小麥/玉米/大豆套作和施氮對玉米生長及氮吸收利用的影響

陳遠學，王科，趙亞妮，王佳銳，徐開未

(四川農業大學資源學院，四川 成都 611130)

小麥/玉米/大豆套作和施氮對玉米生長及氮吸收利用的影響

陳遠學*，王科，趙亞妮，王佳銳，徐開未

(四川農業大學資源學院，四川 成都 611130)

為研究小麥/玉米/大豆套作種植模式和施氮水平對玉米生長、產量及氮吸收利用規律的影響，進行了2個種植模式(玉米單作和小麥/玉米/大豆套作)和2013年3個施氮水平(0，180，360 kg/hm2)及2014年4個施氮水平(0，90，180，270 kg/hm2)的雙因素隨機區組實驗，以期揭示施氮及套作對玉米產量的影響規律，為進一步提高小麥/玉米/大豆套作體系產量提供理論依據。研究結果表明,1)在N0及N90處理下套作玉米的產量分別比單作低20.5%、7.5%，表現為套作劣勢，而在N180、N270、N360處理下，套作玉米與單作玉米產量無顯著差異。2)單/套作玉米地上部生物量在各生育時期均表現為隨施氮量的增加先增加后略有降低，干物質積累速率均在吐絲期到收獲期達到最大。相對單作，各施氮處理下小麥對套作玉米的莖稈生長均產生顯著不利影響，在拔節期套作玉米莖稈生長率比單作低12.5%，這種影響隨施氮量的增加而減小，在施氮量到達180 kg/hm2后影響不顯著。3)在N0、N90處理下，單作玉米花期氮積累量在生殖生長期更多轉運到籽粒，而在N180、N270、N360處理下，套作花期前氮積累量轉移到籽粒的比例更高。而兩種模式下均以施氮180～270 kg/hm2下氮轉運指標最優，這說明在該施氮條件下最有利于提高植株氮素轉運機能。綜上所述，適量施氮有利于穩定小麥/玉米/大豆套作種植模式中的玉米產量，提高氮的吸收轉運效率，減輕小麥對玉米生長和氮吸收利用的影響，本研究條件下，套作玉米施氮量以180 kg/hm2為宜。

生長率；氮積累；氮轉運

氮既是土壤中最活躍的營養元素，也是作物產量的主要限制因素[1]。施用氮肥是保證玉米(Zeamays)增產的重要手段，因而氮素管理在玉米生產中十分重要[2]，因此在生產中農民往往投入大量氮肥以獲得高產。

間套作能夠充分利用各種農業資源，實現土壤水分、養分、光、熱等資源的集約利用[3]。四川70%以上的玉米均為套作種植，大量研究表明小麥(Triticumaestivum)/玉米/大豆(Glycinemax)套作體系是一個可持續高產的生產體系，可以提高作物產量，促進作物養分吸收[4-5]。雍太文等[6]認為在小麥/玉米/大豆套作體系中，氮素吸收特性改變最大的是玉米，而且玉米與小麥、大豆間存在氮素雙向移動[7]。適宜的施氮量有利于提高小麥/大豆套作體系中玉米群體干物質最大增長速率和花后干物質同化量，促進花后干物質向籽粒轉運，提高籽粒產量[8]，而高氮投入則會使氮素更多滯留在營養器官中而阻礙其花后向籽粒的轉移[9]，這使得小麥/玉米/大豆套作體系比單作具有更高的氮利用效率[10]。

玉米作為小麥/玉米/大豆體系的核心作物，其生長前期受小麥的影響，后期受到大豆的影響，玉米與小麥、大豆共生期占到玉米生育期的60%以上，因而本研究以小麥/玉米/大豆體系中玉米與相同種植規格下的單作玉米為研究對象，定量比較在不同施氮量下單/套作玉米的產量、氮素吸收利用及土壤硝態氮含量變化的差異，以期探明氮肥用量及前作小麥、后作大豆對玉米生長的影響，為揭示四川套作玉米高產高效機理，進一步優化該體系氮肥用量并挖掘該體系生產力提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2012年11月-2014年11月(2013 和 2014兩季)于四川省崇州市榿泉鎮四川農業大學現代農業研發基地進行，土壤類型為水稻土，土壤質地為壤土，耕種前耕層(0～20 cm)混合土樣基礎數據見表1。

