方 慧,張 義,伍 綱,程瑞鋒,周 波,楊其長
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大跨度保溫型溫室的熱環(huán)境模擬*
方 慧,張 義,伍 綱,程瑞鋒,周 波,楊其長**
(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部設施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室,北京 100081)
大跨度保溫型溫室為拱型鋼骨架結構,南北走向,相鄰溫室間距僅2m,相比于傳統(tǒng)日光溫室土地利用率提高到91%,且仍具有日光溫室節(jié)能的特點。為分析和評價該溫室的蓄熱保溫性能,基于溫室熱傳導、對流換熱、太陽輻射、天空輻射、作物蒸騰、自然通風等熱物理過程,構建了溫室內熱環(huán)境變化模型,并利用Matlab軟件對其進行求解,模擬在冬季連續(xù)4個典型工作日無加溫條件下,每10min的室內空氣溫度和作物根區(qū)溫度,并將模擬值與實測值進行對比分析。結果表明,模型對大跨度溫室內空氣溫度模擬的平均絕對誤差在±1.3℃之內,模擬值與實測值間直線方程的決定系數(shù)(R2)為0.99(n=576),回歸估計標準誤差(RMSE)和相對誤差(RE)分別為1.6℃和16.4%;作物根區(qū)溫度實測值與模擬值的絕對誤差在±0.6℃之內,直線方程的R2為0.91(n=576),RMSE和RE分別為0.76℃和6.7%。模型模擬值與實測值較為一致,可為溫室環(huán)境精準調控和結構優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。
溫室;模型;熱環(huán)境;作物蒸騰;太陽輻射;傳熱
大跨度保溫型溫室是結合日光溫室與塑料大棚優(yōu)點而建的一類新型溫室,該溫室為南北走向,與東西走向日光溫室相比減少了溫室間遮陰的影響,相鄰兩溫室間距可由原來的8~10m縮減為2m,土地利用率高達91%[1]。溫室配套裝備有內保溫幕和外保溫被雙層保溫結構,提升了溫室蓄熱保溫性能。溫室單體大,可以實現(xiàn)立體式栽培以及果樹種植,利于機械化操作。但目前該溫室環(huán)境管理仍由人工經(jīng)驗控制通風口開口大小來實現(xiàn),費時又費力。如能通過數(shù)值模型預測溫室內環(huán)境溫度,即以室外氣象要素、溫室結構和栽培作物為輸入變量,應用能量平衡模型預測溫室內環(huán)境溫度,可為自動化控制提供理論指導。
國外溫室小氣候模擬模型主要是針對當?shù)貧夂蛱卣骱蜏厥医Y構特點而構建。如Bot等[2?5]根據(jù)荷蘭地區(qū)冬季日照時間短,強度低的特點,研究了連棟玻璃溫室在自然通風模式下的溫室內熱環(huán)境,將溫室熱環(huán)境模型與作物模型結合,為荷蘭的溫室環(huán)境模擬與結構優(yōu)化起到重要的推動作用,借助該模型,Venlo型溫室的溫光性能進一步趨于合理,結構更加優(yōu)化,形成了適合荷蘭氣候特征的溫室結構型式。以色列位于地中海沿岸,光熱資源較好,溫室設計重點是考慮通風降溫,通過溫室建模和優(yōu)化計算,形成了鋸齒屋面、拱圓頂斜立面的溫室結構型式,Tanny等[6?7]一些專家還通過對溫室脊高和自然通風模式的計算,提出了以自然通風為基礎的合理的溫室結構設計參數(shù),使以色列的溫室結構成為這一地區(qū)節(jié)能好、投資少、綜合效益高的溫室類型。英國是較早進行溫室光熱環(huán)境分析的國家之一。Fuller等[8]利用動態(tài)模型進行能量使用的預測分析研究,為溫室設計提供參考。Trigui等[9]報道了使用溫室模型進行氣候控制的研究成果。但在結構優(yōu)化以及考慮作物的影響方面的研究報道較少。從國際上溫室發(fā)展的整體趨勢來看,都是以區(qū)域氣候為基礎,以系統(tǒng)的光熱資源需求為目標,通過光熱環(huán)境模型的開發(fā),進而進行溫室結構優(yōu)化設計,逐漸形成具有區(qū)域特色的溫室結構型式。
