长期持续秸秆还田对土壤理化特性、酶活性和产量性状的影响

2018-05-05尚建明

水土保持研究 2018年1期

张聪, 慕平, 尚建明

(1.甘肃农业大学农学院, 兰州 730070; 2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室, 兰州 730070)

我国是农业生产大国，近年来农业生产在持续稳定使各类农产品增产的同时作物秸秆作为其附属产物也日益增长。据统计，至2013年全国仅玉米秸秆总量达到2.48亿t，占全国秸秆总产量的24.17%[1]。甘肃省是我国西部重要的农业省份，2016年全省粮食产量为1 158.7万t，附带产出了2 000多万t的秸秆，其中玉米秸秆1 349万t[2-3]。众所周知农作物秸秆中含有碳、氮、磷、钾等多种丰富的营养成分，在饲料、肥料、造纸、生物质能源、燃料、和发电等方面具有很高的利用价值[4]。但是受制于资金、技术及农业生产特点等条件的困扰，我国很多地区长期以来对于大宗作物秸秆并没有形成专业化、产业化的处理模式而使其充分利用，大量作物秸秆被废弃堆置甚至直接焚烧，造成的环境污染和资源浪费的事件屡见报道，受到人们普遍关注[5-6]。因此，近年来对于秸秆资源综合利用，特别是在农田系统循环利用成为了国内外的研究热点[7-8]。其中武均等[9]研究指出秸秆还田能显著改善土壤容重和孔隙度，优化土壤物理性状，进而提高土壤水、肥、气、热的供给能力，提高作物产量。黄金花等[10]研究发现秸秆还田处理能显著提高耕层土壤有机碳含量。土壤养分是植株生长发育各阶段所必需的营养元素，是土壤肥力高低的决定性因素[11]，赵士诚等[12]研究发现秸秆还田增加了土壤TN，TP含量，徐燕等[13]研究证明连续秸秆还田能有效提高土壤AN，AP，AK含量，且连续还田效果好于隔年还田。但不同地区的研究由于气候、土壤以及还田作物的不同使其对土壤的改善效果出现差异[14-15]。土壤酶参与了土壤中多种氧化还原反应以及土壤养分的固定与释放，是土壤肥力的直接影响因素[16]。罗珠珠等[17]研究发现，秸秆还田可以有效提高表层土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶等土壤酶活性，对深层土壤的影响较小。但在实际生产中，由于还田技术不完善、秸秆根茬导致种子霉变和种子生长受阻等负效应[18]。另外大多数研究只是探究了不同耕作措施和短期秸秆还田下土壤性质的变化，而长期秸秆还田下土壤理化性状及酶活性变化的研究较少。因此，本试验依托于甘肃农业大学平凉试验站自2002年设置的长期玉米秸秆还田定位试验，进一步探究秸秆还田年限继续延长后耕层土壤物理性状、土壤养分和酶活性的变化情况，为秸秆还田的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设在甘肃农业大学平凉试验站(106°25′E，35°24′N)长期玉米秸秆全量还田定位试验田，海拔高度1 170 m，年平均日照达1 981 h，≥10℃年积温2 862.8℃，无霜期163 d，年均温9.4℃，年降水量600 mm，属于季风型大陆性气候。试验区设有自2002年、2005年、2008年开始还田处理的试验田，以没有还田处理的地块作为对照，4种不同年限处理分别标记为Y0(未还田)、Y3(2008—2010)，Y6(2005—2010)，Y9(2002—2010)，2010年测定不同还田年限0—20 cm土层中土壤养分和有机质含量显示，Y9，Y6，Y3和Y0处理pH值分别为8.35，8.51，8.77，8.93，土壤有机碳SOC含量分别为18.12 g/kg，15.42 g/kg，12.25 g/kg，7.07 g/kg，土壤全氮TN含量分别为1.36 g/kg，1.22 g/kg，1.07 g/kg，0.96 g/kg，土壤全磷TP含量分别为1.93 g/kg，1.86 g/kg，1.81 g/kg，1.79 g/kg，土壤碱解氮AN含量分别为68.27 mg/kg，63.86 mg/kg，62.24 mg/kg，56.89 mg/kg，土壤速效磷AP含量分别为29.85 mg/kg，28.27 mg/kg，27.32 mg/kg，26.98 mg/kg，土壤速效钾AK含量分别为221.42 mg/kg，218.08 mg/kg，217.46 mg/kg，212.39 mg/kg。

