稻田復(fù)種輪作下周年溫室氣體排放及綜合效益評價

楊濱娟 鄧麗萍 袁嘉欣 胡啟良 黃國勤

摘要：為減緩溫室氣體排放和削弱長期連作障礙，在長期定位試驗的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置不同復(fù)種方式，綜合分析稻田復(fù)種輪作系統(tǒng)下周年溫室氣體排放規(guī)律和綜合效益評價。結(jié)果表明，稻田CO2和CH4不同季節(jié)排放量趨勢一致，均是晚稻>早稻>冬作物，而N2O排放與之相反。從溫室氣體的排放總量來看，CO2排放總量明顯高于CH4、N2O排放總量。處理A（紫云英—早稻—晚稻）CO2排放總量最高，但N2O和CH4排放總量均最低，N2O和CH4排放總量最高的是處理C（油菜—早稻—晚稻）。無論是冬季作物生長季、水稻生長季還是全年，3種溫室氣體的綜合GWP均是以處理A最低，處理C最高，雙季稻田冬種油菜對全球增溫貢獻較大，對環(huán)境來說是不利的，從這一點考慮，冬種紫云英相對來說是對環(huán)境更有利的。“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”綜合效益較好，最具可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，有利于農(nóng)業(yè)的綠色高效可持續(xù)發(fā)展。因此，“紫云英—早稻—晚稻”和“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”這2種模式是適合我國南方稻區(qū)大面積推廣應(yīng)用的稻田冬季農(nóng)業(yè)開發(fā)與復(fù)種輪作模式。

關(guān)鍵詞：復(fù)種輪作;溫室氣體排放;綜合效益;稻田

中圖分類號：S344.1;S344.3;S181 ??文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）02-0225-07

收稿日期：2021-05-19

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2016YFD0300208）;國家自然科學(xué)基金（編號：41661070）。

作者簡介：楊濱娟（1985—），女，山東淄博人，博士，助理研究員，主要從事耕作制度與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究。E-mail：yangbinjuan@jxau.edu.cn。

通信作者：黃國勤，博士，教授，主要從事作物學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)發(fā)展與區(qū)域農(nóng)業(yè)、資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展等研究。E-mail：hgqjxes@sina.com。

我國的耕地面積只占全世界的7%，其中“光熱水土”等農(nóng)業(yè)自然資源匹配的只占國土面積的9%，因此，如何改善土壤生態(tài)環(huán)境，保持土壤肥力，提高農(nóng)田復(fù)種指數(shù)，提高糧食作物產(chǎn)量是重中之重。冬種作物主要是紫云英、油菜、肥田蘿卜、黑麥草等綠肥作物，同時還有常見的小白菜、大蒜、菠菜等蔬菜，這種稻田周年復(fù)種輪作模式在作物持續(xù)增產(chǎn)、維持地力和土壤改良等方面發(fā)揮著重要作用，具有廣闊的發(fā)展和研究前景[1-5]。但復(fù)種輪作體系中不同的施肥方式、水分管理措施以及作物種類都會影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體排放[6]。如何在保障糧食安全生產(chǎn)的前提下減緩稻田溫室效應(yīng)也是當(dāng)前的研究熱點問題。有研究表明，大氣中80%的甲烷是由生物活動產(chǎn)生的，其中33%～49%來自稻田的厭氧分解[7]。Sass研究認為，我國稻田土壤甲烷排放量占全世界稻田土壤甲烷排放量的37.6%[8]。另外，我國農(nóng)業(yè)資源長期受到資源衰竭和環(huán)境惡化等因素的挑戰(zhàn)，且人均耕地少，耕地后備資源不足。因此，在有限的土地上取得更多的生態(tài)經(jīng)濟效益也成為了眾多學(xué)者研究的重點問題，建立農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性綜合評價指標(biāo)并提供可持續(xù)發(fā)展建議也顯得十分必要[9-10]。稻田復(fù)種輪作系統(tǒng)的綜合評價是對復(fù)種輪作系統(tǒng)的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益進行綜合分析與評價[11]。因此，豐富稻田種植制度，并深入研究不同種植制度下土壤生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和綜合效益，有利于篩選出適合提高作物產(chǎn)量、保持土壤肥力的種植模式，對解決全國糧食安全問題具有重要意義。目前，關(guān)于復(fù)種輪作系統(tǒng)的研究較少。本研究在長期定位試驗的基礎(chǔ)上，為探明稻田復(fù)種輪作系統(tǒng)的綜合效應(yīng)，全面分析了稻田復(fù)種輪作系統(tǒng)下溫室氣體的排放狀況，以期為保障國家糧食安全、減少溫室氣體排放、制定合理的減排措施提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地地理位置與氣候條件

