张苗 洪大双 李紫薇 魏春盈 马慧萍 李佳明 宁友才 董雯 王开勇
摘要:为揭示保水型高分子材料对滴灌春小麦土壤氮素转化规律、氮肥利用效率和产量的影响,通过随机区组田间小区控制试验,设置单施氮肥(N100),保水型高分子材料加100%、80%、60%施氮量(PN100、PN80、PN60)和不施肥对照组(CK)5个处理,在春小麦3叶期、拔节期、扬花期、成熟期4个主要时期采集0~20、20~40 cm土样,测定土壤理化指标以及产量及构成因子,研究保水型高分子材料对滴灌春小麦不同生育时期土壤团聚体百分组成、有效养分和氮素转化特征,以及对氮肥利用效率及产量的影响。结果表明,与N100处理相比,保水型高分子材料显著降低土壤容重;显著增加各处理0~20 cm土层土壤全氮、碱解氮和硝态氮含量,其中在小麦成熟期,PN100处理分别显著增加19.05%、4.17%、48.64%。同时,添加保水型高分子材料能够抑制土壤硝态氮的淋洗和铵态氮的释放,有效提高土壤氮素保持能力和氮的有效利用,提高土壤表层有效养分含量,进而显著提高小麦氮肥利用效率和产量。并且在PN80施氮量处理下,小麦产量与N100处理差异不显著。施用保水型高分子材料显著提高了土壤团聚体稳定性和氮磷钾等养分的有效性,抑制不同形态氮素损失,提高氮肥利用效率,达到稳产减排固氮的协同效果,为新疆干旱地区滴灌条件下减施氮肥和提高氮肥利用提供依据。
关键词:保水型高分子材料;氮素形态;氮肥利用效率;小麦产量
中图分类号:S512.1+20.7;S512.1+20.6文献标志码:A
文章编号:1002-1302(2024)09-0254-09
氮素作为植物大量营养元素,在作物生产过程中起着重要作用,可以多方面调控小麦生长发育进程,提高小麦产量[1]。为应对世界粮食安全需求及稳定国家的经济发展,近年我国的氮肥投入量大幅增加。据统计,我国农业每年利用6 000万t肥料,尿素的比例达到65.1%[2]。然而,过量施用氮肥使氮磷钾配比不均衡,氮素过剩加重作物病害,造成作物减产。同时,氮肥淋洗造成水体污染,也有一部分氮肥通过氨挥发、硝化、反硝化等途径[3],排放N2O、NxO到大气[4],破环臭氧层,加重温室效应,对环境效益造成极大威胁。因此,解决氮肥利用问题是各国科学研究的重大课题。
高分子保水材料作为一种土壤保水剂,不仅能够提高土壤含水量[5]、改善土壤孔隙特征[6],而且增强土壤对氮素吸附[6-7]、降低氮素淋洗、延缓土壤氮素释放[8-9],有效缓释土壤养分[10],同时也固定了一部分作物所必需的营养物质,促进作物对养分的吸收,从而增加土壤养分利用效率,降低土壤中肥料的损失,为作物提供了良好的生态环境,减少农业污染[11]。可见,高分子材料在增强土壤保水性能、改良土壤结构和提高土壤养分利用效率方面,均能发挥积极作用。
目前,保水型高分子材料对土壤肥力保持及缓释效应已有研究,但是这些研究方法大多表现在对土壤理化性质的影响,对滴灌减量施氮条件下土壤氮素转化规律和作物产量效应还需要进一步研究。因此,本研究采用能够随水滴施且对环境无污染的保水型高分子材料,通过不同氮肥施用量试验,明确其对土壤不同氮素形态转化和积累特征,解析保水型高分子材料在减施氮量策略下提高小麦产量的土壤氮素利用过程,为区域应用保水型高分子材料减施化肥稳定产量提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验分别于2020年和2021年的3—7月在石河子大学试验农场2连(44.33°N,86.00°E)进行。该区域属于典型温带大陆性气候,全年日照时数为 2 721~2 818 h,年均气温2~15 ℃,年均降水量 180~220 mm,年蒸发量1 000~1 500 mm。试验区土壤类型为灰漠土,质地为壤土。土壤基本理化性质为pH值7.51,EC值344 μS/cm,全氮含量 1.76 g/kg,有机质含量24.32 g/kg,碱解氮含量70.24 mg/kg,速效磷含量18.23 mg/kg,速效钾含量204.32 mg/kg。
1.2 试验设计
