礦區(qū)不同復(fù)墾措施對(duì)土壤碳礦化和酶活性的影響

李君劍, 嚴(yán)俊霞, 李洪建

山西大學(xué)黃土高原研究所, 太原 030006

礦區(qū)不同復(fù)墾措施對(duì)土壤碳礦化和酶活性的影響

李君劍, 嚴(yán)俊霞, 李洪建*

山西大學(xué)黃土高原研究所, 太原 030006

礦區(qū)廢棄地生態(tài)退化形勢(shì)嚴(yán)峻，生態(tài)修復(fù)已成為礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的主要措施，目前關(guān)于礦區(qū)復(fù)墾后土壤碳礦化和酶活性變化的研究較少。以山西省孝義市露天礦區(qū)復(fù)墾區(qū)為研究對(duì)象，植被恢復(fù)類型包括了百脈根、苜蓿、油松和柳樹-圓柏混交林，并對(duì)其分別進(jìn)行不施肥(對(duì)照)、無機(jī)肥、復(fù)合肥和有機(jī)肥處理，從而研究植被類型與施肥方式對(duì)礦區(qū)土壤碳礦化和酶活性的影響。結(jié)果表明，喬本比草本恢復(fù)類型的土壤有機(jī)碳礦化潛勢(shì)大，不同施肥條件的土壤有機(jī)碳礦化潛勢(shì)和累積量趨勢(shì)基本為：對(duì)照 < 無機(jī)肥 < 復(fù)合肥 < 有機(jī)肥；4種土壤酶活性因植被恢復(fù)類型和施肥處理的不同而差異顯著，不同土壤酶與降解特性不同的有機(jī)碳間相關(guān)性有所不同。土壤碳礦化累積量和酶活性均受植被恢復(fù)類型、施肥處理及兩者交互作用的顯著影響，因此對(duì)復(fù)墾措施敏感的土壤有機(jī)碳礦化和酶活性可作為評(píng)價(jià)復(fù)墾措施的指標(biāo)。

礦區(qū)復(fù)墾; 植被修復(fù)方式; 肥料處理; 土壤有機(jī)碳礦化; 土壤酶

山西是主要的采煤大省，煤炭分布面積占全省總面積的 36.5%，采煤破壞土地總面積 1.15 ×105hm2, 尚未治理的806 hm2, 占 89.2%[1]。礦山開采活動(dòng)對(duì)礦區(qū)土壤造成了嚴(yán)重破壞，主要表現(xiàn)為土壤有機(jī)質(zhì)含量和肥力降低，理化和生物特性變差，土壤團(tuán)聚體遭受嚴(yán)重破壞[2]。礦區(qū)復(fù)墾可固定流失碳和減緩二氧化碳釋放，復(fù)墾初期20—30 a間，土壤0—15 cm層有機(jī)碳固定速率較快，一般來說在草地復(fù)墾中土壤有機(jī)碳固定速率較快，而林地固定速率較低[3]。目前，關(guān)于山西省礦區(qū)復(fù)墾措施對(duì)植被群落演替影響的研究表明，相對(duì)于單一人工配置群落，多樣人工配置群落促進(jìn)群落正向演替方向發(fā)展更為明顯，人工修復(fù)和自然修復(fù)只在恢復(fù)初期群落演替存在差異性[4-5]，因植被恢復(fù)類型和恢復(fù)年限土壤有機(jī)質(zhì)含量會(huì)有顯著變化[6]。土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化和酶類是反映土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化過程特征的敏感指標(biāo)[7]，而目前對(duì)可及時(shí)反映土壤質(zhì)量變化的土壤碳礦化特征和酶活性的研究較少。

