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Effects of Dripping Fertigation on Soil Nitrogen Metabolism in Apple Orchard of Weibei Plateau

渭北苹果园滴灌施氮肥对土壤氮迁移的影响


采用滴灌和浇灌2种灌溉方式,结合梯度施肥和测定土壤溶液中氮含量,研究渭北旱塬矮化红富士苹果园不同氮素形态在土壤中的迁移、富集和转化特性。结果表明: 滴灌施肥显著降低氮素的迁移、富集和转化作用; 在不同氮素形态中,以urea-N为主,NO3--N次之,NH4+-N最小; 当施肥量为0.32 kg·株-1时,2种灌溉方式对氮素迁移、富集和转化作用的影响差别不明显,施肥量达到1.2 kg·株-1时,浇灌施肥方式下氮素的迁移、富集和转化作用极显著高于滴灌,尤其在40~80 cm土层更加明显。综合比较,滴灌施肥明显降低了苹果园不同氮素形态的迁移、富集和转化作用,增加了土壤中氮素的含量,尤其是有效态氮的含量,全年施肥量在0.64~1.2 kg·株-1时能相对减少氮肥的损失。

This study focuses on the characteristics of the movement, transformation and leaching of different nitrogen forms in soil by dripping and pouring fertigation with fertilizer gradients by determining the nitrogen content of soil solution in a Red Fuji apple orchard in Weibei dry plateau. The results showed that different application methods of fertilization were the key factor to affect the movement, accumulation and transformation of different nitrogen forms in soil. The dripping fertigation decreased significantly the nitrogen movement, accumulation and transformation compared with pouring fertigation. The urea-N was main form of N leached, followed by NO3--N, and then NH4+-N leached. Neither dripping nor pouring had obvious effect on nitrogen loss when the fertilizer concentration was 0.32 kg·tree-1. However the nitrogen movement, accumulation and transformation was significantly higher with pouring fertigation than with the dripping fertigation when the fertilizer application amounts were added to 1.2 kg·tree-1, especially in the 40-80 cm soil layers. By comprehensive comparing and analyses, dripping fertigation significantly decreased the leaching loss of different nitrogen forms in soil, and increased nitrogen content, especially available N in soil. The nitrogen loss will be decreased when fertilizer application is 0.64-1.2 kg·tree-1 in the whole year.


全 文 :第 49 卷 第 10 期
2 0 1 3 年 10 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49,No. 10
Oct.,2 0 1 3
doi: 10.11707 / j.1001-7488.20131006
收稿日期: 2010 - 06 - 10; 修回日期: 2010 - 11 - 15。
基金项目: 国家科技支撑计划(2007BAK31B01) ; 国家现代农业(苹果)产业技术体系建设项目; 农业部 948 项目(2006 - G28) ; 农业部行
业科技专项( nyhyzx07 - 024)。
渭北苹果园滴灌施氮肥对土壤氮迁移的影响
李丙智1 冯焕德2 张 黎1 张永茂2 张林森1 韩明玉1
(1. 西北农林科技大学园艺学院 杨凌 712100; 2. 甘肃省农业科学院 兰州 730070)
摘 要: 采用滴灌和浇灌 2 种灌溉方式,结合梯度施肥和测定土壤溶液中氮含量,研究渭北旱塬矮化红富士苹果
园不同氮素形态在土壤中的迁移、富集和转化特性。结果表明: 滴灌施肥显著降低氮素的迁移、富集和转化作用;
在不同氮素形态中,以 urea-N 为主,NO -3 -N 次之,NH
+
4 -N 最小; 当施肥量为 0. 32 kg·株
- 1时,2 种灌溉方式对氮素
迁移、富集和转化作用的影响差别不明显,施肥量达到 1. 2 kg·株 - 1时,浇灌施肥方式下氮素的迁移、富集和转化作
用极显著高于滴灌,尤其在 40 ~ 80 cm 土层更加明显。综合比较,滴灌施肥明显降低了苹果园不同氮素形态的迁
移、富集和转化作用,增加了土壤中氮素的含量,尤其是有效态氮的含量,全年施肥量在 0. 64 ~ 1. 2 kg·株 - 1时能相
对减少氮肥的损失。
关键词: 苹果; 滴灌施肥; 氮运移; 土壤溶液
中图分类号: S661. 1 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 7488(2013)10 - 0035 - 05
