水培營養(yǎng)液作為貯熱介質(zhì)的熱傳導(dǎo)規(guī)律分析*

馬宇婧, 溫祥珍, 杜莉雯, 李亞靈

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水培營養(yǎng)液作為貯熱介質(zhì)的熱傳導(dǎo)規(guī)律分析*

馬宇婧, 溫祥珍**, 杜莉雯, 李亞靈

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 太谷 030801)

為掌握水培營養(yǎng)液的熱傳導(dǎo)變化規(guī)律, 探討葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)營養(yǎng)液作為貯熱介質(zhì)的蓄熱保溫性能, 在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程研究所葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中使用SH-16路溫度巡檢儀, 測定多孔定植板條件下系統(tǒng)內(nèi)不同深度(0 cm、5 cm、10 cm、15 cm)營養(yǎng)液的溫度變化。試驗(yàn)結(jié)果表明: 不同深度營養(yǎng)液溫度變化顯著不同, 表層變幅最大, 越往深層變幅越小; 秋季營養(yǎng)液各深度最高溫分別出現(xiàn)在14:00、16:00、17:40、20:00, 并隨著營養(yǎng)液深度的增加而快速降低。根據(jù)各深度日較差的變化幅度, 將營養(yǎng)液劃分為熱交換層(>3 ℃)、熱緩沖層( 1~3 ℃)和熱穩(wěn)定層( 0~1 ℃), 分別位于液面表層0~5 cm、5~10 cm和10~15 cm。葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)營養(yǎng)液深度為21.5 cm時, 不同層次日較差變化符合對數(shù)關(guān)系:=-2.619ln+4.215 2, 即液面以下20 cm處日較差為0 ℃。上述結(jié)果表明能量在營養(yǎng)液中是逐層進(jìn)行傳導(dǎo)的。

營養(yǎng)液; 葉菜生產(chǎn)系統(tǒng); 貯熱介質(zhì); 熱傳導(dǎo); 能量

水培是蔬菜根系生長過程中通過營養(yǎng)液提供養(yǎng)分、水分和氧氣的栽培方式, 由于水培條件下蔬菜生育期短、生長整齊、商品性好, 水培技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于綠葉蔬菜的高效生產(chǎn)[1]。在水培中, 營養(yǎng)液溫度直接影響植物根際, 根際溫度對植物生長發(fā)育的影響是多方面的[2]。在影響根系水分吸收的同時也影響地上部分的蒸騰失水[3], 且根系周圍的溫度變化對根系的吸水和ABA的合成相關(guān)[4]。

日光溫室常見的蓄熱方式有主動采光蓄熱、空氣循環(huán)蓄熱、水循環(huán)蓄熱、相變材料蓄熱、卵石蓄熱、熱泵蓄熱、聯(lián)合方式蓄熱等[5]。其中水循環(huán)蓄熱是通過設(shè)備將水循環(huán)蓄熱, 以水為主要蓄熱體。由于水的比熱容較大且易于流動, 適于作為熱能的貯存和傳遞介質(zhì), 所以目前國內(nèi)外有很多學(xué)者對水作為蓄熱體為溫室供暖方面進(jìn)行了研究報(bào)道。水循環(huán)蓄熱目前有兩種形式: 一種是張義等[6]設(shè)計(jì)的水幕簾蓄放熱系統(tǒng), 該系統(tǒng)可使溫室內(nèi)夜間氣溫提高5.4 ℃以上, 作物根際溫度提高1.6 ℃以上; 方慧等[7-9]以溫室淺層土壤為蓄熱體, 白天將后墻集熱器獲得的熱量收集并儲存到溫室淺層土壤中, 夜間通過自然放熱將熱量釋放到溫室中, 與對照相比夜間平均氣溫差為4 ℃, 并利用不同材質(zhì)和顏色的封裝膜改進(jìn)了該系統(tǒng); 孫維拓等[10]將其拓展與熱泵結(jié)合使用來提高蓄放熱性能。另一種是馬承偉等[11]研究的日光溫室鋼管屋架管網(wǎng)水循環(huán)集放熱系統(tǒng), 該系統(tǒng)的蓄熱水體容積為8.6 m3, 白晝?nèi)掌骄顭釡厣?.7 ℃, 平均蓄熱量為149 MJ, 夜間水體日平均放熱溫降2.5 ℃, 平均放熱量為78.9 MJ。雖然水循環(huán)蓄熱的效果較明顯, 水流也較均勻, 但對循環(huán)管道要求較高, 且在原有后墻安裝集放熱裝置會削減后墻的蓄放熱效果。這些水循環(huán)蓄熱裝置對水的封裝性要求較高, 且造價高, 推廣較困難。

