






摘要:有機無機肥配施能提高作物產量和肥料利用效率,但其對春小麥的影響尚不清楚。通過設置空白對照(CK)、單施有機肥(M)、單施氮肥(N)、氮磷肥配施(NP)、氮磷肥與有機肥配施(NPM)共5個處理,探究有機無機肥配施對春小麥產量、養分吸收和土壤礦質氮殘留的影響。研究結果表明氮磷肥與有機肥配施(NPM)處理下的小麥產量、秸稈干重和收獲指數比對照分別顯著提高了13.45%~47.68%、25.71%~43.68%、4.04%~8.78%。NPM處理的氮肥利用效率比M處理顯著提高了159.52%。NPM處理與N、M處理相比,氮肥農學利用率提高了11.83%、11.09%,但并無顯著性差異。NPM處理的籽粒和秸稈中氮的養分含量與CK、M處理相比,分別提高了3.12%~42.76%,與N、NP處理相比,反而有所下降,可能增施有機肥對籽粒和秸稈中氮吸收有一定的抑制作用。NPM處理的籽粒和秸稈中磷的養分含量與NP、N、M處理相比,分別提高了3.88%~24.84%、8.38%~22.50%、2.17%~17.35%。NPM處理的籽粒和秸稈中鉀的養分含量與N、M處理相比,分別顯著提高了5.54%~30.97%、4.64%~25.19%。NPM處理的籽粒和秸稈氮養分吸收量與CK、M處理相比,分別顯著提高了66.73%~74.48%、33.10%~71.31%,與N處理相比,有所下降。NPM處理的籽粒和秸稈磷鉀養分吸收量最高,與NP、N、M處理相比,分別提高了0.84%~21.25%、1.51%~12.26%、30.50%~50.55%。60~100 cm土層中,NPM處理土壤NO-3-N含量低于其他處理,降低了0.63%~7.75%。表明在化肥的基礎上增施有機肥,可降低深層土壤60~100 cm土層的硝態氮含量,降低土壤硝態氮的累積。在0~20、40~100 cm土層,NPM處理的土壤硝態氮殘留量比其他處理顯著降低了4.56%~16.96%。表明在化肥的基礎上增施有機肥,可顯著降低深層土壤40~100 cm土層的土壤硝態氮的殘留從而增加礦質態氮的固定,減少氮素損失。因此,氮磷化肥與有機肥配施,是提高春小麥產量、秸稈量,小麥籽粒和秸稈的養分吸收以及養分吸收量,降低深層土層硝態氮含量的最佳施肥措施。
關鍵詞:有機無機配施;春小麥;養分吸收;土壤硝態氮;土壤礦質氮
中圖分類號:S512.1+20.6 文獻標志碼:A
文章編號:1002-1302(2024)17-0080-08
收稿日期:2023-09-12
基金項目:第二次青藏高原綜合科學考察研究資助項目(編號:2019QZKK0303);青海省科協中青年科技人才托舉工程(編號:2022QHSKXRCTJ29)。
作者簡介:張 月(1998—),女,河南鹿邑人,碩士研究生,主要從事農田土壤碳庫研究工作。E-mail:m18695849158@163.com.
