CN108522060A - 芝麻菜在植物工厂内的种植方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于农业种植领域。芝麻菜在植物工厂内的种植方法，通过红蓝光占比60％‑99％的LED灯具发出的光照射芝麻菜，依次包括以下步骤：播种催芽期、绿化期、根系快速生长期、营养生长预备期、营养生长旺盛期和采收期，在绿化期、根系快速生长期、营养生长预备期和营养生长旺盛期光照交替进行。芝麻菜在植物工厂内的种植方法的优点是种植成本低，生长周期短。

Description

芝麻菜在植物工厂内的种植方法
技术领域
本发明属于农业种植领域，涉及一种芝麻菜的种植方法。
背景技术
植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生长不受或很少受自然条件制约的省力型生产。植物工厂复种指数高，可周年生产，并且避免了连作障害。叶菜不易贮藏，但为了满足市场需求需要周年生产，故植物工厂特别适合栽培叶菜。
植物工厂中，水培的农产品质量好，无污染无农残，且生长周期短，有利于植物在极端恶劣环境条件下进行生产，有利于农业摆脱资源与环境的限制，实现农业的可持续发展。按光照来源，植物工厂可分为太阳光植物工厂和人工光植物工厂，太阳光植物工厂光源皆来源于阳光；而人工光植物工厂又可分为两种，一种是太阳光和人工光结合，在太阳光不足时给予人工光，此类型植物工厂较省电，但是囿于成本限制，单层栽培架使得空间占用率不高；另一种为完全人工光照的植物工厂，最初的人工光源采用高压钠灯，但是高压钠灯光效低，光谱单一，能耗高且发热严重，不能进行多层栽培，故空间利用率低。之后荧光灯、LED灯等新型光源也相继在蔬菜水培种植中应用。
目前，叶菜类蔬菜多层设施栽培主要以LED灯为主，并以更加节能的红蓝LED光谱为主，但由于行业瓶颈，存在光质不均的问题，这不利于规模化、标准化的生产。此外，为保持标准化管理，绝大部分植物工厂LED高度保持恒定，一般在离栽培槽30-50cm，所以为了保证植株生长后期能够获得足够的光照强度和光照面积，往往在植株幼苗期不得不提供远高于所需的光照强度和光照面积，导致在植株生长前期，大部分光源都做无用功，最后转化为热能，而过多的热能则需要空调等降温工具排放，进一步加大能耗值。
芝麻菜，因全株有浓烈的芝麻香味而被人称之为芝麻菜。通常以柔嫩的茎叶和花蕾供食,可炒食、煮汤或凉拌,还适合佐小米饭沾酱吃。目前，芝麻菜栽培范围广，但大部分采用露天栽培和大棚栽培，而有关芝麻菜的水培比较罕见，应用于植物工厂中更是少之又少。植物工厂虽然成本高，但环境清洁卫生，蔬菜不会受到重金属污染、连作障碍以及农药残留等一系列问题，因此，对于芝麻菜在植物工厂中生长具有重要的研究意义。对于植物工厂来说，光和营养液是两种非常重要的因素，控制好这两种因素对于植物的健康成长来说成功了一大半。而光的选择和营养液的配制是本专利所要研究的内容，这对于今后的植物工厂在种植芝麻菜的方法上具有一定的参考价值，同时对于种植十字花科的植物也具有一定的借鉴意义。
综上，目前在植物工厂内种植的芝麻菜存在的不足是：1.能耗大，种植成本高；2.芝麻菜各个生长阶段所用的营养液、光源、温度等设施环境一致，生长周期慢，光照时间长导致提早生殖生长。
发明内容
本发明的目的是公开一种种植成本低，成熟时间快的在植物工厂内种植芝麻菜的方法。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：芝麻菜在植物工厂内的种植方法，通过红蓝光占比60％-99％的LED灯具发出的光照射芝麻菜，依次包括以下步骤：
(1)播种催芽期，芝麻菜种子放在带有海绵的育苗盆内，至90％-100％种子发芽；
(2)绿化期，至少出现四片真叶；LED灯具的红蓝光比例是5-5.5:1；灯具与芝麻菜之间的距离是6-12cm；LED灯具PPF是0.107-0.618μmol/s；
(3)根系快速生长期，叶片数为6-8片，LED灯具的红蓝光比例是4.5-5:1，灯具与芝麻菜之间的距离是12-15cm；LED灯具PPF是0.384-0.797μmol/s；
