杜艷玲，周懷平，楊振興，程 曼，解文艷，郭 晉，王志偉

(1.山西大學(xué) 生物工程學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西 太原 030031；3.山西省氣候中心，山西 太原 030002)

磷素是作物必需的營養(yǎng)元素之一，也是水體產(chǎn)生富營養(yǎng)化的限制因素[1]。磷肥的施用在很大程度上增加了農(nóng)田土壤磷素肥力，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，沈善敏等[2]就不同施肥制度對(duì)作物產(chǎn)量和土壤肥力影響的長期定位試驗(yàn)表明，平均每千克化肥磷可增產(chǎn)糧食25 kg左右。但隨著對(duì)磷肥長期的大量廣泛使用，在改變土壤中磷的含量、遷移轉(zhuǎn)化狀況和土壤供磷能力的同時(shí)，也增加了土壤磷素向水環(huán)境釋放的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。因此，了解土壤中磷素的循環(huán)轉(zhuǎn)化狀況，開展田間節(jié)約化、合理化施肥試驗(yàn)，為褐土區(qū)科學(xué)磷素管理提供良好的技術(shù)支撐至關(guān)重要。

目前，已經(jīng)進(jìn)行了大量的關(guān)于不同施肥方式下土壤磷素組分演變特征[5-9]以及磷素的吸附與解吸[10-13]、磷素的流失[14-17]等方面的研究。信秀麗等[18]研究表明，一定范圍內(nèi)，隨著施肥量的增加，作物對(duì)磷素的吸收量也在增大，但作物吸收量的增加速率相對(duì)較小，土壤中磷素的盈余量會(huì)逐漸增大；慕韓鋒[19]通過21年的長期定位試驗(yàn)研究表明，在不同施磷中等施氮水平下，土壤全磷、有效磷以及無機(jī)磷各組分的表層含量均有一定程度的增加，林葆等[20]通過10年的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果單施有機(jī)肥并未明顯提高土壤的有效磷，甚至有研究者認(rèn)為，單施有機(jī)肥可能減少土壤中磷的含量[21]。各農(nóng)業(yè)區(qū)域研究的結(jié)果差異較大，一方面由于土壤的理化性質(zhì)和自然條件不同，另一方面不同施肥處理磷素的投入量也不同。

在長期不同施肥水平下運(yùn)用修正的Hedley方法提取不同磷素組分與磷素盈余之間的相關(guān)關(guān)系的研究還比較欠缺，該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)磷素分級(jí)方法不能及時(shí)反映土壤中磷素形態(tài)動(dòng)態(tài)變化，以及無機(jī)磷和有機(jī)磷不能兼顧的不足，是目前國內(nèi)外公認(rèn)的較為合理的磷素分級(jí)方法。本研究通過21年來山西省壽陽縣宗艾鎮(zhèn)的肥料長期定位試驗(yàn)耕層土壤各組分磷素的演變，以探討在長期不同施肥水平下各組分磷素、磷素盈余的變化情況及二者之間的相關(guān)關(guān)系，為褐土區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和地力培育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

長期定位試驗(yàn)設(shè)在山西省壽陽縣宗艾村國家旱作農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)海拔1 130 m，年均溫7.6 ℃，大于10 ℃積溫3 400 ℃，無霜期135～140 d，年均降雨量501.1 mm，年際變率較大，干燥度1.3，屬半濕潤偏旱區(qū)。供試土壤為褐土性土，土層深厚，地勢平坦，質(zhì)地為輕壤。1992年試驗(yàn)前耕層土壤(0～20 cm)主要化學(xué)性狀如表1所示。

田間管理按大田豐產(chǎn)要求進(jìn)行，一年一季玉米，4月15-28日播種，9月20日-10月10日收獲。1992-1995年品種為煙單14號(hào)，1996-2002年品種為晉單34號(hào)，2003-2011年品種為強(qiáng)盛31號(hào)，密度為5.20×104～5.25×104株/hm2；2012年品種為晉單81號(hào)，密度6.6×104株/hm2。