國內學者在國外相關研究基礎上,從20世紀90年代開始研究溫室大棚的小氣候模擬模型,如Tong等[10]報道了日光溫室建筑參數(shù)對室內溫度環(huán)境的影響,并對日光溫室墻體傳熱特性進行了研究。杜軍等[11]還就日光溫室的傳熱傳質物理過程進行了模擬計算,構建了初步的溫室環(huán)境模擬模型,為分析溫室的能量傳遞提供了理論依據(jù)。孟力力等[12?14]構建了日光溫室光熱環(huán)境方程,利用Matlab軟件求解,預測溫室氣體及各結構溫度變化,并根據(jù)各地區(qū)室外環(huán)境特點優(yōu)化日光溫室結構尺寸,該模型忽略植物蒸騰對熱的影響,適用于空載日光溫室光熱環(huán)境模擬。針對完全自然通風模式下的大跨度保溫型溫室內熱環(huán)境模擬的研究,國內鮮有報道。
本研究針對大跨度保溫型溫室的結構特點,構建溫室小氣候數(shù)值模型。將溫室能量平衡、番茄蒸騰與小氣候試驗相結合,建立一個以溫室外氣象條件為輸入?yún)?shù),以溫室結構、覆蓋材料和栽培作物為邊界條件,預測溫室內有作物生長的條件下室內空氣溫度和作物根區(qū)土壤溫度的小氣候模擬模型,以期為溫室內溫度管理和結構優(yōu)化提供理論依據(jù)。
為驗證數(shù)學模型的準確性,于2017年12月30日?2018年1月30日在試驗溫室進行試驗。溫室位于北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學院實驗基地(40.13°N,116.65°E)。溫室為大棚型鋼骨架結構(圖1),長60.0m,跨度20.0m,脊高4.5m,下沉0.5m,覆蓋塑料薄膜的厚度為0.08mm,溫室北墻采用雙層0.1m的水泥板,中間有0.1m的聚苯板保溫隔熱,溫室南墻為雙層陽光板,溫室頂端兩側和下端兩側有南北走向的通風口,通風口最大通風寬度分別為0.8m和1.6m,通風口用白色防蟲網(wǎng)覆蓋,防蟲網(wǎng)規(guī)格為20目。1平方英寸(2.54cm×2.54cm)內的網(wǎng)眼格數(shù)即為防蟲網(wǎng)的目數(shù)。
室內溫度測量選用銅?康銅熱電偶(中國計量院),測量精度為±0.2℃。室外太陽輻射測量選用CMP3型太陽輻射傳感器,測量精度為±0.5%。室外溫濕度測量采用HMP155A型溫濕度傳感器,溫度測量精度為±0.2℃,相對濕度測量精度為±1%。室外風速風向測量采用CSAT3三維風速儀,x/y方向風速測量精度為±0.04m·s?1,z方向風速測量精度為±0.02m·s?1。所有傳感器數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)采集器Data logger CR1000(Campbell Scientific, USA)自動采集,采集頻率為10次·s?1,每10min記錄一次平均值。
圖1 試驗溫室結構
溫室內空氣溫度檢測點布置于溫室中間位置,距離地面1.5m高。番茄根區(qū)溫度布置于溫室中間位置,布置土壤深度0.15m。室外風速、風向、溫濕度、太陽輻射傳感器布置于距離溫室北側10.0m,距離地面高度4.0m。
試驗溫室內種植番茄,2017年9月7日定植,定植密度為2.8棵·m?2。2017年12月27日進行一次葉面積測量,單張葉片面積的測量采用描葉法,具體方法參考文獻[15],根據(jù)描葉法測得的數(shù)據(jù)確定葉片鮮重與葉面積的關系式,并計算平均每株植物的葉面積和溫室番茄總葉面積。
引用回歸估計標準誤差RMSE(root mean squared error)、相對誤差RE(relative prediction error)和決定系數(shù)R2(determination coefficient)對模型的擬合度進行分析。RMSE可以反應誤差的離散程度,RMSE越小表示模擬效果越好。相對誤差RE可反應誤差在真實值中所占的比例,RE值越小表示模擬結果越精確。R2是衡量兩組數(shù)據(jù)之間線性相關程度的量,R2越趨近于1,表示模擬結果與實測值相關性越好。相應計算式為
