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    江漢平原典型小區(qū)域溝渠底泥氮磷含量及其空間變異

    2021-01-21 09:18:28聶玉蓮熊桂云劉冬碧范先鵬吳茂前
    湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年24期
    關(guān)鍵詞:斗渠支渠溝渠

    聶玉蓮,熊桂云,劉冬碧,黃 敏,范先鵬,吳茂前,夏 穎,劉 毅

    (1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,武漢 430070;2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所∕湖北省農(nóng)業(yè)面源污染防治工程技術(shù)研究中心∕國家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測實驗站∕農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點實驗室,武漢 430064;3.中藍(lán)連海設(shè)計研究院,上海 201204;4.中國科學(xué)院武漢植物園,武漢 430074)

    近十余年來,隨著政府對污染問題的重視,工業(yè)廢水和城市生活污水等點源污染得到有效控制,農(nóng)村面源污染已經(jīng)取代點源污染成為水環(huán)境污染的最重要來源[1,2]。在廣袤的農(nóng)村地區(qū),由于生產(chǎn)方式粗放、居民環(huán)保意識不強(qiáng)等問題,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活中所產(chǎn)生的大量污染物(主要包括農(nóng)田尾水、養(yǎng)殖污水、生活垃圾和生活污水等)直接或間接排放到溝渠中,嚴(yán)重影響溝渠水質(zhì)。氮、磷等元素由于長期積累,蓄積在溝渠底泥中,造成底泥營養(yǎng)鹽含量過高[3-6];在一定條件下,底泥又可以向上覆水體釋放氮、磷等各種污染物[7-9]。農(nóng)村溝渠系統(tǒng)與河流、湖泊等水體相連,是農(nóng)村生活污水和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的污染物質(zhì)向外界遷移的重要通道[10],它既是上游農(nóng)田面源污染的匯,又是下游水體(河流、湖泊等)污染物的源[11],在源、匯功能的識別與轉(zhuǎn)換中扮演著重要角色。目前,中國對于河流、湖泊、水庫等水體底泥的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)積累特征已有較多研究,如梁止水等[12]于2012年研究了南淝河底泥中氮磷累積狀況和空間分布規(guī)律,表明總氮、總磷含量隨深度增加而減少;張敏等[13]在2009年對三峽水庫香溪河庫灣底泥中氮、磷的時空分布進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,總氮含量存在明顯的空間和時間分布規(guī)律,總磷含量的空間規(guī)律明顯,但季節(jié)變化不顯著。前人對底泥的研究主要集中在河流、湖泊等水體,對農(nóng)田溝渠及其輸移路徑溝渠底泥也有報道[9],但對江漢平原稻區(qū)溝渠底泥的監(jiān)測未見報道。

    本研究以江漢平原水網(wǎng)農(nóng)區(qū)一個典型小區(qū)域為研究對象,探討溝渠底泥中不同形態(tài)氮、磷賦存特征、空間變異及其主要影響因素,為準(zhǔn)確識別農(nóng)村污染源,有針對性地制定農(nóng)村地區(qū)面源污染防治措施、防控地表水體富營養(yǎng)化提供依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)域概況

    研究區(qū)域位于湖北省潛江市浩口鎮(zhèn)柳洲村(東經(jīng)112°37",北緯30°22"),處于漢江平原腹地,為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,年均氣溫16.1 ℃,年均降雨量1 100 mm[14]。區(qū)域內(nèi)溝渠縱橫,水系發(fā)達(dá),為典型的南方水網(wǎng)農(nóng)區(qū)。在柳洲村選擇由袁家溝(支渠)、公路河(支渠)、蘆車墩溝(斗渠)和二五橫溝(斗渠)4 條排灌渠自然圍成的小區(qū)域作為監(jiān)測區(qū),面積71.6 hm2。區(qū)域內(nèi)水的自然流向是自北向南、從東往西,當(dāng)雨季水量過多時,多余的水經(jīng)袁家溝支渠北部泵站抽入西荊河。小區(qū)域內(nèi)以水稻種植為主,北部地勢較高的位置種植棉花,冬季作物以小麥為主。區(qū)域內(nèi)東側(cè)為居民集中住宅區(qū),北側(cè)有2 個魚塘,二五橫溝和蘆車墩溝還分別有1 戶散戶,南側(cè)公路河與318 國道平行(圖1)。

