昆明不同產(chǎn)地磷石膏對烤煙生長及砷污染風(fēng)險的影響

張傳光，岳獻榮，史靜，張乃明，谷林靜，郭輝，夏運生*

1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2. 云南省林業(yè)科學(xué)院，云南 昆明 650204

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)業(yè)對磷肥需求的持續(xù)增長，我國磷肥工業(yè)發(fā)展迅速，過去幾年里，磷肥產(chǎn)量以每年超過10%的速度遞增（葉學(xué)東，2012），而每生產(chǎn)1 t P2O5就可副產(chǎn)4.5 ～ 5 t的磷石膏（Perez等，2011）。全世界的磷酸工業(yè)每年副產(chǎn)磷石膏17000萬t，其中5000萬t產(chǎn)于中國（Enamorado等，2009），磷石膏已成為我國年排放量和累計堆存量最大的工業(yè)固體廢物之一，而我國的利用率約為2% ～ 5%（王曉岑等，2010；廖若博等，2012），一般是用作建筑材料和土壤改良劑（Zwolinski等，2002；Reifnders，2007；Degirmenci，2008；Voropaeva等，2011）。露天堆放的磷石膏存在諸多的環(huán)境風(fēng)險（Rutherford等，1994；Silva等，2006），特別是滇池周邊磷礦露天堆置的磷石膏隨雨水沖刷進入滇池水體的污染風(fēng)險更不容忽視。

磷石膏中含有磷（P）、硫（S）及植物生長必需的其他營養(yǎng)元素，施用磷石膏對云南大多數(shù)經(jīng)濟作物均有一定的增產(chǎn)作用（鄭小蓮，2000），但因磷石膏中含有對人體有害的物質(zhì)如砷（As）等，限制了其農(nóng)業(yè)利用。相關(guān)研究表明，上蒜、古城和草鋪三地所產(chǎn)磷石膏中以晉寧縣上蒜鄉(xiāng)上蒜磷肥廠副產(chǎn)的磷石膏酸性最強，其總磷、速效磷、以及砷含量均為最高（張傳光等，2012）、古城鎮(zhèn)昆陽磷肥廠副產(chǎn)的磷石膏能促進玉米的生長，且在接種GM真菌后玉米對As的吸收量有顯著的降低（白來漢等，2011）?？緹熥鳛樵颇鲜〉闹饕?jīng)濟作物，對P、S的需求量都很大，因此，通過研究不同產(chǎn)地磷石膏中P、S營養(yǎng)元素及重金屬As對不同品種烤煙生長及土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，旨在為昆明磷石膏在烤煙上的資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為玉溪市江川縣低硫缺磷土壤，土壤自然風(fēng)干后過 2 mm篩后除留部分用于基本屬性（表1）測定外，其他分裝待用。

表1 供試土壤及磷石膏的基本化學(xué)特性Table 1 The basic properties of experimental soil and PGs

供試磷石膏采自昆明地區(qū)代表性比較強的3個磷石膏堆放點，分別是位于晉寧縣上蒜鄉(xiāng)的上蒜磷肥廠、古城鎮(zhèn)的昆陽磷肥廠和位于安寧市草鋪鎮(zhèn)的安寧磷肥廠，磷礦石分別來源于昆明地區(qū)8大磷礦之中的晉寧磷礦、昆陽磷礦和草鋪磷礦。其堆放年限皆為3年以上。磷石膏風(fēng)干、混勻、過1 mm篩后除留部分用于基本屬性（表1）測定外，其他分裝待用。

供試烤煙（NicotianatabacumL.）為云南省的主要栽培品種，分別為紅花大金元、NC297和MS云煙85，由云南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院采用漂浮育苗后提供的長勢均一的4葉期煙株。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗處理

試驗設(shè)2個磷石膏添加水平，即不添加（CK）和添加質(zhì)量分數(shù)為40 g·kg-1土，選用3個烤煙品種，共12個處理，每個處理設(shè)4次重復(fù)，共48盆。