1.2 田间试验设计

本试验在甘肃农业大学平凉试验站长期玉米全量秸秆还田定位试验田进行。依托于试验区自2002年、2005年和2008年以来进行连续全量玉米秸秆(9 800 kg/hm2)还田的试验田，设有无秸秆还田、连续全量秸秆还田9 a、连续全量秸秆还田12 a及连续全量秸秆还田15 a共4种处理，4种不同年限处理分别标记为Y0(没有进行秸秆还田)、Y9(2008—2016年连续全量秸秆还田)、Y12(2005—2016年连续全量秸秆还田)和Y15(2002—2016年连续全量秸秆还田)。玉米品种为富农588，采用宽行距为0.6 m，窄行距为0.4 m的宽窄行种植方法，小区行长10 m，面积50 m2，三个重复，种植密度为5.25万株/hm2。每个重复处理小区均施氮肥150 kg/hm2(尿素)，磷肥150 kg/hm2(过磷酸钙)各处理于入冬前，玉米果穗收获后(10月下旬)，将玉米秸秆粉碎后全部还田覆盖地表，春季播种前(3月下旬)旋耕入土。2016年三月下旬，玉米播种前期于各处理田间S形采样，先除去土样表面的枯叶和秸秆，再用内径为5 cm的土钻在各小区分层取0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—50 cm的土样，每个样品均为多点采集混合而成，然后用四分法取出足够的样品，挑出石粒和根系后过2 mm筛用于土壤养分的测定，再于苗期、拔节期、散粉期、灌浆期和收获期取0—30 cm土样测定土壤酶活性。

1.3 土壤理化指标测定

土壤有机碳采用重铬酸钾—浓硫酸外加热法；全氮用凯氏定氮法；全磷用酸溶钼锑抗比色法；速效钾用醋酸铵提取—火焰光度法；碱解氮用扩散法；速效磷采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定[19]。

土壤过氧化氢酶用高锰酸钾滴定法；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法；蔗糖酶用3,5-二硝基水杨酸比色法；脲酶用靛酚蓝比色法测定[20]。

玉米成熟后，每小区收获中间两行玉米果穗，晒干后脱粒称质量，子粒产量以14%含水量为标准折算为小区产量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel软件对数据进行处理，并用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，然后用邓肯法(Duncan)测验处理间差异显著性(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 持续还田不同年限处理对土壤容重何孔隙度的影响

土壤容重和孔隙度是土壤的重要物理性质，主要受当地气候、土壤动物、微生物及耕作措施的影响，对土壤透气性能、持水量、抗侵蚀能力和根系生长阻力有非常大的影响[21]。本试验采用秸秆还田的耕作措施改良土壤，由图1可知，在0—50 cm土层中各处理土壤容重均表现为还田土壤低于未还田土壤，且随着土层深度的增加容重增加。Y15土壤容重在1.24～1.43 g/cm3范围内变化，Y15相较于Y12下降0.17%，0.28%，0.13%，0.72%，Y12土壤容重在1.24～1.44 g/cm3之间变化，Y12相较于Y9下降1.15%，0.31%，1.56%，0.42%，Y9土壤容重在1.25～1.45 g/cm3变化，Y9相较于Y0下降1.10%，3.00%，10.67%，8.71%。可知0—20 cm土层中土壤容重变化不明显。

图1不同还田年限0-50cm土层土壤容重和孔隙度的变化

土壤孔隙度表现出随年限延长升高，随土层深度的加深减小的趋势。图1可看出0—20 cm表层土壤中各处理土壤孔隙度变化不明显，但随着土层的加深，20—50 cm土层中Y15土壤孔隙度值在44.09%～47.10%之间变化，Y15较Y12增加0.15%，0.92%，Y12土壤孔隙度值为43.69%～47.03%之间变化，Y12较Y9增加1.80%，0.54%，Y9土壤孔隙度值为43.45%～46.20%之间变化Y9较Y0增加14.19%，12.79%。由此可知，秸秆还田措施能够有效提高20—50 cm土层土壤孔隙度，这与作物根系和耕作方式密切相关，且随着还田时间的延长改良效果越好。

