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作者简介:

张平良(1981-),男,甘肃靖远人,硕士,副研究员,长期从事旱地土壤培肥改良与养分管理研究。E-mail:zhangpl2007@163.com。

通讯作者:

郭天文,E-mail:guotw@gsagr.ac.cn。

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目录contents

    摘要

    研究全膜覆土穴播对半干旱区小麦土壤氮素矿化及无机氮的影响,为优化田间氮肥管理措施提供理论依据。于 2014 ~ 2017 年在甘肃省中部半干旱区设置定位试验,设全膜覆土穴播(MS)、传统地膜覆盖穴播(M)、露地穴播(CK)3 个处理,研究各处理对春小麦生育期土壤氮素矿化、无机氮及产量的影响。结果表明,MS 较 M 处理增加了耕层 0 ~ 20 cm 土壤水分含量,提高了 0 ~ 15 cm 土壤氮素矿化速率,显著增加了土壤NO3 - -N和矿质氮净矿化量,较传统地膜覆盖(M)分别显著提高 29.02% 和 27.81%。MS 处理增加了 0 ~ 20 cm 土层土壤无机氮含量,且以NO3 - -N为主,降低了 40 ~ 200 cm 深层土壤NO3 - -N和无机氮含量,NH4 + -N含量变化不明显。从小麦生长阶段看,小麦生长早期 T2 ~ T4(14 ~ 62 d)阶段矿质氮表现为净固持,小麦生长中后期 T5 ~ T7(63 ~ 116 d)阶段表现为净矿化,小麦全生育期表现为净矿化,MS、M、CK 处理矿质氮净矿化量分别为 23.9、18.7、8.5 mg/kg;在小麦生长中期 T5(63 ~ 75 d)阶段 MS 处理土壤氮素净矿化速率[1.61 mg/(kg·d)]达到最大,较 M[1.39 mg/(kg·d)]和 CK[0.27 mg/(kg·d)]分别显著提高 15.83% 和 496.30%。从小麦产量及水分利用效率看,MS 较 M 分别显著增加 8.81% ~ 59.45% 和 5.91% ~ 22.15%。因此,在本试验条件下,全膜覆土穴播改善了土壤的水热条件,提高了土壤氮素的矿化速率,增加了土壤氮素的有效性,提高了土壤氮素供应能力,显著提高了产量和水分利用效率。

    Abstract

    The effects of full plastic-film mulching with bunch planting on soil nitrogen mineralization and inorganic nitrogen in semi-arid region were studied to provide the theoretical basis for optimizing field nitrogen fertilizer management. The field experiment was conducted in the semi-arid region of middle Gansu province from 2014 to 2017,the involved three treatments were full plastic-film mulching with bunch planting(MS),traditional plastic-film mulching and bunch planting(M),no mulching bunch planting(CK),and the soil nitrogen mineralization,inorganic nitrogen content in growth period of spring wheat were studied. The results showed that MS treatment increased soil water content of 0 ~ 20 cm layer,accelerated soil nitrogen mineralization rate of 0 ~ 15 cm layer,and significantly increased net mineralization of NO3 - -N and mineral nitrogen, compared with M,MS treatment increased by 29.02% and 27.81%,respectively,which increased content of inorganic nitrogen in 0 ~ 20 cm layer,mainly NO3 - -N,but reduced the content of soil NO3 - -N and mineral nitrogen in 40 ~ 200 cm, with the content of NH4 + -N not change significantly. According to the analysis for the wheat growth stage,the mineral nitrogen was net fixed in T2 ~ T4(14 ~ 62 d)stage,was net mineralized in the T5 ~ T7(63 ~ 116 d)stage,and was net mineralized in the whole growth stage. The net mineralization of mineral nitrogen in the MS,M and CK treatment was 23.9,18.7 and 8.5 mg/kg,respectively. In the middle stage T5(63 ~ 75 d)of wheat growth,the net mineralization rate of soil nitrogen of MS treatment[1.61 mg/(kg·d)]reached the maximum,compared with M[1.39 mg/(kg·d)]and CK[0.27 mg/(kg·d)], which was significantly increased by 15.83% and 496.30% respectively. Compared with M,the yield and water use efficiency of MS increased by 8.81% ~ 59.45% and 5.91% ~ 22.15%,respectively. Therefore,full plastic-film mulching with bunch planting improved the soil hydrothermal conditions and accelerated the mineralization rate of soil nitrogen,which increased the availability of soil nitrogen and improved the soil nitrogen supply capacity,and significantly improved yield and water use efficiency of spring wheat in semi-arid region.

