蚯蚓糞對(duì)設(shè)施甜瓜土壤微生物特性的影響

李少杰 王紅梅 曹云娥

摘要：以甜瓜（Cucumis melo）No.1為試材，采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)30、60、90 t/hm2等3個(gè)蚯蚓糞梯度，探討不同蚯蚓糞施入量對(duì)土壤酶活性、微生物量及碳源利用率的影響。結(jié)果表明，與對(duì)照（CK）相比，蚯蚓糞處理有機(jī)質(zhì)含量增加21.93%～31.38%，全氮含量提高35.64%～48.29%;顯著提高土壤蔗糖酶、磷酸酶、蛋白酶和過(guò)氧化氫酶活性;利于微生物繁殖，增加土壤可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量118.24%～274.53%，可培養(yǎng)放線菌數(shù)量44.29%～115.89%，顯著提高土壤中生理菌群數(shù)量，土壤氨化細(xì)菌數(shù)量增加192.12%～471.52%，亞硝化細(xì)菌數(shù)量增加34.91%～90.95%，反硝化細(xì)菌數(shù)量增加33.33%～332.81%;顯著提高土壤微生物量碳含量7.64%～44.45%，微生物量氮含量22.46%～58.43%;顯著提高了土壤碳水化合物、多聚類、羧酸類、氨基酸類、胺類及酚類碳源的利用水平。處理間比較可見(jiàn)，施用量越大，效果越好，90 t/hm2處理效果最佳，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)增加，提高土壤微生物生長(zhǎng)、繁殖、酶活性，微生物對(duì)碳源的利用效果最好。

關(guān)鍵詞：蚓糞;微生物活性;土壤酶;生理菌群;碳源的利用

中圖分類號(hào)： S154.39? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）10-0286-05

隨著設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的區(qū)域化、規(guī)?；?、專業(yè)化的發(fā)展[1]，蔬菜設(shè)施栽培成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)優(yōu)選項(xiàng)目。然而設(shè)施蔬菜栽培中為了追求高效益，過(guò)量施用化肥和農(nóng)藥，栽培品種單一且存在多年連作等現(xiàn)象，直接導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，蔬菜品質(zhì)、產(chǎn)量及抗性也隨之下降，嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境及制約著設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。施肥是影響土壤質(zhì)量演化及其可持續(xù)利用最為普遍的農(nóng)業(yè)措施之一[2]。施肥能激活休眠細(xì)胞參與土壤物質(zhì)循環(huán)[3]，是改善土壤理化性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量、改善設(shè)施蔬菜品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)[4]。研究表明，施用蚯蚓糞可增加有機(jī)碳源的多樣性，能顯著提高土壤微生物生物量及及土壤酶活性[5-6]，促進(jìn)土壤微生物多樣性的恢復(fù)[7]，有效抑制連作障礙的發(fā)生進(jìn)程，改善土壤微生態(tài)環(huán)境[1]。

土壤微生物量是指生活在土壤中的體積小于5×103 μm3 的微生物活體的總量[8]，細(xì)菌、真菌、放線菌為主要類群，既是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分分解、轉(zhuǎn)化、釋放及循環(huán)的動(dòng)力，又可作為土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫(kù)，同時(shí)也是植物生長(zhǎng)中有效養(yǎng)分的重要來(lái)源[2]，并對(duì)土壤環(huán)境條件的改變尤為敏感。因此，其對(duì)土壤肥力狀況及作物養(yǎng)分供應(yīng)起決定性作用。土壤微生物量碳、氮是土壤碳素、氮素分解、轉(zhuǎn)化、循環(huán)的重要參與者，能直觀反映土壤微生物和土壤肥力狀況[9]。土壤酶活性是土壤生物學(xué)活性的總體現(xiàn)，作為衡量土壤質(zhì)量變化的預(yù)警和敏感指標(biāo)[10]，表征了土壤的綜合肥效及其養(yǎng)分分解、轉(zhuǎn)化進(jìn)程，反映了土壤生化反應(yīng)的方向與速度，是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)。因此，研究不同施用量蚯蚓糞改良設(shè)施土壤措施對(duì)微生物生物量的影響具有十分重要的意義。

