湖北省三峽庫區(qū)1991—2014年農(nóng)業(yè)非點源氮磷污染負(fù)荷分析

王 萌，王敬賢*，劉 云*，李春蕾，肖文發(fā)

（1.北京農(nóng)學(xué)院北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 102206；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091）

農(nóng)業(yè)非點源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，化肥、農(nóng)藥、畜禽糞便以及其他有機(jī)或無機(jī)污染物通過農(nóng)田的地表徑流和滲透，引起的對水體、湖泊、河岸等生態(tài)系統(tǒng)的污染[1]。隨著我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)非點源污染逐漸成為生態(tài)環(huán)境污染的重要原因，是全球地表水和地下水環(huán)境受到破壞的重要污染源[2]。《第一次全國污染源普查公報》[3]顯示：2007年，主要污染物總氮全國排放總量為472.89萬t，總磷為42.32萬t。其中由農(nóng)業(yè)源排放的總氮為270.46萬t，總磷28.47萬t，分別占總量的57.19%和67.27%。在農(nóng)業(yè)源中，種植業(yè)總氮流失159.78萬t，總磷流失10.87萬t，分別占農(nóng)業(yè)源排放總量的59.08%和38.18%；畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放總氮102.48萬t，總磷16.04萬t，占比37.89%和56.41%?？梢?，農(nóng)業(yè)源是造成環(huán)境污染的重要因素，而種植業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)又是造成農(nóng)業(yè)非點源污染的主要原因。

目前有關(guān)農(nóng)業(yè)非點源污染模型主要分為統(tǒng)計性經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ㄈ巛敵鱿禂?shù)法、水質(zhì)水量相關(guān)法、平均濃度法等）和機(jī)理性過程模型（如 CREAMS、GLEAMS、STORM、AGNPS等）兩大類。對于大流域尺度而言，農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷的定量研究完全依靠實地監(jiān)測是不現(xiàn)實的，這時統(tǒng)計性經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀捎谄漭^少考慮非點源污染的中間過程和內(nèi)在機(jī)制而受到廣泛應(yīng)用。特別是輸出系數(shù)模型，不但數(shù)據(jù)相對容易獲取，降低了研究成本，而且為估算大尺度流域非點源污染負(fù)荷提供了一種切實可行的方法，對于缺乏監(jiān)測數(shù)據(jù)的流域進(jìn)行農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷估算，發(fā)揮著積極的作用。目前我國學(xué)者運用輸出系數(shù)模型，已經(jīng)對海河[4]、密云水庫[5]、長江上游地區(qū)[6]、三峽庫區(qū)[7]、洞庭湖流域[8]等地區(qū)進(jìn)行了非點源污染的研究，并取得了重要成果。然而，以往的研究只考慮到各污染源產(chǎn)生的污染物負(fù)荷量，并沒有考慮污染物在遷移到受納水體過程中的損失，因此，有必要引入入河系數(shù)，即空間各單元產(chǎn)生的污染物進(jìn)入受納水體的比例[9]，來準(zhǔn)確估算進(jìn)入受納水體中的污染物的量；同時，三峽庫區(qū)作為我國重要的生態(tài)屏障，自20世紀(jì)90年代起至今，隨著社會的發(fā)展，庫區(qū)的建成、庫區(qū)水位的提高，庫區(qū)移民等一系列變化，農(nóng)業(yè)非點源污染是如何變化的，其空間分布又有何特征，尚未可知。因此有必要對研究區(qū)的農(nóng)業(yè)非點源污染進(jìn)行長時間尺度的估算，以便更好地了解其變化特征、防治面源污染問題。

