氮肥基追比對冬小麥土壤硝態(tài)氮變化及氮素利用的影響

宋文挺，韓明明，陳金，龐黨偉，楊東清，金敏

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點實驗室，山東 泰安 271018)

氮肥基追比對冬小麥土壤硝態(tài)氮變化及氮素利用的影響

宋文挺，韓明明，陳金，龐黨偉，楊東清，金敏

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點實驗室，山東 泰安 271018)

為給我國黃淮海平原冬小麥生產(chǎn)氮肥合理施用提供理論依據(jù)，于2015—2016年小麥生長季，以山農(nóng)8355和濟(jì)麥22為材料，設(shè)置4個氮肥基追比處理(T1：不施氮；T2、T3、T4施氮量均為 240 kg·hm-2，基追比依次為7∶3、5∶5、3∶7)，研究氮肥不同基追比對冬小麥土壤硝態(tài)氮時空分布、小麥各生育時期氮素盈虧及氮素利用的影響。結(jié)果表明，在總施氮量相同條件下，T2處理增加了小麥生育前期硝態(tài)氮向深層土壤的淋洗，小麥生育后期0～60 cm土層中硝態(tài)氮積累量降低，導(dǎo)致小麥生育后期(需氮高峰期)土壤氮素供應(yīng)不足；T4處理顯著降低小麥生育前期氮素總盈余量，減少小麥生育后期氮素的虧缺，氮素的利用效率和籽粒產(chǎn)量(山農(nóng)8355為9 399 kg·hm-2，濟(jì)麥22為9 572 kg·hm-2)均達(dá)到最高。本試驗條件下，氮肥基追比3∶7是兼顧高產(chǎn)和高氮肥利用效率的最優(yōu)處理。

冬小麥；氮肥基追比；硝態(tài)氮；盈余量；利用效率

AbstractIn order to provide theory basis for reasonable application of nitrogen fertilizer in winter wheat production in the Huang-Huai-Hai plain of China, the effects of different nitrogen fertilizer topdressing ratios on time-space distribution of soil NO3-N, apparent budget of soil nitrogen and nitrogen use efficiency in various growth stages of winter wheat were studied with Shannong 8355 and Jimai 22 as materials. The study were conducted in wheat growing season during 2015～2016, and four nitrogen treatments (without applying N fertilizer (T1); N application rate of 240 kg·hm-2with topdressing ratio as 7∶3 (T2), 5∶5 (T3) and 3∶7 (T4)) were set up. The results showed that under the same nitrogen application rate condition, the NO3-N content in deep soil layers of T2 treatment in early growth stage was increased, so the NO3-N content was reduced in 0～60- cm soil layers at late growth stage, which could not meet the needs of wheat for nitrogen. The surplus amount of soil nitrogen of T4 treatment was significantly reduced in early growth stage, which reduced the nitrogen deficiency at late growth stage, and the nitrogen use efficiency and grain yield (Shannong 8335 of 9 399 kg·hm-2, Jimai 22 of 9 572 kg·hm-2) of winter wheat both showed the highest value. In conclusion, the most appropriate nitrogen fertilizer topdressing ratio treatment was T4 treatment with the ratio as 3∶7 which gave consideration to high yield and high nitrogen use efficiency.

KeywordsWinter wheat；Nitrogen fertilizer topdressing ratio；Nitrate nitrogen；Surplus amount；Nitrogen use efficiency

我國是世界上最大的氮肥生產(chǎn)國和消費國，氮肥在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用。根據(jù)作物生長的環(huán)境條件和生長需求合理施用氮肥，是提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率的有效措施，氮肥的不合理施用造成資源浪費的同時，也會造成農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的污染[1-3]。當(dāng)施氮過量時，土壤中的硝態(tài)氮大量累積、淋洗[4]。合理施肥應(yīng)該是在考慮土壤供氮水平和作物氮素需求兩方面因素后，選用合適的施氮量，并且分階段施肥，在土壤肥力較高條件下，采取氮肥后移的施氮方式[5]。

