茍志文，殷文，柴強(qiáng)，樊志龍，胡發(fā)龍，趙財(cái)，于愛(ài)忠，范虹

干旱灌區(qū)小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥的可持續(xù)性分析

茍志文，殷文，柴強(qiáng)，樊志龍，胡發(fā)龍，趙財(cái)，于愛(ài)忠，范虹

省部共建干旱生境作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州 730070

【】針對(duì)干旱灌區(qū)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的資源利用率和產(chǎn)投比低等問(wèn)題，研究小麥間作玉米集成麥后復(fù)種綠肥的光能利用率、灌溉水生產(chǎn)力及經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)，結(jié)合試區(qū)常規(guī)種植模式，評(píng)價(jià)不同種植模式的可持續(xù)性，對(duì)于干旱灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的節(jié)本增收有重要指導(dǎo)意義。2018—2020年，在河西綠洲灌區(qū)設(shè)置田間定位試驗(yàn)，研究了不同種植模式（春小麥間作玉米小麥?zhǔn)蘸髲?fù)種綠肥（W-G//M）、春小麥間作玉米（W//M）、春小麥復(fù)種綠肥（W-G）、單作玉米（M）、單作春小麥（W））對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)葉日積、籽粒產(chǎn)量、光能利用率、灌溉水生產(chǎn)力以及經(jīng)濟(jì)效益的影響，綜合以上相關(guān)指標(biāo)，對(duì)各種植模式的可持續(xù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。隨著試驗(yàn)?zāi)甓鹊难娱L(zhǎng)，春小麥?zhǔn)蘸髲?fù)種綠肥能顯著提高主栽作物全生育期的總?cè)~日積。W-G//M較W//M的葉日積提高了7.7%—7.8%。間作較單作以及麥后復(fù)種綠肥模式均能提高主栽作物籽粒產(chǎn)量，但同時(shí)也提高了生產(chǎn)成本的投入。2018和2019年，W-G//M處理和W//M處理的混合籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異，而2020年，W-G//M處理較W//M處理的籽粒產(chǎn)量提高了8.7%。W-G//M處理較M、W-G和W處理的純收益分別提高16.7%—26.5%、78.5%—132.2%和35.9%—78.8%。2018年，W-G//M較W//M處理的純收益降低了7.2%，但是2019和2020年，二者的純收益無(wú)顯著差異，且產(chǎn)投比也具有相似的趨勢(shì)。復(fù)種綠肥能顯著提高作物光能利用率，W-G//M處理較W//M處理的光能利用率提高了7.2%—14.1%；W-G處理較W處理的光能利用率提高了23.5%—52.1%。W-G處理較W處理的灌溉水生產(chǎn)力顯著降低，降低了48.6%—54.3%（灌溉水利用效率）和30.9%—39.8%（單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益），而W-G//M處理和W//M處理的灌溉水生產(chǎn)力無(wú)顯著差異。綜合3年試驗(yàn)結(jié)果，W-G//M處理較其余4個(gè)處理的可持續(xù)性顯著提高。在干旱綠洲灌區(qū)，間作以及麥后復(fù)種綠肥能提高主栽作物籽粒產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，且灌溉水生產(chǎn)力和光能利用率也隨之提高，進(jìn)而使得該模式的可持續(xù)性提高，因此，春小麥間作玉米結(jié)合小麥?zhǔn)蘸髲?fù)種綠肥技術(shù)可作為提高資源利用以及農(nóng)民收益的可持續(xù)種植模式。

麥后復(fù)種；豆科綠肥；經(jīng)濟(jì)效益；灌溉水生產(chǎn)力；可持續(xù)評(píng)價(jià)