(4)营养生长预备期，叶片数为7-11片，LED灯具的红蓝光比例是4-4.5:1，灯具与芝麻菜之间的距离是15-22cm；LED灯具的PPF是0.814-2.29μmol/s；
(5)营养生长旺盛期，叶片数为10-15片，LED灯具的红蓝光比例是4-4.5:1，灯具与芝麻菜之间的距离是22-35cm；LED灯具的PPF是2.03-7.29μmol/s；
(6)采收期，LED灯具的红蓝光比例是4.5-5:1，灯具与芝麻菜之间的距离是35-36cm；LED灯具的PPF是4.66-8.47μmol/s；多次采摘芝麻菜，每次采摘后保持12-14片嫩叶，并对腋芽处喷施磷酸二氢钾；
在绿化期、根系快速生长期、营养生长预备期和营养生长旺盛期光照交替进行，在采收期采摘前24小时进行不间断光照处理。
作为优选，采用红蓝光占比90％-99％的LED灯具，绿化期LED灯具的PPF是0.107-0.412μmol/s，根系快速生长期LED灯具PPF是0.384-0.531μmol/sμmol/s，营养生长预备期LED灯具PPF是0.814-1.53μmol/s，营养生长旺盛期LED灯具的PPF是2.03-4.86μmol/s，采收期LED灯具的PPF是4.66-5.65μmol/s。
作为优选，采用红蓝光占比60％-90％的LED灯具，绿化期LED灯具的PPF是0.118-0.618μmol/s，根系快速生长期LED灯具PPF是0.423-0.797μmol/sμmol/s，营养生长预备期LED灯具PPF是0.895-2.29μmol/s，营养生长旺盛期LED灯具的PPF是2.23-7.29μmol/s，采收期LED灯具的PPF是5.13-8.47μmol/s。
作为优选，在绿化期、根系快速生长期、营养生长预备期和营养生长旺盛期，通过开关LED灯具对芝麻菜进行交替光照处理，采收期对芝麻菜进行持续光处理。
作为优选，芝麻菜播种催芽期，无需光照，时间1-2天，相对湿度90％-100％，芝麻菜种子放在海绵内，清水催芽；绿化期，时间7-9天，相对湿度70％-80％；根系快速生长期，时间是3-4天，相对湿度70％-80％；营养生长预备期，时间3-4天，相对湿度60％-70％；营养生长旺盛期，10-15天，相对湿度50％-60％；采收期，时间长达15-20天，相对湿度50％-60％。
作为优选，绿化期的营养液浓度为0.03％-0.05％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 4.5-7mmol/L，K 1.3-2.6mmol/L,Ca 0.4-0.8mmol/L，P 0.3-0.6mmol/L，Mg0.6-0.9mmol/L，S 0.3-0.6mmol/L，Fe 30-40μmol/L，其它元素20-30μmol/L；根系快速生长期的营养液浓度为0.05％-0.08％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 4.5-6.7mmol/L，K 3.8-5.1mmol/L,Ca 0.9-1.3mmol/L，P 0.6-0.9mmol/L，Mg 0.6-0.9mmol/L，S0.6-0.9mmol/L，Fe 28-42μmol/L，其它元素20-33μmol/L；营养生长预备期的营养液浓度为0.11％-0.13％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 9-11mmol/L，K 5-6mmol/L，Ca1.3-1.7mmol/L，P 1.2-1.4mmol/L，Mg 1.2-1.4mol/L，S 0.9-1.2mmol/L，Fe 50-60μmol/L，其它元素40-50μmol/L；营养生长旺盛期的营养液浓度为0.11％-0.13％,营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 9-11mmol/L，K 5-6mmol/L,Ca 1.7-2.1mmol/L，P 1.2-1.4mmol/L，Mg 1.2-1.4mol/L，S 1.2-1.4mmol/L，Fe 70-90μmol/L，其它元素60-70μmol/L；采收期的营养液浓度为0.03％-0.05％,营养液中添加的营养元素按质量百分比包括下述组分N 2-4.5mmol/L，K 1-2.5mmol/L,Ca 0.4-0.9mmol/L，P 0.3-0.6mmol/L，Mg 0.3-0.6mmol/L，S0.3-0.6mmol/L，Fe 15-30μmol/L，其它元素10-20μmol/L。