黃 潔，孫西歡,2，馬娟娟，郭向紅，狄 楠

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 運(yùn)城 044004)

深層灌水對(duì)冬小麥耗水特性及水分利用效率的影響

黃 潔1，孫西歡1,2，馬娟娟1，郭向紅1，狄 楠1

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 山西 太原 030024；2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 運(yùn)城 044004)

以高產(chǎn)中晚熟冬小麥品種良星99為材料,在運(yùn)城市鹽湖區(qū)山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn),研究了深層灌水對(duì)冬小麥耗水特性和水分利用效率的影響。結(jié)果表明:整個(gè)生育期，深層灌水處理根區(qū)20～160 cm土層土壤水分動(dòng)態(tài)變化比地表灌處理明顯；T1(地表灌水)處理總耗水量最大,顯著高于T2(濕潤層深度為根系60%)、T3(濕潤層深度為根系75%)和T4(濕潤層深度為根系90%),深層灌水增加了降雨和灌溉水的消耗,降低了土壤貯水的消耗；T2和T3處理間無顯著差異，T3在抽穗至灌漿期末、灌漿至成熟期的耗水量和耗水模系數(shù)均較大；不同濕潤層深度條件下,T1處理水分利用效率和產(chǎn)量最低,隨濕潤層深度增加,其他處理水分利用效率呈先增加后降低的趨勢。濕潤層深度為150 mm和188 mm的T2和T3產(chǎn)量、水分利用效率和灌溉水利用效率表現(xiàn)最好，T1處理最低。T3為本試驗(yàn)條件下高產(chǎn)節(jié)水的最佳處理。

深層灌水；冬小麥；耗水特性；水分利用效率

華北平原冬麥區(qū)是我國小麥主產(chǎn)區(qū)，水分短缺是限制該區(qū)小麥高產(chǎn)的主要因子[1]，受季風(fēng)氣候影響，該地區(qū)70%以上的降水集中在7—9月，小麥生長期間降水只能滿足其需要的25%～40%，故而灌溉是提高小麥產(chǎn)量的主要措施[2]。傳統(tǒng)高產(chǎn)小麥栽培通常采用平作或大水漫灌的栽培方式，不僅灌水多、耗水量大、水分利用效率低[3]，而且還會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)及土壤結(jié)構(gòu)的破壞[4]。如何合理利用有限的水資源減少灌溉用水、提高水分利用效率是冬小麥生產(chǎn)迫切需要解決的問題。華北平原丘陵地區(qū)屬干旱半干旱氣候，作物對(duì)深層土壤水分的吸收利用成為影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[5]。

深層灌水是一種中深層的立體灌溉方法。通過深層灌溉，作物調(diào)整根系的生長和分布來適應(yīng)土壤環(huán)境和水分養(yǎng)分的空間差異, 進(jìn)而影響作物對(duì)土壤水資源的吸收利用。作物對(duì)土壤水的吸收利用, 不僅受根系吸水水力特性影響, 根系大小和所占的空間對(duì)土壤水對(duì)作物的有效性起決定性作用[6-7]。特別是隨著水資源短缺的加劇, 提高作物根系獲得土壤水分能力以提高作物抗旱性顯得尤為重要[8]。張喜英[9]認(rèn)為通過耕作、施肥、灌水可促使根系深扎，增加根系對(duì)土壤貯水的有效利用；馬瑞昆等[10]研究表明深層地下供水可控制淺土層次生根發(fā)育，促進(jìn)初生根發(fā)育；Kirkegaard等[11]發(fā)現(xiàn)在澳大利亞旱作條件下冬小麥1.35～1.85 m土層中多吸收10.5 mm的水分，就能增產(chǎn)0.62 t·hm-2。康利允等[12]研究發(fā)現(xiàn)上干下濕水分處理產(chǎn)量和水分利用效率分別增加10.0%和47.4%。以上這些研究結(jié)果為旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和用水管理提供了一定理論和實(shí)踐依據(jù)。過去有關(guān)水分對(duì)作物耗水規(guī)律及水分利用效率影響的研究，大多局限于灌水定額、灌水次數(shù)和灌水時(shí)期[13]，而關(guān)于灌水深度，由于試驗(yàn)條件限制和測根等技術(shù)存在的困難而研究較少。本研究針對(duì)冬小麥根系分布特點(diǎn)，采用土柱管栽技術(shù)，在一定供水量情況下探索不同灌水深度對(duì)冬小麥耗水特性及水分利用效率的影響，為華北地區(qū)作物合理灌溉，提高土壤貯水利用率，變被動(dòng)抗旱為主動(dòng)抗旱提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)田概況

