施氮对单作和套作小麦产量和氮素利用特征的影响*

赵亚妮 王　科 王佳锐 陈远学杨　昱

（四川农业大学资源学院 成都 611130）

施氮对单作和套作小麦产量和氮素利用特征的影响*

赵亚妮 王科 王佳锐 陈远学**杨昱

（四川农业大学资源学院 成都 611130）

小麦/玉米套作是四川主要的旱作模式，研究小麦的氮素吸收利用效率及套作玉米对小麦的影响有助于进一步提示套作小麦的增产优势、养分高效利用及了解玉米小麦间相互作用机理。本研究通过田间试验研究了不同氮水平下［0 kg（N）·hm-2、60 kg（N）·hm-2、120 kg（N）·hm-2和180 kg（N）·hm-2，分别记为N1、N2、N3 和N4］小麦单作、小麦/空带和小麦/玉米套作3种模式中小麦的产量、氮素吸收利用特征和玉米对小麦的影响。结果表明： 在不同的氮处理下，与单作小麦相比，小麦玉米套作的小麦始终表现出明显的产量优势，其生物量和籽粒产量比单作小麦平均增加15.7％和17.8％； 套作小麦边行优势明显，其边行的地上部生物量、产量、吸氮量和氮肥偏生产力比单作行分别增加23.8％、27.3％、48.9％和19.1％，说明套作小麦比单作小麦对氮利用效率更高。不施氮（N1）和低氮（N2）处理小麦/玉米套作模式中小麦的生物量、产量比小麦/空带模式平均低 6.5％ 和5.7％，但在中氮水平（N3）时小麦/玉米套作模式中小麦产量、地上部生物量、地上部吸氮量和氮肥偏生产力分别比小麦/空带模式高 14.1％、5.0％、6.8％和 4.5％。说明在小麦/玉米套作模式中套入玉米在施氮不足时小麦生长受到抑制，而在施氮充足时小麦生长得到促进。因此，套作小麦有边行优势和产量优势，小麦行间套作玉米时需要配施一定量的氮肥以消除小麦、玉米间的氮素竞争从而促进小麦的生长。

小麦/玉米套作 氮素管理 产量优势 边行优势 吸氮量 氮肥偏生产力

氮是植物生长的必需营养元素之一，在保障粮食增产稳产方面起着不可替代的作用。但是氮素流动性大，不易被土壤吸附，易随水流失和转化损失，加之生产中不合理施用等因素，我国的氮肥利用率仅为 30％左右［1］，这对农业可持续发展产生了不利影响［2-3］。因此合理施氮、提高氮肥利用率已成为关系到国家粮食安全和环境质量安全的重大科技问题［4-5］。作物间套作基于不同作物在空间分布和养分需求等方面的差异，能有效利用光、温、水、肥等各种生长因子，从而获得高产、高效［6-8］，它既是传统农业的精华，在资源高效利用、环境友好和可持续发展的现代农业中仍起着重要的作用。与传统单作相比，间套作有明显的产量优势［9-10］。研究发现，边行优势是间作小麦获得产量优势的原因之一［11］，且小麦边行优势受地下部的作用大于地上部［12-13］。四川小麦大部分是套作小麦，小麦/玉米套作是川渝地区最主要的旱作体系。针对小麦/玉米套作体系中氮素转移及吸收利用［14］，不同施磷水平对玉米叶面积指数、干物质积累动态和磷肥利用效率的影响［15］，及小麦/玉米/大豆周年套作体系中氮素的积累分配和转运［16］的研究表明，小麦/玉米/大豆、小麦/玉米/红薯体系中根系不分隔较根系分隔小麦15N总吸收量和15N作物回收率提高，两体系中均存在氮素种间竞争促进作用和氮素转移，小麦/玉米/大豆较小麦/玉米/红薯更有利于肥料氮的吸收［14］； 小麦/玉米/大豆间套作体系中适量施用磷肥可促进玉米的生长、减轻小麦对玉米的影响，同时可提高玉米当季磷肥利用率［15］； 小麦各部位氮积累量都随氮用量增加而增大，小麦花后从营养器官向籽粒转移的氮量及其贡献率随施氮量增加而增大，但转移率在不同氮处理下差异不显著，随氮用量增加，籽粒的氮分配比例逐渐减少，而非籽粒部分的氮分配比例则逐渐增大，低氮处理显著影响套作小麦、玉米、大豆的产量及氮素的吸收积累，高氮投入会促使氮素滞留在营养器官中，阻碍其花后向籽粒中转移［16］。研究得出小麦/玉米/大豆体系全年施N量在255～382.5 kg·hm-2为宜，其中小麦120～180 kg·hm-2，玉米195～292.5 kg·hm-2，大豆不施或依苗情适当追施氮肥即可［16］。然而有关套作小麦的增产机理及氮素调控管理的研究仍缺乏，尤其关于“套作玉米对小麦有无影响，有多大影响？这种影响在不同营养条件下的响应如何？”的问题值得探究。为此，本研究通过田间试验，研究了不同施氮水平下小麦单作、小麦/玉米套作、小麦/空带套作 3种模式中小麦的产量、氮素吸收利用特征，旨在为更好地利用小麦套作优势，提高氮素利用效率，实现高产高效提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2013年10月30日—2014年5月6日在四川农业大学崇州现代农业试验示范基地（103.6′E，30.6′N）进行。崇州属四川盆地亚热带湿润季风气候，四季分明，雨量充沛，日照偏少，无霜期较长。年平均气温15.9 ℃，最热月7月平均气温为25 ℃，最冷月1月平均气温5.4 ℃，温差为19.7 ℃。年平均日照时数为1 161.5 h，年平均降雨量1 012.4 mm，雨日和雨量均为夏多冬少，春季为 176.1 mm，夏季为588.0 mm，秋季为218.4 mm，冬季为29.9 mm。试验地土壤类型为水稻土，土壤质地为壤土，耕种前耕层（0～20 cm）混合土样pH 6.3、有机质37.6 g·kg-1、全氮2.03 g·kg-1、碱解氮136 mg·kg-1、有效磷20.4 mg·kg-1、速效钾101 mg·kg-1。