  • 西北黄土高原半干旱区长期受干旱胁迫、春季低温及降水与农作物需求错位的影响,作物产量低而不稳[1-2]。近年来,全膜覆土穴播技术在西北半干旱区得到了推广应用,该技术可改善土壤水热环境[3-6],促进作物生长发育,提高作物产量、养分及水分利用效率[4-8],有效地解决了半干旱区长期以来作物产量低的问题,广泛应用于小麦的种植。氮素是植物生长发育必需的营养元素之一,植物主要吸收土壤中的无机氮(NO3--N和NH4+-N),而土壤中95%以上的氮素是以有机氮的形式存在,因此,必须经过矿化作用将土壤中的有机氮转化成为无机氮才能够被植物吸收利用。一些学者研究表明,地膜覆盖由于改善旱地土壤水热条件,增加了土壤微生物活性,从而增加了土壤氮素的矿化速率及其矿化量和土壤无机氮的含量并降低了其淋洗的风险[9-11]。目前,关于全膜覆土穴播技术对土壤水分及作物生长和产量等影响的研究较多,但有关全膜覆土穴播对小麦土壤氮素矿化及无机氮含量影响的研究未见报道。因此,本研究依托小麦全膜覆土穴播长期定位试验,采用大田原位矿化培养的方法,研究其土壤氮素的矿化过程,探讨全膜覆土穴播下土壤的供氮能力,以期为准确评价旱作农田地膜覆盖下土壤有机氮矿化和合理施氮提供理论依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验区概况

  • 试验设在甘肃省定西国家土壤质量安定观测实验站(104°36′E,35°35′N),该区平均海拔1970m,年均气温6.2℃,年均降水量415mm,6~9月降水量占年降水量的68%,降水相对变化率为24%,400mm降水保证率为48%,年蒸发量1531mm,无霜期146~149d,属于典型的黄土高原半干旱雨养农业区。试验区土壤为黄绵土,试验地耕层0~20cm土壤有机质含量为10.58g/kg,全氮含量为0.86g/kg,NO3--N含量为20.73mg/kg,NH4+-N含量为3.16mg/kg,有效磷含量为13.32mg/kg,速效钾含量为168.4mg/kg,pH值为8.4。0~200cm土层平均容重为1.26g/cm3,田间持水量为21.94%,永久凋萎系数为7.2%。2017年试验区降水量和气温见图1。土壤温度与降水量同期测定,2017年全年每日进行测定。

  • 图1 2017年试验区降水量分布和平均气温变化

  • 1.2 试验材料

  • 供试材料为春小麦品种陇春27号(甘肃省农业科学院小麦研究所选育)。供试肥料为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%~16%)、氯化钾 (K2O 60%)。采用定位试验(2014~2017年),连续种植4茬小麦,测试土壤为定位第4年。

  • 1.3 试验设计

  • 试验设露地穴播(CK)、传统地膜覆盖穴播(M,地膜平铺整个地面,膜上不覆土,覆膜后1~2d播种)和全膜覆土穴播(MS,地膜平铺整个地面,膜上覆盖细土1~2cm,覆膜覆土后1~2d播种)3个处理,每处理3次重复。小区面积9m×5m,各处理采用小麦穴播机播种,每穴播 (10±2)粒,行距20cm,穴距13cm。各处理N、 P2O5、K2O养分用量分别为150、120、90kg/hm2,肥料全部在播前基施。春小麦每年3月下旬播种, 7月下旬收获,各处理的田间管理措施均一致。

  • 1.4 测定指标与方法

  • 1.4.1 土壤温度、水分

  • 各处理在同一区组0~20cm土层每5cm安装地温计,在小麦生育期内从8:00到20:00,每隔2h测定一次,连续3d,取其平均值。小麦生育期采集0~20cm土层土壤样品,用烘干法测定土壤水分含量。

