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长期冬绿肥翻压对土壤无机磷形态的影响

2022-01-26向春阳史昕倩田秀平

河南农业科学 2021年11期
关键词:磷素绿肥磷肥

张 茜,向春阳,赵 秋,史昕倩,田秀平,杜 锦

(1. 天津农学院农学与资源环境学院,天津 300384;2. 天津市农业资源与环境研究所,天津 300192)

磷素是影响作物生长发育的重要因素,也是北方石灰性土壤上作物增产的主要限制因子[1‐3],外施磷肥是维持土壤供磷水平、保证农作物产量的重要措施。但磷素在土壤中移动性差,易被固定,这导致磷肥利用效率低,生产中易出现过量施用磷肥的现象[4]。在某些条件下,尽管土壤的全磷含量较高,但可供植物吸收利用的有效磷含量仍然很低[5],只有依靠施磷肥才能满足作物生长需要。但施入到石灰性土壤中的磷,大部分会与Ca2+等发生沉淀反应[6],有研究表明,75%~90%的磷转化为难溶性磷酸盐累积在土壤中,致使主要农作物的磷肥当季利用率仅为10%~25%[7‐8],土壤中大量磷盈余[9]。这不仅浪费了有限的磷矿资源,还可能带来潜在的环境问题。目前,急需提高土壤磷素利用率,减少化学磷肥施用量,促进农业可持续发展。合理种植绿肥作物在提高养分资源利用效率方面发挥着重要作用[10],绿肥不但能通过自身所携带磷的循环再利用改善磷素营养水平、降低土壤对磷的吸附提高磷肥的利用率,而且还能通过还原、酸溶、络合等作用,促进解磷微生物增殖,活化土壤中难利用的磷为可利用磷。同时,绿肥翻压可使土壤磷酸酶活性增强,促进土壤中有机磷化合物水解,生成能被植物所利用的无机态磷。此外,绿肥残体在分解过程中也会释放出磷,并成为土壤有效态磷。因而,绿肥翻压能显著提高土壤中磷的有效性,改善土壤供磷状况[11]。

土壤中磷素有效性受土壤中铝、铁和钙等影响[12],土壤中的磷可分为无机磷和有机磷两大类,其中,不同形态磷的有效性不同,早在20 世纪30 年代,关于无机磷的形态分级方法就已被提出[13],许多学者在土壤各形态无机磷的植物有效性及形态转化方面等做了大量工作[14‐17]。王伯仁等[18]对红壤12 a 的长期肥力定位监测表明,施用化学磷肥可显著增加红壤的全磷含量,并以Al-P 的增幅为最大。长期定位监测黑土施肥15 a 的研究发现,施用磷肥可增加黑土Fe-P 含量,但Ca10-P 含量无显著增加[19]。韩晓日等[20]对棕壤26 a 的定位试验结果表明,长期施用有机肥或化学磷肥,除耕层Ca10-P 含量减少外,其他各形态无机磷含量均有所增加;长期不施磷肥,Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P 含量均减少。刘建玲等[21]在石灰性土壤上的研究表明,连续12 a施用磷肥、有机肥,可主要增加无机磷中的Ca2-P、Ca8-P 含量,其次为Al-P、Fe-P 含量。但有关长期翻压绿肥对土壤无机磷形态及其有效性影响的报道较少,鉴于此,在天津市武清开发区进行冬绿肥—春玉米轮作模式的长期定位试验,并选择具有较高生物产量、越冬性稳定、能较好适应该地环境的冬绿肥与玉米进行轮作,以探讨不同冬绿肥作物翻压还田对土壤无机磷总量、无机磷形态变化及玉米磷吸收等的影响,为华北地区合理种植冬绿肥并改善土壤供磷状况提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验地选择在位于天津市武清开发区的天津市农业科学院创新基地(N 39°21´、E 117°10´),该地海拔3.60 m,属于暖温带半湿润大陆性季风气候。年平均气温11.60 ℃,无霜期203 d 左右,年降水量586.10 mm。供试土壤为潮土,0~20 cm 耕层土壤基础土样:pH 值为8.28、有机质含量为18.30 g/kg、全氮含量为1.17 g/kg、硝态氮含量为4.65 mg/kg、全磷含量为0.59 g/kg、有效磷含量为9.70 mg/kg、全钾含量为30.03 g/kg、速效钾含量为265.14 mg/kg、无机磷总量为593.86 mg/kg、Ca2-P 含量为9.87 mg/kg、Ca8-P含量为13.43 mg/kg、Ca10-P 含量为337.46 mg/kg、Fe-P 含量为39.85 mg/kg、Al-P 含量为37.91 mg/kg、O-P含量为155.34 mg/kg。

