不同輪作模式對高寒黑土區土壤養分及馬鈴薯產量的影響

摘要 ［目的］研究不同輪作模式對高寒黑土區土壤養分及馬鈴薯產量的影響。［方法］設置6個種植模式進行田間定位試驗，分別為2年輪作的馬鈴薯-小麥-甜菜-馬鈴薯（St-Ta-Bv-St）和馬鈴薯-水飛薊-小麥-馬鈴薯（St-Sm-Ta-St）；3年輪作的小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯（Ta-Bv-Ta-St），油菜-小麥-甜菜-馬鈴薯（Bn-Ta-Bv-St）和小麥-油菜-大麥-馬鈴薯（Ta-Bn-Hv-St）；馬鈴薯2年連作的油菜-小麥-馬鈴薯-馬鈴薯（CK）。［結果］與CK相比，不同輪作模式對0～20 cm土層有機質、總氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均有促進作用，Ta-Bv-Ta-St土壤有機質、全鉀、速效磷和速效鉀含量較CK顯著提高82.22%、123.89%、140.08%和20.06%；Bn-Ta-Bv-St土壤全氮和堿解氮含量較CK顯著提高72.78%和37.95%。不同輪作模式均提高了馬鈴薯產量，其中Ta-Bv-Ta-St產量最高（58.02 t/hm2）。不同輪作處理馬鈴薯商品薯率均極顯著高于CK，其中，Ta-Bn-Hv-St商品薯率最高，為88.76%。馬鈴薯產量與土壤有機質和全鉀呈顯著正相關（P＜0.05），與速效鉀呈極顯著正相關（P＜0.01）。［結論］Ta-Bv-Ta-St、St-Sm-Ta-St與Ta-Bn-Hv-St輪作模式較其他處理更能改善土壤環境，提高馬鈴薯產量，適宜在高寒黑土區推廣，其中Ta-Bv-Ta-St對提高馬鈴薯高產高效栽培技術效果最為顯著。

關鍵詞 高寒黑土區；輪作；土壤養分；馬鈴薯產量

中圖分類號 S532 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2025）06-0149-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.06.034

Effects of Different Crop Rotation Patterns on Soil Nutrients and Potato Yield in Alpine Black Soil Areas

WANG Zi-yi HAN Wei2， QI Bei1 et al

（1. Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010019;2. Snowvalley Agricultural Group Limited Liability Company， Zhangjiakou， Hebei 075000）

Abstract ［Objective］ To study the effects of different crop rotation patterns on soil nutrients and potato yield in the alpine black soil area. ［Method］ 6 treatments were set as potato-wheat-beet-potato （St-Ta-Bv-St）， potato-water thistle-wheat-potato （St-Sm-Ta-St）;wheat-beet-wheat-potato （Ta-Bv-Ta-St）， oilseed rape-wheat-beet-potato （Bn-Ta-Bv-St）， wheat-oilseed rape-barley-potato （Ta-Bn-Hv-St）;oilseed rape-wheat-potato-potato （CK）. ［Result］ Compared with CK， different crop rotation patterns promoted the content of organic matter， total nitrogen， total phosphorus， total potassium， alkaline dissolved nitrogen， quick-acting phosphorus and quick-acting phosphorus in the 0-20 cm soil layer. The Ta-Bv-Ta-St treatment had a significant promotion of soil nutrients， and the content of soil organic matter， total potassium and quick-acting nutrients was significantly increased compared with CK by 82.22%， 123.89%， 140.08% and 20.06%;Bn-Ta-Bv-St treatment was the second highest， soil total nitrogen and alkaline dissolved nitrogen content significantly increased by 72.78% and 37.95% compared with CK. Different crop rotation patterns significantly improved potato yields compared with CK， and Ta-Bv-Ta-St treatment had the highest yield of 58.02 t/hm2. There were highly significant differences in the commercial potato yields of different crop rotation patterns， with Ta-Bn-Hv-St treatment having the highest commercial potato yield of 88.76%. Potato yield was significantly and positively correlated with soil organic matter and total potassium （Plt;0.05）， and highly significant and positively correlated with quick-acting potassium （Plt;0.01）.［Conclusion］ Ta-Bv-Ta-St， St-Sm-Ta-St and Ta-Bn-Hv-St crop rotation patterns are more capable of improving the soil environment and potato yield than other treatments， and are suitable for popularisation in the alpine black soil area， among which Ta-Bv-Ta-St was more effective in improving the high-yield and high-efficiency cultivation technology of potato.