本研究針對湖北省三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染問題進(jìn)行研究，通過整合1991—2014年各區(qū)縣的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運用改進(jìn)的輸出系數(shù)模型，引入入河系數(shù)對研究區(qū)歷年的農(nóng)業(yè)非點源污染氮磷負(fù)荷量、各類農(nóng)業(yè)污染源的氮磷負(fù)荷量以及各個區(qū)縣的氮磷負(fù)荷量進(jìn)行估算，分析總氮、總磷的時空分布特征，查找主要農(nóng)業(yè)污染源和農(nóng)業(yè)非點源污染重點控制區(qū)域，為湖北省三峽庫區(qū)的農(nóng)業(yè)非點源污染分區(qū)防控提供依據(jù)，從而為整個三峽庫區(qū)的農(nóng)業(yè)非點源污染綜合防治奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省三峽庫區(qū)地處長江中游，地理范圍在東經(jīng)110°04′～111°39′，北緯 31°04′～31°34′之間，包括宜昌夷陵區(qū)、秭歸縣、興山縣和恩施州巴東縣。研究區(qū)總面積約為11 531.62 km2，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫14～18℃，年平均降水量1070～1682 mm。土壤類型主要是黃壤、黃棕壤、棕壤、紫土、石灰土、水稻土等。地區(qū)植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，森林覆蓋率32.87%。《2015年湖北省環(huán)境質(zhì)量狀況》[10]表明，2015年，湖北省三峽庫區(qū)干流及支流總體水質(zhì)為優(yōu)。按照《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》[11]，水質(zhì)符合功能區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)的斷面比例為76.2%，主要超標(biāo)項目為總磷。同時，研究區(qū)化肥施用量逐年增加（圖1），2000年以后的年均農(nóng)藥使用量也在2000 t以上，這些都加劇了研究區(qū)的農(nóng)業(yè)非點源污染。

1.2 改進(jìn)的輸出系數(shù)模型

最初的輸出系數(shù)模型是20世紀(jì)70年代由Omemik等[12]為了預(yù)測靜止水體富營養(yǎng)化而建立的。1996年，Johnes等[13]針對人口（主要是生活污水的排放）、農(nóng)田種植（耕作不同作物的耕地）、畜禽養(yǎng)殖（不同禽類）和降雨確定了不同的輸出系數(shù)，并將植物固氮和氮的沉降等考慮到總氮負(fù)荷中，建立了更為合理的輸出系數(shù)模型。此后，我國學(xué)者[14-17]根據(jù)不同研究地區(qū)的不同地域特征優(yōu)化了輸出系數(shù)模型，使其精確性和靈敏性都得到了提高。結(jié)合三峽庫區(qū)非點源污染的相關(guān)研究[6-7，18-26]，考慮到不同污染物在遷移過程中的損失量，本文引入入河系數(shù)準(zhǔn)確估算進(jìn)入受納水體中的污染物的量。因此，本文采用的適用于研究區(qū)的輸出系數(shù)模型如下：

式中：L表示營養(yǎng)鹽的輸出量，kg；λi為第i種污染源的入河系數(shù)，無量綱；Ei為第i種污染源的輸出系數(shù),kg·hm-2·a-1或 kg·頭 （只）-1·a-1或 kg·人-1·a-1；Ai表示第i種耕地的面積，hm2，或第i種畜禽年末存欄數(shù)，頭（只），或農(nóng)村人口數(shù)，人。

1.3 數(shù)據(jù)獲取

本文所用數(shù)據(jù)包括：農(nóng)村人口數(shù)據(jù)、畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)（大牲畜、豬、羊和家禽的年末存欄量）、種植業(yè)數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，主要來源于1991—2014年《宜昌統(tǒng)計年鑒》《恩施統(tǒng)計年鑒》和《湖北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》。