試驗所用容器為1.5 L的塑料盆，內(nèi)套塑料袋避免養(yǎng)分流失。每盆裝土1.5kg，以溶液形式向土壤中加入基礎(chǔ)肥料(N：60 mg·kg-1，K：67 mg·kg-1，Ca：20 mg·kg-1，Mg：4.5 mg·kg-1，Mn：0. 92 mg·kg-1，Cu：0.54 mg·kg-1，Zn：1.24 mg·kg-1，Mo：0.06 mg·kg-1)，分別以 NH4NO3、K2SO4、CaC12·2H2O、MgSO4·7H2O 、 MnSO4·H2O 、 CuSO4·5H2O 、ZnSO4·7H2O、(NH4)6Mo7O24·4H2O 的形式加入。加入肥料后混合均勻，平衡7 d，煙苗于2011年8月7日移栽至塑料盆中。盆栽模擬試驗在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研大棚內(nèi)進行，棚內(nèi)溫度范圍為14～35 ℃。采用自然光照，期間根據(jù)每天失水量決定澆水量使土壤濕度保持在最大田間持水量的70% ～ 80%。為了保證植物生長期間不受缺N、K營養(yǎng)元素的脅迫，在植物生長至20和40 d時分別追肥1次（N：30 mg·kg-1，K：20 mg·kg-1）。

1.2.2 烤煙植株的收獲

烤煙植株移栽生長約60 d后，將烤煙分為地上和地下部分進行收獲，先用自來水沖洗，然后用蒸餾水漂洗干凈、烘干、粉碎后待測。同時，用四分法采集部分盆栽后土壤，經(jīng)自然風(fēng)干、過篩后待測。

1.2.3 測定方法

土壤pH采用PHS-3C型精密酸度計測定；土壤有機質(zhì)含量采用濃 H2SO4-K2Cr2O7外加熱法測定；土壤全磷采用NaOH熔融，鉬銻抗比色法測定；土壤速效磷用 0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1H2SO4浸提，鉬銻鈧比色法測定；植株磷含量用H2SO4-H2O2消煮，釩鉬酸銨比色法測定；土壤有效硫采用磷酸鹽浸提，硫酸鋇比濁法測定；植株硫含量采用HNO3-HClO4消解，LY/T 1270—1999 硫酸鋇比濁法測定；土壤有效砷用0.5 mol·L-1NaH2PO4浸提（黃瑞卿等，2005），二乙基二硫代氨基甲酸銀法（銀鹽法）測定；植株砷含量采用HNO3-HClO4消解，二乙基二硫代氨基甲酸銀法（銀鹽法）測定（鮑士旦，2000）。

1.2.4 試驗數(shù)據(jù)的處理與分析

試驗數(shù)據(jù)均采用 SPSS 11.5統(tǒng)計軟件和EXCEL 2003進行基本統(tǒng)計、方差分析和多重比較等。方差分析顯示，對于各測指標在煙草品種與磷石膏添加兩因素之間的交互作用顯著，然后才對每個指標的各處理進行整體數(shù)據(jù)的多重比較分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同產(chǎn)地磷石膏對烤煙生長狀況的影響

不同產(chǎn)地磷石膏添加處理對3個品種烤煙的植株生長均有不同程度地促進作用，且以上蒜磷石膏的促生效果普遍最好（表2）。不同品種烤煙植株添加上蒜磷石膏后的株高、地上部干質(zhì)量均顯著高于其他磷石膏處理。

上蒜磷石膏處理下紅花大金元的株高顯著高于NC297和MS云煙85，地上部生物量只顯著高于MS云煙85；施用另2種磷石膏后，紅花大金元在株高和地上部生物量也表現(xiàn)出不同程度的優(yōu)勢。一方面，這與烤煙品種的差異有關(guān)，因為在不添加磷石膏的情況下紅花大金元的株高就表現(xiàn)出了優(yōu)勢；另一方面，不添加磷石膏的情況下，不同品種烤煙的干物質(zhì)累積量卻沒有明顯的差異，說明相比NC297和MS云煙85而言，施用磷石膏能更有效的促進紅花大金元的的生長。此外，上蒜磷石膏處理下NC297和MS云煙85兩個品種根系干質(zhì)量高于其他磷石膏處理，而紅花大金元則是在草鋪磷石膏處理下根系生物量最大。

