河流岸帶濕地沉積物重金屬分布對植被物種多樣性和底棲動物群落特征的影響

馬 康,史 璇,尤曉光,3,劉靜玲,*

1 北京師范大學環境學院水環境模擬國家重點實驗室, 北京 100875 2 北京師范大學流域環境生態工程研發中心, 珠海 519087 3 交通運輸部水運科學研究院, 北京 100088

河流生態系統中自然存在重金屬微量元素,主要來源于巖石侵蝕、水動力遷移等地球化學作用。隨著社會經濟發展,人類生產生活直接或間接向自然水體中排放大量重金屬,成為水體中重金屬的主要來源,對水生態系統造成不同程度生態風險。重金屬污染物具有高毒性、不可降解性和生物蓄積性等特點,進入河流后大量滯留在水體中,被水體中懸浮物吸附,沉積在河流沉積物中[1]。長期沉積作用使河流沉積物成為河流重金屬主要受體,當水環境條件改變,重金屬重新進入水體,形成“二次污染”。因而,河流沉積物不僅是重金屬主要儲存庫,也是重金屬潛在釋放源,即使污染源消除，受重金屬污染的沉積物也可以長時間緩慢釋放重金屬,從而延長重金屬污染時間,對河流生態系統健康具有長期影響。

河流沉積物不僅是河流重金屬污染物的重要貯存庫和釋放源,還是河流濕地生物如植物、大型無脊椎動物的重要棲息地[2- 3]。沉積物釋放的重金屬通過水流遷移或富集作用進入植物體內,對生物體產生毒性效應,使得抗逆性低的植被死亡,降低植物群落多樣性[4]。沉積物-水界面是底棲動物主要生活場所,重金屬污染的細沉積物可被底棲動物吞食[5],使無脊椎動物生長受到抑制,底棲動物群落受到破壞[6- 7]。例如Costas等[8]研究發現沉積物重金屬含量與底棲生物群落結構多樣性指標顯著相關,重金屬污染點位EPT昆蟲(蜉蝣目Ephemeroptera、襀翅目Plecoptera和毛翅目Trichoptera)數目顯著高于參照點。類似的, Bere等[9]研究表明沉積物金屬改變了大型底棲無脊椎動物群落物種組成,且重金屬污染程度較低時對底棲動物群落組成的影響依舊顯著。

灤河隸屬于海河流域,是京津冀城市群的重要水源地,也是北方重要的生物棲息地,其生態健康對于區域經濟、社會以及生態等方面可持續發展具有重要意義。進入21世紀,隨著城市化進程和工農業發展,灤河水環境受到人類活動嚴重影響,例如,流域徑流減少[10],部分河段富營養化[11],水體重金屬含量超標[12- 13],水和沉積物中存在化學品多環芳烴(PAHs)污染的潛在生態風險[14]。河流污染物對生物群落具有生物毒性和潛在生態風險,因而,明確沉積物重金屬分布與濕地生物群落特征的關系是當前河流生態管理和保護亟待解決的問題。

本研究以灤河岸帶濕地為研究對象,采用沉積物生物毒性效應系數法和內梅羅指數法評價沉積物重金屬污染生物毒性和生態風險,通過計算植被物種多樣性指數和底棲動物完整性指數探究灤河植被和底棲動物群落特征,分析沉積物重金屬分布、植被和底棲群落特征的關系,旨在為灤河流域河流生態風險管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

灤河流域(115°34′—119°50′E,39°02′—42°43′N)地跨蒙古高原和華北平原,地勢由西北向東南傾斜,面積約4.47萬km2。灤河發源于河北省豐寧滿族自治縣西北巴彥古圖爾山麓,上游屬內蒙古高原區,中游為華北山地丘陵區,下游為冀北平原區,由河北樂亭縣入渤海,水系呈羽狀分布,全長約888 km。灤河流域年均降水量553.2 mm,夏季多冬季少,汛期為7—8月,枯水期為1—2月,受降雨量影響,徑流量年內變化較大,平均徑流量47.9億m3,氣候為典型溫帶大陸性季風氣候[15]。