通信作者:李月梅,研究員,主要從事農業資源與環境方向研究。E-mail:Yuemeili2002@hotmail.com。
小麥作為我國乃至世界最重要糧食作物之一,在我國種植面積廣泛,保證其生產安全對我國糧食安全和社會經濟發展具有重要意義。人們在長期農業生產過程中,已經認識到化肥和有機肥在提高作物產量方面的重要作用[1-5]。化肥可以迅速提高土壤養分含量,改善土壤微環境,但化肥長期大量施用會造成土壤板結、地力受損、作物品質下降等問題[3]。有機肥則可以培肥土壤,能持續供給作物營養[6]。而有機肥配施化肥,結合了有機肥與無機肥的優點,使二者營養物質得到充分合理的運用[7-8]。化肥肥效快,可以滿足當季小麥生長所需養分;有機肥可以供給土壤大量有機物質,但肥效釋放緩慢,二者配合施用既能提高土壤肥料利用率,還能提高土壤可持續生產力[9-10]。
大量的研究發現,有機無機肥料配施能明顯改善作物生長環境,提高作物產量[11-14]。在等氮量下以合理比例有機肥氮替代化肥氮有利于提高水稻結實率,增加有效穗數,提高小麥籽粒產量,同時可以提高氮肥農學效率和氮肥利用率[7,14-16]。王小明等的研究也證明了有機無機肥料配施能協調養分平衡供應,提高養分利用率[17]。馮悅晨等發現相較于單施化肥和單施有機肥,有機無機配施可降低土壤剖面殘留硝態氮含量[18],說明有機無機肥配施能降低氮素淋失造成環境污染的風險。
前人對單施化肥和有機肥、有機無機肥配施對不同作物產量的影響已有研究,且研究結果相對一致,但有機無機肥配施對春小麥產量及養分吸收的研究較少。目前的研究主要集中在化肥、有機肥單施或減氮配施有機肥的增產效應、環境效應及土壤養分庫的提高,缺乏在化肥的基礎上增施有機物料對春小麥產量、養分吸收和土壤礦質氮殘留等的研究[19-21]。本研究基于國家農業環境西寧觀測實驗站的田間定位試驗,研究了有機無機肥配施技術對春小麥產量、養分吸收和土壤礦質氮殘留的影響,以期為青藏高原地區春小麥持續安全生產提供一定的理論依據和技術支撐。
1 材料與方法
1.1 區域概況
試驗位于青海省西寧市城北區青海大學農林科學院試驗地(36°56′N,101°45′E),海拔2 322 m。該地區年均氣溫為5.9 ℃,年均降水量、蒸發量分別為367.5、1 729.8 mm,年均日照時數、日照率分別為2 748 h、62.8%,光合輻射總量為612.5 J/cm2[22]。土壤類型為栗鈣土,質地為中壤。采用長期連作方式種植春小麥,品種為青春38。
1.2 試驗設計
試驗設空白對照(CK)、單施有機肥(M)、單施氮肥(N)、氮磷肥配施(NP)、氮磷肥與有機肥配施(NPM)5個處理(表1),重復4次,隨機區組排列。總氮肥的70%作基肥,剩余30%在小麥拔節期結合灌水追施,磷肥和有機肥全部作基肥施用。本研究中常規化肥N用量為120 kg/hm2,P用量為P2O5 75 kg/hm2;有機肥采用商品有機肥,含有機碳 400.86 g/kg、氮11.13 g/kg、磷3.74 g/kg、鉀 13.0 g/kg,施用量為30 000 kg/hm2。春小麥采用人工行播,播種時間為2021年4月7號,播種量為 300 kg/hm2,行距15 cm,小區面積為27.5 m2(5.5 m×5.0 m),各小區間以田埂分隔。每個小區南北方向播種36行,每行23 g。
1.3 樣品采集與分析
1.3.1 植株樣品
在2021年8月16號收獲期,每小區采集2個0.5 m2的樣品,數株數,測定籽粒和秸稈的干物質量(60 ℃下烘干稱重)。所有植株樣品粉碎后過0.5 mm篩,測定植株氮、磷、鉀含量。
植株氮、磷、鉀含量:過篩后植株樣品,H2SO4-H2O2消煮,分別用凱氏定氮儀、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定。
植株養分吸收量:植株養分含量與植株干重的乘積。
1.3.2 土壤樣品
