高帥帥，王火焰，周健民，趙信林，劉曉偉，陳照明

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土壤水分對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放特性的影響①

高帥帥1,2，王火焰1*，周健民1，趙信林1,2，劉曉偉1,2，陳照明1,2

(1 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

試驗(yàn)采用土壤培養(yǎng)的方法，以釋放期分別為60 d(肥料A)和90 d(肥料B)的兩種肥料作為供試肥料，研究了土壤絕對(duì)含水量、干濕交替、相對(duì)含水量和水勢(shì)因素對(duì)3種土壤中包膜尿素養(yǎng)分釋放特性的影響。結(jié)果表明：在3種土壤中，土壤絕對(duì)含水量從50 g/kg增到200 g/kg時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率均隨土壤水分含量的增加而顯著增加，此時(shí)水分因素是控制包膜尿素養(yǎng)分釋放的主要因素。在干濕交替條件下，兩種供試肥料間釋放率的差異變大，其中肥料B在潮土中釋放速率較其他兩種土壤中下降更多。當(dāng)相對(duì)含水量在0% ~ 50% 田間持水量范圍內(nèi)，或水勢(shì)在60 ~ 100 kPa范圍內(nèi)時(shí)，供試肥料在紅壤中的釋放顯著低于潮土和水稻土，這與紅壤中黏粒含量高有關(guān)；當(dāng)相對(duì)含水量大于100% 田間持水量時(shí)，或水勢(shì)低于60 kPa時(shí)，土壤水分和土壤類型對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放的影響基本不再顯著。常用的Sugihara方程可以較好地?cái)M合包膜尿素在試驗(yàn)設(shè)定水分條件下的養(yǎng)分釋放特性，相關(guān)系數(shù)> 0.95。3種不同土壤水分參數(shù)均可以用來預(yù)測(cè)包膜尿素的釋放率和釋放期，其中水勢(shì)()與包膜尿素釋放期()的擬合效果最好，關(guān)系式為=64.79e0.0066x，=0.91。

養(yǎng)分釋放；包膜尿素；水分；干濕交替；擬合

氮是植物生命活動(dòng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，它在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的作用是不可替代的。目前我國(guó)化肥的利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家[1-2]，過多的氮肥投入，不僅造成大量資源和能源的浪費(fèi)[3-4]，還帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題[5-6]，威脅我國(guó)糧食生產(chǎn)安全。緩控釋肥能夠節(jié)氮減排[7]，降低氮素?fù)p失[8-13]，為解決這一難題提出了可實(shí)現(xiàn)思路和途徑，也是今后化學(xué)肥料的發(fā)展方向之一[14]。

影響包膜尿素養(yǎng)分在土壤中釋放的因素很多，例如pH[15]、土壤水分[16]、土壤微生物[17]、土壤溫度[18]、土體構(gòu)型[19]和土壤類型[20]等，土壤水分是其中的一個(gè)重要影響因素。關(guān)于水分因素對(duì)包膜尿素在土壤中養(yǎng)分釋放特性影響的研究，前人已做過一些研究[21-28]。毋永龍等[21]的研究結(jié)果顯示，土壤含水量為田間持水量的35% ~ 100% 時(shí)，對(duì)3種復(fù)合改性礦物包膜尿素的氮素釋放無顯著性差異。施衛(wèi)省等[22]以水冬瓜果油為包膜材料，用云南紅壤研究了200 ~ 350 g/kg土壤含水量對(duì)包膜肥料釋放特性的影響，認(rèn)為初始含水量越高，水冬瓜包膜尿素養(yǎng)分累計(jì)溶出率增加越快。肖劍等[23]認(rèn)為當(dāng)土壤含水量為23 g/kg (相當(dāng)田間持水量的7.7%)，即土壤水勢(shì)在100 MPa以上時(shí)，包膜型控釋肥料的養(yǎng)分完全不能釋放。雖然研究包膜尿素釋放特點(diǎn)的資料很多，但由于各研究采用的肥料種類、土壤類型、土壤含水量不同，結(jié)論也不盡相同。當(dāng)前，樹脂包膜尿素應(yīng)用廣泛，因此，本試驗(yàn)以樹脂包衣的包膜尿素為材料，擬合模型，進(jìn)一步研究土壤水分對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放特性的影響。此外，土壤含水量不是恒定不變的，它隨環(huán)境變化而變化，干濕交替對(duì)包膜尿素在土壤中養(yǎng)分釋放影響的研究并不多見，因此，本試驗(yàn)也對(duì)干濕交替條件下包膜尿素養(yǎng)分的釋放特性進(jìn)行了初步研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)供試肥料為無錫市惠山區(qū)玉祁工業(yè)園區(qū)保利化肥有限公司和金正大肥料公司提供的兩種樹脂包膜肥料，分別記做肥料A、肥料B，其釋放期分別為60、90 d，尿素含量分別為960、990 g/kg。

