摘要：為了探究不同灌溉下限對科爾沁沙地紫花苜蓿（Medicago sativa L.）產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率（Water use efficiency，WUE）的影響，本文以雨養(yǎng)（CK）作為對照，設(shè)置了70%～75%田間持水量（Field capacity，F(xiàn)C）（W1），60%～65% FC （W2），50%～55% FC（W3） 3個灌溉下限，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著灌溉下限的增加，苜蓿耗水量與年產(chǎn)量均顯著增加，但WUE顯著降低，且耗水量與年產(chǎn)量、WUE間均呈拋物線關(guān)系；相比于W1，W2僅減產(chǎn)5.5%，但可節(jié)水22.7%且WUE提高14.5%；不同灌溉下限對粗蛋白含量（Crude protein，CP）無顯著性影響，但灌溉下限的降低會引起相對飼喂價值（Relative feed value，RFV）明顯升高。基于灰色關(guān)聯(lián)度分析，結(jié)合產(chǎn)量、品質(zhì)及WUE的表現(xiàn)，推薦60%～65% FC為科爾沁沙地苜蓿水分管理的灌溉下限。

關(guān)鍵詞：紫花苜蓿；灌溉下限；產(chǎn)量；品質(zhì)；水分利用效率

中圖分類號：S541.9""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""" 文章編號：1007-0435（2024）06-1968-06

Effect of Different Irrigation Limits on Alfalfa Production

Performance in Horqin Sandy Land

SUN Tie-nan1， LI Mao-na2*， CHEN Fen2， ZHANG Yu-xia1， WANG Xian-guo2

（1. College of Prataculture， Inner Mongolia University for Nationalities， Tongliao， Inner Mongolia 028000， China;

2. College of Grassland Science and Technology， China Agricultural University， Beijing 100193， China）

Abstract：In order to investigate the effects of different irrigation limits on yield，quality and water use efficiency of alfalfa （Medicago sativa L.） in Horqin Sandy Land，three irrigation treatments based on soil water limits were designed including 70% to 75% of field capacity （W1），60% to 65% of field capacity （W2） and 50% to 55% of field capacity （W3）. The results showed that the higher irrigation limit significantly improved the water consumption （ETa） and annual yield of alfalfa，but significantly decreased the water use efficiency （WUE）. The relationships between ETa，annual yield and WUE were parabolic. Compared with W1，W2 only reduced annual yields by 5.5%，but saved water by 22.7% and increased WUE by 14.5%. Irrigation limit had no significant effect on crude protein content，but caused a significant increase in relative feed value. Based on performance in yield，quality and WUE，using grey correlation analysis method found that 60%～65% of field capacity was recommended as the irrigation lower limit for water management of alfalfa in Horqin Sandy land.

Key words：Alfalfa;Irrigation limit;Yield;Quality;Water use efficiency

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）因具有產(chǎn)量高、營養(yǎng)價值高、適口性好等特點(diǎn)被譽(yù)為“牧草之王”，但作為一種多年生高耗水作物，常需要大量灌溉水來保持高產(chǎn)［1］?？茽柷呱车厥俏覈匾膬?yōu)質(zhì)苜蓿生產(chǎn)基地，年商品草生產(chǎn)量占全國1/6，對于緩解國內(nèi)草畜矛盾，保證糧食安全戰(zhàn)略具有重要意義［2-3］。但同時，科爾沁沙地生態(tài)脆弱、水資源稀缺程度高，區(qū)域紫花苜蓿高產(chǎn)平均年需水量為825 mm［4］，降水僅能滿足其需水量的25%～40%，虧缺部分幾乎完全依靠開采地下水灌溉。長期超采地下水用于灌溉已導(dǎo)致區(qū)域地下水位的急劇下降，并引發(fā)了草地退化、土壤加劇沙化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。面對全球水資源日趨緊張的現(xiàn)實(shí)，在我國生態(tài)文明的重壓下，未來科爾沁沙地農(nóng)業(yè)水資源將大幅縮減，這將嚴(yán)重威脅著區(qū)域苜蓿產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