Key words Alpine black soil area;Crop rotations;Soil nutrients;Potato yield

黑土地被譽為“耕地中的大熊貓”，在保障國家糧食安全方面具有重要的戰略地位，我國東北高寒黑土區擁有全球最為珍稀的黑土資源［1］。近些年來，我國黑土區面臨著一系列生態環境問題，如土壤侵蝕加劇、黑土層變薄、土壤養分流失、種植結構失衡等，嚴重影響黑土區耕地資源的可持續利用［2-3］。輪作具有提高土壤養分含量、增加微生物群落多樣性、降低病蟲害影響、改善土壤理化性質［4-7］、促進作物生長發育［8-9］等優點，是實現國家糧食安全和黑土地保護重大戰略目標的途徑之一［10-12］。

目前，輪作在馬鈴薯生產中具有巨大的生態和經濟效益。熊湖等［13］指出通過輪作可以提高土壤酶活性，加速土壤中速效養分轉化，促進馬鈴薯植株生長發育，從而緩解長期連作對馬鈴薯的脅迫作用。劉高遠等［14］的研究表明，輪作、連作處理后土壤中氮含量差異明顯，其中輪作能夠提高土壤中氮含量，從而提高土壤肥力。研究表明輪作還可以提高土壤中有效磷含量［15-16］。鉀是作物連作障礙因子之一［17］，土壤速效鉀含量對作物的生長發育有較大影響，在農業生產中常因土壤鉀含量低下而造成作物減產，采用不同作物輪作可以較好地解決該問題，如馬鈴薯-雙季稻輪作可以使土壤鉀含量維持在較穩定的狀態［18］。作物合理輪作也能夠提高土壤有機質含量，改善土壤肥力［19-21］。

該研究以高寒黑土區大興安嶺西麓為研究區，探究不同輪作模式對土壤養分及馬鈴薯產量的影響。該區是國際公認的馬鈴薯最佳種植帶。土壤以黑鈣土和草甸土為主，結構良好、質地疏松，非常適宜馬鈴薯種薯的生產，馬鈴薯產業已發展成為當地重要的支柱產業。開展高寒黑土區作物輪作研究，對于實現黑土區耕地資源可持續利用，推進糧食安全和質量興農戰略實施具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內蒙古自治區呼倫貝爾市海拉爾區哈克鎮下轄社區謝爾塔拉農牧場（49°25′N，119°57′E），屬寒溫帶大陸性季風氣候，無霜期90～100 d，年平均氣溫-2.1 ℃左右，晝夜溫差大，年均降水量300 mm左右，降水主要集中在7—９月，≥10 ℃的有效積溫為2 100 ℃左右。

1.2 試驗材料

所有參試馬鈴薯品種為費烏瑞它，種薯級別為原種，由內蒙古坤元太和農業科技有限公司提供。

1.3 試驗設計

采用大田試驗，受無霜期限制，當地大面積種植的作物主要為小麥（Ta）、甜菜（Bv）、油菜（Bn）、水飛薊（Sm）、大麥（Hv）與馬鈴薯（St），根據當地種植模式，設置6種處理，分別為2年輪作的馬鈴薯-小麥-甜菜-馬鈴薯（St-Ta-Bv-St）和馬鈴薯-水飛薊-小麥-馬鈴薯（St-Sm-Ta-St）；3年輪作的小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯（Ta-Bv-Ta-St），油菜-小麥-甜菜-馬鈴薯（Bn-Ta-Bv-St）和小麥-油菜-大麥-馬鈴薯（Ta-Bn-Hv-St）；馬鈴薯2年連作的油菜-小麥-馬鈴薯-馬鈴薯（CK）。于2022年5月初播種馬鈴薯，株距25 cm，行距90 cm，施肥量、耕作措施、田間管理遵從當地種植習慣。