小麥收獲后采集0~100 cm土壤剖面樣品,按0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 cm分層取樣。土壤樣品采用氯化鉀溶液浸提,連續流動分析儀(Seal Analytical GmbH,德國)測定浸提液中的NH+4-N和NO-3-N含量[14]。根據下列公式計算硝態氮殘留量:
各土層硝態氮殘留量(Ri):Ri=C×(D×H×A)×10-6。
式中:Ri為每一土層的硝態氮(NO-3-N)殘留量(kg/hm2);C為該土層土壤硝態氮含量(mg/kg);D為該土層土壤容重(kg/m3);H為每一土層的厚度(0.2 m);A為土地的面積,取1 hm2[23]。
1.4 數據處理與統計分析
根據植株吸氮量,計算氮素利用相關指標,公式如下:
氮肥利用率=(施氮區植株吸氮量-未施氮區植株吸氮量)/施氮量(包括有機肥中氮含量)×100%[24];
氮肥農學效率(kg/kg)=(施氮區產量-未施氮區產量)/施氮量[25];
采用Excel 2010軟件及Origin 2022進行數據處理和圖表繪制,SPSS 27.0軟件統計分析,LSD法顯著性測驗(α=0.05)。
2 結果與分析
2.1 不同施肥處理對收獲期小麥生物量的影響
施用化肥或化肥與有機肥配施均顯著提高了小麥產量和秸稈量,提高小麥收獲指數(圖1)。收獲指數與產量關系密切,反映了作物轉化為經濟產品的能力。方差分析結果表明,與CK處理相比,單施有機肥(M)處理的小麥產量、秸稈干重和收獲指數分別顯著提高了13.03%、14.30%、10.40%。在單施化肥(N、NP)條件下,小麥產量、秸稈干重和收獲指數比M處理分別提高了30.17%~49.66%、22.44%~24.96%、4.22%~4.56%。與單施有機肥(M)處理相比,有機無機肥配施(NPM)處理的小麥產量、秸稈干重和收獲指數分別顯著提高了47.68%、25.71%、8.78%;與單施氮肥(N)處理相比,有機無機肥配施(NPM)處理的小麥產量和收獲指數分別顯著提高了13.45%、4.04%。
2.2 不同施肥處理對收獲期小麥植株養分含量的影響
不同施肥處理對收獲期小麥籽粒中N、P、K含量有一定影響。籽粒中氮的養分含量為15.75~19.75 g/kg,磷的養分含量為3.62~3.93 g/kg,鉀的養分含量為3.91~4.13 g/kg(圖2)。方差分析結果表明,NPM處理的籽粒氮含量與CK處理相比,顯著提高了11.71%;與M處理相比,提高了3.12%,但未達到顯著性;與N、NP處理相比,反而有所下降,可能增施有機肥對籽粒氮吸收有一定的抑制作用。籽粒中磷的養分含量在NPM處理時最高,與N處理相比,顯著提高了8.38%;與CK、M、NP其他處理相比,提高了2.17%~3.88%。籽粒中鉀的養分含量在NPM處理時最高,與M、N處理相比,分別顯著提高了4.64%、5.54%;與CK、NP處理相比,分別提高了1.64%、2.06%,但無顯著性。
不同施肥處理對收獲期小麥秸稈中氮磷鉀含量也有一定影響。秸稈中氮的養分含量為1.84~3.41 g/kg,磷的養分含量為0.47~0.65 g/kg,鉀的養分含量為6.12~11.33 g/kg(圖2)。方差分析結果表明,NPM處理的秸稈氮含量與CK、M處理相比,分別顯著提高了26.69%、42.76%。秸稈中磷的養分含量在NPM處理時最高,與CK、NP處理相比,分別顯著提高了39.00%、24.84%;與M、N處理相比,分別提高了17.34%、22.50%。NPM處理的秸稈鉀含量與CK、M、N處理相比,分別顯著提高了82.29%、25.19%、30.97%。因此,有機無機肥配施對比單施化肥和單施有機肥,能提高小麥籽粒和秸稈的磷素和鉀素含量。
2.3 不同施肥處理對收獲期小麥植株養分吸收量的影響
在所有處理中,小麥籽粒氮磷鉀養分吸收量,均是氮養分吸收量最高,磷鉀養分吸收量較低。其中,籽粒中氮的養分吸收量為58.95~102.85 kg/hm2,磷的養分吸收量為11.98~23.09 kg/hm2,鉀的養分吸收量為12.82~22.76 kg/hm2(圖3)。
