基于稻麥輪作農田土壤鋅累積的豬糞安全施用量

孫國峰，盛 婧，張麗萍，周 煒，陳留根，鄭建初

（江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所/江蘇省農業科學院循環農業研究中心，南京 210014）

基于稻麥輪作農田土壤鋅累積的豬糞安全施用量

孫國峰，盛 婧，張麗萍，周 煒，陳留根，鄭建初*

（江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所/江蘇省農業科學院循環農業研究中心，南京 210014）

【目的】針對江蘇省規模養殖廢棄物超排，嚴重引起環境污染且資源大量浪費的突出問題，開展了稻麥農田豬糞有機肥替代化肥后耕層土壤重金屬 Zn 的變化特征研究，并基于耕層土壤 Zn 累積速率探討了豬糞有機肥安全施用量，為規模養豬場有機肥安全利用技術推廣提供科學依據。【方法】采用田間定位試驗方法，根據稻麥兩熟制農田豬糞有機肥用量，設對照 (CK)、化肥 (CF)、25% 豬糞 + 75% 化肥 (25%PM)、50% 豬糞 + 50%化肥 (50%PM)、75% 豬糞 + 25% 化肥 (75%PM)、100% 豬糞 (100%PM)、125% 豬糞 (125%PM) 和 200% 豬糞(200%PM)，共 8 個處理，每個處理 3 次重復。在 2013 和 2014 年水稻收獲期，分 0—10 cm 和 10—20 cm 兩個土層采集 5 點混合土壤樣品。采用 HF–HNO3–HClO4消煮和 DTPA 浸提—原子吸收分光光度法分別測定土壤總Zn 和有效態 Zn 含量，分析不同量豬糞有機肥施用后土壤總 Zn 和有效態 Zn 的變化特征和累積速率。根據農業安全生產二級標準，結合不同豬糞有機肥施用量的耕層土壤總 Zn 年累積速率，分析稻麥農田豬糞有機肥可安全施用年限。【結果】稻麥農田豬糞有機肥施用后第 3、4 年水稻收獲期，0—10 cm 和 10—20 cm 土層總 Zn 和有效態 Zn 含量，以及總 Zn 和有效態 Zn 的累積速率，均隨著豬糞有機肥施用比例提高呈線性增加趨勢。2014年水稻收獲期，不同豬糞有機肥處理耕層 0—10 cm 土壤總 Zn 和有效態 Zn 含量的變化范圍分別為 91.1～236.5和 8.9～49.4 mg/kg，年累積速率變化范圍分別為 6.6～42.9 和 1.9～2.0 mg/(kg·a)，即耕層土壤年累積的有效態Zn 含量占總 Zn 含量的比例為 28.0%～31.3%。由耕層 0—10 cm 土壤總 Zn 的年累積速率可知，稻麥農田豬糞有機肥可安全施用年限隨著豬糞有機肥施用比例提高呈現乘冪方程的降低趨勢。在農業安全生產二級標準內 50 年尺度上豬糞有機肥氮替代比例為 11.1%～12.5%，20 年尺度上豬糞有機肥氮替代比例為 33.6%～35.5%。【結論】豬糞有機肥連續施用后，稻麥兩熟農田耕層土壤 Zn 存在累積效應，并隨著豬糞有機肥施用量增加呈線性增強的趨勢。基于該定位試驗的耕層土壤總 Zn 累積速率，建議短期豬糞有機肥氮替代率不超過 35%，中長期豬糞有機肥氮替代率不超過 12.5%。