表1 1992年土壤基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Initial soil chemical properties in 1992

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

有機(jī)肥無機(jī)肥配施長期定位試驗(yàn)從1992年春開始，到2012年歷時(shí)21年。研究采集2012年玉米收獲后0～20 cm的耕層土樣及1992年的基礎(chǔ)土樣。試驗(yàn)采用氮、磷、有機(jī)肥3因素4水平正交設(shè)計(jì)，共9個(gè)處理，即不施肥對(duì)照(N0P0M0)；4個(gè)不同氮、磷化肥配施處理(N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0)；3個(gè)有機(jī)肥無機(jī)肥配施處理(N2P1M1、N3P2M3、N4P2M2)；單施高量有機(jī)肥處理(N0P0M6)，小區(qū)面積66.7 m2，隨機(jī)排列，無重復(fù)。試驗(yàn)所用氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為普通過磷酸鈣(P2O514%)，不施鉀肥，農(nóng)家肥為腐熟廄肥(有機(jī)質(zhì)90.5～127.3 g/kg、全氮3.93～4.97 g/kg、全磷1.37～1.46 g/kg、全鉀14.1～34.3 g/kg)。每年秋季結(jié)合耕翻將肥料一次性施入。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

測定的項(xiàng)目包括土壤不同施肥處理磷組分含量及作物吸磷量。其中，土壤磷組分含量釆用修正的Hedley磷分級(jí)方法處理：稱取0.5 g過2 mm篩的風(fēng)干樣品置于50 mL離心管中，依次采用30 mL去離子水、0.5 mol/L NaHCO3溶液、0.1 mol/L NaOH 溶液和 1 mol/L HCl溶液浸提。每一步加入浸提液后，振蕩16 h(25 ℃，200 r/min)，離心(10 000 r/min，10 min，0 ℃)，之后收集上層清液并過0.45 μm濾膜。土壤磷組分H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P含量采用過硫酸銨氧化-鉬銻抗比色法測定。殘余態(tài)磷(Residual-P)含量向HCl浸提后的土壤中加入10 mL 0.9 mol/L H2SO4消化-鉬銻抗比色法測定。植物樣品全磷采用H2SO4-H2O2消煮-鉬銻抗比色法測定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進(jìn)行處理，并利用LSD法進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析和多重比較。

作物吸磷量(kg/hm2)=籽粒產(chǎn)量×籽粒含磷量+秸稈產(chǎn)量×秸稈含磷量

①

當(dāng)季磷素表現(xiàn)盈虧(kg/hm2)=施入土壤磷素總量-作物吸收磷素總量

②

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對(duì)褐土不同形態(tài)磷素含量的影響

2.1.1 長期施肥對(duì)水溶態(tài)磷(H2O-P)含量的影響 經(jīng)過21年的長期不同施肥，耕層土壤H2O-P含量除N0P0M0處理與基礎(chǔ)值差異不顯著，其他處理與基礎(chǔ)值相比較均達(dá)到顯著性差異。N0P0M0與其他各不同施肥處理之間均達(dá)到顯著性差異，其中與N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0、N2P1M1、N3P2M3、N0P0M6處理間達(dá)到極顯著差異。無機(jī)肥處理N1P1M0與N3P3M0，N2P2M0與N4P4M0之間差異不顯著，不同無機(jī)肥處理之間差異性較小。有機(jī)無機(jī)配施處理及高量有機(jī)肥處理之間均達(dá)到極顯著差異(圖1)。

不同大寫字母表示P=0.01的差異性；不同小寫字母表示P=0.05的差異顯著性；M.有機(jī)肥。圖2-5同。Different bigger letters mean very significant difference(P=0.01)；Different smaller letters mean significant difference(P=0.05)；M.Organic fertilization.The same as Fig.2-5.

