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文檔簡介

1、基于主成分分析法研究維科生物制劑的施用對葡萄果實品質的影響摘 要:本試驗通過對三個不同品種的葡萄(醉金香、夏黑和紅不拉多)施用維科生物制劑,并對其單果重、果形指數、可食率、可溶性固形物、可滴定酸、維生素C、總酚等10個主要果實品質指標進行了測定,用于研究維科生物制劑對葡萄品質性狀的影響。初步研究結果表明,維科生物制劑能夠增加葡萄果實的單果重和提高葡萄果實的品質。通過主成分分析法(PCA)對不同品種葡萄的品質指標進行評價。主成分分析結果表明,10個果實品質指標的3個主成分特征值的累積貢獻率達96.33%,可反映葡萄品質的絕大部分信息。運用以上3個主成分構建數學模型,得到三個不同品種葡萄果實品質的

2、綜合評價優(yōu)劣排序是:夏黑高濃度組醉金香高濃度組夏黑低濃度組紅不拉多高濃度組醉金香低濃度組紅不拉多低濃度組夏黑對照組醉金香對照組紅不拉多對照組;將試驗組別因素統一考慮后,高濃度組優(yōu)于低濃度組,對照組最差。本研究為科學培植高質美味的水果作物打下堅實的基礎。關鍵詞:維科生物制劑;葡萄;果實品質;主成分分析Investigate the effects of applying WIC natural biologic on the quality of grapes by using Principal Component AnalysisAbstract:In this experiment, we

3、 used the powder and liquid of WIC natural biologic to plant three species of grapes(zuijinxiang, xiahei, hongbuladuo). And investigated the effects of WIC on the yield and quality of grapes by measuring the 10 typical indicators, such as single fruit weight, fruit shape index, edible rate, tot

4、al soluble solids, titratable acid, vitamin C, total phenols. The results indicated that, WIC could really increase the yield and quality of grapes. Evaluating different qualities of grapes was analyzed by principal component analysis (PCA). PCA results showed that, the cumu

5、lative contribution rate of three main components eigenvalues in the 10 typical indicators reached 96.33 %, which could reflect the vast majority of information for quality of grapes. We got the comprehensive evaluation order of the three quality of grapes from the mathematical model built by the th

6、ree main components above, which was: high concentration of xiahei > high concentration of zuijinxiang > low concentration of xiahei > high concentration of hongbuladuo low concentration of zuijinxiang > low concentration of hongbuladuo control group of xiahei control group of zuijinxian

7、g control group of hongbuladuo. After considering the factors of different groups, high concentration was better than low concentration and control group was worst. This study can provide a foothold for planting fruits with high-quality and good taste.Key words: WIC Natural Biologics; grape; fr

8、uit quality; principal component analysis中圖分類號:TS255.1 文獻標志碼:A在新的時代背景下,隨著社會的發(fā)展和技術的進步,人們的生活水平不斷提高,食品消費也從注重數量向注重質量轉變。優(yōu)質水果在飲食生活中的所占比例日益上升,特別是具有強抗衰老作用的葡萄作為世界上栽培最早、分布最廣的水果之一1,受到廣大消費者的普遍歡迎。近年來我國對于葡萄及其加工產品的消費量越來越大,人們對葡萄品質的要求越來越高2。因此提高葡萄的單果重以及改善葡萄的品質具有很重要的意義。維科生物制劑是一種以甜葉菊為主要原料的新型天然生物制劑3。它是集多糖、多酚、多種微量維生素和微量元

9、素的綜合天然植物制劑;對改良土壤,改善農作物的品質有良好的效果4。甜葉菊是原產于南美洲巴拉圭的一種菊科植物5,目前國內外對甜葉菊的研究主要是關于其糖甙的提取純化和應用6,以及其生物發(fā)酵制劑抗氧化活性的研究7,8。另外國內一些研究人員將甜葉菊作為飼料添加劑9和煙草專用肥10,用于探索甜葉菊對動物的生長效果、烤煙生長影響等。而到目前為止,我國將甜葉菊運用到水果、蔬菜以及農作物種植上僅有洪怡藍一人3,洪怡藍的實驗結果表明維科生物制劑不僅能夠提高水果、蔬菜和農作物的最終產量,而且能夠改善其品質。主成分分析法(principal component analysis, PCA)是通過尋找一組變量的若干個

