三種土壤礦物對芐嘧磺隆的吸附研究

葉發(fā)兵 黃春保 熊緒杰 董元彥

摘要：利用平衡吸附法研究了３種土壤礦物對芐嘧磺隆的吸附及尿素對吸附的影響。結(jié)果表明，３種土壤礦物對芐嘧磺隆的吸附符合Ｌａｎｇｍｕｉｒ和Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程，非晶形氧化鋁對芐嘧磺隆的最大吸附量最高，為６３４．５ μｇ／ｇ；針鐵礦的最大吸附量為２２５．９ μｇ／ｇ；高嶺土對芐嘧磺隆的最大吸附量最小，為１８８．９ μｇ／ｇ。尿素的加入使得芐嘧磺隆在非晶形氧化鋁、針鐵礦表面的吸附量都有不同程度的下降，其中非晶形氧化鋁降低的幅度最大；但尿素和芐嘧磺隆同時添加或者先加尿素再加芐嘧磺隆，高嶺土對芐嘧磺隆的吸附量都增大。

關(guān)鍵詞：芐嘧磺?。晃?；土壤礦物；尿素

中圖分類號：Ｓ４８２．４＋６文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）03－0485-05

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｅｎｓｕｌｆｕｒｏｎ－ｍｅｔｈｙｌ ｂｙ Ｔｈｒｅｅ Ｋｉｎｄｓ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｍｉｎｅｒａｌｓ

ＹＥ Ｆａ－ｂｉｎｇ１，２，ＨＵＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ｂａｏ２，ＸＩＯＮＧ Ｘｕ－ｊｉｅ２，ＤＯＮＧ Ｙｕａｎ－ｙａｎ３

（１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕａｎｇｇａｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈｕａｎｇｇａｎｇ ４３８０００， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｇｅｒｍｐｌａｓｍ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈｕａｎｇｇａｎｇ ４３８０００，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ； ３． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅｎｓｕｌｆｕｒｏｎ－ｍｅｔｈｙｌ ｂｙ ｋａｏｌｉｎｉｔｅ， ｇｏｅｔｈｉｔｅ ａｎｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｕｍｉｎａ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｕｒｅａ ｏｎ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｅｘａｍｉｎｅｄ ｂｙ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ Ｌａｎｇｍｕｉｒ ｅｑｕａｔｉｏｎ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ ｒａｎｋｉｎｇ ａｓ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｕｍｉｎａ （６３４．５ μｇ／ｇ）， ｇｏｅｔｈｉｔｅ （２２５．９ μｇ／ｇ）， ｋａｏｌｉｎｉｔｅ （１８８．９ μｇ／ｇ）． Ｗｈｅｎ ｕｒｅａ ｗａｓ ａｄｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ ｏｆ ｇｏｅｔｈｉｔｅ ａｎｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｕｍｉｎａ ｔｏ ｂｅｎｓｕｌｆｕｒｏｎ－ｍｅｔｈｙｌ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｈａｔｅｖｅｒ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｕｒｅａ ａｎｄ ｂｅｎｓｕｌｆｕｒｏｎ－ｍｅｔｈｙｌ ｗａｓ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｗｈｅｎ ｕｒｅａ ｗａｓ ａｄｄｅｄ ｂｅｆｏｒｅ ｏｒ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ ｗｉｔｈ ｂｅｎｓｕｌｆｕｒｏｎ－ｍｅｔｈｙｌ ｉｎ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｋａｏｌｉｎｉｔｅ， ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｂｅｎｓｕｌｆｕｒｏｎ－ｍｅｔｈｙｌ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｂｅｎｓｕｌｆｕｒｏｎ－ｍｅｔｈｙｌ； ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ； ｓｏｉｌ ｍｉｎｅｒａｌｓ； ｕｒｅａ