1.4 不同系數(shù)取值

輸出系數(shù)的選擇是運用輸出系數(shù)模型計算非點源污染負(fù)荷的關(guān)鍵，參考三峽庫區(qū)非點源污染的相關(guān)研究[6-7，9，18-26]發(fā)現(xiàn)，由于同一研究區(qū)不同學(xué)者的研究中污染源不同，輸出系數(shù)也不盡相同，本研究盡可能選擇與湖北省三峽庫區(qū)相符或相近的輸出系數(shù)。其中，人口的輸出系數(shù)來自杜雙[18]的湖北省三峽庫區(qū)相關(guān)研究；生活污水和生活垃圾的輸出系數(shù)來自崔超等[19]關(guān)于湖北省三峽庫區(qū)農(nóng)村生活源排污系數(shù)的計算；畜禽養(yǎng)殖的輸出系數(shù)參考劉瑞民等[6]、梁常德等[7]、馬嘯[20]和Ma等[21-22]的三峽庫區(qū)相關(guān)研究確定；不同土地利用類型的輸出系數(shù)參考龍?zhí)煊宓萚9]、崔超等[19]、楊彥蘭等[24]的相關(guān)文獻(xiàn)。另一方面，農(nóng)村人口和畜禽養(yǎng)殖的入河系數(shù)參照常麗娟[25]對于三峽庫區(qū)非點源污染入河系數(shù)的研究結(jié)果；生活污水和生活垃圾的入河系數(shù)參考張廣納等[26]關(guān)于三峽庫區(qū)重慶段農(nóng)村面源污染的研究；降雨期水田和旱地的非點源污染負(fù)荷會隨著地表徑流一起進(jìn)入水體，因此水田和旱地的入河系數(shù)相同[27]。綜上，不同污染源的輸出系數(shù)和入河系數(shù)取值見表1。

圖1 研究區(qū)化肥施用量Figure1 The amount of fertilizer at study area

表1 不同系數(shù)取值Table1 Different coefficient value

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)非點源總氮總磷負(fù)荷時間分布

運用改進(jìn)的輸出系數(shù)模型模擬了湖北省三峽庫區(qū)1991—2014年的農(nóng)業(yè)非點源總氮總磷污染負(fù)荷，結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，研究區(qū)總氮和總磷負(fù)荷量的變化趨勢基本一致，總氮負(fù)荷量明顯高于總磷負(fù)荷量?？偟涂偭椎哪昃?fù)荷量分別為2 132.10、222.64 t·a－1，年均排放強(qiáng)度分別為 1.85、0.19 kg·hm－·2a－1，年均總氮總磷負(fù)荷比接近10∶1，說明研究區(qū)在1991—2014年間總氮污染占主導(dǎo)地位，應(yīng)引起相關(guān)部門的足夠重視。1991年農(nóng)業(yè)非點源總氮和總磷年負(fù)荷量為2 388.12、234.82 t，到了2014年，總氮年負(fù)荷量減少到2 287.26 t，降低4.22%；總磷負(fù)荷量有所增加，為263.71 t，增幅為12.30%。

圖2 1991—2014年總氮總磷負(fù)荷量Figure2 TN，TP pollution loads from 1991 to 2014

圖3 1991—2014年總氮與總磷的比值Figure3 The ratio of TN and TP pollution loads from 1991 to 2014

圖4 各污染源總氮負(fù)荷年均貢獻(xiàn)率Figure4 The mean annual contributions rate of TN from different pollution sources

圖5 各污染源總磷負(fù)荷年均貢獻(xiàn)率Figure5 The mean annual contributions rate of TP from different pollution sources

湖北省三峽庫區(qū)1991—2014年農(nóng)業(yè)非點源總氮總磷比如圖3所示。結(jié)果顯示，2009年以前，研究區(qū)農(nóng)業(yè)污染源總氮總磷比＞9.0，2009年以后，總氮總磷比＜9.0。研究表明，大多數(shù)藻類旺盛生長的最適宜氮磷比為 7∶1，當(dāng)水體中總氮濃度達(dá) 0.2～0.5 mg·L－1以上，總磷濃度＞0.02 mg·L－1時，就會導(dǎo)致藻華爆發(fā)[11]。