1.2 试验材料

供试小麦为高抗优质品种‘蜀麦969’，由四川农业大学小麦研究所选育； 玉米选用四川省和农业部主推优良品种‘川单418’，由四川农业大学玉米研究所选育。供试化肥为尿素（含N 46％）、过磷酸钙（含P2O512％）和氯化钾（含K2O 60％），均购于当地农资门市部。

1.3 试验设计

试验采用二因素裂区试验设计，主处理为施氮水平，小麦的 4个施氮（N）水平分别为： 0 kg·hm-2（N1）、60 kg·hm-2（N2）、120 kg·hm-2（N3）和180 kg·hm-2（N4）； 玉米的 4个施氮（N）水平分别为： 0 kg·hm-2（MN1）、90 kg·hm-2（MN2）、180 kg·hm-2（MN3）和270 kg·hm-2（MN4）。同处理的磷钾都一致适量施用。裂区处理为3种种植模式，分别为小麦单作（W）、小麦/玉米套作（W/M）以及小麦/空带套作（W/E），田间随机排列，每处理重复3次。W/M和W/E中的小麦种植规格相同。

小区面积5 m×6 m=30 m2，小区幅宽6 m。小麦于2013年10月30日条播，用种量180 kg·hm-2。小麦行距20 cm，单作小区种植30 行（图1A）。套作小区中，小麦、玉米带幅均为 1 m，每个小麦带幅种 5行小麦，小麦带幅间隔 1 m作为套作玉米的预留行（隙地），即套作小区中小麦、玉米采用1 m/1 m的田间配置，小区内共有3 个小麦带幅。小麦齐穗扬花期（2014年3月25日）时在预留的隙地中栽种2行玉米，玉米实行肥团育苗，两叶一心期（2014年4月8日）移栽，行距50 cm，穴距38 cm，穴植2株，种植密度为52 500 株·hm-2（图1B）。小麦/空带模式中预留隙地中不栽玉米（图 1C）。小麦播种时开深 5 cm左右的沟，60％的氮和全部磷、钾肥撒于沟内，然后播种盖土；另于分蘖期追施40％的氮，用改装的喷雾器喷淋，而后浇水以利于氮肥进入土壤被植物吸收。玉米移栽时30％的氮和全部磷、钾肥撒于穴内，覆土后栽植玉米苗； 另于拔节期、抽雄期分别追施30％、40％的氮，兑清水冲施于株旁。小麦于2014年5月6日收获测产。