2.2 持续还田不同年限处理对土壤pH的影响

土壤酸碱度是一个重要的土壤性质，影响土壤养分的有效性，并且间接影响了作物的生长发育。由表1可知，随着还田年限的延长土壤pH表现出一定的下降趋势，Y15的pH值变化范围在8.31～8.49，较Y12下降0%，0.36%，0.24%；Y12的pH值变化范围在8.31～8.51，较Y9下降0.48%，0.95%，0.47%；Y9的pH值变化范围在8.35～8.55，较Y0下降6.70%，4.72%，3.63%。方差分析显示0—10 cm土层中Y15，Y12和Y9之间未达到0.05显著水平，但相比于对照均有明显改善；10—20 cm土层中各处理达到0.05显著水平；20—30 cm土层中Y15与Y12间未达到0.05显著水平。对比试验区数据可知，Y9较Y6，Y3和Y0下降1.92%，5.03%，6.95%。由此可知，秸秆还田随着年限的延长对土壤pH的影响越大，且对表层土壤pH值的影响较大，随土层深度的下降影响力也随之减小，土壤pH值的增长幅度随着年限的延长而下降。

2.3 持续还田不同年限处理对土壤SOC，TN，TP的影响

土壤有机碳影响着土壤团粒结构的稳定性、土壤保肥性能和土壤微生物活性等一系列土壤物理化学过程，是土壤肥力高低的重要指标。表1可知，0—10 cm土层中各处理对SOC含量的影响差异显著(p<0.05)，且各处理的SOC含量均显著高于对照(Y0)。其中Y15分别高于Y12，Y9，Y0处理1.10%，4.02%，160.50%，Y12分别高于Y9，Y0处理2.89%，157.62%，Y9高于对照150.40%，说明秸秆还田能有效增加土壤中有机碳含量。土壤氮素主要在有机质中分解转化及保存，是植物体内氨基酸的组成部分、是构成蛋白质的成分，也是植物进行光合作用起决定作用的叶绿素的组成部分。表1中TN含量各处理达到0.05显著水平，Y15相较于Y12，Y9，Y0增加了0.74%，3.24%，44.07%，Y12相较于Y9，Y0增加了2.48%，43.01%，Y9相较对照增加了39.55%。土壤氮素含量过低时作物生长缓慢、矮小瘦弱、根系发育不良、成熟延迟，严重影响作物产量和品质。TP含量各处理达到0.05显著水平，Y15相较于Y12，Y9，Y0增加了0.76%，2.73%，11.94%，Y12相较于Y9，Y0增加了1.96%，11.10%，Y9相较于对照增加了8.97%。可见，长期秸秆还田能有效增加0—10 cm土壤SOC，TN和TP的含量，且随着年限的增加SOC，TN和TP含量的增加效果越好。

表1 不同还田年限土壤PH及养分含量变化

注：同土层同列相同字母表示差异不显著(p<0.05)。

10—20 cm土层中SOC含量在Y12和Y9间未达到0.05显著水平，Y15较Y12，Y9，Y0增加了5.16%，4.78%，132.50%。TN含量在Y12与Y9间未达到0.05显著水平，Y15较Y12，Y9，Y0增加了9.67%，8.34%，45.95%。TP含量在Y15和Y12间未达到0.05显著水平，Y15较Y12，Y9，Y0增加了0.40%，2.15%，15.13%。20—30 cm土层中SOC，TN，TP含量变化中Y15较Y12，Y9，Y0增加了20.01%，26.12%，92.48%，1.35%，0.77%，25.02%，2.76%，3.89%，6.05%。且TN在Y15和Y12间差异不显著，Y12和Y9间差异不显著。试验区数据0—20 cm土层中SOC含量Y9较Y6，Y3，Y0增加了17.53%，47.92%，156.28%，TN含量Y9较Y6，Y3，Y0增加了11.48%，27.10%，41.67%，TP含量Y9较Y6，Y3，Y0增加了3.76%，6.63%，7.82%。