有機肥；鋅；累積速率；替代率；安全用量

隨著我國畜禽規模化養殖的快速發展，畜禽糞便排放量已高達每年 3.2 × 109t[1]，成為農業面源污染的重要來源之一。據報道，2013 年江蘇規模養殖在畜禽生產中的主體地位基本確立，如生豬、肉禽、蛋禽和奶牛規模養殖占畜禽生產的比例分別為85%、96%、93% 和 93%。江蘇畜禽糞便排泄量達5.3 × 107t，利用率不到 60%，N、P、K 養分浪費量分別達到了 1.43 × 105、9.1 × 104和 1.2 × 105t，如將這些資源利用，可為 3.33 × 105hm2農田提供肥料[2]，又可減少或避免規模養殖廢棄物直接排放的環境污染風險，對促進農牧結合、高效循環低碳農業技術的推廣應用具有十分重要的意義。有機肥化肥配合施用有利于作物穩產高產、改良土壤理化性質、提高土壤肥力和肥料利用率[3]。然而，伴隨飼料添加劑的普遍使用，已造成規模化養殖場畜禽糞便重金屬鋅等元素含量超標嚴重[4]。據調查，規模豬場產生的豬糞中鋅含量范圍在 71.3～8710 mg/kg 之間，平均含量約為 1012.8 mg/kg[5–7]，其中豬糞鋅含量超標率達58.6% 以上[4,7]。已有研究表明，連續大量施用畜禽糞便，土壤重金屬鋅等元素會有明顯的累積趨勢[8–11]，并對土壤中重金屬鋅等元素的有效性[12–14]及其形態轉化[15–17]有顯著影響；作物可食部位鋅等元素含量也會有所提高[17]，其影響大小與有機肥種類、用量、土壤類型、pH 值和作物種類等因素有關[19]。另外，土壤中有害重金屬積累到一定程度，不僅會導致土壤退化、農作物產量和品質下降，而且還會通過徑流、淋失作用污染地表水和地下水，并可能直接毒害植物或通過食物鏈途徑危害人體健康[20]。目前國內外關于農田土壤重金屬鋅的累積特征研究較多，但在豬糞有機肥定量施用條件下重金屬鋅年累積速率及其用量控制方面的研究不夠。本試驗以稻麥兩熟制農田為研究對象，研究不同豬糞有機肥施用量條件下土壤總鋅和有效態鋅含量的變化規律及其年累積速率，并依此探討稻麥兩熟農田豬糞有機肥適宜的施用量，為規模養豬場有機肥安全利用技術推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗始于 2010 年 11 月，在江蘇省農業科學院六合實驗基地 (32°29′N，118°36′E) 進行。該區屬亞熱帶季風濕潤氣候區，氣候溫和、四季分明，年平均溫度 15.3℃，年平均降雨量 970 mm，年日照時數2200 h，年平均無霜期 215 天，該區主要為冬小麥–水稻輪作的一年兩熟制。

試驗田土壤類型屬黃馬肝土，耕層為重壤土。試驗前耕層 (0—20 cm) 土壤容重 1.38 g/cm3、有機質12.1 g/kg、全氮 0.91 g/kg、全磷 0.55 g/kg、速效鉀105.6 mg/kg、總鋅 66.8 mg/kg、有效態鋅1.60 mg/kg。

豬糞有機肥來源于江蘇省明天農牧科技有限公司，位于江蘇省南京市六合區竹鎮鎮金磁村。麥季豬糞有機肥平均含 N 2.0%、P2O52.6% 和 K2O 0.8%；稻季豬糞有機肥平均含 N 1.7%、P2O52.7% 和 K2O 1.4%；豬糞有機肥含總鋅 893.5 mg/kg、有效態鋅183.5 mg/kg。

1.2 試驗設計

采用隨機區組設計，根據豬糞有機肥用量，設置：1) 不施肥 (CK)；2) 化肥 (CF)；3) 25% 豬糞 + 75% 化肥 (25%PM，其中 25% 豬糞作基肥施用)；4) 50% 豬糞 + 50% 化肥 (50%PM，其中 50% 豬糞作基肥施用)；5) 75% 豬糞 + 25% 化肥 (75%PM，其中60% 豬糞作基肥、15% 豬糞 + 25% 化肥做穗肥施用)；6) 100% 豬糞 (100%PM，按基肥∶穗肥為 6∶4 分兩次施用)；7) 125% 豬糞 (125%PM，按基肥∶穗肥為6∶4 分兩次施用)；8) 200% 豬糞 (200% PM，按基肥∶穗肥為 6∶4 分兩次施用)，共 8 個處理，3 次重復。選用當地主推品種‘寧麥 16’、‘南粳 44’ 為供試材料。耕作方式為旋耕，耕層厚度為 10—12 cm。施肥量以化肥處理為參照，麥季施純氮 225 kg/hm2，磷(P2O5)、鉀 (K2O) 均為 112.5 kg/hm2，稻季施純氮 300 kg/hm2，磷 (P2O5)、鉀 (K2O) 均為 150 kg/hm2，處理1) 至處理 6) 均施用等量氮，處理 7) 施氮量為化肥處理的 1.25 倍，處理 8) 施氮量為化肥處理的 2 倍。根據測定的豬糞養分含量，按氮含量計算 100% 豬糞處理，麥季、稻季豬糞施用量分別為 11.17、18.05 t/hm2(干重)，磷鉀肥不足時分別用過磷酸鈣 (12%) 和氯化鉀 (60%) 補齊。麥季氮肥按基肥∶穗肥比例 6∶4，磷鉀肥于耕作前作基肥一次撒施；稻季氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥比例 4∶2∶4 施用，磷肥于耕作前作基肥一次撒施，鉀肥作基肥和穗肥兩次施用，每次 50%。其他田間管理措施按當地一般高產農田管理方式進行。

