等高反坡階對坡耕地土壤碳庫的影響

陳敏全, 王克勤

(西南林業大學 環境科學與工程學院, 云南 昆明 650224)

等高反坡階對坡耕地土壤碳庫的影響

陳敏全, 王克勤

(西南林業大學 環境科學與工程學院, 云南 昆明 650224)

摘要：[目的] 研究坡耕地等高反坡階措施的蓄水保土和固碳減排效應，為改善云南山區紅壤坡耕地土壤侵蝕狀況提供科學依據。 [方法] 自然降雨條件下，通過松花壩迤者小流域1 a的野外徑流小區定位觀測，對有、無等高反坡階措施條件下的坡面產流產沙和土壤有機碳流失進行對比分析。 [結果] (1) 泥沙作為土壤有機碳流失的重要載體，因其流失所致的流失量占總有機碳流失量的85%以上，最高達95.38%； (2) 等高反坡階具有顯著的蓄水減流和保土減沙效應，其減流率在5.56%~53.91%，減沙率在18.84%~83.11%，產沙調控作用更優； (3) 雨季前后，原狀坡面小區土壤碳儲量減少率達9.90%，明顯高于等高反坡階小區土壤碳儲量的減少率3.99%； (4) 通過相關分析發現，2個小區土壤有機碳的流失率與降雨量均未達到顯著相關，但與降雨侵蝕力顯著相關(p<0.05)。徑流、泥沙與2個小區有機碳的流失率均達到了顯著正相關(p<0.05)。 [結論] 等高反坡階通過改變地表微地形，減少了坡耕地有機碳的輸出。

關鍵詞：坡耕地; 等高反坡階; 徑流; 泥沙; 土壤碳庫

土壤侵蝕作為當今全球范圍最為嚴重的生態環境問題之一，對土地質量、作物生產力和生態環境質量造成了極大威脅[1]。坡耕地是中國耕地資源的重要組成部分，同時也是江河泥沙的主要來源。坡耕地土壤侵蝕很大程度上改變了土壤的結構和生物化學性質，減少了可耕種土地資源，并引起土壤有機碳庫流失，降低土地生產力[2-3]。水土流失治理措施的實施可顯著改善土壤質量，據Lal[4-5]研究估計，全球水土流失治理的固碳潛力為1.47～3.04 Pg/a。土壤有機碳含量的維持與恢復不僅有利于改善土壤肥力狀況且對維護生態系統的結構與功能具有重要意義。因此，了解坡耕地水土流失措施實施條件下土壤有機碳庫的變化及其影響，對科學評價坡耕地水土流失區土壤碳庫及碳循環具有重要意義。近年來，由于全球變暖使厄爾尼諾/南方濤動(ENSO)引起的干旱現象更加頻繁[6]，致使中國以坡耕地為主要耕地的云南山區降水資源缺乏，且分布不均，造成該區糧食產量下降。同時，由于長期不合理利用，土壤侵蝕嚴重，造成水土流失，生態環境不斷惡化，嚴重制約著當地農業的發展。水平階作為坡耕地水土保持措施之一，在干旱地區坡面整地和植被恢復中得到廣泛運用，且保水保土效果顯著[7-8]。但從小流域角度，研究等高反坡階措施對坡耕地侵蝕土壤碳庫影響的報道不多。因此，從等高反坡階治理措施角度研究迤者小流域土壤有機碳(SOC)的變化規律，為研究侵蝕條件下的土壤碳的遷移、轉化規律提供理論依據，也為改善云南山區紅壤坡耕地土壤侵蝕狀況提供科學依據。

1材料與方法

1.1　試驗區概況

松華壩水庫水源保護區位于迤者小流域，地處云南省昆明市東北部，位于北緯25°12′48″—24°14′43″，東經102°44′51″—102°48′37″，為滇池水系盤龍江一級支流源頭區，海拔2 010～2 589.5 m，屬于低緯度高原山地季風氣候。研究區年降水量785.1 mm，干濕季分明，雨季(5—10月)降雨量占全年降雨量的87.5%，暴雨基本出現在雨季。區域內土壤為地帶性粘性紅壤，偏酸性，流域總面積21.56 km2，坡耕地2.84 km2，占耕地面積的55.8%，主要種植烤煙、大豆、玉米、馬鈴薯等。小流域地貌類型以高原低山為主，水土流失嚴重，河道含沙量大，對松花壩水源質量造成嚴重影響。

