上海濱海地區(qū)鹽堿地蔬菜栽培土壤的微生物改良及其評(píng)價(jià)

寇一鳴，戴佳偉，劉石秀，吳文艷，陳軍

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院植物種質(zhì)資源開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200234)

上海濱海地區(qū)鹽堿地蔬菜栽培土壤的微生物改良及其評(píng)價(jià)

寇一鳴，戴佳偉，劉石秀，吳文艷，陳軍

(上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院植物種質(zhì)資源開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200234)

為了改良上海濱海地區(qū)鹽堿地的土壤肥力狀況，使之轉(zhuǎn)變成適合蔬菜生產(chǎn)的土質(zhì)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)通過(guò)混合鹽堿土與有機(jī)肥后，噴施基于有機(jī)基質(zhì)協(xié)同降解的復(fù)合微生物對(duì)鹽堿土進(jìn)行土壤改良.結(jié)果表明：鹽堿土混入5∶1的有機(jī)質(zhì)肥后，施加0.5%的1∶3∶3∶1的地衣芽孢桿菌、假單胞菌、黃桿菌和鞘氨醇單胞菌菌液的復(fù)合微生物能快速增強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)的利用能力，顯著提高土壤微生物數(shù)量和多樣性指數(shù).同時(shí)，土壤中的脲酶、磷酸酶、纖維素酶和過(guò)氧化氫酶等酶學(xué)指標(biāo)顯著上升.改良土的蔬菜栽培試驗(yàn)顯示栽培50 d后青菜的生物量比原始鹽堿地產(chǎn)量增加近1倍，比單純施加有機(jī)肥的產(chǎn)量增加30.2%.結(jié)論對(duì)鹽堿地的生物改良具有良好的參考、應(yīng)用價(jià)值.

濱海鹽堿地；復(fù)合微生物；有機(jī)質(zhì)利用；土壤改良

0 引言

上海東部濱海地區(qū)土壤鹽分含量為0.4～0.6 g/kg，局部地區(qū)甚至高達(dá)8.1 g/kg，約有60%的土壤pH為8.0～8.5，另有近40%土壤pH為8.5～9.0，鹽分組成以NaCl為主，屬于中度鹽堿地［1］.該區(qū)域鹽堿土中有機(jī)質(zhì)總體含量低，大多小于20 g/kg，土壤肥力貧瘠、結(jié)構(gòu)粘滯、板結(jié)緊實(shí)、通氣性差、容重率高，易造成土溫上升慢，土壤中好氣性微生物活動(dòng)性差、水分釋放慢、滲透系數(shù)低、毛細(xì)作用強(qiáng)、表層土壤鹽漬化嚴(yán)重等現(xiàn)象，對(duì)蔬菜的生產(chǎn)十分不利［2-3］.

上海作為國(guó)際化大都市，城市規(guī)模大，市民人口多，城市生活中蔬菜消費(fèi)需求量大.由于季節(jié)、天氣和消費(fèi)觀念等因素的影響，經(jīng)常會(huì)造成上海地區(qū)蔬菜供應(yīng)緊張的問(wèn)題，因此，保持一定規(guī)模的上海本土蔬菜的生產(chǎn)是十分必要的［2］.上?？晒┦卟朔N植的土地十分緊缺，拓展蔬菜種植的土地資源必然指向上海東部濱海地區(qū)大量的灘涂圍墾形成的鹽堿地.改良適合蔬菜生產(chǎn)的鹽堿地的一個(gè)有效途徑是增施有機(jī)肥.有機(jī)肥經(jīng)過(guò)土壤微生物分解轉(zhuǎn)化后形成有機(jī)酸和腐殖質(zhì)，能中和土壤堿性，提高土壤的緩沖能力，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，增加土壤孔度，增強(qiáng)透水性，有利于鹽分淋洗，抑制返鹽［4-6］.另一方面微生物作用也可以加速養(yǎng)分分解，促進(jìn)遲效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，提高氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)要素的有效利用.而自然發(fā)酵處理過(guò)程中有機(jī)肥釋放養(yǎng)分的速率和比例并不能完全滿(mǎn)足蔬菜栽培的生理需要，因此，人工強(qiáng)化功能性微生物是促進(jìn)土壤改良的重要手段，能夠高效促進(jìn)土壤中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，提高作物營(yíng)養(yǎng)均衡度，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)吸收和刺激調(diào)控作物的生長(zhǎng)，同時(shí)也能抑制部分病害生物［6-9］.本文作者旨在探究通過(guò)基于有機(jī)基質(zhì)協(xié)同降解利用的復(fù)合微生物的增施，提高上海濱海地區(qū)鹽堿地蔬菜栽培土質(zhì)的性能.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)土樣

