不同施肥管理對東北黑土區(qū)氮損失的影響

焉　莉，王　寅，馮國忠，杜曉晴，劉爍然，操夢穎，高　強

（吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春 130118）

不同施肥管理對東北黑土區(qū)氮損失的影響

焉莉，王寅，馮國忠，杜曉晴，劉爍然，操夢穎，高強*

（吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春 130118）

為了明確不同施肥管理的肥料利用率及其氮損失對環(huán)境的影響，采用自然降雨條件下土槽模擬試驗方法，系統(tǒng)研究了在東北黑土玉米單作體系下不同施肥管理（尿素、秸稈還田和緩控釋肥）在一次性施用條件下的農田氨揮發(fā)、氮徑流淋溶損失及土壤硝態(tài)氮累積特性。結果表明：農民習慣施肥、秸稈還田施肥及控釋肥氨揮發(fā)總量分別為26.1、24.2、23.9 kg N·hm-2，占化肥施用量的10.9%、10.1%、10.0%；氮徑流淋溶損失分別占化肥施用量的1.4%、1.5%、0.9%，且以氮徑流損失為主；土壤0～50 cm土層氮殘留分別為42.2、42.3、54.6 kg N·hm-2。秸稈還田處理可以在保證產量的前提下，減少土壤氮殘留、提高肥料利用率；控釋肥在降雨量少的條件下氮殘留相對較高，應適當降低施氮量。

黑土；秸稈還田；控釋肥；氮損失

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玉米是我國第二重要的糧食作物，種植玉米比種植其他作物需要更多的氮肥［1］。由于近些年農業(yè)氮肥的過量投入［2］，肥料中未利用的養(yǎng)分進入大氣、地表水、地下水及土壤中，導致溫室氣體排放增加、水體富營養(yǎng)化和土壤中硝態(tài)氮累積，引發(fā)地下水危機［3-6］。因此，了解東北黑土區(qū)玉米施肥過程中氮損失現(xiàn)狀對我國玉米生產的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前對農田氮損失的研究，主要集中在不同氮水平導致的農田氮損失和不同施肥措施對氮損失中某一方面如氨揮發(fā)、氮徑流淋溶流失的影響。如N2O排放和N淋溶損失隨著施氮量和氮盈余的增加都呈現(xiàn)指數(shù)上升的趨勢，NH3揮發(fā)則隨著施氮量增加而直線上升［7］。但綜合考慮東北地區(qū)玉米的氮流失特征及不同施肥管理對氮損失影響的研究相對較少。目前國內外通過改變耕作模式、控制灌溉模式、作物間作或輪作模式、生態(tài)攔截等技術進行面源污染的防控［8-9］，但從源頭控制農業(yè)活動中污染物的產生和遷移，減少面源污染的形成是治理面源污染的根本。肥料管理越來越被重視，秸稈還田和控釋肥成為當前肥料施用的新趨勢。

位于黃金玉米帶和世界三大黑土地之一的吉林省，玉米種植面積和產量都居全國前列，單產更是國家平均水平的1.34倍［10］，因此黑土玉米種植是東北地區(qū)農業(yè)種植里至關重要的一部分，而在此種植過程中所導致的面源污染問題也引起了人們的關注。目前有關施肥對氨揮發(fā)和水體富營養(yǎng)化的影響已有一些研究［11-14］。隨著全球氣候變暖和厄爾尼諾現(xiàn)象的頻發(fā)，干旱年份和多雨年份交替頻繁，針對新的氣候變化條件下東北黑土雨養(yǎng)玉米種植區(qū)氨揮發(fā)及氮流失的綜合研究相對較少。本文利用土槽模擬試驗研究在干旱年份不同施肥管理（農民習慣施肥、秸稈還田施肥和控釋肥）對黑土玉米地氨揮發(fā)、氮素徑流淋溶損失及在土壤中硝態(tài)氮累積的影響，為相關單位制定應對東北地區(qū)農業(yè)減排策略提供參考依據(jù)。