灌溉制度是苜蓿水分生產(chǎn)的核心內(nèi)容。通常，灌溉制度的確定多采用基于氣象參數(shù)與基于土壤水分的兩種方法［5］。當(dāng)前，針對前者，研究們已在科爾沁沙地開展了較多的研究，如孫洪仁等［4］利用30年氣象數(shù)據(jù)，基于P-M公式計算出阿魯科爾沁地區(qū)的推薦灌溉定額為664 mm。李天琦等［6］通過比較四種灌水量條件對苜蓿產(chǎn)量與水分利用效率（Water use efficiency，WUE）的影響，提出科爾沁沙地苜蓿高產(chǎn)節(jié)水的灌溉水量為100% ETc。李振松等［7］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)科爾沁沙地灌溉定額為546 mm時可獲得最高的苜蓿產(chǎn)量與WUE。由此可以看出，基于ETc的科爾沁沙地苜蓿灌溉定額，研究者們已有較為一致的結(jié)論，但關(guān)于土壤水分達(dá)到何種下限再進(jìn)行灌溉的研究較為缺乏。

品質(zhì)是商品苜蓿重要的生產(chǎn)評價指標(biāo)，但受到的關(guān)注較少。柳佳等［8］通過研究發(fā)現(xiàn)苜蓿調(diào)整自身的形態(tài)和結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同的土壤水分條件，從而影響苜蓿品質(zhì)?？艿さ龋?］研究發(fā)現(xiàn)水分虧缺會導(dǎo)致苜蓿的莖葉比下降，粗蛋白含量提高，從而提高苜蓿品質(zhì)。但霍海麗等［10］通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)灌溉量過大或過小都會使苜蓿木質(zhì)化程度提高，纖維含量增加從而影響相對飼喂價值（Relative feed value，RFV）。由此可見，灌水對苜蓿品質(zhì)的影響還需進(jìn)一步研究。因此，本研究通過探討不同灌溉下限對紫花苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)及WUE的影響，進(jìn)而確定最佳的灌溉下限，以期為科爾沁沙地苜蓿產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于科爾沁沙地西緣的阿魯科爾沁旗巖峰惠農(nóng)科技有限公司（43.42′ N，120.35′ E），地屬典型大陸型氣候，無霜期95～140 d，年日照時數(shù)2 760～3 030 h，年降雨量300～400 mm，主要集中在7—8月。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為砂壤土，計劃濕潤層（0～40 cm）土壤容重、田間持水量分別為1.45 g·cm-3，0.236 cm3·cm-3。0～40 cm土層堿解氮含量為50.80 mg·kg-1、速效磷含量為3.04 mg·kg-1、速效鉀含量為95.51 mg·kg-1、有機(jī)碳含量為4.40 g·kg-1、全氮含量為0.71 g·kg-1、全磷含量為0.17 g·kg-1。試驗(yàn)地采用圓形噴灌機(jī)灌溉，機(jī)組長度146 m，控制面積6.67 hm2。試驗(yàn)地苜蓿于2021年7月13日建植，品種為‘騎士T’，播種量為22.5 kg·hm-2，行距20 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)于2022年4—8月進(jìn)行，為確定科爾沁沙地苜蓿水分管理適宜的灌溉下限，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組方法，以雨養(yǎng)（CK）為對照，設(shè)計了高（W1）、中（W2）、低（W3） 3個灌溉下限，即土壤水分分別達(dá)到70%～75%的田間持水量（Field capacity，F(xiàn)C）、60%～65% FC、50%～55% FC，每個處理重復(fù)3次，共12個小區(qū)，試驗(yàn)小區(qū)面積為7 m×10 m。各處理的灌溉上限均為90% FC，灌水量依據(jù)0～40 cm計劃深潤層土壤水分上、下限方法而定。為滿足試驗(yàn)設(shè)計的灌水要求，試驗(yàn)中通過調(diào)整噴灌機(jī)行走速度實(shí)現(xiàn)灌水量差異的處理，各處理的實(shí)際灌水量如表1所示。

