氮素形态及配比对甘蓝养分吸收、产量以及品质的影响
2013-04-10牛振明张国斌刘赵帆贾豪语郁继华
牛振明,张国斌,刘赵帆,贾豪语,郁继华
(甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州730070)
氮素是植物体内许多重要有机化合物的组成成分,对植物生命活动以及作物产量和品质均有极其重要的影响。梁飞等[1]研究表明,追施氮肥能够促进盐地碱蓬(Suaedasalsa)对盐渍土的生物修复,降低土壤中的Na+浓度及其危害。刘青林等[2]认为适宜施氮量(221kg N/hm2)显著增加春小麦(Triticumaestivum)籽粒产量,从而有利于水分利用效率的提高。刘朝巍等[3]发现通过适宜的施氮方式,也即底肥+拔节+穗肥(磷钾肥作基肥,尿素折合纯氮180kg/hm2拔节期追施和纯氮50kg/hm2大口期追施)的施肥方式可以改善宽窄行交替种植模式玉米(Zeamays)的光合效率、减少漏光损失、延缓叶片衰老,最终达到玉米稳产甚至高产的效果。
经典的植物矿质营养学说认为,土壤微生物降解氨基态氮为植物可直接利用的NO3--N和NH4+-N,植物吸收利用后重新形成氨基态氮,而氮素形态不同,对植物生理代谢过程影响则不同,从而对植物生长产生不同的效应[4-5]。Reddy等[6]认为大多数作物 NO3--N与 NH4+-N配合施用较单独施用效果好,其最佳配比随作物生育期不同而不同。杨月英等[7]和邱孝煊等[8]研究表明,氮肥用量与蔬菜体内硝酸盐含量呈显著正相关。艾绍英等[9]利用15N示踪技术研究了NO3--N与NH4+-N对蔬菜体内的硝酸盐积累的影响,发现增加NH4+-N的比例有利于降低蔬菜中的硝酸盐积累量;NO3--N被吸收后根际pH值升高,易导致铁和其他微量元素供应不足,适当增加NH4+-N比例可以减少氮淋失,降低氮素对水体的污染程度。张富仓等[10]发现调节适宜的氮素形态比例,有利于作物生长和品质提高以及对水分和养分的吸收利用。李会合[11]认为降低营养液中NO3--N比例,增加NH4+-N比例可提高莴笋(Lactucasativavar.angustata)全氮含量,对全磷和全钾的影响不一致。但是目前相关研究多数集中在室内水培试验条件下,大田试验研究较少。结球甘蓝(Brassicaoleraceavar.capitata)简称甘蓝,是重要的甘肃省高原夏菜,在榆中县栽培面积较大。近年来,由于偏施氮肥造成其产量和品质出现下降的趋势,因此合理施氮肥对其产量提高具有重要的作用。目前,关于氮素形态及配比对高原夏季甘蓝的生长发育和养分吸收利用的研究鲜见报道。本试验以春茬甘蓝为试验材料,在等氮量的条件下,研究了不同氮素形态及配比对其生长、光合作用、产量、品质和养分吸收利用的影响,旨在为高原夏季甘蓝生产中氮肥合理施用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试作物为结球甘蓝,品种为京育1号;供试肥料:硝酸钾(含氮13%、含K2O 45%),碳酸氢铵(含氮17.1%),尿素(含氮46.4%),过磷酸钙(含P2O552%),硫酸钾(含 K2O 52%)。
试验地耕层(0~20cm)土壤有机质含量8.72%、全氮含量0.12%、全磷含量0.46%、全钾含量3.05%、碱解氮含量31.35mg/kg、速效磷含量56mg/kg、速效钾含量174mg/kg、pH 为8.03、电导率为250μs/cm。
1.2 试验设计
田间试验采用随机区组设计,设8个处理(表1),3次重复,小区面积为7.2m×4.2m=30m2,共24个小区。
表1 试验设计Table 1 Experiment design
1.3 田间管理