1.2 试验设计

试验共设5 个处理,处理1:冬闲(对照);处理2:种植二月兰(Orychophragmus violaceus)冬绿肥;处理3:种植毛叶苕子(Vicia villosaRoth)冬绿肥;处理4:种植黑麦草(Lolium perenneL.)冬绿肥;处理5:种植冬油菜(Brassica campestrisL.)冬绿肥。处理1—5 分别编号为CK、EYL、MS、HMC、DYC,每个处理重复3次,共计15个小区,每个小区面积18 m2,随机区组排列。冬绿肥生长期间不施加肥料与农药,设有灌溉设施。

2012—2019年,每年农事操作相同:9月播种绿肥,二月兰、毛叶苕子、冬油菜和黑麦草的播种量分别为100、150、100、100 kg/hm2,翌年4月收获计产后切成2~3 cm 的小段翻压入土壤10~15 cm。之后播种春玉米,施肥量为N 225.00 kg/hm2、P2O545.00 kg/hm2、K2O 225.00 kg/hm2。其中,氮肥1/3 作基肥,2/3 在玉米小喇叭口期追施;磷肥和钾肥全部基施。氮肥为尿素(含N 46%),磷肥为磷酸二铵(含N 18%、P2O546%),钾肥为氧化钾(含K2O 60%)。

1.3 样品采集与测定

2013—2019 年,每年冬绿肥翻压后种植玉米,每年玉米成熟后以多点取样法取土壤样品,于室内风干用于养分测定。其中,于2013年冬绿肥翻压前随机选取1 m2,采集地上和地下20 cm 植株和根部,冲洗掉根部土壤,于105 ℃杀青30 min,65 ℃烘干至恒质量,测定生物量并粉碎,对冬绿肥进行全量养分的测定,以了解不同冬绿肥生物量及全磷含量。

指标测定:采用高氯酸-氢氟酸消煮比色法测定全磷含量;采用碳酸氢钠浸提比色法测定有效磷含量;采用顾益初等[13]的分级及测定方法进行无机磷分级与测定。

某形态无机磷转化量=某形态无机磷2019年含量-该形态无机磷2013年含量;

某形态无机磷转化率=(某形态无机磷转化量/无机磷变化总量)×100%。

1.4 数据处理

采用Excel 2017 进行数据处理及图表制作,采用SPSS 21.0 进行单因素方差分析(ANOVA)、Duncan’s检验及Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同冬绿肥生物量及全磷含量

冬绿肥翻压第1 年(2013 年),不同冬绿肥成熟后其生物量及全磷含量见表1。由表2 可知,不同冬绿肥的生物量从高到低排序为EYL>DYC>HMC>MS,且差异显著;不同冬绿肥的全磷含量从高到低排序为HMC>MS>EYL>DYC,且差异显著。

表1 2013年不同冬绿肥生物量及全磷含量Tab.1 Biomass and total phosphorus content of different winter green manures in 2013

2.2 长期冬绿肥翻压对土壤无机磷总量的影响

由图1可知,随着冬绿肥翻压年限的增加,各处理土壤中无机磷总量均呈增长趋势,且同一年份不同处理之间无机磷总量差异显著。其中,CK 处理显著低于4 个冬绿肥处理;MS 处理无机磷总量在2013—2015 年、2018—2019 年显著高于其他处理。2019 年无机磷总量排序为MS(902.13 mg/kg)>EYL(843.37 mg/kg)>DYC(804.22 mg/kg)>HMC(756.52 mg/kg)>CK(741.48 mg/kg)。2019 年各处理无机磷总量较基础土样无机磷总量(593.86 mg/kg)增长幅度排序为51.91%(MS)>42.01%(EYL)>35.42%(DYC)>27.39%(HMC)>24.86%(CK)。