2.2 各污染源總氮總磷負(fù)荷分析

湖北省三峽庫區(qū)各農(nóng)業(yè)污染源氮污染年均負(fù)荷貢獻(xiàn)見圖4。結(jié)果顯示，農(nóng)業(yè)污染源氮污染貢獻(xiàn)率依次為旱地＞鄉(xiāng)村人口＞大牲畜＞水田＞養(yǎng)豬＞其他?？偟?fù)荷的近50%來源于農(nóng)田種植，農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖對總氮負(fù)荷的影響相近。各農(nóng)業(yè)污染源磷污染年均負(fù)荷貢獻(xiàn)見圖5，依次為旱地＞養(yǎng)豬＞水田＞其他，因此，總磷負(fù)荷主要來源于農(nóng)田種植和豬的養(yǎng)殖，其他牲畜和農(nóng)村生活對磷污染的貢獻(xiàn)較小?？傮w而言，農(nóng)田種植和畜禽養(yǎng)殖對湖北省三峽庫區(qū)氮磷負(fù)荷貢獻(xiàn)最大，這與蔡金洲等[28]對湖北省三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染源的研究結(jié)論一致。

農(nóng)村生活產(chǎn)生的氮磷負(fù)荷量逐年減小（圖6和圖7），主要原因是隨著城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，農(nóng)村人口從151.51萬減少到126.57萬，同時生活水平得到提高，污水處理設(shè)施得到改善，垃圾治理也趨于合理化，因而生活污水和生活垃圾的氮磷排放量有所降低。

畜禽養(yǎng)殖對氮磷負(fù)荷的貢獻(xiàn)率逐年增加。1991—2014年間畜禽養(yǎng)殖對氮磷排放貢獻(xiàn)分別從最初的24.46%、27.12%增加到31.72%、42.89%。湖北省三峽庫區(qū)畜禽養(yǎng)殖主要以生豬為主，從各個區(qū)縣的統(tǒng)計年鑒來看，生豬存欄量由1991年的107.82萬頭發(fā)展到2014年的218.54萬頭，增幅為102.69%。研究區(qū)內(nèi)生豬養(yǎng)殖模式主要是散養(yǎng)，畜禽糞污處理方式為干清糞，在圈旁堆腐后直接返田，這個過程氮磷流失嚴(yán)重，隨著畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和規(guī)模日益擴(kuò)大，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染對氮磷負(fù)荷的貢獻(xiàn)日益增加。

農(nóng)田種植對氮負(fù)荷的貢獻(xiàn)率差異不太明顯。1991—2014年間，水田和旱地的面積分別從2.555萬、9.873萬hm2減少到1.876萬、9.112萬hm2。但是氮肥施肥量卻增加了一倍，因而對氮污染貢獻(xiàn)差異不大。相比之下，農(nóng)田種植產(chǎn)生的磷污染則明顯降低，從63.24%逐年降低到49.94%。

圖6 1991—2014年各類污染源氮污染負(fù)荷組成年際變化特征Figure6 Variation characteristic of annual TN pollution loads from different sources from 1991 to 2014

圖7 1991—2014年各類污染源磷污染負(fù)荷組成年際變化特征Figure7 Variation characteristic of annual TP pollution loads from different sources from 1991 to 2014

2.3 年均總氮總磷負(fù)荷空間分布

從年均總氮總磷排放量分布來看（圖8），總氮排放量依次為巴東＞夷陵＞秭歸＞興山。巴東（732.78 t·a－1）和夷陵（665.66 t·a－1）為農(nóng)業(yè)非點源氮污染重點控制區(qū)域。由于農(nóng)田種植為氮的主要污染源，兩個區(qū)縣氮肥的年均施用量高達(dá) 15 595.6、14 658.7 t·a－1，秭歸和興山的年均施肥量則為 10 829.0、3 016.7 t·a－1，明顯低于前兩個區(qū)縣，因此巴東和夷陵的氮負(fù)荷量高于另外兩區(qū)縣。總磷排放量為巴東＞夷陵＞秭歸＞興山。巴東（78.61 t·a－1）和夷陵（66.05 t·a－1）為農(nóng)業(yè)非點源磷污染重點控制區(qū)域。