本研究在山西孝義露天礦區(qū)的不同植被修復(fù)方式和施肥處理的復(fù)墾地采集土壤樣品，對(duì)樣地土壤碳礦化和酶活性進(jìn)行測(cè)定，分析植被恢復(fù)類型和施肥處理對(duì)碳礦化和酶活性的影響，以及土壤酶活與土壤不同活性有機(jī)質(zhì)間相關(guān)性，旨在揭示不同復(fù)墾措施對(duì)土壤質(zhì)量的影響，其結(jié)果將為礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)模式篩選和恢復(fù)效果評(píng)價(jià)提供科學(xué)指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于呂梁山脈東翼低山丘陵地帶，構(gòu)造剝蝕劇烈，大體西高東低，地表黃土覆蓋，溝谷切割土梁沖溝發(fā)育。位于37°09.4′N和111°31.1′E，海拔995 m。屬于暖濕帶大陸性氣候。年均氣溫10.1 ℃，氣溫月際變化大，最冷月為1月，平均溫度為-5.6 ℃，最高月在7月平均溫度為23.7 ℃，極端高溫可達(dá)39.5 ℃，極端低溫為-22.9 ℃。年平均降水量486 mm，降水主要集中在7—9月。全年平均無霜期190 d，霜凍期為10月上旬至次年4月中旬。石灰?guī)r和砂頁巖是該區(qū)的主要成土母質(zhì)，機(jī)械組成主要是粉砂，排水和耕性條件良好，地下水位為5—6 m，無鹽漬化現(xiàn)象，土壤類型為淋溶褐土。

本研究包括4個(gè)樣地均是露天開采后，2009年礦區(qū)覆土，分別播種百脈根(Lotuscorniculatus)(播種量為5 kg/hm2)、紫花苜蓿(Medicagosativa)(播種量為10 kg/hm2)、栽植油松林(Pinustabulaeformis)(苗嶺為5 a，間距為2 m × 2 m)和柳樹-圓柏混交林(SalixmatsudanaKoidz-Sabinachinensis)(柳樹和圓柏的苗齡分別為7和5 a，間距為2 m × 2 m)。對(duì)不同植被類型復(fù)墾地分別進(jìn)行不同施肥處理，包括不施用任何肥料的對(duì)照，施用750 kg/hm2無機(jī)肥(N∶P2O5= 18∶12)、45 m3/hm2有機(jī)肥(OR，N:1.7%，有機(jī)質(zhì):24.1%)、復(fù)合肥(IO，375 kg/hm2無機(jī)肥 + 22.5 m3/hm2有機(jī)肥)處理。喬本林樣地設(shè)置為10 m × 10 m，草地樣地設(shè)置為2 m × 4 m，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，不同處理之間有2 m隔離區(qū)。

1.2 樣品采集

2011年7月在百脈根、苜蓿、油松林和混交林復(fù)墾區(qū)不同施肥處理的樣地分別采樣，用土鉆采用多點(diǎn)混合土樣樣品處理法，去除地表植被和覆蓋物，每個(gè)處理的3個(gè)重復(fù)小區(qū)分別隨機(jī)取6個(gè)樣點(diǎn)挖穴(0—10 cm)并混勻。一部分帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，研磨過2 mm的篩以備用；另一部分用于4 ℃保存用于土壤有機(jī)碳礦化和酶活性的測(cè)定。

1.3 樣品分析

土壤容重(BD)采用環(huán)刀法； pH值采用1∶5土和水溶液測(cè)定；土壤有機(jī)碳(OC)采用重鉻酸鉀氧化法；總氮(TN)采用凱氏定氮法[8]。進(jìn)行土壤活性碳采用Rovira和Vallejo酸水解法，依次加入2.5 mol/L 和13 mol/L H2SO4進(jìn)行依次酸解并離心，酸解液體分別通過重鉻酸鉀氧化法測(cè)定碳含量，被低和高濃度H2SO4酸解并浸提出土壤有機(jī)碳分別為活性碳1和活性碳2 (LC1和LC2)[9]，難降解碳為有機(jī)碳與活性碳1和2間差值。土壤有機(jī)碳礦化用實(shí)驗(yàn)室土壤培養(yǎng)法測(cè)定，在25 ℃恒溫下培養(yǎng)36 d，分別于2、4、6、8、15、22、29和36 d用HCl滴定吸收液NaOH，從而計(jì)算土壤碳礦化速率[10]。土壤多酚氧化酶活性采用鄰苯三酚比色法；土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法；土壤脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法；土壤脫氫酶活性采用2,3,5-氯化三苯基四氮唑比色法[11]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

