氣候變化與品種更新對黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥的影響

尚 艷，趙 鴻，柴守璽

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，

甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730020）

氣候變化與品種更新對黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥的影響

尚 艷1，趙 鴻2，柴守璽1

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730070；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，

甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730020）

利用甘肅省通渭農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981—2010年的氣象和農(nóng)氣觀測資料，運(yùn)用相關(guān)分析、趨勢分析和方差分析等方法，就氣候變化與品種變化對黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥的影響進(jìn)行了初步研究。結(jié)果表明：近30年來該地區(qū)在冬小麥生育期內(nèi)溫度升高（增長率為 0.225℃·10a－1）、降水量減少（減少率為 23.879 mm·10a－1），氣候呈現(xiàn)暖干化趨勢。降水的減少與品種更新均導(dǎo)致冬小麥的生育期明顯縮短。近30年來，甘肅省通渭縣冬小麥產(chǎn)量增加了4 514.97 kg·hm－2，冬小麥生育期內(nèi)溫度的增加和降水量的減少對產(chǎn)量增加沒有明顯促進(jìn)作用。冬小麥品種的改良可提高產(chǎn)量8.8%～132.0%，其變異系數(shù)在4.1%～65.6%之間。方差分析結(jié)果表明，不同品種間的平均產(chǎn)量之間存在顯著的差異（F＝4.056，P＜0.01）。通過分析產(chǎn)量在年際間、氣候要素間和品種間的變化，可以發(fā)現(xiàn)品種的更新是冬小麥產(chǎn)量顯著提高的原因。

冬小麥；氣候變化；品種更新；生育期；溫度；降水量；產(chǎn)量

IPCC第五次評估報告指出：1880—2012年，全球平均地表溫度升高了 0.85℃，1951—2012年，全球平均地表溫度的升溫速率（0.12℃·10a－1）幾乎是1880年以來升溫速率的兩倍。過去的3個10年比之前自1850年以來的任何一個10年都暖［1］。全球平均氣溫升高，正在和繼續(xù)影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源、生態(tài)環(huán)境、物種、人類健康等。隨著全球氣候變化研究的不斷深入，有關(guān)氣候變化對作物生產(chǎn)力影響的研究也開始受到廣泛關(guān)注和重視［2－6］。在氣候變化背景下，為保證三大糧食作物穩(wěn)產(chǎn)、豐產(chǎn)，通常而言，農(nóng)戶以及生產(chǎn)管理者會根據(jù)氣候條件，靈活調(diào)整種植管理模式，其中最普遍采用的技術(shù)就是更換品種和調(diào)整播期［7］。在氣候變化對作物的影響上，國內(nèi)外學(xué)者分別就不同氣象要素對作物生產(chǎn)的影響在不同地區(qū)進(jìn)行了研究，通過生理、生態(tài)及產(chǎn)量等方面對小麥在氣候變化背景下的適應(yīng)性進(jìn)行分析［8－11］。姚玉璧等［12］研究發(fā)現(xiàn)，對春小麥生長發(fā)育全生育期而言，受氣候變暖的影響，乳熟～成熟期每10 a縮短2～3 d，全生育期每10 a縮短4～5 d。肖登攀等［13］模擬結(jié)果表明，過去30年小麥開花期和成熟期提前的主要驅(qū)動因素為氣候變化。在氣候變化背景下，作物品種的更新可以在一定程度上抵消全球氣候變化帶來的影響［14－15］，提高作物的產(chǎn)量［16－18］。不同的作物品種對氣候變化的響應(yīng)存在差異，同一作物品種的生長發(fā)育過程主要受氣候條件的影響，最終導(dǎo)致年際間產(chǎn)量的差異［19］。從20世紀(jì)50年代起到現(xiàn)在，我國各大主要小麥種植區(qū)已經(jīng)先后經(jīng)歷了6～8次大規(guī)模的小麥品種更替，每次品種更替都能夠?yàn)樾←湹漠a(chǎn)量創(chuàng)造新的高度［20－22］。例如，孫倩等［23］研究表明：氣候變化背景下河南省冬小麥品種更新特征是營養(yǎng)生長期縮短，生殖生長期延長，千粒重增加，從而提高了產(chǎn)量。呂碩等［24］利用通過參數(shù)調(diào)試與驗(yàn)證后的 APSIMMaize模型，對吉林梨樹縣春玉米的產(chǎn)量潛力進(jìn)行模擬分析，解析了不同年代育成的玉米品種的產(chǎn)量潛力，明確了氣候變化對春玉米產(chǎn)量潛力的影響以及品種對增產(chǎn)的貢獻(xiàn)。但是目前涉及氣候變化與品種變化對冬小麥這種作物產(chǎn)生的影響研究尚不多見。為此，本文以通渭為例，研究氣候變化與品種更新對冬小麥生育期與產(chǎn)量的影響，以期為該地區(qū)適應(yīng)未來氣候變化與實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

