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7种鹅观草属植物苗期干旱胁迫的生理评价



全 文 :收稿日期:2010-12-15;修回日期:2011-03-25
基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项“八种优
异禾草种质资源评价研究”(1610332011006);中央级公益性科研院
所基本科研业务费专项(中国农业科学院草原研究所)“锡林郭勒典
型草原生态生产功能区评价与适应性管理模式研究”(2010-Z-3)
作者简介:常雪刚(1985-),男 , 内蒙古和林县人 ,在读研究生 ,
研究方向为牧草生理生态学 , E-mail:cx g3021@163.com.
文章编号:1673-5021(2011)04-0044-07
7种鹅观草属植物苗期干旱胁迫的生理评价
常雪刚1 , 徐 柱 2 ,易 津1 ,闫伟红2
(1.内蒙古农业大学农学院 ,内蒙古 呼和浩特 010019;
2.中国农业科学院草原研究所/农业部草原资源与生态重点开放实验室 ,内蒙古 呼和浩特 010010)
  摘要:利用盆栽模拟土壤干旱法 , 对鹅观草属 7 种植物幼苗在连续干旱胁迫下的生理生化特征进行研究 , 综合
评价 7 种植物的抗旱性 ,筛选抗旱品种。结果表明:随干旱胁迫天数的增加 , 土壤相对体积含水量 、叶片相对含水量
和叶绿素含量显著降低(P<0.05), 脯氨酸含量 、相对电导率 、丙二醛(MDA)含量都显著增加(P<0.05);过氧化物
酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性先上升 , 后不同材料变化各异。相关分析表明 , 除了 SOD 活性 , 其他指标之
间都存在显著或极显著相关。运用隶属函数法进行综合评价 , 7 种植物的抗旱性顺序为:黑药鹅观草>垂穗鹅观草
>肃草>纤毛鹅观草>多变鹅观草>岷山鹅观草>直穗鹅观草。
关键词:鹅观草属;苗期;干旱胁迫;隶属函数
中图分类号:Q945.78   文献标识码:A
  鹅观草属(Roegneria C.Koch)植物在我国有
79种 ,其生态幅比较宽 。许多鹅观草属植物营养
丰富 ,适口性好 ,可消化率高 ,具有较高的经济和
生态价值[ 1] 。另外 ,鹅观草还具有多花多粒 、耐
湿 、高抗赤霉病等特性[ 2] ,是麦类作物重要的种质
资源 。目前 , 对鹅观草属植物的研究多集中在分
类 、形态解剖 、种质资源的评价与利用及抗赤霉病
等方面[ 3 ~ 4] ,关于其抗旱性方面只是本属植物中的
典型种与其他属的禾草进行比较[ 5] ,在鹅观草属
内不同种间的比较研究甚少。本试验以鹅观草属
7种植物为研究对象 ,通过测定叶片相对含水量 、
叶绿素含量 、游离脯氨酸含量 、相对电导率 、丙二
醛含量 、SOD及 POD 活性等生理指标 ,运用隶属
函数法对 7种鹅观草属植物苗期抗旱性进行综合
比较分析 ,以期为北方干旱与半干旱地区人工草
地构建提供优质牧草资源 。
1 材料与方法
1.1 试验材料
材料来源于中国农业科学院太仆寺旗野外科学
观测试验站 ,为 2009年收获的种子 ,详见表 1。
1.2 试验设计
试验于 2010年 3月 25日在内蒙古农业大学西
校区牧草生理生态温室中进行 。采用苗期模拟土壤
连续干旱胁迫法[ 6] 。在口径 23cm 、高 15cm 塑料花
盆中装以 2∶1混合而成的栗钙土与蛭石混合土 ,每
表 1 试验材料
Table 1 The experiment materials
材料编号
Material
num ber
种名
Species name
原产地
Original ly sources
1 多变鹅观草
R.var la 内蒙古乌兰察布市卓资县卧佛山
2 黑药鹅观草
R.melanthera 四川红原县
3 岷山鹅观草
R.dura 四川阿坝州松潘县安多乡
4 垂穗鹅观草
R.nutans 西藏巴青县雅安乡热马寨
5 肃草
R.st ricta 内蒙古阿盟贺兰山南寺雪岭阳坡
6 直穗鹅观草
R.turczan inori i
var.turczanin ovii
新疆伊犁州特克斯县柯尔克孜乡
7 纤毛鹅观草
R.ci liaris 宁夏六盘山
盆均匀地种植饱满的种子 30粒左右 ,每种供试材料
种植 10盆。生长期间 ,每天适当的浇水通风以保证