Effects of Dripping Fertigation on Soil Nitrogen Metabolism
in Apple Orchard of Weibei Plateau
Li Bingzhi1 Feng Huande2 Zhang Li1 Zhang Yongmao2 Zhang Linsen1 Han Mingyu1
(1. College of Horticulture,Northwest A & F University Yangling 712100; 2. Gansu Academy of Agricultural Sciences Lanzhou 730070)
Abstract: This study focuses on the characteristics of the movement,transformation and leaching of different nitrogen
forms in soil by dripping and pouring fertigation with fertilizer gradients by determining the nitrogen content of soil solution
in a Red Fuji apple orchard in Weibei dry plateau. The results showed that different application methods of fertilization
were the key factor to affect the movement,accumulation and transformation of different nitrogen forms in soil. The
dripping fertigation decreased significantly the nitrogen movement,accumulation and transformation compared with pouring
fertigation. The urea-N was main form of N leached,followed by NO -3 -N,and then NH
+
4 -N leached. Neither dripping nor
pouring had obvious effect on nitrogen loss when the fertilizer concentration was 0. 32 kg·tree - 1 . However the nitrogen
movement,accumulation and transformation was significantly higher with pouring fertigation than with the dripping
fertigation when the fertilizer application amounts were added to 1. 2 kg·tree - 1,especially in the 40 - 80 cm soil layers.
By comprehensive comparing and analyses,dripping fertigation significantly decreased the leaching loss of different
nitrogen forms in soil,and increased nitrogen content,especially available N in soil. The nitrogen loss will be decreased
when fertilizer application is 0. 64 - 1. 2 kg·tree - 1 in the whole year.
Key words: apple; dripping fertigation; nitrogen migration; soil solution
氮素是果树必需矿质元素中的核心元素,在一
定范围内其施用量与果树的产量、品质密切相关。
为了追求高产,苹果生产中过量施肥甚至超量施肥
的现象较普遍,而过量施氮不仅使硝酸盐在果品中
积累增加,产生食品安全问题,而且造成硝态氮在土
壤中积累,污染生态环境。如何协调果园水肥利
用、提高肥水利用效率,是国内外果树生产中长期
研究的重点,也是渭北旱塬苹果 (Malus pumila)生
产亟待解决的问题(白茹等,2007)。灌溉施肥技
术已广泛应用于农业生产,是解决作物肥水互作、
高效利用问题的有效途径,在大田作物[棉花
(Gossypium)、玉米( Zea mays)等]、蔬菜栽培上国
林 业 科 学 49 卷
内外已有不少报道(Wang et al.,2004)。
国外已有研究表明: 滴灌施肥可将肥料施于
根区,保证根系养分的供应,减少养分向下的迁
移,滴灌施肥已成为一些国家或地区主要施肥方
式之一(周建斌等,2001; 尹娟等,2009 )。尿素
溶解度高,是适宜灌溉施肥的氮肥品种。研究发
现,尿素表面施肥后及时灌水,可将尿素渗入土壤
的中下层,减少氨的挥发量,显著地提高肥效 (边
秀举等,1999)。灌溉施用尿素后,尿素一方面以
分子态形式随水分下移,另一方面亦进行着分解
作用(习金根等,2004; Belanger et al.,2002; Brad
et al.,2004),转化为 NH +4 -N 和 NO

3 -N。本研究通
过比较渭北果园滴灌施肥和浇灌施肥技术,研究
苹果园施用不同剂量氮肥(尿素)后各种氮素形态
在土壤中的迁移和转化等特征,旨在探明不同水
肥调控措施下施入果园土壤中氮素的转化和运移
规律,为陕西渭北旱塬 18 万 hm2 有机认证果园和
4. 8 万 hm2 出口注册果园节水节肥技术的应用提
供理论依据。
1 材料与方法
1. 1 试验地点与材料
试验于 2007 年 5 月至 2009 年 11 月连续 2 年
在陕西省宝鸡市苹果专家大院凤翔试验园进行。该
区域海拔 850 m,年降雨量 601. 6 mm,属于中纬度
半干旱地区。试验地土壤质地为壤土,管理水平较
高,试验地生态条件和管理水平一致。
供试苹果品种为礼泉短富 (Malus pumila cv.