土壤有機(jī)碳礦化主要是活性有機(jī)碳分解，所以應(yīng)用一階動(dòng)態(tài)方程Ct=Cp(1 - e-kt)分析不同處理下土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)，式中Cp表示土壤有機(jī)碳礦化勢(shì)，k表示有機(jī)碳礦化常數(shù)，Ct表示t天時(shí)累積土壤有機(jī)碳礦化量，t表示天數(shù)。

不同植被修復(fù)類型和施肥處理對(duì)土壤理化性質(zhì)、碳礦化累積量和酶活影響，在SPSS中進(jìn)行Two-way analysis of variance分析；土壤酶活性和有機(jī)質(zhì)及微生物豐度間相關(guān)性進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

2.1 土壤理化性質(zhì)

從表1可看出復(fù)墾地的土壤pH值呈堿性，施肥后會(huì)使土壤pH值顯著減低。土壤容重除在苜蓿樣地中，施肥均對(duì)其沒有顯著的影響；對(duì)照和有機(jī)肥處理下，植被對(duì)土壤容重影響較大。各樣地土壤有機(jī)碳和總氮基本上由于施肥而增加，尤其是有機(jī)肥處理顯著高于對(duì)照樣地；除混合肥處理下，其它相同施肥條件下油松林土壤有機(jī)碳會(huì)顯著低于其它植被修復(fù)類型。相同施肥處理時(shí)，植被修復(fù)方式顯著影響土壤總氮。土壤活性碳庫(kù)1和2主要受不同植被恢復(fù)類型的顯著影響，而施肥對(duì)其影響并不顯著。植被恢復(fù)類型和施肥處理間交互作用對(duì)土壤pH值、容重和活性碳并無顯著影響，而顯著影響土壤有機(jī)碳和總氮含量(P< 0.05)。

2.2 土壤有機(jī)碳礦化累積量

土壤有機(jī)碳礦化累積量隨培養(yǎng)時(shí)間變化趨勢(shì)見圖1，除苜蓿樣地土壤有機(jī)碳礦化累積量最低值出現(xiàn)在無機(jī)肥樣地外，其它植被恢復(fù)類型下對(duì)照樣地的碳積量為最低，有機(jī)肥樣地的碳礦化累積量保持最高。施肥處理在草本和喬木恢復(fù)類型對(duì)碳礦化累積量的影響有所差異，草本恢復(fù)類型下有機(jī)肥處理顯著高于對(duì)照和無機(jī)肥樣地碳礦化累積量，油松林下對(duì)照顯著低于施肥樣地碳礦化累積量，混交林中有機(jī)肥顯著高于其它樣地碳礦化累積量。相同施肥條件下，草本低于喬本恢復(fù)類型的碳礦化累積量。植被恢復(fù)類型和施肥處理間交互作用顯著影響碳礦化累積量(P< 0.01)。

從表2中也可看出，土壤有機(jī)碳礦化累積量與培養(yǎng)天數(shù)之間的一階動(dòng)態(tài)方程的擬合系數(shù)均達(dá)到了極顯著相關(guān)水平(P< 0.001)。相同植被恢復(fù)方式下，土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)勢(shì)最大值均出現(xiàn)在有機(jī)肥處理樣地；而相同施肥處理?xiàng)l件下，喬本高于草本恢復(fù)方式下土壤碳礦化潛勢(shì)，有機(jī)肥處理時(shí)尤為顯著。草本恢復(fù)方式下，土壤碳礦化潛勢(shì)在無機(jī)肥與復(fù)合肥處理間差別較大，在有機(jī)肥和復(fù)合肥間差別較小，而喬本恢復(fù)方式下，無機(jī)肥與復(fù)合肥間土壤碳礦化潛勢(shì)差別較小，而有機(jī)肥與復(fù)合肥處理間差別較大。

