摘要:土壤過(guò)度酸化是影響茶產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的主要因素之一,為了解有機(jī)管理方式對(duì)茶園土壤酸堿度的長(zhǎng)期影響,以常規(guī)茶園為對(duì)照,研究了我國(guó)18個(gè)省份84個(gè)產(chǎn)茶縣有機(jī)管理1~21 a對(duì)茶園土壤pH的影響。結(jié)果表明,有機(jī)茶園比常規(guī)茶園土壤pH平均高0.36,達(dá)極顯著水平;隨著有機(jī)管理年份的增加,茶園土壤pH總體為先顯著上升、后顯著下降并維持相對(duì)平穩(wěn),有機(jī)管理1~5、6~10、11~15、16~21 a的pH比常規(guī)茶園分別高0.48、0.23、0.28和0.30,均達(dá)顯著或極顯著水平;有機(jī)管理方式還有利于土壤pH向最適合茶樹生長(zhǎng)發(fā)育的方向發(fā)展,pH 4.5~5.5的茶園占比,常規(guī)茶園為41.9%,有機(jī)管理1~5、6~10、11~15、16~21 a的茶園分別為53.1%、48.9%、58.7%和66.7%,總體隨有機(jī)管理年限的增加而增加??梢?jiàn),有機(jī)管理方式能防止茶園土壤嚴(yán)重酸化,使土壤pH向著最適合茶樹生長(zhǎng)發(fā)育的方向發(fā)展。
關(guān)鍵詞:有機(jī)管理;茶園;土壤;pH
中圖分類號(hào):S571.1;S151.9 " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A " " " " " " "文章編號(hào):1000-369X(2024)02-261-08
The Effect of Organic Management on Soil pH in
Tea Gardens
SHEN Xingrong1,2, WANG Qiuhong1,2, HU Qiang1,2, WANG Donghui1,2,
FU Shangwen1,3, HAN Wenyan1*, LI Xin1*
1. Tea Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310008, China;
2. Hangzhou Zhongnong Quality Certification Center Co., Ltd., Hangzhou 310008, China;
3. Key Laboratory of Tea Quality and Safety Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hangzhou 310008, China
Abstract: Soil excessive acidification is one of the main problems affecting the sustainable and healthy development of tea industry. To understand the long-term impact of organic management on soil pH of tea gardens, this study selected both soil samples from organic and conventional tea gardens in 84 tea producing counties of 18 provinces in China. The organic tea garden was managed organically from 1 to 21 years. The results show that the mean soil pH in organic tea gardens was significantly increased by 0.36, compared to the conventional tea gardens. With the increase of the years under organic management, the overall pH of tea garden soil shows a significant rise, and then a stable trend. The soil pH under organic management for 1-5, 6-10, 11-15 and 16-21 a significantly increased by 0.48, 0.23, 0.28 and 0.30, respectively compared to those in conventional tea gardens. The organic management also helped the soil pH towards the direction for most suitable growth and development of tea plants, the proportion of soils with pH 4.5-5.5 was only 41.9% in conventional tea gardens, it was increased to 53.1%、48.9%、58.7% and 66.7% in tea gardens under organic management for 1-5, 6-10, 11-15 and 16-21 a, respectively. These results indicate that organic management could not only overcome soil over acidification, but towards to the direction of the most suitable soil pH for the growth and development of tea plants.
