寒旱環(huán)境檸條錦雞兒根系的力學(xué)群根效應(yīng)

張興玲+胡夏嵩

摘要：對試驗區(qū)檸條錦雞兒根系進行群根拉伸試驗。結(jié)果表明，在相同的根徑下，不論根系數(shù)量的多少，根系的抗拉力和抗拉強度具有隨長度的增長而遞減的趨勢，且其遞減的幅度較小；不論根長和根徑如何變化，隨根系數(shù)量的增加抗拉力均有較大幅度的提高。

關(guān)鍵詞：檸條錦雞兒；根系；拉伸試驗；群根效應(yīng)；寒旱環(huán)境

中圖分類號：Q949.751.9；S157.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）19-4632-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.033

Mechanical Multiple Root Effects of Caragana korshinskii Roots in Frigid and

Arid-semiarid Environment

ZHANG Xing-linga，HU Xia-songb

（a.College of Water Resources and Electric Power；b.Department of Geological Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China）

Abstract： The multiple roots tensile tests of Caragana korshinskii were carried out in the testing areas. Results showed that when the C. korshinskii had the same root diameter， whether root quantity was more or less， the root tensile resistance and root tensile strength decreased with increase of root length， and the decreasing extent was lower. Whether root diameter and root length changed or not， the root tensile resistance increased greatly with increase of root quantity.

Key words： Caragana korshinskii；root system； tensile test； multiple root effect； frigid and arid-semiarid environment

通常情況下植物根系受到抗張或抗拉力作用的概率比受剪切力作用的概率要大，因為根系與土壤在共同粘聚力作用下形成活性有機體，當土壤受侵蝕時，根系在剪切力作用下會變形拉直，所受剪切力轉(zhuǎn)為拉力作用，而根系抗拉力大的植物對土體產(chǎn)生的固持力較大，有利于邊坡的穩(wěn)定[1]，因此根系的抗拉力可直接代表根系抵抗其所受外力的有效指標。

國內(nèi)外許多學(xué)者開展了根徑與根系抗拉關(guān)系研究[1-7]，結(jié)果均表明根系抗拉力與根徑呈冪函數(shù)關(guān)系；劉國彬等[8]對胡枝子等8種植物的研究結(jié)論為，根系的抗拉力與根徑呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而對紫花苜蓿等3種植物的研究結(jié)果為根系的抗拉力與根徑呈冪函數(shù)關(guān)系；目前更多的研究表現(xiàn)在單根根系的抗拉力與根徑之間的關(guān)系方面，實際植物對邊坡的加固作用中，多株群根的共同作用具有較大的影響，根系的長度、根系的群根作用都會對根系的抗拉力產(chǎn)生較大影響。為此，以試驗區(qū)檸條錦雞兒為例，主要研究其根系的力學(xué)群根效應(yīng)。在實際的邊坡防護中，根系在邊坡中形成了錯綜復(fù)雜的綜合根系網(wǎng)，這種根系網(wǎng)可以有效防護邊坡表面土體顆粒，充分發(fā)揮根系的群根作用，從而提高邊坡淺層的穩(wěn)定性，同時恢復(fù)和美化生態(tài)環(huán)境。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)地處青海省東北部湟水谷地中部西寧盆地，由于流水強烈侵蝕，黃土地貌發(fā)育較為典型，坡地多表現(xiàn)支離破碎，溝壑縱橫，紅層廣泛出露，發(fā)育較典型的丹霞地貌[9]。屬高原大陸性氣候，年平均氣溫5.9 ℃，冬季時間長，干燥、寒冷、多風；年均降水量371 mm，年內(nèi)分布極不均勻，集中在6～9月，占全年降水量的60%左右，且多以暴雨和陣雨形式出現(xiàn)，具有歷時短、強度大、降雨集中等特點；蒸發(fā)量1 729 mm，是降水量的3.7倍，屬半干旱氣候類型[9]。試驗區(qū)坡度陡，植被覆蓋差， 暴雨頻繁， 水土流失嚴重， 洪水、 滑坡、 泥石流等災(zāi)害現(xiàn)象頻繁[10]。 試驗區(qū)地理位置： 北緯36°35′，東經(jīng)101°50′， 海拔約2 250 m，屬于人工堆積的土質(zhì)邊坡，土體類型為粉土，坡向半陰半陽，坡度約40°。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