湖北省三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染總氮總磷排放強(qiáng)度如圖9所示。從排放強(qiáng)度的跨度來說，總氮的排放強(qiáng)度較總磷排放強(qiáng)度大，分別為 1.22～2.19 kg·hm－2·a－1和 0.12～0.23 kg·hm－2·a－1。從排放強(qiáng)度的行政區(qū)劃來看，巴東和秭歸的總氮排放強(qiáng)度最高，分別為2.16、2.02 kg·hm－2·a－1；巴東和秭歸的總磷排放強(qiáng)度也是最高，分別為 0.23、0.21 kg·hm－·2a－1。

3 討論

1991—2014年湖北省三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)非點源總氮總磷負(fù)荷以2006年為時間節(jié)點，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，這個時間正是三峽水庫蓄水前后，據(jù)資料顯示，三峽庫區(qū)于2003年6月蓄水至135 m，2006年10月蓄水至 156 m，研究[29－30]表明，三峽庫區(qū)蓄水后比蓄水前水質(zhì)超標(biāo)污染狀況有所緩解，由于蓄水后水庫的蓄水澄清作用，水中懸浮物沿程沉降，污染物濃度降低，使水質(zhì)評價結(jié)果趨好；研究區(qū)主要污染源是農(nóng)田種植（水田和旱地），這跟該地區(qū)的地形、種植模式以及土地利用類型都有關(guān)系，根據(jù)第一次全國污染源普查[3]，不同情況下肥料流失不同。湖北省三峽庫區(qū)多為坡地，單位面積氮磷肥年均使用量分別為38.24、12.16 kg·hm－2·a－1，易發(fā)生農(nóng)田種植的氮磷流失；巴東是一個農(nóng)業(yè)大縣，截至2014年，農(nóng)村人口41.56萬，大牲畜養(yǎng)殖數(shù)為49 733萬頭，比最低值高出近8倍，年均豬養(yǎng)殖數(shù)47.61萬頭，由于沒有得到及時科學(xué)的無害化處理，絕大部分直接排入河流水庫等水體，是水體富營養(yǎng)化的主要來源之一[31]。同時巴東縣的旱地較夷陵等其他區(qū)縣多，化肥施用量逐年增加，因而造成的氮磷污染也多，成為非點源氮磷污染重點控制區(qū)。

圖8 各區(qū)縣總氮總磷年均排放量空間分布Figure8 The spatial distribution of mean annual TN and TP emissions from different districts

圖9 各區(qū)縣總氮總磷年均排放強(qiáng)度Figure9 The spatial pattern of mean annual TN and TP emission intensities from different districts