石玉等[6]研究表明在起始無機氮含量較高農(nóng)田中，少施基肥是減少播種至拔節(jié)期氮肥表觀損失量的有效措施。也有研究表明，當(dāng)?shù)驶繁壤秊?∶5，并且追肥在小麥花粉藥隔形成期和開花期分兩次施用，可以顯著增加植株氮素的積累量并提高小麥的氮肥利用率[7]。

我國黃淮海平原是小麥-玉米輪作的集中區(qū)，明確此地區(qū)小麥生育期土壤硝態(tài)氮時空動態(tài)變化規(guī)律，研究土壤的氮素盈虧和小麥的氮素利用效率，實施合理的氮肥運籌，對于實現(xiàn)小麥生產(chǎn)的高產(chǎn)高效和保護(hù)環(huán)境均具有重要意義。因此，本試驗在大田條件下就不同氮肥基追比對冬小麥各生育時期土壤硝態(tài)氮含量變化、土壤氮素表觀盈虧量、小麥籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率的影響進(jìn)行研究，以期為我國黃淮海平原冬小麥生產(chǎn)中氮肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1供試材料

本試驗于2015—2016年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)黃淮海試驗田進(jìn)行。地屬溫帶半濕潤大陸性氣候，土壤類型為棕壤。播前0～20 cm土層有機質(zhì)18.11 g·kg-1，全氮1.23 g·kg-1，速效磷17.05 mg·kg-1，速效鉀112.80 mg·kg-1。種植制度為小麥、玉米一年兩熟，收獲后秸稈全部還田。小麥品種為大穗型山農(nóng)8355和多穗型濟(jì)麥22。

1.2試驗設(shè)計與田間管理

試驗采用裂區(qū)區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次，設(shè)4個氮基追比處理，各處理氮肥運籌如下：T1：不施氮；T2、T3、T4施氮量均為 240 kg·hm-2，基追比依次為7∶3、5∶5、3∶7?；视诓デ叭鍪?，追肥于拔節(jié)期撒施。試驗用氮、磷、鉀肥分別為尿素、重過磷酸鈣、氯化鉀。磷、鉀肥均在播前一次性施入，施用磷肥(P2O5) 90 kg·hm-2，鉀肥(K2O)120 kg·hm-2。小麥于 2015年10月11日播種，播種密度為每公頃225 萬粒。小區(qū)面積為4 m×4 m=16 m2。

1.3田間取樣與測定方法

采用紫外分光光度法測定土壤硝態(tài)氮含量。在冬小麥越冬期、拔節(jié)期(追肥前)、開花期和成熟期，用土鉆取 0～120 cm 土層土樣，以20 cm為一層，重復(fù)3次，樣品取后立即裝入自封袋于-20℃冰凍保存。土樣解凍后，將其充分混勻，稱取5 g，加入2 moL·L-1CaCl225 mL浸提，振蕩30 min后過濾，取500 μL待測液，加入CaCl2浸提液(稀釋7倍) 3 mL，加入1∶9的硫酸溶液140 μL，振蕩混勻。浸提液用PERSEE公司產(chǎn)TU-1950紫外分光光度計在210 nm和275 nm比色，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，同時測定土壤含水量，計算干土硝態(tài)氮含量。

結(jié)果計算：土壤中NO3-N(mg·kg-1)= C·V·ts·mdry-1。式中，ts為稀釋倍數(shù)，mdry為換算的干土重，C為由標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得出的測定液質(zhì)量濃度(μg·mL-1)，V為待測液體積(mL)、CaCl2浸提液體積(mL)和硫酸溶液體積(mL)之和。

于小麥越冬期、拔節(jié)期取整株樣品，每處理取30株；開花期、成熟期每處理取30個單莖。鮮樣在105℃下殺青30 min后，70℃烘干至恒重稱重，計算地上部干物重。樣品粉碎后以H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，半微量凱氏定氮法測定植株全氮含量。成熟期于每處理取1 m2小麥脫粒，曬干后測定籽粒產(chǎn)量。