選取種植于試驗地生長時間為1年的檸條錦雞兒根系，該供試植物采用穴播方式種植， 穴距5 cm。采取挖掘剖面壁法挖取植株根系，挖掘深度0.5～2.2 m，隨后植入大號試驗盆內(nèi)帶回實驗室，挑選生長正常，無病蟲害并且根表皮完好的新鮮根系進行根系拉伸試驗。

2.2 試驗方法與內(nèi)容

所采用的試驗系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理采集系統(tǒng)和工作系統(tǒng)兩大部分組成，工作原理如圖1所示。

根系拉伸試驗的步驟如下：根據(jù)試驗方案量取不同長度和不同直徑的鮮根系，由于根系與一般的剛性材料斷裂方式不一樣，根系斷裂時斷裂面參差不齊，難以精確測量根系斷裂面的直徑，因此本項試驗中用游標卡尺測定根系的平均直徑作為根系被拉斷時的斷裂面直徑，用公式（1）計算根系的抗拉強度：

P=■ （1）

式中，P為根系的抗拉強度（MPa）； F為最大抗拉力（N）； D為根系直徑（mm）。

3 結(jié)果與分析

3.1 抗拉力和抗拉強度長度效應(yīng)

試驗過程中，分別選定40、60、80、100 mm 4種長度（夾具凈距）的根段，對每種長度的根系依次進行1～5根不同根系數(shù)量的拉伸試驗。每種徑級的根系3次重復(fù)，結(jié)果求其平均值。

從圖2和圖3可以看出，在相同的根徑下，不論根系數(shù)量的多少，根系的抗拉力和抗拉強度具有隨長度的增長而遞減的趨勢，且遞減的幅度較小，在1.0～7.3 mm 7個根徑徑級范圍內(nèi)，根系的抗拉力和抗拉強度的長度效應(yīng)。表1列出了在1.0～7.3 mm 7個根徑徑級范圍內(nèi)，當檸條錦雞兒根系從1根逐步遞增到5根的情況下，長度為100 mm的根系比長度為40 mm的根系抗拉力和抗拉強度的減少值。例如，其中根徑為1.0 mm的根系，在根系數(shù)量從1根到5根的情況下，長度為100 mm的根系比長度為40 mm的根系抗拉力和抗拉強度均減少了40.0%、42.8%、40.0%、46.2%、47.1%；根徑為1.9 mm的根系，在根系數(shù)量從1根到5根的情況下，長度為100 mm的根系比長度為40 mm的根系抗拉力和抗拉強度均減少了33.3%、36.4%、28.6%、27.8%、23.8%。

綜合以上分析可知，群根作用對植物根系的固土護坡有很重要的影響，試驗區(qū)種植的檸條錦雞兒屬于主側(cè)根均衡發(fā)育型灌木，根系發(fā)達，主根明顯，同時由于其根系的長度和根徑不相同，所以在邊坡防護中所起的作用也有所不同。由試驗結(jié)果可知，在根徑相同的條件下，隨根系長度的增長其抗拉力和抗拉強度呈遞減趨勢，說明根長較短的根系不易被拉斷，在邊坡土體滑動時，其根表面與土體間產(chǎn)生的摩擦力可以得到充分發(fā)揮，從而對邊坡土體產(chǎn)生較大的固持力，使邊坡保持穩(wěn)定；對于較長的根系而言，雖然比較短的根系易拉斷，但是當邊坡土體發(fā)生滑動裂縫時，長度相對較大的根系有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，使根系本身所受的內(nèi)力減小，從而反映出其護坡作用的有利方面。

3.2 根系抗拉力群根效應(yīng)

