冯冬艳,冯 浩,魏永胜(.西北农林科技大学 生命科学学院,陕西杨凌 700;.国家节水灌溉杨凌技术研究中心,陕西杨凌 700)
不同覆盖方式对陕西关中地区冬小麦田杂草群落的影响
冯冬艳1,冯 浩2,魏永胜1
(1.西北农林科技大学 生命科学学院,陕西杨凌 712100;2.国家节水灌溉杨凌技术研究中心,陕西杨凌 712100)
为明确不同覆盖方式对陕西关中地区冬小麦田杂草群落的影响,通过连续3 a定点覆盖试验,研究麦田杂草的种类、密度、重要值及生物多样性。PermANOVA结果表明,拔节期与成熟期、透明膜与黑膜及9种覆盖处理间的杂草群落均存在显著差异。群落调查结果表明,泽漆是整个生育期内所有处理的优势种,猪殃殃和荠菜主要出现在拔节期,灰绿藜和香附子主要出现在拔节期后。黑色全膜平作处理在整个生育期内杂草总密度最低,杂草种类较少,拔节期除草后的物种丰富度、香农指数和Pielou均匀度指数显著低于对照。因此,黑色全膜平作处理可有效控制麦田杂草种类,降低杂草的密度与生物多样性,可为陕西关中地区冬小麦田合理的耕作与覆盖提供参考。
冬小麦;覆盖方式;杂草群落
农田杂草作为农田生态系统的一部分,与农作物竞争水、热、光和生存空间,并传播病虫害,是造成农作物减产的主要因素之一[1]。陕西关中地区是中国重要小麦产区之一,小麦年种植面积约93万hm2[2],但麦田草害面积占70%以上[3]。因此,有效控制杂草危害是陕西关中地区提高麦田产量的重要措施。目前,关中地区麦田杂草的防治主要以化学防除、中耕除草[4]及人工拔除[5]为主。但随着化学除草剂的过度依赖以及使用不适时[4]的问题,出现杂草抗药性上升,除草剂药害频发的现象[6],而且行之有效的中耕机械除草未受到重视[4],人工拔除的时间不当[5]。这些问题对麦田杂草的防治提出新的挑战,需要化学、物理、农业的综合防治。已有研究表明,地膜覆盖[7-9]和秸秆覆盖[10-11]可以有效控制农田杂草的发生。如,覆膜可控制稻田马齿苋(Portulacaoleracea)、鸭舌草(Monochoriavaginalis)、拟金茅(Eulaliopsisbinata)和四叶萍(Marsileaquadrifolia)等的发生[7];可使夏玉米田杂草平均生物量下降73.25%,且白色地膜覆盖的防控效果是黑色地膜覆盖的1.12倍[8];除草地膜对花生田杂草的株防效和生物量防效分别超过85%和90%[9];秸秆覆盖对大豆田杂草出土量抑制效果达48.7%~79.9%[10];显著降低化学除草剂的使用量[11]。
一些农作措施在影响杂草密度的同时,也会对杂草群落的生物多样性产生影响。测定杂草群落生物多样性的指标常见的有物种丰富度、Shannon index、优势度指数(Simpson index)、均匀度指数(Pielou index)。物种丰富度是指一个群落或生境中物种数的多少,种数越多,多样性就越大;Shannon index是通过描述种的个体出现的不确定性来测量物种多样性,即不确定性越高,多样性也就越高;Simpson index表示随机取样的两个个体不是同一种的概率;Pielou index反映的是群落中各物种个体数的分布格局,若各物种个体数越接近,均匀度就越大。已有大量报道指出,不同的耕作方式[12]、复种方式[13]、氮水平[14]对农田杂草群落生物多样性会产生影响。但是,研究不同的覆盖方式对陕西关中冬小麦田杂草群落多样性的影响甚少。
为更好地探究不同覆盖方式对陕西关中冬小麦田杂草群落的影响,本研究设计黑、白膜,平作和垄作以及秸秆覆盖等9种不同的处理,研究不同覆盖对田间杂草种类、密度、生物多样性等的影响,旨在为陕西关中地区冬小麦田杂草的控制提供科学依据。
试验地位于陕西省杨凌农业高新技术产业示范区中国旱区节水农业研究院灌溉试验站(34°17′N,108°10′E),海拔521 m,暖温带季风半湿润气候,年平均气温13 ℃,年平均降水量550 mm,且降雨主要集中在7-10月。供试土壤为土垫旱耕人为土,粉砂粘壤土。耕层土壤有机碳8.14 g/kg,全氮0.95 g/kg,全磷0.83 g/kg,全钾20.42 g/kg,速效磷20.91 mg/kg,速效钾287 mg/kg,土壤pH 8.20,体积质量1.37 g/cm3。