試驗于2014年9月至2016年11月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園進行，土壤類型為紅壤，試驗地屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.0～17.7 ℃，年降水量1 600～1 700 mm，降水天數(shù)為147～157 d，年平均暴雨天數(shù)為5.6 d，年平均相對濕度為78.5%，年日照時數(shù)為1 723～1 820 h，日照率為40%，年平均風(fēng)速為2.3 m/s，年無霜期為251～272 d。試驗前各小區(qū)土壤肥力均勻一致，表層0～15 cm土壤肥力狀況：pH值5.07，有機質(zhì)含量 35.64 g/kg，全氮含量1.74 g/kg，堿解氮含量168.29 mg/kg，有效磷含量37.32 mg/kg，速效鉀含量41.78 mg/kg。

1.2 試驗材料與方法

根據(jù)試驗要求及試驗?zāi)康?，本試驗共設(shè)4個處理，4次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，共16個小區(qū)，各個小區(qū)之間用水泥埂隔開，小區(qū)面積為11 m×3 m=33 m2。具體試驗處理詳見表1。

作物材料與品種：冬季作物紫云英品種為余江大葉籽;小白菜品種為黑葉四月慢;肥田蘿卜品種為南畔洲蘿卜種;油菜品種為德核雜15號。玉米品種為贛糯二號;豆角品種為美國春秋無架豆;大豆品種為農(nóng)家自留種。2年試驗所用的早稻材料品種均為金優(yōu)458，晚稻材料品種2015年為天優(yōu)華占，2016年為五豐優(yōu)T025。

2014—2015年冬季作物：紫云英于2014年9月28日撒播，以30 kg/hm2播種，不施肥;小白菜、肥田蘿卜、油菜于2014年11月14日播種，待來年春季均作為肥料翻壓還田。于2015年3月31日冬季作物測產(chǎn)并將所有秸稈翻耕還田。2015—2016年冬季作物：紫云英于2015年10月3日撒播，其他冬季作物肥田蘿卜、油菜和小白菜于2015年11月14日播種。2016年4月1日冬季作物測產(chǎn)并且所有秸稈都翻耕還田。

2015年早稻于3月26日播種，于4月29日移栽，以行距22 cm，株距19 cm進行，7月28日收獲。2015年旱地作物：單作玉米先進行深耕耙平，播前曬種3～4 h，用50 ℃的溫水浸種15 min，冷卻后再浸6～8 h，最后用清水沖洗再進行播種，采取直播栽培的方式種植，行距60 cm，株距30 cm。玉米間作豆角：在玉米長到30～40 cm時開始播種豆角，玉米行距60 cm，株距25 cm，豆角行距40 cm，株距 35 cm，間距30 cm。玉米間作大豆 ∶玉米與大豆行比為2 ∶3，大豆行距40 cm，株距25 cm，間距 40 cm。玉米行距 60 cm，株距 33 cm，每穴2粒，定苗保留1株。2016年早稻于3月27日播種，4月28日移栽，行距22 cm，株距19 cm，7月23日收獲。2016年晚稻于6月28日播種，7月28日犁田并施基肥，7月29日移栽，行距22 cm，株距20 cm，11月2日收獲。