我們根據(jù)大海調(diào)溫原理[12], 將營養(yǎng)液作為一種新的緩熱介質(zhì), 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土墻、磚墻及土壤儲熱進(jìn)行主動蓄放熱[13], 可減少水循環(huán)蓄熱的投入, 成本低廉, 是日光溫室蓄熱技術(shù)利用的新方向。葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)[14]將日光溫室的結(jié)構(gòu)特征和水培系統(tǒng)結(jié)合起來, 采用現(xiàn)代化技術(shù)和低成本材料, 通過蓄存水體, 將營養(yǎng)液作為蓄放熱的載體來調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境[15], 既可為葉菜提供生長營養(yǎng), 又可調(diào)節(jié)溫度, 具有一定的熱穩(wěn)定性, 是葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中最重要的一部分。杜莉雯等[16]研究了葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中定植板覆蓋率對環(huán)境熱效應(yīng)的影響, 發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)液能夠吸收儲存熱量, 并對周圍環(huán)境起到一定調(diào)節(jié)作用, 但熱量在營養(yǎng)液中的傳導(dǎo)規(guī)律尚不明確。

營養(yǎng)液與土壤和土墻儲熱類似, 具有一定的熱穩(wěn)定性, 目前有關(guān)溫室熱傳導(dǎo)規(guī)律的研究主要集中在墻體方面, 如溫祥珍等[17]和楊艷紅等[18]將墻體劃分為熱交換層、熱緩沖層和熱穩(wěn)定層, 分別位于墻體從內(nèi)向外的0~15 cm、15~25 cm和25 cm以后; 史宇亮[19]發(fā)現(xiàn)后墻體內(nèi)側(cè)約0.7 m的厚度為晝夜間蓄放熱的關(guān)鍵厚度; 易東海[20]在墻體內(nèi)找到了變溫層與恒溫層的界限, 并提出該界限在不同季節(jié)不同。

掌握營養(yǎng)液的熱傳導(dǎo)變化規(guī)律, 對葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)的蓄熱保溫性能分析評價有重要意義, 可為今后的系列試驗(yàn)提供依據(jù)。為此, 試驗(yàn)研究了多孔定植板條件下秋季葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中不同深度營養(yǎng)液溫度變化趨勢, 為豐富營養(yǎng)液液溫管理理論, 提高葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

試驗(yàn)采用的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)[12]是由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程研究所設(shè)計(jì), 為對稱拱圓形狀, 南北走向, 東西延長。東西側(cè)高0.4 m, 中間高1 m, 寬5.4 m, 南北長6 m, 剖面圖如圖1所示。其中上部采光部分為拱圓形, 骨架由圓鋼焊接組裝而成, 采用2/3固定陽光板和1/3活動PO膜, 可通過卷簾的方式控制塑料薄膜覆蓋面積進(jìn)行通風(fēng)。下部貯液池由角鋼焊接成6 m×5.4 m×0.4 m的長方體, 角鋼內(nèi)嵌入4 cm厚加密聚苯板作為隔熱保溫材料, 減少內(nèi)外能量傳遞。貯液池內(nèi)鋪防滲膜, 注入7 m3營養(yǎng)液, 深度約21.5 cm。營養(yǎng)液表面鋪滿厚5 cm、162孔的泡沫定植板, 試驗(yàn)期間不進(jìn)行作物栽培, 夜間頂部用鋁箔被進(jìn)行保溫。