熱環(huán)境模擬主要基于溫室內熱量平衡方程。由圖2可見,自然條件下大跨度保溫型溫室內空氣的能量,主要來源于溫室各結構吸收的太陽輻射再次釋放到空氣中的熱流量(Fa),以及空氣與土壤對流換熱熱流量(Faf,c),能量流失主要包括室內外空氣通過覆蓋層的熱傳導損失(Fao,c)、通風換氣熱損失(Fao,v)、空氣與植物葉片熱對流損失(Fap,c)。溫室內作物的能量來源為作物對太陽輻射的吸收(Fps,R)和通過對流作物吸收的空氣中的能量(Fap,c),能量流失主要包括作物與天空的長波輻射(Fpsky,LR)和作物蒸騰潛熱損失(Fp,tr)。土壤的能量來源為土壤吸收的太陽輻射(Ffs,R),能量流失主要包括土壤與天空的長波輻射(Ffsky,LR)、土壤與空氣熱對流損失(Faf,c)和土壤熱傳導損失的熱量(Fdf,c)。溫室熱平衡可分為三大模塊:室內空氣的熱平衡、作物的熱平衡和作物根區(qū)土壤的熱平衡。因此,本研究擬利用這三大模塊的能量平衡方程構建溫室熱平衡模型,通過輸入外界環(huán)境參數(shù)達到求解室內空氣溫度和作物根區(qū)土壤溫度的目的。
溫室內環(huán)境空間分布存在一定差異,若考慮該因素須構建三維數(shù)值模型,其計算量非常大。因此,為簡化計算,考慮構建一維傳熱模型,并做如下假設:假設溫室內空氣混合均勻,密度無變化;溫室內地面、植物接收的太陽輻射照度均勻分布;假設溫室南北兩側墻為絕熱墻體,忽略對溫室熱環(huán)境的影響;番茄果實含水量在90%以上,因此其密度、比熱容參考水;地面深層土壤溫度穩(wěn)定不變。外界環(huán)境輸入?yún)?shù)包括室外太陽輻射、室外空氣溫度、室外濕度、室外風速、地面深層土壤溫度。模型所用各材料參數(shù)見表1。
圖2 溫室熱交換過程
注:I為太陽輻射;To為室外空氣溫度;Tsky為天空溫度;Ta為室內空氣溫度;Tp為植物溫度;Tf為淺層土壤溫度;Td為深層土壤溫度;Fa為溫室各結構吸收的太陽輻射再次釋放到空氣中的熱流量;Fao,c為室內外空氣通過覆蓋層的熱流量;Fao,v為室內外空氣自然通風熱流量;Faf,c為土壤與空氣通過對流換熱的熱流量;Fap,c為作物與空氣通過對流換熱的熱流量;Fps,R為作物吸收的太陽輻射;Fpsky,LR為作物與天空的長波輻射熱流量;Fp,tr為作物蒸騰潛熱熱流量;Ffs,R為土壤吸收的太陽輻射;Ffsky,LR為土壤與天空的長波輻射熱流量;Fdf,c為土壤層熱傳導熱流量。
Note:I is solar radiation. Tois outside air temperature. Tskyis sky temperature. Tais inside air temperature. Tpis plant temperature. Tfis shallow soil layer temperature. Tdis deep soil layer temperature.Fais solar radiation absorbed by greenhouse opaque elements and released to the greenhouse air.Fao,cis heat exchange between greenhouse and outdoor air through the plastic cover.Fao,vis heat exchange between greenhouse and outdoor air by ventilation.Faf,cis heat exchange between up layer soil and air by convection.Fap,cis heat exchange between plant and air by convection.Fps,Ris plant absorbed solar radiation.Fpsky,LRis long-wave radiation exchange between plant and sky.Fp,tris latent heat flux by plant transpiration.Ffs,Ris soil absorbed solar radiation.Ffsky,LRis long-wave radiation exchange between soil and sky.Fdf,cis heat exchange between soil layers by conduction.
