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Effects of atrazine and its degrader Exiguobaterium spBTAH1 on soil microbial community

阿特拉津及其降解菌的使用对土壤微生物群落的影响



全 文 :阿特拉津及其降解菌的使用对土壤微生物
群落的影响 3
胡 江 代先祝 李顺鹏 3 3
(南京农业大学生命科学学院 农业部农业环境微生物工程重点实验室 ,南京 210095)
【摘要】 比较了阿特拉津及降解菌株 B TAH1 的使用对土壤微生物的影响. 结果表明 ,在实验周期内阿特
拉津对土壤微生物的代谢作用有较明显的刺激作用 ,与空白土壤 (未施用阿特拉津和降解菌)相比 ,对照土
壤 (施用 50 mg·kg - 1土阿特拉津)呼吸强度显著增加 ,且土壤中的阿特拉津浓度对土壤 NH +4 2N 和 NO -3 2N
浓度的影响显著. 降解菌 B TAH1 可在 1 周内降解土壤中 98 %以上的阿特拉津 ,从而使土壤呼吸强度有所
下降 ,土壤中 NH +4 2N 和 NO -3 2N 的浓度基本与空白土壤持平 ,对微生物量 C 和微生物量 N 影响不显著 ;
放线菌和真菌数量也基本与空白持平 ,细菌数量较高. 对土壤细菌的 16S rDNA 文库的 ARDRA 分析发现 ,
阿特拉津及其降解菌的使用对土壤细菌群落结构有一定程度的影响 ,阿特拉津的使用会降低细菌群落的
多样性 ,而降解菌的使用会恢复土壤细菌的多样性.
关键词  阿特拉津  生物降解  土壤微生物  群落结构  ARDRA
文章编号  1001 - 9332 (2005) 08 - 1518 - 05  中图分类号  X172  文献标识码  A
Effects of atrazine and its degrader Exiguobaterium sp. BTAH1 on soil microbial community. HU Jiang ,DAI
Xianzhu ,L I Shunpeng ( Key L aboratory of Microbiological Engineering of A gricultural Envi ronment of A gri2
culture Minist ry , N anjing A gricultural U niverstity , N anjing 210095 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,
16 (8) :1518~1522.
The study showed that the application of atrazine stimulated soil microorganisms obviously. In comparing with
control (without atrazine) ,the respiration intensity of soil applied with 50 mg atrazine·kg - 1 soil increased great2
ly ,the concentrations of soil NH+4 2N and NO -3 2N changed significantly ,and the individuals of soil microbes ,espe2
cially bacteria and fungi ,also increased greatly. The application of strain B TAH1 could degrade 98 % of applied a2
trazine within one week ,and led to the decrease of soil respiration intensity. Under B TAH1 application ,the indi2
viduals of actinomyces and fungi decreased ,while those of bacteria did not ,and the concentrations of soil NH+4 2N
and NO -3 2N came back to the level of the control. ARDRA analysis on the 16s rDNA library of soil bacteria sug2
gested that the application of atrazine could decrease the biodiversity of soil microorganisms , while applying
B TAH1 could recover the biodiversity.
Key words  Atrazine , Biodegradation , Soil microorganisms , Community structure , ARDRA.3 国家“863”计划项目 (2003AA241150)和江苏省科技攻关资助项目
(BE2002345 ,BE2003343) .3 3 通讯联系人.
2004 - 09 - 17 收稿 ,2005 - 02 - 02 接受.
