不同濃度新型液態(tài)調(diào)理劑對土壤生物特性、有機碳及其組分的影響

索文康 張紅杰 姚萬森 田小明 胡晨陽 楊金翰 史海潮

摘要：為揭示新型液態(tài)調(diào)理劑對張家口地區(qū)莜麥耕層土壤生物特性、有機碳及其組分的影響，以莜麥種植區(qū)0～20 cm土層為研究對象，采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗的方法，研究在土壤質(zhì)量含水量15%、20%、25%下新型液態(tài)調(diào)理劑對有機碳礦化過程的影響，分析不同濃度調(diào)理劑對土壤酶活性、有機碳礦化及其組分含量的變化規(guī)律。結(jié)果表明，添加調(diào)理劑可以提高土壤有機碳礦化速率、累計礦化量、潛在可礦化有機碳含量（C₀），而降低土壤礦化強度，其中以P₃N處理影響最為顯著。在無機肥基礎(chǔ)上添加調(diào)理劑可以顯著提高蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶活性和有機碳及其組分含量。與N處理相比，P₁N處理的SOC、LOC在不同含水量的土壤中分別增加5.85%～14.72%和1.72%～29.84%（P<0.05）；P₂N處理分別增加了8.78%～20.00%和13.22%～45.16%（P<0.05）；P₃N處理分別顯著增加了13.17%～41.13%和49.71%～75.00%，蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶活性與SOC、LOC、CMI均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性。這表明在施用復(fù)合肥基礎(chǔ)上添加調(diào)理劑通過提高土壤酶活性的方式，提高了土壤有機碳的礦化速率及礦化量，進而增加了土壤中有機碳及其組分含量。同時高濃度的調(diào)理劑可以更持久地提高有機碳的礦化速率和累計礦化量，提升土壤固碳能力。

關(guān)鍵詞：調(diào)理劑；有機碳礦化速率；累計礦化量；有機碳及其組分含量；土壤酶活性

中圖分類號：S158.5文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）16-0222-08

收稿日期：2022-10-10

基金項目：河北省自然科學(xué)基金（編號：D2020405002）；河北省重點研發(fā)計劃（編號：21326405D）；河北北方學(xué)院校級科研項目（編號：JYT2021003）。

作者簡介：索文康（1999—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事土壤調(diào)理劑方面的研究。E-mail：2995643957@qq.com。

通信作者：田小明，博士，講師，主要從事土壤養(yǎng)分利用方面的研究。E-mail：txm7458103@163.com。

調(diào)理劑是一類具有緩釋作用的高分子聚合物，無毒無味，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定^［1］，合理施用可以改良土壤性狀，提高土壤水肥利用率，降低肥料損失，影響作物產(chǎn)量^［2-3］。目前添加土壤調(diào)理劑已成為實現(xiàn)干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一^［4］，但大部分研究所提到的調(diào)理劑都是固體^［5-7］，在滴灌條件下基本不能隨水滴施，單獨施用不但增加了農(nóng)田作業(yè)次數(shù)和成本，并且與肥料難以全面接觸，很難與肥料發(fā)生相互作用，從而影響實際使用效果。因此探討液態(tài)調(diào)理劑施用和水分對土壤生物特性、有機碳組分含量的影響具有重要意義。