1.3 試驗(yàn)測定指標(biāo)

（1）氣象數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)采用安裝在距試驗(yàn)地500 m處的便捷式氣象站（HOBO，U30，美國）自動實(shí)施監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、相對濕度、太陽輻射、風(fēng)速、大氣壓強(qiáng)、降雨量等氣象因子，采集頻率為15 s。

（2）土壤含水量

本試驗(yàn)采用土壤水分監(jiān)測儀（IMKO，Trime-T3，德國）測量各小區(qū)0～80 cm土層的土壤水分變化［12-13］，按照0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm分層測量。每2 d測量一次，并在灌溉與降雨后加測一次。

（3）水分利用效率（WUE）

植株生產(chǎn)單位面積產(chǎn)量所消耗的水量，即WUE為產(chǎn)量（Yield，Y）與實(shí)際耗水量（ETa）的比值，如公式1所示，單位為kg·m-3，實(shí)際耗水量根據(jù)公式（公式2）計算：

WUE=YETa（1）

ETa=ΔSW+I+Po+GW－Dp－R（2）

式中：ETa為作物耗水量，單位mm；ΔSW為0～80 cm土層內(nèi)土壤水分變化量；I為實(shí)際灌水量單位mm；Po是有效降雨量［11］，單位mm；GW為地下水補(bǔ)給量，由于試驗(yàn)地地下水埋深為30 m，故此項(xiàng)忽略；Dp為深層滲漏，單位mm；R為地表徑流，單位mm，由于試驗(yàn)地機(jī)組的設(shè)計噴灌強(qiáng)度較小且土壤滲透性較強(qiáng)，故Dp與R忽略。

（4）干草產(chǎn)量

本試驗(yàn)測產(chǎn)采用大小樣方法。首先測量樣方鮮草產(chǎn)量，在每個小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取5個1 m×1 m的樣方，將樣方內(nèi)苜蓿全部刈割并留茬5 cm，刈割后立即稱取樣方鮮草重量。在所取的樣方鮮草中隨機(jī)抽取部分樣品去除雜草后稱重，并放入檔案袋中保存。隨后將所取樣品在烘箱中105℃殺青0.5 h，75℃烘干48 h后稱重記錄，即可計算干鮮比，樣方干草重即為樣方鮮草重與干鮮比的乘積。試驗(yàn)地每茬均在苜蓿初花期刈割，3茬刈割時間分別為6月7日、7月10日、8月8日。

（5）干草品質(zhì)檢測

苜蓿品質(zhì)采用Foss近紅外分析儀測定粗蛋白（Crude protein，CP）、中性洗滌纖維（Neutral detergent fiber，NDF）、酸性洗滌纖維（Acid detergent fiber，ADF）含量，并根據(jù)NDF和ADF計算相對飼喂價值（RFV），如公式3，4，5所示。干草品質(zhì)依據(jù)美國豆科牧草干草質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)表［14］分級。

DMI=120/NDF（3）

DDM=88.9-（0.779×ADF）（4）

RFV= （DMI×DDM）/1.29（5）

式中，DDM是指飼草可消化的干物質(zhì)，其單位為占飼草干物質(zhì)的百分比，即%DM。DMI是指飼草干物質(zhì)的隨意采食量，其單位為占牲畜體重的百分比，即%BW。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)采用Microsoft Excel 2007，SPSS 19.0和Origin 2021軟件處理數(shù)據(jù)并繪制圖表。苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)及WUE的差異顯著性采用Duncan法檢驗(yàn)。

本試驗(yàn)采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法［15］，綜合分析產(chǎn)量、品質(zhì)及WUE指標(biāo)，篩選最佳灌水處理。首先，以初始值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，構(gòu)建“參考灌溉下限”的參考數(shù)列X0，以各處理下的各項(xiàng)指標(biāo)所構(gòu)成的數(shù)列為比較數(shù)列Xi（i=1，2，3，4），采用等權(quán)重法確定各指標(biāo)，利用經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)求出參考因素X0與比較因素Xi各對應(yīng)點(diǎn)的絕對差值△i（k），根據(jù)公式6，7計算關(guān)聯(lián)系數(shù)。

