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黄土高原4种豆科牧草生产性能及根系发育特征



全 文 :第 卷 第 期 草 地 学 报 年 月
黄土高原 种豆科牧草生产性能及根系发育特征
张建全 , 张 吉 宇 , 王 彦 荣 , 李 竣成
草地农业生态 系统 国家重点 实验室 兰 州 大学草 地农业科技学院 甘肃 兰州 〉
搁驀 — 年在庆 阳黄 土高 原试验站连续 年 观测 了 紫花苜蓿 ( 胁办叹 、 红豆 草 (
、 百脉根 ( 和东 方山 羊豆 ( 种 豆 科牧 草地 上部 分生 物 量 、 株高 、 冠
辐 、 单位 面积枝条数 、 单位面积生殖枝数 、 茎叶 比 及干鲜 比 等生产性 能 , 并 分层研究其根 系 发育 分布特 征 。 结 果表
明 : 花期 种豆科牧草 年平 均 和 龄 〉 单茬单位面积生物量为 百脉 根 紫花 苜蓿 〉红豆草 东方 山 羊豆 , 年
平均株离为 红豆草 〉紫花苜 蕕〉 东 方 山羊豆 百脉根 单位面积枝 条数 为 紫花苜蓿 百脉根 红豆草〉 东方山 羊
豆 单位 面积生殖枝 数为红 豆苹 紫 花苜 穑〉 百脉根 东 方山 羊豆 , 茎叶 比 为 东方 山 羊豆〉 紫花苜 蓿〉红 豆草〉
百脉根 , 种豆科牧草初花期平均含水 为 东方 山羊 豆 百 脉根〉 紫花 苜藿 红豆 荜 , 年与 年相 比 , 除
茎叶 比和含水量外 , 其他生 物学指标 均不同程度 降低 种豆科牧萃 根系 分 布范 龄较 舲赛缩 幅度较 大 , 龄
紫 花苜 穑 土层 内 的 根系 占 红豆草 土 层 内 的 根 系 占 百脉根 土层 内 的
根 系 占 东方 山羊豆 土层内 的 根系 占 百脉根适合 于退化苹地短期恢 复改 良 , 提供大量优质
牧草 东方 山羊豆 叶量丰 富 根系 发达适 宜于贫瘠地 的 中 长期改造 而紫 花苜 蓿 和 红豆 草 根深草 密 , 适 宜于严 重退
化草地的 长期水土保持改 良利用 。
关 键询 : 黄土髙 原 丨 豆科牧苹 生物 生产性 能 丨 根 系 丨 水土保持
中 分类咢 : 文 榇识 文 章编号 :



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收稿 曰 期 : 修 曲 日 期 :
基金项 目 : 国 家基础研究发展规划 ( 深靥 牧草 、 乡 土 草繁 殖特性 的 迪传与 选 胄的基 础研 究 ” ( 国 家 自 然科 学基金 “ 荒
漠旱生无芒鼸子草抗早功能基因的 鉴定及共转化植物抗早性的研究 ” ( 丨 甘肃省农 业生物技 术应用 和幵发项 目 “ 以 紫
花首蓿 为受体的 抗早转基因应用研 究 ” ( 央 离 校 基本科 研专项 ( 中 央 离校基本 科研专 项
资助
作者筲介 : 张 建全 丨 ( 男 , 甘肃武威人 讲师 , 博士研究生 , 研究方向为苹类作 物宵 种与种 子学 , 通倌
作者 :
9 6 6 草 地 学 报 第 卷


黄土高 原丘陵沟壑区 占 我 国 国 土面积的 , 是 圃 , 地理坐标 ° ° 海拔 厲
传统意义上的农牧交错带 。 长期 以来 由于 滥牧 、 过 暖温带大陆性气候 。 年平均温度 : , 无霜期
牧引 起草地严重退化 , 水土流 失加剧 , 目 前已 成 为世 , 多年平 均降雨量 年 日 照时 数 , 土
界上 水土流失 最严重的地 区 之一 , 年 输入黄河 泥 沙 壤为黄绵土 。 和 年 年 的 月 平 均气温和
亿 ⑴ 。 黄土高原受水土流失 、 气候共同影响 , 重度 月 降雨量如 图 所示 。
退化草地面 积达 亿 , 占 草地面 积的 。