2.2.1 空氣能量平衡
溫室內空氣能量變化主要包括:(1)溫室覆蓋層、骨架、內保溫幕吸收的太陽輻射再次釋放到室內空氣中的熱量(Fa);(2)空氣與土壤對流換熱吸收的熱量(Faf,c);(3)室內外空氣通過覆蓋層的熱傳導和熱對流導致的能量損失(Fao,c);(4)室內室外空氣通過自然通風導致的能量損失(Fao,v);(5)室內空氣與作物的熱對流導致的能量損失(Fap,c)。
由于保溫需要,9:00?16:00需要揭開保溫被吸收太陽輻射,夜間需要覆蓋保溫被以減少熱量損失,因此,溫室內空氣能量變化方程可分白天和夜間兩種情況建立。
白天,揭開保溫被時為
夜間,蓋上保溫被后為
其中,各能量交換項計算式分別為
表1 模型中材料參數(shù)
2.2.2 作物能量平衡
其中,各能量交換項計算式分別為
2.2.3 作物根區(qū)土壤熱量平衡
其中,各能量交換項計算式分別為
式(18)?(20)中,hfsky,LR為土壤與天空長波輻射系數(shù)(W·m?2·K?1),hdf為土壤熱傳導系數(shù)(W·m?2·K?1),Td為深層土壤溫度(K)。
2.3.1 溫室自然通風量計算
試驗期間當溫室溫度較高時,開啟上通風口進行通風降溫,此時通風量[19?20]的計算式為
溫室通風口處裝有防蟲網(wǎng),防蟲網(wǎng)對通風的阻力系數(shù)為0.4,因此,實際通風量的計算式為
2.3.2 覆蓋層與空氣對流換熱系數(shù)計算
白天,揭開保溫被階段,室內外空氣的熱傳遞以覆蓋層外側與室外空氣的對流換熱為主,對流換熱系數(shù)是與室外風速有關的函數(shù),覆蓋層傳熱系數(shù)計算式可簡化為[21]
夜間,當覆蓋上保溫被以后,保溫被的熱阻較大,則傳熱系數(shù)需綜合考慮覆蓋層與室外空氣的對流換熱與保溫被的熱阻,蓋上保溫被后傳熱系數(shù)計算式為
式中,D為保溫被厚度(m),ablanket為保溫被導熱系數(shù)(W·m?2·K?1)。
溫室內空氣與土壤的對流換熱系數(shù)與兩者溫差有關[3],其計算式為
溫室內空氣與葉片的對流換熱系數(shù)計算式為[3]
式中,ra為葉片氣流阻力系數(shù)(s·m?1),近似取值275。
作物與天空長波輻射換熱系數(shù)[22]計算式為
地面與天空長波輻射換熱系數(shù)[22]計算式為
式中,Ef為地面的發(fā)散系數(shù),取值1,F(xiàn)fsky為地面與天空角系數(shù),計算式為
式中,Kp為作物對長波輻射的發(fā)散系數(shù),取值0.94。
2.3.3 空氣熱力學參數(shù)計算
飽和水蒸氣壓差VPD[16]的計算式為
式(31)?式(33)中,Pv-a表示溫室空氣實際水蒸氣壓(Pa),Pvsat-a表示溫室空氣飽和蒸汽壓(Pa),RH表示空氣相對濕度。
2.3.4 作物蒸騰參數(shù)計算
式中,rs,min為最小葉片氣孔阻力系數(shù)(s·m?1),取值150。
2.3.5 模型求解
將室外空氣溫濕度、室外風速、太陽總輻射、深層土壤溫度作為外界輸入條件,對微分方程組(7)、(8)、(14)和(20)求解。首先將熱平衡微分方程組離散化,得到線性方程組,采用Matlab軟件編譯線性方程組,輸入初始條件和外界環(huán)境參數(shù),給定計算步長,從初始解出發(fā),利用每一時刻的值推算下一時刻的值,逐次迭代,求出室內空氣溫度、作物溫度和作物根區(qū)溫度。
2.4.1 外界環(huán)境參數(shù)
試驗驗證選擇最冷的時段2017年12月30日?2018年1月30日進行,為避免番茄出現(xiàn)凍害,夜間開啟電加熱裝置。為真實反映大跨度保溫型溫室的保溫性能,選擇2017年12月30日?2018年1月2日連續(xù)4d未開啟電加熱裝置的數(shù)據(jù)進行模擬分析。其中12月30日、31日為陰天,1月1日、2日為晴天。圖3為測試期間室外空氣溫濕度變化曲線,圖4為室外太陽輻射和氣流速度變化曲線。
試驗期間為北京一年中最冷月份,2017年12月30日、31日(陰天)室外相對濕度明顯高于2018年1月1日、2日(晴天),陰天夜間2:00?9:00時間段,相對濕度達到90.0%以上。試驗期間室外溫度較低,最低溫達?11.0℃,最高溫也僅有6.0℃,試驗期間室外平均溫度分別為?3.4、?5.9、?3.7和?5.9℃。
2017年12月30?31日室外太陽輻射波動較大,兩天太陽輻射平均值分別為131、133W·m?2。2018年1月1?2日為典型晴天,太陽輻射在12:00?14:00時間段達到較高值,兩個晴天太陽輻射最大值分別為450、420W·m?2,平均值分別為251、235W·m?2。試驗期間4d室外風速平均值分別為0.8、0.9、0.5和0.6m·s?1。
圖3 2017年12月30日?2018年1月2日連續(xù)4d室外空氣溫濕度(10min數(shù)據(jù))