由此可见，秸秆还田能够有效提高土壤中SOC，TN，TP的含量，改善土壤的养分状况，特别是土壤中SOC和TN含量的增加效果好于TP，说明秸秆还田对耕层土壤SOC和TN的补偿效果较好。对比试验区数据可知，随着秸秆还田年限的进一步延长且达到十年以上时土壤SOC，TN，TP含量增加幅度明显下降，由此可知，土壤中SOC，TN，TP含量在十几年长期秸秆投放下可能接近达到饱和状态。

2.4 持续还田不同年限处理对土壤AN，AP，AK的影响

土壤速效氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)不仅是作物生长发育所必需的三大基本元素，也是影响土壤微生态环境系统平衡的重要因素。它受地形、气候、施肥、灌溉等众多因子的影响，是评价土壤质量与肥力的重要因素。由表1可见，0—10 cm土层中AN含量在Y15和Y12间未达到0.05显著水平，Y15较Y12，Y9，Y0增加了0.07%，2.52%，25.15%，Y12较Y9，Y0增加了2.45%，25.07%，Y9较Y0增加了22.07%。AP含量变化中处理间达到0.05显著水平，Y15较Y12，Y9，Y0增加了2.30%，12.30%，20.55%，Y12较Y9，Y0增加了9.78%，17.85%，Y9较Y0增加了7.35%。AK含量变化中处理间达到0.05显著水平，Y15较Y12，Y9，Y0增加了1.84%，5.53%，18.83%，Y12较Y9，Y0增加了3.63%，16.69%，Y9较Y0增加了12.60%。

10—20 cm土层中AN含量Y15和Y12间未达到0.05显著水平，Y15较Y12，Y9，Y0增加了0.20%，6.64%，27.22%，Y12较Y9，Y0增加了6.43%，26.97%，Y9较Y0增加了19.29%。AP含量处理间达到0.05显著水平，Y15较Y12，Y9，Y0增加了2.58%，14.20%，28.94%，Y12较Y9，Y0增加了11.33%，25.70%，Y9较Y0增加了12.90%。AK含量处理间达到0.05显著水平，Y15较Y12，Y9，Y0增加了1.84%，6.27%，12.90%，Y12较Y9，Y0增加了4.36%，10.87%，Y9较Y0增加了6.24%。

20—30 cm土层中AN，AP，AK含量变化中Y15较Y12，Y9，Y0增加了2.33%，0.10%，16.00%，14.23%，32.77%，45.13%，1.56%，11.68%，16.27%，AN含量在Y15与Y12间未达到0.05显著水平。试验区数据显示，在0—20 cm土层中AN，AP，AK含量Y9较Y6，Y3，Y0增加了6.91%，9.69%，20.00%，5.59%，9.26%，10.64%，1.53%，1.82%，4.25%，由此可见，秸秆还田对耕层土壤速效养分的补偿作用明显，且随着年限的延长补偿效果越好，随着深度的下降补偿效果降低。与试验区数据相比，耕层土壤AN，AP，AK含量变化也表现出一定的饱和特性，但没有SOC，TN，TP含量表现出的那么明显。

2.5 持续还田不同年限处理对玉米生育期土壤酶活性的影响

土壤酶是不同耕作措施下土壤肥力的敏感性指标，其主要来自作物根系分泌物和土壤微生物增殖，在有机质的分解和养分循环过程中起着重要作用，其活性反映了土壤中各种生物化学反应的强度。由图2可知，秸秆还田显著提高了玉米生育期0—30 cm土层中土壤中4种酶的酶活性强度，并且土壤过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶在4种处理下酶活性变化趋势一致，表现出从苗期到拔节期迅速升高，且在拔节期达到最大值，从拔节期到灌浆期缓慢下降，在收获期出现略微回升。土壤蔗糖酶活性变化趋势不同于其他酶活性，在4种处理下酶活性变化表现出从苗期到灌浆期一直升高，在灌浆期达到最大值，从灌浆期到收获期缓慢下降。其中土壤脲酶和碱性磷酸酶活性在灌浆后酶活性迅速减小，主要是因为灌浆减少了土层中氧气含量，进而阻碍了土层中化学反应的进行，此外土壤过氧化氢酶在灌浆期下降不明显和土壤蔗糖酶活性在灌浆期达到最大值，说明灌浆对土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性的影响较小。土壤过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性变化中Y15，Y12，Y9较Y0平均增加了18.09%，11.80%，9.56%，28.62%，26.11%，22.76%，36.01%，31.40%，20.47%，34.30%，23.79%，15.19%。图中的显著性分析结果显示，在玉米的各个生育时期中，还田处理下的土壤酶活性均显著高于未还田处理下的土壤酶活性，而土壤酶活性极易在外界环境的影响下发生变化，所以在玉米有些生育期内并未表现出随着还田年限的延长而酶活性增加的趋势。由此可见，秸秆还田能有效提高玉米生育期0—30 cm土层中4种酶活性，且酶活性随着还田年限的升高表现出一定的上升趋势。