1  引   言
阿特拉津是一种在全世界范围内广泛使用的三
嗪类除草剂 ,它使用量大 ,半衰期长 ,可溶性较好 ,很
容易造成土壤和水体污染 ,对后茬作物产生药害. 曾
经大量使用阿特拉津的国家已在地表水和地下水中
发现阿特拉津的残留 ,美国、欧共体和日本等均把它
列入内分泌干扰剂化合物名单. 美国 EPA 规定饮用
水中的阿特拉津不可超过 3μg·L - 1 ,欧共体规定为
011μg·L - 1 ,我国则在 1998 年制定阿特拉津在 Ⅰ、
Ⅱ类地表水中的标准为 3μg·L - 1 . 近 10 年来 ,阿特
拉津生物降解及原位修复得到详尽研究 ,并获得较
理想的应用效果[3 ,11 ,12 ,16 ] ,有关降解菌在环境中的
行为及其对环境的影响也越来越受到关注. 微生物
分子生态学技术的发展使得我们可以通过检测生物
自然种群 DNA 序列多态性 ,更好地揭示生物与环
境之间的生态学意义[13 ,20 ,24 ] . ARDRA (amplified ri2
bosomal DNA restriction analysis)方法是以碱基的排
列顺序为依据 ,更具有精确性 ,而且土壤 16S rRNA
基因文库越大 ,反映土壤微生物的结构越全面. 本文
分离得到 1 株革兰氏阳性阿特拉津降解菌 ,在此基
础上 ,对阿特拉津及该降解菌对土壤微生物的影响
做了比较和研究.
2  材料与方法
211  供试土壤
采集南京东郊菜园土 ,过 5 mm 筛 ,按 1 kg 量分装 ,保湿
应 用 生 态 学 报  2005 年 8 月  第 16 卷  第 8 期                               
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Aug. 2005 ,16 (8)∶1518~1522
培养 7 d 后 ,用于后续实验 ,基本理化性质见表 1.
表 1  供试土壤的基本理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of tested soil
p H 全 C
Total C
(g·kg - 1)
全 N
Total N
(g·kg - 1)
速效 P
Available P
(μg·g - 1)
速效 K
Available K
(μg·g - 1)
7184 15102 1146 40112 54160
212  供试菌株
微小杆菌属 ( Exiguobaterium sp1) 菌株 B TAH1 ,由本实
验室分离保藏.
213  除草剂阿特拉津和降解菌的施用
将供试土壤分为 4 组 ,每组 4 个重复 ,每重复用土 1 kg :
(1)空白组 (BL) :不施用除草剂和降解菌 ,但施用与菌液同
体积的 1/ 10 LB 培养基 ; (2) 对照组 (CK) :施用除草剂阿特
拉津 ,并施用与菌液同体积的 1/ 10 LB 培养基 ; (3) 处理组
(TR) :施用除草剂阿特拉津和降解菌 ,降解菌浓度为 108
CFU·g - 1土 ; (4) 灭活菌液组 ( ST) :施用阿特拉津和与降解
菌同体积的高温灭活发酵液. 实验时 ,向相应土壤先添加 50
mg·kg - 1的阿特拉津 ,混匀 ,保湿 ,15 ℃培养 1 周后 ,施用相
应培养基和发酵液. 在相同条件下培养 3 周后 ,取样测定各
项指标.
214  测定方法
土壤中阿特拉津浓度用 HPLC 进行测定 [9 ] ;土壤主要微
生物类群采用平板计数法计数 [4 ] ;土壤微生物生物量用氯仿
熏蒸提取法测定[1 ,17 ] ;土壤呼吸强度用密闭静置培养法 [7 ]测
定 ;土壤 NH+4 2N 采用 KCl 浸提2蒸馏法 [7 ]测定 ;土壤 NO -3 2N
采用酚二磺酸比色法 [7 ]测定.
215  土壤 16S rDNA 文库的建立及 ARDRA 分析
从 4 组土壤的 4 个重复中分别取土 10 g ,混匀后从中取
10 g 土提取总 DNA[23 ] ,纯化后 ,各土样的总 DNA 用 16S
rDNA通用引物[2 ,19 ]进行 PCR 扩增. PCR 扩增产物纯化回收
后 , 与 pMD 182T Vector ( Ta KaRa Biotechnology ( Dalian )
Co1Ltd1)进行酶连 ,转化大肠杆菌 E1 coli DH5α高效感受态
细胞 ,涂布于含氨苄青霉素和 X2gal 的 LB 平板. 分别随机挑
取各土样 16S rDNA 基因克隆的白斑转化子 200 个 ,采用菌
体直接扩增方式 ,用 pMD 182T Vector 通用引物扩增 115 kb
外源插入片段. 扩增产物用 Hha Ⅰ和 Rsa Ⅰ进行酶切 ,酶切结
果用 Quantity One 软件进行分析 ,并结合人工对比分析酶切
类型 ,对土壤细菌遗传多样性进行统计分析.