Keywords: organic management, tea garden, soil, pH
茶產(chǎn)業(yè)在我國(guó)脫貧致富和鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮著重要的作用。作為主要經(jīng)濟(jì)作物,茶樹種植面積不斷擴(kuò)大,2022年全國(guó)茶園面積已達(dá)333.03萬(wàn)hm2,其中采摘面積302.66萬(wàn)hm2,干毛茶產(chǎn)量318.10萬(wàn)t,茶葉總產(chǎn)值達(dá)3 180.68億元[1]。茶樹是典型的喜酸植物,只有在酸性土壤中才能正常生長(zhǎng),適宜的土壤pH為4.0~6.5,其中最適土壤pH為4.5~5.5[2]。我國(guó)茶產(chǎn)業(yè)在迅猛發(fā)展的同時(shí),茶園土壤酸化也日趨嚴(yán)重。Yan等[3]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)前我國(guó)茶園平均pH為4.73,處在最適pH范圍的茶園僅占43.9%,pH低于4.5的嚴(yán)重酸化茶園占比高達(dá)46.0%。土壤過(guò)度酸化已影響茶樹的正常生長(zhǎng)和茶葉品質(zhì),成為制約我國(guó)茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素[4]。因此,尋找阻控茶園土壤酸化和改善土壤質(zhì)量的技術(shù)措施,對(duì)于促進(jìn)茶產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。
目前,關(guān)于阻控茶園土壤酸化的研究[3-6]較多,如減少生理酸性肥料的使用,降低化肥使用量等均可延緩?fù)寥浪峄?;?yán)重酸化的茶園使用白云石粉和生石灰能明顯提高土壤pH。研究表明,施用有機(jī)肥可以有效減緩?fù)寥浪峄S持土壤酸堿平衡,嚴(yán)重酸化的土壤長(zhǎng)期配施有機(jī)肥可使pH提高0.22~0.72,采用有機(jī)種植方式不僅能減緩?fù)寥浪峄?,還能適當(dāng)提高土壤pH[5]。但有機(jī)種植方式及其管理年限是如何影響茶園土壤pH還未見(jiàn)系統(tǒng)研究報(bào)道,本研究以同一或附近常規(guī)茶園為對(duì)照,采集了全國(guó)18個(gè)省份84個(gè)縣市的有機(jī)茶園土壤,研究有機(jī)種植方式及其認(rèn)證年限對(duì)茶園土壤pH的影響,以期進(jìn)一步了解有機(jī)種植方式對(duì)茶園土壤pH的影響,為茶園土壤嚴(yán)重酸化改良提供依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 取樣地點(diǎn)及方法
土壤樣品采集自我國(guó)18個(gè)省份84個(gè)產(chǎn)茶縣的345個(gè)茶園,其中有機(jī)茶園土壤樣品228個(gè),常規(guī)茶園土壤樣品117個(gè)(表1)。對(duì)有平行生產(chǎn)的有機(jī)茶企業(yè),常規(guī)茶園和有機(jī)茶園取自同一生產(chǎn)單位;對(duì)沒(méi)有平行生產(chǎn)的有機(jī)茶企業(yè),附近有常規(guī)茶園的則取土壤樣品,附近沒(méi)有常規(guī)茶園的則僅取有機(jī)茶園土壤樣品。有機(jī)茶園按有機(jī)管理的年限為1~21 a。絕大多數(shù)茶園土壤的采樣時(shí)間為2020年3月至2022年9月,取土深度為0~20 cm,取樣時(shí)按“S”型采集,每個(gè)樣品至少為5個(gè)點(diǎn)混合而成。
