生石灰施用增加了酸性雙季稻田氮素氨揮發(fā)損失

朱 堅，彭 華，李嘗君，蔡佳佩,3，紀(jì)雄輝

（1.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，湖南 長沙410125；2.中南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；3.湖南大學(xué)，湖南 長沙 410125）

生石灰施用增加了酸性雙季稻田氮素氨揮發(fā)損失

朱 堅1,2，彭 華1,2，李嘗君1，蔡佳佩1,3，紀(jì)雄輝1

（1.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所，農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，湖南 長沙410125；2.中南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；3.湖南大學(xué)，湖南 長沙 410125）

選擇南方典型酸性雙季稻田，采用通氣法研究了不同生石灰用量對稻田氨揮發(fā)通量、田面水NH4+-N濃度和pH值的影響。結(jié)果表明：撒施生石灰顯著影響稻田田面水NH4+-N濃度和pH值，生石灰用量與田面水NH4+-N濃度和田面水pH值之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；撒施生石灰，顯著增加稻田氮素氨揮發(fā)損失，早、晚稻季氨揮發(fā)損失量較不施生石灰處理分別增加2.20～22.91和3.08～52.44 kg/hm2，增幅分別達(dá)19.28%～200.79%和6.96%～118.48%；當(dāng)早、晚稻季分別施純氮150和180 kg/hm2時，撒施生石灰450～3 750 kg/hm2，氨揮發(fā)損失量分別達(dá)13.61～34.32和47.34～96.70 kg/hm2，氮素?fù)p失率分別達(dá)7.44%～18.78%和21.66%～44.24%；當(dāng)早、晚稻季生石灰用量分別超過900和1 800 kg/hm2時，稻田氨揮發(fā)顯著增加。

生石灰；雙季稻；酸性稻田；氨揮發(fā)

撒施生石灰是中和表土層土壤酸性，補充土壤鈣含量，減少土壤對磷和鉬的固定，促進(jìn)有機氮、磷化合物的分解釋放，消除過量鋁、鐵、錳等的毒害，增強土壤有益微生物活動，改善土壤物理性狀，抑制與殺滅土傳病發(fā)生與蔓延的重要措施之一[1-7]。相關(guān)研究表明，撒施生石灰能夠有效治理土壤揮發(fā)性有機物污染[8-9]。

近年來，隨著稻田鎘超標(biāo)問題的出現(xiàn)，特別是南方酸性稻田土壤中生物有效態(tài)鎘與稻米鎘超標(biāo)問題[10]引起人們的廣泛關(guān)注。有研究證明，施用石灰能夠顯著提高土壤pH值，降低污染土壤中有效態(tài)鎘及水稻莖葉和糙米中鎘元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[11-14]。因此，國內(nèi)大面積推廣VIP+n技術(shù)，該技術(shù)最核心的手段是通過施用生石灰提高土壤pH值，從而降低土壤中重金屬活性來應(yīng)急處置稻米鎘超標(biāo)問題。然而，長期過量施用石灰不僅對作物生長不利，而且對土壤生態(tài)環(huán)境也存在一定危害[15]。特別是施用生石灰對稻田氮素行為的影響目前還不明確。部分學(xué)者認(rèn)為施用生石灰將影響氮素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化，促進(jìn)氮素以氣態(tài)形式排放；部分學(xué)者卻認(rèn)為合理施用生石灰不僅能改善土壤理化狀態(tài)，還能增加氮素的利用效率。其中，封克等[16]的研究表明，在酸性紅壤上施用石灰增加了厭氧條件下NO3--N還原過程中N2O的排放；盡管在厭氣條件下較高 pH值水平的土壤有利于 NO3--N還原成 NO2--N，但當(dāng)缺乏有效碳源時，NO2--N向N2O的進(jìn)一步還原受到艱制，易發(fā)生NO2--N的積累。Nakamura 等[17]指出，pH值對NH4+-N和NO3--N沒有顯著影響，但是對土壤有機氮含量影響明顯。徐茜等[18]研究了在植煙酸性（pH值為4.7）土壤中連續(xù)施用150 kg/hm2石灰對煙草養(yǎng)分利用與品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)撒施石灰在保證同樣產(chǎn)質(zhì)量效應(yīng)下，可以增加氮磷鉀肥的利用效率，降低約2～4 kg/hm2的純氮施用量。pH值是影響氮素?fù)]發(fā)損失的關(guān)鍵因子，其重要性僅次于田面水NH4+-N濃度與氮肥施用量[19]。隨著土壤pH值的升高，氨的揮發(fā)損失隨之增加[20]，不同pH值土壤中氨揮發(fā)損失從大到小排列一次為石灰性紫色土＞中性紫色土＞酸性紫色土。