图1　不同种植模式的田间布局和取样点位置图Fig. 1 Field layouts and sampling points locations of different planting patterns

1.4 测定项目及方法

1.4.1 干物质积累量和养分含量

于收获期在采样区选取长势一致具有代表性的小麦，采集40 cm长样段的植株，单作小麦采中间的2行（图1A），套作小麦（小麦/玉米和小麦/空带）采种植带上的各行，然后两边行合并、两内行合并，以及中间一行，分别制成边行、内行和中间行样品（图1B，C）。采后按地上部秸秆（包括茎秆、叶片和颖壳）和籽粒分开烘干称重，计算干物质重，样品粉碎过60目筛，用凯式半微量蒸馏定氮法测定氮含量［17］。

1.4.2 产量

单作小麦在测产区选取中间的4行进行收割，套作小麦（小麦/玉米和小麦/空带）收获中间的1个种植带（5行），分边行、内行和中行分开收割，然后脱粒机脱粒，晒干，计实收籽粒产量。

1.4.3 各指标的计算

氮素生理利用效率（kg·kg-1）=（施氮区籽粒产量-

1.5 数据处理

本研究中，为便于比较，单作、套作小麦的生物量和产量等指标，是以种植带的实占面积来计算的。所有数据采用Microsoft Excel 2010软件进行计算处理，利用SPSS 13.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量处理下单套作小麦生物量的变化

从表1可以看出，不同施氮量和种植模式对小麦生物量有极显著影响（P＜0.01），但施氮水平和种植模式无显著的交互效应（P＞0.05）。随着施氮量的增加，单、套作小麦地上部生物量均呈先增大后减小的趋势，均在N3处理时达最大，当氮用量超过120 kg·hm-2时，其生物量不再增加。在不同氮处理下，套作小麦地上部干物质积累量均高于单作小麦，N1～N4处理套作比单作分别增加11.9％、17.7％、19.8％和13.6％。套作小麦不同行的生物量有明显的规律性，即边行＞内行＞中间行，中间行的生物量与单作行基本持平，边行比内行、中间行分别高9.6％和22.0％，边行比单作行大18.4％～34.6％。由此可看出，套作小麦的生物量优势主要来源于边行。小麦/玉米和小麦/空带相比，小麦生物量在不同氮处理条件下表现不同，N1、N2和N4时小麦/玉米比小麦/空带分别减少7.6％、5.3％和12.2％，而在N3处理时小麦/玉米比小麦/空带增加5.0％。

表1　不同施氮量下单作和与玉米套作小麦不同种植行的地上部生物量Table 1 Aboveground shoot biomasses of monocultured（W） and relay-intercropped（W/M，W/E） wheat in different rows under different nitrogen application levels kg·hm-2

2.2 不同施氮量处理下单套作小麦籽粒产量的变化

如表2所示，不同施氮和种植模式对小麦籽粒产量有极显著影响（P＜0.01），但施氮水平和种植模式无显著的交互效应（P＞0.05）。小麦籽粒的变化趋势与其生物量变化趋势基本一致，即随着施氮量增加单套作小麦的籽粒产量呈先增加后减小的趋势，均在N3时最大，当氮用量超过120 kg·hm-2时，单作、套作小麦的籽粒产量不再增加； 而小麦/空带处理的小麦籽粒产量有随施氮量增加而增大的趋势，在N4时最大。在不同的氮处理下，与相应单作相比，套作小麦具有明显的产量优势，N1～N4处理套作比单作分别增加14.06％、20.66％、21.29％和15.24％。套作小麦不同行的籽粒产量是边行＞内行＞中间行，中间行的籽粒产量与单作行基本持平，边行籽粒产量比内行、中间行分别高12.38％、18.80％，边行比单作行增加20.03％～35.00％。表明套作小麦有明显的产量优势，其产量优势主要来源于边行优势。小麦/玉米和小麦/空带相比，小麦籽粒产量在不同氮处理条件下表现不同，N1、N2和N4时是小麦/玉米比小麦/空带分别减少8.33％、3.13％和4.51％，而在N3处理时是小麦/玉米比小麦/空带增加14.13％。

