长期梨树种植土壤团聚体组成及有机碳分布特征①

郭鸿鑫，孙崇玉，孙立强，包先明，洪秀萍

长期梨树种植土壤团聚体组成及有机碳分布特征①

郭鸿鑫，孙崇玉*，孙立强，包先明，洪秀萍

(淮北师范大学生命科学学院，安徽淮北 235000)

为探究长期梨树种植土壤团聚体结构及其对土壤有机碳的影响，以砀山县良梨镇共12个年限的梨树土壤为研究对象，以果园附近农田土壤为对照，分析不同梨树种植年限土壤(0 ～ 20 cm)的团聚体粒级分布、土壤及各团聚体组分有机碳含量的动态特征。研究结果表明：随着种植年限的增加，土壤大团聚体(>0.25 mm)含量呈先上升后略有下降并趋于稳定的趋势，种植150 a处取得最大值达到798.8 g/kg。梨园土壤总有机碳含量、大团聚体有机碳含量相较对照农田土壤显著提高(<0.05)，分别提高了1.45倍和2.24倍，而微团聚体(<0.25 mm)有机碳含量显著下降。各个年限梨园土壤有机碳主要由大团聚体贡献，贡献率为68.06% ～ 98.78%，相较农田土壤(39.76%)贡献率提高28.3% ～ 59.02%；微团聚体的贡献率随着年限的增加而下降，表明梨园的长期种植促使有机碳从微团聚体向大团聚体分配。土壤大团聚体含量与有机碳含量呈极显著正相关(<0.01)，均随着种植年限的增加先上升后下降至稳定趋势。表明梨园种植有利于改善土壤结构，增加土壤的固碳潜力。

梨园种植；土壤团聚体；有机碳分布；贡献率

长期植果过程中的土壤质量演变一直是土壤科学关注的热点，长期的种植年限会显著影响土壤的结构组成，主要体现在对土壤团聚体的粒径组分和稳定性的影响[1-3]。大量研究表明，土壤团聚体的粒径组分随耕种年限的不同而呈现有规律的变化，耕种年限越长，大团聚体(>0.25 mm)的占比越高[4-5]。土壤团聚体作为土壤结构的关键组成单元，是土壤中稳定性与非稳定性团聚体的总和，对土壤的孔隙度、持水性、透气性和抗腐蚀性都有着重要的影响[6-7]。稳定性是团聚体结构的核心要素，研究土壤水稳态团聚体的结构状态和粒径组成是评价土壤结构性能的重要指标[8]。

土壤团聚体的形成离不开多种形态胶结物质的促进过程，有机碳作为团聚体结构形成的骨架，是土壤结构的核心成分。土壤有机碳是地球碳循环的重要组成，是土壤质量的关键核心，土壤的固碳效果与耕种年限之间有明显的规律响应[9]。研究表明，随着种植年限的提高，果园有机碳含量出现先增加后降低的趋势[9]，也有研究表明随着种植年限的增加，土壤有机碳含量在逐渐减小[10]。土壤有机碳可以促进土壤水稳性团聚体的形成[11-13]，不同粒径的团聚体中有机碳的分布不同，DeGryze等[14]通过研究白杨演替土壤中团聚体与有机碳的关系，认为土壤有机碳主要由微团聚体(<0.25 mm)贡献，主要是因为微团聚体受到的破损干扰较小，对有机碳具有良好的保护效果，有机碳在微团聚体中不易被分解[15]。也有研究表明，土壤大团聚体有机碳含量高于微团聚体[16-18]，其原因在于大团聚体是来自微团聚体经菌丝和植物根系的聚合效果而形成，大团聚体中的有机碳状态活跃程度较高。因此，探究长期种植对团聚体结构与有机碳累积之间的影响具有重要意义。