1.2 樣點布設和數據獲取

根據已有研究對灤河流域生態分區,結合兩岸地形、氣候、植被、土壤類型等特點,在河流上游高原區(L1—L4)、中游山區(L5—L10)、下游平原區(L11—L14),依次布設L1-大灘鎮(41°34′42″N, 115°59′18″E)、L2-白城子(41°19′05″N, 116°28′31″E)、L3-石人溝(41°21′23″N, 116°20′35″E)、L4-紅旗營房(42°04′16″N, 116°42′37″E)、L5-外溝門(41°52′148″N, 115°33′32″E)、L6-郭家屯(41°34′53″N, 117°05′53″E)、L7-太平莊(41°13′28″N, 117°22′50″E)、L8-西溝(41°08′55″N, 117°29′52″E)、L9-張百灣(40°59′42″N, 117°29′30″E)、L10三道河(40°58′04″N, 117°42′52″E)、L11-遷西大橋(40°09′37″N, 118°18′43″E)、L12-馬蘭莊(40°06′53″N, 118°37′01″E)、L13-王家樓(39°34′37″N, 118°52′49″E)、L14-姜各莊(39°27′39″N, 119°08′12″E)共計14個樣地,于2014年7月從灤河源頭到河口進行野外采樣和實地調查。

圖1 灤河采樣點分布圖Fig.1 Locations of sampling sites of Luanhe River

采用樣方法在灤河岸帶植被類型樣地進行取樣,植被調查采樣面積參照草本層設計,每個樣點處設置10個2 m×2 m樣方,總計140個樣方,記錄樣方植被覆蓋度、物種豐度、物種名稱等植被信息。底棲動物樣品利用直徑1/16 m2采泥器在河岸帶區域采集,每個點位采集多于3個子樣品混合,樣品經過0.595 mm篩網過濾,保存于75%乙醇,利用解剖鏡或顯微鏡分類鑒定底棲動物分類單元(種或屬),稱量凈重。沉積物樣品利用彼得遜采泥器在14個樣地采集0—10 cm深度表層沉積物,每個樣地在河岸帶采集3個樣品,同一樣地沉積物樣品混合后放入聚乙烯塑料袋中密封保存,在實驗室風干,剔除動植物殘體等雜質待測。沉積物樣品過100目尼龍篩,采用HF-HNO3-HClO4三酸混合,經石墨消解儀(SH220N)消解后,利用島津火焰原子吸收分光光度計(GFA- 6880)測定沉積物重金屬Ni、Cr、Zn、Cu、Pb和Cd的含量[16]。實驗中所用試劑均為優級純,用水為超純水,分析過程中采用沉積物標準參考物質(GSD- 9和GSD- 11)進行質量控制,各元素回收率在94%—105%之間,測量誤差均小于10%。

1.3 數據統計與分析

應用EXCEL 2016軟件對所有數據進行處理,采用SPSS 23.0軟件進行統計學分析,采用Origin 2017軟件繪圖,進行采用Canoco 5.0對生物群落指標與沉積物環境因子進行主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)。

1.3.1重金屬污染評價

根據沉積物質量基準值(sediment quality guideline values, SQGs)[17]的生物毒性效應范圍值計算效應系數(effects range-median quotient, ERMQ)評價不同采樣點沉積物生物毒性危害等級[18],采用綜合潛在生態風險指數(Integrated potential ecological risk index,RI)對沉積物重金屬綜合生態風險進行評價[19],其中ERMQ和RI評價等級劃分標準見表1,計算公式如下：

表1 重金屬污染評價等級劃分

1.3.2植被物種多樣性評價

植被物種多樣性評價采用以下3種指標： 物種豐富度指數(S)、Shannon-Wiener指數(H)、Pielou均勻度指數(J),計算公式如下[22]：

J=H′/lnS

H′=-∑pilnpi

其中,pi表示種i出現的頻度,即重要值,S為物種數(物種豐富度指數),N為個體總數。

1.3.3底棲動物完整性評價

研究團隊選取表征底棲動物多樣性和豐度(Diversity and Abundance, D/A)、耐污敏感性(Sensitivity and Tolerance, S/T)及功能攝食類群(Functional Feeding Groups, FFGs)的31個候選指標,通過分布范圍分析、敏感性分析和冗余分析篩選顯著區分參照點和受損點的核心指標,核心指標由蜉蝣目、襀翅目和毛翅目個體數之和百分比(EPT%)、物種耐污性綜合指數BI (Biotic Index)和收集者攝食類群百分比(Collect-Gatherers%)三個指標組成,通過驗證和標準化構建底棲動物完整性指數(B-IBI, Benthic Macroinvertebrate-based Index of Biotic Integrity),詳細方法見團隊已發表的相關文獻[23- 24]。