土樣取自上海東部濱海的浦東三甲港地區(qū)，取樣時(shí)間為2015年4月中旬.選取多點(diǎn)采集樣土，等量混合后使用.采樣地要求為濱海灘涂未開(kāi)墾種植過(guò)的海濱原始土樣，土表風(fēng)干后有明顯的淺白色鹽霜.

1.1.2 有機(jī)基質(zhì)及制備混合土質(zhì)

有機(jī)基質(zhì)取自奶牛飼養(yǎng)場(chǎng)經(jīng)堆肥發(fā)酵數(shù)月的固體糞肥.將采樣的鹽堿土與有機(jī)基質(zhì)按重量比5∶1混合均勻，以不混入有機(jī)基質(zhì)的鹽堿土樣為對(duì)照土樣.

1.1.3 供試菌種

地衣芽孢桿菌(Bacillus licheniformis)，假單胞菌(Pseudomonassp.)，黃桿菌(Flavobacteriumsp.)和鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonassp.).以上菌種均為本實(shí)驗(yàn)室鑒定保藏.

1.1.4 供試青菜品種

上海青(Brassica chinensisL.)，上海師范大學(xué)植物園提供.

1.1.5 主要設(shè)備

數(shù)字式液體稀釋儀(Bio Dilutor，西班牙IUL)；全自動(dòng)微生物平皿螺旋加樣系統(tǒng)(DJH5 EddyJetIUL，西班牙)；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(TU1901，普析通用)，HPLC(Agilent 1100系列，德國(guó))等.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 土壤樣品采集與分析

采集三甲港地區(qū)灘涂圍墾地土樣，分析其pH、有機(jī)質(zhì)含量、容重、全氮、有效磷和速效鉀等指標(biāo)，并對(duì)其中的微生物總數(shù)及多樣性和土壤酶活性等指標(biāo)進(jìn)行分析.

1.2.2 土壤復(fù)合微生物菌劑的施用

分別對(duì)供試菌種進(jìn)行擴(kuò)大培養(yǎng)制備4種供試微生物菌劑，調(diào)節(jié)菌液濃度的吸光度至A600=2.0，以各種菌液的混合體積比為因素，設(shè)定的3個(gè)混合比(0、10、30 mL)為水平，進(jìn)行四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn).菌液復(fù)合后用水稀釋至500 mL根據(jù)試驗(yàn)要求分別噴施于10 kg鹽堿土與有機(jī)基肥混合土樣中，裝入塑料栽培槽中置于溫室中空置培養(yǎng)(溫室溫度為20～25℃).每間隔5 d從栽培槽中取樣檢測(cè)土樣的pH、細(xì)菌總數(shù)、放線菌總數(shù)、真菌總數(shù)和微生物總數(shù)，并對(duì)微生物進(jìn)行生物多樣性統(tǒng)計(jì).