有機碳礦化是影響陸地生態(tài)循環(huán)的重要指標(biāo)^［8］，與全球氣候變化、土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換、溫室氣體排放等密切相關(guān)^［9-10］。近年來，關(guān)于調(diào)理劑對土壤質(zhì)量、作物品質(zhì)和產(chǎn)量的研究較為深入^［11］，國內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)為調(diào)理劑對土壤養(yǎng)分含量和作物產(chǎn)量會產(chǎn)生重要的積極影響^［12］。然而關(guān)于土壤調(diào)理劑對有機碳礦化的研究相對較少，特別是在雨水相對欠缺的冀西北地區(qū)。因此，本研究以自主研發(fā)的液態(tài)調(diào)理劑（具有保水、緩釋作用）為研究對象，同時設(shè)置3種不同質(zhì)量含水量，探討在調(diào)理劑與復(fù)合肥配施條件下土壤CO₂的釋放規(guī)律及土壤酶活性、有機碳組分的變化，揭示調(diào)理劑對土壤生物特性的影響，判定新型液態(tài)調(diào)理劑作用于干旱地區(qū)土壤的可行性，為調(diào)理劑在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河北北方學(xué)院南校區(qū)實驗站（40°50′N，114°45′E）。該地區(qū)屬于石灰性栗鈣土，pH值在7.2～7.4之間。由于水土流失、耕作粗放，土壤退化嚴(yán)重。其氣候特點為四季分明，冬季寒冷時間長；春季干燥沙塵天氣居多；夏季高溫集中，降雨不均勻；秋季風(fēng)沙較大氣溫較低。海拔高度一般在500～800 m，地勢較低。年降水量為330～400 mm。

1.2 試驗設(shè)計

供試土壤為張家口地區(qū)典型的石灰性栗鈣土，于2020年8月采自河北北方學(xué)院南校區(qū)實驗站莜麥種植區(qū)，采用五點法取0～20 cm耕層土壤，去除土樣中雜質(zhì)過2 mm篩，風(fēng)干待測。采用室內(nèi)模擬的方法進行雙因素試驗，因素1為不同材料處理，分別為CK（不施肥）、N（單施10 g/kg復(fù)合肥）、P₁N（0.008 g/kg調(diào)理劑+10 g/kg復(fù)合肥）、P₂N（0.016 g/kg 調(diào)理劑+10 g/kg復(fù)合肥）、P₃N（0.024 g/kg 調(diào)理劑+10 g/kg復(fù)合肥）；因素2為不同土壤質(zhì)量含水量（15%、20%、25%），每個處理5個重復(fù)。其中調(diào)理劑是將聚丙烯酰胺和聚乙烯醇制成溶液，在一定溫度下通過硫酸錳進行交聯(lián)合成，有效成分為2%，其中 C含量占 0.2%；復(fù)合肥由尿素和磷酸二胺配制而成（質(zhì)量比：N∶P∶K=15%∶10%∶8%）。

1.3 測定方法

土壤有機碳礦化培養(yǎng)采用堿液吸收法進行：稱取過2 mm篩的風(fēng)干土壤樣品50.0 g，將調(diào)理劑、復(fù)合肥和土壤充分混合，用去離子水調(diào)節(jié)至相應(yīng)的土壤含水量，均勻鋪置于1 000 mL培養(yǎng)瓶底部，再將盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液吸收瓶懸置于廣口瓶中，用聚乙烯膜密封廣口瓶，于25 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。分別在試驗開始后1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、31、35、39、43、47、50、53、56、59、62 d時更換吸收瓶，吸收瓶中加入1 mol/L BaCl₂溶液2 mL，加1滴酚酞指示劑，用標(biāo)準(zhǔn)酸（約0.05 mol/L HCl）滴定至褪色，同時在培養(yǎng)期間用稱量法對土壤含水量進行調(diào)整^［13］。培養(yǎng)結(jié)束后，將部分土壤風(fēng)干測定土壤有機碳組分含量，部分濕土冰箱貯存用于測定土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性。

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法進行測定^［14］；活性有機碳含量用KMnO₄氧化法進行測定^［15］；蔗糖酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法，β-葡萄糖苷酶活性測定采用分光光度法，過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法，多酚氧化酶活性測定采用比色法^［16］。