作为国家地理的标志性产品，砀山酥梨的种植有着数千年的悠久历史，到目前为止，砀山酥梨的产业体系已经成为当地的主要经济来源，年加工能力达120万吨，产品销往美国、新西兰等20多个国家[19]。目前，国内对于长期的农田连作研究较为深入，而对于长期梨园种植对土壤结构稳定性，以及梨园土壤团聚体与有机碳的相关性研究还尚未见有报道。因此，本研究以砀山梨园土壤样品为研究对象，研究长期梨树种植土壤团聚体结构及其对土壤碳累积的影响，可以弥补砀山地区梨园生态系统中土壤结构和有机碳固持等方面研究的不足，旨在为砀山梨园的合理管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域选择在安徽省宿州市砀山县，砀山县位于安徽省的北部，地处暖温带半湿润季风气候区，年平均气温14 ℃，年平均降水量约773.6 mm，气候温和，日照充足，无霜期长。本试验所采样梨树土壤位于砀山县良梨镇梨树王园区(34°25′N，116°31′E)，土壤类型为黄壤砂土，所种植的梨树品种均为酥梨，园区梨树种植执行统一施肥、人工授粉、除病虫害管理。研究区种植梨树前的土地使用方式为农田，所种作物为小麦，休耕2 ～ 3 a后开始种植梨树。研究区以百龄以上的梨树为主，所占面积约67 000 m2，幼龄梨树(10 ～ 60 a)所占面积约8 000 m2。研究区土壤基本理化性质如下：土壤pH 7.82(土︰水=1︰2.5)、有机质12.71 g/kg、全氮0.77 g/kg、全磷0.84 g/kg、有效磷8.75 mg/kg、速效钾104.39 mg/kg、土壤容重1.35 g/cm3。

1.2 土样采集与分析

样品采集于2020年7月，通过查阅资料和与当地种植管理人员的询问调查，选择研究区内梨树种植10、20、30、50、60、100、150、200、240、250、280、300 a共12个年限的样地，根据梨园年限的实际情况并遵循科学原则，按照每个年限共取回56份土壤样品，同时选择临近的农田为对照样地。为了减少采样误差，所有研究样地选择地形条件、土壤类型均比较接近的区域。采样选择树体大小、树势基本一致的代表性梨树，避免梨树相互距离太近的干扰，所采集土壤样品的梨树间距在20 m以上，并且避开施肥点。以梨树为中心设置2 m × 2 m的正方形区域，在对角线上取点，每株以对角线方向距树干1 m设置4个采样点，去掉表层土壤与杂草，每点挖取0 ～ 20 cm深度的土壤，土样采用四分法进行均匀混合取对角两组作为一个土壤样品，避免挤压，放入自封袋内带回实验室进行自然风干并挑拣出植物残体和石块，保留筛分团聚体的土壤样品后，将其余土样磨碎过筛后保存用于测定。

土壤水稳定性团聚体粒径组分分离采用湿筛法[6]进行。具体方法为：称取风干土块100 g，按照土块自然裂隙掰成1 cm左右大小的土块，将其放置由0.053、0.25、0.5、1、2 mm合成的套筛的顶处(2 mm处)，使土块全部浸入到液面以下，静置5 min后用团粒结构仪(TPF-100)以30 r/min的速度进行筛分5 min。筛分结束后，将每粒径筛上的团聚体冲洗到烧杯中，获得>2 mm、1 ～ 2 mm、0.5 ～ 1 mm、0.25 ～ 0.5 mm、0.053 ～ 0.25 mm、<0.053 mm的水稳性团聚体。然后对烧杯中的团聚体在60 ℃下进行烘干、称重，由此可获得各种粒径团聚体的成分含量，将各组分团聚体保留用于团聚体组分粒径有机碳的测定，土壤有机碳测定采用高温外热重铬酸钾氧化法。

团聚体对有机碳贡献率计算公式如下：

贡献率=(1)×(1)×100/(2)

式中：(1) 为某粒径层级土壤团聚体中有机碳含量(g/kg)；(1)为该粒径层级团聚体的含量(g/kg)；(2)为该样品土壤的总有机碳含量(g/kg)。

1.3 数据统计方法

使用软件Microsoft Excel 2015对数据进行初步处理，使用SPSS软件(Ver.25，2017)对数据进行单因素方差分析和相关分析，使用Sigma Plot 14.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 梨园长期种植土壤团聚体分布特征

