析結果表明,不同施肥處理之間SMBN存在顯著差異 (P<0.05)。CK處理的SMBN為44.35 mg/kg。與CK處理相比,NPK處理的SMBN含量顯著增加了44.1%(P< 0.05)。施用有機肥處理 (M、0.5MNPK和MNPK) 的SMBN含量顯著高于CK處理 (P< 0.05),依次增加了106.6%、69.2%和98.4%。其中,M處理的SMBN含量顯著高于NPK和0.5MNPK處理(P< 0.05),增幅分別為43.4%和22.1%,但較MNPK處理增加不明顯 (P> 0.05);MNPK處理的SMBN含量達88.02 mg/kg,較NPK處理顯著提高了37.7%,較0.5MNPK處理的提升效果不明顯。以上結果表明,長期施用化肥或者有機肥均能顯著提高SMBN含量,以單施有機肥的效果最好。
2.3 長期施肥對黃壤稻田SOC、TN、SMBC/SOC、SMBN/TN和SMBC/SMBN的影響
長期不同施肥處理下,黃壤的SOC、TN、SMBC/SOC、SMBN/TN的比值和SMBC/SMBN的比值均發生了顯著的變化 (表2)。CK處理的SOC和TN含量分別為23.87 g/kg和1.94 g/kg。與CK處理相比,有機肥 (M、0.5MNPK和MNPK) 處理均顯著提高了黃壤稻田的SOC和TN含量 (P< 0.05),NPK處理下SOC和TN的含量提高不明顯 (P> 0.05)。SOC含量隨有機肥施用量的增加而增加,其中MNPK處理最高達33.17 g/kg,顯著高于0.5MNPK處理,與M處理差異不顯著。全氮含量隨有機肥施用量的增加而顯著增加 (P< 0.05),表現為MNPK處理的全氮含量最大 (2.73 g/kg),其次是M處理 (2.68 g/kg),0.5MNPK 處理 (2.38 g/kg) 最小。

圖1 長期不同施肥處理下土壤微生物生物量碳、氮含量Fig. 1 The contents of SMBC and SMBN under different long-term fertilizations

表2 長期施肥土壤微生物量碳氮比及其在有機碳和全氮中的比例Table 2 SMBC and SMBN ratios and their percentages in SOC and TN under long-term fertilizations
土壤微生物熵 (qMB) 是指土壤微生物生物量碳占土壤總有機碳的百分比 (SMBC/SOC),一般范圍在1%~4%[15]。SMBN/TN表示SMBN對土壤氮庫的貢獻率,可用作土壤氮素供應能力和有效性的評價指示,一般范圍在2%~6%之間[5]。本研究所測定的qMB范圍在1.8%~2.1%之間,SMBN/TN范圍在2.3%~3.4%之間,雖然SMB所占比例較小,但對土壤養分的生物有效性和合理利用起到至關重要的作用。qMB的變化反映了土壤中輸入的SOC向SMBC的轉化效率、土壤中碳的損失和土壤礦物對有機質的固定[16]。在長期不同施肥處理下,CK處理的qMB為1.8%,NPK處理的qMB較CK處理的提升效果并不明顯 (P> 0.05)。有機肥 (M、0.5MNPK和MNPK) 處理較CK處理qMB均有顯著提高,且隨著有機肥施用量的增加qMB也逐漸增大。所有施肥處理下的SMBN/TN較CK處理均有顯著提高 (P<0.05),其中以M處理的SMBN/TN最高且各施肥處理間無顯著性差異 (P> 0.05)。可能是因為施用化肥或有機肥改善了土壤理化性質,繼而增強了土壤微生物活性,加快了有機碳和全氮的周轉速率。
土壤微生物量碳氮比 (SMBC/SMBN) 可以反映土壤微生物群落結構信息,其顯著變化表明土壤微生物的群落結構可以直接影響微生物量的高低[17]。細菌SMBC/SMBN一般情況下在5∶1左右,放線菌在6∶1左右,而真菌在10∶1左右[3,18]。表2中CK處理的SMBC/SMBN為10∶1左右,顯著高于其他施肥處理,而不同施肥處理間SMBC/SMBN無顯著差異,在7.5∶1左右;NPK處理下的SMBC/SMBN小于有機肥處理 (M、0.5MNPK和MNPK);M、0.5MNPK和MNPK 3個處理間均無顯著性差異,表現為施用高量有機肥的SMBC/SMBN最大。長期施肥均可使SMBC/SMBN下降,其中以單施化肥下降得最快,高量有機無機肥配施下降得最慢。說明在長期施肥下的黃壤稻田中,土壤微生物群落可能以放線菌為主,細菌和真菌也占有一定的比重。
2.4 土壤微生物生物量碳氮與土壤有機碳和全氮的相關性
土壤有機物質在微生物的作用下分解成植物可利用的有效養分,同時土壤微生物對無機營養元素也起到一定的固持作用,SMB越大土壤養分積累得越多[19]。本研究表明,SMBC與SMBN除相互間呈極顯著正相關外,與SOC、qMB、TN也呈極顯著正相關關系 (表3)。SMBC/SMBN僅與SMBN/TN呈極顯著負相關。SOC與qMB、TN呈極顯著正相關關系,與SMBN/TN之間無顯著相關性,同時qMB與TN之間也呈極顯著正相關關系。說明SMBC和SMBN的顯著提高均與SOC和TN的含量變化相關,通過施肥可以顯著提高SOC和TN的含量,而微生物又以碳氮為營養來源,從而促進微生物量碳氮有顯著性變化,因此SMBC與SMBN或許可作為評價土壤質量的生物學指標。