1.3.1 土壤有機碳礦化速率 有機碳礦化速率［g/（kg·d）］以單位質(zhì)量土壤在單位時間內(nèi)礦化釋放的總碳量表示。計算公式為：

土壤有機碳礦化速率=培養(yǎng)時間內(nèi)有機碳累計礦化量/培養(yǎng)天數(shù)。

1.3.2 土壤有機碳累計礦化量 有機碳累計礦化量（C_t，mg/kg）以單位質(zhì)量土壤在一段培養(yǎng)期內(nèi)礦化釋放的總碳量表示，同時采用一級動力學(xué)方程，對土壤累計礦化量進行函數(shù)方程擬合^［17］。有機碳累計礦化量的計算公式為：

C_t=［（V₀-V）×C_HCl/2］×44×12/44×1/m（1-w）×1 000。

式中：C_t代表有機碳累計礦化量；C_HCl代表標(biāo)準(zhǔn)鹽酸濃度，mol/L；V₀代表空白標(biāo)定時消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸體積，mL；V代表樣品滴定時消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸體積，mL；m代表每個廣口瓶中的鮮土質(zhì)量，g；w代表土壤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

1.3.3 碳庫管理指數(shù)

CNL=SOC-LOC；

CMI=（TOC_樣品/TOC_參考）×（LOC_樣品/CNL_樣品）×（CNL_樣品/LOC_參考）×100。

式中：CMI代表土壤碳庫管理指數(shù)；SOC代表土壤有機碳含量，mg/g；LOC代表土壤活性有機碳含量，mg/g；CNL代表土壤非活性有機碳含量，mg/g。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2018軟件對試驗數(shù)據(jù)進行初步整理；使用Origin 2022軟件進行作圖和方程擬合；采用SPSS 26.0軟件進行方差分析和LSD（Duncans）多重比較，檢驗不同處理之間的顯著差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)理劑對土壤有機碳礦化速率的影響

由圖1可知，在不同含水量條件下，各處理之間土壤有機碳礦化速率的變化規(guī)律基本類似。培養(yǎng)前3 d，單施肥處理（N）的有機碳礦化速率最大，隨著培養(yǎng)時間的延長，調(diào)理劑處理（P₁N、P₂N、P₃N）的有機碳礦化速率逐漸增大。在培養(yǎng)9 d時，調(diào)理劑處理（P₁N、P₂N、P₃N）礦化速率均較單施肥（N）有不同程度的增加，且以P₁N提高效果最顯著，分別提高12.65%（P<0.05，圖1-a）、10.39%（P<0.05，圖1-b）、10.02%（P<0.05，圖1-c）。到 35 d 時，與單施肥（N）相比，P₂N的提高幅度最大，分別增加13.19%（P<0.05，圖1-a）、12.5%（P<0.05，圖1-b）、12.17%（P<0.05，圖1-c）。在培養(yǎng)50 d后，各處理之間差異逐漸減小并趨于穩(wěn)定，以P₃N的有機碳礦化速率最高，與單施肥處理（N）相比，不同土壤含水量（15%、20%、25%）下P₃N分別增加20.97%、8.01%、7.15%（P<0.05）。

2.2 調(diào)理劑對土壤有機碳累計礦化量的影響

由圖2可知，不同處理的土壤有機碳累計礦化量變化規(guī)律類似于有機碳礦化速率。在培養(yǎng)前 31 d，單施肥處理（N）的有機碳累計礦化量最高。隨著培養(yǎng)時間的延長，調(diào)理劑處理（P₁N、P₂N、P₃N）的有機碳累計礦化量逐漸增大。培養(yǎng)35 d，各調(diào)理劑處理在含水量為15%和20%土壤中的有機碳累計礦化量均顯著高于單施肥處理（N），但在含水量為25%的土壤中差異不明顯；培養(yǎng)結(jié)束后（62 d），各施肥處理與N之間的差異更為明顯。其中在15%含水量條件下，P₁N、P₂N和P₃N較N分別增加了14.81%、17.50%和20.40%（P<0.05，圖2-a）；20%含水量條件下，P₁N、P₂N和P₃N處理較N分別增加了2.69%、4.91%和10.24%（P<0.05，圖2-b）；25%含水量條件下P₁N、P₂N和P₃N較N分別增加了0.86%、4.04%和6.19%（P<0.05，圖2-c）。