用于研究不同有機(jī)管理年限對(duì)土壤pH影響的土壤樣品取自紹興御茶村茶業(yè)有限公司、浙江梅峰茶業(yè)有限公司、浙江更香有機(jī)茶業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司和象山縣黃避岙鄉(xiāng)精制茶廠,4個(gè)茶場(chǎng)的有機(jī)認(rèn)證年限均達(dá)到或超過(guò)21 a,在不同的認(rèn)證年份,對(duì)茶園土壤pH的變化進(jìn)行了跟蹤測(cè)定。本研究選擇有機(jī)認(rèn)證分別為0、3、6、9、12、15、18、21 a時(shí)的土壤pH。
1.2 樣品測(cè)定
土壤pH測(cè)定采用玻璃電極法,土壤用蒸餾水提取,水土比(m∶m)為2.5∶1。
1.3 數(shù)據(jù)處理
對(duì)不同有機(jī)管理年限按0(常規(guī)茶園)、1~5、6~10、10~15、16~21 a進(jìn)行分組。數(shù)據(jù)處理和圖表制作采用Office 2021和IBM SPSS Statistics 26.0軟件,單因素方差分析(One-way ANOVA)和處理間平均數(shù)的多重比較采用最小顯著差異法(LSD),結(jié)果以平均值表示。
2 結(jié)果與分析
2.1 有機(jī)種植方式對(duì)土壤pH的影響
如表2所示,與常規(guī)茶園相比,有機(jī)茶園的土壤pH明顯要高,平均高0.36,方差分析表明兩者有極顯著差異。由表3可知,pH≤4.0的嚴(yán)重酸化土壤,常規(guī)茶園中占20.5%,而有機(jī)茶園僅占3.5%;pH≤4.5的明顯酸化土壤,常規(guī)茶園占50.4%,而有機(jī)茶園占26.7%;pH范圍在>4.5~5.5的最適合茶樹生長(zhǎng)土壤,常規(guī)茶園占41.9%,而有機(jī)茶園高達(dá)55.7%。以上結(jié)果表明,有機(jī)種植方式有利于土壤pH向適合茶樹生長(zhǎng)的方向轉(zhuǎn)變。
2.2 有機(jī)種植年限對(duì)茶園土壤pH的影響
對(duì)不同有機(jī)管理年限茶園土壤pH的測(cè)定表明,隨著有機(jī)管理年限的增加,茶園土壤pH總體上表現(xiàn)為先顯著上升、后顯著下降并維持相對(duì)平穩(wěn)(表4)。由表4可知,有機(jī)管理1~5 a的茶園土壤pH有明顯提高,比常規(guī)茶園高0.48,存在顯著差異;有機(jī)管理6~10 a和11~15 a的茶園土壤pH又有一定的降低,但仍顯著高于常規(guī)茶園;有機(jī)管理16~21 a的茶園土壤pH略有回升,但與有機(jī)管理6~10 a和11~15 a的茶園無(wú)顯著差異。可見(jiàn),常規(guī)茶園轉(zhuǎn)化為有機(jī)茶園后,前幾年的土壤pH增幅較為明顯,但6 a后土壤pH增幅降低,并基本趨于穩(wěn)定。
對(duì)不同有機(jī)管理年限土壤pH的分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),pH在4.5~5.5的土壤占比隨著有機(jī)管理年限的增加有明顯增加,如有機(jī)管理1~5 a為53.1%,雖然有機(jī)管理6~10 a時(shí)降低至48.9%,但有機(jī)管理11~15 a和16~21 a又分別增至58.7%和66.7%(表5)。與之相反,pH≤4.0的嚴(yán)重酸化茶園土壤在不同有機(jī)管理年限茶園中雖然還有少量分布,但占比均小于5%(表5),與常規(guī)茶園相比,明顯偏低。此外,隨著有機(jī)管理年限的增加,pH>5.5的茶園逐步減少,如有機(jī)管理1~5 a時(shí)占比為25.5%,而有機(jī)管理6~10、11~15、16~21 a時(shí)分別降至13.3%、13.0%和7.7%(表5),表明有機(jī)管理能促進(jìn)土壤向適合茶樹生長(zhǎng)發(fā)育的生態(tài)環(huán)境發(fā)展。