表3 土壤微生物生物量碳、氮與土壤有機碳和全氮的相關性Table 3 The correlationships between SMBC, SMBN, SOC and TN
土壤微生物作為土壤養分循環的推動力,對土壤有機化合物的轉化和養分的釋放起著調控作用,且土壤微生物所進行的一系列活動均以碳、氮循環為中心。SMB的高低反映了土壤微生物新陳代謝的強弱,是表征土壤碳庫和氮庫的重要指標[5]。本試驗中CK處理長年不施肥且秸稈不還田,僅通過根系及地上部分殘茬歸還到土壤中,因此SOC和TN含量最低,土壤微生物生物量碳氮也處在最低水平。施用有機肥 (M、0.5MNPK和MNPK),黃壤微生物生物量碳氮均有顯著性提高,其中以MNPK處理下SMBC增幅最大,達到64.0%,以M處理下SMBN增幅最大,達到106.6%。此結果與蘆思佳等[20]研究結果類似,其結果表明有機無機肥配施對黑土微生物生物量碳以及土壤有機質含量的提高有一定的促進作用。吳海燕等[21]對黑土長期定位施肥試驗也表明,與CK處理相比,有機肥配施化肥處理黑土中SMBC、SMBN和微生物數量均有明顯提高。另外,與長期施肥下潮土 (豬糞22.5 t/hm2)[4]和褐土 (豬糞22.5 t/hm2)[22]施用有機肥處理的試驗相比,本試驗中牛廄肥施用量為36.7 t/hm2的處理 (M和MNPK)SMBC和SMBN增幅最大。說明高量有機肥的施用不僅為微生物提供了外來碳源,促進其新陳代謝,而且還能改善土壤的理化性狀,加強對微生物的保護。
長期單施有機肥及有機無機肥合理配施對SMBC和SMBN的促進作用較NPK處理更明顯[3]。本試驗中,施用有機肥 (M、0.5MNPK和MNPK) 處理與單施化肥 (NPK) 處理相比,SMBC和SMBN均有較大幅度提升,增幅依次為25.0%~51.0%和17.4%~43.4%。這是因為施用化肥能夠增加植物的生物量[23],其中地上部生物量的增加能夠促進植物的光合作用,使得從地上部轉入地下的營養物質增加,而地下部生物量的增加不僅能夠促進根系分泌物的釋放,還能增加根系殘茬的還田量,創造了有利于微生物生存的環境。Jackson等[24]研究結果也表明,有機肥與化肥配合施用很大程度上提高了土壤微生物的活性,土壤有機碳源得到補充的同時也提高了土壤有效養分和保水能力,所以單施有機肥和有機肥化肥配施的土壤微生物生物量碳氮較高。與CK處理相比,NPK處理的SMBC含量小幅增加,但未達到顯著差異水平 (P> 0.05),NPK處理的SMBN顯著增加 (P< 0.05)。這是因為長期施用化肥使土壤的C/N比降低,加速了土壤中原有有機碳的分解,導致土壤中積累的有機碳總量較少[25]。而孫鳳霞等[10]對19年長期定位施肥的紅壤樣品分析表明,單施化肥顯著降低了紅壤微生物生物量碳含量,同時紅壤微生物生物量氮含量也呈下降趨勢,但未達到顯著水平,這是因為長期施用化肥會使紅壤逐漸酸化,從而對大多數土壤微生物的生存繁殖造成一定的影響,所以土壤酸化也是影響紅壤微生物生物量碳氮的一個重要因素,因此今后應進一步加強對土壤pH的研究。
土壤微生物熵 (qMB) 能夠反映土壤中輸入的SOC向SMBC的轉化效率,qMB值越大,SOC分解越快,活性有機碳轉化得越快,土壤微生物越活躍[16]。由于qMB受土壤類型、耕作措施、土壤理化性質等影響,所以qMB的取值范圍由1%~4%調整到0.27%~7%[26],本試驗中qMB變化范圍在1.8%~2.1%之間,與何瑞清等[15]報道的數值相符,說明不同施肥措施對土壤有機碳總量和微生物生物量的影響程度不一致。本試驗不同施肥處理中,有機肥 (M、0.5MNPK和MNPK) 處理較CK處理qMB均有顯著提高,較NPK處理增加不顯著,而且隨著有機肥施用量的增加qMB也逐漸增大,其中以MNPK處理的qMB最高,其原因可能是高量有機無機肥配合施用有利于改善部分土壤理化性質和生態環境,有利于土壤微生物活性的提高;同時,長期施用有機肥使SMBC發生變化,提高了土壤有機碳累積量和土壤微生物生物量[8]。
土壤微生物生物量碳氮是土壤碳素和氮素的重要來源,同時也具有較高的生物活性,其消長水平反映土壤微生物利用土壤碳氮源合成自身物質并大量繁殖的程度,微生物細胞解體使有機碳氮礦化的過程也與土壤微生物生物量碳氮密切相關[27]。本研究表明,NPK處理下SMBC/SMBN最低,施用有機肥(M、0.5MNPK和MNPK) 較NPK處理均有一定程度的提高。這是因為施用有機肥為土壤微生物的活動提供了碳源,同時,有機肥的降解也消耗了土壤氮素,導致黃壤稻田處于“碳源富余、氮源缺乏”的狀態,最終產生較高的SMBC/SMBN比值,長期施用化肥加速了土壤中原有有機碳的分解,導致土壤中積累的有機碳總量減少,最終引起SMBC/SMBN比值較低,而且SMBC和SMBN分別與SOC和TN含量呈極顯著的正相關關系。徐一蘭等[8]研究結果表明,有機無機肥處理的SMBC/SMBN值明顯高于單施化肥處理,與本研究結果相似。張奇春等[28]研究認為,NK和NPK處理的SMBC/SMBN值小于不施肥處理。本研究結果也表明NPK處理下的SMBC/SMBN值小于CK處理。
