旱地覆膜蘋果樹根系年生長周期的時空動態(tài)研究

孫文泰 馬明 董鐵 牛軍強 尹曉寧 劉興祿

摘要：為探明隴東旱塬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)蘋果根系年周期生長動態(tài)規(guī)律及長期覆膜對其根系形態(tài)、構(gòu)型性狀的影響，以18 年生紅富士長富2號蘋果樹為試材，于根系3次發(fā)根高峰期采用土壤剖面法系統(tǒng)調(diào)查清耕（未覆膜，CK）、覆膜2 a、覆膜4 a、覆膜6 a的根系空間分布，對根系形態(tài)、構(gòu)型性狀進行測定，并借助根系經(jīng)濟譜理論量化細根生長策略，最終評價蘋果細根生長效應(yīng)。結(jié)果表明，根系數(shù)量、形態(tài)性狀生長主要集中于果實采后至落葉的發(fā)根高峰，細根生物量占73.55%～84.85%。受樹體養(yǎng)分周轉(zhuǎn)與生態(tài)環(huán)境差異影響，春季萌芽至新梢生長前的發(fā)根高峰蘋果細根采取獲取型的資源獲取策略;新梢停長后、果實采后至落葉的發(fā)根高峰采取資源保存型獲取策略。短期覆膜（2 a）促進蘋果細根生長，隨覆膜年限延長，逐漸發(fā)生生態(tài)適應(yīng)性改變。長期覆膜（6 a）在年生長周期后期根系的形態(tài)、構(gòu)型性狀均受抑制，且優(yōu)先抑制細根構(gòu)型性狀表達。

關(guān)鍵詞：蘋果樹;紅富士;根系;年生長周期;旱地;覆膜;細根;根系經(jīng)濟譜理論

中圖分類號：S661.1 ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? 文章編號：1001-1463（2021）10-0055-08

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2021.10.012

Determination of 13 Pesticide Residuesin Lentinus edodes by QuEChERS-GC-MS/MS

REN Jinping

（Pingliang Center for Quality and Safety of Agricultural Products， Pingliang Gansu 744000， China）

Abstract：A rapid method for the determination of 13 pesticide residues in Lentinus edodes was established based on QuEChERS-gas chromatography-mass spectrometry（GC-MS/MS）. After pretreatment， the Lentinus edodes samples were separated by gas chromatography， detected by mass spectrometry in the multi-reaction ion monitoring mode（MRM）， and quantitatively analyzed with the external standard method. The results showed that the 13 pesticides had good linearity in the range from 0.01 μg/mL to 0.8 μg/mL， and the correlation coefficients R2>0.99. The average recovery ranges were mainly between 75.4% and 110.6% at the three spiked concentration levels（0.01、0.10、0.5 0 mg/kg）. The repeatability limit is used to reflect the precision， which all were accepted the requirements of standard GB 23200.113-2018. The method is rapid， efficient and reliable， which is suitable for the detection of pesticide residues in Lentinus edodes samples.

Key words：Lentinus edodes;Pesticide residues;QuEChERS;GC-MS/MS

植物根系通過吸收水分、養(yǎng)分、合成激素對地上部葉片生長、花芽分化、果實發(fā)育等產(chǎn)生深刻影響[1 ]。細根（R≤2 mm）是植物根系中最活躍、敏感的部分，生理活性強，在土體中延伸、穿插、固結(jié)、根土黏結(jié)等改善土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分交換，構(gòu)成地下生態(tài)的重要內(nèi)容[2 ]。細根具有較強的可塑性，可通過改變自身數(shù)量、形態(tài)、構(gòu)型性狀提高對土壤養(yǎng)分的吸收利用能力[3 ]，并受季節(jié)、物候、環(huán)境（土壤與氣候特征）影響，呈現(xiàn)曲線生長動態(tài)。通常在年生長周期中，會出現(xiàn)3次發(fā)根高峰，分別為春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）、新梢停長后（Ⅱ）、果實采后至落葉（Ⅲ）。

