侯慧芝，张绪成*，汤瑛芳，王红丽，于显枫，方彦杰，马一凡

(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃 兰州 730070; 2.甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室，甘肃 兰州 730070; 3.甘肃省农业科学院农业工程咨询中心，甘肃 兰州 730070)



半干旱区全膜覆盖垄沟种植马铃薯/蚕豆间作的产量和水分效应

侯慧芝1,2，张绪成1,2*，汤瑛芳3，王红丽1,2，于显枫1,2，方彦杰1,2，马一凡1,2

(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃 兰州 730070; 2.甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室，甘肃 兰州 730070; 3.甘肃省农业科学院农业工程咨询中心，甘肃 兰州 730070)

间套作是提高农田资源利用效率和缓解连作障碍的有效措施，但就旱作全膜覆盖马铃薯豆科作物间作的增产机制及其效应，目前缺乏系统研究认识。试验于2011-2014年在西北黄土高原半干旱区的甘肃省农业科学院定西试验站进行 (104°36′ E，35°35′ N)，以新大坪和临蚕131为试验材料，设马铃薯单作、蚕豆单作和薯蚕间作3个处理，记载生育期、测定年际土壤含水量，作物产量，计算作物生育期耗水量、水分利用效率、资源竞争力、土地当量比等参数，揭示西北黄土高原旱作区马铃薯间作蚕豆对作物生育期、产量、耗水特征和水分利用效率的影响，以评价区域马铃薯/蚕豆间作的产量和水分效应。结果表明，马铃薯/蚕豆间作的共生期长达100 d以上，共生期耗水占全生育期耗水总量的42.5%～58.3%，是马铃薯单作总耗水量的68.2%～86.3%；间作显著提高了作物耗水量，并使马铃薯花后耗水量显著降低。尽管间作后使产量较马铃薯单作在2011和2014年下降18.1%～31.2%，并使不同降水年型的作物水分利用效率显著下降，但使2012年的作物产量提高了10.6%，而且4年土地当量比达1.3～1.5，蚕豆对于马铃薯的资源竞争力为0.31～1.15。所以半干旱区全膜覆盖马铃薯垄沟间作种植具有显著提高土地生产效率的潜力，但需要通过科学搭配作物组合才能实现增产增效、改善农田环境的目的。

半干旱区；全膜覆盖；垄沟种植；马铃薯间作蚕豆；水分；产量

1.InstituteofDrylandFarming,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou730070，China; 2.KeyLaboratoryofHighWaterUtilizationonDrylandofGansuProvince,Lanzhou730070，China; 3.InstituteofAgriculturalEconomyandInformationResearch,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou730070，China

半干旱区由于降水限制，作物产量长期低而不稳。地处黄土高原西北部的甘肃中部半干旱区，年降雨量为300～500 mm，而且春旱频发，春播作物如小麦(Triticumaestivum)等产量长期徘徊在1500 kg/hm2以下[1]。该区夏播作物如马铃薯(Solanumtuberosum)、玉米(Zeamays)的种植面积逐年增加，目前已占总耕地面积的50%以上[2-3]。尤其是近几年在全膜覆盖垄沟种植技术的带动下，马铃薯种植面积迅速增加。以定西市为例，近10年的马铃薯播种面积逐年增加，占总耕地面积的19%以上[4]，成为该区域农业的主导特色产业。

多年地膜覆盖种植试验结果表明，半干旱区马铃薯在覆盖种植条件下，季节性干旱胁迫和高湿的双重并存，不但使有限的水分资源未能充分利用，而且诱发马铃薯病害大面积发生，成为制约马铃薯产业发展的主要障碍因子[5-7]。2013年甘肃省晚疫病发病面积达到53.3万hm2，占马铃薯总播种面积的76.78%[8]。马铃薯病害的大面积发生，不但与连作密切相关[9]，而且与7-8月降雨增加、土壤湿度提高造成的田间高温高湿环境有关[10-11]。因此，如何降低连作风险、优化雨季的农田水热环境，提高该区有限水资源的利用效率，不但是目前解决马铃薯生产中病害障碍的重点问题，而且也是提高该区作物水分生产效率的重点方向。