1.2　試驗設計

根據松華壩水源區迤者小流域地形條件在同一坡面上修筑徑流小區。設計徑流小區坡度為15°，投影面積為5 m×20 m，坡向南北。小區上方設截水溝，下部連接2 m×1 m×2 m的集流池，用于小區內地表徑流和泥沙的收集。徑流泥沙采用5分法進行收集(4/5排出集流池外，1/5在集流池中進行取樣)。在每個徑流小區安裝了WGZ-1型數字水位計(重慶水文儀器廠生產)，觀測徑流量以及產流過程，并在徑流小區內布設自計雨量計，監測降雨量和降雨強度。試驗共設2個處理：常規順坡耕作(T1)；順坡耕作+等高反坡階(T2)，等高反坡階沿等高線自上而下里切外墊，修成一臺面，臺面外高里低，寬1.2 m，反坡5°，以盡量蓄水，減少流失。每個處理3個重復，隨機區組排列，其中，T1為對照處理。徑流泥沙的觀測時間為2013年1月至2013年12月，對次降雨下的各小區徑流量和侵蝕泥沙量進行統計。土壤取樣時間為2013年4月和2013年10月，分別在當年雨季之前和雨季結束后進行土壤樣品的采集，各小區按S形取5個點，每個點取表層(0—20 cm)土壤300 g，用四分法取混合土樣裝袋密封，帶回實驗室內供土壤指標分析。

1.3　測定方法

(1) 降雨量的測定。采用JDZ-1型數字自記雨量計自行測定。

降雨侵蝕力則根據自計雨量記錄結果求出30 min最大雨強(I30)，由Wischmeier等[9]降雨侵蝕力的求算公式計算。試驗區2013年降雨量(P)與降雨侵蝕力(R)數據詳見表1。

表1　試驗區2013年降雨量和降雨侵蝕力季節分配

(2) 徑流量、泥沙含量的測定。每次典型降雨后立即量出標準徑流場內的泥水總量，推算地表徑流量；將集流池內泥沙與水樣混勻，用500 ml取樣瓶取3瓶水樣，用比重法測定泥沙含量，推算泥沙量。

(3) 土壤容重和有機碳測定。采用環刀法測定土壤容重，土壤有機碳和泥沙結合態有機質采用重鉻酸鉀法進行測定，徑流溶解態有機碳=總有機碳流失量-泥沙結合態有機碳流失量。

(4) 土壤碳庫指標計算方法?？傆袡C碳質量分數(TOC)由有機質質量分數乘以Bemmelen換算系數，即0.58；碳庫指數(CPI)為有耕作措施小區土壤有機質質量分數與對照小區土壤有機質質量分數的比值，以原狀坡面坡耕地為對照；土壤有機碳儲量(mcr)計算公式[10]為：

mcr=Acosα(Tθc)/10

式中：mcr——土壤有機碳儲量(kg)；A——小區實際面積(m2)；α——小區坡度(弧度制)；T——土層厚度(cm)；θ——土壤體積質量(g/cm3)；c——土層有機碳質量分數(%)。

1.4　數據分析

采用SPSS 11.5統計軟件和Excel數據處理系統進行數據分析，并繪制圖表。

2結果與分析

2.1　坡耕地徑流、泥沙流失規律及其特征

2013年14場典型降雨的研究結果表明(表2)，14場典型降雨的總降雨量達360.00 mm，原狀坡面和等高反坡階處理坡面地表徑流分別為124.74和80.15 mm，前者是后者的1.56倍，且方差分析結果表明，2個小區的徑流量存在極顯著差異(p<0.01)。等高反坡階處理下每場產流降雨的地表徑流量均小于原狀坡面，其對地表徑流的調控率在5.56%～53.91%，平均控制率可達35.75%，說明等高反坡階的徑流調控作用顯著；原狀坡面和等高反坡階處理坡面土壤流失總量分別為382.60，196.50 t/km2，且差異顯著(p<0.05)，等高反坡階處理下每場產流降雨的土壤侵蝕量均較小，前者是后者的1.95倍，與原狀坡面相比，產沙調控率在18.84%～83.11%，平均調控率達48.65%，說明等高反坡階對泥沙的攔截效果顯著。相對于徑流調控率，等高反坡階的泥沙調控率較高，說明其產沙調控作用更優。