試驗結(jié)果表明，檸條錦雞兒根系抗拉力的群根效應(yīng)較為突出，由圖4可知，不管根系的長度和根徑如何變化，隨根系數(shù)量的增加其抗拉力均有較大幅度的提高。表2列出了7個徑級的根徑段在40～100 mm 4種長度條件的下抗拉力平均值，可以看出，根系的抗拉力隨著根系數(shù)量的增加均有較大幅度的提高。例如，其中根徑為1.0 mm的根系，根系數(shù)量為1根時，抗拉力是37.5 N，當根系數(shù)量從1根增加到5根時，抗拉力高達125.0 N，5根的抗拉力比1根增加了233.33%，增加幅度比較大。表3列出了本項試驗中根徑從1.0 mm到7.3 mm的根系，在根系數(shù)量為2根、3根、4根和5根時的抗拉力平均值分別與根數(shù)為1根的抗拉力平均值相比的增幅。

群根拉伸試驗結(jié)果表明，在一定根徑范圍內(nèi)，隨著根系數(shù)量的增加，根系的抗拉力在增大，同時根系表面積相應(yīng)增大，當邊坡土體發(fā)生滑動時，根系與土體的接觸面積增加，其與土體間產(chǎn)生的摩擦力阻力也會增大，同時由于根系的抗拉力增大，故在土體滑動時根系不易被拉斷，因此可以最大限度利用根系與土體間產(chǎn)生的摩擦阻力來阻止邊坡土體的滑動。所以，根系數(shù)量的增加，相當于增加了邊坡土體中的根系表面積和根系抗拉力，在實際的邊坡防護中，其根系的分布是由多個水平根系和垂直根系系統(tǒng)相互交錯，形成了綜合的根系網(wǎng)，這種防護網(wǎng)具有包裹邊坡表面或淺層土體顆粒的良好作用，可降低坡面或淺層的沖蝕侵蝕破壞，發(fā)揮良好的護坡作用[11]，這對減緩與防治邊坡土體發(fā)生滑移變形具有重要意義。

4 小結(jié)

在根徑相同的條件下，隨根系長度的增長其抗拉力和抗拉強度呈遞減趨勢，說明根長較短的根系不易被拉斷，在邊坡土體滑動時，其根表面與土體間產(chǎn)生的摩擦力可以得到充分發(fā)揮，從而對邊坡土體產(chǎn)生較大的固持力，使邊坡保持穩(wěn)定；對于較長的根系而言，雖然比較短的根系易拉斷，但是當邊坡土體發(fā)生滑動裂縫時，長度相對較大的根系有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，使根系本身所受的內(nèi)力減小，從而反映出其護坡作用的有利方面。

在一定根徑范圍內(nèi)，隨著根系數(shù)量的增加，根系的抗拉力在增大，同時根系表面積相應(yīng)增大，當邊坡土體發(fā)生滑動時，根系與土體的接觸面積增加，其與土體間產(chǎn)生的摩擦力阻力也會增大，同時由于根系的抗拉力增大，故在土體滑動時根系不易被拉斷，因此可以最大限度利用根系與土體間產(chǎn)生的摩擦阻力來阻止邊坡土體的滑動。

參考文獻：

[1] 楊維西，黃治江.黃土高原九個水土保持樹種根的抗拉力[J].中國水土保持，1988（9）：47-49.

[2] 高齊治，張俊斌，張新萍.臺灣西南部優(yōu)勢竹類籟竹根力之研究[J].世界竹藤通訊，2008，6（1）：10-15.

[3] 史敏華，王 棣，李任敏.石灰?guī)r區(qū)主要水保灌木根系分布特征與根抗拉力研究初報[J].山西林業(yè)科技，1994（1）：17-19.

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[8] 劉國彬，蔣定生，朱顯漠，等.黃土區(qū)草地根系生物力學(xué)特性研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1996，2（3）：21-28.

[9] 張忠孝.青海地理[M].西寧：青海人民出版社，2004.

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[11] 陰 可，岳中琦，李焯芬.人工邊坡綠化種植技術(shù)及其在香港的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2003，14（4）：21-25.

