孟遠(yuǎn) 吳熠婷 姜美君 江佳琦 余國(guó)春 黃志坤 邵鵬程 張倩倩 劉建超
摘要?[目的]為水氮脅迫的合理選擇提供理論依據(jù)。[方法]利用Meta分析(meta-analysis)的方法,系統(tǒng)分析了來(lái)自各個(gè)地區(qū)試驗(yàn)的水氮脅迫對(duì)小麥影響的相關(guān)論文(共71篇,有效數(shù)據(jù)65組),研究了不同施氮量、施氮次數(shù)、施氮時(shí)期對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。[結(jié)果]施氮能有效提高小麥產(chǎn)量改善品質(zhì),當(dāng)施氮量達(dá)到250 kg/hm2時(shí),小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率為研究峰值,而施氮量繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí),小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率與產(chǎn)量增長(zhǎng)率均呈下降趨勢(shì)。與施氮量所造成的影響類似,施氮次數(shù)對(duì)于小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率的作用也是先增后降。灌漿期追氮對(duì)小麥產(chǎn)量的促進(jìn)作用較為明顯,增長(zhǎng)率達(dá)0.358%,氮肥后移對(duì)灌漿期籽粒增重作用明顯,能保持灌漿后勁、延長(zhǎng)灌漿過(guò)程。拔節(jié)期追氮處理有利于小麥在抽穗期和灌漿期較高葉面積指數(shù)的維持,利于小麥獲得較高產(chǎn)量。[結(jié)論]施氮對(duì)我國(guó)小麥品質(zhì)和產(chǎn)量具有顯著促進(jìn)作用,氮肥后移和分次施肥對(duì)小麥干物質(zhì)積累有益,增產(chǎn)改善品質(zhì)效果尤佳。
關(guān)鍵詞?小麥;Meta分析;籽粒品質(zhì);產(chǎn)量;水氮脅迫
中圖分類號(hào)?S512.1?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A?文章編號(hào)?0517-6611(2021)09-0028-04
doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2021.09.007
Abstract?[Objective] To provide theoretical basis for the reasonable selection of water and nitrogen stress.[Methods] We systematically analyzed the seventy-one papers about the effects of water and nitrogen stress on wheat from different regions by meta-analysis, and researched the effects of nitrogen application, nitrogen fertilizer application times and nitrogen application stages on wheat yield and quality.[Results] Nitrogen application improved wheat yield and quality effectively. When nitrogen application was 250 kg/hm2, the growth rate of wheat yield and quality reached peak value. If nitrogen application continued to increase, the growth rate of wheat yield and quality showed a downward trend. Similar like the influence of nitrogen application, effects of nitrogen fertilizer application times on the growth rates of wheat yield and quality firstly increased, and then decreased. Nitrogen application at pustulation period had obvious promoting effect on wheat yield, the growth rate reached 0.358%. Nitrogen application at later stage had a marked effect at pustulation period on weight gain of wheat grain and it also prolonged the grouting process.Nitrogen application at jointing stage was helpful to the maintain of high leaf area index of wheat at heading?and pustulation stages, and could obtain relatively high wheat yield.[Conclusions] Nitrogen application showed significant promotion effects on wheat quality and yield. Nitrogen application at later stage had positive effects on dry matter accumulation in wheat, and the yield increasing and quality improving effects were ideal.