1.2.3 微生物改良鹽堿土的蔬菜栽培試驗(yàn)

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化噴施微生物組合后的土質(zhì)用于青菜栽培試驗(yàn).以原始鹽堿土為陰性對(duì)照，鹽堿土與有機(jī)肥混合土為陽(yáng)性對(duì)照，選取苗形基本一致的青菜(每株苗高8～10 cm，苗重4.5～5 g)種植于30 cm×90 cm×30 cm塑料栽培槽中，每槽均勻種植8株，每處理組設(shè)置5個(gè)平行種植槽.以栽培基質(zhì)的土壤肥力指標(biāo)和青菜生物量作為響應(yīng)值，評(píng)價(jià)復(fù)合微生物改良鹽堿土的效果.

1.2.4 測(cè)試方法

1.2.4 .1土樣微生物多樣性指數(shù)檢測(cè)

土壤微生物數(shù)量分析采用數(shù)字液體稀釋儀和全自動(dòng)微生物平皿螺旋加樣系統(tǒng)操作［10］，其中細(xì)菌檢測(cè)采用營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基平板，放線菌檢測(cè)采用高氏一號(hào)培養(yǎng)基平板，真菌檢測(cè)采用馬丁氏培養(yǎng)基平板［11］.

土樣微生物類(lèi)群多樣性指數(shù)采用Shannon-Wiener(SW)多樣性指數(shù)表示［12］.公式如下：

式中：Pi=Ni/N，N：菌落總數(shù)(cfu/mL)，Ni：第i個(gè)種的菌落數(shù)(cfu/mL).

1.2.4.2土壤肥力指標(biāo)分析［12-14］

土壤有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)測(cè)定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法；全氮(mg/kg)測(cè)定采用凱氏消煮法；有效磷(mg/kg)測(cè)定用Olsen法；速效鉀(mg/kg)測(cè)定采用乙酸銨提取法測(cè)定；電導(dǎo)率(μS/cm)測(cè)定采用電導(dǎo)法.

青菜生物量(g)測(cè)定以洗凈蔬菜淋水晾干后的重量表示.

土壤脲酶活力測(cè)定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，活力數(shù)以24 h后1 g干土樣中NH3-N的質(zhì)量(mg)表示(mg/g.24 h)；土壤磷酸酶活性測(cè)定采用以磷酸苯二鈉比色法，以24 h后1 g干土樣中釋放出的酚的質(zhì)量(mg)表示(mg/g.24 h)；土壤纖維素酶活性測(cè)定用3，5-二硝基水楊酸比色法，以72 h，1 g干土樣生成葡萄糖質(zhì)量(mg)表示(mg/g.72 h)；過(guò)氧化氫酶活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法，活性以每克干土樣1 h內(nèi)消耗的0.1mol/L KMnO4體積數(shù)(mL)表示(mL/g.h).

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2013和SPSS 16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和差異顯著性檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 上海濱海地區(qū)鹽堿地主要土壤指標(biāo)分析

對(duì)采集的用于鹽堿地改良的原始土樣進(jìn)行分析，測(cè)定結(jié)果如表1所示.

表1 浦東三甲港地區(qū)采集土樣的肥力指標(biāo)分析

分析結(jié)果顯示，上海濱海地區(qū)鹽堿土土質(zhì)pH在7.95～8.17，偏堿性，電導(dǎo)能力高，容重率高，有機(jī)質(zhì)及氮、磷水平低，屬于比較典型的中度鹽堿地特征，土壤主要肥力指標(biāo)不利于一般蔬菜的栽培生產(chǎn).