選取黃土高原半濕潤半干旱地區(qū)通渭農(nóng)業(yè)氣象觀測站1981—2010年的氣象資料（包括溫度、降水量、日照時數(shù)數(shù)據(jù)）和冬小麥各個發(fā)育期的觀測資料以及觀測地段的單產(chǎn)資料。所有資料都是依照中國氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》要求和注意事項(xiàng)進(jìn)行觀測而得到，并保持了觀測方法的一致性。通渭縣屬隴中黃土高原丘陵壑區(qū)，多為黃土梁、峁和河谷階地。地勢西北高，東南低，為溫帶半濕潤半干旱性季風(fēng)氣候類型。氣象觀測站位于 105°14′E，35°13′N，海拔1 768.2m，年平均氣溫6.6℃，冬季最低氣溫一般在－20℃左右，夏季最高氣溫一般在30℃左右，年溫差較大。無霜期147 d，降水量334.9 mm左右。作物冬小麥的觀測地段位于氣象觀測點(diǎn)附近約1 000m處，并自1981年以來一直保持不變。

1.2 研究方法

利用相關(guān)分析和趨勢分析研究冬小麥的生育期天數(shù)和產(chǎn)量與溫度、降水量、≥0℃積溫、日照時數(shù)的相關(guān)關(guān)系及其年際變化趨勢。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用方差分析，揭示品種變化對冬小麥生育期天數(shù)與產(chǎn)量的影響。在軟件Excel與SPSS 23.0下對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。研究站點(diǎn)冬小麥從1981到2010年共有10個品種，品種變化較快，具體信息見表1。由于方差分析用于兩個及兩個以上樣本原因，剔除掉長治2017、洮 157和咸農(nóng) 4號品種［25］。

表1 1981—2010年間通渭站冬小麥品種Table 1 The cultivars ofwinterwheat during 1981—2010 in Tongwei station

冬小麥品種的貢獻(xiàn)率計算方法：

本文定義不同年代育成的冬小麥品種與隴東3號相比的產(chǎn)量增加百分率為品種的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率，用以量化品種對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，計算公式如下所示：

其中，ΔVYpi表示冬小麥品種貢獻(xiàn)率（%）；Ypi表示冬小麥品種的產(chǎn)量（kg·hm－2），本文選擇東方紅3號、中糧5號、隴東3號、青山821、大西亞、隴鑒19、臨云125這5個品種比較不同品種增產(chǎn)百分率特性，因而分別取值以上5個品種。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生育期內(nèi)氣候要素、產(chǎn)量的年際變化特征（1981—2010年）

圖1為1981—2010年甘肅省通渭縣冬小麥生育期內(nèi)溫度與總降水量的變化趨勢。由圖1可以看出溫度呈顯著上升趨勢（P＜0.05），總降水量呈極顯著下降趨勢（P＜0.01），≥0℃積溫呈下降趨勢（P＞0.05），日照時數(shù)呈上升趨勢（P＞0.05）。溫度年增長率為 0.0225℃·a－1，總降水量年減少率為2.3879mm·a－1。分析結(jié)果說明黃土高原半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥生長季的氣候變化呈現(xiàn)暖干化趨勢。

圖2為實(shí)測的冬小麥產(chǎn)量隨時間的變化趨勢。由圖2可以看出從1981—2010年，產(chǎn)量呈上升趨勢，但趨勢不顯著。1981—2010年，冬小麥產(chǎn)量增加了 4 514.97 kg·hm－1。

圖1 冬小麥生育期內(nèi)氣候要素的年際變化趨勢（1981—2010年）Fig.1 Trends of climatic elements during the whole winterwheat growth period over times（1981—2010）注：直線表示年際間的趨勢線；**表示達(dá)到0.01顯著水平，*表示達(dá)到0.05顯著水平，下同。Note：Straight lines show the linear trends against year；**significant at P＜0.01，*significant at P＜0.05，the same below.