进一步的，营养液中其它元素包括B、Mn、Cu、Zn、Mo中的一种或多种组合。根据芝麻菜不同生长期所需营养的不同，提供各时期营养液成分，使各离子达到芝麻菜吸收最合理的平衡比例，减少了过量离子的积累，提高了营养液的利用率。
在植物工厂内，采用上述技术方案种植芝麻菜，根据芝麻菜生长习性来调节植物工厂所需光照、温度等，不仅能降低能耗，提高光能利率，而且也提高了芝麻菜的品质和产量。综上所述，芝麻菜在植物工厂内的种植方法的优点是种植成本低，生长周期短。
具体实施方式
芝麻菜在植物工厂内的种植方法，通过红蓝光占比60％-99％的LED灯具发出的光照射芝麻菜，种植方法依次包括以下步骤：
(1)播种催芽期，无需光照，时间1-2天，温度控制在15-18℃，相对湿度90％-100％，芝麻菜种子放在海绵内，清水催芽；至90％-100％种子发芽；
(2)绿化期，时间7-9天，温度控制在15-20℃，相对湿度70％-80％；红蓝光比例是5-5.5:1；灯具与芝麻菜之间的距离是6-12cm；在这一阶段，出现至少四片真叶，基生叶，叶片羽状不裂，上部叶无柄，最开始出现的两片叶片为子叶；
如果采用红蓝光占比90％-99％的LED灯具，到达芝麻菜叶片的PPFD是101-111μmol/m2/s，LED灯具提供的PPF是0.107-0.412μmol/s；如果采用红蓝光占比60％-90％的LED灯具，到达芝麻菜叶片的PPFD是111-167μmol/m2/s，LED灯具提供的PPF是0.118-0.618μmol/s；
绿化期使用的营养液总浓度大约为0.057％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 5.6mmol/L，K 2mmol/L,Ca 0.6mmol/L，P 0.4mmol/L，Mg 0.7mmol/L，S 0.4mmol/L，Fe 35μmol/L，余量为B、Mn、Zn、Cu、Mo等28μmol/L；绿化期的营养液需多添加N和Mg，这一阶段是叶片生长阶段，N和Mg是合成叶绿素的成分，而微量元素中的Fe是形成原叶绿素酸酯所必需元素，微量元素Mn、Zn、Cu则是叶绿素合成中的某些酶的必需元素；
(3)根系快速生长期，时间是3-4天，温度控制在15-20℃，相对湿度70％-80％，红蓝光比例是4.5-5:1，根系快速生长期蓝光在红蓝光中比例大于绿化期蓝光在红蓝光中比例，具与芝麻菜之间的距离是12-15cm；在这一阶段，植物根系不断生长，又壮又长；；
如果采用红蓝光占比90％-99％的LED灯具，到达芝麻菜叶片的PPFD是81-89μmol/m2/s，LED灯具提供的PPF是0.384-0.531μmol/s；如果采用红蓝光占比60％-90％的LED灯具，到达芝麻菜叶片的PPFD是59-133μmol/m2/s，LED灯具提供的PPF是0.423-0.797μmol/s；
根系快速生长期使用的营养液总浓度大约为0.079％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 5.6mmol/L，K 4.5mmol/L,Ca 1.1mmol/L，P 0.7mmol/L，Mg 0.7mmol/L，S0.7mmol/L，Fe 35μmol/L，余量为B、Mn、Zn、Cu、Mo等28μmol/L，适当添加5mg/L的脱落酸，促进根的生长；根系快速生长期营养液的相对其它阶段需添加更多K，使根系发达。
(4)营养生长预备期，时间是4-5天，温度控制在15-20，℃相对湿度为60-70％；红蓝光比例是4-4.5:1；营养生长预备期蓝光在红蓝光中比例大于根系快速生长期蓝光在红蓝光中比例，灯具与芝麻菜之间的距离是15-22cm；在这一时期，开始有分枝出现，数量不多，主要是为后期旺盛的分枝打下基础；
