丹江鸚鵡溝小流域氮素隨徑流的遷移及對(duì)水質(zhì)的影響

徐國(guó)策，李占斌，2，李 鵬，趙賓華，王 琦，惠 波

1.西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048

2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100

0 引言

由于農(nóng)業(yè)活動(dòng)的廣泛性和普遍性，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染已成為目前水環(huán)境惡化的一大問(wèn)題，并受到了廣泛重視，近年來(lái)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染逐漸成為國(guó)內(nèi)非點(diǎn)源污染研究的熱點(diǎn)［1］。氮素是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是農(nóng)田生產(chǎn)力的主要限制因子，但施肥過(guò)量或施用不當(dāng)會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化、地表水環(huán)境惡化和地下水硝酸鹽含量超標(biāo)等非點(diǎn)源環(huán)境污染問(wèn)題［2］。農(nóng)田地表徑流和土壤侵蝕引起的氮素流失，是造成農(nóng)業(yè)面源污染與地表水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因。小流域是一個(gè)較為理想的非點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)單元，很多學(xué)者從不同角度對(duì)小流域非點(diǎn)源氮素污染進(jìn)行了研究，如形成機(jī)理、模型開(kāi)發(fā)及應(yīng)用、控制技術(shù)及措施［3－7］。研究小流域地表徑流氮磷流失規(guī)律，對(duì)提高化肥利用率、減輕農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染、緩解水資源危機(jī)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值［8］。

非點(diǎn)源污染是水環(huán)境的重要污染源，也成為威脅飲用水安全的主要因素，其中以湖泊、水庫(kù)的水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化以及流域水質(zhì)惡化問(wèn)題尤為突出［9］。南水北調(diào)中線工程對(duì)水源區(qū)的水質(zhì)要求較高，但水源區(qū)仍存在一定程度的水污染。其中，相當(dāng)部分的污染物來(lái)自非點(diǎn)源污染，特別是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為水體氮、磷的主要來(lái)源［10］。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算是研究、控制和治理流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵［11－12］。筆者以丹江鸚鵡溝小流域?yàn)槔陂L(zhǎng)期野外監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源負(fù)荷研究，重點(diǎn)是對(duì)土壤氮素的流失進(jìn)行估算與分析，以期為南水北調(diào)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制和清潔小流域建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鸚鵡溝小流域位于陜西省商洛市商南縣城東南的城關(guān)鎮(zhèn)五里鋪村，位于東經(jīng)110°52′16″—110°55′30″、北緯33°29′55″—33°33′50″。流域總面積1.86 km2，流域內(nèi)主溝長(zhǎng)3 232.90m，最大主溝道比降0.01，流域坡面比降0.33，屬于多邊形水系。流域 大部分為低山丘陵地貌，溝谷開(kāi)闊，最高海拔600 m，最低海拔464m。年平均氣溫14.0℃，最高氣 溫40.9℃，最低－12.2℃，多年平均日照時(shí)數(shù)為1 974h，無(wú)霜期216d。年平均降水量803.2mm，其中7—9月份的降水量占全年降水量的50%左右。流域內(nèi)土壤以黃棕壤、風(fēng)化砂壤土為主，坡面有效土層厚度20～70cm，黃棕壤分布在河道兩岸，砂壤土分布于坡面上。土壤多呈微酸性，硼、錳、鋅等微量元素較缺乏。土地覆蓋類型以農(nóng)地、林地和草地為主。喬木以櫟樹(shù)、松樹(shù)為主，灌木樹(shù)種較多且雜，草地以禾本科的草為主，農(nóng)地以小麥、玉米和花生為主。

2 研究方法

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)鸚鵡溝流域的溝道特征和土地利用情況，在流域內(nèi)共設(shè)置了2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（圖1）：斷面1控制流域是典型的農(nóng)業(yè)小流域，耕地是控制流域內(nèi)的主要景觀特征；把口站是鸚鵡溝流域出口控制斷面。斷面1和把口站之間是主要居民點(diǎn)，有農(nóng)村生產(chǎn)生活污染物排放。

