玉米秸稈炭基肥制備及應用現(xiàn)狀

摘 要： 我國玉米種植面積大，玉米秸稈作為制備生物質(zhì)炭的原料，儲備非常豐富。生物質(zhì)炭基肥制備技術是玉米秸稈的利用技術之一，在綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有巨大的應用潛力。明確了生物質(zhì)炭基肥的研究背景，闡述了玉米秸稈炭基肥生產(chǎn)制備工藝研究現(xiàn)狀，討論了生物質(zhì)炭基肥在土壤改良、治理重金屬污染土壤、作物增產(chǎn)提質(zhì)，農(nóng)戶增產(chǎn)增收和提高肥料利用率等方面對農(nóng)作物及土地的增益性，展望了炭基肥的應用前景。

關鍵詞：玉米秸稈；生物質(zhì)炭基肥；炭化；綠色農(nóng)業(yè)；秸稈綜合利用

中圖分類號：S216 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）04-0067-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.04.011

我國是農(nóng)業(yè)大國，總耕地面積居世界第4 位，農(nóng)作物秸稈儲備豐富，但秸稈利用效率不高。目前，秸稈規(guī)模化處理方式為粉碎后直接還田或者直接燃燒使用，直接燃燒造成能源浪費，加速溫室氣體排放及霧霾形成，對環(huán)境構(gòu)成巨大威脅[1]。為減輕環(huán)境壓力，減少農(nóng)作物秸稈資源的浪費，進一步優(yōu)化改良土壤環(huán)境，生物質(zhì)炭還田技術成為目前研究的重點[2]。農(nóng)作物秸稈炭化后產(chǎn)生的生物質(zhì)炭可被制成生物質(zhì)炭基肥，實現(xiàn)農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)資源循環(huán)利用，提高秸稈利用效率，減少溫室氣體排放。同時，可以改善環(huán)境，優(yōu)化改良土壤，調(diào)整傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，有效降低傳統(tǒng)肥料施用量，提高生產(chǎn)效率，推動健康綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展[3]。生物質(zhì)全價值利用符合我國“碳中和、碳達峰”需求，是綠色農(nóng)業(yè)研究的熱點之一。

玉米秸稈生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積較高，玉米秸稈資源豐富，適合作為生物質(zhì)炭基肥載體[4-5]。把玉米秸稈制備成為生物質(zhì)炭基肥并反饋農(nóng)田，可消減施用傳統(tǒng)化肥的弊端、充分利用玉米秸稈資源并改善土地資源。玉米秸稈生物質(zhì)炭基肥制備技術為調(diào)整傳統(tǒng)化肥結(jié)構(gòu)、處理農(nóng)業(yè)廢棄物、改善土壤環(huán)境提供了有效方案，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用中具有良好前景[6]。本研究綜述了玉米秸稈炭基肥常見制備方法，并對應用前景進行展望。

1 生產(chǎn)制備工藝研究現(xiàn)狀

1.1 整體制備工藝

玉米秸稈炭基肥小型制備階段，首先，在產(chǎn)炭率最高的熱解條件下得到玉米秸稈生物質(zhì)炭，之后將玉米秸稈生物質(zhì)炭粉碎篩分；其次，采用摻混法制備炭基肥原料，將生物質(zhì)炭、肥料元素試劑和黏結(jié)劑按一定比例混合，攪拌均勻；隨后，采用團粒法生產(chǎn)制粒，待炭基肥顆粒成型后取出，轉(zhuǎn)入電熱鼓風干燥箱中，在120 °C 的條件下干燥約2 h；最后，將得到的炭基肥顆粒轉(zhuǎn)送到1～5 mm 的金屬篩中，得到1～5 mm 均勻粒徑的玉米秸稈炭基肥料成品[7]。

中型制備階段與小型制備階段在前期的炭基肥制備階段類似，但團粒制備過程中所用的設備是滾筒式造粒機，該方法可以得到機械性能更好的炭基肥顆粒，提高生產(chǎn)效率。玉米秸稈炭基肥整體制備工藝流程如圖1 和2 所示。