图2 不同还田年限下0-30 cm土层土壤酶活性变化

2.6 玉米植株农艺性状和产量对长期秸秆还田的响应

土壤性质的优良决定了作物生长状况的好坏，而耕作措施对土壤的改良最终反映在作物产量上，长期秸秆还田对玉米农艺性状和产量也表现出强烈的影响。由表2可知，玉米株高表现出随着秸秆还田年限的延长而增高的趋势，Y15处理分别较Y12，Y9，Y0高出0.1，5.4，15.4 cm，Y15与Y12处理间未达到0.05显著水平；棒三叶叶面积Y15与Y12处理间未达到0.05显著水平，Y15处理分别较Y12，Y9，Y0高出0.01%，0.77%，1.37%；穗位高Y15处理分别较Y12，Y9，Y0上升0.3，2.1，11.9 cm，Y15与Y12处理间未达到了0.05显著水平；穗长随着年限的延长变化不明显，处理间未达到0.05显著水平，这是因为穗长主要受遗传因素控制；但是，百粒重和亩产处理间未达到显著水平，其中百粒重Y15处理分别较Y12，Y9，Y0增加0.78%，4.03%，16.22%，籽粒产量Y15处理分别较Y12，Y9，Y0提高0%，1.33%，7.04%。由此可见，秸秆还田能显著提高玉米籽粒的质量，提高玉米产量。但随着还田年限的延长玉米籽粒产量和百粒重的增幅明显减小，这与秸秆还田年限延长后土壤养分增幅减小和该品种的遗传因素有关。

表2 长期不同秸秆还田对玉米产量性状的影响

注：同列相同字母表示差异不显著(P<0.05)。

3 结论和讨论

土壤容重和孔隙度影响着土壤中水、肥、气和微生物等的迁移，影响着植株根系的延展，进而影响植株对土壤养分的吸收和根系的呼吸状态。相关研究表明[22]，运用合理的保护性耕作措施能有效降低土壤容重，增加土壤孔隙度，且秸秆覆盖还田对土壤的改良效果随着深度的下降而减小。本研究显示，0—50 cm土层中土壤容重表现出随着还田年限的延长较对照缓慢降低的趋势，土壤孔隙度显现出较对照逐渐增大的趋势，这与李玮等[23]的研究结果一致。这是因为秸秆在微生物和酶的共同作用下持续向土壤中提供大量有机物质，且这种秸秆分解有机物的密度小于土壤密度，因此分解物与土壤颗粒结合形成稳定疏松的团类结构，从而改善了土壤紧实程度，进而降低了土壤容重，增大了土壤孔隙度。与此同时，本研究发现土壤容重的降低和孔隙度的增大并不是随着秸秆还田年限延长呈现无限下降和增长的趋势，而是表现出随着还田年限延长达到一定饱和性和平衡性的特点，如本试验区还田10 a以上耕层土壤容重变化幅度显著降低。这可能是因为每年秸秆摄入量和土壤有机物质消耗量达到动态平衡。土壤酸碱度会导致土壤一系列化学反应发生变化，如降低土壤养分的有效性或产生有害物质，进而影响植物的生长。本研究中土壤pH值变化范围在8.3～8.88，且随着年限增加呈缓慢下降趋势，这与朱强根等[24]试验趋势一致。与试验区数据对比可发现，随着年限的持续延长，土壤pH值并未继续大幅度下降，而是表现出一定的平衡性。这可能是因为，试验区在长期秸秆还田和外界环境的循环作用下使土壤pH值达到一定的平衡。

