全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 032202206
坡耕地土壤有机碳再分布特征及其迁移累积平衡
方华军1 ,2 　杨学明3 　张晓平1 　梁爱珍1
(11 中国科学院东北地理与农业生态研究所 ,吉林 长春　130012 ;21 中国科学院研究生院 ,北京　100039 ;
31 Greenhouse & Processing Crops Research Centre , Agriculture & Agri2Food Canada , Harrow , Ontario , Canada N0R 1G0)
摘 　要 :利用137 Cs 和飞灰示踪技术 ,研究坡耕地黑土近 50 年和近 100 年来土壤再分布过程 ,计
算坡耕地土壤有机碳 (SOC) 迁移和累积平衡。结果表明 :利用 SOC 的深度分布特征鉴定坡脚
和坡足原始埋藏土壤的表面分别位于地表下 70 和 80cm ,其埋藏层的 SOC 含量分别比与其接
壤的上覆土层 SOC 含量高 512 和 014 gΠkg。坡顶、坡肩和坡背均遭受侵蚀 ,年平均侵蚀的土壤
厚度为 012、510 和 212 mmΠyr。坡脚和坡足部位飞灰到达的深度分别为 70 和 80cm ,与埋藏层
表面相吻合。坡脚飞灰出现于埋藏 A 层之中 ,表明沉积区在蒸汽机车开始使用前已被开垦为
农田 (或已有侵蚀和堆积发生) 。根据137 Cs 和飞灰分布深度构建了不同年代的坡型 ,结果表明
侵蚀部位剥蚀的土壤多堆积在坡脚和坡足 ,且搬运的土壤物质先累积于坡脚 ,随着景观坡度变
缓 ,土壤累积逐渐向坡足过渡。研究区 (1m 宽) 坡顶、坡肩和坡背近百年来由于土壤侵蚀共失
去 683 kg SOC ,其中 60 %(418 kg SOC) 沉积在坡脚和坡足等低洼部位 ,其中有 257kg SOC 是近
50 年累积的。
关键词 :137 Cs ; 飞灰 ; 土壤有机碳 ; 坡耕地 ; 东北黑土
收稿日期 :2004 - 07 - 17
资助项目 :中国科学院国外杰出人才支持项目 ( K09Z3) 、国家自然科学基金项目 (40271108 和 40471125)
作者简介 :方华军 (1978 - ) ,男 ,安徽巢湖人 ,博士研究生 ,主要从事土壤有机碳和土壤侵蚀方面的研究。
Email : huajunfang @neigae. ac. cn
SOIL ORGANIC CARBON REDISTRIBUTION AND BUDGET OF EROSION
AND DEPOSITION IN A SLOPING FIELD
FANG Hua2jun1 ,2 　YANG Xue2ming3 　ZHANG Xiao2ping1 　LIANG Ai2zhen1
(11 Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology , CAS , Changchun ,Jilin ,130012 ;
21 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences , Beijing , 100039 ;
31 Greenhouse & Processing Crops Research Centre , Agriculture &Agri2Food Canada , Harrow , Ontario , Canada N0 R 1 G0)
Abstract :A sloping field of black soil in northeast China was selected to conduct soil redistribution for the past
nearly 50 and 100 years , and to calculate the carbon budget by using 137 Cs and fly ash tracer techniques. The
results showed that the depth of original buried layer in foot2slope and toe2slope located at 70 and 80cm
respectively , and the content of SOC was 5123 and 0143gΠkg more than those of overlying soil . Summit , shoulder2
slope and back2slope suffered erosion with the rate of 012 ,5and 212 mmΠyr , respectively based on distribution of
137 Cs and fly ash with soil depth. The depths of fly ash attainment in foot2slope and toe2slope were 70 and 80 cm
respectively , and were well consistence with their buried surface horizon , which indicated the depositional areas had
been annually plowed before locomotives used. Most of the eroded soil materials in depositional areas were from
shoulder2slope and back2slope , accumulated in foot2slope firstly , then transferred to toe2slope gradually according to
soil surface of various years. The loss of SOC in summit , shoulder2slope and back2slope was 683 kg in all in the
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past nearly 100 years , among which 418 kg (about 60 %) was accumulated in foot2slope and toe2slope depressions ,
257 kg of soil carbon was accumulated in most recent 50 years.