因此，試驗選擇南方典型酸性雙季稻田研究了不同生石灰用量對稻田氮素?fù)]發(fā)損失的影響，以期探明雙季稻田生石灰用量與氮素?fù)]發(fā)損失的關(guān)系，為合理施用生石灰、減少氮素?fù)]發(fā)損失提供相應(yīng)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點為湖南省長沙縣北山鎮(zhèn)（N：28°26′38″，E：113°03′50″）的雙季稻田；區(qū)內(nèi)年平均降水量為1 400 mm，主要集中在春季和夏季；年平均溫度為16.8℃，最高和最低月平均溫度分別為28.9℃（7月）和4.7℃（1月）；供試土壤為黃崗巖發(fā)育的麻砂泥水稻土，屬湖南典型雙季稻田，耕作層（0～20 cm）土壤基本性狀如下：pH值（水︰土=2.5︰1）5.21，有機質(zhì)37 g/kg，全氮2.35 g/kg，堿解氮164 mg/kg，全磷1.76 g/kg，有效磷21.3 mg/kg，速效鉀57 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)8個處理：L0，不施生石灰；L30，施生石灰450 kg/hm2；L60，施生石灰900 kg/hm2；L90，施生石灰1 350 kg/hm2；L120，施生石灰1 800 kg/hm2；L150，施生石灰2 250 kg/hm2；L200，施生石灰3 000 kg/hm2；L250，施生石灰3 750 kg/hm2。每個處理3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積30 m2，四周設(shè)保護(hù)行，小區(qū)間起壟隔開。

生石灰（含CaO 45%）比化肥提前一周施入，同時與耕層土壤混合。不同生石灰用量處理氮磷鉀肥用量相同，早稻季施用復(fù)合肥（N-P2O5-K2O=20-10-10）405 kg/hm2，追施尿素150 kg/hm2（折成養(yǎng)分純量分別為N 150 kg/hm2、P2O540.5 kg/hm2、K2O 40.5 kg/hm2）；晚稻施用復(fù)合肥（N-P2O5-K2O=20-8-12）382.5 kg/hm2，追施尿素225 kg/hm2（折成養(yǎng)分純量分別為N 180 kg/ hm2、P2O530.6 kg/hm2、K2O 45.9 kg/hm2）。復(fù)合肥做基肥于插秧前1 d施入并與耕層土壤混合，追肥于基肥后第9天撒施在稻田表面。

1.3 田間管理

插秧密度為13.3 cm×20.0 cm （294 666蔸/hm2，26×34=884蔸/小區(qū)），每蔸2株。早稻品種為株兩優(yōu)819，于3月26日播種，4月27日移栽，7月9日收獲；晚稻品種為湘晚秈13號，于同年6月20日播種，7月18日移栽，10月19日收獲。水分管理為分蘗末期和乳熟期兩次曬田，收獲前期稻田自然落干，其余時間保持田間覆水，病蟲害防治等管理措施與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 土壤理化性質(zhì)檢測分析 基礎(chǔ)土壤樣品于試驗前按“S”型多點采集，風(fēng)干后采用常規(guī)方法測定相關(guān)理化性質(zhì)。土壤有機質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測定，pH值用電位測定法測定，全氮用凱氏定氮法測定，堿解氮用堿解擴散比色法測定，有效鉀用火焰光度計分析法測定。

