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重金属胁迫对小叶丁香叶片解剖结构的影响



全 文 :第 40 卷 第 4 期 东 北 林 业 大 学 学 报 Vol. 40 No. 4
2012 年 4 月 JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITY Apr. 2012
1)国家自然科学基金项目(31070544) ;黑龙江省交通运输厅科
技项目(hljjt2010013)。
第一作者简介:孙龙,男,1976 年 9 月生,东北林业大学林学院,
副教授。
通信作者:徐文远,东北林业大学土木工程学院,副教授。E-
mail:wenyuantianyu@ 126. com。
收稿日期:2011 年 10 月 29 日。
责任编辑:潘 华。
重金属胁迫对小叶丁香叶片解剖结构的影响1)
孙 龙 纪楠楠 穆立蔷 徐文远
(东北林业大学,哈尔滨,150040)
摘 要 以小叶丁香(Syringa microphylla Diels)为研究对象,研究了 6 种重金属锌(Zn)、铜(Cu)、铅(Pb)、汞
(Hg)、铬(Cr)、镉(Cd)在不同质量分数(a,b,c)胁迫下小叶丁香叶片解剖学特征,并应用石蜡切片法配合显微摄
影技术,对叶片栅栏组织厚度、海绵组织厚度、栅栏与海绵组织厚度比值、上下表皮厚度、角质层厚度以及叶片总厚
度的影响进行分析。结果表明:随着施加 6 种重金属质量分数的升高,小叶丁香栅栏组织的厚度在逐渐变厚,海绵
组织的厚度逐渐变薄,且栅栏组织与海绵组织的比值也随之增加,上下表皮厚度、角质层厚度以及叶片总厚度变化
不大。小叶丁香在不同质量分数重金属胁迫下均表现出抗性,对重金属 Zn 抗性作用大小为 Zn(100 mg·kg-1)>
Zn(200 mg·kg-1)>Zn(150 mg·kg-1) ;小叶丁香随着重金属 Cu的质量分数增加抗性越来越强,Cu(300 mg·kg-1)>
Cu(200 mg·kg-1)>Cu(100 mg·kg-1) ;小叶丁香只对 Pb(50 mg·kg-1)产生了抗性,随着 Pb质量分数的增大,小叶
丁香对重金属 Pb的抗性逐渐减弱,说明浓度越低抗性越强(Pb(50 mg·kg-1)>Pb(100 mg·kg-1)>Pb(150 mg·
kg-1) ) ;小叶丁香对重金属 Hg的抗性大小为 Hg(2. 00 mg·kg-1)>Hg(1. 10 mg·kg-1)>Hg(0. 20 mg·kg-1) ;小叶
丁香对重金属 Cr抗性作用为 Cr(100 mg·kg-1)>Cr(150 mg·kg-1)>Cr(200 mg·kg-1) ;小叶丁香对重金属 Cd 抗
性作用大小为 Cd(1. 75 mg·kg-1)>Cd(1. 00 mg·kg-1)>Cd(0. 25 mg·kg-1) ,研究结果为在重金属污染区选择抗
性强的绿化树种提供科学依据。
关键词 小叶丁香;叶片解剖结构;海绵组织;栅栏组织;重金属
分类号 Q944
Effect of Heavy Metal Stress on Leaf Anatomical Structure of Syringa microphylla /Sun Long,Ji Nannan,Mu
Liqiang,Xu Wenyuan(School of Forestry,Northeast Forestry University,Harbin 150040,P. R. China)/ / Journal of
Northeast Forestry University. -2012,40(4). -1-4,10
An experiment was conducted to study the leaf anatomical features of Syringa microphylla Diels under heavy metal
(Zn,Cu,Pb,Hg,Cr,Cd)stress at three different concentrations. The thickness of palisade tissue and spongy tissue,
thickness ratio of palisade tissue to spongy tissue,thickness of upper and lower epidermis,cuticle thickness and total leaf
thickness were analyzed by paraffin section combined with photomicrography. Results showed that S. microphylla exhibited
resistance to heavy metals at different concentrations. The resistance of S. microphylla leaves to 100 mg·kg-1 Zn was
highest,followed by 200 mg·kg-1 and 150 mg·kg-1;the resistance gradually increased with increasing concentrations of
Cu (100,200,300 mg·kg-1) ,Hg (0. 20,1. 10,2. 00 mg·kg-1)or Cd (0. 25,1. 00,1. 75 mg·kg-1) ;while the re-
sistance decreased with increasing concentrations of Pb (50,100,150 mg·kg-1)or Cr (100,150,200 mg·kg-1).
