不同保墑耕作措施對小麥、玉米耗水特征及周年水分利用的影響

楊永輝，武繼承，張潔梅，潘曉瑩，王 越，何 方，韓偉鋒

(1.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2.農業部作物高效用水原陽科學觀測實驗站，河南 原陽 453514)

不同保墑耕作措施對小麥、玉米耗水特征及周年水分利用的影響

楊永輝1，2，武繼承1，2，張潔梅1，2，潘曉瑩1，2，王 越1，2，何 方1，2，韓偉鋒1，2

(1.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2.農業部作物高效用水原陽科學觀測實驗站，河南 原陽 453514)

為探明土壤結構改良與保墑耕作措施對小麥、玉米周年水分利用的作用機制。采用田間試驗，研究了常規耕作、秸稈還田、保水劑、有機肥、免耕、深松、深松+秸稈覆蓋等措施對小麥、玉米生長過程中的耗水特征、光合特征及周年水分利用的影響。結果表明：深松+秸稈覆蓋在小麥生育期內儲水量較高。從小麥播種-返青期，深松+秸稈覆蓋處理的耗水量最低。而在返青-拔節期，該處理最大，而其在孕穗-抽穗期的耗水量卻最低。在拔節-孕穗期，保水劑處理的耗水量最大，而在抽穗-灌漿期，其耗水量最小。在灌漿-收獲期，秸稈還田和保水劑處理的耗水量較其他處理低。在玉米整個生育期內，保水劑和免耕處理的耗水量較其他處理低。不同措施改善了小麥和玉米的光合生理特征，促進了小麥、玉米產量和水分利用率的提高。各處理中，以免耕處理的小麥產量和水分生產效率最高，分布較常規耕作提高了18.3%和20.0%。以秸稈還田處理的玉米產量和水分生產效率最高，分別較常規耕作提高了21.6%和23.8%。而深松處理的小麥-玉米復合產量最高，其次為免耕處理，其分別較常規耕作處理增產14.9%和14.3%。而深松+秸稈覆蓋處理和免耕處理的總水分生產效率較其他處理高，分別較常規耕作處理提高了18.5%和18.1%。說明深松和免耕處理更利于小麥、玉米周年節水增產。

土壤結構改良；保墑耕作；小麥；玉米；耗水特征；周年水分利用

水資源緊缺是限制農業生產的主要因素之一，采用合理的耕作或保墑措施，可改善土壤水分環境，緩解因水分不足對作物造成的傷害。如秸稈覆蓋可減少土面蒸發，增強土壤的蓄水保墑能力[1]。趙小蓉等[2]研究表明，秸稈覆蓋后土壤含水率比不覆蓋高17.7%～75.9%，小麥產量比不覆蓋處理增產6.3%～19.5%，且比翻耕覆蓋增產3.2%～8.0%。宋淑亞等[3]研究結果顯示，旱作玉米農田使用地膜覆蓋有較好的保墑增產效果。而免耕施肥播種、深松與表土作業等保護性耕作技術，可節水保墑、增加土壤有機質、改良土壤結構[4]，增強土壤微生物活性，降低干旱脅迫對作物的傷害[5]，且能夠促進土壤肥力的提高[6]和改善土壤孔隙[7]，從而有利于作物正常生長[8]。劉定輝等[9]研究表明，秸稈還田與免耕結合可改善耕層土壤孔隙和土壤結構，有利于土壤持水能力和蓄水量的提高。有機肥能夠增加土壤有機質含量，改善土壤結構，促進土壤蓄水保墑，提高作物產量和水分利用率[10]。同時，有機肥與有機無機肥結合施用，可改善土壤團粒結構及其穩定性[11]，從而有利于水分在土壤中的保持，改善土壤水分環境。同時，有機糞肥可提高土壤有機質含量[12]，改善土壤結構，促進土壤蓄水保墑。而施用適量的保水劑，能夠改善土壤結構與孔隙狀況[13]，且具有保水保肥，減少土壤蒸發，提高作物抗旱能力等作用[14-15]。在砂質潮土區，楊永輝等[16]在潮土區采用不同耕作與保墑措施，初步研究了小麥、玉米周年水分利用特征，且發現深松增產節水效果最佳。但在褐土旱作區，小麥-玉米輪作生長過程中不同耕作與保墑措施對小麥、玉米光合生理特征、周年水分利用特征以及不同措施的疊加效應如何，需要深入研究。因此，為揭示褐土旱作區土壤結構改良與保墑耕作措施下小麥、玉米周年水分利用特征，探討不同措施對小麥、玉米生長、產量及水分利用的影響，篩選提高作物水分高效利用的技術與模式，實現節水、增產及土壤環境的協調發展，開展此項研究，旨在為褐土旱作區的水資源高效利用和可持續發展提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗設置在河南省禹州試驗基地(113°03′～113°39′E，33°59′～34°24′N)進行，海拔高度116.1 m，多年平均降水量674.9 mm，其中60%以上的降雨量集中在夏季，存在較嚴重的春旱、伏旱和秋旱；土壤為褐土，土壤母質為黃土性物質，該地區地勢平坦，肥力均勻，耕層有機質含量12.3 g/kg，全氮含量0.80 g/kg，水解氮含量47.82 mg/kg，速效磷含量6.66 mg/kg，速效鉀含量114.8 mg/kg。為小麥-玉米輪作區。小麥品種為周麥22，玉米品種為鄭單958。