草地退化与水 土 流 失 致使黄 土高 原土 壤有 机质 降 试脸材料
低 , 尤其表层 土壤养分十 分匮 乏 。 实 践证明 种 草 不 供试紫花苜蓿 ( 、 红豆草 (
仅可有 效控制水土流失 , 而且能提高土 壤养分 。 百 脉根 (
以 种草 为 主的草地建设不仅是半干旱黄土丘陵 和东方 山 羊豆 ( “料 种子来 自 甘 肃
区生态恢复的重要组 成内 容 , 亦是 发展畜 牧业的 可 农业大学 草业工 程系 , 于 年 月 上旬 播种 , 条
再生 资源 。 建植人工草地及合理利用草地资源是保 播 , 行距 小区 面积 , 播 量参照 《 牧
证黄土高原生 态系 统平衡 , 实 现畜牧业可持续 发展 草饲 料作 物 栽培 学 》 。 小 区 间 采 用 随 机 区 组 排
的基础和重要措施 。 以往研究人工种 草对 黄土 丘 列 , 次重 复 。 播后覆土 适当镇压 , 适时进
陵 区土壤腐殖质及组成的影响 表明禾草 多为浅表性 行 田 间杂草 防除 。
须根 , 改良 土壤的范围有限 ; 豆科牧 草根系深且分
布 于浅层的水平根 成网 状 , 使土壤有 较 高 的水稳结 测定项 目 和方法
构和 较强 的抗烛强 度 , 从而使附着在 牧草 根 系 的土 和 年 月 初 , 选初 花期 的上述 种
壤不易 被径 流 带走 , 从根 本上 增强 了 土 壤 的 抗 冲 豆科牧草 , 观测其地上 部分生物量 、 冠幅 、 株高 、 单位
性 ° 种植豆科牧草 还有 利 于解决 草地供氮 不 足 面积枝条数和单位面 积生殖枝数 , 种牧草 的干 鲜
和蛋 白饲料缺乏的 问 题 , 对萆 地畜 牧业可 持续 发展 比和茎叶 比 。
有着 深远影响 。 生物量 、 冠幅 、 株高 、 单位 面积枝 条数和单位 面
改 善水土流失 、 恢复受损 生 态和植被的举措有 积生殖枝数测定 : 生物 量测 定采 用样方法 。 即 随机
合 理封育 、 引 种 豆科牧草 和灌 草合理搭配及立体 种 选取 个 样方 , 齐地面割下 , 随 即带 回 实
植 进而从局部到 整 体逐步改善受损 生态 。 本 验室测定鲜重 , 数 出 分枝数和 生 殖枝数 , 之后 将茎
试验选择黄土髙原人 工栽培 的 种 豆 科牧草 为 对 叶分开 花归 为叶 ) , 分别 称重 , 即 为鲜 重 茎 叶 比 ; 分
象 , 评价其生产性能和根 系发育特征 。 为 建植高 别装人信封袋 , 于 烘箱 中 烘干 称重 , 即 为
产 稳产 的人工草地 、 改 良丘 陵区表土瘠薄 、 水稳性差 单位 面积生物量 的 干重 , 计算获 得干鲜 比 ; 另 随机选
的脆弱 生 态系 统及发展当地畜牧业提供基础数据和 取 株有代表性 的单株 用 钢卷 尺测 量 自 地面 到植
利 学 依据 。 株最高点 的高 度 , 取其 平均 值即 为初 花期 该种 牧草
的髙 度 同时 对 上述 株牧萆 测定其最大胸径处 的
材料与方法 长 和宽 , 取平均值作为 该种牧 草 的冠幅 。
根 系发育特征研究 : 采 用植物生 态学 中 的常规
试验区概况 方法 】 。 用 直径为 的根 钻 , 在 该种 牧草 主根
试验点位于 甘肃省庆 阳市西峰区 兰州 大学草地 附 近 左右位置垂直钻取带根的土样 , 每 种牧草
农 业科技学 院 庆 阳 黄土髙 原试验 站牧 草 种 质资 源 钻取 钻 , 即 次重复 , 由 地表 向 下钻至 深 ,
第 期 张 健全等 : 黄土高原 种豆科牧草生产性能及根系 发育 特征
一 ■■ 年 月 降雨量


° 年 月 降雨量



』 ;
: ■ 年 月 均温
— ■
: : !