1.2 試驗材料

2013年小麥選用高抗優質品種“川麥37”，2014年選用高產優質品種“蜀麥969”，均由四川農業大學小麥研究所選育；玉米兩年均選用四川省和農業部主推優良品種“川單418”，由四川農業大學玉米研究所選育；大豆選用四川應用面積最大的秋豆品種“貢選1號”，由四川省自貢市農業科學研究所選育。試驗用氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O512% )，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60% )，均購于當地農資市場。

表1 土壤基礎數據Table 1 Soil foundation data

1.3 試驗設計

設氮肥用量和種植模式兩個因素。主因素為施氮量，2013年設3個水平，依次為純氮0、180和360 kg/hm2，2014年調整為4個水平，依次為0、90、180和270 kg/hm2，具體施肥量見表2，副因素設單作與套作兩種玉米種植方式。試驗氮肥均按底肥∶拔節肥∶穗肥=3∶3∶4施用，磷鉀肥均在移栽時一次性施用，套作玉米與單作玉米的種植規格及施肥方法完全一致。

表2 玉米氮肥用量及施用時期Table 2 Application rates and times of nitrogen fertilizer in maize kg/hm2

1.4 試驗實施

圖1 試驗布置圖Fig.1 The field experiment layout

套作玉米采用帶狀復合種植的模式，單作與套作玉米種植規格一致，小區布置見圖1。玉米種植規格均為寬行150 cm，窄行50 cm，穴距40 cm，穴植兩株，玉米密度均為52500株/hm2。套作玉米的前作為小麥，玉米寬行內種5行小麥，小麥行距20 cm，玉米與小麥邊行間距25 cm，小麥收獲后玉米套種大豆，寬行內種2行大豆，大豆行距40 cm， 穴距35 cm，密度5.72×104株/hm2，單作玉米寬行中不種作物。各處理重復3次，2013年試驗共30個小區，2014年為36個小區，小區面積5 m×6 m=30 m2。每小區3個玉米帶幅，共6行。

2012-2013年度試驗，小麥于2012年11月5日播種，玉米在2013年3月18日育苗，4月3日(二葉一心)移栽于小麥預留隙地中，單作玉米種前為空地。小麥于2013年5月3日收獲，大豆6月17日播種在前作小麥茬地，大豆不施肥。2013-2014年度試驗，小麥于2013年11月10日播種，玉米在2014年3月21日育苗，4月8日(二葉一心)移栽于小麥預留隙地中，單作玉米種前為空地。小麥于2014年5月6日收獲，大豆6月19日播種在前作小麥茬地，大豆不施肥。

施肥方法：玉米打窩施底肥，窩深15 cm左右，30%的氮和全部磷、鉀肥作底肥施于窩內，然后覆土移栽玉米苗；再于玉米拔節期追施30%的氮，于吐絲期追施40%的氮，均采用兌清水沖施于株旁。

1.5 樣品采集

兩年套作玉米均分3次采樣，分別為：拔節期(小麥收獲時)、吐絲期(種植大豆)、收獲期，單作玉米同時采樣。在既定時期內，每小區選取具有代表性5株玉米，在離地面2 cm處截斷作為地上部樣品。樣品帶回試驗室，分莖、葉、穗、籽粒、穗軸幾部分在105 ℃下殺青30 min，然后在75 ℃條件下烘干，稱重，以此為基礎折算生物量。在玉米收獲期進行實收測產。

1.6 樣品分析

玉米各次植株樣品，烘干稱重測定生物量后，按部位粉碎過0.25 mm篩，樣品經濃H2SO4-H2O2消解，以凱氏定氮法測氮，并計算玉米生長速率、養分吸收積累動態及養分吸收利用率等指標。

1.7 各指標計算公式

干物質積累速率=兩個測定時期的干物質積累量差值/間隔時間；氮素積累量=生物量×氮含量；營養器官氮素轉移量=開花期營養器官氮素積累量-成熟期營養器官氮素積累量；營養器官氮素轉移率(%)=(營養器官氮素轉移量/開花期營養器官氮素積累量)×100；營養器官氮素貢獻率(%)=(營養器官氮素轉移量/成熟期籽粒氮素積累量)×100。