Red Fuji),基砧为新疆野苹果(Malus sieversii),中间
矮化砧 M26,树龄 9 年生,株行距 2. 5 m × 3 m。施
用肥料为尿素、重过磷酸钙和硫酸钾。重过磷酸钙
作为基肥于 11 月中旬正常施入 (每株 2. 5 kg),尿
素灌施分 3 次平均施入(4 月中旬开花期、5 月中下
旬幼果生长期、7 月上中旬果实膨大期)。8 月中旬
一次性正常施入硫酸钾(每株 1 kg)。滴灌器由西
安滴灌器材厂提供。土壤营养状况如表 1 所示。
表 1 苹果园土壤营养状况
Tab. 1 Soil nutrition conditions of experimental orchard
土层深度
Soil
depth / cm
碱解氮
Alkal. N /
(mg·kg - 1 )
有效磷
Avail. P /
(mg·kg - 1 )
有效钾
Avail. K /
(mg·kg - 1 )
有机质
O. M. /
( g·kg - 1 )
有效锌
Avail. Zn /
(mg·kg - 1 )
有效锰
Avail. Mn /
(mg·kg - 1 )
有效铁
Avail. Fe /
(mg·kg - 1 )
有效铜
Avail. Cu /
(mg·kg - 1 )
0 ~ 40 48. 27 5. 55 154. 37 14. 86 2. 81 33. 82 24. 60 3. 21
40 ~ 80 41. 37 20. 02 311. 06 7. 84 2. 97 36. 90 27. 04 3. 62
1. 2 试验设计
试验包括施肥方式和氮肥施用量 2 个因素。施
肥方式分滴灌(10 kg·h - 1,距主干 80 ~ 100 cm 处南
北方向各安装一个滴灌装置)和浇灌(穴灌,距主干
80 ~ 100 cm 处南北方向分别挖一个长、宽、深各 50
cm 的浇灌坑,在挖坑过程中,尽量不伤根系),代号
为 D 和 J,共 2 个水平。氮肥施用量设 5 个水平( kg
·株 - 1 年 - 1 ),代号: N1 ( 0. 08 ),N2 ( 0. 16 ),N3
(0. 32),N4(0. 64)和 N5 (1. 2),以只灌水 (分浇灌
和滴灌)未施氮肥为对照。采用完全随机组合设
计,共 12 个处理,其中对照 2 个。每 5 棵树为 1 个
处理,重复 3 次。试验处理分别为: CK1 (滴灌),
CK2(浇灌),DWN1,DWN2,DWN3,DWN4,DWN5,
JWN1,JWN2,JWN3,JWN4,JWN5。试验期间试验区
5—9 月的降雨量为 395 mm 左右,与试验区 5—9 月
份 5 年的平均降雨量接近。试验前测定土壤的含水
量和土壤密度,计算土壤的最大持水量,根据土壤的
最大持水量设计试验的灌水量为每株每次 60 kg。每
次灌溉施肥前根据当地天气预报,在施肥前后 1 周避
开自然降雨。
1. 3 测定项目及方法
于试验前 2 周安放德国生产的 SKL-100 型土壤
溶液采集器(宋静等,2000),于 6—10 月每月中旬
避开阴雨天收集 1 次土壤溶液。土壤溶液在冰箱
- 20 ℃保存,集中分析。10 月份测定 0 ~ 40 cm,
40 ~ 80 cm、80 ~ 120 cm 土层中土壤溶液的 urea-N、
NO -3 -N 和 NH
+
4 -N 含量。
土壤有机质测定用重铬酸钾容量法 - 外加热
法; N 采用凯氏定氮法; P 采用矾钼黄比色法; K、
Zn、Fe、Mn、Cu 采用 PE-2100 原子吸收光度计法
(Khan,1999); NH +4 -N 用靛酚蓝比色法 (白茹等,
2007); NO -3 -N 用镀铜镉还原 - 重氮化偶合比色
法; urea-N 用对二甲氨基苯甲醛比色法(习金根等,
2004)。
2 结果与分析
2. 1 不同灌溉施肥方式下土壤溶液 NO -3 -N 含量
的变化
从图 1 可以看出,随着施肥量的增加,土壤溶液
(0 ~ 120 cm 土层平均值)中的 NO -3 -N 含量随之增
63
第 10 期 李丙智等: 渭北苹果园滴灌施氮肥对土壤氮迁移的影响
加,当施肥量达到 1. 2 kg·株 - 1时,2 种灌溉施肥方
式对 NO -3 -N 迁移的影响达到极显著差异,滴灌施肥
方式下 NO -3 -N 平均含量是同期对照的 3. 19 倍,浇
灌施肥是同期对照的 3. 45 倍。土壤中 NO -3 -N 含量
