劉 強(qiáng),梁 鑫,董佩麗,李 湘,史愛(ài)玲,王莉霞*,徐德華
不同施肥措施對(duì)黃土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳組分和碳庫(kù)管理指數(shù)的影響①
劉 強(qiáng)1,2,梁 鑫1,董佩麗1,李 湘1,史愛(ài)玲1,王莉霞1*,徐德華3
(1天水師范學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院,甘肅天水 741000;2中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊凌 712100;3 太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院,山西晉中 030619)
基于中科院安塞水土保持試驗(yàn)站長(zhǎng)期定位試驗(yàn),研究了5種不同施肥措施,包括不施肥(CK)、氮磷肥配施(NP)、氮磷鉀肥配施(NPK)、單施有機(jī)肥(M)和有機(jī)肥配施氮磷肥(MNP)對(duì)土壤有機(jī)碳組分及碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)的影響。結(jié)果表明:不同施肥處理均能增加不同土層土壤有機(jī)碳及其組分含量,且土壤有機(jī)碳及其組分含量隨土層深度增加而逐漸降低;施用有機(jī)肥處理(M和MNP) 0 ~ 20 cm土壤有機(jī)碳及其組分含量顯著高于化肥處理(NP和NPK)和CK處理;與CK處理相比,M和MNP處理有機(jī)碳含量分別增加133.59%、118.52% (<0.05),易氧化有機(jī)碳含量分別增加51.73%、48.20% (<0.05),可溶性有機(jī)碳含量分別增加61.54%、53.21% (<0.05),土壤微生物生物量碳含量分別增加68.34%、113.04% (<0.05);除土壤微生物生物量碳以外,不同施肥處理20 ~ 40 cm土壤有機(jī)碳及其組分含量均無(wú)顯著差異;不同施肥處理顯著提高0 ~ 20 cm 土壤CPMI,M處理下CPMI在所有施肥處理中最高。因此,施用有機(jī)肥是有效提高旱區(qū)土壤質(zhì)量,增強(qiáng)土壤碳“匯”功能的農(nóng)田施肥措施。
施肥措施;黃土丘陵區(qū);有機(jī)碳;活性有機(jī)碳;碳庫(kù)管理指數(shù)
土壤有機(jī)碳(SOC)作為反映土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),對(duì)于提高土壤肥力具有重要意義[1]。其可以改善土壤結(jié)構(gòu),保持土壤水分,改變微量元素的吸附特性,對(duì)土壤滲透性、腐蝕性、親水性和養(yǎng)分循環(huán)等特性具有較強(qiáng)影響[2]。同時(shí),其具有膠體特性,能吸附較多陽(yáng)離子,使土壤具有保肥性和緩沖性[3–5],進(jìn)而改善土壤物理化學(xué)性質(zhì),形成良好土壤結(jié)構(gòu)[4]。另外,其還可以改善土壤通氣性,對(duì)土壤物理、化學(xué)和生物化學(xué)過(guò)程起著重要調(diào)控作用,其微小變化將對(duì)大氣中的CO2濃度產(chǎn)生重要影響[6]。土壤活性有機(jī)碳主要可分為可溶性有機(jī)碳(DOC)、易氧化有機(jī)碳(ROC)和微生物生物量碳(MBC)等3類,雖然其在SOC總量中占比較小,穩(wěn)定性較差[7],易在短時(shí)間內(nèi)降解[8],但具有循環(huán)速率快、有效性較高等特點(diǎn)[9]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)是土壤質(zhì)量評(píng)估與土地管理的關(guān)鍵性指數(shù),其充分考慮了土壤碳庫(kù)數(shù)量與土壤碳庫(kù)活度之間的關(guān)系,比活性有機(jī)碳能更為敏感地指示土壤碳庫(kù)對(duì)不同管理措施的響應(yīng),可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量水平[10]。
施肥作為改善土壤質(zhì)量的關(guān)鍵生產(chǎn)措施,影響SOC和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移,以及土壤固碳效果[11],研究SOC及其活性組分在施肥環(huán)境下的動(dòng)態(tài)機(jī)制對(duì)土壤碳庫(kù)正向培育具有重要意義。Moharana等[12]研究發(fā)現(xiàn),施用有機(jī)肥比化肥顯著提高了土壤中活性有機(jī)碳含量。梁貽倉(cāng)[7]基于長(zhǎng)期施肥對(duì)耕作土壤DOC及其活性組分進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)施肥會(huì)顯著影響SOC及其活性組分含量。郭亞軍等[13]基于長(zhǎng)期施肥,采用施用有機(jī)肥或有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的試驗(yàn)方法,發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥處理下SOC及其活性組分含量有明顯增加。陳鴿等[14]研究發(fā)現(xiàn),施肥處理下SOC、ROC、DOC和MBC含量顯著高于對(duì)照土壤。
