李志军,李 静,张富仓,方栋平,高明霞,王海东,吴东科
(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,旱区农业水土工程教育部重点实验室,中国旱区节水农业研究院,陕西 杨凌 712100)
水氮供应对温室滴灌施肥黄瓜产量及品质的影响
李志军,李 静,张富仓,方栋平,高明霞,王海东,吴东科
(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,旱区农业水土工程教育部重点实验室,中国旱区节水农业研究院,陕西 杨凌 712100)
【目的】 分析不同水氮供应水平对温室黄瓜品质和产量的影响,为温室黄瓜的优质生产提供参考。【方法】 利用温室小区试验,设置3个灌水水平(W1(60%ET0(参考作物蒸发蒸腾量))、W2(80%ET0)和W3(100%ET0))和4个施氮水平(N0(0 kg/hm2)、N1(180 kg/hm2)、N2(360 kg/hm2)、N3(540 kg/hm2))共12个水氮处理组合,在盛果期对黄瓜的品质指标(可溶性固形物、维生素C(Vc)、可溶性糖、可溶性蛋白质及硝酸盐含量)进行测定,在拉秧后统计总产量,并采用主成分分析法对黄瓜品质进行综合评价。【结果】 灌水量与施氮量对黄瓜产量、果实品质指标均有显著影响。灌水量对黄瓜产量有显著正相关作用,而施氮量对产量的影响在不同灌水条件下表现不同,其中W3N3处理的产量分别比W2N3、W1N3处理提高了11.8%和33.7%,W2N3处理的产量比W1N3处理提高了19.6%,而W2N2处理比W2N3处理仅降低了0.87%。与W3N3处理相比,W2N2处理的黄瓜Vc、可溶性糖和可溶性蛋白质含量分别提高了26.6%,35.3%和2.8%,而果实硝酸盐含量降低了2.9%。采用主成分分析法对黄瓜果实品质进行综合评价,表明适量的节水控肥措施对黄瓜品质提高有积极作用。【结论】 综合考虑产量与品质指标,认为水氮供应组合W2N2(80%ET0、360 kg/hm2N)不仅能保证黄瓜的产量,而且能获得较好的品质,可作为优质高产黄瓜栽培的适宜水肥选择。
温室黄瓜;水氮供应;滴灌施肥;产量与品质;主成分分析法
自20世纪80年代以来,以日光温室为主体的设施园艺得到快速发展。设施蔬菜发展尤为迅速,到2003年,全国各类设施蔬菜面积已达330万hm2,比1980年增长约460倍[1]。西北地区拥有丰富的光热资源,具有发展设施园艺的良好自然条件;同时设施园艺也是改善西北地区经济落后面貌、提高农村经济效益和改善农民生活水平的有效途径之一。黄瓜在设施蔬菜生产中占有重要地位,为追求高产,盲目过量的灌水与施肥现象极为普遍,严重影响了蔬菜品质。目前,研究合理的水肥投入对提高黄瓜产量与品质的作用已有大量报道[2-4],普遍认为适量的亏缺灌溉不仅能提高水分利用效率,而且在产量无显著性减少的同时,对改善品质有积极作用[5-8]。施氮量对黄瓜产量、品质也有显著影响,增施氮肥可显著提高黄瓜的耗水量,但氮肥增施过多则将降低黄瓜的水分利用效率和经济产量[9],且果实中可溶性糖和Vc含量逐渐降低,有机酸、单宁含量逐渐增加[10-11];王柳等[12]研究表明,随施氮量的增加,黄瓜果实的Vc、可溶性蛋白、游离氨基酸、可溶性糖和有机酸含量均有增加趋势,但硝酸盐含量直线上升,脆度下降,商品瓜率和总产量显著降低。可见,施氮过多或过少均不利于黄瓜产量与品质的形成,因此合理的水氮供应组合成为实现黄瓜优质高产的关键因素。
黄瓜品质是一个综合概念,包含众多指标,仅靠单项品质指标很难判断黄瓜的综合品质,需要综合分析各品质指标。主成分分析是一种通过降维技术将多个指标转化为少数几个综合指标的统计分析方法,且能反映原始指标的绝大部分信息,在许多领域的综合评价中被广泛应用[13-17],但将主成分分析应用于黄瓜品质综合评价的研究还比较少,而且在针对日光温室蔬菜水肥管理展开的众多研究中,多以灌水量或施肥量作为单一因子来评价不同灌水量及施氮量对蔬菜生产的影响,而有关水肥一体化条件下的研究报道少,研究成果也不成熟。本试验研究了不同水氮供应水平对黄瓜产量、品质的影响,并应用主成分分析法对黄瓜品质进行综合评价,探求陕西关中地区较为适宜黄瓜优质高产的水肥利用模式,以期为当地农业生产提供参考依据。
1.1 试验区基本概况
