應(yīng)介官,林慶毅,張夢(mèng)陽,黃 毅,彭抒昂,姜存?zhèn)}
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生物炭對(duì)鋁富集酸性土壤的毒性緩解效應(yīng)及潛在機(jī)制
應(yīng)介官1,林慶毅1,張夢(mèng)陽1,黃 毅3,彭抒昂2,姜存?zhèn)}1
(1華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,武漢 430070;2華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝與林學(xué)學(xué)院,武漢 430070;3荊州技師學(xué)院,湖北荊州434020)
【目的】紅壤鋁毒是土壤改良持續(xù)關(guān)注的問題之一。生物炭因其自身的理化和生物學(xué)特性,為探索解決該難題提供了新的思路和途徑。論文通過在紅壤中添加外源鋁并種植作物,研究生物炭對(duì)鋁富集土壤鋁毒的緩解效應(yīng)及潛在機(jī)制?!痉椒ā窟x用酸性紅壤做盆栽試驗(yàn),種植小白菜,添加花生殼生物炭和外源鋁,設(shè)置CK(0C+0Al)、C(2%C)、Al(1 mmol·L-1Al)、C+Al(2%C+1 mmol·L-1Al)4個(gè)處理,分析生物炭對(duì)鋁富集紅壤不同活性鋁及作物生長(zhǎng)的影響。【結(jié)果】鋁毒會(huì)顯著抑制小白菜的出苗,且加重紅壤小白菜生長(zhǎng)受抑制的情況,降低小白菜的生物量,同時(shí),鋁毒會(huì)顯著提高小白菜鋁含量。而施用生物炭能緩解鋁毒對(duì)小白菜的抑制影響,顯著改善小白菜的生長(zhǎng)狀況,降低小白菜鋁含量,C+Al處理小白菜鋁含量較Al處理降低89.4%。鋁毒會(huì)顯著降低紅壤的pH,Al處理紅壤pH較CK處理降低了0.36個(gè)單位,而施用生物炭能顯著提高土壤pH,C+Al處理土壤pH較Al處理上升0.62個(gè)單位。Al處理較CK處理土壤活性鋁含量上升276.4 μg·g-1,遠(yuǎn)大于添加量(27 μg·g-1),而施用生物炭能顯著降低土壤活性鋁含量,C+Al處理較Al處理下降14.9%。此外,Al處理交換性Al3+含量較CK處理上升23.1%,施用生物炭后,C+Al處理交換性Al3+含量較Al處理下降46.5%。CK與Al處理土壤活性鋁形態(tài)主要以具有生物毒害性的交換性Al3+為主,C與C+Al處理土壤活性鋁形態(tài)主要以單聚體羥基鋁離子、膠體Al(OH)30為主。【結(jié)論】添加外源鋁降低了土壤pH,加重鋁的毒害,抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育。此外,外源鋁的添加對(duì)紅壤中活性鋁有較強(qiáng)的激發(fā)效應(yīng),使得交換性Al3+含量顯著升高。然而,生物炭能顯著提高酸性土壤pH,且改變不同活性鋁的含量,但其對(duì)4種不同形態(tài)活性鋁的效應(yīng)有較大差異,其主要通過降低具有生物毒性的Al3+含量來緩解鋁毒,從而改善作物生長(zhǎng)狀況。
生物炭;紅壤;鋁毒;活性鋁;小白菜
【研究意義】鋁毒是酸性土壤限制作物生長(zhǎng)發(fā)育的主要因素之一[1],鋁主要以硅鋁酸鹽的形式存在于土壤中,由于酸雨和酸霧的發(fā)生,加上不合理施肥,使土壤酸化和鋁富集化作用加劇,對(duì)植物造成極大的危害。特別是中國(guó)南方紅壤區(qū)土壤淋溶作用強(qiáng)烈[2],鋁氧化物易富集形成鋁脅迫[3]。土壤中的活性鋁常被土壤吸附或與磷酸結(jié)合而固定,可溶性鋁含量不到1 mg·kg-1 [4],而當(dāng)pH 5.5以下時(shí),土壤中可溶性鋁會(huì)顯著增加[5-6]。因此,探討鋁富集土壤的改良機(jī)制及效應(yīng)日益迫切。【前人研究進(jìn)展】由木材、作物秸稈和動(dòng)物殘?bào)w等生物質(zhì)在高溫、缺氧條件下產(chǎn)生的生物炭[7],其對(duì)土壤容重、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和持水性等物理性質(zhì)具有較好的改良效果[8-9],也能提高土壤pH、離子交換量和土壤養(yǎng)分含量等化學(xué)性質(zhì)[10-11]。