圖2 冬小麥實(shí)際產(chǎn)量隨年份的變化（1981—2010年）Fig.2 Yearly changes ofwinterwheat yields（1981—2010）

2.2 冬小麥主要生育期的基本特征及變化趨勢

冬小麥生育期是指完成從播種到成熟收獲的生命周期過程所經(jīng)歷的時間。自1981年以來，冬小麥全生育期天數(shù)呈逐年減少趨勢（圖3）。1981—2010年平均以 0.7～0.8 d·a－1（R＝－0.717，P＜0.01）速度線性減少。持續(xù)減少的轉(zhuǎn)折年份出現(xiàn)在1986年，1986—2010年平均以 1.0～1.1 d·a－1（R＝－0.78，P＜0.01）的速度線性減少，20世紀(jì) 80年代—21世紀(jì)初全生育期天數(shù)減少了40 d。

冬小麥播種期逐年推后，播種期變化曲線線性擬合傾向率為3.399 d·10a－1（R＝0.419，P＜0.05），即播種期每10 a推后3～4 d。冬小麥返青期變化曲線線性擬合傾向率為 －1.264 d·10a－1（R＝－0.226，P＞0.1），即返青期每 10 a提前 1～2 d。冬小麥開花期也逐年提前，開花期變化曲線線性擬合傾向率為 －4.752 d·10a－1（R＝－0.464，P＜0.01），即開花期每10 a提前4～5 d。成熟期變化曲線線性擬合傾向率為 －4.916 d·10a－1（R＝0.656，P＜0.01），即成熟期每10 a提前8～9 d。冬小麥全生育期天數(shù)的縮短，主要是由播種期的推后，開花期、成熟期的提前引起的。

2.3 氣候要素變化與品種變化對冬小麥生育期的影響

圖4為黃土高原半干旱地區(qū)冬小麥生育期天數(shù)與生長期間溫度與總降水量的變化趨勢。由溫度變化曲線（圖4a）可以看出，隨著生育期內(nèi)溫度的增加，冬小麥生育期變短，生育期天數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，生育期天數(shù)隨溫度變化的線性關(guān)系為：y＝－5.9115x＋315.05，式中 x為溫度，y為生育期天數(shù)。溫度每增加1℃，生育期天數(shù)減少約5～6 d。由總降水量與生育期天數(shù)的變化（圖4b）可知，隨著生育期間總降水量的增加，冬小麥生育期變長，二者呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。生育期天數(shù)隨降水量變化的線性關(guān)系為：y＝0.6623x＋277.57，式中 x為降水量，y為生育期天數(shù)。降水量每減少10 mm，生育期天數(shù)也減少6～7 d。

圖3 冬小麥生育期隨年份的變化（1981—2010年）Fig.3 Yearly changes ofwinterwheat growth duration（1981—2010）

圖5 為不同小麥品種間生育期天數(shù)的變化。由圖5可以看出，隨著品種的更新，冬小麥生育期呈現(xiàn)明顯的縮短趨勢，約縮短22 d。對冬小麥品種間生育期天數(shù)變異的方差分析結(jié)果表明（圖5），不同品種間的生育期天數(shù)之間存在顯著的差異（F＝2.852，P＜0.01）。事后分析的多重比較結(jié)果顯示：東方紅3號和臨云125生育期天數(shù)差異顯著（P＜0.05），中糧5號和隴鑒 19、臨云 125生育期天數(shù)差異顯著（P＜0.05，P＜0.01），隴東 3號和臨云 125生育期天數(shù)差異顯著（P＜0.05）。相比于20世紀(jì)80、90年代，本世紀(jì)初的品種生育期顯著縮短。這說明半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)生育期內(nèi)降水的減少和品種更新都會使冬小麥生育期明顯縮短。

2.4 氣候要素變化與品種變化對冬小麥產(chǎn)量的影響

圖6為半干旱地區(qū)冬小麥產(chǎn)量在生長期間隨溫度、總降水量的變化趨勢。由溫度變化曲線（圖6a）可以看出，隨著生育期內(nèi)溫度的增加，冬小麥產(chǎn)量減少，二者呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)量隨溫度變化的線性關(guān)系為：y＝－80.432x＋3317.3，式中 x為溫度，y為產(chǎn)量。由總降水量與產(chǎn)量的變化（圖6b）可知，隨著生育期間降水量的增加，冬小麥產(chǎn)量減少，二者呈不顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。產(chǎn)量隨降水量變化的線性關(guān)系為：y＝－19.989x＋3256.3，式中 x為降水量，y為產(chǎn)量。這說明生育期內(nèi)溫度的增加和降水的減少對冬小麥產(chǎn)量增加無明顯促進(jìn)作用。

圖4 冬小麥生育期內(nèi)積溫（a）與降水量（b）隨生育期天數(shù)的變化趨勢（1981—2010年）Fig.4 Trends of accumulated temperature（a）and precipitation（b）change during the winterwheat growing season（1981—2010）

圖5 不同品種間冬小麥生育期天數(shù)的差異Fig.5 Differences of growth period days among different winter wheat cultivars注：小麥品種按年代順序從左到右排列，小寫字母代表品種間的顯著差異，下圖7同。Note：The cultivars are listed in a chronological order from left to right.The different letters above the bars indicate significant difference at P＜0.05，the same below figure 7.