1) qMB值和SMBC/SMBN比值在不同施肥處理下均有顯著的變化,高量有機無機肥配施處理較不施肥處理的增幅最大,且SMBC、SMBN、qMB均與SOC和TN呈極顯著正相關關系,說明SMBC、SMBN和qMB的顯著提高均與SOC和TN的含量變化正相關。
2) 長期不同施肥處理較不施肥處理均能使SMBC和SMBN有一定程度的提高,其中以單施有機肥和高量有機無機肥配施處理增幅最為明顯,單施化肥處理增幅最少,表明單施有機肥和高量有機無機肥配施是提高土壤微生物生物量的有效途徑。
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A large number of long-term application of organic fertilizer can effectively increase microbial biomass carbon and nitrogen in yellow paddy soil
GUO Zhen1, WANG Xiao-li1*, XU Hu1, DUAN Jian-jun2*, ZHANG Ya-rong3, LI Yu3, JIANG Tai-ming3
(1 College of Agronomy, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2 College of Tobacco Science, Guizhou University/Guizhou
Key Laboratory for Tobacco Quality, Guiyang 550025, China; 3 Field Monitoring Experimental Station for Cultivated Land Preservation and Agro-environment in Guizhou, Ministry of Agriculture, Guiyang 550006, China)
【Objectives】Soil microbial biomass carbon(C) and nitrogen(N) are the easy-to-use nutrient pool and the driving forces of decomposition and mineralization of organic matter in soil, and are closely related to soil nutrient cycling. Changes of soil microbial biomass C and N can reflect the changes of soil tillage system and soil fertility. In this study, effects of a long-term fertilization on soil microbial biomass carbon (SMBC) and soil microbial biomass nitrogen (SMBN) were studied in yellow paddy fields, Guizhou Province, and a rational fertilization model was also discussed.【Methods】Based on the long-term located monitoring base of yellow soil fertility and fertilizer efficiency, the changes of soil microbial biomass C and N and their relationships with soil organic carbon and total nitrogen under different fertilization conditions were studied using the method of chloroform fumigation-K2SO4extraction. The treatments were: no fertilizer (CK), chemical fertilizer (NPK),organic manure (M), low application rate of manure combined with chemical fertilizer (0.5MNPK) and high application rate of manure combined with chemical fertilizer (MNPK).