郭 麗,梁俊林,趙永輝,羅 丹,劉 洋*
(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院,成都 61130;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,成都 61130;3.四川合江縣林業(yè)科技推廣站,四川瀘州 646200)
四川省3種鄉(xiāng)土樹種幼苗對干旱脅迫的光合生理響應(yīng)
郭 麗1,梁俊林2,趙永輝3,羅 丹2,劉 洋2*
(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院,成都 61130;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,成都 61130;3.四川合江縣林業(yè)科技推廣站,四川瀘州 646200)
【目的】探討干旱脅迫對3個(gè)鄉(xiāng)土樹種光合生理的影響,為鄉(xiāng)土樹種在干旱區(qū)的造林提供理論依據(jù)。【方法】采用盆栽試驗(yàn),研究3種珍貴鄉(xiāng)土闊葉樹種香樟(Cinnamomum camphora)、紅椿(Toona ciliata)、楨楠(Phoebe zhennan)實(shí)生苗在不同干旱脅迫程度下的光合生理響應(yīng)?!窘Y(jié)果】干旱脅迫下3種鄉(xiāng)土樹種的葉綠素a、葉綠素b、及葉綠素總量顯著降低;干旱脅迫下紅椿和香樟的比葉面積顯著下降,而楨楠的比葉面積沒有明顯變化,3個(gè)樹種的葉片相對含水量顯著減??;隨著干旱脅迫程度增大,3種鄉(xiāng)土樹種的光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)均顯著下降,紅椿和楨楠的胞間CO2濃度(Ci)下降,香樟的胞間CO2濃度(Ci)上升。研究表明,干旱脅迫抑制了鄉(xiāng)土樹種幼苗葉片葉綠素的合成,干旱程度越大,光合作用和蒸騰作用受到抑制的程度越大?!窘Y(jié)論】從3個(gè)樹種幼苗對干旱脅迫響應(yīng)的光合生理特性來看,紅椿對干旱脅迫的響應(yīng)最為敏感,其次是香樟,楨楠是3種鄉(xiāng)土樹種中最耐旱的樹種,適合在較為干旱的地區(qū)造林。
光合生理;干旱脅迫;鄉(xiāng)土樹種;香樟;紅椿;楨楠
我國生態(tài)環(huán)境復(fù)雜,樹種種類繁多,可供各種環(huán)境選擇的樹種資源十分豐富,但是鄉(xiāng)土樹種能夠在其當(dāng)?shù)乜焖傩纬煞€(wěn)定的植物群落,而不需要較長的適應(yīng)期[1],它在森林生態(tài)環(huán)境建設(shè)、水土保持、豐富物種多樣性、改善農(nóng)村生態(tài)等方面起著非常重要的作用。鄉(xiāng)土植物資源具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值。香樟(Cinnamomum camphora(L.))、紅椿(Toona ciliata Roem)、楨楠(Phoebe zhennan)屬于四川的鄉(xiāng)土樹種,在各方面都具有很大的價(jià)值。香樟(Cinnamomum camphora(L.))主要分布在我國長江流域及其以南地區(qū),枝葉繁茂、冠大蔭濃,能起到涵養(yǎng)水源、防沙固土、吸煙滯塵和美化環(huán)境的作用,是城市綠化的優(yōu)良樹種,并且在工藝、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著重要的作用[2-3];紅椿,漸危種[4],是國家Ⅱ級重點(diǎn)保護(hù)野生植物,有“中國桃花心木”之稱。楨楠為樟科常綠大喬木,是國家Ⅱ級重點(diǎn)保護(hù)樹種,樹干高大、通直、挺拔,材質(zhì)堅(jiān)硬,致密,紋理美觀。
加強(qiáng)四川鄉(xiāng)土樹種的保護(hù)和培育,對于四川低山丘陵區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要作用。近幾年來全國氣候異常,對植物的生長已經(jīng)有了不利影響,其中四川省自2006年夏季(6—8月)持續(xù)高溫少雨,夏季平均降水量為345.9 mm,只有常年同期的67%,為1951年以來歷史同期最小值。局部地區(qū)時(shí)常出現(xiàn)干旱,例如漢源縣從2012年10月31日起連續(xù)一個(gè)冬季無雨,石棉縣在同一時(shí)段僅有1.0 mm的降水,且四川大部分地區(qū)屬亞洲季風(fēng)區(qū),干旱災(zāi)害具有普遍性、區(qū)域性、季節(jié)性和持續(xù)性的特點(diǎn),旱災(zāi)十分嚴(yán)重。由此可見,提高這些四川鄉(xiāng)土樹種幼苗抗干旱脅迫的能力顯得尤為必要。
