直插式根灌的土壤水分时空分布与节水效率

马振勇，杜虎林,刘荣国，严子柱,刘立刚

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所， 甘肃 兰州 730000； 2.中国科学院大学， 北京 100049；3.宁夏中卫沙坡头国家级自然保护区管理局， 宁夏 中卫 755000； 4.甘肃省治沙研究所， 甘肃 兰州 730070)

直插式根灌的土壤水分时空分布与节水效率

马振勇1,2，杜虎林1,刘荣国3，严子柱4,刘立刚3

(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所， 甘肃 兰州 730000； 2.中国科学院大学， 北京 100049；3.宁夏中卫沙坡头国家级自然保护区管理局， 宁夏 中卫 755000； 4.甘肃省治沙研究所， 甘肃 兰州 730070)

在塔里木河下游枣树生态经济林进行根灌试验，研究了直插式根灌条件下的土壤水分时空分布和节水效率。结果表明：(1) 灌水过程中直插式根灌的土壤水分分布在0～100 cm土壤层，随灌溉时间增加，土壤含水量，0～20 cm土层呈波动变化，80～100 cm土层基本稳定，其余各土层呈S型增加；(2) 不同时期1 m深土层平均土壤体积含水量最大值及达到最大值的时间，枣树生长初期为44.62%、7.5 h，花期为43.26%、12.5 h，幼果期为46.3%、15 h；(3) 根灌过程中，各土层土壤含水量变异系数大小次序为80 cm>20 cm>40 cm>60 cm>100 cm；灌后土壤平均含水量，80、100 cm土层与其余各层之间差异显著，20、40、60 cm土层之间差异不显著，80 cm土层土壤含水量空间异质性最高；(4) 三次试验后20 d内，0～100 cm土层的平均土壤体积含水量消退速率分别为0.21%·d-1、0.19%·d-1和0.17%·d-1，土壤体积含水量60 cm和100 cm土层消退速率稳定，40 cm土层呈先消退后增加的趋势，20 cm土层0～10 d迅速消退，80 cm土层11～20 d迅速消退；(5) 直插式根灌的节水效率比地表滴灌高27.78%，水分利用效率分别比地表滴灌和漫灌高8.12%、52.46%。

直插式根灌；土壤水分；时空分布；节水效率；水分利用效率

直插式根灌技术是依托于传统滴灌设施，采用直插式渗灌滴头和导水微管将灌溉水直接输送至植物根系土壤层，实现了灌溉水分低蒸发损失、甚至无蒸发损失[1-2]的新型灌溉技术，统称根灌。目前，在塔里木垦区，对灌溉水及节水灌溉的研究，多集中于水资源的分布与开发利用[3-6]，水资源变化的时空分布[7-9]，滴灌及膜下滴灌土壤水盐运移及节水效率研究[10-11]，对直插式根灌技术研究较少。有限的可利用水资源在传统的灌溉方式下，如漫灌、串灌、沟灌、小畦灌等[12]，不仅水分利用效率低，而且由于强烈的地表蒸发，造成地表土壤盐化程度增加，盐分积累[13]。目前试验区多采用滴灌技术，作为该区主要的节灌方式，与传统灌溉方式相比，虽然滴灌节水效率大幅提高，但是会在滴头附近形成一定面积的湿润圆周[1]，仍存在较大的土壤蒸发，从而降低了土壤水分利用率。杜虎林[2]等在塔里木公路防护林的试验表明，根灌技术比滴灌节水30%以上。

直插式根灌技术也存在一些微灌技术所共有的局限性，该技术属于局部灌溉方式，土壤水分分布与出水微孔的距离密切相关。在垂直剖面上，靠近出水微孔下方的土层比靠近出水微孔上方的土层土壤含水量高。在水平方向上，距离出水孔越远土壤含水量越小，造成土壤含水量的不均匀分布，所以直插式根灌技术不适合小麦等密植型作物的灌溉方法，适合枣树、果树等疏植型作物。该技术实现了土壤越层灌溉，能够将灌溉水直接引灌到一定深度植物根系分布层，但排盐能力受到一定限制，直插式根灌的出水孔较小，对灌溉水的水质及过滤系统要求较高。