在苹果生长周期内(6—10 月)整体呈现逐渐增加的
趋势,但是 0 ~ 40 cm 土层中 6—8 月份变化不大,
9—10 月份迅速减少,这与后期树体生长和果实发
育消耗较多氮有关,40 ~ 80 cm 土层土壤溶液中
NO -3 -N 的含量无论是滴灌还是浇灌都随着时间的
变化而逐渐增加。灌溉施肥后不同土层中硝态氮的
含量都有所增加,这与施用的 urea-N 形成的 NH +4 -N
的硝化作用有关。滴灌方式下 NO -3 -N 的含量明显
少于浇灌,这与水分在土壤中的运移有关系,浇灌时
水的下渗比较快,从浇灌点到水下渗的最深处形成
的扩散面相对比较小,而在滴灌条件下,由于水下渗
的速度比较慢,所以在相同土层中形成的扩散面比
较大,而下渗的深度没有浇灌的深,这就形成了在
40 ~ 80 cm 土层中滴灌处理的 NO -3 -N 含量较高,
80 ~ 120 cm 的土层中恰恰相反,浇灌处理的 NO -3 -N
含量较高。
图 1 不同灌溉施肥方式 0 ~ 120 cm 土层中 NO -3 -N 含量(鲜质量)的变化
Fig. 1 Annual variation of content(FW) of NO -3 -N in 0 - 120 cm layers of soils from different forms with fertigation
a. 0. 08 kg·tree - 1 a - 1 ; b. 0. 16 kg·tree - 1 a - 1 ; c. 0. 32 kg·tree - 1 a - 1 ; d. 0. 64 kg·tree - 1 a - 1 ; e. 1. 2 kg·tree - 1 a - 1
2. 2 不同灌溉方式下土壤溶液 NH +4 -N 的变化
从图 2 可以看出,土壤中 NH +4 -N 含量(0 ~ 120
cm 土层平均值)变化不明显,2 种灌溉方式下整体
呈现“低—高—低”的趋势,7 月土壤溶液中 NH +4 -N
的含量略高些,此后又有所下降,这是因为尿素施入
后迅速发生分解,一部分很快转化为 NH +4 -N,其他
学者的 研 究 也 证 明 了 这 一 点 ( Sahrawat et al.,
1979)。因此,从土壤溶液中 NH +4 -N 含量的变化可
以看出 2 种灌溉施肥方式下 urea-N 在土壤中的迁
移和转化情况;而且随着施肥量的增加,2 种灌溉方
式的影响也加大,当施肥量达到 1. 2 kg·株 - 1时,滴
灌施肥方式下 40 ~ 80 cm 土层中土壤溶液 NH +4 - N
的含量明显高于浇灌。
2. 3 不同灌溉施肥方式下 urea-N 含量的变化
从表 2 可以看出,土壤溶液中 urea-N 的含量随
着施肥量的增加而显著增加,当施肥量达到 0. 32
kg·株 - 1时,2 种施肥方式下土壤溶液中的 urea-N 含
量与对照相比都达到极显著差异。施肥量达到
0. 64 ~ 0. 32 kg·株 - 1 时,滴灌施肥下土壤溶液中
urea-N 的平均含量是对照的 10. 5 倍,浇灌施肥下土
壤溶液中 urea-N 的平均含量是对照的 11. 1 倍,2 种
施肥方式相比对土壤溶液中 urea-N 含量的影响都
达到极显著差异,浇灌施肥方式对 urea-N 的迁移、
富集作用相对较强,土壤表层保持的 urea-N 相对较
少,而与浇灌施肥相比较,滴灌施肥减少了 urea-N
在土壤中的迁移、富集作用。苹果生长周期内 urea-
N 在土壤溶液中的含量呈先增加后减少的趋势,8
月达高峰,而后减少,这与 urea-N 在土壤中的转化
有关: urea-N 在 土 壤 中 脲 酶 的 作 用 下 转 化 成
NH +4 -N,同时消化作用的活性也在增加,使得 urea-N
的含量呈现先增加后降低的趋势。
73
林 业 科 学 49 卷
图 2 不同灌溉施肥方式土层中 NH +4 -N 含量(FW)的变化
Fig. 2 Annual variation of content (FW) of NH +4 -N in layers of soils from different forms with fertigation
a. 0. 08 kg·tree - 1 a - 1 ; b. 0. 16 kg·tree - 1 a - 1 ; c. 0. 32 kg·tree - 1 a - 1 ; d. 0. 64 kg·tree - 1 a - 1 ; e. 1. 2 kg·tree - 1 a - 1