1.4 測定項目及方法

土壤養分指標：于秋季作物收獲前取土樣，采用隨機取樣法，采集耕層0～20 cm土壤樣品，各處理混合、風干后過2 mm篩，備用。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法－外加熱法測定；全氮采用凱氏定氮法測定；全磷采用鉬銻藍比色法測定；全鉀采用原子吸收分光光度計法測定；堿解氮采用擴散吸收法測定；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提－鉬銻藍比色法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定［22］。

產量測定：收獲期每個小區隨機取3點，每點取2 m2進行產量及結薯個數測定。薯塊質量大于150 g的為商品薯，商品薯率（%）=商品薯總質量/總薯塊質量×100，分別統計單薯質量大于150 g、50～150 g和小于50 g的薯塊個數，每個處理重復3次。

1.5 數據分析

該試驗數據均采用Excel 2016和SPSS 27.0軟件對數據進行統計處理及方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同輪作模式對土壤養分的影響

如表1所示，除堿解氮和速效鉀外，各輪作處理其余養分均與CK有極顯著差異。有機質方面，土壤有機質含量維持在34.09～62.12 g/kg。Ta-Bv-Ta-St土壤有機質含量最高，為62.12 g/kg，較CK提高了82.22%，顯著高于St-Sm-Ta-St、Bn-Ta-Bv-St和Ta-Bn-Hv-St，但未形成極顯著差異；St-Ta-Bv-St土壤有機質含量處于較高水平，為52.49 g/kg，較CK提高了53.97%，與其余處理差異不顯著；St-Sm-Ta-St、Bn-Ta-Bv-St和Ta-Bn-Hv-St無顯著差異，較CK分別提高了41.57%、47.76%和45.70%。

全氮方面，Bn-Ta-Bv-St土壤全氮含量最高，為2.92 g/kg，較CK提高了72.78%；Ta-Bn-Hv-St和St-Sm-Ta-St差異顯著，但未達到極顯著差異，分別較CK提高了53.85%和40.24%；Ta-Bv-Ta-St和St-Ta-Bv-St差異不顯著，分別較CK提高了50.30%和49.70%。

全磷方面，土壤全磷含量在0.34～0.90 g/kg。St-Ta-Bv-St土壤全磷含量為0.90 g/kg，極顯著高于St-Sm-Ta-St、Bn-Ta-Bv-St與CK，較CK提高了164.71%，與其余處理無顯著差異；Ta-Bv-Ta-St顯著高于Bn-Ta-Bv-St，極顯著高于St-Sm-Ta-St和CK，較CK提高了152.94%；Ta-Bn-Hv-St極顯著高于St-Sm-Ta-St和CK，較CK提高了147.06%，與其余處理無顯著差異。

全鉀方面，Ta-Bv-Ta-St土壤全鉀含量為10.12 g/kg，極顯著高于Bn-Ta-Bv-St、Ta-Bn-Hv-St和CK，較CK提高了123.89%，顯著高于St-Ta-Bv-St和St-Sm-Ta-St，但未達到極顯著差異；St-Sm-Ta-St極顯著高于Ta-Bn-Hv-St和CK，較CK提高了118.58%，與St-Ta-Bv-St、Bn-Ta-Bv-St差異不顯著；Bn-Ta-Bv-St極顯著高于Ta-Bn-Hv-St和CK，較CK提高了114.60%；Ta-Bn-Hv-St較CK極顯著提高106.86%。

堿解氮方面，Bn-Ta-Bv-St土壤堿解氮含量為282.8 mg/kg，顯著高于Ta-Bn-Hv-St，極顯著高于St-Sm-Ta-St和CK，較CK提高了37.95%；Ta-Bv-Ta-St和St-Ta-Bv-St土壤堿解氮含量處于較高水平，分別為266.00和259.00 mg/kg，二者差異不顯著，但均顯著高于St-Sm-Ta-St，較CK分別極顯著提高了29.76%和26.34%；Ta-Bn-Hv-St，較CK顯著提高21.90%；St-Sm-Ta-St土壤堿解氮含量處于較低水平，與CK差異不顯著，但較CK提高了11.32%。