為了解熱量在營養(yǎng)液中的傳遞規(guī)律, 我們對營養(yǎng)液進(jìn)行分層, 從上到下每隔5 cm設(shè)置一個測試位點(diǎn), 即測定營養(yǎng)液表面0 cm和液面以下5 cm、10 cm、15 cm共4個層次液溫, 分別用0、5、10、15表示(后文中兩層營養(yǎng)液深層液溫用深表示, 淺層液溫用淺表示), 并在貯液池內(nèi)選取3個位置進(jìn)行重復(fù)(東北角、中間、西南角)。測試區(qū)域不同深度測試位點(diǎn)截面見圖2。所有溫度數(shù)據(jù)測定使用SH-16路溫度巡檢儀(深圳市深華軒科技有限公司), 傳感器為鎳鉻-鎳硅(K型)熱電偶, 測溫范圍為-50~300 ℃。設(shè)置每10 min自動記錄一組溫度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)于2017年11月2日—2017年11月26日進(jìn)行(共25 d)。數(shù)據(jù)采用WPS軟件進(jìn)行處理分析。

圖1 葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)剖面圖

圖2 營養(yǎng)液不同深度(a)和不同位置(b)測試位點(diǎn)截面圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同位點(diǎn)營養(yǎng)液的溫度日變化

試驗(yàn)測定了3個不同位點(diǎn)營養(yǎng)液的溫度, 如圖3所示, 依次代表0 cm、5 cm、10 cm、15 cm處液溫。由圖3可看出, 白天蓄熱期間營養(yǎng)液溫度位點(diǎn)東北角>中間>西南角, 夜晚放熱期間中間溫度較東北角和西南角高。由于西南角白天接受太陽輻射遲, 升溫較東北角和中間滯后。受邊際效應(yīng)的影響, 夜間東北角和西南角較中間溫度低。3個測試位點(diǎn)溫度雖有差異, 但遠(yuǎn)不及深度帶來的差異, 不影響營養(yǎng)液整體傳導(dǎo)規(guī)律, 故使用3個位點(diǎn)的平均值進(jìn)行下一步分析。

圖3 不同位點(diǎn)不同深度營養(yǎng)液的溫度日變化

圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)為2017年11月2—26日共25 d 的平均值。Each data point in the figure was the average of 25 days from November 2 to 26, 2017.

2.2 不同深度營養(yǎng)液的溫度日變化

在2017年11月2—26日測定了葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)中不同深度營養(yǎng)液的溫度變化, 結(jié)果見圖4。不同深度營養(yǎng)液溫度變化顯著不同, 表層變幅最大, 說明能量交換最多, 越往深層變幅越小, 能量交換越少。0 cm、5 cm、10 cm和15 cm處平均溫度分別為14.1 ℃、13.7 ℃、13.4 ℃和13.3 ℃, 變幅依次為4.1 ℃、2.0 ℃、0.9 ℃和0.5 ℃, 變幅越來越小, 營養(yǎng)液溫度越來越穩(wěn)定。表層蓄積熱量后逐層傳遞,0 cm、5 cm、10 cm和15 cm處分別在14:00、16:00、17:40和20:00達(dá)到最高溫, 分別為16.9 ℃、15.0 ℃、13.9 ℃和13.5 ℃, 深層較淺層滯后。表1列出營養(yǎng)液各深度最高溫、最低溫及日較差的變異系數(shù), 營養(yǎng)液越深, 溫度變化越小, 溫度逐漸穩(wěn)定。

圖4 不同深度營養(yǎng)液的溫度日變化

圖中每個數(shù)據(jù)點(diǎn)為3個位點(diǎn)2017年11月2—26日共25 d 的平均值。Each data point in the figure was the average of 3 sites from November 2 to 26, 2017 for a total of 25 days.