表 2 不同灌溉施肥方式土层中 urea-N 含量的年变化
Tab. 2 Annual variation of content of urea-N in layers of soils from different forms with fertigation
μg·g - 1 (FW)
土层深度
Soil depth / cm
处理
Treatment
月份 Month
6 7 8 9 10
处理
Treatment
月份 Month
6 7 8 9 10
0 ~ 40 CK1 20. 30 19. 74 17. 19 16. 34 15. 51 CK2 21. 86 19. 45 17. 40 16. 82 15. 77
40 ~ 80 19. 14 19. 05 16. 96 15. 59 14. 92 19. 74 19. 43 17. 04 15. 67 15. 13
80 ~ 120 18. 77 18. 33 16. 24 15. 7 14. 78 18. 52 18. 42 16. 57 15. 70 14. 93
平均 Mean 19. 40 19. 04 16. 80 15. 88 15. 07 20. 04 19. 10 17. 00 16. 06 15. 28
0 ~ 40 DWN1 49. 33 50. 30 46. 74 35. 02 30. 14 JWN1 54. 12 55. 62 58. 44 52. 31 44. 21
40 ~ 80 52. 17 50. 28 52. 10 41. 94 37. 56 60. 43 62. 37 66. 57 60. 93 54. 16
80 ~ 120 31. 33 36. 14 39. 78 40. 93 44. 77 57. 90 59. 16 62. 47 65. 72 67. 46
平均 Mean 44. 28 45. 57 46. 21 39. 30 37. 49 57. 48 59. 05 62. 49 59. 65 55. 28
0 ~ 40 DWN2 84. 27 87. 93 72. 31 66. 72 57. 13 JWN2 96. 57 98. 13 99. 26 93. 49 86. 31
40 ~ 80 89. 43 92. 54 97. 53 83. 47 75. 74 95. 27 101. 74 109. 68 113. 97 114. 79
80 ~ 120 71. 24 78. 33 81. 44 87. 38 88. 20 79. 25 82. 37 86. 92 97. 65 102. 93
平均 Mean 81. 65 86. 27 83. 76 79. 19 73. 69 90. 36 94. 08 98. 62 101. 70 101. 34
0 ~ 40 DWN3 119. 23 117. 89 109. 65 97. 24 86. 83 JWN3 136. 25 140. 58 141. 46 130. 35 119. 61
40 ~ 80 134. 57 133. 42 139. 37 143. 94 129. 71 133. 74 147. 10 152. 93 159. 31 164. 53
80 ~ 120 102. 34 109. 54 117. 52 122. 31 135. 39 121. 96 128. 95 132. 69 140. 23 147. 11
平均 Mean 118. 71 120. 28 122. 18 121. 16 117. 31 130. 65 138. 88 142. 36 143. 30 143. 75
0 ~ 40 DWN4 163. 90 154. 76 148. 36 135. 29 118. 74 JWN4 179. 66 181. 59 185. 80 177. 41 164. 19
40 ~ 80 177. 58 179. 37 182. 93 185. 47 188. 39 182. 10 193. 57 201. 56 211. 70 215. 62
80 ~ 120 162. 34 164. 13 167. 52 173. 24 181. 82 168. 94 172. 90 179. 43 186. 54 192. 47