所有數據用Excel 2010軟件匯總計算，DPS 14.05軟件統計分析，LSD法顯著性測驗(P<0.05)，Excel 2010軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 施氮對單/套作玉米產量的影響

從表3可以看出玉米籽粒產量差異兩年結果表現一致。在套作、單作兩種玉米種植模式下，玉米產量變化規律相似，均隨著施氮量的增加，呈現先顯著增加后略有下降的趨勢，單作與套作玉米均在施氮量為180 kg/hm2時產量達到最大。在N0、N90處理下，套作玉米產量均顯著低于單作，套作分別比單作低20.5%、7.5%，表現為套作劣勢，在施氮(N180、N360)處理下，套作玉米與單作玉米產量無顯著差異。2013年套作玉米各施氮處理平均增產量是單作的2.92倍，2014年為1.06倍，氮肥的施入對套作玉米增產效果顯著。單/套作玉米種植規格一致及施肥量一致，這說明造成產量差異的原因是套作小麥、大豆及對玉米產生的影響，在不施氮及低施氮處理下影響顯著。

表3 不同氮用量下單/套作的玉米產量Table 3 The yield of maize on sole-cropping and inter-cropping under different nitrogen rates

注：同列不同小寫字母表示同年不同氮處理間差異顯著，*表示套作、單作間差異顯著。

Note: The letters in the same column indicate the significantly different (P<0.05) between treatments for maize by LSD in a one year. * indicate the significantly different (P<0.05) between sole and intercropping maize.

2.2 施氮對單/套作玉米生物量的影響

從圖2可以看出，單/套作玉米的生物量積累規律相對一致，各時期生物量均隨施氮量的增加，表現為先增加后略有降低。在各采樣時期N0、N90處理下，單/套作玉米生物量均顯著低于N180、N270、N360處理。單作與套作玉米相比，在玉米與小麥共生期，N0、N90處理下，套作玉米生物量積累顯著低于單作，在小麥收獲后，套作玉米N0、N90處理依然顯著低于單作，N0處理2013年玉米3個生長時期套作比單作分別低14.2%、33.7%、31.8%，2014年分別低36.5%、21.2%、15.6%。在N180、N270、N360處理下，套作玉米受到小麥的影響顯著降低，各時期生物量與相同施氮量處理下的單作無顯著差異，2014年在N90處理下，套作玉米收獲期生物量比單作低6.1%，差異顯著。

圖2 不同氮用量下單/套作玉米的生物量Fig.2 The shoot biomass of maize on sole-cropping and inter-cropping under different nitrogen rates JS(拔節期)，SS(吐絲期)，MS(成熟期)，柱上小寫字母表示同一時期，同種模式不同處理間差異顯著(P<0.05)，*表示套作和單作在同一時期、同一處理下差異顯著(P<0.05)。JS： Jointing stage; SS: Spinning stage; MS: Maturity stage. The letters on the column indicate the significantly different (P<0.05) between treatments for maize by LSD at stages; * indicate significantly different (P<0.05) between sole and intercropping maize.

2.3 施氮對單/套作玉米生長率的影響

比較玉米不同部位生長率(表4)，整體來看N180、N270、N360處理下，套作與單作各階段植株生長率均無顯著差異，N0、N90處理時，均為套作低于單作，N0處理下各生長階段生長率均顯著低于單作，2013年分別低15.7%、34.8%、14.1%，2014年分別低23.5%、18.9%、13.0%。這也說明，在小麥玉米共生期內，小麥生長對玉米生長具有不利影響，而且影響的程度與玉米施氮量有關，隨著施氮量的增加，這種影響較小。從苗期到拔節期，套作莖稈平均生長率為2.4 kg/(hm2·d)，單作為2.7 kg/(hm2·d)，單作比套作高12.5%，該時期兩年各施氮處理下均有套作<單作，在N0處理下差異達到顯著，這說明小麥對玉米莖稈生長有不利影響，且缺氮會增強這種影響。相同施氮量下，單/套作玉米間葉生長率差異不顯著，在N0處理下，單/套作玉米葉生長率均顯著低于施氮處理。拔節期到吐絲期，套作莖稈平均生長率為54.7 kg/(hm2·d)，單作為59.8 kg/(hm2·d)，單作比套作高9.3%，其變化規律與苗期到拔節期相似，該時期單/套作玉米莖與葉生長率達到最大。在吐絲期到完熟期，玉米主要進行生殖生長，莖稈與葉的生長率快速降低，兩年莖稈及葉生長率均表現為:套作<單作。