1.4.2 田面水收集與測定 在不擾動田面水的情況下采用多點取樣法采集田面水樣，用荷蘭SKALAR公司生產(chǎn)的流動注射分析儀測定其中的NH4+-N濃度，

其測定原理為比色法；用METTLER公司生產(chǎn)的SG2型便攜式pH值儀多點測定各小區(qū)的田面水pH值，取田面水pH值均值為有效數(shù)據(jù)。

1.4.3 氨揮發(fā)收集與通量估算 試驗所用的通氣法裝置 （圖1）由聚氯乙烯硬質(zhì)塑料管制成，內(nèi)徑 150 mm，高120 mm。測定時分別將兩塊厚度為20 mm、直徑為l60 mm的海綿均勻浸以15 mL磷酸甘油溶液（50 mL磷酸+40 mL丙三醇，定容至1 000 mL）后，將兩層海綿置于硬質(zhì)塑料管中，下層的海綿距地面50 mm，上層的海綿與管頂部相平。土壤揮發(fā)氨的捕獲于施肥后的當(dāng)天開始，在各小區(qū)的不同位置，分別放置3個通氣法氨捕獲裝置，次日 9:00取樣。取樣時，將通氣裝置下層的海綿取出，迅速按小區(qū)號分別裝入塑料袋中密封；同時換上另一塊剛浸過磷酸甘油的海綿。上層的海綿視其干濕情況3～7 d更換1次。變動擺放位置后，將裝置重新放好，開始下一次田間吸收。把取下的海綿帶回試驗室，分別放人 500 mL塑料瓶中，加1 mol/L KC1溶液300 mL，將海綿完全浸于其中，振蕩1 h，測定浸提液的NH4+-N含量。第 1周，每天取樣1次；第2～3周，每2～3 d取樣1次，以后取樣間隔可延長到7 d，直至監(jiān)測不到氨揮發(fā)為止。

圖1 田間氨揮發(fā)測定裝置示意圖

氨揮發(fā)[NH3-N，kg/（hm2·d）]計算公式：

NH3-N=[M/（A·D）]×10-2。

式中，M為通氣法單個裝置平均每次測氨量（NH3，mg）；A為捕獲裝置的截面積（m2）；D為每次連續(xù)捕獲的時間，試驗中以l d為1個測定循環(huán)的單位。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和DPS 3.1.0.1軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生石灰用量的氨揮發(fā)通量

不同生石灰用量的氨揮發(fā)通量如圖2所示。整體來看，早、晚稻季氨揮發(fā)排放呈現(xiàn)2個峰值，分別對應(yīng)了2次施肥事件。早稻季，不施石灰處理（L0），氨揮發(fā)通量維持在較低的水平，處于0.04～3.09 kg/（hm2·d）之間（NH3，下同）。撒施生石灰處理（L30～L250）基肥期的排放通量峰值為0.43～6.04 kg/（hm2·d），基肥施入4 d后氨揮發(fā)排放降低至較低水平。追肥期的氨排放通量峰值在3.09～8.00 kg/（hm2·d）之間，峰值過后，氨揮發(fā)排放迅速降低。不同處理間比較，氨揮發(fā)排放峰值隨生石灰用量的增加而增加，主要原因可能是施用生石灰提高了田面水pH值，pH值的升高促進(jìn)了NH4+-N向NH3的大量轉(zhuǎn)化。晚稻季施基、追肥后的氨揮發(fā)動態(tài)與早稻季相似，不施石灰處理氨揮發(fā)通量為0.07～2.98 kg/（hm2·d）。不同石灰處理（L30～L250）基肥施用后當(dāng)天即達(dá)到氨揮發(fā)排放峰值2.98～14.43 kg/（hm2·d），到第8天左右氨揮發(fā)降低到較低水平；追施尿素后氨揮發(fā)隨即達(dá)到排放峰值4.40～7.71 kg/（hm2·d），之后迅速降低至較低水平。

