氮肥和土壤質(zhì)地對(duì)滴灌棉花氮素利用率及產(chǎn)量的影響

張 澤，馬革新，海興巖，馬露露，鄭 琦，張東明，呂 新,

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院; 2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

棉花作為新疆最主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，自20世紀(jì)滴灌技術(shù)在新疆大面積推廣以來，棉花產(chǎn)量和氮素利用率得到顯著提高[1]。而棉花后期生長(zhǎng)發(fā)育主要受水、肥等土壤養(yǎng)分的影響[1]。氮肥的投入是棉花增產(chǎn)的必要條件。合理的氮肥運(yùn)籌不僅減少鹽分對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的不利影響[2]，而且可減少因過量施氮造成的環(huán)境污染[3]。胡順軍等[4]研究表明水肥因子對(duì)滴灌棉花產(chǎn)量的影響呈現(xiàn)報(bào)酬遞減效應(yīng)。我國(guó)北方農(nóng)作體系中多種土壤質(zhì)地并存，不同質(zhì)地的土壤水分、溫度、空氣和機(jī)械阻力表現(xiàn)不同[5]，對(duì)養(yǎng)分吸收利用和作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響也不同，導(dǎo)致在肥料利用率方面存在差異。因此，依據(jù)農(nóng)田土壤狀況進(jìn)行合理施肥實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)高效倍受關(guān)注，探明不同質(zhì)地滴灌棉田肥料利用率差異性特征，可為棉田肥料科學(xué)管理提供理論依據(jù)。已有研究表明，基于室內(nèi)土柱模擬法，滴灌施肥條件下氮肥種類和土壤質(zhì)地對(duì)氮素淋溶及轉(zhuǎn)化有顯著影響[6]；不同滴灌處理下棉花氮素利用率受棉株根系的影響最大，而棉株根系又受土壤質(zhì)地、土壤含鹽量的影響[7]；棉花對(duì)氮素的吸收利用受水肥條件的影響很大，侯振安[8-9]等研究表明不同的施肥策略顯著影響棉花氮素的吸收量，氮肥在一次灌溉施肥的前期施用有利于提高氮肥的利用率，減少氮肥的淋洗損失。氮素利用率反映的是棉花對(duì)氮素吸收的一個(gè)最終結(jié)果，張旺鋒[10]等對(duì)棉花氮素利用的動(dòng)態(tài)研究表明，其表現(xiàn)為“慢-快-慢”三個(gè)階段。研究表明，目前，大多數(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滴灌條件下(包括室內(nèi)土柱模擬法)氮肥的施用量、施用頻率以及水肥耦合效應(yīng)等對(duì)肥料利用率的影響做了較多研究，但其中大部分是在單一土壤質(zhì)地條件下進(jìn)行的研究，對(duì)于滴灌施肥后不同質(zhì)地土壤的氮素遷移及利用效率研究較少。為此，通過滴灌大田試驗(yàn)，研究施氮和土壤質(zhì)地對(duì)滴灌棉花氮素的吸收利用情況的影響，可在確保高產(chǎn)的情況下對(duì)不同質(zhì)地棉田的灌溉施肥技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年4～10月在新疆昌吉瑪納斯縣六戶地鎮(zhèn)進(jìn)行，該地區(qū)日照時(shí)長(zhǎng)為2800 ～ 3000 h，年平均氣溫5℃左右，≥10℃有效積溫為3500 ～4100℃，無霜期180 d左右，試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地分別為砂土、壤土、黏土。供試棉花品種為新陸早45號(hào)。土壤顆粒組成及肥力狀況如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為二因素設(shè)計(jì)，分別為土壤質(zhì)地和氮素水平。其中土壤質(zhì)地因素設(shè)置3個(gè)水平，即砂土、壤土、黏土；施氮量設(shè)置4個(gè)氮素(純氮)水平，即0、240、340、480 kg·hm-2，并分別以CK、N1、N2、N3表示。試驗(yàn)采用全組合設(shè)計(jì)，共12個(gè)處理，其中每處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共計(jì)36個(gè)小區(qū)。