ξi（k）=minmin i kxo（k）-xi（k）+ρmaxmax i kxo（k）-xi（k）xo（k）-xi（k）+ρmaxmax i kxo（k）-xi（k）（6）

ri=1n∑nk=1ξi（k）（7）

式中：ρ為分辨系數(shù)，本文取0.5［15］，|X0（k）-Xi（k）|為絕對差值，min|X0（k）-Xi（k）|為X0二級最小差值絕對值，max|X0（k）-Xi（k）|為二級最大差值絕對值；公式7中ri為等權(quán)關(guān)聯(lián)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉下限對苜蓿產(chǎn)量的影響

表2為試驗(yàn)期間不同灌溉下限的苜蓿干草產(chǎn)量。由表可知，各茬產(chǎn)量的年產(chǎn)量占比分別為38.1%，37%，24.9%。相較于CK，不同灌溉下限處理可幫助苜蓿產(chǎn)量提升242%，整體而言，苜蓿產(chǎn)量會隨著灌溉下限的升高而增加，但在各茬內(nèi)的表現(xiàn)存在一定差異。對于全年產(chǎn)量和第一茬產(chǎn)量，各灌水處理間存在顯著差異（P＜0.05），表現(xiàn)為W1gt;W2＞W(wǎng)3＞CK。第二茬內(nèi)，盡管W1與W2處理間的產(chǎn)量沒有顯著差異，但與W1相比，W2處理不但能使產(chǎn)量提高5%（269 kg·hm-2），還能節(jié)水25%（36 mm）。第三茬內(nèi)，盡管W1，W2，W3間的產(chǎn)量無顯著性差異，但相較于W1處理，W2與W3可分別節(jié)水17.3%，48.6%。

2.2 不同灌溉下限對苜蓿品質(zhì)指標(biāo)的影響

表3為試驗(yàn)期間苜蓿CP，ADF，NDF和RFV的分析結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，ADF和NDF僅在第二茬內(nèi)隨灌溉下限的提高逐漸上升，由于RFV是二者的綜合指標(biāo)，故本文重點(diǎn)討論不同灌溉下限對CP與RFV的影響。試驗(yàn)地區(qū)各處理下的CP和RFV分別在23.02%～24.88%，121.47%～171.99%之間，都位于較高水平，基本各處理下的苜?？蛇_(dá)到一級或特級水平。具體而言，除第二茬內(nèi)W1處理下的RFV顯著低于其余處理，其余各茬處理間的CP與RFV均無顯著差異。相比于CP，RFV對灌溉下限的改變響應(yīng)更明顯。第一茬內(nèi)，隨著灌溉下限的提高，RFV逐漸上升，而第二茬卻表現(xiàn)出相反的趨勢。第二茬內(nèi)，相比于W1，W2與W3分別節(jié)水25% （36 mm），50% （72 mm），苜蓿RFV提高12.7%，17.8%。第三茬內(nèi)，苜蓿RFV均無顯著差異，W2和W3品質(zhì)均為一級，W3相比于W2節(jié)水37.9% （47 mm），RFV提高了1.6%。

2.3 不同灌溉下限對水分利用效率的影響

表4列出了試驗(yàn)期間不同灌溉處理下的苜蓿WUE。結(jié)果表明，隨著灌溉下限的升高，苜蓿耗水量呈明顯增加趨勢，而WUE卻顯著降低。不同處理下的苜蓿年均WUE在1.99～2.28 kg·m-3之間，其基本規(guī)律表現(xiàn)為W1lt;W2＝CKlt;W3。各灌水處理下苜蓿的WUE均值表現(xiàn)為第二茬＞第一茬＞第三茬。第一茬內(nèi)，CK處理下的WUE高達(dá)6.65 kg·m-3，而不同灌溉下限處理下的WUE在1.91～2.46 kg·m-3之間，W3下的WUE也比W1與W2處理平均高出26.5%。第二茬內(nèi)，WUE在W1與W2之間有顯著性差異，W2相比W1的WUE提高31.1%。第三茬內(nèi)，不同灌溉下限處理下的WUE表現(xiàn)為W1lt;W2lt;W3。

