邵文奇,紀(jì) 力,孫春梅,姜曉劍,文廷剛,唐金陵,章安康,*
(1.江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇 淮安 223001; 2.淮陰師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,江蘇 淮安 223300)
不同沼液施用量對(duì)水稻生長(zhǎng)、產(chǎn)量及重金屬含量的影響
邵文奇1,紀(jì) 力1,孫春梅1,姜曉劍2,文廷剛1,唐金陵1,章安康1,*
(1.江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇 淮安 223001; 2.淮陰師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,江蘇 淮安 223300)
為探討沼液在水稻上的適宜用量用法,以規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)豬糞尿發(fā)酵的沼液作為肥源,以當(dāng)?shù)爻R?guī)化學(xué)施肥為對(duì)照,研究不同沼液用量對(duì)水稻生長(zhǎng)、產(chǎn)量、重金屬含量等的影響。結(jié)果表明:當(dāng)沼液總施用量低于750 t·hm-2時(shí),水稻株高有增加趨勢(shì),同時(shí)分蘗能力提高;當(dāng)沼液總施用量大于750 t·hm-2時(shí),株高不再增加且分蘗能力顯著(P<0.05)下降。施用沼液對(duì)葉片熒光強(qiáng)度影響較小,但不合適的沼液適用量下會(huì)對(duì)凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)等光合特性產(chǎn)生抑制作用。與傳統(tǒng)化肥處理相比較,施用沼液顯著(P<0.05)降低了水稻結(jié)實(shí)率、穗實(shí)粒數(shù)、千粒重等,但能提高總穗數(shù),沼液施用量600 t·hm-2時(shí),水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成表現(xiàn)最好。沼液施用使水稻秸稈中汞、鉻、銅、砷等重金屬含量均有不同程度增加,存在一定的重金屬風(fēng)險(xiǎn),但籽粒中重金屬含量未見增加,且符合中國(guó)食品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2012),不存在重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。綜合來(lái)看,沼液總施用量600 t·hm-2(基肥∶追肥=1∶1)較為適宜。
沼液;肥效;水稻;重金屬;食品安全
在水稻種植中,傳統(tǒng)施用化肥的方式下肥料利用率低,一般為30%~35%,需肥量多,生產(chǎn)成本高,且連年使用易導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降[1-3]。隨著現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)以及沼氣工程的快速發(fā)展,我國(guó)每年都會(huì)產(chǎn)生大量的沼液,沼液中含有多種植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分、豐富的氨基酸及各種生長(zhǎng)激素、維生素等[1,4-7],具有肥效高、易被植物吸收等優(yōu)點(diǎn)。隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展,沼液的農(nóng)業(yè)化利用也得到了越來(lái)越多研究,其中用沼液代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)肥料成為一種行之有效的利用途徑[5,8]。沼液在農(nóng)業(yè)上既可用做基肥、追肥,也可用于浸種或葉面噴施[4-5,9],在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上被視為一種良好的肥源,對(duì)提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、改良土壤都有積極的作用[2-4,6-10]。
由于農(nóng)作物的需肥特性及沼液自身的特點(diǎn),要使用沼液完全替代傳統(tǒng)化學(xué)肥料需要探索合理的施用方法,若用法用量不當(dāng),極易造成沼液利用率下降、作物生長(zhǎng)受抑、作物產(chǎn)量品質(zhì)下降等不良影響[2,11-13]。同時(shí),沼液中的有害物質(zhì),如酚、亞硝酸鹽、重金屬及有害病原菌等[3,6,14-15],也可能對(duì)作物、環(huán)境、產(chǎn)品品質(zhì)等造成不良影響。本試驗(yàn)使用沼液完全替代化學(xué)肥料,通過研究其對(duì)水稻生長(zhǎng)、稻谷產(chǎn)量及稻米中重金屬含量的影響,初步探明沼液在水稻種植中的安全用量、適宜用量等,為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù),提高沼液施用在水稻生產(chǎn)上的安全性。
試驗(yàn)于2016年在江蘇省淮安市淮陰區(qū)楊廟村進(jìn)行,供試水稻品種為粳稻淮稻5號(hào),沼液取自試驗(yàn)田附近某豬場(chǎng)。5月27日秧盤育苗,6月25日移栽,10月20日收獲。沼液、試驗(yàn)田土壤基本性狀見表1。試驗(yàn)所用復(fù)合肥為K2SO4型,N-P2O5-K2O為15%-15%-15%,總養(yǎng)分含量≥45%。試驗(yàn)所用尿素總氮(TN)含量≥46.4%,粒度介于0.85~2.80 mm。