甘肅隴東蘋果產(chǎn)區(qū)是我國蘋果優(yōu)勢主產(chǎn)區(qū)，屬于典型的西北黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[4 ]。年降水量450～550 mm，具有春夏連旱、集中降水與蘋果樹大量需水時空錯位的特點。土壤為黃綿土，屬粉砂質(zhì)壤土，土壤結(jié)構(gòu)及肥水保供能力差，有機質(zhì)含量低。清耕制管理果園地表水蒸發(fā)快，根際土壤生態(tài)惡化，果樹生產(chǎn)力下降。而蘋果生命周期需消耗大量水分，覆膜是一項成熟的節(jié)水保墑措施[5 ]，被當(dāng)?shù)毓r(nóng)所接受，多采取長期覆膜、不揭膜的管理方式。

良好根際生態(tài)環(huán)境是維護“根—土”復(fù)合體及果樹優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的基本條件。有關(guān)旱地覆膜在土壤水肥保蓄等研究表明，可有效提高表層土壤貯水特性、減少土壤養(yǎng)分流失[6 - 9 ]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，長期地膜覆蓋會增加土壤剖面水分消耗，使土壤透氣性下降，容重增大、土壤緊實等[10 ]。卜玉山等[11 ]的研究表明，地膜雖能暫時增加表土層水分含量，但膜下水分入滲具有延遲性，易出現(xiàn)深層水分耗竭，使團粒結(jié)構(gòu)破壞，土壤肥力下降。司鵬飛[12 ]指出，旱地覆膜在短期內(nèi)（< 4 a）不會引起土壤有機碳衰退?？梢妼Ω采w地膜生態(tài)效益評價有待長期監(jiān)測驗證。

蘋果樹根系生長高峰通常與地上部旺盛生長交替發(fā)生，與樹體同化養(yǎng)分的分配規(guī)律、營養(yǎng)生長與生殖生長的平衡息息相關(guān)，受樹體、土壤管理措施的直接影響。目前針對長期覆膜下蘋果樹根系生長動態(tài)規(guī)律研究尚顯不足。本文以紅富士蘋果樹為研究對象，研究了不同覆膜年限蘋果細根生長時空變化趨勢，以揭示長期覆膜蘋果細根年生長動態(tài)差異，為改進并建立配套蘋果樹水肥管理技術(shù)體系提供科學(xué)依據(jù)。

1 ? 材料與方法

1.1 ?試驗概況

試驗地位于甘肅省平?jīng)鍪徐o寧縣國家蘋果產(chǎn)業(yè)體系平?jīng)鼍C合試驗站，地理位置35°24′ N、105° 43′ E，面積3.33 hm2。當(dāng)?shù)睾０? 561 m，年均降水量450～550 mm，主要集中于7 — 9 月，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53。試驗地土壤為黃綿土，土層深厚，有機質(zhì)含量較低，肥水保蓄作用差，團聚作用微弱，易受侵蝕。試驗地土壤含有機質(zhì)14.69 g/kg、全氮1.27 g/kg、全磷1.12 g/kg、全鉀16.86 g/kg、堿解氮96.26 mg/kg、速效磷47.30 mg/kg、速效鉀377.04 mg/kg，pH 8.35。

指示果樹為同果園18年生長富2號，砧木為山定子。株行距4 m×5 m。設(shè)置4個處理，分別為清耕（未覆膜，CK）、覆膜2 a（2Y）、覆膜4 a（4Y）、覆膜6 a（6Y）。在距離主干0～1.5 m范圍內(nèi)覆蓋黑色地膜（厚0.002 mm、幅寬1.5 m），行間免耕，留約1 m左右操作行，冬季不撤膜，有破損及時更換新膜。各處理均選取樹冠大小相似、生長一致的健壯樹體，標(biāo)準(zhǔn)為樹冠直徑4.8～5.5 m。樹高3.5～4.0 m、主干高度0.8～1.0 m。以單株為小區(qū)，重復(fù)5次，處理間均設(shè)置保護行（清耕）。其他管理一致。