Key words?Wheat;Meta-analysis;Grain quality;Yield;Water and nitrogen stress
水氮脅迫在小麥作物生產(chǎn)中有著重要的影響,對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)起著不容忽視的作用。我國(guó)各地區(qū)水資源儲(chǔ)備不同造就了各地區(qū)不同的用水類型,同時(shí)氮素在小麥生產(chǎn)過(guò)程中是不可缺少的,我國(guó)年施氮量全球占比達(dá)40%。數(shù)據(jù)表明,我國(guó)大部分種植小麥的地區(qū)因?yàn)樗Y源短缺,都要實(shí)行節(jié)水農(nóng)業(yè)。有研究表明,小麥產(chǎn)量不足受水利用率過(guò)低影響。翟丙年等[1]研究表明,水分脅迫對(duì)氮肥利用率起著重要的作用。因此,水氮脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)影響的Meta分析對(duì)于我國(guó)各地區(qū)調(diào)整灌溉量,合理利用水資源,提升氮素利用率,明確水氮施量最優(yōu)解有著重要意義。鄭惠玲等[2]研究表明,不同水氮條件對(duì)周麥18有不同的影響。重度缺水時(shí)施氮對(duì)小麥株高及穗粒數(shù)等多方面有良性影響。支虎名等[3]研究表明,在年降水類型不同的情況下,拔節(jié)期補(bǔ)灌可提高穗數(shù)但會(huì)減少穗粒數(shù),降低千粒重,從而影響了產(chǎn)量的提高。祁有玲等[4]研究表明,苗期干旱脅迫對(duì)小麥影響不大,其他時(shí)期則有明顯影響,氮脅迫條件相同的情況下,水分脅迫對(duì)穗長(zhǎng)、千粒重影響明顯,而對(duì)穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量影響極大。不同條件的氮脅迫對(duì)小麥影響不盡相同,但是都能在一定程度上起到促進(jìn)作用。自我國(guó)開始追求小麥產(chǎn)量品質(zhì)以來(lái),已有大量針對(duì)水氮脅迫所帶來(lái)影響的研究,但研究方向多是在特定地區(qū)、特定土壤環(huán)境進(jìn)行,其研究結(jié)果并不具備足夠的普適性。為了解各條件下水氮脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,需要在全國(guó)范圍內(nèi)匯集有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù),并進(jìn)行Meta分析,將水氮脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響進(jìn)行系統(tǒng)量化分析。鑒于此,筆者通過(guò)搜集全國(guó)范圍內(nèi)有關(guān)水氮脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)影響的文章,進(jìn)行Meta分析(Meta-analysis),系統(tǒng)分析水氮脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響以及其環(huán)境因素差異,進(jìn)而為水氮脅迫的合理選擇提供理論依據(jù)。
1?材料與方法
1.1?數(shù)據(jù)來(lái)源
該研究是根據(jù)已發(fā)布的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)行的,從中國(guó)知網(wǎng)和萬(wàn)方等文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)搜索“水分脅迫”“氮脅迫”“土壤養(yǎng)分質(zhì)地”“土壤水分”4個(gè)關(guān)鍵詞,并且基于以下條件篩選文獻(xiàn):①試驗(yàn)是在中國(guó)農(nóng)田進(jìn)行的,且研究對(duì)象是小麥;②同一試驗(yàn)必須含有不同的水脅迫條件或氮脅迫條件;③試驗(yàn)必須含有小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的數(shù)據(jù);④每種處理至少重復(fù)3次;⑤有小麥品種、土壤指標(biāo)、試驗(yàn)點(diǎn)地理位置、氣候條件等信息。經(jīng)篩選后,得到文獻(xiàn)71篇,有效數(shù)據(jù)65組、281個(gè)。
將文獻(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)合研究目標(biāo)及內(nèi)容分組來(lái)研究水氮脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。
1.2?研究方法
搜集文獻(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)用Get ata Graph Digitizer 2.24軟件提取圖形式的數(shù)據(jù)。若文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤(SE),則標(biāo)準(zhǔn)差(SD)可根據(jù)公式(1)來(lái)轉(zhuǎn)換:
式中,n為重復(fù)次數(shù)。
統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)以響應(yīng)比(responseratios,RR)呈現(xiàn),且計(jì)算95%的置信區(qū)間(95%CI):
式中,NUEt和NUEe分別為對(duì)照組(NPK)和處理組(NPKM)的變量NUE的平均值。在分析過(guò)程里,需要將RR對(duì)數(shù)化,使用自然對(duì)響應(yīng)比(lnRR)來(lái)表示NUE受施用有氮肥的影響程度并且可由以下計(jì)算得:
施氮對(duì)冬小麥品質(zhì)及產(chǎn)量的影響上使用了反應(yīng)比(response ratio,R)作為效應(yīng)量,其公式為:
式中,Xc和Xe分別是獨(dú)立研究中對(duì)照組和試驗(yàn)組的平均值。將所述反應(yīng)比轉(zhuǎn)化為百分比變化率,公式如下:
式中,正Y值表示施氮處理產(chǎn)生正效應(yīng),負(fù)Y值則表示產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。
若Y值的95%置信區(qū)間與0重合,則認(rèn)為施氮效應(yīng)不顯著, 反之效應(yīng)顯著。各亞組分析中,若不同分組內(nèi)各個(gè)Y值的95%置信區(qū)間未重合,就認(rèn)為組間差異顯著,相反則差異不顯著。
1.3?數(shù)據(jù)分析
Meta分析歸并計(jì)數(shù)資料的響應(yīng)比,且在求得加權(quán)平均響應(yīng)前,應(yīng)確認(rèn)各試驗(yàn)處理及結(jié)果有無(wú)異質(zhì)性(不同研究結(jié)果之間或處理之間是否是由于隨機(jī)誤差引起)。因此,使用卡方檢驗(yàn)(Chi-squaretest)來(lái)檢驗(yàn)異質(zhì)性,若檢驗(yàn)結(jié)果P>0.05,表示不同研究結(jié)果或不同處理之間具有同質(zhì)性,可以選擇固定響應(yīng)模型計(jì)算歸并統(tǒng)計(jì)量,否則采用隨機(jī)效應(yīng)模型。
Meta分析以MetaWin 2.1軟件進(jìn)行。Meta分析中,根據(jù)不同氣候條件和土壤因素,比較NUE受NPK相比NPKM的影響程度。關(guān)于各篇文獻(xiàn)的觀測(cè)值,可以通過(guò)響應(yīng)值來(lái)估計(jì)NPK相較NPKM處理NUE的增長(zhǎng)量(響應(yīng)值大小則可以體現(xiàn)對(duì)照組相比處理組的影響效果)。數(shù)據(jù)分析過(guò)程中,還考慮了我國(guó)因地區(qū)不同,NPK和NPKM處理間NUE的差異,使用SPSS軟件11.0(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)實(shí)行顯著性檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,例如P<0.05,則認(rèn)為 NPK和NPKM處理的NUE存在明顯差異。
隨機(jī)森林方法是指使用R語(yǔ)言中的軟件包“RandomForest”計(jì)算不同因素對(duì)氮肥“增效”作用的貢獻(xiàn)率。
2?結(jié)果與分析
2.1?不同施氮量對(duì)小麥品質(zhì)和產(chǎn)量的影響
2.1.1?對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響。
氮素對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育有至關(guān)重要的影響,合理施氮對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量具有較明顯的促進(jìn)作用。施氮量小于400 kg/hm2對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量有促進(jìn)作用(圖1)。其中促進(jìn)作用在施氮量250 kg/hm2時(shí)達(dá)到峰值,GPC增加28.35%;當(dāng)施氮量為50 kg/hm2時(shí),增長(zhǎng)率最低,為6.84%。當(dāng)施氮量小于250 kg/hm2時(shí),GPC增長(zhǎng)率隨施氮量的增加而增加;當(dāng)施氮量大于250 kg/hm2時(shí),小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率開始下降。合理施氮對(duì)于小麥籽粒蛋白質(zhì)含量均有促進(jìn)作用,在施氮量為250 kg/hm2時(shí)效果最佳,之后小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率隨施氮量增加而下降。
2.1.2?對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。
合理施氮對(duì)小麥產(chǎn)量同樣具有促進(jìn)作用。在施氮量達(dá)到200 kg/hm2之前,隨著施氮量的增加,小麥產(chǎn)量增長(zhǎng)率也在增加;當(dāng)施氮量達(dá)到200 kg/hm2時(shí),小麥產(chǎn)量增長(zhǎng)率達(dá)到研究峰值,為35.4%;當(dāng)施氮量為50 kg/hm2時(shí)增長(zhǎng)率是18.64%,為最低值;而當(dāng)施氮量高于200 kg/hm2時(shí),增長(zhǎng)率呈下滑趨勢(shì)??傊?,施氮量對(duì)于小麥產(chǎn)量有著促進(jìn)作用,該研究中施氮量為200 kg/hm2時(shí)效果最佳(圖2)。
2.2?不同施氮次數(shù)對(duì)小麥作物的影響
2.2.1?對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響。