芐嘧磺隆是最早廣泛使用的磺酰脲除草劑，對多數(shù)闊葉雜草有優(yōu)良的防除效果［１］，由于此類除草劑在土壤中少量殘留可對后茬敏感作物以及土壤微生物產(chǎn)生藥害，因此其安全性引起了普遍關(guān)注［２－６］。土壤組分對農(nóng)藥（除草劑）的吸附直接影響農(nóng)藥的生物活性，是農(nóng)藥在土壤環(huán)境中歸宿的支配因素之一［７，８］。有關(guān)農(nóng)藥與土壤活性組分之間相互作用的研究早已被人們重視［９］。探討化肥對土壤活性成分與磺酰脲除草劑的相互作用的影響，揭示其相互作用機理，對闡明影響土壤活性組分的有關(guān)因素、了解芐嘧磺隆在不同條件下的遷移轉(zhuǎn)化及殘留規(guī)律、提出防治措施、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論和實際意義［１０］。本實驗利用平衡吸附法研究了芐嘧磺隆在３種土壤礦物高嶺土、針鐵礦、非晶形氧化鋁礦表面的吸附，以及尿素對吸附的影響，并探討了可能的表面吸附機理。

１材料和方法

１．１儀器與試劑

ＳＹ－４０００Ｋ高效液相色譜儀（北京北分瑞利分析儀器有限公司）；Ｋ－２５０１可變波長ＵＶ檢測器。芐嘧磺隆標準樣品（加拿大Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｅｒｖｉｃｅ公司）；高氯酸、高氯酸鉀、二氯甲烷、尿素、無水硫酸鈉等均為分析純，甲醇為色譜純。高嶺土（化學(xué)純，購自武漢福鑫化學(xué)有限公司），針鐵礦和非晶形氧化鋁分別按文獻［１１，１２］的方法合成，土壤礦物基本性質(zhì)如表１。

１．２實驗方法

１．２．１芐嘧磺隆的分析條件采用Ｓｐｈｅｒｉｓｏｒｂ Ｃ１８分析柱（４．６ ｍｍ×１５０ ｍｍ）；流動相：甲醇（色譜純）；流速：１．０ ｍＬ／ｍｉｎ；進樣量：２０ μＬ；檢測波長：２５４ ｎｍ。該條件下芐嘧磺隆的保留時間為１．６４０ ｍｉｎ。

１．２．２土壤礦物懸濁液的制備分別稱取２．５ ｇ上述３種土壤礦物于錐形瓶中，加適量去離子水，以０．０１ ｍｏｌ／Ｌ的高氯酸每隔２ ｈ調(diào)節(jié)懸濁液的ｐＨ，直至其穩(wěn)定在５．５，定容至２５０ ｍＬ，此時的土水質(zhì)量比為１∶１００。

１．２．３土壤礦物對芐嘧磺隆的吸附在磁力攪拌下吸?。捣荩保?ｍＬ土壤礦物懸濁液分別于５０ ｍＬ聚乙烯離心管中，加入ｐＨ ５．５，濃度分別為４．１６、８．３２、１２．４８、１６．６４、２０．８０ μｇ／ｍＬ的芐嘧磺隆溶液１０ ｍＬ，然后各加入１ ｍＬ ０．１０ ｍｏｌ／Ｌ的ＫＣｌＯ４作支持電解質(zhì)。２５ ℃下振蕩２４ ｈ，靜置１ ｈ，８ ０００ ｒ／ｍｉｎ離心５ ｍｉｎ，上清液分別用５、１０、１５ ｍＬ ＣＨ２Ｃｌ２萃?。炒?。合并萃取液，于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮至干，加入流動相溶解，在刻度試管內(nèi)定容到１０ ｍＬ。經(jīng)微孔濾膜過濾后進樣，利用高效液相色譜法測定萃取液中芐嘧磺隆的含量，使用Ｐｒｉｚｍ軟件進行數(shù)據(jù)處理。芐嘧磺隆在土壤礦物表面的吸附量Ｘ／ｍ＝（Ｃ０－Ｃｅ）×Ｖｓ／m；式中Ｘ／ｍ（μｇ／ｇ）是芐嘧磺隆在礦物表面的吸附量；Ｃ０（μｇ／ｍＬ）是芐嘧磺隆的初始濃度；Ｃe（μｇ／ｍＬ）是吸附平衡時上清液中芐嘧磺隆的濃度；Ｖｓ（ｍＬ）是加入芐嘧磺隆溶液的體積；ｍ（ｇ）是每支試管中土壤礦物的質(zhì)量。