0 引言

【研究意義】農(nóng)業(yè)集約化是大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，但是隨著工業(yè)化的快速推進(jìn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)購(gòu)買性資源的依賴逐漸增大，其在帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)也使得生產(chǎn)與環(huán)境之間的矛盾突出，可持續(xù)發(fā)展在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要[1-2]。多樣化的種植模式是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的主要措施，適宜的種植模式一定程度上能決定農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)[3-4]。因此，在某一農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)中，其主要種植模式的綜合分析和多角度的評(píng)價(jià)，對(duì)于篩選適宜的種植模式，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】間作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的多熟種植模式，在保障糧食安全以及增加農(nóng)民收入方面具有不可替代的作用，是最具發(fā)展前景的種植模式之一[5-6]。與單作模式相比，間作通過(guò)提高作物籽粒產(chǎn)量而增加復(fù)合系統(tǒng)的純收益，有利于農(nóng)民增收[7-8]；也有研究顯示，間作可與免耕和秸稈覆蓋結(jié)合，通過(guò)減少作物生產(chǎn)中地膜、人工和機(jī)械等投入降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提高間作系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)投比[9]。此外，間作還可以通過(guò)優(yōu)化作物組合以及種植系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高作物水分利用效率以及光能利用率[10-11]?？梢钥闯觯g作結(jié)合相應(yīng)的農(nóng)藝措施主要通過(guò)提高種植系統(tǒng)的生產(chǎn)力或者減少成本投入，實(shí)現(xiàn)資源利用率以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。然而，間作模式也面臨著高耗水以及外源性化肥依賴度高的弊端，影響了其單位面積產(chǎn)出以及整體效益的提高，嚴(yán)重制約了該模式的推廣與發(fā)展，尤其在干旱灌區(qū)更為突出[12-13]，因此，亟待研發(fā)進(jìn)一步提高間作資源利用優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)措施。近年來(lái)，種植綠肥作為提高主栽作物籽粒產(chǎn)量、減少化肥投入以及培肥土壤的有效技術(shù)措施而被廣泛采用[14-15]。例如，在禾本科作物組成的輪作體系中引入豆科綠肥，在提高土壤肥力的同時(shí)，還可增加輪作系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益[4, 16]。同時(shí)，綠肥與主栽作物間作時(shí)，不僅可以協(xié)調(diào)綠肥與主栽作物爭(zhēng)奪資源的矛盾，還有利于綠肥為主栽作物提供養(yǎng)分，進(jìn)一步提高主栽作物的籽粒產(chǎn)量[17-18]；另一方面，合理種植綠肥可改善土壤保水能力，使主栽作物獲得較好的土壤水分環(huán)境，有利于提高水分利用效率[18-19]。綜合上述研究可知，合理的種植模式結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)措施是提高農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力以及資源利用率的關(guān)鍵所在?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】小麥間作玉米是干旱灌區(qū)經(jīng)典的高產(chǎn)高效種植模式，對(duì)該區(qū)域作物多樣性的增加以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障[5, 12, 20]。主要原因是間作系統(tǒng)中不同作物在時(shí)間和空間尺度上存在生態(tài)位分離的優(yōu)點(diǎn)，有效促進(jìn)了光、熱、水等資源的利用[6, 11]，因此，小麥間作玉米被認(rèn)為是干旱灌區(qū)提高農(nóng)田生產(chǎn)力的主要模式[7,9]。然而，該模式產(chǎn)量的提高往往源于大量購(gòu)買性資源的投入，而這一局限性在間作組分同為禾本科作物的種植系統(tǒng)中尤為突出[9]；此外，在水資源匱乏的干旱地區(qū)，提高灌溉水生產(chǎn)力是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)考慮的首要問(wèn)題[21]。雖然，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中種植綠肥促進(jìn)主栽作物增產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益和資源利用率的研究已有報(bào)道。但這些研究中，綠肥主要通過(guò)與主栽作物輪作或間作的方式存在，并未融入傳統(tǒng)間作中以進(jìn)一步增強(qiáng)間作優(yōu)勢(shì)。在小麥間作玉米模式中小麥?zhǔn)蘸髲?fù)種綠肥能否進(jìn)一步提高種植系統(tǒng)的資源利用率以及經(jīng)濟(jì)效益尚未證實(shí)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究在河西綠洲灌區(qū)通過(guò)田間試驗(yàn)，將小麥間作玉米模式與麥后復(fù)種綠肥結(jié)合，重點(diǎn)探索了不同生產(chǎn)系統(tǒng)的光能利用率、灌溉水生產(chǎn)力以及經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)。結(jié)合試區(qū)常見(jiàn)的種植模式，以上述相關(guān)指標(biāo)為基礎(chǔ)，綜合評(píng)價(jià)不同種植模式的可持續(xù)性，以期為試區(qū)建立高效可持續(xù)的間作生產(chǎn)模式提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究于2018年3月至2020年11月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威綠洲農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站進(jìn)行（37°30′ N，103°5′ E）。該站位于甘肅河西走廊東端，屬寒溫帶干旱氣候區(qū)。太陽(yáng)輻射總量約6 000 MJ·m-2，日照時(shí)數(shù)2 945 h，年平均氣溫7.2℃，光熱資源特點(diǎn)屬于一季不足，兩季有余，適宜發(fā)展間作種植模式。春小麥、玉米是當(dāng)?shù)刂饕耘嘧魑?，小麥間作玉米是該區(qū)主要的間作模式，近年來(lái)，由于其水肥人工等資源投入較大，制約了其規(guī)?；瘧?yīng)用。試驗(yàn)地土壤為砂壤土，耕層土壤容重1.53 g·cm-3，含有機(jī)質(zhì)12.5 g·kg-1、全氮為0.68 g·kg-1、速效磷 29.2 g·kg-1、速效鉀 152.6 g·kg-1；硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別為12.51 mg·kg-1和1.87 mg·kg-1。2018至2020試驗(yàn)?zāi)甓茸魑锷L(zhǎng)期內(nèi)逐月降雨量及平均氣溫如表1所示。

表1 武威試驗(yàn)站2018—2020年作物生育期內(nèi)逐月氣象資料

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，5個(gè)種植模式組成5個(gè)處理：（1）春小麥-箭筈豌豆//玉米（W-G//M）；（2）春小麥//玉米（W//M）；（3）春小麥-箭筈豌豆（W-G）；（4）單作玉米（M）；（5）單作春小麥（W）。每個(gè)處理重復(fù)3次。

間作玉米（L.）、小麥（L.）帶寬均為110 cm，春小麥種7行，行距15 cm；玉米3行，行距40 cm，株距27 cm，春小麥?zhǔn)斋@后復(fù)種箭筈豌豆播種6行，行距15 cm，小區(qū)面積49 m2。春小麥播種密度為675萬(wàn)粒/hm2，玉米密度為8.25萬(wàn)株/hm2，箭筈豌豆密度為150萬(wàn)株/hm2。