試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理:A1,沼液總施用量450 t·hm-2(基肥150 t·hm-2,分蘗肥300 t·hm-2);A2,沼液總施用量600 t·hm-2(基肥300 t·hm-2,分蘗肥300 t·hm-2);A3,沼液總施用量750 t·hm-2(基肥450 t·hm-2,分蘗肥300 t·hm-2);A4:沼液總施用量900 t·hm-2(基肥600 t·hm-2,分蘗肥300 t·hm-2);CK,當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥,復(fù)合肥作基肥(300 kg·hm-2),尿素作分蘗肥(150 kg·hm-2)和作穗肥(225 kg·hm-2)。基肥在水稻插秧前施入,分蘗肥在6月底施入,穗肥在8月下旬施入。每一試驗(yàn)小區(qū)面積24 m2,重復(fù)3次,完全隨機(jī)區(qū)組排列。每試驗(yàn)小區(qū)所種水稻秧苗數(shù)量一致,種植間距為25 cm×12 cm,每穴4株。小區(qū)其余田間管理按常規(guī)進(jìn)行。
表1供試土壤、沼液的基本性狀
Table1Physio-chemical properties of tested soils and biogas slurry

樣品SamplepH有機(jī)質(zhì)OM/(g·kg-1)總氮TN/(g·kg-1)P2O5/(g·kg-1)K2O/(g·kg-1)Cu/(mg·kg-1)Hg/(mg·kg-1)Cr/(mg·kg-1)As/(mg·kg-1)Cd/(mg·kg-1)Pb/(mg·kg-1)土壤Soil7724401500405818002334348021482沼液Biogasslurry8137306513320290005164225056346
OM, Organic Matter. TN, Total nitrogen.
每一試驗(yàn)小區(qū)在同一行隨機(jī)連續(xù)標(biāo)記20穴水稻作為田間調(diào)查取樣點(diǎn)。水稻移栽入試驗(yàn)田小區(qū)后,分別在7月30日、8月14日、9月4日、9月24日、10月14日調(diào)查記錄分蘗數(shù)、株高,并選取植株完全展開功能葉使用LI-6400型便攜式光合測(cè)定儀測(cè)定葉片中間部位的光合強(qiáng)度、熒光度,包括葉片凈光合速率(Pn)、細(xì)胞間隙CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm),并計(jì)算PSII最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)等。水稻成熟后,在每一試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)采集20穴,考查水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量性狀,取樣送檢水稻秸稈和谷粒中重金屬含量(由江蘇中宜金大分析檢測(cè)有限公司檢測(cè),農(nóng)產(chǎn)品中鉻、鎘、鉛、砷、銅含量用ICP-MS法測(cè)定,汞含量依GB 5009.17—2014測(cè)定)。
2.1.1 對(duì)水稻株高的影響
如圖1所示,由于沼液施用量較低,養(yǎng)分不足,A1、A2處理的水稻株高在各檢測(cè)時(shí)期均顯著(P<0.05)低于其他處理。即當(dāng)沼液總施用量≤750 t·hm-2時(shí),沼液施用量的增加能夠有效增加養(yǎng)分供應(yīng),促進(jìn)植株?duì)I養(yǎng)生長(zhǎng)。A3、A4處理之間無(wú)顯著差異,說(shuō)明A3處理的沼液用量(750 t·hm-2)已能滿足水稻生長(zhǎng)所需,無(wú)須再增加沼液用量,但較高的沼液施用量(900 t·hm-2)亦未見對(duì)水稻大田生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響,可見依然處于安全使用范圍。

同一時(shí)期各柱上無(wú)相同小寫字母的表示在該時(shí)期各處理間差異顯著(P<0.05)。下同Bars marked by no same letters within the same date indicated significant difference at P<0.05. The same as below圖1 沼液施用對(duì)水稻株高的影響Fig.1 Effects of biogas slurry application on rice heights
2.1.2 對(duì)水稻分蘗動(dòng)態(tài)的影響
各處理的田間分蘗動(dòng)態(tài)如圖2所示,均在8月中旬達(dá)到分蘗高峰,之后隨著無(wú)效分蘗退化,分蘗數(shù)逐漸降低。A1處理的分蘗能力在各檢測(cè)時(shí)期均最低,說(shuō)明沼液用量水平不足,限制了水稻的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)及分蘗發(fā)生。加大沼液用量(處理A2、A3),植株分蘗能力得到提高,且高于CK處理,說(shuō)明施用沼液可以增強(qiáng)水稻的分蘗能力,并且增加有效穗數(shù)。但繼續(xù)加大沼液處理用量(處理A4)水稻分蘗能力下降,說(shuō)明過量的沼液施用反而會(huì)抑制水稻的分蘗能力。從植株分蘗能力來(lái)看,600~750 t·hm-2的沼施用量較為適合,可以增加最終成穗數(shù)。
2.1.3 對(duì)水稻葉片光合強(qiáng)度的影響
