水氮用量組合對凍融期土壤相變區(qū)硝態(tài)氮遷移與累積的影響

劉姍姍，鄭秀清，陳軍鋒，吳 博

(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

近年來，隨著水肥對農(nóng)業(yè)發(fā)展貢獻與制約的矛盾更加突出，我國從華北到西北干旱區(qū)、再到東北寒溫帶均大面積推廣采用水肥一體化灌溉新技術(shù)[1-2]進行冬春灌溉，以緩解水資源日益短缺及氮肥低效損耗問題，滿足越冬作物及春耕的水分、養(yǎng)分需求。

越冬土壤系統(tǒng)中硝態(tài)氮的主要運移方式為隨水對流遷移。氮易溶于水，移動性強，土壤水分運動通量直接影響硝態(tài)氮的對流，且可溶性肥料是系統(tǒng)氮素遷移底物的直接輸入源，所以冬灌水、肥量成為決定土壤剖面硝態(tài)氮含量分布極其重要的因素。同時，凍結(jié)期土壤封凍溫度較低，硝態(tài)氮從冰相中離析沉淀，凍結(jié)緣內(nèi)未凍水中的硝態(tài)氮含量急劇增加，促使層狀土壤系統(tǒng)硝態(tài)氮再分布，導(dǎo)致凍融過程中不同水肥量組合下的硝態(tài)氮分布存在獨特差異。目前，國內(nèi)外學(xué)者就非凍結(jié)期土壤中的硝態(tài)氮遷移累積規(guī)律做了詳盡研究[3-11]，但是凍融作用與水氮耦合下土水體系中硝態(tài)氮遷移累積規(guī)律的研究較少。本文以位于太原內(nèi)陸盆地中部的山西省東陽試驗區(qū)為依托，重點探索不同水氮量組合下非飽和凍融土壤介質(zhì)中硝態(tài)氮遷移累積規(guī)律，為北方大型灌區(qū)適宜施氮量的確定和水肥的綜合管理提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013年10月至2014年3月在山西省太原內(nèi)陸盆地中部的東陽試驗區(qū)分塊進行。試驗地塊初凍始于11中旬，12月10日后土壤快速凍結(jié)，1月下旬進入穩(wěn)定凍結(jié)，受太陽凈輻射和底層地熱交互作用的影響，2月下旬凍層雙向融化，3月中旬達到融通。根據(jù)試驗區(qū)未處理裸地的自然凍融過程，將整個凍融期分為未凍期(11月17日—12月8日)、凍結(jié)前期(12月9日—1月19日)、凍結(jié)后期(1月20日—2月27日)和消融期(2月28日—3月16日)，試驗期間土壤最大凍結(jié)深度為58 cm，降水主要集中在11月8日和1月10日前后，降雨量分別為2.4 mm和3.5 mm。試驗基地土壤質(zhì)地以壤質(zhì)黏土和黏土為主，地下水位的埋深變化在1.0～3.0 m之間。試驗區(qū)常年耕種，土壤耕作層深度約30 cm，均為壤質(zhì)黏土，犁底層較為明顯，其下為10 cm左右的黏土夾層。表土層有機質(zhì)較高，分布范圍在10%左右，pH約為8，全氮0.1%，全磷0.089%。根據(jù)美國質(zhì)地分類法對土壤剖面各土層顆粒含量、有機質(zhì)、含水率等進行取樣測定分析，結(jié)果如表1所示。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地塊常年種植玉米，種植密度約為500 萬株·hm-2。秋收后對大田進行除茬、平地。將整塊地用30 cm高、40 cm寬的土埂分割為3 m×3 m的試驗小區(qū)，小區(qū)之間留有約1 m的人行過道。試驗以溶解性尿素為氮肥，冬灌時，在試驗地塊的進水口處設(shè)置容器溶解定量尿素，使其完全融于水后隨畦灌水流均勻施入大田。冬灌時間為2013年10月25日。灌水后，水分攜氮素在土壤剖面進行重分布。本次試驗設(shè)置兩個灌溉量、三個施肥水平，采用完全區(qū)組設(shè)計，共6個處理，以未處理裸地為對照，每個組合設(shè)置3個重復(fù)，共設(shè)21個試驗小區(qū)，在大田內(nèi)采取隨機排列方式。水氮具體設(shè)計方式見表2。