生物炭不僅能促進(jìn)作物較好的生長(zhǎng)[12-15],施用生物炭后對(duì)降低紅壤酸性和緩解鋁毒也有顯著效果[16-17],鋁毒害不僅與活性鋁含量有關(guān),也與其形態(tài)相關(guān),交換性Al3+代表了具有生物有效性的那部分鋁,具有生物毒害性,其含量的高低決定土壤鋁毒的程度[18]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來,隨著生物炭研究的深入,其效果也越來越收到廣泛的關(guān)注,但是結(jié)合南方紅壤遭受鋁毒害的實(shí)際情況,研究生物炭對(duì)鋁富集紅壤毒性的緩解效應(yīng)較少。同時(shí),分析生物炭對(duì)鋁富集紅壤不同形態(tài)活性鋁的調(diào)節(jié)作用尤為重要?!緮M解決的關(guān)鍵問題】根據(jù)生物炭自身的理化和生物學(xué)特性,本試驗(yàn)通過在紅壤中添加外源鋁并種植作物,分析鋁富集紅壤不同形態(tài)活性鋁及作物生長(zhǎng)等在施用生物炭后的變化,為生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上緩解鋁毒的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)于2015年在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)盆栽場(chǎng)進(jìn)行,用沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)提供的生物炭,以花生殼為原料在400℃熱解制備而成,其pH為8.76,有機(jī)碳、氮、磷和鉀的含量分別為321.93、18.84、2.59、8.48 g·kg-1。供試土壤為江西典型酸性紅壤,其主要理化性質(zhì)為:pH 4.75,有機(jī)碳5.26 g·kg-1,堿解氮16.98 mg·kg-1,速效磷0.55 mg·kg-1,速效鉀21.00 mg·kg-1。供試作物為小白菜“抗熱605”。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
采用土培盆栽試驗(yàn),設(shè)置CK(0C+0Al),C(2%C),Al(1 mmol·L-1Al),C+Al(2%C+1 mmol·L-1Al)4個(gè)處理,每處理4次重復(fù)。外源鋁為1 000 μmol·L-1的AlCl3·6H2O,27 μg·g-1Al3+[19]。盆栽取1.5 kg過2 mm篩的風(fēng)干土,添加生物炭及外源鋁與酸性紅壤混合均勻,放在塑料盆中并施入已經(jīng)配好的H·C·阿夫多寧營(yíng)養(yǎng)液(NH4NO30.24 g·L-1;KCl 0.15 g·L-1;Na2HPO4·12H2O 0.1 g·L-1;NaH2PO4·H2O 0.1 g·L-1;CaCl2·2H2O 0.36 g·L-1;MgSO4·7H2O 0.5 g·L-1),微量元素用阿農(nóng)營(yíng)養(yǎng)液,pH為6.0。每天澆水,通過重量差減法,使水分維持約75%田間持水量,于3月31日播種,發(fā)芽后間苗培養(yǎng)50 d,5月20號(hào)收獲。
1.3 樣品采集與測(cè)定
植物樣品:種植期間間苗3次,均稱鮮重,烘干稱重。調(diào)查小白菜的出苗率、葉片數(shù)、葉面積。收獲時(shí),將小白菜整株采集,稱取鮮重,烘干稱重保存。
土壤樣品:小白菜收獲后,分別取不同處理的土樣進(jìn)行分析。將土樣風(fēng)干并分別過20目和100目的篩子,自封袋保存,用于測(cè)定土樣的常規(guī)理化指標(biāo)及各形態(tài)活性鋁含量。
土壤常規(guī)理化性質(zhì)按照鮑士旦[20]所編《土壤農(nóng)化分析》中的方法測(cè)定,具體如下:土壤pH采用pH計(jì)法(水土比2.5﹕1);土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法;速效鉀用醋酸銨提取-火焰分光光度計(jì)法;速效磷用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法;有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱法。土壤活性鋁的含量用龐叔薇等[21]提出的浸提方法測(cè)量,用KCl、NH4AC、HCl、NaOH四種浸提劑分別浸提,其中KCl浸提交換性Al3+;而NH4AC浸提交換性Al3+、單聚體羥基鋁離子;HCl浸提出交換性Al3+、單聚體羥基鋁離子及膠體Al(OH)30;NaOH能浸取的活性鋁包括所有能形成羥基鋁化合物的無機(jī)鋁及腐殖酸鋁,具體見表1。植物中的鋁含量用孫建民等[22]提出的浸提方法,羊毛鉻花青R比色法測(cè)定浸提出來的活性鋁。
表1 不同浸提液對(duì)活性鋁的浸出