水稻施肥以基肥為主，磷肥全部作基肥在水稻移栽前施入，水稻氮、鉀肥施用比例為基肥 ∶分蘗肥 ∶穗肥=5 ∶3 ∶2。施純氮120 kg/hm2，純磷 60 kg/hm2，純鉀75 kg/hm2，在移栽后5～7 d施分蘗肥，在主莖幼穗長1～2 cm時施穗肥，后期施少量氮肥以保證水稻生長的氮素需求。玉米種植中磷肥作為基肥，氮 ∶磷 ∶鉀施用比例為5 ∶3 ∶2。大豆施鈣鎂磷肥與尿素時，按基肥 ∶花肥=2 ∶3施用，施鉀肥時按基肥 ∶花肥=1 ∶1施用。早稻打藥3次，晚稻打藥4次。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 溫室氣體測定 氣體樣品用靜態(tài)暗箱法采集。采樣箱由不銹鋼焊接而成，尺寸為50 cm×50 cm×50 cm，箱體外覆發(fā)光鋁箔用于反光隔熱，箱內(nèi)安有一小電扇用于混勻箱內(nèi)氣體，在箱子的一側(cè)設(shè)有三通閥采氣孔，箱體外置有一個紅液酒精溫度計用于觀測箱內(nèi)溫度。在進行采樣時，首先將采樣箱置于事先埋好的底座上，底座上設(shè)有水槽，采樣前，將水槽灌滿水用于阻斷箱體內(nèi)外氣體交換。在0、10、20、30 min采集樣品時，用100 mL注射器來回抽5～10次以混勻氣體，隨后抽取氣體樣品到氣袋中，采樣結(jié)束后帶回實驗室測定分析。采樣時間在08：30～12：00點進行，采樣頻率為7 d采樣1次。

全球增溫效應(yīng)：采用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）推薦的綜合增溫潛勢（GWP）計算3種溫室氣體在100年尺度的綜合增溫效應(yīng)，CO2、CH4和N2O的排放量分別乘以25和298再相加，得到CO2排放當(dāng)量，即為3種氣體的綜合增溫潛勢。計算公式為

GWP=fCO2+fCH4×25+fN2O×298。（1）

1.3.2 綜合效益指標(biāo)的測定與推算 記載農(nóng)田農(nóng)藥、化肥、勞力等投入使用量以及農(nóng)田各產(chǎn)品的輸出量，根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品價格的變化，計算物質(zhì)、能量的投入產(chǎn)出狀況，并采用層次分析（AHP）法和綜合指數(shù)法分別確立指標(biāo)權(quán)重和進行綜合評價。為滿足評價因素的科學(xué)性，采用理論分析、頻度統(tǒng)計和專家咨詢等方法來設(shè)置、篩選因子，對具體因子進行主成分分析，對影響微小或不關(guān)聯(lián)的指標(biāo)進行合并或淘汰，最后選擇內(nèi)涵豐富并在實踐中簡便實用的因素構(gòu)成最終評價因素指標(biāo)體系。為確保因子權(quán)重的科學(xué)性，在對稻田冬季復(fù)種輪作系統(tǒng)綜合效益評價中，結(jié)合已有的資料和其他研究者的經(jīng)驗，采用AHP法確定各因子權(quán)重。本研究采用綜合指數(shù)法對稻田冬季復(fù)種輪作系統(tǒng)的效益進行綜合評價，計算公式為

Vi=∑WjFj（Xi）。（2）

式中：Vi為綜合效益的綜合評價指數(shù);Wj為第j指標(biāo)權(quán)重;Fj（Xi）為第j個指標(biāo)的評價函數(shù)。在評價過程中，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)化將各指標(biāo)的觀測值變換到同一水平上，消除其量綱的影響，這種變換稱為指標(biāo)Xi觀測值的評價函數(shù)Fj（Xi），計算公式為