表2 不同品種烤煙添加不同產(chǎn)地磷石膏后的生長狀況Table 2 Growth of tobaccoos after addition of PGs

對于NC297，添加或不添加磷石膏的4個處理中，古城磷石膏處理下的根冠比最大，上蒜磷石膏處理下根冠比最小，且兩者間差異顯著。紅花大金元和MS云煙85相應(yīng)的4個磷石膏處理中，以古城磷石膏處理下的根冠比較大，但MS云煙85相應(yīng)的4個磷石膏處理間無顯著差異。

2.2 不同產(chǎn)地磷石膏對烤煙植株中磷質(zhì)量分數(shù)的影響

試驗結(jié)果（圖1）表明，添加不同產(chǎn)地磷石膏對烤煙植株磷的質(zhì)量分數(shù)有不同程度地提高。在所有處理中，古城磷石膏對紅花大金元地上部磷的質(zhì)量分數(shù)（0.43%）的影響最大，顯著高于其他磷石膏處理；上蒜磷石膏處理后紅花大金元煙株地上部磷的質(zhì)量分數(shù)（0.40%）只顯著高于NC297（0.31%）；施用草鋪磷石膏后3個烤煙品種地上部磷的質(zhì)量分數(shù)基本沒差異。添加或不添加磷石膏的4個處理中，草鋪磷石膏處理下 NC297品種地上部磷的質(zhì)量分數(shù)最高（0.39%），然后依次為古城（0.36%）、上蒜和CK處理（0.27%），且前兩者顯著大于后兩者。對于根系磷的質(zhì)量分數(shù)而言，MS云煙85在施用上蒜磷石膏和CK處理下的質(zhì)量分數(shù)顯著較高。相同烤煙品種在古城磷石膏處理下磷的質(zhì)量分數(shù)又顯著高于草鋪磷石膏處理。添加或不添加磷石膏的4個處理中，施用古城磷石膏后 NC297根系磷的質(zhì)量分數(shù)（0.94%）最高，顯著高于上蒜和草鋪磷石膏處理，且都顯著高于對照（0.63%）；4個處理中以施用古城磷石膏和CK情況下紅花大金元根系磷的質(zhì)量分數(shù)最高，分別為0.98%和1.01%，且顯著大于施用上蒜（0.84%）和草鋪磷石膏（0.83%）后相應(yīng)磷的質(zhì)量分數(shù)（圖1）。

2.3 不同產(chǎn)地磷石膏對烤煙植株磷吸收量的影響

添加磷石膏后3個烤煙品種地上部磷吸收量的變化趨勢基本一致（圖2）。即上蒜磷石膏處理>草鋪磷石膏處理>古城磷石膏處理，這與對煙株地上部的促生長作用基本一致，不同之處在于MS云煙85品種在古城磷石膏處理與CK間的差異不顯著，而另2品種間卻有顯著差異。上蒜磷石膏處理下的紅花大金元、NC297、MS云煙85煙株地上部磷吸收量分別為43.10、32.96、32.18 mg·pot-1，且前者顯著高于后兩者。上蒜與古城磷石膏處理下的NC297與MS云煙85地上部磷吸收量間的差異不大，但草鋪磷石膏添加后的2品種上述指標間的差異顯著，且3種磷石膏處理下均以紅花大金元的地上部磷吸收量較高，從而更為明顯促進了這一品種的地上部生長。

圖1 添加不同產(chǎn)地磷石膏處理下烤煙植株中磷的質(zhì)量分數(shù)Fig. 1 P concentration in shoots and roots of tobacco plants grown under different PG levels

圖2 添加不同產(chǎn)地磷石膏處理下烤煙植株的磷吸收量Fig. 2 P uptake of shoots and roots of tobacco plants grown under different PG levels

磷石膏的施用對烤煙根系磷吸收量的影響與對地上部的影響基本一致。上蒜磷石膏處理下MS云煙85根系磷吸收量最大，為36.25 mg·pot-1，顯著高于相同磷石膏處理下另外2個品種的吸收量。與地上部不同的是，NC297和紅花大金元品種在上蒜和草鋪磷石膏處理下的根系磷吸收量間的差異不顯著，且紅花大金元在古城磷石膏處理下的吸收量與CK間的差異也不顯著，而對于MS云煙85而言，則是古城和草鋪磷石膏處理下的根系磷吸收量與CK間無顯著差異。