10、線性組合來盡可能充分地解釋這組變量的方差和協方差結構(即整體變異信息),以達到簡化數據的目的,可用于不同樣本的定性分析11,12、定量建模等方面。主成分分析法作為優(yōu)良的多元統計算法,在食品分析、生物檢測等各個領域已經得到廣泛應用13,14。張瑞蓮15等人將主成分分析法運用到不同工藝原料茶制成茶飲料的過程中,準確篩選出最佳原料茶制作工藝及技術參數。張強16等人已經將主成分分析應用于茶淀玫瑰香葡萄的品質評價。Violeta Ivanova-Petropulos等人運用主成分分析法分析馬其頓葡萄酒中酚類和抗氧化活性物質17。本試驗對不同品種葡萄施用維科生物制劑的顆粒與液體,以確定維科生物制劑在種植過

11、程中對葡萄植株生長以及葡萄果實品質的作用。據我們所知,目前國內還沒有關于使用維科生物制劑種植葡萄的報道。試驗中,對葡萄果實的物理指標和品質指標進行測定,以主成分分析法進行數據處理,旨在找出對“葡萄高品質”貢獻顯著的指標,為今后進一步評價葡萄品質提供理論指導,并找到一種新型的,廣譜型的,安全的,無化肥污染的能保證食品源頭安全的適合于優(yōu)質果樹栽培的新型農法。1 材料與方法1.1 材料與試劑維科生物制劑由日本維科株式會社提供。供試葡萄品種為醉金香、夏黑和紅不拉多三個品種的葡萄,于2014年8月9日采于江蘇省南通市愛久發(fā)展有限公司。葡萄園栽培和管理措施、品種和生長年限一致,每個葡萄品種采樣點6個,從各

12、個方位隨機采摘果穗,裝入樣品袋中立即帶回實驗室進行試驗。氫氧化鈉、酚酞、草酸、抗壞血酸、2,6-二氯酚靛酚、碳酸氫鈉、無水碳酸鈉、甲醇、無水乙醇、焦性沒食子酸和olin-Ciocalteu,試劑均為分析純,購于上海國藥集團化學試劑有限公司。1.2 儀器與設備ALC-210.4電子分析天平 上海精密儀器儀表有限公司;DD7-A型馬弗爐 上海滬粵明科學儀器有限公司;ATC-0-32型折光儀 上海天壘儀器儀表有限公司;HSS-11-6電熱恒溫水浴鍋 上海滬粵明科學儀器有限公司;8012 0-150 mm游標卡尺 上海賽拓五金工具有限公司;GZX-9146 MBE數顯鼓風干燥箱 上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)

13、療設備廠;SK5210HP超聲波清洗儀 上海科導超聲儀器有限公司;80-5微電腦離心機 江蘇國華電器有限公司;I10/10G組織勻漿機 上海依肯機械設備有限公司;SHZD()型循環(huán)水真空泵 杭州明遠儀器有限公司;UV-3000PC型紫外分光光度計 上海尤尼柯儀器有限公司。1.3 方法1.3.1 種植方法本試驗分為對照組和試驗組,試驗組又分為高濃度組和低濃度組。其中對照組實施常規(guī)葡萄生長的施肥、灌溉等操作,具體種植技術根據試驗園區(qū)的常規(guī)種植技術決定。高濃度組于2014年5月15日對每株葡萄植株根部周圍施用120g 的顆粒;在完成顆粒施用后,將維科生物制劑液體稀釋300倍,每株噴灑1400ml稀釋

14、液,于2014年6月10日進行葉面噴灑;自坐果穩(wěn)定至收獲前,根據實際肥料使用情況,將維科生物制劑液體稀釋1000倍,每株噴灑900ml,對試驗組進行3次葉面噴灑,分別于2014年6月20日、7月5日和7月20日進行噴灑;其它種植技術與對照組相同。濃度組設計為用80g的顆粒播撒于每株葡萄植株根部周圍;在完成顆粒施用后,將維科生物制劑液體稀釋300倍,每株噴灑900ml稀釋液;自坐果穩(wěn)定至收獲前,根據實際肥料使用情況,將維科生物制劑液體稀釋1000倍,每株噴灑600ml,對試驗組進行3次葉面噴灑;其它種植技術與對照組相同,所有噴灑時間均與高濃度組相同。1.3.2 果實品質測定方法單果重的測定采用電