材料正常生长 。到 2 ~ 3片真叶时定苗 ,每盆留长势
均匀的幼苗 15株 。当材料达到 4 ~ 5叶龄时进行干
旱胁迫处理 ,每种材料 5盆用于对照 , 5盆用于干旱
—44—
第 33 卷 第 4 期          中 国 草 地 学 报          2011 年 7 月
  Vo l.33 No.4          Chinese Journal o f G rassland           Jul.2011  
胁迫 。6月 2日开始干旱胁迫试验 ,对照组正常浇
水(土壤含水量保持在 30.31%±5.82%),干旱组
停止浇水 。分别于胁迫开始的第 0d 、4d 、8d 、12d 测
土壤含水量 ,同时取对照和处理植株的叶片带回实
验室 ,放到冰箱中备用 ,各生理指标都是当天取样当
天测 。取样时间为早晨 8∶00 ~ 9∶00 ,所取材料的
叶片尽量均匀一致。
1.3 测定指标和方法
土壤相对体积含水量(Soil relative volume water
content , SVWC)采用 TDR300土壤水分速测仪测定 ,
探头用 7.5cm;叶片相对含水量(Relative w ater con-
tent of leaf , RWC)采用饱和称重法[ 7] 测定;相对电导
率(REC)用 DDB-303A 型电导率仪测定[ 7] ;叶绿素
含量采用酒精浸提法测定[ 8] ;游离脯氨酸含量(Pro)
采用酸性茚三酮法[ 7] ;丙二醛含量(MDA)采用双组
分分光光度法[ 8] ;POD活性采用愈创木酚法[ 9] ;SOD
活性采用氮蓝四唑(NBT)法[ 8] 。
采用模糊数学的隶属(反隶属)函数法[ 10] 并结
合各指标权重系数 ,对植物的抗旱性进行综合分析 。
具体计算如下:
(1)与抗旱性呈正相关的指标 , 其 U(ijk) =
X(ijk)-X(jmin)
X(jmax)-X(jmin);(2)与抗旱性呈负相关的指标 , 其
U(ijk)=1-X(ijk)-X(jmin)
X(jmax)-X(jmin);(3)不同处理水平的平均
隶属值 U(ijk) = 1
m
∑m
k=1 U(ijk);(4)权重系数 W ij =
CV ij
∑n
i=1CV ij
;(5)各草种抗旱隶属度 Xi =1
n
∑n
j=1U(ijk)·W ij 。
式中 , U(ijk)为第 i 个草种第 k 个水分胁迫条件
下第 j项指标的隶属度;X(ijk)为 i草种 j性状第 k 个
水分胁迫条件下的测定值;X(jmax)、X(jmin)为所有参试
草种中第 j项指标的最大值和最小值;CV ij为 i草种
j性状的变异系数;W ij为 i草种 j性状的权重系数;n
为综合评价的指标数;m 为胁迫的水平数;Xi 为 i草
种的抗旱隶属值 , Xi 越大抗旱性越强 。
1.4 数据分析
数据用 Excel 2003 软件整理 , SAS9.0 软件进
行方差分析和相关分析 。
2 结果与分析
2.1 土壤相对含水量的变化
植物正常的生理代谢需要一定的水分 ,当土壤
中的水分供应不足时 ,会导致各种代谢紊乱 。图 1
显示 ,随干旱胁迫天数的增加 ,各材料的土壤含水量
显著降低(P <0.05),干旱处理第 12d 土壤含水量
由正常含水量 31.8%~ 44.3%下降到 3.8%~
7.8%。多变鹅观草 、垂穗鹅观草 、直穗鹅观草的土
壤含水量在不同胁迫天数之间达到极显著差异(P
<0.01),只有岷山鹅观草的土壤含水量在干旱第
4d与干旱第 8d 之间差异不显著。当干旱胁迫第
12d时 ,多变鹅观草土壤相对含水量下降幅度最大 ,
下降了 86.7%;岷山鹅观草下降幅度最小 ,下降了
78.8%。各材料的土壤含水量是持续下降 ,符合干
旱胁迫的要求 。
图中不同字母表示在不同胁迫天数之间差异显著(P<0.05)
Bars w ith di ff erent capi tal let ters are signifi cant ly dif f erent at the 0.05 level under di ff erent drought st res s days
图 1 干旱胁迫下 7 种植物的土壤相对含水量变化
Fig.1 Soil re lativ e volume w ater contents of 7 species plant under drought stress