3  结果与分析
311  土壤中阿特拉津的降解
从图 1 可以看出 ,对照土壤 (CK) 中阿特拉津的
降解十分缓慢 ,在施用除草剂 28 d 后 ,仍然维持在
4516 mg·kg - 1 ,降解率为 818 % ; 添加了降解菌
B TAH1 的土壤 ( TR) 中的绝大部分阿特拉津被降
解 ,阿特拉津浓度降低到 0171 mg·kg - 1 ,降解率为
98158 % ,而添加灭活菌液的土壤 ( ST) 中阿特拉津
的降解速度仍然缓慢 ,28 d 后的浓度为 4918 mg·
kg - 1 ,基本没有被降解 ,说明土壤中阿特拉津的降
解是由外源添加的降解菌完成的.
图 1  供试土壤中阿特拉津的降解
Fig. 1 Degradation of atrazine in the tested soils.
312  阿特拉津、降解菌 B TAH1 及其灭活发酵液的
使用对土壤微生物和氮形态的影响
从表 2 可以看出 ,空白土壤 (BL) 的呼吸强度与
其它 3 种土壤差异显著 ,处理土壤 ( TR) 的呼吸强度
也显著低于对照土壤 (CK) 和施用灭活菌液的土壤
(ST) ;从微生物 C 来看 ,BL 与 CK 和 TR 有显著差
异 ,4 种土壤的微生物 N 量无显著差异. 于建磊
等[22 ]研究表明 ,除草剂乙草胺对土壤微生物的呼吸
作用有明显的抑制作用 ;叶央芳等[21 ]证明水田除草
剂苯噻草胺对土壤呼吸强度有抑制作用 ;而很多有
毒有害化合物对土壤呼吸强度都有明显的抑制作
用[5 ,6 ] .阿特拉津没有抑制土壤的呼吸强度 ,反而使
其增加 ,可能与其对微生物低毒有关[15 ] . 由于处理
土壤 ( TR)阿特拉津浓度被大幅降低 ,土壤的呼吸强
度也大幅降低 ,但微生物量 C 的降低不十分明显 ,
略高于使用灭活菌液的土壤 ,表明降解菌本身对土
壤微生物可能也有一定程度的影响. 对 4 种土壤的
N H +4 2N 和 NO -3 2N 含量进行比较发现 ,BL 与 TR
无显著差异 ,但与 CK和 ST 差异显著 ,表明阿特拉
津的浓度对土壤氮形态有很大影响 ,可能与其分子
表 2  阿特拉津、降解菌 BTAH1 及其灭活发酵液的使用对土壤呼吸
强度、微生物量 C和微生物量 N及土壤 NH+4 2N和 NO -3 2N的影响
Table 2 Influence of application of atrazine , strain BTAH1 ,and steril2
ized fermented broth on soil respiratory intensity , microbial biomass
carbon , microbial biomass nitrogen , NH+4 2N, and NO -3 2N
处理
Treat2
ments
呼吸强度
Respiratory
intensity
(mg·100g - 1)
微生物 C
Microbial
biomass C
(μg·g - 1)
微生物 N
Microbial
biomass N
(μ·g - 1)
NH +4 2N
(mg·kg - 1)
NO -3 2N
(mg·kg - 1)
BL 1191 ±0106c 155 ±31b 2513 ±413a 7514 ±618a 995 ±57a
CK 3133 ±0109a 236 ±28a 3116 ±311a 4917 ±414b 370 ±34c
TR 2163 ±0124b 234 ±13a 2716 ±414a 7111 ±1014a 1013 ±33a
ST 3144 ±0106a 192 ±24ab 2515 ±517a 4612 ±613b 684 ±61b
同一列不同字母表示差异显著 Different letters in a column meant significant difference1
91518 期            胡  江等 :阿特拉津及其降解菌的使用对土壤微生物群落的影响            
结构中氮元素含量很高、影响参与氮代谢的微生物
有关. 尽管 ST 中阿特拉津的浓度与 CK非常相似 ,
但其某些土壤指标与 CK有很大差异 ,表明 ST 中虽
然不含有活的降解菌 ,但其中的一些成分可能对土
壤微生物也有一定程度的影响.