3 結(jié)果與分析

3.1 抗拉力和抗拉強度長度效應(yīng)

試驗過程中，分別選定40、60、80、100 mm 4種長度（夾具凈距）的根段，對每種長度的根系依次進行1～5根不同根系數(shù)量的拉伸試驗。每種徑級的根系3次重復(fù)，結(jié)果求其平均值。

從圖2和圖3可以看出，在相同的根徑下，不論根系數(shù)量的多少，根系的抗拉力和抗拉強度具有隨長度的增長而遞減的趨勢，且遞減的幅度較小，在1.0～7.3 mm 7個根徑徑級范圍內(nèi)，根系的抗拉力和抗拉強度的長度效應(yīng)。表1列出了在1.0～7.3 mm 7個根徑徑級范圍內(nèi)，當檸條錦雞兒根系從1根逐步遞增到5根的情況下，長度為100 mm的根系比長度為40 mm的根系抗拉力和抗拉強度的減少值。例如，其中根徑為1.0 mm的根系，在根系數(shù)量從1根到5根的情況下，長度為100 mm的根系比長度為40 mm的根系抗拉力和抗拉強度均減少了40.0%、42.8%、40.0%、46.2%、47.1%；根徑為1.9 mm的根系，在根系數(shù)量從1根到5根的情況下，長度為100 mm的根系比長度為40 mm的根系抗拉力和抗拉強度均減少了33.3%、36.4%、28.6%、27.8%、23.8%。

綜合以上分析可知，群根作用對植物根系的固土護坡有很重要的影響，試驗區(qū)種植的檸條錦雞兒屬于主側(cè)根均衡發(fā)育型灌木，根系發(fā)達，主根明顯，同時由于其根系的長度和根徑不相同，所以在邊坡防護中所起的作用也有所不同。由試驗結(jié)果可知，在根徑相同的條件下，隨根系長度的增長其抗拉力和抗拉強度呈遞減趨勢，說明根長較短的根系不易被拉斷，在邊坡土體滑動時，其根表面與土體間產(chǎn)生的摩擦力可以得到充分發(fā)揮，從而對邊坡土體產(chǎn)生較大的固持力，使邊坡保持穩(wěn)定；對于較長的根系而言，雖然比較短的根系易拉斷，但是當邊坡土體發(fā)生滑動裂縫時，長度相對較大的根系有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，使根系本身所受的內(nèi)力減小，從而反映出其護坡作用的有利方面。

3.2 根系抗拉力群根效應(yīng)

試驗結(jié)果表明，檸條錦雞兒根系抗拉力的群根效應(yīng)較為突出，由圖4可知，不管根系的長度和根徑如何變化，隨根系數(shù)量的增加其抗拉力均有較大幅度的提高。表2列出了7個徑級的根徑段在40～100 mm 4種長度條件的下抗拉力平均值，可以看出，根系的抗拉力隨著根系數(shù)量的增加均有較大幅度的提高。例如，其中根徑為1.0 mm的根系，根系數(shù)量為1根時，抗拉力是37.5 N，當根系數(shù)量從1根增加到5根時，抗拉力高達125.0 N，5根的抗拉力比1根增加了233.33%，增加幅度比較大。表3列出了本項試驗中根徑從1.0 mm到7.3 mm的根系，在根系數(shù)量為2根、3根、4根和5根時的抗拉力平均值分別與根數(shù)為1根的抗拉力平均值相比的增幅。

群根拉伸試驗結(jié)果表明，在一定根徑范圍內(nèi)，隨著根系數(shù)量的增加，根系的抗拉力在增大，同時根系表面積相應(yīng)增大，當邊坡土體發(fā)生滑動時，根系與土體的接觸面積增加，其與土體間產(chǎn)生的摩擦力阻力也會增大，同時由于根系的抗拉力增大，故在土體滑動時根系不易被拉斷，因此可以最大限度利用根系與土體間產(chǎn)生的摩擦阻力來阻止邊坡土體的滑動。所以，根系數(shù)量的增加，相當于增加了邊坡土體中的根系表面積和根系抗拉力，在實際的邊坡防護中，其根系的分布是由多個水平根系和垂直根系系統(tǒng)相互交錯，形成了綜合的根系網(wǎng)，這種防護網(wǎng)具有包裹邊坡表面或淺層土體顆粒的良好作用，可降低坡面或淺層的沖蝕侵蝕破壞，發(fā)揮良好的護坡作用[11]，這對減緩與防治邊坡土體發(fā)生滑移變形具有重要意義。