1.3 樣品采集與分析

在 2013 和 2014 年水稻收獲時，采集 5 點混合樣品，各處理中 3 次重復單獨采樣。分 0—10 cm 和10—20 cm 共 2 個層次采集土壤，帶回實驗室自然風干后，剔除石礫及植物殘茬等雜物，過篩后待測。

采用 HF–HNO3–HClO4消煮和 DTPA 浸提(NY/T890–2004) —原子吸收分光光度法分別測定土壤總 Zn 和有效態 Zn 含量。

1.4 數據分析

采用 Office 2013 和 SPSS10.0 軟件進行數據處理及作圖，用 LSD 法進行處理間多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同豬糞有機肥施用量對土壤總 Zn 含量的影響

水稻收獲期，土壤總鋅含量隨著豬糞有機肥施用比例提高呈線性增加趨勢 (圖 1)。2013 和 2014 年水稻收獲期，耕層 0—10 cm 土壤總鋅含量與豬糞有機肥施用比例的關系可分別用線性方程 y2013= 0.5312x + 76.721 和 y2014= 0.8359x + 70.65 來擬合，決定系數 (R2) 分別為 0.9456 和 0.9935 (n = 7)；下層10—20 cm 土壤總鋅含量與豬糞有機肥施用比例的關系可分別用線性方程 y2013= 0.1518x + 72.411 和 y2014= 0.3574x + 65.552 來擬合，R2分別為 0.9324 和 0.963 (n = 7)，均達到顯著水平。具體來看，2013 和 2014年水稻收獲期，不同豬糞有機肥處理耕層 0—10 cm土壤總鋅含量變化范圍分別為 84.5～174.8mg/kg 和91.1～236.5 mg/kg，即不同量豬糞有機肥施用后第 3至 4 年耕層 0—10 cm 土壤總鋅含量的增加幅度為6.6～61.7 mg/kg；10—20 cm 土壤總鋅含量變化范圍分別為 73.5～99.7mg/kg 和 71.9～137.2 mg/kg，即不同量豬糞有機肥施用后第 3 至 4 年下層 10—20 cm土壤總鋅含量的增加幅度為 –1.5～37.5 mg/kg。可見，連續大量施用豬糞有機肥，土壤總鋅含量存在明顯的累積現象，尤其是耕層 0—10 cm 土壤總鋅含量增加幅度較大。

2.2 不同豬糞有機肥施用量對土壤有效態 Zn 含量的影響

水稻收獲期，土壤有效態鋅與總鋅含量變化規律一致，均隨著豬糞有機肥施用比例提高呈線性增加趨勢 (圖 2)。2013 和 2014 年水稻收獲期，耕層0—10 cm 土壤有效態鋅含量與豬糞有機肥施用比例的關系可分別用線性方程 y2013= 0.1292x + 5.84 和 y2014= 0.2357x + 3.5832 來擬合，R2分別為 0.819 和 0.9872 (n = 7)；10—20 cm 土壤有效態鋅含量與豬糞有機肥施用比例的關系可分別用線性方程 y2013= 0.0406x + 2.794 和 y2014= 0.0884x+ 0.7464 來擬合，R2分別為 0.8767 和 0.939 (n = 7)，均達到顯著水平。具體來看，2013 和 2014 年水稻收獲期，不同豬糞有機肥處理耕層 0—10 cm 土壤有效態鋅含量變化范圍分別為 5.9～27.5 和 8.9～49.4 mg/kg，即不同量豬糞有機肥施用后第 3 至 4 年耕層 0—10 cm 土壤有效態鋅含量的增加幅度為 3.0～21.9 mg/kg；10—20 cm 土壤有效態鋅含量變化范圍分別為 3.0～10.1 和 2.1～19.2 mg/kg，即不同量豬糞有機肥施用后第 3 至 4 年10—20 cm 土壤有效態鋅含量的增加幅度為–0.9～9.2 mg/kg。可見，連續大量施用豬糞有機肥，土壤有效態鋅含量存在明顯的累積現象，尤其是耕層 0—10cm 土壤有效態鋅含量累積速度較快。