其它地下滴灌技术，如渗灌、涌泉根灌等，有较好的灌水效果和抑制表层土壤水分蒸发损失的作用，但需要开沟埋管，工程量大，出水口易堵塞、检修困难。地表滴灌技术在灌水过程中滴头周围容易形成一定面积的湿润圆周，增加了表层土壤水分蒸发损失，降低了水分的利用效率；直插式根灌技术，其创新之处在于将灌溉水直接引灌到一定深度植物根系分布层，实现了土壤的越层灌溉，降低土壤表层水分蒸发损失，提高了灌水效率；直插式根灌设施产品，成本低廉，安装简便，便于维护。本试验通过研究这种新型灌溉技术的土壤水分时空分布及其节水效率，旨在使直插式根灌技术在塔里木垦区枣树生态经林达到较好的使用效果，为干旱区灌溉农业提供高效的节水技术，并为直插式根灌技术的推广提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012年4月—2013年11月在塔里木河下游，枣树生态经济林进行，试验枣树品种树龄为5、6 a骏枣。试验地位于新疆生产建设兵团农二师三十三团所辖乌鲁克镇(40°47′N，87°06′E；海拔855～863 m)[14]东南8 km。该地区属暖温带大陆性荒漠气候，光照充足，降水稀少，蒸发强烈，昼夜温差大，年平均降水量44.6 mm，年平均蒸发量2 378.4 mm，年日照时间2 975.7 h，年平均气温10.8℃，平均年较差36.3℃，全年≥10℃的平均积温4 218.3℃，年平均湿度50%。以东南风为主，最大风速可达14 m·s-1，土壤母质属第四纪全新世沉积母质[14-15]。根据实际土壤剖面分析，表层以下42.5 cm以上为沙土，42.5～80 cm为壤黏土，80 cm以下为沙壤土。环刀法测定剖面上沙土、壤黏土与沙壤土平均土壤容重分别为1.47、1.44 g·cm-3和1.52 g·cm3[16]。

1.2 研究方法

1.2.1 直插式根灌条件下土壤含水量随时间变化的分布规律研究试验设计 直插式根灌示意图及设施产品如图1和图2，本试验采用基于时域发射技术(TDR)的PC—2S型土壤温湿度监测系统测定土壤水分，在距离根灌滴头10 cm处，挖1 m深土壤剖面，在挖好的同一垂直剖面上，距地表20 cm为起点，间隔20 cm垂直于剖面水平插入5个土壤水分传感器，以0.5 h为间隔，原位不间断监测土壤体积含水量的动态变化。TDR探针长度为8.5 cm，TDR测定的土壤水分数值为体积含水量，分辨率为0.1%，测量范围为0～100%，精度为±2%。试验重复两个剖面，采集2013年4月28日、6月15日、2013年7月21日三次根灌试验土壤体积含水量数据，平均两个剖面同一土层的土壤含水量，分析试验过程中土壤体积含水量随时间变化的规律；采集三次根灌后20天的TDR监测数据，平均两个剖面上对应土层在 24 h内的土壤水分变化数据，作为当天该土层的土壤体积含水量，探究各土层土壤体积含水量的消退规律。试验地呈东西方向长方形布置，在东西方向上每隔18 m留出一条宽2 m通道，以便田间机械作业，株距为1 m，行距为1.5 m，枣树实际密度为4 200 株·hm-2，试验期间，毛管沿着南北方向布置间距与枣树行距相同，滴头间距与株距相同。

图1 直插式根灌示意图

图2 直插式根灌设施产品

Fig.2 The facilities of the straight tube root irrigation technology

1.2.2 直插式根灌条件下土壤含水量空间分布规律研究试验设计 灌水过程中对不同土层土壤体积含水量进行描述性统计，分析直插式根灌过程中不同土层土壤体积含水量的变异性大小，以及土壤含水量变化的显著性水平；通过绘制不同深度的土壤含水量变化的等值线图，分析三次试验过程中土壤水分的空间异质性。