—45—
常雪刚 徐 柱 易 津 闫伟红   7 种鹅观草属植物苗期干旱胁迫的生理评价
2.2 抗旱生理指标的变化
由表 2可以看出 ,随着干旱胁迫天数的增加 ,各
材料各指标的变化程度不同。叶片相对含水量和叶
绿素含量随干旱胁迫天数增加而减小;脯氨酸含量 、
相对电导率和丙二醛含量变化则相反 ,随干旱胁迫
天数增加而增大。SOD 活性和 POD 活性两项指
标 ,随干旱胁迫的加剧都是先增大 ,然后不同材料变
化不一。其中 ,叶片相对含水量以多变鹅观草 、垂穗
鹅观草变化较大 ,分别下降了 68.6%、68.4%,岷山
鹅观草下降最小(仅下降了 33.2%)。叶绿素含量
也以多变鹅观草 、垂穗鹅观草变化较明显 ,分别下降
了 39%、38.6%,黑药鹅观草下降最小 ,为 12.5%。
脯氨酸含量以肃草变化最大 ,增加了 318%,黑药鹅
观草变化最小 。相对电导率的变化在各材料间相差
不大 ,变化率约 130%左右 。丙二醛含量以直穗鹅
观草变化最大 ,达到 253%,岷山鹅观草变化最小 。
POD活性对于岷山鹅观草 、垂穗鹅观草和肃草是先
上升后下降 ,其他材料都随干旱天数的增加而增加 。
SOD活性对于黑药鹅观草和垂穗鹅观草是一直在增
加 ,其他材料在干旱胁迫第 8d后都有不同程度的下
降 ,变化较大的是岷山鹅观草和肃草(在干旱第 12d
的 SOD活性低于干旱第 0d的)。
表 2 水分胁迫下 7 种植物叶片的各生理生化指标变化
Table 2 Leaf physiological and biochemical index of 7 species plant under drought stress
胁迫天数
The d rou ght
days
材料编号
Material
number
叶片相对
含水量(%)
RWC(%)
叶绿素含量
(mg/ g)
Ch lorophyll
content(mg/ g)
脯氨酸含量
(μg/ g)
Pro content
(μg/ g)
相对
电导率(%)
REC(%)
丙二醛含量
(nmol/ g)
MDA content
(nmol/ g)
POD活性
(■A 470/
g·min)
POD act ivity
(■A 470/
g·min)
SOD 活性
(U/ g)
SOD activity
(U/ g)
0d 1 81.8 1.94 49.8 25.0 23.4 20.4 51.2
2 83.4 1.58 52.1 22.2 16.5 50.0 36.5
3 71.6 1.44 39.7 25.2 26.6 46.2 48.7
4 74.9 1.72 81.9 23.6 26.3 23.1 35.4
5 72.0 1.75 32.2 30.0 29.6 39.1 75.5
6 62.5 1.71 58.9 24.3 24.0 23.7 32.2
7 82.0 1.87 56.5 20.8 24.9 28.1 37.3
4d 1 51.5 1.83 51.5 41.6 27.3 23.1 69.9
2 82.2 1.53 67.3 31.8 31.8 78.9 48.7
3 64.4 1.34 57.9 50.6 28.2 56.8 73.6
4 70.6 1.56 96.5 40.1 34.9 28.9 60.3
5 62.2 1.59 56.0 38.8 39.3 44.9 99.0
6 59.7 1.67 61.7 42.7 58.5 31.9 67.9
7 71.2 1.65 65.5 43.3 31.1 30.5 76.5
8d 1 43.5 1.36 83.9 49.2 29.5 41.4 102.9
2 69.1 1.42 75.6 39.2 33.7 114.9 96.7
3 60.1 1.25 65.2 51.0 30.4 67.4 105.3
4 47.5 1.38 105.8 46.8 39.2 45.7 107.1
5 52.4 1.50 109.8 52.9 45.7 59.0 123.3
6 43.1 1.41 74.6 43.1 65.2 37.2 118.8
7 58.3 1.55 82.4 53.2 39.9 44.2 123.5
12d 1 25.7 1.18 96.5 54.8 47.9 57.0 52.0
2 37.8 1.39 82.4 46.3 40.8 141.5 105.6