2.3 不同深度營養(yǎng)液晝夜溫差的頻度及區(qū)域劃分

晝夜溫差即日較差, 是一日內(nèi)氣象要素的最大值與最小值之差[22]。溫度的變化反映著能量的交換, 試驗(yàn)對各深度的營養(yǎng)液日較差進(jìn)行了頻度分析, 結(jié)果見表2。11月2—26日共25 d的觀測中, 液面0 cm、液面以下5 cm、10 cm、15 cm處的日較差分別集中在3~6 ℃、1~3 ℃、0~2 ℃、0~1 ℃, 各有23 d、23 d、25 d、23 d, 分別占觀測總天數(shù)的92%、92%、100%、92%。進(jìn)一步從能量交換量看(圖5), 0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm能量交換量占總能量交換量的比值為56.69%、32.35%、10.96%, 即0~10 cm能量交換比達(dá)近90%, 是主要的能量交換部位。

綜合表2和圖5得出營養(yǎng)液日較差快速下降的部位位于液面表層0~5 cm, 變化幅度為3~6 ℃; 日較差變化平緩部位位于5~10 cm, 變化幅度為1~3 ℃; 日較差變化穩(wěn)定部位位于10~15 cm, 變化幅度在0~1 ℃。據(jù)此, 將營養(yǎng)液劃分為熱交換層(>3 ℃)、熱緩沖層(1~3 ℃)、熱穩(wěn)定層(0~1 ℃)。

表1 各深度營養(yǎng)液平均溫度和極端溫度情況

表中數(shù)據(jù)根據(jù)2017年11月2—26日每天平均溫、最高溫、最低溫、日較差求出各自的平均值、最大值、最小值、極值以及標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。其中標(biāo)準(zhǔn)差通過STDEV函數(shù)計(jì)算而得, 變異系數(shù)CV=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值×100%[21]。The data in the table was based on the daily average temperature, the highest temperature, the lowest temperature, and the daily range from November 2 to 26, 2017. The standard deviation was calculated by the STDEV function. Coefficient of variation = standard deviation / mean value × 100%[21].

表2 不同深度營養(yǎng)液晝夜溫差的頻度

表中數(shù)據(jù)來自各測點(diǎn)2017年11月2—26日的日較差。The data in the table were in each survey point from November 2 to 26, 2017.

2.4 營養(yǎng)液日較差變化趨勢

為了解營養(yǎng)液內(nèi)部熱傳遞變化規(guī)律, 根據(jù)試驗(yàn)期間每日各深度的日較差, 以營養(yǎng)液深度為橫坐標(biāo), 日較差為縱坐標(biāo)繪制得圖6。無論天氣好壞, 25 d的趨勢線均表現(xiàn)出營養(yǎng)液溫度隨深度增加變化穩(wěn)定, 日較差漸小, 呈對數(shù)趨勢遞減。25 d每日各深度日較差平均值()繪制的趨勢線方程為=-2.619ln+4.215 2 (式中為液層的序號, 0 cm、5 cm、10 cm和15 cm分別為1、2、3、4), 由此關(guān)系式可計(jì)算出當(dāng)日較差=0 ℃時=5, 即液面以下20 cm處日較差為0 ℃。

圖5 一天中不同深度營養(yǎng)液能量交換比率變化

能量交換比率=|淺-深|/(|0-5|+|5-10|+|10-15|)×100%,為溫度, 下標(biāo)的數(shù)據(jù)為營養(yǎng)液深度。Energy exchange rate = |shallow-depth| / (|0-5| + |5-10| +|10-15|) × 100%, in whichwas temperature, the subscripts were depths of nutrient solution.