1.4計算方法

氮素(硝態(tài)氮)表觀盈虧量=(土壤硝態(tài)氮起始總量+施氮量+土壤氮素礦化量)-(土壤硝態(tài)氮殘留量+作物吸氮量+土壤中生物固定的化肥氮)=(土壤硝態(tài)氮起始總量+施氮量)-(土壤硝態(tài)氮殘留總量+作物吸氮量)[8]；

土壤硝態(tài)氮積累量=土層厚度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×土壤硝態(tài)氮含量(mg·kg-1)/10；

植株氮積累量(NAA)=植株干物重×植株含氮量[9]；

氮素養(yǎng)分利用效率(NUE)=籽粒產(chǎn)量/植株地上部氮素積累量；

氮肥農(nóng)學(xué)效率(NAE)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量；

氮肥表觀回收效率(NRE，%) =(施氮區(qū)氮素吸收量-無氮區(qū)氮素吸收量)/施氮量×100；

氮肥偏生產(chǎn)力(PFP) =施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1氮肥基追比對冬小麥各生育時期土壤硝態(tài)氮含量時空變化的影響

由圖1可知，兩品種各施氮處理土壤硝態(tài)氮含量時空變化表現(xiàn)出相同的變化趨勢，隨土層加深，總體呈降低趨勢。與不施氮處理T1相比，施用氮肥顯著提高各個土層土壤硝態(tài)氮含量，但不同生育時期，處理和土層間都存在差異。

P：越冬前(12月10日)；G：拔節(jié)期(4月3日)；A：開花期(4月28日)；M：成熟期(6月10日)，下圖同。

圖1不同氮肥基追比對冬小麥各生育時期0～120 cm土層硝態(tài)氮含量的影響

越冬期，0～120 cm土層硝態(tài)氮含量隨著施氮量的增加而增加，T2處理在各個土層的硝態(tài)氮含量均高于其它處理。拔節(jié)期，植株開始大量吸收氮素，各施氮處理0～120 cm土層的硝態(tài)氮含量均比冬前顯著降低，T1處理的硝態(tài)氮含量與越冬期無顯著差異；開花期，由于拔節(jié)期追施氮肥，以及環(huán)境溫度升高土壤微生物活動加劇，各施氮處理0～120 cm土層的硝態(tài)氮含量均升高，在0～60 cm土層，硝態(tài)氮含量隨追施氮肥量的增加而增加，T2處理硝態(tài)氮向下層淋洗較多，所以在開花期其硝態(tài)氮含量在60～120 cm土層要高于T4處理。成熟期各施氮處理0～60 cm土層硝態(tài)氮含量較開花期均降低，各處理間在0～60 cm土層硝態(tài)氮含量隨著追施氮肥量的增加而增加，這說明T4處理主要提高了成熟期淺層土壤的硝態(tài)氮含量；由于硝態(tài)氮的淋洗，60～80 cm土層硝態(tài)氮含量較開花期略有升高，T2處理在60～120 cm土層硝態(tài)氮含量要顯著高于T3和T4處理。

兩品種間比較，在小麥各生育時期，種植濟(jì)麥22的土壤硝態(tài)氮含量要高于山農(nóng)8355，這說明兩品種的吸氮能力不同，也與不同地塊的土壤理化性質(zhì)以及田間管理措施差異有關(guān)。

2.2氮肥基追比對冬小麥各生育時期土壤硝態(tài)氮積累量的影響

由圖2可以看出，在小麥各個生育時期，濟(jì)麥22土壤硝態(tài)氮的積累量要高于山農(nóng)8355。越冬期，土壤硝態(tài)氮積累量隨著施氮量的增加而增加，T2在各個土層的硝態(tài)氮含量均高于其它處理。拔節(jié)期，各施氮處理硝態(tài)氮積累量均比越冬期顯著降低，并且T2處理在此期硝態(tài)氮積累量的下降幅度要高于其它處理，各處理間硝態(tài)氮積累量差異變小，這是由拔節(jié)期植株開始大量吸收氮素所造成，T1處理的硝態(tài)氮積累量與越冬期無顯著差異。開花期，由于拔節(jié)期追施氮肥，各施氮處理硝態(tài)氮積累量均升高，并且隨著追肥量的增加而增加。成熟期各施氮處理硝態(tài)氮積累量較開花期均降低，追肥量較多的T4處理，硝態(tài)氮的積累量下降幅度較大。