2.1.2 長期施肥對(duì)碳酸氫鈉溶解態(tài)磷(NaHCO3-P)含量的影響 與試驗(yàn)前耕層土壤NaHCO3-P含量相比較，除N0P0M0、N1P1M0處理差異性不顯著外，其他處理與試驗(yàn)前耕層土壤相比均達(dá)到顯著性差異；與N0P0M0相比，除N1P1M0、N2P1M1處理差異不顯著外，其他處理差異均達(dá)到顯著性水平；單施無機(jī)肥N2P2M0與N3P3M0處理之間差異不顯著，其他各處理間均達(dá)到極顯著性差異。有機(jī)肥無機(jī)肥配施及高量有機(jī)肥處理間NaHCO3-P含量均達(dá)到極顯著性差異(圖2)。

圖2 不同施肥處理下的NaHCO3-P含量Fig.2 The content of NaHCO3-P in cinnamon soil with different long-term fertilization

2.1.3 長期施肥對(duì)氫氧化鈉溶解態(tài)磷(NaOH-P)含量的影響 與試驗(yàn)前耕層土壤NaOH-P含量相比，除N1P1M0處理外，其他各處理均達(dá)到顯著性差異；與N0P0M0處理相比，除N1P1M0處理外，其他各處理均達(dá)到極顯著性差異；各無機(jī)肥處理間NaOH-P含量均達(dá)到極顯著性差異；各有機(jī)肥無機(jī)肥配施處理間差異性較小，但其與高量施用有機(jī)肥處理之間達(dá)到極顯著性差異(圖3)。

圖3 褐土中不同施肥處理下的NaOH-P含量Fig.3 The content of NaOH-P in cinnamon soil with different long-term fertilization

2.1.4 長期施肥對(duì)鹽酸溶解態(tài)磷(HCl-P)含量的影響 耕層土壤HCl-P含量不同施肥處理之間與其他組分各處理之間相比差異性較小。與試驗(yàn)前耕層土壤HCl-P相比，除N0P0M0處理差異不顯著外，其他各處理均達(dá)到顯著性差異；N0P0M0處理與其他各施肥處理之間差異均達(dá)到顯著水平；單施無機(jī)肥處理N3P3M0與N4P4M0之間差異不顯著，N1P1M0、N2P2M0處理與N3P3M0處理或N4P4M0處理之間差異顯著；有機(jī)肥無機(jī)肥配施及單施高量有機(jī)肥中，處理N2P1M1與N3P2M3、N4P2M2、N0P0M6處理間差異極顯著，而其余3個(gè)處理間差異不顯著(圖4)。

圖4 褐土中不同施肥處理下的HCl-P含量Fig.4 The content of HCl-P in cinnamon soil with different long-term fertilization

2.1.5 長期施肥對(duì)殘余態(tài)磷(Residual-P)含量的影響 耕層土壤Residual-P含量與試驗(yàn)前相比，除N1P1M0處理差異不顯著外，其他各施肥處理均顯著降低。各不同施肥處理與處理N0P0M0相比均達(dá)到顯著性差異；單施無機(jī)肥處理N3P3M0與N4P4M0之間差異不顯著，處理N1P1M0、N2P2M0與N3P3M0、N4P4M0之間差異達(dá)極顯著水平；有機(jī)肥無機(jī)肥配施處理與單施高量有機(jī)肥處理間均達(dá)到極顯著差異(圖5)。

圖5 褐土中不同施肥處理下的Residual-P含量Fig.5 The content of Residual-P in cinnamon soil with different long-term fertilization