如果采用红蓝光占比90％-99％的LED灯具，到达芝麻菜叶片的PPFD是121-133μmol/m2/s，LED灯具提供的PPF是0.814-1.53μmol/s；如果采用红蓝光占比60％-90％的LED灯具，到达芝麻菜叶片的PPFD是133-200μmol/m2/s，LED灯具提供的PPF是0.895-2.29μmol/s；
营养生长预备期使用的营养液总浓度大约为0.121％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 10mmol/L，K 5.6mmol/L,Ca 1.5mmol/L，P 1.3mmol/L，Mg 1.3mmol/L，S1.0mmol/L，Fe 56μmol/L，余量为B、Mn、Zn、Cu、Mo等45μmol/L；这一阶段需要添加更多的N、P、K以及Mg，来满足芝麻菜在进入营养生长旺盛期时所需的养分，对叶片以及根的生长有良好的促进作用。
(5)营养生长旺盛期，时间10-15天，，温度控制在15-20℃，相对湿度50-60％；红蓝光比例是4-4.5:1，营养生长旺盛期蓝光在红蓝光中比例大于根系快速生长期蓝光在红蓝光中比例，灯具与芝麻菜之间的距离是22-35cm；这一阶段，植物生长较快，叶片由10片长到14-15片；
如果采用红蓝光占比90％-99％的LED灯具，到达芝麻菜叶片的PPFD是152-167μmol/m2/s，LED灯具提供的PPF是2.03-4.86μmol/s；如果采用红蓝光占比60％-90％的LED灯具，到达芝麻菜叶片的PPFD是167-250μmol/m2/s，LED灯具提供的PPF是2.23-7.29μmol/s；
营养生长旺盛期使用的营养液总浓度大约为0.12％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 10mmol/L，K 5.5mmol/L,Ca 2mmol/L，P 1.3mmol/L，Mg 1.3mmol/L，S1.3mmol/L，Fe 80μmol/L，余量为B、Mn、Zn、Cu、Mo等65μmol/L；这一阶段是芝麻菜生长比较迅速的时期，营养液中需要添加充足的Fe，适当增加Fe等微量元素的量可以提高芝麻菜生长品质和对营养吸收率。
(6)采收期，时间是15-20天，温度控制在15-20℃，相对湿度为50-60％；红蓝光比例是4.5-5:1，采收期蓝光在红蓝光中比例小于营养生长旺盛期蓝光在红蓝光中比例，灯具与芝麻菜之间的距离是35-36cm；在这一阶段，植株能够多次采摘，保持植株有12-14片嫩叶即可，每次采摘结束后，对着腋芽处喷施一定量的磷酸二氢钾，促进叶芽的生长；
采收期使用的营养液总浓度大约为0.04％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 3mmol/L，K 2mmol/L,Ca 0.6mmol/L，P 0.4mmol/L，Mg 0.4mmol/L，S 0.4mmol/L，Fe20μmol/L，余量为B、Mn、Zn、Cu、Mo等18μmol/L；
如果采用红蓝光占比90％-99％的LED灯具，到达芝麻菜叶片的PPFD是141-156μmol/m2/s，LED灯具提供的PPF是4.66-5.65μmol/s；如果采用红蓝光占比60％-90％的LED灯具，到达芝麻菜叶片的PPFD是156-233μmol/m2/s，LED灯具提供的PPF是5.13-8.47μmol/s。
上述绿化期、根系快速生长期、营养生长预备期、营养生长旺盛期和采收期是光照交替进行，前三个时期一般每天开灯12小时，关灯12小时，后三个时期一般每天开灯8小时，关灯16小时，采收期采摘前24小时进行不间断光照处理，即通过LED灯具发出的光持续照射芝麻菜。