试验设在兰州市榆中县三角城乡化家营村,该地区平均海拔1717m,年平均气温6.57℃,年降水量400mm以上,无霜期150d左右。2012年3月初进行育苗,4月23日定植,7月中旬完成大田试验。采用垄栽模式,垄宽50cm,垄高20cm,沟宽30cm,垄上覆膜,双行定植,株距20cm。过磷酸钙80kg/667m2,硫酸钾12kg/667m2全部作为底肥,氮肥(纯氮557kg/hm2)总量的25%作为底肥,35%于莲座期追施,40%于结球初期追施,沿垄沟交界处条施。整个生育期灌溉和病虫害防治等管理措施一致。
1.4 测定项目与方法
1.4.1 生长指标 分别于2012年5月4日、5月15日、5月26日和6月20日测定植株的茎粗、长幅投影面积和叶片数。茎粗用精确度为0.001cm电子游标卡尺测定,部位为根颈处;长幅投影面积用精确度为0.1cm的直尺测定,根据十字交叉测定长幅后的乘积得出;叶片数采用观察统计法。每个小区测定样本为30株,取其平均值。
1.4.2 植株养分含量 于结球后期每处理随机抽取9株样品,取全株。取样方法为:以植株为圆心,20cm为半径,深度为30cm的柱状土块,保证根的完整性,清洗干净。将采样植株分为根、花球和外叶三部分,在烘箱中于105℃杀青30min后75℃烘干至恒重,用小型粉碎机将其粉成碎末后过0.25mm的细筛,氮、磷、钾含量采用土壤农化常规分析[12]方法测定。
1.4.3 叶片气体交换参数 用英国PP-Systems公司生产的CIRAS-2型光合仪测定。于结球期一个晴天早上9:00-12:00,选择甘蓝功能叶片,在自然条件下测定叶片的气孔导度(Gs)、净光合速率(Pn)、胞间 CO2浓度(Ci)。每小区随机测定5株,每个叶片记录相对稳定的数值3~5个,取其平均值。
1.4.4 产量 待甘蓝叶球达到采收标准后采收,用电子秤称重,统计小区产量。
1.4.5 品质 每小区随机抽取5个甘蓝叶球样品。采用邹琦[13]的方法测定硝酸盐含量、抗坏血酸(Vc)、可溶性固形物含量。
1.5 数据分析
采用SPSS 16.0软件和Excel 2007对试验数据进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 氮素形态及配比对甘蓝生长的影响
图1A所示,随着生育期的推进,氮素形态及配比对甘蓝茎粗生长的影响逐渐加大。整体来看,NH4+-N(单一 NH4+-N 和 NO3--N∶NH4+-N为3∶7)明显促进茎粗的增长,在甘蓝结球后期,茎粗显著高于对照(CK2)、单一 NO3--N、单一酰胺态氮、NO3--N∶NH4+-N为7∶3,5∶5。
图1B所示,在整个生育期内,氮素形态及配比对甘蓝叶片数有着明显的影响。整体来看,单一NH4+-N和NO3--N明显促进叶片数的发生,叶片数显著高于对照(CK2)、单一酰胺态氮及不同 NO3--N∶NH4+-N配比(7∶3,5∶5,3∶7)。
图1C显示,氮素形态及配比对甘蓝长幅投影面积的影响在前期(幼苗期)较小,后期(莲座期以后)逐渐加大。整体来看,单一NH4+-N和酰胺态氮明显促进长幅投影面积的增加,在甘蓝结球后期,显著高于对照(CK1)、NO3--N 及不同 NO3--N∶NH4+-N 配比(7∶3,5∶5)处理。
图1 甘蓝茎粗、叶片数和长幅投影面积随生长时期的变化Fig.1 Change of cabbage stem diameter,leaf numbers and plant vertical projection area during the growth period
2.2 氮素形态及配比对甘蓝营养元素吸收的影响
2.2.1 对甘蓝不同器官氮素吸收的影响 如表2所示,各处理叶球中氮含量均最高,叶片次之,根系中氮含量最低,说明叶球在同叶片和根系竞争氮素吸收方面具有较强的竞争力。单一NH4+-N和酰胺态氮促进外叶和叶球对氮素的吸收,其含氮量均显著高于其他处理,NO3--N不利于外叶和叶球对氮素的吸收,其含量均随着NO3--N∶NH4+-N的增大呈逐渐下降的趋势。NO3--N 和 NH4+-N 配施(NO3--N∶NH4+-N为7∶3,5∶5,3∶7)有利于甘蓝根系对氮素的吸收,其中,含氮量以 NO3--N∶NH4+-N为5∶5时最高,随着NO3--N或NH4+-N比例的减小,含氮量呈下降趋势,但整体上NH4+-N比例高有利于氮含量的增加;酰胺态氮对根系含氮量的影响与外叶和叶球正好相反,其不利于根系对氮素的吸收,含量最低。