    圖1 研究區(qū)域及底泥采樣點分布

    1.2 溝渠底泥采樣和制備方法

    根據(jù)每條渠道的復(fù)雜程度、區(qū)域內(nèi)作物種植情況和田間溝渠分布情況,在小區(qū)域外圍4 條排灌渠道(支渠和斗渠)和田間溝渠(毛溝和農(nóng)溝)共采集36 個底泥樣品,其中,田間排灌溝有9 個樣品、斗渠和支渠分別有11 和16 個樣品,采樣時間為2013年3月下旬。采集底泥時,以確定的監(jiān)測點為中心,在其前后3 m 范圍內(nèi)均勻采集5~6 個0~10 cm 底泥樣點組成混合樣品,盡量使每個點所取的底泥量基本一致,同時記錄溝渠上沿寬度和水層深度,調(diào)查采樣點可能的污染來源。將樣品置于干凈的密封袋中,及時帶回實驗室,傾斜放置在干凈磁盤中稍瀝干底泥明水,挑出碎石子等雜質(zhì),充分混勻后分成2 份,一份為鮮樣,分析水分、可溶性總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量;另一份自然風(fēng)干后過20 目篩,測定pH、Olsen-磷和水溶性磷,再選擇部分樣品過100 目篩,分析有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷的含量。

    1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

    鮮土樣用0.01 mol∕L CaCl2溶液浸提,堿性過硫酸鉀消煮-紫外分光光度法測定可溶性總氮,紫外分光光度法直接測定硝態(tài)氮,靛酚藍(lán)比色法測定銨態(tài)氮,可溶性有機(jī)氮=可溶性總氮-(硝態(tài)氮+銨態(tài)氮),用重量法測定底泥的含水率,不同形態(tài)氮的含量均以干基表示[15]。干土樣用復(fù)合電極法測定pH,25 ℃去離子水以10∶1 水土比提取、鉬銻抗比色法測定水溶性磷,0.5 mol∕L NaHCO3溶液提取、鉬銻抗比色法測定Olsen-磷,濃硫酸消煮、半微量開氏法測定全氮,用硫酸消煮、鉬銻抗比色法測定全磷,重鉻酸鉀氧化-外加熱滴定法測定有機(jī)質(zhì)[16]。

    數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Office Excel 2010,空間分布采用Arc GIS 10.2,相關(guān)性分析采用Spearman矩陣法進(jìn)行。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 溝渠底泥的屬性及不同形態(tài)氮、磷含量分析

    2.1.1 溝渠信息及底泥的基本屬性 從圖1 和表1可以看出,小區(qū)域內(nèi)農(nóng)田排灌溝縱橫交錯、長度較短、水面較窄,上沿寬度一般為1.5~4.0 m;斗渠和支渠相對較長、水面較寬,上沿寬度分別為8.5~10.0 m和9.5~15.0 m。農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠的水位深度分別平均為11.4、34.6、37.5 cm,溝渠越接近農(nóng)田起始端,不同點位的水深受季節(jié)性變化的影響越大。不同點位底泥基本屬性結(jié)果(表1)表明,農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥水分含量平均分別為33.4%、37.1% 和37.1%,變異系數(shù)為14.1%~23.2%,且農(nóng)田排灌溝小于斗渠和支渠;農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥pH 平均分別為7.47、7.17 和7.50,不同樣點間變異較小,為中性到弱堿性;農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥有機(jī)質(zhì)含量平均分別為14.9、16.1、14.6 g∕kg,斗渠較高,農(nóng)田排灌溝和支渠相對較低,不同樣點間變異系數(shù)表現(xiàn)為斗渠>支渠>農(nóng)田排灌溝。