15、子分析天平直接測定;橫徑和縱徑的測定采用游標卡尺直接測定;果形指數是縱徑與橫徑之比;可食率是果實可食部分重量與果實單果重之比;水分含量的測定參照GB5009.32010食品中水分的測定的直接干燥法;灰分含量的測定參照GB5009.42010食品中灰分的測定;可溶性固形物含量測定參照GB12295-1990水果、蔬菜制品可溶性固形物含量的測定;可滴定酸含量測定采用NaOH酸堿中和滴定法測定;固酸比是指可溶性固形物和可滴定酸的比例;維生素C含量的測定采用2,6-二氯酚靛酚滴定法測定;總酚含量的測定參照洪怡藍18的測定方法。1.4 數據分析方法葡萄果實品質以隨機樣品測定的平均值進行分析。本文評價三種

16、不同品種葡萄果實品質所涉及到的可滴定酸和果形指數均為負指標,取其倒數將其轉化為正向指標19。以單果重(X1)、果形指數(X2)、可食率(X3)、水分(X4)、灰分(X5)、可溶性固形物(X6)、可滴定酸(X7)、固酸比(X8)、維生素C(X9)和總酚(X10)構建數據矩陣,因為各變量的單位不同,或者單位相同但變量間的數值大小相差較大時,需要將各原始變量做標準化處理,以便消除變量間的量綱關系,使數據具有可比性。應用SPSS19統計分析軟件對數據進行主成分分析,確定實驗葡萄品質評價的指標類別個數,對試驗葡萄品質評價的指標進行分析。2 結果與分析2.1 不同品種葡萄果實品質指標分析三種不同品種葡萄主

17、要果實品質指標測定結果見表1,表中基本上反應了不同品種葡萄品質基本指標。表1 三種不同品種葡萄果實品質成分含量Table1 The quality ingredients of three species of grapes葡萄品質醉金香夏黑紅不拉多高濃度組低濃度組對照組高濃度組低濃度組對照組高濃度組低濃度組對照組單果重(g)7.34*7.096.056.276.235.967.036.836.09果形指數1.171.161.141.151.131.121.141.131.13可食率(%)76.7876.2074.6878.5576.8374.5584.6284.3482.29水分(%)84.

18、32*84.5185.0883.18*83.3583.9085.1385.6486.07灰分(%)0.500.520.460.750.740.710.570.540.52可溶性固形物(%)15.67*15.47*14.9316.67*16.5316.0014.67*14.33*13.73可滴定酸(%)0.210.24*0.290.180.24*0.290.18*0.18*0.24固酸比(%)74.62*64.46*51.4892.61*68.88*55.1781.5079.61*57.21維生素C(mg/100g)10.82*10.71*9.8213.84*13.67*12.1414.23*1

19、3.8911.73總酚(%)4.35*4.343.603.97*3.90*3.243.13*3.092.49注:用t檢驗法進行分析。同一葡萄品種的高濃度組、低濃度組與對照組分別相比,*表示差異極顯著(p0.01),*表示差異顯著(p0.05)。表2為三種不同品種葡萄品質的增長率。試驗結果表明對不同品種的葡萄施用維科生物制劑,葡萄果實的單果重有一定程度的增長,三個品種的葡萄高濃度組相對于對照組單果重的增長率為21.32%、5.2%和15.44%,同時低濃度組的增長率是17.19%、4.53%和12.15%,從單果重的增長率可以看出,高濃度組的增長率高于低濃度組,這表明對葡萄施用維科生物制劑能夠促

20、進試驗組葡萄單果重的增加,而且高濃度組的增長率僅分別高出低濃度組4.13%、0.67%和3.29%,且高濃度組和低濃度組的指標不存在顯著性差異,這表明高濃度組和低濃度組對于葡萄單果重影響效果相近。因此,從節(jié)約成本的角度看,低濃度組更適用于實際的種植過程。洪怡藍3對藍莓、雞毛菜和水稻施用維科生物制劑,試驗結果表明,維科生物制劑的施用能夠增加藍莓、雞毛菜和水稻的總產量;董越勇20將含甜葉菊甙葉面肥料施用于春大豆、秋大豆和西瓜等農作物進行試驗,結果表明春大豆、秋大豆和西瓜分別增產7%、11%和13%,與本試驗結果相一致。葡萄果實的風味品質指標也有一定程度的增長。相對于對照組,高濃度組的固酸比分別增長