2.2.2 对甘蓝不同器官磷素吸收的影响 由表3可知,NO3--N有利于增加叶片中的含磷量,而NH4+-N则相反,NO3--N和 NH4+-N配施(NO3--N∶NH4+-N为7∶3,5∶5,3∶7)后叶片中磷含量随着 NO3--N∶NH4+-N比值的下降而降低。NH4+-N促进叶球对磷素的吸收,其与 NO3--N配施(NO3--N∶NH4+-N为7∶3,5∶5,3∶7)也有利于磷含量的增加,而NO3--N则不利于叶球对磷素的吸收。NO3--N与NH4+-N配施(NO3--N∶NH4+-N 为7∶3,5∶5,3∶7)可以增加根系含磷量,而NH4+-N则不利于根系对磷素的吸收。整体来看,酰胺态氮处理下甘蓝外叶、叶球和根系对磷素的吸收处于居中水平。
2.2.3 对甘蓝不同器官钾吸收的影响 如表4所示,叶球对钾素具有较强的吸收竞争力,各处理下甘蓝不同部位中含钾量最高为叶球,根次之,外叶最少。无论是外叶、叶球还是根系,NO3--N以及 NO3--N和铵态氮配施(NO3--N∶NH4+-N为7∶3,5∶5,3∶7)有利于提高植株的钾含量,而NH4+-N则不利于各器官对钾素的吸收。酰胺态氮处理后除外叶对钾素的吸收较低外,叶球和根系中钾含量均处于较高水平。
2.3 氮素形态及配比对甘蓝光合作用的影响
由表5可知,NO3--N 及其与 NH4+-N 配施(NO3--N∶NH4+-N为7∶3,5∶5,3∶7)可以提高甘蓝叶片的光合速率,显著高于对照(CK2);而NH4+-N处理下光合速率较低,显著低于对照(CK2)。NO3--N及其与 NH4+-N配施(NO3--N∶NH4+-N为7∶3,5∶5,3∶7)有利于甘蓝叶片维持较高的气孔导度和胞间二氧化碳浓度,含量均高于对照(CK2),保证了二氧化碳的充足供应。而NH4+-N处理则抑制了气孔开度,显著低于对照(CK2),但胞间二氧化碳浓度却高于对照(CK2),说明气孔导度下降并没有引起二氧化碳供应受阻。
2.4 氮素形态及配比对甘蓝产量的影响
图2显示,氮素形态及配比对甘蓝的产量有显著的影响。NO3--N和NH4+-N处理均导致甘蓝产量降低,显著低于对照(CK2)。NO3--N 与 NH4+-N 配施(NO3--N∶NH4+-N为7∶3,5∶5,3∶7)具有明显的增产作用,显著高于对照(CK2),特别是NO3--N∶NH4+-N为5∶5,3∶7处理更加明显。酰胺态氮处理下甘蓝产量较高,显著高于对照(CK2),但明显低于NO3--N∶NH4+-N为5∶5,3∶7处理。
表2 氮素不同形态及配比对甘蓝不同器官氮素吸收的影响Table 2 Effects of different nitrogen forms and matching on uptake of N of the cabbage different organs g/kg
表3 氮素不同形态及配比对甘蓝不同器官磷吸收的影响Table 3 Effects of different nitrogen forms and matching on uptake of P of the cabbage different organs g P2O5/kg
表4 氮素不同形态及配比对甘蓝不同器官钾吸收的影响Table 4 Effects of different nitrogen forms and matching on uptake of K of the cabbage different organs g K2O/kg
2.5 氮素形态及配比对甘蓝品质的影响