試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)為一膜六行，種植行距配置模式為66 cm+10 cm，膜寬2.05 m，膜間距0.5 m，整個(gè)生育期滴灌設(shè)計(jì)灌溉量540 mm，各處理均實(shí)行等額灌水。施肥量為鉀肥(K2O)95 kg·hm-2、磷肥(P2O5)105 kg·hm-2作為基肥一次性施入，氮肥(尿素)中基肥占30%，其余部分作追肥，隨水每10 d灌溉1次，灌水施肥按比例分多次進(jìn)行(見表2)。

表1 供試土壤顆粒組成及養(yǎng)分狀況

表2 水氮分配表

1.3 測(cè)試指標(biāo)

植株全氮測(cè)定：分別在棉花盛蕾期、盛花期、盛鈴期、吐絮期采集植株地上部樣品，每個(gè)小區(qū)取3株，在室內(nèi)分器官(莖、葉、花蕾、花鈴)將植株分開，105℃殺青30 min后于烘箱中80℃條件下烘干至恒重，稱量并記錄干物質(zhì)重。烘干的植株樣經(jīng)粉碎后過0.5 mm篩，待測(cè)。植株全氮用H2SO4-H2O2消煮法測(cè)定。

產(chǎn)量測(cè)定：棉花吐絮期測(cè)定籽棉產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素，最后實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

數(shù)據(jù)處理方法：

氮肥表觀利用率=(施氮區(qū)地上部分的吸氮量-對(duì)照區(qū)地上部分的吸氮量)/施氮量；

氮肥生理利用率=(施氮區(qū)產(chǎn)量-對(duì)照區(qū)產(chǎn)量)/吸氮量；

氮肥農(nóng)學(xué)利用率=(施氮區(qū)產(chǎn)量-對(duì)照區(qū)產(chǎn)量)/施氮量；

氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量。

采用Excel 2007和SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，origin8.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對(duì)砂土棉花氮素分配量的影響

砂土中不同氮處理各器官在不同生育期內(nèi)全氮量如圖1所示。總體來看，盛花期花蕾中全氮平均含量為37.22 g·kg-1，均高于其它生育期；花鈴中全氮平均含量呈先升高后降低的趨勢(shì)，在盛鈴期達(dá)到最大為30.42 g·kg-1；莖中平均全氮含量在盛鈴期也達(dá)到最大值為23.22 g·kg-1；葉中平均全氮含量峰值出現(xiàn)在盛花期，為51.07 g·kg-1，到盛鈴期和吐絮期都有所下降。

盛蕾期不同施肥處理間全氮量變化趨勢(shì)為處理N2>N3>N1>CK，不同施肥處理間N2 處理全氮量最大為91.32 g·kg-1，比CK增加了192.44%，花蕾中全氮量占N2處理全氮總量的41.43%。N1處理和N3處理花蕾中全氮含量差異不顯著，但都顯著高于CK處理，說明隨著施氮量的增加，植株對(duì)氮素的吸收呈現(xiàn)先增后減的變化。盛花期棉花生殖生長(zhǎng)逐漸增加，此時(shí)砂土中花蕾全氮量較同時(shí)期壤土增加13.10%，說明棉花在砂土中比壤土中更早地進(jìn)入生物量快速積累期?；ㄢ徠诿藁ǖ纳成L(zhǎng)加快，花鈴中全氮量繼續(xù)增加，而且N2處理花鈴的含氮量達(dá)到35.28 g·kg-1，占該處理總氮量的33.96%，說明與其它施肥處理相比，N2處理能夠使棉花氮素更多地向生殖器官運(yùn)移。吐絮期各處理莖的全氮含量變化不大，花鈴中全氮量最高的為N2處理(26.22 g·kg-1)，比CK增加了31.90%。