1.3 樣品采集及測定

東陽鎮(zhèn)試驗區(qū)設(shè)有地面氣象觀測系統(tǒng)，試驗所需觀測階段為2013年11月至2014年4月。觀測的主要項目為：日照、水汽壓、氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、降水量、凍土深度等。觀測時間為每天上午8∶00和下午19∶00。

試驗地塊冬灌施肥時間均為10月20日，灌溉后土壤水氮耦合經(jīng)歷一定時段的再分布過程。土壤硝態(tài)氮原位取樣層分別為10、20、30、40、50、60、80 cm和110 cm。選取各凍融階段典型時間點進行取樣，取樣日期為11月10日、12月1日、12月22日、1月11日、1月17日、1月28日、2月16日、3月1日和3月15日，整個凍融期共采集9次土樣，采集時間為上午8∶00～10∶00。各層土壤鮮樣取回后用高精度電子秤稱取6.000 g，加入50 ml mol·L-1的KCl溶液進行浸提，經(jīng)AA3型連續(xù)流動分析儀測定濾液中硝態(tài)氮含量。

表1 試驗地塊各層土壤狀況

表2 試驗設(shè)計

1.4 數(shù)據(jù)的處理

土壤硝態(tài)氮絕對累積量=土壤硝態(tài)氮含量×土壤容重×土層厚度/10

相對累積量=(某一土層硝態(tài)氮絕對累積量/整個剖面硝態(tài)氮累積量)×100%[12]

2 試驗結(jié)果分析

由于本次試驗期間未處理裸地自然凍融狀態(tài)下土壤最大凍結(jié)深度延伸至58 cm，且0～30 cm土壤層受耕作、施肥和灌溉影響最為強烈，本文重點研究不同水氮用量組合下凍結(jié)相變區(qū)(0～60 cm)及耕作層(0～30 cm)土壤硝態(tài)氮的分布及累積情況。

2.1 土壤硝態(tài)氮含量

如圖1a所示，封凍前硝態(tài)氮主要隨過冷水對流遷移，表層土壤溶液中硝態(tài)氮由于蒸發(fā)作用向上輸運濃縮于土表，隨深度增加，土壤硝態(tài)氮含量逐漸減少，并在30 cm左右出現(xiàn)極小值。由表3可見，N100、N300和N500在W750下0～30 cm土壤硝態(tài)氮含量分別為11.45、13.15 mg·kg-1和21.60 mg·kg-1，在W375下分別為14.18、15.53 mg·kg-1和16.36 mg·kg-1。W750和W375在N100下硝態(tài)氮含量分別為11.45 mg·kg-1和14.18 mg·kg-1，在N300下分別為13.15 mg·kg-1和15.35 mg·kg-1，在N500下分別為21.60 mg·kg-1和16.36 mg·kg-1，而N0W0硝態(tài)氮含量僅為5.90 mg·kg-1，說明各處理地塊硝態(tài)氮水平顯著高于N0W0，且在同一灌水量下，土壤硝態(tài)氮含量均值隨氮量增加而增加。在N100和N300條件下，硝態(tài)氮含量均值隨灌水量增加而減少，但在N500條件下，硝態(tài)氮含量均值隨灌水量增加而增加。這說明高水、氮下，土壤硝態(tài)氮的淋溶損失量并不是最大的[13]。從30～60 cm土層看，N100、N300和N500在W750下土壤硝態(tài)氮含量分別為15.57、16.66 mg·kg-1和17.27 mg·kg-1，在W375下分別為12.78、11.82 mg·kg-1和10.30 mg·kg-1。W750和W375在N100下硝態(tài)氮含量分別為15.57 mg·kg-1和12.78 mg·kg-1，在N300下分別為16.66 mg·kg-1和11.82 mg·kg-1，在N500下分別為17.27 mg·kg-1和10.30 mg·kg-1，而N0W0地塊30～60 cm硝態(tài)氮含量僅為4.15 mg·kg-1。說明30～60 cm硝態(tài)氮含量均值顯著高于未灌水裸地，且隨著灌水量的增加而增加。