Key words :Cesium2137 ; fly ash ; soil organic carbon ; sloping field ; black soil ; northeast China
土壤侵蚀一方面加速侵蚀部位土壤有机碳 (SOC) 库的损耗 ,同时迁移的土壤物质在低洼的景观部
位发生累积 ,并埋藏富含有机碳的原始土壤 ,从而隐遁 (sequestration) 一定数量的有机碳[1～3 ] 。SOC 库的
历史变化量通常是计算一定土壤深度范围内两个时段的 SOC 含量的差值[4 ,5 ] ,忽略了土壤侵蚀及随后
的迁移累积过程造成的 SOC在景观中再分布 ,结果可能过高地估计了农业 SOC 的损失量 ,进而加大对
全球“未知汇”数量的估计[3 ] 。为了校正坡地农田生态系统 SOC的损失量 ,首先应阐明 SOC 在景观中的
时空分布特征。VandenBygaart[1 ]建立了137 Cs 分层方法 ,并研究加拿大温带农田土壤再分布特征 ,指出沉
积区有相当数量的有机碳被埋藏在目前的耕作层下。但137 Cs 是大气热核爆炸的产物 (1950s 末 1960s
初) ,只能用来研究大气热核爆炸以后土壤物质的再分布。而利用飞灰作为时间标记物 ,可将沉积区土
壤累积的时间追朔到使用燃煤蒸汽机的初始年代[6 ] 。Jones[6 ] 等应用飞灰作为时间标记物 ,将美国
Illinois 州土壤侵蚀和沉积的时间延伸到 1850 年前后 ,这恰好与欧洲殖民者定居并使用蒸汽机动力的机
械开始垦荒的年代相吻合。
目前 ,对黑土碳平衡的研究较少 ,有关黑土再分布与 SOC 损失量的定量数据尤为缺乏。本研究拟
探讨137 Cs 和飞灰两个时间示踪剂在研究区土体中的分布特征 ,据此划分自上个世纪 50 年代和自中国东
北地区使用蒸汽机车以来 (1903 年)研究区的土壤埋藏和分布状况 ,计算研究区 SOC迁移和累积平衡。
1 　材料与方法
图 1 　典型断面上各地貌部位的
范围及采样点分布
Fig. 1 　The length of geomorphic positions and
location of sampling point in a typical transect
111 　研究区概况
研究区位于吉林省德惠市松花江镇西南 5km 沐石河小流域 (N :44°43′, E :125°5116′) ,处于中温带半
湿润气候区 ,年均气温 414 ℃,年均降水 52013 mm ,降水主要集中在 6、7、8 三个月 ,约占全年降水总量的
70 %以上。采样区位于集水盆地北坡 ,坡长 195 m ,相对高程 11139～11168 m。地形为典型的漫岗台地 ,
涵盖坡顶、坡肩、坡背、坡脚和坡足等 5 个地貌部位。采样区远离城镇 ,离最近的达家沟镇也有 5km ,长
春至哈尔滨的铁路蒸汽机车是早期飞灰的唯一来源。该铁路始建于 19 世纪末 ,为帝俄修建的东清铁路
一部分 ,即哈尔滨到长春的京滨线。该铁路以哈尔滨为起点于 1898 年 5 月 28 日开始动工 ,1903 年建成
并开始全线营业。采样区离该铁路约 1km。土壤属
于典型黑土亚类中的中层黑土。长期玉米连作 ,顺
向打垄耕翻是主要的土壤管理方式。
112 　野外采样
沿北坡垂直于等高线布设一个地形断面
(transect) ,包括坡顶、坡肩、坡背、坡脚和坡足部位 (图
1) 。利用日本 Topcon 公司生产的地球同步技术卫星
自动聚焦水准仪 GTSAF601 测量采样区高程和坡度 ,
确定采样点位置和计算各地貌部位的面积 (图 1) 。
坡顶坡度平均为 216°;坡肩坡度最大 ,平均为 315°;坡
背平均为 212°;坡脚和坡足部位坡度最小 ,分别为
112°和 111°。土壤样品采集于 2002 年 10 月 ,在每个
地貌部位挖一个土壤剖面用于采集土壤样品。其中
0～50cm 土层 ,各土壤剖面以 5cm 间隔采样 ; 50～
100cm 土层以 10cm 间隔采样。计算 SOC侵蚀和堆积