1.2 試驗設計

試驗共設置7個處理：常規耕作(CK)；秸稈還田(小麥單季秸稈直接全部還田旋耕，JG)；保水劑(聚丙烯酰胺類，施用量為60 kg/hm2，SAP)；有機肥(雞糞，750 kg/hm2，YJF)；免耕(小麥、玉米播種時均免耕，MG)；深松(深度30 cm，SF)；深松(深度30 cm)+秸稈覆蓋(4 500 kg/hm2，S+J)。肥料采用N25P15K15復合型肥料，在小麥播種時一次性底施。除深松處理外，其他處理耕作深度為15 cm。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 光合參數測定 光合參數采用美國Li-Cor公司生產的Li-6400光合儀進行測定。于小麥拔節期、抽穗期、灌漿期和玉米小喇叭口期、抽雄期、灌漿期選擇晴朗無風的天氣于9：30-11：00進行光合參數的測定。

測定葉片部位： 小麥在拔節期為最新全展葉，抽穗期和灌漿期為旗葉，玉米在小喇叭口期為最新全展葉，抽穗期和灌漿期為穗位葉。

測定參數：凈光合速率(Pn，μmol/(m2·s))、蒸騰速率(Tr，mmol (m2·s))。

葉片水分利用效率WUE (μmol/mmol)計算公式[17-18]：

WUE = Pn/Tr

①

1.3.2 產量計算小麥收獲時以每小區收獲4 m2記產，玉米收獲時以每小區3行玉米記產，將其產量折合成每公頃產量。

1.3.3 水分生產效率計算 水分生產效率(kg/(mm·hm2))=籽粒產量(kg/hm2)/生育期耗水量(mm)

②

生育期耗水量(mm)=播種前(某生育期)0～100 cm土層土壤儲水量(mm)+生育期內降雨(mm)-(某生育時期)收獲時0～100 cm土層土壤儲水量(mm)

③

1.4 數據處理

試驗光合各參數值均為9次重復(每處理3個重復內分別測定3個樣品)的算術平均值，其他結果為3次重復的算術平均值，且所得的數據應用統計學及相關的數理統計軟件(SPSS)進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同措施下小麥不同生育時期儲水特征

從圖1可以看出，隨小麥生育期的推進，土壤的儲水量表現為先增再降的趨勢。除小麥孕穗期、抽穗期SAP處理和拔節期SF處理以及灌漿期JG處理的儲水量低于CK處理外，不同措施均提高了土壤的儲水量。在返青期，S+J處理的土壤儲水量最高，其次為JG處理、SAP處理和YJF處理，CK處理最低。在拔節期，以JG處理最高，其次為S+J處理，SF處理最低。在孕穗期以后到灌漿期，S+J處理的土壤儲水量最高，其次為YJF處理和MG處理。到小麥收獲時，仍以S+J處理最高，其次為YJF處理和JG處理，CK處理最低。說明，深松+秸稈覆蓋(S+J)更有效地保存了小麥生育過程中的水分，有利于作物的生長。