试验共设置5个处理,分别为100%施氮量(N100)、高分子材料+100%施氮量(PN100)、高分子材料+80%施氮量(PN80)、高分子材料+60%施氮量(PN60)、不施用任何物质(CK),见表1。保水型高分子材料(P,主要由聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、硫酸锰等高温加热制备而成,其pH值为7.46,EC值为 1 330 μS/cm,授权发明专利号ZL201810184659.5)
。试验采用完全随机区组设计,每个小区面积2 m×5 m,各个小区均设置0.5 m×5 m保护行,每个处理重复3次。所有处理均施用基肥 P2O5、K2O 含量分别为120、90 kg/hm2,全生育期总灌水量4 500 m3/hm2。
滴灌带为内嵌式,滴头间距30 cm,滴灌带配置模式为1管4行,种植作物为春小麦新春38号。播种后,高分子材料稀释60倍与不同施用量氮肥溶解倒入施肥罐,在滴出苗水时一次性施入。其他各项管理同当地大田。
1.3 样品采集
于2021年3月至7月分别在小麦3叶期、拔节期、扬花期、成熟期采集土样(0~20、20~40 cm),每个小区按照梅花布点法混合获得1个土样,一部分风干后进行土壤氮素相关指标测定,另一部分新鲜土样过2 mm筛于冰箱保存用于土壤铵态氮和硝态氮的测定;同时采集 0~20 cm原状土壤于塑料盒中,带回实验室过8 mm筛并风干用于测定土壤团聚体百分组成;采用环刀采集耕层(0~20 cm)土样用于容重测定。于2020年和2021年在小麦成熟期测定其产量。
1.4 测定方法
土壤容重采用环刀法测定;土壤团聚体采用干筛法测定。土壤全氮含量通过浓H2SO4-H2O2消化[12],凯氏定氮仪(Foss KjeltecTM2300,Swiss)测定;土壤碱解氮含量采用碱解-扩散法测定[12];土壤铵态氮和硝态氮含量先用KCl浸提后过滤,用连续流动分析仪测定[12-13]。土壤pH值使用通用型pH计测定;EC值采用电导率仪测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定[12];土壤速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;土壤速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定[12]。小麦产量选取1 m2样方测定穗数、穗粒数和千粒重。
1.5 数据处理
1.5.1 氮肥利用效率计算
作物氮肥利用率=(施氮处理作物地上部氮积累量-不施氮处理地上部作物氮积累量)/施氮量×100%;
作物氮肥农学利用效率(kg/kg)=(施氮处理作物产量-不施氮处理作物产量)/施氮量;
作物氮素生理利用率(kg/kg)=(施氮处理籽粒干重-不施氮处理籽粒干重)/(施氮处理作物氮素积累量-不施氮处理作物氮素积累量);
作物氮素偏生产力(kg/kg)=籽粒产量/施氮量;
作物氮收获指数=籽粒中氮素积累量/成熟期作物氮素积累量×100%。
采用Excel 2016软件进行表格制作,用SPSS 19.0进行Duncans检验(α=0.05)和方差分析,并用Origin 2021软件进行作图。土壤容重、化学特性及小麦产量之间的关系通过Canoco 5.0进行冗余分析(redundancy analysis,RDA)。
2 结果与分析
2.1 各生育时期不同处理土壤结构特征
2.1.1 土壤团聚体百分组成
由图1可知,在0~20 cm土层,保水型高分子材料显著影响小麦扬花期土壤团聚体百分组成(P<0.05),提高不同生育时期土壤粒级在>5.000、2.000~5.000、1.000~<2.000、0.500~<1.000 mm范围的含量。在小麦3叶期,各处理组土壤粒级>5.000、2.000~5.000、1.000~<2.000、0.500~<1.000 mm的比例分别为21.13%~30.25%、29.20%~31.08%、15.49%~18.54%、14.77%~19.02%。在小麦拔节期,各处理组土壤粒级>5.000、2.000~5.000、1.000~<2.000、0.500~<1.000 mm的比例分别为14.06%~18.92%、21.52%~25.94%、18.19%~21.79%、21.76%~26.72%。在小麦扬花期,各处理组土壤粒级>5.000、2.000~5.000、1.000~<2.000、0.500~<1.000 mm的比例分别为13.33%~25.20%、26.53%~32.06%、16.18%~21.96%、16.06%~24.56%。在小麦成熟期,各处理组土壤粒级>5.000、2.000~5.000、1.000~<2.000、0.500~<1.000 mm的比例分别为18.87%~30.20%、25.82%~29.90%、15.19%~18.46%、15.80%~21.47%。