在团聚体组分中，>0.25 mm的团聚体粒径组分称之为大团聚体(macro-aggregate)，<0.25 mm的团聚体粒径组分称之为微团聚体(micro-aggregate)[4]。由表1可知，梨园土壤以>2 mm粒径团聚体为主，占30.6%，随着梨树种植年限的增加，>2 mm粒径团聚体整体上呈先增加后下降的趋势，在种植150 a处含量达到最大值576.2 g/kg，较对照农田提高了173.3%。种植年限较短(10 ～ 50 a)的梨园土壤中>2 mm团聚体的含量显著低于长期种植的土壤(<0.05)。粒径在1 ～ 2 mm，0.5 ～ 1 mm和0.25 ～ 0.5 mm的团聚体均呈现出和 >2 mm团聚体相对一致的规律性。随着梨园种植树龄的增加，土壤中的水稳性大团聚体(>0.25 mm)含量表现出先增加后降低至稳定趋势，于种植150 a处取得最大值798.8 g/kg，相较10 a梨龄处土壤提高了69.8%，自种植200 a之后的土壤大团聚体含量无显著差异。而微团聚体(<0.25 mm)的数量随着梨树种植年限增加呈降低趋势，在0.053 ～ 0.25 mm组分中，种植10 ～ 50 a梨园土壤的含量显著高于其他年限样品，种植年限较长的各梨园土壤之间无显著性差异；在<0.053 mm组分中，除种植年限20 a梨园土壤外，其他年限土壤含量均显著低于对照农田的含量(318.3 g/kg)。

表1 不同种植年限土壤水稳态团聚体粒径分布(g/kg)

注：表中数据为平均值±标准误；同列数据小写字母不同表示同一粒径团聚体不同种植年限土壤间差异达0.05显著水平；农田为梨园土壤样品对照；下同。

2.2 梨园长期种植土壤团聚体中有机碳分布特征

由表2可知，全土的有机碳含量随着种植年限的增加而表现出先上升后下降至稳定状态，在种植150 a处显著高于其他年限。随着粒径的不断减小，10 ～ 300 a的梨园土壤团聚体组分中的有机碳含量均表现出先增加后降低的变化趋势，在1 ～ 2 mm粒径组分中含量最高，微团聚体(<0.25 mm)中有机碳含量最低。不同种植年限对土壤团聚体内有机碳分布有显著影响，梨园土壤各粒径组分有机碳含量均在种植150 a取得最大值，对照土壤团聚体组分的有机碳有显著升高(<0.05)。梨树种植初期(20 a和30 a)，各粒径中有机碳含量都较低，随着梨园年限的增加，>2 mm和1 ～ 2 mm两个大团聚体组分内有机碳含量变化显著(<0.05)，呈增加趋势。对于>2 mm粒径团聚体，有机碳含量在种植150 a取得最大值13.3 g/kg，相较于对照农田和10 a梨园土壤分别提高了104.6%和54.7%；对于1 ～ 2 mm粒径团聚体，种植150 a土壤有机碳含量最高达到16.0 g/kg，相较于对照农田和10 a梨园土壤分别提高了88.2% 和138.8%。而在其他粒径较小的组分中，有机碳含量分布随种植年限的变化不显著。不同粒径团聚体中有机碳的分布于种植250 a处分布最均匀，极差值达到3.8 g/kg；而种植200 a处分布范围最广，极差值达到1.03 g/kg。

表2 全土和不同粒径团聚体内有机碳含量(g/kg)

由图1可知，除对照农田外，所有种植年限的梨园土壤团聚体对有机碳贡献率均是大团聚体(>0.25 mm)高于微团聚体(<0.25 mm)。随着种植年限的增加，梨园土壤微团聚体对有机碳的贡献率呈现逐渐下降的趋势，梨树种植初期(10 a和20 a)，微团聚体对有机碳的贡献率显著高于其他年限(<0.05)，分别达到56.46% 与58.26%，之后呈逐渐下降的趋势，这主要是由于微团聚体含量随着种植年限的增加而下降的缘故；梨园长期种植，即种植200 a后的微团聚体对有机碳贡献率无显著变化，呈稳定趋势。大团聚体对有机碳的贡献率显著高于微团聚体，贡献率为68.06% ～ 98.78%，相较农田土壤(39.76%)贡献率提高28.3% ～ 59.02%，其中种植100 a处取得贡献率最大值达到98.78%。梨园种植初期(10 ～ 50 a)，大团聚体对有机碳的贡献率波动较大，然后逐渐趋于稳定，种植年限达100 a后的大团聚体对有机碳的贡献率无显著差异。