本試驗(yàn)采用3種土壤做培養(yǎng)試驗(yàn)，分別為鷹潭紅壤、封丘潮土、荊門水稻土，其基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 土壤培養(yǎng)方法 恒定土壤水分培養(yǎng)：稱取包膜尿素約 2 g，與100 g 風(fēng)干土均勻混合后，放入底部口徑6.5 cm、高6 cm、上口徑8.5 cm的容器中，加入一定量蒸餾水，調(diào)節(jié)土壤絕對(duì)含水量為50、100、200、300、400 g/kg，然后置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。分別在第 7、14、28、56、84天取樣。

干濕交替培養(yǎng)：稱取包膜尿素約 2 g，與100 g 風(fēng)干土均勻混合后，放入底部口徑6.5 cm、高6 cm、上口徑8.5 cm的容器中；采用稱重法加入一定量蒸餾水，調(diào)節(jié)鷹潭紅壤、封丘潮土和荊門水稻土初始含水量為100% 田間持水量，其對(duì)應(yīng)的絕對(duì)含水量分別為250、280、520 g/kg；然后，將土壤置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中敞口培養(yǎng)。每隔6 d加水至原始重量，一個(gè)干濕交替周期為6 d (第1、3、5天3種土壤平均含水量分別為140、40、30 g/kg)，干濕交替9次，每處理4個(gè)重復(fù)，第56天取樣。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法 田間持水量采用國(guó)際環(huán)刀法測(cè)定；水勢(shì)的測(cè)定采用張力計(jì)法測(cè)定；尿素的釋放速量通過尿素培養(yǎng)前后的質(zhì)量差計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 養(yǎng)分釋放計(jì)算方法 養(yǎng)分釋放率=(肥料原重-肥料培養(yǎng)后烘干重量)/(肥料原重×尿素含量)× 100%；初期養(yǎng)分釋放率= 24 h溶出的尿素量/肥料中尿素總量×100%；累積養(yǎng)分釋放率=尿素的累積溶出量/肥料中尿素總量×100%；微分釋放率=((天溶出的尿素量/肥料中的尿素總量)-初期養(yǎng)分釋放率)/ (-1) ×100%。

1.3.2 水分參數(shù)計(jì)算方法 土壤絕對(duì)含水量(g/kg)= (原土重-烘干土重)/烘干土重×1 000；土壤相對(duì)含水量=土壤含水量/田間持水量×100%。

1.3.3 模型擬合方法 隨著時(shí)間的推移，包膜尿素在土壤中的微分溶出率基本呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，因此可采用Sugihara方程[29]=0(1-e–kt)進(jìn)行擬合。式中：為時(shí)間的釋放率(%)；0為最大釋放率(%)；k為釋放速率常數(shù)(d–1)；為釋放期(d)。在方程的擬合中，假定0為100%，然后利用實(shí)際測(cè)得的釋放率求出各方程對(duì)應(yīng)的k值，取其平均值即為包膜尿素在該方程中的釋放速率常數(shù)。因?yàn)榘つ蛩仞B(yǎng)分釋放率達(dá)到80% 時(shí)所需時(shí)間即為釋放期，所以將=80% 代入方程，利用求得的釋放速率常數(shù)，可求出釋放期。

1.3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 采用SPSS 22.0 和Excel 2013進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并用Duncan法檢驗(yàn)<0.05水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 絕對(duì)含水量及干濕交替對(duì)兩種包膜尿素在土壤中釋放的影響

不同絕對(duì)含水量和干濕交替處理對(duì)兩種包膜尿素在3種土壤中培養(yǎng)56 d釋放率的影響如圖1所示。

在紅壤中，對(duì)于肥料A，土壤絕對(duì)含水量從50 g/kg增加到300 g/kg時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率隨土壤含水量的增加而顯著增加，絕對(duì)含水量為400 g/kg時(shí)的養(yǎng)分釋放率最高；干濕交替條件下的養(yǎng)分釋放率接近絕對(duì)含水量為200 g/kg時(shí)的養(yǎng)分釋放率。對(duì)于肥料B，土壤絕對(duì)含水量從50 g/kg增加到200 g/kg時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率隨土壤含水量的增加而顯著增加；土壤絕對(duì)含水量為400 g/kg時(shí)，養(yǎng)分釋放率最大，并與其他處理差異顯著；干濕交替條件下的養(yǎng)分釋放率接近絕對(duì)含水量為100 g/kg時(shí)的養(yǎng)分釋放率。