2.4 耗水量與產(chǎn)量、水分利用效率間的關(guān)系

圖1為試驗(yàn)地苜蓿耗水量與產(chǎn)量、WUE間的函數(shù)關(guān)系。如圖所示，耗水量與產(chǎn)量、WUE間的關(guān)系均呈明顯的拋物線趨勢。其擬合關(guān)系分別為Yield=-0.030 3ET2a +47.199ETa-3 358.5，WUE=-0.000 005ET2a+0.004 2ETa+1.711 6，這說明開始時產(chǎn)量與WUE均隨著耗水量的增加而增加，在達(dá)到峰值后，二者將隨著耗水量的增加而降低。然而，根據(jù)耗水量與產(chǎn)量、WUE間的擬合關(guān)系可知，獲得產(chǎn)量峰值與WUE峰值的耗水量分別是779 mm，420 mm，這說明無法同時獲得最大產(chǎn)量與WUE。若以最大產(chǎn)量為目標(biāo)進(jìn)行水分管理時，WUE將較最大值下降24.7%；而以最大WUE為目標(biāo)進(jìn)行水分管理時，產(chǎn)量將損失30.3%。

2.5 基于灰色關(guān)聯(lián)度的綜合評價

為進(jìn)一步篩選科爾沁沙地苜蓿適宜的灌溉下限，本文綜合產(chǎn)量、品質(zhì)指標(biāo)、水分利用效率，采用灰色關(guān)聯(lián)度，分析了不同灌溉下限的關(guān)聯(lián)度系數(shù)。由于產(chǎn)量、品質(zhì)與水分利用效率對于商品苜蓿生產(chǎn)均很重要，故而本文采用等權(quán)重分析法，等權(quán)關(guān)聯(lián)度值反映了各灌溉處理與參考標(biāo)準(zhǔn)之間的差異大小，關(guān)聯(lián)度大的數(shù)列與參考數(shù)列越接近，綜合指標(biāo)表現(xiàn)最優(yōu)，反之越差。表5結(jié)果表明，在試驗(yàn)地區(qū)各處理的表現(xiàn)優(yōu)劣分別為W2＞W(wǎng)3＞W(wǎng)1＞CK。

3 討論

科爾沁沙地屬于半干旱地區(qū)，灌溉是影響該區(qū)域苜蓿生產(chǎn)的重要因素，科學(xué)合理的水分管理是保證該區(qū)域苜蓿的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要前提。其中，確定土壤水分灌溉下限是制定灌溉制度的重要內(nèi)容，因此本文試圖通過探討不同土壤水分下限對苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)及WUE的影響，進(jìn)而篩選出科爾沁沙地苜蓿生產(chǎn)中適宜的灌溉下限。