圖2 不同生石灰用量的氨揮發(fā)通量

Yu等[21]的研究表明，基肥時期是氮素氨揮發(fā)損失的主要時期，而該試驗結(jié)果表明早稻季基肥期氨揮發(fā)通量比追肥期低，而晚稻季基肥排放通量較追肥高。導(dǎo)致這種結(jié)果的主要原因可能是早稻季施肥后受低溫、多雨氣候影響，氨揮發(fā)通量在較低的范圍內(nèi)波動；晚稻季施肥量較大，加之溫度也相對較高，促進(jìn)了稻田氨揮發(fā)。分析第一次氨揮發(fā)排放峰值與生石灰用量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其與生石灰用量存在顯著指數(shù)線性關(guān)系（早稻r=0.986 4**，n=24；晚稻r=0.944 6**，n=24），說明撒施生石灰促進(jìn)了氮素氨揮發(fā)損失。

2.2 不同生石灰用量的氨揮發(fā)量與損失率

從表1可以看出，早稻季不施生石灰處理（L0），氨揮發(fā)損失量僅為11.41 kg/hm2；撒施生石灰處理（L30～L250）氨揮發(fā)損失量為13.61～34.32 kg/hm2，較不施石灰處理增加了19.28%～200.79%。氨揮發(fā)總量隨著生石灰用量的增加而增加，當(dāng)生石灰用量增加至900 kg/hm2時，早稻季氨揮發(fā)損失量顯著增加（P＜0.05）。分析不同處理的氨揮發(fā)損失率發(fā)現(xiàn)，施用生石灰增加了氮素?fù)]發(fā)損失率，氨揮發(fā)損失率由不撒石灰處理的6.30%增加到7.44%～18.78%，增加幅度達(dá)18.10%～198.10%。

晚稻季不施生石灰處理（L0），稻季氨揮發(fā)損失量為44.26 kg/hm2；施用生石灰處理（L30～L250）氨揮發(fā)損失量為47.34～96.70 kg/hm2。這表明施用生石灰增加了晚稻季稻田的氨揮發(fā)排放量，當(dāng)生石灰用量增加至1 800 kg/hm2時，晚稻季氨揮發(fā)損失量顯著增加（P＜0.05）。分析不同處理的氨揮發(fā)損失率發(fā)現(xiàn)，施用生石灰增加了晚稻季氮素?fù)]發(fā)損失率，氨揮發(fā)損失率由不施石灰處理的20.25%增加到21.66%～44.24%，增幅達(dá)6.96%～118.47%。Singandhupe等[22]在卡爾納爾的堿性土壤（pH值為9.3）上進(jìn)行的氨揮發(fā)試驗結(jié)果與該試驗結(jié)果相似，即當(dāng)尿素施用量在40～120 kg/hm2（以純氮計）時，氨揮發(fā)損失量達(dá)26.1～33.7 kg/hm2。

表1 不同生石灰用量的氨揮發(fā)損失情況

對生石灰用量與氨揮發(fā)損失量的關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，氨揮發(fā)總量與生石灰用量存在顯著指數(shù)線性關(guān)系（早稻r=0.913 8**，n=24；晚稻r=0.766 5**，n=24）。這說明隨著生石灰用量的增加，氨揮發(fā)損失量呈指數(shù)線性增加。因此，從減少稻田氮素?fù)]發(fā)損失的角度考慮，在調(diào)理土壤酸化、控制重金屬活性時，田間生石灰的用量需控制在一定閾值范圍內(nèi)。

圖3 不同石灰用量的田面水NH4+-N動態(tài)

2.3 氨揮發(fā)監(jiān)測周期的田面水NH4+-N濃度

不同處理的田面水NH4+-N動態(tài)規(guī)律與氨揮發(fā)排放規(guī)律相似。如圖3所示，田面水NH4+-N峰值與2次施肥事件吻合。基肥施用后，田面水NH4+-N即達(dá)峰值。早、晚稻季生石灰處理（L30～L250）的NH4+-N峰值分別為40.59～130.01 mg/L和38.11～125.94 mg/L；追肥尿素后早、晚稻季NH4+-N峰值分別為34.61～69.73 mg/L和62.49 ～90.18 mg/L。