生物質(zhì)炭基肥制備工藝原料適用范圍廣泛，可用于多種類、多形狀的秸稈原料，通過炭化、制肥工藝充分高效地利用了農(nóng)業(yè)廢棄物，如玉米秸稈等，生產(chǎn)炭基肥、秸稈木醋酸液和清潔的可燃熱解氣，同時得到CO2、甲醇等副產(chǎn)品，真正地實現(xiàn)秸稈還田[8]。制備工藝完成了從秸稈到炭基肥產(chǎn)品的生產(chǎn)制備，可連續(xù)生產(chǎn)，具有較高的利用效率和經(jīng)濟效益。生產(chǎn)的玉米秸稈炭基肥含有氮、磷和鉀3 大元素，施用范圍廣泛，適用于各種農(nóng)作物，兼?zhèn)渖镔|(zhì)炭與化學肥料的優(yōu)點，可用于土壤改良，增強土地保水性、肥力緩釋性，以及吸附有害重金屬等[9]。

1.2 玉米秸稈炭熱解制備工藝

將玉米秸稈原料干燥粉碎，送入熱解炭化爐中炭化，該過程分為3 個階段[10]。①溫度200～300 °C 時，玉米秸稈原料中的低熱量揮發(fā)分大量析出，當300 °C左右時炭產(chǎn)率可達50% 以上，燃料炭的熱值和能量轉(zhuǎn)化率均達到最大值。②溫度300～500 °C 時，玉米秸稈生物質(zhì)炭進一步分解，并產(chǎn)出生物質(zhì)油及生物質(zhì)熱解氣，生物質(zhì)炭的熱值略微降低，炭產(chǎn)率和能量轉(zhuǎn)化率下降，但揮發(fā)分降低，固定碳含量增加。③當溫度高于500 °C 時，玉米秸稈原料中的高碳分子裂解，并產(chǎn)生了大量的甲烷、氫氣與其他高品質(zhì)的碳氫化合物[11]。因而炭產(chǎn)率進一步降低，固定碳含量增加，最終得到半焦炭產(chǎn)品。

在制備生物質(zhì)炭時，選取炭產(chǎn)率較高的溫度段，進一步提高原料利用率。王彥雋等[12] 以玉米秸稈為原料，將其晾干粉碎后置于高溫管式爐內(nèi)進行熱解處理，炭化溫度分別為300、500 和700 °C。結(jié)果表明，炭化溫度維持在300 °C 時，炭產(chǎn)率最高，達到48.15%。劉冬冬等[13] 以玉米秸稈為原料，在氮氣保護下，反應終溫設定為280 和320 °C。結(jié)果表明，反應終溫280 °C時，固定碳含量32.55%；而反應終溫320 °C 時，固定碳含量42.31%。所以，炭化溫度應維持在300～400 °C，在氮氣氛圍下生產(chǎn)制取，制備生物炭同時可得到有價值的副產(chǎn)物。

1.3 玉米秸稈炭基肥原料制備工藝

玉米秸稈炭基肥原料制備是將玉米秸稈生物質(zhì)炭與傳統(tǒng)化肥進行復合，但不同的制備方法對生物質(zhì)炭基肥的質(zhì)量及特性有直接影響。目前炭基肥原料制備工藝主要有4 種：摻混法[14]、包膜法[15]、吸附法[16]和反應法[17]。

（1）摻混法。將所需的傳統(tǒng)肥料與生物質(zhì)炭摻混在一起，制備得到不同種類的生物質(zhì)炭基肥，制備工藝最為便捷，所用設備簡單易操作。通過控制不同生物質(zhì)炭基肥的生產(chǎn)配方（如炭肥比、傳統(tǒng)肥料種類及比例），以制備不同條件下施用的生物質(zhì)炭基肥[18]。喬志剛等[14] 將生物質(zhì)炭與一定比例的化肥混合制成生物質(zhì)碳基肥料，用于田間試驗，結(jié)果表明，生物質(zhì)炭肥配合尿素做基肥施用，與常規(guī)復合肥相比，水稻的谷草比、成穗率、氮素偏生產(chǎn)力、氮素吸收利用率和氮素收獲指數(shù)顯著提高，減少氮用量和氮損失，提高了肥效。