313  除草剂和降解菌的使用对土壤中主要微生物
类群的数量的影响
对土壤中主要微生物类群的计数表明 (表 3) ,
空白土壤中 3 个主要类群数量都低于其它 3 个处
理 ,尤其是细菌和真菌的数量差异极其显著. 空白土
壤中的细菌数量为 017 ×107 CFU·g - 1土 ,而对照土
壤中为 114 ×107 CFU·g - 1土 ,相差一倍 ;而真菌相
差接近 2 个数量级 ,空白土壤中为 015 ×103 CFU·
g - 1土 ,对照土壤中为 1111 ×103 CFU·g - 1土. 该结
果与空白土壤的呼吸强度、微生物量 C 和微生物量
N 较低是一致的 ,同时也表明较高浓度的阿特拉津
对土壤微生物有很强烈的刺激作用 ,使某些微生物
数量迅速增加. 而降解菌的使用对这一效应有所缓
解 ,除了细菌数量外 ,其它两种微生物类群的数量都
有所回落 ,尤其是真菌数量回落明显 ,说明阿特拉津
浓度对真菌的刺激非常显著. 但该土壤中细菌的数
量并没有因为阿特拉津浓度的降低而有所回落 ,而
是维持在较高数量上 ,这可能是因为该降解菌本身
对土著细菌也存在刺激作用 ,这与接种降解菌的土
壤中微生物量 C 和 N 指标较高一致. 在使用灭活菌
液的土壤中 ,由于阿特拉津没有被及时降解 ,3 个主
要微生物类群的数量都维持在较高水平 ,呼吸强度
也很高 ,但微生物量 C 和 N 偏低 ,具体原因不是十
分清楚. 吕镇梅等[10 ]研究表明 ,除草剂二氯喹啉酸
在短期内会促进好氧细菌和真菌的数量 ,但是对于
细菌的影响会在 33 d 后消失 ,而仍对放线菌有一定
抑制作用 ,这也说明不同除草剂对土壤微生物的影
响不同.
表 3  不同处理土壤中主要微生物类群的数量
Table 3 Quantity of major microbiology groups in tested soils
处理
Treat2
ments
细菌
Bacteria
( ×107 CFU·g - 1)
放线菌
Actinomycetes
( ×105 CFU·g - 1)
真菌
Fungi
( ×103 CFU·g - 1)
BL 017 410 015
CK 114 813 1111
TR 116 510 616
ST 117 713 1217
314  四种土壤 16S rDNA 文库的 RFL P 分析
为了进一步研究除草剂阿特拉津及降解菌对土
壤微生物的影响 ,我们建立了 4 种土壤的 16S rDNA
文库 ,对每种土壤 16S rDNA 文库中的 200 个克隆
进行 PCR 扩增获得其外源插入片段. 用 Hha Ⅰ和
Rsa Ⅰ对 16S rDNA 片段进行酶切分析 (图 2) ,去除
掉部分分辨不清条带 ,共得到了 710 个克隆 16S rD2
NA 的 Hha Ⅰ和 Rsa Ⅰ的酶切图谱 (空白 166 个 , 对
照 175 个 ,处理 187 个 ,灭活 182 个) . 对各个克隆的
Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切图谱进行比较统计 ,鉴定获得了
234 种 RFL P 类型 (其中 89 种为所有土壤共有的 ,
其余 145 种分别为各土壤特有) (表 4) . Moyer 等[10 ]
研究表明 ,用 Hha Ⅰ和 Rsa Ⅰ两种 4 碱基限制性内
切酶对 16S rDNA 的酶切图谱界定系统发育类型 ,
代表的微生物之间的 16S rDNA 平均同源性为
9 516 %. 我们的酶切结果表明 ,土壤经过不同处理
表 4  四种土壤 16S rDNA克隆 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型数
Table 4 Numbers of Hha Ⅰ2Rsa ⅠRFLP phylotypes in 16S rDNA clone libraries from tested soils
参数 Parameters BL CK TR ST
克隆数 Total clone numbers 166 175 187 182
Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型数 All Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types 136 118 132 115
特有的 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型数a Special Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types 47 29 43 26
特有的 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型占总类型数比例
Ratio of special Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types to all digested types( %) 34156 24158 32158 22161