1.2.3 直插式根灌技术的节水效率研究试验设计 为确保滴头流速相同，在同一条毛管上相间布置根灌、滴灌，不同灌溉方式重复布置两个剖面，每个重复在距离滴头10 cm处，1 m深土壤剖面上，以距离地表20 cm为起点，间隔20 cm布置采样点，用土钻取样，重复3次，烘干法测定土壤含水量，在水量平衡条件下，计算不同灌溉方式下枣树耗水量，进行根灌与滴灌节水效率对比试验，分析直插式根灌技术的节水效率。

于2012年4月在长势良好的5年生枣树林，分别布置面积均为0.1 hm2的直插式根灌区，地表滴灌区和漫灌区，分别于2012年10月28日 和2013年11月6日测产，水表记录试验期间灌水量，以产量与灌水总量的比值作为水分利用效率，进行水分利用效率研究。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel 2007进行数据处理，采用SPSS统计软件进行描述性统计、显著性分析，土壤水分等值线图绘制采用surfer 13.0完成，其他图件处理用Auto CAD 2013以及Photoshop CS6共同完成。

变化率的计算：

r=(a1-a2)∕a2×100%

(1)

式中，a1为变化前的量；a2为变化后的量；r为在a1基础上的变化率。

土壤储水量计算公式：

(2)

式中，W表示某一厚度层的土壤储水量(mm)；θi为第i层土壤含水量；hi为第i层土层厚度(mm)，i=1，2，3，…n，n为土层数。根据《灌溉试验规范》(SL13—2014)[17]中的水量平衡计算公式计算各物侯期的耗水量。

水量平衡计算公式：

ET1-2=M+P+K-W-C

(3)

式中，ET1-2为计算时段内枣树田间耗水量(mm)；W为土壤储水量变化(mm)；M为灌水量(mm)；P为有效降雨量(mm)；K为地下水补给量(mm)；C为排水量(mm)。实测数据表明，在试验阶段内，无降雨，无排水，地下水水位较深，土壤体积含水量除受灌水影响之外，不受其他因素影响。

故水量平衡计算公式可简化为：

ET1-2=M-W

(4)

水分利用效率计算公式：

WUE=(Y/W)×100%

(5)

式中，WUE为水分利用效率(kg·km-2·m-3)；Y为测量周期内的红枣产量(kg·km-2)；W为测量周期内的灌水总量(m3)。

2 结果与分析

2.1 根灌条件下土壤水分时空变化特征

2.1.1 根灌条件下土壤水分入渗过程分析 于2013年4月28日18∶30至29日8∶30第一次试验(图3(a))，根灌14 h，现场测定滴头流速为2.94 L·h-2；2013年6月15日14∶00至16日10∶00第二次试验(图3(b))，根灌19 h，滴头流速为2.88 L·h-1；2013年7月21日12∶00至22日4∶30第三次试验(图3(c))，根灌15.5 h，滴头流速为2.97 L·h-2，3次灌溉时，不同土壤层的初始含水量如表1所示；对3次根灌的TDR监测数据进行分析，各土层土壤含水量随时间变化趋势如图3。表明，3次灌溉，土壤水分分布在0～100 cm土壤层，灌水过程中，除20 cm土层土壤含水量呈波动变化，100 cm土壤层土壤含水量基本稳定之外，其余各土层和1 m深土层土壤平均含水量均呈S型增加，灌水前期到中期(0～10 h)土壤水分空间异质性高于灌水后期(图4)。第一次试验为枣树生长初期，此时植物蒸腾、土表蒸发较弱，灌水时土壤平均体积含水量达到最大值44.62%的时间为7.5 h；第二次试验为枣树生长的花期，此时气温较高，植物蒸腾、土表蒸发较强，灌水时土壤平均体积含水量达到最大值43.26%的时间较长，为12.5 h；第三次试验为枣树生长的幼果期，此时气温很高，植物蒸腾、土表蒸发很强，灌水时土壤平均体积含水量达到最大值46.3%的时间为15 h。