光合生理是植物獲取能量的主要方式[5]。在生長發(fā)育過程中,植物總會(huì)不斷調(diào)整自身的光合作用強(qiáng)度來適應(yīng)環(huán)境變化。在土壤水分脅迫條件下,植物會(huì)通過調(diào)整光合作用強(qiáng)度將逆境傷害降低到最小來適應(yīng)環(huán)境脅迫。因此,本文對不同干旱脅迫狀況下楨楠、香樟、紅椿的光合生理適應(yīng)性進(jìn)行探討,為四川各地區(qū)鄉(xiāng)土樹種的適地適樹、山地造林和森林撫育提供理論依據(jù)[6]。
試驗(yàn)區(qū)位于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院教學(xué)實(shí)習(xí)林場內(nèi)(N290°58′,E 102°59′)。該地區(qū)海拔 600~605 m,坡度0.5°~3°,屬中緯度內(nèi)陸亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),氣候溫和,無酷暑嚴(yán)寒,雨量充沛,日照偏少,濕度較大。日均溫16.1℃,全年以1月最冷,月均氣溫為6.1℃,極端最高溫為37.7℃,極端最低溫為-1℃,7月最熱,月均溫25.3℃;多年來,年均日照時(shí)數(shù)為1000 h左右,日照率為23%;年均降水量1700 mm左右,年均濕度為79%,年均無霜期為298 d,多年平均大于10℃積溫為5231.0℃,為亞熱帶濕潤氣候。土壤為中壤質(zhì)和重壤質(zhì)酸性、微酸性紫色土和黃壤。
在雅安市雨城區(qū)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林場用S型5點(diǎn)采樣法采集0~20 cm層酸性或微酸性紫色土,經(jīng)自然風(fēng)干、磨碎、過5 mm篩、混勻,測定土壤背景值,土壤堆積50d后用四分法上盆(盆的上口徑為37 cm,下口徑25 cm,高27 cm,試驗(yàn)前用0.1%KMnO4溶液對盆進(jìn)行消毒滅菌處理,后用清水洗凈),每盆裝干土 15 kg,再施入 7 g混合肥(N∶P∶K=3∶1∶1)作基肥保證土壤養(yǎng)分供應(yīng),同時(shí)放上盆墊,每盆種一株樹種幼苗,共計(jì)84盆(3(樹種數(shù))×4(處理數(shù))×7(重復(fù)數(shù)))。
由四川省林科院提供統(tǒng)一栽培條件下健康均勻的香樟(Cinnamomum camphora(L.)、紅椿(Toona ciliata)、楨楠(Phoebe zhennan)的一年生實(shí)生苗樹種各30株(株高約60cm、地徑約8cm)供試植物。
3月在紅椿、香樟、楨楠幼苗萌動(dòng)前,選取長勢一致且健康的種苗上盆。之后,對所有供試植株進(jìn)行統(tǒng)一澆水、除草、防蟲、防病等管理。待植株成活后進(jìn)行水分梯度實(shí)驗(yàn),采用稱重法控制土壤相對含水量[7-8],分為 4 種不同的水分梯度處理[9-10,15]:正常水分處理(T0:75%~80%相對含水量)、輕度干旱(T1:60%~65%相對含水量)、中度干旱(T2:45%~50%相對含水量)、極端干旱(T3:15%~20%相對含水量)。水分梯度實(shí)驗(yàn)處理連續(xù)一個(gè)生長季后,測定葉片形態(tài)指標(biāo)、葉綠素含量和光合生理指標(biāo)。
采用美國LI-COR公司生產(chǎn)的光合作用測定系統(tǒng)測定3種幼樹的凈光合作用速率(μmol CO2/(m2·s))、氣孔導(dǎo)度(mol H2O/(m2·s))、蒸騰速率(mmol H2O/(m2·s))、胞間 CO2濃度(μmolCO2/mol)。從 8:00 開始測定至18:00,每隔1 h測定1次,全天共10次。測定時(shí)選取植株中上部向陽枝條的功能葉,每次可測定3~5片葉,每葉重復(fù)測定10次,取其平均值。
