摘要：土壤碳固存可改善土壤質(zhì)量、保障糧食安全和減緩氣候變化。稻萍共生是我國傳統(tǒng)的稻作方式，能提高水稻產(chǎn)量。然而，尚不清楚短期內(nèi)稻萍共生對水稻土壤碳固存的影響。為探尋稻萍共生模式對南方稻田土壤碳固存的影響，在閩北進行了田間試驗，設置3種不同的田間管理措施，分別為不施肥處理（CK）、常規(guī)化學施肥處理（F）以及常規(guī)化學施肥聯(lián)合稻萍共生處理（FA），測定水稻凈初級生產(chǎn)力、總固碳量、土壤異氧呼吸CO2排放量和CH4排放量，并計算稻田凈生態(tài)系統(tǒng)碳收支（NECB）和土壤有機碳（SOC）的固存速率。結果表明：稻萍共生能顯著提高水稻凈初級生產(chǎn)力、水稻總固碳量以及土壤異氧呼吸CO2排放總量（P＜0.05），但FA與F間的CH4排放量沒有顯著差異。不同處理的生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支范圍為2 751.04～4 900.61 kg·hm?2，表明所有處理都是凈碳匯。而且，F(xiàn)A顯著提高了生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支和土壤有機碳的固存速率（P＜0.05）。研究顯示常規(guī)化學施肥聯(lián)合稻萍共生處理是提高中國東南部稻田SOC固存的有效管理方法，在減緩氣候變化方面具有較大潛力。

關鍵詞：稻萍共生；凈初級生產(chǎn)力；CH4排放量；生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支；碳固存速率

中圖分類號：S511文獻標志碼：A文章編號：0253?2301（2024）12?0075?08

DOI：10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.12.012

Analysis of Soil Carbon Sequestration Effect in Paddy Field of Northern Fujian Under the Mode ofIntegrated Rice-Azolla imbricata Cropping

ZHENG Hui-fen1，2，LI Zhen-wu1，2，DENG Su-fang1，2，CHEN Zhi-tong1，2，YING Zhao-yang1，2*

（1.Institute of Resources，Environment and Soil Fertilizer，F(xiàn)ujian Academy of Agricultural Sciences，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350013，China;2.National AzollaResource Germplasm Center，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350013，China）

Abstract：Soil carbon sequestration can improve the soil quality，ensure the food security and mitigate the climatechange.The integrated rice-Azolla imbricata cropping is a traditional rice cultivation method in China，whichcanincrease the rice yield.However，the short-term effects of integrated rice-Azolla imbricata cropping on the carbonsequestration in paddy soil remain unclear.In order to explore the effect of integrated rice-Azolla imbricata croppingmodel on soil carbon sequestration in paddy fields in southern China，a field experiment was carried out in northernFujian，and three different field management measures were set up，which were no fertilization treatment（CK），conventional chemical fertilization treatment（F）and the conventional chemical fertilization combined with integratedrice-Azolla imbricata cropping（FA）.Then，the net primary productivity（NPP），total carbon sequestration，CO2 andCH4 emissions from soil heterotrophic respiration were measured，and the net ecosystem carbon budget（NECB）and the sequestration rate of soil organic carbon（SOC）were calculated.The results showed that the integrated rice-Azolla imbricata cropping could significantly increase the net primary productivity of rice，the total carbon sequestration of rice and the total amount of CO2 emitted by soil heterotrophic respiration（P＜0.05），but there was no significant difference in CH4 emission between FA and F in the paddies.The net ecosystem carbon budget of different treatments ranged from 2 751.04 to 4 900.61 kg·hm?2，indicating that all treatments were net carbon sinks.Moreover，F(xiàn)A significantly increased the net ecosystem carbon budget and soil organic carbon sequestration rate（P＜0.05）.These results have shown that the conventional chemical fertilization combined with the integrated rice-Azolla imbricata cropping was an effective management method to improve the SOC sequestration in paddy fields in southeastern China and had great potential in mitigating the climate change.