2.3 土壤大团聚体与有机碳变化特征

由表3可知，土壤大团聚体(>0.25 mm)含量与总有机碳含量之间存在极显著的正相关关系(<0.01)，而土壤微团聚体(>0.25 mm)含量与总有机碳含量之间存在极显著的负相关关系(<0.01)。

(图中小写字母不同表示不同种植年限土壤间差异达P<0.05显著水平，下图同)

表3 土壤总有机碳含量与团聚体含量的相关性

注：**表示相关性达<0.01显著水平。

由图2可知，随着种植年限的增加，梨园土壤有机碳含量和大团聚体含量有着相同的动态变化趋势，均表现出先增加后降低至稳定状态，二者在种植150 a处取得最大值，有机碳含量达到10.8 g/kg，相较于对照农田土壤显著提高了41.7% (<0.05)；土壤大团聚体含量达到798.8 g/kg，相较于对照农田土壤提高了45.3%。这可能是由有机质含量变化导致，有机质作为土壤团聚体组成中良好的胶结物质，其含量变化影响着土壤微团聚体聚合为大团聚体的过程，从而使团聚体为有机碳良好的贮存累积提供了较稳定的环境。梨园种植初期，土壤大团聚体和有机碳含量有明显上升趋势，土壤大团聚体含量在种植10 a处取得最小值；土壤有机碳含量在20 a处取得最小值，且与10 a处有机碳含量无显著性差异。种植200 a后的大团聚体含量与有机碳含量均无显著性差异变化。土壤种植年限的增加主要提升了种植50 ～ 150 a处的结构稳定性。

图2 不同种植年限土壤有机碳含量与大团聚体含量变化

3 讨论

3.1 梨园长期种植对土壤团聚体粒径组分的影响

土壤团聚体是植物稳定生长发育的基础，通常将土壤团聚体中高富含>0.25 mm的团聚体组成认为是较稳定的结构。土地的开垦翻耕等人为方式会破坏原生态土壤已形成的稳定的团聚体结构[20]，但是随着作物的长期种植会对土壤的团粒组织有新一层次的聚合效果。刘晓利和何园球[21]通过对荒地开垦为旱地、水田和菜园的团聚体组成研究指出荒地开垦会破坏土壤结构，随着种植年限的增加，土壤大团聚体含量组成会不断上升，较长年限处的大团聚体含量会逐渐高于对照农田土壤的状态，并且在最长100 a处取得最大值。本试验中选取的较短年限(10 ～ 50 a)土壤的大团聚体含量随着年限增加而增加(图2)，但均属于年限较短的幼龄梨树团聚体结构稳定性较差，其大团聚体含量均低于对照土壤；随着种植年限的增加，在种植150 a处取得最大值798.8 g/kg (表1)，并且自种植100 a开始梨树土壤的大团聚体含量高于对照农田(图2)，这与上述研究结果一致，这主要是因为随着园区种植梨树数量与年限的增加，土壤中根系生长繁密，大大增加土壤的抗蚀性，并且植物根系的分泌物可以促进土壤团聚体的聚合过程，防止水土流失。随着种植年限的增加，日益深邃的梨树根系对于改善土壤环境起到十分关键的作用。

本研究中种植年限150 ～ 300 a处土壤中大团聚体开始表现为先下降后趋于稳定状态(图2)，目前有关种植年限的土壤研究还未达到300 a的土壤样品，其大团聚体自150 a处下降可能是因为老龄梨树土壤有机质含量下降影响，作为土壤团聚结构的凝结物质，有机质是土壤结构形成的关键因子，其分布与组成影响着土壤的团聚结构[22]。而种植200 a后梨树土壤大团聚体含量变化保持稳定状态，通过对研究区管理措施的研究而知，可能是因为多年定期的修剪枝叶与打药除草，加之梨园游客的踩踏行为，会导致土壤缝隙减小、聚合度高而至紧实度增加，其中对于老龄梨树更是表现较为明显，这些因素导致老龄梨树的大团聚体含量保持稳定。

