黃子琦,劉彭,白鵬,王東,寧堂原,姜紅花*

基于土壤肥力的小麥不同生育期灌水量研究

黃子琦1,劉彭1,白鵬2,王東3,寧堂原4,姜紅花1*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 山東科技大學(xué)礦業(yè)實(shí)訓(xùn)中心, 山東 泰安 271000 3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100 4. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 山東 泰安 271018

為探究不同土壤肥力情況下，小麥不同生長(zhǎng)時(shí)期所需的適宜灌水量，提高小麥高水分利用效率，本文首先對(duì)播種前土壤主要肥力指標(biāo)（堿解氮、速效磷和速效鉀）進(jìn)行主成分分析，得出土壤堿解氮含量為影響土壤肥力的主要因素。因此，根據(jù)土壤堿解氮含量進(jìn)行數(shù)據(jù)分組，對(duì)小麥水分利用效率和生長(zhǎng)期灌水量進(jìn)行回歸分析，得到了不同堿解氮水平下小麥各個(gè)生育時(shí)期能保持高水分利用效率的理論灌水量，為小麥的精準(zhǔn)灌溉提供理論依據(jù)，從而達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

土壤肥力; 小麥; 灌溉

黃淮流域是我國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)，約占全國(guó)小麥總產(chǎn)量的60%[1]。由于黃淮流域水資源匱乏，灌溉用水大多來(lái)源于地下水，許多地區(qū)地下水資源過(guò)度開(kāi)采，影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2-3]，迫切需要節(jié)水種植研究。小麥在不同土壤肥力和不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)水分的利用情況不同，傳統(tǒng)灌水方式多采用大水灌溉，定時(shí)定量，造成水資源的浪費(fèi)和利用效率低下。為探究不同土壤肥力條件下小麥高水分利用效率的最佳灌水量，對(duì)土壤肥力和小麥水分利用效率進(jìn)行分析研究。適量灌水可以提高小麥水分利用效率，減少水資源浪費(fèi)。

目前常用的節(jié)水灌溉手段有微噴灌、滴灌、測(cè)熵補(bǔ)灌等。微噴灌利用微噴帶將水均勻地噴灑在田間，能減少耗水總量，提高籽粒產(chǎn)量和小麥水分利用效率[4]；滴灌利用管道小流量均勻出水，保持土壤水分含量同時(shí)提高水分利用效率[5]；測(cè)熵補(bǔ)灌可以顯著減少灌溉耗水量，增加深層土壤貯水的利用程度，同時(shí)防止小麥生長(zhǎng)時(shí)期的水分脅迫影響產(chǎn)量。不同的底墑條件對(duì)小麥耗水量有顯著影響，在小麥生長(zhǎng)時(shí)期灌水使底墑水達(dá)到一定比例，可以提高小麥產(chǎn)量，減少灌溉用水[6]。

以往的小麥節(jié)水研究方法一般為預(yù)先設(shè)計(jì)多組土壤水分水平目標(biāo)灌水或分時(shí)期灌水，在幾種固定的水分水平基礎(chǔ)上進(jìn)行小麥高產(chǎn)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析只能得到小麥在某種水分水平下有較高產(chǎn)量和高水分利用效率，而不同時(shí)期具體的最佳灌水量少有研究。

本文基于多年小麥種植數(shù)據(jù)，探究不同土壤肥力條件下小麥水分利用效率的最佳灌水量，對(duì)小麥的節(jié)水高產(chǎn)有一定的參考意義。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

以“小麥+耗水”為關(guān)鍵詞，本文在知網(wǎng)（CNKI）中文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索發(fā)表的期刊論文及碩博學(xué)位畢業(yè)論文。搜集范圍在2005-2020年的小麥種植試驗(yàn)文獻(xiàn)，設(shè)置文獻(xiàn)篩選條件：（1）文獻(xiàn)中的試驗(yàn)地點(diǎn)在山東地區(qū)，研究對(duì)象是小麥；（2）文獻(xiàn)中完整給出了試驗(yàn)地點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)?zāi)攴莸慕邓?、土壤肥力?shù)據(jù)；（3）文獻(xiàn)中完整給出了試驗(yàn)中小麥播種期、越冬期、拔節(jié)期、開(kāi)花期的灌水量，以及對(duì)應(yīng)的小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)和水分利用效率。篩選后共得到29篇相關(guān)文獻(xiàn)[12-39]。