量时考虑的断面宽度为 1m(表 1) 。
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113 　室内分析
风干土样送至四川大学核物理实验室 ,采用美国 ORTEC公司生产的 HP Ge 探测器 ( GEM240190 型)
γ能谱仪测定土壤中137 Cs 活度。该谱仪的主要指标是 :半高宽 1133MeV ;相对探测效率为 40 % ;峰康比
62∶1 ;每个样品测量时间为 30000s ; 137 Cs 的探测下限 LLD≈0171BqΠKg。磁性矿物和飞灰含量按照 Jones
和 Olson[6 ]提供的方法测定。称取 10 g 土样置于 250 ml 烧杯中用NaOCl 溶液氧化土壤有机质 ,用蒸馏水
配成悬浊液 ,然后用薄塑料膜包裹磁铁在烧杯里来回搅动吸收磁性物质 ,将收集的磁性矿物烘干称重。
滴少量甘油将磁性矿物混合均匀 ,制片后在显微镜下检测浑圆的球状物 ,利用显微镜内部标尺计算飞灰
面积 ,并用飞灰面积占总磁性矿物的面积百分比来表征样品中飞灰的丰度。另一部分风干土样磨碎过
100 目筛 ,用元素分析仪 ( Thermo Finnigan , Italy ) 分析土壤总碳和全氮 ( TN) ,因本研究供试黑土不含碳
酸盐 ,所以总碳即为有机碳含量[8 ] 。
2 　结果与讨论
211 　土壤有机碳和全氮的深度分布
坡顶、坡肩和坡背 SOC含量均随土壤深度增加呈迅速递减。坡脚和坡足则表现明显的堆积和埋藏
特征 ,即 SOC含量先下降到 25cm 深处 ,然后迅速增加到土壤剖面的最大值 ,接着又递减到剖面的最小
值 (图 2) 。坡脚和坡足 SOC含量分别在 70cm 和 80cm 深处出现峰值。可能是埋藏土壤的原始 A 层 ,其
SOC 含量分别为 1716gΠkg 和 1211gΠkg ,比与其接壤的上覆土层 SOC含量分别高 5123gΠkg 和 0143gΠkg。土
壤全氮与 SOC变化趋势极其相似。坡顶、坡肩和坡背部位土壤 TN 含量随深度指数下降 ,坡脚和坡足分
别在 60cm 和 80cm 深处出现最大值。坡脚和坡足 0～25cm 土层 SOC 和全氮先减少 ,反映了堆积土体中
植物残体及根系输入累积特征。由 25cm 深处向下 SOC和 TN 迅速增加达到一个峰值点 ,反映了侵蚀物
质的累积过程。先累积的土壤 SOC和全氮含量较高 ,随着侵蚀的进行 ,上坡的 SOC 和全氮含量逐渐降
低 ,累积在坡脚的 SOC和全氮含量也随之降低。同时还说明研究区上坡遭受严重的侵蚀 ,暴露出较深
的亚表层。从峰值点向下 SOC和全氮递减到剖面的最低值 ,说明此峰值点可能是原始土壤表层上界或
原始耕作层的下界。利用 SOC和全氮的深度分布能够确定沉积部位的埋藏土壤表面 ,但还不能确定该
地貌部位土壤埋藏发生的时间和早期是否已经耕垦。
图 2 　各地貌部位 SOC和 TN 在土壤剖面中的分布
Fig. 2 　The distribution of SOC and TN with depth in geomorphic positions
各地貌部位表层土壤 (0～25cm) SOC含量坡顶最大 ,其次为坡背、坡足和坡脚 ,坡肩 SOC 含量最低。
坡顶的 TN 含量也表现为最大。坡顶相对平坦、土壤侵蚀微弱、有机碳得以保持。坡肩处于坡顶和坡背
的转折点 ,坡度平均为 315°,大于坡顶和坡背 ;这不仅与富含有机碳的表土迁移到沉积部位有关 ,而且与
该位置长期相对不良的土壤条件有关 ,如土壤水分不足、养分贫瘠以及土壤结构不良等也对其产生重要
影响。坡脚和坡足表层 SOC含量较低说明了坡脚和坡足现有的表层土壤物质多来源于 SOC 含量较低
的侵蚀部位 (坡肩)的缘故。也有的研究者得出相反的结论。Bergstrom 等[9 ]发现侵蚀物质的输入增加坡
脚部位 SOC含量 ,这可能与坡上部位 SOC组分的选择性迁移 ,较高的土壤有机质的输入 ,以及沉积区土
402 核　农　学　报 19 卷