供試春小麥品種為寧春4號(hào)，玉米品種為先玉335，箭筈豌豆品種為蘭箭2號(hào)。施肥按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量施用，玉米施純氮（N）360 kg·hm-2，分別按基肥﹕大喇叭口期﹕灌漿期3﹕5﹕2分次追施；磷肥（P2O5）為180 kg·hm-2，全做基肥施用。小麥?zhǔn)┘兊∟）為180 kg·hm-2，磷肥（P2O5）為90 kg·hm-2，小麥氮肥、磷肥全做基肥施用。小麥間作玉米施肥按照玉米和小麥條帶精細(xì)管理，凈占地面積上施肥量與相應(yīng)單作模式相同；麥后復(fù)種綠肥不施用化肥，玉米追肥采用水肥一體模式，氮肥采用尿素，磷肥采用磷酸二銨。

單作玉米灌溉量為4 050 m3·hm-2，單作小麥灌溉量為2 400 m3·hm-2，春小麥復(fù)種綠肥灌溉量為4 000 m3·hm-2，小麥間作玉米系統(tǒng)灌溉量為4 800 m3·hm-2。間作模式中小麥?zhǔn)蘸髲?fù)種綠肥按玉米灌水制度進(jìn)行灌溉，灌溉方式為滴灌。其余管理同當(dāng)?shù)卮筇锕芾怼?個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓茸魑锊シN、收獲及綠肥翻壓時(shí)間如表2所示。

表2 2018至2020年度作物播種及收獲時(shí)間

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 主栽作物葉日積 自玉米出苗期開(kāi)始，每隔15 d隨機(jī)選取玉米10株（拔節(jié)期以后取3株），小麥20株，測(cè)定作物各綠色葉片的葉長(zhǎng)和最大葉寬，計(jì)算葉面積指數(shù)：

式中，LAI為作物葉面積指數(shù)，α為葉面積校正系數(shù)，小麥和玉米分別取0.83和0.75，P為小麥和玉米各自對(duì)應(yīng)的種植密度，l和w分別為葉長(zhǎng)和最大葉寬，i為作物葉片個(gè)數(shù)。

基于上述計(jì)算得出的作物葉面積指數(shù)求葉日積[22]：

式中，LAD為主栽作物全生育期總?cè)~日積，LAIi和LAIi+1分別為作物第i次和第i+1次取樣的葉面積指數(shù)，D為第相鄰兩次取樣之間的間隔天數(shù)，間作系統(tǒng)的葉日積為小麥和玉米全生育期葉日積之和。

1.3.2 主栽作物籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量及綠肥生物量 小麥于成熟期取5 m2樣方，風(fēng)干后稱其生物量，脫粒測(cè)定籽粒產(chǎn)量；玉米成熟期量取長(zhǎng)5 m，一幅膜寬度的面積，風(fēng)干稱其生物量，脫粒后測(cè)定籽粒產(chǎn)量；兩種作物的籽粒產(chǎn)量均按含水量14%折合計(jì)算。綠肥翻壓前取4 m2樣方稱其鮮重，另取20株綠肥植株，以測(cè)定其植株含水量，根據(jù)含水量和樣方的鮮重?fù)Q算單位面積綠肥作物的有機(jī)物質(zhì)干重。

1.3.3 經(jīng)濟(jì)效益及灌溉水生產(chǎn)力 本研究的3個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)，詳細(xì)記載5個(gè)種植模式下的人工機(jī)械投入（播前整地、覆膜、施肥、灌溉、除草、病蟲(chóng)害防治以及收獲、綠肥翻壓等）、化肥、農(nóng)藥、種子、地膜、滴灌帶以及灌溉量等農(nóng)資的投入情況，結(jié)合每個(gè)小區(qū)的籽粒與秸稈產(chǎn)量，計(jì)算不同種植模式下的生產(chǎn)成本、產(chǎn)值、純收益以及產(chǎn)投比。主栽作物籽粒、秸稈、農(nóng)資價(jià)格以及人工費(fèi)等按當(dāng)年市價(jià)計(jì)算，由于綠肥全量翻壓還田，純收益的計(jì)算中不涉及綠肥作物。灌溉水生產(chǎn)力包括灌溉水利用效率以及單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益，基于籽粒產(chǎn)量、各種植模式的灌溉量以及純效益計(jì)算灌溉水生產(chǎn)力[22]：

灌溉水利用效率（kg·hm-2·m-3）=主栽作物籽粒產(chǎn)量/作物全生育期灌溉量；

單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益（yuan·hm-2·m-3）=純收益/作物全生育期灌溉量。

1.3.4 光能利用率 基于主栽作物產(chǎn)量及綠肥生物量，并借助試驗(yàn)站小型氣象站獲取作物生長(zhǎng)期內(nèi)的太陽(yáng)輻射值，計(jì)算各種植模式的光能利用率：

式中，LUE為作物全生育期光能利用率；Y為主栽作物籽粒、秸稈產(chǎn)量以及綠肥生物量（kg·hm-2）；H為作物籽粒及秸稈對(duì)應(yīng)的能量折算值，小麥、玉米籽粒和秸稈分別為16.3×106J·kg-1和14.6×106J·kg-1，綠肥作物（箭筈豌豆）為15.1×106J·kg-1；ΔQ為作物生長(zhǎng)期間的太陽(yáng)總輻射值（MJ·m-2）[23]。

1.3.5 不同種植模式的可持續(xù)性 基于不同種植模式的籽粒產(chǎn)量、葉日積、灌溉水生產(chǎn)力以及經(jīng)濟(jì)效益等相關(guān)指標(biāo)建立可持續(xù)性評(píng)價(jià)指數(shù)，該指數(shù)的計(jì)算公式為[23]：