（2）包膜法。將生物質(zhì)炭或者難溶于水的材料包裹傳統(tǒng)肥料制粒，由于需要進行包膜處理，所以肥效釋放時間會變長，利用效率會提高。包膜法通過控制不同的包膜材料（如有機高分子材料[19]、無機高分子材料[20]）、包膜材料配比、成膜工藝及包膜工藝，制備出不同性能的包膜生物質(zhì)炭基肥。紀銳琳[21] 將尿素進行竹炭包膜處理后，用于玉米盆栽，玉米的生物量和氮肥利用率均有提高。此外，相較于僅施用尿素或僅使用竹炭包膜尿素的情況，尿素與竹炭包膜尿素的配合顯著提高了玉米的生物量和氮肥利用率。

（3）吸附法。通過利用生物質(zhì)炭自身吸附特性，將其浸沒于含有氮、磷、鉀溶液中，使生物質(zhì)炭吸附固定住其中的養(yǎng)分，然后烘干固體產(chǎn)物，制備得到生物質(zhì)炭基肥[22]。通過控制不同的溶液配方制備出不同特性生物質(zhì)炭基肥。KHAN M A 等[16] 將橡木制成生物炭，與肥料溶液浸漬以后，借助于木炭的吸附性制備出了木炭基復合肥，在靜態(tài)和連續(xù)流動條件下持續(xù)360 h 檢驗了氮、磷和鉀釋放的模式。從浸漬的木炭中釋放出的氮、磷和鉀是緩慢而穩(wěn)定，土壤溶液中氮、磷和鉀的釋放趨勢高于蒸餾水。

（4）反應法。通過化學工藝對生物質(zhì)炭進行改性優(yōu)化，進而改善生物質(zhì)炭基肥品質(zhì)。通過化學熱解的方法，將有益養(yǎng)分元素負載到生物質(zhì)炭微元孔表面，得到所需的生物質(zhì)炭基肥。張雯[22] 分別使用摻混法、吸附法和反應法制得炭基氮肥，全面分析了生物炭基氮肥的特性，并對緩釋特征進行了評價。結(jié)果表明，3 種不同工藝的炭基氮肥對硝酸的吸持強度存在差異，反應型炭基氮肥的硝酸吸附量最大、吸持強度最高；3 種生物質(zhì)炭基氮肥均在一定程度上對氮素的釋放起到了控釋的效果，以反應型炭基氮肥控釋效果最佳。反應法制備工藝控制精度較高，操作較前幾種方法更加復雜，但制備所得的炭基肥更能滿足預期所需，利用效率及肥料性能都更加優(yōu)異。

1.4 玉米秸稈炭基肥優(yōu)化改性工藝

玉米秸稈炭基肥優(yōu)化改性工藝可以提高整體肥效，常見的改性工藝有兩類。①對生物質(zhì)炭自身直接改性，即生物質(zhì)炭改性，通過對生物質(zhì)炭表面附加有益元素，提高炭基肥的肥效及作用時長。②通過添加不同的改性劑作用于生物質(zhì)炭和傳統(tǒng)肥料上，提高肥料肥力和對土壤的增益性，如高嶺土改性[23]、膨潤土改性[24]、腐殖酸改性[25] 和磷酸活化改性[26] 等。由于高嶺土、膨潤土的自身結(jié)構(gòu)富含微孔，與生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)相近，增強了改性炭基肥的吸附性，進而提高了對土壤及農(nóng)作物的增益性。錢力[23] 通過高嶺土改性和膨潤土改性制成了兩種不同的新型生物質(zhì)炭基復合肥料，其表面性狀分析結(jié)果表明，制成的新型生物質(zhì)炭基肥表面具有很多含氧官能團、氧化物、亞微米及納米礦物結(jié)構(gòu)等多種礦物結(jié)構(gòu)，其存在會對作物的生長起到積極的作用，并且肥料表面的養(yǎng)分分布較均勻。一定比例腐殖酸的加入不僅能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和提高肥力，還可以通過調(diào)節(jié)作物根系和內(nèi)生微生物，實現(xiàn)對作物生長的調(diào)控。周旻旻[25] 以秸稈生物質(zhì)炭和普通復合肥料為基料，在包膜材料中加入含量10% 的煤炭腐殖酸，制得炭基包膜緩釋肥。通過人工模擬降雨試驗，發(fā)現(xiàn)炭基緩釋肥處理的徑流總氮流失可以削減27.3%～56.6%。磷酸活化改性能增加肥效，優(yōu)化改善緩釋性能。增設生物質(zhì)炭基肥改性工藝后，為生物質(zhì)炭基肥性能優(yōu)化提供了新路徑。姚春雪[26] 以小麥秸稈為原料，進行磷酸活化改性制得改性生物質(zhì)炭基肥，研究結(jié)果表明，與常規(guī)生物質(zhì)炭相比，改性生物質(zhì)炭基肥表面官能團數(shù)量和比表面積有所增加，同時表面結(jié)構(gòu)中富含更多養(yǎng)分，養(yǎng)分緩釋效果也更明顯。