平均 Mean 167. 94 166. 09 166. 27 164. 67 162. 98 176. 90 182. 69 188. 93 191. 88 190. 76
0 ~ 40 DWN5 224. 96 222. 15 219. 87 211. 90 200. 36 JWN5 247. 69 251. 92 254. 60 247. 68 236. 94
40 ~ 80 231. 45 235. 89 239. 35 246. 71 253. 63 256. 73 263. 87 274. 33 282. 90 283. 67
80 ~ 120 219. 75 226. 73 231. 54 237. 47 238. 57 232. 46 239. 79 245. 65 249. 46 254. 32
平均 Mean 225. 39 228. 26 230. 25 232. 03 230. 85 245. 63 251. 86 258. 19 260. 01 258. 31
83
第 10 期 李丙智等: 渭北苹果园滴灌施氮肥对土壤氮迁移的影响
3 讨论
本试验结果表明: 不同土层土壤溶液中氮素的
形态以 urea-N 为主,NO -3 -N 次之,NH
+
4 -N 最少; 说
明 NO -3 -N 在土壤中的移动性较高,容易随灌溉水迁
移。研究表明: NO -3 -N 带负电荷,不易被土壤胶体
所吸附,在土壤中的移动速度较快; 而 NH +4 -N 易被
土壤胶体吸附,在土壤中移动速度较慢(习金根等,
2004)。灌溉施肥时,不论移动性差的 NH +4 -N 还是
移动性相对较强的 NO -3 -N,都易随灌溉水在土壤中
向下移动,利于肥料进入土壤深层,为作物根系吸收
利用。滴灌施肥时,尿素在土壤中的迁移相对较慢,
从而导致 NH +4 -N 在土壤上层累积,而采用浇灌方
式,土壤中保持的 urea-N 减少,转化形成的 NH +4 -N
和 NO -3 -N 含量相应地降低,同时硝化作用的活性却
在增强(李伏生等,2000)。在农业生产中,为满足
作物生长对水分的需求,常采用多次浇灌、滴灌的方
式,这样残留在土壤中的 urea-N 及其转化形成的
NH +4 -N 和 NO

3 -N 可能会随灌水多次迁移。可见,
尿素施入土壤后的迁移和转化是几个过程综合作用
的结果。
淋溶损失是氮肥从土壤 -植物生态系统流失的
主要途径之一,由此带来了环境污染等许多问题
(郭大应等,2000)。本研究表明,灌溉方式是决定
肥料氮淋失量的关键因素。与浇灌施肥相比,滴灌
施肥可显著地减少肥料态氮的淋溶损失。在美国佛
罗里达州的研究发现,滴灌施肥显著地减少了
NO -3 -N 向土壤下层的迁移 (Alva et al.,1995)。在
以色列的砂质土上的研究发现,施氮肥量为 160
kg·hm - 2时,滴灌施肥时土壤 0 ~ 120 cm 土层土壤溶
液中 NO -3 -N 的含量比对照降低的幅度在 39% ~
100%之间(Dasberg et al.,1988)。陕西苹果产区干
旱少雨,地下水资源相对缺乏,并且土层深厚,土壤
疏松,矮砧苹果的根系分布较浅,采用滴灌施肥技
术,不仅可节约宝贵的水资源,而且尿素在土壤中的
迁移相对较慢,NH +4 -N 在土壤上层累积较多,有利
于苹果根系吸收营养和保护生态环境。因此,滴灌
施肥技术在我国干旱半干旱地区的苹果生产中具有
广阔的应用前景。
本试验还发现,8 月后不同土层中矿质态氮的
含量有下降趋势,究其原因,是由于土壤将尿素转化
为铵的固定作用还是因为氨的挥发作用,是否与树
体和原来地块的养分含量有关,还需进一步研究。
4 结论
渭北旱塬红富士苹果园土壤氮素的迁移、富集
和转化以 urea-N 为主,NO -3 -N 次之,NH
+
4 -N 最少。
滴灌施肥能显著降低土壤氮素的迁移、富集作用;
全年施肥量在 0. 64 ~ 1. 2 kg·株 - 1时,结合滴灌施肥
能相对减少氮肥的迁移、富集作用,利于树体对氮素
的吸收利用。
参 考 文 献
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(责任编辑 王艳娜 朱乾坤)
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