3 47.8 0.89 81.7 70.5 36.5 59.4 37.8
4 23.7 1.30 155.0 56.7 41.1 41.0 134.5
5 28.1 1.40 134.9 57.9 51.8 40.4 61.4
6 26.6 1.25 108.2 53.6 85.0 56.3 78.6
7 35.7 1.39 116.0 56.2 42.0 54.1 61.4
—46—
中国草地学报 2011年 第 33 卷 第 4 期
  表 3显示 ,各指标的总体齐性检验都达到极显
著(P <0.01),说明各指标都有统计学意义 。各指
标效应间的方差分析表明 ,土壤含水量对于材料间
的差异不显著 ,说明土壤含水量差异主要来源于处
理间 ,也就是胁迫天数之间 。在 SOD 活性中 ,材料
间的效应也不显著 ,说明随干旱胁迫的加强 ,各材料
之间 SOD活性变化不明显。其他指标效应间的差
异都达到了极显著水平 ,表明各指标在不同干旱胁
迫天数下差异达到显著或极显著水平 。
表 3 各指标的方差分析
Table 3 Analysis of variances of the indexes
F 值
F value
土壤相对体
积含水量
SVWC
叶片相对
含水量
RWC
叶绿素含量
Ch lorophyll
脯氨酸含量
Pro content
相对电导率
REC
丙二醛含量
MDA content
POD活性
POD act ivity
SOD 活性
SOD activity
总 体 138.06** 24.08** 14.23** 12.62** 33.12** 9.1** 10.25** 3.66**
处理间 409.38** 62.01** 29.48** 26.32** 88.91** 13.26** 8.36** 10.79**
材料间 2.4 5.12** 6.6** 5.76** 5.32** 6.97** 11.2** 0.59
  注:*表示差异显著(P<0.05), **表示差异极显著(P<0.01)。
Note:* is signif icant dif f erent at the 0.05 level , ** i s signif icant dif ferent at the 0.01 level.
2.3 各指标的相关性分析
对干旱胁迫下的各生理生化指标进行相关分
析 ,详见表 4 。土壤含水量 、叶片相对含水量和叶绿
素含量之间呈正相关 ,三者与其他指标呈负相关 ,各
指标间相关的程度各不相同。其中 ,土壤含水量与
相对电导率 、丙二醛含量呈极显著负相关。脯氨酸
含量与叶片含水量 、叶绿素含量呈极显著负相关。
丙二醛含量与相对电导率呈极显著正相关 。SOD
活性与其他指标均未达到显著相关。
表 4 各指标间的相关系数矩阵
Table 4 Correlation coef ficient matrix between indexes
指 标
Indexes
土壤相对体积
含水量
SVWC
叶片相对
含水量
RWC
叶绿素含量
Ch lorophyll
conten t
脯氨酸含量
Pro content
相对电导率
REC
丙二醛含量
MDA content
POD活性
POD act ivity
SOD 活性
SOD activity
土壤相对体
积含水量
1.000
叶片相对含
水量
0.925 1.000
叶绿素含量 0.961* 0.987* 1.000
脯氨酸含量 -0.932 -0.998** -0.994** 1.000
相对电导率 -0.999** -0.934 -0.963* 0.939 1.000
丙二醛含量 -0.990** -0.963* -0.977* 0.964* 0.994** 1.000
POD活性 -0.960* -0.949 -0.987* 0.965* 0.956* 0.956* 1.000
SOD 活性 -0.708 -0.485 -0.620 0.531 0.679 0.610 0.734 1.000
  注:*表示相关程度在显著水平(P<0.05), **表示相关程度在极显著水平(P<0.01)。
Note:* is signif icant coef ficien t level at the 0.05 level , ** i s signifi can t coeff icient level at the 0.01 level.