目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)SOC組分及CMPI的研究較為廣泛,并取得了一定的研究成果。這些研究主要集中于山地、森林、草原和草甸等生態(tài)系統(tǒng),而對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究較少,且已有研究多集中于東北、華北、長(zhǎng)江中下游等地區(qū)[8],而關(guān)于黃土丘陵區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究尚有欠缺。鑒于此,本研究基于中科院安塞水土保持試驗(yàn)站長(zhǎng)期定位試驗(yàn),分析了不同施肥處理對(duì)SOC固存效應(yīng)、活性組分含量以及CMPI的影響,以期為提升黃土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤碳“匯”能力提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)在安塞區(qū)中科院水土保持試驗(yàn)站進(jìn)行,其位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)(109°18′57.99″E,36°51′24.23″N),是國(guó)家野外站在該類型區(qū)唯一的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站。安塞區(qū)海拔高度為1 012 ~ 1 731 m,主要山岳有高峁山、雅行山、白豬山、天澤山等。受溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候影響,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,年均氣溫為8.8 ℃,年均降水量為505.3 mm,年均日照時(shí)數(shù)為2 395.6 h,全年無(wú)霜期約為157 d。植被多以矮小灌木叢為主,垂直多孔節(jié)理的黃土地貌廣布,易受夏季強(qiáng)降雨侵蝕,水土流失問(wèn)題嚴(yán)重。
安塞區(qū)農(nóng)業(yè)種植類型以傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)為主,全年依靠降水維生,無(wú)灌溉條件。試驗(yàn)區(qū)主要土壤類型為黃綿土,0 ~ 20 cm土壤理化性質(zhì)為pH 8.46,有機(jī)碳 8.05 g/kg,全氮 0.38 g/kg,全磷 0.59 g/kg,全鉀 15.8 g/kg,有效磷9.72 mg/kg,速效鉀81.1 mg/kg。
試驗(yàn)小區(qū)為長(zhǎng)方形(8.57 m×3.5 m),共設(shè)置5種施肥處理:不施肥(CK)、氮磷肥配施(NP)、氮磷鉀肥配施(NPK)、單施有機(jī)肥(M)、有機(jī)肥配施氮磷肥(MNP)。每種施肥處理重復(fù)4次,采用隨機(jī)區(qū)組排列。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)始于1999年,作物種植方式采用谷子–大豆–谷子–糜子輪作類型,其中2018年種植作物為大豆,2019年種植作物為谷子,試驗(yàn)各小區(qū)施肥長(zhǎng)期保持不變。作物種植前將有機(jī)肥、鉀肥和磷肥作為基肥一次性施入,氮肥在種植前只施入20%,剩余80% 的氮肥在作物開(kāi)花期追施。有機(jī)肥為羊糞,主要養(yǎng)分含量為有機(jī)碳24.36 g/kg,全氮11.24g/kg,全磷17.43 g/kg,施用量為7 500 kg/hm2;氮肥為尿素(含N 460 g/kg),施用量為212 kg/hm2;磷肥為磷酸鈣(含P2O5440 g/kg),施用量為170 kg/hm2;鉀肥為硫酸鉀(含K2O 500 g/kg),施用量為120 kg/hm2。
土壤樣品采集以試驗(yàn)小區(qū)為單位,于2019年谷子收獲后5 d按“S”形選取5個(gè)采樣點(diǎn),采集0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土層土樣,四分法留取500 g左右。土樣裝袋貯存并帶回實(shí)驗(yàn)室,一部分土壤樣品在–4 ℃保存,用于測(cè)定土壤MBC和DOC;另一部分土壤樣品在自然條件下風(fēng)干、研磨和過(guò)篩,用于其他指標(biāo)測(cè)定。
采用土水質(zhì)量比1∶2.5浸提,pH計(jì)測(cè)定土壤pH;利用K2Cr2O7容量法測(cè)定SOC含量[15];利用KMnO4氧化比色法測(cè)定ROC含量[16];采用氯仿熏蒸–浸提法測(cè)定MBC含量[17];采用1 mol/L KCl浸提–重鉻酸鉀容量法測(cè)定DOC含量[18]。
將CK處理土壤碳庫(kù)活度和有機(jī)碳含量作為參考,計(jì)算不同施肥處理的碳庫(kù)管理指數(shù)。具體計(jì)算方法[1]為:碳庫(kù)指數(shù)(CPI)=各施肥處理SOC含量/CK處理SOC含量;碳庫(kù)活度(A)=ROC含量/(SOC含量–ROC含量);碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)=各施肥處理碳庫(kù)活度/CK處理碳庫(kù)活度;碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)=碳庫(kù)指數(shù)×碳庫(kù)活度指數(shù)×100%。
應(yīng)用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表制作;采用SPSS17.0進(jìn)行不同施肥處理的單因素方差分析(one-way,ANOVA),用Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較,采用Pearson相關(guān)系數(shù)法對(duì)SOC及其活性組分之間進(jìn)行相關(guān)性分析。