試驗(yàn)于2014—2015年在山西省運(yùn)城市鹽湖區(qū)山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)基地大田進(jìn)行。該實(shí)訓(xùn)基地位于北緯34°48′27″，東經(jīng)110°41′23″，平均海拔370 m。多年平均降雨量559.3 mm，主要集中在7—9月份，年平均日照時(shí)數(shù)2 247.4 h，年平均氣溫13.6℃。試驗(yàn)區(qū)土壤屬于中壤土，0～300 cm土壤養(yǎng)分含量見表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)理化性狀

注：表中田間持水量為土壤體積含水率。

Note：The soil moisture content in the table is the volumetric water content of the soil.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田面積21 m×2.5 m，土柱采用完全隨機(jī)耕作方式排列為3列，行距80 cm，行與行之間土壤加種一行小麥作為保護(hù)行(圖1)。為方便試驗(yàn)操作，在試驗(yàn)小區(qū)和大田之間設(shè)兩條人行道，并安裝軌道車。土柱(PVC管)外徑20 cm，內(nèi)徑18.6 cm。土柱裝土前先將試驗(yàn)埋坑土壤分層挖出，混合均勻后每5 cm一層依次裝入土柱壓實(shí)，最后植入大田，最大埋入深度為3 m。試驗(yàn)共設(shè)置四個(gè)灌水深度，即：地表灌溉、濕潤層深度為根系分布的60%、濕潤層深度為根系分布的75%、濕潤層深度為根系分布的90%，分別用T1、T2、T3、T4表示，每個(gè)生育期(越冬期、返青拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期)分別設(shè)4個(gè)重復(fù)，共80根土柱。

圖1 土柱布置圖

Fig.1 Soil column arrangement

冬小麥于2014年10月12日播種，品種為國審麥良星99，屬半冬性中晚熟品種，生育期240天左右。三葉期每根土柱定苗3棵，其他管理措施同當(dāng)?shù)卮筇锕芾恚文?月1日收割。氣象資料由實(shí)訓(xùn)基地氣象站獲得，生育期總降雨量為177.8 mm。

每次灌水前根據(jù)含水量和設(shè)計(jì)水分要求，對(duì)不同深度的灌水孔通過點(diǎn)滴管加入所需水分。試驗(yàn)期間共灌水四次(表2)，由于越冬根系深度比較淺，故越冬水沒有分層進(jìn)行處理。灌水定額根據(jù)當(dāng)?shù)卮筇锕嗨~制定，均為2 775 m3·hm-2，每個(gè)灌水深度的灌水量由灌水定額計(jì)算公式確定[14]，計(jì)算公式為：

M=10ρbH(βi-βj)

其中，M為灌水量(mm)，H為土壤計(jì)劃濕潤層的深度(cm)，試驗(yàn)由灌水孔之間的距離確定，ρb為計(jì)劃濕潤土層的土壤容重(g·cm-3)，βi為目標(biāo)含水量(田持的85%)，βj為自然含水量，即灌溉前土壤含水量。灌水量用量筒計(jì)量。