由公式（1）計算得到1981—2010年的平均品種貢獻(xiàn)率見表2，可知不同品種對增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率差異較大。在不考慮栽培管理措施的前提下，僅通過冬小麥品種的改良可提高產(chǎn)量8.8%～132.0%，其中隴鑒19的品種貢獻(xiàn)率最大，為132.0%；臨云125的品種貢獻(xiàn)率次之，為80.4%；大西亞的品種貢獻(xiàn)率最小，為8.8%，可見20世紀(jì)初的品種對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率較大。

圖6 冬小麥生育期內(nèi)溫度（a）與降水量（b）隨實(shí)際產(chǎn)量的變化趨勢（1981—2010年）Fig.6 Trends of temperature（a）and precipitation（b）with yields during the winterwheat growing season（1981—2010）

表2可以看出，近30 a不同品種的產(chǎn)量變異系數(shù)在4.1%～65.6%之間，以變異系數(shù)表示的不同冬小麥品種的穩(wěn)產(chǎn)性也有一定的差異，總體表現(xiàn)為隨著品種育成年代的后移，其變異系數(shù)有先增大后減小的趨勢，尤其是青山821品種產(chǎn)量的變異系數(shù)顯著增大，穩(wěn)產(chǎn)性降低。綜合分析不同品種冬小麥的產(chǎn)量及其變異系數(shù)，可見，在不考慮其它適應(yīng)措施的前提下，品種的改良對穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)有一定的貢獻(xiàn)。

對小麥品種間產(chǎn)量變異的方差分析結(jié)果表明（圖7），不同品種間的平均產(chǎn)量之間存在顯著的差異（F＝4.056，P＜0.01）。多重比較結(jié)果顯示：東方紅3號和大西亞產(chǎn)量差異顯著（P＜0.05），中糧5號和隴鑒19產(chǎn)量差異顯著（P＜0.05），隴東3號和臨云125產(chǎn)量差異顯著（P＜0.05），隴東3號和隴鑒19產(chǎn)量差異顯著（P＜0.01），大西亞和隴鑒19產(chǎn)量差異顯著（P＜0.01），大西亞和臨云125產(chǎn)量差異顯著（P＜0.01）。因而，可以認(rèn)為，20世紀(jì)初的品種比之前的品種表現(xiàn)出明顯增產(chǎn)優(yōu)勢。

圖7 不同品種間冬小麥產(chǎn)量的差異Fig.7 The yield differences among differentwinter wheat cultivars

表2 冬小麥不同品種間產(chǎn)量貢獻(xiàn)率及其變異系數(shù)／%Table 2 Winterwheat yield contribution rate and coefficientof variation among different cultivars

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

1981—2010年甘肅省通渭縣冬小麥生育期內(nèi)溫度呈上升趨勢，且上升趨勢顯著（P＜0.05），總降水量呈下降趨勢，且下降趨勢極顯著（P＜0.01），≥0℃積溫呈下降趨勢（P＞0.05），日照時數(shù)呈上升趨勢（P＞0.05）。溫度年增長率為 0.225℃·10a－1，總降水量年減少率為23.879 mm·10a－1。分析結(jié)果說明黃土高原半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥生長季的氣候變化呈現(xiàn)暖干化趨勢。

在過去30 a間，黃土高原半干旱地區(qū)冬小麥生育期天數(shù)有所縮短，這與我國黃土高原半濕潤區(qū)［26－27］及華北地區(qū)［28］冬小麥生育期對氣溫升高的響應(yīng)方式一致。通過分析生育期天數(shù)在年際間、氣候要素間及品種間的變化，可以發(fā)現(xiàn)冬小麥全生育期天數(shù)減少了40 d，冬小麥播種期每10 a推后3～4 d，返青期每10 a提前1～2 d，開花期每10 a提前4～5 d，成熟期每10 a提前8～9 d。冬小麥全生育期天數(shù)的縮短，一方面主要是由播種期的推后，開花期、成熟期的提前引起的，另一方面是由于降水量減少與品種更新使冬小麥生長期縮短，營養(yǎng)生長階段加快，全生育期縮短。因此，選擇中晚熟品種，延長作物生長季長度是黃土高原半干旱地區(qū)冬小麥適應(yīng)氣候變化的重要措施。