方差分析結果表明,NPM處理的籽粒氮養分吸收量(圖3-a)與CK、M處理相比,分別顯著提高了74.48%、33.10%;與NP處理相比,提高了1.59%。籽粒中磷的養分吸收量(圖3-b)在NPM處理時最高,與CK、M、NP處理相比,分別顯著提高了92.80%、38.94%、21.25%;與N處理相比,提高了10.26%。籽粒中鉀的養分吸收量(圖3-c)在NPM處理時最高,與CK、M、NP處理相比,分別顯著提高了77.51%、33.04%、20.76%。因此有機無機肥配施對比單施化肥和單施有機肥,能提高小麥籽粒的NPK養分吸收量。
在所有處理中,小麥秸稈氮磷鉀養分吸收量,均是鉀養分吸收量最高,磷養分吸收量最低。其中,秸稈中氮的養分吸收量為9.96~27.73 kg/hm2,磷的養分吸收量為2.50~4.11 kg/hm2,鉀的養分吸收量為41.10~75.70 kg/hm2(圖3)。方差分析結果表明,NPM處理的秸稈氮養分吸收量(圖3-a)比CK、M處理分別顯著提高了66.73%、71.31%;與N、NP處理相比,反而顯著降低了17.74%、38.46%。秸稈中磷的養分吸收量(圖3-b)在NPM
處理時最高,與其他處理相比,提高了4.49%~64.50%,且與CK處理差異性顯著。秸稈中鉀的養分吸收量(圖3-c)在NPM處理時最高,與其他處理相比,提高了0.84%~84.18%,且與CK、M處理差異性顯著。說明增施有機肥有利于小麥秸稈對磷素和鉀素的吸收。
氮素在籽粒和秸稈中的分配比例為78%~88%和12%~22%(圖4)。氮素主要分配在籽粒中,M處理顯著提高了氮素在籽粒中的分配比例,由N處理的78%提高到88%,磷素在各器官的分配規律與氮素相似,主要分配在籽粒中,籽粒和秸稈中的分配比例分別為83%~85%、15%~17%。鉀素主要分配在秸稈中,在籽粒和秸稈中的分配比例分別為20%~25%、75%~80%。因此,在小麥成熟后,大部分氮磷養分集中在籽粒中,而大部分的鉀集中在秸稈中,有機無機肥配施與單施化肥相比,秸稈中氮磷有向籽粒偏移的傾向。
2.4 不同施肥處理對不同土層土壤硝銨含量的影響
與土壤NO-3-N含量相比,NH+4-N含量亦隨土層變深而變化,但幅度較小,僅在3~8 mg/kg區間波動(圖5-a)。在土壤 0~100 cm土層的銨態氮含量具有顯著差異,在0~40 cm土層中,NPM處理的土壤NH+4-N含量比M、N處理顯著降低了13.64%~33.48%。表明在化肥的基礎上增施有機肥,降低了0~40 cm土層的銨態氮含量。40~80 cm土層中,NPM處理土壤NH+4-N含量比N處理顯著提高了34.83%。80~100 cm土層中,NPM處理土壤NH+4-N含量比CK、NP處理分別顯著提高了45.13%、24.98%, 比M處理顯著降低了13.82%。
表明在化肥的基礎上增施有機肥,可提高40~100 cm 土層的銨態氮含量。銨態氮比較容易被土壤膠體吸附,有機無機肥配施處理一定程度上有利于土壤肥效的保持[26]。
土壤硝態氮含量在0~100 cm土層中均遠高于銨態氮(圖5-b),土壤NO-3-N含量在各處理間隨土層變深變化趨勢基本一致,呈下降趨勢。0~40 cm 土層中,NPM處理的土壤NO-3-N含量比M、NP處理分別顯著提高了24.93%、18.50%。可能是銨離子在土壤上層通過硝酸酶可形成硝酸根導致硝態氮增加。60~100 cm土層中,NPM處理土壤NO-3-N含量低于其他處理,降低了0.63%~7.75%。表明在化肥的基礎上增施有機肥,可降低深層土壤60~100 cm土層的硝態氮含量,降低土壤硝態氮的累積量。
土壤礦質氮儲量包括銨態氮和硝態氮2個部分,在各處理間隨土層變深變化與硝態氮含量變化基本一致,也呈下降趨勢(圖5-c)。不同土層土壤硝態氮殘留量的變化如圖5-d所示,在0~20、40~100 cm土層,NPM處理的土壤硝態氮殘留量比其他處理顯著降低了4.56%~16.96%。表明在化肥的基礎上增施有機肥,可顯著降低深層土壤40~100 cm 土層土壤硝態氮的殘留,從而增加礦質態氮的固定,減少氮素損失。