圖2不同氮肥基追比對小麥各生育時期土壤硝態(tài)氮積累量的影響

2.3氮肥基追比對冬小麥各生育時期土壤氮素表觀盈虧量的影響

由表1可知，與T1相比，各施氮處理均顯著增加了植株氮素積累量、0～120 cm 土層硝態(tài)氮殘留量及土壤氮素盈余量(拔節(jié)期至開花期除外)。不施氮處理在各生育階段均出現(xiàn)氮素表觀虧缺，這是因為土壤氮素?zé)o法滿足小麥整個生育期的氮素需求量。播種至拔節(jié)期，不施氮肥的T1和施用基肥較少的T4均存在氮素的表觀虧缺，基施氮肥較多的T2和T3處理存在氮素的表觀盈余，基施氮肥越多，導(dǎo)致表觀盈余量越高，而盈余的氮素會向深層土壤淋洗。

拔節(jié)期追施氮肥，顯著提高了開花期0～120 cm土層土壤硝態(tài)氮的積累量，但各處理均存在氮素的表觀虧缺；開花期到成熟期，植株氮素的積累量及土壤硝態(tài)氮的積累量均隨追施氮量的增加而增加，除追氮量較高的T4處理外，其余處理均出現(xiàn)氮素表觀虧缺，且虧缺量和追肥施氮量成反比。這表明開花到成熟期是小麥氮素的吸收高峰期，T4處理可以滿足小麥對氮素的需求。

在相同處理下，山農(nóng)8355氮素盈余總量要小于濟(jì)麥22，這與山農(nóng)8355是大穗型品種，并且莖稈粗壯、葉片較大、比濟(jì)麥22在各個生育時期吸氮量更多有關(guān)。

表1

氮肥基追比對冬小麥不同生育階段

0～120 cm土層氮素表觀盈虧量的影響

(kg·hm-2)

注：同一小麥品種同行數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達(dá) 5%顯著水平。

2.4氮肥基追比對冬小麥籽粒產(chǎn)量和氮素利用效率的影響

由表2可知，兩品種籽粒產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力均隨著氮肥追肥比例的增加而增加，這說明適當(dāng)增施追肥能顯著促進(jìn)小麥開花到成熟期籽粒對氮素的吸收。在不同生育階段氮肥表觀回收率表現(xiàn)趨勢存在差異，播種至拔節(jié)期，基肥表觀回收率隨著基施氮肥量的增加而下降；拔節(jié)至成熟期，追肥表觀回收率隨著追氮量的增加

表2氮肥基追比對冬小麥籽粒產(chǎn)量和氮素利用效率的影響

注：同一小麥品種同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達(dá) 5%顯著水平。

而下降，在整個生育期，氮肥表觀回收率隨著追肥比例的增加而增加。綜上所述，適當(dāng)加大追氮量，促進(jìn)小麥的氮素吸收，提高氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力和產(chǎn)量。兩品種間比較濟(jì)麥22的產(chǎn)量要高于山農(nóng)8355，后者的氮肥表觀回收率要高于濟(jì)麥22。