各處理在不同時(shí)期光合強(qiáng)度特性的變化如圖3所示。從凈光合速率(Pn)來(lái)看,從分蘗期到成熟期各處理均呈下降趨勢(shì)。在分蘗期(7月30日、8月14日)CK與A2無(wú)顯著差異,但均顯著高于其他3個(gè)處理;至10月14日(成熟期),各處理間Pn差異不顯著。從胞間CO2濃度(Ci)來(lái)看,各處理在抽穗期(9月4日)達(dá)到高峰后隨之下降,7月30日(分蘗期)各處理間均呈現(xiàn)顯著(P<0.05)差異,CK最低,然后隨著沼液施用量的增加而不斷增加,在抽穗期(9月4日)A4處理顯著(P<0.05)高于其他處理,但A1、A2、A3、CK之間差異不顯著。從蒸騰速率(Tr)來(lái)看,各處理在生育期內(nèi)呈平穩(wěn)下降趨勢(shì),在9月4—24日(抽穗—揚(yáng)花期),CK、A2、A3處理間無(wú)顯著差異,但均顯著高于A1、A4處理。從氣孔導(dǎo)度(Gs)來(lái)看,各處理整體呈先下降后增加趨勢(shì),總體上以CK處理高于施用沼液的處理。

圖2 沼液施用對(duì)水稻分蘗的影響Fig.2 Effects of biogas slurry application on rice tillers number

圖3 沼液施用對(duì)水稻劍葉光合特性的影響Fig.3 Effects of biogas slurry application on photosynthetic characteristics of rice flag leaves
2.1.4 對(duì)水稻熒光強(qiáng)度的影響
各處理在不同時(shí)期熒光參數(shù)的變化如圖4所示。初始熒光(F0)在整個(gè)生育期內(nèi)無(wú)規(guī)律性變化,且波動(dòng)幅度較小,CK處理在分蘗盛期(8月14日)F0較低,但在成熟期時(shí)顯著(P<0.05)高于其他處理,沼液施用量較高的處理(A3、A4)在抽穗期及揚(yáng)花期F0顯著(P<0.05)高于A1、A2,但在灌漿成熟期下降明顯。各處理最大熒光(Fm)在生育期較為平穩(wěn),無(wú)明顯波動(dòng),在不同生育期內(nèi)均無(wú)顯著差異。PSII最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)隨生育進(jìn)程先逐漸增加后減小,在分蘗盛期和抽穗期CK、A2、A3顯著(P<0.05)高于A1、A4,說(shuō)明沼液施用不足及沼液施用過多會(huì)降低Fv/Fm,但在揚(yáng)花期及灌漿成熟期各處理間Fv/Fm已無(wú)顯著差異。非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)隨生育進(jìn)程有逐漸降低趨勢(shì),各處理在不同生育期均無(wú)顯著差異。
沼液施用對(duì)水稻最終產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成均產(chǎn)生了顯著影響(表2)。從穗數(shù)來(lái)看,適量的沼液施用(A2、A3)相較CK可以顯著(P<0.05)提高最終成穗數(shù),但沼液施用不足(A1)及施用過量(A4)對(duì)成穗數(shù)有抑制作用。整體來(lái)看,施用沼液對(duì)穗總粒數(shù)影響不大,僅A4處理顯著(P<0.05)低于CK,其他處理間無(wú)顯著差異,但卻顯著(P<0.05)降低了水稻結(jié)實(shí)率、千粒重和穗實(shí)粒數(shù)。施用沼液代替化肥雖然能夠增加最終成穗數(shù),但對(duì)結(jié)實(shí)率及千粒重產(chǎn)生了顯著的負(fù)面影響,在最終的產(chǎn)量上與CK相比并無(wú)優(yōu)勢(shì),A2、A3產(chǎn)量雖然高于CK,但差異不顯著,當(dāng)沼液施用量不足(A1處理)或施用量過大時(shí)(A4處理),水稻產(chǎn)量顯著(P<0.05)低于CK。
2.3.1 水稻秸稈中重金屬含量
施用沼液后,水稻秸稈中Hg、Cr、Cu、As含量均不同程度增加,而Cd含量則不同程度下降(表3)。當(dāng)沼液施用量不超過750 t·hm-2時(shí),水稻秸稈中Pb含量與CK無(wú)顯著差別,但施用900 t·hm-2的沼液(A4)時(shí),Pb含量顯著(P<0.05)上升。這些結(jié)果表明,施用沼液條件下水稻植株存在一定的重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。由于本試驗(yàn)僅研究了1 a的沼液施用對(duì)植株體內(nèi)重金屬含量的影響,對(duì)于連年沼液施用條件下水稻秸稈的重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)還需進(jìn)一步研究與評(píng)估。

圖4 沼液施用對(duì)水稻劍葉熒光特性的影響Fig.4 Effects of biogas slurry application on fluorescence characteristics of rice flag leaves
表2沼液施用對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響
Table2Effects of biogas slurry application on yield and yield components of rice

處理Treatment穗數(shù)SN/(104·hm-2)穗總粒數(shù)GN穗實(shí)粒數(shù)FGN結(jié)實(shí)率SSR/%千粒重TGW/g產(chǎn)量Yield/(kg·hm-2)CK2721cd1247a1136a911a284a8787aA12863c1230ab1037b843c269c7997bA23343a1222ab1034b846bc270c9356aA33130b1218ab1052b863c275b9070aA42596d1212b1034b853bc273b7349c
表中同列數(shù)據(jù)后無(wú)相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。