特有的 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型包含的克隆数 Clone number of special Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types 65 46 70 47
特有的 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型包含的克隆占总克隆数的比例
Ratio of clone number of special Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types to all digested types( %) 39115 26129 37143 25182
共有的 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型数b Common Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types 89 89 89 89
共有的 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型占总类型数的比例
Ratio of common Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types to all digested types( %) 65144 75142 67142 77139
共有的 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型包含的克隆数
Clone number of common Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types 101 129 117 135
共有的 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型包含的克隆占总克隆数的比例
Ratio of clone number of common Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types to total clone number ( %) 60185 73171 62157 74118
稀有 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型数c Rare Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types 116 97 106 92
稀有 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型占总类型的比例
Ratio of rare Hha Ⅰ2Rsa Ⅰdigested types to all digested types( %) 85129 82120 80130 80100
a)特有酶切类型是指在一个文库或几个文库中发现而并没有在所有文库中发现 Special digested type indicated a digested type being found only in one or
several libraries ;b)共有酶切类型是指在所有文库中都存在的酶切类型 Common digested type indicated a digested type being found in all of the four li2
braries ;c)稀有酶切类型是指在文库中只有一个克隆的酶切类型 Rare digested type indicated a digested type having only one clone in a library1
0251                    应  用  生  态  学  报                   16 卷
图 2  土壤 16S rDNA 文库部分克隆的 Hha Ⅰ和 Rsa Ⅰ的 RFL P 图谱
Fig. 2 RFL P profile of some clone digested by Hha Ⅰand Rsa Ⅰ.
A : Hha Ⅰ酶切 Digested by Hha Ⅰ;B :Rsa Ⅰ酶切 Digested by Rsa Ⅰ.
后 ,微生物群落结构会发生明显分化 ,虽然共有的酶
切类型仍占绝大多数 ,但其中某些共有酶切类型的
克隆数发生了很大变化 ,且某些特有酶切类型的克
隆数也较多. 从酶切类型来看 ,空白土壤的酶切类型
要多于其它几种土壤 ,其稀有酶切类型比例占到了
85129 % ,表明空白土壤具有更高的多样性. 另外 ,比
对过程中我们的文库中稀有酶切类型的比例都较
高 ,这可能跟库容量较小有关 ,增大库容量可以更好
地说明微生物群落结构的变化特征.