图1 不同冬绿肥长期翻压土壤无机磷总量的动态变化Fig.1 Dynamic changes of total inorganic phosphorus content in soil under long-term overturning of different winter green manures

从表2看出,长期冬绿肥翻压后,不同处理土壤中总无机磷占全磷百分比平均值介于90.83%~94.04%。其中,平均占比最高的是CK,为94.04%。而MS、HMC 和DYC 经过长期冬绿肥翻压后2019 年无机磷总量占全磷总量百分比均较2013 年有所降低。

表2 不同冬绿肥长期翻压土壤无机磷总量占全磷百分比Tab.2 Percentage of total inorganic phosphorus content in soil under long-term overturning of different winter green manures%

2.3 长期冬绿肥翻压对土壤不同形态无机磷的影响

2.3.1 长期冬绿肥翻压对土壤Ca2-P 的影响 由图2可知,随着冬绿肥翻压年限的增加,不同处理土壤中Ca2-P 含量都呈增长趋势,且同一年份不同处理之间存在显著性差异。自2013年起CK处理土壤中Ca2-P 含量显著低于4 个冬绿肥处理。除2014 年外,DYC 处理的Ca2-P 含量在不同年份均显著高于其他处理。2019 年,Ca2-P 含量排序为DYC(40.71 mg/kg)>HMC(33.73 mg/kg)>MS(25.20 mg/kg)>EYL(20.98 mg/kg)>CK(14.89 mg/kg)。2019 年各处理Ca2-P 含量较基础土样Ca2-P 含量(9.87 mg/kg)增长倍数排序为3.12 倍(DYC)>2.42 倍(HMC)>1.55 倍(MS)>1.13倍(EYL)>0.51倍(CK)。

图2 不同冬绿肥长期翻压土壤Ca2-P含量的动态变化Fig.2 Dynamic changes of Ca2-P content in soil under long-term overturning of different winter green manures

2.3.2 长期冬绿肥翻压对土壤Ca8-P 的影响 由图3可知,随着冬绿肥翻压年限的增加,不同处理土壤中Ca8-P 含量都呈增长趋势,且同一年份不同处理之间存在显著性差异。每个年份均是CK 处理的Ca8-P 含量显著低于4 个冬绿肥处理。自2017 年起MS处理Ca8-P含量显著高于其他处理。2019年Ca8-P 含量在不同处理之间排序为MS(169.41 mg/kg)>EYL(163.09 mg/kg)>HMC(155.74 mg/kg)>DYC(154.31 mg/kg)>CK(127.01 mg/kg)。2019 年各处理Ca8-P含量较基础土样Ca8-P含量(13.43 mg/kg)增长倍数排序为11.61 倍(MS)>11.14 倍(EYL)>10.60 倍(HMC)>10.49倍(DYC)>8.46倍(CK)。

图3 不同冬绿肥长期翻压土壤Ca8-P含量的动态变化Fig.3 Dynamic changes of Ca8-P content in soil under long-term overturning of different winter green manures

2.3.3 长期冬绿肥翻压对土壤Ca10-P 的影响 由图4可知,随着冬绿肥翻压年限的增加,不同处理土壤中Ca10-P 含量整体呈增长趋势,且同一年份不同处理之间存在显著性差异。其中,MS 处理除了2016—2017 年外Ca10-P 含量均显著高于其他处理。2019 年Ca10-P 含量排序为MS(603.41 mg/kg)>EYL(550.97 mg/kg)>DYC(538.97 mg/kg)>CK(511.88 mg/kg)>HMC(477.30 mg/kg)。 2019 年各处理Ca10-P 含量较基础土样Ca10-P 含量(337.46 mg/kg)增长幅度排序为78.81%(MS)>63.27%(EYL)>59.71%(DYC)>51.69%(CK)>41.44%(HMC)。

图4 不同冬绿肥长期翻压土壤Ca10-P含量的动态变化Fig.4 Dynamic changes of Ca10-P content in soil under long-term overturning of different winter green manures