2.3 調(diào)理劑對土壤有機碳礦化動力學(xué)參數(shù)的影響

利用動力學(xué)模型對土壤有機碳礦化數(shù)據(jù)進行擬合發(fā)現(xiàn)，方程決定系數(shù)（R²）均達極顯著水平，說明一級動力學(xué)方程能很好地描述有機碳礦化動態(tài)（表1）。與單施復(fù)合肥（N）相比，不同土壤含水量（15%、20%、25%）下P₃N處理的C₀分別顯著增加2.78%、10.29%、5.24%（P<0.05）。從潛在可礦化有機碳含量占總有機碳含量的比值來看（C₀/SOC），在含水量為15%和20%的土壤中，各施肥處理（N、P₁N、P₂N和P₃N）的C₀/SOC顯著高于CK；在含水量為25%的土壤中，僅有N處理顯著高于CK。不同施肥處理間對比發(fā)現(xiàn)，P₁N、P₂N和P₃N處理的C₀/SOC在不同含水量（15%、20%、25%）土壤中均低于N處理，并且在含水量為15%和25%的土壤中存在顯著差異。

2.4 調(diào)理劑對土壤有機碳組分的影響

由圖3可知，不同含水量下，各處理（CK、N、P₁N、P₂N、P₃N）對土壤SOC、LOC、CMI的影響結(jié)果趨于一致，順序整體表現(xiàn)為CK＜N＜P₁N＜P₂N＜P₃N，說明調(diào)理劑可以進一步提高有機碳及其組分含量。與單施復(fù)合肥（N）相比，調(diào)理劑處理均不同程度提高了土壤有機碳、活性有機碳含量。其中，與N處理相比，P₁N處理的土壤SOC和LOC含量在土壤含水量為15%、20%、25%時分別增加了6.25%、5.85%、14.72%和29.84%、18.58%、1.72%（P<0.05）；P₂N處理的土壤SOC和LOC含量在土壤含水量為15%、20%、25%時分別增加了9.66%、8.78%、20.00%和45.16%、20.77%、13.22%（P<0.05）；P₃N處理的土壤SOC和LOC含量在土壤含水量為15%、20%、25%時分別顯著增加了16.48%、13.17%、41.13%和75.00%、74.31%、49.71%。

2.5 調(diào)理劑對土壤酶活性的影響

由圖4可知，P₃N處理的土壤蔗糖酶、過氧化氫酶活性均顯著高于N處理，說明添加調(diào)理劑可以顯著提高土壤酶活性。與單施肥處理（N）相比，不同含水量（15%、20%、25%）下P₁N處理的土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶活性分別增加了3.85%～10.17%、2.38%～70.94%、6.25%～8.51%；P₂N處理的土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶活性分別增加了8.66%～48.46%、4.29%～9.94%、1.56%～8.51%；P₃N處理的土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶活性分別增加了51.54%～81.94%、1.43%～20.47%、12.50%～42.55%（P<0.05）。并且在20%、25%含水量下，與N處理相比，調(diào)理劑處理（P₁N、P₂N、P₃N）對于土壤多酚氧化酶活性的影響效果并不顯著。

2.6 土壤有機碳組分含量與酶活性相關(guān)性分析

施用復(fù)合肥-調(diào)理劑處理的土壤酶活性與土壤有機碳組分含量的相關(guān)關(guān)系如圖5所示。在土壤含水量為15%、20%、25%時LOC、SOC、CMI均相關(guān)系數(shù)較高，其中土壤含水量為15%、25%時，蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性與LOC、SOC之間相關(guān)系數(shù)較高；土壤含水量為20%時，蔗糖酶活性、β-葡萄糖苷酶活性、過氧化氫酶活性與LOC、SOC之間相關(guān)系數(shù)較高。