早稻季，當(dāng)生石灰用量低于3 000 kg/hm2時，施用化肥后第一天的田面水NH4+-N濃度隨石灰用量增加呈現(xiàn)指數(shù)增加（r=0.897 0**，n=21），當(dāng)生石灰用量增加至3 750 kg/hm2時，田面水NH4+-N濃度峰值降低至56.14 mg/L；晚稻季，田面水NH4+-N濃度與生石灰施用量呈開口向下的二次曲線關(guān)系（r=0.972 9**，n=24），生石灰用量超過一定限度，田面水NH4+-N含量降低。

分析田面水NH4+-N濃度與氨揮發(fā)通量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，早稻季施用一定量生石灰，氨揮發(fā)通量與田面水NH4+-N濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.921 9**，n=21），晚稻季氨揮發(fā)通量與田面水NH4+-N濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.950 8**，n=24）。早、晚稻季差異的原因可能是早稻季初次施用生石灰，土壤對堿性物質(zhì)的緩沖能力較強[23]，土壤pH值變化幅度較小，故在一定生石灰用量（450～3 750 kg/hm2）范圍內(nèi)，田面水NH4+-N濃度與氨揮發(fā)通量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)生石灰用量超過3 750 kg/hm2時，田面水pH值超過9.0時，生石灰的撒施極大地促進(jìn)了田面水中NH4+向NH3的轉(zhuǎn)化，從而降低了田面水NH4+-N的含量；晚稻季繼續(xù)施用生石灰，土壤對堿性物質(zhì)的緩沖能力降低，田面水pH值變化幅度較大，且趨于穩(wěn)定的時間較長；加之晚稻季氣溫較高，隨著生石灰投入量的增加，氮素的水解與轉(zhuǎn)化速率大幅提升，稻田氨揮發(fā)損失增加，降低了田面水中NH4+-N濃度[24]，從而出現(xiàn)氨揮發(fā)通量與田面水NH4+-N濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 不同生石灰用量的田面水pH值動態(tài)

2.4 氨揮發(fā)監(jiān)測周期的田面水pH值動態(tài)

生石灰施入稻田后隨即與土壤混勻，導(dǎo)致田面水pH值升高（圖4）。早稻季，田面水pH值于生石灰施用后隨即達(dá)到峰值，之后逐漸降低直至平穩(wěn)；不施生石灰的處理（L0）田面水pH值在施肥影響下在較窄范圍內(nèi)（6.52～7.89）波動；生石灰處理（L30～L250）的田面水pH峰值為6.91～9.87。晚稻季田面水的pH值動態(tài)規(guī)律與早稻季相似，生石灰處理（L30～L250）的田面水pH峰值為7.77～11.69，較不施生石灰增加了5.4%～58.5%。丁園等[25]研究了石灰對酸性紅壤pH值的影響，隨著石灰用量的增加，紅壤pH值呈增加趨勢，石灰施用后6 d左右達(dá)到平衡。該試驗結(jié)果顯示，撒施生石灰顯著提升了田面水pH值，且在生石灰施用6～8 d后，各處理的pH值差異減小并趨于平穩(wěn)。

分析田面水pH峰值與生石灰用量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，田面水pH峰值與生石灰用量存在顯著指數(shù)線性關(guān)系（早稻r=0.923 6**，n=24；晚稻r=0.958 4**，n=24）；這說明增加生石灰用量，田面水pH值呈指數(shù)升高。分析田面水pH峰值與氨揮發(fā)排放峰值的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，氨揮發(fā)通量與田面水pH峰值呈顯著線性關(guān)系（早稻r=0.944 6**，n=24；晚稻r=0.820 1**，n=24）；這說明隨著田面水pH值的升高，稻田氨揮發(fā)損失增加，這與筆者前期的研究結(jié)論[26]一致。