2.2 長期施肥土壤磷素盈虧分析

由表2可知，各處理土壤磷素盈余量大小表現(xiàn)為：N0P0M6> N3P2M3> N4P4M0>N3P3M0>N4P2M2>N2P2M0>N2P1M1> N1P1M0>N0P0M0。其中，N0P0M0處理作物攜出磷量最少，隨著磷素投入量的增加，作物的吸磷量也在增加。只施加無機(jī)肥處理，作物帶走量表現(xiàn)為：N1P1M0>N4P4M0>N2P2M0>N3P3M0，隨著施入磷肥量的增加作物帶走量呈先增加后減少的變化趨勢，盈余量表現(xiàn)為：N4P4M0>N3P3M0>N2P2M0>N1P1M0，與磷素投入量呈正相關(guān)關(guān)系；在有機(jī)肥無機(jī)配施處理中，作物帶走量表現(xiàn)為：N4P2M2> N3P2M3>N2P1M1，適當(dāng)?shù)腘/P增加了作物對(duì)磷素的帶走量。盈余量表現(xiàn)為：N3P2M3> N4P2M2>N2P1M1，隨磷素投入量的增加呈增加趨勢；高量施加有機(jī)肥處理土壤中，磷素盈余量最大。

在長期單施高量有機(jī)肥或不合理有機(jī)肥無機(jī)肥配施會(huì)導(dǎo)致磷素在土壤中大量盈余。施入磷素相差不大時(shí)，有機(jī)肥無機(jī)肥配施可以增加作物對(duì)磷的吸收量，處理N2P1M1比N2P2M0增加了10.7%，處理N4P2M2比N4P4M0增加了38.3%；處理N4P2M2與N3P2M3相比，增加土壤的N/P,可以增加作物對(duì)磷素的攜出量，增加了18.4%。當(dāng)土壤中磷素投入量在33～61 kg/hm2時(shí)基本可以滿足植物的要求，N4P2M2處理在滿足植物需求的前提下當(dāng)季利用率達(dá)到最大，為36.4%，推薦施磷量為61 kg/(hm2·年)。

2.3 磷素盈余對(duì)不同形態(tài)磷素之間的影響

通過磷素盈余與各組分磷的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤中磷素的盈余量與H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與Residual-P含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。磷素盈余與不同磷組分之間的直線回歸方程如表3所示。其中，x表示耕層土壤不同磷組分的含量，y表示土壤耕層磷素盈虧量?；貧w方程中的斜率表示每增減一個(gè)單位的磷素盈虧量，不同組分磷素的變化量。

表3 磷素盈余與不同磷組分之間的直線回歸方程Tab.3 The regression equation between P surplus and different P forms

由表3可知，土壤中磷素每盈余1 kg/hm2，H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P、Residual-P含量分別增加0.401 6，0.301 4，0.462 1，0.196 3，-0.362 1 mg/kg；磷素盈余量與H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P、Residual-P含量的相關(guān)性大小順序?yàn)镠Cl-P>NaHCO3-P> Residual-P>H2O-P> NaOH-P。磷素盈余與穩(wěn)定性較強(qiáng)的HCl-P相關(guān)性最強(qiáng)，磷素的盈余會(huì)使穩(wěn)定態(tài)磷素HCl-P迅速增加，從而降低磷素的利用效率(圖6)。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同施肥處理對(duì)土壤磷組分的影響

通過合理施肥可以改善耕層土壤的不同磷組分含量，保證土壤對(duì)作物磷素的持續(xù)供應(yīng)，以促進(jìn)農(nóng)田土壤的可持續(xù)高效利用。改進(jìn)的Hedley磷素分級(jí)方法把土壤中的磷素分為五大類：H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P、Residual-P。其中，H2O-P是活性最強(qiáng)的磷素形態(tài)，接近于徑流中的生物有效磷，含量過高易被淋洗或徑流造成水體富營養(yǎng)化[22]。本研究表明，有機(jī)肥無機(jī)肥配施與單施高量施有機(jī)肥處理對(duì)H2O-P含量影響達(dá)到極顯著性差異，對(duì)土壤中H2O-P含量影響最大。有機(jī)肥的加入有使磷素活化的作用，這與李莉等[23]的研究結(jié)果相一致。有機(jī)肥的施用可顯著提高耕層土壤中活性較強(qiáng)形態(tài)磷素的含量，除滿足作物對(duì)磷素的需求外，易于通過徑流造成磷素淋失，引發(fā)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，造成地下水的富營養(yǎng)化。