2.4 鹅观草属 7种植物抗旱性综合分析
抗旱性是一个受多种因素影响的复杂数量性
状 ,孤立地用一项指标评定植物的抗旱性有一定的
局限性 ,因此在评定植物抗旱性时应采用多个指标
进行综合评定。试验中叶片相对含水量 、叶绿素含
量 、脯氨酸含量 、POD活性及 SOD活性与抗旱性呈
正相关 ,相对电导率和 MDA 含量与抗旱性呈负相
关[ 11] 。通过隶属函数(隶属度)确定各指标间的模
糊关系 ,结合各指标的权重系数 ,把每一品种各指标
的抗旱隶属值进行累加 ,求其平均数 ,平均数越大 ,
抗旱性就越强 ,结果见表 5。7项生理生化指标的隶
属函数综合评价表明 , 7种鹅观草的抗旱性次序为:
黑药鹅观草>垂穗鹅观草>肃草>纤毛鹅观草>多
变鹅观草>岷山鹅观草>直穗鹅观草 。
—47—
常雪刚 徐 柱 易 津 闫伟红   7 种鹅观草属植物苗期干旱胁迫的生理评价
表 5 7 种植物的隶属度分析
Table 5 Analysis of subordinate function values of 7 species plant
材料编号
Material
number
叶片相对
含水量
RWC
叶绿素含量
Ch lorophyll
conten t
脯氨酸含量
Pro content
相对电导率
REC
丙二醛含量
MDA content
POD 活性
POD activi ty
SOD活性
SOD
act ivity
隶属度
Subordinate
fu nct ion
values
排序
O rder
1
2
3
4
5
6
7
0.072
0.096
0.050
0.087
0.075
0.051
0.082
0.060
0.017
0.036
0.033
0.030
0.036
0.040
0.046
0.031
0.045
0.086
0.126
0.049
0.064
0.065
0.097
0.087
0.083
0.069
0.071
0.089
0.105
0.127
0.064
0.061
0.071
0.072
0.078
0.028
0.127
0.028
0.019
0.023
0.025
0.025
0.057
0.098
0.097
0.131
0.088
0.091
0.102
0.062
0.085
0.058
0.071
0.069
0.057
0.069
5
1
6
2
3
7
4
3 讨论和结论
叶片是植物外部形态对水分胁迫最敏感的器
官 ,试验主要是测定叶片的各生理生化指标以指示
抗旱性。在干旱胁迫下 ,叶片相对含水量与抗旱性
呈正相关 ,本研究中多变鹅观草 、垂穗鹅观草下降幅
度大 ,表明其抗旱性弱 ,相反岷山鹅观草的抗旱性则
强。水分胁迫使植株体内水分亏缺达一定程度时 ,
会造成叶绿体的变形和片层结构的破环 ,叶绿素含
量也会发生变化 ,呈下降趋势[ 12] ,抗旱性强的材料
叶绿素持有率高于抗旱性弱的[ 13] ,本研究中黑药鹅
观草下降最低 ,其叶绿素持有率高 ,抗旱性相对较
强。
脯氨酸是植物细胞中重要的渗透调节物质 ,有
学者认为 ,水分胁迫下植物体内游离脯氨酸积累在
品种间有差异 ,并与品种的抗旱性呈正相关 ,因而认
为叶片缺水时 ,累积脯氨酸数量的多少可以作为植
物抗旱的指标[ 14 ~ 16] 。试验中垂穗鹅观草在干旱胁
迫过程中保持高的脯氨酸积累量 ,表明其抗旱性相
对较强。相关分析表明 ,脯氨酸含量与叶片含水量 、
叶绿素含量呈极显著负相关 ,说明这三个指标是与
细胞渗透势有关 。
在逆境胁迫下 ,植物细胞质膜首先受到伤害 ,电
导率值增加较快且较多的牧草 , 细胞膜受伤害较
大[ 17] ,抗旱性弱 。岷山鹅观草 、纤毛鹅观草电导率
值变化较大 ,所以其抗旱性相对较弱。MDA 是膜
脂过氧化的最终产物 ,在干旱胁迫下其含量的增加
可以表示膜脂过氧化作用的程度 ,即受到胁迫的程
度 ,试验中丙二醛含量随干旱胁迫天数的增加而呈
现增加趋势 ,符合此观点。相关分析显示丙二醛含
量与相对电导率呈极显著正相关 ,表明这两指标与
质膜有关 。
植物在遭受到干旱胁迫时 ,细胞内的保护酶系
统(主要有 SOD 、POD等)的酶活性越高 ,消除自由
基的能力也越强 ,植物的抗逆性也越强[ 18] 。试验中
POD活性和 SOD活性相关性最大 ,说明鹅观草属
植物在抵御干旱胁迫时保护酶系统的 POD和 SOD
保护作用是协同进行的。随干旱胁迫天数的增加 ,
黑药鹅观草的 POD活性一直较高 ,黑药鹅观草 、垂
穗鹅观草的 SOD活性一直保持增长 ,其他植物在干
旱第8d后其 SOD和POD活性在下降 ,可能是由于
这些植物所能承受的干旱胁迫程度有限所致 ,所以
黑药鹅观草的抗氧化能力强于其他植物 ,抗旱性也
就强于其他植物。
采用不同指标比较的鹅观草属 7种植物 ,其抗
旱性强弱不同 。通过相关分析发现许多指标之间相
关性很大 ,可能是某些指标在评价抗旱性时起到叠
加作用 ,进而放大了该指标的指示作用 ,也可能是某