圖中不同字母表示LSD檢驗差異顯著(P<0.05)。圖2，5-6同。

2.2 不同措施下小麥不同生育階段耗水特征

從圖2可以看出，播種-返青期的耗水量最大，其次為抽穗期-灌漿期，灌漿期-收獲期，孕穗期-抽穗期，返青期-拔節期，拔節期-孕穗期耗水量最低。在播種-返青期，CK處理耗水量明顯高于其他處理，其次為SF處理和MG處理，S+J處理最低。說明，在小麥播種-返青期，田間土壤水分損失主要以棵間蒸發為主，而深松結合秸稈覆蓋處理更利于水分的保持。在返青期-拔節期，S+J處理的小麥耗水量顯著大于其他處理，CK處理的小麥耗水量最低。在拔節期-孕穗期，SAP處理的耗水量顯著高于其他處理，其次為JG處理，其他處理的耗水量均明顯低于CK處理。在孕穗期-抽穗期，S+J處理的耗水量最低，其次為YJF處理，SAP和SF處理的小麥耗水量均高于CK處理。在抽穗期-灌漿期，SAP處理的小麥耗水量最小，其次為SF處理和S+J處理，JG處理的耗水量最大。在灌漿期-收獲期，除JG處理和SAP處理外，其他處理的小麥耗水量均高于CK處理。在小麥全生育期，不同措施的耗水量均低于CK處理，而全生育期的降雨量不能滿足小麥對水分的需求，必須利用土壤中儲存的水分才能維持小麥正常生長。

圖2 不同措施對小麥不同生育階段耗水特征的影響

2.3 不同措施下小麥不同生育時期光合生理特征

不同措施對小麥的光合生理特征產生重要影響。從圖3可以看出，抽穗期的凈光合速率和蒸騰速率均最大，其次為灌漿期，拔節期最低。CK處理的凈光合速率和蒸騰速率均低于其他處理。在拔節期和抽穗期，JG處理和SAP處理的凈光合速率和蒸騰速率均較其他處理高，而JG處理在灌漿期的凈光合速率也仍較高，但其蒸騰速率明顯低于其他處理(CK處理除外)。YJF處理的光合速率隨生育期的推進而增大，且YJF處理在灌漿期的凈光合速率均高于其他處理，但在該時期，其蒸騰速率居中。SF處理的凈光合速率和蒸騰速率居中，而S+J處理較低。

圖3 不同措施對小麥不同生育時期光合速率和蒸騰速率的影響

從圖4可以看出，隨小麥生育期的推進，其葉片水分利用效率均降低。在拔節期，以S+J處理的葉片水分利用效率高于其他處理，其次為JG處理和MG處理，SF處理最低。到抽穗期和灌漿期，JG處理和S+J處理的葉片水分利用效率較高，而以MG處理最低。說明，深松+秸稈覆蓋(S+J)和秸稈還田(JG)更利于提高葉片水分利用效率。

2.4 不同措施下小麥成產要素、產量及水分利用特征

從表1可以看出，不同措施均提高了小麥的穗長、小穗數、穗粒數、千粒質量。S+J處理促進了小麥小穗數的顯著提高；而YJF更利于提高小麥的穗長和穗粒數；SAP處理對于小麥千粒質量的提高更為有效。最終小麥產量以MG處理最高，其較CK增產18.3%，其次為SF和YJF處理，其他處理居中。水分生產效率仍以MG處理最高，較CK提高了20.0%，其次為S+J處理、YJF處理、SF處理、JG處理和SAP處理，CK處理水分利用效率最低。

圖4 不同措施對小麥不同生育時期葉片水分利用效率的影響

處理Treatment穗長/cmPaniclelength小穗數/穗Numberofpanicle穗粒數/粒Grainsnumberperpanicle不孕穗/個Sterileear千粒質量/g1000-grainquality產量/(kg/hm2)Yield水分生產效率/(kg/(mm·hm2))WaterproductionefficiencyCK8.5b20.1d41.0f3.1c41.6e7592.6f17.5cJG9.7a21.8ab43.6d2.8c48.5a8027.8e19.2bSAP9.7a21.8ab44.7cd3.3c49.1a8101.9d18.8bYJF9.9a20.5cd45.5bc3.2c48.5a8388.9c20.8aMG8.9b21.2bc48.4a4.3b46.5b8981.5a21.0aSF9.2ab22.0a44.1d3.0c45.5c8703.7b20.4aS+J8.8b22.2a42.0e6.6a42.5d8166.7d20.9a

注：同一列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。表2-3同。

Note：Different small letters in the same column mean significant difference among treatments at 0.05 level (LSD test).The same as Tab.2-3.