2.2　等高反坡階處理下泥沙和徑流中有機碳分布特征

土壤侵蝕造成有機碳伴隨著土壤一起被遷移和再分布，不僅導致土壤有機碳的大量流失且對生態系統碳循環產生重要影響。土壤有機碳隨著徑流和泥沙遷移以溶解態和泥沙結合態的形式流失，但二者流失規律呈現一定的差異。由表3可知，2013年降雨期間T1小區總有機碳流失量達483.87 g，明顯高于T2小區總有機碳的流失量285.55 g，這與T1小區徑流、泥沙流失量顯著高于T2小區的研究結果相一致。由于有機碳的流失是伴隨著徑流和泥沙的產生而發生的，因此有機碳的流失量不僅取決于徑流、泥沙流失總量，且與徑流、泥沙中有機碳含量關系密切。研究結果表明，2個小區泥沙結合態有機碳占總有機碳流失量的百分比均達到85%以上，最高達95.38%，從徑流溶解態和泥沙結合態中有機碳的流失量來看，有機碳的流失主要是以泥沙為載體產生的。因此，泥沙結合態是迤者小流域坡耕地土壤侵蝕中有機碳流失的主要方式，且T1小區泥沙結合態有機碳占總有機碳流失量的比例高于T2小區。

表2　試驗區2013年坡耕地降雨徑流及泥沙的輸出特征

注：T1常規順坡耕作，T2順坡耕作+等高反坡階。下同。

表3　試驗區土壤有機碳流失特征

2.3　等高反坡階處理對土壤碳庫的影響

2.3.1對土壤總有機碳的影響由表4可以看出，在松華壩迤者小流域定位試驗中，不同坡面處理條件下，土壤有機碳的動態變化特征基本一致。隨著雨季的到來，土壤有機碳含量從5月開始明顯減少，除2013年9—10月土壤有機碳含量略有增長外，其余月份土壤有機碳含量呈逐月降低的趨勢，且2種坡面處理的小區，有機碳含量的減少率均在5月達到最大值，這主要是由于開墾后，土壤擾動，破壞和分散土壤團聚體，增加通氣性，改變土壤水熱條件，微生物活性增加，增加新鮮有機質與土壤基質接觸，使有機物料易于分解[11]。且作物生長后，轉化吸收了土壤有機質的營養。

土壤有機碳減幅較大的另一個原因是這一時期正是作物生長苗期，植被覆蓋度較差，低覆蓋加上高強度的降雨侵蝕力導致產流初期徑流、泥沙攜帶大量的表層肥沃、疏松的土壤顆粒，進而造成土壤有機碳在雨季初期流失嚴重，其后隨著作物生長，植被覆蓋度逐漸增加，擾動土壤逐漸沉實，土壤有機碳的流失率減少，至作物收獲，由于作物根系的腐解及殘茬的輸入，歸還了一部分有機碳，導致土壤有機碳含量從9月開始呈現較小的增長。對比不同坡面處理條件下的2種小區土壤有機碳的動態變化特征可以發現，雨季開始前T1小區與T2小區有機碳含量相差為5.70%，至雨季結束T1小區與T2小區有機碳含量相差高達12.76%，T2小區各月份土壤有機碳含量明顯高于T1小區，而土壤有機碳含量的減少率則反之，從2013年5月進入雨季開始至2013年10月雨季結束T1小區土壤有機碳含量減少率高達11.84%，明顯高于T2小區同期土壤有機碳含量的減少率4.71%，說明坡面的等高反坡階處理對坡耕地土壤有機碳減少具有很好的調控作用。