3 討論與結(jié)論

3.1氮肥基追比對土壤硝態(tài)氮時空分布的影響

前人研究表明，農(nóng)田施用氮肥后對0～100 cm土層硝態(tài)氮分布影響顯著[10]。周順利等[8]指出，即使在氮肥水平較低的地塊，仍然存在著深層土壤硝態(tài)氮的淋洗現(xiàn)象。土壤中硝態(tài)氮的累積量和施氮量呈正相關(guān)，施氮量過高會引起土壤中硝態(tài)氮的大量累積[11]。土壤中大量積累的硝態(tài)氮不能被作物吸收，會隨土壤水分的運移而淋洗，導(dǎo)致地下水源污染[12]。馬興華等[5]研究認(rèn)為，不同的基追比會影響土壤剖面中硝態(tài)氮的分布，土壤硝態(tài)氮的時空分布影響著土壤的供氮能力和土壤氮庫的平衡。石玉等[6]研究認(rèn)為分期施肥是促進(jìn)小麥氮素吸收利用、減少損失的有效措施，當(dāng)基施氮量大于84 kg·hm-2或追施氮量大于160 kg·hm-2時，小麥生育期存在著明顯的硝態(tài)氮累積高峰。有學(xué)者認(rèn)為，追施氮肥雖使作物生育后期土壤氮素得到補充，但也導(dǎo)致作物收獲后的土壤硝態(tài)氮殘留增加，增加了淋洗可能[13]?？梢姡叭擞捎谑艿匚談恿W(xué)、土壤理化性質(zhì)和田間管理等多種因素的影響，研究結(jié)果不盡一致。本試驗對0～120 cm土層的研究表明，施氮顯著提土壤各土層硝態(tài)氮含量。在施氮量為240 kg·hm-2時，拔節(jié)前土壤硝態(tài)氮含量隨基肥比例的增加而增加，提高拔節(jié)期追肥比例，能顯著提高開花至成熟期淺層土壤硝態(tài)氮含量，因而利于小麥吸收利用。不同的基追比例會影響土壤剖面中硝態(tài)氮的時空分布，基肥比例較大，導(dǎo)致小麥生育前期氮素向深層淋洗，增加氮素在深層土壤的積累，使小麥生育后期土壤0～60 cm土層硝態(tài)氮積累量較少，不能滿足小麥生育后期氮素需求，增加追肥占比可減少拔節(jié)之前的氮素?fù)p失，并保證拔節(jié)到成熟期小麥氮素需求高峰期土壤氮素的供應(yīng)。

3.2氮肥基追比對土壤氮素表觀盈虧的影響

研究表明，小麥生長季內(nèi)土壤氮素通過氨揮發(fā)、淋洗等多種途徑損失，麥田土壤的氮素表觀損失量和施氮量呈正相關(guān)[14]。周順利等[8]研究表明即使不施用氮肥的處理在小麥拔節(jié)期追肥之前也存在著氮素表觀盈余，此期小麥對氮素的需求量較少，應(yīng)適當(dāng)減少施用。由于作物不同生育階段對氮素的需求量不同，土壤氮素盈虧具有明顯的階段性[15]。本研究表明，土壤氮素表觀盈虧與氮肥基追比例顯著相關(guān)。播種至拔節(jié)期，土壤氮素的盈余量隨著基肥比例的增加而增加，不施氮肥和基肥比例較小的處理存在著氮素的少量虧缺，這一階段小麥植株吸氮量較小，土壤起始無機氮素可滿足小麥對氮素的需求，并且氮素的少量虧缺可以控制無效分蘗發(fā)生，優(yōu)化群體質(zhì)量；而基肥過多會增加土壤氮素的盈余量，導(dǎo)致生育前期氮素向深層土壤淋洗，因此對于起始氮素含量較高的土壤，要適當(dāng)減少基肥比例，從而減少播種至拔節(jié)期氮肥的表觀損失量。開花至成熟期，除了基追比為3∶7的處理氮素存在少量盈余外，其它處理均存在氮素虧缺，這個階段是小麥生殖生長階段，對氮素的需求量高，應(yīng)該適當(dāng)加大追施氮量，降低氮素的虧缺量，使土壤氮素供應(yīng)充分，有利于氮素的吸收運轉(zhuǎn)，提高氮肥農(nóng)學(xué)利用率，確保小麥實現(xiàn)高產(chǎn)高效。并且追肥氮素在小麥?zhǔn)斋@后主要累積在淺層(0～40 cm)土壤，使其保持較高土壤肥力水平，可以被后季作物吸收利用。因而，本試驗以基追比例3∶7為最優(yōu)處理。