21、44.96%、67.86%和42.46%,低濃度組分別增加25.21%、24.85%和39.15%;維生素C高濃度組增長率是10.18%、14%和21.31%,低濃度組增長率是9.06%、12.6%和18.41%;總酚高濃度組增長率是20.83%、22.53%和25.7%,低濃度組增長率是20.56%、20.37%和24.10%;這些風味品質指標的增長說明了對葡萄施用維科生物制劑能夠改善不同品質葡萄的風味品質。同時,我們可以看出,試驗高濃度組對于改善葡萄的品質略高于試驗低濃度組,但高濃度組和低濃度組的指標之間不存在顯著性差異。因此,在實際種植過程中,建議選擇低濃度組維科生物制劑的濃度。早在19

22、83年日本宮本久對果樹噴灑涂抹甜菊提取物,試驗結果表明試驗區(qū)比對照區(qū)果實肥大,含糖量增加,酸味降低21;洪怡藍3對藍莓和雞毛菜施用維科生物制劑的試驗結果表明,維科生物制劑的施用能夠增加其可溶性固形物、多酚等風味品質指標的含量,這些試驗結果與本文得到的實驗結果相同。表2 三種不同品種葡萄品質增長率Table2 The increasing rate of the quality of three species of grapes增長率(%)醉金香夏黑紅不拉多高濃度組低濃度組高濃度組低濃度組高濃度組低濃度組單果重21.3217

23、.195.204.5315.4412.15果形指數2.631.752.680.890.880可食率2.812.045.373.062.832.49水分-0.89-0.67-0.86-0.66-1.09-0.50灰分8.7013.045.634.239.623.85可溶性固形物4.963.624.193.316.854.37可滴定酸-27.59-17.24-37.93-17.24-25.00-25.00固酸比44.9625.2167.8624.8542.4639.15維生素C10.189.0614.0012.6021.3118.41總酚20.8320.5622.5320.3725.724.10注

24、:高濃度的增長率表示試驗高濃度組相對于對照組的增長率,同理低濃度的增長率表示試驗低濃度組相對于對照組的增長率。2.2 不同品種葡萄果實品質主成分分析葡萄果實品質的構成指標較多,不同的品質指標之間存在著密切的相關性和相對獨立性。對試驗的葡萄主要品質指標,應用SPSS19中的主成分分析,選擇出葡萄品質評價的主要因子22。將試驗得到的葡萄品質指標進行主成分分析,他們之間的相關系數矩陣請見表3。兩個指標之間聯系系數的絕對值越大,則這兩個指標之間的聯系越緊密23。表3中可以看出可滴定酸和固酸比相關系數絕對值0.968,相對其它值是最大的,說明可滴定酸和固酸比之間有著較大的相關性;而可食率和果形指數相關數

25、絕對值0.018,相對其它值是最小的,說明總酚和灰分之間相關性最差。指標間相關系數的絕對值大于0.5,表明各品質性狀之間有較強相關性24。由表3可知,單果重和總酚,可食率和可滴定酸、固酸比、維生素C,灰分和可溶性固形物、固酸比、維生素C,可溶性固形物和總酚,可滴定酸和固酸比、維生素C,固酸比和維生素C,呈一定程度的正相關關系;單果重和果形指數,果形指數和總酚,可食率和可溶性固形物、總酚,水分和灰分、可溶性固形物,呈一定程度的負相關關系。表3 三種不同品種葡萄品質性狀間的相關系數矩陣Table3 The correlation matrix of grapes of thre

26、e speciesX1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11.000X2-0.8101.000X3-0.119-0.0241.000X40.369-0.2630.4711.000X5-0.3840.1100.208-0.6821.000X6-0.043-0.235-0.527-0.8730.6041.000X70.136-0.3660.8190.3240.384-0.2101.000X80.120-0.4390.7170.1080.5430.0370.9681.000X9-0.2780.0380.713-0.1700.8150.1230.7600.8081.000X100.57