圖1顯示的濱海鹽堿土中微生物總數(shù)在4× 105cfu/g以下，數(shù)量較一般栽培土質(zhì)明顯偏低，微生物多樣性指數(shù)(SW)僅在0.3左右.生物多樣性指數(shù)是描述生物類(lèi)型數(shù)和均勻度的一個(gè)度量指標(biāo)，可以反映土樣中微生物物種的豐富程度及其各類(lèi)型間的分布比例［12］.分析表明，在原始鹽堿土的細(xì)菌、放線菌和真菌三大類(lèi)群中細(xì)菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其次是放線菌和真菌，反映出土樣中微生物種群較為單一.康貽軍等［14］指出，細(xì)菌、放線菌數(shù)量與土壤中全鹽含量呈顯著負(fù)相關(guān)，細(xì)菌的數(shù)量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著相關(guān)，土壤鹽份度越高，微生物數(shù)量越少，反映了以鹽份為主導(dǎo)因子的鹽堿土壤環(huán)境條件的綜合影響.土壤鹽漬化會(huì)降低土壤微生物的活性，鹽度脅迫通常會(huì)抑制土壤微生物的生長(zhǎng).從檢測(cè)的土壤肥力指標(biāo)可以說(shuō)明有機(jī)質(zhì)含量低可能是微生物數(shù)量低和種群?jiǎn)我坏闹饕颍?5］.對(duì)于鹽堿土的生物改良而言，減少鹽分的途徑不多，但是通過(guò)復(fù)配有機(jī)質(zhì)，改善土質(zhì)的有機(jī)物組成，再輔助以功能性微生物加速有機(jī)質(zhì)的分解，應(yīng)該能成為土壤生物改良的較好手段.

圖1 浦東三甲港地區(qū)采集土樣的微生物多樣性分析

表2顯示的原始鹽堿土的土壤酶活性中脲酶、磷酸酶、纖維素酶和過(guò)氧化氫酶活性較一般栽植土壤的酶活明顯的偏差.

表2 浦東三甲港地區(qū)采集土樣的土壤酶活力分析

毛志剛等［16］認(rèn)為，土壤酶活性與土壤鹽分、pH之間存在顯著負(fù)相關(guān)；過(guò)氧化氫酶與土壤pH呈正相關(guān)關(guān)系，與脲酶和磷酸酶的pH呈負(fù)相關(guān)，土壤微生物區(qū)系及生理生化指標(biāo)對(duì)改良方式有良好的響應(yīng)，因此，通過(guò)土壤酶活性檢測(cè)可以作為土壤改良的重要參照指標(biāo).

2.2 微生物復(fù)合噴施后土質(zhì)微生物多樣性的變化

本實(shí)驗(yàn)采用的鹽堿土改良方法首先在原始鹽堿土中混入20%的發(fā)酵牛糞，以提高其中的有機(jī)物比例，同時(shí)也可以增加土壤的膨松程度.再選用對(duì)纖維素、蛋白質(zhì)等有機(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)降解能力的組合微生物，嘗試提高對(duì)土壤改良的效果.根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求在復(fù)合鹽堿土中噴施不同組合微生物，經(jīng)20 d處理后考察土壤微生物組成改變，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果如表3所示.

表3 微生物復(fù)合處理對(duì)微生物多樣性影響的正交實(shí)驗(yàn)L9(34)

從復(fù)合微生物噴施對(duì)混合土壤中微生物多樣性指標(biāo)分析可以發(fā)現(xiàn)，影響土壤中微生物多樣性的最重要因素為A(地衣芽孢桿菌)，處理后SW平均值為0.56，比原始土樣的0.3提高了0.26，其次是C(黃桿菌)和D(鞘氨醇單胞菌屬)，SW平均值分別為0.55和0.52，而B(niǎo)(假單胞菌)的添加對(duì)土壤微生物種類(lèi)的影響最小，SW平均值為0.50；從噴施菌的比例上分析，A、B、C和D 4種微生物菌液分別以10、30、30和10 mL的體積比例混合施用效果最為顯著；從菌種的生物學(xué)特性上分析可以反映出：由于地衣芽孢桿菌具有較強(qiáng)的產(chǎn)蛋白酶和纖維素酶的能力，對(duì)有機(jī)基質(zhì)的分解能力最強(qiáng)，而黃桿菌和鞘氨醇單胞菌具有降解結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)分子的能力，能使有機(jī)基質(zhì)中的一些不易利用的微量有機(jī)基質(zhì)得到分解，從而提高了土壤中部分生長(zhǎng)因子的供給能力.微生物的降解作用也會(huì)使土壤的pH值明顯下降，處理組中pH值最大可降到6.4左右.雖然假單胞菌在組合實(shí)驗(yàn)中對(duì)生物多樣性指數(shù)的作用較小，但很多文獻(xiàn)報(bào)道中認(rèn)為假單胞菌具有一定的對(duì)有害生物的拮抗作用和促進(jìn)植物生長(zhǎng)作用［17］，在土質(zhì)改良中也會(huì)產(chǎn)生重要的影響.