之后，土壤迅速封凍蒸發(fā)減弱，未、正凍區(qū)土壤溶液攜硝態(tài)氮在凍結(jié)作用形成的附加基質(zhì)勢梯度下向已凍區(qū)遷移并在冰相中析出。如圖1b和表3可知，凍結(jié)前期N100、N300和N500在W750下0～30 cm土壤硝態(tài)氮含量分別為18.36、21.74 mg·kg-1和32.30 mg·kg-1，在W375下分別為17.25、20.04 mg·kg-1和26.40 mg·kg-1。W750和W375在N100下硝態(tài)氮含量分別為18.36 mg·kg-1和17.25 mg·kg-1，在N300下分別為21.74 mg·kg-1和20.04 mg·kg-1，在N500下分別為32.30 mg·kg-1和26.40 mg·kg-1，N0W0地塊0～30 cm硝態(tài)氮含量為13.68 mg·kg-1，說明0～30 cm土壤硝態(tài)氮含量隨著水、氮量的增加而增加。且相對于未凍期，0～30 cm土壤硝態(tài)氮含量的增幅較為明顯，N100、N300和N500在W750下0～30 cm增幅分別為6.91、8.59 mg·kg-1和10.70 mg·kg-1，在W375下分別為3.07、4.51 mg·kg-1和10.04 mg·kg-1，N0W0硝態(tài)氮含量增幅為7.78 mg·kg-1，表明凍結(jié)特性驅(qū)動下硝態(tài)氮的遷移量隨施氮量的增加而增加，當施肥量為500 kg·hm-2時，硝態(tài)氮遷移效果更顯著。

凍結(jié)后期，各處理硝態(tài)氮沿剖面呈波動遞減趨勢(圖1c)。W750和W375在N500下0～30 cm土壤硝態(tài)氮含量分別為45.55 mg·kg-1和30.74 mg·kg-1，較凍結(jié)前期分別增加了41.02%和16.44%，而其它處理變化較小。說明施氮量為500 kg·hm-2時，硝態(tài)氮從冰相中離析沉淀的時間延長，含量增加。隨著凍結(jié)鋒面的向下發(fā)展，60 cm以下未凍區(qū)硝態(tài)氮源源不斷補給遷移至30～60 cm。由表4可知，N100、N300和N500在W750下30～60 cm土壤硝態(tài)氮含量分別為14.40、15.89 mg·kg-1和27.16 mg·kg-1，在W375下分別為11.55、12.75 mg·kg-1和17.19 mg·kg-1。W750和W375在N100下硝態(tài)氮含量分別為14.40 mg·kg-1和11.55 mg·kg-1，在N300下分別為15.89 mg·kg-1和12.75 mg·kg-1，在N500下分別為27.16 mg·kg-1和17.19 mg·kg-1，N0W0地塊30～60 cm硝態(tài)氮含量僅為3.86 mg·kg-1，說明水氮處理顯著增加30～60 cm凍層的硝態(tài)氮含量，且隨著水氮用量的增加，硝態(tài)氮含量也隨之增加。相比于凍結(jié)階段前期，凍層30～60 cm硝態(tài)氮含量增幅也較明顯，N100、N300和N500在W750下硝態(tài)氮含量的增幅分別為1.71、3.64 mg·kg-1和9.58 mg·kg-1，在W375下分別為1.52、2.83 mg·kg-1和8.18 mg·kg-1，而N0W0硝態(tài)氮含量增幅為-4.62 mg·kg-1，說明凍結(jié)后期灌水量一定時，高施氮量有利于凍結(jié)特性驅(qū)動下硝態(tài)氮向30～60 cm土層遷移。綜合來看，凍結(jié)過程中凍結(jié)相變區(qū)土壤硝態(tài)氮的遷移順序主要取決于凍結(jié)峰向下的發(fā)展過程。整個凍結(jié)期內(nèi)N100、N300和N500在W750下0～60 cm硝態(tài)氮含量均值分別為15.08、16.83 mg·kg-1和30.65 mg·kg-1，在W375下分別為13.96、15.63 mg·kg-1和20.84 mg·kg-1，W750和W375在N100下0～60 cm硝態(tài)氮含量均值分別為15.08 mg·kg-1和13.96 mg·kg-1，在N300下分別為16.83 mg·kg-1和15.63 mg·kg-1，在N500下分別為30.65 mg·kg-1和20.84 mg·kg-1，而N0W0地塊僅為8.71。隨水氮用量的增加，凍結(jié)期內(nèi)0～60 cm土壤硝態(tài)氮均值增加。