當(dāng)年9月中旬當(dāng)植物達(dá)到最大生物量時(shí)測定葉片數(shù)、葉面積、葉片質(zhì)量、比葉面積SLA、葉片含水率。在每個(gè)植株上選擇3片完全伸展、無病蟲害的葉子,用剪刀剪下,置于兩片濕潤的濾紙之間,放入塑料口袋后內(nèi)封,然后儲(chǔ)藏于黑暗的容器內(nèi)(底部有冰袋,內(nèi)部溫度小于5℃)。回到室內(nèi),在水下剪去葉片的葉柄,然后將葉片放入水中。在5℃的黑暗環(huán)境中儲(chǔ)存12 h。取出后迅速用吸水紙粘去葉片表面的水分,在百萬分之一的電子天平稱重(飽和鮮重)。然后測量葉片的葉面積(大葉片用L1-3100葉面儀測定;小葉面用CIAS2.0圖像測試系統(tǒng)測定;對于特別窄或圓柱形葉片,采用葉面積等于總截面積的1/2),最后將葉片放入60℃烘箱內(nèi),烘干48 h后取出稱重(干重)。
植株的比葉面積(SLA)和葉片相對含水率(LRWC)分別用下式計(jì)算:比葉面積(SLA)=葉片面積(cm2)/葉片干重(g)葉片相對含水率(LRWC)=葉片含水量(g)/葉片飽和鮮重(g)
采集無病蟲害、無機(jī)械損傷的葉片(采集后馬上放入密封袋中帶回),洗凈擦干后,剪成1~2 mm細(xì)絲,混勻。稱取0.2 g鮮葉樣品(準(zhǔn)確到0.0001 g),放入三角瓶中,加入20 mL丙酮提取液(丙酮與無水乙醇等體積混合),搖晃使細(xì)絲完全浸泡于提取液中,并用保鮮膜封口,放置黑暗處過夜。24 h后待三角瓶內(nèi)細(xì)絲完全變白,用721型分光光度計(jì)測定646 nm和663 nm的光密度值D646和D663,用3個(gè)重復(fù)的均值代入下式即可求出葉綠素含量。
葉綠體色素含量(mg/g)=C×V×A÷W
式中:C為色素的濃度(mg/L);V為提取液的體積(mL);A 為稀釋倍數(shù)(25);W為樣品鮮重(g)。
用EXCEL圖表處理軟件統(tǒng)計(jì)制圖表,用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)判斷干旱脅迫處理對各指標(biāo)的影響,采用最小顯著差異法(LSD)比較不同處理之間數(shù)據(jù)的差異。
由圖1可知,干旱脅迫對紅椿、楨楠、香樟葉的chla、chlb、chl(a+b)的單位含量影響均顯著(P<0.05),3種鄉(xiāng)土樹種的chla、chlb、chla+b濃度變化趨勢相似,葉綠素濃度隨著干旱脅迫梯度的增加顯著降低,香樟表現(xiàn)的最明顯,T3重度干旱脅迫下,chla、chlb、chl(a+b)濃度最低。
由表1可知,紅椿、香樟、楨楠3種鄉(xiāng)土樹種平均葉面積在各脅迫梯度處理組間(T0、T1、T2、T3)均差異不顯著性(P>0.05),但是比葉面積(SLA)則各樹種不同。干旱脅迫對紅椿和香樟的比葉面積有顯著影響(P<0.05),對楨楠的比葉面積沒有顯著影響。隨著脅迫梯度的增加,紅椿比葉面積相對于對照組分別降低27.7%、34.8%、46.0%,香樟比葉面積在T2和T3脅迫梯度下下降了39.7%和62.3%。干旱脅迫對紅椿、香樟、楨楠的葉片含水率影響顯著(P<0.05),葉片含水率隨著脅迫程度增大而降低,其中紅椿葉片的降低幅度最大。
通過對3種鄉(xiāng)土樹種香樟、楨楠、紅椿幼樹凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)生理指標(biāo)的測定(表2),發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對這3個(gè)樹種的光合生理指標(biāo)影響均顯著(P<0.05),凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)均呈現(xiàn)隨著脅迫程度增加而下降的趨勢,特別是在T3脅迫下,降低最明顯。胞間CO2濃度(Ci)的方差分析結(jié)果顯示,紅椿和楨楠葉片Ci隨干旱程度增加呈現(xiàn)降低趨勢,而香樟葉片Ci呈現(xiàn)升高趨勢(P<0.05)。
圖1 干旱脅迫梯度下3種鄉(xiāng)土樹種葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)的濃度Figure1 The concentrations of chlorophyll a,chlorophyll b,chlorophyll(a+b)of three native tree species under drought stress gradients