2.5 不同施肥處理對氮肥利用率的影響
方差分析結果表明,與單施有機肥(M)處理相比,單施氮肥(N)處理和單施化肥(NP)、有機無機肥配施(NPM)處理的氮肥利用率分別顯著提高了184.42%、149.48%、159.52%,可能是氮肥不足或過量均會降低肥料利用率。氮肥農學利用率為18.51~27.64 kg/kg,在一定程度上也反映出作物潛在產量的高低。有機無機肥配施(NPM)處理與單施氮肥(N)處理、單施有機肥(M)處理相比,氮肥農學利用率分別提高了11.83%、11.09%,但并無顯著性差異(表2)。
3 討論
3.1 不同施肥處理對收獲期小麥生物量及氮肥利用率的影響
有機無機肥配施,可以提高作物產量和生物量,保持土壤肥力[21,27-28]。大量試驗表明,有機無機肥配施能促進小麥增產[5,9,29]。竇露等的研究表明,有機無機肥配施較農戶常規施肥顯著提高籽粒產量17.5%,在有機肥施用的同時,小麥成穗數和穗粒數以及產量,隨著無機肥施用量的升高呈現增加的趨勢[8-9]。本研究結果表明,與單施有機肥(M)處理相比,有機無機肥配施(NPM)處理的小麥產量、秸稈干重和收獲指數分別顯著提高了47.68%、25.71%、8.78%;與單施氮肥(N)處理相比,有機無機肥配施(NPM)處理的小麥產量和收獲指數分別顯著提高了13.45%、4.04%。這與陳歡等的研究結果[2,30]相似。施用有機肥能增加土壤養分含量,促進根系生長,有利于作物對氮素的吸收[31]。化肥肥效快,有機肥肥效緩慢,有機肥配施化肥可提高小麥對肥料氮的吸收利用,最終提高氮效率[32]。陸強等的研究表明,施用有機肥料與單施化肥相比提高氮素轉運率,因為施用有機肥料能保證作物整個生育期尤其是中后期的氮素供應[33]。本研究結果表明,NPM處理的氮肥利用效率、氮肥農學利用要高于單施有機肥、單施化肥處理,這與肖倩等的研究結果[34]相似。說明有機無機肥配施能維持和穩定小麥產量。
3.2 不同施肥處理對收獲期小麥植株養分含量的影響
有機肥含氮、磷、鉀、鈣、鎂等各種營養元素,對活化土壤養分具有重要的作用,土壤養分含量影響著小麥植株養分的吸收利用[35-36]。陳磊等的試驗結果表明,施用有機肥能夠補充土壤中氮、磷、鉀含量,提高小麥籽粒中養分含量[37]。施氮肥能顯著提高小麥籽粒和秸稈中氮含量,劉亦丹等的研究表明,有機肥替代化學氮肥處理對小麥籽粒和秸稈中N、P2O5、K2O養分含量有影響[3,38-39]。秸稈還田及秸稈配施有機肥處理都有利于植株氮含量提髙,有機肥還田有利于增加磷素在麥株中的分配,可顯著的促進小麥植株對鉀素的吸收[40]。本研究結果表明,籽粒和秸稈中磷、鉀的養分含量在NPM處理時最高,與其他處理相比,分別提高了2.17%~8.38%、4.64%~5.54%和17.35%~39.00%、25.19%~82.29%,與前人的研究結果[3,6]相似。說明有機無機肥配施能提高小麥籽粒和秸稈中氮磷鉀養分含量。
3.3 不同施肥處理對收獲期小麥植株養分吸收量的影響
有機無機肥配施可以增加養分的吸收量,提升冬小麥對于氮素的吸收增加[41-42]。施用生物炭顯著增加春小麥對氮、磷和鉀的吸收,還對春小麥產量具有積極的促進作用。張靖等的研究表明,羊糞+氮磷配施(MNP)處理,全株吸氮量、籽粒吸氮量均最高,分別達到227.36、162.73 kg/hm2,其中籽粒產量比對照(CK)、氮磷鉀配施(NPK)、羊糞(M)分別增產17.67%、4.57%、4.99%[43]。本研究結果表明,籽粒和秸稈中磷鉀的養分吸收量在NPM處理時最高,分別提高了10.26%~92.80%、20.76%~77.51%和4.49%~64.50%、0.84%~84.18%;NPM處理的秸稈氮養分吸收量比CK、M處理分別顯著提高了66.73%、71.31%。這與前人的研究結果[6,14,44-46]一致。本研究發現,在小麥成熟后,大部分氮磷養分集中在籽粒中,氮素在籽粒和秸稈中的分配比例分別為78%~88%和12%~22%,磷素在籽粒和秸稈中的分配比例分別為83%~85%和15%~17%;而大部分的鉀集中在秸稈中,在籽粒和秸稈中的分配比例分別為20%~25%、75%~80%,與邵云等的研究結果[40]相似。有機無機肥配施與單施化肥相比,秸稈中氮有向籽粒偏移的傾向。說明有機無機配施能提高小麥籽粒和秸稈中氮磷鉀養分吸收量。