1.2 ? 測定項目與方法

分別于2019年萌芽至新梢旺長前（Ⅰ）、新梢停長后（Ⅱ）、果實采后至落葉（Ⅲ）分別采樣。選擇樹高、冠徑、樹體結(jié)構(gòu)一致的樣樹，在樹體同一方向采樣，每次采樣5次重復(fù)1株樹。采用土壤剖面法系統(tǒng)調(diào)查根系分布。于樹干中心位置沿垂直行向方向挖長1.5 m、寬30 cm、深100 cm的觀測溝，依次順行向調(diào)查距離主干30、60、90、120、150 cm 處的剖面根系，垂直土層以20 cm為1層進行統(tǒng)計。將每個土壤區(qū)塊（30 cm×30 cm×20 cm）的根系全部取出，裝入標(biāo)記好的密封袋，用保鮮盒帶回實驗室。應(yīng)用EPSON Expression根系掃描系統(tǒng)與WINRHIZO根系分析軟件采集根系形態(tài)數(shù)據(jù)。掃描分析前將根系清洗干凈，放入裝有蒸餾水的無色透明塑料水槽內(nèi)，用鑷子調(diào)整根系位置，避免根系間相互交叉、重疊，出現(xiàn)誤差。計算根系直徑、數(shù)量、表面積、體積、比根長、分支結(jié)構(gòu)等;細根（R≤2 mm）在105 ℃下進行殺青5 min，75 ℃恒溫下烘干36 h至恒重，測定根系生物量。

為描述根系分布，采用Gale等[13 ]提出的基于漸進方程式的根系垂直分布模型：

Y=1-β d（1）

式中，Y為從地表到土層深度d的根系根長累計分?jǐn)?shù)（分?jǐn)?shù)值在0～1之間）;d為土層深度（cm）;β為根系根長削弱系數(shù)。β高說明根系在深層土壤中分布比例大;β低則說明根系集中分布于接近地表的土層中。還可以通過此方程計算D30、D50，表示根長累積30%、50%的深度。

根系生長效應(yīng)（MGR）：

MGR（%）=100×（BA-BNA）/BNA（2）

式中，BA為覆蓋處理后根系生物量，BNA為無覆蓋處理生物量;MGR>0，表示促進生長;MGR < 0，表示抑制生長;MGR=0，表示無影響。

1.3 ? 數(shù)據(jù)處理

采用WPS軟件計算根系分支數(shù)、削弱系數(shù)等，利用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析和LSD檢驗在0.05水平進行不同覆膜年限發(fā)根高峰、垂直土層根系各性狀差異顯著性分析。對細根與覆膜年限、垂直土層深度進行Pearson相關(guān)性分析。圖表數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 不同覆膜年限蘋果細根年生長周期動態(tài)變化

直徑是重要的細根形態(tài)參數(shù)，決定土壤資源獲取策略與能力。清耕（未覆膜，CK）下細根的平均直徑在土壤表層（0～20 cm）最小，水平方向距干0～120 cm范圍內(nèi)垂直40～80 cm土層最大。2Y處理降低了0～20 cm土層細根直徑，僅為CK的90.1%、90.0%;6Y處理下細根直徑顯著增大（P < 0.05），平均直徑最粗，為1.77 mm，是CK的256.52%（圖1）。

細根對土壤環(huán)境變化高度敏感，它不斷調(diào)節(jié)數(shù)量、形態(tài)、構(gòu)型特征影響功能表達，以適應(yīng)土壤環(huán)境變化（表1）。各處理的根系生物量受春季地溫回升慢、地下部養(yǎng)分再分配至地上、秋季貯藏營養(yǎng)回流加速根系營養(yǎng)積累的影響，除清耕（CK）外變化趨勢為果實采后至落葉（Ⅲ） > 新梢停長后（Ⅱ） > 春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）。由于春季根系生物量較低、直徑小，秋季根際環(huán)境適宜、養(yǎng)分較充足，可見春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）通過降低根系直徑、延長根長、擴大根系表面積、體積的方式提高根系對土壤水肥的吸收利用，而新梢停長后（Ⅱ）、果實采后至落葉（Ⅲ）根系只需增加根系直徑、促進分支，即可滿足果樹生產(chǎn)。2Y處理有利于細根生長，降低細根直徑，促進細根延長及分支，擴大其在土壤中的吸收面積，根生物量、根長、根表面積、根體積顯著高于其他處理（P < 0.05）;而6Y處理則抑制細根生長，尤其在果實采后至落葉（Ⅲ）發(fā)根高峰時作用顯著（P < 0.05）。