壤 CΠN 增加有关。沉积区 SOC含量最终取决于该部位的环境条件[10 ] 。
2. 2 　137 Cs 和飞灰分层
137 Cs 散落到土壤中即被土壤有机质及粘粒紧密吸附 ,难以被置换和植物吸收利用 ,主要随土壤颗
粒发生物理迁移。由图 3 可以看出 ,坡顶、坡肩和坡背表层 20cm 内的137 Cs 分布比较均匀 ,反映了耕作混
合的结果。坡肩土壤侵蚀最严重 ,137 Cs 活度最小 ,137 Cs 分布深度最浅。坡肩137 Cs 最低分布深度 20cm 代
表了目前耕层的厚度。由于 1954 年为大气热核爆炸后137 Cs 沉积的第 1 年[11 ] ,土壤中可以观测到137 Cs 含
量的最早年份应为 1954 年。沉积部位137 Cs 到达的最低深度为 1954 年耕层下界。1964 年为北半球137 Cs
沉降的最大年份 ,则沉积部位137 Cs 活度在土壤剖面中的峰值位置为 1964 年耕层下界[12 ] 。如果某个地
貌部位的137 Cs 分布深度明显大于 20cm 可以认为有明显的土壤累积。坡脚和坡足137 Cs 到达的深度分别
为 35cm 和 80cm ,并且在 30cm 和 50cm 深度出现明显的137 Cs 累积峰。据此 ,坡脚和坡足自 1954 年以来均
表现出明显的土壤累积特征。坡脚部位137 Cs 到达深度在原始埋藏表层 (70cm)之上 ,说明在 1954 年前已
经有一定数量的土壤发生累积。而坡足部位137 Cs 到达深度和原始埋藏层表面相吻合 ,说明该部位在
1954 年就已被开垦。沉积部位的137 Cs 所达到的最大深度、137 Cs 在土壤剖面中的峰值深度与耕层厚度之
差分别为该地段自 1954 —1964 年以来的沉积厚度 ,除以各自的沉积时间 ,可计算出各时段的平均沉积
速率。1954 —1964 年间坡脚和坡足沉积速率依次为 015cmΠyr 和 3cmΠyr ,而 1964 —2002 年间两个地貌部
位的沉积速率依次为 0179cmΠyr 和 1132cmΠyr。
图 3 　各地貌部位137 Cs 和飞灰在土壤剖面中的分布
Fig. 3 　The depth distribution of 137 Cs and fly ash in each geomorphic position
采样区远离城镇 ,在铁路出现前 ,该区没有燃煤历史。因此 ,可以认为离采样点 1km 处的铁路是早
期飞灰的唯一来源 ,1903 年铁路正式运行为飞灰开始沉积的第 1 年。飞灰在非堆积部位 (坡顶、坡肩和
坡背)主要集中在 0～5cm 层 ,飞灰丰度介于 107119～149155 mgΠkg 之间 ,0～5cm 层以下飞灰出现丰度明
显降低 (图 3) 。沉积部位飞灰达到的深度应为 1903 年耕层的下界。坡脚和坡足飞灰到达的深度分别为
70cm 和 80cm(图 3) ,这恰好与原始埋藏表层相吻合 ,说明这两个地貌部位在东北蒸汽机车使用时已被
开垦。沉积部位的飞灰与137 Cs 到达深度之差为该地段 1903 —1954 年间土壤沉积厚度 ,除以沉积时间 ,
可计算出该时段的平均沉积速率。坡脚和坡足 1903 —1954 年间沉积速率分别为 0198 cmΠyr 和 0 cmΠyr。
这反映了研究区地形坡度特征。
213 　不同年代土壤表面的构建
方华军等[14 ]用137 Cs 示踪技术测定了坡顶、坡肩和坡背的侵蚀速率分别为 - 214、- 60102 和 - 26122
tΠha·yr。对应地貌部位平均每年侵蚀的土壤厚度为 012、5 和 212 mmΠyr。结合各时段的沉积时间 ,计算
出坡顶、坡肩和坡背自 1954 年以来剥蚀的土层厚度分别为 0196、24 和 1015cm ,其中 1964 年以来剥蚀的
土层厚度占总剥蚀厚度的 7911 %。由于黑土开垦历史已有 200 余年[13 ] ,所以研究区早在 1903 年就可能
被开垦。研究区降水在过去 100 年间变化不大 ,玉米连作一直是该区的主要种植方式。假设 1903 —