在潮土中，對(duì)于肥料A，土壤絕對(duì)含水量從50 g/kg增加到400 g/kg時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率隨土壤含水量的增加而增加，絕對(duì)含水量為400 g/kg時(shí)的養(yǎng)分釋放率最高；干濕交替條件下的養(yǎng)分釋放率接近絕對(duì)含水量為100 ~ 200 g/kg的養(yǎng)分釋放率。對(duì)于肥料B，土壤絕對(duì)含水量從50 g/kg增加到200 g/kg時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率隨土壤含水量的增加而顯著增加，土壤絕對(duì)含水量為400 g/kg時(shí)養(yǎng)分釋放率最大；干濕交替條件下的養(yǎng)分釋放率與其他處理差異顯著，比絕對(duì)含水量為50 g/kg時(shí)的養(yǎng)分釋放率還要低31%。

在水稻土中，對(duì)于肥料A，土壤絕對(duì)含水量從50 g/kg增加到200 g/kg時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率隨土壤含水量的增加而顯著增加，絕對(duì)含水量為400 g/kg時(shí)的養(yǎng)分釋放率最高；干濕交替條件下的養(yǎng)分釋放率接近絕對(duì)含水量為100 g/kg時(shí)的養(yǎng)分釋放率。對(duì)于肥料B，土壤絕對(duì)含水量從50 g/kg增加到200 g/kg時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率隨土壤含水量的增加而顯著增加，土壤絕對(duì)含水量為400 g/kg時(shí)養(yǎng)分釋放率最大，并與其他處理差異顯著；干濕交替條件下的養(yǎng)分釋放率接近絕對(duì)含水量為100 g/kg時(shí)的養(yǎng)分釋放率。

(圖中不同小寫字母代表處理間養(yǎng)分釋放率在P < 0.05水平差異顯著)

2.2 絕對(duì)含水量、相對(duì)含水量、水勢(shì)與包膜尿素養(yǎng)分釋放率的關(guān)系

以肥料A第56天釋放結(jié)果為例，在3種土壤中研究絕對(duì)含水量、相對(duì)含水量、水勢(shì)與包膜尿素在土壤中養(yǎng)分釋放率的關(guān)系。從圖2可以看出，當(dāng)相對(duì)含水量在0% ~ 50% 田間持水量范圍內(nèi)，肥料A在紅壤中的釋放顯著低于潮土和水稻土；當(dāng)相對(duì)含水量大于18% 后，在潮土、水稻土中，包膜尿素養(yǎng)分釋放率均隨含水量的增加緩慢增加，二者的釋放曲線接近重合；當(dāng)相對(duì)含水量大于100% 后，3種土壤的釋放曲線接近重合。當(dāng)水勢(shì)在0 ~ 60 kPa時(shí)，3種土壤的釋放曲線接近重合；當(dāng)水勢(shì)在60 ~ 100 kPa范圍內(nèi)時(shí)，肥料A在紅壤中的釋放顯著低于潮土和水稻土。絕對(duì)含水量與包膜尿素在土壤中的養(yǎng)分釋放率無明顯規(guī)律。

參照?qǐng)D2，將供試3種土壤的所有水分處理劃分成絕對(duì)含水量、相對(duì)含水量和水勢(shì)3組，求出不同含水量指標(biāo)與包膜尿素養(yǎng)分釋放率的關(guān)系，如表2所示。

由表2可知，在3種土壤中，絕對(duì)含水量對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)小于相對(duì)含水量對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，相對(duì)含水量對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)小于水勢(shì)對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，3種水分參數(shù)與釋放率的關(guān)系式分別為：=3×10–63– 0.00262+ 0.6845+ 14.94，=17.002ln() – 0.3001，=–0.00023+ 0.01952– 0.75+ 80.04。

2.3 Sugihara方程對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放率的擬合

以肥料A為例，從表3可以看出該肥料在紅壤、潮土和水稻土中的微分溶出率基本呈現(xiàn)遞減的規(guī)律。此外，在絕對(duì)含水量低于400 g/kg時(shí)，肥料在潮土中的微分釋放率要比紅壤和水稻土中都要高。