蔬菜体内硝酸盐含量是一项重要的卫生指标。图3结果表明,不同氮素形态及配比对甘蓝叶球中硝酸盐的含量有显著的影响。与CK1相比,增施氮肥显著增加了甘蓝叶球中硝酸盐的累积量。叶球中硝酸盐的累积量随NO3--N∶NH4+-N比例减小呈U字状变化,NO3--N∶NH4+-N为5∶5时最低,而单一形态的氮肥(NO3--N、NH4+-N、酰胺态氮)更容易增加硝酸盐的累积量。
表5 氮素不同形态以及配比对甘蓝叶片气孔导度、光合速率和胞间CO2浓度的影响Table 5 Effects of different nitrogen forms and matching on Gs,Pnand Ciin cabbage leaves
图2 氮素形态及配比对甘蓝经济产量的影响Fig.2 Effects of different nitrogen forms and matching on economic yield
从图3可以看出,CK2甘蓝叶球中Vc含量除比硝态氮区略有增加外,处于最低水平。单施尿素甘蓝Vc含量最高。NO3--N 与 NH4+-N 混合施氮随NO3--N∶NH4+-N比例减小,Vc含量呈上升趋势,NO3--N∶NH4+为3∶7时最高。单施 NH4+-N甘蓝Vc含量也较高,与 NO3--N∶NH4+-N为3∶7基本持平。
从图3可以看出,单施尿素和NH4+-N甘蓝叶球中的可溶性糖含量显著低于其他氮素形态及配比。另外,可溶性糖含量随NO3--N∶NH4+-N比例减小先升高后降低,NO3--N∶NH4+-N为5∶5时可溶性糖含量最高,配施肥中NO3--N含量在30%~70%区间时,可溶性糖含量与CK1无显著性差异,略小于CK2。
从图3可以看出,单施尿素甘蓝叶球中的可溶性固形物的含量显著低于其他氮素形态及配比,其他氮素形态及配比之间无显著性差异。即酰胺态氮不利于提高甘蓝叶球中可溶性固形物的含量,而NO3--N、NH4+-N和两者配施可以维持较高的可溶性固形物含量。
3 讨论
3.1 氮素形态及配比对甘蓝生长的影响
氮素是植物体内蛋白质、核酸叶绿素、酶、维生素、生物碱和激素等重要有机化合物的组成成分[14],氮素形态对植物生理代谢过程的影响有差异,从而对植物生长产生不同的效应[4-5]。研究表明,大多数作物NO3--N与NH4+-N配合施用较单独施用效果好,其最佳配比随作物生育期不同而有差异[6]。付婷婷等[15]的研究结果表明,氮素形态及浓度对日本毛连菜(Picrisjaponica)的生长具有明显的影响。较低浓度(400mg/kg)下,NH4+-N处理毛连菜的株高、根长和干物重均显著高于NO3--N处理,而当浓度≥400mg/kg后,NO3--N处理毛连菜的生长情况明显好于NH4+-N。黄瓜(Cucumissativus)[16]上的研究表明,单独供给NO3--N比单独供给NH4+-N更有利于黄瓜幼苗的生长,当NO3--N∶NH4+-N为75∶25时,主根长度、根总表面积、根总体积、株高、茎粗、地上部干重的值最大。本试验中,NH4+-N和NO3--N∶NH4+-N为3∶7处理明显促进甘蓝茎粗的增加,增长速率高于其他处理,而酰胺态氮和NO3--N处理下茎粗的增加速度最小,与NO3--N∶NH4+-N为3∶7处理差异显著;叶片发生数则以NH4+-N处理下相对较多;NO3--N和NO3--N∶NH4+-N为5∶5处理下长幅投影面积较小,显著低于其他处理。由此可知,NH4+-N处理较NO3--N处理的甘蓝生长状况好,可能原因是施用氮肥浓度较低,NH4+-N对甘蓝生长的促进作用显著高于NO3--N,这与付婷婷等[15]研究结果相一致。NO3--N和 NH4+-N配施有助于甘蓝的生长,特别是较低的 NO3--N∶NH4+-N配比(3∶7)效果更加明显,可能原因是适量的NH4+-N可以促进甘蓝对NO3--N的吸收,因为NH4+-N是被动扩散到细胞质膜上发生去质子化作用而成NH3,并迅速被细胞所吸收,释放的H+又能促进NO3--N的吸收。从该试验看,合适的NH4+-N应在70%左右,这和付婷婷等[15]、寿森炎等[17]、王磊等[18]报道不一致,可能原因是作物种类不同所致。