提取文獻(xiàn)中播種前土壤有機(jī)質(zhì)含量、堿解氮含量、速效鉀含量、速效磷含量、年降雨量、播種期灌水量、越冬期灌水量、拔節(jié)期灌水量、開(kāi)花期灌水量、籽粒產(chǎn)量、水分利用效率對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，提取共得到497組有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)單位不一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行換算。試驗(yàn)地點(diǎn)主要集中在山東省泰安市(36°12′N(xiāo)-116°54′E)、(36°9′N(xiāo)-117°9′E)、山東省濟(jì)寧市(35°40′N(xiāo)-116°41′E)、山東省肥城市(35°59′N(xiāo)-116°52′E)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力特征的主成分分析

衡量土壤肥力的指標(biāo)主要包括堿解氮含量、速效磷含量和速效鉀含量，分別用1、2、3表示播種前土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀的含量，下面對(duì)1、2、3進(jìn)行主成分分析。

首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后計(jì)算主成分載荷矩陣，如表1所示。計(jì)算各個(gè)主成分的特征值和貢獻(xiàn)率，如表2所示。

表1 主成分載荷矩陣

表2 主成分特征值及貢獻(xiàn)率

由表2可知，主成分1和主成分2累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%，因此可選擇前兩個(gè)主成分1和2。由表1可得：

1=0.609702X-0.617392+0.8344013(1)

2=0.712173X+0.7017512-0.001153(2)

由式(1)和(2)可知，主成分1播種前速效磷和播種前速效鉀上的載荷較高，主成分2在播種前堿解氮和播種前速效磷上的載荷較高，因此1和2較好地反映了土壤肥力的影響因素。

根據(jù)式(1)和式(2)以及對(duì)主成分特征值的貢獻(xiàn)率，得出主成分綜合評(píng)價(jià)模型式(3)：

=0.646236X-0.1470722+0.5364993(3)

由式(3)可知，播種前土壤堿解氮含量1是影響土壤肥力的主要因素，該因素很大程度上代表了土壤肥力是否肥沃，適當(dāng)增加其含量會(huì)讓作物長(zhǎng)勢(shì)更好，這與現(xiàn)實(shí)播種前施氮肥的做法一致。

2.2 水分利用效率分析

由2.1的分析可知，播種前土壤堿解氮含量很大程度上決定了土壤肥力水平，因此將土壤堿解氮含量作為依據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)分組，作如圖1所示的統(tǒng)計(jì)圖。根據(jù)圖1，可得不同土壤堿解氮含量范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)頻數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分布情況將堿解氮含量分為96 mg/kg以下、96～104mg/kg、104～112 mg/kg、112～120 mg/kg、120 mg/kg以上5類(lèi)。分類(lèi)后96 mg/kg以下數(shù)據(jù)120組，96～104 mg/kg125組，104～112 mg/kg71組，112～120 mg/kg117組，120 mg/kg以上64組。

在每個(gè)堿解氮含量水平下，分別將小麥播種期灌水量、越冬期灌水量、拔節(jié)期灌水量，開(kāi)花期灌水量作為自變量，小麥水分利用效率作為因變量進(jìn)行回歸分析，選擇小麥水分利用效率與小麥各生長(zhǎng)期灌水量的最佳回歸模型，并以此計(jì)算最佳灌水量。