2.2 施氮對(duì)壤土棉花氮素分配量的影響

由圖2可以看出，隨著棉花生育期的推進(jìn)，花蕾中全氮含量在盛花期N2處理下達(dá)到最大，各處理平均值為35.97g·kg-1，較CK處理增加33.42%。花鈴中全氮量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，由盛花期(均值20.27g·kg-1)增加到盛鈴期(均值29.69g·kg-1)再到吐絮期(均值22.64g·kg-1)，其中盛鈴期N2處理最高為37.14g·kg-1。不同處理莖的全氮量變化為先增加后減小，在盛鈴期N2處理達(dá)到最大的30.91 g·kg-1。整個(gè)生育期全氮量最高的器官為葉，其均值由盛蕾期的23.97 g·kg-1增加到盛花期的49.67 g·kg-1，隨后逐漸降低。盛蕾期棉花進(jìn)入營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后期，花蕾在棉花氮素分配中已占據(jù)主導(dǎo)地位，其全氮量與葉中全氮量差異不顯著，但總體高于莖中含量。棉株各器官中全氮分配表現(xiàn)為葉>花蕾>莖。不同施氮量處理之間，N2處理各器官全氮含量均為最高，總含氮量為89.37 g·kg-1，比CK增加了66.65%。盛花期棉花生殖生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)同步進(jìn)行，植株需氮量增加，各處理全氮量整體表現(xiàn)為處理N2>N3>N1>CK。N2處理達(dá)到157.38 g·kg-1，而且N2處理生殖器官中全氮量占總?cè)康?7.47%，高于其它施肥處理，說明N2處理對(duì)應(yīng)的施氮量下可以促進(jìn)棉花氮素向生殖器官轉(zhuǎn)移。盛鈴期各處理營(yíng)養(yǎng)器官中全氮量降低，生殖器官中全氮量增加，不同施肥處理間花鈴中全氮量占總氮量的百分比為處理N2>N3>N1>CK，其中N2處理為34.68%，比CK處理增加3.65%。吐絮期不同施肥處理間花鈴中全氮量占總?cè)康陌俜直瘸掷m(xù)增加，總含氮量最高的是N2處理(82.13 g·kg-1)，比CK處理增加17.7%。

圖1 不同施肥處理砂土各器官氮素吸收量Fig. 1 N absorption of each organ as affected by N amount in sand soil

2.3 施氮對(duì)黏土棉花氮素分配量的影響

黏土不同施肥處理各器官在不同生育期內(nèi)全氮量如圖3所示，可以看出，全氮總量的變化規(guī)律表現(xiàn)為盛花期>盛鈴期>吐絮期>盛蕾期。黏土盛蕾期各施肥處理花蕾、葉中全氮平均含量為100.49 g·kg-1、100.31 g·kg-1，比同時(shí)期壤土中含量增加4.90%和4.64%，但莖中氮素含量較壤土降低21.19%，說明盛蕾期黏土中棉花植株根系尚不發(fā)達(dá)且黏土中水肥下滲速率較低導(dǎo)致植株對(duì)氮素的吸收利用主要體現(xiàn)在花蕾和葉片上，并且其氮素利用率較高。盛花期花蕾中氮素含量較壤土增加20.11%，說明黏土花蕾中氮素積累較壤土有所提前；盛鈴期各處理全氮含量表現(xiàn)為處理N2>N3>N1>CK，花鈴中氮素平均含量為118.77 g·kg-1，較壤土增加6.39%，較砂土降低2.46%，表明氮素在不同根層上分布情況壤土優(yōu)于黏土。吐絮期各處理間氮素總量表現(xiàn)為處理N2>N1>CK>N3，莖中氮素平均含量為71.89 g·kg-1，較壤土降低15.91%，葉中平均含量為108.78 g·kg-1，較壤土降低4.99%，花鈴中氮素含量較壤土差異不顯著，說明在整個(gè)生育期后期，氮素在生殖器官中的積累量相對(duì)穩(wěn)定，在營(yíng)養(yǎng)器官中的積累量有所下降。