PPFD是光量子通量密度，指光合有效辐射中的光通量密度，它表示单位时间单位面积上在400～700nm波长范围内入射的光量子数。单位μmol/m2/s，PPF则表示单位时间在400～700nm波长范围内入射的光量子数。单位μmol/s，在不考虑灯珠衰减的情况下，灯具所提供的PPF值恒定，而PPFD则和高度有关，和距离的平方成反比。QE是光量子能效，表示人造光源在400～700nm波长范围个强的吸收光区，即波长为400-470nm的蓝紫光区和640-680nm的红光区。叶绿素a在蓝紫光区吸收峰波长短于叶绿素b，而其在红光区波长长于叶绿素b。一般植物叶绿素a和b之间的比值在3:1左右。总之，叶绿素在450nm和660nm有最大的吸收峰。经测算，在芝麻菜定植后需要的PPFD在100-300μmol/m2/s，若单纯红蓝光则只需要50-150μmol/m2/s即可。从植物所需的PPFD得到单株芝麻菜所需要的电功率，P＝PPFD红蓝/η1*S叶面积/η2/QE，η1为红蓝光占比，η2为灯珠经过封装后传递的能量占比，QE是光量子能效，表示人造光源在PAR范围里，单位电能转换为光量子的能力。例如在绿化期末，芝麻菜所需要的单纯红蓝光PPFD为100umol/m2/s左右，芝麻菜叶面积为37.1cm2，假设采用红蓝光占比90％的LED灯(η1＝90％，QE＝1.8)，则此LED所要提供的PPFD为100/0.90＝111umol/m2/s,而PPF＝PPFD*S，所以芝麻菜需要的PPF＝111umol/m2/s*37.1cm2/10000＝0.412umol/s，这是芝麻菜需要的PPF，而灯珠经过封装后及照射过程中能量有所损失，一般到达芝麻菜的PPF为原先的80％，所以PPF灯＝0.412/80％＝0.515umol/s，最后此灯的QE为1.8umol/J，所以P＝PPF灯/QE＝0.515/1.8＝0.286w。总公式P＝PPFD红蓝/η1*S叶面积/η2/QE，P＝100μmol/m2/s/90％*37.1c m2/10000/80％/1.8μmol/J＝0.286w。
分别使用现有技术和本专利技术种植芝麻菜，随机选取30株芝麻菜(取平均值)，3次重复，用直尺测量并记录芝麻菜株高、株幅、叶长、叶宽。取样后先用电子天平称量鲜重，然后在60℃烘箱中烘至恒重后测其干重；Vc、可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；硝酸盐含量测定采用紫外分光光度法。得到下述数据表1。
表1：采用现有技术种植的芝麻菜和采用本专利技术种植的芝麻菜的数据对比表。

Claims (7)

1.芝麻菜在植物工厂内的种植方法，其特征在于通过红蓝光占比60％-99％的LED灯具发出的光照射芝麻菜，种植方法依次包括以下步骤：
(1)播种催芽期，芝麻菜种子放在带有海绵的育苗盆内，至90％-100％种子发芽；
(2)绿化期，至少出现四片真叶；LED灯具的红蓝光比例是5-5.5:1；灯具与芝麻菜之间的距离是6-12cm；LED灯具PPF是0.107-0.618μmol/s；
(3)根系快速生长期，叶片数为6-8片，LED灯具的红蓝光比例是4.5-5:1，灯具与芝麻菜之间的距离是12-15cm；LED灯具PPF是0.384-0.797μmol/s；
(4)营养生长预备期，叶片数为7-11片，LED灯具的红蓝光比例是4-4.5:1，灯具与芝麻菜之间的距离是15-22cm；LED灯具的PPF是0.814-2.29μmol/s；
(5)营养生长旺盛期，叶片数为10-15片，LED灯具的红蓝光比例是4-4.5:1，灯具与芝麻菜之间的距离是22-35cm；LED灯具的PPF是2.03-7.29μmol/s；
(6)采收期，LED灯具的红蓝光比例是4.5-5:1，灯具与芝麻菜之间的距离是35-36cm；LED灯具的PPF是4.66-8.47μmol/s；多次采摘芝麻菜，每次采摘后保持12-14片嫩叶，并对腋芽处喷施磷酸二氢钾；
在绿化期、根系快速生长期、营养生长预备期和营养生长旺盛期光照交替进行,在采收期采摘前24小时进行不间断光照处理。