圖4 2017年12月30日?2018年1月2日連續(xù)4d室外太陽輻射和風速(10min數(shù)據(jù))
2.4.2 模擬值與實測值對比
利用室外空氣溫度、濕度、太陽輻射和風速模擬逐10min室內空氣溫度和作物根區(qū)土壤溫度變化過程,與相應實測數(shù)據(jù)進行對比,結果如圖5。由圖5a可見,模型模擬的逐10min氣溫變化過程與實測數(shù)據(jù)分布特點基本一致,均表現(xiàn)為0:00?9:00逐漸降低,9:00?15:00快速升高,15:00?24:00逐漸降低的過程,只是在不同天氣模擬值與實測值擬合程度略有不同。晴天與陰天云量不同,陰天云量多,太陽輻射波動大,室內溫度波動也大。為便于分析模型總體誤差,計算模擬值與實測值的回歸估計標準誤差、相對誤差和決定系數(shù),分別為1.6 ℃、16.4%和0.99(n=576),4d的平均絕對誤差為±1.3℃之內。
作物根區(qū)溫度模擬值與實測值對比如圖5b所示,模型模擬的逐10min根區(qū)土壤溫度變化過程與實測數(shù)據(jù)分布特點基本一致,均表現(xiàn)為1:00?10:00逐漸降低,10:00?16:00快速升高,16:00?次日1:00逐漸降低的過程。土壤的比熱高于空氣,因此,土壤溫度的降低與升高時間節(jié)點均比空氣延遲1h。根區(qū)土壤溫度實測值與模擬值絕對誤差為±0.6℃之內,R2為0.91(n=576),RMSE和RE分別為0.76℃和6.7%。
綜上可知,該模型可根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)模擬大跨度保溫型溫室內空氣溫度和作物根區(qū)土壤溫度,模擬值與實測值差異小。
圖5 溫室內空氣溫度(a)和作物根區(qū)土壤溫度(b)模擬值與實測值的對比
(1)根據(jù)室外環(huán)境參數(shù)、溫室結構和作物生長狀況,應用熱力學、傳熱學和溫室采光理論分析室內外的熱平衡,建立溫室小氣候模擬模型,模擬溫室內空氣溫度和作物根區(qū)土壤溫度。溫室空氣溫度的模擬值與實測值變化趨勢一致,模擬值與實測值RMSE、RE和R2分別為1.6℃、16.4%和0.99,4d的平均絕對誤差為±1.3℃之內。作物根區(qū)土壤溫度4d的實測值和模擬值絕對誤差為±0.6℃之內,R2為0.91,RMSE和RE分別為0.76℃和6.7%。相對于孟力力等[12]的研究,本模型精度更高,誤差小。在實際應用時,獲得室外氣象參數(shù)后即可利用建立的模型預測溫室內溫度變化,從而給溫室結構優(yōu)化和管理提供參考。
(2)該模型充分考慮作物與環(huán)境交互傳熱的影響,尤其在作物對太陽輻射的吸收方面,根據(jù)作物對光譜吸收特性,將透射進溫室的太陽輻射分為光合有效輻射(PAR)、近紅外(NIR)和紫外(UVR)三段主要吸收波,分別考慮植物冠層對PAR、NIR和UVR的吸收率。與傳統(tǒng)建立在溫室裸地(沒有作物)的模型相比[25?26],更能真實反映溫室實際情況,適用范圍更廣。
(3)土壤熱物理參數(shù)是在試驗期間采集的土樣測試獲得。但實際生產(chǎn)管理中是根據(jù)室外環(huán)境條件和作物生長階段,不定期對作物進行營養(yǎng)液澆灌,從而影響土壤熱物理特性,因此,使用所建立的模型對溫室內溫度進行模擬時,需實測土壤熱物理參數(shù),并在模型中做必要的修正。
(4)太陽輻射照射到溫室覆蓋層后一部分被吸收,一部分被反射,一部分被透射,根據(jù)太陽光線與覆蓋層法線的夾角不同,其吸收比、反射比和透射比也不相同,在一天中太陽光線角度在不斷變化,覆蓋層剖面也非單一直線,而是多段弧面,因此,覆蓋層對太陽輻射的透射率是動態(tài)變化的,在本模型中通過給定透射率,反映了覆蓋膜對太陽輻射的影響,但透射率與不同入射角和覆蓋膜與地面的夾角的動態(tài)變化關系未予涉及,下一步將對此作更深一步研究。
本研究中建立的大跨度保溫型溫室熱環(huán)境模擬主要針對北京地區(qū)的大跨度溫室,對其它地區(qū)和棚型的適用性有待進一步驗證。
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Modelling of Thermal Climate in a Large-scale Insulation Solar Greenhouse
FANG Hui, ZHANG Yi, WU Gang, CHENG Rui-feng, ZHOU Bo, YANG Qi-chang
(Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China)