Key words：Integrated rice-Azolla imbricata cropping；Net primary production；CH4 emissions；Net ecosystem carbon budget；SOC sequestration rate

全球氣候變化深刻影響了生物多樣性、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類的生活[1]。碳固存是通過生態(tài)系統(tǒng)的自然過程來增加除大氣之外碳庫（如海洋、土壤、植被等）中碳含量的措施，作為一種減緩氣候變化的策略，一直備受關注[2]。水稻是我國的主要糧食作物，與旱地相比，水稻田有較強的土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC）固存能力[3]。此外，SOC是土壤肥力的關鍵因素，增加水稻田SOC儲量，不僅能提高稻田土壤質(zhì)量和水稻產(chǎn)量[4]，對保障我國的糧食安全有重要意義，還有助于減緩氣候變化[5]。土壤的有機碳固存能力通常采用土壤SOC儲量來表征，然而，由于SOC的空間變異性較大，且其在短期內(nèi)的變化幅度相對較小，在季節(jié)或年際尺度上，很難檢測出土壤SOC含量的微小變化[6]。生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支（Net ecosystem carbonbudget，NECB）分析是一種精確的工具，適用于估算短期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)土壤碳平衡[7]。NECB為生態(tài)系統(tǒng)碳輸入和輸出之間的差值，它可確定農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是凈碳匯還是凈碳源[8]。目前，NECB已被公認為確定短期碳平衡的科學評價指標，被廣泛用于評估生態(tài)系統(tǒng)的短期碳收益或損失[9]。通過NECB分析可以評估當前田間管理條件下水稻田的碳固存能力。

紅萍，又名滿江紅，是熱帶、亞熱帶生長的一種萍、藻共生的水生蕨類，有很強的固氮和吸收大氣中的CO2潛力[10]。稻田養(yǎng)萍，即紅萍與水稻同時生長在田間，是我國歷史悠久的一種稻田管理方式。研究表明稻萍共生對于提高水稻產(chǎn)量、培育肥力具有明顯作用[10]。與非農(nóng)業(yè)土壤相比，田間管理措施對稻田的SOC儲量有很大影響[11]。迄今為止，只有極少數(shù)研究評估了NECB對不同水稻管理措施的響應。例如，Hwang等[12]報道韓國1塊同時施用氮肥和綠肥的稻田NECB為2 117～3 699 kg·ha?1。Xia等[13]發(fā)現(xiàn)與不施氮處理相比，施氮處理明顯增加了稻田的NECB，增幅為17.2%～18.5%。稻萍共生能提高稻田氮素供應水平，然而，尚不清楚短期內(nèi)稻萍共生對水稻田SOC固存能力的影響。因此，為探尋稻萍共生模式對南方稻田土壤碳固存的影響，在閩北進行了田間試驗，設置不施肥處理（CK）、常規(guī)化學施肥處理（F）以及常規(guī)化學施肥聯(lián)合稻萍共生處理（FA）3種不同田間管理措施，通過計算并分析稻田的NECB，來評估不同管理措施對稻田土壤有機碳（SOC）固存效果的影響，從而篩選出能有效提高稻田土壤有機碳儲量的管理措施。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗種植的水稻品種為中稻嘉豐優(yōu)2號，紅萍為卡州滿江紅Azolla caroliniana和細葉滿江紅Azolla filiculoides的混種。

1.2試驗地概況

供試田塊位于福建省浦城縣蓮塘鎮(zhèn)馬西村（118°29′50″N，27°59′2″E），海拔255.75 m，該地區(qū)處于典型的亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫17.4℃，年平均降水量1 780 mm，年平均日照總數(shù)1 893 h，全年無霜期254 d左右。試驗地土壤為灰泥田，土壤肥力中上。試驗前耕層土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)26.60 g·kg?1，堿解氮103.83 mg·kg?1，有效磷49.60 mg·kg?1，速效鉀68.6 mg·kg?1，pH 4.92。