表4　各小區土壤有機碳含量的動態變化

注：有機碳含量數據為：均值±標準差。

2.3.2對土壤碳儲量的影響為了揭示坡面等高反坡階對土壤碳庫的影響，對2個小區降雨前后土壤碳庫指數和土壤碳儲量進行比較分析。根據表5可知，在相同的作物種植條件下，不同坡面處理對土壤碳庫指數和土壤碳儲量的影響具有一定的差異性。雨季前T2小區土壤碳儲量為453.82 kg比T1小區高12.91 kg，同時土壤碳庫指數為T1小區的1.07倍；雨季后T2小區土壤碳儲量為435.71 kg，比T1小區高38.45 kg，且土壤碳庫指數為T1小區的1.15倍。至雨季結束，2個小區土壤有機碳儲量較雨季前均有明顯的減少，其中T1小區土壤碳儲量減少率達9.90%，明顯高于T2小區土壤碳儲量的減少率3.99%，說明坡耕地土壤耕作對土壤固定有機碳產生明顯的負效應，隨著雨季的進行土壤碳儲量不斷減少，可見降雨引起土壤侵蝕使導致土壤碳儲量減少的一個關鍵因素，而坡耕地等高反坡階措施的實施對土壤有機碳的積累和固定具有明顯的影響作用。與T1小區相比，T2小區土壤碳儲量的減少幅度較小，可以看出坡耕地等高反坡階措施的實施對土壤有機碳庫的調節具有重要影響。

2.4　等高反坡階處理下有機碳流失的影響因素相關分析

為了確定坡耕地土壤有機碳流失的影響因素，通過對2個試驗小區土壤有機碳流失量與降雨量、降雨侵蝕力、徑流量和泥沙流失量進行了相關關系進行了分析。結果表明，2個小區土壤有機碳的流失率與降雨量均未達到顯著水平，但與降雨侵蝕力呈顯著的正相關關系(p<0.05)，且T2小區相關系數0.798低于T1小區相關系數0.870。這是因為降雨侵蝕力反映的是降雨動能與最大30 min雨強的綜合作用，在坡耕地坡面徑流小區，坡面流失量由降雨量和I30兩項因素決定，因此降雨侵蝕力對土壤有機碳的流失影響高于降雨量。2個小區土壤有機碳的流失率與徑流量和土壤侵蝕量均達到顯著水平(p<0.05)，T1小區土壤有機碳的流失率與徑流和泥沙的相關水平分別達0.831和0.863，T2小區土壤有機碳的流失率與徑流和泥沙的相關水平分別達0.827和0.789，從相關系數大小來看，泥沙是坡耕地土壤有機碳流失的主要形式。

表5　各小區表層土壤有機碳庫指數和碳儲量

3討 論

土壤有機碳是陸地生態系統碳庫的重要組成部分，土壤侵蝕作為一個全球性的地質現象，引起土壤碳遷移，不僅造成了土地生產力降低，而且對土壤碳平衡及陸地生態系統碳循環產生很大的影響，也在一定程度上加劇了全球變暖的趨勢[12]，有研究[13-14]表明，土壤侵蝕過程可導致有機質的損失。坡耕地是云南地區水土流失最為嚴重的區域，研究期間，隨著降雨的進行，土壤有機碳含量不斷減少，且主要以泥沙結合態形式流失，其流失量占有機碳總流失量的85%以上，這與賈偉松等[15]研究發現泥沙是土壤有機碳流失的主要原因的結果相一致，有95%的碳隨泥沙的遷移而流失。這可能是土壤質地、有機碳含量、耕作措施、降雨等綜合作用的結果。Van Hemelryck等[16]研究表明，泥沙結合態碳主要為非活性碳，在土壤中穩定且含量高達90%左右，而水溶性有機碳為活性有機碳，僅占土壤總有機碳的9%，且易被植物和微生物利用，加上雨季的淋溶作用，致使水溶性有機碳向下層遷移，導致徑流的增加不會引起大量徑流溶解態有機碳流失量的增加，卻使泥沙流失量增加。且坡耕地翻耕開墾，土壤擾動，破壞和分散土壤團聚體，泥沙遷移量明顯增加，致使泥沙結合態有機碳流失占總有機碳流失比例較高。因此，坡耕地徑流、泥沙的控制成為水土保持和土壤碳庫調節的關鍵因素。已有研究[17]結果表明，在水土流失區，治理措施的減沙、減流是導致土壤有機碳改善的重要原因。