Keywords Syringa microphylla;Leaf anatomical structures;Spongy tissue;Palisade tissue;Heavy metals
重金属污染对生态系统的影响是当今世界上普
遍关注的环境问题之一。通常情况下,重金属大多
不是植物体的必需元素,但一旦进入植物体内,就会
参与植物的生理循环,对植物正常生长造成影响。
同时,富集在粮食、蔬菜内的重金属物质,在被人们
食入后还会侵犯人体的造血、消化及神经等系统,对
人类健康造成严重危害[1]。关于重金属污染对植
物影响的研究,大多集中于对植物形态、生理生化效
应及植物对重金属污染耐性机制等方面,且主要以
农作物为研究对象[2-4]。对重金属胁迫下园林绿化
物种的叶片解剖构造影响的研究鲜有报道。园林绿
化植物不仅可以美化环境,而且具有修复重金属污染
的功能[5]。所以在城市及公路绿化中,选择对重金属
污染抗性强的物种可以有效减少重金属的污染。
叶片是植物进化过程中对环境变化较敏感且可
塑性较大的器官,在不同选择压力下已经形成各种
适应类型,其结构特征最能体现环境因子的影响或
植物对环境的适应。因而,了解植物叶片形态解剖
结构对环境变化的响应与适应是探索植物对环境变
化的适应机制和制定相应对策的基础[6]。
小叶丁香在哈尔滨市有悠久的栽培历史,是珍
贵的四旁绿化树种,具有耐寒、耐旱、耐贫瘠、耐轻盐
碱以及抗虫害能力强等诸多优点。但目前对其抗重
金属及修复重金属能力尚不清楚,相关研究未见报
道。因此,本文选择小叶丁香的 2 年生幼苗为试验
材料,通过盆栽方式,研究其在不同程度土壤重金属
污染下的叶片解剖结构特征,科学评价其抗重金属
胁迫能力的强弱,为重金属污染区选择抗性强的树
种提供科学依据。
1 材料与方法
本试验以小叶丁香(Syringa microphylla Diels)2
年生幼苗为研究对象。栽培土壤来源于东北林业大
学哈尔滨城市林业示范基地,为东北地区典型的暗
棕壤腐殖层、淀积层土壤(pH = 6. 5,有机质质量分
数<10%)和风沙化的混合物。黑土呈中性至微酸
性。资料表明,哈尔滨地表土壤重金属质量分数:Cu
为 0. 97 ~ 20. 60 mg·kg-1、Zn 为 2. 89 ~ 96. 30 mg·
kg-1,Cd为 0. 03 ~ 0. 41 mg·kg-1,Hg为 0. 04 ~ 2. 13
mg·kg-1,Pb为13 . 91 ~ 181 . 66 mg· kg-1,Cr为
32. 40 ~ 63. 50 mg·kg-1[7]。
重金属胁迫:将待处理的小叶丁香苗木植入规
格相同的容器中,并且把含有 Pb、Cu、Zn、Cd、Cr 和
Hg的化合物药剂注射入土壤中,根据各重金属在土
壤中的含量设计质量分数梯度及对照,见表 1。
2009 年 7 月中旬施入重金属,将栽植好的苗木 50
余株在塑料温室内进行培养,采用相同的苗木水分
管理措施。9 月选择 3 ~ 5 株采摘中上部位叶子,用
石蜡切片并结合光学显微镜观察植物解剖结构的
变化。
石蜡切片:取小叶丁香当年生成熟叶片(阳面
顶部第 3 叶片)3 ~ 5 片,用 FAA 固定液固定(V
(50%酒精)∶ V(5%福尔马林)∶ V(5%冰醋酸)=
90 ∶ 5 ∶ 5)。试材系列经过 5 次不同浓度酒精脱水
后,用 60 ℃容蜡进行包埋,常规石蜡切片法制片,用
旋转式切片机(CUT5062)切片(厚度 10 μm) ,番
红—固绿对染,二甲苯透明,中性树胶封片[8],在显
微镜下观察拍照。
测量方法:每片叶子分别测量 10 个栅栏组织、
海绵组织上表皮厚度、下表皮厚度、角质层厚度、叶
片总厚度的厚度并取其平均值。
试验数据采用 SPSS 17. 0 和 Microsoft Excel
2003 软件进行处理。采用 One-way ANOVA进行方
差分析和多重比较。
2 结果与分析
2. 1 叶的解剖结构特征