由表3可知，单、套作小麦的收获指数均在N1时最大，随着施氮量的增加单、套作小麦的收获指数减小。在不同氮处理下，小麦/玉米处理中套作小麦收获指数比单作小麦分别高6.41％、5.47％、3.60％ 和1.22％。

表2　不同施氮量下单作和套作小麦不同种植行的产量Table 2 Grain yields of monocultured（W） and relay-intercropped（W/M，W/E） wheat in different rows under different nitrogen application levels kg·hm-2

表3　不同施氮量下单作小麦和与玉米套作小麦不同种植行的收获指数Table 3 Harvest indexes of monocultured（W） and relay-intercropped（W/M，W/E） wheat in different rows under different nitrogen application levels

2.3 不同施氮量下单套作小麦的氮素积累及氮效率变化

从表4可知，不同施氮量和种植模式对小麦氮素积累量有极显著影响（P＜0.01），但施氮水平和种植模式无显著的交互效应（P＞0.05）。随着施氮量的增加单套作小麦的氮积累量先增加后减小，均在N3时最大，当氮用量超过120 kg·hm-2时，单套作小麦氮积累量不再增加； 而小麦/空带处理的小麦氮积累量有随施氮量增加而增大的趋势，在N4时最大。在不同的氮处理条件下，套作小麦氮积累量比单作分别增加22.04％、32.11％、37.55％和25.47％； 套作小麦不同行的氮积累量也有边行＞内行＞中间行的变化趋势，中间行的氮积累量比单作行基本持平或略有增大，边行氮积累量比内行、中间行分别高20.66％和36.65％，边行氮积累量比单作行增加39.00％～63.61％。小麦/玉米和小麦/空带相比，在不同氮处理条件下，其氮积累量的表现规律不同，在N1、N2和N4处理时，小麦/玉米比小麦/空带分别减少15.66％、11.05％和16.14％，但在N3处理时，小麦/玉米比小麦/空带增加6.77％。

表4　不同施氮量下单作小麦和与玉米套作小麦不同种植行的氮积累量Table 4 Nitrogen accumulation of monocultured（W） and relay-intercropped（W/M，W/E） wheat in different rows under different nitrogen application levels kg·hm-2

另从表5可看出，随着施氮量的增加单、套作小麦的氮素收获指数减小，均在N1时最大。与单作小麦相比，小麦/玉米处理中套作小麦的氮素收获指数在N1和N2时比单作分别高2.17％和5.56％，而在N3和N4处理时小麦/玉米的氮素收获指数都低于单作。小麦/玉米和小麦/空带相比，在不同的氮处理条件下，小麦氮素收获指数的表现规律不同，在N1处理时，小麦/玉米比小麦/空带减少3.29％，而在N3处理时，小麦/玉米比小麦/空带增加2.33％。

表5　不同施氮量下单作小麦和与玉米套作小麦不同种植行的氮素收获指数Table 5 Nitrogen harvest indexes of monocultured（W） and relay-intercropped（W/M，W/E） wheat in different rows under different nitrogen applications

小麦的氮素利用效率如表6所示。不同施氮量对小麦氮素生理效率和氮肥偏生产力有极显著影响（P＜0.01），对小麦氮素农学利用率无显著影响（P＞0.05）； 不同种植模式对小麦氮素生理效率和农学利用率都无显著影响（P＞0.05），对氮肥偏生产力有极显著影响（P＜0.01）； 施氮水平和种植模式间无显著的交互效应（P＞0.05）。从N2～N4，随着施氮量的增加单、套作小麦的氮素生理利用率、农学效率和氮肥偏生产力均随之减小，说明增施氮肥会明显降低氮利用效率。除高氮N4处理外，在N2和N3条件下，氮素农学效率和氮肥偏生产力都是W/M＞W/E＞W。从总体上看，套作小麦的氮素生理利用率、农学效率和氮肥偏生产力都比单作小麦明显增高，氮素生理利用率W/M、W/E分别比W高9.09％和2.87％，氮素农学效率W/M、W/E分别比W高56.18％和19.10％，氮肥偏生产力W/M、W/E分别比W高19.91％和23.71％。W/M和 W/E相比，小麦的氮生理利用率、农学效率和氮肥偏生产力都无显著差异。说明套作小麦的氮利用效率显著高于单作小麦。