式中，αxij表示第i行×第j列的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值（0＜αxij≤1），xij為種植模式i與評(píng)價(jià)指標(biāo)j的實(shí)際值，xmax與xmin為每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值與最小值。

式中，βxij為標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，m為種植模式i或評(píng)價(jià)指標(biāo)j的最大數(shù)。

式中，Index為不同種植模式的可持續(xù)性評(píng)價(jià)指數(shù)，該指數(shù)的數(shù)值越大說(shuō)明系統(tǒng)可持續(xù)性越好。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019整理、匯總及圖表繪制，利用SPSS 19.0軟件對(duì)整理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。由于本研究為田間定位試驗(yàn)，隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)，復(fù)種綠肥會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生年際間的效應(yīng)，因此，本研究中將試驗(yàn)?zāi)攴菀暈橐粋€(gè)參試因子，將文中數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量分析，并采用two-way repeated measures ANOVA（二因子重復(fù)測(cè)量方差分析）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（=0.05）。

2 結(jié)果

2.1 間作及復(fù)種綠肥對(duì)主栽作物全生育期葉日積的影響

主栽作物全生育期總?cè)~日積具有年際間的差異，除2018年外，春小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥與春小麥間作玉米相比，其主栽作物全生育期的總?cè)~日積顯著提高，且春小麥復(fù)種綠肥較單作春小麥的總?cè)~日積也顯著提高（圖1）。2019和2020年，W-G//M處理較W//M處理的葉日積分別提高了7.7%和7.8%；與此同時(shí)，W-G處理較W處理的葉日積也分別提高了17.1%和10.2%，差異顯著。2018年，兩種間作模式較單作玉米（M）的葉日積無(wú)顯著差異，春小麥復(fù)種綠肥（W-G）較單作春小麥（W）的葉日積也無(wú)顯著差異。隨著試驗(yàn)?zāi)攴莸难娱L(zhǎng)，種植綠肥可顯著提高春小麥間作玉米以及春小麥復(fù)種綠肥模式中主栽作物的葉日積，一定程度上延長(zhǎng)了主栽作物的光合作用時(shí)間，為獲得高產(chǎn)以及提高光能利用率奠定了光合源基礎(chǔ)。

W-G//M：春小麥-箭筈豌豆//玉米；W//M：春小麥//玉米；W-G：春小麥-箭筈豌豆；M：?jiǎn)巫饔衩?；W：?jiǎn)巫鞔盒←?。不同字母表示同一年份處理間差異顯著（P=0.05）。下同

2.2 不同種植模式對(duì)主栽作物籽粒產(chǎn)量的影響

3個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)，間作較單作以及春小麥復(fù)種綠肥種植模式均能顯著提高主栽作物籽粒產(chǎn)量，麥后復(fù)種綠肥對(duì)主栽作物籽粒產(chǎn)量的影響有年際間的差異（圖2）。2018和2019年，W-G//M處理與W//M處理的混合籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著影響，同樣，W-G處理和W處理的籽粒產(chǎn)量也無(wú)顯著差異。2020年，W-G//M處理較W//M處理的混合籽粒產(chǎn)量顯著提高了8.7%，W-G處理較W處理的籽粒產(chǎn)量提高了15.1%。在相同占地面積下進(jìn)行比較，W-G//M處理中，春小麥和玉米籽粒產(chǎn)量較W-G和M處理的籽粒產(chǎn)量在3年內(nèi)分別提高了25.0%—44.6%和46.4%—82.5%，而春小麥間作玉米模式中的春小麥和玉米的籽粒產(chǎn)量較對(duì)應(yīng)的單作模式分別提高了19.7%—40.0%和51.9%—64.7%。綜合可知，間作模式中各組分作物較對(duì)應(yīng)的單作模式均具有顯著的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，其次，隨著試驗(yàn)?zāi)甓鹊难娱L(zhǎng)，小麥?zhǔn)斋@后復(fù)種綠肥可有效促進(jìn)主栽作物的增產(chǎn)。

2.3 不同種植模式的成本投入差異

與單作及麥后復(fù)種綠肥模式相比，間作種植模式提高了成本投入，W-G//M處理較M、W-G和W處理的總投入分別提高了30.0%—32.7%、48.1%— 50.0%和82.2%—85.2%（圖3）。W-G//M處理較W//M處理的總投入提高了7.8%—8.8%；W-G處理較W處理總投入提高了21.8%—24.4%，春小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥總投入的提高幅度低于春小麥復(fù)種綠肥的提高幅度。與此同時(shí)，W-G處理較M處理的總投入提高了4.0%—6.3%，這主要體現(xiàn)在W-G處理較M處理的灌溉投入提高了59.2%— 60.1%。兩種間作種植模式內(nèi)，W-G//M處理較W//M處理增加了種子和人工機(jī)械的投入，二者的平均增加幅度分別為18.3%和13.5%，其差異只存在于因復(fù)種綠肥所需的種子和人工投入，其余農(nóng)資的投入基本相同。W-G處理較W處理除了人工機(jī)械和種子投入的增加外，還增大了灌溉的投入，主要包括灌水量和灌溉材料的增加，W-G處理較W處理的人工機(jī)械、種子以及灌溉投入分別增加了53.4%—63.3%、26.0%—27.8%和90.4%— 91.2%。此外，W-G和W處理的灌溉投入占總投入的比例為41.2%—43.3%和33.1%—33.5%。兩種間作模式中人工機(jī)械投入占總投入的24.8%—28.1%。M處理占總投入的比例較高的是肥料，占比為29.5%—32.1%。由此可見(jiàn)，間作麥后復(fù)種綠肥由于增加了種子和人工機(jī)械費(fèi)用，在一定程度上提高了成本投入。