试验始于2013年10月冬小麦季,为冬小麦-夏玉米轮作体系。调查时间为2015年10月至2016年6月。试验共设9个处理(表1)。每个处理3个重复(小区),共27个小区,随机区组排列,小区面积为10.0 m2(2.0 m×5.0 m)。试验区周围布置2.0 m宽的相同作物保护带。黑、白膜为普通聚乙烯塑料薄膜,厚0.008 mm,宽度为30.0 cm(具体种植见图1),秸秆为上季收获的小麦秸秆,粉碎后覆盖,覆盖量为8.0 t/hm2。播种前人工翻耕15.0 cm,基肥为120.0 kg/hm2纯N(尿素)和100.0 kg/hm2纯P2O5(磷酸二铵),返青前追肥30.0 kg/hm2的纯N(尿素)。小麦品种为‘小偃22’,行距30.0 cm。全生育期无除草剂。
表1 试验处理Table 1 Treatments of experiment
图1 冬小麦种植示意图Fig.1 Schematic diagrams of the planting patterns in the growing seasons
分别于2016年冬小麦的拔节期(3月28日)和成熟期(5月28日)进行调查,每小区随机设置3个0.5 m×0.5 m的样方。收集样方内的所有杂草带回实验室分离并鉴定,并把样方外的其余杂草全部除尽。杂草鉴定主要参考《中国杂草志》[15],并通过中国植物图像库进行比对。
杂草密度为1.0 m2内的杂草株(分蘖)数。杂草在群落中的重要程度和危害性采用重要值[13]衡量。
IV=RF+RD+RA
(1)
式中,IV为某一杂草群落中某种杂草的重要值;RF为相对频度,即小区中某种杂草的频度占所有杂草频度之和的比例;RD为相对密度,即小区中某种杂草的密度占所有杂草密度之和的比例;RA为相对多度,即小区中某种杂草的多度占所有杂草多度之和的比例。
杂草的生物多样性指数采用物种丰富度(S)、Shannon index(H′)、Simpson index(λ)[16]和Pielou index(J)[17]来表示。
(2)
(3)
J=H′/lnS
(4)
式中,S为小区中出现的所有杂草种类数;Pi=ni-N,ni为小区中第i种物种的个体数,N为小区中所有物种的个体总数。
由于生物多样性的4个指数均是反映杂草群落的多样性,因此对这4个指数进Z-score标准化处理后,使其数值处于同一水平,再求4个指数的标准化均值,进行整体比较。
(5)
采用SPSS 21.0 和R 3.2.1对数据进行统计分析,采用R软件中的permANOVA(permutational multivariate analysis of varianceP<0.05) 和SPSS中的LSD法(P<0.05)进行差异显著性检验。
由表2可知,不同覆盖方式处理下麦田共出现11科、17属、18种杂草(表2)。十字花科和菊科各占3种,占所有种数的33.3%,藜科和旋花科各占2种(22%),其余科只包含1个种。双子叶杂草16种,占杂草总数的88.9%,单子叶杂草仅2种。拔节期共出现13种杂草,成熟期出现15种。1 a生杂草13种,多年生杂草5种。打碗花、小蓬草、石胡荽只出现在试验的拔节期,而苦苣菜、小黎、田旋花、香附子和广布野豌豆只出现在成熟期。
由于不同处理下出现的杂草种类不同,且有大量“0”出现,常用方差分析不适用,因此,本研究利用R软件对杂草群落的种类和数量进行PermANOVA分析。结果表明,拔节期与成熟期的杂草群落差异极显著(P=0.005)。因此,分别对拔节期与成熟期的半覆盖与全覆盖、平作与垄作、透明膜与黑膜处理进行显著性分析,结果表明透明膜与黑膜之间的杂草群落差异显著(0.01
两个生育期中9种覆盖处理间的杂草群落也具有显著差异(表3)。拔节期RBHM与FSFM、RTHM、RTHS、CK间差异显著;FBFM与FSFM、RTHM、CK间差异显著;RTHS与FTHM、FBHM间差异显著。可见,在拔节期,处理RTHS、FBFM、RBHM与CK间均具有显著性差异,而其余处理与对照差异不显著;在成熟期,CK与FSFM、FTHM、FBHM、FTFM、RBHM间差异显著;FBFM与FTFM和RBHM间也显著差异。可见,在成熟期,CK与RTHM、RTHS和FBFM间无差异,但与其余处理间差异显著。