鸚鵡溝流域共建成28個(gè)小區(qū)，其中磚砌小區(qū)20個(gè)，簡(jiǎn)易小區(qū)8個(gè)。按土地利用類型劃分：2個(gè)為10.0m×4.0m喬木林小區(qū)；3個(gè)為10.0m×2.0 m、3個(gè)為5.0m×2.0m草地徑流小區(qū)；其他為農(nóng)地小區(qū)。根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤戤a(chǎn)流情況，徑流小區(qū)修建1.0 m×1.0m×1.0m或者1.5m×1.5m×1.5m沉砂池，簡(jiǎn)易小區(qū)采用普通大型塑料桶接收徑流和泥沙。徑流池頂部加蓋及底部開(kāi)孔，安裝直徑50mm直管和直徑50mm的閘閥，以排放徑流和泥沙。沉砂池和量水池磚砌厚度為24cm，底部用混凝土鋪底，并做防滲處理，混凝土鋪底厚度為15cm。在小區(qū)上部及集流設(shè)施的下部布設(shè)排水溝、排洪溝以攔截和排放徑流。

2.2 主要測(cè)定指標(biāo)與測(cè)定方法

在鸚鵡溝流域中部設(shè)置HOBO自動(dòng)氣象站1臺(tái)，用于對(duì)大氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、氣壓、太陽(yáng)輻射等眾多氣象要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。流域監(jiān)測(cè)各斷面安放Global Water WL700＋（USA）自記水位計(jì)，記錄各斷面的水位變化情況。每月實(shí)測(cè)1次基流水位、流速和水質(zhì)指標(biāo)。汛期降雨時(shí)，自降雨開(kāi)始每隔2h監(jiān)測(cè)各個(gè)斷面的水位、流速和水質(zhì)指標(biāo)。針對(duì)坡面徑流小區(qū)，設(shè)置不同作物、不同種植方式、不同管理方式等處理方法，在測(cè)定坡面徑流小區(qū)長(zhǎng)、寬、坡度和坡長(zhǎng)等的基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)徑流小區(qū)的土壤理化性質(zhì)和降雨徑流水質(zhì)?；骱徒涤昶陂g水位用水尺測(cè)定，流速用浮標(biāo)法測(cè)定。水樣用500mL玻璃瓶采集，樣品的保存依據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)（HJ 493－2009）［13］，2d之內(nèi)送回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定水質(zhì)。水質(zhì)指標(biāo)中氨氮、硝氮和總氮用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（CleverChem200，德國(guó)）測(cè)定。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析與計(jì)算

降雨徑流的沖刷是產(chǎn)生非點(diǎn)源污染的原動(dòng)力，降雨徑流又是非點(diǎn)源污染物的載體。如果沒(méi)有降雨徑流的產(chǎn)生，非點(diǎn)源污染物就很難進(jìn)入受納水體。因此，可以認(rèn)為非點(diǎn)源污染主要是由汛期地表徑流引起的，而枯水季節(jié)的水質(zhì)污染主要是由點(diǎn)源污染引起的。點(diǎn)源污染負(fù)荷LP比較穩(wěn)定，LP＝QfCf，汛期的總污染負(fù)荷L＝QxCx，則汛期產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷Ln＝L－Lp。其中：Qf為實(shí)測(cè)枯季流量（m3/s）；Cf為實(shí)測(cè)枯季污染物質(zhì)量濃度（mg/L）；Qx為實(shí)測(cè)汛期流量（m3/s）；Cx為實(shí)測(cè)汛期污染物質(zhì)量濃度（mg/L）。

圖1 鸚鵡溝流域監(jiān)測(cè)斷面空間位置圖Fig.1 Location of monitoring sections in the Yingwugou watershed

基于暴雨徑流過(guò)程中的水質(zhì)水量同步監(jiān)測(cè)資料，計(jì)算每場(chǎng)暴雨洪水過(guò)程的各種非點(diǎn)源污染物平均質(zhì)量濃度，然后以各次暴雨的徑流量為權(quán)重，得出各次暴雨的加權(quán)平均質(zhì)量濃度。單次暴雨徑流過(guò)程的非點(diǎn)源污染物平均質(zhì)量濃度計(jì)算公式［14］為

其中：WL為該次暴雨攜帶的負(fù)荷量（g），

WA為該次暴雨產(chǎn)生的徑流量（m3），

式中：QTi為ti時(shí)刻的實(shí)測(cè)流量（m3/s）；Ci為ti時(shí)刻的實(shí)測(cè)污染物質(zhì)量濃度（mg/L）；QBi為ti時(shí)刻的枯季流量（即非本次暴雨形成的流量）（m3/s）；CBi為ti時(shí)刻的枯季質(zhì)量濃度（基流質(zhì)量濃度）（mg/L）；i＝1，2，…，n，為該次暴雨徑流過(guò)程中流量與水質(zhì)濃度的同步監(jiān)測(cè)數(shù)；Δti為監(jiān)測(cè)QTi和Ci所用的時(shí)間（s），Δti＝（ti＋1－ti－1）/2 。