表1 植被恢復(fù)類型和施肥處理下土壤理化性質(zhì)和有機(jī)碳組成Table 1 Soil physiochemical characteristics and organic carbon composition under different regeneration scenarios and fertilizer treatments

圖1 不同植被恢復(fù)和施肥處理下土壤有機(jī)碳碳礦化累積釋放量

表2 不同植被恢復(fù)和施肥處理下土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)Table 2 Soil organic carbon mineralization dynamics under different regeneration scenarios and fertilizer treatments

Cp: 土壤有機(jī)碳礦化勢(shì)Soil organic carbon mineralization potential，k: 有機(jī)碳礦化常數(shù)Mineralization coefficient，R2: 決定系數(shù)Determination coefficients,P: 顯著性水平Significant level

2.3 土壤酶活性

不同植被修復(fù)類型和施肥處理對(duì)于土壤蔗糖酶、多酚氧化酶、脫氫酶酶和脲酶活性影響見圖2。從圖2中，可看出不同土壤酶對(duì)植被恢復(fù)類型和施肥處理的響應(yīng)并不一致。土壤蔗糖酶活性在草本恢復(fù)樣地中會(huì)因有機(jī)肥施用而顯著提高，而復(fù)合肥對(duì)其影響不顯著，而喬木恢復(fù)樣地中，3種施肥處理均顯著提高蔗糖酶活性；對(duì)照樣地中，草本顯著高于喬木的土壤蔗糖酶活性，而復(fù)合肥處理的不同植被恢復(fù)類型間呈相反趨勢(shì)。草本樣地中，施用無機(jī)肥或有機(jī)肥均顯著地促進(jìn)了土壤多酚氧化酶活性，而喬本樣地中施肥顯著抑制多酚氧化酶活性；相同施肥處理?xiàng)l件下，喬木顯著高于草本樣地的多酚氧化酶活性。對(duì)土壤脫氫酶，只有復(fù)合肥的影響效應(yīng)在4種植被修復(fù)方式均呈顯著效應(yīng)，而其它施肥處理方式因植被恢復(fù)類型不同對(duì)脫氫酶影響而不同；照和無機(jī)肥樣地中，不同植被恢復(fù)類型間脫氫酶活性差異較小，復(fù)合肥和有機(jī)肥的施用后，各植被恢復(fù)類型間脫氫酶差異性增加。草本樣地中施肥對(duì)脲酶活性的效應(yīng)并不一致，而在喬木樣地中3種施肥均顯著促進(jìn)脲酶活性；相同施肥處理?xiàng)l件下，草本顯著高于喬本樣地脲酶活性。另外，除施肥對(duì)土壤多酚氧化酶活性影響水平為P<0.05，其余土壤酶活性受植被恢復(fù)類型、施肥處理及其交互作用的影響均達(dá)到了極顯著水平(P< 0.01)。

表3是對(duì)土壤酶活性與土壤不同活性有機(jī)碳間相關(guān)性分析，蔗糖酶與脫氫酶之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而脲酶與蔗糖酶和多酚氧化酶間呈顯著的負(fù)相關(guān)。4種酶活性和土壤有機(jī)質(zhì)均不相關(guān)，蔗糖酶、多酚氧化酶和脲酶分別與碳1和2及難降解碳顯著相關(guān)，其中多酚氧化酶與活性碳2間相關(guān)系數(shù)最大為0.591，相關(guān)水平為0.01。

圖2 不同植被修復(fù)類型和肥料處理下土壤酶活性

表3 土壤酶活性與不同活性有機(jī)碳的相關(guān)檢驗(yàn)Table 3 Correlation coefficients between soil enzyme activities and liable organic carbon

*相關(guān)水平為0.05 (雙尾)；**相關(guān)水平為0.01 (雙尾)