前人研究主要集中在施用化肥或有機(jī)肥對(duì)土壤理化性質(zhì)指標(biāo)或者單一微生物學(xué)指標(biāo)的影響，而系統(tǒng)性研究蚯蚓糞的施用量及方法對(duì)土壤微生物生物量、土壤酶活性等多種土壤微生物學(xué)指標(biāo)的影響的報(bào)道較少。本研究以寧夏銀川市西夏區(qū)鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)多年連作的設(shè)施甜瓜為對(duì)象，通過(guò)施用不同量蚯蚓糞改良土壤，探討蚯蚓糞對(duì)設(shè)施土壤酶活性、可培養(yǎng)微生物數(shù)量、微生物量碳氮及微生物碳源利用的影響，旨在為尋求合理有效的土壤改良措施提供科學(xué)的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在寧夏銀川市西夏區(qū)鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)蔬菜生產(chǎn)基地進(jìn)行。鎮(zhèn)北堡鎮(zhèn)（38°37′N、106°03′ E）氣候干燥，日照充足，光熱資源豐富，日照時(shí)數(shù)約為3 039.6 h，無(wú)霜期約為129 d，年降水量?jī)H為99.7 mm～233.1 mm，而年蒸發(fā)量高達(dá)1 583.2 mm，屬典型中溫帶干旱氣候[11]。

選擇的溫室為種植了4年的日光溫室，供試土壤為粉沙壤土，土壤pH值為8.21，電導(dǎo)率（EC）值為0.25 mS/cm，有機(jī)質(zhì)含量為5.02 g/kg，全氮含量為0.34 g/kg，全磷含量為046 g/kg，全鉀含量為0.58 g/kg，有效氮含量為12.58 mg/kg，有效磷含量為19.82 mg/kg，有效鉀含量為156.2 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試甜瓜（Cucumis melo）品種為No.1。蚯蚓糞原材料由牛糞和秸稈堆置而成，經(jīng)大平2號(hào)蚯蚓分解而得，pH值為 8.34，EC為0.23 mS/cm，有效鉀含量為0.53 g/kg，有效磷含量為0.71 g/kg，有效氮含量為0.13 g/kg，全鉀含量為 6.88 g/kg，全磷含量為2.06 g/kg，全氮含量為9.34 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量為196.34 g/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試溫室長(zhǎng)88 m，寬7.6 m，沒(méi)有加溫和補(bǔ)光設(shè)備。試驗(yàn)于2017年4—7月之間進(jìn)行，共設(shè)4個(gè)處理：0、30、60、90 t/hm2 蚯蚓糞，分別記為CK、VC2、VC4、VC6。試驗(yàn)為完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3個(gè)小區(qū)，小區(qū)長(zhǎng)4.2 m，寬7 m，每小區(qū)種植3畦，采用寬窄行方式栽培，大行距為80 cm，小行距為40 cm，株距為40 cm，每畦共種植36株甜瓜苗。

選取長(zhǎng)勢(shì)一致的甜瓜壯苗，于2017年4月18日定植，于2017年7月2日拉秧。灌溉方式采用覆膜滴灌，每畦2條，各處理施肥量以及灌水量均一致，在甜瓜生長(zhǎng)期間，各處理每次施尿素、硝酸鉀及復(fù)合肥總量為150 kg/hm2，全生育期共追施10次，定期整枝打杈，其他栽培管理措施保持一致。

1.4 樣品的采集與分析

1.4.1 土壤樣品采集 土壤樣品在結(jié)果盛期于根圍（距離植株莖2 cm左右）選取5個(gè)不同部位用土鉆采樣，采集后將樣品混合。將土壤樣品過(guò)2 mm篩并混勻，然后將樣品分成2份，1份保存于-20 ℃冰箱冷凍，用于微生物相關(guān)指標(biāo)測(cè)定;1份風(fēng)干后測(cè)定。

1.4.2 土壤理化指標(biāo)的測(cè)定 參考鮑士旦的方法[12]測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.4.3 土壤酶活性的測(cè)定 參考關(guān)松蔭的方法[13]測(cè)定土壤酶活性。采用苯酚-次氯酸鈉比色法測(cè)定土壤脲酶活性，以1 d后1 g土壤中氨態(tài)氮（NH3-N）的質(zhì)量（mg）計(jì);采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定土壤磷酸酶活性，以1 d后1 g土壤中釋放出的酚的質(zhì)量（mg）計(jì);采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定土壤蔗糖酶活性，以1 d后1 g干土生成的葡萄糖（C6H12O6）的質(zhì)量（mg）計(jì);采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定土壤過(guò)氧化氫酶活性，以1 g土壤在20 min內(nèi)消耗的0.02 mol/L KMnO4體積（mL）計(jì);采用比色法測(cè)定蛋白酶活性，以1 d后1 g土壤中氨基氮（NH2-N）的質(zhì)量（mg）表示。