    2.1.2 底泥不同形態(tài)氮素含量及其相關(guān)關(guān)系 從表2 可以看出,農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥全氮的平均含量分別為1.75、1.98、1.63 g∕kg,即斗渠較高,農(nóng)田排灌溝和支渠相對較低,樣點間的變異系數(shù)表現(xiàn)為支渠>斗渠>農(nóng)田排灌溝;農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥可溶性總氮平均含量分別為37.5、83.8、49.7 mg∕kg,銨態(tài)氮平均含量分別為28.0、67.9、40.4 mg∕kg,硝態(tài)氮平均含量分別為5.05、7.23、6.57 mg∕kg,其含量和樣點間變異系數(shù)的大小均表現(xiàn)為斗渠>支渠>農(nóng)田排灌溝;農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥可溶性有機(jī)氮平均含量分別為4.48、8.70、2.72 mg∕kg,即斗渠>農(nóng)田排灌溝>支渠。進(jìn)一步分析結(jié)果表明,在可溶性總氮中,無機(jī)氮占88.1%~94.5%,同時無機(jī)氮又以銨態(tài)氮為主,其占比為無機(jī)氮的84.7%~90.4%,且表現(xiàn)為斗渠>支渠>農(nóng)田排灌溝;可溶性有機(jī)氮含量為2.72~8.70 mg∕kg,僅占可溶性總氮的5.5% ~11.9%,占比大小表現(xiàn)為農(nóng)田排灌溝(11.9%)>斗渠(10.4%)>支渠(5.5%)。

    表1 不同類型溝渠信息及底泥基本屬性

    表2 溝渠底泥中不同形態(tài)氮素含量特征統(tǒng)計值

    利用Spearman 矩陣法分析了底泥中有機(jī)質(zhì)、全氮、可溶性總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果(表3)表明,在α=0.01 水平,有機(jī)質(zhì)與全氮、可溶性總氮和銨態(tài)氮相互之間均呈極顯著正相關(guān)(n=36,r=0.418),以銨態(tài)氮與可溶性總氮、全氮與有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)最高,均在0.890 0 以上。張緒美等[17]在研究太倉市土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量關(guān)系時發(fā)現(xiàn),土壤有機(jī)質(zhì)與全氮的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.900 0;王志齊等[18]指出,底泥中的氮素主要來自有機(jī)質(zhì)的礦化分解,有機(jī)質(zhì)在特定的條件和土壤微生物的作用下,會向全氮轉(zhuǎn)化。一般來講,土壤中可溶性總氮僅占全氮含量的1.29%~10.01%[10],本研究中底泥可溶性總氮僅占全氮含量的1.01%~7.07%,但可溶性總氮是底泥氮素中最活躍的部分,它不斷地在底泥-水界面發(fā)生著遷移和轉(zhuǎn)化[19],在淹水還原條件下,其主要成分為銨態(tài)氮,銨態(tài)氮與可溶性總氮的相關(guān)性系數(shù)為0.985 7。宋金明等[20]認(rèn)為,底泥中硝態(tài)氮主要來自于上覆水,并受到上覆水中硝態(tài)氮含量和分布的影響,故硝態(tài)氮與底泥全氮的相關(guān)性較差。本研究中硝態(tài)氮與可溶性總氮之間的相關(guān)系數(shù)也達(dá)0.575 4,說明在溝渠底泥環(huán)境中,當(dāng)可溶性總氮含量較高時,硝態(tài)氮含量也較高。

    表3 溝渠底泥有機(jī)質(zhì)和不同形態(tài)氮之間的相關(guān)系數(shù)