在冬小麦的拔节期和成熟期,杂草总密度在不同的覆盖方式下具有显著差异(表4)。拔节期RTHM的杂草总密度最高,为1.8株/m2,显著高于FBHM、FBFM和RBHM,FBFM的杂草总密度最低,为0.8株/m2,显著低于FSFM、RTHM和CK处理。表明在拔节期FBFM处理较其余处理可显著降低杂草总密度。成熟期CK的杂草总密度最高,为1.3株/m2,显著高于RTHS和FBFM,FBFM的杂草总密度最低,为0.1株/m2,显著低于其他处理(除FTFM和RTHS)。因此,FBFM处理在冬小麦全生育期内可有效控制杂草总密度。
表2 试验中麦田杂草种类Table 2 Weed species in wheat field
表3 不同覆盖方式下拔节期和成熟期杂草群落的种类和数量的差异Table 3 Difference in the species and quantity of weed communities in jointing and ripening stage in different mulching
注:*和**表示不同覆盖方式在0.05水平和0.01水平差异显著。
Note:* and ** indicate significant difference at 0.05 level and 0.01 level.
杂草种类和密度因覆盖处理不同而存在显著差异(表5)。在拔节期,FBFM中共出现3种杂草,泽漆密度最高(3.1株/m2);FBHM中共出现7种杂草,播娘蒿密度最高(4.0株/m2),小花糖芥、泽漆、猪殃殃最低(均为0.4株/m2);RBHM中共出现5种杂草,泽漆密度最高(5.8株/m2),播娘蒿最低(0.4株/m2);FTFM中共出现6种杂草,阿拉伯婆婆纳密度最高(12株/m2),播娘蒿最低(0.4株/m2);FTHM中共出现6种杂草,野燕麦密度最高(8.4株/m2);RTHM中共出现7种杂草,猪殃殃密度最高(47.6株/m2);RTHS中共出现2种杂草,分别为猪殃殃和泽漆,密度分别为16.4株/m2和7.1株/m2;FSFM中共出现6种杂草,野燕麦密度最高(13.7株/m2),荠菜最低(0.9株/m2),二者差异显著;CK中共出现5种杂草,野燕麦密度最高(28.9株/m2)。各种杂草在不同覆盖方式下的密度差异不显著,但在9种覆盖方式中出现的次数有差异,出现次数较多的几种杂草分别为,泽漆9次,荠菜8次,猪殃殃7次,野燕麦、播娘蒿和阿拉伯婆婆纳均为6次,其余杂草则只在个别的覆盖方式中出现。RTHS中出现的杂草种类最少(2种),RTHM中出现的最多(7种)。除泽漆和猪殃殃,这几种常见杂草并未出现在RTHS。同时,除泽漆、阿拉伯婆婆纳和荠菜,这几种常见杂草并未出现在FBFM处理中(表5)。
Table4Weeddensityindifferentmulching株/m2
处理Treatment拔节期Jointingstage成熟期RipeningstageFSFM1.5±0.23abc0.9±0.23abFTHM1.4±0.38abcd1.2±0.37aFBHM0.9±0.56cd0.9±0.55abFTFM1.3±0.46abcd0.8±0.14abcRTHM1.8±0.46a1.0±0.46abRTHS1.4±0.15abcd0.4±0.77bcCK1.6±0.35ab1.3±0.52aFBFM0.8±0.26d0.1±0.33cRBHM1.0±0.31bcd0.9±0.25ab
注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05),表7、8同。
Note:Different lowercase shows significant difference in same column(P<0.05),the same as table 7,8.