1.4.4 土壤微生物指標(biāo)的測(cè)定 土壤微生物數(shù)量測(cè)定采用稀釋平板計(jì)數(shù)法。采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)菌;采用馬丁孟加拉紅-鏈霉素選擇性培養(yǎng)基培養(yǎng)真菌;采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)放線菌[14];采用阿須貝氏培養(yǎng)基培養(yǎng)好氧性自生固氮菌;采用蛋白胨液體培養(yǎng)基培養(yǎng)氨化細(xì)菌;采用銨鹽培養(yǎng)基培養(yǎng)亞硝化細(xì)菌;采用檸檬酸鈉培養(yǎng)基培養(yǎng)反硝化細(xì)菌[15]。參考吳金水等的方法[16]測(cè)定土壤微生物量碳和氮。采用三氯甲烷熏蒸直接提取-重鉻酸鉀/硫酸消煮-硫酸亞鐵滴定法測(cè)定微生物量碳;采用茚三酮反應(yīng)態(tài)氮增量法測(cè)定微生物量氮。采用Biolog ECO微平板測(cè)定微生物碳源利用情況[17]，主要包括碳水化合物、多聚類、羧酸類、氨基酸類、胺類、酚類。具體測(cè)定方法為將土樣用無(wú)菌水稀釋成10-3土壤稀釋液，于每個(gè)ECO微平板孔中添加150 μL土壤懸液并在25 ℃黑暗條件下培養(yǎng)。每隔24 h在590 nm處測(cè)定吸光度直至穩(wěn)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel制圖，用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選用LSD法在α=0.05水平上進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚯蚓糞對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)含量代表土壤肥力，通過(guò)改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和增加土壤通透性，可有效緩解作物逆境作用，為地上部植物提供養(yǎng)分，同時(shí)也作為土壤微生物的碳源和氮源[18]，重建土壤微生物群落并增強(qiáng)其活性。由圖1可知，蚯蚓糞處理顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，與CK相比，蚯蚓糞處理有機(jī)質(zhì)含量增加了21.93%～31.38%，且隨著蚯蚓糞施用量增加表現(xiàn)為遞增趨勢(shì)，其中VC6處理有機(jī)質(zhì)含量最高。

土壤全氮反映了土壤氮素的整體水平，是土壤潛在肥力的表征之一，并與土壤有機(jī)質(zhì)含量具有正相關(guān)性[17]，也是土壤肥力的重要指標(biāo)。由圖2可知，施用蚯蚓糞顯著提高了土壤全氮含量，與CK相比，增加了35.64%～48.29%。施蚯蚓糞對(duì)全氮含量的影響與有機(jī)質(zhì)含量趨勢(shì)一致，均隨著蚯蚓糞施用量的增加而增加。

2.2 蚯蚓糞對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤生物化學(xué)過(guò)程的主要參與者，其中脲酶促進(jìn)尿素轉(zhuǎn)化為氨供植物吸收利用，磷酸酶促進(jìn)土壤中的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，蔗糖酶促進(jìn)蔗糖的轉(zhuǎn)化與分解，過(guò)氧化氫酶分解土壤中對(duì)活細(xì)胞有害的過(guò)氧化氫，其土壤酶活性與微生物數(shù)量與活性、土壤呼吸強(qiáng)度及土壤肥力密切相關(guān)。此外，蛋白酶參與土壤中眾多有機(jī)物的轉(zhuǎn)化，其活性與土壤中的有機(jī)質(zhì)及氮素含量有關(guān)。由表1可知，蚯蚓糞顯著影響了土壤酶活性，除對(duì)脲酶活性的影響沒(méi)有達(dá)到顯著水平外，對(duì)其他酶活性的影響均達(dá)到顯著水平。與CK相比，蚯蚓糞處理的蔗糖酶活性提高了21.75%～98.88%，磷酸酶活性提高了4607%～70.79%，蛋白酶活性提高了3.58%～37.83%，過(guò)氧化氫酶活性提高了29.94%～77.71%，對(duì)磷酸酶活性的影響最明顯，可能由于蚯蚓糞激發(fā)了土壤磷酸酶活性，從而促進(jìn)無(wú)機(jī)磷釋放;蚯蚓糞各處理間的蔗糖酶與過(guò)氧化氫酶活性差異均達(dá)到0.05顯著水平，VC4與VC6處理的磷酸酶與蛋白酶活性差異沒(méi)有達(dá)到0.05顯著水平。整體來(lái)看，土壤酶活性基本隨著蚯蚓糞施用量的增加而增加，多數(shù)酶活性以VC6處理最大，表明蚯蚓糞能夠提高土壤的生物活性和土壤肥力。

