豫東黃河故道濕地土壤生物學(xué)性狀及土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

朱新玉，胡云川，蘆 杰

（1.商丘師范學(xué)院 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 商丘 476000；2.商丘師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河南 商丘 476000）

濕地生態(tài)系統(tǒng)是介于水、陸生態(tài)系統(tǒng)之間的一類生態(tài)單元，具有水域和陸地生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，是地球最富有生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)之一［1－2］。近年來(lái)，由于人類對(duì)濕地資源的不合理利用造成濕地生態(tài)系統(tǒng)功能退化，使?jié)竦赝寥郎镄誀罴巴寥郎镔|(zhì)量狀況成為當(dāng)前濕地研究的熱點(diǎn)之一［3］。土壤生物在土壤形成發(fā)育及地上植被生長(zhǎng)方面起著主導(dǎo)作用，在指示土壤環(huán)境變化時(shí)反映敏感［4］。相關(guān)研究指出，土壤生物學(xué)性質(zhì)可作為早期預(yù)警指標(biāo)指示土壤生產(chǎn)力和土壤質(zhì)量的變化情況［5］。土壤生物學(xué)指標(biāo)在土壤質(zhì)量變化評(píng)價(jià)、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及管理方式等方面具有潛在優(yōu)勢(shì)［6］。以往對(duì)土壤生物學(xué)性質(zhì)的研究涉及到土壤生物部分，大部分是對(duì)土壤微生物的研究［7－8］，較少涉及到土壤動(dòng)物［6］；而土壤動(dòng)物作為一類群體，以其復(fù)雜的功能群，通過(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和釋放等方式影響著土壤質(zhì)量［9－10］。Fu等［11］和 Bernard等［12］研究表明土壤動(dòng)物與土壤質(zhì)量之間關(guān)系密切，且土壤動(dòng)物被認(rèn)為土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的早期預(yù)警及敏感指標(biāo)。

在土壤生物學(xué)指標(biāo)中，土壤酶活性參與了土壤的發(fā)生、發(fā)育以及土壤肥力的形成和演化全過(guò)程，反映了土壤中一切生物化學(xué)過(guò)程的方向和強(qiáng)度，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要生物學(xué)指標(biāo)［13－14］。濕地土壤酶的活性和存在的狀態(tài)被普遍認(rèn)為是濕地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化過(guò)程的關(guān)鍵，控制著濕地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)［15］。研究指出土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間具有較好的線性關(guān)系，可作為敏感的生物學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量［16］。劉云鵬等［13］研究指出，土壤酶活性反映出土壤肥力水平的高低，可作為評(píng)價(jià)濕地土壤肥力質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)。

上述研究表明，土壤生物學(xué)性質(zhì)與土壤質(zhì)量的關(guān)系密切，涉及到濕地土壤生物學(xué)性狀及利用土壤生物學(xué)指標(biāo)，并結(jié)合土壤動(dòng)物群落多樣性指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)濕地土壤質(zhì)量方面的研究尚不多見(jiàn)。豫東黃河故道濕地位于黃河下游沖積扇的脊軸，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然變遷，形成大面積的濕地，成為野生動(dòng)物的覓食、停歇和越冬地，已受到學(xué)者們的關(guān)注［17］，但其基本生物學(xué)性狀和濕地土壤質(zhì)量尚不清楚。鑒于此，本文以豫東黃河故道濕地為研究對(duì)象，探討濕地土壤生物學(xué)性質(zhì)和土壤動(dòng)物群落多樣性變化規(guī)律；利用統(tǒng)計(jì)方法，在土壤生物性質(zhì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合土壤動(dòng)物群落多樣性指標(biāo)，從另一個(gè)角度闡述黃河故道濕地土壤質(zhì)量狀況，以期為黃河故道濕地恢復(fù)提供土壤動(dòng)物學(xué)方面的基礎(chǔ)資料及為濕地土壤質(zhì)量生物評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地位于河南省與山東省接壤區(qū)，西起民權(quán)縣睢州壩，東至虞城縣小喬集，北鄰豫魯省界，南北以黃河故堤為界。全長(zhǎng)134.6km，面積約1520 km2，為明清時(shí)期古黃河水道遺留下地一段洼地；地理位置位于115°47′—116°17′E，34°50′—34°33′N，整體走向?yàn)槲鞅薄獤|南走向，呈帶狀分布。