    2.1.3 底泥不同形態(tài)磷素含量及其相關(guān)關(guān)系 由表4 可以看出,農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥中全磷的平均含量分別為0.58、0.58、0.65 g∕kg,Olsen-磷平均含量分別為22.7、22.3、36.4 mg∕kg,兩者變化趨勢一致,即支渠全磷和Olsen-磷含量及其變異系數(shù)較高,斗渠和農(nóng)田排灌溝全磷和Olsen-磷含量較??;水溶性磷的平均含量分別為0.40、0.31、0.42 mg∕kg,農(nóng)田排灌溝底泥中水溶性磷的含量與支渠相差不大,而斗渠中含量最小,變異系數(shù)表現(xiàn)為支渠>斗渠>農(nóng)田排灌溝。進(jìn)一步分析表明,全磷中,Olsen-磷占比為2.6%~10.1%,且占比大小表現(xiàn)為支渠>農(nóng)田排灌溝>斗渠;在Olsen-磷中,水溶性磷占比為0.5%~3.7%,占比大小表現(xiàn)為農(nóng)田排灌溝>斗渠>支渠。

    表4 溝渠底泥中不同形態(tài)磷素含量特征統(tǒng)計

    底泥中有機(jī)質(zhì)、全磷、Olsen-磷和水溶性磷的相關(guān)性見表5,在α=0.01 水平,有機(jī)質(zhì)與全磷、全磷與Olsen-磷、全磷與水溶性磷以及Olsen-磷與水溶性磷相互之間均呈顯著正相關(guān)(n=36,r=0.418),尤其是全磷與Olsen-磷相關(guān)系數(shù)最高,達(dá)0.931 7。Ri?beiro 等[21]和Ingall 等[22]研究指出,有機(jī)質(zhì)是磷元素的重要載體,特別是有機(jī)磷與有機(jī)質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)關(guān)系密切。陸海明等[23]認(rèn)為,土壤全磷含量主要受土壤母質(zhì)、氣候等因素的影響,土壤有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化與循環(huán),也伴隨著全磷的變化。此外,全磷、Olsen-磷和水溶性磷三者之間的相關(guān)分析結(jié)果表明,底泥中全磷含量增加的同時,其Olsen-磷和水溶性磷的含量也相應(yīng)增加,向外界水環(huán)境中釋放磷的風(fēng)險也隨之增加。全磷與Olsen-磷的相關(guān)系數(shù)大于全磷與水溶性磷的相關(guān)系數(shù),這與金相燦等[24]對巢湖城區(qū)洗耳池底泥的研究以及羅春燕等[10]對嘉興農(nóng)村溝渠底泥的研究結(jié)果一致。

    表5 溝渠底泥有機(jī)質(zhì)和不同形態(tài)磷之間的相關(guān)系數(shù)

    2.2 GIS 支持下底泥不同形態(tài)氮、磷含量空間變異特征

    2.2.1 不同形態(tài)氮含量的空間變異特征 在GIS 支

    持下得到底泥不同形態(tài)氮素含量空間分布,每個指標(biāo)均分為低、較低、中、較高和高共5 個級別(圖2)。從圖2a 可以看出,溝渠底泥全氮含量有2 個明顯較高的地段,一是小區(qū)域東南角2 條支渠的交界處附近,連續(xù)4 個樣點的全氮含量處在2 個高值級別,即1.77~2.83 g∕kg,且緊靠這4 個樣點的2 個樣點,其全氮含量也處于中值級別;二是從小區(qū)域西北角斗渠及向南沿線,8 個樣點中有7 個樣點(含農(nóng)田排灌溝2 個點)的全氮含量處于2 個高值級別;小區(qū)域支渠和斗渠沿線的其余地段,底泥全氮含量均處于中值級別及以下(個別除外)。整體上來看,斗渠底泥全氮含量較高,11 個樣點中分別有4 個、1 個、2 個和4個樣點分布于較低至高4 個級別;農(nóng)田排灌溝次之,9 個樣點中分別有2 個、3 個和4 個樣點處于較低至較高3 個級別;支渠相對較低,16 個樣點中分別有1個、8 個、3 個、1 個和3 個樣點分布于低至高5 個級別,表明支渠不同樣點間變異較大,空間分異明顯。