3.3氮肥基追比對小麥氮素利用效率的影響

氮肥利用效率是衡量氮肥運籌是否合理的一個重要指標(biāo)，氮肥基追比例顯著影響著氮肥利用效率。研究表明，增加拔節(jié)期追肥比例可提高氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥吸收利用率[16]。小麥植株對追肥氮的利用率顯著大于對基肥氮的利用率；在施氮量相同時，不同基追比例可調(diào)節(jié)小麥植株在不同生育階段的氮肥利用率[17]。但也有學(xué)者提出氮肥后移技術(shù)在實際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)地力水平具體分析，在施肥不足或土壤肥力較低情況下，前期氮肥施用量過少，會造成小麥減產(chǎn)[18]。有研究認(rèn)為，在冬小麥季，基施和追施氮肥的去向不同，基施氮肥的利用率和收獲后殘留率顯著低于追施氮肥[19]?？傊驶繁葘π←湹匚招?、氮素利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥回收效率、氮肥農(nóng)學(xué)效率等定量指標(biāo)具有顯著影響。本研究表明，小麥氮素利用效率的各定量指標(biāo)均隨著拔節(jié)期追肥比例的增加而增加，這說明小麥植株對追肥氮的利用率顯著大于對底肥氮的利用率；基追比例為3∶7的處理氮肥利用效率最高，在小麥高產(chǎn)栽培過程中應(yīng)適當(dāng)減少肥力較高地塊的基肥比例，增加追施氮比例，以確保在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時獲得較高的氮肥利用效率。

3.4氮肥基追比對小麥籽粒產(chǎn)量的影響

王月福等[18]研究表明，施氮量為240 kg·hm-2、氮肥基追比按5∶5施用時小麥產(chǎn)量達(dá)到最高；Sieling等[20]認(rèn)為，小麥穗密度低和千粒重小是小麥產(chǎn)量降低的主要原因，增加氮肥用量可以增加每平方米的小麥穗數(shù)，降低產(chǎn)量損失。戴廷波等[21]以弱筋小麥揚麥9號和寧麥9號為試驗材料研究表明，在較高肥力土壤和提高作物施氮量的基礎(chǔ)上，基追比為34∶66時可以獲得最高的籽粒產(chǎn)量，達(dá)6 365.1 kg·hm-2。本試驗結(jié)果表明，適當(dāng)增加氮肥追施比例，可顯著提高籽粒產(chǎn)量，這說明提高氮肥追施比例保證了小麥幼穗分化后期、開花結(jié)實以及籽粒灌漿的氮素需求，增加穗粒數(shù)和千粒重，最終提高產(chǎn)量。本試驗中，當(dāng)?shù)驶繁葹?∶7時產(chǎn)量達(dá)到最高。

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EffectsofNitrogenFertilizerTopdressingRatioonChangesofSoilNitrateNitrogenandNitrogenUseEfficiencyinWinterWheat

Song Wenting, Han Mingming, Chen Jin, Pang Dangwei, Yang Dongqing, Jin Min

(CollegeofAgronomy,ShandongAgriculturalUniversity/StateKeyLaboratoryofCropBiology,Taian271018,China)

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.09.017

2017-04-26

國家自然科學(xué)基金項目( 31271661)；國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203100，201203029)；山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系項目

宋文挺(1990—)，男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士研究生，主要從事作物高產(chǎn)生理生態(tài)研究。E-mail：windyuji1019@163.com

金敏(1982—)，女，山東濟(jì)南人，碩士，實驗師，主要從事作物高產(chǎn)生理生態(tài)研究。E-mail： cobra911@163.com

S512.106.2

A

1001-4942(2017)09-0088-07