１．２．４尿素對芐嘧磺隆在土壤礦物表面吸附的影響①先加芐嘧磺隆，后加尿素。在磁力攪拌下吸取５份土壤礦物懸濁液１０ ｍＬ分別于５支５０ ｍＬ聚乙烯離心管中，加入ｐＨ ５．５，濃度分別為４．１６、８．３２、１２．４８、１６．６４、２０．８０ μｇ／ｍＬ的芐嘧磺隆溶液１０ ｍＬ，然后各加入１ ｍＬ ０．１０ ｍｏｌ／Ｌ的ＫＣｌＯ４作支持電解質(zhì)。２５ ℃下振蕩２４ ｈ，再加入濃度分別為８．３２、１６．６４、２４．９６、３３．２８、４１．６０ ｍｏｌ／Ｌ的尿素溶液１０ ｍＬ，繼續(xù)振蕩２４ ｈ，靜置１ ｈ，后續(xù)操作同１．２．３。②先加尿素，后加芐嘧磺隆。在磁力攪拌下吸?。捣萃寥赖V物懸濁液１０ ｍＬ分別于５支５０ ｍＬ聚乙烯離心管中，分別加入８．３２、１６．６４、２４．９６、３３．２８、４１．６０ ｍｏｌ／Ｌ的尿素溶液１０ ｍＬ，然后各加入１ ｍＬ ０．１０ ｍｏｌ／Ｌ的ＫＣｌＯ４作支持電解質(zhì)。２５ ℃下振蕩２４ ｈ，再加入ｐＨ ５．５，濃度分別為４．１６、８．３２、１２．４８、１６．６４、２０．８０ μｇ／ｍＬ的芐嘧磺隆溶液１０ ｍＬ，繼續(xù)振蕩２４ ｈ，靜置１ ｈ，后續(xù)操作同１．２．３。③芐嘧磺隆和尿素同時加入。在磁力攪拌下吸?。捣萃寥赖V物懸濁液１０ ｍＬ分別于５支５０ ｍＬ聚乙烯離心管中，加入ｐＨ ５．５，濃度分別為４．１６、８．３２、１２．４８、１６．６４、２０．８０ μｇ／ｍＬ的芐嘧磺隆溶液１０ ｍＬ，再分別加入８．３２、１６．６４、２４．９６、３３．２８、４１．６０ ｍｏｌ／Ｌ的尿素溶液１０ ｍＬ，然后各加入１ ｍＬ ０．１０ ｍｏｌ／Ｌ的ＫＣｌＯ４作支持電解質(zhì)，25 ℃下振蕩２４ ｈ，靜置1 h，后續(xù)操作同１．２．３。

２結(jié)果與分析

２．１３種土壤礦物對芐嘧磺隆吸附的等溫吸附曲線

以平衡液中芐嘧磺隆的濃度為橫坐標，吸附量為縱坐標，繪制芐嘧磺隆在３種土壤礦物表面的等溫吸附曲線（圖１）。高嶺土、針鐵礦對芐嘧磺隆的等溫吸附曲線為Ｈ型，即隨著體系中芐嘧磺隆濃度的增加，礦物對其的吸附量迅速上升，濃度變化不大時即已達到平衡；而非晶形氧化鋁對芐嘧磺隆的吸附曲線為Ｌ型，即隨著體系中芐嘧磺隆濃度的增加，礦物對其的吸附量緩慢上升，最后達到平衡。

供試礦物及氧化物對芐嘧磺隆的等溫吸附曲線均符合Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程：Ｘ＝ＢｍａｘＫＣ／（１＋ＫＣ），其中Ｘ（μｇ／ｇ）表示單位吸附載體對溶質(zhì)的吸附量，Ｂｍａｘ（μｇ／ｇ）是溶質(zhì)的最大吸附量，Ｋ是吸附結(jié)合能常數(shù)，Ｃ（μｇ／ｍＬ）是平衡時溶液中溶質(zhì)的濃度。從３種土壤礦物對芐嘧磺隆的最大吸附量來看，非晶形氧化鋁最大，其次是針鐵礦，高嶺土對芐嘧磺隆的最大吸附量最?。ū恚玻?/p>