2.5 不同措施下玉米不同生育時期儲水特征

從圖5可以看出，隨玉米生育期的推進，其土壤儲水量降低。在小喇叭口期，以S+J處理的土壤儲水量最高，其他處理間差異較小，但均顯著高于CK處理。在抽雄期，以MG處理的土壤儲水量最高，其次為S+J處理、JG處理和SF處理，其他處理居中，CK處理最小。在灌漿期，SF處理、S+J處理及MG處理的土壤儲水量顯著高于其他處理，JG處理最小。在收獲期，以MG處理的土壤儲水量最高，其次為S+J處理、JG處理和SAP處理。全生育期，深松+秸稈覆蓋和免耕處理更能有效提高土壤的儲水量。

圖5 不同措施對玉米不同生育時期儲水量的影響

2.6 不同措施下玉米不同生育階段期耗水特征

從圖6可以看出，隨玉米生育期的推進，其耗水量表現為先增加再降低的趨勢。播種-小喇叭口期的玉米耗水量明顯低于其他生育階段，且該時期的降雨量遠高于玉米的耗水量，以SAP處理耗水量最低。在小喇叭期-抽雄期，除YJF處理的耗水量最高外，其他處理均明顯低于CK處理，尤其是MG處理。在抽穗期-灌漿期，不同措施的玉米耗水量均高于CK處理。到灌漿期-收獲期，除SF處理外，其他處理的玉米耗水量均低于CK處理。在玉米全生育期，CK處理的耗水量最高，而SAP處理和MG處理的耗水量顯著低于其他處理。說明，保水劑和免耕處理更為有效地減少了玉米全生育期的水分消耗。在玉米全生育期內的降雨量高于玉米的耗水量，多余的降水能儲存于土壤中以供下茬小麥的生長。

圖6 不同措施對玉米不同生育時期耗水特征的影響

2.7 不同措施下玉米不同生育期光合生理特征

從圖7可以看出，隨玉米生育期的推進，其凈光合速率降低，蒸騰速率除JG處理和S處理在灌漿期提高外，其他處理均降低。在拔節期，S+J處理的玉米凈光合速率和蒸騰速率均最高，其次為SF處理，MG處理和CK處理最低。在抽雄期和灌漿期，SAP處理和SF處理的凈光合速率高于其他處理，S+J處理居中。而MG處理在抽雄期的蒸騰速率最高，其次為S+J處理，SAP處理和SF處理最低。但到灌漿期，SAP處理和SF處理提高。說明，SAP處理和SF處理能夠提高玉米的凈光合速率，且可減少其蒸騰速率，從而有利于水分利用潛力的提高。

從圖8可以看出，隨生育期的推進，玉米的葉片水分利用效率表現為先增加再降低的趨勢。CK處理在玉米不同生育期均低于其他處理。在小剌叭口期，YJF處理的葉片水分利用效率最高，其次為JG處理、MG處理、SF處理、S+J處理及SAP處理。在抽雄期，SF處理最高，其次為JG處理、SAP處理、YJF處理、MG處理和S+J處理。到灌漿期，SAP處理的葉片水分利用效率最高，其次為YJF處理，其他處理居中。說明保水劑和有機肥更利于玉米后期碳水化合物的合成和干物質的積累。

2.8 不同措施下玉米成產要素、產量及水分利用特征

從表2可以看出，不同措施實施后，有效提高了玉米的行數、雙行粒數、穗粗及百粒質量，最終提高了玉米的產量和水分生產效率。各處理中，以JG處理產量最高，較CK增產21.6%，其次為SAP處理、S+J處理、MG處理和SF處理，YJF處理較低，但仍高于CK處理。而水分生產效率仍以JG處理最高，較CK處理提高了23.8%，其次為SAP處理、S+J處理、MG處理和SF處理，YJF處理較低，且仍高于CK處理。