圖1 0—10 cm 和 10—20 cm 土壤總 Zn 與豬糞有機肥施用比例的關系Fig.1 Relationship between total zinc and application ratio of pig manure in 0–10 cm and 10–20 cm soil layers

圖2 0—10 cm 和 10—20 cm 土壤有效態 Zn 與豬糞有機肥施用比例的關系Fig.2 Relationship between available zinc and application ratio of pig manure in 0–10 cm and 10–20 cm soil layers

2.3 不同豬糞有機肥處理耕層土壤 Zn 年累積速率

水稻收獲期，耕層 0—10 cm 土壤總鋅和有效態鋅年累積速率，均隨著豬糞有機肥施用比例提高呈線性增加趨勢 (圖 3)。2013 和 2014 年水稻收獲期，以化肥處理總鋅含量 (66.1 和 64.9 mg/kg) 為基準，耕層 0—10 cm 土壤總鋅年累積速率與豬糞有機肥施用比例的關系可分別用線性方程 y2013= 0.1595x + 5.8028 和 y2014= 0.2018x + 2.3714 來擬合，R2分別為0.9452 和 0.9946 (n = 6)；以化肥處理有效態鋅含量(1.60 和 1.31 mg/kg) 為基準，耕層 0—10 cm 土壤有效態 Zn 年累積速率與豬糞有機肥施用比例的關系可分別用線性方程 y2013= 0.036x + 2.3219 和 y2014= 0.0561x + 0.9357 來擬合，R2分別為 0.7614 和 0.9888 (n = 6)，均達到顯著水平。具體來看，2013 和 2014年水稻收獲期，各豬糞有機肥處理耕層 0—10 cm 土壤總鋅年累積速率的變化范圍分別為 6.1～36.2 和6.6～42.9 mg/(kg·a)，即年季間變異范圍在 0.01～6.7 mg/(kg·a) 之間，占 0.02%～15.6%；土壤有效態鋅年累積速率變化范圍分別為 1.4～8.6 和 1.9～12.0 mg/(kg·a)，即年季間變異范圍在 0.2～3.4 mg/(kg·a)之間，占 2.9%～28.1%。另外，2013 和 2014 年水稻收獲期，各豬糞有機肥處理耕層 0—10 cm 土壤年累積的有效態鋅含量占總鋅含量的比例分別為23.2%～32.2% 和 28.0%～31.3%。由此可見，就耕層土壤鋅年累積速率而言，各豬糞有機肥處理年際間差異不大，其中耕層土壤總鋅年累積速率相對穩定。

圖3 耕層 0—10 cm 土壤總 Zn 和有效態 Zn 年累積速率與豬糞有機肥施用比例的關系Fig.3 Relationship between total and available zinc accumulation rate and application ratio of pig manure in 0–10 cm soil layer

2.4 基于土壤 Zn 累積的豬糞有機肥施用量

根據農業安全生產標準 (二級標準)，pH 值在6.5～7.5 之間的水田耕層土壤鋅含量不超過 250 mg/kg，結合不同豬糞有機肥施用量處理耕層土壤總鋅年累積速率可知，豬糞有機肥可安全施用年限隨著豬糞有機肥施用比例提高呈現降低的趨勢。2013和 2014 年水稻收獲期，豬糞有機肥可安全施用年限與其施用比例的關系可分別用乘冪方程 y2013= 363.48x–0.825和 y2014= 455.8x–0.876來擬合，R2分別為 0.9553 和0.9925 (n = 6)，均達到顯著水平 (圖 4)。根據擬合方程，在農業安全生產標準內 50 年尺度上豬糞有機肥氮替代比例為 11.1%～12.5%，20 年尺度上豬糞有機肥氮替代比例為 33.6%～35.5%。為此，基于本試驗的耕層土壤鋅累積效應，建議短期豬糞有機肥氮替代比例不超過 35%，中長期豬糞有機肥氮替代比例不超過 12.5%。