间作能充分利用光、热、水以及农田时间和空间等资源，充分发挥边际效应，提高单位面积的产量和效益[12-14]。研究证明，作物合理间作可产生互补作用[15]，如玉米和蚕豆(Viciafaba)间作，有显著的互补优势，可促进作物生长发育并提高产量[16]；马铃薯与燕麦(Avena)间作可增加马铃薯叶面积系数，改变光合特性，促进光合作用，提高马铃薯块茎产量[17]；与豆科作物间作有利于补充土壤氮元素的消耗等[18-23]。另外，由于间作具有小倒茬和生物隔离等作用，可有效改善土壤生物性状，降低作物病虫害尤其是土传病害的发生概率[24-27]。

综上所述，间作是目前克服连作障碍、提高农田生产力和资源利用效率的有效措施。然而，在半干旱区发展间套作是否会导致降水总量不足和季节性干旱造成的减产；间作后可能形成的水分竞争对马铃薯的水分利用和产量形成有何影响等问题，目前都没有科学定论。为科学认识以上问题，我们依托4年的大田定位试验，在全膜覆盖垄沟种植的条件下，选择高秆豆科作物——蚕豆为间作作物，通过记载生育期、测定年际土壤含水量，作物产量，计算作物生育期耗水量、水分利用效率、资源竞争力、土地当量比等参数明确半干旱区旱作农田全膜覆盖垄沟种植马铃薯-蚕豆间作的土壤水分效应及其农田生产力，为进一步明确旱作限水条件下作物间作体系对农田生产力的影响及其水分年际平衡，为探索资源高效、生态安全和生产增效的技术途径提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验地概况

图1　全膜覆盖垄沟种植马铃薯-蚕豆间作示意图Fig.1　Intercropping model of potato and fababean in ridges and furrows with plastic mulching　　　A：马铃薯单作；B：蚕豆单作；C：薯豆间作。A：Monoculture potato；B：Monoculture fababezn；C：Fababean and potato intercropping.

试验设在甘肃省农业科学院定西试验站(104°36′ E, 35°35′ N)。该区海拔1970 m，年平均气温6.2℃，年辐射总量5898 MJ/m2，年日照时数2500 h，≥10℃年积温2075.1℃，无霜期140 d，属中温带半干旱气候。作物一年一熟，为典型旱地雨养农业区。年均降水量415 mm，6-9月降水量占年降水量的68%，降水相对变率为24%，400 mm降水保证率为48%。试验区土壤为黄绵土， 0～30 cm土层平均容重1.25 g/cm3，田间持水量为21.18%，永久凋萎系数为7.2%，土壤有机质、全N、全P、全K、NH4+-N、NO3-N、速效P、速效K分别为 11.99 g/kg、1.16 g/kg、25.3 mg/kg、172.8 mg/kg、4.8 mg/kg、0.8 mg/kg、8.67 mg/kg和121.50 mg/kg，pH值8.35。

1.2试验设计

本试验为2011-2014年的定位试验，采用完全随机排列，设3个处理，分别是蚕豆单作(MF)、马铃薯单作(MP)和马铃薯与蚕豆间作(IMF)，每个处理3次重复。本试验3个处理均采用全膜覆盖垄沟种植，垄宽60 cm，垄高15 cm，沟宽40 cm，带宽100 cm。马铃薯种植在垄的两侧，蚕豆种植在沟内，种植方式见图1。各处理蚕豆和马铃薯密度均为 4.95万株/hm2。供试马铃薯品种为新大坪，蚕豆品种为临蚕131。小区面积=6.0 m×7.5 m=45 m2。各处理施肥量均为：有机肥30 t/hm2(有机肥种类为腐熟羊粪，养分含量为有机质57.12%、水解氮1875 mg/kg、速效磷1402.4 mg/kg、速效钾10968 mg/kg)，P2O560 kg/hm2，K2O 22.5 kg/hm2，全作基肥，N 90 kg/hm2，其中60%作基肥，40%作花期追肥。马铃薯植株大部分转黄并逐渐枯萎，块茎停止增重，即可收获；蚕豆叶片凋落，中下部豆荚充分成熟，即可收获。