2.4 施氮對單/套作玉米氮吸收積累量的影響

從表5可以看出，玉米氮積累量變化與生物量積累變化規律一致，施氮可顯著增加單/套作玉米的各時期氮積累量，N0、N90處理下套作玉米氮積累量在各生育時期均顯著低于單作，小麥生長嚴重抑制了玉米對氮素的吸收，而在N180、N270、N360處理下套作與單作玉米在各采樣時期氮積累無顯著差異，這說明中高量施氮可顯著減輕小麥對玉米氮素吸收的不利影響，緩解小麥與玉米種間的氮素競爭。施氮量可在一定程度上改變單/套作玉米不同生育時期各器官中氮素的積累，單/套作玉米間相同器官氮素積累差異較大。單/套作玉米在各采樣時期各器官的氮積累均有隨著施氮量的增加先顯著增加后無顯著差異的變化規律。N0處理下套作玉米的莖稈及葉在拔節期的氮積累分別比單作低12.1%、31.7%，2014年分別比單作低59.7%、34.1%，差異均到達顯著水平，這說明小麥的生長顯著降低了玉米莖稈及葉片對氮的吸收，2014年在N90處理下套作玉米莖稈氮積累也低于單作，但差異未到達顯著水平，這種差異在玉米吐絲期、完熟期持續存在。在N180、N270、N360處理下單/套作各器官間氮積累無顯著差異，這說明小麥對玉米莖稈及葉片的氮吸收的影響隨著玉米施氮量的增加而顯著減小。

表4 不同施氮量下單/套作玉米各部位生長率Table 4 The growth rate of parts of maize on sole-cropping and inter-cropping under different nitrogen rates kg/(hm2·d)

同列不同小寫字母表示同年不同氮處理間差異顯著，*表示套作、單作間差異顯著,下同。

The letters in the same column indicate the significantly different (P<0.05) between treatments for maize by LSD in a one year. * indicate the significantly different (P<0.05) between sole and intercropping maize, the same below.

表5 不同施氮量下單/套作玉米各部位的氮積累量Table 5 The N accumulation of parts of maize on sole and intercropping under nitrogen rates kg/hm2

2.5 施氮對單/套作玉米氮轉運效率的影響

從表6可以看出，單/套作玉米氮轉運量均為隨施氮量增加呈現先增加后降低的變化，而單/套作玉米間在不同施氮處理下氮轉運效率的差異不同。套作玉米營養器官(莖稈+鞘)氮轉運量、轉運率及對籽粒貢獻率平均值分別為27.5 kg/hm2、19.6%、25.8%，而單作為26.7 kg/hm2、17.7%、25.5%，套作營養器官氮轉運指標均高于單作。在N0及N90處理下套作莖稈平均氮轉運量、氮轉運率、氮轉運對籽粒貢獻率比單作分別低31.7%、36.3%、 46.0%，而葉片氮轉運量及氮轉運對籽粒貢獻率則比單作分別低19.6%、11.4%，而葉氮轉運率比單作高4.6%。在N180、N270、N360處理下套作莖稈平均氮轉運量、氮轉運率、氮轉運對籽粒貢獻率比單作分別高19.2%、44.4%、31.4%，而葉片則比單作分別高6.3%、8.2%、3.9%，這說明在N0、N90處理下，單作氮積累轉運能力優于套作，在N180、N270、N360處理下，套作氮轉運能力優于單作。單/套作玉米均以N180、N270處理下氮轉運指標最優，這說明在該施氮條件下最有利于提高玉米植株氮素轉運能力。

表6 不同施氮處理下單/套作玉米的葉片和莖鞘氮素轉移及對籽粒貢獻Table 6 N translocation in leaves and stem-sheathes of maize on sole-cropping and inter-cropping under different nitrogen application