與CK處理相比,不同施肥處理均能增加不同土層SOC含量,且SOC含量隨土層深度增加而降低(圖1A)。與CK處理相比,0 ~ 20 cm土層NP、NPK、M和MNP處理SOC含量分別增加21.42%、31.13%、133.59% 和118.31% (<0.05),有機(jī)肥處理(M和MNP)SOC含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理;與CK處理相比,NP、NPK、M和MNP處理下20 ~ 40 cm土層SOC含量差異不顯著,分別增加12.01%、14.21%、15.03% 和11.22%,M處理SOC含量最高,比CK處理高15.03%。
施肥能增加不同土層ROC含量,且ROC含量隨土層深度增加而降低(圖1B)。與CK處理相比,0 ~ 20 cm土層NP、NPK、M和MNP處理ROC含量分別增加13.28%、14.07%、57.76% 和48.20% (<0.05),施用有機(jī)肥處理(M和MNP)ROC含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理;與CK處理相比,NP、NPK、M和MNP處理20 ~ 40 cm土層ROC含量增加不顯著,分別增加12.28%、15.13%、14.76% 和13.87%。
(圖中小寫(xiě)字母不同表示同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05))
施肥能增加不同土層DOC含量,且DOC含量隨土層深度增加而降低(圖1C)。與CK處理相比,0 ~ 20 cm土層NP、NPK、M和MNP處理DOC含量分別增加10.86%、9.94%、61.54%、53.21% (<0.05),施用有機(jī)肥處理(M和MNP)DOC含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理;與CK處理相比,NP、NPK、M和MNP處理20 ~ 40 cm土層DOC含量增加不顯著,分別增加3.13%、4.11%、10.35% 和9.49%。
施肥能增加不同土層MBC含量,且MBC含量隨土層深度增加而降低(圖1D)。與CK處理相比,0 ~ 20 cm土層NP、NPK、M和MNP處理MBC含量分別增加40.09%、46.05%、68.34%、113.04% (<0.05);與CK處理相比,NP、NPK、M和MNP處理20 ~ 40 cm土層MBC含量分別增加30.21%、45.83%、73.79% 和81.12% (<0.05)。施用有機(jī)肥處理(M和MNP)不同土層MBC含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理。
土壤MBC/SOC比值隨土層深度增加呈增加趨勢(shì)(表1)。不同施肥處理對(duì)0 ~ 20、20 ~ 40 cm土層MBC/SOC比值的影響達(dá)顯著性水平(<0.05),MBC/SOC比值分別為0.34% ~ 0.54%、0.46% ~ 1.17%。
表1 不同施肥處理對(duì)土壤活性有機(jī)碳組分占比和碳庫(kù)管理指數(shù)的影響
注:表中同列小寫(xiě)字母不同表示同一土層不同處理間差異顯著(<0.05))。
土壤ROC/SOC比值隨土層深度增加呈增加趨勢(shì)(表1)。施肥處理對(duì)0 ~ 20、20 ~ 40 cm土層ROC/SOC比值的影響達(dá)顯著性水平(<0.05),ROC/SOC比值分別為16.06% ~ 24.87%、34.01% ~ 37.26%。
土壤DOC/SOC比值隨土層深度增加也呈增加趨勢(shì)(表1)。施肥處理對(duì)0 ~ 20 cm土層DOC/SOC比值的影響達(dá)顯著性水平(<0.05),DOC/SOC比值為0.26% ~ 0.39%;但對(duì)20 ~ 40 cm土層DOC/SOC比值的影響未達(dá)顯著性水平,DOC/SOC比值為0.71% ~ 0.78%。
施肥處理對(duì)0 ~ 20 cm土層CPI、AI、A和CPMI有顯著影響,而對(duì)20 ~ 40 cm土層沒(méi)有顯著影響(表1)。其中,0 ~ 20 cm土層CPMI在100 ~ 135.72,M處理最高,為135.72;20 ~ 40 cm土層CPMI在100 ~ 130.80,M處理最高,為130.80。
由圖2可知,SOC含量與DOC、MBC和ROC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01),與CPMI和AI呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05),與CPI呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01);與MBC/SOC、DOC/SOC和ROC/SOC比值呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01)。DOC含量與CPMI和AI呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05)。MBC含量與CPMI和AI呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01),與CPI呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)。CPMI與AI呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01),與CPI呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05)。AI與CPI呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05)(圖2)。