小麥生長(zhǎng)期間不同施氮次數(shù)對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量影響顯著,對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量而言,5次及5次以內(nèi)的施氮處理對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量呈促進(jìn)作用。從圖3可以看出,施氮3次時(shí)籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率達(dá)到峰值,增長(zhǎng)率達(dá)45.12%;施氮次數(shù)達(dá)5次時(shí)增長(zhǎng)率最低,僅8.22%;合理次數(shù)內(nèi)施氮處理對(duì)于小麥籽粒蛋白質(zhì)含量具有促進(jìn)作用,施氮3次時(shí)效果最顯著,而次數(shù)再增加時(shí)促進(jìn)效果明顯下降。
2.2.2?對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。
該研究統(tǒng)計(jì)了3次及3次以內(nèi)施氮次數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量的影響,均對(duì)小麥產(chǎn)量有促進(jìn)作用,平均增長(zhǎng)率為36.18%。從圖4可以看出,施氮1次時(shí)小麥產(chǎn)量增長(zhǎng)率為33.8%,施氮2次時(shí)小麥產(chǎn)量增長(zhǎng)率為35.48%,施氮3次時(shí)小麥產(chǎn)量增長(zhǎng)率最高,達(dá)39.26%。
2.3?不同追氮時(shí)期對(duì)小麥作物的影響
2.3.1?對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響。
不同時(shí)期追氮處理會(huì)對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量造成不同影響。在不同生長(zhǎng)階段對(duì)小麥進(jìn)行追氮處理對(duì)其籽粒蛋白質(zhì)含量有促進(jìn)作用,小麥籽粒蛋白質(zhì)含量平均增長(zhǎng)率達(dá)到21.67%。從圖5可以看出,在開花期進(jìn)行追氮處理,小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率最高,達(dá)34.47%,灌漿期追氮處理小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的增長(zhǎng)率僅15.72%,為各時(shí)期最低。
2.3.2?對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。
相似地,不同時(shí)期追氮處理會(huì)對(duì)小麥產(chǎn)量造成不同影響,平均產(chǎn)量增長(zhǎng)率為31.7%。根據(jù)圖6可以看出,拔節(jié)期追氮小麥產(chǎn)量增長(zhǎng)率為28.37%,為研究最低值,灌漿追氮小麥產(chǎn)量增長(zhǎng)率為35.82%??傊?,在灌漿期進(jìn)行追氮處理對(duì)小麥產(chǎn)量的促進(jìn)效果最好,在開花期和越冬期追氮促進(jìn)效果相差不多,促進(jìn)效果較差,與對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)的影響相比,不同時(shí)期追氮對(duì)小麥產(chǎn)量影響更大。
3?討論
3.1?不同施氮量與施氮次數(shù)對(duì)小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響
不同施氮量對(duì)小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量影響顯著,合理的施氮處理可以協(xié)調(diào)小麥品質(zhì)和籽粒產(chǎn)量之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效高產(chǎn)同步增長(zhǎng)的目標(biāo)。在氮水平較低時(shí),增施氮肥處理可提高小麥品質(zhì)和產(chǎn)量;當(dāng)施氮量到達(dá)產(chǎn)量高限時(shí),繼續(xù)增施氮肥可能造成產(chǎn)量降低,但還有可能使品質(zhì)提高。通過(guò)Meta分析發(fā)現(xiàn),在研究中的數(shù)據(jù)范圍內(nèi),無(wú)論施氮量多少,都會(huì)對(duì)小麥品質(zhì)和產(chǎn)量有促進(jìn)作用,當(dāng)施氮量達(dá)到250 kg/hm2時(shí),小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率為研究峰值。介曉磊等[5]研究認(rèn)為,在土壤為中高肥力的條件下,施氮量達(dá)到240 kg/hm2時(shí)小麥產(chǎn)量達(dá)到最高,這與該研究結(jié)果基本一致。但施氮量繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí),小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率與產(chǎn)量增長(zhǎng)率均呈下降趨勢(shì),該施氮量會(huì)增加成本、浪費(fèi)氮肥。關(guān)于小麥籽粒蛋白質(zhì)和施氮量的關(guān)系,研究結(jié)果總體一致,即兩者呈顯著正相關(guān),籽粒蛋白質(zhì)含量隨著施氮量的增加而增加[6]。小麥生長(zhǎng)期間不同的施氮頻次對(duì)于小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量也有重大影響,研究表明與施氮量所造成的影響類似,施氮次數(shù)對(duì)于小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率的作用也是先增后降。