Fj（Xi）=Xij/Xjmax。（3）

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)計算統(tǒng)計及繪圖，采用SPSS 19.0軟件進行各處理之間的方差分析和多重比較，在P<0.05水平下進行方差分析，采用Duncan’s新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田復(fù)種輪作條件下周年農(nóng)田溫室氣體排放特征

2.1.1 稻田CO2排放 從不同季節(jié)排放量（表2）來看，CO2平均累積排放量為晚稻（3 397.15 kg/hm2）>早稻（2 797.43 kg/hm2）>冬作物（1 395.00 kg/hm2）。冬作物、早稻各處理間差異均不顯著，而晚稻是處理A（紫云英—早稻—晚稻）和處理C（油菜—早稻—晚稻）排放量較高，與處理B（小白菜—早稻—晚稻）、處理D（混播綠肥—早稻—晚稻）差異顯著（P<0.05）。從各處理周年累積排放量來看，以處理A最高，為 8 068.45 kg/hm2，分別高出其他3個處理14.39%、1.84%、10.32%，與處理B、處理D差異顯著。從各季節(jié)排放比例來看，冬作物、早稻和晚稻季分別是處理D、處理B和處理C最高。綜上，“紫云英—早稻—晚稻”處理CO2周年排放量最高，這可能與紫云英翻壓還田后水稻的生長發(fā)育以及土壤微生物活動等相關(guān)，紫云英生物量大，翻壓還田后為土壤微生物活動提供能源與養(yǎng)分，有利于土壤呼吸，CO2釋放量增加。

2.1.2 稻田CH4排放 由表3可知，與CO2趨勢相反，處理A的CH4周年累積排放量最低，且與其他處理差異顯著。從不同季節(jié)來看，與CO2趨勢一致，也是晚稻>早稻>冬季作物，各生長季CH4累積排放量均是以處理C最高，且在冬作物和早稻季與處理A差異顯著;晚稻季各處理間差異不顯著。從不同處理的季節(jié)排放比例來，冬作物、早稻和晚稻季分別是處理C、處理D和處理A最高。

2.1.3 稻田N2O排放 從表4可以看出，稻田N2O排放以冬作物生長季排放為主，占周年排放總量的72.79%～78.82%，早晚稻生長季排放量較小，各生長季N2O排放量為冬季作物>早稻>晚稻，與CO2、CH4排放趨勢相反。冬作物、早稻和周年N2O累積排放量各處理間差異均不顯著。晚稻的處理A、B、C顯著高于處理D。從季節(jié)排放比例來看，冬作物生長季排放比例整體較高，其中處理D的冬作物占全年N2O累積排放量最高，達78.72%，其次是處理C（76.66%），早稻與晚稻生長季均以處理A的排放比例最高，分別為17.46%和9.75%。因此，“小白菜—早稻—晚稻”N2O排放量較高，“紫云英—早稻—晚稻”排放量最少，而且冬作物生長季是N2O排放的主要來源。

2.2 稻田復(fù)種輪作條件下溫室氣體排放總量及綜合溫室效應(yīng)

從溫室氣體的排放總量（表5）來看，CO2排放總量明顯高于CH4、N2O排放總量。CO2排放總量最高的是處理A，達8 068.45 kg/hm2，分別高出其他3個處理14.39%、1.84%、10.32%。N2O排放總量最高的是處理C（5.44 kg/hm2），而處理A的N2O和CH4排放總量均最低。從表5還可以看出，無論是短時間尺度還是長時間尺度，3種氣體的綜合GWP均是處理C最高，分別高出其他3個處理18.88%、8.97%、5.67%和13.44%、9.35%、6.53%。因此，雙季稻田冬季種植油菜對全球增溫貢獻較大，4種復(fù)種輪作模式中，以紫云英—早稻—晚稻復(fù)種模式的溫室效應(yīng)最低，從這一點考慮，冬種紫云英相對來說是更有利的。