圖4 豬糞有機肥可施用年限與施用比例的關系Fig.4 Relationship between safety application age limit and application ratio of pig manure

3 討論

畜牧養殖業配方飼料添加鋅等微量元素較為普遍，由于畜禽對添加劑中的微量元素吸收利用率通常較低，這些微量元素大部分隨糞便排出，故畜禽糞便有機肥料還田已成為農田重金屬主要污染源之一[4,10]。國內外研究表明，經常施用豬糞能夠增加土壤表層鋅含量[11,19,21–23]。本研究表明，連續施用不同量豬糞有機肥后第 3、4 年水稻收獲期，土壤總鋅和有效態鋅含量均隨著豬糞有機肥施用比例提高呈線性增加趨勢。這與前人研究結果一致。Lipoth 和Schoenau[14]研究發現，長期施用有機肥會造成土壤中有效態 Zn 含量的增加。姚麗賢等[13]研究表明，施用糞肥明顯提高了土壤中有效態鋅的含量及其所占的比例。本研究也發現，水稻收獲期各豬糞有機肥處理土壤有效態鋅占總鋅的比例為 6.9%～20.9%，顯著 (P ＜ 0.05) 高于不施肥 (有效態鋅占 1.9%～2.1%)和化肥 (有效態鋅占 2.0%～2.4%) 處理，這與王開峰等[23]報道一致，主要是由于豬糞有機肥本身帶入了有效態鋅的緣故。

從源頭上控制農田土壤重金屬污染是農業可持續發展和保障農產品質量安全的首要措施。國內外關于有機肥使用量及其重金屬含量控制方面有些報道。如李祖章等[11]通過定位試驗研究指出，每年稻田施用 15 t/hm2豬糞有機肥 + 50% 化肥配合施用，一般不會造成農田土壤有害重金屬元素的積累。柳開樓等[24]按照 22.5 t/(hm2·a) 豬糞施用量的土壤 Cu、Zn、Cr 和 As 等累積速率推算，連續施用豬糞 50 年尺度上紅壤稻田豬糞最多施用量應最多不超過 6.40 t/(hm2·a)。Yang 等[25]對試驗點進行環境容量年限分析，若按照 45 t/hm2的量投入有機肥，連續施用 15年將達到土壤容量標準。本研究根據豬糞有機肥可安全施用年限與其施用比例的乘冪擬合方程，基于耕層土壤鋅年累積速率，在農業安全生產二級標準內 50 年和 20 年尺度上豬糞有機肥氮替代比例的變化范圍分別為 11.1%～12.5% 和 33.6%～35.5%，折算豬糞有機肥施用量分別為 3.2～3.7 和 9.8～10.4 t/(hm2·a)。這在 50 年尺度上豬糞有機肥施用量顯著低于柳開樓等[24]研究結果，20 年尺度上豬糞有機肥施用量也顯著低于李祖章等[11]研究結果，這可能與氣候條件、土壤類型、種植模式等因素有關。另外，上述水稻收獲期，不同豬糞有機肥施用量處理耕層 0—10 cm 土壤總鋅年累積速率的變化范圍為6.13～42.9 mg/(hm2·a)，有效態鋅年累積速率的變化范圍為 1.42～12.0 mg/(hm2·a)。為此，基于本試驗的耕層土壤總鋅累積效應，建議稻麥兩熟農田短期豬糞有機肥氮替代比例不超過 35%，即豬糞有機肥年施用量不超過 10.2 t/(hm2·a)；中長期豬糞有機肥氮替代比例不超過 12.5%，即豬糞有機肥年施用量不超過3.7 t/(hm2·a)。