速效磷方面，土壤速效磷含量在10.43～25.04 mg/kg。Ta-Bv-Ta-St土壤速效磷含量最高，為25.04 mg/kg，極顯著高于Bn-Ta-Bv-St、Ta-Bn-Hv-St和CK，較CK提高了140.08%，與其余處理無顯著差異；St-Ta-Bv-St和St-Sm-Ta-St差異不顯著，均顯著高于Bn-Ta-Bv-St、Ta-Bn-Hv-St和CK，較CK分別提高了138.64%和137.78%；Ta-Bn-Hv-St顯著高于Bn-Ta-Bv-St，但未達到極顯著差異，較CK提高了58.77%；Bn-Ta-Bv-St較CK提高了40.84%。

速效鉀方面，土壤速效鉀含量以Ta-Bv-Ta-St最高，為359.17 mg/kg，顯著高于St-Ta-Bv-St和CK，較CK提高了20.06%，與其余處理無顯著差異；St-Sm-Ta-St、Bn-Ta-Bv-St和Ta-Bn-Hv-St無顯著差異，但均顯著高于St-Ta-Bv-St和CK，較CK分別提高了14.21%、13.37%和11.98%。

2.2 不同輪作模式對馬鈴薯產量和商品薯率的影響

2.2.1 不同輪作模式對馬鈴薯產量的影響。 不同輪作模式導致馬鈴薯產量產生極顯著差異（圖1）。Ta-Bv-Ta-St產量最高，為58.02 t/hm2，與St-Sm-Ta-St、Ta-Bn-Hv-St無顯著差異，與Bn-Ta-Bv-St差異顯著，并極顯著高于Bt-Ta-Bv-St和CK，較CK提高了75.50%。Ta-Bn-Hv-St顯著高于St-Ta-Bv-St，并極顯著高于CK，較CK提高了62.89%，與其余差異不顯著。St-Ta-Bv-St、St-Sm-Ta-St與Bn-Ta-Bv-St差異不顯著，但均極顯著高于CK，較CK分別提高了35.63%、61.95%和43.92%。

2.2.2 不同輪作模式對馬鈴薯商品薯率的影響。 不同輪作模式使馬鈴薯商品薯率呈現極顯著差異（圖2）。Ta-Bn-Hv-St商品薯率最高，為88.76%，顯著高于Ta-Bv-Ta-St，較CK極顯著提高了38.90%，與其余處理無顯著差異；Bn-Ta-Bv-St顯著高于Ta-Bv-Ta-St，較CK極顯著提高了33.20%，與其余處理差異不顯著；Ta-Bv-Ta-St較CK極顯著提高了24.18%，與其余處理無顯著差異；St-Ta-Bv-St與St-Sm-Ta-St較CK分別極顯著提高29.24%和27.71%。

2.3 各養分與馬鈴薯產量的相關性

如表2所示，有機質與全磷呈顯著正相關性，并與總氮、全鉀、堿解氮呈極顯著正相關性；總氮與全磷、全鉀、堿解氮呈極顯著正相關性；全磷與速效磷呈顯著正相關性，并與全鉀、堿解氮呈極顯著正相關性；全鉀與速效磷、產量呈顯著正相關性，并與堿解氮呈極顯著正相關性。以上說明不同輪作模式土壤養分與馬鈴薯產量之間存在相關性，各養分中全鉀與產量之間的相關性最高。

3 討論

3.1 不同輪作模式對土壤養分的影響

不同作物按照一定時間順序進行輪換倒茬種植，能夠充分滿足其對茬口水分、養分等環境因素的差異需求，提高資源利用效率，使作物達到穩產、優質高產的效果［23］。土壤養分是土壤生態系統的重要組成部分和土壤基礎肥力的重要物質基礎，直接影響土壤的生產力，是各種作物生長所需營養元素的基本來源［24-25］。輪作有助于維持土壤養分的平衡以及增加土壤的有機質含量，從而改善土壤結構和肥力，促進作物的生長和產量。