小叶丁香栅栏组织由两层长柱状细胞排列而
成,栅栏组织的平均厚度为 84. 3917 μm,栅栏组织
的细胞间隙为 19. 00 μm。小叶丁香叶脉非常丰富,
主脉和各级侧脉大小差异明显,主脉明显突出于叶
片的上、下表皮。近轴心由维管组织填充,占主脉的
大部分面积。叶片主脉厚 444. 61 μm,叶片厚度
211. 20 μm。海绵组织厚度 75. 11 μm,海绵组织细
胞间隙 37. 36 μm,栅栏组织和海绵组织比值 1. 11。
2. 2 不同质量分数重金属胁迫下小叶丁香组织结
构变化
由表 1 可知,在重金属 Zn、Cu、Cd、Cr、Pb 和 Hg
的胁迫下,在 Cr 质量分数最大(200 mg·kg-1)时,
小叶丁香栅栏组织厚度达到最大值 87. 431 3 μm,海
绵组织厚度达到最小值 75. 126 2 μm,栅栏组织与海
绵组织比值达到最大值 1. 163。在 Pb(150 mg·
kg-1)胁迫下,栅栏组织厚度达到最小值 84. 033 9
μm,海绵组织厚度达到最大值 76. 981 0 μm,栅栏组
织和海绵组织厚度比值达到最小值 1. 091。上表皮
厚度则在 Pb 质量分数最大时呈现最小值 27. 214
μm,在 Hg质量分数最大值(2. 00 mg·kg-1)时呈现
最大值 27. 245 μm。下表皮厚度则在 Zn 质量分数
最小时和 Cu质量分数最小(200 mg·kg-1)时表现最
大 18. 998 μm,在 Zn 质量分数最大(200 mg·kg-1)
时表现为最小 18. 789 μm。
从总的植物叶片解剖数据上来看,不同浓度重
金属处理下叶片组织结构中栅栏组织厚度、海绵组
织厚度、栅栏组织厚度 /海绵组织厚度、上表皮厚度、
下表皮厚度、角质层厚度较对照组均出现了变化。
其中,随着 6 种重金属质量分数的增加,解剖结构中
的栅栏组织厚度、上表皮厚度、下表皮层厚度均呈现
逐渐增大的趋势,而海绵组织的厚度则越来越小。
并且小叶丁香受重金属胁迫的时间越长、质量分数
越高,栅栏组织和海绵组织变化会越明显。
图 1 可见,在重金属 Zn、Cu、Cd、Cr 和 Hg 的胁
迫下,随着施加重金属质量分数的升高,小叶丁香栅
栏组织的厚度在逐渐变厚,海绵组织的厚度逐渐变
薄,且栅栏组织与海绵组织的比值也随之增加,在质
量分数最大的时候栅栏组织与海绵组织的比值达到
了最大值,即为 1. 122、1. 126、1. 130、1. 143、1. 163
和 1. 131,说明小叶丁香是随着重金属 Zn、Cu、Cd、
Cr和 Hg质量分数的增加,抗性越来越强。虽然 Pb
(100 mg·kg-1)和 Pb(150 mg·kg-1)处理下的小叶
丁香的栅栏组织和海绵组织均发生明显变化,但是
栅栏组织与海绵组织的比例变化差异不大,说明小
叶丁香只对 Pb(50 mg·kg-1)产生了抗性,可能 Pb
的质量分数越高小叶丁香对金属的抗性越弱,质量
分数越低,抗性越强。小叶丁香在 Zn(100 mg·
kg-1)处理下,虽然海绵组织厚度出现了显著性变
化,栅栏组织没有出现显著差异,但是栅栏组织与海
绵组织的比值出现了明显变化,说明小叶丁香对重
金属 Zn(100 mg·kg-1)有一定的抗性作用。在重金
属 Zn(150 mg·kg-1)和 Zn(200 mg·kg-1)胁迫下
时,小叶丁香栅栏组织和海绵组织均发生了显著性变
化,并且栅栏组织 /海绵组织分别为 1. 109 和 1. 121。
2 东 北 林 业 大 学 学 报 第 40 卷
栅栏组织与海绵组织的比值越小说明植物对重金属
的抗性越弱。因此,小叶丁香对重金属 Zn抗性作用
大小为 Zn(100 mg·kg-1)>Zn(200 mg·kg-1)>Zn
(150 mg·kg-1)。但是在重金属 Pb 的胁迫下,并没
出现随着浓度的增加出现增长的规律,在质量分数
为 150 mg·kg-1 时,虽然栅栏组织与海绵组织的厚