圖8 不同措施對玉米不同生育期葉片水分利用效率的影響

處理Treat-ment行數/行Numberofrows雙行粒數/粒Doublerowgrainnumber穗粗/cmSpikewidth有效穗長/cmEffectivepaniclelength莖粗/cmStemdiameter百粒質量/g100grainsquality產量/(kg/hm2)Yield水分生產效率/(kg/(mm·hm2))WaterproductionefficiencyCK14.8b72.4e15.6c16.6d2.6a25.0e6484.5d18.5dJG15.2a78.8b17.2a16.8d2.6a27.3c7882.1a22.9aSAP15.2a77.2b16.9ab17.6cd2.5a26.4d7509.1b22.7aYJF15.2a80.4a17.0ab19.0a2.5a30.0a6955.1c20.1cMG15.2a81.2a17.2a18.6ab2.6a29.5a7110.7c21.6bSF14.4b74.4cd17.3a18.0bc2.4a29.9a7466.2b21.5bS+J15.6a73.2de16.6b16.6d2.6a28.9b7533.7b21.7b

2.9 不同措施下小麥、玉米周年產量及水分利用特征

不同措施對小麥、玉米總產量及水分利用的影響見表3。SF處理的小麥-玉米復合產量高于其他處理，其次為MG處理，其分別較CK處理增產14.9%和14.3%。而總耗水量以S+J處理處理最低，其次為YJF處理和MG處理，CK處理耗水量最高。不同處理中，以S+J處理和MG處理的總水分生產效率較其他處理高，分別較CK處理提高了18.5%和18.1%。說明，采用深松和進行適當免耕有利于促進周年水分利用的提高。

表3 不同措施對小麥-玉米周年產量及水分利用的影響

3 結論與討論

不同耕作與保墑措施主要是通過改善農田土壤的有機質、土壤孔隙[7，13]、土壤結構來調節水氣在土壤界面的交換，從而影響農田中的土壤水分狀況來調節作物地上和地下部分的生長，減緩外界不利條件對作物造成的傷害，促進作物穩產、增產[19]，提高水分利用率[20]。而不同措施對小麥、玉米周年水分調控及利用特征產生重要影響。

本研究發現，在小麥和玉米生長過程中，其儲水量均表現為逐漸降低的趨勢。在小麥全生育期，深松+秸稈覆蓋處理的儲水量最高。在小麥全生育期，不同措施的總耗水量均低于普通耕作處理，且全生育期的降雨量不能滿足小麥對水分的需求，必須利用土壤中的水分才能維持小麥正常生長。在玉米全生育期，深松+秸稈覆蓋和免耕處理更能有效提高土壤的儲水量。而保水劑和免耕處理更能有效地減少玉米全生育期的水分消耗，且在玉米全生育期內的降雨量高于玉米的耗水量，多余的降水能儲存于土壤中以供下茬小麥的生長。

不同措施改善了土壤的水分狀況，其作物生理特征也得到了改善[21-22]。在壤質潮土區，深松更利于小麥光合生理特征的改善[23]。而對于旱作褐土區，本研究發現，在小麥拔節期和抽穗期，秸稈還田處理和保水劑處理的光合速率和蒸騰速率均高于其他處理。在灌漿期，有機肥處理的光合速率和蒸騰速率均高于其他處理。隨小麥生育期的推進，其葉片水分利用效率均降低。在拔節期，以深松+秸稈覆蓋處理的葉片水分利用效率高于其他處理。到抽穗期和灌漿期，秸稈還田處理和深松+秸稈覆蓋處理的葉片水分利用效率較高。而對于玉米光合生理特征而言，保水劑和深松處理利于玉米光合速率的提高，而降低了其蒸騰速率，因此其葉片水分利用率提高。在小喇叭口期，有機肥處理更利于葉片水分利用效率的提高，其次為秸稈還田處理。在抽雄期，深松處理葉片水分利用效率最高，其次為秸稈還田處理。到灌漿期，保水劑處理的葉片水分利用效率最高，其次為有機肥處理。