: :■ 曰 ■ ■ ■ 年 月 均温


月 份
图 — 年 庆 阳 试验 站 月 均温 与 月 降 雨 最
每 取一层 , 将 土钻提起 , 各层土样倒 至 土壤筛 进行单 因 素方 差分析 ( 用 多重 比
上 , 用镊 子将 根系 捡 出 , 分层 装人 信 封袋 , 迅 速在 精 较进行 差异显 著性分析 。 用 作 图 。
度 为 电 子天平 上称 重 , 之后将 各层 根 系 倒
人 装有 一定 体积水 的 量 筒 中 , 测 量 该层 根 系 的 体积
并 记录 。 统计各层根 系 重 和体 积 占 内
钻 出 根 系 总 重 量 和 总体积 的百分 比 。 种 豆科牧 草地上 生 物 量 、 株 高 、 茎 叶 比 、 干 鲜
比 、 单 位面积 枝 条 和 单位 面积 生 殖枝 数
数据 处 理 种豆 科牧 草 在 黄 土 高 原 试 验 区 —
用 软件 , 对数 据 年 年 生产性 能各项 指标测定结 果如 表 所示 。
表 — 年 种 豆 科 牧 草 生产性 能 表
观測项 目 单 位面 积枝 条 数 单 位 面积生 殖 枝数 ¥ 干 鲜 比
苜 蓿
平均
红 豆草
平均
百脉根
平 均 丨
东方山 羊豆 ‘
平 均 ‘
注 : 同列 均 值后标注不 同宇 母 者 表 示 水平 上趋异 著 下 同
由 表 可 以 看出 , 种豆科牧草 从 龄 至 龄期 时株高 为红豆 草 〉紫花苜蓿〉东方山 羊 豆〉 百脉根 ,
间 , 株 高均有 不同 程 度的 下 降 , 其 中 紫 花苜 蓿 下 降 幅 龄 年平均值仍 然 为 红豆 草〉 紫花苜 蓿〉东方
度达 红豆草 为 百脉根 为 东 方山 羊 山羊豆 百脉根 。 冠幅 从 年 到 年 亦呈现
豆 为 中 豆科牧 草 株高呈 依次 降低 的 趋势 龄 下降趋势 龄平均 冠 幅大小顺序 为 : 红 豆草 〉百
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脉根〉紫花苜蓿 东方山 羊豆 , 红豆草株丛胸径长与 倍 ,东方山 羊豆的 倍 百脉根和其他 种豆科
百脉根接近 , 为紫 花苜蓿和东方 山羊豆的 倍 , 其胸 牧草之间存在显著差 异 紫花苜蓿和红 豆
径宽是百脉根的 倍 , 是紫花苜蓿和 东方山羊豆的 草二者之间差异不显著 , 但均和东方 山羊斗之间存在
倍多 ; 红豆 草冠幅在除百脉根外与其他 种牧草之 显著差异 。 单位面 积枝条数和 单位 面积生殖枝数
间存在显著差异 , 而其他 种 豆科牧草之 龄时均较 龄时有所下降 , 但下 降幅度 因种而异 。
间差异不显著 。 茎叶比 的 年平 均值表现为东方山羊 豆 紫花
龄时 种豆科牧草 单位面积枝条数为 紫 花苜 苜蓿 红豆草〉百脉根 , 东方山羊豆和 紫花苜 蓿的茎
蓿〉百脉根 红豆草 东方山羊豆 , 紫花苜蓿单位面 叶鲜草重量接近 , 而红 豆草 叶量是茎 的 左
积枝条数是百脉根的 倍 , 是红豆 草的 倍 , 是 右 ,百 脉根叶量只有茎 的一半 茎叶 比在百 脉根和其
东 方山羊豆的 倍 。 紫花 苜蓿 的单位面积枝条数 他 种牧草之间存在显 著差异 , 而紫花苜
与 其他 种牧草之间差 异显著 。 年平均 蓿 、 红豆草和 东方 山羊 豆之间不存 在明 显 差异 种
的单位面积生殖枝数为红豆草 〉紫花苜蓿 〉百脉根 牧草 龄至 龄茎叶比基本维持在同一水平 , 变化不