度出现了变化,但是栅栏组织与海绵组织的比例并
未出现显著性变化,即为 1. 091(P>0. 05)。这些指
标分析均说明在不同质量分数不同重金属的处理
下,植物为了耐受环境的苛刻条件,尤其是重金属的
制约,其自身关键的形态特征指标较常态环境下已
经发生了改变。受环境制约的植物叶片结构,其叶
肉组织中的栅栏组织比较发达,并且细胞排列紧密
为多层结构,而海绵组织则逐渐退化,因而栅栏组织
厚度 /海绵组织厚度的比值较高,这也将对植物的光
合作用产生了显著的影响。
图 1 小叶丁香在自然状态下叶片解剖构造特征(×200)
表 1 6 种重金属不同质量分数胁迫下小叶丁香叶片解剖结构
重金属质量分
数 /mg·kg-1
栅栏组织
厚度 /μm
海绵组织
厚度 /μm
栅栏组织与海
绵组织比值 /%
上表皮厚
度 /μm
下表皮厚
度 /μm
角质层厚
度 /μm
叶片总厚
度 /μm
CK 85. 11±1. 23 77. 55±1. 08 1. 09±0. 018 27. 14±0. 50 18. 81±0. 13 1. 37±0. 01 217. 32±3. 72
Zn 100 86. 71±1. 32 75. 62±0. 65** 1. 14±0. 016** 27. 49±0. 38 17. 87±0. 37 1. 31±0. 06* 219. 11±5. 06
150 88. 50±1. 03* 75. 95±0. 71* 1. 16±0. 01** 27. 18±0. 73 18. 18±0. 50 1. 34±0. 02 222. 87±2. 44
200 89. 99±0. 93** 73. 66±0. 52** 1. 22±0. 01** 28. 64±0. 54** 16. 54±1. 73** 1. 33±0. 03 225. 38±3. 87
Pb 50 86. 47±0. 81** 75. 00±0. 61** 1. 15±0. 07** 26. 83±0. 36 18. 60±0. 45 1. 35±0. 05 221. 26±0. 73
100 89. 10±0. 34** 75. 50±0. 48** 1. 18±0. 01** 27. 98±0. 12** 18. 23±0. 23* 1. 36±0. 03 222. 92±0. 43*
150 93. 03±0. 54** 75. 37±0. 86** 1. 23±0. 02** 28. 06±0. 33** 17. 85±0. 42** 1. 38±0. 05 227. 27±4. 84**
Cu 100 84. 51±0. 55 73. 89±0. 48** 1. 14±0. 01** 27. 21±0. 19 18. 12±0. 15 1. 31±0. 04* 222. 26±0. 77
200 86. 73±0. 47** 73. 09±0. 75** 1. 18±0. 01** 27. 15±0. 55 17. 96±0. 48 1. 33±0. 01 223. 57±0. 97
300 90. 46±0. 89** 72. 57±0. 41** 1. 24±0. 01** 27. 09±1. 03 17. 43±0. 41 1. 37±0. 05 234. 68±20. 14*
Cd 0. 25 85. 28±0. 31* 74. 99±0. 42** 1. 13±0. 01** 27. 00±0. 35 17. 57±0. 37** 1. 34±0. 05 221. 32±0. 90*
1. 00 89. 49±0. 68** 75. 09±0. 73** 1. 19±0. 16** 27. 08±0. 40 17. 18±0. 72** 1. 42±0. 07 225. 20±1. 69**
1. 75 92. 80±0. 64** 74. 05±1. 24** 1. 25±0. 02** 27. 09±0. 54 17. 51±0. 47** 1. 48±0. 12 225. 31±3. 83**