【Results】The results showed that SMBC varied in the range of 423.87–695.04 mg/kg and SMBN was in the range of 44.36–91.65 mg/kg under different fertilization treatments. The application of chemical fertilizers (NPK) and organic manure (M,0.5MNPK and MNPK) could increase the SMBC and SMBN contents, and compared with the CK treatment,the MNPK treatment had the highest SMBC increase rate of 64.0%, which was significantly higher than those of the NPK and 0.5MNPK treatments, but had no significant difference with the M treatment. Compared with the CK treatment, the SMBN content of the M treatment was increased by 106.6%, which was significantly higher than those of the NPK and 0.5MNPK treatments, but the difference between M and MNPK was not significant. The long-term application of the chemical fertilizers (NPK) only significantly increased the content of SMBN (44.1%), and its effect on SMBC was not obvious. The effects of long-term fertilization on SOC,total NL and microbial quotient (qMB) were consistent with SMBC, and their contents were increased with the increase of organic fertilizer application amount, and were highest under the MNPK treatment, followed by the M and 0.5MNPK treatments, and the lowest contents were in the NPK treatment. The ratios of SMBC and SMBN had no significant differences in the fertilization treatments, and were all lower than that of the CK treatment. SMBC and SMBN had a significant positive correlation with SOC, qMB and TN, and also had a significant positive correlation with each other.【Conclusions】Soil microbial biomass carbon, nitrogen and microbial entropy were significantly correlated with soil organic matter and total nitrogen content. The data from the experiment indicated that the application rate of single organic manure or the high application rate of manure combined with chemical is an effective way to improve soil microbial biomass.
long-term fertilization; yellow paddy soil; soil microbial biomass; qMB
2017–02–17 接受日期:2017–03–21 網絡出版日期:2017–05–25
國家自然科學基金項目(31360503,41361064);貴州大學研究生創新基金 (研農2017017);貴州省農業科學院自主創新專項(黔農科院自主創新專項2014007號);貴州省科技計劃項目(黔科合NY字〔2012〕3082號,黔科平臺〔2013〕4002號);貴州省聯合基金(黔科合LH字〔2015〕7079號)資助。
郭振(1992—),男,陜西大荔人,碩士研究生,主要從事土壤有機碳礦化方面的研究。E-mail:675334047@qq.com
* 通信作者 E-mail:xlwang@gzu.edu.cn;djjwxl@126.com