Values followed by no same letters indicated significant difference atP<0.05. The same as below. SN, Spike number; GN, Grain number per panicle; FGN, Filled grain number per panicle; SSR, Seed setting rate; TGW,1 000-grain weigh. The same as below.
表3沼液施用對(duì)水稻秸稈中重金屬含量的影響
Table3Effects of biogas slurry application on heavy metals contents in rice straw

處理TreatmentHg/(μg·kg-1)Cr/(mg·kg-1)Cu/(mg·kg-1)As/(mg·kg-1)Cd/(mg·kg-1)Pb/(mg·kg-1)CK7163c84c747c0746d0152a0397bA18224b189a851b0892c0129b0381bA210351a163b856b0997b0098c0377bA39976a196a898b1004b0100c0377bA410167a170b1110a1357a0124b0532a
2.3.2 水稻籽粒中重金屬含量
如表4所示,沼液施用條件下,水稻籽粒中重金屬Cu含量有增加趨勢(shì),且隨著沼液用量增大,水稻籽粒中Cu含量相應(yīng)升高。當(dāng)沼液施用量為600~750 t·hm-2,籽粒中Pb含量顯著(P<0.05)高于CK;當(dāng)沼液施用量為900 t·hm-2時(shí),籽粒中Pb含量顯著(P<0.05)低于CK。籽粒中其他重金屬(Hg、Cr、As、Cd)的含量并未隨沼液施用增加而顯著高于CK,不少處理?xiàng)l件下甚至有顯著降低籽粒中重金屬含量的作用。對(duì)照中國(guó)食品重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2012)中對(duì)大米的規(guī)定,各處理的水稻籽粒中重金屬含量均符合相應(yīng)要求,不存在重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。
表4沼液施用對(duì)水稻籽粒中重金屬含量的影響
Table4Effects of biogas slurry application on heavy metals contents in rice grain

處理TreatmentHg/(μg·kg-1)Cr/(mg·kg-1)Cu/(mg·kg-1)As/(mg·kg-1)Cd/(mg·kg-1)Pb/(mg·kg-1)CK339a289a416b0130a0024a0083bA1227c287a420b0117b0020b0081bA2346a216b468a0116b0020b0091aA3252b235b468a0116b0019b0092aA4277b216b499a0119b0019b0069c
沼液中含有豐富的有機(jī)質(zhì),能為水稻提供生長(zhǎng)所需的各種養(yǎng)分,且肥效高、易吸收。研究表明[2,11],施用沼液能夠明顯促進(jìn)水稻分蘗和生長(zhǎng),有效提高水稻籽粒產(chǎn)量和秸稈生物量,這與本研究結(jié)果一致。但本研究顯示,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意沼液施用量的合理選擇。當(dāng)沼液總施用量低于750 t·hm-2時(shí),施用沼液能夠增加水稻株高,增強(qiáng)分蘗能力,葉片寬大濃綠;當(dāng)施用量大于750 t·hm-2時(shí),株高不再增加,且分蘗能力顯著下降。另外,施用沼液雖對(duì)植株葉片的熒光強(qiáng)度影響較小,但對(duì)凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)等光合特性可能產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng),這將直接影響水稻產(chǎn)量性狀及稻米品質(zhì)。如在本試驗(yàn)中,相較于施用化學(xué)肥料的對(duì)照,施用沼液的水稻結(jié)實(shí)率、每穗實(shí)粒數(shù)、千粒重均下降。張進(jìn)等[2]、王慧霞等[6]也指出,沼液的用法用量不當(dāng)易造成作物生長(zhǎng)受抑制、產(chǎn)量品質(zhì)下降等不良影響。本研究結(jié)果與此一致,但結(jié)果也表明,合理施用沼液可以降低沼液對(duì)產(chǎn)量性狀的負(fù)面影響,并大幅提高總穗數(shù),從而使最終產(chǎn)量得到保障,甚至可能增加。
在重金屬含量方面,本研究顯示,沼液施用使水稻秸稈中汞、鉻、銅、砷等重金屬含量均有不同程度增加,與黃繼川等[11]、史一鳴[16]的研究結(jié)論不同。這可能與沼液施用量水平或與水稻品種有關(guān),同時(shí)也說(shuō)明,在沼液作農(nóng)業(yè)肥料化利用時(shí)應(yīng)密切關(guān)注重金屬含量的變化情況。本研究條件下,重金屬含量在籽粒中的情況與上述二者研究結(jié)果相似,沼液施用并未顯著增大水稻籽粒中重金屬(汞、鉻、砷、鎘)的含量,且水稻籽粒中重金屬(汞、鉻、銅、砷、鎘、鉛)含量符合食品中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2012),未發(fā)現(xiàn)沼液施用條件下稻米重金屬超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。
本試驗(yàn)只就沼液施用對(duì)水稻生長(zhǎng)、產(chǎn)量、重金屬等的影響作了探索。綜合來(lái)看,在本試驗(yàn)條件下,沼液總施用量以600 t·hm-2(基肥∶追肥=1∶1)較為適宜。研究表明,長(zhǎng)期施用沼液對(duì)土壤氮素殘留、氨揮發(fā)等也有不同程度影響[17-19],而本研究并未涉及沼液施用對(duì)土壤質(zhì)量等的影響。在今后的研究中,除應(yīng)關(guān)注沼液施用所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益外,還需考慮其對(duì)環(huán)境的影響。