2.3 稻田復(fù)種輪作系統(tǒng)的綜合效益評價

各種植系統(tǒng)連續(xù)2年的綜合效益評價指標(biāo)初始值如表6所示。從表6可以看出，光能利用率、輔助能效率、氣體調(diào)節(jié)和糧食產(chǎn)量均以處理A（紫云英—早稻—晚稻→紫云英—早稻—晚稻）最高;N素產(chǎn)投比和勞動凈產(chǎn)值率以處理B（小白菜—早稻—玉米‖豆角→小白菜—早稻—晚稻）最高，分別為0.82和72.45元/d，分別高出其他3個處理12.33%、20.59%、3.80%和7.40%、4.61%、3.31%;經(jīng)濟產(chǎn)投比和消納廢棄物以處理C（油菜—早稻—玉米→油菜—早稻—晚稻）最高，分別高出其他3個處理18.96%、20.10%、8.66%和3.87%、12.84%、1.79%;經(jīng)濟總產(chǎn)值、純產(chǎn)值、物資費用出益率、養(yǎng)地作物指數(shù)、土壤當(dāng)量比和社會保障價值均以處理D（混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻）表現(xiàn)較好。

通過表6和表7可得出表8所示的稻田復(fù)種輪作系統(tǒng)綜合效益評價指數(shù)。從表8中單項效益指數(shù)來看，經(jīng)濟效益指數(shù)各處理大小順序表現(xiàn)為處理D>處理C>處理A>處理B，生態(tài)效益指數(shù)表現(xiàn)為處理D>處理A>處理B>處理C;社會效益指數(shù)各處理表現(xiàn)為處理D>處理A>處理C>處理B。然而單項效益指數(shù)反映有限，只能反映某一方面的效益功能，難以對稻田復(fù)種輪作系統(tǒng)的綜合效益進行準(zhǔn)確反映，如果僅根據(jù)單項效益指數(shù)進行評價，將得出不同的結(jié)論。而綜合效益指數(shù)能更好地反映各系統(tǒng)的整體效益功能，它能將各單項效益結(jié)合在一起，通過綜合指數(shù)加以排序或判別，從而能夠科學(xué)客觀地對稻田生態(tài)系統(tǒng)進行評價。由表8還可知，稻田復(fù)種輪作系統(tǒng)的綜合效益指數(shù)各處理大小順序表現(xiàn)為處理D>處理A>處理B>處理C，綜合效益指數(shù)分別為0.966、0.927、0.885、0.876，由此可以得出，“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”復(fù)種輪作方式較其他3種復(fù)種模式更具有可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，綜合效益更好，更有利于農(nóng)業(yè)的綠色高效可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)論與討論