3.2 梨园长期种植对土壤有机碳含量的影响

随着荒地的开垦，梨树的种植参与土壤结构的破损与重建。梨树王园区的种植管理均有着规范的施肥和园林处理措施。在本研究中，随着种植年限的增加，土壤总有机碳含量均表现出先上升后下降的趋势，在150 a处取得最大值10.8 g/kg(图2)，显著高于其他种植年限(<0.05)，这可能是因为在梨园生态环境系统中种植150 a 的梨树属于黄金时期的壮龄梨树，梨树的营养生长与生殖生长过程相对平衡旺盛，枝繁叶茂的梨树生长必然伴随着大量枯枝落叶的还土过程，从而导致土壤的肥力增加，使得土壤有机碳维持在一个较高的水平。种植10 ～ 20 a的土壤有机碳含量显著小于农田土壤(<0.05)，这主要是因为幼龄梨树的种植破坏了未开垦土壤原有的稳定团聚体结构，不利于碳组分的固持效果，使得有机碳含量的大量损失，并且幼龄梨树的生长龄较短，梨树生长主要在增加体内营养物质积累，对土壤中的养分汲取程度较高，并且枯落物较为稀少，综合导致土壤有机碳含量较低。随着梨树种植年限的增加，植物根系通过与微生物的共生效应而进行养分的吸收，从而导致有机碳含量逐渐地恢复升高[23-24]。自种植年限150 a后土壤有机碳含量呈下降趋势(图2)，这可能是因为土壤有机碳含量变化同时依赖于外界的输入和系统循环的输出作用[25]，在幼龄和壮龄期的梨树会给予充分的肥料供应水平，自种植200 a后的梨树已属老龄梨树，躯干组织已无明显变化状态，果园管理过程中，追肥明显少于幼龄梨树，200 a后的土壤有机碳含量处于相对较高水平，其原因可能在于高龄多年的落叶等有机物的回归土壤导致。李志军[9]通过对新疆南部果园的有机碳研究得出：土壤有机碳含量随着种植年限的增加而表现出先上升后下降的趋势，盛果期的果树土壤有机碳含量取得最大值，高于老龄期和幼龄期。本试验的研究结果与此保持一致。

3.3 土壤团聚体结构在有机碳含量变化过程中的作用

土壤大团聚体的形成，主要依赖于团粒结构胶结物质的聚合作用，有机质作为关键的结构支点接连着不同的团粒组织。李景等[26]通过对河南豫西地区长期耕作试验地为研究对象，探究团聚体与有机碳的含量变化指出土壤中有机碳含量的变化与水稳性大团聚体的含量呈现出正相关的关系。本试验中，依据图2可知随着种植年限的增加，土壤有机碳含量与水稳性大团聚体含量的变化趋势保持一致状态，均在种植150 a处取得最大值，这与上述研究结果一致。大团聚体与有机质的相辅相成，是形成土壤良好肥力基础的重要关节，稳定的土壤结构对于土壤碳库的保持效果显著[25]。

团聚体各粒径土壤有机碳含量分布随着种植年限变化，150 a处的有机碳含量在各粒径层级中均为最高(表2)，这主要是因为150 a处土壤总有机碳含量显著高于其余各年限(<0.05)，加上大团聚体含量在150 a处取得最大值，二者综合影响。陈晓芬等[27]通过研究不同施肥处理对水稻土团聚体和有机碳的影响得出在不同施肥情况下团聚体1 ～ 2 mm组分的有机碳含量最高，并且有机碳主要由大团聚体贡献。易亚男[28]通过对湖南红壤水稻团聚体及有机碳组分研究得出土壤有机碳主要分布在大团聚体处，且有机碳含量从大团聚体到微团聚体的过程中逐步减少。Six等[13]的研究也表明颗粒中的有机碳含量与大团聚体的有机结合碳之间有明显的正相关关系。本试验中测得团聚体有机碳含量在1 ～ 2 mm粒级中取得最大值(表2)，<1 mm后随着粒径的减小有机碳含量也在逐步减小，团聚体有机碳含量主要分布在大团聚体处。同时根据图1贡献率分析可知，大团聚体是有机碳的主要贡献源，大团聚体对有机碳的贡献率与土壤大团聚体含量变化基本保持一致，种植年限对于团聚体中有机碳含量的影响主要是通过影响土壤大团聚体与微团聚体组成差别导致。微团聚体贡献率随着年限的增加而下降，主要是因为微团聚体含量占比组成减少导致，所采集的梨园土壤样品有机碳贡献率微团聚体均低于大团聚体，这与李玮等[15]、王兴等[20]的研究结果一致。这主要是因为大团聚体是由微团聚体通过菌丝与植物根系聚合形成，微团聚体被认为是有机碳贮存的良好场所，长期种植年限的梨树在恢复过程中通过胶结物质的作用下可以促进土壤微团聚体的大量结合而成大团聚体，提升对有机碳的保护效果，以及随着种植年限推移，团聚体的稳定性效果增加，综合导致大团聚体中贮存的有机碳含量较高[29]。种植10 a的土壤<0.053 mm粒径团聚体有机碳含量较高(表2)，可能是因为种植10 a的土壤团聚体结构稳定性较差，微团聚体占比52.96%(表1)，并且种植年限10 a的土壤有机碳含量较低，为4.76 g/kg(图2)，大部分土壤组织颗粒在水的分解作用下脱离原有的聚合组织，导致<0.053 mm粒径处的黏粒含量较高，容易形成有机碳复合体。