對(duì)4個(gè)有機(jī)管理年限長(zhǎng)達(dá)21 a的茶園土壤pH演變進(jìn)行了跟蹤研究,茶園剛開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí),紹興御茶村茶業(yè)有限公司、浙江梅峰茶業(yè)有限公司、浙江更香有機(jī)茶業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司和象山縣黃避岙鄉(xiāng)精制茶廠茶園的土壤pH分別為3.81、4.23、3.98和4.08,進(jìn)入有機(jī)管理后,土壤pH呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì),經(jīng)過(guò)21 a有機(jī)管理,pH分別提高到4.12、4.64、5.20和4.80,其中浙江更香有機(jī)茶業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司茶園增幅最大,紹興御茶村茶業(yè)有限公司茶園增幅最小。由圖1可見(jiàn),4個(gè)茶園在采用有機(jī)管理前土壤pH均不在茶樹最適生長(zhǎng)范圍,但經(jīng)過(guò)21 a有機(jī)管理,除紹興御茶村茶業(yè)有限公司茶園外,其他3個(gè)茶園土壤pH均達(dá)到茶樹最適生長(zhǎng)范圍。
3 討論
3.1 有機(jī)和常規(guī)種植方式對(duì)茶園土壤pH的影響
與常規(guī)茶園相比,有機(jī)茶園最大的特點(diǎn)是嚴(yán)禁使用化學(xué)合成的肥料和農(nóng)藥,土壤培肥主要采用有機(jī)肥替代化肥,病蟲防控使用物理防治,以及生物源和礦物源農(nóng)藥,在減少病蟲害的同時(shí),盡量恢復(fù)生態(tài)平衡。由于農(nóng)藥的使用量較少,對(duì)土壤pH影響不大,所以,本研究主要討論施肥對(duì)土壤pH的影響。有機(jī)茶園一般每年施1次有機(jī)肥,但由于有機(jī)肥需要開(kāi)溝深施,部分有機(jī)茶園每2~3年施用1次,每次的施用量較每年施1次會(huì)適當(dāng)增加;也有部分有機(jī)茶園不施外來(lái)有機(jī)肥料,而以茶樹修剪枝葉和茶園周邊的山野雜草覆蓋茶樹行間,或通過(guò)茶園間作綠肥等措施培肥土壤[6]。目前,有機(jī)茶園使用的有機(jī)肥主要是各類餅肥和商品有機(jī)肥。餅肥包括菜籽餅、桐油餅、大豆餅和花生餅等,用量一般為2 250~3 000 kg·hm-2;商品有機(jī)肥主要是將豬、雞、牛和羊等禽畜糞便經(jīng)無(wú)害化處理后再加工的有機(jī)肥,用量為3 000~4 500 kg·hm-2;管理良好的有機(jī)茶園每年作為基肥施用1次,剛開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)有機(jī)肥會(huì)適當(dāng)多施,以盡快提高土壤肥力,個(gè)別茶園為了充分提高有機(jī)茶產(chǎn)量,一年施用2次,年有機(jī)肥使用量達(dá)9 000 kg·hm-2[6]。常規(guī)茶園以施化肥為主,包括復(fù)合肥和尿素,部分管理良好的常規(guī)茶園則在使用化肥的基礎(chǔ)上,每年秋季施基肥時(shí)使用有機(jī)肥,包括各類餅肥和商品有機(jī)肥,使用量一般低于有機(jī)茶園。常規(guī)茶園推薦施肥量為每年施純氮300~450 kg·hm-2,氮(N)磷(P2O5)鉀(K2O)的比例為(2~5)∶1∶1,只采摘春茶的茶園每年1次基肥2次追肥,而春茶、夏茶和秋茶均采摘的茶園追肥需增加1~2次[7]。我國(guó)茶園年均氮磷鉀投入量分別為491、147、158 kg·hm-2,約有30%的茶園施肥存在明顯過(guò)量,特別是過(guò)量施氮的現(xiàn)象[8]。本研究采樣的有機(jī)茶園在有機(jī)認(rèn)證前均為常規(guī)茶園,有平行生產(chǎn)企業(yè)在有機(jī)認(rèn)證前茶園的成土母質(zhì)、土壤類型、氣候條件,以及茶園管理模式均與常規(guī)茶園一致;沒(méi)有平行生產(chǎn)的企業(yè),對(duì)應(yīng)的常規(guī)茶園在有機(jī)茶園附近,土壤類型和氣候條件一致,管理模式與初次有機(jī)認(rèn)證前的茶園差異不大。因此,導(dǎo)致有機(jī)和常規(guī)茶園土壤pH差異的主要原因是施肥種類及其數(shù)量。有機(jī)茶園使用有機(jī)肥,有提高土壤pH的作用,而常規(guī)茶園雖然也使用有機(jī)肥,但用量較少,且大量使用化肥,可能使pH進(jìn)一步降低。