圖2 不同施肥處理壤土各器官氮素吸收量Fig. 2 N absorption of each organ as affected by N amount in loam soil

圖3 不同施肥處理黏土各器官氮素吸收量Fig. 3 N absorption of each organ as affected by N amount in clay soil

2.4 不同質(zhì)地棉田棉花氮素含量在各器官中的分配

由圖4可以看出，隨著生育期的推進(jìn)，3種質(zhì)地棉田棉花花蕾中氮素含量變化表現(xiàn)為逐漸升高，其氮素含量變化范圍為37.23～47.52 g·kg-1，而后在花期末端逐漸歸零，但不同質(zhì)地土壤棉花花蕾中氮素含量存在顯著差異，表現(xiàn)為砂土>壤土>黏土；3種質(zhì)地下莖中氮素含量各個(gè)時(shí)期基本以壤土中為最高，砂土中居中，黏土中最低。砂土、壤土、黏土棉花莖中氮素含量變化為19.24～25.75 g·kg-1、19.47～30.49 g·kg-1、14.82～28.84 g·kg-1。鈴中氮素含量表現(xiàn)為逐漸升高，到盛鈴期達(dá)到最高后逐漸降低(主要原因在于吐絮期不再追施氮肥)，其平均值各個(gè)時(shí)期表現(xiàn)為壤土>砂土>黏土，砂土、壤土、黏土棉花莖中氮素含量變化為26.22～35.28 g·kg-1、25.53～37.14 g·kg-1、23.75～35.35 g·kg-1。葉中氮素含量表現(xiàn)為砂土>壤土>黏土，其各個(gè)生育期含量變化先升后降，在棉花盛花期達(dá)到最大值。盛花期砂土與壤土葉片中氮素含量差異不顯著，但二者均顯著高于黏土葉片中氮素含量。

上述結(jié)果表明，黏土不利于棉花根系深扎，根系主要分布在上層土壤，導(dǎo)致根系對(duì)氮素的吸收利用率降低而使得黏土棉花氮素在各個(gè)器官中的分配量均處于相對(duì)劣勢(shì)；砂土則有利于棉花根系向深層生長(zhǎng)，從而提高了氮素利用率，這在棉花花蕾和葉片中表現(xiàn)尤為顯著；由于壤土的蓄水保肥性介于砂、黏土之間而使得棉花根系在壤土中的空間分布情況也介于砂、黏土之間，表現(xiàn)為花鈴中全氮含量最高，最終也決定了壤土栽培棉花的高產(chǎn)條件。

2.4 施氮對(duì)不同質(zhì)地土壤棉花氮素利用率的影響

由表3可知，砂土中不同施肥處理之間的氮肥生理利用率、農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力變化趨勢(shì)一致，都表現(xiàn)為處理N1>N2>N3，且各處理間差異極顯著，由N1處理的3.27、12.03、27.4 kg·kg-1降低到N3處理的0.92、2.36、10.8 kg·kg-1；壤土中生理利用率、農(nóng)學(xué)利用率都表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，N1、N2處理之間差異顯著。黏土中氮肥的生理、農(nóng)學(xué)、表觀利用率都表現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，且黏土生理利用率N2和N3處理之間差異不顯著，表觀利用率N1和N3處理之間差異不顯著，這可能是因?yàn)榈阮~灌水的條件下，N2處理促進(jìn)了棉花營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)，使棉花地上部分全氮量增加；N3處理施肥量較大，在一定程度上抑制了棉花地上部分營(yíng)養(yǎng)器官中氮素的積累。

圖4 不同質(zhì)地棉田棉花氮素含量在各器官中的分配量Fig. 4 N absorption of each organ as affected by different soil textures