3 結(jié)論與建議

試驗結(jié)果表明，撒施生石灰增加了稻田氮素氨揮發(fā)損失。當(dāng)生石灰用量為450～3 750 kg/hm2時，早、晚稻季氨揮發(fā)損失量較不施石灰處理分別增加2.20～22.91和3.08～52.44 kg/hm2，增幅分別達(dá)19.28%～200.79%和6.96%～118.48%；早、晚稻季生石灰的用量分別超過900和1 800 kg/hm2閾值范圍時，稻田氨揮發(fā)損失顯著增加。因此，從有效減少氮素?fù)]發(fā)損失角度考慮，在調(diào)理土壤酸化、控制重金屬活性時，早、晚稻季生石灰的用量應(yīng)分別控制在900和1 800 kg/ hm2閾值范圍內(nèi)。

施用生石灰對稻田田面水NH4+-N濃度與pH值有顯著影響。試驗結(jié)果證實，生石灰施用1周后即進(jìn)行施肥，生石灰用量與田面水的NH4+-N濃度及pH值之間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。生石灰施用增加了氮素?fù)]發(fā)損失，不利于氮肥的有效利用，進(jìn)而對水稻的生長發(fā)育產(chǎn)生不良影響。從生石灰施用后田面水pH值動態(tài)平衡規(guī)律分析，建議生石灰應(yīng)至少提前于化肥1周施用，以此減少土壤pH值波動對氮素?fù)]發(fā)損失的影響。

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（責(zé)任編輯：成 平）

Application of Quick Lime to Promoting Ammonia Volatilization Loss in Acidic Double-Cropping Rice Field

ZHU Jian1,2，PENG Hua1,2，LI Chang-jun1，CAI Jia-pei1,3，JI Xiong-hui1
（1. Hunan Institute of Agro-Environment and Ecology, Key Laboratory of Midstream of Yangtze Plain, Minister of Agriculture, Key Lab of Prevention, Control and Remediation of Soil Heavy Metal Pollution in Hunan Province, Changsha 410125, PRC; 2.Longping Branch, Graduate School of Central South University, Changsha 410125, PRC; 3. Hunan University, Changsha 410125, PRC）

Typical double cropping rice acidic fi eld in southern China and venting method were used in this study on dynamic changes of ammonia nitrogen (NH4+-N) concentration, pH value and ammonia volatilization in treatments with different quicklime application amount. The results showed that broadcasting quicklime affected NH4+-N concentration and pH value signi fi cantly, the NH4+-N concentration and pH value in surface water of paddy fi led were signi fi cantly positively correlated with quicklime application amount. Broadcasting quicklime was signi fi cantly increased nitrogen ammonia volatilization losses in the paddy fi elds. The total amount of ammonia volatilization loss was increased by 2.20-22.91 kg/hm2and 3.08-52.44 kg/hm2, 19.28%-200.79% and 6.96%-118.48%, respectively, compared with nonquicklime treatment in early and late rice seasons. Broadcasting quicklime at 450-3 750 kg/hm2led to ammonia volatilization loss at 13.61-34.32 kg/hm2and 47.34-96.70 kg/hm2or the nitrogen loss rate at 7.44%-18.78% and 21.66%-44.24%, respectively, as 150 and 180 kg N/ hm2was used in early and late rice seasons, respectively. The ammonia volatilization increased signi fi cantly when the amount of quicklime application was over 900 kg/hm2and 1 800 kg/hm2in early and late seasons, respectively.

double cropping rice; quicklime application; acidic paddy fi eld; ammonia volatilization

S156.99

：A

：1006-060X（2017）07-0032-05

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.007.010

2017-04-24

湖南省科技廳項目（2016JC2028）

朱 堅（1986-），男，湖南湘鄉(xiāng)市人，博士研究生，主要從事植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境研究。

紀(jì)雄輝