试验在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室日光温室中进行,试验地位于东经108°40′,北纬34°18′。试验站海拔521 m,年平均气温13 ℃,年降水量550~600 mm,主要集中在7-9月份。站内设有国家一般气象站,按照国家气象局的《地面气象观测规范》标准进行气温、湿度、降水、日照、水面蒸发、风速、气压和地温观测,并设有自动气象站自动记录气温、相对湿度、太阳辐射和风速。供试土壤为重壤土,耕作层土壤理化性质为:有机质14.1 g/kg,土壤体积质量1.43 g/cm3,田间持水量23.67%(质量含水率),土壤pH 7.8,全氮0.87 g/kg,碱解氮63 mg/kg,速效磷58.5 mg/kg,速效钾146.8 mg/kg。
1.2 试验设计
试验设灌水量与施氮量2个因素,其中灌水量设置3个水平,分别为低水(W1,60%ET0)、中水(W2,80%ET0)和高水(W3,100%ET0),其中ET0表示参考作物蒸发蒸腾量;施氮量设置4个水平,分别为对照(N0,无氮肥)、低氮(N1,180 kg/hm2)、中氮(N2,360 kg/hm2)和高氮(N3,540 kg/hm2)。试验采用完全随机设计,共12个处理,各处理重复3次,分36个小区(长×宽=6 m×1.25 m)种植。为防止试验处理间相互渗漏影响,试验小区之间用塑料薄膜隔离。试验中氮肥用尿素(含N 46.4%),磷肥用重过磷酸钙(含P2O544%),钾肥用氯化钾(含K2O 60%)。其中磷肥(P2O5)和钾肥(K2O)用量分别为200和450 kg/hm2。定植前,将全部磷肥、22%的氮肥及33%的钾肥作为基肥施入;苗期施17%的氮肥,剩余氮肥及钾肥分7次等量追施,采用施肥泵对黄瓜植株进行施肥,灌水及追肥时间根据天气变化和黄瓜生长情况进行。
1.3 试验材料
滴灌试验在坐北朝南的日光温室内进行,温室通过屋顶通风口通风,长50 m,宽8 m,有效种植面积为300 m2。为了保持幼苗存活和生长迅速,黄瓜种植方向为南北走向。黄瓜定植时,均灌以25 mm的缓苗水来保证幼苗的成活率。试验黄瓜于2013-08-21定植,11-22拉秧,供试品种为“博耐9-1”(Bonai 9-1)。种植方式为当地典型的起垄覆膜栽培模式,垄高20 cm,宽75 cm,各试验小区种植2行黄瓜,共24株,在2行黄瓜中间布置1条直径8 cm的内镶式滴灌带,滴头间距33 cm,滴头流量为3.6 L/h。黄瓜的生育阶段划分为苗期(08-21-09-20)、开花坐果期(09-21-10-01)、盛果期(10-02-11-08)、末果期(11-09-11-22)。全生育期低水(W1)、中水(W2)和高水(W3)灌溉的灌水量分别为126,152和177 mm。
1.4 观测项目及方法
在盛果期(10-02-11-08)采集新鲜成熟黄瓜,测定各处理黄瓜的果实品质指标,其中可溶性固形物含量采用手持WAY-2S型阿贝折射仪测定,Vc含量用钼蓝比色法测定[18],可溶性糖含量用蒽酮比色法测定[19],可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[18],硝酸盐含量采用硫酸-水杨酸法测定[20]。在采摘当日,用电子天平记录各试验小区的黄瓜产量,拉秧后统计总产量。参考作物蒸发蒸腾量(ET0)按照王健等[21]修改后的日光温室Penman-Monteith公式计算:
式中:ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm/d),Δ为饱和水汽压曲线斜率(kPa/℃),Rn、G分别为地表净辐射和土壤热通量(MJ/(m2·d)),γ为干湿表常数(kPa/℃),ea、ed分别为饱和水汽压和实际水汽压(kPa),T为2m高度处的平均气温(℃)。
1.5 试验温室小气候环境状况
本试验中,在黄瓜全生育期内,使用位于温室内的气象站(HOBOsystem)连续监测温室的内部气温和相对湿度,每10min记录一组数据,各气象因子的变化状况如图1所示,全生育期内的日平均气温为12~28 ℃,平均相对湿度在59%以上。
图1 试验温室内部的小气候环境状况
1.6 数据处理
采用DPSv14.10及SPSS18.0统计分析软件处理试验数据,选取LSD多重比较进行方差分析,其中置信度为95%,用Origin8.5软件绘图。
2.1 不同氮供应水平对黄瓜品质的影响
2.1.1 可溶性固形物 由表1可知,在同一灌水量条件下,黄瓜的可溶性固形物含量随着施氮量的增加而显著提高,但中氮(N2)与高氮(N3)处理之间无显著性差异;而当施氮量相同时,随灌水量的提高,可溶性固形物含量表现出不同程度的降低,且低水高氮(W1N3)处理的可溶性固形物含量最高,为3.73%。经方差分析可知,灌水量与施氮量对可溶性固形物含量的影响均达到极显著水平,但水氮交互作用对其影响不显著。