圖2 不同種植模式主栽作物籽粒產(chǎn)量

圖3 不同種植模式間成本投入組成

2.4 不同種植模式的經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)

3個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)，兩種間作模式較單作及麥后復(fù)種綠肥模式的總收入和純收益均顯著提高（表3），W-G//M處理較M、W-G和W處理的總收入分別提高了18.5%—32.0%、53.0%—67.3%和56.2% —79.7%；W//M處理較M、W-G以及W處理的總收入分別提高了17.8%—24.9%、44.7%—70.3%和47.7%—75.1%。兩種間作模式內(nèi)，2018和2019年小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥與否對(duì)總收入無(wú)顯著影響，而在2020年，W-G//M處理較W//M處理的總收入顯著提高5.7%。此外，W-G和W處理的總收入在3個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)均無(wú)顯著差異。W-G// M處理較M、W-G和W處理的純收益分別提高了11.8%—31.5%、84.9%—115.5%和40.7%—76.6%；W//M處理較M、W-G以及W處理純收益分別提高了16.7%—26.5%、78.5%—132.2%和35.9%— 78.8%。與總收入不同，兩種間作模式的純收益只在2018年度差異顯著，且W-G//M處理較W//M處理的純收益降低了7.2%，而在2019和2020年無(wú)顯著差異。3個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)，W-G處理較W處理的純收益顯著降低了14.3%—23.9%。與純收益相似，2018年W-G//M處理較W//M處理的產(chǎn)投比降低了8.8%，差異顯著；而在2019和2020年，小麥間作玉米中復(fù)種綠肥與否對(duì)產(chǎn)投比的影響不顯著。同樣，2018年W-G//M處理較M處理的產(chǎn)投比降低了9.0%，2019和2020年度二者的產(chǎn)投比無(wú)顯著差異。3個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)，W-G處理較W處理的產(chǎn)投比均顯著降低，降低了26.6%—30.8%。就W-G//M處理而言，不同年際間的總收入、純收益以及產(chǎn)投比具有較大差異，表現(xiàn)為2020年較2018和2019年顯著提高，分別提高了5.9%—13.3%、9.7%—22.6%和5.8%—12.5%；同時(shí)，W-G處理在2020年度的總收入、純收益以及產(chǎn)投比較2018和2019年度分別提高了4.8%—7.1%、10.1%—14.8%和4.7%—7.0%，其余處理則無(wú)上述趨勢(shì)。說(shuō)明隨著試驗(yàn)?zāi)甓鹊难娱L(zhǎng)，麥后復(fù)種綠肥提高經(jīng)濟(jì)效益的效果逐漸顯現(xiàn)，且小麥間作玉米結(jié)合麥后復(fù)種綠肥較其他模式有利于經(jīng)濟(jì)效益的提高，而麥后復(fù)種綠肥較單作小麥模式降低了經(jīng)濟(jì)效益。

表3 不同種植模式及復(fù)種綠肥對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響

數(shù)據(jù)后不同字母表示同一年度中所有處理在0.05概率水平下差異顯著。W-G//M：春小麥-箭筈豌豆//玉米；W//M：春小麥//玉米；W-G：春小麥-箭筈豌豆；M：?jiǎn)巫饔衩?；W：?jiǎn)巫餍←?。下?/p>

Different letters afterwards indicate significant difference within the same year among the treatments at 0.05 probability level. W-G//M: multiple cropping green manure in wheat/maize intercropping after wheat harvested; W//M: wheat/maize intercropping; M: sole cropping maize; W-G: spring wheat-green manure multiple cropping; W: sole cropping spring wheat. The same as below

2.5 不同種植模式對(duì)作物光能利用率及灌溉水生產(chǎn)力的影響

2.5.1 光能利用率 光能利用率是衡量單位面積農(nóng)作物利用光能程度和生產(chǎn)水平的重要指標(biāo)。3個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)，間作及復(fù)種綠肥均能顯著提高作物全生育期的光能利用率（表4）。W-G//M處理較W//M和W-G處理光能利用率分別提高了7.2%—14.1%和30.3%— 42.3%；W//M處理較M處理光能利用率也顯著提高，提高了13.0%—22.4%；且W-G較W處理光能利用率提高了23.5%—52.1%；但M處理與W-G處理光能利用率無(wú)顯著差異。表明春小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥模式可顯著提高作物全生育期內(nèi)的光能利用，為復(fù)合系統(tǒng)的高產(chǎn)高效奠定了基礎(chǔ)。

2.5.2 灌溉水生產(chǎn)力 本研究采用單方灌溉水生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量（灌溉水利用效率）以及單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益衡量灌溉水生產(chǎn)力（表4）。2018和2019年，W-G//M處理與W//M處理的灌溉水利用效率無(wú)顯著差異，而在2020年，W-G//M處理較W//M處理的灌溉水利用效率提高了8.7%，差異顯著。3個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓葍?nèi)，M處理具有最高的灌溉水利用效率，與W//M處理相比，M處理的灌溉水利用效率提高了6.7%—10.5%，除2018年外，2019年和2020年W-G//M處理和M處理的灌溉水利用效率無(wú)顯著差異。3年內(nèi)，W-G處理較W處理的灌溉水利用效率均顯著降低，降低了30.9%—39.8%。W-G//M和W//M處理的單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益無(wú)顯著差異，同時(shí)兩種間作模式可實(shí)現(xiàn)與M處理相當(dāng)?shù)膯畏焦喔人?jīng)濟(jì)效益。W-G處理較W處理的單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益顯著降低，降低了48.6%—54.3%，并且W-G處理單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)最低。與2018和2019年相比，W-G//M處理在2020年的單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益顯著提高，分別提高了9.7%和22.6%。表明在春小麥間作玉米模式中綠肥種植時(shí)間的延長(zhǎng)有利于提高該模式的單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益，而與單一的春小麥復(fù)種綠肥模式相比，春小麥間作玉米結(jié)合麥后復(fù)種綠肥有利于提高灌溉水生產(chǎn)力。