在成熟期,FBFM中共出现1种杂草,野燕麦密度为0.4株/m2;FBHM中共出现4种杂草,泽漆密度最高(3.6株/m2);RBHM中共出现6种杂草,泽漆密度最高(2.2株/m2),灰绿藜、小花糖芥、荠菜最低(均为0.4株/m2);FTFM中共出现4种杂草,香附子密度最高(3.1株/m2),猪殃殃最低(0.4株/m2),二者差异显著;FTHM中共出现5种杂草,阿拉伯婆婆纳密度最高(5.8株/m2),泽漆最低(0.9株/m2);RTHM中共出现5种杂草,灰绿藜最高(2.7株/m2),小花糖芥最低(0.4株/m2);RTHS中共出现3种杂草,泽漆密度最高(4.9株/m2),猪殃殃和灰绿藜最低(均为0.4株/m2);FSFM中共出现6种杂草,阿拉伯婆婆纳和小花糖芥密度最高(2.2株/m2),香附子、猪殃殃和泽漆最低(均为0.9株/m2);CK中共出现3种杂草,灰绿藜密度最高(11.1株/m2),泽漆最低(0.4株/m2)。在9种覆盖处理中,各种杂草在不同覆盖方式下的密度差异不显著,但9种覆盖方式中出现的次数有差异,出现次数较多的几种杂草分别为,灰绿藜和泽漆8次,猪殃殃6次,香附子5次,其余杂草只在个别覆盖处理中出现。FBFM中出现的杂草种类最少(1种),RBHM中出现的杂草种类最多(6种)。出现次数较多的这几种常见杂草并未出现在FBFM中(表5)。
综合比较可以看出,在冬小麦的拔节期除草后,大部分杂草的密度有所降低。在拔节期,泽漆、荠菜、猪殃殃、野燕麦、播娘蒿和阿拉伯婆婆纳是麦田主要杂草,但RTHS只出现了泽漆和猪殃殃,FBFM只出现了泽漆、阿拉伯婆婆纳和荠菜。可见,RTHS和FBFM在拔节期对麦田出现的主要杂草有一定的控制作用,但对泽漆无效;在成熟期,灰绿藜、泽漆、猪殃殃和香附子是麦田的主要杂草,但这些主要杂草并未出现在FBFM中。可见拔节期除草后,FBFM可有效控制麦田主要杂草的发生。
不同杂草在不同覆盖处理下有不同的重要值。猪殃殃和荠菜在拔节期的重要值显著高于成熟期,而灰绿藜和香附子在成熟期的重要值显著高于拔节期。可见,猪殃殃和荠菜主要出现在拔节期,灰绿藜和香附子主要出现在拔节期后。泽漆的全生育期平均重要值显著高于其余杂草的平均重要值,常见杂草猪殃殃、阿拉伯婆婆纳、香附子、野燕麦、灰绿藜和播娘蒿的全生育期平均重要值无显著差异,但与其余杂草之间差异显著。可见,在冬小麦的整个生育期内,泽漆处于主导地位,猪殃殃、阿拉伯婆婆纳、香附子、野燕麦、灰绿藜和播娘蒿是次于泽漆的主要杂草(表6)。
从拔节期到成熟期,不同覆盖方式下的优势种群发生了不同程度的变化。FBFM的优势种群从泽漆-阿拉伯婆婆纳-荠菜转变为刺儿菜-野燕麦;FBHM的优势种群从小花糖芥-播娘蒿-野燕麦转变为播娘蒿-泽漆-灰绿藜;RBHM的优势种群从泽漆-阿拉伯婆婆纳-荠菜转变为泽漆-阿拉伯婆婆纳-香附子;FTFM的优势种群从泽漆-阿拉伯婆婆纳-猪殃殃转变为香附子-泽漆-灰绿藜;FTHM的优势种群从阿拉伯婆婆纳-泽漆-荠菜转变为香附子-灰绿藜-泽漆;RTHM的优势种群从猪殃殃-泽漆-野燕麦转变为灰绿藜-小藜-泽漆;RTHS的优势种群从猪殃殃-泽漆转变为灰绿藜-泽漆;FSFM的优势种群从野燕麦-猪殃殃-播娘蒿转变为香附子-泽漆 -小花糖芥;CK的优势种群从野燕麦-猪殃殃-荠菜转变为小黎-灰绿藜-泽漆。从拔节期到成熟期,CK和FBFM的优势杂草发生了变化,但泽漆一直是其余7种覆盖处理的优势种,同时,阿拉伯婆婆纳一直是RBHM的优势种,而播娘蒿一直是FBHM的优势种。
表5 不同覆盖方式下冬小麦拔节期和成熟期的杂草种类和密度Table 5 Weed species and density in jointing and ripening stage of winter wheat in different mulching 株/m2
注:不同小写字母表示同列(同一覆盖方式)下各杂草之间的密度差异显著(P<0.05);不同大写字母表示同行(同一种草)在不同的覆盖方式之间差异显著(P<0.01);整个生育期出现次数较少的种类没有展示;同种杂草中上面数据为拔节期密度,下面为成熟期密度,表6同。
Note:Dates with different lowercase in same column indicates different weeds in same mulching are significantly different, dates with different uppercase in same line indicates one weed in different mulching are significantly different(P<0.05);the species which appeared fewer times in whole growth period were not shown; date of joint stage is above the form and ripening stage is below the form,the same with table 6.