3 討論

曾雄等研究表明，施用生物炭對土壤有機碳礦化速率、累計礦化量均存在顯著提升作用^［18］。本研究各處理之間變化差異較大，在培養(yǎng)后9～31 d，調(diào)理劑處理的有機碳礦化速率均顯著高于單施肥處理（N），具體表現(xiàn)為P₁N＞P₂N＞P₃N＞N＞CK，在培養(yǎng)31～50 d以P₂N效果更為顯著，表現(xiàn)為P₂N＞P₃N＞P₁N＞N＞CK。隨著培養(yǎng)時間的延長，50 d后土壤有機碳礦化速率的大小順序為P₃N＞P₂N＞P₁N＞N＞CK，說明在施用復(fù)合肥基礎(chǔ)上添加液態(tài)調(diào)理劑可以更持久地提高有機碳的礦化速率，并且調(diào)理劑濃度越高對后期碳礦化的影響效果越顯著。通過對土壤有機碳累計礦化量的分析發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳累積礦化量隨培養(yǎng)時間的延長呈指數(shù)函數(shù)變化趨勢，與單施復(fù)合肥（N）相比，添加調(diào)理劑處理（P₁N、P₂N、P₃N）提高了0.86%～20.40%。這說明調(diào)理劑的添加更有利于有機碳礦化量的提高。有研究表明，土壤含水量也會對有機碳礦化速率和礦化量造成影響^［19］。本試驗通過定義不同的土壤含水量（15%、20%、25%），在培養(yǎng)期內(nèi)，隨著土壤含水量的減少，調(diào)理劑對碳礦化和碳累計礦化量的作用更為明顯，并且調(diào)理劑處理（P₁N、P₂N、P₃N）受水分條件的影響較小，這可能是調(diào)理劑對水分的吸附作用，減弱了水分對土壤有機碳礦化的影響。

潛在可礦化有機碳C₀可以在一定程度上反映土壤微生物對碳源的利用能力^［20］。本研究中，不同調(diào)理劑處理（P₁N、P₂N和P₃N）的潛在可礦化有機碳含量（C₀）較單施肥處理（N）均有不同程度的提高。其中與單施復(fù)合肥（N）相比，P₃N處理的C₀在含水量為15%、20%、25%土壤中分別顯著增加了2.78%、10.29%、5.24%。這表明施用無機肥可以顯著提高土壤有機碳礦化的底物供給，調(diào)理劑的添加可為土壤微生物提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)，促進微生物活動，從而提高對土壤碳庫的利用。有研究表明，潛在可礦化有機碳含量占總有機碳含量的比值（C₀/SOC）越小，土壤有機碳的固存量就相對較多^［21］。本研究中，P₁N、P₂N和P₃N處理的C₀/SOC在不同含水量（15%、20%、25%）土壤中均低于N處理，并且在含水量為15%和25%的土壤中存在顯著差異。說明調(diào)理劑可以降低土壤有機碳礦化能力，提高土壤有機碳的固存。這可能是調(diào)理劑本身的黏著性和對養(yǎng)分的吸附性，減少了土壤中有機碳組分含量的散失。