圖1 播種前土壤堿解氮含量分布圖

2.2.1 堿解氮含量96 mg/kg以下播種前土壤堿解氮含量96 mg/kg以下，將小麥水分利用效率作為因變量，小麥播種期灌水量、越冬期灌水量、開(kāi)花期灌水量、拔節(jié)期灌水量作為自變量進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程及檢驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 96 mg/kg以下堿解氮含量灌水時(shí)期回歸分析結(jié)果

注：播種前土壤堿解氮含量96 mg/kg以下時(shí)，越冬期多做不灌水處理，因此不做分析。括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)為系數(shù)檢驗(yàn)顯著性值, 下同。

Note:When the soil alkali-hydrolyzable nitrogen content was less than 96 mg/kg before sowing, no irrigation was done during the overwintering period, so no analysis was made. The data in parentheses are the-values of coefficient test significance. The same as follows.

圖2為不同時(shí)期的回歸方程擬合圖，由表3和圖2可得如下結(jié)論：

（1）對(duì)于播種期，三種回歸模型顯著性檢驗(yàn)的值均小于0.01，說(shuō)明均有極顯著差異；從回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)的值來(lái)看，二次曲線模型、三次曲線模型未通過(guò)檢驗(yàn)，故選擇線性模型。由圖2(a)可知，線性回歸模型的擬合度較好。因此，可得土壤堿解氮含量低于96 mg/kg，小麥水分利用效率與播種期灌水量的回歸方程如下：

由式(4)可知水分利用效率與播種期灌水量成反比。即播種期不灌水，水分利用效率最大為19.91 kg/hm2/mm。

（2）對(duì)于拔節(jié)期，三種回歸模型顯著性檢驗(yàn)的值均小于0.05，表明均有顯著差異；從回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)的值來(lái)看，三次曲線模型未通過(guò)檢驗(yàn)，所以選擇二次曲線模型，由圖2(b)可知，二次曲線模型的擬合度較好。小麥水分利用效率與拔節(jié)期灌水量的回歸方程為：

對(duì)式(5)求導(dǎo)可得拔節(jié)期灌水量為38.00 mm時(shí)，水分利用效率最高，理論最大水分利用效率為 20.00 kg/hm2/mm。

（3）對(duì)于開(kāi)花期，不管回歸方程還是回歸系數(shù)的檢驗(yàn)，三種模型均通過(guò)檢驗(yàn)，由圖2(c)可知，三次曲線模型的擬合度較好，所以選擇三次曲線模型。即小麥水分利用效率與開(kāi)花期灌水量的回歸方程為：

對(duì)式(6)求導(dǎo)可得開(kāi)花期灌水量為28.87 mm時(shí)，水分利用效率最大，理論最大水分利用效率20.97 kg/hm2/mm。

綜合以上分析可得，播種前土壤堿解氮含量低于96 mg/kg，播種期灌水會(huì)降低水分利用效率，不灌水的水分利用效率可達(dá)19.912 kg/hm2/mm左右；拔節(jié)期灌水38.00 mm左右，水分利用效率最高，可達(dá)20.00 kg/hm2/mm左右；開(kāi)花期灌水28.87 mm左右，水分利用效率最高，可達(dá)20.97 kg/hm2/mm左右。

2.2.2 堿解氮含量96～104 mg/kg 播種前土壤堿解氮含量在96～104 mg/kg時(shí)，將小麥水分利用效率作為因變量，小麥播種期灌水量、越冬期灌水量、開(kāi)花期灌水量、拔節(jié)期灌水量作為自變量進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程及檢驗(yàn)結(jié)果如表4。

圖3為不同時(shí)期的回歸模型擬合圖，由表4和圖3可得如下結(jié)論：

（1）對(duì)于播種期和越冬期，三種回歸模型均未通過(guò)檢驗(yàn)，表明自變量和因變量之間無(wú)顯著關(guān)系。

（2）對(duì)于拔節(jié)期，一次線性模型顯著性檢驗(yàn)的值大于0.05，未通過(guò)檢驗(yàn)；從回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)P值來(lái)看，二次和三次曲線模型通過(guò)檢驗(yàn)，由圖3(a)可知，三次曲線模型的擬合度較好，因此，選擇三次曲線模型。小麥水分利用效率與拔節(jié)期灌水量的回歸方程為：