將以上數(shù)據(jù)以Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ平衡吸附方程Ｃｓ＝ｋＣｅ１／ｎ（其中Ｃｓ為供試礦物對除草劑的吸附量μｇ／ｇ；Ｃｅ是平衡液相中除草劑的濃度μｇ／ｍＬ；ｋ、ｎ為常數(shù)）擬合（表３），擬合方程的相關(guān)系數(shù)Ｒ２＞０．９７０ ０，表明用Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程也能較好地描述這種吸附。

2．２尿素對土壤礦物吸附芐嘧磺隆的影響

2．２．１尿素對非晶形氧化鋁吸附芐嘧磺隆的影響以平衡液中芐嘧磺隆的濃度為橫坐標，吸附量為縱坐標，尿素對非晶形氧化鋁吸附芐嘧磺隆的影響曲線如圖２。尿素存在下非晶形氧化鋁吸附芐嘧磺隆的曲線經(jīng)擬合不再遵從Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程，從表４可知其符合拋物線擴散方程ｙ＝Ａ＋Ｂｘ＋Ｃｘ２［ｙ（μｇ／ｇ）為吸附量、ｘ（ｇ／ｍＬ）為芐嘧磺隆濃度］。結(jié)果同時顯示施用尿素后非晶形氧化鋁對芐嘧磺隆的吸附量降低，只添加芐嘧磺隆時，非晶形氧化鋁對除草劑的吸附量最大；先加芐嘧磺隆后加尿素時非晶形氧化鋁對除草劑的吸附量最小。該處理實際上是非晶形氧化鋁吸附芐嘧磺隆達到平衡后，尿素對芐嘧磺隆的解吸過程，說明尿素對芐嘧磺隆具有很好的解析作用。

將上述數(shù)據(jù)以Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ平衡吸附方程Ｃｓ＝ｋＣｅ１／ｎ擬合，所得參數(shù)見表５，所有處理擬合方程的相關(guān)系數(shù)Ｒ２＞０．９６０ ０，故能較好地描述非晶形氧化鋁對芐嘧磺隆的吸附。

2．２．２尿素對針鐵礦吸附芐嘧磺隆的影響以平衡液中芐嘧磺隆的濃度為橫坐標，吸附量為縱坐標，繪制尿素對針鐵礦吸附芐嘧磺隆的影響曲線（圖３）。尿素對針鐵礦吸附芐嘧磺隆的曲線同樣不再遵從Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程，由表６可知其也符合拋物線擴散方程ｙ＝Ａ＋Ｂｘ＋Ｃｘ２［ｙ（μｇ／ｇ）為吸附量、ｘ（ｇ／ｍＬ）為芐嘧磺隆濃度］。結(jié)果顯示，施用尿素后針鐵礦對芐嘧磺隆的吸附量降低。只添加芐嘧磺隆時針鐵礦對其的吸附量最大；芐嘧磺隆和尿素同時添加時吸附量最小。芐嘧磺隆和尿素同時添加，實際上是芐嘧磺隆和尿素在針鐵礦表面的競爭吸附過程，其結(jié)果說明針鐵礦對尿素的吸附作用強于其對芐嘧磺隆的吸附作用。

將上述數(shù)據(jù)以Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ平衡吸附方程Ｃｓ＝ｋＣｅ１／ｎ擬合，所得參數(shù)見表７，所有處理擬合方程的相關(guān)系數(shù)Ｒ２＞０．８５０ ０，故能較好地描述針鐵礦對芐嘧磺隆的吸附。

2．２．３尿素對高嶺土吸附芐嘧磺隆的影響以平衡液中芐嘧磺隆的濃度為橫坐標，吸附量為縱坐標，繪制尿素對高嶺土吸附芐嘧磺隆的影響曲線（圖４）。與只添加芐嘧磺隆相比，芐嘧磺隆和尿素同時添加或者先加尿素再加芐嘧磺隆，高嶺土對芐嘧磺隆的吸附量都增大；先加芐嘧磺隆后加尿素，高嶺土對芐嘧磺隆的吸附量降低。結(jié)果說明尿素和芐嘧磺隆同時存在，尿素對芐嘧磺隆在高嶺土上的吸附具有促進作用；先加芐嘧磺隆后加尿素，尿素有利于高嶺土上吸附的芐嘧磺隆的解吸。