  • 1.4.2 土壤氮素矿化

  • 土壤氮素矿化采用原位埋管培育法[12],在小麦生育期内原位测定土壤氮素矿化。在每小区小麦行间选6个点,各点用PVC管(内径为3cm,高为15cm)各取0~15cm的土样,共6个土样,其中3个用塑料薄膜封住管口,带回实验室用作初始NH4+-N和NO3--N含量的测定,剩余的3个土样尽可能不破坏其原有结构,PVC管的下口用塑料薄膜封口后用橡皮筋扎住,PVC管的上口用玻璃棉封好,以防PVC管外的土壤进入,插入原孔,地膜覆盖的两个处理在试验时用剪刀把地膜剪开, PVC管的操作同上,最后将地膜盖好用土压实,培育15d左右取出土样,将管口封住,带回实验室,用流动分析仪测定NH4+-N和NO3--N含量。在小区中重新选择试验点,继续试验,直至小麦收获。

  • 土壤氮素净矿化量(mg/kg)=培养后的土壤无机氮(NO3--N和NH4+-N之和)-培养前的土壤无机氮

  • 土壤氮素的净矿化速率[mg/(kg·d)]=土壤氮素净矿化量/培养天数

  • 1.4.3 0~200 cm土层无机氮含量测定

  • 小麦收获期按“S”型取样,利用土钻以20cm为间隔,采集0~200cm土壤样品,样品采集后用冰袋垫底立即运回,在4℃下保存。土壤NH4--N和NO3--N含量采用流动分析仪测定。

  • 1.4.4 小麦产量

  • 在小麦收获后,每小区单打单收测定实际产量,折合成公顷产量。

  • 1.4.5 水分利用效率

  • 水分利用效率参考王红丽等[4]的方法,WUE=Y/ET,其中,ET=SWSBF-SWSHA + P。式中,Y 为小麦单位面积产量(kg/hm2),ET 为小麦生育期耗水量(mm),SWSBF 为播前土壤贮水量(mm),SWSHA 为收获后土壤贮水量(mm),P 为生育期降水量(mm)。

  • 1.5 数据处理与分析

  • 采用Excel 2007计算并作图,DPS 9.50进行方差分析。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 不同处理对0~20 cm土层土壤水分和温度的影响

  • 从表1可看出,连续4年定位试验,第4年不同处理对小麦生育期0~20cm土壤含水量的影响均表现为MS>M>CK,且全膜覆土穴播(MS)与露地穴播(CK)之间差异显著(P<0.05)。全膜覆土穴播(MS)小麦生育期0~20cm土壤含水量较传统地膜覆盖穴播(M)平均增加10.34%;较露地穴播 (CK)平均增加22.45%。MS和M两个覆膜处理小麦全生育期0~20cm土壤温度较露地CK平均分别提高5.19%和6.54%,MS和M处理间差异不显著; 在小麦苗期和拔节期,MS和M处理较CK土壤温度分别显著提高8.36%和7.80%、9.60%和9.00%,在小麦生长后期,不同处理间0~20cm土壤温度差异减少,其原因是由于大气温度升高导致。

  • 2.2 不同处理对0~15 cm土壤氮素净矿化量的影响

  • 连续4年定位试验,第4年全膜覆土穴播(MS)显著影响小麦生育期0~15cm土壤氮素净矿化量 (表2)。从小麦生育期看,3个处理的土壤NO3--N和矿质氮均表现为净矿化,且不同处理间土壤氮矿化量不同;土壤NH4+-N则表现为净固持,且固持量无显著性差异,这主要与石灰性旱地土壤矿质氮主要形态为NO3--N,NH4+-N含量低且稳定有关。不同处理对小麦生育期土壤NO3--N和矿质氮净矿化量的影响均表现为:全膜覆土穴播(MS)> 传统地膜覆盖穴播(M)> 露地穴播(CK),且各处理间差异显著 (P<0.05);其中MS较M和CK处理小麦生育期土壤NO3--N净矿化量分别显著增加29.02%和110.95%,矿质氮净矿化量分别显著增加27.81%和181.18%。3个处理在小麦不同生长阶段对土壤NO3--N和无机氮净矿化量的影响均表现为:小麦生长前期T2~T4 (14~62d)阶段表现为净固持,小麦生长中后期T5~T7(63~116d)阶段表现为净矿化。小麦全生育期3个处理均表现为净矿化,MS、M、CK处理矿质氮净矿化量分别为23.9、18.7、8.5mg/kg。3个处理间小麦全生育期NH4+-N表现为净固持,且固持量无显著性差异。上述试验结果表明,在小麦生育期,土壤矿质氮的净矿化量主要受土壤NO3--N净矿化量的影响,NH4+-N净矿化量低且比较稳定;全膜覆土穴播(MS) 较传统地膜覆盖穴播(M)增加了0~15cm土壤NO3--N和矿质氮净矿化量,促进了土壤的氮素矿化。