則多次（如m次）暴雨非點(diǎn)源污染物的加權(quán)平均質(zhì)量濃度C為

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)地監(jiān)測(cè)小區(qū)氮素流失特征

按照我國(guó)氣象部門降雨強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，24h內(nèi)的降雨量稱之為日降雨量，凡是日雨量在10.0mm以下稱為小雨，10.0～24.9mm 為中雨，25.0～49.9mm為大雨，暴雨為50.0～99.9mm，大暴雨為100.0～250.0mm，超過(guò)250.0mm的稱為特大暴雨。2010年7月2日—3日、2011年8月4日—5日和2012年7月4日的降雨量分別為51.8、25.2和44.8mm，三者分別為暴雨、大雨和大雨，涵蓋了商南縣降雨強(qiáng)度的2個(gè)主要類型。

鸚鵡溝流域降雨后林地、草地和主要農(nóng)作物（玉米和花生）徑流小區(qū)的氮素變化特征見(jiàn)表1，由于玉米和花生徑流小區(qū)的氮素質(zhì)量濃度變化不大，如總氮質(zhì)量濃度基本在2.00mg/L左右，故主要列舉了3次降雨下的典型氮素質(zhì)量濃度變化特征。由表1可以看出：不論是花生、玉米徑流小區(qū)還是林、草地徑流小區(qū)，水質(zhì)中硝氮質(zhì)量濃度均大于氨氮質(zhì)量濃度，這是由于土壤表層存在強(qiáng)烈的硝化作用，硝氮質(zhì)量濃度較高，且?guī)ж?fù)電，不易被土粒吸附；當(dāng)徑流小區(qū)坡度大于25°時(shí)，玉米和花生徑流小區(qū)的氨氮和硝氮質(zhì)量濃度均呈明顯增加，這是因?yàn)槠露仍黾訌搅髁魉倜黠@增大，使徑流與土壤的作用強(qiáng)度增大，從而影響到坡地表層土壤顆粒啟動(dòng)、侵蝕方式和徑流的攜沙能力，進(jìn)而增大養(yǎng)分的流失量［15－16］；花生徑流小區(qū)和玉米徑流小區(qū)的氨氮和硝氮質(zhì)量濃度差異不大，但玉米地的總氮質(zhì)量濃度往往較花生地大；另外，隨坡度的增大，花生徑流小區(qū)硝氮質(zhì)量濃度呈增大趨勢(shì)；林地和草地徑流小區(qū)總氮含量也較高，為2.0mg/L左右，甚至大于一些農(nóng)地徑流小區(qū)的總氮質(zhì)量濃度。

表1 鸚鵡溝流域徑流小區(qū)氮素變化特征Table 1 Nitrogen variation of runoff plots in the Yingwugou watershed

根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838－2002［17］，以下簡(jiǎn)稱為“標(biāo)準(zhǔn)”）中規(guī)定氮素項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值，對(duì)表1進(jìn)行分析可知：小于25°坡度的花生、玉米徑流小區(qū)氨氮質(zhì)量濃度基本均小于0.50mg/L，屬于Ⅱ類水，硝氮質(zhì)量濃度也小于標(biāo)準(zhǔn)限值10.00mg/L，但總氮質(zhì)量濃度均大于1.50mg/L，水質(zhì)屬于Ⅴ類水或更差水平，且在陡坡（坡度大于25°），總氮質(zhì)量濃度遠(yuǎn)大于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值2.00mg/L；林地和草地徑流小區(qū)的總氮質(zhì)量濃度也多大于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值2.00mg/L。這說(shuō)明徑流小區(qū)水質(zhì)中氮素主要是總氮質(zhì)量濃度超標(biāo)。