1.3試驗設計

田間試驗于2021年開始，設置3個處理，分別為：（1）不施肥處理（CK）；（2）常規(guī)化學施肥處理（F）；（3）常規(guī)化學施肥聯(lián)合稻萍共生處理（FA）。試驗采用隨機區(qū)組設計，每個處理設3次重復，小區(qū)面積為24 m2，小區(qū)間采用30 cm寬的田埂攔隔，并用塑料薄膜覆蓋防止串水串肥，各小區(qū)獨立排灌。常規(guī)化學施肥為：N 180 kg·hm?2、P2O5 60 kg·hm?2、K2O 90 kg·hm?2。氮、磷和鉀肥分別為尿素（46%N）、過磷酸鈣（12%P2O5）和氯化鉀（60%K2O）。氮肥和鉀肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥為4∶3∶3施用，磷肥一次性基施。水稻移栽前兩周放養(yǎng)紅萍，放養(yǎng)量3 750 kg·hm?2。水稻采用育秧移栽，寬窄行種植，寬行31 cm，窄行15 cm，株距23 cm。田間管理按當?shù)剞r(nóng)田管理措施進行。

1.4指標測定

1.4.1凈初級生產(chǎn)力及總固碳量測定在水稻成熟期，于各個小區(qū)中隨機選取具有代表性的4穴水稻，將水稻的稻稈和籽粒用去離子水洗凈后，放入干燥箱105℃，鼓風條件下殺青30 min，隨后65℃干燥48h至恒定質(zhì)量，并稱量。干燥后的樣品粉碎后過100目篩混勻，測定水稻莖稈和籽粒的碳含量。根系凈初級生產(chǎn)力（Net primary productivity，NPP）通過地上部生物量與根生物量的比率（R/S）估算得出。本研究未考慮作物光合碳在地上和地下的分配隨管理而發(fā)生的變化，R/S定為0.10[14]，水稻根的碳含量取值36.19%[15]。根據(jù)小區(qū)種植的水稻穴數(shù)量，計算水稻凈初級生產(chǎn)力（Net Primary productivity，NPP，kg·hm?2）。NPP=水稻秸稈干物質(zhì)+稻谷干物質(zhì)量+根干物質(zhì)量。

NPP-C指水稻總固碳量，通過以下公式計算[7]：

NPP-C=NPPGrain-C+NPPStraw-C+NPPRoot-C+NPPLitter-C+NPPRhizodeposition-C

式中NPPGrain-c指稻谷的生物量×籽粒的含碳量，NPPStraw-c指水稻秸稈的生物量×水稻莖稈的含碳量，NPPRoot-c指水稻根的生物量×水稻根的碳含量，NPPlitter-c指水稻凋落物含碳量，NPPRhizodeposition-c，指根際沉積物含碳量，NPPlitter-c占NPPgrain+straw-c的5%，NPPrhizodepostion-c等于NPProot-c[16?17]。NPP-c單位為kg·hm?2。

1.4.2土壤異氧呼吸CO2排放量以及CH4排放量測定為評估稻萍共生模式對土壤中礦化碳損失的影響，采用“靜態(tài)箱-氣相”測定水稻生育期內(nèi)CH4、CO2的排放量。靜態(tài)箱采樣系統(tǒng)采用暗色PVC材質(zhì)制成，由地箱、中段箱和頂箱組成。地箱入土深約15 cm，底座上部帶有深5 cm的正方形U槽，箱內(nèi)種植4株水稻，采集氣樣前加水密封，罩上頂箱，每隔10 min（0、10、20、30 min）抽取箱內(nèi)氣體進行濃度測量。中段箱和頂箱體積相同，尺寸為50 cm×50 cm×50 cm，當水稻植株較高時可加中段箱。從水稻移栽的第2 d起，每隔7 d左右采氣1次，氣體觀測時間為9：00～11：00。取氣前啟動微型電風扇，使箱體內(nèi)氣體均勻，之后用50 mL注射器抽取箱內(nèi)氣體樣品注入氣袋，隨后帶回實驗室用氣相色譜儀（島津GC-2010PLUS型，日本）檢測分析CH4、CO2濃度。根據(jù)已測的CH4、CO2濃度，估算濃度與時間線性回歸的斜率，計算排放通量與全生育期內(nèi)氣體排放總量。