4 結論

水稻收獲期，耕層土壤總鋅和有效態鋅含量，以及總鋅和有效態鋅年累積速率，均隨著豬糞有機肥施用比例提高呈線性增加趨勢。豬糞有機肥可安全施用年限，隨著豬糞有機肥施用比例提高呈現乘冪方程的降低趨勢，其中耕層土壤總鋅累積速率為豬糞有機肥安全利用的重要限制因子之一。基于水稻收獲期耕層土壤總鋅累積速率，在農業安全生產二級標準內 50 年尺度上豬糞有機肥氮替代比例為11.1%～12.5%，20 年尺度上豬糞有機肥氮替代比例為 33.6%～35.5%。為此，基于本試驗的耕層土壤鋅累積效應，建議短期豬糞有機肥氮替代比例不超過35%，中長期豬糞有機肥氮替代比例不超過 12.5%。

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Safety dosage of pig manure based on zinc accumulation in rice and wheat rotated farmland

SUN Guo-feng, SHENG Jing, ZHANG Li-ping, ZHOU Wei, CHEN Liu-gen, ZHENG Jian-chu*
( Institute of Agricultural Resources and Environments/Circular Agriculture Research Center, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China )

【Objectives】In order to solve the outstanding problem of waste ultra-discharge by scale aquaculture in Jiangsu province, which caused serious environmental pollution and massive waste of nutrient resources, the characteristic changes of heavy metal zinc of soil were studied after chemical fertilizer replaced by pig manure, in addition, pig manure application amount of security was discussed based on tilth soil zinc accumulation rate. The results will provide theoretical basis for popularization and application of pig manure security technique in the scale pig farms.【Methods】A field experiment was conducted with different dosages of pig manure on rice and wheat rotated farmland. Eight treatments were designed: control (CK), chemical fertilizer (CF), 25% pigmanure and 75% chemical fertilizer (25% PM), 50% pig manure and 50% chemical fertilizer (50% PM), 75% pig manure and 25% chemical fertilizer (75% PM), 100% pig manure (100% PM), 125% pig manure (125% PM), 200% pig manure (200% PM), and each treatment was repeated three times. Soil samples were taken in the 0–10 cm and 10–20 cm soil layers in the rice harvest period in 2013 and 2014 respectively. The contents of total and available zinc were determined by atomic absorption spectrometry after HF-HNO3-HClO4heating digestion method and DTPA extraction method respectively to analyze the characteristic changes and accumulation rate of total and available zinc under different dosage of pig manure. The analysis of the safety application age limit of pig manure application was according to the secondary standard of agricultural safety production combined with the total zinc annual accumulation rate of different dosages of pig manure in the 0–10 cm soil layer.【Results】The content and accumulation rate of total and effective zinc showed a linearly increase with the increased application ratio of pig manure in the 0–10 cm and 10–20 cm soil layers on rice harvest during the first 3–4 years. The contents of total and effective zinc were 91.1–236.5 and 8.9–49.4 mg/kg, and the accumulation rate of total and effective zinc were 6.6–42.9 and 1.9–12.0 mg/(kg·a) in the 0–10 cm soil layer under different pig manure treatments in 2014, respectively. The percentage of accumulation content of effective zinc varied from 28.0% to 31.3% of accumulation content of total zinc in the arable soil layer. By accumulation rate of total zinc, the safety application dosage limit of pig manure showed a decreasing trend of power equation with the increased application ratio of pig manure in the 0–10 cm soil layer. The replacement ratios of pig manure nitrogen were 11.1%–12.5% in 50 years scale, and 33.6%–35.5% in 20 years scale according to the secondary standard of agricultural production.【Conclusions】The cumulative effect of zinc existed due to use of pig manure, and a linearly increasing trend is observed with the increased ratios of pig manure in the arable soil layer on rice and wheat rotated farmland. Based on accumulation rate of soil zinc, it is suggested that the replacement ratios of pig manure nitrogen are less than 35% for short-term use, and within 12.5% for medium-and long-term use in the practical use.

manure; Zinc; accumulation rate; replacement ratio; safety dosage

2016–06–28接受日期：2016–09–27

農業部公益性行業（農業）科研專項（201203050-2）資助。

孫國峰（1982—），男，江蘇泗洪人，副研究員，博士，主要從事農牧結合與耕層構建方面研究。E-mail：sgf515@163.com

* 通信作者 E-mail：zjc@jaas.ac.cn