Cr 100 85. 47±0. 60 75. 22±0. 80** 1. 13±0. 02** 27. 22±0. 50 17. 77±0. 44 1. 37±0. 05 224. 32±10. 95
150 89. 95±0. 85** 73. 67±0. 45** 1. 22±0. 02** 27. 71±1. 10 16. 95±0. 86 1. 38±0. 07 224. 90±1. 17
200 94. 22±0. 82** 72. 06±0. 91** 1. 30±0. 08** 27. 37±0. 63 17. 94±0. 41 1. 38±0. 42 235. 41±4. 40**
Hg 0. 20 86. 70±0. 40 73. 41±0. 55** 1. 18±0. 01* 27. 16±0. 60 17. 95±0. 47 1. 36±0. 04 224. 14±0. 88**
1. 10 85. 47±8. 40 71. 82±1. 07** 1. 18±0. 10** 28. 22±0. 79 18. 19±0. 17 1. 38±0. 04 224. 98±1. 68**
2. 00 92. 88±0. 86* 70. 19±0. 45** 1. 32±0. 01** 26. 91±0. 31 18. 00±0. 01 1. 31±0. 04* 224. 46±1. 05**
注:* 表示与对照相比,在 P<0. 05 水平上显著;**表示在 P<0. 01 水平上极显著。
3 结论与讨论
在重金属胁迫下,小叶丁香的栅栏组织、海绵组
织及栅栏组织与海绵组织的比值均出现了不同程度
的变化。小叶丁香对重金属 Zn 抗性作用大小为 Zn
(100 mg·kg-1)>Zn(200 mg·kg-1)>Zn(150 mg·
kg-1) ;小叶丁香只对 Pb(50 mg·kg-1)产生了抗性
Pb(50 mg·kg-1)>Pb(100 mg·kg-1)>Pb(150 mg·
kg-1) ;小叶丁香是随着重金属 Cu质量分数的增加,
抗性越来越强,Cu(300 mg·kg-1)>Cu(200 mg·
kg-1)>Cu(100 mg·kg-1) ;小叶丁香对重金属 Hg 的
抗性大小为 Hg(2. 00 mg·kg-1)>Hg(1. 10 mg·
kg-1)>Hg(0. 20 mg·kg-1) ;小叶丁香对重金属 Cr
抗性作用为 Cr(100 mg·kg-1)>Cr(150 mg·kg-1)>
Cr(200 mg·kg-1) ;小叶丁香对重金属 Cd 抗性作用
大小为 Cd(1. 750 mg·kg-1)>Cd(1. 00 mg·kg-1)>
Cd(0. 25 mg·kg-1)。
彭威等[9]对植物叶片的比较解剖结构及其与
抗旱性的关系中研究表明,植物栅栏组织变厚,海绵
组织变薄,及其二者比值变大,说明植物的抗旱性越
强,这与本文研究中重金属胁迫植物的反应是一致
的;毕淑琴等[10]针对重金属对植物的产量和品质的
3第 4 期 孙 龙等:重金属胁迫对小叶丁香叶片解剖结构的影响
影响进行了研究,指出在外界条件确定的情况下,植
物受单因素重金属污染的危害程度主要由其在土壤
中含量决定;多种金属元素共存时,其复合污染均表
现出加和作用、协同作用和拮抗作用。南开大学生
物系将 Pb、Cr、Cd单一和复合污染对种子萌发的影
响进行研究,显示铅、镉、铬单一污染物的浓度对数
与青菜主根抑制指数之间存在显著的正相关性;而
复合时,镉可降低植物对铅的吸收,铅则加剧了镉对
植物的毒害作用;Cr2O
2-
7 和 Pb
2+能够快速形成沉
淀,而使 Cr6+和 Pb2+相遇后彼此毒性皆减弱;铬的存
在可减弱镉对植物的毒害[11]。本文研究中仅考虑
林单种重金属施加后小叶丁香的叶片解剖结构,未