根据甘肃省农业科学院定西试验站气象资料统计(甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村，104°36′ E，35°35′ N)，2011年试验区全年降雨量为346.4 mm，蚕豆生育期降雨量为144 mm，马铃薯生育期降雨量为232.8 mm，属于严重的欠水年份(图2)；2012年试验区全年降雨量为484.4 mm，蚕豆生育期降雨量为222 mm，马铃薯生育期降雨量为394.6 mm，属于平水年份；2013年试验区全年降雨量为551.9 mm，蚕豆生育期降雨量为370.9 mm，马铃薯生育期降雨量为445.1 mm，属于丰水年份；2014年试验区全年降雨量为482.2 mm，蚕豆生育期降雨量为237.2 mm，马铃薯生育期降雨量为287.4 mm，属于平水年份，但季节分配不均。所以试验区降雨量年际间变率比较大，年际内季节分配不均，对蚕豆和马铃薯的生长造成一定影响，导致产量极不稳定。

1.3测定指标与计算方法

1.3.1土壤贮水量根据土壤容重和土壤含水量计算，用土钻取各小区 0～200 cm土样，测定步长为20 cm，用烘干称重法测定土壤含水量，不同生育期测定。单作蚕豆和单作马铃薯每小区在沟、垄各设2个测定点；间作区在马铃薯带、蚕豆带、交错带分别设1个测定点。

1.3.2产量成熟期按小区收获计产，间作处理2种作物分别收获。马铃薯折合产量=马铃薯鲜薯产量/5[28]，蚕豆折合产量=蚕豆籽粒产量。间作处理产量按两种作物占地比例折合计算，Yipf=(Ymp/Smp+Ymb/Smb)/2，式中，Yipf代表薯豆间作产量，Ymp代表马铃薯折合产量，Smp代表间作中马铃薯占地比例，Smb代表间作中蚕豆占地比例，Ymb代表蚕豆产量。

1.3.3作物水分利用效率WUE=Y/ET，式中，Y为不同处理的经济产量；ET为处理的总耗水量。ET=(播前土壤贮水量-收获后土壤贮水量)+生育期内降雨量。计算间作区ET时，播前土壤贮水量为间作蚕豆播前的土壤贮水量，收后土壤贮水量指间作马铃薯收获后的贮水量，降雨量为蚕豆播种到马铃薯收获期的降雨量[29]。

图2　2011-2014年试验区降水分布和平均气温变化Fig.2　Precipitation and average air temperature in test areas from 2011 to 20143月上：in early March；3月中：in middle March；3月下：in late March。以此类推And so on.

1.3.4土地当量比(LER)LER=(Yir/Ymr)+(Yif/Ymf)，式中：Yir和Yif分别代表间作蚕豆和间作马铃薯的产量，Ymr和Ymf分别代表单作蚕豆和单作马铃薯的产量。

1.3.5种间相对竞争力种间相对竞争力(aggressivity)表示两种作物对资源的竞争能力[30]。

Arf=Yir/(Ymr·Pr)-Yif(Ymf·Pf)

式中：Arf为蚕豆相对于马铃薯的资源竞争力；Pr和Pt分别为间作中蚕豆和马铃薯所占的比例，Pr=2/5，Pf=3/5；Yir和Yif分别代表间作总面积上蚕豆和马铃薯的产量；Ymr和Ymf分别代表单作蚕豆和单作马铃薯的产量。当Arf>0，表明蚕豆竞争能力强于马铃薯；当Arf<0，表明蚕豆竞争能力弱于马铃薯。

1.4数据处理与分析

运用Microsoft Excel 2007 软件计算并作图，DPS 9.50数据处理软件进行方差分析，用Tukey 法检验处理间的差异显著性。

2　结果与分析

2.1不同种植方式对作物生育期的影响

与单作相比，间作延长了蚕豆和马铃薯的生育期，蚕豆的延长天数在7～15 d，其中2012年延长天数最长；马铃薯生育期延长了5～7 d。就作物生育期而言，间作对蚕豆的影响大于马铃薯。间作主要延长了蚕豆花后生育天数，达5～13 d，花前生育天数延长了2～3 d；马铃薯间作后使花前生育天数延长了4～6 d，花后生育天数延长1～2 d。因此，间作主要延长了蚕豆花后生育天数和马铃薯花前生育天数。间作后马铃薯和蚕豆的共生期在101～106 d，分别占蚕豆和马铃薯总生育期的82.4%和74.5%。因此，间作对作物生育期有明显的影响，延迟了作物的发育进程，而且两种作物的共生期较长(表1)。