表4 不同種植模式對(duì)光能利用率、灌溉水利用效率及單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益的影響

2.6 不同種植模式的可持續(xù)性

基于3年試驗(yàn)結(jié)果，綜合主栽作物籽粒產(chǎn)量、葉日積總量、純收益、產(chǎn)投比、光能利用率、灌溉水利用效率、單方灌溉水經(jīng)濟(jì)效益以及總投入等8個(gè)指標(biāo)對(duì)不同種植模式的可持續(xù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)（表5）。不同種植模式的可持續(xù)性具有較大差異，以W-G//M處理的可持續(xù)評(píng)價(jià)指數(shù)最高（0.88），與其他4個(gè)處理相比，W-G//M處理的可持續(xù)評(píng)價(jià)指數(shù)分別提高了6.3%、5.9%、60.8%和29.6%，差異顯著。W//M和M處理的可持續(xù)評(píng)價(jià)指數(shù)無(wú)顯著差異。與W處理相比，W-G處理的可持續(xù)性顯著降低，可持續(xù)評(píng)價(jià)指數(shù)降低了19.4%。綜上所述，春小麥間作玉米麥?zhǔn)蘸髲?fù)種綠肥模式具有較好的可持續(xù)性，可作為試區(qū)進(jìn)一步提高間作優(yōu)勢(shì)和增收的主要生產(chǎn)模式。

表5 間作及復(fù)種綠肥對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)性的影響

數(shù)據(jù)后不同字母表示所有處理在0.05概率水平下差異顯著

Different letters afterwards indicate significant difference among the treatments at 0.05 probability level

3 討論

3.1 不同種植模式以及復(fù)種綠肥對(duì)資源利用和經(jīng)濟(jì)效益的影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到作物種類、種植模式以及田間管理方式的影響，不同種植模式以及作物種類的選擇很大程度上決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能否獲利[4, 9]。采用適宜的種植模式可以有效協(xié)調(diào)資源、環(huán)境以及相關(guān)技術(shù)措施之間的關(guān)系，使得作物增產(chǎn)的同時(shí)提高了資源利用率和農(nóng)民收入[22, 24]。在干旱內(nèi)陸灌區(qū)，間作種植模式因其在產(chǎn)量以及資源利用方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)可，但傳統(tǒng)間作模式有耗水量大以及對(duì)購(gòu)買性資源的依賴程度較強(qiáng)的局限性[9, 21]。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)增強(qiáng)間作優(yōu)勢(shì)的可持續(xù)生產(chǎn)技術(shù)，已成為干旱內(nèi)陸灌區(qū)提高資源利用率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益亟待解決的難題。本研究表明，間作及復(fù)種綠肥能顯著提高主栽作物全生育期的總?cè)~日積和光能利用率，與傳統(tǒng)春小麥間作玉米模式相比，春小麥間作玉米結(jié)合麥后復(fù)種綠肥的光能利用率提高了7.2%—14.1%。作物葉面積大小能直接影響作物冠層對(duì)光的截獲率，全生育期葉面積的持續(xù)時(shí)間是提高作物光能利用率的光合源基礎(chǔ)，而光能利用率則是作物光合同化能力的反應(yīng)，其大小與作物籽粒產(chǎn)量密切相關(guān)[22, 25]。前人研究證實(shí)，在玉米-大豆的套作模式中，玉米的光能利用率顯著高于單作玉米，其主要原因是套作較單作玉米的光合速率以及光合作用關(guān)鍵酶活性顯著提高[26]；同樣，在小麥間作玉米種植模式中，由于不同作物的生育期不同，導(dǎo)致了間作模式中的特殊冠層結(jié)構(gòu)，改善了作物全生育期的光分布特征，在空間和時(shí)間尺度上延長(zhǎng)了作物光合時(shí)間[27]。因此，采用間套作種植模式有利于提高種植系統(tǒng)的總?cè)~日積。另一方面，春小麥?zhǔn)斋@后復(fù)種綠肥延長(zhǎng)了作物對(duì)光能吸收利用的時(shí)間，進(jìn)一步提高了種植系統(tǒng)對(duì)光能的同化，延長(zhǎng)了種植系統(tǒng)吸收利用光能的時(shí)間[11]，有利于提高光能利用率。