考虑多种重金属的综合作用,所以在以后试验中应
考虑不同重金属浓度施加后的综合效果,以得出更
加科学合理的结论。李芳兰等[6]对植物叶片在水
分与盐胁迫下进行了研究,研究指出在干旱条件下
植物叶片具有耐旱性形态结构特征,表现出叶表皮
细胞变小,切向壁加厚等变化,说明植物对环境胁迫
的适应;在盐份胁迫响应和对干旱胁迫的响应表现
出极为相似的形态解剖结构,也与本文的研究结果
基本一致。张玉来等[12]针对大气污染对植物叶片
解剖构造的影响,研究表明,植物在大气污染环境
中,叶片厚度增厚,栅栏组织普遍增厚,与本文研究
结果一致。上述研究均是针对大气污染、水分、盐及
干旱胁迫下植物解剖构造的变化,目前国内文献还没
有对土壤重金属胁迫下植物的解剖学特征变化这一
角度开展相关研究,因此是很具有前景的研究领域。
在土壤重金属污染日益严重的今天,本项研究在探讨
植物对重金属吸收能力及抗性方面具有重要意义,并
将为重金属污染区修复植物的选择提供科学依据。
注:Zn1、Zn2、Zn3 质量分数分别为 100、150、200 mg·kg-1;Pb1、Pb2、Pb3 质量分数分别为 50、100、150 mg·kg-1;Cu1、Cu2、Cu3 质量分数分别为
100、200、300 mg·kg-1;Cd1、Cd2、Cd3 质量分数分别为 0. 25、1. 00、1. 75 mg·kg-1;Cr1、Cr2、Cr3 质量分数分别为 100、150、200 mg·kg-1;Hg1、
Hg2、Hg3 质量分数分别为 0. 20、1. 10、2. 00 mg·kg-1。
图 2 小叶丁香在六种重金属胁迫下叶片解剖构造特征(×200)(下转 10 页)
4 东 北 林 业 大 学 学 报 第 40 卷
株,也为开展厚荚相思耐寒选育改良提供了难得的
机遇及基础育种资源。
4. 3 抗寒性与生长指标的相关性
厚荚相思子代林各家系的寒害率和寒害指数两
地点间的相关系数分别为 0. 41 和 0. 73,达到极显
著水平的正相关,表明耐寒能力具有较高的遗传稳
定性。从子代林各家系的寒害指数和平均寒害级别
值排序来看,两个试验点各家系的抗寒性排名次序
虽不完全相同一致,但两地点共同对寒害表现高度
敏感的前 10 个家系和表现高度抗寒性的前 10 个家
系基本包括在内。子代林各家系的抗寒指标与生长
性状的相关系数都很小(0. 01 ~ 0. 24) ,未达显著水
平。有关对林木抗寒性与生长性状相关分析研究的
结果报道不一,邹小兴等[13]的研究表明巨桉种源和
家系冻害指数与树高、胸径和材积各性状之间为极
显著负相关,王家源等[7]在不同产地苦楝苗木抗寒
性差异的试验中观察到同一产地内苦楝苗木受冻害
程度与地径生长达极显著的负相关水平,而不同产
地苦楝苗木受冻害程度则与其平均地径呈极显著正
相关。本研究发现同一地点内厚荚相思各家系寒害
率和寒害指数与树高、地径和冠幅的生长没有明显
的相关关系,这与何贵平等[11]在杉木苗期抗寒性研
究的结果相类似,在花旗松不同家系种苗性状变异
的研究中也发现有类似的现象[16]。可能是物种之
间的遗传差异所致,本文的调查分析结果说明了厚
荚相思的生长与抗寒性表现为独立遗传关系。为
此,在厚荚相思优良家系选择时,可以独立制定生长
和抗寒性的选择指标。
本文通过田间寒害调查可为评价厚荚相思各家
系的抗寒能力强弱提供参考依据,要更深入了解厚
荚相思各家系间本身的抗寒特性,仍需进一步从植
株在低温胁迫过程中的生理生化特性的变化深入研
究探讨,从其内部生理生化机制上研究各家系的抗
寒本质,从而制定出能正确反映厚荚相思各家系抗
寒能力强弱的评价指标系统。
参 考 文 献
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参 考 文 献
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01 东 北 林 业 大 学 学 报 第 40 卷