4 小結(jié)

在根徑相同的條件下，隨根系長度的增長其抗拉力和抗拉強度呈遞減趨勢，說明根長較短的根系不易被拉斷，在邊坡土體滑動時，其根表面與土體間產(chǎn)生的摩擦力可以得到充分發(fā)揮，從而對邊坡土體產(chǎn)生較大的固持力，使邊坡保持穩(wěn)定；對于較長的根系而言，雖然比較短的根系易拉斷，但是當邊坡土體發(fā)生滑動裂縫時，長度相對較大的根系有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，使根系本身所受的內(nèi)力減小，從而反映出其護坡作用的有利方面。

在一定根徑范圍內(nèi)，隨著根系數(shù)量的增加，根系的抗拉力在增大，同時根系表面積相應(yīng)增大，當邊坡土體發(fā)生滑動時，根系與土體的接觸面積增加，其與土體間產(chǎn)生的摩擦力阻力也會增大，同時由于根系的抗拉力增大，故在土體滑動時根系不易被拉斷，因此可以最大限度利用根系與土體間產(chǎn)生的摩擦阻力來阻止邊坡土體的滑動。

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[3] 史敏華，王 棣，李任敏.石灰?guī)r區(qū)主要水保灌木根系分布特征與根抗拉力研究初報[J].山西林業(yè)科技，1994（1）：17-19.

[4] 野久田稔郎，林拙郎，李曉華，等.由根系抗拉強度推算其固坡效果[J].水土保持科技情報，1997（1）：25-28.

[5] 朱清科，陳麗華，張東升，等.貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)根系固土力學(xué)機制研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，24（4）：64-67.

[6] 程 洪，張新全.草本植物根系網(wǎng)固土原理的力學(xué)試驗探究[J].水土保持通報，2002，22（5）：20-23.

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[9] 張忠孝.青海地理[M].西寧：青海人民出版社，2004.

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[11] 陰 可，岳中琦，李焯芬.人工邊坡綠化種植技術(shù)及其在香港的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2003，14（4）：21-25.

3 結(jié)果與分析

3.1 抗拉力和抗拉強度長度效應(yīng)

試驗過程中，分別選定40、60、80、100 mm 4種長度（夾具凈距）的根段，對每種長度的根系依次進行1～5根不同根系數(shù)量的拉伸試驗。每種徑級的根系3次重復(fù)，結(jié)果求其平均值。

從圖2和圖3可以看出，在相同的根徑下，不論根系數(shù)量的多少，根系的抗拉力和抗拉強度具有隨長度的增長而遞減的趨勢，且遞減的幅度較小，在1.0～7.3 mm 7個根徑徑級范圍內(nèi)，根系的抗拉力和抗拉強度的長度效應(yīng)。表1列出了在1.0～7.3 mm 7個根徑徑級范圍內(nèi)，當檸條錦雞兒根系從1根逐步遞增到5根的情況下，長度為100 mm的根系比長度為40 mm的根系抗拉力和抗拉強度的減少值。例如，其中根徑為1.0 mm的根系，在根系數(shù)量從1根到5根的情況下，長度為100 mm的根系比長度為40 mm的根系抗拉力和抗拉強度均減少了40.0%、42.8%、40.0%、46.2%、47.1%；根徑為1.9 mm的根系，在根系數(shù)量從1根到5根的情況下，長度為100 mm的根系比長度為40 mm的根系抗拉力和抗拉強度均減少了33.3%、36.4%、28.6%、27.8%、23.8%。