本研究發(fā)現(xiàn),施肥處理可提高不同土層SOC及其活性組分含量。在0 ~ 20 cm土層,有機(jī)肥處理(M和MNP)SOC及其活性組分含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理。這是由于有機(jī)肥本身含有一定數(shù)量的有機(jī)碳,施入土壤后可以使SOC及其活性組分得到更新和補(bǔ)償,且這種作用具有可持續(xù)性[19]。施用有機(jī)肥可以為作物和土壤微生物提供養(yǎng)分,促進(jìn)作物地上部和根系的生長(zhǎng),增加根系分泌物和有機(jī)殘?bào)w的數(shù)量,使土壤微生物和作物根系產(chǎn)生較大分子的多糖和分泌物,與礦物顆粒膠結(jié)形成團(tuán)聚體,穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu),阻止SOC及其活性組分迅速分解[20]。眾多以長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)為平臺(tái)的研究發(fā)現(xiàn),土壤施用有機(jī)肥能夠有效促進(jìn)SOC轉(zhuǎn)化,改善土壤質(zhì)量,提高SOC及其活性組分含量[21–27]。在本研究中,20 ~ 40 cm土層SOC及其活性組分含量低于0 ~ 20 cm土層,這是由于SOC隨土壤表層到底層的深度增加而減少。0 ~ 20 cm土層中微生物活性較高,作物根系分泌物腐爛后形成有機(jī)膠體的固定作用,使得SOC及其活性組分含量較高,但隨著土層深度增加,有機(jī)膠體的固定作用減弱。在本研究中,除MBC以外,不同施肥處理20 ~ 40 cm土層SOC及其組分含量均無(wú)顯著差異,原因可能是土層越深土壤中植物根系殘?bào)w和有機(jī)物料固定作用減弱,土壤微生物活性降低,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳循環(huán)速率降低[28],造成有機(jī)碳及其活性組分在土壤中穩(wěn)定存在,各施肥處理之間差異不顯著。
(藍(lán)色和紅色分別代表正相關(guān)和負(fù)相關(guān),左下半邊中的數(shù)字代表相關(guān)系數(shù),與右上半邊的圖形對(duì)應(yīng); *表示在P<0.05水平顯著,**表示在P<0.01水平顯著)
土壤碳庫(kù)活度(A)可用來(lái)反映SOC的穩(wěn)定程度。本研究結(jié)果表明,不同土層施用化肥處理A高于有機(jī)肥處理。土壤碳庫(kù)指數(shù)(CPI)、碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)和碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)是相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo),通過(guò)對(duì)土壤CPMI的研究,可綜合分析對(duì)土壤CPI和AI的影響,反映土壤碳庫(kù)數(shù)量和質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化。本研究結(jié)果表明,與CK處理相比,各施肥處理能不同程度地提高0 ~ 20 cm土壤CPMI,從而有利于改善土壤質(zhì)量。施用有機(jī)肥處理(M和MNP)不同土層的CPMI高于化肥處理(NP和NPK)和CK處理,表明施用有機(jī)肥可以增強(qiáng)土壤碳“匯”功能,增加碳素穩(wěn)定性。其中M處理CPMI值最大,這是由于M處理本身含有一定數(shù)量的有機(jī)碳,可以為作物和土壤微生物提供養(yǎng)分,促進(jìn)作物地上部和根系的生長(zhǎng),增加根系分泌物和有機(jī)殘?bào)w的數(shù)量,與礦物顆粒膠結(jié)形成團(tuán)聚體,穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu),有利于形成激發(fā)效應(yīng),阻止SOC的迅速分解,增加SOC含量,從而提高土壤CPMI。施用化肥處理雖在一定程度上提高A,促進(jìn)植物生長(zhǎng),改善土壤質(zhì)量,增強(qiáng)土壤養(yǎng)分循環(huán),但缺乏有效且持續(xù)的碳源補(bǔ)充,造成土壤微生物活性和質(zhì)量降低,減少了土壤碳庫(kù)活化與養(yǎng)分供應(yīng),造成土壤CPMI指數(shù)下降,不利于提高土壤碳庫(kù)質(zhì)量。在20 ~ 40 cm土層,不同施肥處理CPMI差異不顯著,這可能與土壤微生物活性降低導(dǎo)致SOC循環(huán)速率降低,使有機(jī)碳在土壤中穩(wěn)定存在,碳庫(kù)活性降低有關(guān)[29]。
本研究結(jié)果表明,不同施肥處理ROC、DOC和MBC與SOC含量之間呈極顯著正相關(guān),即SOC活性組分含量很大程度上依賴于SOC含量。SOC及其活性組分含量和比例與CPMI之間存在顯著相關(guān)性,表明這些指標(biāo)均可指示土壤碳素變化特征。
1)不同施肥處理均能有效提高不同土層SOC及其組分含量。不同施肥處理0 ~ 20 cm土層SOC及其組分含量具有顯著差異,而20 ~ 40 cm土層無(wú)顯著差異(除MBC外),且SOC及其組分含量隨土層深度增加而降低。
2)施用有機(jī)肥處理(M和MNP)0 ~ 20 cm土層SOC及其組分含量高于化肥(NP和NPK)和CK處理;除MBC外,20 ~ 40 cm土層SOC及其組分含量均無(wú)顯著差異。
3)不同施肥處理顯著提高0 ~ 20 cm 土層CPMI,M處理CPMI在所有施肥處理中最高;20 ~ 40 cm 土層中各施肥處理CPMI差異不顯著。
4)施用有機(jī)肥是旱區(qū)提高土壤土壤肥力,增強(qiáng)土壤碳“匯”功能的農(nóng)田施肥措施。
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Effects of Different Fertilization Methods on Farmland Soil Active Organic Carbon and Carbon Pool Management Indicators in Loess Hilly Area