1.5 玉米秸稈炭基肥顆粒制備工藝

玉米秸稈炭基肥原料通過制粒工藝制備炭基肥成品，常見的炭基肥制粒方法有團粒法和擠壓法兩種。

（1）團粒法。通過機械設備將炭基肥原料與黏結(jié)劑黏接旋轉(zhuǎn)成團，之后通過規(guī)格篩網(wǎng)并干燥后得到均勻的肥料成品，常用設備有圓盤式造粒機、滾筒式造粒機。團粒法能夠很好地適應多種原料，原料配方適應性大，設備簡單易控制，產(chǎn)品顆粒均勻、機械性能良好。團粒法適用于中小規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)營，但需要增設粉碎、噴淋及干燥設備，整體生產(chǎn)設備集成化不高[27]。張偉[28] 將一定量的生物質(zhì)炭、尿素與高嶺土混合后置于圓盤式造粒機中，制得生物質(zhì)炭基尿素肥料，研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加比例在50% 時，團粒法造粒所需水的添加量15%～25%，團粒法所需黏結(jié)劑的添加量10% 左右，并且粒狀生物質(zhì)炭基尿素肥料相對于尿素顆粒具有良好的緩釋效果。山東省煙臺市農(nóng)業(yè)科學研究院[29] 使用團粒法制備的炭基肥對富士蘋果葉片有著顯著的促進效果。它可以增加葉片質(zhì)量、葉綠素B 和類胡蘿卜素的含量，同時提高葉片的光合性能。

（2）擠壓法。通過機械設備將混合好的炭基肥原料擠壓成圓形顆粒成品，常用設備有對輥擠壓造粒機、平模擠壓造粒機。擠壓法屬于干法造粒，制備過程對水分需求不大，后期不需要烘干設備，制備的成品顆粒均勻不需要篩分程序，整體設備集成度高。對于制備有機?無機復混肥較為適用，特別是有機成分含量較多的炭基肥制備[30]。

馬歡歡等[31] 按照肥料配方復混肥料的配比，在30MPa 壓力下將其擠壓造粒成型，制得成型炭基肥料。對炭基肥料成品相關性能表征，發(fā)現(xiàn)適量炭基肥料施入土壤，可以緩釋肥效，減少肥料流失，同時能將土壤pH 值由偏酸性向中性調(diào)節(jié)的趨勢，改善了土壤的pH 值狀況。魏春輝等[32] 使用擠壓法制備了柱狀竹炭基肥，并且運用綜合平衡法得到最佳組合方式。在該條件下， 成型質(zhì)量最佳， 抗壓強度36.90 N， 密度1.190 g/cm3，抗?jié)B水性93.45 min。

針對玉米秸稈炭基肥制備，應用規(guī)模不大，國內(nèi)大多處于中小型制備階段，所以制備造粒方法常用團粒法。小型制備階段多用圓盤造粒機，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，中型制備階段多用滾筒式造粒機，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示[33]。