1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析
土壤活性鋁總量:NaOH浸提出的活性鋁含量;不同形態(tài)活性鋁比例:不同形態(tài)活性鋁含量/活性鋁總量;采用Excel2010分析數(shù)據(jù)、進(jìn)行t檢驗(yàn)(<0.05),SPSS 20進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)分析,不同處理間采用Ducan新復(fù)極差法比較。
2.1 生物炭與外源鋁對(duì)酸性土壤上小白菜生長(zhǎng)的影響
如圖1,從CK處理與C處理的小白菜長(zhǎng)勢(shì)對(duì)比看出,生物炭可以顯著促進(jìn)小白菜的生長(zhǎng)發(fā)育。雖然,CK處理小白菜的長(zhǎng)勢(shì)較弱,但是添加外源鋁后,小白菜長(zhǎng)勢(shì)更弱,因此,酸性紅壤的鋁富集會(huì)嚴(yán)重抑制小白菜的生長(zhǎng)。同時(shí),對(duì)比Al與C+Al處理可以看出,C+Al的小白菜長(zhǎng)勢(shì)明顯要好于CK和Al處理,說明生物炭具有緩解酸性土壤鋁毒和改善小白菜的生長(zhǎng)狀況的效應(yīng)。
圖1 生物炭與外源鋁對(duì)紅壤上小白菜長(zhǎng)勢(shì)的影響(播種1個(gè)月)
從表2看出,對(duì)照處理的小白菜出苗率為57.1%,小白菜出苗率在添加外源鋁后出現(xiàn)顯著下降,降低了14.2%,而有外源鋁情況下施用生物炭,出苗率上升21.4%。此外,小白菜葉片數(shù)、葉面積、株高、生物量等農(nóng)藝性狀均在添加外源鋁后受到了抑制。然而在施用生物炭后,小白菜的農(nóng)藝性狀得到明顯的改善。
表2 生物炭與外源鋁對(duì)紅壤上小白菜農(nóng)藝性狀的影響
ER:出苗率;LN:葉片數(shù);LA:葉面積;PH:株高;FW:鮮重;DW:干重;MPP:最大單株重。同列不同小寫字母表示<0.05差異顯著。下同
ER: Emergence ratio; LN: Leaf number; LA: Leaf area; PH: Plant height; FW: Fresh weight; DW: Dry weight; MPP: Maximum weight per plant. Differentsmall letters within a column are significant differences at<0.05. The same as below
2.2 生物炭與外源鋁對(duì)酸性土壤上小白菜鋁含量的影響
如圖2所示,Al處理小白菜鋁含量顯著高于CK處理,提高了178.8%;而C+Al處理小白菜鋁含量顯著低于Al處理,降低了89.4%,說明施用生物炭可以減少小白菜吸收土壤中的鋁,降低小白菜體內(nèi)的鋁含量。
圖中不同的字母代表處理間存在顯著差異(P<0.05)。下同
2.3 生物炭與外源鋁對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響
如表3,Al處理紅壤pH較CK降低0.36個(gè)單位,C+Al處理紅壤pH較C處理降低0.38個(gè)單位,因此,外源鋁會(huì)使酸性紅壤pH顯著下降。C處理pH較CK處理上升0.64個(gè)單位,C+Al處理pH較Al處理上升0.62個(gè)單位。同時(shí),C和C+Al處理紅壤速效鉀、速效磷和有機(jī)碳含量均較CK和Al處理的高,而堿解氮含量降低。因此,生物炭和外源鋁會(huì)對(duì)土壤pH、速效鉀、速效磷、堿解氮、有機(jī)碳含量產(chǎn)生綜合影響。
2.4 生物炭與外源鋁對(duì)土壤活性鋁總量的影響
外源鋁會(huì)顯著提高紅壤活性鋁總量,圖3可以看出,CK處理紅壤活性鋁總量為985.7 μg·g-1,加Al處理為1 262.1 μg·g-1,因而,紅壤活性鋁總量增加量(276.4 μg·g-1Al3+)要遠(yuǎn)大于添加外源鋁的量(27μg·g-1Al3+),說明外源鋁的加入對(duì)土壤自身的鋁毒存在激發(fā)效應(yīng)。此外,添加C處理的紅壤活性鋁總量減少為652.1μg·g-1,比CK處理下降33.8%;C+Al處理紅壤活性鋁總量為1 074.0 μg·g-1,比加Al處理下降14.9%。因此,施用生物炭會(huì)顯著降低紅壤活性鋁總量。
表3 生物炭與外源鋁對(duì)紅壤理化性質(zhì)的影響
2.5 生物炭與外源鋁對(duì)土壤各形態(tài)活性鋁含量的影響