2 研究結果

2.1 灤河表層沉積物重金屬分布特征

灤河沉積物重金屬元素含量見表2,灤河沉積物重金屬元素Ni、Cr、Zn、Cu、Pb和Cd的平均值分別為33.66 mg/kg、37.64 mg/kg、36.06 mg/kg、12.79 mg/kg、6.76 mg/kg和0.09 mg/kg,其中僅Ni元素超過了背景值,說明灤河水系無明顯重金屬污染。重金屬Ni、Cr、Zn、Cu、Pb和Cd的變異系數分別為0.42、0.43、0.78、1.39、0.65和0.60,說明灤河水系沉積物重金屬空間分布具有較大差異,特別是Zn和Cu離散程度較大,分布極不均勻。查閱文獻,灤河沉積物重金屬歷史值見表2,2010年重金屬Cr、Cu、Cd含量分別是背景值1.98、5.21,2.55倍,重金屬污染十分嚴重,2013年灤河沉積物重金屬含量顯著降低,本研究中沉積物Ni、Cr、Zn、Cu、Pb和Cd分別為背景值的1.09、0.55、0.46、0.59、0.31、0.93、0.02、0.09倍,沉積物質量明顯改善。

灤河沉積物重金屬效應系數ERMQ和潛在生態風險指數RI結果如圖2所示。研究結果表明,灤河水系上游、中游和下游沉積物重金屬ERMQ范圍為0.09—0.12、0.09—0.16和0.07—0.28,在下游L14-姜各莊點位最低,在下游L12-馬蘭莊鎮點位最高。上、中、下游點位均位于低級和中低級,但下游點位總體高于上中游點位,且波動較大。綜合潛在風險指數上游、中游和下游范圍分別為31.13—47.75、23.35—66.11、22.49—112.37,在下游L14-姜各莊點位最低,在下游L12-馬蘭莊鎮點位最高,與ERMQ評價結果一致,所有點位風險等級處于低風險水平,下游重金屬潛在風險總體高于上中游。對不同河段沉積物重金屬效應系數ERMQ和潛在生態風險指數RI進行非參數檢驗(Kruskal-Wallis法),檢驗結果表明,灤河干流上中下游沉積物沉積物重金屬效應系數ERMQ具有顯著性差異(P<0.05)。

表2 灤河沉積物樣品重金屬元素含量(mg/kg)統計

圖2 灤河沉積物重金屬效應系數ERMQ和潛在風險指數RIFig.2 Effects range-median quotient (ERMQ) values and potential ecological risk indices (RI) of heavy metals in sediments

2.2 灤河岸帶濕地植被物種分布特征

野外調查共識別維管束植物共計50科93屬219種,其中本地物種273種,外來物種54種。植物群落以被子植物為主,主要科系依次為菊科(42種)、禾本科(32種)、蓼科(12種)、豆科(11種)、薔薇科(11種)、莎草科(9種)、十字花科(9種)、藜科(6種),分別占總物種數的19.2%、14.6%、5.5%、5.5%、5.5%、4.1%、4.1%、2.7%,9個科系植物占所有物種的70.0%。植物區系優勢科明顯,灤河上游為高原草甸,主要可見“披堿草(ElymusdahuricusTurcz.)+委陵菜(PotentillachinensisSer.)”、“藨草(ScirpustriqueterLinn.)+節節菜(Rotalaindica(Willd.) Koehne)+地榆(SanguisorbaocinalisL.)”和“野艾蒿(ArtemisialavandulaefoliaDC.)+藜(ChenopodiumserotinumLinn.)”等為優勢種的群落,草甸中伴生有水楊梅(GeumaleppicumJacq.)、地榆(SanguisorbaocinalisL.)、萹蓄(PolygonumaviculareL.)等,其余雜類草群落成分繁雜,優勢種不明顯。中游為山區植被,主要可見以“委陵菜(PotentillachinensisSer.)+無芒雀麥(BromusinermisLayss. Linn.)”、“扁稈藨草(ScirpusplaniculmisFr. Schmidt)+老芒麥(ElymussibiricusLinn.)”和“澤芹(SiumsuaveWalt.)+大刺兒菜(Cephalanoplossetosum(willd.) kitam.)+地筍(LycopuslucidusTurcz.)”等為優勢種的群落,草甸中伴生有冬葵(MalvacrispaLinn.)、地膚(Kochiascoparia(Linn.) Schrad.)、蒼耳(XanthiumsibiricumPatrin ex Widder.)等。下游為平原植被,主要可見“附地菜(Trigonotispeduncularis(Trev.) Benth. ex Baker et Moore)+水芹(ArtemisialavandulaefoliaDC.)”、“野艾蒿(ArtemisialavandulaefoliaDC.)+附地菜(Trigonotispeduncularis(Trev.) Benth. ex Baker et Moore)”和“白茅(Imperatacylindrica(Linn.) Beauv.)+蘆葦(Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.)”等為優勢種的群落,草甸中伴生有圓葉牽牛(Pharbitispurpurea(L.) Voigt)、菖蒲(AcoruscalamusL.)、蘿藦(Metaplexisjaponica(Thunb.) Makino)等。