本文針對湖北省三峽庫區(qū)1991—2014年的農(nóng)業(yè)非點源污染問題進(jìn)行研究，結(jié)果顯示主要貢獻(xiàn)源是種植業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)，這與其他學(xué)者研究[18－21，28]結(jié)果相似。然而，崔超等[19]對興山縣香溪河流域進(jìn)行了氮磷排放研究，發(fā)現(xiàn)氮磷年均排放量分別為1 145.2、56.5 t·a－1，排放強(qiáng)度分別為 44.5、2.14 kg·hm－2·a－1，本研究所得排放強(qiáng)度低于同類研究，主要是因為本文將污染源分為農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)田種植3類，對生活污水這一污染源沒有考慮不同年份間污水處理方式的差異，同時在農(nóng)田種植中只針對水田和旱地進(jìn)行了氮磷負(fù)荷量的估算，由于數(shù)據(jù)獲取的局限性并沒有將其他土地利用類型考慮在內(nèi)，而林地、草地、園地、建設(shè)用地等的面積又占據(jù)很大比例，對農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷也有不可忽視的影響，因此造成排放量和排放強(qiáng)度較同類研究低；另一方面，本文引入了入河系數(shù)，與同樣引入入河系數(shù)的龍?zhí)煊宓萚9]對三峽庫區(qū)非點源污染的研究結(jié)果（2002—2012年間，年均總氮負(fù)荷2.6～4.2 kg·hm－2·a－1，總磷負(fù)荷 0.432～3.186 kg·hm－2·a－1）相近，略低于其結(jié)果同樣是因為本文沒有考慮其他土地利用類型和降雨侵蝕力的影響。另外，關(guān)于重點控制區(qū)的結(jié)果也與其他學(xué)者不同，蔡金洲等[28]對2007年湖北省三峽庫區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)4個區(qū)縣中夷陵區(qū)為防控重點控制區(qū)域，杜雙[18]、馬嘯[20]、Ma 等[21－22]在研究中也得出同樣結(jié)論。主要原因是本文在數(shù)據(jù)獲取過程中均使用的各地區(qū)統(tǒng)計年鑒，包括《宜昌統(tǒng)計年鑒》和《恩施州統(tǒng)計年鑒》，在數(shù)據(jù)搜集過程中發(fā)現(xiàn)同一名稱的數(shù)據(jù)在各個地區(qū)統(tǒng)計年鑒上的數(shù)值和《湖北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》的數(shù)值不同，為保證數(shù)據(jù)的精確可靠性，本研究選擇了各個地區(qū)統(tǒng)計年鑒上的數(shù)據(jù)，因此計算結(jié)果可能有差異；同時，原始數(shù)據(jù)中巴東縣的各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)基本略高于夷陵區(qū)，因此結(jié)果有所不同。

為了更好地防治湖北省三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染，必須從源頭上削減氮磷污染負(fù)荷量。針對畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的非點源污染，建議合理選擇畜禽養(yǎng)殖場、優(yōu)化畜禽養(yǎng)殖技術(shù)、使用生態(tài)養(yǎng)殖飼料、對畜禽糞便產(chǎn)生的污染及時采取有效措施進(jìn)行控制，如采用微生物發(fā)酵、高溫堆肥等方式變廢為寶，使資源得到最大化的利用。針對農(nóng)田種植產(chǎn)生的非點源污染，首先要改進(jìn)施肥技術(shù)，提倡應(yīng)用新型肥料，同時對農(nóng)藥進(jìn)行減量控制，優(yōu)先選擇生物措施或物理措施，合理輪作，減緩污染。針對農(nóng)村生活產(chǎn)生的非點源污染，要完善生活污水、生活垃圾的處理措施，如建立沼氣池、垃圾分類站等，杜絕污染物直接進(jìn)入水體。與此同時，將非點源污染的危害通過網(wǎng)絡(luò)、電視等媒介多宣傳，提高農(nóng)村人口的環(huán)保意識，也能夠減少污染現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）1991—2006年總氮、總磷排放量逐年遞減，2006—2014年總氮、總磷排放量逐年增加；總氮和總磷的年均負(fù)荷量分別為 2 132.10、222.64 t·a-1，年均排放強(qiáng)度分別為 1.85、0.19 kg·hm-·2a-1。

（2）種植業(yè)源（對研究區(qū)總氮、總磷年均貢獻(xiàn)率分別為49.31%、57.33%）和養(yǎng)殖業(yè)源（對研究區(qū)總氮、總磷的年均貢獻(xiàn)率分別為26.25%、33.54%）為總氮、總磷的主要污染源。

（3）1991—2014年，巴東縣總氮負(fù)荷量為732.78 t·a-1、排放強(qiáng)度 2.16 kg·hm-2·a-1；總磷負(fù)荷量為 78.61 t·a-1，排放強(qiáng)度為 0.23 kg·hm-2·a-1，高于其他 3 個區(qū)縣，是氮、磷排放重點控制區(qū)域。

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