315  阿特拉津及降解菌的使用对土壤微生物多样
性的影响
从表 5 可以看出 ,空白土壤的丰富度为 26141 ,
但对照土壤和灭活菌液处理土壤的丰富度则只有
22167 和 21192 ,处理土壤则为 25104 ,表明细菌类
群的遗传多样性降低 ,这应该与土壤中较高浓度的
阿特拉津的刺激有关. 其它多样性指数也显示 ,阿特
拉津对土壤细菌的多样性有较大影响 ,对照和灭活
土壤的多样性小于空白和处理土壤 ,表明降解菌的
投加可以使土壤微生物群落多样性得以恢复. 但这
一过程需要多长时间、重新建立的平衡体系与原体
系有多大差异 ,还需要进一步研究. 降解菌和灭活发
酵液对细菌群落结构也有明显影响 ,但是这种影响
究竟是由阿特拉津的影响所造成的后续结果 ,还是
降解菌本身或者发酵液的影响 ,还需进一步研究. 另
外 ,不同降解菌对土壤微生物的影响究竟如何 ,也是
一个值得关注的问题. 很多研究证明 ,降解菌的投加
对于消除阿特拉津污染很有帮助[3 ,16 ,11 ,12 ] ,Wackett
等[18 ]用重组的表达氯水解酶的大肠杆菌清除了土
表 5  不同处理土壤 16S rDNA 克隆 Hha Ⅰ2Rsa Ⅰ酶切类型的多样
性指数
Table 5 Diversity indices based on Hha Ⅰ2Rsa ⅠRFLP phylotypes in
16S rDNA clone libraries from the tested soils
处理
Treat2
ments
多样性参数 Diversity index
丰富度
Richness
香农2威纳指数 ( H)
Shannon2Weiner
index
均匀度 ( E)
Evenness
辛普森指数 ( D)
Simpson’s
diversity index
BL 26141 61932 01978 01990
CK 22167 61017 01874 01985
TR 25104 61743 01957 01987
ST 21192 61440 01940 01984
壤中 1000 磅的阿特拉津 ,认为这是一个消除异源物
质污染的有效方法. Goux 等[3 ]研究表明 ,使用降解
菌 9 个月后 ,降解菌对土壤微生物的影响减小 ,但不
同降解菌对土著微生物影响不同. 虽然我们投加的
降解菌在短期内对土壤微生物有较大影响 ,尤其是
对细菌的数量和群落结构 ,但这种差异很可能是生
物群落受到阿特拉津刺激后产生的变化 ,随着降解
菌的投加和阿特拉津的消除 ,微生物群落处于自身
调整的状态而独具特性. 但是 Segers 等[14 ]研究表明
除草剂阿特拉津和毒草胺的长期使用会导致土壤群
落结构的演替 ,甲烷营养型细菌类群多样性降低 ,虽
然这些变化不会减低群落的功能 (甲烷氧化) ,但投
加降解菌对这一演替过程是否有影响还需要进一步
探讨.
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作者简介  胡  江 ,女 ,1976 年生 ,博士. 主要从事环境微生
物研究 ,发表论文 4 篇. Tel :025284396246 ; E2mail : hujiang @
njau. edu. cn
致 读 者 · 作 者
  《应用生态学报》系中国科学院沈阳应用生态研究所和中国生态学会主办的国内外公开发行的学术性期
刊 ,科学出版社出版. 国际标准刊号为 ISSN100129332. 专门刊载有关应用生态学 (主要包括森林生态学、农
业生态学、草地牧业生态学、渔业生态学、自然资源生态学、景观生态学、全球生态学、城市生态学、污染生态
学、化学生态学、生态工程学和恢复生态学等)的具有创新性的综合性论文、研究报告和研究简报等.
  本刊创刊于 1990 年 ,现为月刊 ,采用国际标准开本 (210 mm ×285 mm) ,192 面 ,每期 43 万字. 本刊系中
国自然科学核心期刊 ,曾荣获全国优秀科技期刊和中国科学院优秀期刊称号. 本刊整体质量和水平已达到相
当高度 ,在国内外应用生态学界的影响日益扩大.《中国科学引文索引》、《中国生物学文摘》、美国《生物学文
摘》(BA) 、美国《化学文摘》(CA) 、英国《生态学文摘》( EA) 、日本《科学技术文献速报》(CBST)和俄罗斯《文摘
杂志》(РЖ)等数十种权威检索刊物均收录本刊的论文摘要 (中英文) .
  据悉 ,您们正在从事有关生态与环境科学研究项目 (如国家基础科学人才培养基金项目、国家杰出青年
科学基金项目、国家自然科学基金重大和重点项目、国家攀登计划项目、国家“863”和“973”计划项目、国家重
点科技攻关项目、“百人计划”项目、“长江学者计划”项目和国际合作研究项目等) ,并有望取得重大研究成果
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《应用生态学报》编辑部
2251                    应  用  生  态  学  报                   16 卷