1954 年间土壤侵蚀速率与 1954 年以后相同 ,则坡顶、坡肩和坡背自 1903 年以来剥蚀的土层厚度分别为
1198、4915 和 2116cm。沉积部位按照137 Cs 和飞灰分层方法计算出各时段的沉积速率和沉积厚度。由此
构建出所研究的坡耕地 1903、1954、1964 以及 2002 年的土壤表面的阶段状态 (图 4) 。坡顶和坡背侵蚀微
弱 ,坡肩侵蚀最为强烈 ,坡脚和坡足则表现出显著的土壤累积。沉积部位的土壤物质绝对多数来自坡肩
502　3 期 坡耕地土壤有机碳再分布特征及其迁移累积平衡
和坡背。1954 年以前搬运的土壤物质主要累积在坡脚部位 ,1954 年以后累积土壤逐渐向坡足过渡 ,累
积的土壤主要集中在坡足部位。1903 —1954 年间坡足部位几乎没有土壤累积。
图 4 　不同时段各地貌部位的土壤表面位置
Fig. 4 　Soil surface for different erosion
phase of geomorphic positions
214 　土壤有机碳( SOC)侵蚀、迁移和沉积
侵蚀的 SOC量可由下列公式进行计算 :
Cl = f 1 ·A ·CSoil ·S ·BD ·N (1)
式中 : Cl 为 SOC 损失量 (kg) , A 为侵蚀速率 (cmΠyr) ,
CS 为 SOC含量 (gΠkg) , S 为该地貌部位的面积 (m2 ) ,
BD 为土壤容重 (gΠcm) , N 为侵蚀年数。
沉积部位累积的 SOC 数量用以下公式进行计
算 :
SOCa = f 2 ·Cs ·S ·H ·BD (2)
式中 : SOCa 为累积的 SOC数量 (kg) , CSoil为累积层的
SOC含量 (gΠkg) , H 为累积的土层厚度 (cm) , S 为该
地貌部位的面积 (m2 ) , BD 为累积层的土壤容重 (gΠ
cm
3 ) 。f 1 和 f 2 分别为换算系数。均匀的漫岗坡地是东北黑土区常见的典型地形 ,坡顶、坡肩、坡背、坡
脚和坡足分别距离分水岭 915、4113、10712、16415 和 19418m ,乘以宽度 1m 得出各地貌部位覆盖的面积
(表 1) 。由表 1 可知 ,坡脚部位近 50 年和近 100 年累积的 SOC分别为 69 kg 和 230 kg ,坡足部位 1903 —
1954 年间几乎没有 SOC的累积 ,1954 —2002 年间累积的 SOC 量为 188 kg ,约 83 %发生在最近 40 年内
(1964 —2002) 。整个沉积部位在近 100 年累积了 418kg SOC ,其中 257kg 碳是近 50 年累积的。研究断面
(1m 宽) SOC的净输出量先由 317kg CΠyr (1903 —1954) 减小到 115 kg CΠyr (1954 —1964) 和 116 kg CΠyr
(1964 —2002) ,反映了景观坡度的变化和由此引起的土壤剥蚀和累积的变化。研究结果表明有 60 %以
上侵蚀 SOC被累积在农田景观低洼的沉积部位 ,在计算陆地土壤碳平衡时既要考虑这部分碳 ,也应该
包括沉积部位地下埋藏的 SOC。除简单的土壤累积过程外 ,许多土壤科学工作者认为土壤侵蚀 - 迁移
- 截留过程的影响比纯粹的土壤碳迁移影响更大[15 ,16 ] ,表现在以下几个方面 : (1) 流域内农业侵蚀区植
被的生长和分解过程周而复始进行 ,侵蚀下来的 SOC 通过河流持续迁移到沉积区。Stallard [17 ] 和
Harden[18 ]等认为 ,这种现象促进了农田侵蚀区新碳的持续形成 ,为沉积区提供了稳定的碳源。(2) SOC
在湿地生态系统还原环境的土壤中比流域上坡氧化环境的农田土壤中存留时间更长。例如 ,在所谓的
最佳的管理措施下 ,农田土壤一般的固碳速率为 012 tΠhmΠyr ,而在湿地土壤中土壤的固碳速率在 116～
212 tΠhmΠyr ,甚至更大[16 ] 。
(3)水土流失伴随营养元素的流失 ,湿地生态系统接受来自农田侵蚀下来的过剩 N 素和 P 素 ,导致