表2 冬小麥生育期灌水時(shí)間、灌水孔布置、計(jì)劃灌水深度及灌溉定額

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 基本測定項(xiàng)目 土壤基本性質(zhì)按常規(guī)方法測定[15]。土壤含水量采用Diviner2000土壤水分廓線儀定期測定，測定深度為0～160cm，每隔一周測一次。生育期做剖根實(shí)驗(yàn)時(shí)分層取土，10cm為一層，取0～300cm土層土樣，置于鋁盒中，采用烘干法測定土壤含水量。最后對(duì)兩種測量方法進(jìn)行分析，得出換算系數(shù)k≈1.27=θ1(土壤水分廓線儀法)/θ2(烘干法)。小麥成熟后按柱收獲，剪取地上部分后在室內(nèi)測定每柱分蘗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量等指標(biāo)。

1.3.2 有效降雨量的計(jì)算 由公式[16]：

計(jì)算得出。其中，Ic為冠層截留量(mm)；α為降雨蒸發(fā)率，取0.008；P為次降雨量(mm)；LAI為冬小麥葉面積指數(shù)，從返青期開始每周用直尺測量土柱所有植株葉子的長和寬，計(jì)算葉面積LA=∑(葉長×葉寬)/1.2，然后求得葉面積指數(shù)LAI=LA/S(S為試驗(yàn)筒底面積)。

1.3.3 耗水量的計(jì)算 采用測定土壤含水率計(jì)算作物耗水量時(shí)，耗水量的計(jì)算公式為[17]：

式中，ET1-2為階段耗水量(mm)；i為土層編號(hào)；n為總土層數(shù)，本試驗(yàn)n=30；Hi為第i層土壤厚度(cm)，本試驗(yàn)計(jì)算深度為300 cm；θi1和θi2分別為第i層土壤時(shí)段初和時(shí)段末的體積含水率，以百分?jǐn)?shù)計(jì)；I為時(shí)段內(nèi)的灌水量(mm)；P0為有效降水量(mm)；K為時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量(mm)，由于試驗(yàn)土柱的下端有塑料布封口，地下水補(bǔ)給量可視為0，故K值可以忽略不計(jì)。

日耗水量=各生育階段土柱耗水量/生育階段天數(shù)

耗水模系數(shù)=各生育階段土柱耗水量/麥田總耗水量

1.3.4 水分利用效率和灌溉水利用效率

水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)[18]=籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)/小麥生育期耗水量(mm)；

灌溉水利用效率(kg·hm-2·mm-1)[18]=籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)/灌水量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用MicrosoftExcel和SPSS21軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水深度條件下根區(qū)各土層土壤水分動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)土壤剖面自上而下的分層情況將0～160cm的土層分成四部分來分析，即0～20、20～50、50～90、90～160cm。然后定期監(jiān)測冬小麥返青期～成熟期根區(qū)不同深度土壤體積率的動(dòng)態(tài)變化(圖2)，分析根區(qū)土壤水分運(yùn)移與分布規(guī)律，進(jìn)而了解吸水根系對(duì)不同土層深度水分的吸收情況。

由圖2(a)可以看出，在0～20cm土層范圍內(nèi)，四個(gè)處理土壤水分波動(dòng)都很大，但大體上隨灌水深度增加呈減小趨勢，各處理表層0～20cm含水率比較：T1>T2>T3>T4。3月29日稍有增加是之前幾天持續(xù)降雨的緣故，而4月9日和5月5日的突然增大是灌水的原因。

圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)和圖2(e)分別是20～50、50～90、90～130cm和130～160cm范圍內(nèi)根區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)變化曲線。由圖可知，地表灌T1隨土層深度的增加，曲線波動(dòng)越不明顯，尤其是90cm以下土層，曲線幾乎呈直線，說明地表灌水對(duì)土壤水分的影響隨深度增加逐漸減小，90cm以下土層，地表灌水對(duì)其的影響已微乎其微。4月20日以后T1處理90cm以下土層含水率值幾乎沒有明顯變化，說明90cm以下土層存在小麥根系，且在生育后期，這一部分根系對(duì)土壤水的利用很少；而處理(T2、T3、T4)由于深層灌水的原因，各處理在3月14日、4月9日、5月5日含水率值突然增加，而且灌水過后，T2、T3、T4土層含水率都有降低趨勢，但是整個(gè)生育期各土層平均含水率值均比T1大。20～50cm土層，灌水深度最大的處理T4在4月20日左右降幅較其他處理明顯，說明T4在該深度處的吸水根系比較旺盛，4月28日各處理含水率稍有增加是由于連續(xù)降雨的原因，生育后期含水率大小比較：T3>T2>T4>T1；50～90cm土層，4月9日以后，各處理的含水率值都持續(xù)降低，到4月28日降到最低值，該點(diǎn)含水率值大小比較：T1≈T4T4>T2>T1；90～130cm土層，從圖d可以看出，T2、T3、T4土層含水率在4月28日依然有所降低，但是不如前幾層那么明顯。含水率降幅最明顯出現(xiàn)在5月30日(成熟期)，在該處，T2和T3的含水率甚至比T1還要低，說明深層灌的冬小麥根系依然能從90～130cm深的土層中吸收大量的水分供植株籽粒成熟所需，而且除了灌溉水，植株在該生育期還要利用一部分土壤水；130～160cm土層，冬小麥在該范圍內(nèi)的土壤水分已接近田間持水量，不管是地表灌水還是深層灌水對(duì)該部分的土壤水分影響都不大。從圖e中可以看出，相比地表灌，深層灌波動(dòng)還是比較明顯的，尤其是在生育后期含水率波動(dòng)依然很明顯，這就足以說明深層灌水可以使冬小麥更深層的根區(qū)持續(xù)保持活力直至收獲。

圖2 根區(qū)各土層土壤體積含水率動(dòng)態(tài)變化

Fig.2DynamicChangeofsoilvolumetricmoisturewithintherootzone

2.2 生育期階段耗水量、耗水模系數(shù)和日耗水量的差異

如表3所示，在不同灌水深度條件下，冬小麥階段耗水參數(shù)表現(xiàn)有所不同。從整個(gè)生育期來看，各處理的階段耗水量(WCA)和耗水模系數(shù)(WCP)都表現(xiàn)為：播種至拔節(jié)期末>拔節(jié)至抽穗期末>抽穗至灌漿期末>灌漿至成熟期末；日耗水量(WCD)都表現(xiàn)為：拔節(jié)至抽穗期末>抽穗至灌漿期末>灌漿至成熟期末>播種至拔節(jié)期末。說明冬小麥生育期耗水主要集中在播種至拔節(jié)期末階段，耗水量占冬小麥全生育期耗水量的47.48%～53.26%，但是日耗水量在此階段最小。

從各生育階段來看，播種至拔節(jié)期末：T1WCA>T4WCA>T3WCA>T2WCA，T1WCP>T4WCP>T3WCP>T2WCP，T1WCD>T4WCD>T3WCD>T2WCD；拔節(jié)至抽穗期末：T4WCA>T1WCA>T3WCA>T2WCA，T4WCP>T2WCP>T3WCP>T1WCP，T4WCD>T1WCD>T3WCD>T2WCD；抽穗至灌漿期末：T3WCA>T2WCA>T1WCA>T4WCA，T3WCP>T2WCP>T1WCP>T4WCP，T3WCD>T2WCD>T1WCD>T4WCD；灌漿至成熟期：T3WCA>T2WCA>T4WCA>T1WCA，T3WCP>T2WCP>T4WCP>T1WCP，T3WCD>T2WCD>T4WCD>T1WCD。可以看出，處理間階段耗水量、日耗水量的差異主要表現(xiàn)在拔節(jié)至抽穗期末和抽穗至灌漿期末，T4在抽穗至灌漿期的階段耗水量突然減小，與冬小麥生育后期根區(qū)90cm以下土壤水分的利用率的減小有關(guān)，進(jìn)而影響到后期的籽粒灌漿。由以上比較可知，T2、T3在灌漿至成熟期仍能保持較高的階段耗水量(40.08mm、42.11mm)和日耗水量(2.67mm、2.81mm)，而地面灌的階段耗水量和日耗水量僅有21.67mm和1.44mm，結(jié)合圖1的分析，說明深層灌的小麥在生育后期各部分器官仍能保持很大的活力，能充分供應(yīng)籽粒成長所需的水分。