排放通量計算公式為：

F=（273根ρ根h根dc/dt）/（273+T1）

式中F為CH4、CO2排放通量，mg·（m?2·h?1）；ρ為標準狀態(tài)下CH4、CO2密度（其中CH4為0.717 kg·m?3，CO2為1.997 kg·m?3）；h為靜態(tài)箱內(nèi)有效高度，m；dc/dt為氣體濃度差值，mL·（m?3·h?1）；

T1為采樣時靜態(tài)箱內(nèi)平均空氣溫度，℃。排放總量計算式為：

T=∑1[（Fi+1+Fi）/2]（Di+1-Di）根24/1 000

式中T為排放總量，kg·hm?2；Fi為第i次采樣時的CH4、CO2排放通量，mg·（m?2·h?1）；Fi+1為第i+1次采樣時的CH4、CO2排放通量，mg·（m?2·h?1）；Di為第i次采樣時間，d；D i+1為第i+1次采樣時間，d。

因為不可抗拒的因素，只測定了水稻生長前3個月的氣體排放通量。根據(jù)公式（2）計算前3個月的各處理CH4排放總量和土壤呼吸CO2排放總量，并以前3個月排放總量占總排放量的80%來估算水稻生長季的CH4和土壤CO2排放總量。

依據(jù)相關研究結果，稻田土壤異養(yǎng)呼吸CO2排放總量（Heterotrophic respiration，Rh）對土壤呼吸CO2排放總量（Soil respiration，Re）的貢獻率α為24%[18?19]，采用Rh=α﹒Re進行計算稻田土壤異養(yǎng)呼吸。

1.4.3計算生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支和SOC的固存速率

生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支（NECB）表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳變化，其測量方法是生態(tài)系統(tǒng)的總碳輸入量減去整個生長期的碳輸出量[20]，其值的正、負和大小能反映出整個生態(tài)系統(tǒng)的碳損益情況。NECB計算公式如下：NECB=∑C輸入量?∑C輸出量=（水稻總固碳量+施肥輸入的碳）?[收獲去除的碳+碳礦化損失（異氧呼吸排放的碳+甲烷排放的碳）]

∑C輸入量代表農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳物質(zhì)的總輸入量（kg·hm?2），包括水稻固碳總量（kg·hm?2）、來自尿素的碳（kg·hm?2）和秸稈輸入的碳（本試驗未涉及秸稈還田，取值為0，kg·hm?2），∑C輸出量是指農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳損失的總量，包括收獲后去除的碳量（主要指地上生物量總量，包括谷物、葉片和秸稈，kg·hm?2）和礦化碳損失（包括經(jīng)由微生物異氧呼吸Rh和甲烷排放途徑所礦化損失的碳，kg·hm?2）。Rh碳含量按照土壤異氧呼吸CO2排放總量的12/44進行計算，CH4碳含量按照CH4排放總量的12/16進行計算。本地域沒有風蝕和水蝕，因此不考慮淋溶和侵蝕造成的碳損失。尿素的碳濃度為0.2 kg·kg?1。NECB計算所得出的數(shù)值為正值，表示土壤中的凈碳增益，負值則表示土壤中的凈碳損失。

據(jù)報道，水稻土中有機碳的增加量轉化為SOC的平均轉化率為213 g·kg?1。因此，本研究采用系數(shù)為0.213，利用NECB值估算水稻土中土壤有機碳的固存速率[21]。

1.5數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0進行統(tǒng)計和分析，方差分析以最小顯著性法（LSD）檢驗數(shù)據(jù)的差異顯著性。

2結果與分析

2.1稻萍共生處理對水稻凈初級生產(chǎn)力及總固碳量的影響

由圖1可知，3種處理的水稻凈初級生產(chǎn)力和總固碳量由高到低為：FA＞F＞CK。FA的水稻凈初級生產(chǎn)力（NPP）較F和CK分別顯著增加19.24%（r＜0.05）和51.88%（r＜0.05）。FA的總固碳量也顯著高于F和CK（r＜0.05）。本試驗結果表明，F(xiàn)A可顯著提高水稻的凈初級生產(chǎn)力和固碳能力。