對(duì)式(7)求導(dǎo)可得拔節(jié)期灌水量為36.08 mm時(shí)，水分利用效率最大，理論最大水分利用效率22.73 kg/hm2/mm。

表4 96～104 mg/kg堿解氮含量灌水時(shí)期回歸分析結(jié)果

圖3 堿解氮含量96～104 mg/kg曲線擬合圖

（3）對(duì)于開(kāi)花期，一次線性模型的顯著性值大于0.05，未通過(guò)檢驗(yàn)；從回歸系數(shù)的顯著性P值來(lái)看，三次模型未通過(guò)回歸系數(shù)檢驗(yàn)，所以選擇二次曲線模型，由圖3(b)可知，二次曲線模型的擬合度較好。小麥水分利用效率與開(kāi)花期灌水量的回歸方程為：

對(duì)式(8)求導(dǎo)可得開(kāi)花期灌水量為39 mm時(shí)，理論最大水分利用效率21.613 kg/hm2/mm。

綜合以上分析可知，播種前土壤堿解氮含量96～104 mg/kg，播種期和越冬期灌水對(duì)小麥水分利用效率影響不大；拔節(jié)期灌水36.08 mm左右，可達(dá)到理論最大水分利用效率；開(kāi)花期灌水39 mm左右，可以達(dá)到最大水分利用效率。

2.2.3 堿解氮含量104～112 mg/kg 播種前土壤堿解氮含量在104～112 mg/kg時(shí)，將小麥水分利用效率作為因變量，小麥播種期灌水量、越冬期灌水量、開(kāi)花期灌水量、拔節(jié)期灌水量作為自變量做回歸分析，回歸方程參數(shù)和系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 104～112 mg/kg堿解氮含量灌水時(shí)期回歸分析表

圖4為不同時(shí)期的回歸模型擬合圖，由表5和圖4可得以下結(jié)論。

（1）對(duì)于拔節(jié)期，三種回歸模型的顯著性值均小于0.01，因變量和自變量有極顯著的回歸關(guān)系；從回歸系數(shù)的顯著性值來(lái)看，二次和三次曲線模型未通過(guò)回歸系數(shù)檢驗(yàn)，選擇一次線性模型。由圖4(a)可知，一次線性模型的擬合度較好。小麥水分利用效率與拔節(jié)期灌水量的回歸方程為：

由式（9）可知堿解氮含量在104～112 mg/kg時(shí)水分利用效率與拔節(jié)期灌水量成正比，灌水量為79.80 mm時(shí)，理論水分利用效率最高為22.13 kg/hm2/mm。

（2）對(duì)于開(kāi)花期，三種回歸模型的顯著性值均小于0.01，因變量和自變量有極顯著的回歸關(guān)系；從回歸系數(shù)的顯著性值來(lái)看，二次曲線模型未通過(guò)回歸系數(shù)檢驗(yàn)，因此選擇三次曲線模型。由圖4(b)可知，三次曲線模型的擬合度較好。小麥水分利用效率與開(kāi)花期灌水量的回歸方程為：

對(duì)式（10）求導(dǎo)可得開(kāi)花期灌水量為67.86 mm時(shí)，理論水分利用效率最高為24.74 kg/hm2/mm。

由以上分析可知播種前土壤堿解氮含量104～112 mg/kg，拔節(jié)期灌水達(dá)到79.80 mm左右適當(dāng)增加灌水量，可以提高水分利用效率；開(kāi)花期灌水67.86 mm左右，可以達(dá)到最大水分利用效率。

2.2.4 堿解氮含量112～120 mg/kg 播種前土壤堿解氮含量在112～120 mg/kg時(shí)，將小麥水分利用效率作為因變量，小麥播種期灌水量、越冬期灌水量、開(kāi)花期灌水量、拔節(jié)期灌水量作為自變量進(jìn)行回歸分析，回歸方程和參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果如表6。