不同耕作保墑措施對于土壤水分調控及作物生理特征的改善，有利于作物的生長和產量與水分生產效率的提高。王維等[24]研究表明，深松和免耕或二者輪耕均利于旱地小麥后期光合能力的提高，促進小麥增產、節水。而本研究發現，小麥產量以免耕處理最高，其較普通耕作增產18.3%，其次為深松和有機肥處理。水分生產效率仍以免耕處理最高，較普通耕作提高了20.0%，其次為深松+秸稈覆蓋處理和有機肥處理，普通耕作處理最低。玉米產量以秸稈還田處理產量和水分生產效率均最高，分別較普通耕作提高了21.6%和23.8%。說明，小麥秸稈還田對于后茬玉米生長產生重要的影響，其在玉米生長季節能夠更為有效地減少水分蒸發，改善土壤水分環境，促進其生長和水分的利用。

對于小麥、玉米周年的產量和水分利用生產效率而言。以深松處理的總產量最高，這與楊永輝等[16]在砂質潮土區得到的結果一致。其次為免耕處理，分別較普通耕作處理增產14.9%和14.3%。以深松+秸稈覆蓋和免耕處理的水分生產效率高于其他處理，分別較普通耕作處理提高18.5%和18.1%。說明，采用深松和進行適當免耕有利于小麥周年產量和水分利用的提高。

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Effects of Different Tillage Measures Maintaining Soil Moisture on Water Consumption Characteristics and Anniversary Water Utilization for Wheat and Maize

YANG Yonghui1，2，WU Jicheng1，2，ZHANG Jiemei1，2，PAN Xiaoying1，2，WANG Yue1，2，HE Fang1，2，HAN Weifeng1，2

(1.Institute of Plant Nutrition & Resource Environment，Henan Academy of Agricultural Sciences，Zhengzhou 450002，China； 2.Scientific Observing and Experimental Station of Crop Water Use of Yuanyang，Ministry of Agriculture，Yuanyang 453514，China)

To ascertain the mechanisms of anniversary water usage of wheat and maize under the measures of soil structure improvement and tillage measures for soil moisture conservation，a field experiment was conducted to determine the water consumption characteristics，photosynthetic characteristics and annual water use of wheat and maize.The treatments included conventional tillage，straw returning，super absorbent polymer (SAP)，organic fertilizer，no-tillage，deep loosening and deep loosening plus straw mulching.The results showed that the soil water storage of deep loosening plus straw mulching treatment was the highest compared with other treatments in whole wheat growth period，while the water consumption of it was the lowest from sowing to re-greening stage.From re-greening to jointing stage，wheat water consumption of deep loosening plus straw mulching treatment was the highest，while it was the lowest from booting to heading.From jointing to booting stage，water consumption of SAP treatment was the highest，but from heading to filling stage，it was the lowest.From filling to harvest stage，the water consumption of straw returning and SAP treatments were significantly lower than that of conventional tillage.In the whole growth period of maize，water consumption of SAP and no-tillage treatments were lower than that of other treatments.Different measures could improve the photosynthetic characteristics and yield and water use of wheat and maize.Of all treatments，the yield and water production efficiency of wheat in no-tillage treatment was the highest，increased by 18.3% and 20.0% respectively，compared with conventional tillage treatment.While yield and water production efficiency of maize was the highest，increased by 21.6% and 23.8% respectively compared with the conventional tillage.The composite yield of wheat and maize of deep loosening treatment was the highest，followed by no-tillage treatment， increased by 14.9% and 14.3% respectively compared with conventional tillage treatment.While the total water production efficiency of deep tillage plus straw mulching and no-tillage treatments were higher than other treatments，increased by 18.5% and 18.1% respectively compared with the conventional tillage treatment.It was concluded that deep tillage and no-tillage were more conducive to increase of anniversary water utilization and yield of wheat and maize.

Soil structure improvement； Conservation tillage； Wheat； Maize； Water consumption characteristics； Anniversary water use

2017-03-24

國家自然科學基金項目(U1404404)；河南省農業科學院優秀青年科技基金項目(2016YQ12)；國家“863”計劃項目(2013AA102904-2)；國家科技支撐計劃項目(2013BAD07B07)

楊永輝(1978-)，男，陜西西安人，副研究員，博士，主要從事節水農業研究。

S152.7

A

1000-7091(2017)03-0103-08

10.7668/hbnxb.2017.03.016