就經(jīng)濟(jì)效益而言，種植翻壓豆科綠肥能夠降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)外源化肥的依耐性[28]，一定程度可實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效，既可降低生產(chǎn)成本投入，又可改善土壤肥力，有助于作物增產(chǎn)，可作為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)投比的有效途徑[4, 16]。例如，在春小麥復(fù)種綠肥的減氮潛力研究中，已經(jīng)初步證實(shí)了小麥復(fù)種綠肥較單作小麥具有15%的氮減量潛力[29]；在小麥-玉米的輪作體系中應(yīng)用豆科綠肥作物，可有效提高土壤養(yǎng)分含量，降低化學(xué)氮肥的投入，并最終有利于提高輪作系統(tǒng)的純收益[4,16]。然而，常規(guī)種植模式中集成應(yīng)用綠肥作物，播種以及翻壓導(dǎo)致人工和其他成本的投入也隨之增加，一定程度上不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)利益[30]。因此，對(duì)于具體種植模式的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估，其多指標(biāo)的綜合考慮至關(guān)重要。本研究結(jié)果顯示，雖然春小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥提高了生產(chǎn)成本，但是較單作及春小麥復(fù)種綠肥模式的純收益顯著提高。與春小麥間作玉米模式相比，春小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥的總投入提高了7.8%—8.8%，但純收益和產(chǎn)投比并沒(méi)有因此而降低，主要原因是籽粒產(chǎn)量之間存在差異（圖2）。兩個(gè)間作模式中，2018和2019年度的籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但隨著試驗(yàn)?zāi)觌H的推進(jìn)，復(fù)種綠肥在第3個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓蕊@著提高了間作系統(tǒng)的籽粒產(chǎn)量，因?yàn)榫G肥的增產(chǎn)效果可能具有年際間的累加效應(yīng)，在某些地區(qū)需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累才能顯現(xiàn)[14-15]。另一方面，在一個(gè)種植模式中包含多種作物時(shí)，某一作物的產(chǎn)量往往高于其單一種植時(shí)的產(chǎn)量[7, 23]。因此，在本研究條件下，小麥間作玉米復(fù)種綠肥雖然提高了生產(chǎn)成本，但小麥?zhǔn)蘸髲?fù)種綠肥較傳統(tǒng)小麥間作玉米模式的間作優(yōu)勢(shì)也隨之提高，一定程度上彌補(bǔ)了成本提高的不足，對(duì)小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥模式的純收益和產(chǎn)投比影響較低。就各種植模式的成本而言，小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥的成本提高幅度低于春小麥復(fù)種綠肥的成本提高幅度。間作中復(fù)種綠肥較不復(fù)種綠肥增加了種子和人工機(jī)械的投入，其余農(nóng)資的投入基本相同。而春小麥復(fù)種綠肥較單作春小麥的人工機(jī)械、種子以及灌溉投入均顯著增加，其中以灌溉投入的增加幅度最大，增加比例達(dá)到了90.4%—91.2%，其次，麥后復(fù)種綠肥較單作玉米的總投入也增加，這正是該模式具有最低純收益和產(chǎn)投比的原因所在。從春小麥復(fù)種綠肥大幅度提高灌溉投入的結(jié)果可以得出，水資源以及灌溉材料的投入對(duì)于干旱灌區(qū)麥后復(fù)種綠肥模式而言是一筆不可忽視的開(kāi)銷，在干旱和半干旱地區(qū)，水資源的缺乏嚴(yán)重制約了其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展，也使得農(nóng)民在選擇麥后復(fù)種綠肥模式上的積極性不高[18, 30]，但是將麥后復(fù)種綠肥與小麥間作玉米同步結(jié)合，在增強(qiáng)了間作系統(tǒng)產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，弱化了因復(fù)種綠肥而提高灌溉水的投入，有利于經(jīng)濟(jì)效益的提高。此外，與單一的春小麥復(fù)種綠肥模式相比，春小麥間作玉米結(jié)合麥后復(fù)種綠肥有利于提高灌溉水生產(chǎn)力；與單作玉米模式相比，間作雖然提高了灌溉水的用量，但是其灌溉量的投入更加有利于作物籽粒產(chǎn)量以及經(jīng)濟(jì)效益的提高，最終實(shí)現(xiàn)了灌溉水的高效利用。

3.2 不同種植系統(tǒng)的可持續(xù)性評(píng)價(jià)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中基于農(nóng)民角度考慮，由于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的耐受程度較低，選擇種植模式以及作物種類的前提條件是在低成本投入下獲得較高的收入[31-32]，因此，經(jīng)濟(jì)效益是評(píng)價(jià)某一項(xiàng)技術(shù)措施的首要考慮因素。而從研究者角度考慮，綜合經(jīng)濟(jì)效益和成本投入的同時(shí)，提高某一技術(shù)措施的可持續(xù)性是最終目標(biāo)，可持續(xù)性應(yīng)是基于經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及生態(tài)等多角度的評(píng)價(jià)[30, 33]。以往的研究中，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的評(píng)價(jià)主要是基于作物籽粒產(chǎn)量或某一資源利用特征進(jìn)行單一指標(biāo)量化，其評(píng)價(jià)結(jié)果難以全面反映某一模式或者技術(shù)措施的綜合價(jià)值[19, 24]；其次，不同評(píng)價(jià)方法的側(cè)重點(diǎn)往往不同，容易形成“以點(diǎn)蓋面”的不足[34]。因此，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)量表現(xiàn)、資源利用情況以及經(jīng)濟(jì)效益等主要方面對(duì)各種植模式的生產(chǎn)可持續(xù)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，將籽粒產(chǎn)量、葉日積、光能利用率、純收入、產(chǎn)投比、總成本、灌溉水利用效率以及灌溉水經(jīng)濟(jì)效益等評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，構(gòu)建了可持續(xù)評(píng)價(jià)指數(shù)。結(jié)果表明，春小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥的可持續(xù)指數(shù)最高，該模式在提高生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)的同時(shí)，可以減弱因復(fù)種綠肥而提高的成本對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的負(fù)面影響，進(jìn)而提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)投比，灌溉水生產(chǎn)力也隨之提高。雖然機(jī)械作業(yè)也是間作種植模式的一個(gè)限制因素，但本研究間作模式的小麥、玉米帶寬均為110 cm，可以采用小型機(jī)械在帶間進(jìn)行播種和收獲作業(yè)，在試區(qū)農(nóng)戶現(xiàn)有機(jī)械的基礎(chǔ)上基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。綜上所述，在干旱灌區(qū)，春小麥間作玉米麥后復(fù)種綠肥是小麥和玉米可持續(xù)生產(chǎn)的重要方法之一，是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。