等高反坡階是坡面徑流、泥沙調節的重要措施之一。本研究發現，同一作物條件下，等高反坡階對坡面地表徑流的調控率可達5.56%～53.91%，平均調控率為35.75%，產沙調控率在18.84%～83.11%，平均調控率達48.65%，說明等高反坡階對坡耕地產流產沙的調控作用顯著，且產沙量的減幅大于徑流量的減幅，等高反坡階對產沙的調控效果更優。這與以往的研究結果一致。如王萍等[8]研究了等高反坡階對云南紅壤坡耕地水土流失的調控作用，結果表明，等高反坡階對坡耕地水土流失調控作用顯著；趙合理等[7]通過研究黃土高原丘陵溝壑區不同水土保持措施對坡面降水再分配的影響，結果表明，水平階草灌帶可遲滯緩解降水在坡面的再分配過程，連續切斷坡面徑流流線，抑制徑流泥沙發生?？梢?，等高反坡階是坡面徑流調節的有效措施，不僅使坡面徑流得到調控，同時減少泥沙的產生。這主要是由于等高反坡階通過對地表徑流的再分配能有效攔截徑流于階內，其作用相當于截短坡長，降低徑流勢能，減緩了地表徑流，蓄積徑流增加入滲量，攜沙能力下降，且由于等高反坡階對徑流的蓄積作用也減緩了徑流的下移速度，從而增加了徑流中泥沙的沉淀作用，大大減少了坡耕地產沙量，有效減緩了降雨對坡耕地的侵蝕和沖刷作用[8,18]。所以，等高反坡階具有對坡面局部徑流的調控作用，不僅能蓄積部分降水，同時能保持水土，合理調控地表徑流，改善坡耕地土壤水分和養分條件[19-20]。

等高反坡階措施的實施具有減少土壤有機碳儲量損失的作用，并在一定程度上減緩了土壤有機碳庫的負效應。研究期間，原狀坡面小區土壤有機碳的流失率明顯高于等高反坡階小區，雨季前后，與原狀坡面小區相比，等高反坡階處理坡面小區土壤碳儲量的減少幅度較小，這與鄭海金等[10]通過對坡面實施不同的水土保持耕作措施以提高土壤有機碳質量分數和增加土壤碳庫的作用結果相似。等高反坡階的布設正是通過控制土壤侵蝕控制坡耕地有機碳的流失，減少土壤有機碳儲量的損失并在一定程度上減緩了土壤有及碳庫的負效應。研究表明[21]，農田土壤碳儲量的損失因氣候、土壤初始含碳量和管理措施的不同而不同。一般而言，耕作層(0—20 cm)損失最大，可達40%，而本研究發現，整個雨季期間T1，T2小區土壤有機碳的流失量與土壤碳儲量的減少量相比較小，這主要與有機碳在土壤中擴散的復雜性有關，研究發現[22]，有機碳在土壤中的遷移擴散主要包括土壤中動物輸送作用和微生物的遷移，土壤中有機碳的吸附、交換、降解及可溶性有機碳隨溶液的遷移。而本研究僅對由于降雨產流所造成的土壤碳損失進行了分析。徑流、泥沙作為坡耕地土壤養分流失的主要載體，與土壤有機碳的流失率存在顯著的正相關關系(p<0.05)；2個小區土壤有機碳的流失率與降雨量均未達到顯著水平，但與降雨侵蝕力達到顯著水平(p<0.05)，且T2小區相關性低于T1小區，可能是由于等高反坡階的存在，改變了微地形，使產流產沙過程更加復雜，從而導致T2小區有機碳的流失率與降雨侵蝕力的相關關系減弱。等高反坡階對土壤有機碳流失的調控作用主要表現在通過分割坡面，改變地表微地形，截短徑流流線，增加入滲有效減緩了降雨對坡耕地土壤的侵蝕和沖刷作用，攔蓄并減少坡面徑流及徑流所攜帶的泥沙與養分元素，對于水土保持和土壤有機碳庫的調控具有重要作用。

4結 論

(1) 坡耕地是紅壤小流域水土流失最為嚴重的區域，泥沙作為土壤有機碳流失的重要載體，導致泥沙結合態有機碳的流失量占總有機碳流失量的85%以上，最高達95.38%；而徑流溶解態有機碳流失量所占總有機碳流失量的比例較小；

(2) 等高反坡階通過減少徑流泥沙輸出從而降低坡耕地土壤碳的減少速率，其對地表徑流的調控率在5.56%～53.91%，平均控制率可達35.75%；產沙調控率在18.84%～83.11%，平均調控率達48.65%。相對于徑流調控率，等高反坡階的泥沙調控率較高，說明其產沙調控作用更優。