2.1.2 土壤容重 由图2可知,与CK相比,添加保水型高分子材料能够降低土壤容重。不同处理条件下,土壤容重大小依次为CK>N100>PN60>PN100>PN80。其中,在小麦拔节期和成熟期,PN80处理组的土壤容重与CK相比具有显著差异(P<0.05)。随着生育期的推进,各处理组的土壤容重均呈增加趋势。与CK相比,在小麦3叶期,N100、PN60、PN100、PN80处理分别降低0.76%、2.65%、3.58%、3.79%;在拔节期,N100、PN60、PN100、PN80处理分别降低3.86%、5.77%、7.59%、8.07%,其中PN100、PN80、PN60处理效果显著(P<0.05);在扬花期N100、PN60、PN100、PN80处理分别降低1.38%、2.07%、4.83%、5.86%;在成熟期,N100、PN60、PN100、PN80处理分别降低1.07%、2.41%、3.71%、5.56%。与其他生育时期相比,在拔节期土壤容重下降程度更加明显。
2.2 各生育时期不同处理土壤氮素组分含量
2.2.1 土壤全氮含量
由图3可知,在0~20 cm土层,不同生育时期PN100和PN80处理土壤全氮含量与CK相比均显著提高,而20~40 cm土层,PN100处理土壤全氮含量变化在3叶期和成熟期显著增加,扬花期和拔节期差异不显著,3叶期PN100处理的土壤全氮含量显著高于N100处理。在0~20 cm土层,与CK相比,N100、PN100、PN80、PN60处理土壤全氮含量在3叶期分别显著增加7.21%、31.61%、23.75%、8.48%(P<0.05),在拔节期分别显著增加6.59%、21.66%、17.53%、5.13%(P<0.05),在扬花期分别显著增加8.38%、11.04%、9.30%、5.75%(P<0.05);在成熟期分别显著增加13.21%、17.94%、11.40%、10.73%(P<0.05)。在20~40 cm土层,与CK相比,N100、PN100、PN80、PN60处理土壤全氮含量在3叶期分别增加6.86%、25.24%、11.45%、3.41%,在拔节期分别增加26.02%、12.88%、6.91%、3.84%,在扬花期分别增加10.07%、6.10%、5.97%、5.38%,在成熟期分别增加10.07%、6.10%、5.97%、5.38%。其中3叶期PN100、拔节期N100和成熟期N100、PN100、PN80显著增加(P<0.05)。
2.2.2 土壤硝态氮含量
在0~20 cm土层,在3叶期和拔节期PN100和PN80处理组的土壤硝态氮含量显著高于N100处理组(P<0.05),在扬花期和成熟期PN100处理组的土壤硝态氮含量显著高于N100处理组(P<0.05),而N100处理组与PN80处理组无显著差异(P>0.05)(图4)。在0~20 cm 土层,与CK相比,N100、PN100、PN80、PN60处理土壤硝态氮含量在3叶期分别显著增加194.83%、271.71%、228.42%、187.82%(P<0.05),在拔节期分别显著增加150.73%、270.07%、207.35%、129.57%(P<0.05),在扬花期分别显著增加111.52%、226.26%、93.18%、63.60%(P<0.05),在成熟期分别显著增加119.08%、225.65%、125.65%、58.17%(P<0.05)。在20~40 cm土层,除扬花期的PN60处理组外,其他处理土壤硝态氮含量高于CK,且随着生育期的推进,土壤硝态氮含量逐渐降低且趋于稳定(图4)。其中在3叶期,PN100和PN80处理高于N100处理但差异不显著;在扬花期,与CK相比,N100、PN100、PN80处理分别增加56.78%、19.50%、3.17%;在成熟期,与CK相比,N100、PN100、PN80处理分别增加93.20%、15.82%、8.07%,N100处理效果最显著,PN100次之。