黃河故道濕地屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫13.9～14.3℃，最高均氣溫27.0～27.5℃，極端最高溫43.6℃；最低均氣溫－0.6～1.0℃，極端最低溫－23.4℃；無(wú)霜期約210d，年降水量686.5～872.9mm。調(diào)查區(qū)屬洪澤湖水系，由山東省單縣大姜莊南入安徽省碭山經(jīng)徐州后入淮河。歷代由于黃河的多次泛濫和改道，及地下水位不斷上升，發(fā)育了眾多濕地。主要類型為鹽堿灘地、沼澤濕地、濕草地、水洼地和林地濕地；濕地土壤多為古黃河沖積沙土或砂壤土。植被類型以草本植物為主，喬木主要有山楊（Populus davidiana）、柳樹(shù)（Salix babylonica）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、泡桐（Paulownia）等，灌木主要以野生怪柳（Tamarix chinensis）林為主。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與樣品采集 樣地選擇是在野外植物調(diào)查的基礎(chǔ)上，依據(jù)主要植物群落空間分布特征，利用相關(guān)地形林相圖及遙感資料，在研究區(qū)內(nèi)設(shè)置了鹽堿 灘 地 （saline－alkali wasteland，SAW）、濕 草 地（humid grasslands，HG）、沼澤濕地（marsh wetland，MW）和林地濕地（forest wetland，F(xiàn)W）4種地類型；于2012年采集土壤樣品，每個(gè)樣點(diǎn)選取3個(gè)剖面，分0—20cm和20—60cm兩層取樣，每個(gè)樣地設(shè)3次重復(fù)。將采集的土樣揀出所有可見(jiàn)碎石、植物殘?bào)w和根系后，將所有樣品用四分法混勻裝袋，用冰盒運(yùn)輸并保存于4℃冰箱中待用。

土壤動(dòng)物取樣面積為50cm×50cm，分3層采樣，即0—5cm，5—10cm，10—15cm。土壤動(dòng)物分別采用手揀法、改良的干濕漏斗法分離提取，依據(jù)《中國(guó)土壤動(dòng)物檢索圖鑒》［18］、《幼蟲(chóng)分類學(xué)》［19］進(jìn)行顯微鏡下分析鑒定，同時(shí)記錄個(gè)體數(shù)量，最后將4種濕地類型的土壤動(dòng)物進(jìn)行綜合，得到豫東黃河故道濕地土壤動(dòng)物的區(qū)系分布特征。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法 土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）用重鉻酸鉀氧化—比色法測(cè)定［20］；土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸K2SO4浸提—TOC儀測(cè)定法測(cè)定［21］；土壤微生物生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸浸提—堿性過(guò)硫酸鉀氧化比色法測(cè)定［21］；土壤呼吸（SR）采用室內(nèi)密閉靜態(tài)堿液吸收法測(cè)定，以單位時(shí)間土壤呼出的CO2計(jì)［22］；土壤脲酶活性（SUR）采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，以24h后1g土壤中NH3－N的毫克數(shù)表示；土壤堿性磷酸酶活性（SAP）采用氯代二溴對(duì)苯醌亞胺比色法測(cè)定，以24h后1g土壤中釋放出的酚的毫克數(shù)表示；土壤過(guò)氧化氫酶活性（SC）采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，以單位時(shí)間內(nèi)土壤消耗的0.1mol／L高錳酸鉀計(jì)；土壤蔗糖酶活性（SI）采用3，5—二硝基水楊酸比色法測(cè)定，以24h后1g土壤中葡萄糖的毫克數(shù)表示；以上酶活性的測(cè)定方法參照關(guān)松蔭的方法［23］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

式中:S——所有的物種數(shù)；Pi——第i個(gè)物種的多度比例。

式中:S——所有的物種數(shù)；H′——多樣性指數(shù)。（3）Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)（C）［24］:

式中:S——所有的物種數(shù)，ni——第i種的個(gè)體總數(shù)；N——所有物種的個(gè)體總數(shù)。

（4）密度—類群指數(shù)（DG）［24］:

式中:Di——第i類群的密度；Dimax——各群落中第i類群的最大密度；Ci／C——群落中第i個(gè)類群出現(xiàn)的比率；g——群落中類群數(shù)；G——各群落所包含的總類群數(shù)，每個(gè)類群在各群落中的最大相對(duì)密度為1。（5）標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化法［25］:

式中:S——樣本的標(biāo)準(zhǔn)差；Xi——總體X 的樣本；n——樣本的個(gè)數(shù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 16.0軟件進(jìn)行整理，Origin 8.0作圖；ANOVA進(jìn)行方差分析，多重比較利用Least Significant Difference（LSD）法，文中小寫(xiě)字母相同代表差異不顯著（p＞0.05），字母不同代表差異顯著（p＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河故道濕地土壤生物學(xué)性狀特征

由表1可知，不同樣地土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）含量差異極顯著（F＝42.430，p＜0.01），排列順序?yàn)榱值貪竦兀‵W）＞濕草地（HG）＞沼澤濕地（MW）＞鹽堿灘地（SAW）。FW的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高（7.87 g／kg），HG和 MW 的SOM 含量相近，無(wú)顯著差異（p＞0.05）；SAW 的SOM 含量最低，為2.40g／kg，極顯著低于HG、MW 和FW（p＜0.01），SOM 含量?jī)H為MW和FW的2.78%和3.28%。土壤微生物碳（MBC）和土壤微生物氮（MBN）含量呈現(xiàn)出與SOM含量一致的規(guī)律，均為FW＞HG＞MW＞SAW，且差異顯著（p＜0.05）。SOM 與 MBC 和MBN的相關(guān)系數(shù)分別為0.998和0.999（p＜0.01），說(shuō)明SOM含量與MBC和MBN含量關(guān)系極為密切。土壤基礎(chǔ)呼吸（SR）在0.11～0.24mg／（g·d）之間變化，F(xiàn)W 的SR最高，其次為 HW 和SAW，MW的SR最低；SR兩兩之間多重比較，均表現(xiàn)為顯著差異（p＜0.05）。

表1 黃河故道濕地土壤生物學(xué)指標(biāo)

方差分析結(jié)果顯示，各樣地土壤脲酶（SUR）、蔗糖酶活性（SI）、過(guò)氧化氫酶活性（SC）和堿性磷酸酶活性（SAP）平均值差異顯著（p＜0.05）。SUR、SI、AC和SAP的活性變化規(guī)律一致，為FW＞HG＞MW＞SAW，各種酶活性均表現(xiàn)為FW最高，顯著高于其它三種類型樣地（p＜0.05）。多重比較表明，4種酶活性除在HG和MW中無(wú)顯著差異（p＞0.05），在其余樣地中兩兩之間均表現(xiàn)出顯著差異（p＜0.05）。

土壤動(dòng)物群落組成和多樣性見(jiàn)表2，由表2可以看出，豫東黃河故道濕地共采集土壤動(dòng)物7220 只，隸屬5門8綱23目36類群；土壤動(dòng)物群落總個(gè)體數(shù)（TI）和總類群數(shù)（TN）在FW中最高，其次是HG和MW，SAW最低。土壤動(dòng)物群落多樣性分析表明，群落多樣性指數(shù)H′、群落DG指數(shù)和均勻度指數(shù)E呈現(xiàn)較為一致的規(guī)律性，均為 MW 最高（3.50，9.13，1.47），多樣性指數(shù)H′和群落DG指數(shù)顯著高于FW的土壤動(dòng)物群落多樣性（p＜0.05），均勻度指數(shù)E之間差異性不顯著（p＞0.05）。群落優(yōu)勢(shì)度指數(shù)C與多樣性指數(shù)呈現(xiàn)相反的規(guī)律性，差異性不顯著（p＞0.05）。

表2 黃河故道濕地土壤動(dòng)物群落多樣性

2.2 土壤生物學(xué)性狀的主成分分析

利用主成分分析（PCA）可減少變量的個(gè)數(shù)，用較少的因子來(lái)解釋多種因素之間的關(guān)系，從而找出代表黃河故道濕地土壤質(zhì)量特征的生物學(xué)指標(biāo)。本文選擇上述土壤生物學(xué)指標(biāo)（SOM，MBC，MBN，SR，SUR，SI，SC，SAP）和土壤動(dòng)物群落指標(biāo)（TI、TN、多樣性指數(shù)H′、群落DG指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度C和均勻度E）共14個(gè)指標(biāo)為自變量（x1－x14）進(jìn)行主成分分析，首先對(duì)所測(cè)的土壤各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（見(jiàn)公式5），然后進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。前兩個(gè)主成分的特征值大于1，方差貢獻(xiàn)率分別為63.857%和34.794%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率高達(dá)98.651%，具體見(jiàn)表3和下面的函數(shù)表達(dá)式:

表3 土壤生物學(xué)指標(biāo)主成分載荷矩陣

通過(guò)各主成分的構(gòu)成，可知SOM、MBC、MBN、SR、SUR、SI、SC、SAP在第1主成分上具有較高載荷，主要反映了土壤肥力和土壤酶活性；TI、TN、C、E在第2主成分上具有較高的載荷，可以理解為第2主成分主要反映了土壤動(dòng)物群落指標(biāo)。第1主成分值越大，則土壤肥力水平、有機(jī)化合物、動(dòng)植物殘?bào)w的分解與轉(zhuǎn)化效率越高；第2主成分值越大，則表明土壤動(dòng)物群落多樣性越高。

將各土壤生物學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)分別帶入上述兩個(gè)主成分函數(shù)表達(dá)式中，得到4種樣地土壤在兩個(gè)主成分上的得分情況，見(jiàn)圖1。結(jié)果表明，在以P1所代表的土壤質(zhì)量水平上，各樣地土壤質(zhì)量水平依次為FW＞HG＞MW＞SAW；在以P2所代表的土壤質(zhì)量水平上，各樣地土壤質(zhì)量水平依次為MW＞HG＞FW＞SAW。土壤質(zhì)量分異程度在P1上稍高于在P2上的分異程度，這可能與P1對(duì)土壤質(zhì)量水平的方差貢獻(xiàn)率較大有關(guān)。

圖1 各樣地土壤在主成分1（P1）和主成分2（P2）的得分分布

通過(guò)計(jì)算各樣地在第一和第二主成分的得分F1、F2，結(jié)合各主成分的方差貢獻(xiàn)率，計(jì)算綜合主成分得分:∑F＝0.639F1＋0.348F2，結(jié)果見(jiàn)圖2。主成分得分高低可以反映土壤的生物學(xué)活性及對(duì)養(yǎng)分釋放和利用的潛力，可以作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量生物學(xué)指標(biāo)的依據(jù)。綜合得分越高表明土壤的生物學(xué)活性越強(qiáng)，對(duì)土壤養(yǎng)分的積累、釋放和轉(zhuǎn)移等方面的潛力越大，土壤質(zhì)量越好。由圖2可以看出，F(xiàn)W綜合得分最高，為2.304；其次為HG和MW，綜合得分分別為0.631和0.394；SAW 土壤質(zhì)量最低，為－3.329。

圖2 各樣地土壤在主成分1（P1）和主成分2（P2）的綜合得分

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)土壤質(zhì)量因子進(jìn)行比較，依據(jù)敏感性、簡(jiǎn)潔性、代表性和獨(dú)立性原則，經(jīng)過(guò)歸類，篩選得到SOM、MBC、SR、SUR、SI、SC、SAP、TI、TN、C和E共11個(gè)指標(biāo)（表4），用以表征和評(píng)價(jià)濕地土壤質(zhì)量。

表4 黃河故道濕地土壤質(zhì)量生物學(xué)指標(biāo)篩選歸納

3 結(jié)論與討論

（1）通過(guò)對(duì)黃河故道濕地土壤生物學(xué)性質(zhì)的分析，不同濕地類型土壤生物學(xué)特性差異顯著（p＜0.05）。林地濕地土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物生物量和土壤基礎(chǔ)呼吸均較高，并與其它濕地類型差異顯著。這可能與植被根系生物量、凋落物生物量有關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量的變化決定于地上有機(jī)物質(zhì)的輸入量大?。?3］，林地和草地植物殘?bào)w生物量較大，為土壤提供了較多的有機(jī)質(zhì)。此外，林地濕地和濕草地人為干擾較小，良好的水熱條件和通氣狀況為地上植被提供了優(yōu)質(zhì)的土壤環(huán)境，有機(jī)物質(zhì)的輸入量較大，使土壤有機(jī)質(zhì)、微生物生物量及基礎(chǔ)呼吸較高；同時(shí)也說(shuō)明林地濕地土壤在生物量、土壤養(yǎng)分積累等方面較其它類型濕地土壤有一定的優(yōu)勢(shì)。鹽堿灘地土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物生物量和土壤基礎(chǔ)呼吸均為最低，這可能與其堿度過(guò)大及不良的土壤物理性狀有關(guān)［7，26］。鹽堿灘地距離黃河故道較近，由于沒(méi)有防治措施，地表植被稀疏，植被根系、凋落物等有機(jī)物稀少，不利于有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分的累積，土壤生物學(xué)性狀較差；說(shuō)明土壤生物學(xué)指標(biāo)在指示土壤質(zhì)量受到環(huán)境脅迫時(shí)有一定的潛力。