3 討論

不同植被恢復(fù)類型和施肥處理主要是通過對(duì)土壤有機(jī)碳含量和組分的影響，進(jìn)而影響土壤碳礦化分解速率[12-13]，植被對(duì)土壤碳影響主要取決于根系產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率、分泌物和菌根量等[14]。本研究發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)類型會(huì)顯著影響不同活性有機(jī)碳含量(表1)，同時(shí)也影響土壤碳礦化累積量和潛勢(shì)，喬本比草本恢復(fù)類型的土壤碳礦化累積量和潛勢(shì)大(圖1和表2)，這可能主要是由于草本和喬木生長(zhǎng)所需水分差異，以及不同植被覆蓋度影響土壤水熱平衡，研究表明黃土高原區(qū)土壤溫度和水分是土壤有機(jī)碳礦化的主要影響因子[15]；另外植被恢復(fù)類型影響土壤碳礦化可能是由于枯落物輸入、根系分泌物和深度不同,土壤碳輸入量和分配比例不同，導(dǎo)致土壤碳礦化潛勢(shì)有所差異。

土壤改良劑可通過直接和間接效應(yīng)，增加土壤養(yǎng)分、固化有毒金屬、改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分環(huán)境[3]，因此也可影響土壤碳礦化，本文中也發(fā)現(xiàn)復(fù)合肥和有機(jī)肥可顯著提高土壤碳礦化速率以及潛勢(shì)(圖1和表2)。影響土壤碳礦化的另一主要因素是土壤結(jié)構(gòu)，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)阻止土壤酶與有機(jī)碳的接觸，在本研究中也發(fā)現(xiàn)土壤容重分別與土壤碳礦潛勢(shì)(r=0.509，P< 0.05，n= 16)和分解系數(shù)(r=-0.578，P< 0.05，n= 16)分別呈顯著正負(fù)相關(guān)。有機(jī)質(zhì)組成會(huì)影響土壤碳礦化潛勢(shì)在其它研究中也有所報(bào)道，如土壤碳礦化累積量因殘落物組成和頻次的不同有所差異[13]。Dendooven等[16]發(fā)現(xiàn)無機(jī)肥料樣地土壤碳礦化速率高于未施用肥料，同時(shí)比施用農(nóng)家肥樣地中約低3倍。

土壤微生物通過釋放于環(huán)境中的酶，介導(dǎo)有機(jī)質(zhì)的降解和碳氮磷等營(yíng)養(yǎng)的吸收同化[17]。在本文的研究中發(fā)現(xiàn)喬本和草本群落的土壤酶活性差異較大(圖2)，這種差異可能主要是由于豆科草本植物和喬木的根系微生物區(qū)系的差異性，該推斷在關(guān)于本試驗(yàn)區(qū)不同復(fù)墾措施對(duì)土壤微生物群系研究中得到了證實(shí)，植被類型影響了土壤微生物rRNA基因豐度和多樣性[18]，其中真菌18S rRNA豐度與蔗糖酶、脫氫酶和脲酶均顯著相關(guān)。在關(guān)于植被類型對(duì)土壤酶活性影響的研究中，室內(nèi)栽培的闊葉樹種和野外不同植被恢復(fù)方式均可顯著影響土壤酶活性[19-20]。

本文中施肥顯著影響土壤酶活性，其中有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性影響尤為為顯著(圖2)，這主要是由于有機(jī)肥的施用增加了土壤有機(jī)質(zhì)，從而增加了土壤微生物的碳源，促進(jìn)微生物的增殖，刺激酶活性的提高，在該研究樣地中已證明有機(jī)肥處理下土壤微生物的豐度和多樣性指數(shù)均有所提高[18]。另外，有機(jī)肥不僅可作為土壤酶的底物誘導(dǎo)酶活性，同時(shí)有機(jī)肥中攜帶微生物和酶，從而可增加土壤酶活性[21]。不同土壤酶活性對(duì)植被復(fù)墾方式和肥料處理反饋并不一致，這可能與植被和肥料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響有關(guān)(表1)，不同酶與不同活性有機(jī)碳間的相關(guān)性并不一致(表3)。另外，脫氫酶為胞內(nèi)酶，多酚氧化酶和脲酶為胞外酶，胞內(nèi)酶和胞外酶對(duì)環(huán)境變化的反饋并不一致[22-23]，因此本研究中不同土壤酶活性對(duì)植被恢復(fù)類型和施肥處理的反饋存在差異。