  • 表1 不同处理0~20cm土层土壤含水量和平均温度

  • 注:表中同列字母相同表示差异不显著,字母不同代表差异显著(P<0.05)。

  • 表2 不同处理各培养阶段土壤氮素净矿化量

  • 注:Min NH4+-N表示NO3--N净矿化量(固持量),Min NH4+-N表示NH4+-N净矿化量(固持量),Min总N表示矿质氮净矿化量(固持量)。负值表示净固持,正值表示净矿化。表中每一矿质氮分类中同行字母相同表示净矿化量差异不显著,字母不同代表差异显著(P<0.05)。T1~T7表示氮素原位培养的时间段,T1(0~13d)、T2(14~25d)、T3(26~45d)、T4(46~62d)、T5(63~75d)、T6(76~95d)、T7(96~116d)。下同。

  • 2.3 不同处理对0~15 cm土层土壤氮素净矿化速率的影响

  • 由图2可知,连续4年定位试验,第4年不同处理土壤氮素净矿化速率变化差异显著。从小麦生育期看,3个处理的土壤氮素净矿化速率与土壤NO+ 3-N和矿质氮净矿化量变化规律基本一致,T1阶段表现为净矿化,T2~T4阶段为净固持,T5~T7表现为净矿化。在T1和T5~T7阶段,不同处理对小麦生育期土壤氮素净矿化速率的影响均表现为:全膜覆土穴播(MS)> 传统地膜覆盖穴播(M)> 露地穴播(CK),且各处理间差异显著(P<0.05),其中在T5阶段MS处理土壤氮素净矿化速率达到最大,MS[1.61mg/(kg·d)]> M [1.39mg/(kg·d)]> CK[0.27mg/(kg·d)],全膜覆土穴播(MS)较传统地膜覆盖穴播(M)和露地穴播(CK)处理土壤氮净矿化速率分别显著提高15.83%和496.30%。在T2~T4阶段,全膜覆土穴播 (MS)与传统地膜覆盖穴播(M)两个覆膜处理较露地穴播(CK)均显著增加了土壤氮素固持速率,但MS与M处理间无明显差异。上述试验结果表明,在年均降水量415mm的旱作区,小麦全生育期土壤氮素净矿化速率与土壤无机氮净矿化量变化规律一致,在小麦生长63~75d(T5)时土壤氮素净矿化速率达到最大。全膜覆土穴播(MS)较传统地膜覆盖穴播(M)和露地穴播(CK)显著增加了土壤氮素净矿化速率,从而增加了土壤氮素净矿化量。