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，3種主要溫室氣體中屬CO2的情況最復(fù)雜，作物的自養(yǎng)呼吸和土壤的異養(yǎng)呼吸都會釋放CO2，是稻田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放源，其排放通量隨作物生長而發(fā)生變化[14]。有研究表明，農(nóng)田土壤CO2排放通量有明顯的季節(jié)變化，本研究中CO2季節(jié)變化也較明顯，總體呈先升后降的趨勢，其峰值的出現(xiàn)與溫度、作物生長、施肥等因素有關(guān)[15]。輪作周期內(nèi)CH4排放則集中在水稻生長季，且晚稻生長季CH4排放量要高于早稻生長季，與唐海明等的研究結(jié)果[16]相一致。早稻生長季初期CH4排放通量處于較低水平，這可能與冬季作物還田、腐爛分解有關(guān)，隨后CH4排放通量隨著水稻生長發(fā)育的加快不斷增加，直到分孽盛期后的拔節(jié)期出現(xiàn)排放高峰，整個早稻季CH4排放趨勢呈現(xiàn)出先增加后降低的拋物線型變化，這與前人研究結(jié)果[17]一致。隨著拔節(jié)期的結(jié)束，排放通量有一定的減小，但后期又出現(xiàn)了一個排放高峰，此時正處抽穗楊花期，這與韓廣軒等研究發(fā)現(xiàn)的水稻油菜輪作條件下CH4排放峰出現(xiàn)在水稻抽穗揚花期結(jié)果[18]一致，這個峰值產(chǎn)生的原因可能是水稻根系逐漸老化、死亡，根細胞隨之脫落，使得土壤中碳源增多，為土壤甲烷細菌提供了充足的能源，增強了甲烷細菌的活動。稻田N2O的產(chǎn)生主要源于硝化與反硝化2個過程，而參與這些過程的微生物受土壤養(yǎng)分、氧氣濃度、水分含量、溫度、有機質(zhì)含量、pH值等因素控制[19-22]，本研究中，隨冬種作物種類的不同，N2O排放通量也有所差異。從整個生長季排放來看，N2O排放通量在中后期要高于播種初期，這可能是因為氣溫的逐漸升高，有利于土壤微生物的活動，同時冬季作物根系和地上部分生理活動的增強，促進了稻田N2O排放，這與O’Hara等的研究結(jié)果[23]一致。全球增溫潛勢作為一種相對的指標(biāo)常用來估計不同溫室氣體對氣候系統(tǒng)的潛在效應(yīng)。本研究中無論是短時間尺度還是長時間尺度，3種氣體的綜合GWP均是油菜—早稻—晚稻最高，分別高出其他處理18.88%、8.97%、5.67%和13.44%、9.35%、6.53%。因此，雙季稻田冬季種植油菜對全球增溫貢獻較大，4種復(fù)種輪作模式中，以紫云英—早稻—晚稻復(fù)種模式的溫室效應(yīng)最低，從這一點考慮，冬種紫云英相對來說是更有利的。

雙季稻田復(fù)種輪作系統(tǒng)的綜合效益即經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的綜合[24]，綜合效益評價是對稻田輪作系統(tǒng)的社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益進行綜合分析與評價。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對稻田復(fù)種輪作的綜合效益進行了大量研究，研究主要涉及評價指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重的確定方法等，操作性強，因此得到了廣泛的應(yīng)用。如危向峰等運用層次分析法確定了土壤耕地的地力評價因子權(quán)重和對黑龍江生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行了評價研究[25-26]。本研究采用綜合指數(shù)法對不同稻田復(fù)種輪作模式的效益進行綜合評價，結(jié)果表明“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”的綜合效益指數(shù)最高（0.966），因此，“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”這種復(fù)種輪作方式較其他3種復(fù)種模式更具有可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，綜合效益更好，更有利于農(nóng)業(yè)的綠色高效可持續(xù)發(fā)展。

稻田CO2和CH4不同季節(jié)排放量趨勢一致，均是晚稻>早稻>冬季作物，而N2O排放與之相反。從溫室氣體的排放總量來看，CO2排放總量明顯高于CH4、N2O排放總量。紫云英—早稻—晚稻CO2排放總量最高，但N2O和CH4排放總量均最低，N2O和CH4排放總量最高的是油菜—早稻—晚稻。3種溫室氣體的綜合全球增溫潛勢在冬季作物生長季、水稻生長季和全年均是以紫云英—早稻—晚稻最低，油菜—早稻—晚稻最高，雙季稻田冬種油菜對全球增溫貢獻較大，對環(huán)境來說是不利的，從這一點考慮，冬種紫云英相對來說是對環(huán)境更有利的?！盎觳ゾG肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”綜合效益較好，最具可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，有利于農(nóng)業(yè)的綠色高效可持續(xù)發(fā)展。因此，“紫云英—早稻—晚稻”和“混播綠肥—早稻—玉米‖大豆→混播綠肥—早稻—晚稻”這2種模式是適合我國南方稻區(qū)大面積推廣應(yīng)用的稻田冬季農(nóng)業(yè)開發(fā)與復(fù)種輪作模式。

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