2.3.4 长期冬绿肥翻压对土壤Al-P 的影响 随着冬绿肥翻压年限的增加,不同处理土壤中Al-P含量均呈增长趋势,但增长幅度不同(图5)。2013 年,CK 处理A1-P 含量显著高于除DYC 处理外的所有处理;自2018 年起,显著低于冬绿肥翻压的所有处理。2019 年Al-P 含量排序为HMC(60.08 mg/kg)>EYL(59.27 mg/kg)>MS(52.23 mg/kg)>DYC(50.93 mg/kg)>CK(46.25 mg/kg),2019 年各处理Al-P 含量较基础土样Al-P 含量(37.91 mg/kg)增长幅度排序为58.48%(HMC)>56.34%(EYL)>37.77%(MS)>34.34%(DYC)>22.00%(CK)。

图5 不同冬绿肥长期翻压土壤Al-P含量的动态变化Fig.5 Dynamic changes of Al-P content in soil under long-term overturning of different winter green manures

2.3.5 长期冬绿肥翻压对土壤Fe-P的影响 由图6可知,2013—2019 年,DYC 处理土壤中Fe-P 含量明显低于其他处理。且除2014年外,DYC处理土壤中Fe-P 含量与其他处理相比,差异均达到显著水平。2019 年Fe-P 含量排序为MS(51.88 mg/kg)>EYL(49.05 mg/kg)>CK(41.45 mg/kg)>HMC(29.67 mg/kg)>DYC(19.29 mg/kg),2019 年各处理Fe-P 含量与基础土样Fe-P 含量(39.85 mg/kg)相比,MS、EYL 和CK 分别增长了30.19%、23.09%和4.02%;DYC和HMC分别下降了51.59%和25.55%。

图6 不同冬绿肥长期翻压土壤Fe-P含量的动态变化Fig.6 Dynamic changes of Fe-P content in soil under long-term overturning of different winter green manures

2.3.6 长期冬绿肥翻压对土壤O-P 的影响 由图7可知,2016—2019 年,DYC 处理的O-P 含量显著高于其他处理。CK 和MS 处理除2014 年外其他年份均没有显著性差异,且显著低于其他3个处理;2019年O-P 含量排序为DYC(50.54 mg/kg)>EYL(24.75 mg/kg)>HMC(21.56 mg/kg)>CK(11.56 mg/kg)>MS(10.51 mg/kg),2019 年各处理O-P 含量较基础土样O-P 含量(155.34 mg/kg)降低幅度排序为67.46%(DYC)<84.07%(EYL)<86.12%(HMC)<92.56%(CK)<93.23%(MS)。

图7 不同冬绿肥长期翻压土壤O-P含量的动态变化Fig.7 Dynamic changes of O-P content in soil under long-term overturning of different winter green manures