處理Treatment生理利用率Physiological efficiency/(kg·kg-1)農(nóng)學(xué)利用率Agronomic efficiency/(kg·kg-1)偏生產(chǎn)力Partial productivity/(kg·kg-1)表觀利用率Apparent utilization/%砂土Sand壤土Loam黏土Clay砂土Sand壤土Loam黏土Clay砂土Sand壤土Loam黏土Clay砂土Sand壤土Loam黏土ClayCK————————————N13.27a1.68a0.02b12.03a6.47ab0.07c27.4a25.6a19.6a0.75c0.27b0.12bN21.57b1.54ab 0.61a7.59 b6.11a2.88a19.1b17.6b17.2b2.65a1.79a2.04aN30.92c0.44c0.59a2.36 c0.94c1.35b10.8c10.4c10.89c1.09b0.89b0.37b

不同質(zhì)地棉花的氮素利用率，在一次灌水施肥的過程中，N2施肥處理可以提高棉花氮素的利用效率。整體來看，三種質(zhì)地間氮肥的利用效率存在差異，砂土的氮肥利用效率高于壤土、黏土。說明相同施肥灌水條件下，砂土較壤土、黏土有更高的氮素利用率。

2.5 施氮對(duì)不同質(zhì)地棉花產(chǎn)量的影響

由表4可以看出，三種土壤質(zhì)地下籽棉產(chǎn)量均表現(xiàn)出處理N2>N1>N3>CK，N2處理下砂土、壤土、黏土棉花產(chǎn)量均達(dá)到最大值，分別為6428.70、6869.70、5647.69kg·hm-2，較CK處理分別增產(chǎn)41.49%、41.51%、82.86%。施氮處理的單株鈴數(shù)和單鈴重幾乎都高于CK處理；就株數(shù)而言，砂土N2、N3處理差異不顯著；壤土N1、N3處理間差異不顯著；黏土施氮處理間差異不顯著，較CK處理差異顯著。單株鈴數(shù)砂土N2、N3處理和黏土N1、N3處理間差異不顯著，而壤土各處理間差異顯著。單鈴重壤土N1、N3處理差異不顯著。總體來說，壤土N2處理平均籽棉產(chǎn)量為6869.70 kg·hm-2，較相同栽培條件下砂土和黏土分別增產(chǎn)6.86%和21.64%，這進(jìn)一步說明相同栽培條件下壤土較砂、黏土增產(chǎn)效果明顯。

表4 不同質(zhì)地土壤棉花產(chǎn)量

3 討 論

3.1 施氮對(duì)棉花平均全氮含量的影響

3.2 土壤質(zhì)地對(duì)棉花全氮在各器官中分配的影響

有研究指出，相同處理?xiàng)l件下棉株對(duì)氮、磷、鉀的累積量表現(xiàn)為砂壤土>重壤土，且不同質(zhì)地間差異達(dá)顯著或極顯著水平，說明在偏粘性土壤上不利于棉花植株對(duì)養(yǎng)分的吸收和累積[14]；棉花全生育期氮素積累總量隨著生育期的推移而增加，在棉花鈴期達(dá)到最高，不同生育階段，棉花各器官內(nèi)的氮素水平不同[15]；本試驗(yàn)結(jié)果表明，同種質(zhì)地下棉花各器官全氮含量在鈴期之前表現(xiàn)為葉>花蕾>莖；鈴期之后表現(xiàn)為葉>鈴>莖；不同質(zhì)地條件下莖、鈴中全氮含量均表現(xiàn)為壤土>砂土>黏土，這主要是由于莖作為主要的氮素運(yùn)輸場(chǎng)所表現(xiàn)為運(yùn)輸大于吸收，此外，由于砂質(zhì)土壤中微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體較少，在隨水施肥的過程中較粗的單粒迅速降解而使土粒沉實(shí)，不利于側(cè)根多發(fā)而影響根系對(duì)氮素的吸收，表現(xiàn)為莖稈較壤土細(xì)長(zhǎng)；氮素在花蕾、葉中表現(xiàn)為黏土中最少，這主要是由于黏土中毛管水移動(dòng)困難，灌溉水難以下滲而使犁底層或黏粒積聚層形成上層滯水而影響棉花根系下伸，從而影響氮素吸收[16]。