2.4 不同產(chǎn)地磷石膏對植株硫的質(zhì)量分數(shù)及吸收量的影響

添加磷石膏能增加烤煙地上部硫的質(zhì)量分數(shù)，但不同磷石膏對烤煙植株硫的質(zhì)量分數(shù)影響各異（圖3）。相同品種烤煙添加古城磷石膏后植株硫的質(zhì)量分數(shù)顯著高于草鋪磷石膏處理和對照。此外，紅花大金元和 NC297植株的硫的質(zhì)量分數(shù)分別按照上蒜、草鋪、古城磷石膏和上蒜、草鋪、古城磷石膏的施用處理而呈現(xiàn)降低趨勢。而對于MS云煙85品種來說，上蒜磷石膏處理對其植株硫的質(zhì)量分數(shù)增加最為明顯，而草鋪磷石膏處理后的植株硫的質(zhì)量分數(shù)顯著較低。從品種間的比較來看，上蒜和古城磷石膏處理的烤煙植株地上部硫的質(zhì)量分數(shù)從高至低依次為MS云煙85、NC297和紅花大金元，而草鋪磷石膏處理的不同烤煙品種地上部硫質(zhì)量分數(shù)之間的差異不大。

圖3 添加不同產(chǎn)地磷石膏處理下烤煙植株硫的質(zhì)量分數(shù)及吸收量Fig. 3 S concentration and uptake of tobacco plants grown under different PG levels

圖4 添加不同磷石膏處理下烤煙地上部砷的質(zhì)量分數(shù)Fig. 4 As concentration of tobacco shoots grown under different PG levels

雖然施用上蒜磷石膏后烤煙中硫的質(zhì)量分數(shù)沒有明顯增加，但是其硫吸收量較其他磷石膏添加處理顯著較高（圖3），且上蒜磷石膏處理的NC297、紅花大金元和MS云煙85的植株硫吸收量分別是53.41、52.13、57.52 mg·pot-1。另外，各品種烤煙植株硫吸收量隨不同磷石膏處理的變化基本表現(xiàn)為上蒜>草鋪>古城的降低趨勢。

2.5 不同產(chǎn)地磷石膏施用對烤煙地上部砷的質(zhì)量分數(shù)的影響

試驗表明，施用磷石膏增加了烤煙地上部砷的質(zhì)量分數(shù)（圖4），NC297和MS云煙85在上蒜磷石膏處理下砷的質(zhì)量分數(shù)最高，分別為0.87和0.89mg·kg-1，通過前幾部分的分析可知，上蒜磷石膏促生效果最好，且與紅花大金元組合更佳，砷的質(zhì)量分數(shù)也相對較低（0.48 mg·kg-1），顯著小于相同處理下NC297和MS云煙85中的質(zhì)量分數(shù)，且紅花大金元植株地上部砷的質(zhì)量分數(shù)在施用另外兩種磷石膏時也都低于上蒜磷石膏處理。此外，添加古城磷石膏后 NC297煙株地上部的砷質(zhì)量分數(shù)更是低至0.20 mg·kg-1，可見其砷污染風(fēng)險極小。

表3 施用磷石膏對植煙土壤化學(xué)特性的影響Table 3 Effect on soil chemical properties by application of PG

2.6 施用磷石膏對植煙土壤化學(xué)特性的影響

施用磷石膏對土壤pH影響不大，總體上土壤酸度稍有升高，但對速效磷、有效硫和總砷的影響較大（表3）。與不施用磷石膏相比，施用上述 3個產(chǎn)地磷石膏都能顯著增加土壤中速效磷、有效硫和砷的質(zhì)量分數(shù)。