通常植物在缺少水分的情況下,葉綠素的生物合成會(huì)在一定程度上受到抑制,嚴(yán)重缺少水分時(shí),原有的葉綠素還會(huì)被加速分解,所以植物在遭受干旱時(shí),葉片呈黃褐色,從而影響植物的生長,其中以葉綠素a最為重要[11]。研究表明,植物體內(nèi)的葉綠素是不斷代謝更新的,與作物光合作用及產(chǎn)量關(guān)系密切,這可用Agastian等[12]的研究來解釋,逆境條件下,植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧,破壞葉綠體的結(jié)構(gòu),葉綠素的合成場所受到破壞,導(dǎo)致葉綠素的合成量降低[12]。大部分的研究結(jié)果表明[13-16],隨著干旱脅迫時(shí)間的延長和程度的加重,植物葉綠素的合成受阻,降解加快,導(dǎo)致其含量迅速下降,嚴(yán)重缺水時(shí)出現(xiàn)葉綠體變形和片層結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。在研究中,干旱脅迫對紅椿、楨楠、香樟的光合作用葉綠素濃度指標(biāo)有顯著性影響,隨脅迫梯度增加葉綠素濃度相應(yīng)地降低,與上述結(jié)論基本一致;而與周朝彬等[17]對胡楊的相關(guān)研究結(jié)果不同,其研究表明,胡楊體內(nèi)的葉綠素含量在干旱脅迫的環(huán)境下,變化不大,得出這種結(jié)論是因?yàn)楹鷹钅軌蜷L期適應(yīng)于極端干旱的大陸氣候,是非常耐旱的樹種。因此,干旱脅迫對葉綠素的影響還與樹種特性有關(guān)。
表1 干旱脅迫對3種鄉(xiāng)土樹種的生理指標(biāo)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table1 Drought stress impact on the physiological indexes of three native tree species(mean±standard deviation)
表2 干旱脅迫對3種鄉(xiāng)土樹種的光合指標(biāo)的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table2 Drought stress impact on the photosynthetic indicators of three native tree species(mean±standard deviation)
葉片性狀由植物的遺傳特性所決定,故樹種葉片性狀常被認(rèn)為是相對穩(wěn)定[18]。根據(jù)姚覺等[19]研究表明:不同樹種的葉片特征與光合性能存在十分明顯的差異,即不同樹種葉片對同一環(huán)境的適應(yīng)能力大小不一。黎祜琛等[20]研究表明,抗旱性強(qiáng)的植物,為了適應(yīng)環(huán)境,會(huì)儲(chǔ)存生命所需要的水分,所以它們一般具有較厚的葉片、發(fā)達(dá)的柵欄組織、高比值的柵欄組織與海綿組織。植物的蒸騰作用會(huì)失去植物吸收水分中的絕大部分,所以僅能儲(chǔ)存水是不夠的,還要減少水分的蒸發(fā),因此它們的葉片一般角質(zhì)層及上皮層厚、氣孔下陷、表皮毛發(fā)達(dá)。孟慶杰等[21]研究表明,葉厚、氣孔分布密度高,抗旱性強(qiáng);上表皮細(xì)胞大小,也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,即抗旱性強(qiáng)的桃(Prunus persica)品種,其細(xì)胞小于抗旱性弱的品種。在干旱脅迫下,樹木葉量下降、葉面積縮小,劉淑明等[22]將刺槐(Robinia pseudoacacia)的根際進(jìn)行包埋干旱處理,研究發(fā)現(xiàn),刺槐的葉量在中度水分脅迫1年后,為對照的79.13%,干旱脅迫2年后為對照的24.12%。與本實(shí)驗(yàn)中紅椿和香樟隨著干旱脅迫梯度增加其比葉面積呈下降趨勢的情況一致,所以減小比葉面積是植物遇到干旱環(huán)境的一種生存策略,這種明顯地脅迫響應(yīng)是其耐旱性差的體現(xiàn),而楨楠的比葉面積則變化不明顯,據(jù)此可得出抗旱性大小為楨楠>香樟>紅椿。