3 討論

有研究表明小麥/玉米/大豆套作體系各作物之間存在氮素雙向轉移[7]，該體系3 種作物的時間(生育期周期)及空間生態位不同，再加上各作物根系的相互穿插，從而使氮素在小麥/玉米間及玉米/大豆間發生轉移，最終表現出不同的種間關系。肖焱波等[11]研究發現，小麥/蠶豆(Viciafaba)間作體系中，由于根系間的交互作用，小麥對肥料氮的吸收增加，蠶豆吸收肥料氮量下降，進而降低蠶豆帶土壤氮水平，促進蠶豆固氮。小麥/玉米/大豆套作體系中的玉米在生育期周期的前期與小麥套作，小麥收獲后單獨生長，后期又與大豆套作，玉米與小麥、大豆共生期占到玉米生育期的60%以上，這種間套作關系與北方地區玉米的單一間作體系不同。本研究結果表明，在N0及N90處理下，套作玉米各生長階段的生長速度、生物量、產量及氮素吸收積累量均顯著低于單作玉米，最終造成套作玉米顯著減產。

小麥/玉米/大豆套作體系中，當玉米施氮量90 kg/hm2時，套作玉米的氮素供應不足，玉米與套作作物小麥間有養分競爭作用，尤其是前套作物小麥對玉米帶土壤的氮素的吸收，導致玉米帶土壤硝態氮顯著下降[12]，本研究在N0及N90處理下套作玉米生長速率，特別是莖稈生長速率顯著低于單作，而氮吸收量也顯著低于單作。這說明在低氮處理下小麥顯著影響套作玉米前期的生長及對氮素的吸收，適宜的肥料的施入可以減輕小麥對玉米生長的影響[13]。玉米間作豆科作物后其植株全氮含量及土壤硝態氮含量顯著提高[14]，間作大豆也可給玉米提供一定量的氮素[15]，在小麥/玉米/大豆套作玉米生長后期，大豆的套入對玉米生長及氮素吸收可能有促進作用，本研究中在高施氮處理下(N180、N270、N360)，套作玉米比單作玉米產量略有提高，氮吸收量、生物量差異不顯著，說明充足的氮肥供應穩定了玉米土壤的氮素，減輕了小麥對套作玉米的不利影響，這使得套作玉米生長更為順利。因此該體系要通過增施氮肥來彌補種間的氮素競爭對玉米的影響。

玉米以套作或間作種植可顯著提高玉米及系統的氮吸收量及氮肥的利用效率[16-17]。單/套作玉米各生育時期生物量、氮積累量及產量均隨施氮量增加先增加后略有降低。本研究中兩種模式下玉米產量、氮收獲指數均在施氮180 kg/hm2下達到最大，說明兩種模式下氮肥對玉米的增產作用規律一致。產量形成依賴花后氮素營養轉移，文熙宸等[8]認為玉米/大豆套作體系中玉米施氮量為180 kg/hm2時有利于花前營養器官氮素向籽粒轉運和貢獻，從而獲得最佳氮肥運籌方式，本研究與其結果類似，王小春等[5]的研究也認為小麥/玉米套作條件下，玉米施氮以180 kg/hm2為最佳，在N180、N270、N360處理下，套作玉米比單作具有優越的氮素轉運能力，本研究結果表明套作體系中玉米對氮肥的利用效率優于單作，這與陳曉輝等[9]的研究結果類似，因而要發揮小麥/玉米/大豆套作體系的套作優勢，實現生產的“高產高效”，應保證該體系玉米施氮量在180 kg/hm2為最佳。

4 結論

(1)從兩年的試驗結果看，單/套作玉米產量隨施氮量的增加先增加后略有降低，兩種種植模式下玉米均在施氮量為180 kg/hm2時產量達到最大。在N0及N90處理下套作玉米的產量分別比單作低20.5%、7.5%，表現為套作劣勢，而在N180、N270、N360處理下，套作玉米與單作玉米產量無顯著差異。

(2)玉米的地上部干物質積累量，單/套作玉米各生育時期均表現為隨施氮量的增加先增加后降低，干物質積累速率均在吐絲期到收獲期達到最大。相對單作，小麥對套作玉米的莖稈生長產生顯著不利影響，在拔節期套作玉米莖稈生長率比單作低12.5%，這種影響隨施氮量的增加而減小，在施氮量到達180 kg/hm2后影響不顯著。