表1 不同灌溉时间各土层土壤初始体积含水量

2.1.2 根灌后土壤水分随时间变化分析 采集三次根灌后20天的TDR监测数据，平均两个剖面上对应土层一昼夜的土壤水分变化数据，作为当天该土层的土壤体积含水量进行分析，各土层土壤含水量随时间消退规律如图5所示。结果表明，灌后各土层土壤体积含水量逐渐消退，1 m深土层平均土壤含水量，第一次试验平均消退0.21%·d-1，第二次试验平均消退0.19%·d-1，第三次试验平均消退0.17%·d-1；各土层土壤体积含水量60 cm和100 cm土层消退率稳定，40 cm土层呈先消退，后增加的趋势，20 cm土层灌后0～10 d迅速消退，80 cm土层灌后11～20 d迅速消退。这种变化可能与试验地特殊的上沙下粘土质特性有关，表层土壤主要受强烈的土面蒸发的影响，灌溉后土壤含水量迅速消退；80 cm土层附近由于存在一层粘土层，很大部分的灌溉水储存在40～80 cm土层，灌溉水对100 cm土层的影响较小，灌水后期由于强烈的蒸散发，深层土壤水分通过毛细管运力等作用，向表层土壤运移，引起了80 cm土层土壤水分消退明显。

图3 三次根灌不同土层土壤水分入渗过程

Fig.3 The dynamic analysis of water infiltration process at different layers in three root irrigations

注：(a)为第一次根灌,(b)为第二次根灌,(c)为第三次根灌,下图同。

Note: (a) the first root irrigation, (b) the second root irrigation, (c) the third root irrigation, the same below.

图4 不同根灌时间土壤水分空间分布等值线

图5 三次根灌后20 d不同土层土壤水分消退过程动态变化

Fig.5 The dynamic analysis of water regression process at different layers 20 d after three root irrigations

2.1.3 根灌条件下土壤水分垂直变化分析 对不同深度土壤水分进行单因素方差分析及差异显著性检验(表2)，表明，3次根灌过程中，土壤含水量80 cm土层变异系数最大，说明80 cm土壤层是根灌过程中土壤水分剧烈变化层，100 cm土层变异系数最小，说明根灌对100 cm土层土壤含水量的影响最小。各土层土壤含水量变异系数大小次序为80 cm>20 cm>40 cm>60 cm>100 cm。灌后，各土层土壤平均含水量之间的差异显著性表明，80 cm和100 cm土层与其他各土层之间差异显著，20、40、60 cm土层之间差异不显著。80 cm土层附近土壤含水量等值线较其他各层更加密集，说明此层土壤含水量的空间异质性高于其他各层(图4)。

2.2 根灌节水效率研究

2.2.1 根灌与地表滴灌节水效率对比 2013年7月21日，布置了直插式根灌与地表滴灌土壤水分对比试验(图6)，试验中测得滴头流速为2.97 L·h-1，通过安装在支管出水口的水表记录的灌水量为1 250 m3·hm-2，即为125 mm；烘干法测定土壤重量含水量，计算灌溉前后不同土层土壤储水量变化(表2)。结果表明，灌溉前后根灌80 cm土层土壤储水量变化最大，灌后增加34.09 mm，相对增加100.95%，滴灌20 cm土层土壤储水量变化最大，灌后增加27.45 mm，相对增加83.39%。灌后1 m深土层平均土壤储水量，根灌增加108.43 mm，相对增加55.55%，灌水效率为86.74%，滴灌增加73.71 mm，相对增加37.62%，灌水效率为58.97%，根灌灌水效率比滴灌高27.78%。通过简化后的水量平衡公式，计算根灌条件下枣树耗水量为16.57 mm，耗水率为13.26%，滴灌条件下枣树耗水量为51.29 mm，耗水率为41.03%，滴灌耗水率比根灌高27.78%，说明枣树林根灌技术比滴灌节水27.78%，根灌有效地抑制了土壤水分蒸发损失。

表2 不同灌溉时间各土层土壤含水量描述性统计结果

注：同列不同小写字母表示处理间差异达0.05显著水平，下同。

Note: the different lowercase letters in the same columns mean significant difference at 0.05 levels, the same below.