2.3 復(fù)合微生物改良鹽堿土對(duì)蔬菜栽培的影響

選種上海地區(qū)最為普遍栽培的青菜品種上海青(Brassica chinensisL.)進(jìn)行鹽堿土改良后的種植試驗(yàn)，以原始的灘涂鹽堿地為陰性對(duì)照，以混入20%牛糞為有機(jī)基質(zhì)的鹽堿土為改良土質(zhì)，按正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的最佳菌液配比施加土樣中考察青菜生長(zhǎng)情況.試驗(yàn)周期為50 d，不同處理土樣中青菜生長(zhǎng)結(jié)果如表4所示.

表4 不同處理方式對(duì)青菜生物量的對(duì)比(g/棵)

比較青菜生長(zhǎng)的不同時(shí)期的生物量變化，可以明顯發(fā)現(xiàn)鹽堿土中混入有機(jī)基質(zhì)的混合土樣能明顯改善青菜的生長(zhǎng)速度，在強(qiáng)化復(fù)合微生物后，青菜的生長(zhǎng)速度更為快速.50 d后采收的青菜生物量增重比原始鹽堿土提高將近一倍，比不施加微生物的混合土樣提高35.46%.數(shù)據(jù)說(shuō)明了復(fù)合微生物的添加能顯著改良鹽堿地青菜栽培的條件.

2.4 鹽堿地微生物改良后的肥力指標(biāo)評(píng)價(jià)

對(duì)栽培后的鹽堿土壤進(jìn)行相關(guān)肥力指標(biāo)的分析，考察微生物改良對(duì)土質(zhì)栽培的肥力指標(biāo)影響的差異，探究鹽堿土生物改良的改良機(jī)制，從而評(píng)價(jià)鹽堿地改良的效果.改良后的主要土壤肥力指標(biāo)如表5和圖2所示.

表5 改良蔬菜栽培地的肥力指標(biāo)評(píng)價(jià)

土壤酶活性是表征土壤肥力、土壤質(zhì)量及土壤健康的重要指標(biāo).從表5看出，復(fù)合微生物處理過(guò)的鹽堿土中的pH下降到6.64，比原始土樣降低了1.31，全氮增加了3.09倍，有效磷和速效鉀分別提高了4.47和1.76倍，土壤的電導(dǎo)率和容重也得到了有效改善；改良后土壤的磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和脲酶活性不同程度上高于對(duì)照處理.由于復(fù)合微生物的高效施加有效磷含量高，抑制了磷酸酶的活性(0.484 mg/g.24 h)，磷酸酶活性低于對(duì)照(0.545 mg/g.24 h)，脲酶(0.048 mg/g.24 h)、纖維素酶(18.67 mg/g.72 h)和過(guò)氧化氫酶(2.349 mL/g.h)活性大于2種對(duì)照，酶活分別提高2.96、4.11和5.65倍.

圖2的微生物多樣性指數(shù)指標(biāo)顯示，復(fù)合微生物改良后的土壤微生物總數(shù)呈現(xiàn)大幅度提高，微生物總數(shù)超過(guò)4.3×106cfu/g，比原始鹽堿土樣提高了10倍以上.生物多樣性指數(shù)由原先的0.306增加到0.61，各種微生物種類(lèi)得到了均衡提高.反映了基于有機(jī)物協(xié)同降解的微生物改良模式下微生物的優(yōu)化施加促進(jìn)了土壤中基質(zhì)的分解利用，改善了微生物生長(zhǎng)的條件，由此好使得土壤理化指標(biāo)和土質(zhì)肥力指標(biāo)有了顯著地改善.