圖5為不同時(shí)期的回歸模型擬合圖，由表6和圖5可得以下結(jié)論。

（1）對(duì)于拔節(jié)期，三種回歸模型的顯著性值均小于0.01，自變量和因變量有極顯著的回歸關(guān)系；從回歸系數(shù)的顯著性值來(lái)看，二次和三次曲線模型未通過(guò)回歸系數(shù)檢驗(yàn)，選擇一次線性模型。由圖5可知，一次線性模型的擬合度較好。小麥水分利用效率與拔節(jié)期灌水量的回歸方程為：

由式（11）可知水分利用效率與拔節(jié)期灌水量成正比，即堿解氮含量介于112～120 mg/kg時(shí)，拔節(jié)期灌水會(huì)提高水分利用效率。在拔節(jié)期灌水量最大108.8 mm時(shí)，水分利用效率最大為21.40 kg/hm2/mm。

表6 112-120mg/kg堿解氮含量灌水時(shí)期回歸分析表

圖5 堿解氮含量112-120mg/kg曲線擬合圖

（2）對(duì)于開(kāi)花期，三種回歸模型的顯著性值均大于0.05，自變量和因變量無(wú)顯著回歸關(guān)系。

由以上分析，播種前土壤堿解氮含量112～120 mg/kg，拔節(jié)期灌水在108.8 mm左右基礎(chǔ)上適當(dāng)增加灌水量能增加水分利用效率；開(kāi)花期灌水量對(duì)水分利用效率影響不明顯。

2.2.5 堿解氮含量120 mg/kg以上 播種前土壤堿解氮含量在120 mg/kg以上時(shí)，將小麥水分利用效率作為因變量，小麥播種期灌水量、越冬期灌水量、開(kāi)花期灌水量、拔節(jié)期灌水量作為自變量進(jìn)行回歸分析，回歸方程參數(shù)和系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果如表7。

圖6為不同時(shí)期的回歸模型擬合圖，由表7和圖6可得以下結(jié)論。

（1）對(duì)于拔節(jié)期，三種回歸模型的顯著性值均小于0.05，自變量和因變量有顯著的回歸關(guān)系；從回歸系數(shù)的顯著性值來(lái)看，二次和三次曲線模型未通過(guò)回歸系數(shù)檢驗(yàn)，選擇一次線性模型。由圖6(a)可知，一次線性模型的擬合度較好。小麥水分利用效率與拔節(jié)期灌水量的回歸方程為：

由式（12）可知水分利用效率與拔節(jié)期灌水量成正比，堿解氮含量在120 mg/kg以上時(shí)，拔節(jié)期灌水會(huì)提高水分利用效率。在拔節(jié)期灌水量最大82.43 mm，水分利用效率最大為21.20 kg/hm2/mm。

表7 120 mg/kg以上堿解氮含量灌水時(shí)期回歸分析表

圖6 堿解氮含量120 mg/kg以上曲線擬合圖

（2）對(duì)于開(kāi)花期，三種回歸模型的顯著性值均小于0.05，因變量和自變量有顯著的回歸關(guān)系；從回歸系數(shù)的顯著性值來(lái)看，三次曲線模型未通過(guò)回歸系數(shù)檢驗(yàn)，因此選擇二次曲線模型。由圖6(b)可知，二次曲線模型的擬合度較好。小麥水分利用效率與開(kāi)花期灌水量的回歸方程為：

對(duì)式（13）求導(dǎo)，開(kāi)花期灌水量為48.50 mm時(shí)，理論最大水分利用效率20.63 kg/hm2/mm。因此，播種前土壤堿解氮含量120 mg/kg以上，拔節(jié)期灌水82.43 mm以上適當(dāng)增加灌水量可以提高水分利用效率；開(kāi)花期灌水量48.50 mm左右時(shí)，理論最大水分利用效率可以達(dá)到20.63 kg/hm2/mm。