在考慮冬小麥在生長季內(nèi)的光、熱、水資源隨生長季延長可較充分利用的條件下，多數(shù)研究表明黃土高原半濕潤區(qū)［26］、中原腹地［29］、安徽?。?0］氣候變暖，冬小麥生長季內(nèi)熱量資源增加，有利于冬小麥產(chǎn)量的提高。這與本研究的結(jié)論不一致，主要是由于近三十年冬小麥品種的更新造成的。冬小麥生長季內(nèi)的熱量資源的顯著增加，水資源的顯著降低均未引起產(chǎn)量的顯著變化。因此，在不考慮其它適應(yīng)措施的前提下，選擇品種貢獻(xiàn)率高、變異系數(shù)低的小麥品種，是黃土高原半干旱地區(qū)冬小麥實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)的重要措施。因而，選育優(yōu)良品種，改善栽培管理措施，對未來西北地區(qū)糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)有重要意義。

3.2 結(jié) 論

1981—2010年甘肅省通渭縣冬小麥生育期內(nèi)溫度呈上升趨勢，且上升趨勢顯著（P＜0.05），總降水量呈下降趨勢，且下降趨勢極顯著（P＜0.01），≥0℃積溫呈下降趨勢（P＞0.05），日照時數(shù)呈上升趨勢（P＞0.05）。

1981—2010年甘肅省通渭縣冬小麥全生育期天數(shù)減少了40 d，冬小麥播種期每10 a推后3～4 d，返青期每10 a提前1～2 d，開花期每10 a提前4～5 d，成熟期每10 a提前8～9 d。生育期內(nèi)降水的減少和品種更新都會使冬小麥生育期明顯縮短。

甘肅省通渭縣冬小麥生育期內(nèi)溫度的增加和降水的減少對冬小麥產(chǎn)量增加無明顯促進(jìn)作用，不同品種對增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率差異較大，不同品種間的平均產(chǎn)量之間存在顯著的差異，且20世紀(jì)初的品種比之前的品種表現(xiàn)出明顯增產(chǎn)優(yōu)勢。

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Effects of climate change and cultivars change on w inter wheat in sem i-arid region of loess plateau in northeast China

SHANG Yan1，ZHAO Hong2，CHAIShou-xi1
（1.College of Life Sciencesɑnd Technology，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou，Gɑnsu 730070，Chinɑ；2.Key Lɑborɑtory of Arid Climɑtic Chɑngeɑnd Reducing Disɑster of Gɑnsu Province，Key Open Lɑborɑtory of Arid Chɑnge ɑnd Disɑster Reduction of CMA，Institute of Arid Meteorology，ChinɑMeteorologicɑl Administrɑtion，Lɑnzhou，Gɑnsu 730020，Chinɑ）

This research，based on the observational data of climate and agrometeorology from 1981 to 2010 of Tongweimeteorological observation station in Gansu Province，conducted primary research toward the influence of climate change and cultivars change on the winterwheat in semi-arid region of Loess Plateau through correlation analysis，trend analysis，variance analysis and othermethods.The results showed that the district haswarming and drying trend that the temperature increased（increase rate：0.225℃·10a－1）and the precipitation decreased（decrease rate：23.879 mm·10a－1）in the past30 years.The reduction of precipitation and cultivars shift led to the shortening ofwinterwheatgrowth period.In the past30 years，thewinter wheat yield of Tongwei County in Gansu has increased by 4 514.97 kg·hm－2，temperature increase and precipitation decrease during its duration period have no obvious effecton the increase ofwinter wheat yield（facilitation influence）.The cultivars shift toward winterwheat can increase the yield ata range of8.8%～132.0%and the variable coefficientwaswithin 4.1%～65.6%.The variance analysis showed that the average yield of different cultivars have significantdifference（F＝4.056，P＜0.01）.It can be found that the cultivars shift led to a significant increase ofwinterwheat yield through analyzing the yield changes of different years，climate and cultivars.

winter wheat；climate change；cultivars change；growth period；temperature；precipitation；yield

S314

A

1000-7601（2017）05-0066-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.10

2016-06-16

2016-11-09

國家自然科學(xué)基金委（31560356）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（CARS－3－2－49）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201303104）

尚 艷（1991—），女，山東平度人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹参锷砩鷳B(tài)。E－mail：415967629＠qq.com。

柴守璽（1962—），男，甘肅會寧人，教授，博士，主要從事作物栽培與抗旱生理生態(tài)研究。E-mail：sxchai＠126.com。