在冬小麦拔节期,RTHM的S最高,但与CK的差异不显著;RTHS的最低,显著低于CK;FSFM的H′最高,RTHS的最低,二者差异显著,但二者与CK差异不显著;所有处理的λ和J之间的差异不显著(表7)。在成熟期,RBHM的S最高,FBFM的最低,二者差异显著且FBFM与CK之间的差异也显著;RTHM的H′和J最高,FBFM的最低,二者差异显著且FBFM与CK之间的差异也显著;所有处理的λ之间的差异不显著(表8)。拔节期,4个多样性指标的平均标准化值差异显著,FSFM的平均标准化值显著高于RTHS;成熟期,RBHM的平均标准化值最高,FBFM的最低,且显著低于其余处理(表7和表8)。可见,在冬小麦全生育期内,RTHS和FBFM的杂草群落多样性指数较低,可有效控制杂草的发生。
表6 冬小麦拔节期和成熟期不同杂草的重要值Table 6 Important value of winter wheat in jointing and ripening stage
表7 不同覆盖方式下冬小麦拔节期的杂草多样性Table 7 Species diversity of weed communities in jointing stage of winter wheat in different mulching
表8 不同覆盖方式下冬小麦成熟期的杂草多样性Table 8 Species diversity of weed communities in ripening stage of winter wheat in different mulching
本研究结果表明,在冬小麦的拔节期和成熟期,黑色全膜平作的总密度最低,显著低于对照且出现的杂草种类也较少,说明在整个生育期内黑色全膜平作较其他覆盖处理和对照对麦田杂草的防效较高。陈刚等[18]研究结果也表明黑色地膜对杂草的生物量防效可达73.78%,而透明地膜的防效为47.02%;猪殃殃和荠菜主要出现在拔节期,灰绿藜和香附子主要出现在拔节期后,而泽漆是冬小麦整个生育期的优势杂草。原因可能是猪殃殃和荠菜适于在低温下萌发,而灰绿藜和香附子适于在高温下萌发。钱希[19]研究发现,猪殃殃的萌发温度范围较窄,在5~20 ℃均能发芽,但在25 ℃时不能发芽;黄雪梅等[20]研究指出,荠菜为耐寒性植物,不耐22 ℃以上的高温;陈莎莎等[21]和张凯等[22]研究表明,灰绿藜适宜在高温下萌发;王鸿等[23]研究指出,香附子的最适萌发温度为30~35 ℃。而泽漆从冬小麦播种后就开始萌发,翌年反青、开花,于5月底种子成熟[24],伴随冬小麦的整个生育期。拔节期除草后,在成熟期出现次数较多的几种杂草(灰绿藜、泽漆、猪殃殃、香附子)并未出现在黑色全膜平作中,原因可能是黑色全膜平作处理中的高温、黑暗、水分状况限制了这些杂草的萌发、生长和发育[19,22-23]。从拔节期到成熟期,不同覆盖方式的优势杂草群落发生了变化,但泽漆一直是7种覆盖方式(除CK和黑色全膜平作)的优势种且整个生育期的平均重要值显著高于其他杂草。同时,阿拉伯婆婆纳也一直是黑色半膜垄作的优势种,而播娘蒿一直是黑色半膜平作的优势种。具体原因还有待进一步研究。
本研究结果表明,在冬小麦的拔节期,秸秆覆盖平作的生物多样性标准化均值最高,表明秸秆覆盖平作杂草群落生物多样性最高,群落最稳定。而白色半膜垄作+沟覆秸秆的标准化均值最低且S、H′和λ也是最低的。表明白色半膜垄作+沟覆秸秆处理降低杂草群落的多样性,控制杂草的种类和数量,可以较好地控制杂草的发生。拔节期除草后,在冬小麦的成熟期,不同处理的杂草群落多样性发生变化。黑色半膜垄作处理的标准化均值最高,表明杂草群落生物多样性最高,同时H′和J也是最高的,表明黑色半膜垄作处理下的杂草群落在成熟期最稳定。黑色全膜平作的标准化均值最低,表明生物多性最低,群落不稳定,同时4个多样性指数值也是最低的,因此,拔节期除草后,在成熟期黑色全膜平作有效控制杂草的种类和数量。
从不同处理的杂草种类、数量、重要值以及生物多样性指数可以得出:黑色全膜平作可以显著降低杂草的种类和密度,不同时期不同的覆盖方式有不同的优势杂草,要根据不同的优势种进行不同的定点定量防除,但泽漆是7种覆盖方式中整个生育期的优势种,要进行重点防除。在冬小麦的拔节期,秸秆覆盖平作的杂草群落生物多样性最高,而白色半膜垄作+沟覆秸秆却可有效控制杂草的发生。在拔节期除草后,黑色全膜平作的杂草群落生物多样性最低,表明拔节期除草后,黑色全膜平作可为陕西关中地区麦田杂草的防治提供参考。
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EffectsofDifferentMulchingonWeedCommunitiesinWinterWheatFieldinGuanzhongRegionofShaanxiProvince
FENG Dongyan1, FENG Hao2and WEI Yongsheng1
(1.College of Life Sciences,Northwest A&F University, Yangling Shaanxi 712100, China;2.China Water Saving Irrigation Institute, Yangling Shaanxi 712100, China)