3.2?不同追氮時(shí)期對(duì)小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響
不同時(shí)期追氮處理會(huì)對(duì)小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與小麥產(chǎn)量造成不同影響。利用Meta分析的方法發(fā)現(xiàn),灌漿期追氮對(duì)小麥產(chǎn)量的促進(jìn)作用較明顯,增長(zhǎng)率達(dá)0.358%,不同追氮時(shí)期對(duì)小麥產(chǎn)量的影響在于群體數(shù)量,當(dāng)小麥穗數(shù)逐漸增加時(shí),產(chǎn)量提高。李珊珊等[7]研究表明,追氮在一定程度上可延緩旗葉的衰老,并可將其功能期延長(zhǎng),其中以開花期追氮作為后期處理為佳。且后期追氮,特別是開花期追氮會(huì)使旗葉中硝酸還原酶處于一個(gè)較高的活性水平,并且有利于活性保持相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間。在小麥籽粒蛋白質(zhì)含量和施氮時(shí)期的關(guān)系中,前人普遍認(rèn)為當(dāng)施氮時(shí)期后移時(shí),籽粒蛋白質(zhì)含量呈增加趨勢(shì)[8-11] 。目前,對(duì)小麥最佳施氮時(shí)期還沒(méi)有形成統(tǒng)一的結(jié)論,自拔節(jié)期到開花期均有推薦[12]。張軍等[8]認(rèn)為在適宜的施氮量條件下,開花期作追氮處理蛋白質(zhì)含量最高,抽穗期追氮處理次之。楊麗娟等[13]研究表明,氮肥后移對(duì)灌漿期籽粒增重作用明顯,能保持灌漿后勁、延長(zhǎng)灌漿過(guò)程,利于小麥增產(chǎn)和籽粒品質(zhì)的提高。而在開花期追氮處理會(huì)導(dǎo)致穗數(shù)少,從而引起產(chǎn)量下降。拔節(jié)期做追氮處理有利于小麥在抽穗期和灌漿期維持較高葉面積指數(shù),而抽穗期和灌漿期是小麥干物質(zhì)積累的關(guān)鍵時(shí)期,最終利于小麥獲得較高產(chǎn)量。
3.3?研究的不足與意義
氮條件對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響是一個(gè)繁雜的過(guò)程,要正確認(rèn)知這一過(guò)程,既需要關(guān)注小麥各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo),對(duì)其進(jìn)行分析,也要探究多方面因子以及不同種環(huán)境條件所帶來(lái)的綜合作用,以此向Meta分析提供多且可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。小麥經(jīng)過(guò)常年培育,由于風(fēng)土環(huán)境不同,培育出了相當(dāng)數(shù)量的品種,該研究雖參考了大量文獻(xiàn)但并沒(méi)有考慮到由于品種、地區(qū)所造成差異的影響,也沒(méi)有將溫度、水分脅迫、土壤質(zhì)地等會(huì)對(duì)小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量有影響的條件納入研究中。由于該研究參考的文獻(xiàn)較少提到小麥的施肥方式,因此未將施肥模式對(duì)小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響納入研究條件中。盡管對(duì)于影響小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量的因素考慮不夠詳盡,關(guān)于氮條件對(duì)于小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量影響的研究比較符合日常經(jīng)驗(yàn)結(jié)果。已有文獻(xiàn)顯示,氮條件對(duì)小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量具有顯著影響,該研究的結(jié)果也為小麥如何科學(xué)施氮、最大程度避免減產(chǎn)并增產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù),從而為我國(guó)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的提升提供了理論和科學(xué)依據(jù)。
4?結(jié)論
施氮條件對(duì)小麥品質(zhì)和產(chǎn)量有明顯影響。在小麥不同生長(zhǎng)時(shí)期施氮,對(duì)品質(zhì)和產(chǎn)量都有正面作用。在拔節(jié)期追氮,小麥產(chǎn)量增長(zhǎng)率最低;在灌漿期追氮,小麥產(chǎn)量增長(zhǎng)率最高,為0.358%。
施氮量達(dá)到250 kg/hm2時(shí),小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)含量增長(zhǎng)率均為最高。當(dāng)施氮量繼續(xù)增加時(shí),產(chǎn)量增長(zhǎng)率下降但品質(zhì)還有可能繼續(xù)提高;但當(dāng)施氮量過(guò)高時(shí),產(chǎn)量和品質(zhì)增長(zhǎng)率均呈下降趨勢(shì)。在該研究中的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)進(jìn)行多次施氮同樣對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)具有正面作用,以3次最佳。
參考文獻(xiàn)
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