采用Sugihara方程=0(1–e–kt) 對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放率進(jìn)行擬合，計(jì)算出養(yǎng)分釋放速率常數(shù)k，然后利用公式計(jì)算當(dāng)= 80%時(shí)肥料的釋放期，結(jié)果如表4所示。從表4可看出，方程的相關(guān)系數(shù)＞0.95，擬合方程較接近實(shí)際釋放特性。本研究每種土壤有5個(gè)不同水分處理，將這3種土壤共15個(gè)處理分成絕對(duì)含水量、相對(duì)含水量和水勢(shì)3組，根據(jù)表4求出不同水分指標(biāo)與釋放期的關(guān)系如表5。

從表5可知，絕對(duì)含水量對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)小于相對(duì)含水量對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，相對(duì)含水量對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)小于水勢(shì)對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，3種水分參數(shù)與釋放期的關(guān)系式分別為：=115.7e–0.001，=269.1–0.295，= 64.79e0.0066。

圖2 3種土壤中不同水分參數(shù)下包膜尿素養(yǎng)分釋放

表2 水分參數(shù)與包膜尿素養(yǎng)分釋放率的關(guān)系

注：其中是水分指標(biāo)，為釋放率(%)。

表3 包膜尿素的微分釋放率

注：同行不同小寫字母表示不同時(shí)間包膜尿素養(yǎng)分微分釋放率之間存在顯著差異(< 0.05)。

表4 Sugihara方程對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放率的擬合參數(shù)

表5 3種水分參數(shù)與包膜尿素釋放期的關(guān)系

注：其中是水分指標(biāo)，為釋放期(d)。

3 討論

在本研究條件下，3種土壤中，土壤絕對(duì)含水量從50 g/kg增加到400 g/kg時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率均隨土壤含水量的增加而增加，其中土壤絕對(duì)含水量從50 g/kg增到200 g/kg時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率基本均隨土壤含水量的增加而顯著增加，這與施衛(wèi)省等[22]的結(jié)果較一致。此時(shí)水分因素對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放的影響掩蓋了土壤類型因素和肥料種類因素對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放的影響，是控制包膜尿素養(yǎng)分釋放的主要因素。土壤絕對(duì)含水量從200 g/kg增加到400 g/kg時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率因土壤類型和肥料種類而異，此時(shí)水分因素對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放的影響不能掩蓋土壤類型因素和肥料種類因素對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放的影響，而是與土壤類型因素、肥料種類因素共同作用。

3種土壤中，土壤絕對(duì)含水量從50 g/kg增加到400 g/kg時(shí)，肥料A的養(yǎng)分釋放率均明顯高于肥料B，這與毋永龍等[21]的結(jié)果不一致，可能因?yàn)楣┰嚪柿系陌げ牧喜煌木壒省?/p>

在干濕交替條件下兩種肥料釋放率的差異變大，肥料B在潮土中的釋放率與其他兩種土壤的差異也變大，這可能由于肥料A釋放期短，水分更容易進(jìn)入的緣故。肖慶禮等[30]研究結(jié)果表明，黏土夾層不僅對(duì)水分入滲起到顯著的阻礙作用，而且具有較強(qiáng)的持水保水能力。本研究中綜合兩種肥料，從整體來看，干濕交替條件下潮土養(yǎng)分釋放率小于紅壤小于水稻土，這正是由于潮土是砂質(zhì)土，粉粒和黏粒含量少，保水性差，在干濕交替過程中失去的水分最快，同樣培養(yǎng)周期中，土壤干燥程度相對(duì)其他兩種土壤較強(qiáng)，因而釋放率最低。

對(duì)于肥料A,當(dāng)相對(duì)含水量大于18% 時(shí)，在潮土和水稻土中，土壤類型對(duì)包膜尿素養(yǎng)分的釋放基本上沒有影響。在3種土壤中，當(dāng)相對(duì)含水量大于100% 時(shí)，土壤水分和土壤類型對(duì)包膜尿素養(yǎng)分的釋放都沒有顯著影響。水勢(shì)接近100 kPa時(shí)，包膜尿素養(yǎng)分釋放率急劇下降，荊門水稻土93 kPa的處理第56天養(yǎng)分釋放率為1%，接近100 kPa時(shí)包膜尿素養(yǎng)分釋放率極低，這將肖劍等[23]得出的包膜型控釋肥料的養(yǎng)分完全不能釋放的水勢(shì)范圍進(jìn)一步縮小。有研究表明，作為土壤團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)的黏粒是影響水分入滲性能的重要因素，入滲性能與黏粒含量顯著負(fù)相關(guān)，而與粉(砂)粒顯著正相關(guān)[31-32]。本研究中當(dāng)相對(duì)含水量在0% ~ 50%田間持水量范圍內(nèi)，或水勢(shì)在60 ~ 100 kPa時(shí)，供試肥料在紅壤中的釋放顯著低于潮土和水稻土，這正是由于紅壤中黏粒含量高，入滲性能差，在低含水量條件下肥料周圍土體的水分得不到即時(shí)補(bǔ)給，因而釋放率最低。