2.3 蚯蚓糞對(duì)土微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

微生物的主要組成成分有細(xì)菌、放線菌和真菌，在耕作層中細(xì)菌數(shù)量居多，同時(shí)也是土壤中最活躍的生物因素，其次為放線菌，真菌數(shù)量最少，其主要作用是分解土壤中的有機(jī)化合物和促進(jìn)土壤中腐殖質(zhì)的合成以及推動(dòng)土壤中各種物質(zhì)循環(huán)[19]。由表2可知，蚯蚓糞處理顯著影響土壤可培養(yǎng)細(xì)菌和放線菌數(shù)量，對(duì)真菌數(shù)量影響不顯著;與CK相比，蚯蚓糞處理土壤的可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量增加了118.24%～274.53%，可培養(yǎng)放線菌數(shù)量增加了44.29%～115.89%;VC4與VC6處理間的放線菌數(shù)量差異不顯著;可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌數(shù)量隨蚯蚓糞施用量的增加而增加，VC6處理最大。結(jié)果表明，蚯蚓糞可以促進(jìn)土壤細(xì)菌和放線菌的繁殖，從而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化及作物對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收利用。

從表2還可以看出，蚯蚓糞同時(shí)也顯著影響土壤的生理菌群數(shù)量。CK處理自生固氮菌數(shù)量與VC4、VC6處理相比差異顯著（P<0.05），分別是VC4、VC6處理的1.79、2.61倍;與CK相比，蚯蚓糞處理土壤的氨化細(xì)菌數(shù)量增加了192.12%～471.52%，亞硝化細(xì)菌數(shù)量增加了34.91%～90.95%，反硝化細(xì)菌數(shù)量增加了33.33%～332.81%，并且這些生理菌群數(shù)量均隨蚯蚓糞施用量的增加而增加，VC6處理菌落數(shù)量最多。結(jié)果說(shuō)明，蚯蚓糞有利于生理菌群的繁殖，尤其是反硝化細(xì)菌。

2.4 蚯蚓糞對(duì)土微生物量碳氮的影響

土壤微生物量氮既是土壤有機(jī)質(zhì)及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力，也是土壤活性養(yǎng)分庫(kù)[20]，以無(wú)機(jī)養(yǎng)分的形式釋放并供植物吸收利用。土壤微生物量碳含量變化反映了微生物利用土壤碳源進(jìn)行自身細(xì)胞建成而大量繁殖和微生物細(xì)胞解體使有機(jī)碳礦化的過(guò)程[21]。由圖3可以看出，蚯蚓糞處理微生物量碳、微生物氮含量均有不同程度提高，且施用量越大效果越明顯。與CK相比，蚯蚓糞處理土壤微生物碳含量增加了764%～44.45%，土壤微生物量氮含量增加了22.46%～5843%，其中VC4和VC6處理與對(duì)照差異均達(dá)顯著水平。表明蚯蚓糞能提高土壤碳氮源含量，促進(jìn)微生物繁殖。

2.5 蚯蚓糞對(duì)土壤微生物碳源利用的影響

碳是微生物的主要食源，不同類群微生物對(duì)碳源利用的水平不同。由表3可以看出，蚯蚓糞處理顯著影響土壤所有類型碳源利用。與CK相比，施用蚯蚓糞顯著提高了土壤碳水化合物、多聚類、羧酸類、氨基酸類、胺類及酚類碳源的利用水平，且隨蚯蚓糞施用量增加土壤微生物碳源利用水平逐漸提高，VC6處理達(dá)到最大值，分別提高了41.48%、50.35%、39.01%、21.56%、58.86%、60.96%。結(jié)果表明，蚯蚓糞處理可提高碳源利用水平，使不同類型微生物活性增強(qiáng)，利于土壤微生態(tài)環(huán)境的改良。