通過對根系垂直分布模型的根系削弱系數(shù)β及D30、D50的分析，可從量化角度揭示細根垂直分布對不同覆膜年限的響應(yīng)差異（表2）。2Y處理可在果實采后至落葉（Ⅲ）發(fā)根高峰加大根系集中分布的深度，隨覆膜年限延長，β下降，根系集中分布層逐漸上升，6Y最為顯著（P < 0.05）。2Y處理、4Y處理、6Y處理30%的根系分別分布于17.57～34.14 cm、11.48～16.49 cm、10.53～16.26 cm，50%根系分別分布于34.14～48.81 cm、22.30～32.04 cm、20.47～31.59 cm。

2.2 ? 不同覆膜年限蘋果細根生長與垂直土層、覆膜年限的相關(guān)性

根系表面直接與土壤相接觸，因此根系形態(tài)性狀（根長、根表面積）可直觀反映根系與根際環(huán)境的關(guān)系，影響根系吸收養(yǎng)分、水分能力。由表3可知，在春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）發(fā)根高峰，由于覆膜的土壤保溫作用， 促使細根生長，形態(tài)性狀均在不同垂直土層均呈極顯著負相關(guān)。2Y處理的細根形態(tài)性狀（根長、根表面積）在果實采后至落葉（Ⅲ）發(fā)根高峰與在不同垂直土層均呈顯著正相關(guān)（R分別為0.545*、0.565*），促進了根系長度、表面積在垂直土層的均勻分布，而4Y處理、6Y處理在春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）、果實采后至落葉（Ⅲ）發(fā)根高峰在不同垂直土層均表現(xiàn)為極顯著負相關(guān)關(guān)系，表明隨著土層加深，細根根長、根表面積降低。

分支數(shù)反映構(gòu)建根系分支成本，屬于構(gòu)型特征，影響根系營養(yǎng)吸收策略與生態(tài)適應(yīng)策略。在春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）4Y處理、6Y處理的分支數(shù)與垂直土層呈極顯著負相關(guān)，表明長期覆膜促使土壤表層細根分形、側(cè)根生長，使根系著重采取增加分支密度的方式資源吸收，在深層土壤中根型簡化。在果實采后至落葉（Ⅲ）期，4Y處理、6Y處理的根系分支數(shù)、根長、根表面積與垂直土層呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)均小于CK，表明長期覆膜在年生長后期抑制整個土壤剖面細根數(shù)量性狀的同時不利于根系分支特性的表達。

由表4可知，春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）發(fā)根高峰覆膜的土壤保溫作用可促使細根生長，根長、根表面積性狀與土壤表層（0～20 cm）與不同覆膜年限呈顯著正相關(guān)。而在春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）、果實采后至落葉（Ⅲ）發(fā)根高峰亞表層（20～40 cm）與不同覆膜年限呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)大于40 cm以下土層，表明覆膜對土壤亞表層細根延伸生長抑制作用最顯著。分支數(shù)在春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）、果實采后至落葉（Ⅲ）發(fā)根高峰亞表層土壤中均與覆膜年限呈極顯著負相關(guān)（R分別為-0.737**、-0.949**），相關(guān)性高于其他土層，表明覆膜極顯著影響土壤亞表層細根的分支特性，并在年生長后期抑制作用更為顯著。由此可知，覆膜后蘋果細根逐漸縮小延伸范圍，簡化分形結(jié)構(gòu)、減少養(yǎng)分消耗，采取就地利用土壤營養(yǎng)水分的保存策略。