表1　不同种植方式对作物生育期的影响Table 1　The crop growth stage of different planting method

2.2间作对作物产量的影响

2011和2014年马铃薯单作产量显著高于薯豆间作和蚕豆单作，在2012和2013年马铃薯单作和薯豆间作之间无显著差异，均显著地高于蚕豆单作(表2)。单作马铃薯的产量显著高于间作马铃薯，表明蚕豆和马铃薯间作对马铃薯的生长发育和产量形成有显著的抑制作用；虽然间作蚕豆的产量同样显著低于单作蚕豆产量，但下降幅度明显低于马铃薯。表明在薯蚕间作体系中，马铃薯对间作群体产量的贡献率大于蚕豆，而蚕豆的竞争力高于马铃薯。作为以马铃薯为主体作物的间作体系中，选择竞争力较弱的作物进行间作，可能更有利于作物体系生产力和资源利用效率的提高。

表2　2011-2014年各处理的产量比较Table 2　Yields of different treatments in 2011-2014　kg/hm2

注：数据为3个重复的平均值。同列中不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note：Data are means of three replicates. Means followed by different letters are significantly different among treatments atP<0.05.

2.3间作对不同生育阶段土壤贮水量的影响

不同处理农田 0～200 cm 土壤贮水量季节变化与马铃薯和蚕豆生育进程及降雨分布有密切关系(图3)。与2011年播前相比，采用全膜覆盖垄沟种植使土壤0～200 cm土层的贮水量逐年增加，2014年收获后，蚕豆单作、马铃薯单作和间作处理土壤贮水量分别增加了192.4、203.7和174.7 mm。4年的试验结果均显示，间作处理土壤贮水量低于单作处理，而且在马铃薯现蕾期到块茎膨大期达到显著水平，表明间作使土壤贮水量显著下降，造成了马铃薯和蚕豆之间的水分竞争。

图3　不同种植模式0～200 cm土层的土壤贮水量Fig.3　The soil water storage in 0-200 cm profile of different planting methods　MF：蚕豆单作；IPF：薯豆间作；MP：马铃薯单作；BF：蚕豆播前；BP：马铃薯播前；BU：马铃薯现蕾期；FL：马铃薯开花期；TE：薯块膨大期；HA：马铃薯收获期。下同。MF：Monoculture fababean；IPF：Fababean and potato intercropping；MP：Monoculture potato；BF：Before faba-bean sowing；BP： Before potato sowing；BU：Budding of potato；FL：Flowering of potato；TE：Tuber enlargement of potato；HA：Harvesting of potato. The same below.

2.4间作对作物耗水量的影响

图4　不同种植模式的农田耗水量　Fig.4　The evapotranspiration of different planting methods　　　BF：花前；AFF-BPF：蚕豆花后-马铃薯花前；AF：花后。BF：Before flowing；AFF-BPF：After fababean flowing-before potato flowing；AF：After flowering.同一年份不同字母表示不同处理差异显著(P<0.05)。下同。Different letters above bars in the same year mean significant difference among treatments at P<0.05 level. The same below.

间作和单作处理的花前花后耗水有显著差异(图4)。马铃薯花前耗水量显著高于花后，占全生育期耗水量的66.2%～82.2%；而蚕豆则相反，花前耗水量占全生育期总耗水量的22.9%～42.4%。除干旱年份(2011年)外，2012-2014年蚕豆花后到马铃薯花前的耗水量占间作处理总耗水量的55.0%～60.5%。因此，蚕豆花后和马铃薯花前是耗水旺盛期，而这一时期正是两种作物的共生期，这会造成更为激烈的水分竞争，对经济产量的形成造成一定的不利影响。作物全生育期耗水量因降水量增加而增加，证明在全生育期存在水分亏缺。间作较单作耗散更多的土壤水分，达到显著差异水平。