3 討論與結(jié)論

研究表明，在一定范圍內(nèi)隨著土壤氮含量增加，小麥的耗水量降低，水分利用效率提升，氮含量超出該范圍后水分利用效率趨于穩(wěn)定甚至下降[7]。不同的土壤氮素含量會(huì)影響小麥根系的生長(zhǎng)狀況，進(jìn)而影響小麥的水分利用效率，氮素達(dá)到一定量時(shí)滿足根系生長(zhǎng)所需[8,9]，此時(shí)過(guò)量灌水會(huì)超過(guò)小麥根系的水分利用能力，降低水分利用效率，因此不同氮含量水平的最佳灌水量有所不同。

本文研究表明，播種前土壤堿解氮含量在96 mg/kg以下和96～104 mg/kg水平時(shí)，達(dá)到理論最高水分利用效率的各時(shí)期灌溉用水相對(duì)于104～112 mg/kg和112～120 mg/kg明顯較少，而堿解氮含量大于120 mg/kg時(shí)最佳灌水量有所下降，在一定范圍內(nèi)隨著氮素含量增加，小麥的水分利用效率隨之增大，到達(dá)峰值后開(kāi)始下降，這與梁銀麗等[11]研究一致。

本文分析得到了播種前土壤不同堿解氮水平小麥達(dá)到高水分利用效率的各生長(zhǎng)階段最佳灌水量。播種前土壤堿解氮含量96 mg/kg以下，拔節(jié)期灌水38 mm左右，開(kāi)花期灌水28.87 mm左右，可達(dá)到較高水分利用效率；播種前土壤堿解氮含量96～104 mg/kg，拔節(jié)期灌水36.08 mm左右，開(kāi)花期灌水39.00 mm左右，可達(dá)到較高水分利用效率；播種前土壤堿解氮含量104-112 mg/kg，拔節(jié)期灌水達(dá)到79.80 mm左右適當(dāng)增加灌水量，開(kāi)花期灌水67.86 mm左右，可達(dá)到較高水分利用效率；播種前土壤堿解氮含量112～120 mg/kg，拔節(jié)期灌水在108.8 mm左右基礎(chǔ)上適當(dāng)增加灌水量，可達(dá)到較高水分利用效率；播種前土壤堿解氮含量120 mg/kg以上，拔節(jié)期灌水82.43 mm以上適當(dāng)增加灌水量，開(kāi)花期灌水量48.50 mm左右時(shí)，可達(dá)到較高水分利用效率。

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Study on Irrigation Amount at Different Growth Stages of Wheat Based on Soil Fertility

HUANG Zi-qi1, LIU Peng1, BAI Peng2, WANG Dong3, NING Tang-yuan4, JIANG Hong-hua1*

1.271018,2.271000,3.712100,4.271018,

In order to explore the appropriate amount of irrigation required by wheat in different growth periods under different soil fertility and improve wheat high water use efficiency, this paper first makes a principal component analysis of the main soil fertility indexes (alkali hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium) before sowing, and comes to the conclusion that the content of soil alkali hydrolyzable nitrogen is the main factor affecting soil fertility. Therefore, according to the data grouping of soil alkali hydrolyzable nitrogen content, the regression analysis of wheat water use efficiency and irrigation amount in growth period is carried out, and the theoretical irrigation amount that can maintain high water use efficiency in each growth period of wheat under different alkali hydrolyzable nitrogen levels is obtained, which provides a theoretical basis for accurate irrigation of wheat, so as to achieve the purpose of water-saving irrigation.

Soilfertility; wheat; irrigation

O212.1

A

1000-2324(2021)05-0824-09

2021-05-14

2021-06-02

山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2019JZZY010716);山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(SD2019NJ001)

黃子琦(1998-),男,在讀研究生,專(zhuān)業(yè)方向:農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù). E-mail:3238754290@qq.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:j_honghua@sdau.edu.cn