2.2.3 土壤铵态氮含量
由图5可知,在0~20 cm 土层,与N100处理组相比,在3叶期和拔节期PN100、PN80和PN60处理组的土壤铵态氮含量显著降低(P<0.05);扬花期和成熟期PN100处理组的土壤铵态氮含量显著增加(P<0.05),PN80和PN60处理组差异不显著(P<0.05)。在20~40 cm土层,添加高分子材料处理组的土壤铵态氮含量均显著降低(P<0.05)。在0~20 cm土层,与CK相比,N100、PN100处理土壤铵态氮含量在3叶期分别显著增加94.82%、47.09%(P<0.05),在拔节期分别显著增加156.60%、122.64%、111.32%、100.00%(P<0.05),在扬花期分别显著增加23.45%、44.11%、31.62%、17.91%(P<0.05),在成熟期分别显著增加14.40%、33.12%、19.04%、9.28%(P<0.05);在 20~40 cm土层,与CK相比,N100、PN100、PN80处理土壤铵态氮含量在3叶期分别显著增加52.41%、15.40%、12.60%,在拔节期分别显著增加93.75%、60.94%、35.94%、34.38%(P<0.05),在扬花期和成熟期N100处理增加9.65%和6.26%。
2.2.4 土壤碱解氮含量
不同生育时期PN100处理0~20 cm土壤碱解氮含量均显著增加(图6)。与CK相比,N100、PN100、PN80、PN60处理土壤碱解氮含量在3叶期分别显著增加65.00%、95.69%、35.00%、25.00%(P<0.05),在拔节期分别显著增加43.27%、66.96%、27.92%、22.81%(P<0.05)。随着生育期的推进土壤碱解氮含量趋于稳定,与CK相比,在扬花期N100和PN100处理土壤碱解氮含量显著增加24.98%、50.91%(P<0.05),在成熟期,N100、PN100、PN80和PN60处理显著增加23.53%、47.06%、41.18%、17.65%(P<0.05)。
2.3 各生育时期不同处理土壤理化指标特征
由图7可知,与CK相比,在3叶期,N100处理增加2.85%,PN100、PN80、PN60处理分别显著降低7.74%、4.86%、4.36%(P<0.05);随着生育期的推进,土壤pH值逐渐稳定,在拔节期,N100、PN100、PN80、PN60处理分别降低0.72%、0.25%、1.06%、1.35%(P<0.05);在扬花期,仅PN60处理降低0.13%(P<0.05);在成熟期,N100、PN100、PN80、PN60处理分别降低2.72%、2.46%、1.89%、2.08%(P<0.05)。与CK相比,土壤EC值在3叶期N100、PN100、PN80、PN60处理显著增加116.85%、327.41%、243.49%、99.85%(P<0.05);在拔节期,PN100、PN80处理显著增加56.76%、35.95%(P<0.05),PN60处理增加5.68%;在扬花期,N100和PN60处理显著增加22.18%、8.27%(P<0.05);在成熟期,仅PN60处理增加6.58%(P<0.05)。
与N100处理相比,拔节期PN100处理和成熟期PN100、PN80处理显著提高土壤有机碳的含量(图7)。与CK相比,N100、PN100、PN80、PN60处理在3叶期土壤有机碳的含量分别显著增加6.00%、8.67%、9.08%、10.35%(P<0.05);在拔节期和扬花期,PN100处理增加1.95%和6.20%;在成熟期,N100、PN100、PN80、PN60处理显著增加10.15%、27.01%、26.35%、14.74%(P<0.05)。与CK相比,不同施氮处理土壤有效磷含量在3叶期呈下降趋势,在拔节期呈上升趋势,随着生育期的推进逐步趋于稳定(图7)。