2.5 系統(tǒng)熱交換的速度變化

通過葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)營養(yǎng)液各層熱量傳輸過程中溫度的變化, 計(jì)算出各層變化的熱量, 從而得出系統(tǒng)熱量交換速率, 繪制出圖7, 圖中正值表示熱量損失速率, 負(fù)值表示熱量蓄存速率。由圖看出營養(yǎng)液0~5 cm白天熱損失速率最高, 可達(dá)3 236 kJ×cm-1, 出現(xiàn)在13:20; 5~10 cm在15:20熱損失速率最高, 為1 600 kJ×cm-1; 10~15 cm在17:50熱損失速率最高, 為579 kJ×cm-1。5~10 cm和10~15 cm在20:00后熱損失速率降到400 kJ×cm-1以下, 于0:00后趨于穩(wěn)定。

圖6 不同測定日期(月-日)不同深度營養(yǎng)液日較差變化趨勢

圖中每個數(shù)據(jù)點(diǎn)為2017年11月2—26日每日最高溫與最低溫的差。The daily difference of temperature in the figure was difference between the highest and lowest temperatures in every day from November 2 to 26, 2017.

圖7 不同深度營養(yǎng)液系統(tǒng)熱量交換的速度變化

熱量損失速率=(淺-深)×6 787.8 kJ /5 cm。Heat loss rate = (shallow-depth) ×6 787.8 kJ / 5 cm.is temperature.

3 討論與結(jié)論

水循環(huán)蓄熱是近年來的研究熱點(diǎn), 因其比熱容大可盡量多的將熱量存儲起來, 但水的封裝需要良好的封閉性, 否則容易泄露[5]。我們將水利用起來配制成營養(yǎng)液來為作物提供營養(yǎng), 既節(jié)省了制作密閉管道的成本又可達(dá)到水蓄熱的目的。但本試驗(yàn)中水體處于靜止?fàn)顟B(tài), 分析的是靜止?fàn)顟B(tài)下營養(yǎng)液的熱傳導(dǎo)規(guī)律。

從熱量傳遞規(guī)律上來講, 營養(yǎng)液類似于日光溫室墻體的變化規(guī)律, 能量在營養(yǎng)液中是逐層進(jìn)行傳導(dǎo)的。有研究[23-25]表明烤煙漂浮育苗設(shè)施系統(tǒng)熱量分布為基質(zhì)∶水∶空氣∶水泥結(jié)構(gòu)=11.4∶62.3∶1∶20.1, 證實(shí)了水在漂浮育苗設(shè)施系統(tǒng)中起重要作用。本研究通過對多孔定植板條件下葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)營養(yǎng)液不同深度溫度的測定分析, 認(rèn)為營養(yǎng)液作為貯熱體系具有實(shí)際意義。試驗(yàn)得出不同測試位點(diǎn)對營養(yǎng)液溫度有一定影響, 但不影響整體傳導(dǎo)規(guī)律。不同深度營養(yǎng)液溫度變化顯著不同, 表層變幅最大, 說明能量交換最多, 越往深變幅越小, 溫度變化越來越穩(wěn)定。各層液溫分別在14:00、16:00、17:40、20:00出現(xiàn)峰值, 并隨著營養(yǎng)液深度的增加而快速降低, 變異系數(shù)減小, 深層較淺層滯后。營養(yǎng)液作為緩沖介質(zhì), 在能量交換上可發(fā)揮一定作用。

在體系營養(yǎng)液深度為21.5 cm條件下, 不同層次日較差變化符合對數(shù)關(guān)系:=-2.619ln+4.215 2。0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm各層能量交換量各占總交換量的56.69%、32.35%、10.96%。根據(jù)各深度日較差的變化幅度, 將營養(yǎng)液劃分為熱交換層(>3 ℃)、熱緩沖層(1~3 ℃)、熱穩(wěn)定層(0~1 ℃), 分別位于液面表層0~5 cm、5~10 cm和10~15 cm。營養(yǎng)液0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm白天熱損失速率最高可達(dá)3 236 kJ×cm-1、1 600 kJ×cm-1和579 kJ×cm-1, 分別出現(xiàn)在13:20、15:20和17:50。上述結(jié)果表明營養(yǎng)液作為貯熱介質(zhì)具有明顯的熱傳導(dǎo)規(guī)律, 能量在營養(yǎng)液中是逐層進(jìn)行傳導(dǎo)的。