本文設(shè)置的不同灌溉下限在水分管理中分別代表著“高頻少量”“中頻中量”“低頻大量”三種灌水量。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著灌溉下限的增加，苜蓿產(chǎn)量基本呈增加趨勢，尤其是第一茬內(nèi)，這主要是由于第一茬內(nèi)降雨稀少，在52 d的生長時間內(nèi)僅發(fā)生了24 mm的有效降雨，且時期內(nèi)科爾沁沙地風(fēng)速較大，大風(fēng)干旱的氣候?qū)е伦魑锼窒妮^快［16］，及時灌水（高處理）更有利于苜蓿生長并積累較大的地上生物量從而獲得高產(chǎn)。而在降雨增多的第二、三茬內(nèi)，產(chǎn)量隨灌溉下限增加呈先增大后減小的趨勢，說明該時段內(nèi)過多的水分供應(yīng)反而會降低苜蓿生長速度，這可能是由于高溫高濕對苜蓿光合作用起到一定抑制作用［17］，甚至引起了苜蓿的休眠［18］。同時，耗水量與產(chǎn)量、WUE間的函數(shù)關(guān)系也表明灌水量的持續(xù)增加并不能帶來產(chǎn)量的增高，反而會導(dǎo)致WUE大幅下降，這一結(jié)果也被Lamm等［19］、王云玲等［20］證明。本試驗(yàn)中，各處理的WUE分布在1.42～3.66 kg·m-3之間，盡管各茬間的規(guī)律略有差異，但整體也都表現(xiàn)為W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1gt;CK。這是由于WUE是產(chǎn)量與耗水量的比值，相比于雨養(yǎng)，水分的投入是增加產(chǎn)量并提高WUE的重要方法，但增加到一定程度后，水分投入增量帶來的產(chǎn)量增率便會下降，故而本文中的WUE隨著灌溉下限的升高而降低。

對于商品苜蓿產(chǎn)區(qū)，品質(zhì)是與產(chǎn)量同等重要的因素。衡量苜蓿品質(zhì)的指標(biāo)眾多，由于篇幅限制，本文選擇了具有代表性的CP與RFV進(jìn)行研究。整體而言，本試驗(yàn)地的苜蓿品質(zhì)可達(dá)到一級甚至特級水平，這主要有以下兩個原因：一是試驗(yàn)品種優(yōu)良［21］，二是試驗(yàn)過程中選擇了適宜的收獲時期與較低損耗的收獲方法［22］。不同灌溉下限對CP含量無顯著性影響，但隨著灌溉下限的降低RFV會明顯升高，這與Li等［23］在內(nèi)蒙古鄂托克旗地區(qū)得到的結(jié)果基本一致。這可能是由于水分供應(yīng)的降低，苜蓿植株的莖桿變得更加細(xì)小，導(dǎo)致纖維素含量降低［24-25］，故而RFV增加。

由此可以看出苜蓿產(chǎn)量、WUE以及品質(zhì)對不同灌溉下限的響應(yīng)存在較大差異，甚至是相反的變化趨勢，而這些均是制定苜蓿灌溉管理需要重點(diǎn)考慮的因子。因此，本文通過采用灰色關(guān)聯(lián)度方法，并采用等權(quán)重分析，綜合各因子對試驗(yàn)中采用的3種不同的灌溉下限及雨養(yǎng)進(jìn)行評價，盡管三個灌溉下限間的灰色關(guān)聯(lián)度接近，但整體以W2處理為表現(xiàn)最佳。

值得說明的是，由于試驗(yàn)地苜蓿為建植第二年，根系分布較淺，這會對試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響。同時，比較阿魯科爾沁旗1984—2013年降雨資料可知，試驗(yàn)?zāi)陮儆谄剿辏囼?yàn)結(jié)果雖具有一定代表性，但年際間氣候差異對苜蓿生長的影響仍不可忽視，因此建議研究者們能夠選擇不同建植年限的苜蓿開展連續(xù)的水分管理試驗(yàn)。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于雨養(yǎng)，灌水可幫助苜蓿產(chǎn)量提高201%～272%。隨著灌溉下限的升高，苜蓿年產(chǎn)量顯著增加，但WUE會顯著降低。品質(zhì)方面，不同灌溉下限對CP含量無顯著性影響，但灌溉下限的降低會引起RFV明顯升高。耗水量與產(chǎn)量、WUE間的關(guān)系呈拋物線趨勢，即隨著耗水量的增加產(chǎn)量和WUE呈先增加后降低的規(guī)律。基于灰色關(guān)聯(lián)度分析，當(dāng)灌溉下限為60%～65% FC時，科爾沁沙地苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)及WUE的表現(xiàn)綜合最佳。

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（責(zé)任編輯 閔芝智）