消融期土體的入滲能力恢復(fù)到凍結(jié)前水平，土體內(nèi)凍層積存的硝態(tài)氮受消融水蒸發(fā)和下滲共同作用沿剖面呈“S”型展布(圖1d)，以40 cm為界在土壤表層和底層形成高值區(qū)。由表4可知，N100、N300和N500在W750下0～30 cm硝態(tài)氮含量均值分別為20.11、31.88 mg·kg-1和34.83 mg·kg-1，是N0W0的1.23～2.14倍，在W375下分別為17.02、22.38 mg·kg-1和38.80 mg·kg-1，是N0W0的1.04～2.38倍，W750和W375在N100下硝態(tài)氮含量分別為20.11 mg·kg-1和17.02 mg·kg-1，在N300下分別為31.88 mg·kg-1和22.38 mg·kg-1，在N500下分別為34.83 mg·kg-1和38.80 mg·kg-1，說明同一灌溉水平下，表層土壤硝態(tài)氮含量均值隨施氮量的增加而增加。在N100和N300條件下，硝態(tài)氮含量均值隨水量增加而增加，但在N500條件下，硝態(tài)氮含量均值隨灌水量增加而減小。30～60 cm為剖面硝態(tài)氮縱向遷移的過渡帶，不同水氮處理下硝態(tài)氮含量均值變化在16.75～20.73 mg·kg-1之間，差異較小。

2.2 土壤硝態(tài)氮累積量

由表5可知，不同水氮用量組合下土壤硝態(tài)氮累積量變化在112.07～162.73 kg·hm-2之間，是N0W0的2.82～4.07倍。N100、N300和N500在W750下0～60 cm土壤硝態(tài)氮累積量分別為120.28、124.68 kg·hm-2和162.73 kg·hm-2，在W375下分別為112.07、112.25 kg·hm-2和114.01 kg·hm-2。W750和W375在下N100下0～60 cm硝態(tài)氮累積量分別為120.28 kg·hm-2和112.07 kg·hm-2，在N300下分別為124.68 kg·hm-2和112.25 kg·hm-2，在N500下分別為162.73 kg·hm-2和114.01 kg·hm-2，說明水氮處理顯著增加了封凍前0～60 cm土壤硝態(tài)氮累積量，且隨水、氮量的增加，土壤硝態(tài)氮儲量也呈增加態(tài)勢。N100、N300和N500在W750下0～30 cm土壤硝態(tài)氮相對累積量分別為45.30%、48.58%和50.07%，在W375下分別為51.80%、55.00%和66.03%。W750和W375在N100下0～30 cm硝態(tài)氮相對累積量分別為45.30%和51.80%，在N300下分別為48.58%和55.00%，在N500下分別為50.07%和66.03%，說明W750條件下表層硝態(tài)氮的相對累積量較低，30～60 cm土層則較高。且同一施肥量下，不同水量處理之間土壤硝態(tài)氮相對累積量的差值隨氮肥用量的增加而增加。

表3 未凍期和凍結(jié)前期不同水氮用量組合下土壤剖面硝態(tài)氮含量/(mg·kg-1)

注：同一行不同字母表示α=0.05水平上差異顯著，下同。

Note: The different letters in the same columns mean significant difference at the 0.05 level. The same as below.

表4 凍結(jié)后期和消融期不同水氮用量組合下土壤剖面硝態(tài)氮含量/(mg·kg-1)