To understand the effects of different mulching on the weed community in winter wheat field in Guanzhong region of Shaanxi province, an investigation was conducted on the weed species, weed density, important value of weed and species diversity of weed community in a 3-year experimental field.The results of permANOVA(permutational multivariate analysis) showed significant differences between jointing and ripening stage, flatten and ridge culture, black and transparent plastic film, and 9 mulching treatments.Different mulching had different dominant weed communities,EuphorbiahelioscopiaL.is the dominant weed in all treatment in the whole growth period,GaliumaparineL.var.tenerum(Gren.et Godr.) Rchb.andCapsellabursa-pastoris(L.)Medic.mainly appeared in joint stage butChenopodiumglaucumL.andCyperusrotundusL.mainly appeared after jointing stage.Flat planting with black film mulching had the lowest weed density in the whole growth periodand had lest weed species.So, it can control common weed effectively in the winter wheat.After weeding in jointing stage, the species richness, Shannon index and pielou index of flat planting with black film mulching were the lowest which had significantly different with contrast.So, it can decrease biological diversity of weeds.So, considering the advantage of controlling weed, the flat planting with black film mulching can give a reference for the farmer to plant winter wheat with different mulching in Guanzhong region of Shaanxi province.
Winter wheat; Mulching; Weed community
2017-01-16
2017-02-26
National High Technology Research and Development Program(No.2013AA102904).
FENG Dongyan,female,master student.Research area:plant physiology and ecology.E-mail:13359228668@163.com
WEI Yongsheng,male,master supervisor.Research area:plant stress and nutritional physiology and biological model study.E-mail: wysh70@nwsuaf.edu.cn
史亚歌ResponsibleeditorSHIYage)
日期:2017-12-21
网络出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20171221.1650.016.html
2017-01-16
2017-02-26
国家高技术研究发展计划(2013AA102904)。
冯冬艳,女,硕士研究生,从事植物生理生态研究。E-mail: 13359228668@163.com
魏永胜,男,硕士生导师,主要从事植物逆境与营养生理、生物模型研究。E-mail: wysh70@nwsuaf.edu.cn
S181;S451
A
1004-1389(2017)12-1787-10