4 结论

1)梨园的长期种植可以有效提升土壤大团聚体的占比组成，土壤大团聚体含量随着种植年限的增加而表现出先上升后略有下降并趋于稳定，在150 a处取得最大值，达到798.8 g/kg。

2)随着梨园种植年限的增加，土壤碳固持能力增加，团聚体有机碳含量均在150 a处取得最大值，团聚体对有机碳的贡献率主体为大团聚体，种植年限梨树土壤大团聚体对有机碳的贡献率为68.06% ～ 98.78%，而微团聚体的贡献率随着年限的增加而下降，梨园的长期种植促使有机碳从微团聚体向大团聚体分配。

3)土壤大团聚体含量与有机碳含量之间呈极显著的正相关性，良好的土壤团聚体结构有利于土壤有机碳的累积。梨园种植对于改善土壤结构、增加土壤碳储量有促进作用。

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Aggregate Composition and Organic Carbon Distribution in Long-term Pear Planting Soil

GUO Hongxin, SUN Chongyu*, SUN Liqiang, BAO Xianming, HONG Xiuping

(College of Life Science, Huaibei Normal University, Huaibei, Anhui 235000, China)

In order to explore aggregate structure of long-term pear planting soil and its effect on soil organic carbon, pear planting soils in Liangli Town, Dangshan County, which has a total of 12 years from 10 to 300 years, were used as the research object, and the farmland soil near pear orchard was used as a control. Soil aggregate size distribution (0–20 cm), organic carbon contents in soils and aggregates were studied in order to explore the correlation between soil aggregates and organic carbon for long-term pear planting. The results showed that with the increase of planting years, the content of soil macro-aggregates (>0.25 mm) increased first, then decreased slightly and tended to stabilize, reached a maximum value (798.8 g/kg) in 150 years. The contents of soil total organic carbon and organic carbon of macro-aggregates significantly increased by 1.45 times and 2.24 times respectively compared with the control (<0.05), while organic carbon content of micro-aggregates (<0.25 mm) decreased significantly. Soil organic carbon was mainly contributed by large aggregates, with the contribution rate of 68.06%–98.78%, which was 28.3%–59.02% higher than that of control (39.76%). The contribution rate of micro-aggregate decreased with year, indicating that the long-term pear planting promoted the distribution of organic carbon from micro-aggregate to macro-aggregate. There was a significant positive correlation between the contents of macro-aggregates and organic carbon (<0.01), and they all increased first and then decreased to a stable trend with year. It shows that pear planting is beneficial to improve soil structure and increase carbon sequestration potential of the soil.

Pear planting; Soil aggregate; Organic carbon distribution; Contribution rate

S152.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.019

郭鸿鑫, 孙崇玉, 孙立强, 等. 长期梨树种植土壤团聚体组成及有机碳分布特征. 土壤, 2022, 54(2): 351–357.

国家自然科学基金项目(41902172)、安徽省高等学校科学研究一般项目(KJ2020B19)和安徽高校科研平台创新团队项目(KJ2015TD001)资助。

(sunchongyu01@163.com)

郭鸿鑫(1998—)，男，安徽淮北人，硕士研究生，主要从事土壤生态研究。E-mail: 1397136067@qq.com