如表4所示,紅壤活性鋁含量在添加外源鋁后顯著上升,各形態(tài)鋁含量都出現(xiàn)上升,交換性Al3+含量上升23.1%。同時(shí),紅壤活性鋁含量在施用生物炭后顯著下降,C+Al比Al處理的交換性Al3+含量下降46.5%,但不是所有形態(tài)鋁均下降,單聚體羥基鋁離子、膠體Al(OH)30含量卻有上升,主要是交換性Al3+及腐殖酸鋁含量下降。上述結(jié)果表明,生物炭與外源鋁會(huì)改變各形態(tài)活性鋁的含量,并且各形態(tài)活性鋁會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化。
2.6 生物炭與外源鋁對(duì)紅壤各形態(tài)活性鋁比例的影響
如圖4,CK處理與Al處理的紅壤交換性Al3+比例均是鋁形態(tài)中較大的,而交換性Al3+是最具有生物毒害性的鋁形態(tài)。同時(shí),施用生物炭后,C+Al處理紅壤的交換性Al3+比例較Al處理下降,C處理紅壤的交換性Al3+比例較CK下降,說明生物炭降低了交換性Al3+的比例。因此,外源鋁會(huì)導(dǎo)致交換性Al3+含量上升,而生物炭有助于降低交換性Al3+所占的比例。
表4 生物炭與外源鋁對(duì)紅壤不同形態(tài)活性鋁含量的影響
圖4 生物炭與外源鋁對(duì)紅壤各形態(tài)活性鋁比例的影響
3.1 鋁毒對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響
中國(guó)南方分布著大面積的酸性土壤,土壤酸化與鋁毒伴生[23],鋁毒害是酸性土壤作物生長(zhǎng)的最主要限制因子之一。本試驗(yàn)表明,紅壤鋁富集會(huì)造成鋁毒,顯著降低小白菜出苗率,抑制其生長(zhǎng)發(fā)育,降低其株高,葉片數(shù),葉面積及生物量等農(nóng)藝性狀。近年來,隨著全球工業(yè)的迅速發(fā)展,酸性的沉降及大量酸性肥料的使用加速了土壤酸化,激活了土壤鋁的活性,嚴(yán)重制約作物的生長(zhǎng)發(fā)育[24]。劉強(qiáng)等[19]研究發(fā)現(xiàn),高鋁濃度浸種小白菜種子,會(huì)顯著降低小白菜的發(fā)芽勢(shì)。Ishikawa等[25]研究也發(fā)現(xiàn),鋁毒會(huì)改變細(xì)胞膜通透性,物質(zhì)外泄作用加強(qiáng),從而使用于植株正常生長(zhǎng)發(fā)育的同化物減少,導(dǎo)致植株生長(zhǎng)發(fā)育減緩,生物量下降。然而,本研究顯示,在紅壤中添加生物炭顯著降低了作物體內(nèi)的鋁含量,并明顯改善了其生長(zhǎng)狀況,這與生物炭緩解鋁毒和促進(jìn)作物生長(zhǎng)有關(guān),Biederman等[26]也有相似結(jié)果。
3.2 生物炭對(duì)紅壤鋁毒緩解效應(yīng)及不同形態(tài)活性鋁的影響
本試驗(yàn)表明,添加外源鋁后土壤pH顯著下降,活性鋁含量顯著上升。主要是由于pH下降能使部分非活性鋁轉(zhuǎn)化為活性鋁,從而使土壤的活性鋁總量上升[27]。同時(shí),徐仁扣等[28]也研究發(fā)現(xiàn),pH降低會(huì)引起土壤交換性Al3+含量上升,交換性Al3+占總單核無機(jī)鋁的比例增加。由于交換性Al3+含量常來判斷酸性土壤是否存在鋁毒,因此,土壤鋁脅迫下會(huì)使交換性Al3+含量顯著上升,會(huì)加重土壤鋁毒危害[18]。也有研究表明,活性鋁水解導(dǎo)致土壤溶液pH降低,K、Ca、Mg等營(yíng)養(yǎng)元素的有效性降低[29],這與本試驗(yàn)土壤pH、速效鉀含量在添加活性鋁后下降的結(jié)果一致。同時(shí),有機(jī)質(zhì)、速效磷含量在添加活性鋁后出現(xiàn)上升。戴萬宏等[30]發(fā)現(xiàn),中國(guó)地帶性土壤表層有機(jī)質(zhì)含量與pH存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,有機(jī)質(zhì)含量隨pH升高而降低,而添加活性鋁會(huì)顯著降低土壤的pH。王獻(xiàn)華等[31]模擬用酸處理不同pH的土壤,用Olsen法測(cè)定土壤速效磷在不同pH條件下動(dòng)態(tài)變化,發(fā)現(xiàn)在酸性條件下,Olsen-P的測(cè)定值隨著pH值下降而升高。此外,本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),添加少量外源鋁使得土壤活性鋁增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于添加量,存在明顯的激發(fā)效應(yīng)。Sierra等[32]研究表明,交換性Al3+含量在土壤pH>5時(shí)可忽略不計(jì),當(dāng)土壤pH繼續(xù)下降時(shí),交換性Al3+含量會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng),這或許是添加外源鋁產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)的原因之一。