不管種植哪種烤煙，添加上蒜磷石膏極大地增加了土壤中速效磷的質(zhì)量分數(shù)，大約為對照質(zhì)量分數(shù)的11 ～ 23倍，古城磷石膏施用對土壤速效磷的增加量次之。種植 NC297時，施用古城磷石膏對土壤有效硫增加最多，其次是上蒜和草鋪磷石膏；種植紅花大金元時，施用草鋪磷石膏對有效硫的質(zhì)量分數(shù)增加最多，其次是古城和上蒜磷石膏；種植MS云煙85時，施用古城磷石膏后土壤硫的質(zhì)量分數(shù)顯著低于另外2種磷石膏施用處理，以草鋪磷石膏處理質(zhì)量分數(shù)最高。與對照比較，施用磷石膏大約增加了土壤有效硫質(zhì)量分數(shù)5 ～ 15倍。

施用磷石膏增加了土壤中有效砷的質(zhì)量分數(shù)，且不同烤煙品種和磷石膏處理下影響不同。種植NC297時，施用古城磷石膏后土壤有效砷的質(zhì)量分數(shù)增加最多；種植紅花大金元時，施用草鋪磷石膏后土壤有效砷的質(zhì)量分數(shù)顯著低于上蒜和古城磷石膏處理；種植MS云煙85時，施用上蒜磷石膏后土壤有效砷的質(zhì)量分數(shù)低于另外2種磷石膏處理。

3 討論

本研究結(jié)果顯示，不同產(chǎn)地磷石膏中以上蒜磷石膏的促生效果普遍最好，這可能與上蒜磷石膏含磷量較高有關(guān)（張傳光等，2012）；3個烤煙品種中以紅花大金元的生長優(yōu)勢更為明顯，一方面可能與烤煙品種的差異有關(guān)，因為在不添加磷石膏的情況下盡管烤煙的干物質(zhì)累積量品種間沒有明顯差異，但紅花大金元的植株高度卻表現(xiàn)出了優(yōu)勢；另一方面，施用磷石膏后紅花大金元干物質(zhì)累積量卻大于其他品種（表2），說明相比NC297和MS云煙 85而言，施用磷石膏能更有效的促進紅花大金元的的生長。

白來漢等（2011）將古城磷石膏（20 g·kg-1土）施用于玉米后，玉米地上和根系中磷的質(zhì)量分數(shù)和磷吸收都顯著高于相應(yīng)對照，這一結(jié)果與本研究中磷石膏對 NC297的作用基本一致。據(jù)白萬明和徐茜（2007）統(tǒng)計，煙葉中磷的質(zhì)量分數(shù)為0.14%～0.66%，平均0.23%，本試驗中3種烤煙地上部磷的質(zhì)量分數(shù)范圍皆處于正常水平，說明，施用不同產(chǎn)地磷石膏都能滿足烤煙苗期生長對磷素的需求。

硫被認為是繼氮、磷、鉀之后植物生長發(fā)育必需的第4種營養(yǎng)元素，其需要量與磷相當（王國平等，2009）?？緹煾晌镔|(zhì)中硫的質(zhì)量分數(shù)一般在0.2%～0.7%，這比一般作物要高一些（劉國順等，2009），本研究中烤煙植株硫的質(zhì)量分數(shù)為0.27%～0.47%（圖3）。據(jù)中國科學(xué)院南京土壤研究所的調(diào)查報告，我國目前缺硫土壤已達660萬hm2，對缺硫土壤補硫是解決問題的唯一途徑。缺硫或潛在缺硫土壤上施用硫肥可以提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。劉勤等（2000）的田間試驗表明，在硫素質(zhì)量分數(shù)較低（有效硫7.46 mg·kg-1）的土壤施用75kg·hm-2的硫能促進烤煙增產(chǎn) 11.73%?？緹熥鳛樵颇鲜≈饕慕?jīng)濟作物之一，硫素營養(yǎng)與烤煙的生長發(fā)育、產(chǎn)量、品質(zhì)密切相關(guān)，而云南的主要土壤類型如紅壤相對其他土壤類型含硫量較低。磷石膏除了供磷以外，本身就是一種良好的硫肥，其有效硫質(zhì)量分數(shù)可達 15%，是土壤補硫的首選品種（鄭小蓮，2000）。據(jù)相關(guān)報道表明，湖南煙區(qū)土壤有效硫質(zhì)量分數(shù)為2.2 ～ 217.6 mg·kg-1，滇東煙區(qū)土壤有效硫質(zhì)量分數(shù)為1 ～ 100 mg·kg-1，對比本研究的結(jié)果（表3）可知，施用磷石膏后土壤中硫質(zhì)量分數(shù)完全能滿足烤煙生長需求（有效硫≥50 mg·kg-1）（劉勤等，2000；許自成等，2007；王小東等，2011）。