綜合物種數、個體數、分布特性等植被調查信息,計算植物群落物種多樣性指數(物種豐度指數S、Shannon-Wiener指數H和Pielou均勻度指數J)定量反映植物群落物種多樣性特征,結果如圖3所示。物種豐富度指數S范圍為5.75—12.33,中游L9-西溝點位最高,下游L15-姜各莊點位最低,上、中、下游平均值分別為8.65、8.37、7.20；Shannon-Wiener指數H范圍為2.25—3.30,中游L9-西溝點位最高,下游L13-馬蘭莊鎮點位最低,上、中、下游平均值分別為3.13、2.92、2.33；Pielou均勻度指數J范圍為21.75—40.91,中游L9-西溝點位最高,下游L14-王家樓村點位最低,上、中、下游平均值分別為30.53、30.57、23.47。總體來看,上游和中游群落物種多樣性指數波動較小,二者高于下游,說明上游和中游植被種類最多,群落復雜程度最高,且群落分布較為均勻。對不同河段植物群落物種多樣性指數的非參數檢驗(Kruskal-Wallis法)結果表明,灤河干流上中下游Shannon-Wiener指數H和Pielou均勻度指數J具有顯著性差異(P<0.05)。

圖3 灤河植物群落物種多樣性指數 Fig.3 Vegetation species diversity index in Luanhe River

2.3 灤河底棲動物群落分布特征

灤河水系共采集底棲動物105種,屬于節肢動物、環節動物和軟體動物等三大類,其中節肢動物76種,占比72.4%,環節動物18種,占比17.1%,軟體動物10種,占比9.5%。優勢類群為節肢動物門的昆蟲綱,共33科71屬73種,占全部種類的69.5%。EPT昆蟲對棲息地生境變化十分敏感,通常生活在清潔河流水環境中,常作為河流水系清潔的指示生物[29]。本研究中EPT昆蟲總物種數為17種,占調查發現的水生昆蟲物種數的16.2%,蜉蝣目7科10屬,襀翅目2科2屬,毛翅目4科4屬。

灤河水系底棲動物生物量和密度如圖4所示,生物量范圍為0.31—67.03 g/m2,最低點位為L6-外溝門,最高點位為L14-遷西大橋,上、中、下游平均值分別為4.13、1.35、33.31 g/m2。密度范圍為3.85—414.00 個/m2,最低點位為L2-白城子,最高點位為L12-馬蘭莊鎮,上、中、下游平均值分別為132.46、99.83、190.00 g/m2。研究團隊基于蜉蝣目、襀翅目和毛翅目個體數之和的百分比(EPT%)、物種耐污性綜合指數(Biotic Index, BI)和收集者攝食類群的百分比(Collect-Gatherers%)三個指標,建立底棲動物完整性指數(B-IBI)表征底棲動物群落的結構功能特征,綜合評價河流生態系統健康。灤河干流水系14個點位B-IBI均值為0.41,變化范圍為0.15—0.79,最大值為L6-外溝門,最小值為L2-白城子,上中下游點位平均值分別為0.56、0.29、0.28,中游B-IBI指數高于上游和下游,對B-IRHI指數進行等級劃分,優級(0.75—1.0)、良(0.50—0.75)、中(0.25—0.50)、差(0—0.25)點位數分別占比7.14%、42.86%、28.57%、28.57%,說明灤河干流底棲動物完整性總體良好,但上游和下游較差。基于Kruskal-Wallis法的不同河段底棲動物完整性指數非參數檢驗結果為,下游B-IBI指數低于上游和中游,具有顯著性差異(P<0.05)。