〉东方山 羊豆 , 红豆草单位面积生殖枝数和紫花苜 蓿 大 。 种豆科牧 草含 水量为东方 山 羊豆〉百脉根〉
接近 , 是百脉根的 倍 , 东方山 羊豆的 倍 》 紫花 红豆草〉紫花苜蓿 但 种豆科牧草 干鲜 比均在
苜 蓿和红豆草之间单位面积生殖枝数差异不显著 , 但 左右 , 表现为每 鲜草可调制 对应的干草 ,
与百脉 根 和 东 方 山 羊 豆 之 间 存在 差 异 显 著 ( 干鲜比在 种 牧草之间差异不显著 。
,百脉根和东方山羊豆二者之间差异不显著 。
种豆科牧草 龄时正处于产草盛期 单位面积地上部 种豆 科牧 植物根系 分布 和发 胄特征
分生物量在 龄时和 龄时略有变化 但平均值表现 — 年 种豆科牧草 土层 内
为百脉根〉红 豆草 紫花苜蓿 〉东 方山 羊 豆 , 百脉 每 土层 的根系 重量和根系体积 占
根单位面积生物量约 为紫 花苜 蓿的 倍 红豆草的 土层 内 根系总重和总体积的百分比如 表 所示 。
表 种 科牧車根 系发宵特征
种 指标 年份 土壤展次
— — —
分层重量比
首播 平均
分层体积比
平均
红豆苹 平均
。 分层体积 比
平均
分层 重量 比
百脉根 平均
分层体积 比
平均
分层 量
东方 山 羊豆 平均
分层体积 比
平均
第 期 张健全等 : 黄土高原 种豆科牧草生产性能及根系 发育特征
由 表 可知 , 种豆科牧草 龄时 根系分布较 失 , 改善土壤贫瘠现状 并在开发 当 地野生豆科种质
龄时均有所萎缩 在距地表 内 罕有根系 的 同 时积极合理引 种驯 化其他优 良豆科牧 草能 发挥
分布 。 紫花苜 蓿 土层 内 的根系重 占钻 出 因 地制宜的 作用 , 这在西 部大开 发构 建生 态文 明 中
根系 总重的 , 内 仅 占 红豆 具有重要的现实意义 。 王彦荣等 于 年代
草 主要分布在 土层 , 其中 土 层 调 查了 当地野生豆科植物资源 , 共鉴定豆科牧 草
内 根系重占 钻出 总根重 的 , 土 层 余种 ,优势种有 野豌豆 、 野大豆 (
中根系 仅占 百 脉根主 要 分布 于 叫、 ) 、 天 蓝 苜 蓿 和 花 苢 猜
土层内 , 其中 土层内 根系重 占钻出 总根 重 , 但多 为伴 生 种 , 株体 矮小 产
的 土 层 内 的 根 系仅 占 东方 量低下 , 改 良 水 土的 价值 十分有限 。
山 羊豆主 要分布 于 土 层 中 , 其 中 紫花苜蓿能大幅度提高土 壤有机氮含量和 团 粒
土层内 的根系 占 钻出 总 根重的 , 结构 其发达的根系 具有 良好的蓄水保土性能 , 为黄
土壤层中 根 系重仅 占 。 土高 原 防止 水土流失 的首 选豆科植物 , 红豆草 根 系
从表 各层 土壤 内 根系 重量和 体积 占 深 , 侧根发达 , 根瘤丛生 成 串 , 能给土 壤留 下
根系总重 和总 体积的 比 重还 可 以 发现 种牧草 大 量有机质 和氮索 , 为黄 土 髙 原地 区 良 好的覆地改
根系 在地下 的分 布各呈 一定 特征 。 紫 花 苜 蓿在 土作物 。 东方 山 羊豆 野生 种分布于前苏联外高加 索
以 内 根系 数量多 , 占 整个根系 的 , 在距地 表 髙地 年 代 引 人 我 国 , 为 根颈 型 牧 草 , 根系 发
深处 , 又有 一个根系集 中分布 的耕层 , 钻 达 , 既有豆科牧草发达的主根 , 又有禾 本科牧草须根
出根系 重 占 总 根重 的 两者之 和达 左 系特 征 , 叶 量 丰 富 , 茎 叶 柔 嫩 , 为 多 种 家 畜 所 喜