表3 不同處理冬小麥生育期耗水量、耗水模系數(shù)和日耗水量

注：WCA為階段耗水量；WCP為耗水模系數(shù)；WCD為日耗水量。同列不同字母表示相同項(xiàng)目不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: WCA: Water consumption amount；WCP: Water consumption percentage；WCD: Water consumption per day。Different letters in same column mean significant difference of the same item between different treatments at 0.05 levels. The same below.

2.3 全生育期的總耗水量

表4為不同濕潤深度處理的總耗水量以及總耗水量的組成部分(有效降雨量、不同處理的總灌水量和土壤供水量)所占的比例。可知總耗水量：T1ET>T3ET>T4ET>T2ET，且差異顯著，T2、T3和T4處理的總耗水量分別比地表灌水T1處理減少了6.19%、2.27%和4.36%；有效降雨量比較：T1P>T2P>T3P>T4P，占總耗水量比例差異不顯著，T2處理最大，為30.2%；各處理總灌水量一定：T1I=T2I=T3I=T4I，占總耗水量的比例為T1T3△S>T4△S>T2△S，所占比例T1>T3>T4>T2。以上比較說明：增加灌水深度顯著促進(jìn)了冬小麥對(duì)雨水和灌溉水的利用，降低了其對(duì)土壤貯水的利用；其中土壤貯水消耗量占總耗水量的比例變化幅度較大，CV為10.20%，有效降雨量和灌水量占總耗水量的比例變化幅度分別為2.35%和2.75%，表明土壤貯水消耗量有較大的調(diào)控范圍，降低冬小麥主要生育時(shí)期的各濕潤層深度的灌水量，能提高土壤貯水利用比例，達(dá)到節(jié)約灌溉水的目的。

2.4 水分利用效率

由表5可以看出，地表灌T1處理耗水量最大，但是水分利用效率和籽粒產(chǎn)量最低，說明在冬小麥地表保持充足的水分條件是沒有必要的，過多的水分反而會(huì)容易造成作物株體營養(yǎng)生長過剩；隨著灌水深度的增加，其他處理水分利用效率表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。全生育期灌水深度小于188 cm時(shí)，水分利用效率：T1T2>T4>T1，除了T3和T2，其他處理間差異顯著。表明T3是本試驗(yàn)條件下高產(chǎn)節(jié)水的最佳灌水深度處理，其籽粒產(chǎn)量、水分利用效率、灌溉水利用效率分別為14 295.93、26.30、51.54 kg·hm-2·mm-1?？梢娚顚庸嗨梢蕴岣咦魑锏乃掷眯剩⒉皇菨駶檶由疃仍酱笤胶?。

表4 不同灌水深度對(duì)冬小麥整個(gè)生育期總耗水量及其組成因素的影響

注：表中CV為變異系數(shù)。 Note: In the table, CV is the coefficient of variation.