事實(shí)上, 由于我們的葉菜生產(chǎn)系統(tǒng)體積較小, 空氣所占容積小, 氣溫變化1 ℃僅需20.55 kJ, 而1 m3營養(yǎng)液變化1 ℃則需4 190 kJ, 可見營養(yǎng)液中能儲存大量能量, 在環(huán)境調(diào)控以及蓄熱上能發(fā)揮作用。試驗(yàn)僅對靜止?fàn)顟B(tài)的營養(yǎng)液傳導(dǎo)規(guī)律進(jìn)行了分析, 后期我們將對動態(tài)營養(yǎng)液即將營養(yǎng)液循環(huán)起來分析其熱傳導(dǎo)規(guī)律。

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Heat conduction law of hydroponic nutrient solution as heat storage medium*

MA Yujing, WEN Xiangzhen**, DU Liwen, LI Yaling

(School of Horticulture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

In order to grasp the characteristics of heat transfer of hydroponic nutrient solution as heat storage medium and the related heat storage and preservation performance, nutrient solutions of leaf vegetable production systems were used for experimentation. The experiment was conducted at the solar greenhouse of Agricultural Engineering Institute of Shanxi Agricultural University. In this study, SH-16 road temperature inspection was used in leaf vegetable production systems and sensor elements placed at several different depths of different positions to monitor solution temperature. The regulation of temperature change of nutrient solutions in the system under porous planting plates were discussed. The experimental results showed that temperature change in nutrient solution at different depths were significantly different. The largest amplitude of temperature variation of nutrition solutions was at surface layer. The deeper the nutrient solution, the smaller was the variation. The highest temperature of nutrient solution in autumn decreased rapidly with increasing nutrient solution depth, and happened at 14:00, 16:00, 17:40 and 20:00 for the solution depths of 0 cm, 5 cm, 10 cm and 15 cm respectively. Based on the daily range of temperature at different depths, nutrient solutions were divided into three temperature layers — heat exchange layer (daily range of temperature > 3 ℃), heat buffer layer (daily range of temperature of 1–3 ℃) and heat stability layer (daily range of temperature at 0–1 ℃), which were located in the solution layers of 0–5 cm, 5–10 cm and 10–15 cm, respectively. When the nutrient solution depth of leaf vegetable production system was 21.5 cm, the relationship between daily temperature difference and solution depth (0 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm were expressed as 1, 2, 3 and 4 in the function) was described with the logarithmic function=-2.619ln+ 4.215 2. That indicated that daily temperature difference at 20 cm below solution surface was 0 ℃. The above results indicated that energy was conducted on a layer-by-layer basis in the nutrient solution of hydroponic system.

Nutrient solution; Leaf vegetable production system; Heat storage medium; Heat conduction; Energy

, E-mail: 330821473@qq.com

Apr. 9, 2018;

Aug. 13, 2018

S625.1

A

1671-3990(2018)12-1773-08

10.13930/j.cnki.cjea.180359

* 國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61233006)和山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(FT201402-05)資助

溫祥珍, 主要從事設(shè)施園藝方面的研究。E-mail: 330821473@qq.com

馬宇婧, 主要研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝。E-mail: 563264114@qq.com

2018-04-09

2018-08-13

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (61233006) and Shanxi Coal-based Key Scientific and Technological Projects (FT201402-05).

馬宇婧, 溫祥珍, 杜莉雯, 李亞靈. 水培營養(yǎng)液作為貯熱介質(zhì)的熱傳導(dǎo)規(guī)律分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(12): 1773-1780

MA Y J, WEN X Z, DU L W, LI Y L. Heat conduction law of hydroponic nutrient solution as heat storage medium[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1773-1780