本試驗(yàn)也表明,施用生物炭后,紅壤活性鋁含量顯著下降,但不是所有形態(tài)的活性鋁都下降,主要是交換性Al3+及腐殖酸鋁含量下降,而單聚體羥基鋁離子、膠體Al(OH)30含量卻有上升,因此,生物炭與外源鋁會(huì)改變土壤中各形態(tài)活性鋁的含量。一些研究指出,生物質(zhì)炭對(duì)酸性土壤中交換性Al3+的影響主要是通過改變土壤的pH實(shí)現(xiàn)的。隨著土壤pH提高,交換性Al3+發(fā)生水解轉(zhuǎn)化成羥基鋁并部分形成鋁的氫氧化物或氧化物沉淀[28]。生物質(zhì)炭表面含有豐富的含氧官能團(tuán),這些有機(jī)官能團(tuán)能與鋁形成穩(wěn)定的配(鰲)合物,使土壤交換性鋁轉(zhuǎn)化為活性較低的有機(jī)絡(luò)合態(tài)鋁,從而減緩了鋁毒對(duì)作物的危害[32]。
添加外源鋁使土壤鋁富集,顯著降低了土壤pH,加重土壤酸化,并顯著抑制小白菜的生長(zhǎng),導(dǎo)致小白菜體內(nèi)鋁含量的增加。此外,外源鋁會(huì)導(dǎo)致紅壤活性鋁總量升高,產(chǎn)生對(duì)紅壤鋁毒自身的激發(fā)效應(yīng),使交換性Al3+增加量遠(yuǎn)大于添加量。而生物炭能改變土壤中不同形態(tài)鋁的含量,且降低紅壤中具有生物毒害性的交換性Al3+含量和比例,有效的緩解鋁毒,改善作物生長(zhǎng)狀況。
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(責(zé)任編輯 楊鑫浩)
Mitigative Effect of Biochar on Aluminum Toxicity of Acid Soil and the Potential Mechanism
YING Jie-guan1, LIN Qing-yi1, ZHANG Meng-yang1, HUANG Yi3, PENG Shu-ang2, JIANG Cun-cang1
(1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070;2College of Horticulture and Forestry Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070;3Jingzhou Technician College, Jingzhou 434020, Hubei )
【Objective】Aluminum toxicity of acid soil is one of the hot topics in soil science research, and biochar with some bio-characters give a new method to solve this problem. The objective of this experiment is mainly to clarify the mitigative effect of biochar on aluminum toxicity of acid soil and the potential mechanism. 【Method】An experiment including CK (0C+0Al), C (2%C), Al (1 mmol·L-1Al), and C+Al (2%C+1 mmol·L-1Al) treatments indoor planting pakchoi in pots added with biochar and exogenous aluminum was conducted. The effects of biochar on different active aluminum and the growth of crop of aluminum enrichment red soil were analyzed. 