NaHCO3-P是活性較強(qiáng)的磷素形態(tài)，主要指吸附在土壤表面的磷，是作物吸收的主要形態(tài)[24]。本研究表明，N0P0M0及N1P1M0處理的NaHCO3-P含量有所下降，其他不同施肥處理對(duì)該形態(tài)磷均有顯著提高。施肥對(duì)土壤中易于被植物吸收的NaHCO3-P含量影響較大，且有機(jī)肥無機(jī)肥配施及單施高量有機(jī)肥對(duì)NaHCO3-P的提升幅度相對(duì)較大，這與王伯仁等[25-26]的研究結(jié)果相一致。

NaOH-P穩(wěn)定性相對(duì)較好，屬于中等穩(wěn)定態(tài)磷，主要指以化學(xué)作用吸附于鐵鋁氧化物表面的磷，雖然不能立即被植物利用，但在一定時(shí)間內(nèi)，通過各種生物、物理化學(xué)轉(zhuǎn)化過程而具有被植物利用的能力[27]。與試驗(yàn)前耕層土壤相比，除N1P1M0處理外，其他各施肥處理均有顯著提高。與N0P0M0處理相比，除N1P1M0處理差異性不顯著外，其他各施肥處理均達(dá)到極顯著差異。磷素的大量投入增加了土壤中不同磷組分向NaOH-P的轉(zhuǎn)化。

圖6 不同磷組分與磷盈余之間的關(guān)系Fig.6 The relation between different P forms and P surplus

HCl-P屬于穩(wěn)定態(tài)磷，與鈣結(jié)合形成穩(wěn)定礦物，在石灰性土中含量最大，屬于潛在磷源之一，不易被植物所吸收[28]。本研究表明，不同施肥各處理間差異性較小，且有機(jī)肥無機(jī)肥配施及單施高量有機(jī)肥各處理間的差異性要比單施無機(jī)肥各處理間小。說明單施無機(jī)肥對(duì)HCl-P含量影響較大，過量的單獨(dú)施用無機(jī)肥會(huì)使大量磷素以HCl-P形態(tài)儲(chǔ)存在土壤中。徐萬里等[29]研究結(jié)果表明，N0P0M0處理對(duì)穩(wěn)定態(tài)HCl-P的影響較小，這可能是由于研究年限較短，HCl-P的變化不太明顯。

Residual-P為最穩(wěn)定態(tài)磷，主要指固持較為緊密的磷酸鹽[30]。本研究表明，在不同施肥處理下該形態(tài)的磷耕層含量表現(xiàn)為下降的趨勢，且隨著施入磷肥量的增加，該形態(tài)磷有下降的趨勢。林治安等[31]對(duì)黃淮海平原魯西北地區(qū)土壤進(jìn)行研究，結(jié)果表明，長期定位試驗(yàn)證實(shí)化學(xué)磷肥施入土壤后，對(duì)H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P均有不同程度的影響，而與Residual-P關(guān)系不大。這可能是由于所研究土壤類型不同。