植物的光合作用、蒸騰作用和水分利用效率等均與植物的水分狀況密切相關(guān)[21]。同時(shí)葉片相對含水量(LRWC)也是反映植物抗旱性強(qiáng)弱的一項(xiàng)重要指標(biāo),LRWC越大,則抗旱性越強(qiáng)。蒲光蘭等[23]試驗(yàn)表明杏(Prunus armeniaca)在水分脅迫初期,LRWC下降較緩;脅迫至末期下降速率開始加快,隨脅迫增加,凈光合速率出現(xiàn)負(fù)值,不再積累光合產(chǎn)物,反而呈消耗代謝,生長停滯。任麗花等[24]通過研究土壤干旱脅迫對其葉片水分狀況和光合特性的影響來判斷圓葉決明(Chamaecrista rotundif olia)的2個(gè)品系的抗旱性,隨著土壤干旱脅迫梯度的增加,圓葉決明葉片相對含水量、葉片失水率、凈光合速率以及葉綠素含量均呈下降趨勢,并且耐旱性較強(qiáng)的品系有較高的葉片相對含水量、葉綠素含量和凈光合速率。本研究結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn),紅椿葉相對含水量受干旱脅迫程度增加下降的最快,其次是香樟,楨楠最慢。
水分脅迫導(dǎo)致葉綠體光合機(jī)構(gòu)的破壞[25],PSⅡ放氧復(fù)合物的損傷,PSⅡ捕光色素蛋白復(fù)合物(LHCⅡa、LHCⅡb、LHCⅡc)各組成成分的變化,引起CO2光合同化效率的降低等[26]。干旱脅迫直接影響了光合作用的電子傳遞和CO2同化過程;干旱脅迫時(shí),為了減少蒸騰失水,植物會(huì)減小氣孔開度,同時(shí)CO2吸收量減少,降低光合速率,能量供應(yīng)減少,使得光合產(chǎn)物輸出變慢,導(dǎo)致葉片中淀粉水解加強(qiáng),糖類積累,反過來又抑制了光合作用[27-29]。氣孔導(dǎo)度(Gs)是指植物氣孔傳導(dǎo)CO2和水蒸氣的能力,是葉片氣孔開閉程度的量化指標(biāo),其日變化與蒸騰速率日變化關(guān)系密切[30]。隨著脅迫梯度地增加,氣孔阻力會(huì)增加,從而進(jìn)入胞間隙CO2的濃度會(huì)減小[31],但是植物在氣孔受阻時(shí)可以通過非氣孔調(diào)節(jié)胞間CO2的進(jìn)入,通常認(rèn)為水分脅迫對光合作用的影響包括氣孔限制與非氣孔限制兩個(gè)方面。
綜上所述,干旱脅迫不同程度地降低了香樟、楨楠、紅椿3種珍貴鄉(xiāng)土闊葉樹種幼苗葉綠素含量、比葉面積、葉片含水率等生理指標(biāo),以及光合作用速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率等光合指標(biāo)。3種鄉(xiāng)土樹種幼苗均明顯地通過調(diào)整光合機(jī)制、組織結(jié)構(gòu)、同化路徑等來適應(yīng)干旱脅迫環(huán)境。由于樹種的最適水分環(huán)境不同,導(dǎo)致樹種對各脅迫梯度的敏感程度不同。根據(jù)在干旱脅迫下,光合特性較早出現(xiàn)大幅度降低的幼苗,干旱適應(yīng)性可能較差,而比葉面積減小,適應(yīng)干旱能力強(qiáng)等研究結(jié)論[6],3個(gè)鄉(xiāng)土樹種比較,紅椿幼苗是對干旱脅迫響應(yīng)最明顯的樹種,也是最不抗旱的樹種,楨楠幼苗是最能忍受干旱脅迫的,香樟介于兩者之間;故可以初步判斷同一地區(qū)的這3種鄉(xiāng)土樹種有不同的抗旱能力,可為鄉(xiāng)土樹種適地適樹栽培和科學(xué)經(jīng)營提供參考。
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Photosynthetic Physiological Response to Drought Stress of Three Native Tree Species Seedlings in Sichuan
GUOLi1,LIANGJun-lin2,ZHAOYong-hui3,LUODan2,LIUYang2*
(1.College of Landscape Architecture,Chengdu 611130,China;2.College of Forestry,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China;3.The Forestry Science and Technology Extending Stations of Hejiang,Luzhou 646200,Sichuan,China)