3.2 流域斷面氮素流失特征

3.2.1 斷面1氮素平均質(zhì)量濃度計(jì)算

斷面1的枯季徑流由流經(jīng)農(nóng)地的地表徑流和壤中流匯聚而成，但與汛期降雨產(chǎn)生的地表徑流又有區(qū)別，故本研究仍將其作為點(diǎn)源污染。2011年和2012年10次降雨數(shù)據(jù)和4次基流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值見(jiàn)表2。算出各次暴雨的徑流量和非點(diǎn)源污染負(fù)荷量后，由式（1）可得出各自的平均質(zhì)量濃度，再以各次暴雨的徑流量為權(quán)重，由式（4）求得各種污染物多次暴雨洪水的非點(diǎn)源污染加權(quán)平均質(zhì)量濃度。此外，由定期（特別是枯季）水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料可算出各種污染物的（算術(shù)）平均質(zhì)量濃度，用來(lái)近似代表點(diǎn)源污染（枯季徑流）的平均質(zhì)量濃度，由此計(jì)算得，斷面1非點(diǎn)源污染氨氮、硝氮和總氮的平均質(zhì)量濃度分別為0.16、2.65和4.39mg/L，點(diǎn)源污染氨氮、硝氮和總氮的平均質(zhì)量濃度分別為0.18、1.40和2.68 mg/L。從表2可以看出，斷面1總氮質(zhì)量濃度全都超出Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，氨氮質(zhì)量濃度始終小于標(biāo)準(zhǔn)［17］中規(guī)定的Ⅱ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.50mg/L，硝氮質(zhì)量濃度也始終小于標(biāo)準(zhǔn)［17］中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值10.00 mg/L，說(shuō)明斷面1氮素主要是總氮污染，需要采取控制措施。

表2 鸚鵡溝流域斷面1水質(zhì)水量同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Monitoring data of water quality and quantity of section 1in the Yingwugou watershed

3.2.2 把口站氮素平均質(zhì)量濃度計(jì)算

把口站是鸚鵡溝流域的出口斷面，其和斷面1之間有大量居民點(diǎn)，存在生產(chǎn)生活污染物排放。2011年和2012年10場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)和4次基流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值見(jiàn)表3。從表3可以看出：把口站總氮質(zhì)量濃度也都超出Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，氨氮質(zhì)量濃度始終小于標(biāo)準(zhǔn)［17］中規(guī)定的Ⅱ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.50 mg/L，硝氮質(zhì)量濃度也始終小于標(biāo)準(zhǔn)［17］中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值10.00mg/L，說(shuō)明把口站水質(zhì)依然主要是總氮污染；另外，硝氮質(zhì)量濃度約占總氮質(zhì)量濃度的60%，表明硝氮在總氮中占主要部分，有機(jī)氮質(zhì)量濃度也較大且不容忽視，這與斷面1相同。根據(jù)公式（1）和（4）計(jì)算得，把口站非點(diǎn)源污染氨氮、硝氮和總氮的平均質(zhì)量濃度分別為0.17、4.71和7.55mg/L，點(diǎn)源污染氨氮、硝氮和總氮的平均質(zhì)量濃度分別為0.20、2.12和4.08mg/L。由此可見(jiàn)，從斷面1到把口站，水中氨氮質(zhì)量濃度變化不大，這主要是因?yàn)楹铀诹鲃?dòng)過(guò)程中與O2有充分的接觸，NH＋4與水中O2結(jié)合，在亞硝化細(xì)菌與硝化細(xì)菌的作用下最終生成NO－3，從而使氨氮穩(wěn)定在某一范圍；硝氮質(zhì)量濃度和總氮質(zhì)量濃度則有較大的增加，這與農(nóng)村生產(chǎn)生活污染物排放有直接關(guān)系［18］。

表3 鸚鵡溝流域把口站水質(zhì)水量同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Monitoring data of water quality and quantity of basin mouth station in the Yingwugou watershed

3.3 流域產(chǎn)流量分析

根據(jù)2010—2012年商南縣鸚鵡溝流域的小區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果，選取2010年7月2日—3日、2011年8月4日—5日和2012年7月4日3場(chǎng)典型降雨，其降雨量分別為51.8、25.2和44.8mm，并依據(jù)徑流小區(qū)產(chǎn)流量和徑流小區(qū)面積分別計(jì)算了農(nóng)地、林地和草地的徑流深以計(jì)算流域產(chǎn)流量，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，3場(chǎng)典型降雨條件下，農(nóng)地、草地和林地的平均徑流深分別為5.1、3.8和1.8mm，結(jié)合3場(chǎng)典型降雨的降雨量計(jì)算得農(nóng)地、草地和林地的徑流系數(shù)分別為0.13、0.09和0.04。鸚鵡溝流域林地、草地和農(nóng)地的面積分別為0.52、0.17和1.12km2，多年平均降水量803.2mm，由此可知，流域內(nèi)林地、草地和農(nóng)地的年均產(chǎn)流量分別為1.67、1.23和11.69萬(wàn)m3。根據(jù)枯季水位計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到枯季徑流總量為12.44萬(wàn)m3，則鸚鵡溝流域年徑流總量為27.04萬(wàn)m3，年徑流模數(shù)為14.94萬(wàn) m3/（a·km2）。