水体的富营养化 ,提高湿地生态系统净第一性生产力[19 ,20 ] ,进而提高湿地土壤固碳能力。
表 1 　各地貌部位各时段 SOC侵蚀和累积量(断面宽为 1 m)
Table 1 　Quantity of eroded and deposited SOC in geomorphic sites for each time phase (width of transect is 1 m)
坡位
slope position
面积
area
(m2)
AP 或 Aa 层
SOC content
of AP or Aa
horizon( %) 3 土壤容重bulk density(gΠcm3) 土壤剥蚀和累积厚度thickness of soil detachmentand accumulation (cm) SOC侵蚀和累积量quantity of eroded anddeposited SOC(kg C)1964 —2002 1954 —1964 1903 —1954 1964 —2002 1954 —1964 1903 —1954
坡顶 summit 2012 1152 1124 - 0176 - 0196 - 1198 - 218 - 0176 - 318
坡肩 shoulder2slope 5115 1118 1127 - 19 - 24 - 4915 - 14618 - 3816 - 197
坡背 back2slope 7316 1144 1128 - 813 - 1015 - 2116 - 11216 - 2918 - 15016
坡脚 foot2slope 3015 1117 1129 10 15 50 46 23 161
坡足 toe2slope 1910 1129 1128 50 60 0 15618 3114 0
总计 total 19418 - 59140 - 1418 - 19014
　　注 : 3 侵蚀部位 (坡顶、坡肩、坡背) SOC含量为耕层 20cm SOC的平均值 ,沉积部位为累积土壤 SOC加权平均值。
Note : 3 The SOC content in erosion position (summit , shoulder2slope and back2slope) is the mean of plow layer (20cm) ,that of deposition sites is the
mean of deposition soil .
602 核　农　学　报 19 卷
3 　结论
基于137 Cs 和飞灰的深度分布特征 ,研究黑土坡耕地近 50 年和近 100 年来土壤再分布过程 ,这一时
间段恰好与日俄侵占东北和解放后的两次黑土加速开发时期相吻合。结果表明 : (1)坡脚和坡足原始埋
藏土壤表面分别位于地表下 70 和 80cm ,其埋藏层的 SOC 含量分别比与其接壤的上覆土层 SOC 含量高
512 和 014 gΠkg ,土壤堆积作用埋藏了富含有机碳的原始土壤。(2) 坡顶、坡肩和坡背年平均侵蚀的土壤
厚度为 012、510 和 212 mmΠyr。坡脚和坡足部位飞灰到达的深度分别为 70 和 80cm ,与埋藏层表面相吻
合。沉积区在蒸汽机车开始使用前已被开垦为农田 (或已有侵蚀和堆积发生) 。(3) 侵蚀部位剥蚀的土
壤多堆积在坡脚和坡足 ,且搬运的土壤物质先累积于坡脚 ,随着景观坡度变缓 ,土壤累积逐渐向坡足过
渡。(4)研究区 (1m 宽)坡顶、坡肩和坡脚和坡足百年来由于土壤侵蚀共失去 683 kg SOC ,其中 60 %沉积
在坡脚和坡足等低洼部位 ,其中有 257kg SOC是近 50 年累积的。本研究仅涉及黑土区一个面积有限坡
耕地 ,很有必要将此研究扩展到完整的小流域或流域范围 ,并探讨上述现象是否也存在于其它土壤类型
区。
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