图3 氮素形态及配比对可食部分硝酸盐、Vc、可溶性糖和可溶性固形物含量的影响Fig.3 Effects of different nitrogen forms on nitrate content,Vc content,soluble sugar content and soluble solids
3.2 氮素形态及配比对甘蓝植株养分的影响
大量研究结果表明,氮素形态及配比对蔬菜植株养分含量具有显著的影响。NH4+-N的施用促进了苋菜(Amaranthusmangostanus)对N,P的吸收,其含量随着NH4+-N比例的增大而增加,但抑制叶片对K+的吸收,K+含量随 NH4+-N比例的增大而减少[19]。而在莴笋[11]上的结果表明,NO3--N 比例减小,NH4+-N比例增大有利于莴笋对N的吸收,但对P、K的吸收基本无影响。
本试验结果表明,NH4+-N有利于提高甘蓝外叶和叶球中的含氮量,其与NO3--N配施后,含氮量随着NO3--N比例增大呈下降趋势,而根系含氮量也以NH4+-N比例高时较大,说明NH4+-N促进植株氮素的积累,而NO3--N则具有相反的作用;酰胺态氮处理的甘蓝外叶和叶球含氮量较高,而根系含氮量则最低,推测酰胺态氮有可能促进甘蓝地上部氮素的积累,而抑制根系氮素的积累。这与在苋菜[19]、莴笋[11]上的研究结果相一致,较高比例的NH4+-N有利于蔬菜对N的吸收,其中均以NO3--N∶NH4+-N为5∶5效果最好。氮素形态及配比处理下甘蓝对N素吸收的差异可能与谷氨酰氨合成酶(GS)有关,NH4+-N和较高比例NH4+-N氮处理效果更明显,其原因在于NH4+-N是GS的底物,可以促进GS活性的提高,GS活性的提高可带动氮代谢运转增强,促进氨基酸的合成和转化,从而提高N含量[16,20]。
整体来看,NH4+-N促进叶球对磷素的吸收,其与 NO3--N配施(NO3--N∶NH4+-N为7∶3,5∶5,3∶7)也有利于磷含量的增加,而NO3--N则不利于甘蓝对磷素的吸收。已有研究报道表明,N、P的吸收具有协同互作效应,NH4+-N能促进植株对P的吸收,这可能与NH4+-N的吸收促进根系释放H+,降低根际pH值,从而提高磷酸盐的溶解性有关[19]。
总体来看,NO3--N促进外叶、叶球和根系对钾素的吸收,主要原因是NO3-有利于促进K+的吸收[10];而整个生育期内铵态氮处理下甘蓝钾的积累量都相对较小,可能是由于高浓度的NH4+-N对土壤中钾素的转化有影响,NH4+-N导致土壤中钾的释放受到抑制,影响甘蓝对土壤钾的利用,油菜(Brassicacampestris)[21]上研究结果也表明,氯化铵、硫酸铵显著抑制其生长前期(5周时)对钾的吸收。
3.3 氮素形态及配比对甘蓝光合作用的影响
相关研究表明,当生长介质中提供不同铵硝比例的混合态氮素营养时,会对许多作物的光合作用和碳代谢产生一定的影响[4,22-23],其影响程度因植物种类而异。有报道指出,施用NO3--N对植物光合碳同化的促进作用大于施用铵态氮,而且NO3--N营养有利于植物积累蔗糖,而NH4+-N营养促进植物叶片累积淀粉[24]。
肖凯等[22]对小麦的研究结果表明,对于净光合速率的促进作用,NO3--N营养大于NH4+-N营养。在水稻(Oryzasativa)[25]上也报道了同样的结果。李存东等[23]在棉花(Gossypiumhirsutum)上的研究结果则指出,单一供NH4+-N营养棉花叶片净光合速率高于单一供NO3--N营养。黄瓜上的研究结果[26]表明,当NH4+-N比例为25%时净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度均最高,氮源为单一NO3--N时最低;NH4+-N比例在25%~50%时4个参数均与单一NO3--N处理有显著差异。