茶樹是典型的喜酸作物,但并非土壤酸性越強(qiáng),越適宜茶樹生長(zhǎng)。由于茶園受到自身因素和人為因素的影響,茶園土壤酸化日趨嚴(yán)重[9-10]。土壤酸化最直接的原因是由于H+循環(huán)不平衡,H+在土壤累積所致。茶樹由于自然物質(zhì)循環(huán)(如茶樹聚鋁嫌鈣,根系分泌有機(jī)酸等)會(huì)使土壤逐漸酸化,茶區(qū)溫度較高、雨量充沛,酸雨也會(huì)加速土壤酸化。但茶園土壤酸化最重要的原因是長(zhǎng)期大量施用化肥,特別是氮肥[11-12]。研究表明,每公頃土壤中施入500 kg的氮會(huì)產(chǎn)生32.5 kmol的H+[13]。氮肥的長(zhǎng)期使用還會(huì)導(dǎo)致土壤交換性Al3+含量的明顯提高,從而進(jìn)一步提高土壤中的H+濃度[11]。另外,氮肥的投入增加了作物產(chǎn)量,且?guī)ё吒嗟柠}基離子,留下更多的H+,也加速了土壤酸化[14];隨著茶園土壤施氮量的提高,土壤pH不斷降低,兩者呈極顯著負(fù)相關(guān),土壤緩沖容量和交換性鹽基離子的濃度不斷降低[15]。大量研究表明,單施化肥會(huì)降低土壤pH,而有機(jī)肥替代化肥則可有效防治土壤酸化[16-18]。有機(jī)肥長(zhǎng)期使用則效果更好,如Cai等[19]的研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)18 a連續(xù)使用有機(jī)肥,土壤pH提高了1.1。
本研究結(jié)果表明,將茶園常規(guī)種植方式轉(zhuǎn)換到有機(jī)種植方式后,土壤pH有極顯著的提高,平均增幅達(dá)0.36。Han等[6]研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)茶園相比,有機(jī)茶園土壤pH高0.22~0.68。眾多的研究也表明,與常規(guī)種植相比,有機(jī)種植方式能明顯提高土壤pH[20-23]。有機(jī)茶園管理方式在提高土壤pH的同時(shí),還有明顯降低土壤交換性Al3+的作用,雖然適當(dāng)?shù)慕粨Q性Al3+濃度有利于茶樹生長(zhǎng)發(fā)育,但當(dāng)活性Al3+濃度過(guò)高時(shí),會(huì)對(duì)茶樹產(chǎn)生不利影響。所以,有機(jī)種植方式對(duì)于改善生態(tài)環(huán)境,提高土壤質(zhì)量是有利的。與常規(guī)茶園相比,有機(jī)茶園的土壤微生物數(shù)量和活性均較強(qiáng),土壤微生物量碳、氮和磷的含量也均有顯著提高[6,9]。
3.2 使用有機(jī)肥提高土壤pH的作用機(jī)理
本研究表明,有機(jī)茶園土壤pH高于常規(guī)茶園,進(jìn)一步分析其原因。首先,與茶園土壤相比,有機(jī)肥的pH在5.5~8.5,相對(duì)較高[24]。其次,有機(jī)肥含有大量的鹽基離子,包括K+、Ca2+、Mg2+和Na+等,有機(jī)肥施入土壤后,這些鹽基離子形成的鹽或氧化物與土壤H+發(fā)生作用,從而能降低土壤交換性酸的濃度。如Cai等[19]研究表明,在酸性紅壤上連續(xù)使用豬糞有機(jī)肥后,土壤pH提高的同時(shí),土壤鹽基離子濃度顯著提高,交換性Al3+濃度則顯著降低。第三,有機(jī)肥施入土壤后,礦化分解的產(chǎn)物不僅有中和土壤H+的作用,而且有減輕鹽基離子淋失的功能,如有機(jī)物轉(zhuǎn)化生成的腐殖質(zhì)分子含有羧基(-COOH)和羥基(-OH)等基團(tuán),有機(jī)陰離子脫羧反應(yīng),以及有機(jī)氮的氨化作用均能降低土壤中的H+濃度;腐殖質(zhì)中帶有的羧基和羥基具有較高的陽(yáng)離子交換量,從而能避免土壤中K+、Ca2+和Mg2+等陽(yáng)離子養(yǎng)分的淋溶損失,從而在提高pH的同時(shí)增強(qiáng)土壤的保肥性能。