  • 图2 不同处理各培养阶段土壤氮素净矿化速率

  • 注:小写字母不同表示不同处理间差异显著,下同。

  • 2.4 不同处理对0~200 cm土层土壤无机氮含量的影响

  • 连续4年定位试验,第4年不同处理0~200cm土层土壤无机氮含量剖面分布变化明显(图3),土壤无机氮含量与土壤NO3--N含量变化规律一致,原因是旱作农田土壤中NH4+-N含量远小于NO3--N含量,NH4+-N含量在无机氮含量中仅占很小的一部分。随土层深度的增加,土壤NO3--N和无机氮含量总体呈现“S”形变化。MS和M两个覆膜处理0~60cm土壤NO3--N含量较高且变化较大,随土层深度增加呈下降趋势,60~100cm土层NO3--N含量低且变化稳定,在120~160cm土层逐渐升高,160~200cm土层逐渐下降。其中在0~20cm土层中,全膜覆土穴播(MS)和传统地膜覆盖穴播(M)较露地穴播(CK)处理显著增加了土壤NO3--N和无机氮含量,而在40~200cm土层中,MS和M处理较CK降低了土壤NO3--N和无机氮含量;在0~100cm土层中,MS较M处理土壤NO3--N和无机氮含量有所增加,而在100~180cm土层中呈下降趋势。试验结果表明,全膜覆土穴播增加了小麦地耕层0~20cm土壤NO3--N和无机氮的含量,这与全膜覆土穴播促进土壤氮素矿化,提高了耕层土壤NO3--N和无机氮含量有关;全膜覆土穴播降低了40~200cm土壤无机氮含量,可能是全膜覆土穴播改善水热环境,促进小麦生长,调控土壤深层水分的再分配,导致下层NO3--N随水分向上层迁移。不同处理对小麦农田0~200cm土壤NH4+-N含量的影响表现为:与露地穴播(CK)相比,全膜覆土穴播(MS)和传统地膜覆盖穴播(M)两种覆膜处理增加了0~20cm土层土壤NH4+-N含量,而对40~200cm土层影响不明显;在0~20cm土层中,MS较M处理增加了土壤NH4+-N含量,随着土壤深度增加,MS与M处理间无明显差异。

  • 图3 不同处理0~200cm土层土壤无机氮含量的剖面分布

  • 2.5 不同处理对春小麦产量及其水分利用效率的影响

  • 从图4可知,2014~2017年不同处理对春小麦产量及其水分利用效率的影响均表现为:全膜覆土穴播(MS)> 传统地膜覆盖穴播(M)> 露地穴播(CK),且处理间差异显著。全膜覆土穴播(MS)春小麦产量较传统地膜覆盖穴播(M) 和露地穴播(CK) 分别增加8.81%~59.45%和27.38%~76.43%,水分利用效率分别提高5.91%~22.15%和18.65%~59.31%,表明在年均降水量415mm的黄土高原半干旱区,全膜覆土穴播可显著提高春小麦产量及其水分利用效率,是该区域春小麦适宜的种植模式。

  • 图4 不同处理对春小麦产量及其水分利用效率的影响

  • 3 讨论

  • 土壤水分和温度条件与土壤氮素矿化及积累有密切的相关性,且氮素矿化对温度的敏感性高于湿度[13]。土壤氮素矿化速率的增加,在一定程度上增加了土壤氮素的有效性[1114]。地膜覆盖条件下,土壤水热生境改善,氮素矿化速率加快,促进氮素释放,增加了NO3--N的残留量[15]。但也有研究表明,地膜覆盖虽然有利于增加土壤温度和水分含量,但并没有显著改变土壤氮净矿化量和氮净矿化速率[16],导致土壤氮素有效性降低[17-18]。本研究表明,在年均降水量415mm的旱作区,连续4年定位试验,在第4年全膜覆土穴播(MS) 较传统地膜覆盖(M)和露地(CK)耕层土壤水分含量分别显著增加了10.34%和22.45%;在小麦全生育期,MS处理与M处理耕层土壤温度没有显著差异,MS较CK处理0~20cm土壤温度平均提高5.19%。各处理对小麦生育期耕层土壤NO3--N和矿质氮净矿化量的影响均表现为: MS>M>CK,且处理间差异显著,其中MS较M处理土壤NO3--N净矿化量和矿质氮净矿化量分别显著增加29.02%和27.81%。土壤氮素净矿化速率与土壤无机氮净矿化量变化规律一致,在小麦生长0~13d(T1阶段)和63~116d(T5~T7阶段)时MS较M处理显著增加了土壤氮素净矿化速率,其中在小麦生长63~75d(T5阶段)时土壤氮素净矿化速率达到最大,MS较M处理显著提高了15.83%。与传统地膜覆盖(M)相比,全膜覆土穴播(MS)提高了土壤氮素矿化速率,显著增加了耕层土壤NO3--N和矿质氮的净矿化量,有利于土壤无机氮的积累,这可能与全膜覆土穴播(MS)较传统地膜覆盖(M)增加了耕层土壤水分含量有关。小麦生长前期(T2~T4阶段) 土壤氮素矿化表现为净固持,且MS和M两个覆膜处理土壤氮素净固持量显著高于露地CK,其原因是该阶段在黄土丘陵半干旱区春小麦还处于苗期至拔节期,对矿质氮的需求量较少,使得微生物将大量的矿质氮固持,同时覆膜改善了土壤水热条件,更有利于促进土壤矿质氮的微生物固持[16]。在小麦全生育期内不同处理对NO3--N的净矿化影响较大,对NH4+-N基本无影响,矿化量的变化主要是由NO3--N的变化引起的,与杨小红等[19]的研究结果一致,这与石灰性旱地土壤矿质氮主要存在形式是NO3--N,NH4+-N含量低而稳定有关。