2.1.2VcVc是评价黄瓜品质优劣的一个重要指标。由表1可知,灌水量相同时,黄瓜果实的Vc含量随着施氮量的增加表现为先增大后减小的变化趋势,且在中氮(N2)处理下达到最大值。施氮量相同时,果实Vc含量随灌水量的增加也表现出相似的变化趋势。中水中氮(W2N2)处理果实的Vc含量最高,为128.44mg/kg,与低水中氮(W1N2)、高水中氮(W3N2)处理相比Vc含量分别增加了6%和10%,表明适当的亏缺灌溉可以显著提高果实的Vc含量。经方差分析可知,灌水量、施氮量与水氮交互作用对Vc含量的影响均达到显著水平,且灌水量和施氮量对Vc含量的影响达到极显著水平。
注:表中数值为平均值(n=12),同列数据后标不同字母表示差异显著(P<0.05);F检验中,*表示差异显著,**表示差异极显著,ns表示差异不显著。
Note:Thedataaremeanvalues(n=12).Differentlettersinthesamecolumnindicatesignificantdifference(P<0.05);InFvalue,*meanssignificantdifference,**meansextremelysignificantdifference,whilensmeansnotsignificant.
2.1.3 可溶性糖 可溶性糖主要由蔗糖、葡萄糖和果糖组成,是构成黄瓜果实固形物的重要成分,也是评价黄瓜品质优劣的一个重要指标。一般情况下,糖含量越高,黄瓜的口感风味越好[22]。由表1可知,灌水量相同时,随着施氮量的增加,果实中可溶性糖含量呈先增大后减小的变化趋势,且在中氮(N2)处理下达到最大值。而施氮量相同时,随灌水量的增加可溶性糖含量表现为逐渐降低的趋势。低水中氮(W1N2)处理下可溶性糖含量最高,为2.77%,与中水中氮(W2N2)、高水中氮(W3N2)处理相比分别增加了7%和35%。经方差分析可知,灌水量、施氮量及水氮交互作用对果实可溶性糖含量的影响均达到显著水平,且灌水量和施氮量对可溶性糖含量的影响达到极显著水平。
2.1.4 可溶性蛋白 氮是蛋白质的重要组成成分,适量的施氮量对于蛋白质的合成具有促进作用。由表1可知,随着施氮量的增加,黄瓜果实的可溶性蛋白质含量随灌水量的不同而表现出不同的变化趋势。低水(W1)和中水(W2)处理时,可溶性蛋白质含量随施氮量的增加表现出先增大后降低的变化趋势,并在中氮(N2)处理时达到最大值,其中低水中氮(W1N2)处理下的可溶性蛋白质含量最高,为3.02mg/kg。低水(W1)处理时,当施氮量达到N2水平后,继续增加施氮量至N3时可溶性蛋白含量降低了19%,且N2与N3之间差异显著。在W2条件下,当施氮量达到360kg/hm2(N2)后再继续增加时,可溶性蛋白含量仅降低了3%,且中、高氮(N2和N3)处理之间无显著性差异。而当灌水量为100% ET0(W3)时,可溶性蛋白含量随施氮量的增加而增加,且中、高氮(N2和N3)处理之间无显著性差异。施氮量相同时,可溶性蛋白质含量随灌水量的提高而降低,但在高氮(N3)处理下却表现为正相关关系,且中水高氮(W2N3)与高水高氮(W3N3)处理之间无显著性差异,这可能是作物根区氮素浓度过高,导致作物根系难以吸收氮营养,进而抑制了蛋白质的合成。经方差分析可知,施氮量对果实可溶性蛋白质含量的影响达到极显著水平,灌水量对可溶性蛋白含量的影响不显著,水氮交互作用对可溶性蛋白含量的影响也达到极显著水平。
2.1.5 硝酸盐含量 硝酸盐含量的高低是评价蔬菜卫生安全品质的一个重要指标,与人类健康密切相关,在人体内能被转化为亚硝酸盐,而亚硝酸盐有致癌作用,因此硝酸盐的含量是蔬菜安全品质监控的重要内容[23]。由表1可知,灌水量相同时,随着施氮量的增加,果实中硝酸盐含量均逐渐增大。施氮量相同时,果实中硝酸盐含量随灌水量的增加表现出逐渐降低的趋势,且低水高氮(W1N3)处理下的硝酸盐含量最大,为138.09mg/kg,但其远低于国家对无公害蔬菜的安全要求:瓜果类蔬菜硝酸盐(NO3)含量≤438mg/kg(GB184061-2001)[12,23]。经方差分析可知,灌水量、施氮量对硝酸盐含量的影响均达到极显著水平,水氮交互作用对果实中硝酸盐含量的影响也达到极显著水平。
2.2 不同水氮供应水平对黄瓜产量的影响