3.3 氮肥和土壤質(zhì)地對(duì)滴灌棉花產(chǎn)量的影響

多項(xiàng)研究表明，棉花產(chǎn)量受多種因素影響，水肥在灌溉條件下作用顯著并存在報(bào)酬遞減效應(yīng)[17]。李新偉[18]等通過對(duì)不同氮水平下棉花的產(chǎn)量效應(yīng)研究認(rèn)為，施氮量與棉花產(chǎn)量之間的關(guān)系可根據(jù)一元二次方程擬合回歸方程；本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在棉花不同施氮處理下，棉花籽棉產(chǎn)量以N1處理(240 kg·hm-2)最高，其次為N2處理(340 kg·hm-2)。當(dāng)施氮量再增加時(shí)，產(chǎn)量有下降的趨勢(shì)，這主要是由于本實(shí)驗(yàn)以施氮量作為可變要素在等量增加的同時(shí)，可變要素的投入量與其它固定要素(如土壤基礎(chǔ)肥力、氣候狀況、灌溉量等)逐漸接近最佳的組合比，表現(xiàn)為籽棉產(chǎn)量遞增，當(dāng)?shù)释度肓颗c其它固定要素的配合比例恰當(dāng)時(shí)，籽棉產(chǎn)量達(dá)到最大，如果繼續(xù)增加施氮量，生產(chǎn)要素的投入量之比就越來越偏離最佳組合比，表現(xiàn)為產(chǎn)量遞減趨勢(shì)。相同灌水條件時(shí)，N2處理下棉花單株鈴數(shù)壤土與黏土差異不顯著；N1處理下棉花單鈴重砂土與壤土、N3處理下壤土與黏土差異不顯著，這主要是由于N3處理?xiàng)l件下，高施氮量黏質(zhì)土孔細(xì)往往被水占據(jù)，通氣不暢，好氣微生物活動(dòng)受到抑制而影響棉花根系下扎，導(dǎo)致產(chǎn)量與壤土差異不大。并且砂土、壤土、黏土分別以256.00 kg·hm-2、287.34 kg·hm-2、369.25 kg·hm-2的施氮量能夠達(dá)到最高目標(biāo)產(chǎn)量。

本研究只在棉花單一品種下進(jìn)行了研究，且限于本研究控制的土壤質(zhì)地處理數(shù)量較少，有關(guān)土壤質(zhì)地引起的生物與化學(xué)性質(zhì)差異對(duì)棉花氮素吸收和產(chǎn)量形成的影響還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。因而，今后在本地區(qū)要進(jìn)行長(zhǎng)期的、更全面的大田驗(yàn)證及應(yīng)用，以確定棉花在不同質(zhì)地土壤栽培條件下的氮肥利用率，為不同質(zhì)地棉田定量化的肥料投入提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

1)不同施氮處理對(duì)各質(zhì)地土壤棉花平均全氮含量表現(xiàn)為N2>N1>N3>CK。

2)同種質(zhì)地棉花各器官全氮含量在鈴期之前表現(xiàn)為葉>花蕾>莖；鈴期之后表現(xiàn)為葉>鈴>莖，不同質(zhì)地條件下葉、花蕾、花鈴、莖中全氮含量表現(xiàn)均表現(xiàn)為砂土>壤土>黏土。

3)相同灌水條件時(shí)，N2處理下棉花單株鈴數(shù)壤土與黏土差異不顯著；N1處理下棉花單鈴重砂土與壤土、N3處理下壤土與黏土差異不顯著，并且砂土、壤土、黏土分別以256.00 kg·hm-2、287.34 kg·hm-2、369.25 kg·hm-2的施氮量能夠達(dá)到最高目標(biāo)產(chǎn)量。

致謝：本研究得到了呂新老師和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字農(nóng)業(yè)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)課題組的大力協(xié)助，在此深表謝意！

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