(3) 坡耕地等高反坡階措施的實施改變了地表微地形，截短徑流流線，增加入滲，攔蓄并減少坡面徑流及徑流所攜帶的泥沙與養分元素，進而減少坡耕地有機碳的輸出，具有減少土壤有機碳儲量損失的作用，并在一定程度上減緩了土壤有機碳庫的負效應。雨季前后，原狀坡面小區土壤碳儲量減少率達9.90%，明顯高于等高反坡階小區土壤碳儲量的減少率(3.99%)；

(4) 由于坡耕地土壤有機碳隨水沙遷移的復雜性，導致影響土壤有機碳流失的因素存在一定差異，通過對土壤有機碳及相關影響因素的相關分析表明，2個小區土壤有機碳的流失率與降雨量均未達到顯著相關水平，但與降雨侵蝕力達到顯著相關水平(p<0.05)。徑流、泥沙作為有機碳流失的主要載體，其與2個小區有機碳的流失率均達到了顯著水平(p<0.05)，其中以泥沙流失對土壤有機碳流失的相關性影響較大。

(5) 由于土壤有機碳遷移擴散的復雜性，導致雨季前后土壤有機碳損失占土壤碳儲量損失的比例較少。因此，坡耕地土壤碳遷移擴散損失途徑及方式也是本課題今后重點研究的內容。

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Effects of Reverse-slope Level Terrace on Soil Carbon Stock of Sloping Farmland

CHEN Minquan, WANG Keqin

(1.FacultyofEnvironmentalScienceandEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming，Yunnan650224,China)

Abstract：[Objective] In order to provide a scientific basis for prevention of soil erosion on slope farmlands in mountainous area of Yunnan Province, the effects of reverse-slope level terraces on soil and water conservation and soil carbon stock of slope farmland were studied. [Methods] A comparative experiment was conducted in a fixed 1 year run-off observation plot located in Yizhe watershed of Kunming Songhuaba reservoir under natural rainfall condition. Surface runoff, sediment quantity and the loss of soil organic carbon from slope farmland with and without reverse-slope level terraces(act as control) were measured. [Results] (1) As an important carrier of soil organic carbon, the loss of sediment-bonded soil organic carbon accounted for over 85% of the total organic carbon lost with runoff, and the maximum bonded loss proportion could reach 95.38%. (2) The reverse-slope level terrace performed significant effects on promoting soil and water conservation and on reducing runoff and sediment. The reduction rates of runoff and sediment by the reverse-slope level terrace were 5.56%~53.91% and 18.84%~83.11%, respectively, showing that the sediment reducing effect of reverse-slope level terrace was more prominent than that of carbon reducing effect. (3) The reduction rate of soil carbon storage of slope farmland with reverse-slope level terrace was 3.99% during the rainy season, which was significantly less than that of the control of 9.90% reduction. (4) Correlation analysis by the observations from treatment with reverse-slope level terrace and the control showed that the loss rate of soil organic carbon from slope farmland was not significantly correlated with rainfall, it was significantly correlated with erosion capacity of the rainfall(p<0.05). The runoff and sediment quantities were significantly and positively correlated with the loss rate of soil organic carbon in both of the two observation plots(p<0.05). [Conclusion] Mainly by changing micro-topography of land surface, reverse-slope level terrace had remarkable effect on reducing the output of soil organic carbon from slope farmland.

Keywords:sloping farmland; reverse-slop level terrace; runoff; sediments; soil carbon stock

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0041-06

中圖分類號：S157.9

通信作者：王克勤(1964—),男(漢族),甘肅省莊浪縣人,博士,教授,博士生導師,主要從事山區小流域環境綜合治理的理論與技術研究。E-mail:wangkeqin7389@sina.com。

收稿日期：2015-09-06修回日期：2015-09-07

資助項目：國家自然科學基金項目“微區域集水系統控制云南山區農業面源污染的機理研究”(30660037); 云南省高校優勢特色重點學科(生態學)建設項目

第一作者：陳敏全(1988—),男(漢族),內蒙古自治區包頭市人,碩士研究生,主要研究方向為水土保持生態修復研究。E-mail:chenminquan512@163.com。