（2）土壤酶主要來(lái)自于土壤微生物、土壤動(dòng)物和植物。土壤酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)的含量密切相關(guān)［15］，在土壤物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著重要作用；本文中土壤各種酶活性變化趨勢(shì)均為林地濕地最高，濕草地和沼澤濕地其次，鹽堿灘地最低。這主要是由于林地土壤表層有機(jī)物質(zhì)多，有充分的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供土壤動(dòng)物和微生物的生長(zhǎng)；同時(shí)，林地土壤表層通氣狀況和水熱條件較其它樣地好，土壤動(dòng)物和微生物生長(zhǎng)代謝旺盛，加之呼吸強(qiáng)度較高（表1），使其土壤酶活性較高。濕草地和沼澤濕地土壤表層有機(jī)物質(zhì)較少，土壤有機(jī)質(zhì)含量較林地濕地低限制了土壤生物代謝產(chǎn)酶的能力。此外，積水改變了土壤動(dòng)物和微生物群落，影響了土壤酶的釋放［27］；在缺氧的條件下，需氧微生物和土壤動(dòng)物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率降低，導(dǎo)致土壤酶活性不高［16］。張文菊等［28］研究表明，濕地有機(jī)碳降解和礦化速度與土壤含水量的高低密切相關(guān)，含水量高會(huì)抑制土壤有機(jī)碳的礦化，進(jìn)而抑制土壤酶的分解作用。由于這些因素的作用，土壤酶活性在濕草地和沼澤濕地較林地低。本研究中，鹽堿灘地受到高濃度的鹽堿脅迫，致使其土壤酶活性最低。

（3）土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物量、土壤酶活性、土壤動(dòng)物群落多樣性指標(biāo)可以作為黃河故道濕地土壤質(zhì)量的特征指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)含量的高低指示了土壤肥力狀況；土壤微生物量的高低可以反映出土壤中微生物的數(shù)量，且微生物量指示了在土壤中周轉(zhuǎn)速度較快的微生物活體中養(yǎng)分的含量［29］。土壤酶活性可反映土壤有機(jī)質(zhì)的礦化、降解和積累［30］，在一定程度上可以指示土壤肥力質(zhì)量的高低。土壤動(dòng)物是關(guān)系到土壤肥力提升的重要生物源［31］，以其復(fù)雜的功能群，通過(guò)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和釋放等方式影響土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)平衡［10］，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響較大，被認(rèn)為土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的早期預(yù)警及敏感指標(biāo)，指示土壤肥力的變化［6，11］。上述這四類指標(biāo)能夠反映故道濕地土壤生物總量及活性，同時(shí)在一定程度上又可反映土壤養(yǎng)分及肥力狀況，初步認(rèn)為這四類指標(biāo)可作為黃河故道濕地土壤生物學(xué)質(zhì)量的特征指標(biāo)。

（4）主成分的綜合得分反映土壤的生物活性及對(duì)養(yǎng)分利用的潛力，可以作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的依據(jù)。通過(guò)計(jì)算，黃河故道濕地土壤質(zhì)量高低依次為林地濕地、濕草地、沼澤濕地和鹽堿灘地。林地濕地土壤質(zhì)量綜合得分最高，這與該地土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤微生物量碳氮、土壤酶活性指標(biāo)和土壤動(dòng)物群落指標(biāo)等的結(jié)果具有一致的規(guī)律性。由此可知，主成分這一統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以反映土壤生物學(xué)特性的變異情況。

綜上，黃河故道濕地土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤微生物量碳氮含量、土壤基礎(chǔ)呼吸、土壤酶活性和土壤動(dòng)物群落多樣性指標(biāo)等差異顯著，其變化規(guī)律為:林地濕地＞濕草地＞沼澤濕地＞鹽堿灘地；說(shuō)明不同濕地類型顯著影響著土壤肥力和土壤生物學(xué)性狀。土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物量、土壤酶活性和土壤動(dòng)物群落多樣性四類指標(biāo)可作為黃河故道濕地土壤質(zhì)量的特征指標(biāo)，在一定程度上可反映土壤質(zhì)量的變化情況，可以用來(lái)評(píng)價(jià)故道濕地土壤質(zhì)量。

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