2.2稻萍共生處理對土壤異氧呼吸CO2排放量和CH4排放量的影響

2.2.1土壤異氧呼吸CO2排放量

各處理CO2排放通量的變化趨向一致，總體呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢。自返青期開始，土壤CO2排放通量開始升高，并在分蘗期達到土壤CO2排放量的最高點，其中FA的土壤CO2排放通量為481.61 mg·m?2·h?1，F(xiàn)A與F間未有顯著差異（r＞0.05），CK較FA顯著減少48.77%（r＜0.05）。隨后的土壤CO2排放通量開始下降，直至曬田期排放量下降到最低點，田間復水后排放量先上升，然后緩慢下降到較低濃度，說明水稻生育后期的土壤呼吸速率低于水稻生育前期。

由圖3可知，F(xiàn)A的土壤異氧呼吸CO2排放總量較F和CK分別顯著提高41.01%（r＜0.05）和76.08%（r＜0.05）。紅萍的固氮效應提高了土壤的氮素水平，促進了根系發(fā)育，根系分泌物增加，為土壤微生物提供了充足的底物，從而增加了土壤微生物的呼吸強度，導致土壤異氧呼吸CO2排放總量增加。

2.2.2 CH4排放量由圖4可知，各處理CH4排放通量在生育期內(nèi)變化趨勢相似，可觀測到兩個排放高峰期為分蘗期和孕穗期。FA分蘗期的CH4排放通量為12.86 mg·m?2·h?1，F(xiàn)和CK較FA分別減少28.07%（r＞0.05）、103.43%（r＜0.05）。分蘗期后進入曬田期，土壤通氣及水分條件發(fā)生變化，因此各處理的CH4排放通量回落到較低水平。曬田結束后稻田復水，導致各處理CH4排放通量再次迅速升高，并于孕穗期達到第2個排放高峰，其中F和CK較FA分別減少20.83%（r＞0.05）、117.85%（r＜0.05）。孕穗期后，各處理的CH4排放通量逐漸下降。總體而言，F(xiàn)A的CH4排放通量顯著高于CK，但與F間未有顯著差異。

由圖5可知，F(xiàn)和FA的CH4排放總量比CK分別高49.36%（r＜0.05）和62.32%（rlt;0.05），但F和FA間無顯著差異。本試驗結果表明，與CK相比，F(xiàn)和FA均促進了水稻生長，增加了產(chǎn)甲烷菌的底物，從而增加了產(chǎn)甲烷菌活性，促進了CH4的排放；而FA雖然增加稻田的氮素供應，與F相比，并未增加稻田的CH4排放總量。

2.3稻萍共生處理對生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支（NECB）和土壤SOC固存速率的影響

由表1可知，各處理土壤微生物異氧呼吸的碳占碳排放總量的61.25%～78.48%，這表明在稻田土壤微生物異氧呼吸是氣體碳損失的主導因素。各處理的NECB均為正值，表示該紅壤區(qū)稻田為凈碳匯。總體來說，F(xiàn)A的碳匯能力最高，為4 900.61kg·hm?2，較F和CK分別顯著提高24.76%（rlt;0.05）和78.14%（r＜0.05）。根據(jù)NECB值，估算出一個水稻季稻田土壤SOC的固存速率為0.59～1.04 mg·hm?2，其中FA顯著提高了稻田SOC的固存速率，較CK和F分別顯著提高了76.27%（r＜0.05）和23.81%（r＜0.05）。

3討論與結論

水稻是我國主要糧食作物，稻田是我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，提高稻田的土壤有機碳固存能力，是維持水稻高產(chǎn)、實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳中和的重要基礎。本試驗通過測定稻田的凈初級生產(chǎn)力、CO2排放量和CH4排放量，對稻田的凈生態(tài)系統(tǒng)碳收支（NECB）進行計算，以評價稻萍共生模式下稻田土壤的固碳潛力。