砷是烤煙中有害重金屬元素之一，1990年Hoffman清單中將砷列入烤煙44種有害成分之一，砷在抽吸過程中可通過主流煙氣進入人體，對人體造成危害。砷能抑制烤煙的生長發(fā)育, 導(dǎo)致其生育期延遲, 葉片數(shù)和葉面積減少, 株高和產(chǎn)量降低?？緹熤械纳橹饕从谕寥溃斖寥乐械纳橘|(zhì)量分數(shù)達到 100 mg·kg-1時, 烤煙的生長發(fā)育會受到嚴重抑制, 喪失生產(chǎn)價值; 當砷質(zhì)量分數(shù)達到 200 mg·kg-1以上時, 烤煙不能移栽成活; 使烤煙減產(chǎn)10%的土壤砷含量閾值為16.89 mg·kg-1（常思敏等，2007）。楊永建等（2007）建議將烤煙中砷質(zhì)量分數(shù)允許上限設(shè)為 0.86 mg·kg-1，本試驗結(jié)果表明，施用磷石膏增加了烤煙地上部砷含量及吸收量（圖4），土壤有效砷含量也增加了2.5 ～ 3.7倍，但對照這一建議標準，只有NC297和MS云煙85施用上蒜磷石膏后的部分煙苗砷含量稍有超標，可見，除施用上蒜磷石膏存在潛在風(fēng)險外，烤煙上施用古城和草鋪磷石膏基本上是安全的。

砷和磷同屬元素周期表中的第V族，在土壤中兩者均以陰離子的形式存在，化學(xué)行為相似，因此，磷可以與土壤固相中專性吸附的和非專性吸附的砷競爭吸附點位，進而降低砷的生物有效性（Chrenekoya，1975），并能減輕減輕高濃度砷污染對玉米的毒害作用（Xia等，2007；郝玉波等，2011）。但劉全吉等（2011）的研究表明，不同濃度磷肥的施用均促進了油菜中砷由地下向地上部分轉(zhuǎn)移，尤其是向角果皮中轉(zhuǎn)移，且隨著土壤中磷濃度的增加，油菜籽粒中砷含量也逐漸增加，說明磷肥施用是否能減少作物對砷的吸收也與作物種類有關(guān)。本研究的結(jié)果顯示，磷石膏在烤煙區(qū)施用的砷污染風(fēng)險還與烤煙品種和磷石膏產(chǎn)地密切相關(guān)，其中上蒜磷石膏與紅花大金元組合砷污染風(fēng)險較低，煙株中砷的質(zhì)量分數(shù)（0.48 mg·kg-1）顯著小于相同處理下NC297和MS云煙85，而添加古城磷石膏后 NC297煙株中的砷的質(zhì)量分數(shù)更是低至0.20 mg·kg-1。

因此，磷石膏的農(nóng)業(yè)資源化實踐過程中，要實現(xiàn)無害化、減量化、資源化的目標還需要更大范圍的進行作物品種及磷石膏產(chǎn)地組合的篩選及更深入的探索研究。另外，基于叢枝菌根真菌兼有的促進宿主植物養(yǎng)分吸收及在抵御重金屬等逆境脅迫中的重要作用（Xia等，2007；Hua等，2009），可能夠進一步保障磷石膏的農(nóng)用安全問題（白來漢等，2011；谷林靜等，2013）。

3 結(jié)論

1）施用磷石膏能有效地促進了烤煙的生長，特別是施用上蒜磷石膏后促進作用尤為明顯。

2）對于烤煙來說，磷石膏是一種很有潛力的磷、硫肥料，在不同品種間存在不同程度的肥效差異，對紅花大金元的促生效果更為明顯。

3）施用磷石膏能大量增加土壤中的有效磷、硫含量，同時，也增加了烤煙和土壤中砷的含量，但除上蒜磷石膏與NC297和MS云煙85組合存在一定砷污染風(fēng)險外，其他組合則比較安全。

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