尿素存在下高嶺土吸附芐嘧磺隆的曲線不再遵從Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程，由表８看出其同樣符合拋物線擴散方程ｙ＝Ａ＋Ｂｘ＋Ｃｘ２［ｙ（μｇ／ｇ）為吸附量、ｘ（ｇ／ｍＬ）為芐嘧磺隆濃度］。

將上述數(shù)據(jù)以Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ平衡吸附方程Ｃｓ＝ｋＣｅ１／ｎ擬合，所得參數(shù)見表９，４個處理擬合方程的相關(guān)系數(shù)Ｒ２都大于０．９３０ ０，能較好地描述針鐵礦對芐嘧磺隆的吸附。

３討論

用平衡法研究土壤體系吸附現(xiàn)象時，常用吸附方程來描述實驗測得的等溫吸附曲線以幫助說明吸附機制［１３］。應(yīng)用最多的為描述氣－固體系吸附規(guī)律的Ｌａｎｇｍｕｉｒ和Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程。一般認為，土壤中許多吸附數(shù)據(jù)能用Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程較好地描述，其適用濃度范圍寬；運用Ｌａｎｇｍｕｉｒ則可以求出物理意義較明確的兩個常數(shù)。也有采用雙面Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程或競爭性Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程來擬合實驗等溫線的。事實上，吸附符合哪種吸附方程，是由該吸附的本質(zhì)決定的。本實驗中，供試礦物均為懸濁狀態(tài)，水土比較大，只添加芐嘧磺隆時的吸附更符合單分子層吸附模型，故用Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程能較好地描述，不過也符合Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程；同時用拋物線擴散方程也能較好地描述其吸附，這也說明只添加芐嘧磺隆時，吸附受芐嘧磺隆在水溶液中的溶解度影響，即與它們在水溶液中擴散程度有關(guān)。

芐嘧磺隆是弱酸類除草劑，它們在水溶液中存在著如下可逆平衡：ＨＡ?葑Ｈ＋＋Ａ－。由于針鐵礦及非晶形氧化鋁的電荷零點較高，其表面帶有較大的正電荷量，它們較容易吸附芐嘧磺隆電離出的負離子，并使可逆平衡不斷地向右移動，因而對弱酸性除草劑的吸附較強，而高嶺土表面帶負電荷，與弱酸性除草劑負離子相排斥，故對除草劑的吸附較弱；另一方面，供試礦物比表面積越大，吸附作用越大，而非晶形氧化鋁、針鐵礦、高嶺土３者比表面積依次減小，所以供試礦物對除草劑的最大吸附量順序為非晶形氧化鋁＞針鐵礦＞高嶺土。

尿素按不同添加順序加入吸附體系時，芐嘧磺隆在非晶形氧化鋁、針鐵礦表面的吸附量都有不同程度的下降，其中非晶形氧化鋁降低的幅度最大；但先加尿素或者尿素與芐嘧磺隆同時添加，高嶺土對芐嘧磺隆的吸附量有所增加。尿素存在下，３種礦物的吸附曲線均不遵從Ｌａｎｇｍｕｉｒ方程，而符合拋物線擴散方程和Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ方程，這說明添加尿素后它們的吸附機理發(fā)生了改變。尿素存在下尿素和芐嘧磺隆通過雙分子氫鍵可形成比較穩(wěn)定的締合物，使芐嘧磺隆在水溶液中的可逆平衡向左移動，中性除草劑分子濃度增大，陰離子濃度減小，故在表面帶正電荷的針鐵礦及非晶形氧化鋁吸附降低，而帶負電荷的高嶺土更易與芐嘧磺隆的中性分子通過氫鍵產(chǎn)生作用而使吸附量增加。

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（責(zé)任編輯向闈）

收稿日期：２０１１－０７－０９

基金項目：湖北省教育廳科學(xué)研究重點項目（Ｄ２００９２７０２）

作者簡介：葉發(fā)兵（１９６６－），男，湖北英山人，教授，博士，主要從事土壤環(huán)境化學(xué)研究，（電話）１８６７１３１５６２１（電子信箱）ｙｅｆａｂｉｎ＠ｈｇｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。