本研究利用Sugihara方程對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放率的擬合相關(guān)系數(shù)＞0.95，擬合方程較接近實(shí)際釋放特性。3種不同土壤水分參數(shù)中，水勢(shì)較絕對(duì)含水量和相對(duì)含水量與包膜尿素釋放期的關(guān)系更加密切，其中水勢(shì)與釋放期的相關(guān)系數(shù)為0.91，在一定范圍內(nèi)可用水勢(shì)來表征土壤含水量與包膜尿素釋放期的關(guān)系，這與鄭圣先等[26]的研究結(jié)果較一致。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤絕對(duì)含水量較低時(shí)(從50 g/kg增到200 g/kg)，水分因素是控制包膜尿素養(yǎng)分釋放的主要因素。而在干濕交替條件下，不同肥料間釋放率的差異變大。當(dāng)相對(duì)含水量在0% ~ 50%田間持水量范圍內(nèi)，或水勢(shì)在60 ~ 100 kPa范圍內(nèi)時(shí)，肥料的釋放速率與土壤黏粒含量有關(guān)；當(dāng)相對(duì)含水量大于100%田間持水量時(shí)，或水勢(shì)低于60 kPa時(shí)，土壤水分和土壤類型對(duì)包膜尿素養(yǎng)分釋放的影響基本不再顯著。Sugihara方程可以較好地?cái)M合包膜尿素在試驗(yàn)設(shè)定水分條件下的養(yǎng)分釋放特性，相關(guān)系數(shù)> 0.95。土壤絕對(duì)含水量、相對(duì)含水量和水勢(shì)均可以用來預(yù)測(cè)包膜尿素的釋放率和釋放期，其中水勢(shì)()與包膜尿素釋放期()的擬合效果最好，關(guān)系式為=64.79e0.0066x，=0.91。

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Effects of Soil Moisture on Nutrient Release from Coated Urea in Soils

GAO Shuaishuai1,2, WANG Huoyan1*, ZHOU Jianmin1, ZHAO Xinlin1,2, LIU Xiaowei1,2, CHEN Zhaoming1,2

(1 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A soil incubation experiment was conducted to study the effects of soil moisture indexes including the absolute water content, alternation of wetting and drying, relative soil water content and soil water potential on nutrient release characteristics of two kinds of coated urea in three kinds of soils. The release durations of the two kinds of tested fertilizers were 60 days and 90 days, referred to as fertilizer A and fertilizer B, respectively. The results showed that nutrient release rate of coated urea increased significantly when the soil absolute water content increased from 50 g/kg to 200 g/kg, and the soil moisture was the main influential factor of nutrient release of coated urea. Under dry-wet alternate condition, the differences of the release rates between two fertilizers became greater, the release rate of the coated urea B was much lower in alluvial soil than that in the other soils. When the relative water content increased from 0% to 50% or soil water potential within the scope of 60 kPa to 100 kPa, the release rate of the coated urea was much higher in krasnozem than those in the other soils which is associated with high clay content in krasnozem. When the relative water content surpassed 100% or soil water potential was below 60 kPa, the effects of soil moisture and soil type became slight on nutrient release of coated urea. The frequently-used Sugihara equation could well describe the nutrient release characteristics of coated urea under soil moisture conditions designed in the experiment, and> 0.95. All of the three soil moisture indexes can be used to predict nutrient release rate and duration of the coated urea, but the best fitting effect was occurred between water potential () and duration (), the relation is= 64.79e0.0066x(=0.91).

Nutrient release; Coated urea; Moisture; Alternation of wetting and drying Fitting

10.13758/j.cnki.tr.2018.02.008

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB127401)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271309)和江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2011821)資助。

(hywang@issas.ac.cn)

高帥帥(1991—)，女，山東威海人，碩士研究生，主要從事氮肥養(yǎng)分高效利用方面的研究。E-mail：ssg@issas.ac.cn

S143.1+5

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