圖4 灤河底棲動物密度、生物量和底棲動物完整性指數 (B-IBI) 值Fig.4 The macroinvertebrate density, biomass and benthic macroinvertebrate-based index of biotic integrity (B-IBI) in Luanhe River

2.4 生物群落對沉積物污染因子的響應

對灤河水系沉積物重金屬、岸帶濕地植物和大型底棲動物特征信息進行主成分分析(圖5),PC1解釋了總方差的65.43%,PC2解釋了方差的22.99%。對第一排序軸作用最大的生境因子是生物毒性效應系數(ERMQ),沉積物重金屬污染程度與物種多樣性指數呈負相關,與底棲動物完整性指數(B-IBI)呈負相關。重金屬Zn、Cu、Cr、Pb作為主要環境因子,顯著影響了灤河水系植物群落物種多樣性和底棲動物群落。

圖5 沉積物特征和植被、底棲動物因子的主成分分析Fig.5 Principal component analysis (PCA) of macroinvertebrate species, vegetation communities, and sediment indicators

3 討論

河流沉積物重金屬污染具有長期潛在的危害, 重金屬能對底棲生物和植被產生毒性效應,進而可能通過遷移進入食物鏈危害人類健康。本研究中,灤河干流岸帶濕地沉積物無明顯重金屬污染,說明該流域水系較為清潔,這與已有研究結果基本一致[28]。查閱文獻,分析灤河沉積物歷史研究發現,2008—2013年表層沉積物重金屬含量顯著升高,污染較為嚴重,說明該歷史時間段水體吸納了大量污染物,表層沉積物受到嚴重污染。灤河作為京津冀地區重要水源地,近年來管理部門投入大量資金進行專項整治,重金屬污染水平逐漸降低,但部分河段水質和沉積物重金屬含量仍舊超標,本研究中重金屬污染程度上中下游空間差異較大,污染程度隨河流流向呈上升趨勢,下游河段沉積物重金屬污染相比于上中游河段仍處于較高污染水平。變異系數能夠表征不同樣點間重金屬含量離散和均勻程度[30],本研究中灤河岸帶濕地沉積物重金屬含量變異程度較大,一定程度上說明人類活動可能對灤河水系沉積物重金屬分布造成影響。

河流重金屬來源與周邊城市分布和人類活動密切相關[31],灤河上游和中游分別位于高原和山區,生態環境較為原始,人口稀疏且工農業不發達,但下游為人口密集工業發達的平原區,周邊有大量城市和農田,工農業生產可能是灤河重金屬的主要來源。環境中Zn 主要來源于燃煤和鉛鋅礦業,Cu 主要來源于金屬冶煉等,且Zn、Cu、Cd、Pb 和Cr 普遍存在于農藥化肥中,灤河下游流經河北省唐山市,該地區人口密集,冶金工業發達,且冶金過程中會燃燒大量煤炭,結合本研究結果分析可知,灤河重金屬主要來源為下游平原區工農業生產,特別是下游冶金業和農藥化肥的施用。