圖2 改良蔬菜栽培地的微生物多樣性指標(biāo)評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

鹽堿地改良是一個(gè)較為復(fù)雜的土壤綜合治理工程.鹽堿地改良方式需要根據(jù)鹽堿土的土質(zhì)形成狀況和改良后所適應(yīng)對(duì)象的不同而采用相應(yīng)的改良方法［6］.上海濱海地區(qū)鹽堿土大部分是由圍堤后吹墊海底泥沙而成的，土壤含鹽量高、堿性大，土質(zhì)緊實(shí)，容重大，肥力低下.因此需要從土壤發(fā)育演變的規(guī)律出發(fā)，通過(guò)人工強(qiáng)化和促進(jìn)的手段將鹽漬土向農(nóng)業(yè)土改良［1-2］.本研究針對(duì)性地采用增加鹽堿土有機(jī)質(zhì)含量，運(yùn)用有機(jī)質(zhì)協(xié)同降解復(fù)合微生物菌群，促進(jìn)土壤中基質(zhì)的降解，加快各類(lèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化土壤肥力要素的形成，從而達(dá)到滿(mǎn)足鹽堿土質(zhì)對(duì)蔬菜種植的環(huán)境要求.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明采用的復(fù)合微生物改良后的土壤理化狀況、微生物多樣性指數(shù)和土壤酶學(xué)指標(biāo)均得到了顯著性改善，實(shí)驗(yàn)試種的上海代表性蔬菜品種對(duì)改良鹽堿土的栽培適應(yīng)性良好，驗(yàn)證了采用復(fù)合微生物改良鹽堿土質(zhì)具有明顯的土壤改良成效，對(duì)上海開(kāi)發(fā)濱海鹽堿地種植蔬菜提供了積極的參考作用.

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Microbialproperty improvement of saline-alkali soil for vegetable cultivation in Shanghai coastal area and its evaluation

KOU Yiming，DAI Jiawei，LIU Shixiu，WU Wenyan，CHEN Jun
(Development Center of Plant Germplasm Resources，College of Life and Environmental Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China)

In order to improve the fertility of saline-alkali soil in Shanghai coastal area，and make it suitable for vegetable cultiration，in the study，the saline-alkali soil was mixed with organic fertilizer，and then sprayed with composite microbes，which have the ability of the synergistically degrading organic substrate.The results showed that the saline-alkali soil added with 5∶1 organic fertilizer can rapidly increase the utilization ability soil organic matter.The soil microbial populations and microbial diversity index were significantly improved when applied with the 0.5%composite microbial liquid which containeds 1∶3∶3∶1 ofBacillus licheniformis，Pseudomonassp.，F(xiàn)lavobacteriumsp.andSphingomonassp..At the same time，the enzymology indicators of soil urease，phosphatase，cellulase and catalase increased significantly.The vegetable cultivation experiments showed that：the biomass ofBrassica chinensisnearly doubled in the original saline-alkali soil，while the yield of organic fertilizer increased 30.2%after 50 days.The research result on of the biological improvement for saline-alkali soil will have good application value in vegetable planting in coastal saline-alkali soil.

coastal saline-alkali soil；compound microorganism；organic matter utilization；soil improvement

Q 939.96

A

1000-5137(2015)06-0599-07

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2015.06.004

(責(zé)任編輯：顧浩然，包震宇)

2015-09-26

上海師范大學(xué)植物種質(zhì)資源開(kāi)發(fā)中心項(xiàng)目(2F12051301)；上海市大學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(A-9103-14-007123)

陳軍，中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào)，上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，郵編：200234；E-mail：cj7206@shnu.edu.cn