27、6-0.721-0.621-0.375-0.0180.702-0.223-0.051-0.3511.000注:表中加粗的數據表示相關系數的絕對值0.5。根據主成分分析的理論,若前R個主成分分析的累積貢獻率達85%,則這R個主成分能反映足夠的信息16。通過對不同品種葡萄10個品質性狀的主成分分析,可以確定3個主成分,累計貢獻率見表4為96.33%,從而可用3個彼此不相關的綜合指標分別綜合存在與原有的10個葡萄品質指標的各類信息,且各綜合指標代表的信息不重疊。其中第一主成分的特征根為3.554,方差貢獻率為35.54%;第二主成分的特征根為3.363,方差貢獻率為33.63%;第三主成分的特征根為

28、2.716,方差貢獻率為27.16%。表4 主成分的特征根及方差貢獻率Table4 Eigenvalues of principal components and their variance contributions主成分特征根方差貢獻率(%)累計方差貢獻率(%)13.55435.5435.5423.36333.6369.1732.71627.1696.33從表5可以看出,第一主成分以水分、灰分和可溶性固形物的載荷值較大,體現了果實的加工品質和果實風味。第二主成分大小的主要是可滴定酸、固酸比、維生素C以及可食率,反映了果實的風味和營養(yǎng)價值。第三主成分大小的主要是果形指數、單果重和總酚,表明

29、了果實大小、果實形狀和抗氧化活性。這些性狀在葡萄的評價方面起著非常重要的作用,在加工葡萄的過程中要注意對它們的選擇。表5 主成分的特征向量和載荷矩陣Table5 Eigenvectors and loading matrix of principal components葡萄品質第一主成分第二主成分第三主成分特征向量載荷特征向量載荷特征向量載荷單果重-0.081-0.2130.0950.3560.3130.841果形指數-0.003-0.0990.0150.013-0.353-0.958可食率-0.164-0.6030.2310.780-0.042-0.129水分-0.280-0.995-0.

30、012-0.0270.001-0.070灰分0.2420.8080.1060.325-0.196-0.458可溶性固形物0.2780.992-0.001-0.0140.0160.114可滴定酸-0.260-0.0830.2780.9470.0890.266固酸比0.0690.2590.2650.8980.0940.302維生素C0.0700.1990.2710.890-0.154-0.371總酚0.1570.628-0.055-0.1630.2600.739注:表中加粗的數據表示貢獻率較大的品質性狀。由表4可以知道,3個主成分已經基本解釋了葡萄中10種品質性狀的96.33%變異信息,而表5也顯

31、示了這10種品質性狀在三個主成分上的特征向量。因此,根據主成分分析原理,得出3個主成分的線性組合分別為:PC1=-0.081X1-0.003X2-0.164X3-0.28X4+0.242X5+0.278X6-0.26X7+0.069X8+0.07X9+0.157X10PC2=0.095X1+0.015X2+0.231X3-0.012X4+0.106X5-0.001X6+0.278X7+0.265X8+0.271X9-0.055X10PC3=0.313X1-0.353X2-0.042X3+0.001X4-0.196X5+0.016X6+0.089X7+0.094X8-0.154X9+0.260X

32、10式中,X1、X2、X10對應的數據為10類品質性狀經Z-Score標準化后的數值。將第一、第二和第三主成分的方差貢獻率作為權重系數1,2,3,建立葡萄果實品質性狀的綜合評價模型S=1×PC1+2×PC2+3×PC3,計算綜合評價指標的分值S(見表6)。由表6可見,第一主成分中得分最高的是夏黑高濃度組,第二主成分中得分最高的是紅不拉多高濃度組,第三主成分中得分最高的是醉金香高濃度組。9種葡萄果實樣品的主成分綜合得分從高到低排列次序為:夏黑高濃度組醉金香高濃度組夏黑低濃度組紅不拉多高濃度組醉金香低濃度組紅不拉多低濃度組夏黑對照組醉金香對照組紅不拉多對照組。表6 主

33、成分綜合得分表Table6 Comprehensive scores of principal components序號樣品PC1PC2PC3S排名1醉金香高濃度組0.08565-0.229281.876900.463122醉金香低濃度組0.03970-0.681591.286210.134253醉金香對照組-0.44891-1.55886-0.17715-0.731984夏黑高濃度組1.414901.08925-0.006370.867415夏黑低濃度組1.279320.05627-0.601080.310336夏黑對照組0.76783-0.83661-1.27639-0.355177紅不拉