LIU Qiang1, 2, LIANG Xin1, DONG Peili1, LI Xiang1, SHI Ailing1, WANG Lixia1*, XU Dehua3
(1 College of Resources and Environmental Engineering, Tianshui Normal University, Tianshui, Gansu 741000, China; 2 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China; 3 School of Geography Science, Taiyuan Normal University, Jinzhong, Shanxi 030619, China)
Based on the long-term experiment in Ansai Soil and Water Conservation Experimental Station, Chinese Academy of Sciences, this study investigated the effects of five different fertilization methods, including no fertilization (CK), combined application of nitrogen and phosphorus (NP), combined application of nitrogen, phosphorus and potassium (NPK), single application of organic fertilizer (M) and combined application of nitrogen and phosphorus in organic fertilizer (MNP) on soil organic carbon (SOC) composition and carbon pool management index (CPMI). The results show that different fertilization treatments increase SOC contents and components in different soil layers, and SOC content and components are decreased with the increase of soil depth. SOC contents and components in 0–20 cm treated with organic fertilizer (M and MNP) are significantly higher than those treated with chemical fertilizer (NP and NPK) and CK. Compared with CK, M and MNP increase SOC content by 133.59% and 118.52% (<0.05), easily oxidized organic carbon content by 51.73% and 48.20% (<0.05), soluble organic carbon content by 61.54% and 53.21% (<0.05), soil microbial carbon content by 68.34% and 113.04% (<0.05), respectively. Except for soil microbial carbon, no significant difference is found in SOC contents and components in 20–40 cm under different fertilization treatments. Different fertilization methods significantly increase soil CPMI in 0–20 cm, and CPMI is the highest under M. In conclusion, applying organic fertilizer can improve soil quality and enhance soil carbon sink function.
Fertilization methods; Loess hilly area; Soil organic carbon (SOC); Soil active organic carbon; Carbon pool management index (CPMI)
S182.2
A
10.13758/j.cnki.tr.2023.02.027
劉強(qiáng), 梁鑫, 董佩麗, 等. 不同施肥措施對(duì)黃土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳組分和碳庫(kù)管理指數(shù)的影響. 土壤, 2023, 55(2): 446–452.
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 (2017YFE0118100)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (42077075)和甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(22JR5RE195)資助。
(wanglixia@tsnu.edu.cn)
劉強(qiáng)(1983—),男,甘肅蘭州人,博士,副教授,主要從事土壤生態(tài)研究。E-mail:guangmingliu1983@163.com