2.5间作对作物水分利用效率的影响

马铃薯单作4年的农田水分利用效率均最高，为12.9～19.2 kg/(hm2·mm) ，平均为14.43 kg/(hm2·mm)，4年均显著地高于薯豆间作和蚕豆单作处理。薯蚕间作处理4年农田水分利用效率为8.16～11.09 kg/(hm2·mm)，平均为9.40 kg/(hm2·mm)，均高于蚕豆单作处理，而且在干旱年份(2011年)达到显著差异水平(图5)。与马铃薯单作相比，间作降低了水分利用效率；虽然间作较蚕豆单作能够提高水分利用效率，但无显著性差异。因此，在半干旱区采用全膜覆盖垄沟种植进行马铃薯和蚕豆间作，不能明显改善作物的水分利用效率。

2.6间作作物种间相对竞争力及间作对土地利用效率的影响

蚕豆对于马铃薯的资源竞争力Arf在2011-2014年分别为0.31、1.15、1.03和0.61，均大于0，说明间作蚕豆对水分及养分等资源的竞争力强于马铃薯，尤其是在平水年和丰水年。间作处理2011-2014年的LER分别为1.52、1.38、1.33和1.36，均大于1，说明薯蚕间作处理具有提高土地利用效率的作用(图6)。蚕豆和马铃薯对LER的贡献因年份而异，干旱年份(2011年)间作马铃薯和单作马铃薯的产量比为0.84，而间作蚕豆和单作蚕豆的产量比为0.68，马铃薯对LER的贡献高于蚕豆，而在平水年和丰水年则相反。表明在水分限制条件下马铃薯和蚕豆间作，能够提高土地利用效率；在土壤水分含量较低时，马铃薯有较强的生产能力，但在土壤水分含量较高时，蚕豆对水分的利用能力较强。

图5　不同种植模式的作物水分利用效率Fig.5　The crop water use efficiency (WUE) of different planting methods

图6　不同年份间作种间相对竞争力及间作处理的土地当量比Fig.6　LER (land equivalent ratio) and Arf (aggressivity) of intercropping treatments in different years

3　结论与讨论

间作是提高土地生产力、改善作物根际土壤环境的重要技术措施[12-15]，但间作使作物体系耗水量增加[31-33]。因此，在水分限制条件下发展间作种植，必须要充分考虑水资源承载力[34]。马铃薯是西北黄土高原半干旱区的优势特色作物，但目前连作面积逐年扩大。而且，在地膜覆盖条件下，连续4年种植马铃薯使土壤0～200 cm土层的贮水量增加了200 mm。因此，为克服该区域马铃薯连作障碍问题，发展马铃薯间作有一定的水分基础条件。试验结果表明，在2011-2014年期间，无论是间作还是单作，都使土壤水分有一定的改善，单作马铃薯和间作马铃薯的土壤贮水量分别增加了203.8和174.7 mm。

虽然在4年试验期间单作和间作马铃薯的土壤水分均有显著增加，但间作与单作相比，除2012年略有增产外，2011、2013和2014年分别减产18.1%、6.2%和31.2%。2014年由于在马铃薯和蚕豆花期的7月份出现严重季节性干旱，间作处理显著减产，这与马铃薯向日葵(Helianthusannuus)间作的结果相一致[35]。间作较单作的耗水量在4年均有显著增加，2011-2014年分别增加了60.3%、51.4%、48.0%和31.9%，耗水量的增加并未引起产量的相应增加，这主要与生育期耗水特征有关[36]。提高花后耗水量对增加产量有积极作用[36]， 2012年间作马铃薯的花后耗水量占总耗水量的27.7%，显著高于单作处理的18.0%， 2012年间作处理产量高于单作；2013-2014年间作的花后耗水比例分别为24.4%和23.3%，而单作为29.8%和33.8%，间作处理的产量低于单作，并在2014年达到显著差异。另外，马铃薯-蚕豆共生期的耗水量占总耗水量的比例也是影响产量的关键因子， 2013-2014年共生期耗水量占总耗水量的比例在55%以上，间作有显著减产。因此，年际间降水量和分布状况对马铃薯花前花后耗水有显著影响，并调节马铃薯和蚕豆共生期的耗水量，最终导致间作和单作产量的年际间差异。年际间间作和单作耗水过程和产量的差异表明，调节耗水过程(花前花后、共生期的耗水量)对马铃薯产量形成有明显作用。受耗水量和生育期耗水分配的影响，间作的水分利用效率高于蚕豆，但显著低于单作马铃薯。表明在半干旱区，地膜覆盖马铃薯蚕豆间作虽然在特殊年份能够提高产量，但受季节性干旱、耗水总量增加和生育期耗水分配的影响，对农田经济产量水分生产潜力的发挥有负面作用。