不同輪作模式可以增加作物根際土壤養分含量，適宜的輪作茬口能增強土壤生態系統功能潛力。大豆-馬鈴薯-谷子輪作較谷子連作更能提高土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質含量［26］。多年生苜蓿草地輪作第2年以種植春小麥，能夠維持較高的土壤養分含量，土壤全氮和有機質均出現季節性增加［27］。油菜作物能夠維持土壤中微生物量和碳含量穩定［28］，提高土壤有機質、速效磷質量分數，提高土壤肥力［29］。飼料油菜與小麥輪作能充分發揮對土壤的培肥作用，提高土壤有機質含量，而且這種效果可以持續到第3年，從而有利于作物生長［30］。水飛薊是一種富含有機質的植物，研究指出，水飛薊茬口全量還田可以促進養分的循環利用，為后續作物提供養分［31］。麥茬地秸稈還田，經過長時間的礦化分解，可為次年作物提供充足營養物質［32］。這些研究結果與該試驗研究結果基本一致，與CK相比，Ta-Bv-Ta-St有機質、全鉀和速效養分含量增加，St-Sm-Ta-St次之，Bn-Ta-Bv-St全氮和堿解氮含量處于最高水平，St-Ta-Bv-St全磷含量最高。這是由于甜菜屬于根莖類蔬菜，深翻收獲過程中增加了土壤通氣性和保水能力，土壤中的微生物活動也會增加，土壤翻動進一步將植物殘渣和有機物質混入土壤的更深層，并與土壤中的微生物接觸，有助于加速有機質的分解過程，釋放出養分供植物吸收利用，再結合油菜-小麥輪作的持續性培肥作用，顯著提高了土壤養分含量。因此，不同輪作模式可以增加作物土壤養分含量，適宜的輪作茬口能增強土壤生態系統功能潛力。在東北地區的麥類實施免耕耕作，還田后直接種植馬鈴薯是一種常見的農業實踐。免耕減少了土壤的擾動和侵蝕，所以土壤微生物的活動下降，從而降低了有機質的分解速度。未經過深度翻耕的土壤，有機質主要集中在地下莖、根系和殘留作物中，并沒有被混合到更深層的土壤中，盡管免耕能改善土壤結構，但對于提高整個土壤剖面的有機質含量來說，其效果相對有限。水飛薊作為一種富含有機質的植物，生長季吸收了土壤中的養分，在植物體內積累后又通過茬口全量還田返回土壤，可以將大量的水飛薊殘體和根系留在土壤中，從而有效地增加土壤的有機質含量，維持土壤肥力。

3.2 不同輪作模式對馬鈴薯產量的影響

輪作作為解決單一連作問題的種植模式受到廣泛好評，輪作能夠獲得更高的產量和生物量［33］。由于不同作物在生物學特性、產量水平和養分消耗強度上的差異，不同前茬對后作的影響不同［34］。輪作倒茬能顯著提高土壤養分含量，進而促進產量的形成，但表現出不同的茬口效應［30］。杜玉瓊等［23］指出冀西北寒旱區草甸栗鈣土田中，馬鈴薯-莜麥、馬鈴薯-甜菜表現互利輪作，莜麥茬甜菜表現為偏利輪作。該研究中，與連作相比，輪作處理下馬鈴薯產量極顯著增加，并隨茬口更替、輪作年限的增加而增加。5種輪作模式均可提高馬鈴薯產量，提高土地種植效益，與前人的研究結果基本一致，但在麥茬和水飛薊茬間產量差異并不顯著。相關研究表明，小麥茬有利于維持土壤酶活性，減少土壤中的自毒物質，消減作物連作障礙，從而利于植株生長和提高產量［35］。此外，小麥茬殘留在土壤中的有機物為后茬作物生長提供了一定的物質基礎，能夠提高作物葉片葉綠素含量，延長葉片功能期，從而提高產量；而水飛薊的根系具有較強的抓土性能，通過茬口還田可以增加土壤的穩定性和抗侵蝕能力，保護土壤的結構和質量，改善了真菌群落的多樣性，同樣為后茬作物創造了良好的生長發育條件［36］。從能量轉換的角度分析，輪作倒茬促進了作物生育中后期將光能轉化為化學能，從而有利于產量的增加。相關性分析表明，馬鈴薯產量與土壤養分中的全鉀含量之間呈顯著正相關。鉀作為植物生長發育和產量形成的重要元素之一，對馬鈴薯的生長和產量起著關鍵的作用，而馬鈴薯對鉀需求量較高。因此，土壤的養分與馬鈴薯產量之間是相互影響，并最終導致了輪作處理的增產。