2.4 长期冬绿肥翻压对土壤不同形态磷转化的影响

图8为不同冬绿肥翻压土壤各形态无机磷的转化量,图9 为不同冬绿肥翻压土壤各形态无机磷转化率。由图8 可知,Ca2-P 转化量排序为DYC(20.43 mg/kg)>HMC(15.25 mg/kg)>MS(14.24 mg/kg)>CK(7.71 mg/kg)>EYL(4.73 mg/kg)。由图9 可知,DYC、HMC、MS、CK 和EYL 的Ca2-P 转化率分别为8.20%、8.03%、4.94%、4.94%和1.85%。Ca2-P 在土壤中含量少,但有效性高容易被植物吸收利用,因此,Ca2-P含量十分重要。上述结果表明,冬油菜活化Ca2-P的效果最好。Ca8-P 转化量排序为EYL(49.50 mg/kg)>MS(46.60 mg/kg)>DYC(42.13 mg/kg)>HMC(37.10 mg/kg)>CK(18.63 mg/kg)。Ca8-P 转化率排序 为 HMC (19.53%) >EYL (19.34%) >DYC(16.92%)>MS(16.18%)>CK(11.94%)。Ca8-P 和Ca2-P 均为易被作物吸收利用的无机磷形态,且土壤中Ca8-P 含量远高于Ca2-P 含量,因此,促使土壤中的磷素向Ca8-P 转化对于提高作物对磷素的吸收同样有效。在促使土壤中的磷素向Ca8-P 转化方面,二月兰长期翻压效果最好。Ca10-P 转化量排序为MS(160.81 mg/kg)>EYL(136.43 mg/kg)>DYC(127.59 mg/kg)>CK(105.70 mg/kg)>HMC(63.42 mg/kg)。Ca10-P 转化率排序为CK(67.76%)>MS(55.84%)>EYL(53.29%)>DYC(51.24%)>HMC(33.38%)。Ca10-P 一般为难溶性磷灰石,难以被作物生长利用,应尽量避免土壤中磷素向Ca10-P 转化。在避免土壤中磷素向Ca10-P 转化方面,黑麦草长期翻压效果最好。O-P 方面,只有CK 和DYC 处理的转化量为正,分别为1.19、15.26 mg/kg;HMC、MS 和EYL 的转化量分别为-15.07、-1.81、-0.70 mg/kg,对O-P 转化均有抑制效果。DYC、CK、EYL、MS 和HMC 处理O-P 转化率分别为6.13%、1.22%、-0.27%、-0.64%和-7.93%。O-P 为被氧化铁胶膜包被的闭蓄态磷,短时间内不易被植物吸收利用,应抑制土壤中磷素向O-P 转化。在抑制土壤中磷素向O-P 转化方面,黑麦草长期翻压抑制效果最好。土壤中Al-P 转化量排序为EYL(27.35 mg/kg)>HMC(27.23 mg/kg)>MS(16.61 mg/kg)>DYC(11.64 mg/kg)>CK(7.71 mg/kg);转化率排序为HMC(14.33%) >EYL (10.68%) >MS (5.77%) >CK(4.94%)>DYC(4.67%)。土壤中Fe-P 的转化量排序为MS(24.39 mg/kg)>EYL(22.09 mg/kg)>CK(17.43 mg/kg)>HMC(6.17 mg/kg)>DYC(6.12 mg/kg);转化率排序为CK(9.89%)>EYL(8.74%)>MS(8.63%)>HMC(3.25%)>DYC(2.46%)。

图8 不同冬绿肥长期翻压土壤各形态无机磷转化量Fig.8 Conversion amount of various forms of inorganic phosphorus in soil under long-term overturning of different winter green manures

图9 不同冬绿肥长期翻压土壤各形态无机磷转化率Fig.9 Conversion rate of various forms of inorganic phosphorus in soil under long-term overturning of different winter green manures

2.5 不同形态无机磷与玉米籽粒全磷含量相关性分析

冬绿肥长期翻压后,对各处理2019年土壤无机磷含量和玉米籽粒全磷含量进行Pearson 相关性分析的结果见表3。由表3 可知,玉米籽粒全磷含量与Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P、Fe-P、Al-P 和O-P 的相关系数分别为0.836、0.829、0.246、-0.299、0.633、0.452。其中,Ca2-P、Ca8-P 与玉米籽粒全磷含量呈极显著正相关;Al-P 与玉米籽粒全磷含量呈显著正相关。综上可知,无机磷中的Ca2-P和Ca8-P为玉米主要磷源,Al-P为玉米次要磷源。

表3 玉米籽粒全磷含量与不同冬绿肥长期翻压土壤各形态无机磷的相关性Tab.3 Relationship between the total phosphorus content in corn grain and the inorganic phosphorus form in soil under long-term overturning of different winter green manures