在拔节期,N100、PN100、PN80处理土壤速效磷含量分别显著增加26.63%、19.51%、6.35%(P<0.05);在扬花期,N100、PN100、PN80、PN60处理分别显著增加51.07%、58.14%、36.29%、23.18%(P<0.05);在成熟期,PN100、PN80、PN60处理显著增加34.62%、25.27%、19.48%(P<0.05)。与CK相比,不同施氮处理土壤速效钾含量在3叶期、拔节期、扬花期显著提高(图7),在成熟期仅PN100处理显著增加了60.45%(P<0.05)。在3叶期,PN100处理显著增加27.37%;N100、PN100、PN80、PN60处理在拔节期分别显著增加137.52%、151.28%、103.71%、103.71%(P<0.05),在扬花期显著增加127.56%、207.29%、143.51%、111.62%(P<0.05)。高分子材料与氮肥配施对土壤pH值、EC值影响不大,但是显著提高土壤有机碳、速效磷、速效钾的含量。
2.4 不同处理下小麦产量及构成因素
由表2可知,2年试验结果表明,与N100处理相比,PN100处理显著提高小麦产量,PN80处理小麦产量差异不显著。第1年,与N100处理相比,PN100、PN80处理小麦穗粒数分别显著增加18.03%、6.68%(P<0.05),千粒重分别显著增加8.98%、4.22%(P<0.05);PN100处理小麦产量显著增加14.26%(P<0.05),PN80处理小麦产量下降1.88%,但是与N100处理相比差异不显著。第2年,与N100处理相比,PN100、PN80处理小麦穗数下降11.35%、12.71%(P<0.05),但穗粒数分别显著增加27.86%、7.33%(P<0.05),千粒重分别显著增加0.60%、6.17%(P<0.05);PN100处理小麦产量仍然显著增加14.02%(P<0.05),PN80处理小麦产量下降0.54%,与N100处理差异不显著。这表明保水型高分子材料与氮肥配施可显著提高小麦产量,并且在减氮量20%条件下,与N100处理差异不显著。
2.5 不同处理下小麦氮肥利用效率
与N100处理相比,PN100和PN80处理显著提高小麦的氮肥利用率(表3)。与N100处理相比,PN100、PN80、PN60处理氮肥利用率分别显著增加39.72%、40.23%、26.48%(P<0.05);PN100、PN80处理氮肥农学利用效率分别显著增加53.12%、22.64%(P<0.05);PN100处理氮肥生理利用效率显著增加9.51%(P<0.05);PN100、PN80、PN60处理氮肥偏生产力分别显著增加14.01%、24.34%、46.08%(P<0.05),氮收获指数分别显著增加13.60%、13.37%、8.69%(P<0.05)。
2.6 冗余分析
由图8可知,轴1和轴2共解释了总变异量的94.52%。图中土壤化学指标和小麦产量及氮素利用效率的关系中有机碳(解释度=7.5%,F=11.1,P=0.004)、铵态氮(解释度≤0.1%,F=0.7,P=0.534)、硝态氮(解释度=10.4%,F=8.3,P=0.002)、碱解氮(解释度=2.3%,F=6.0,P=0.008)、速效磷(解释度=1.8%,F=3.1,P=0.042)、速效钾(解释度=0.4%,F=3.5,P=0.032)、土壤全氮(解释度=74.6%,F=38.2,P=0.002)与PN100、PN80、小麦产量、氮肥利用效率呈正相关;土壤容重(解释度≤0.1%,F=0.2,P=0.874)、EC值(解释度=1.8%,F=8.8,P=0.004)与PN60、N100、穗数呈正相关;pH值(解释度=0.6%,F=3.6,P=0.016)与CK呈正相关。
3 讨论与结论
施用保水型高分子材料可显著提高小麦全生育时期土壤团聚体结构稳定性,进而提高其保肥效应。在小麦生长各个时期,土壤粒级主要以>5.000和2.000~5.000、1.000~<2.000、0.500~1.000 mm 为主,随着土壤粒径的减小,不同土壤粒级含量呈现先增多后减少趋势,这与王润珑等研究结果[14]相一致。同时,本研究发现不同施氮处理显著降低土壤容重和团聚体百分组成,添加高分子材料处理效果更显著。其原因可能是由于高分子材料具有良好的絮凝性与吸附性,通过较强的物理吸附,显著提高土壤有机碳、速效磷和速效钾等有效养分含量,增强土壤保肥能力[15],维持土壤团聚体的稳定性,使土壤容重下降,进而提高土壤孔隙度,有利于小麦根系的伸展以及对氮、磷、钾的吸收,促进小麦生长和产量提高。