商品薯率是評估馬鈴薯種植質量和經濟效益的重要指標。有研究指出馬鈴薯產量與商品薯率成正比，這與該試驗研究結果不一致，可能是因為結薯個數偏多而單薯重相對較小，從而使商品薯率降低；同時小麥與馬鈴薯的輪作模式，容易使優勢病原菌積累，這與田間小麥赤霉病的發病情況調查結果一致。

綜合看來，馬鈴薯3年輪作相對于2年輪作優勢更明顯。3年輪作可以提供更長的周期來平衡土壤養分，使土壤能夠得到更好的修復和調整，不同的作物在生長過程中吸收和利用不同種類和數量的養分，通過種植其他作物，土壤可以得到更全面的養分補給，從而提供更好的生長條件，增加馬鈴薯的產量，而2年輪作可能無法提供足夠的時間來恢復土壤中的養分。同時，3年輪作可以更好地保護和改善土壤健康。通過在不同年份種植不同的農作物，可以有效減少病蟲害的發生和積累，避免病蟲害對馬鈴薯的影響，并且不同作物的根系具有不同的形態和功能，可以改善土壤的結構和通氣性，3年輪作有利于水分和氧氣更好地滲透到根際區域，促進馬鈴薯的生長和發育，進而提高產量。

4 結論

該試驗在高寒黑土區低溫環境下研究不同輪作模式種植馬鈴薯后土壤養分的變化特征及馬鈴薯產量。結果顯示，不同的輪作模式均可增加土壤養分含量，提高作物產量，同時產量與土壤有機質、總磷、堿解氮呈顯著正相關，與總氮、全鉀呈極顯著正相關。

（1）馬鈴薯-小麥-甜菜-馬鈴薯（St-Ta-Bv-St）、馬鈴薯-水飛薊-小麥-馬鈴薯（St-Sm-Ta-St）、小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯（Ta-Bv-Ta-St）、油菜-小麥-甜菜-馬鈴薯（Bn-Ta-Bv-St）與小麥-油菜-大麥-馬鈴薯（Ta-Bn-Hv-St）對0～20 cm土層土壤養分具有不同程度的促進作用，與CK相比，Ta-Bv-Ta-St對土壤養分有明顯促進作用，土壤有機質、全鉀和速效養分含量顯著增加；Bn-Ta-Bv-St次之，土壤全氮和堿解氮顯著增加；St-Sm-Ta-St和Ta-Bn-Hv-St處于中間水平，對土壤養分呈明顯促進作用。

（2）產量處于較高水平的是小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯（Ta-Bv-Ta-St）、馬鈴薯-水飛薊-小麥-馬鈴薯（St-Sm-Ta-St）與小麥-油菜-大麥-馬鈴薯（Ta-Bn-Hv-St）；馬鈴薯-小麥-甜菜-馬鈴薯（St-Ta-Bv-St）與油菜-小麥-甜菜-馬鈴薯（Bn-Ta-Bv-St）產量處于中間水平；馬鈴薯2年連作（CK）產量最低。

綜上，小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯（Ta-Bv-Ta-St）、馬鈴薯-水飛薊-小麥-馬鈴薯（St-Sm-Ta-St）與小麥-油菜-大麥-馬鈴薯（Ta-Bn-Hv-St）的輪作模式較其他處理更能改善土壤環境，提高作物產量，適宜在高寒黑土區推廣，其中小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯輪作（Ta-Bv-Ta-St）對馬鈴薯增產效果最為顯著。

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基金項目 內蒙古科技計劃項目（2022YFDZ0010）；內蒙古自治區直屬高校基本科研業務費項目（BR221048）；河北省科技計劃結轉項目（21326320D）。

作者簡介 王籽懿（1996—），女，河北張家口人，碩士，從事黑土地利用與保護研究。*通信作者，高級農藝師，從事作物栽培研究。

收稿日期 2024-08-23；修回日期 2024-09-23