植被和施肥交互作用對(duì)土壤pH值、容重以及活性碳均無顯著影響，對(duì)土壤有機(jī)碳和氮有顯著影響(P< 0.05)，而可極顯著影響土壤有機(jī)碳礦化累積量和酶活性(P< 0.01)，可見土壤碳礦化和酶活性可更敏感地指示復(fù)墾措施，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量變化的良好指標(biāo)，其它研究中也有類似報(bào)道[24-26]。

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Effects of different reclaimed measures on soil carbon mineralization and enzyme actives in mining areas

LI Junjian, YAN Junxia, LI Hongjian*

InstituteofLoessPlateau,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China

Ecological degradation in the mining areas are greatly aggravated in recent decades. Ecological restoration has become the primary measure for the sustainable development, espcially in Shanxi Province where mine industry has been one of the pillar industies. Therefore, regulations were initiated to reclaim abandoned coal mining areas for agriculture and forestry in 2006. The vegetation and soil physicochemical characterics are often considered as the basic knowledge for assessing the effects of mining reclaimaed measures. However, soil carbon dynamics and enzyme activies still remain poorly understood. In this paper, we tested the effects of different regeneration scenarios and fertilizer treatments on soil organic carbon mineralization and enzyme actives in reclaimed opencast mining areas. Ecological reconstruction was initiated on the abandoned land in Xiaoyi mining area under four regeneration scenarios includingLotuscorniculatus,Medicagosativagrasslands,Pinustabulaeformisplantation, andSalixmatsudana-Sabinachinensismixed forest treated by different fertilizations including no, inorganic, organic and combination of inorganic and organic fertilizer added to soils. We analyzed the effects of regeneration scenarios and fertilizer treatments on oil organic carbon dynamics and enzyme actives, and the relationships between soil enzyme actives and different active carbon through quantitative ecology method. The major findings of the dissertation are as follows: (1) Soil organic carbon mineralization potential and cumulative carbon from herb regenerations were lower than from tree ones. Under same regeneration scenario, the order of soil organic carbon mineralization potential was no < inorganic fertilizer < inorganic + organic fertilizer < organic fertilizer. Especially, the positive effects of organic fertilizer were obvious. In addition, soil carbon-cumulative mineralization was also stimulated by fertilizer treatments. (2) The feedbacks to the regeneration scenarios and fertilizer treatments from different enzymes actives were different. There were the contrary responds to fertilizer treatments between herb and tree scenarios. Except for phlyphenol oxidase, the effects of fertilizer treatments on soil enzyme activities were positive in most cases. (3) The relationships between soil enzyme activities and carbon varied due to enzyme types and carbon activity. Positively significant correlation was demonstrated on soil sucrase and dehydrogenase (P< 0.05), however, negative correlations were shown between soil urease and oxidase (P< 0.05) /phlyphenol (P< 0.05). (4) The effects of regeneration scenarios, fertilizer treatments and their mutual actions on soil carbon-cumulative mineralization and enzyme activities were at the 0.01 levels, except that the effect of fertilizer treatments on soil phlyphenol oxidase was at the 0.05 level. Soil carbon-cumulative mineralization and enzyme activities were more sensitive to fertilizer treatments and regeneration-fertilizer interaction than soil pH, bulk density, organic carbon and nitrogen. Therefore, the sensitive diversity indices of soil carbon-cumulative mineralization and enzyme activities could be as good indictors to assess the effects of mining reclamation measures.

reclaimed mining area; regeneration scenarios; fertilizer treatments; soil carbon mineralization; soil enzyme activities

國(guó)家自然科學(xué)基金(41271530, 41201374)

2013- 09- 22;

2014- 07- 02

10.5846/stxb201309222330

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hongli@sxu.edu.cn

李君劍, 嚴(yán)俊霞, 李洪建.礦區(qū)不同復(fù)墾措施對(duì)土壤碳礦化和酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(12):4178- 4185.

Li J J, Yan J X, Li H J.Effects of different reclaimed measures on soil carbon mineralization and enzyme actives in mining areas.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):4178- 4185.