如图2所示,灌水量相同时,黄瓜产量随施氮量的增加而增加,在低水(W1)、中水(W2)处理下,施氮量增加至中氮(N2)后再继续增加施氮量,对产量提高无显著影响。而在高水(W3)处理下,中氮(N2)、高氮(N3)处理之间的产量具有显著性差异。这种情况可能是盛果期果实生长速度较快,对水肥的需求也大,高水处理(W3)下土壤含水率高,土水势较大,植株能够更容易地从土壤中吸收水分、养分以满足生长需求,而低水和中水处理(W1和W2)时土壤含水率较低,土水势较小,不利于植株吸收更多的水分及养分,导致果实生长受限。施氮量相同时,随着灌水量的增加,产量也显著增加,且高水处理(W3)显著高于低水处理(W1)。其中高水高氮处理(W3N3)的产量最大,与之相比,低水处理(W1)的灌水量减少了33.4%,各施氮量(N0、N1、N2和N3)处理下的产量也分别减少了37%,33%,26%和25%;而中水处理(W2)的灌水量减少了16.7%,各施氮量(N0、N1、N2和N3)处理的产量相应减少了23%,20.8%,11.2%和10.5%。
2.3 黄瓜品质的主成分分析与综合评价
选取果实中可溶性固形物(X1)、Vc(X2)、可溶性糖(X3)、可溶性蛋白(X4)、硝酸盐(X5)5个主要因素作为评价因子进行主成分分析。首先,对这5个指标进行标准化,并计算各指标的相关系数矩阵(表2)及主成分方差与累积方差(表3)。从表2可以看出,大部分变量之间存在显著的线性相关,证明这些因素在信息上存在重叠,能够从中提取公因子,适合进行因子分析。
从表3可知,“初始特征值”部分给出了5个品质指标之间相关系数矩阵的特征值以及各特征值的方差贡献率和累积方差贡献率,根据主成分分析法中主成分个数选取时累积贡献率>85%的选取原则,前2项特征值的累积贡献率(约为87%)>85%,所以确定提取2个主成分,且分别对应的特征值λ1=3.802,λ2=0.582。
表2 黄瓜各品质指标间的相关系数矩阵Table 2 Correlation coefficient matrix of cucumber quality indicators
表3 黄瓜各品质指标影响因素的主成分方差与方差分析Table 3 Principal component variance and analysis of cucumber quality indicators
通过计算,可知主成分表达式如下:
第一主成分:F1=0.495X1+0.410X2+0.390X3+0.473X4-0.458X5;
第二主成分:F2=0.008X1+0.669X2-0.540X3+0.274X4+0.431X5。
以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重,计算得果实品质的主成分综合评价函数为:
根据果实品质综合评价函数,计算黄瓜品质综合得分,结果如表4所示,综合得分越高,表明黄瓜品质越优。由表4可知,在果实品质综合评价中,不同灌水条件下均在中氮(N2)处理获得较高分,其次为高氮(N3)处理,且得分远远大于无氮(N0)和低氮(N1)处理;低水中氮(W1N2)处理品质综合得分最高,其次为中水中氮(W2N2)处理,且在不同灌水条件下,无氮(N0)处理的品质最差,其中品质最差的为高水无氮(W3N0)处理,表明适宜的水氮供应对黄瓜果实的品质提高有积极作用。综合分析认为,在本试验条件下,以品质最优为目标时,低水中氮(W1N2)处理为最优的水氮供应模式。
表4 不同水氮供应水平下温室黄瓜品质的综合评价Table 4 Comprehensive evaluation on effects of different water and nitrogen supplies on greenhouse cucumber quality
本试验研究了不同水氮供应水平对黄瓜产量与品质的影响,结果表明适宜的水氮供应不仅能减少水肥投入量,而且在产量无明显降低的前提下能显著提高果实品质。Akhtar等[24]在减量灌溉对番茄影响的研究中发现,相比于充分灌溉,减量灌溉虽然降低了番茄产量,但番茄的可溶性固形物、有机酸及Vc含量均明显增加。Ertek等[25]就亏缺灌溉对甜玉米产量及品质影响的研究结果表明,水分亏缺显著影响玉米鲜穗产量,然而相比于充分灌溉,30%的亏缺灌溉在减产不显著的情况下,玉米的蛋白质含量及含糖量最高。本研究也表明,水分亏缺显著影响黄瓜产量,且高水处理(100%ET0)的产量显著高于低水处理(60%ET0),其中高水高氮处理(100%ET0,540 kg/hm2N)的产量最大,在相同施氮条件下,低水处理的产量减少了25%,而中水处理仅减少了10.5%。