图6 根灌、滴灌对比试验布置

Fig.6 The test arrangement of root irrigation and drip irrigation

2.2.2 根灌与地表滴灌水分利用效率对比 于2012年4月在长势良好的4年生枣树林(试验前均采用漫灌)，分别布置面积均为0.1 hm2的直插式根灌(STRI)区，地表滴灌(SDI)区及漫灌(FI)区， 2012年10月28日、2013年11月6日测产，水表记录灌水总量，以产量与灌水总量的比值作为水分利用效率，进行不同灌溉方式水分利用效率对比，试验布置如图7所示，将每个试验区均匀布置为面积为0.033 hm2的3个试验小区，测定每个试验小区的红枣产量，计算不同灌溉方式下红枣平均产量。观测周期内的灌水总量与产量数据如表4所示，结果表明，不同灌溉方式之间的红枣产量差异不显著，直插式根灌与地表滴灌水分利用效率差异不显著，直插式根灌与漫灌，地表滴灌与漫灌之间水分利用效率差异显著，两年试验的平均水分利用效率，直插式根灌比地表滴灌高8.12%，比漫灌高52.46%。

表3 灌溉前后0～100 cm土层土壤储水量变化

图7 不同灌溉方式下的水分利用效率对比试验布置

Fig.7 The test layout of water-use efficiency of different irrigation methods

表4 不同灌溉方式下的产量及水分利用效率

3 讨 论

土壤水分是农作物生长发育的基本条件和农作物产量预报的基本参数，土壤含水量的多少和空间分布，能有效反映作物当前的生长状况，以及研究区域的干旱情况[18]。水分利用效率是节水农业的重要指标，是节水农业研究的重要理论问题之一[19]，中国的灌溉水利用效率仅为40%左右，低于发达国家的80%利用效率，水的生产效率不足1.0 kg·m-3，也远远低于发达国家2.0 kg·m-3的水平[20]。目前应用最为广泛的技术是滴灌技术包括膜下滴灌，对滴灌土壤水分的运移、分布规律以及数值模拟已经研究较为成熟[21-22]。

直插式根灌技术是一种新型的节水技术，分析根灌过程中的土壤水分时空分布规律，是推动根灌技术应用和发展的基础。在本试验条件下，不同根灌时间，土壤水分的时空分布趋势大致相同，其中80 cm土壤层空间异质性很大，通过对试验地土壤调查显示，在80 cm土壤层附近存在一层粘土层，其质地与其他各层存在很大差异，渗透系数较小。灌溉过程中，各土层土壤含水量的变异系数大小为80 cm>20 cm>40 cm>60 cm>100 cm，80 cm、40 cm和20 cm土层是变异系数变化较大的土层，这是因为80 cm土层主要受土壤渗透系数影响，由于试验期间的平均气温很高，20 cm和40 cm土层土壤含水量变化，主要受枣树蒸散发、土壤毛细管运力、深层下渗等共同作用的影响。灌溉后各土层土壤体积含水量消退规律表明，20 cm土层灌后0～10 d迅速消退，80 cm土层灌后11～20 d迅速消退。这种变化可能与试验地特殊的上沙下粘土质特性决定的，由于强烈的蒸散发，表层土壤水分首先消退，灌水后期，深层土壤水分在通过毛细管运力等作用，向表层土壤运移，引起了80 cm土层土壤水分的明显消退。

灌溉是影响干旱区绿洲农业生产的最主要因素之一[23]。 一种灌溉技术是否能够推广应用最主要的参考标准，一是运行成本，二是节水效率。直插式根灌技术是依托于滴灌设施，在原有滴头上连接一个直插式渗灌滴头，成本低廉，田间布置简单；杜虎林等[2]在塔里木公路防护林的试验表明，直插式根灌技术比滴灌节水30%以上。本试验通过灌后土层储水量和蒸发损失两个方面考虑，得出在试验地根灌比地表滴灌节水效率高27.78%，平均水分利用效率比地表滴灌高8.12%，比漫灌高52.46%，可为该地区灌溉水资源管理部门提供一定的参考。

4 结 论

1) 试验地灌水过程中直插式根灌的土壤水分分布在0～100 cm土壤层，随灌溉时间增加，20 cm土层土壤含水量呈波动变化，100 cm土层基本稳定，其余各土层呈S型增加。

2) 枣树生长不同时期1 m深土层平均土壤体积含水量，最大值及达到最大值的时间，枣树生长初期为44.62%、7.5 h，花期为43.26%、12.5 h；幼果期为46.3%、15 h。