綜合以上分析可知，群根作用對植物根系的固土護坡有很重要的影響，試驗區(qū)種植的檸條錦雞兒屬于主側(cè)根均衡發(fā)育型灌木，根系發(fā)達，主根明顯，同時由于其根系的長度和根徑不相同，所以在邊坡防護中所起的作用也有所不同。由試驗結(jié)果可知，在根徑相同的條件下，隨根系長度的增長其抗拉力和抗拉強度呈遞減趨勢，說明根長較短的根系不易被拉斷，在邊坡土體滑動時，其根表面與土體間產(chǎn)生的摩擦力可以得到充分發(fā)揮，從而對邊坡土體產(chǎn)生較大的固持力，使邊坡保持穩(wěn)定；對于較長的根系而言，雖然比較短的根系易拉斷，但是當邊坡土體發(fā)生滑動裂縫時，長度相對較大的根系有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，使根系本身所受的內(nèi)力減小，從而反映出其護坡作用的有利方面。

3.2 根系抗拉力群根效應(yīng)

試驗結(jié)果表明，檸條錦雞兒根系抗拉力的群根效應(yīng)較為突出，由圖4可知，不管根系的長度和根徑如何變化，隨根系數(shù)量的增加其抗拉力均有較大幅度的提高。表2列出了7個徑級的根徑段在40～100 mm 4種長度條件的下抗拉力平均值，可以看出，根系的抗拉力隨著根系數(shù)量的增加均有較大幅度的提高。例如，其中根徑為1.0 mm的根系，根系數(shù)量為1根時，抗拉力是37.5 N，當根系數(shù)量從1根增加到5根時，抗拉力高達125.0 N，5根的抗拉力比1根增加了233.33%，增加幅度比較大。表3列出了本項試驗中根徑從1.0 mm到7.3 mm的根系，在根系數(shù)量為2根、3根、4根和5根時的抗拉力平均值分別與根數(shù)為1根的抗拉力平均值相比的增幅。

群根拉伸試驗結(jié)果表明，在一定根徑范圍內(nèi)，隨著根系數(shù)量的增加，根系的抗拉力在增大，同時根系表面積相應(yīng)增大，當邊坡土體發(fā)生滑動時，根系與土體的接觸面積增加，其與土體間產(chǎn)生的摩擦力阻力也會增大，同時由于根系的抗拉力增大，故在土體滑動時根系不易被拉斷，因此可以最大限度利用根系與土體間產(chǎn)生的摩擦阻力來阻止邊坡土體的滑動。所以，根系數(shù)量的增加，相當于增加了邊坡土體中的根系表面積和根系抗拉力，在實際的邊坡防護中，其根系的分布是由多個水平根系和垂直根系系統(tǒng)相互交錯，形成了綜合的根系網(wǎng)，這種防護網(wǎng)具有包裹邊坡表面或淺層土體顆粒的良好作用，可降低坡面或淺層的沖蝕侵蝕破壞，發(fā)揮良好的護坡作用[11]，這對減緩與防治邊坡土體發(fā)生滑移變形具有重要意義。

4 小結(jié)

在根徑相同的條件下，隨根系長度的增長其抗拉力和抗拉強度呈遞減趨勢，說明根長較短的根系不易被拉斷，在邊坡土體滑動時，其根表面與土體間產(chǎn)生的摩擦力可以得到充分發(fā)揮，從而對邊坡土體產(chǎn)生較大的固持力，使邊坡保持穩(wěn)定；對于較長的根系而言，雖然比較短的根系易拉斷，但是當邊坡土體發(fā)生滑動裂縫時，長度相對較大的根系有利于把根系所受的拉力向土體深層傳遞，使根系本身所受的內(nèi)力減小，從而反映出其護坡作用的有利方面。

在一定根徑范圍內(nèi)，隨著根系數(shù)量的增加，根系的抗拉力在增大，同時根系表面積相應(yīng)增大，當邊坡土體發(fā)生滑動時，根系與土體的接觸面積增加，其與土體間產(chǎn)生的摩擦力阻力也會增大，同時由于根系的抗拉力增大，故在土體滑動時根系不易被拉斷，因此可以最大限度利用根系與土體間產(chǎn)生的摩擦阻力來阻止邊坡土體的滑動。

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