相比于高水处理(100%ET0),减量灌溉明显提高了黄瓜果实中的可溶性固形物、Vc和可溶性糖含量,这与Cui等[26]的研究结果一致。同样,施氮量对产量、品质提高也有影响。张利东等[27]研究表明,随施氮量的增加,温室黄瓜的经济产量也随之增加,但优化氮肥与常规氮肥处理之间差异不显著;果实中硝酸盐和可溶性糖含量均有所增加,且优化施氮不仅显著降低了硝酸盐含量,且可溶性糖及Vc含量均保持在较高水平,在一定程度上改善了黄瓜品质。在本试验中,黄瓜产量随施氮量的增加而提高,Vc及可溶性糖随施氮量的增加表现为先增大后减少的趋势,并在中氮(360 kg/hm2N)处理下达到最大值,而可溶性固形物和硝酸盐含量随施氮量的增加而增加,可溶性蛋白含量也表现出类似趋势。李银坤等[28]研究表明,采取比当地农民习惯用量减水30%、减氮25%~50%的水肥管理措施,不仅可以维持黄瓜较好的生长特性,提高叶片水分利用效率,而且能保障黄瓜产量,改善果实品质。高丽等[29]研究也表明,灌水量相同时,施氮量显著影响黄瓜果实的硝酸盐含量,采用优化灌水量可以显著提高果实中的可溶性糖含量,但对Vc和可溶性固形物含量无显著影响,且对于秋、冬茬黄瓜,在优化灌水量条件下过高的施氮量会降低黄瓜的产量。在本试验中,相比于高水高氮(100%ET0,540 kg/hm2N)处理,适当减少灌水量与施氮量不仅能够保证产量,而且能够显著提高果实的可溶性固形物、Vc、可溶性糖及可溶性蛋白质的含量,并降低硝酸盐含量,使黄瓜品质得以改善。
本研究采用主成分分析法对黄瓜品质进行了综合评价,结果显示,不同灌水条件下,均以中氮(360 kg/hm2)处理的果实品质最好,施肥过多过少均会对提高果实品质产生不利影响,并且在各施氮水平下低水(60%ET0)和中水(80%ET0)处理的黄瓜果实品质排名均高于高水(100%ET0)处理,其中低水中氮(60%ET0,360 kg/hm2)处理获得果实品质排名第1名,其次为中水中氮(80%ET0,360 kg/hm2)处理。结合产量进行分析,相对于可以获得最高产量的高水高氮处理(100%ET0、540 kg/hm2N),低水中氮处理的灌水量减少33.4%、施氮量减少33%、产量减少26%,而中水中氮处理的灌水量减少16.7%、施氮量减少33%、产量仅减少11.2%,但果实品质指标却有明显提高。因此,在保证产量的前提下,基于节水节肥和果实优质考虑,水氮供应组合W2N2(80%ET0,360 kg/hm2N)为温室滴灌黄瓜优质高产的第一选择。
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Effects of water and nitrogen supply on yield and quality of greenhouse cucumber under fertigation
LI Zhi-jun,LI Jing,ZHANG Fu-cang,FANG Dong-ping,GAO Ming-xia,WANG Hai-dong,WU Dong-ke
(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,KeyLaboratoryofAgriculturalSoilandWaterEngineeringinAridandSemiaridAreasofMinistryofEducation,InstituteofWater-savingAgricultureinAridAreasofChina,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)
【Objective】 This study analyzed the impact of different water and nitrogen supplies on yield and quality of greenhouse cucumber to provide reference for quality production of greenhouse cucumbers. 