(3)單/套作玉米地上部氮積累量隨施氮量的增加先增加后降低。在N0、N90處理下，玉米單作種植，其花期氮積累量在生殖生長期更多轉運到籽粒，而在N180、N270、N360處理下，套作花前氮積累量轉移到籽粒的比例更高。而兩種模式下均以施氮180～270 kg/hm2下氮轉運指標最優，這說明在該施氮條件下最有利于提高植株氮素轉運機能。

綜上所述，小麥/玉米/大豆套作體系中玉米應施入足量的氮肥，才能降低小麥對玉米生長的不利影響，發揮玉米套作種植的氮轉運優勢，最終穩定該體系玉米的產量，實現生產的高產高效。本研究條件下小麥/玉米/大豆套作體系玉米的氮肥投入以180 kg/hm2為宜。

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Effects of wheat/maize/soybean intercropping and nitrogen fertilizer on growth and nitrogen uptake of maize

CHEN Yuan-Xue*, WANG Ke, ZHAO Ya-Ni, WANG Jia-Rui, XU Kai-Wei

CollegeofResourceSciences,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China

The aim of this study was to evaluate the effects of wheat/maize/soybean intercropping and nitrogen levels on maize growth and nitrogen (N) uptake. We conducted a double-factor randomized block experiment with two planting patterns (sole cropping and wheat/maize/soybean intercropping), with three N levels (0, 180, and 360 kg/ha) in 2013 and four N levels (0, 90, 180, and 270 kg/ha) in 2014. The overall aim was to determine the effect of N fertilizer and intercropping on maize yield, and then to further improve the wheat/maize/soybean intercropping system. The results showed that: 1) intercropped maize in the N0and N90treatments showed 20.5% and 7.5% lower yields, respectively, than that of sole-cropped maize (i.e., an intercropping disadvantage). In the N180, N270, and N360treatments, there was no significant difference in maize yield between the sole cropping and intercropping planting patterns. As the nitrogen supply increased, the dry matter content in maize first increased and then decreased. The maximum dry matter accumulation rate in maize was at the spinning to harvest stage. Compared with sole-cropping, intercropping significantly and negatively affected the stem growth of maize in all N treatments. The maize stem growth rate was 12.5% lower in the intercrop than in the sole crop at the jointing stage, but this effect was mitigated when the amount of N fertilizer applied was 180 kg/ha or greater. The maize biomass and N accumulation in maize were significantly lower in the intercropping system than in the sole cropping system, and N transformation from nutritional organs to the seeds was also lower in the N0and N90treatments than in the sole cropping system. In the N180, N270, and N360treatments, the maize biomass and N accumulation in maize did not differ significantly between the two cropping systems, while the N transformation rate was higher in the intercropping system than in the sole cropping system. The highest N optimum transport index was in the N180and N270treatments, indicating that these treatments were most favorable for N-transporter function. In conclusion, it is important to provide the right amount of N to provide stability to the wheat/maize/soybean relay-planting system. Optimizing the amount of N supplied can increase maize yield, improve the efficiency of N absorption and transport, and reduce the effects of the growth and N absorption of maize on wheat. Under the conditions of this study, the amount of N fertilizer required for intercropped maize was 180 kg/ha.

growth rate; nitrogen accumulation; nitrogen transshipment

10.11686/cyxb2016125

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-03-23；改回日期：2016-06-07

國家現代農業玉米產業技術體系項目(CARS-02-04)和國家自然科學基金重大國際(地方)合作項目(31210103906)資助。

陳遠學(1971-),男,重慶開縣人,博士，副教授。E-mail: cyxue11889@163.com

陳遠學, 王科, 趙亞妮, 王佳銳, 徐開未. 小麥/玉米/大豆套作和施氮對玉米生長及氮吸收利用的影響. 草業學報, 2017, 26(2): 171-179.

CHEN Yuan-Xue, WANG Ke, ZHAO Ya-Ni, WANG Jia-Rui, XU Kai-Wei. Effects of wheat/maize/soybean intercropping and nitrogen fertilizer on growth and nitrogen uptake of maize. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(2): 171-179.

*通信作者Corresponding author.