保水型高分子材料通过不同形态氮组分含量、土壤养分含量、保肥时间变化提高养分利用效应,以0~20 cm土层和小麦3叶期、拔节期效果最显著,对养分释放规律影响的时间为60~90 d。与N100处理相比,高分子材料与氮肥配施显著提高0~20 cm土壤全氮、硝态氮、碱解氮含量,其在小麦3叶期和拔节期作用效果最为显著,而土壤铵态氮含量显著降低;而20~40 cm土层的不同形态氮含量普遍降低,这与甄倩研究发现保水剂对肥料的缓释作用能够显著降低土壤氮磷钾的淋溶损失结果类似[16]。高分子材料通过维持和延缓肥效、提高肥料利用率的同时达到土壤增氮的作用[17],氮的控释也提高了磷钾的有效性[18]。在0~20 cm土层,3叶期和拔节期土壤铵态氮含量与其他形态氮组分含量变化相反,这可能与高分子材料作用密切相关。添加高分子材料在前期促进了铵态氮的硝化作用进而产生NO-3和H+,显著提高硝态氮含量的同时降低土壤pH值,抑制硝态氮的反硝化作用,提高干旱地区土壤氮素的有效性。
施用保水型高分子材料通过增加穗粒数和千粒重提高小麦产量。PN60、PN80、PN100处理氮肥施用量增加,小麦产量也随之增加,表明适量增施氮肥能够提高氮肥利用率和小麦产量并获得高产,超过最佳施氮量会逐渐降低氮肥的农学利用效率和氮肥的生理利用效率,这一结果与前人研究结果[19-20]一致。而与N100处理相比,PN100处理显著提高第1年和第2年的籽粒产量,分别达到 6 947.36 kg/hm2 和7 252.65 kg/hm2,并在减氮20%条件下,与高分子材料配施上述指标基本持平或显著增加。表明施氮量一样条件下添加高分子材料能够显著提高小麦产量,然而仅减施氮肥会导致小麦产量显著下降,高分子材料与氮肥配施能够保证小麦产量稳定。其原因可能是,随小麦生育时期的推移,在小麦扬花期前后高分子材料在土壤中逐渐分解,对氮素的抑制效果减弱,使得氮肥中氮素释放加快[21],增加了土壤全氮含量,进而在拔节期和扬花期之间显著提高PN100和PN80处理的小麦穗粒数和氮肥利用效率进而提高小麦产量[22],实现氮肥减量施用。此外,第2年的小麦产量有所增加,增产280~360 kg/hm2,其原因可能是,高分子材料连年施用在同一处理,团聚体组成影响效应增大,不仅氮肥利用效率增加,水分和其他养分利用效率也有所增加,使第2年小麦产量高于第1年。通过高分子材料与尿素配施方式,避免出现高氮量而导致土壤氮的损失和污染问题,可减缓氮的释放从而降低作物生产的经济和环境成本。
综上所述,保水型高分子材料通过显著提高小麦0~20 cm土壤全氮、硝态氮和碱解氮含量和氮素利用率,促进小麦穗粒数和千粒重,提高小麦产量,其中高分子材料与全量氮肥配施处理产量最高,增产约14%,而减少氮量20%下施用保水型高分子材料与全量氮肥处理产量差异不显著。保水型高分子材料通过提升土壤团聚体稳定性显著提高土壤铵态氮、硝态氮的转化与利用,实现农田土壤固氮提效增产减排的目标。本研究主要围绕减氮配施尿素环境下氮素转化与利用及小麦产量进行分析,对土壤微生物多样性及其酶活性的生物学机制、地上部小麦氮素不同器官转运与产量构成等生理生化机制还有待深入研究,为高分子材料在农业生产中的快速应用提供依据。
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收稿日期:2023-06-07
基金项目:新疆维吾尔自治区重点研发专项(编号:2022B02053-3);国家自然科学基金(编号:31860591);国家级大学生创新创业训练计划项目(编号:202210759006)。
作者简介:张 苗(2002—),女,河南新乡人,主要从事土壤环境与生态安全研究。E-mail:2694903299@qq.com。
通信作者:王开勇,博士,教授,主要从事土壤环境与生态安全研究。E-mail:wky20@163.com。[HJ]