【Method】 Plot experiments were conducted with three irrigation levels (W1(60%ET0),W2(80%ET0) and W3(100%ET0)) in interaction with four nitrogen fertilization levels (N0(0 kg/hm2),N1(180 kg/hm2),N2(360 kg/hm2),and N3(540 kg/hm2)),a total of twelve water and nitrogen treatments.The quality indicators (soluble solids,Vc,soluble sugar,soluble protein and nitrate) were measured during the flourishing time while yield was counted after the final harvest for comprehensive evaluation of quality using principal component analysis.【Result】 Irrigation and nitrogen had significant effects on yield and quality indicators of cucumber.Irrigation had significant positive correlation effects on yield,whereas the impacts of nitrogen fertilizer on yield were different for different irrigation levels.W3N3yield was 11.8% and 33.7% higher than treatments W2N3and W1N3,W2N3yield was 19.6% higher than W1N3,while W2N2yield was 0.87% lower compared to W2N3. Compared with W3N3,the contents of Vc,soluble sugar and soluble protein of cucumber under treatment W2N2were increased by 26.6%,35.3% and 2.8%,while the amount of nitrate was decreased by 2.9%.Comprehensive evaluation of cucumber quality with principal component analysis showed that appropriate water and fertilizer saving management had positive effect on improving cucumber quality.【Conclusion】 Based on production and quality indicators,treatment W2N2(80%ET0and 360 kg/hm2N) was suitable to obtain high yield and quality in cucumber cultivation.
greenhouse cucumber;water and nitrogen supply;fertigation;yield and quality;principal component analysis
时间:2015-11-11 16:16DOI:10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.12.021
2014-05-21
国家“863”高新技术研究与发展计划项目(2011AA100504);教育部高等学校创新引智计划项目(B12007)
李志军(1976-),男,陕西千阳人,实验师,主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail:Lizhij@nwsuaf.edu.cn
张富仓(1962-),男,陕西武功人,教授,博士生导师,主要从事节水灌溉理论与技术研究。 E-mail:zhangfc@nwsuaf.edu.cn
S642.206+.2;S642.207+.1
A
1671-9387(2015)12-0143-08
网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20151111.1616.042.html