3 結(jié)論與討論

有機(jī)質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一[22]。本研究結(jié)果表明，土壤通過(guò)添加蚓糞，顯著提高了土壤的有機(jī)質(zhì)含量，對(duì)土壤具有很好的培肥作用。與CK相比，蚯蚓糞處理有機(jī)質(zhì)含量增加了21.93%～31.38%，這與鄭世英等的研究結(jié)果[23]相符。主要由于蚓糞含有豐富的有機(jī)質(zhì)以及腐殖質(zhì)，且飼養(yǎng)蚯蚓的餌料來(lái)源于黃牛糞，使得蚯蚓糞中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量高于相同原材料的普通堆肥，進(jìn)而有機(jī)質(zhì)和腐殖質(zhì)含量均增加。蚓糞中還含有植物生長(zhǎng)激素、各種酶類物質(zhì)及有益微生物[24]，在微生物作用下，有機(jī)質(zhì)與土壤中鈣離子凝聚形成穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土壤容重降低[25]，使土壤具備良好的通氣性、持水性、排水性和好氧環(huán)境，從而促進(jìn)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用及植物根系的生長(zhǎng)[26]。

土壤酶活性是土壤中生物化學(xué)過(guò)程的總體現(xiàn)，反映土壤生物活性和土壤生化反應(yīng)強(qiáng)度、土壤性質(zhì)和肥力水平[27]。本研究結(jié)果表明，土壤施用蚯蚓糞，土壤磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶及過(guò)氧化氫酶活性顯著提高，但對(duì)脲酶活性影響不顯著，這可能由于土壤磷酸酶、蛋白酶與蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性分別與速效磷、堿解氮、溶解性碳含量呈顯著正相關(guān)[28]，蚯蚓糞、生物碳、秸稈的施用，使得土壤中可利用氮、磷、碳含量迅速增加，而這些元素作為微生物生長(zhǎng)的能源物質(zhì)被吸收利用，刺激土壤微生物的活性，促進(jìn)各種酶的分泌以及土壤氮、磷、碳素循環(huán)，從而增強(qiáng)了土壤酶活性，提高了土壤生產(chǎn)力。

外源蚓糞帶入土壤大量微生物以及種微生物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分[29]。研究表明，蚯蚓糞的添加顯著增加了土壤可培養(yǎng)微生物的量。本研究結(jié)果表明，蚓糞處理能顯著提高土壤可培養(yǎng)細(xì)菌和放線菌數(shù)量，這說(shuō)明蚯蚓糞處理可促進(jìn)土壤微生物繁殖，一方面由于土壤中多數(shù)微生物處于一種低營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，蚯蚓糞加入為土壤中微生物提供新的能源，使土壤中微生物數(shù)量及類群發(fā)生了改變;另一方面由于蚓糞中含有大量有益微生物，施入土壤中促進(jìn)土壤中優(yōu)勢(shì)種群的生長(zhǎng)繁殖，對(duì)微生物群落組成和多樣性具有一定的調(diào)控作用，進(jìn)而增加土壤中細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量。有報(bào)道表明，施用蚓糞增加了土壤有機(jī)物數(shù)量，對(duì)土壤微生物起促進(jìn)作用。本研究表明，蚯蚓糞處理有利于土壤生理菌群數(shù)量的增加，主要由于蚓糞表面具有結(jié)構(gòu)特殊，具有很好的孔性和很大的表面積，具有很強(qiáng)的吸附特性及對(duì)土壤酸堿的緩沖能力，并具有吸收和保持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力，可改善土壤理化性質(zhì)，調(diào)控土壤微生物生態(tài)等。

微生物碳氮作為土壤-作物二者之間極其重要的紐帶，推動(dòng)著土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與循環(huán)[29-30]。本研究結(jié)果表明，蚓糞可顯著提高土壤微生物碳氮含量，較CK土壤微生物碳含量增加了7.64%～44.45%，土壤微生物氮含量增加了22.46%～58.43%。蚯蚓糞作為土壤改良劑，能夠有效改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的通透性，改善土壤微生物的生活環(huán)境，為微生物生長(zhǎng)提供碳源、氮源和其他養(yǎng)分[31]，加強(qiáng)土壤中微生物生長(zhǎng)和繁殖的能力，進(jìn)而增加了微生物生物碳氮含量，促進(jìn)微生物碳氮的增加。

蚓糞施入增加了微生物對(duì)碳源的利用，但微生物對(duì)碳源的利用存在很大差異[32]。土壤微生物群落對(duì)碳源的利用表明，蚯蚓糞提高了土壤碳水化合物、多聚類、羧酸類、氨基酸類、胺類及酚類碳源的利用率?？赡苡捎谕庠从袡C(jī)物料施入，改善了土壤環(huán)境，增強(qiáng)了土壤生態(tài)系統(tǒng)功能，為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了良好的環(huán)境，增加了微生物數(shù)量和微生物多樣性[33]，進(jìn)一步提高了微生物對(duì)碳源的利用。

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