3.4 不同土地利用的氮素流失模數(shù)

根據(jù)鸚鵡溝流域2010—2012年的小區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)不同土地利用類型主要降雨場(chǎng)次的水質(zhì)氮素監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算林地、草地和農(nóng)地的氮素質(zhì)量濃度平均值；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各自的年均產(chǎn)流量，計(jì)算得出隨徑流流失的氮素流失量和流失模數(shù)（表5）。由表5可以看出，徑流中農(nóng)地、草地和林地的氨氮質(zhì)量濃度相差不大，但硝氮和總氮的質(zhì)量濃度有一定差異，從大到小為：農(nóng)地、草地、林地，這是因?yàn)榱植莸禺a(chǎn)流量較小，但其土壤總氮質(zhì)量濃度較高，致使徑流總氮質(zhì)量濃度也較高，且超出了Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。另外，氨氮、硝氮和總氮的年均流失模數(shù)從大到小均為農(nóng)地、草地、林地，總氮年均徑流流失模數(shù)分別為0.36、0.22和0.09t/（a·km2）。

表4 三場(chǎng)典型降雨下不同地類的徑流深Table 4 Runoff depths of different land use types under two typical rainfalls

表5 不同土地利用的氮素流失模數(shù)Table 5 Nitrogen loss moduluses of different land use types

3.5 氮素流失量對(duì)水質(zhì)的影響

根據(jù)鸚鵡溝流域把口站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其主要水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的年內(nèi)變化規(guī)律進(jìn)行分析，計(jì)算得出主要水質(zhì)指標(biāo)的年平均值。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)年均徑流量計(jì)算得出隨徑流流失的氮素流失量和流失模數(shù)。

表6 徑流氮素年流失量Table 6 Annual nitrogen loss amount of the runoff

由表6可以看出，鸚鵡溝流域氨氮、硝氮和總氮的流失模數(shù)分別為0.03、0.53和0.89t/（a·km2）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［17］中的有關(guān)規(guī)定，鸚鵡溝流域非點(diǎn)源污染中氮素對(duì)于水環(huán)境質(zhì)量的影響作用分別是：氨氮增加0.17mg/L，硝氮增加4.71mg/L，總氮增加7.55mg/L，其影響結(jié)果是氨氮超過(guò)Ⅰ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值13.3%，成為Ⅱ類水；總氮超過(guò)Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值277.5%，直接成為劣Ⅴ類水；硝氮質(zhì)量濃度則未超過(guò)10.00mg/L的標(biāo)準(zhǔn)限值。

4 結(jié)論與建議

1）總氮是鸚鵡溝流域水質(zhì)污染的主要影響因素，降雨集中的7—9月份是氮素流失的集中時(shí)期。

2）林地、草地和農(nóng)地的總氮濃度均較大，超過(guò)Ⅴ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值，但農(nóng)地產(chǎn)流量和土壤侵蝕量大，致使農(nóng)地的非點(diǎn)源污染最為嚴(yán)重，而林草地的水源涵養(yǎng)作用主要體現(xiàn)在蓄水及減輕洪災(zāi)，使降水大部分以壤中流形式流出，從而降低了氮素濃度，凈化了水質(zhì)。

3）丹江水源區(qū)環(huán)境保護(hù)和水質(zhì)保障應(yīng)當(dāng)以生態(tài)清潔型小流域建設(shè)為主要途徑，由于流域內(nèi)農(nóng)村生活垃圾和養(yǎng)殖業(yè)污水隨意排放，對(duì)河流污染較大，建議對(duì)農(nóng)村垃圾進(jìn)行集中收集處理，對(duì)養(yǎng)殖業(yè)污水進(jìn)行凈化，這樣可大大減輕水質(zhì)污染。

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