在本研究中，碳輸入主要來自水稻凈初級生產(chǎn)力（NPP），而NPP受田間管理措施影響顯著。F和FA的NPP分別比CK高51.88%（r＜0.05）和81.10%（r＜0.05），這是因為F和FA提高了稻田土壤氮水平，促進水稻生長，增加了水稻的干物質(zhì)量和碳含量，從而導致稻田碳輸入的增加。與本研究的結果一致，Kim[22]等也報道了高水平施氮增加水稻干物質(zhì)重，顯著提高稻田NPP。

在水稻單作生態(tài)系統(tǒng)中，收獲時的碳去除（谷物，包括秸稈）和碳礦化損失是碳輸出的主要來源[23]。我國實行秸稈還田政策，農(nóng)民在收割稻谷時，將所有秸稈歸還回稻田，收獲去除只包含稻谷。在本研究中，收獲去除的碳占稻田總碳輸出的90.70%～92.20%，相對于收獲去除的碳，碳礦化損失只占稻田總碳輸出的一小部分，因此碳礦化損失對NECB的貢獻遠小于收獲時去除的稻谷碳。本研究發(fā)現(xiàn)，不同的田間管理模式收獲去除的碳量有顯著影響，F(xiàn)A的收獲去除碳量最高。在水稻田生態(tài)系統(tǒng)中，通過土壤微生物異氧呼吸及甲烷排放礦化碳是碳從土壤向大氣排放損失的主要途徑[22]。在本研究中，通過微生物異氧呼吸礦化碳（Rh）是碳礦化損失的主要途徑。與收獲去除碳含量相似，不同的種植模式顯著影響了Rh。相較于F，F(xiàn)A顯著增加了稻田的Rh，可能是因為FA較F促進了水稻生長，導致更多的根系分泌物和凋落物輸入土壤，含碳基質(zhì)的增加刺激了稻田土壤微生物的豐度和活性，因此FA的稻田Rh增加。前人的研究也證實提高作物產(chǎn)量、生物量，可增加生態(tài)系統(tǒng)的呼吸量[24?25]，與本研究結果一致。目前，關于紅萍對稻田CH4排放影響的研究結果并不一致，有研究發(fā)現(xiàn)稻田養(yǎng)萍能促進CH4排放量[26?27]，也有研究認為紅萍能降低稻田CH4排放[28?29]，而本研究發(fā)現(xiàn)稻萍共生沒有顯著影響稻田的CH4排放量，不同的試驗效果可能與試驗地的氣候及土壤條件有關。總體而言，由于FA的收獲去除碳和礦化碳含量均高于F，F(xiàn)A的碳輸出顯著高于F。

眾所周知，采取恰當?shù)霓r(nóng)業(yè)措施可以提高農(nóng)田碳固存能力。Xia[13]等計算了江蘇常熟稻田每年的NECB（4 057～14 380 kg·hm?2），發(fā)現(xiàn)適宜的施氮量可進一步提高土壤有機碳（SOC）儲量。與Xia[13]的結果相似，本研究發(fā)現(xiàn)水稻季稻田生態(tài)系統(tǒng)的NECB為2 751.04～4 900.61 kg·hm?2，表明閩北稻田具備較強的碳匯功能。FA的NECB較F增加了24.76%，說明FA能提高稻田SOC固存能力，這主要是因為FA中的紅萍有高效固氮能力，能顯著提高土壤的氮素水平，從而增加了稻田的NPP。本研究估算出閩北稻田水稻季土壤SOC的固存速率為0.59～1.04 mg·hm?2，與Pan等[3]估計中國水稻土的年SOC固存速率（0.13～2.20 mg·hm?2）的范圍一致。然而，本研究也有一些局限性，例如研究持續(xù)的時間較短，本研究只評估了直接溫室氣體的排放（CO2和CH4），忽略了農(nóng)業(yè)機械燃料油耗造成的溫室氣體排放量等其他因素。在今后的研究中，應在較長的時間尺度上，考慮所有相關的溫室氣體排放因素，評估稻萍共生模式下稻田的生態(tài)系統(tǒng)凈碳收支狀況。

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（責任編輯：柯文輝）