2.3 ? 不同覆膜年限對細根生長效應(yīng)的影響

各覆膜處理對細根形態(tài)指標(biāo)生長效應(yīng)不同（表5）。在春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）2Y處理、4Y處理的細根各形態(tài)指標(biāo)生長效應(yīng)為正，促進細根生長。但6Y處理對細根根長、根表面積、根生物量生長效應(yīng)為負，抑制細根伸長;且4Y處理、6Y處理的根系構(gòu)型性狀（分支數(shù)）為輕微促進狀態(tài);隨著年生長周期的進行，覆膜抑制細根生長趨勢加強。在新梢停長后（Ⅱ）4Y處理的細根根長、根表面積受抑制;6Y處理的根系形態(tài)性狀在繼續(xù)被抑制同時，構(gòu)型性狀（分支數(shù)）開始受到抑制。直至果實采后至落葉（Ⅲ）中2Y處理在整個年周期中首次出現(xiàn)對分支、根量的抑制作用，降低了細根分化作用;4Y處理、6Y處理對細根所有指標(biāo)均表現(xiàn)抑制，其中對分支數(shù)抑制最顯著?？梢钥闯?，4Y處理主要抑制細根分支，降低根系密度，對根系延伸性能抑制作用低于分支;6Y處理主要抑制細根分支特性、細根數(shù)量及根長，既簡化細根分形結(jié)構(gòu)，又縮短根長，縮小了細根生態(tài)位。由此可見，在根系生長年周期中，長期覆膜對細根生長效應(yīng)的抑制作用由根系形態(tài)特性向構(gòu)型特性轉(zhuǎn)變，而短期覆膜細根生長效應(yīng)與之相反。

3 ?小結(jié)與討論

植物細根生長具有明顯季節(jié)性。在干旱地區(qū)，植物細根生長高峰通常出現(xiàn)在雨季，旱季細根現(xiàn)存量較低[14 ]。隴東旱塬區(qū)春夏連旱，降水集中在7 — 9月。春季地溫回升慢，大量營養(yǎng)轉(zhuǎn)移至地上部，地下部養(yǎng)分虧缺;秋季降水有效緩解干旱，土壤資源有效性提高，此時貯藏營養(yǎng)回流地下，促進根系營養(yǎng)積累，可有效地補償根系構(gòu)建。因此，覆膜后蘋果樹細根的生物量變化趨勢表現(xiàn)為果實采后至落葉（Ⅲ）>新梢停長后（Ⅱ）>春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ），可見細根生長動態(tài)與季節(jié)生態(tài)差異、樹體物候期需求特點有關(guān)[15 ]。結(jié)合根系經(jīng)濟譜（RES）理論分析表明，蘋果根系生長適溫為7～20 ℃[16 ]，春季萌芽至新梢生長前（Ⅰ）地溫較低，樹體對有限資源分配存在互相牽制的矛盾。新根萌發(fā)受限，為滿足樹體生長需求，采取降低根系直徑、延長根長、增加根表面積的方式擴大土壤資源利用范圍，降低根系相互重疊與資源竟?fàn)?，即為“獲取型的資源獲取策略”，這與陳望遠等[17 ]的研究相同。在新梢停長后（Ⅱ），高溫使根際環(huán)境不利于根系生長，但此時正處于樹體旺盛生長、果實膨大期，只有少部分碳水化合物分配至地下用于細根構(gòu)建。相比促進根系延伸，拓展資源吸收利用空間，增加細根分支強度對土壤養(yǎng)分吸收利用更加有效。因此采取促進根系分支，保證營養(yǎng)供給的生態(tài)適應(yīng)策略。在果實采后至落葉（Ⅲ）期，大量養(yǎng)分回流至地下，根際生態(tài)環(huán)境得到降水改善，增加細根直徑延長根系功能時間，提高細根生物量投入，并減少根系分形消耗，采取“保守型的資源獲取策略”，利于養(yǎng)分貯藏，為翌年生長做準(zhǔn)備，與王亞楠[18 ]研究結(jié)果一致。張少文[19 ]的研究認(rèn)為，蘋果樹年生長后期發(fā)根高峰細根生長量最小，這可能是由于在果實成熟期進行的調(diào)查，而此時蘋果葉片仍然在進行旺盛的光合作用，養(yǎng)分還未完全回流，因此調(diào)查數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差?？梢娂毟苣昕伤苄哉{(diào)節(jié)動態(tài)體現(xiàn)其承擔(dān)功能的變化。