另外,有機(jī)肥含有較高的有機(jī)質(zhì),其含量一般在30%以上,長(zhǎng)期使用能明顯提高土壤的緩沖性,能減輕酸雨或少量化肥等對(duì)土壤酸化的影響,有機(jī)肥對(duì)降低土壤酸度的作用一般隨著施用量的增加而增大[11]。需要指出的是,有機(jī)肥具有兩面性,在嚴(yán)重酸化或pH較低的土壤上使用有機(jī)肥對(duì)提高土壤pH有明顯的作用,但對(duì)于pH較高的土壤則有降低土壤pH的作用。
3.3 有機(jī)管理年限對(duì)茶園土壤pH的影響
本研究發(fā)現(xiàn),隨著茶園有機(jī)管理年限的增加,其土壤pH總體呈現(xiàn)先上升、后下降并維持相對(duì)平穩(wěn),在有機(jī)管理1~5 a,pH增幅較明顯,土壤pH比常規(guī)茶園平均高0.48,而有機(jī)管理年限6~10、11~15、16~21 a的茶園,pH分別高0.23、0.28和0.30。這可能與有機(jī)管理初始階段施用的有機(jī)肥相對(duì)較多有關(guān),茶園土壤pH的增幅隨著有機(jī)肥使用量的增加而提高[11,25]。此外,隨著有機(jī)管理年限的增加,茶園土壤pH向著有利于茶樹生長(zhǎng)發(fā)育的最適pH(4.5~5.5)的方向發(fā)展,這可能有兩方面的原因。首先,與茶樹本身的特性及物質(zhì)循環(huán)有關(guān)。由于茶樹的喜酸特性,茶樹根系會(huì)分泌檸檬酸、琥珀酸、草酸和蘋果酸等有機(jī)酸,促進(jìn)土壤磷等難溶性礦質(zhì)養(yǎng)分的釋放,有利于茶樹的吸收,即使不施氮肥,茶樹種植后土壤會(huì)持續(xù)酸化[26-30]。其次,可能與有機(jī)肥的兩面性,以及有機(jī)茶園長(zhǎng)期使用有機(jī)肥后,土壤緩沖性能提高有關(guān)。有機(jī)肥主要是由植物殘?bào)w、動(dòng)物糞便等有機(jī)物質(zhì)分解而來(lái),富含氮、磷、鉀等多種營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)。有機(jī)肥在土壤中逐漸分解釋放出養(yǎng)分和有機(jī)酸,同時(shí)產(chǎn)生一定的氨基和羥基等堿性物質(zhì),對(duì)土壤酸堿性有明顯的調(diào)節(jié)作用。一方面,堿性物質(zhì)可以中和土壤中的酸性離子,提高土壤pH;另一方面,有機(jī)酸可以中和土壤中的堿性離子,降低土壤pH。所以,在嚴(yán)重酸化的土壤長(zhǎng)期施用有機(jī)肥,一般會(huì)使土壤pH上升;但對(duì)于pH較高的堿性土壤,則有降低其pH的作用。如唐繼偉等[31]研究表明,在鹽化潮土上長(zhǎng)期使用有機(jī)肥,土壤pH有降低的趨勢(shì)。Wang等[25]采用薈萃分析對(duì)有機(jī)肥替代化肥的研究結(jié)果也表明,當(dāng)土壤起始pH<6.0時(shí),使用有機(jī)肥能提高土壤pH,但當(dāng)起始pH>8.0時(shí),使用有機(jī)肥則降低pH;此外,有機(jī)肥對(duì)土壤pH的影響還取決于所在區(qū)域的年均降雨量及氣候類型。茶園土壤呈酸性,地處熱帶或亞熱帶區(qū)域,且降雨量較高,多數(shù)茶園使用有機(jī)肥能提高土壤pH。但部分pH相對(duì)較高,如pH大于5.5的茶園土壤,除石灰?guī)r等堿性母質(zhì)發(fā)育外,位于亞熱帶北緣的江北茶區(qū),降雨量偏低,這部分土壤使用有機(jī)肥,特別是植物源有機(jī)肥時(shí)可能有降低pH的作用,從而使這部分pH較高的有機(jī)茶園向著最適合茶樹生育的土壤pH方向發(fā)展。
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