右 , 而 其他土层根 系分布较少 , 紫 花苜 蓿根系从地表 食 ° 。
至 呈现出 “ ” 工字形 )型 分布 。 红 豆草根 系 而在 定西黄土高 原 区有报道称通 过种草种树等
集中 分布在 土层 , 该土 层中 的 根 系重 占钻 生态 修复措施 , 使 当 地原生植被盖度 由 提髙到
出根系总 重的 , 在 土层 中 根 系 较 效益非常 显 著 ( 因 此从 国 内 外 引 进种 植 多
少 但 土 层为根系分布较多 的 另一个重 年生 人工 栽培豆科牧草对改善 当 地严竣的 水土流失
要耕层 根 系 含量占 呈 不均衡 “ 哑铃形” 分布 。 问题是一 项持之以 恒 的课题 。
百脉根 土层 中 根系重 量 占 钻 出 总 根重 的
, 中根 系各层少且分布 均匀 , 每 生产性能 和根系 分布年 际变化特 征
层 占 不 等 , 呈 “倒三 角 形 ”分布特征 。 东方 大多数研究认为 紫 花苜蓿种 植第 年 为产
山羊豆 土层 中 的 根系 重 占 钻出 总 根重 的 草盛期 此后 由 于受病原菌感染 等 众多 因 索影 响 而
以上 , 土层 中 根系仅为 左右 , 呈 逐渐衰退 。 本研究观测到 种 豆科牧 草 年较
“漏 斗状 ”分布特征 。 综上百脉根和东方山 羊豆属浅 年地上部分生物 量均有 一 定 程度 下 降 表明
根系豆科牧草 , 而 紫花 苜蓿 和红豆草 属深根系豆 科 种豆科牧草在黄土高原地区 年左右 为盛期 ,此后产
植物 。 但东方山 羊豆根系 主要分布 于 土 草量开始 下降 此时应适宜的 给予施肥或病虫 害防
壤 , 而百脉根根系 主要分布于 土壤 。 治 , 以保持其高 产和稳产 。 郭 正刚等 于 年研
究了黄土高原区紫花苜蓿根系发育特征 , 结果表明根
讨论 系分布集 中 在 土层 内 , 距地表 以
下 根系分布量 锐减 且随深度 增加 , 呈递减趋势 本
豆科牧 的 引 种研究 试验结果与 其结论一致 , 但亦有差 别 。 年 种 豆
豆科植物不仅可 提供粮食 、 饲料 和绿肥 大 多还 科牧草根 系 在 土壤 中 的分布 范 围较 年有所 缩
是生物 质能源燃料的 潜在储备 。 因 此黄土高原 地区 减 部分原因是 年 月 气温异常 月 份极端
选 择适宜的 豆科牧草进 行种 植 , 其根系 固 定 的氮 索 气温达 一 , 致使部分弱小根 系死亡 加之植物 自
不但供 自 身 生长发 育 , 其附加 效应 还 包括所在 群 落 然衰老过程的不可 抗拒 , 从而引 起地上部分 营养物质
植物 蓄水 、 保土 , 增 强 土壤 肥力 , 加 速 土壤的生 物 化 输送能力 的 降低 , 导 致其生 物量下 降 。 黄晓 红等
进程 。 研究结果亦证明 黄土高 原 区 紫花 苜蓿 龄为产草 盛
针对黄土 高 原 不 同 侵蚀地带 综 合 治 理 水 土 流 期 之后 开始逐步下 降 。 本研究也印证了上述结论 。
9 7 0 草 地 学 报 第 卷
豆科牧草植物 的选 李 代琼 梁一 民 , 刘国彬 , 等 黄 土丘 陵区 优 良牧 草引 种驯 化试
根系分布特征及年际变化研究表明 , 紫 花苜蓿 ” ’ 。 ’
和红豆草属 深根系 豆 科植物 , 而百 脉根和 东方山 羊 刘 洪岭 ’ 李香 兰 ’ 梁 民 禾本科及 豆科牧草对黄土丘陵区 台 田
豆属浅根系豆科牧草 , 尤其是 种牧草 经 年栽 肥效 果 的 比 较研则 西北 植 物学 报 ’ 跳而 ) :