Large-scale insulation solar greenhouse, with wide span, steel frame and built in south-north orientation, was a tunnel type greenhouse. The distance between greenhouses was only 2m and the land utilization efficiency can be increased up to 91%, but it still has the characteristics of energy saving compared with traditional solar greenhouse. A greenhouse climate model was developed in order to predict the inside air temperature and root zone temperature to assess the greenhouse insulation and heat storage ability based on the physical processes of heat conduction, heat convection, solar radiation distribution, sky radiation, crop transpiration and air exchanged by natural ventilation. The model was established with Matlab software to calculate the temperature of the different parts. The variables, include inside air temperature and plant root zone temperature, were also measured during four successive days with time span of 10min. The results showed that the absolute error of the air temperature inside large-scale insulation solar greenhouse was ±1.3℃, the simulated air temperature agreed well with the measured data. The determination coefficient of linear equation (R2) (n=576), root mean squared error (RMSE) and relative prediction error (RE) between simulated and measured air temperature was 0.99, 1.6℃ and 16.4%, respectively. The absolute error of the root zone temperature was ±0.6℃. The determination coefficient of linear equation (R2) (n=576), RMSE and RE between simulated and measured root zone temperature was 0.91, 0.76℃ and 6.7%, respectively. It was concluded that the model was robust and could be used for the optimization of the large-scale insulation solar greenhouse as well as the climate control.
Greenhouse; Model; Thermal climate; Plant transpiration; Solar radiation; Heat conductance
10.3969/j.issn.1000-6362.2019.03.002
方慧,張義,伍綱,等.大跨度保溫型溫室的熱環(huán)境模擬[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2019,40(3):149-158
2018-07-21
。E-mail:yangqichang@caas.cn
國家自然科學基金(51508560)
方慧(1983-),女,助理研究員,研究方向為農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程。E-mail:fanghui@caas.cn