細根的形態(tài)及空間分布特征，決定果樹對立地資源的利用能力，可通過根長與分支的權(quán)衡（根經(jīng)濟譜）反映資源構(gòu)建與吸收策略，隨覆膜年限延長逐漸發(fā)生細根生態(tài)適應(yīng)策略改變。從根系碳投入與收益權(quán)衡角度分析，復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu)增加根系內(nèi)部資源競爭態(tài)勢。因此覆膜對細根生長的抑制作用從構(gòu)型特性開始，逐漸向數(shù)量特性方向進行，減少細根根長、根量等，縮小細根在土壤中吸收水肥的生態(tài)位。也正是由于在距離主干0～1.5 m范圍內(nèi)覆蓋黑色地膜（規(guī)格厚0.002 mm、幅寬1.5 m）6 a處理在年生長后期細根數(shù)量、形態(tài)、構(gòu)型性狀均受到抑制，因此呈現(xiàn)年生長初期的“補償性”生長—“表層化重分形、深層簡化結(jié)構(gòu)”的生長現(xiàn)象。且受生長策略影響，隨覆膜年限延長，在距離主干0～1.5 m范圍內(nèi)覆蓋黑色地膜（規(guī)格厚0.002 mm、幅寬1.5 m）4、6 a處理減小了根系集中分布深度，特別是覆蓋黑色地膜6 a的處理，50%的細根分布于20.47～31.59 cm的土層中，表層土壤細根僅占對照清耕（未覆膜）的20.97%?？梢婇L期覆膜對蘋果細根抑制作用不僅局限于垂直分布趨勢的改變，還顯著降低細根資源投入。

以往關(guān)于覆蓋措施對根系生長影響研究多集中于根系活力改變、集中分布層的調(diào) 查[20 ]，而對亞表層（20～40 cm）根系生長效應(yīng)未見報道。本試驗首次發(fā)現(xiàn)，相對其他土層，亞表層細根的形態(tài)、構(gòu)型性狀指標(biāo)均與覆膜年限呈極顯著相關(guān)（P < 0.01），且相關(guān)性高于其他土層。表明長期覆膜極顯著影響土壤亞表層細根生長發(fā)育，與大家一致認(rèn)為的表層土壤生態(tài)環(huán)境與根系更易受土壤管理措施影響的觀點不同，這有待于進一步研究。

適宜的根際生態(tài)環(huán)境，良好的根類組成與構(gòu)型、較強的生存策略調(diào)整能力是果樹優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。本研究有助于初步了解蘋果根系周年生產(chǎn)時空規(guī)律，結(jié)合對覆膜年限生長效應(yīng)評價，探明不同根系性狀的生長節(jié)律及其對生產(chǎn)措施敏感性差異所在，有助于合理制定隴東旱塬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)蘋果樹節(jié)水保墑管理措施。

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（本文責(zé)編：鄭立龍）

收稿日期：2021 - 05 - 23;修訂日期：2021 - 07 - 20

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0201135）;國家自然科學(xué)基金（31760555）;國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（GARS-27）。

作者簡介：孫文泰（1983 — ），女，山東濰坊人，副研究員，碩士，主要從事果樹栽培研究工作。聯(lián)系電話： ? （0）18993138572。Email：swt830312@126.com。

通信作者：馬 ? ? ? ?明（1965 — ），男，甘肅秦安人，主要從事果樹栽培研究工作。聯(lián)系電話：（0）13893685370。Email：maming65118@163.com。