表6　不同施氮量下小麦的氮素利用效率Table 6 Nitrogen use efficiency of monocultured（W） and relay-intercropped（W/M，W/E） wheat under different nitrogen application levles

3 讨论与结论

作物间套作既是传统农业的精华，也是现代农业高产高效的主要措施之一。已有相关多的研究证明，间套作有利于作物稳产和增产，提高资源利用效率，有明显的产量优势［18-20］。齐万海等［21］和樊高琼等［22］在四川小麦间套种植中也发现套作小麦相对单作小麦表现出产量优势和边行优势。在本研究中，套作小麦边行生物量和籽粒产量分别比单作行平均增加23.81％和27.27％，套作小麦的产量、生物量和收获指数比单作平均提高了17.81％、15.74％和4.18％。同时还发现，在不同的氮处理条件下，小麦/玉米体系中小麦地上部氮素积累量、籽粒氮积累量和氮肥偏生产力均显著高于单作小麦，分别平均提高了48.91％、32.63％和19.08％。正是由于套作小麦的边行相对内行、中间行有更高的生物量、氮吸收量和氮利用效率，从而得到了产量和养分效率的优势。在四川小麦/玉米套作体系中，玉米是在小麦扬花期栽植入小麦行间的，小麦、玉米间只存在40多天的共生期，虽说此共生期不长，而且后套玉米是在小麦行间，小麦收获时玉米才长至拔节期（6～8叶期），那么套入的玉米对小麦有多大的影响呢？本研究探究了不同施氮量下套作玉米对小麦的影响，从结果来看，既存在着小麦与玉米的种间竞争又存在着小麦的种内竞争作用，在小麦/空带体系中，只有小麦的种内竞争作用。以往的报道指出小麦与玉米间套作时，小麦对土壤和肥料氮的竞争力强于玉米，处于竞争优势，玉米为劣势作物［23-25］。本研究也证实了这点。在中氮（N3）时，小麦套作优势是小麦/玉米＞小麦/空带，小麦/玉米中小麦的产量和地上部生物量分别比小麦/空带增加了14.13％和5.03％，地上部吸氮量、籽粒吸氮量和氮肥偏生产力分别平均增加了6.77％、7.50％和4.51％。这一方面是因为小麦/玉米间作后，其根系形态发生了变化，间作小麦的地下部鲜重、根体积和根数目增加，而间作玉米的根长减少［26-27］，使间作小麦吸收了更多的养分； 另一方面可能是因为小麦/玉米间作后，其根系分布发生了变化。Li等［28］、刘广才等［29］的田间研究发现，与小麦间作的玉米在共生期根系水平生长范围受到抑制，小麦根系能够伸入扩展到玉米根区，而玉米的根系不能伸入到小麦根区，导致小麦收获时增产和养分吸收优势的获得。除此之外，在小麦、玉米共生期间，小麦、玉米的生育期不同，小麦从穗期至收获期，而玉米从移栽到拔节期，两作物对于养分需求的高峰期错开而表现出小麦从套入玉米中受宜［10］。但研究同时发现，小麦和玉米之间的种间作用关系在不同的施氮量下表现不同，即在不施氮（N1）和低氮（N2）时，小麦/空带体系中小麦的产量和地上部生物量平均比小麦/玉米套作增加6.16％（产量）和6.91％（生物量），而在高氮（N4）时，小麦/玉米套作体系中小麦的产量和生物量比小麦/空带体系减少4.51％和12.24％。这可能是因为在不施氮和低氮时，小麦/玉米套作体系中小麦和玉米对养分的竞争激烈［30］，小麦的生长受到玉米的竞争，而小麦/空带模式中，小麦具有更大的发展空间，其边行能够吸收更多的土壤养分，促进了边行优势的形成，所以使其吸氮量、籽粒吸氮量和氮肥偏生产力均比小麦/玉米模式平均增加15.50％、16.65％和16.46％； 而在中氮（N3）时，小麦/玉米套作体系中小麦的养分已经充足，不需要从玉米行得到养分，所以受玉米的影响不明显，如果再增施氮肥，其小麦的产量和生物量会有下降的趋势，所以过量施用氮肥也不利于小麦/玉米体系中小麦的生长。