3.2 不同施肥處理對(duì)土壤磷素盈余的影響

土壤磷素的盈余主要指施入土壤磷素總量與作物吸收磷量的差值[32]。環(huán)境中干濕沉降于土壤中的磷素較少，作物吸收的磷量主要來自于每年施入的磷肥和土壤磷庫本身[33]。本研究中，不同施肥處理褐土中磷素盈余量表現(xiàn)為：N0P0M6>N3P2M3>N4P4M0>N3P3M0>N4P2M2>N2P2M0>N2P1M1>N1P1M0>N0P0M0。N0P0M0處理每年不施入磷肥，隨著玉米作物對(duì)磷素的大量攜出，耕層土壤磷素處于虧缺狀態(tài)，這與以往的研究不完全一致，葉會(huì)財(cái)?shù)萚34]的研究表明，在紅壤性水稻土中不施肥處理土壤全磷含量保持穩(wěn)定，曹瑩菲等[35]的研究表明，N0P0M0不施肥處理土壤中各組分磷素的含量均有所下降。單施無機(jī)肥N1P1M0、N2P2M0、N3P3M0、N4P4M0處理，隨著施入磷肥量的增加，作物對(duì)磷的攜出量增加，但在土壤中磷素的盈余量也隨之增多[36-37]，適當(dāng)增加N/P，可以提高作物對(duì)磷的吸收率，提高磷素的利用效率，這與嚴(yán)正娟等[38]的研究結(jié)果相一致。有機(jī)肥無機(jī)肥配施與單施無機(jī)肥相比，在相同磷素投入水平下，有機(jī)肥無機(jī)肥配施可以通過改善土壤結(jié)構(gòu)，改良土壤性質(zhì)，促進(jìn)作物對(duì)磷素的吸收，減少盈余磷素在土壤中的積累，這與張作新等[39]的研究結(jié)果相一致。單施高量有機(jī)肥N0P0M6會(huì)造成磷素在土壤中大量積累，這與Sui等[40]的研究結(jié)果相一致。而且在盈余態(tài)磷中，活性較強(qiáng)的H2O-P和NaHCO3-P所占比例較大，極易引起土壤中磷素淋濕，造成磷素浪費(fèi)，并且對(duì)環(huán)境造成破壞。

3.3 磷素盈余與不同磷組分的相關(guān)性分析

本研究通過對(duì)褐土中21年耕層土壤磷素盈余和不同磷組分含量之間的線性關(guān)系(y=ax+b)進(jìn)行了分析得出，土壤磷素盈虧量與H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P增減呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，這與魏猛等[41]的研究結(jié)果相一致；與Residual-P呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與展曉瑩[42]的研究結(jié)果相反，這主要是由施肥量及土壤的性質(zhì)不同所致。不同磷素組分與磷素盈余的相關(guān)性大小為HCl-P> NaHCO3-P> Residual-P> H2O-P>NaOH-P，土壤磷素盈余量的增加會(huì)使穩(wěn)定態(tài)的磷素大幅度增加，磷素的當(dāng)季利用率降低。這主要是由于磷素在滿足植物的需求以后會(huì)與土壤中大量的Ca、Mg離子結(jié)合，以難以被植物吸收的形態(tài)儲(chǔ)存在土壤中。為此，可以有針對(duì)性地促使磷素向H2O-P和NaHCO3-P轉(zhuǎn)化，促進(jìn)磷素的高效利用。

通過對(duì)褐土中長期不同施肥措施下土壤不同磷素組分及磷素盈余的研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥措施下，褐土耕層土壤除較穩(wěn)定的HCl-P含量差異較小外，其他各組分磷素含量均達(dá)到顯著差異；有機(jī)肥無機(jī)肥配施、適當(dāng)增加N/P可以大幅度提高土壤中H2O-P和NaHCO3-P占土壤全磷的比例，增加作物攜出的磷素，提高磷素的當(dāng)季利用效率。當(dāng)土壤中磷素投入量在33～61 mg/kg時(shí)，基本可以滿足玉米高產(chǎn)對(duì)磷素需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)減肥減藥，減少土壤磷素盈余量；土壤中磷素盈余量與褐土中H2O-P、NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P含量呈正相關(guān)，與Residual-P含量呈負(fù)相關(guān)，且與穩(wěn)定態(tài)磷素的相關(guān)性最大，磷素盈余會(huì)使磷素的利用效率迅速降低。

本研究褐土在長期不同施肥處理下，N4P2M2處理為推薦施肥方式，在滿足植物需求的前提下當(dāng)季利用率最大達(dá)36.4%，該推薦施磷量為61 kg/(hm2·年)。在實(shí)現(xiàn)減肥增效的同時(shí)，改善耕作土壤的性質(zhì)，促使農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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