土壤有機碳（SOC）及其組分含量是維持土壤生態(tài)穩(wěn)定、協(xié)調(diào)土壤平衡、促進土壤可持續(xù)循環(huán)利用的重要因素^［22］。Tian等通過小區(qū)試驗研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)施肥（有機-無機配合施用）相比，在此基礎(chǔ)上添加調(diào)理劑可顯著增加土壤有機碳含量 32.9%和活性有機碳含量 20.2%^［23］。本研究結(jié)果與之類似，與單施復(fù)合肥（N）相比，P₁N處理的SOC和LOC在不同含水量（15%、20%、25%）土壤中分別增加了5.51%～14.6%和1.72%～29.8%（P<0.05）；P₂N處理分別增加了8.43%～19.7%和13.2%～45.2%（P<0.05）；P₃N處理分別顯著增加了13.1%～40.8%和47.1%～75.0%。這表明調(diào)理劑可以顯著提高土壤中有機碳及其組分含量，且與調(diào)理劑濃度呈顯著正相關(guān)。大量研究表明，水分對土壤有機碳有一定的影響，在提高土壤含水量條件下，土壤有機碳含量會增加^［24-25］。本研究也得出相似的結(jié)論，不同處理的SOC含量在土壤含水量為25%時最高，其次是土壤含水量為20%，最后則是土壤含水量為15%。同時還發(fā)現(xiàn)，各處理的LOC均在土壤含水量為20%時最高，原因可能是過高的水分含量降低了土壤呼吸作用，從而抑制了微生物對土壤有機碳的分解。

土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶活性能直觀反映土壤有機質(zhì)的積累與轉(zhuǎn)化，是表征土壤肥力、影響作物產(chǎn)量的重要指標(biāo)^［26-27］。有研究表明，土壤調(diào)理劑能提高土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性，并保持較高狀態(tài)^［28-29］。本研究也得出相應(yīng)結(jié)論，與N相比，添加調(diào)理劑處理（P₁N、P₂N和P₃N）蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性分別提高了3.85%～81.94%、1.43%～70.94%和1.56%～42.55%。這可能是調(diào)理劑對土壤養(yǎng)分及水分的緩釋作用，改良了土壤物理性狀，提高了土壤養(yǎng)分含量，為土壤酶繁殖提供了良好的生活環(huán)境。各處理在不同土壤含水量條件下酶活性也存在差異，表現(xiàn)為20%＞25%＞15%，這可能是調(diào)理劑對水分及養(yǎng)分的固持作用，過多的水分容易造成土壤板結(jié)，抑制微生物活動。

有研究表明，土壤酶活性能顯著影響土壤肥力，決定土壤性質(zhì)^［30-31］。本研究表明，土壤SOC、LOC和CMI相關(guān)系數(shù)較高。不同含水量條件下，土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性與土壤LOC、SOC和CMI均存在一定的相關(guān)關(guān)系。其中25%含水量下，土壤蔗糖酶活性與土壤LOC、SOC和CMI相關(guān)關(guān)系較高；多酚氧化酶活性與土壤各組分含量之間呈現(xiàn)不相關(guān)性。這與陳強龍等研究結(jié)論^［32］基本一致，說明新型液態(tài)調(diào)理劑通過提高土壤微生物活性的方式，促進了土壤有機碳的礦化速率及礦化量，進而增加了土壤中有機碳及其組分含量。而劉秀清等認(rèn)為多酚氧化酶和過氧化氫酶活性與土壤有機質(zhì)組分含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系^［33-34］，這可能是因為酶活性同時受土壤質(zhì)地、水分含量、微生物活性、土壤類型等多因素的影響。

4 結(jié)論

（1）調(diào)理劑的添加可以顯著增加土壤的有機碳、活性有機碳含量，且與調(diào)理劑的添加量呈正相關(guān)。同時含水量對土壤有機碳及其組分含量也存在一定影響，隨著土壤含水量的增加，土壤有機碳、活性有機碳含量也有不同程度的提高。

（2）在施用復(fù)合肥基礎(chǔ)上添加調(diào)理劑可以更持久地提高有機碳的礦化速率和累計礦化量，提高土壤有機碳固存。并且隨著土壤含水量的減少，調(diào)理劑對有機碳礦化和累計礦化量的作用更為明顯，其中以20%含水量P₃N處理（0.024 g/kg調(diào)理劑+10 g/kg 復(fù)合肥）效果最為顯著。

（3）調(diào)理劑可以顯著提高土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶活性，以20%含水量P₃N處理（0.024 g/kg調(diào)理劑+10 g/kg復(fù)合肥）效果最為顯著，但對多酚氧化酶活性的影響并不顯著。

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