    圖2a 至圖2d 表明,可溶性總氮和銨態(tài)氮的空間分布規(guī)律基本一致,且與全氮有所不同,一是小區(qū)域東南角未表現(xiàn)為明顯的高值地段,二是農(nóng)田排灌溝的樣點基本處于中值以下并以低值為主。硝態(tài)氮含量的空間分布與可溶性總氮基本一致,不同的是支渠和斗渠較高級別樣點數(shù)較少。整體上來看,可溶性總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量及其空間變異表現(xiàn)為斗渠較高、支渠次之、農(nóng)田排灌溝最小。

    圖2 小區(qū)域溝渠底泥不同形態(tài)氮素含量空間分布

    2.2.2 不同形態(tài)磷含量的空間變異 GIS 支持下小區(qū)域底泥中不同形態(tài)磷素含量空間分布如圖3 所示。與氮素類似,各指標(biāo)也分為低、較低、中、較高和高5 個級別。從圖3a 可以看出,底泥全磷含量高值比較集中地出現(xiàn)在小區(qū)域東南角2 條支渠的交界處附近,有4 個樣點處于較高值至高值級別,即0.70~1.30 g∕kg,且在這4 個較高值至高值級別樣點附近,還有3 個樣點全磷含量處于中值級別;此外,在2 條斗渠中,各有1 個樣點全磷含量處于較高值級別,即0.70~0.86 g∕kg,在2 條斗渠交界處,有1 個樣點為中值級別;小區(qū)域支渠和斗渠沿線的其余地段,底泥全磷含量均處于中值及以下級別。在支渠16 個樣點中,分別有3 個、6 個、3 個、3 個和1 個分布于低至高5 個級別,斗渠11 個樣點中分別有3 個、3 個、3個和2 個分布于低至較高4 個級別,農(nóng)田排灌溝9個樣點中分別有1 個、3 個和5 個分布于低至中3個級別。由此可見,支渠底泥全磷含量較高,斗渠次之,農(nóng)田排灌溝最低,且農(nóng)田排灌溝全磷的空間變異較小,支渠不同樣點間變異較大,空間變異明顯。

    圖3 小區(qū)域溝渠底泥不同形態(tài)磷素含量空間分布

    從圖3a 至圖3c 可以看出,Olsen-磷與全磷的空間分布基本一致,而水溶性磷與二者有所差異,2條斗渠樣點中水溶性磷含量均處于中值及以下級別,農(nóng)田排灌溝分別有4 個、4 個和1 個樣點處于較低至較高級別,含量相對斗渠較高。從整體來看,支渠樣點Olsen-磷和水溶性磷的含量最高,空間變異也最大。

    2.2.3 氮、磷含量空間變異性的主要影響因素 底泥中全氮、可溶性總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的平均含量均為斗渠最高?,F(xiàn)場調(diào)查表明,斗渠附近有2 個魚塘,在漁業(yè)養(yǎng)殖過程中向養(yǎng)殖水體中投入大量的飼料和魚藥,而魚塘又不定期地向外排放養(yǎng)殖污水。研究表明,魚塘系統(tǒng)中飼料氮素僅13.9% 轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖產(chǎn)品,13.4% 沉積于底泥,水體及損失部分占72.7%;飼料輸入的磷素25.4% 轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖產(chǎn)品,28.9% 沉積于底泥,45.7% 匯集于水體[25]。魚類攝食的飼料中,僅有31.9% 的氮轉(zhuǎn)化為魚體組織,其余68.1% 的氮隨著排泄物重新進(jìn)入到水環(huán)境中(表現(xiàn)為氨、尿素、尿酸)[26]。由此可見,養(yǎng)殖污水中往往存在較高濃度的氮和磷,這些含氮、磷的養(yǎng)殖污水就近排放到溝渠中,氮、磷元素尤其是顆粒態(tài)氮和磷往往就近沉淀,長時間積累造成底泥各形態(tài)氮、磷含量升高。