3 结论与讨论

本研究中的供试土壤pH 值为8.28,为碱性土。全磷含量为0.59 g/kg,有效磷含量为9.70 mg/kg。表明供试土壤磷容量、供磷强度都很低。因此,应以扩大土壤磷库、提高土壤供应能力为目标,采取绿肥与化肥相结合的措施,提高化学磷肥利用率。冬绿肥翻压能显著提高无机磷总量及磷素有效性,可能原因:一是冬绿肥自身生物量较大,其腐解会使土壤中有机质含量提高,而有机质对无机磷的有效性有协同作用[22];二是绿肥根系生长及其自身腐解过程中均会释放有机酸性物质,促使土壤中利用率低的磷溶解;三是绿肥作为土壤外源有机物可以改善土壤微生物状况,提高碱性磷酸酶活性,从而在翻压期间增加并维持土壤磷素有效性[23],并且长期轮作与施肥可以改变土壤各形态无机磷的含量[24]。本研究土壤中磷素组成以无机磷为主,无机磷的组成又以Ca-P 占绝对优势,并表现为Ca10-P>Ca8-P>Ca2-P。苏冰莹等[25]在长期化肥与秸秆混合施用的研究中发现,Ca2-P、Al-P、Fe-P 的含量显著增加,且Ca2-P 的含量增加最多。此外,有长期定位试验结果表明,土壤中无机磷总量的增加,主要来自Ca-P、Al-P、Fe-P 的累积[26];并且在石灰性土壤中,增加的磷素为无机磷,主要为有效磷源Ca2-P 及缓效磷源Ca8-P[27‐28],其次为Al-P、Fe-P,再次为O-P[29]。本研究中,土壤磷素组成以无机磷为主,占比达90%以上,各形态无机磷含量排序整体上表现为Ca10-P>Ca8-P>Al-P>Fe-P>O-P>Ca2-P。长期冬绿肥翻压后,冬绿肥翻压各处理2019 年各形态无机磷较2012年基础土样增加的倍数或增幅为,Ca2-P:1.13~3.12 倍;Ca8-P:10.49~11.61 倍;Ca10-P:41.44%~78.81%;Al-P:34.34%~58.48%;Fe-P:-51.59%~30.19%;O-P:-93.23%~-67.46%。经过长期冬绿肥翻压后,土壤中无机磷各形态的含量都发生了变化。Ca2-P 转化量为4.73~20.43 mg/kg;Ca8-P 转化量为37.10~49.50 mg/kg;Ca10-P 转化量为63.42~160.81 mg/kg;Al-P 转化量为11.64~27.35 mg/kg;Fe-P 转化量为6.12~24.39 mg/kg;O-P 转化量为-15.07~15.26 mg/kg。

2019 年玉米籽粒全磷含量与不同冬绿肥翻压土壤的各形态无机磷相关系数大小依次为Ca2-P(0.836**)>Ca8-P(0.829**)>Al-P(0.633*)>O-P(0.452)>Ca10-P(0.246)>Fe-P(-0.299)。Ca2-P 和Ca8-P 为玉米吸磷的主要来源,与较多研究结果[20‐25]基本一致。土壤有效磷含量与植物对磷的吸收量之间显著相关,石灰性土壤中不同形态无机磷的有效性为Ca2-P>Fe-P、Ca8-P>Al-P,对油菜磷吸收的贡献表现为Ca2-P、Ca8-P>Al-P>Fe-P[30‐31]。Ca2-P和Ca8-P 与玉米籽粒全磷含量的相关性最高,Ca10-P、Fe-P 和O-P 与玉米籽粒全磷含量的直接相关系数均较低,有些甚至为负作用,推测这些形态的磷对玉米吸磷的贡献是间接的。玉米的主要磷源是Ca2-P 和Ca8-P,而含量最多的Ca10-P 不易被玉米吸收利用。本研究中,经过长期冬绿肥翻压处理,土壤Ca2-P 转化率为1.85%~8.20%;Ca8-P 转化率为16.18%~19.53%。Ca2-P 和Ca8-P 作为玉米主要利用的磷源,冬绿肥促使土壤中磷素向Ca2-P和Ca8-P转化,含量显著提高,有效提升土壤磷素有效性。本研究中HMC、MS 和EYL 处理的O-P 转化量分别为-15.07、-1.81、-0.70 mg/kg。O-P 短时间内不易被植物吸收利用。冬绿肥翻压后能提高土壤Ca2-P和Ca8-P 含量,防止Ca10-P 和O-P 固定,提高磷肥利用率。整体上看,本研究中,减轻土壤中磷素固定、促使磷素向Ca2-P转化效果较好的是HMC处理。

对于提高土壤无机磷有效性方面,主要可以从3个角度着手,一提升土壤无机磷总量,二提高土壤主要磷含量,三抑制土壤磷素固定。长期冬绿肥翻压后,无机磷总量最高的为MS处理(902.13 mg/kg),较基础土样增幅达51.91%。对于提高主要磷含量方面,DYC 处理的Ca2-P 含量(40.71 mg/kg)最高,转化率为8.20%;MS的Ca8-P含量(169.41 mg/kg)最高,转化率为16.18%。对于抑制土壤磷素固定方面,HMC 处理(-15.07 mg/kg)最好,转化率为-7.93%,并且HMC处理的Al-P含量(60.08 mg/kg)最高。

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