2.根据权利要求1所述的芝麻菜在植物工厂内的种植方法，其特征在于采用红蓝光占比90％-99％的LED灯具，绿化期LED灯具的PPF是0.107-0.412μmol/s，根系快速生长期LED灯具PPF是0.384-0.531μmol/sμmol/s，营养生长预备期LED灯具PPF是0.814-1.53μmol/s，营养生长旺盛期LED灯具的PPF是2.03-4.86μmol/s，采收期LED灯具的PPF是4.66-5.65μmol/s。
3.根据权利要求1所述的芝麻菜在植物工厂内的种植方法，其特征在于采用红蓝光占比60％-90％的LED灯具，绿化期LED灯具的PPF是0.118-0.618μmol/s，根系快速生长期LED灯具PPF是0.423-0.797μmol/sμmol/s，营养生长预备期LED灯具PPF是0.895-2.29μmol/s，营养生长旺盛期LED灯具的PPF是2.23-7.29μmol/s，采收期LED灯具的PPF是5.13-8.47μmol/s。
4.根据权利要求1所述的芝麻菜在植物工厂内的种植方法，其特征在于在绿化期、根系快速生长期、营养生长预备期和营养生长旺盛期，通过开关LED灯具对芝麻菜进行交替光照处理，采收期对芝麻菜进行持续光处理。
5.根据权利要求1所述的芝麻菜在植物工厂内的种植方法，其特征在于芝麻菜播种催芽期，无需光照，时间1-2天，相对湿度90％-100％，芝麻菜种子放在海绵内，清水催芽；绿化期，时间7-9天，相对湿度70％-80％；根系快速生长期，时间是3-4天，相对湿度70％-80％；营养生长预备期，时间3-4天，相对湿度60％-70％；营养生长旺盛期，10-15天，相对湿度50％-60％；采收期，时间长达15-20天，相对湿度50％-60％。
6.根据权利要求1所述的芝麻菜在植物工厂内的种植方法，其特征在于绿化期的营养液浓度为0.03％-0.05％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 4.5-7mmol/L，K 1.3-2.6mmol/L,Ca 0.4-0.8mmol/L，P 0.3-0.6mmol/L，Mg 0.6-0.9mmol/L，S 0.3-0.6mmol/L，Fe 30-40μmol/L，其它元素20-30μmol/L；根系快速生长期的营养液浓度为0.05％-0.08％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 4.5-6.7mmol/L，K 3.8-5.1mmol/L,Ca 0.9-1.3mmol/L，P 0.6-0.9mmol/L，Mg 0.6-0.9mmol/L，S 0.6-0.9mmol/L，Fe 28-42μmol/L，其它元素20-33μmol/L；营养生长预备期的营养液浓度为0.11％-0.13％，营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 9-11mmol/L，K 5-6mmol/L，Ca 1.3-1.7mmol/L，P 1.2-1.4mmol/L，Mg 1.2-1.4mol/L，S 0.9-1.2mmol/L，Fe 50-60μmol/L，其它元素40-50μmol/L；营养生长旺盛期的营养液浓度为0.11％-0.13％,营养液中添加的营养元素包括下述组分：N 9-11mmol/L，K 5-6mmol/L,Ca 1.7-2.1mmol/L，P 1.2-1.4mmol/L，Mg 1.2-1.4mol/L，S 1.2-1.4mmol/L，Fe 70-90μmol/L，其它元素60-70μmol/L；采收期的营养液浓度为0.03％-0.05％,营养液中添加的营养元素按质量百分比包括下述组分N 2-4.5mmol/L，K 1-2.5mmol/L,Ca 0.4-0.9mmol/L，P 0.3-0.6mmol/L，Mg 0.3-0.6mmol/L，S 0.3-0.6mmol/L，Fe 15-30μmol/L，其它元素10-20μmol/L。
7.根据权利要求6所述的芝麻菜在植物工厂内的种植方法，其特征在于营养液中其它元素包括B、Mn、Cu、Zn、Mo中的一种或多种组合。
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