综合来看，本研究中套作小麦相对于单作具有明显的产量优势、边行优势和更强的氮素吸收能力，能更好地利用氮肥。在小麦/玉米套作体系中，小麦和玉米间的种间作用关系因施氮量的不同而不同，在施氮不足的条件下，套入玉米对小麦有明显的竞争抑制作用，增加施氮用量至适宜水平后，小麦受套入玉米的竞争减弱，甚至由于玉米的施肥而对小麦有促进作用。所以建议在小麦/玉米套作体系中必须配施一定量的氮肥以消除小麦玉米之间对氮肥的竞争，从而促进小麦的生长。

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Wheat grain yield and nitrogen use characteristics under monoculture and intercropping with different nitrogen fertilization rates*

ZHAO Yani，WANG Ke，WANG Jiarui，CHEN Yuanxue**，YANG Yu
（College of Resources Science，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China）

Wheat/maize relay-intercropping system is an important rainfed planting pattern in Sichuan Province，China. It is therefore important to investigate rational nitrogen management strategies to improve not only productivity and nutrient use efficiency，but also to explore the yield advantage mechanism of the interaction between intercropped wheat and maize. In this direction，a field experiment was conducted in 2014 involving four nitrogen application rates（0 kg·hm-2，60 kg·hm-2，120 kg·hm-2and 180 kg·hm-2，denoted by N1，N2，N3 and N4，respectively） under three planting patterns. The planting patterns included wheat monoculture（W），wheat/maize strip relay-intercropping（W/M） and wheat/empty strip（W/E） at an experimental research base in Chongzhou，Sichuan. Grain yield，biomass，nitrogen uptake，nitrogen use efficiency and partial factor productivity of nitrogen（PFP-N） of wheat were calculated. The results showed that 1） intercropped wheat had yield advantage over monoculture wheat under all the nitrogen application rates. The aboveground biomass and grain yield of intercropped wheat in W/M and W/E treatments were on average 15.7％ and 17.8％ higher than that of monoculture wheat. 2） Border row wheat had advantage in terms of productivity，nitrogen uptake and nutrient use efficiency. Aboveground biomass，yield，nitrogen uptakeand PFP-N of the border row wheat were 23.8％，27.3％，48.9％ and 19.1％ higher than those of monoculture wheat，respectively. It suggested that intercropped wheat had higher nitrogen use efficiency with higher grain yield compared to monoculture wheat. 3） Compared to W/E pattern，aboveground biomass and grain yield of wheat under W/M pattern dropped by 6.5％ and 5.7％ under the zero and 60 kg·hm-2nitrogen application treatments，respectively. However，under the medium nitrogen application rate（N3，120 kg·hm-2） grain yield，aboveground biomass，shoot nitrogen uptake and PFP-N of wheat under W/M were 14.1％，5.0％，6.8％ and 4.5％ higher than those under W/E，respectively. These results indicated that intercropped wheat may be inhibited by intercropping maize under low nitrogen application rate（such as low than 60 kg·hm-2），in contrast wheat development in intercropping could be promoted by sufficient nitrogen application. Furthermore，intercropped wheat had advantages in grain yield and nutrient use efficiency，especially for border row plants. Although maize and wheat interaction enhanced this process，sufficient nitrogen fertilizer application in maize and wheat was critical for promoting growth of relay-intercropped wheat.

Wheat/maize relay-intercropping； Nitrogen management； Yield advantage； Border row advantage； Nitrogen uptake； Partial factor productivity of nitrogen

Aug. 26，2015； accepted Mar. 6，2016

S344

A

1671-3990（2016）07-0845-08

10.13930/j.cnki.cjea.150937

* 国家现代农业玉米产业技术体系项目（CARS-02-04）和国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目（31210103906）资助

** 通讯作者： 陈远学，主要从事植物营养与养分管理研究。E-mail： cyxue2002@aliyun.com

赵亚妮，主要从事作物高产高效研究。E-mail： 842680183@qq.com

2015-08-26 接受日期： 2016-03-06

* The study was supported by the Program of Modern Agriculture Maize Industry of China（CARS-02-04） and the National Natural Science Foundation of China（31210103906）.

** Corresponding author，E-mail： cyxue2002@aliyun.com