植被物種多樣性和底棲動物完整性是評價生態系統健康和穩定的關鍵指標,對生境健康具有一定指示作用。本研究中灤河上中游植物群落物種多樣性較高,下游較低,這與已有研究結果一致[32- 33]。河岸帶濕地植物群落與濕地生態健康密切相關,特別是水體中污染物例如重金屬是植物的重要脅迫因子。重金屬遷移進入植物體內后能夠導致生物膜損傷,光合作用效率下降等毒性效應,進而導致部分耐受性差的植物物種退化、死亡,群落物種多樣性降低。類似的,底棲動物也是水環境質量的重要指示生物,對生境變化十分敏感,當其棲息環境受到擾動時,其內部群落特征會相應發生改變。本研究中,灤河下游沉積物重金屬污染程度高于上中游,但下游底棲動物生物量和密度高于上中游河段,分析原因可能為底棲動物群落是一個復雜動態整體,隨著環境因子發生變化,其內部群落特征也會相應發生改變[34],僅考慮群落整體生物量和密度并不能準確反映底棲動物群落對環境因子的響應。例如,李晉鵬等[35]分析水庫底棲動物群落對重金屬污染的響應,發現昆蟲綱搖蚊科密度隨沉積物中重金屬鉻含量升高而升高。李立強等[36]對洞庭湖大型底棲動物研究發現寡毛類底棲動物較為耐受重金屬污染,其密度與重金屬含量呈極顯著正相關。Wang等[2]研究表明了以搖蚊為主腹足類昆蟲(以搖蚊為主)與沉積物鉻、鉛濃度呈極顯著正相關。以往研究說明隨著河流沉積物污染程度增加,部分耐污種底棲動物呈增加趨勢,大型底棲動物是河流生態系統健康的敏感生物,近年來許多研究者建立底棲動物完整性指數(B-IBI)綜合反映底棲動物群落結構功能特征,評價河流生態系統健康[23- 24]。本研究中灤河下游底棲動物完整性較差,說明沉積物中重金屬污染改變了河流底棲動物群落結構,耐污種的增加使得群落整體密度和生物量增加,這與已有研究結果基本一致[37]。

河流岸帶濕地植物和底棲動物群落與沉積物質量密切相關,例如沉積物粒徑、污染物含量、營養鹽水平等特征的改變都可能引起生物群落變化[2]。本研究中沉積物重金屬污染水平與植物群落物種多樣性、底棲動物完整性呈負相關關系,說明重金屬污染降低了水環境質量,對植被和底棲動物及濕地棲息地完整性造成脅迫效應。

4 結論與建議

(1)灤河干流沉積物總體清潔,但具有明顯空間差異性,河流下游沉積物重金屬生物毒性危害和潛在生態風險高于上游和中游,下游工農業是灤河沉積物重金屬主要污染源。

(2)生物群落調查共識別維管束植物219種,大型無脊椎底棲動物105種,下游植物群落物種多樣性最低,上游和中游群落物種多樣性指數波動較小,二者高于下游,說明上游和中游植被種類最多,群落復雜程度最高,且群落分布較為均勻。灤河干流上中下游Shannon-Wiener指數H和Pielou均勻度指數J具有顯著性差異(P<0.05)。

(3)底棲動物完整性下游最差,說明上中游河段生境較好,下游植被和底棲動物受到環境因子干擾。灤河干流底棲動物完整性總體良好,但上游和下游較差。基于Kruskal-Wallis法的不同河段底棲動物完整性指數非參數檢驗結果為,下游B-IBI指數低于上游和中游,具有顯著性差異(P<0.05)。

(4)主成分分析結果顯示,對第一排序軸作用最大生境因子是生物毒性效應系數(ERMQ),沉積物重金屬污染程度與物種多樣性指數呈負相關,與底棲動物完整性指數(B-IBI)呈負相關,說明沉積物污染水平是影響河流岸帶濕地生態健康的重要環境因子。

河流岸帶沉積物是影響濕地環境質量和生態健康重要基質,灤河流域管理者應進一步加強下游污染源治理,特別是控制工業點源污染排放和農業面源污染,充分保障灤河水源地生態安全。河流岸帶濕地是重要生物棲息地,未來研究中應重點關注河流沉積物典型污染物釋放及其在生物群落內部的遷移轉化過程,進而揭示河流岸帶濕地棲息地關鍵生態功能過程與污染物特征的響應關系。建議流域管理部門將岸帶濕地植被多樣性和底棲動物完整性指數B-IBI納入河流水文-水環境水生態一體化監測與風險評價指標體系中。

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隨著團場小城鎮建設步伐的加快，母親居住了幾十年的平房被拆除了，搬遷進了團里安排的廉租房。廉租房在二樓，面積不大，也就60多個平方，很多東西都被母親扔掉了，但是那臺老舊的飛人牌縫紉機，卻被母親搬到樓房上，放在了陽臺上光線最充足的地方。

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