综上所述，薯豆间作未能稳定提高农田生产力和水分利用效率的原因可能和二者共生期长、马铃薯花后耗水量下降以及两种作物间作耗水量较高有关。因此，在半干旱区发展地膜覆盖垄沟种植马铃薯间作技术，需要选择与马铃薯共生期相对较短、耗水量较低，且资源竞争力相对较低的豆科作物，才能实现在稳定提高农田生产力和水分生产效率的基础上，改善农田土壤环境，以达到区域马铃薯产业持续稳定发展的目标。

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*Effects of potato-fababean intercropping on crop productivity and soil water under a plastic mulch and ridge-furrow planting system in a semiarid area

HOU Hui-Zhi1,2, ZHANG Xu-Cheng1,2*, TANG Ying-Fang3, WANG Hong-Li1,2, YU Xian-Feng1,2,

FANG Yan-Jie1,2, MA Yi-Fan1,2

Intercropping is an efficient way to increase natural resource use efficiency and reduce the obstacles resulting from continuous cropping. However, little research has focused on yield increment mechanisms associated with potato and legume intercropping utilizing furrow-ridge planting with plastic mulch. A 4 years (2011-2014) field study was conducted at the Dingxi Experimental Station, Gansu Academy of Agricultural Sciences (104°36′ E, 35°35′ N), located on the northwest Loess Plateau. Potato (xindaping) and fababean (lincan131)were used during the study. Three treatments were imposed: 1) potato monoculture, 2) fababean monoculture, and 3) intercropped potato-fababean. Measurements included seasonal and yearly soil water content, crop productivity, crop seasonal water consumption, water use efficiency, individual species competitiveness and subsequently, land equivalent rate calculated. The paragenesis period of potato and fababean was more than 100 days; evaportranspiration in this period accounted for 42.5%-58.3% of total evaportranspiration of the intercrop treatment, and 68.2%-86.3% of total evaportranspiration for the potato treatment. The intercrop produced lower yields, 18.1 % and 31.2% in 2011 and 2014 respectively compared with the potato treatment. Crop water use efficiency was also lower in the intercrop. However, the intercrop yield was significantly higher (10.6%) in 2012 compared with the potato treatment. The land equivalent rate reached 1.3-1.5 and the competitiveness of fababean relative to that of potato ranged from 0.31-1.15 through the 4 years of the study. Intercropping could increase potential productivity under plastic mulching and ridge-furrow planting systems in semiarid areas, but selecting appropriate crop species for intercrop systems is necessary to increase both crop productivity and natural resource use efficiency, as well as improve the cropland environment.

semiarid region; whole plastic mulching; ridge-furrow planting; potato-fababean intercropping; soil water; yield

10.11686/cyxb2015382

http://cyxb.lzu.edu.cn

2015-08-31；改回日期：2015-11-09基金项目：甘肃省科技重大专项(1502NKDA003),国家科技支撑计划(2015BAD22B04)和农业部公益性行业(农业)科研专项(201203031)资助。

侯慧芝(1980-)，女，甘肃西峰人，助理研究员，在读博士。E-mail：houhuizhi666@163.com

Corresponding author. E-mail：gszhangxuch@163.com

侯慧芝，张绪成，汤瑛芳，王红丽，于显枫，方彦杰，马一凡. 半干旱区全膜覆盖垄沟种植马铃薯/蚕豆间作的产量和水分效应. 草业学报, 2016, 25(6): 71-80.

HOU Hui-Zhi, ZHANG Xu-Cheng, TANG Ying-Fang, WANG Hong-Li, YU Xian-Feng, FANG Yan-Jie, MA Yi-Fan. Effects of potato-fababean intercropping on crop productivity and soil water under a plastic mulch and ridge-furrow planting system in a semiarid area. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(6): 71-80.