34、多高濃度組-0.700951.32284-0.077970.216948紅不拉多低濃度組-0.996031.14778-0.14424-0.007269紅不拉多對照組-1.44153-0.30980-0.87982-0.85559注:S表示6種葡萄果實樣品的主成分綜合得分。由表7可知,通過比較三個品種葡萄試驗組和對照組的主成分綜合得分(S)后發(fā)現:高濃度組低濃度組對照組,表明統一考慮三個品種葡萄的試驗組別,高濃度組的品質性狀好于低濃度組,對照組最差。從此結果可知,對于這三種施用維科生物制劑的葡萄,施用高濃度的試驗組試驗結果好于低濃度。因此,今后我們可以更進一步證實維科生物制劑對于葡萄的作用,探

35、索最佳施用維科生物制劑的濃度。表7 實驗組別性狀綜合得分排名Table7 Rank of comprehensive scores of traits of different groups試驗組別S排名高濃度組1.54751低濃度組0.43742對照組-1.94253注:S為兩個試驗組別的綜合得分(S= S醉金香+S夏黑+S紅不拉多)。3 結論通過對維科生物制劑種植的三個不同品種葡萄品質的測定,從單果重的增長率可以看出,高濃度組高于低濃度組,這表明對葡萄施用維科生物制劑能夠促進試驗組葡萄單果重的增加,而且高濃度組和低濃度組對于葡萄單果重作用效果相近。并且葡萄果實的風味品質指標也有一定程度的改

36、善,固酸比、維生素C和總酚等指標的增長說明在葡萄生長過程中施用維科生物制劑能夠改善葡萄的風味與品質;同時,高濃度組對于改善葡萄品質的效果優(yōu)于低濃度組。運用主成分的統計方法分析影響葡萄品質的主成分,通過相關性分析對葡萄品質的指標進行研究,篩選出能夠客觀反應葡萄品質的簡化指標,為快速、準確地判斷葡萄品質打下很好的基礎,對今后的葡萄培育工作有很積極的現實意義。通過分析,可以從不同品種葡萄的10個品質因子中提取出三個主成分,獲得葡萄品質累積方差貢獻率是96.33%。將試驗組別因素統一考慮后,高濃度組優(yōu)于低濃度組,對照組最差。根據對葡萄果實品質指標的鑒定結果,完全證實了本文中對葡萄施用維科生物制劑是切實

37、有效的。介于本文中試驗的葡萄品種較少,將來可以對更多的葡萄品種進行試驗;再者試驗對象比較單一,將來可以嘗試不同種類的果樹實驗,以便得到更加普遍的試驗結果。同時需要設置不同濃度的試驗組別,確定既經濟又高效的施用方法。期待在不久的將來能將維科生物制劑運用到各種農作物以及蔬菜的種植上,解決目前不使用農藥,不施用化肥就難以農耕的怪現象。從根本上解決食品源頭安全的問題,讓廣大人民群眾都能享受到綠色安全食品給大家?guī)淼拿牢杜c健康!參考文獻1 朱丹實. 葡萄彩后軟化機制及風味劣變得研究D. 沈陽農業(yè)大學 2014.2 李琛, 劉穎, 等. 貯運環(huán)境對葡萄品質的影響J. 現代食品科技, 2013,29(2):

38、230-235.3 洪怡藍.維科生物制劑抗氧化活性物質的響應面優(yōu)化及其在保障農產品安全上的應用D.上海海洋大學2013.4 馬磊,石巖.甜葉菊的綜合開發(fā)利用J.中國糖科,2009,1:68-70.5 Angela Periche, Georgios Koutsidis, et al. Composition of Antioxidants and Amino Acids in Stevia Leaf Infusions J. Plant Foods for Human Nurtrition, 2014, 69: 17.6 謝捷,劉小景,等.殼聚糖澄清甜葉菊水提取液及其澄清機理探討J.食品科學,2011,32(20):1-6.7 于慧, 王錫昌, 奚印慈. 甜葉菊廢棄物制得生物制劑的抗氧化活性研究J. 食品科學, 2008, 29(8): 65-69.8 奚印慈, 山口敏

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