3.4 不同施肥處理對不同土層土壤硝態氮和銨態氮含量的影響
土壤礦質態氮包括銨態氮和硝態氮2部分,是植物主要吸收的氮素,但含量較少。施用有機肥可直接增加土壤有機氮含量,同時提高土壤中的硝態氮含量,也能防止銨態氮揮發[47-49]。本試驗結果表明,各處理隨土層變深其NO-3-N含量變化趨勢基本一致,呈下降趨勢,這與李超等的研究結果[29]相似。在60~100 cm土層中,NPM處理土壤NO-3-N含量分別低于其他處理1.15%~7.75%、0.63%~3.19%,可降低深層土壤的硝態氮含量,降低土壤硝態氮的累積量。這與李超等的研究結果相同,李超等的研究結果表明,有機無機肥配施措施下土壤的當季硝態氮殘留比農戶施肥降低了48%[29]。說明有機無機肥配施可有效減少土壤硝態氮的殘留,從而增加礦質態氮的固定,減少氮素損失。本試驗結果表明,NH+4-N含量亦隨土層變深而變化,但其幅度較小,僅在3~8 mg/kg區間波動。施用氮磷化肥和在化肥的基礎上增施有機肥,可降低0~40 cm土層的銨態氮含量。施用氮磷化肥和在化肥的基礎上增施有機肥,可提高40~100 cm土層的銨態氮含量。銨態氮比較容易被土壤膠體吸附,有機無機肥配施處理一定程度上有利于土壤肥效的保持[26]。這與劉凱等的研究結果[50-51]相似。土壤礦質氮儲量在不同土層與硝態氮含量變化基本一致,也呈下降趨勢,這與潘飛飛等的研究結果[52]相似。張斐斐等的研究結果表明,氮肥施用量和土壤中硝態氮殘留量密切相關,施氮量越高,土壤中殘留的硝態氮越多[53]。本試驗結果表明,在0~40 cm土層,NPM處理的土壤硝態氮殘留量比其他處理分別提高了4.56%~32.41%,40~100 cm土層中,NPM處理的土壤硝態氮殘留量比其他處理顯著降低了6.41%~16.96%。這與鄭利芳等的研究相似,即有機無機肥配施可以增加表層土壤硝態氮的殘留量,降低深層土壤硝態氮含量,減少土壤硝態氮向深層土壤的淋溶[54]。
4 結論
本研究主要分析了有機無機肥配施對小麥生物量、氮肥利用率、養分吸收特征和土壤硝銨的影響,所得結論如下。
(1)有機無機肥配施(NPM)處理的小麥產量、秸稈干重和收獲指數比對照分別顯著提高了 13.45%~47.68%、25.71%、4.04%~8.78%。
(2)有機無機肥配施(NPM)提高了籽粒和秸稈中磷鉀的養分含量,與其他處理相比,分別提高了2.17%~8.38%、4.64%~5.54%和17.35%~39.00%、25.19%~82.29%。
(3)有機無機肥配施(NPM)提高了籽粒和秸稈中磷鉀的養分吸收量,與其他處理相比,分別提高了10.26%~92.80%、20.76%~77.51%和4.49%~64.50%、0.84%~84.18%。
(4)有機無機肥配施(NPM)可降低0~40 cm土層的銨態氮含量,提高40~100 cm土層的銨態氮含量,可降低0~20、60~100 cm土層的NO-3-N含量。
(5)有機無機肥配施(NPM)可顯著降低深層土壤40~100 cm土層的土壤硝態氮的殘留4.56%~16.96%,從而增加礦質態氮的固定,減少氮素損失。
(6)有機無機肥配施(NPM)的氮肥利用效率、氮肥農學利用率要顯著高于單施有機肥、單施化肥處理。說明有機無機肥配施能維持和穩定小麥產量。
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