培后根系均有不同程度 的萎 根系 越发向 浅 层集 王平 王天 周 等 混播草地 中土 水分 与种间 关系
中 。 其 中 百 脉根和 东方 山羊 集 中 分 布 于 研究进展 应用生态学报
土 层 , 而 紫 花首 宿 和 红豆 草集 中 分布 于 — 张 春霞 郝明 德 黄土髙《地区 紫花 苜蓿生 长发育过程 中 土壤
土层 内 , 尤 其是红 豆草根 系退化极其严重 , 至第 养分变化规律 西北植物学报
年根系 大部分退化至 表土层 , 严重地影 思金 《烈保 宋桂龙 考 不同 人工 木与 苹 ? 群 中 种
响地上部分生物量形 成 。 百脉根根系集 中 分布 于
由 丄 曰 工 、 丨 曲 、壬 由工山 丄 彭 河现 黄土离服水土流失区退耕还林 ( 草 ) 的基本思路 水表土层 , 属 于头重脚 轻型牧旱 , 适宜于水土
丄 土 保持研究 ,流失 早期 发生 的 区 , 是用 于 迅速建植 和短期 见效 李代瑰 梁 民 ’ 刘 国彬 等 半干 早黄土丘 》 区多元 化苹地建
的草 种 ; 东方山 羊 主根和侧 根均较发达 , 且根 系衰 设 技术研究 西北植 物学报 〉
退速度较缓 利用年限 长 , 适宜于冲刷较为严重的贫 陈宝书 牧草 询料 作 物栽 播 学 北 京 中 国 农 业 出 版社 ,
瘠坡地种植 ; 而紫 花苜蓿 和 红豆 草 根 系 分布 范 围
广 , 主根发达 , 适宜于大 面积退化草 地 的综合整 治 , 甘肃农业大学苹《系 革原 学与牧 草学实习 实《指导 书
但红豆草利用 年限较紫花首宿 短 , 视情况首宿 和红
豆草可 与其他优 良禾本科牧草混播 , 形成纵深根系 , 江汉侨 植物生态学 北京 科学 出版社 赋
怎 办 甘且 土灿 仏 士 雄 科 牧草在水 土保持 中的作用于 议 农业科 技倌从而发挥其最佳的生 态恢复作用 。 息 ’
参考 文献 王彦荣 , 李琪 陇东黄土离床野生饲用 及环保植物 资狐 的 调査
张 自 和 黄土髙屎的 草地农业及其技术 黄土高 农业系 价 〃 ± 农 术 会 文 ‘
国际学术会议论 文集 兰州 : 甘肃科学技术出版社 , ’
张味艳 王立 , 黄高宝 等 保护性耕作 防冶坡 耕地水土 流失》 沈 親 , 张 自 和 谢 田玲 优良 科 牧草
—东方 山 羊豆的研究与
应 的研则 安■农业酵 ,讓 細拙 利则 鲜报細 丨 ‘謝
王馨风 王丽华 大力推进我 国 水土 流失 的 综合 防治 访我邮
利部水土保持司 巡视员 张学俭 今 日 中 国 国土
姜恕 关 于开发 中 国西部地区退耕还林 还車的建议 草地丨 王栋 牧草学各论 任继周 , 修订 新 南京 , 江苏 科学技术出版社 ,报
朱丹 , 张 自 和 , 刘华 黄土离原退耕还林 还草生态经济可 持续发
匕 」
」 ,
展棋式初 探 苹业科学 , 丨
… 郭正刚 , 张 自 和 , 肖 金玉 , 等 黄土离 通丘陵沟 区 苜 品 种间
。 、
根系发胄能力 的初 步研 究 应 用生 态学 报 , ,

张海 牛秀峰 柏延芳 等 黄土峁 状丘陵 区 牧苹 引种 及立地 淑
芬动态研究 西北植物学 ,讓 ⑵挪挪 张晚红 徐炳成 ’ 李风民 密度对 种豆科牧卑生产力 和水分利
刘 洪岭 梁 民 , 李香兰 不同 牧草对黄土反陵 区土壞培肥效果 用效率的 影响⑴ 草地学报 咖 ⑷ ,
的研究 水土保持通报 , 〉 ,
责 任 编 辑 刘 云 霞 )