【Objective】The aim of the study was to investigate the ecological adaptability of three local tree seedlings to drought stress and to provide a theoretical reference for the afforestation in arid areas.【Method】A pot-culture experiment was conducted to explore the effects of drought stress on photosyntheticcharacteristicsandchlorophyllcontentsofthreelocaltreeseedlings(Cinnamomumcamphora,Phoebe zhennan,ToonaciliataRoem).【Result】Drought stress significantly decreased chlorophyll a,chlorophyll b and total chlorophyll concentration of three native tree species.Specific leaf area of T.ciliata and C.camphora was decreased significantly,however,drought stress had no significant effect on specific leaf area of P.zhennan.Relative leaf water content of the three tree seedlings was decreased by drought.Photosynthetic rate(Pn),stomatal conductance(Gs),transpiration rate(Tr)of all tree species declined with increasing drought stress.Intercellular CO2concentration(Ci)decreased with drought stress in T.ciliata and P.zhennan,but the opposite was true in C.camphora.Such results indicate drought stress could severely impair chlorophyll synthesis and photosynthesis.The greater the drought stress magnitude,the larger in-h(huán)ibition effect on photosynthesis and transpiration.【Conclusion】According to photosynthetic parameters,T.ciliata is sensitive to drought stress,followed by C.camphora.P.zhennan is the most drought-tolerant tree species and suitable for reforestation in relatively arid regions.
photosynthetic physiology;drought stress;native tree species;Cinnamomum camphora;Toona ciliata;Phoebe zhennan
Q945;S781.83;S792.23;S792.24
A
1000-2650(2017)04-0516-07
10.16036/j.issn.1000-2650.2017.04.009
2017-04-26
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370628);國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0505003)。
郭麗,博士。*責(zé)任作者:劉洋,博士,副研究員,主要從事森林生態(tài)學(xué)研究,E-mail:sicauliuyang@163.com。
(本文審稿:阮少寧;責(zé)任編輯:鞏艷紅;英文編輯:徐振鋒)