圖1凍融期土壤剖面硝態(tài)氮分布

Fig.1 Distribution of soil nitrate nitrogen in freeze-thaw period

凍結(jié)期是土壤凍結(jié)作用顯露、強度增加并逐步向下發(fā)展的過程。從表5可見，凍結(jié)前期0～60 cm土層硝態(tài)氮累積量變化在109.18～201.60 kg·hm-2之間，是N0W0的1.29～2.38倍。N100、N300和N500在W750下0～60 cm土壤硝態(tài)氮累積量分別為127.05、131.83 kg·hm-2和201.60 kg·hm-2，在W375下分別為109.18、122.16 kg·hm-2和137.07 kg·hm-2。W750和W375在N100下0～60 cm硝態(tài)氮累積量分別為127.05 kg·hm-2和109.18 kg·hm-2，在N300下分別為131.83 kg·hm-2和122.16 kg·hm-2，在N500下分別為201.60 kg·hm-2和137.07 kg·hm-2，隨水、氮量的增加，0～60 cm土壤硝態(tài)氮累積量明顯增加。N100、N300和N500在W750下0～30 cm土壤硝態(tài)氮相對累積量分別為52.79%、59.26%和64.68%，在W375下分別為61.15%、65.33%和73.45%。W750和W375在N100下0～30 cm硝態(tài)氮相對累積量分別為52.79%和61.15%，在N300下分別為59.26%和65.33%，在N500下分別為64.68%和73.45%。說明凍結(jié)前期0～30 cm土層硝態(tài)氮相對累積量隨施肥量的增加而增加，30～60 cm土層則降低。但同一肥量下，0～30 cm土壤硝態(tài)氮相對累積量反而隨灌水量的增加而降低，這與封凍前W750處理0～30 cm土壤硝態(tài)氮淋失量較大有關(guān)。凍結(jié)后期，水氮處理地塊硝態(tài)氮累積量較裸地顯著提高。如表6所示，0～60 cm硝態(tài)氮累積量變化在120.13～237.53 kg·hm-2之間，是N0W0的2.48～4.91倍。N100、N300和N500在W750下0～60 cm土壤硝態(tài)氮累積量分別為130.75、146.78 kg·hm-2和237.53 kg·hm-2，在W375下分別為120.13、138.83 kg·hm-2和190.63 kg·hm-2。W750和W375在N100下0～60 cm硝態(tài)氮累積量分別為130.75 kg·hm-2和120.13 kg·hm-2，在N300下分別為146.78 kg·hm-2和138.83 kg·hm-2，在N500下分別為237.53 kg·hm-2和190.63 kg·hm-2。隨不同水氮用量的增加，0～60 cm土層硝態(tài)氮累積量增加，且各處理硝態(tài)氮累積量差異顯著。N100、N300和N500在W750下0～30 cm土壤硝態(tài)氮相對累積量分別為48.20%、50.33%和62.33%，在W375下分別為52.51%、54.71%和63.74%。隨施氮量的增加，0～30 cm土層硝態(tài)氮相對累積量增加，30～60 cm土層則降低。W750和W375在N100下0～30 cm硝態(tài)氮相對累積量分別為48.20%和52.51%，在N300下分別為50.33%和54.71%，在N500下分別為62.33%和63.74%。同一肥量下，不同灌溉水平0～30 cm硝態(tài)氮相對累積量相差較小。

由表6可見，消融期不同水氮用量組合下0～60 cm土壤硝態(tài)氮累積量變化在102.09～162.73 kg·hm-2之間，是N0W0的1.24～1.91倍。N100、N300和N500在W750下0～60 cm土壤硝態(tài)氮累積量分別為114.75、158.78 kg·hm-2和163.53 kg·hm-2，在W375下分別為102.09、120.38 kg·hm-2和171.07 kg·hm-2。W750和W375在下N100下0～60 cm硝態(tài)氮累積量分別為114.75 kg·hm-2和102.09 kg·hm-2，在N300下分別為158.78 kg·hm-2和120.38 kg·hm-2，在N500下分別為163.53 kg·hm-2和171.07 kg·hm-2，說明在同一灌溉水平下，0～60 cm硝態(tài)氮累積量隨肥量的增加而增加。在N100和N300條件下，硝態(tài)氮累積量隨水量增加而增加，但在N500條件下，硝態(tài)氮累積量隨灌水量增加而稍有減小。N100、N300和N500在W750下0～30 cm土壤硝態(tài)氮相對累積量分別為50.57%、52.23%和66.32%，在W375下分別為54.11%、55.77%和73.30%。W750和W375在N100下0～30 cm硝態(tài)氮相對累積量分別為50.57%和54.11%，在N300下分別為52.23%和55.77%，在N500下分別為66.32%和73.30%。說明消融期水氮處理地塊0～30 cm土層硝態(tài)氮相對累積量隨施氮量的增加而增加，隨灌水量的增加而減少，而30～60 cm土層則呈現(xiàn)相反規(guī)律。