  • 一般土壤中NO3--N含量的大小和分布受施肥、栽培方式、降水、作物吸收和土壤质地等因素的影响[20-22]。覆膜对NO3--N残留量的影响前人未有一致结论,有学者认为[23-24],覆膜条件下高温高湿导致土壤有机氮矿化速率加快,在旱地以NO3--N为主的矿质氮累积增加,也有人认为跟覆膜时间的长短有关,短期覆膜会降低NO3--N残留量,而整个生育期覆膜残留量增加[25]。本试验结果表明,在年均降水量415mm的旱作区,连续覆膜种植4年,与露地穴播(CK)相比,全膜覆土穴播(MS) 和传统地膜覆盖穴播(M)可增加0~20cm土壤NO3--N和矿质氮的积累,这是因为覆膜明显改善了耕层土壤水热条件,土壤有机氮矿化速率加快,导致以NO3--N为主的矿质氮的积累。而MS和M覆膜处理减少了40~200cm深层土壤NO3--N和矿质氮含量,这与其他研究结果基本一致[26-27]。旱地覆膜促进作物生长,提高氮素吸收利用,特别是深层NO3--N随水分上移,累积量减少。在0~100cm土层中,MS较M处理土壤NO3--N和无机氮含量有所增加,而在100~180cm土层中呈下降趋势。一方面全膜覆土穴播较传统地膜覆盖加快了耕层土壤氮素矿化速率,增加了以NO3--N为主的矿质氮含量的积累;另一方面全膜覆土穴播促进小麦生长,有利于根系对深层土壤养分的吸收利用,导致深层土壤无机氮含量下降。

  • 试验结果表明,连续覆膜种植4年,与露地穴播(CK)相比,MS与M两种覆膜处理增加了0~20cm土壤NH4+-N含量,这与刘顺国等[28]研究结果相似,长期地膜覆盖增加了棕壤土表层土壤NH4+-N含量,这是因为地膜覆盖作为一种物理阻隔,较露地减少了土壤的氨挥发,从而减少了NH4+-N的流失[29]。全膜覆土穴播(MS)较传统地膜覆盖(M)处理耕层0~20cm土壤NH4+-N含量有所增加,这可能是全膜覆土穴播较传统地膜覆盖增加了耕层土壤水分含量,加快了土壤氮素矿化速率,导致NH4+-N含量有所增加。覆膜处理对40~200cm深层土壤NH4+-N含量的影响不明显,这与汪景宽等[30]研究结果相似,长期地膜覆盖加快了土壤有机氮的矿化,增加了土壤NO3--N含量,而NH4+-N含量变化不大。另外,4年定位试验结果表明,全膜覆土穴播(MS)较传统地膜覆盖穴播(M)和露地穴播(CK)显著增加了春小麦产量及其水分利用效率,这与李世清等[25]的研究结果一致。

  • 4 结论

  • 在年均降水量415mm的旱作区,全膜覆土穴播较传统地膜覆盖穴播增加了耕层土壤水分含量,加快了0~15cm土壤氮素矿化速率,显著增加了土壤NO3--N和矿质氮的净矿化量,有利于土壤无机氮的积累。从小麦生长阶段看,生育前期矿质氮表现为净固持,生育后期表现为净矿化,全生育期最终表现为净矿化。

  • 从土壤剖面看,全膜覆土穴播增加了0~20cm土层土壤无机氮含量,尤其对以NO3--N为主的矿质氮的积累;降低了40~200cm深层土壤NO3--N和矿质氮含量,而对NH4+-N含量的影响不明显。全膜覆土穴播较传统地膜覆盖穴播和露地穴播显著增加了春小麦产量及其水分利用效率。

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