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Effectsofapplicationrateofbiogasslurryongrowth,grainyieldandheavymetalscontentsofrice
SHAO Wenqi1, JI Li1, SUN Chunmei1, JIANG Xiaojian2, WEN Tinggang1, TANG Jinling1, ZHANG Ankang1,*
(1.HuaiyinInstituteofAgriculturalSciencesofXuhuaiRegioninJiangsu,Huai’an223001,China; 2.SchoolofLifeSciences,HuaiyinNormalUniversity,Huai’an223300,China)
To investigate the appropriate application rate and method of biogas slurry on rice, the pig manure from large-scale farms was fermented as fertilizer in the experiment to study the effects of different application rate of biogas slurry on rice growth, yield and heavy metals concentrations. It was shown that when the total amount of biogas slurry was below 750 t·hm-2, the height and tillering ability of rice were improved, while the height no longer increased and tillering ability significantly (P<0.05) decreased when the application amount was above 750 t·hm-2. The application of biogas slurry had little effect on the fluorescence intensity of rice leaf, but inhibited the photosynthetic intensity, such as net photosynthesis rate, stomatal conductance, transpiration rate. Compared with conventional fertilizer treatment, the biogas slurry treatments significantly (P<0.05) decreased rice seed setting rate, filled grain number per panicle and 1 000-grain weight, yet increased the total spike number. The application rate of 600 t·hm-2was appropriate to improve rice yield and its components. However, the biogas slurry treatments had potential risks for heavy metals accumulation in rice straw, as the contents of heavy metals such as Hg, Cr, Cu, As were increased in rice straw compared with conventional fertilizer. But, this risk was not found in grains. Furthermore, the contents of heavy metals in grain had no significant changes and were all met with the national standard of GB 2762-2012. In general, the application of 600 t·hm-2biogas slurry (basic fertilizer∶topdressing=1∶1) was appropriate for rice production.
biogas slurry; fertilizer effect; rice; heavy metal; food security
浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)ActaAgriculturaeZhejiangensis, 2017,29(12): 1963-1969
http://www.zjnyxb.cn
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10.3969/j.issn.1004-1524.2017.12.02
2017-05-27
江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[CX(16)1003-10]
邵文奇(1985—),男,江蘇淮安人,碩士,副研究員,主要從事土壤肥料、作物栽培等方面的研究。E-mail:wqshao1103@sina.com
*通信作者,章安康,E-mail: 2530326440@qq.com
S145.2
A
1004-1524(2017)12-1963-07
(責(zé)任編輯高 峻)