4 結(jié)論

春小麥間作玉米結(jié)合麥后復(fù)種綠肥能顯著提高作物全生育期總?cè)~日積和光能利用率。隨著試驗(yàn)?zāi)甓鹊难娱L(zhǎng)，春小麥間作玉米結(jié)合麥后復(fù)種綠肥較春小麥間作玉米的籽粒產(chǎn)量在2020年提高了8.7%，春小麥復(fù)種綠肥較單作春小麥提高了15.1%。與春小麥間作玉米模式相比，間作結(jié)合復(fù)種綠肥可提高產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了因復(fù)種綠肥增加成本的不足。間作結(jié)合麥后復(fù)種綠肥也能有效提高種植系統(tǒng)的灌溉水利用效率，較春小麥間作玉米模式的灌溉水利用效率提高了8.7%。綜合3年試驗(yàn)結(jié)果，由于春小麥間作玉米結(jié)合麥后復(fù)種綠肥模式具有較高的產(chǎn)量、資源利用以及經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)，其生產(chǎn)可持續(xù)性指數(shù)最高，比春小麥間作玉米模式提高了6.3%。綜上，在干旱灌區(qū)，春小麥間作玉米集成麥后復(fù)種綠肥模式是高效和可持續(xù)的種植模式。

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Analysis of Sustainability of Multiple Cropping Green Manure in Wheat-Maize Intercropping after Wheat Harvested in Arid Irrigation Areas

GOU ZhiWen, YIN Wen, CHAI Qiang, Fan ZhiLong, HU FaLong, Zhao Cai, Yu AiZhong, FAN Hong

State Key Laboratory of Arid Land Crop Science/College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070

【】In the oasis irrigated agricultural region, the low resource utilization efficiency and the ratio of output/input are the most prominent constraints for crop production. In this study, the characteristics of light use efficiency, irrigation water productivity and economic benefit in different cropping patterns were investigated in the areas. Research on the sustainability of different cropping patterns would benefit crop production to save cost and increase income in this region.】A field experiment was carried out in a typical arid irrigation area, Wuwei, Gansu province, from 2018 to 2020, to determine the effects of different cropping patterns on leaf area duration, grain yields light utilization efficiency, irrigation water productivity and economic benefit of crops. The sustainability of different cropping patterns was evaluated based on the above indexes. 【】Multiple cropping of green manure after spring wheat harvested significantly increased the leaf area duration of the main-cultivate crops during the whole growth period. W-G//M increased leaf area duration of the main-cultivate crops by 7.7%-7.8%, compared with W//M. Compared with sole cropping and spring wheat-green manure multiple cropping, the intercropping increased the grain yield of main-cultivate crops and the inputs of production cost, simultaneously. There was no significant difference in the total grain yield between W-G//M and W//M in 2018 and 2019. However, W-G//M increased the total grain yield by 8.7% in comparison to W//M in 2020. Compared with M, W-G and W, W-G//M increased net return by 16.7%-26.5%, 78.5%-132.2% and 35.9%-78.8%, respectively. In two intercropping patterns, the net return of the W-G//M decreased by 7.2% in comparison to W//M treatment in 2018. However, the net return of two intercropping treatments showed not significantly different in 2019 and 2020, and the ratio of output/input showed a similar result. Multi-planting green manure after wheat harvested could significantly improve the light use efficiency of crops.W-G//M treatment increased light use efficiency by 7.2%-14.1% compared with W//M. The light use efficiency under W-G was increased by 23.5%-52.1% in comparison to W treatment. Compared with W, the productivity of irrigation water under W-G was significantly reduced by 48.6%-54.3% (irrigation water use efficiency) and 30.9%-39.8% (Economic benefit per cubic meter irrigation water), while there was no significant difference in the productivity of irrigation water under W-G//M and W//M. W-G//M had the highest sustainability index across three years. 【】Grain yield of main-cultivate crops and economic benefits were improved by intercropping and multiple cropping green manure after wheat harvested. The irrigation water productivity and light utilization efficiency were also increased, thereby improved the sustainability of this cropping pattern. Therefore, multiple cropping green manure after wheat harvested in wheat/maize intercropping could be used as a high-efficient utilization of resources and sustainable cropping pattern in arid irrigation areas.

multiple cropping after wheat harvest; leguminous green manure; economic benefit; irrigation water productivity; sustainability evaluation

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.07.005

2021-06-13；

2021-10-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子項(xiàng)目（2021YFD1700202-02）、國(guó)家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-22-G-12）、甘肅省科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目（2020-12）、甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目（2021B-134)、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)伏羲青年人才項(xiàng)目（Gaufx-03Y10）

茍志文，E-mail：gouzhiw@163.com。殷文，E-mail：yinwen@gsau.edu.cn。茍志文和殷文為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者柴強(qiáng)，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）