表5 不同灌水深度對(duì)冬小麥水分利用效率的影響

3 討 論

不同的灌溉方式使各土層土壤的含水量分布狀態(tài)呈現(xiàn)出差異性。冬小麥深層灌水處理根區(qū)20～160 cm土層土壤水分動(dòng)態(tài)變化比地表灌處理明顯，尤其是90～130 cm和130～160 cm土層。已有很多研究表明作物根系有趨水、趨肥的特性，苗果園[5]等的研究表明超深層(150～250 cm)施肥對(duì)根系有一定的誘導(dǎo)作用；康利允[12]的研究指出0～40 cm上干下濕水分處理可使冬小麥下層根系生物量、產(chǎn)量及水分利用效率顯著增加，此結(jié)論與本文相吻合，只是本文的研究深度為3 m；易立攀等[19]的測墑補(bǔ)灌試驗(yàn)表明0～40 cm土層測墑補(bǔ)灌可顯著提高土壤水的利用效率，與本文結(jié)論不太一致，本文研究表明地表灌溉總耗水量顯著高于深層灌水，且深層灌水增加了降雨和灌水的消耗量，降低了土壤貯水的消耗量，初步分析原因是由于計(jì)劃濕潤層的濕潤程度及濕潤深度的不同所導(dǎo)致。不同濕潤層深度條件下，地表灌水分利用效率和產(chǎn)量最低，灌水深度為150 mm和188 mm的T2和T3產(chǎn)量、水分利用效率和灌溉水利用效率表現(xiàn)最好。隨濕潤層深度增加，水分利用效率呈先增加后降低的趨勢。濕潤層深度為根系75%為本試驗(yàn)條件下高產(chǎn)節(jié)水的最佳處理。

冬小麥深層灌水是一種中深層的立體灌溉水分調(diào)控方式，濕潤層深度作為其中重要的參數(shù)，將對(duì)灌溉制度的制定、灌水質(zhì)量的評(píng)價(jià)起到關(guān)鍵作用。由于本試驗(yàn)僅分析了一個(gè)生育期內(nèi)不同濕潤層深度對(duì)冬小麥需水特性和水分利用效率的影響，關(guān)于其在不同立地條件下的重現(xiàn)性和相關(guān)作物生長模型的建立還有待進(jìn)一步的研究。

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Effects of deep irrigation on water consumption and water use efficiency of winter wheat

HUANG Jie1, SUN Xi-huan1,2, MA Juan-juan1, GUO Xiang-hong1, DI Nan1

(1.CollegeofWaterResourceScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan,Shanxi030024,China; 2.ShanxiConservancyTechnicalCollege,Yuncheng,Shanxi044004,China)

A field experiment was conducted on, Liangxing 99, a mid-late maturing winter wheat with high yield in Shanxi Conservancy Technical College training base in Yanhu District, Yuncheng City of Shanxi, to explore the effects of deep irrigation on water consumption and water use efficiency of winter wheat. The results showed the soil water dynamic changes within 20～160 cm depth of root zone was more than that under the surface irrigation treatment in the whole growth period. The total water consumption under T1 (surface irrigation treatment) was significantly higher than that under T2 (depth of wetting layer is 60%), T3 (depth of wetting layer is 75%) and T4 (depth of wetting layer is 90%). Deep irrigation increased the consumption of rainfall and irrigation, and reduced the consumption of soil water storage. There was no significant difference between T2 and T3.The water consumption and water consumption coefficient of T3 in the stage from heading to filling and the stage from grain filling to maturity were larger. Under different irrigation conditions, the efficiency of water use and yield under T1 treatment was the lowest. With the increase of wetting layer depth, efficiency of water use under other treatments increased and then decreased. The production, efficiency of water use and efficiency of irrigation water use under T2 and T3 were the best at 150 mm and 188 mm depth of wetting layer. As far as high yield and water-saving were concerned. T3 was the optimal under the condition of this experiment.

deep irrigation；winter wheat； water consumption characteristics；water use efficiency

1000-7601(2017)02-0220-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.36

2016-01-09基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51109154，51579168)；山西省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(20140311016-6)；山西省水利廳科技項(xiàng)目；山西省高等學(xué)校創(chuàng)新人才支持計(jì)劃

黃 潔(1988—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉研究。 E-mail:842299387@qq.com。

孫西歡(1960—)，男，教授，博導(dǎo)，主要從事節(jié)水灌溉與土壤動(dòng)力學(xué)研究。 E-mail:sunxihuan@tyut.edu.cn。

S275.4

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