    小區(qū)域東南角支渠附近均表現(xiàn)為全氮、全磷、Olsen-磷和水溶性磷的高值區(qū),經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),該支渠兩側(cè)為密集的居民住宅區(qū),居民日常生活污水通過管道直接排進(jìn)渠中,渠道邊還形成了點狀的生活垃圾堆放點,堆放的生活垃圾在雨水的沖刷下向渠道聚積,除一部分隨水遷移之外,還有一部分向下沉淀,日積月累逐漸提高了底泥中氮、磷的含量。據(jù)文獻(xiàn)報道,湖北省農(nóng)村生活污水主要是洗衣、洗浴廢水、廚房洗滌及沖廁廢水,生活污水中總磷含量明顯超過城鎮(zhèn)污水處理廠排放二級標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)[27],因農(nóng)村生活垃圾露天堆放產(chǎn)生的垃圾滲出液以及對農(nóng)村生活垃圾中的有機(jī)物和植物進(jìn)行生物處理產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物,已經(jīng)成為農(nóng)村面源污染的重要來源[28,29]。農(nóng)村生活污水和生活垃圾的隨意堆放使得靠近居民生活區(qū)地段的底泥中各形態(tài)磷含量明顯高于研究區(qū)域內(nèi)的其他溝渠地段。此外,農(nóng)田排灌溝作為灌溉水和農(nóng)田尾水的流經(jīng)渠道,田塊中未被吸收的肥料隨農(nóng)田尾水進(jìn)入到排灌溝中,長期積累下導(dǎo)致農(nóng)田排灌溝中水溶性磷的含量也較高。

    綜上所述,溝渠底泥氮、磷含量主要在小區(qū)域東南角居民住宅區(qū)和西北角魚塘附近呈現(xiàn)高值,說明該區(qū)域溝渠底泥氮、磷含量除受到土壤母質(zhì)等自然條件的影響外,還受到含氮、磷的生活污水、生活垃圾以及魚塘排污的影響。因此,為凈化鄉(xiāng)村環(huán)境,需提高居民環(huán)保意識,減少含磷洗滌劑的使用,加強(qiáng)垃圾分類與回收,避免垃圾露天堆放,同時也需要規(guī)范漁業(yè)養(yǎng)殖場的操作流程,提高飼料的利用率,合理進(jìn)行排污。

    3 小結(jié)

    在江漢平原典型小區(qū)域36 個溝渠底泥樣中,pH 平均為7.38,含水率平均為35.9%,有機(jī)質(zhì)平均含量為15.2 g∕kg。底泥全氮含量為0.7~2.9 g∕kg,平均值為1.79 g∕kg。其中,可溶性總氮含量為17~166 mg∕kg,可溶性無機(jī)氮占可溶性總氮比例為88.1%~94.5%;同時可溶性無機(jī)氮又以銨態(tài)氮為主,后者占前者的84.7%~90.4%。底泥全磷含量為0.4~1.3 g∕kg,平均值為0.60 g∕kg;Olsen-磷的含量為10.2~131.7 mg∕kg,占全磷的2.6%~10.1%;水溶性磷的含量為0.2~0.8 mg∕kg,占Olsen-磷的0.5%~3.7%。在α=0.01 水平,底泥中全氮、可溶性總氮和銨氮之間,以及全磷、Olsen-磷和水溶性磷之間兩兩呈極顯著正相關(guān)。各形態(tài)氮的平均含量均以斗渠最高,全磷、Olsen-磷和水溶性磷在靠近居民生活區(qū)的支渠出現(xiàn)最高值,說明漁業(yè)養(yǎng)殖排污、居民日常生活排放的含磷污水以及垃圾露天堆放產(chǎn)生的滲出液是影響底泥氮、磷含量的主要因素。

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