3) 各土层土壤含水量变异系数大小次序为80 cm>20 cm>40 cm>60 cm>100 cm。灌后土壤平均含水量，80 cm、100 cm土层与其余各层之间差异显著，20 cm、40 cm、60 cm土层之间差异不显著，80 cm土层土壤含水量空间异质性最高。

4) 3次根灌后，各土层土壤体积含水量逐渐消退，1 m深土层平均土壤含水量第一次试验平均消退0.21%·d-1，第二次试验平均消退0.19%·d-1，第三次试验平均消退0.17%·d-1；3次试验，各土层土壤体积含水量60 cm和100 cm消退率稳定，40 cm土层呈先消退，后增加的趋势，20 cm土层灌后0～10 d迅速消退，80 cm土层灌后11～20 d迅速消退。

5) 试验地直插式根灌灌水效率为86.74%，地表滴灌灌水效率为58.97%，根灌灌水效率比滴灌高27.78%。根灌条件下枣树耗水率为13.26%，滴灌条件下枣树耗水率为41.03%，滴灌耗水率比根灌高27.78%，从这一角度说明，根灌技术比地表滴灌技术节水效率高27.78%；不同灌溉方式下，红枣产量差异不显著，直插式根灌与地表滴灌水分利用效率差异不显著，直插式根灌与漫灌，地表滴灌与漫灌之间水分利用效率差异显著，直插式根灌的水分利用效率分别比地表滴灌和漫灌高8.12%，52.46%。

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Soil water temporal and spatial distribution and water-saving efficiency of straight tube root irrigation

MA Zhen-yong1,2, DU Hu-lin1, LIU Rong-guo3, YAN Zi-zhu4, LIU Li-gang3

(1.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu73000,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.NingxiaShapotouNationalNatureReserveAdministration,Zhongwei,Ningxia755700,China; 4.GansuDesertControlResearchInstitute,Lanzhou,Gansu730070,China)

In order to identify soil water temporal and spatial distribution and water-saving efficiency under straight tube root irrigation, root irrigation experiment in the Jujube ecological and economic forest of downstream part of Tarim river was carried out. The results showed that: (1) In straight root irrigation process, the distribution of soil moisture was at soil layer from 0 to 100 cm; with the increase in irrigation time, the soil water content of soil layer from 0 to 20 cm was fluctuating, that of soil layer(80～100 cm) stable, and that of the rest soil was on the rise of S type; (2) The maximum value of average soil water content of one-meter deep soil layer and the time at which the value was reached were 44.62% and 7.5 h, in jujube growth stage, 43.26% and 12.5 h in flowering stage, 46.3% and 15 h in young fruit period; (3) In the process of root irrigation, the variation coefficient of soil water content at each soil layer was ranked in the descending order, 80 cm>20 cm>40 cm>60 cm>100 cm. After irrigation, there was significant difference in the average soil water content at 80 cm, 100 cm layer and that at rest layers. There was no significant difference in the average soil water content between the soil layer of 20 cm, 40 cm and 60 cm. The spatial heterogeneity of soil water content in 80 cm soil layer was the highest; (4) 20 days after the three experiments, the regression rate of the average soil water content in 0～100 cm soil layer was 0.21%·d-1, 0.19%·d-1and 0.17%·d-1respectively. With regard to soil volumetric water content, the regression rate of the 60 cm and 100 cm soil layer remained stable, that of 40 cm soil layer faded before it increased, that of 20 cm soil layer faded rapidly in the first ten days, and that of 80 cm soil layer faded rapidly in the latter ten days. (5) The water-saving efficiency of straight tube root irrigation was 27.78% higher than surface drip irrigation. The water use efficiency of straight tube root irrigation was 8.12% and 52.46% higher than respectively than surface drip irrigation and flood irrigation.

straight tube root irrigation； soil water； temporal and spatial distribution； water-saving efficiency； water use efficiency

1000-7601(2017)04-0095-08

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.15

2016-05-10

宁夏回族自治区环保厅宁夏环保生态示范基地根灌节水技术研究与示范项目(Y490L61001)；甘肃省科技支撑计划项目(1304JKCA170)

马振勇(1989—)，男，甘肃和政人，硕士研究生，主要从事干旱区水文水资源、节水灌溉及水肥耦合等方面的研究。 E-mail:mzyzhx@163.com。

S275.9；S152.7+5

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