3 討 論

凍融期土壤剖面依據(jù)水分相體自上而下分為凍結(jié)相變區(qū)和未相變區(qū)[14]，土壤凍結(jié)過程中硝態(tài)氮隨未凍水向相變區(qū)遷移[15]。水分和氮素的輸入與土壤相變區(qū)集氮(特指硝態(tài)氮，下同)情況密切相關(guān)。未凍期0～60 cm土層硝態(tài)氮累積量隨水、氮量的增加而增加，這與已有研究結(jié)果一致[16-18]。凍結(jié)開始后隨著土壤凍結(jié)鋒面向下推進， 土壤剖面聚氮區(qū)由0～30 cm逐漸下移至30～60 cm。硝態(tài)氮向相變區(qū)的遷移量隨水氮量的增加而增加，當施肥量為500 kg·hm-2，遷移量最大。說明水氮量促進凍結(jié)特性驅(qū)使下硝態(tài)氮向相變區(qū)運移，導(dǎo)致凍結(jié)期0～60 cm土層硝態(tài)氮累積量隨水氮量的增加而增加，這也是凍結(jié)期相變區(qū)硝態(tài)氮再分布的獨特之處。

表5 未凍期和凍結(jié)前期不同水氮用量組合下土壤剖面硝態(tài)氮累積量

表6 凍結(jié)后期和消融期不同水氮用量組合下土壤剖面硝態(tài)氮累積量

硝態(tài)氮相對累積量[19]表明了不同時期某一土層的硝態(tài)氮在水氮處理下的運移趨勢。未凍期0～30 cm土壤硝態(tài)氮的相對累積量隨灌水量增加而降低，30～60 cm土層則增加。說明灌水量加大了表層硝態(tài)氮向亞層淋失的可能性。凍結(jié)期施氮量的主導(dǎo)效應(yīng)逐漸增強，凍結(jié)緣附近氮量越高，凍結(jié)作用形成的附加基質(zhì)勢梯度越大，越有利于硝態(tài)氮向集氮區(qū)運移。導(dǎo)致0～30 cm土層硝態(tài)氮相對累積量隨氮量的增加而增加，30～60 cm土層則降低。消融期，0～30 cm土層硝態(tài)氮相對累積量隨施氮量的增加而增加，隨灌水量的增加而減少，而30～60 cm土層則呈現(xiàn)相反規(guī)律。說明施氮量增加更有利于硝態(tài)氮的原位累積，而灌水量加大了表層硝態(tài)氮向亞層的淋洗趨勢。

本次試驗未考慮降水對凍融期間硝態(tài)氮遷移和累積的影響，因為試驗期間降雨集中11月8日和1月11日至14之間。11月8日為未凍期，降雪相對于灌水量對硝態(tài)氮的影響可忽略。而11月中旬土壤為密實狀凍結(jié)，凍層成為入滲水流的控制界面，它對融雪水的減滲作用較強[20]。所以降水對凍層內(nèi)的硝態(tài)氮運移及累積的影響并不明顯。

4 結(jié) 論

1) 凍結(jié)前、后期土壤剖面聚氮區(qū)(特指硝態(tài)氮)由0～30 cm逐漸下移至30～60 cm。硝態(tài)氮向聚氮區(qū)的遷移量隨水氮量的增加而增加，在N500條件下遷移效果更顯著。

2) 凍融期水氮處理顯著增加了0～60 cm土層硝態(tài)氮累積量，各處理下硝態(tài)氮累積量差異顯著。未凍期和凍結(jié)期，隨水、氮量的增加，土壤硝態(tài)氮累積量也呈增加態(tài)勢。消融期，0～60 cm硝態(tài)氮累積量隨肥量的增加而增加。

3) 未凍期，0～30 cm土壤硝態(tài)氮的相對累積量隨灌水量增加而降低，30～60 cm土層則增加。凍結(jié)期，隨氮量的增加，0～30 cm土層硝態(tài)氮相對累積量增加，30～60 cm土層則降低。消融期0～30 cm土層硝態(tài)氮相對累積量隨施氮量的增加而增加，隨灌水量的增加而減少，而30～60 cm土層則呈現(xiàn)相反規(guī)律。

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