说明单一NO3--N处理由于降低了气孔导度和胞间CO2浓度而引起净光合速率降低,而适当的NH4+-N比例对黄瓜幼苗叶片光合作用有积极的促进作用。本试验研究结果表明,NO3--N及其与铵态氮配施(NO3--N∶NH4+-N为7∶3,5∶5,3∶7)可以提高甘蓝叶片的光合速率,显著高于对照(CK2),而铵态氮处理下光合速率显著低于对照(CK2)。这与肖凯等[22]、宋娜等[25]的研究结果基本相同,而李存东等[23]的研究结果不一致,可能是由于不同作物对NH4+-N和NO3--N的敏感性和嗜好性不同。氮素代谢与碳素代谢关系密切,其所需的碳骨架主要由糖类代谢中间产物生成;植物在同化铵时要大量消耗碳水化合物,NO3--N施用有利于碳水化合物的合成、分解代谢和运输,一方面提供了较充足的氮素同化所需要的碳骨架,另一方面有利于根部蔗糖的水解,保障根部碳水化合物的供应[27]。
3.4 氮素形态及配比对甘蓝产量的影响
NO3--N与NH4+-N配施处理的增产率显著大于单一氮肥形态的处理,其中NO3--N含量在30%~50%范围内时促进增产的效果最佳,这与刘秀珍等[19]的研究结果一致,其利于苋菜增产的NO3--N∶NH4+-N比值为5∶5。可能原因是NO3--N和NH4+-N联合供应时,既能促进细胞分裂素的合成,又能降低NO3--N的吸收和还原所消耗的能量,而且吸收NH4+-N产生的酸化又可以抵消吸收NO3--N时引起的根际碱化[28],从而有利于甘蓝的生长。由于本试验地土壤偏碱性,因此配施较多的NH4+-N有利于降低甘蓝根际的pH值,从而减小因土壤偏碱性而造成的不利于甘蓝生长的因素。施肥增产是否会使效益增加是判断合理施肥的重要依据。研究结果显示配施处理甘蓝的物候期比单一形态氮肥处理的早,NO3--N∶NH4+-N为5∶5处理最早进入采收期,NO3-:NH4+-N为3∶7处理次之(本试验种植的春夏茬甘蓝的采收期越早,甘蓝的收购价格越高)。NO3--N∶NH4+-N为5∶5和3∶7处理均可带来高产,这同卢凤刚等[29]的研究结果一致。
3.5 氮素形态及配比对甘蓝品质的影响
蔬菜硝酸盐含量受肥料供应的影响较大[30-31]。本试验中,单施NO3--N较铵态氮和尿素易增加甘蓝叶球硝酸盐含量,NO3--N与NH4+-N配施可降低硝酸盐含量,可能是由于NH4+-N被蔬菜作物吸收后,立即参与含氮有机物合成,而NO3--N则要先还原成NH4+-N,要消耗额外能量并在相应酶参与下方能进行,因而易在蔬菜体内积累[32]。
酰胺态氮(尿素)有利于提高甘蓝叶球中Vc含量,NO3--N与NH4+-N配施时,硝态氮含量在30%~50%之间时甘蓝叶球Vc、可溶性糖含量相对较高,可溶性固形物无明显降低,而NO3--N含量较高时,Vc含量较低,即NH4+-N和酰胺态氮有利于提高甘蓝可食部分的Vc含量。结果还表明,Vc含量与硝酸盐含量有一定关系,高含量的Vc能与亚硝酸迅速反应,产生一氧化氮,本身被氧化成脱氢抗坏血酸,从而降低蔬菜中硝酸盐含量[33]。
NO3--N较NH4+-N更有利于促进甘蓝可食部分可溶性糖含量的增加;NO3--N与NH4+-N配合施用时具有更好的促进效果,当NO3-N∶NH4+-N为5∶5时促进效果最显著,但这与张春兰等[33]的研究结果不一致。这有可能是作物种类不同造成的,也可能与栽培模式有关。
本实验结果表明,NO3--N及其与NH4+-N配施促进甘蓝的生长,有利于提高甘蓝外叶、叶球和根系的含氮、磷和钾含量;提高甘蓝叶片的光合作用;增产率显著大于单一氮肥形态的处理;降低硝酸盐含量,获得较高的可溶性糖含量。总之,与单一氮肥形态相比,当NO3--N∶NH4+-N处于3∶7~7∶3范围内时甘蓝易获得高产和较好的品质,其中NO3--N∶NH4+-N为5∶5是最佳比例。
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