【Result】The results showed that aluminum toxicity significantly decreased the emergence rate of pakchoi. The growth of pakchoi restrained significantly and the biomass of pakchoi decreased under aluminum toxicity, meanwhile, the Al content of the pakchoi increased significantly under aluminum toxicity. However, the growth of pakchoi improved significantly and the Al content reduced under biochar addition, and the aluminum content of C+Al treatment pakchoi reduced by 89.4% compared with Al treatment. Aluminum toxicity decreased the pH of the red soil, the pH of Al treatment decreased by 0.36 compared with CK treatment, but the pH of the red soil increased significantly under biochar addition, the pH of C+Al treatment increased by 0.62 compared with Al treatment. The active aluminum of Al treatment was 276.4 mg·kg-1more than CK treatment. Application of biochar decreased the active aluminum of red soil, and the active aluminum in C+Al treatment decreased by 14.9% compared with Al treatment. Besides, the exchangeable Al3+of Al treatment increased by 23.1% compared with CK treatment, but the exchangeable Al3+of C+Al treatment decreased by 46.5% compared with Al treatment. The main active aluminum form of CK and Al treatment soil was the exchangeable Al3+that had biological toxicity, the main active aluminum form of C and C+Al treatment soil was dimer hydroxy aluminum ion and colloid Al(OH)30. 【Conclusion】Exogenous aluminum had a strong stimulating effect on the addition of active aluminum of red soil. Exchangeable Al3+which has biological toxicity increased significantly under aluminum toxicity. Besides, adding exogenous aluminum can decrease the pH and stimulate the poison,restrain the growth of the crops. Although application of biochar can increase the pH and ease the aluminum toxicity of red soil, its effect on different 4 forms of active aluminum has a quite large difference. Application of biochar can reduce the poison by decreasing the exchangeable Al3+which has biological toxicity, and thusimprove the growth of crop.
biochar; red soil; aluminum toxicity; active Al; pakchoi
2016-06-12;接受日期:2016-11-02
國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303095)
應(yīng)介官,E-mail:yingjieguan@webmail.hzau.edu.cn。通信作者姜存?zhèn)},E-mail:jcc2000@mail.hzau.edu.cn