本研究显示，随着还田年限持续延长土壤中有机碳、全氮、全磷含量相比于对照显著增加，且随着土层深入土壤有机碳、全氮、全磷含量逐渐下降；土壤速效养分也表现出随着还田年限的延长速效养分含量相对于对照显著增加，随着土层深度下降速效养分含量逐渐减小，这与张婧等[25]研究结果一致。这是因为传统耕作在每年作物生育期消耗了大量土壤养分，土壤中微生物活动消耗了大量有机碳，作物收获后没有弥补这种消耗，而秸秆在土壤中分解后正好弥补了养分和有机碳的消耗。与试验区数据对比发现，随着还田年限的持续延长土壤中有机碳、全氮、全磷含量增加幅度下降，但是土壤速效养分的增加幅度下降趋势不明显。这可能是因为，首先由于植物较易吸收土壤中的速效养分，导致土壤中不易吸收的养分被逐渐积累下来，达到了该区土壤有机碳、全氮、全磷含量的库容；其次土壤中速效养分处于作物吸收与秸秆分解释放的动态平衡中，因此土壤速效养分的积累比较缓慢。

土壤过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶随着玉米生育期的变化表现出一定的规律性，四种还田年限下酶活性变化趋势基本一致，且随着还田年限的延长酶活性逐渐升高，这与杨招弟等[26]研究结果一致。土壤酶活性在前期逐渐升高，这是因为，一方面春季地温随着气温的回升逐渐升高，温度增加了土壤酶与底物的亲和力，从而增加了酶的活性；另一方面作物的快速生长使根系活力和分泌物增加，进而刺激加强了微生物活力和酶活性强度。土壤脲酶和碱性磷酸酶在拔节期达到峰值后逐渐降低，这可能是玉米快速生长时对氮和磷的需求量较大，反馈调节使得脲酶和碱性磷酸酶活性升高，之后需求量减小进而使酶活性下降。土壤过氧化氢酶是土壤微生物和作物根系分泌的保护作物免受氧化氢毒害的酶，其酶活性随着作物生长和根系微生物的变化而变化，所以过氧化氢酶活性在拔节期后缓慢下降。土壤蔗糖酶在灌浆期达到峰值后逐渐下降，这可能是因为玉米籽粒缓慢成熟过程中根系和根系微生物需要更多的能量物质才能把营养物质运送到籽粒中，所以蔗糖酶在灌浆期出现峰值。总体而言，秸秆还田增加土壤酶的反应底物，减少外力了对土壤的扰动，随着还田年限的延长土壤中的秸秆残渣也越来越多，因此在外界温湿度一样的情况下使得土壤酶活性随着还田年限的延长而升高。

土壤中的酶、养分、微生物及其各种动物都是植物生长发育中不可或缺的因素，各个因素在玉米生长发育成熟阶段起到非常重要的作用，在其协同作用下玉米才会高产优质。本试验中，秸秆还田显著增加了玉米株高、穗位高、但棒三叶叶面积、穗长、百粒重和籽粒产量，这与袁玲等[27]研究结果相似。但棒三叶叶面积和穗长随着还田年限的延长增加不明显，这可能是因为这两个性状受遗传因素的影响较大，受环境因素的影响较小。而百粒重和籽粒产量在还田年限10 a以上时其再增产效果不明显，这可能是因为，长期秸秆还田使土壤养分含量不再大幅度上升，从而导致籽粒产量在还田6 a和9 a基础上的再增产效果不明显。

综上所述，秸秆还田有效增加了土壤有机碳和养分含量，改善了土壤的物理性状，提高了耕层土壤的酶活性。但在还田年限的持续延长下，秸秆还田对土壤的改良效果不再继续上升，表现出有机碳、养分、籽粒产量等性质不再大幅度增加。因此，在秸秆还田达到十年或以上时可适当减少秸秆的还田量，从而更高效地利用玉米秸秆和持续提高改善土壤性能。

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