2 生物質(zhì)炭基肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用

2.1 土壤改良

生物質(zhì)炭表面富含一些官能團，如羥基、羧基等，制備生產(chǎn)成炭基肥后，這些官能團的存在使得生物質(zhì)炭表面負載一定的營養(yǎng)成分，并且部分官能團可以電離之后具備離子交換吸附能力[34]。

生物質(zhì)炭為多孔結(jié)構(gòu)，具有高孔隙率及較強的吸附性，能夠有效減少土壤水分的流失，也具有負載和吸持特性，確保肥料養(yǎng)分保持，減少養(yǎng)分離子與礦質(zhì)養(yǎng)分解離和揮發(fā)損失，從而使得土壤保肥及保水性都得到有效改善[23-35]。較強的吸附性能夠有效防止沙漠化，對于我國干旱地區(qū)的植被尤為重要，提高了該地區(qū)的土壤環(huán)境質(zhì)量及作物存活率。施用炭基肥提升土壤有機碳含量，為微生物創(chuàng)造了良好棲息生存環(huán)境，并提供不同碳源及營養(yǎng)物質(zhì)，促進了微生物生存繁殖，優(yōu)化了農(nóng)作物根系生長環(huán)境和對養(yǎng)分的吸收性能[36]。

在制備炭基肥過程中會產(chǎn)生副產(chǎn)品木醋酸，研究表明，木醋液適當稀釋后施用于鹽堿土壤中，能夠有效降低土壤pH 值和可溶性鹽含量，對于我國鹽堿土壤污染治理工作有著重大意義[37]。玉米秸稈炭基肥具有優(yōu)良的肥效特性與結(jié)構(gòu)特性，吸附性強、營養(yǎng)元素豐富、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，能有效調(diào)節(jié)土壤pH 值和改良土壤環(huán)境[38-39]。

2.2 治理重金屬污染土壤

日常生產(chǎn)生活中產(chǎn)生廢水、廢氣和污泥等，這些廢棄物中大都含有一定成分的重金屬，如鉻、鉛、汞和砷等，它們擁有較強的生物毒性。有害廢棄物的日益積累，其中含有的有毒重金屬在土壤中會過量沉積，導致土壤環(huán)境受到嚴重污染，對人們的生產(chǎn)生活造成不良影響。這幾類有毒重金屬中，砷污染主要來源于日常除草劑、殺蟲劑及殺菌劑的制備使用；鉛和鉻金屬的污染，目前主要來自于汽車尾氣大量沉降和冶金領域的廢氣排放；而汞金屬污染是因為化工產(chǎn)業(yè)廢水的排放。重金屬污染對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了極大負面影響，過量重金屬會導致作物營養(yǎng)失衡、生理紊亂，并且不利于土壤中氨化、硝化細菌的活動，間接影響作物的生長發(fā)育及作物產(chǎn)量[40]。這些重金屬的生物毒性具有持續(xù)性，過量的重金屬在土壤中難以降解，不易被水淋濾，對人體健康造成極大損害。玉米秸稈炭基肥施用于土壤后，因為其自身比表面積較大、孔隙豐富致密、吸附性較強，能夠加強對重金屬的吸附固定。通過物理吸附作用改變重金屬賦存形態(tài)、降低其有效性及遷移性，能夠削減重金屬對土壤污染[41]。此外，有毒重金屬還可以同生物質(zhì)炭基肥的含氧官能團發(fā)生絡合反應，目的是固定土壤重金屬，降低土壤環(huán)境污染。