些指标协同作用来抵御干旱的逆境 ,所以不能孤立
的认为某个指标或某几个指标是评价鹅观草抵御干
旱胁迫能力的标准。为了避免片面性 ,运用隶属函
数法结合各指标的权重系数进行综合的评价 ,以提
高抗旱鉴定的准确性。运用隶属函数法评价 7种鹅
观草属植物的抗旱性依次是:黑药鹅观草>垂穗鹅
观草>肃草>纤毛鹅观草>多变鹅观草>岷山鹅观
草>直穗鹅观草。《中国植物志》中黑药鹅观草属于
鹅观草属拟冰草组 ,其他几种属于拟披碱草组[ 19] ,
拟冰草组的植物抗旱性强于拟披碱草组的 。虽然这
7种植物属于不同的生态型 ,但其抗旱性似乎与来
源地无关 ,可能是因为这些材料在内蒙古太仆寺旗
进行扩繁 ,为适应新的环境 ,其在原产地所具有的特
征发生了变化 。但种间的抗旱性差异仍然存在 ,这
同时证明植物的遗传稳定性 。所以 ,研究结果可以
为抗旱性牧草的选育提供依据。
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常雪刚 徐 柱 易 津 闫伟红   7 种鹅观草属植物苗期干旱胁迫的生理评价
Physiological Evaluation of Seven Roegneria Species to
Drought Stress at Seedling Stage
CHANG Xue-gang1 , XU Zhu 2 , YI Jin1 , YAN Wei-hong 2
(1.Agricultural Col lege , Inner Mongol ia Agricultural Universi ty , Hohhot 010019 , China;
2.Grassland Research Insti tute of CAAS/K ey Laboratory o f Grassland Resource and
Ecology of Ministry of A gricul ture , Hohhot 010010 ,China)
Abstract:The phy siolo gical and biochemical characterist ics of 7 Roegneria plants to drought resistance
were studied w ith po t ted plant at seedling stage under successive drought st ress to simulate soil drought
condi tion , and their drought-resistances w ere evaluated comprehensively to select cult ivar of drought re-
sistance.The results showed that w ith the day s o f drought st ress increased , soil relative volumetric w ater
content , leaf relativ e w ater content and chlorophyll content w ere significantly decreased(P <0.05), pro-
line content , cell membrane permeability and malondialdehyde content we re signif icantly increased (P <
0.05), POD activi ty and SOD activity increased at prophase and then varied among dif ferent materials.
Co rrelation analysis showed that there were significant or highly signif icant cor relations among indicators
in addition to SOD act ivity .T he drought resistance of 7 plants w ere comprehensively evaluated w ith subo r-
dinate funct ion , their drought-resistance orde r w as R.melanthera >R.nutans >R.stricta >R.ci liar-
is > R.varla >R .dura >R.turczaninori i var.turczaninovii.
Key words:Roegneria;Seedling;Drought st ress;Subo rdinate function
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中国草地学报 2011年 第 33 卷 第 4 期