2.3 作物增產(chǎn)農(nóng)戶增收

施用玉米秸稈炭基肥是綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的有效策略，能夠優(yōu)化土壤、提高肥效、改善環(huán)境和提升作物品質(zhì)等，從而間接降低生產(chǎn)成本，并且增加作物產(chǎn)量收益，提高農(nóng)戶收入。生物質(zhì)炭基肥具有較高比表面能和孔隙率，這樣的結(jié)構(gòu)特性可以促進土壤團聚，改善土壤孔隙度和田間持水性，有利于農(nóng)作物吸水和生長，增加作物產(chǎn)量[42]。生物質(zhì)炭基肥本身含有大量有機物質(zhì)和氮磷鉀等有益元素，為作物生長提供養(yǎng)分[43]。施用生物質(zhì)炭基肥能夠提高土壤的養(yǎng)分含量及有效性，有助于農(nóng)作物對營養(yǎng)元素的吸收，促進作物生長發(fā)育[44-45]。生物質(zhì)炭基肥中生物質(zhì)炭成分增加了肥效吸收率，并且生物質(zhì)炭大多呈弱堿性，可以調(diào)節(jié)土壤酸堿度。生物質(zhì)炭基肥可以改善土壤環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，使農(nóng)戶能夠獲得更高的收益。生物質(zhì)炭基肥大多呈現(xiàn)黑色，施用后可以適當增加土壤黑度，進而增加土壤溫度，促進作物萌發(fā)生長。生物質(zhì)炭基肥適量施用對作物生長提質(zhì)有著積極影響。

2.4 提高肥料利用率

傳統(tǒng)化肥的不合理施用極易引起土壤板結(jié)和水體污染問題。農(nóng)作物對傳統(tǒng)化肥的吸收率普遍不高，造成極大浪費。生物質(zhì)炭基肥應用能夠緊密結(jié)合生物質(zhì)炭與化肥的特性優(yōu)點，大大提高化肥的緩釋性能，改善整體利用率。研究表明，當施用相同質(zhì)量的生物質(zhì)炭基肥，能夠減少10% 左右傳統(tǒng)無機肥施用，節(jié)約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

針對殘留傳統(tǒng)化肥較多的農(nóng)田土壤，少量施用生物質(zhì)炭基肥就可以滿足農(nóng)作物一段時間內(nèi)的營養(yǎng)需求，確保作物生長提質(zhì)。傳統(tǒng)化肥制備工藝一般需要利用不可再生能源，而相比之下生物質(zhì)炭基肥制備工藝更加綠色環(huán)保，減少傳統(tǒng)化肥施用量，節(jié)約我國不可再生能源， 為我國新型能源結(jié)構(gòu)建設注入新鮮動力[46-47]。

我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本中化肥施用成本巨大，農(nóng)戶購買肥料所需的費用甚至達到整體成本的50%，為此，國家和農(nóng)戶每年都需要投入大量資金，施用生物質(zhì)炭基肥將進一步降低傳統(tǒng)化學肥料施用量，進而能夠為國家與農(nóng)戶節(jié)約生產(chǎn)成本，促進綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設。

3 結(jié)束語

推廣生物質(zhì)炭基肥技術可以促進秸稈炭化還田、改良土壤、治理土壤重金屬污染、提高肥料利用率、增加作物產(chǎn)量和質(zhì)量，進而增加農(nóng)戶收入。生物質(zhì)炭基肥技術的推廣推動了綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，是生物質(zhì)資源全面利用的有效方式，也是新型農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的推動力量，符合低碳減排的要求。

隨著生物質(zhì)炭基肥制備技術的快速發(fā)展，需要進一步深入完善關于玉米秸稈炭基肥在農(nóng)作物和土壤碳循環(huán)中的作用機理和評價標準。在生物質(zhì)炭基肥領域，應該大力開展生物質(zhì)炭基肥的基礎性規(guī)律研究，加強對生物質(zhì)炭基肥應用機理的探索，建立生物質(zhì)炭基肥與施用農(nóng)田之間的影響關系和適用規(guī)律。

基于TRIZ 創(chuàng)新理論，可以使用物理矛盾分析法、物質(zhì)?場模型分析法和技術矛盾分析法等方法，分析玉米秸稈炭基肥制備過程中的矛盾點和著力點，研發(fā)可以連續(xù)高效可自動控制的生物質(zhì)炭基肥制備工藝及設備。同時，建立新型生物質(zhì)炭基肥施用技術推廣示范區(qū)，完善生物質(zhì)炭基肥的生產(chǎn)制備技術和理論評價體系，推動綠色農(nóng)業(yè)的建設。

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