圖1　試驗地當年降雨量及溫度變化（2014年4月23日—10月1日）Figure 1 Rainfall and temperature map in experiment station（23rd Apr.2014—1st Oct.2014）

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2014年4—10月在長春市凈月區(qū)吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院試驗地（43°48′N，125°24′E）開展，配有氣象工作站。該地屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年降雨量570.3 mm，年均降水日98.7 d，主要集中在4—9月，土壤類型為典型黑土，以玉米種植為主。土壤有機質為29.57 g·kg-1，總氮、總磷、總鉀分別為1.68、0.62、21.2 g·kg-1，堿解氮、有效磷、速效鉀分別為157.1、43.2、283.2 mg·kg-1，0～50 cm土層銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量分別為14.2、24.6 kg·hm-2，pH 6.63。根據(jù)氣象臺多年溫度和降雨量統(tǒng)計數(shù)據(jù)和國內外較常用的降雨年型劃分標準［15］，2014年總降雨量為431.6 mm，為干旱年型，基于當?shù)貧庀蠊ぷ髡緦Ξ斈暧衩装睋]發(fā)監(jiān)測期間氣候與降雨情況記錄如圖1。

1.2試驗設計

試驗采用土槽模擬方法［16］。土槽使用長、寬、高分別為1、0.4、0.6 m的PVC板材制作，下面設置鐵架子坡度為5°，在土槽的前部設置一個寬0.4 m、高0.1 m的導流槽，使得降雨后徑流隨著導流槽進入收集器中。為防止雨水直接進入收集器中，用塑料布將導流槽和收集器遮蓋，以保證試驗數(shù)據(jù)的準確性。為使模擬狀態(tài)接近現(xiàn)實，在土槽底部共設置了20個直徑為0.5 cm的滲流洞，以保證降雨情況下水在土壤中的垂直淋溶作用，并用導管收集。在土槽內設置塑料管用通氣法測氨揮發(fā)。土樣從試驗區(qū)采集并按照0～30 cm 和30～50 cm的深度順序依次填入土槽中，靜置3個月使土層自然沉降到穩(wěn)定狀態(tài)。

供試作物為玉米鄭單948，于2014年4月26日施肥，5月1日播種，10月1日收獲。試驗共設4個處理，分別為不施肥（CK）、農民習慣施肥（F）、秸稈還田施肥（R）和控釋肥（C），將CK處理的測定值作為土壤背景值，用以計算肥料氨揮發(fā)強度。每個處理3次重復，播種密度為75 000株·hm-2。各處理均一次性施肥，具體施肥量見表1。秸稈還田量為3000 kg·hm-2，先分析其氮磷鉀含量，與農民習慣處理保持相同養(yǎng)分投入量，不足的氮磷鉀用化學肥料補充，所用磷肥為磷酸二氫鈣，鉀肥為氯化鉀，農民習慣和秸稈還田采用普通尿素，控釋肥采用控釋尿素。

1.3樣品采集與測試

1.3.1氨揮發(fā)測定

氨揮發(fā)采集使用通氣法［12］，用聚乙烯硬質塑料管制成內徑8 cm、高12 cm的氨氣捕獲裝置，將兩塊厚度為2 cm、直徑為10 cm的海綿均勻浸以5 mL的磷酸甘油溶液（50 mL磷酸加40 mL丙三醇，定容至1000 mL），置于其中，下層海綿距管底5 cm，用于吸收土壤揮發(fā)出來的氨，上層海綿與管頂相平，用于防止外界氣體污染。施肥當天將采集裝置放入土槽中，每個土槽放置4個塑料管，第2 d開始取樣，將下層海綿取出，立即放入樣品袋中密封，同時將新浸過的海綿重新放入塑料管中。將換下的海綿帶回實驗室，分別放入500 mL塑料瓶，加300 mL 1 mol·L-1的KCl溶液，使海綿完全浸入并振蕩1 h，測定浸提液中的銨態(tài)氮含量。上層海綿視干濕情況，3～7 d更換一次。試驗第一周每天取樣一次，第2～3周3 d取樣一次，之后延長到7～10 d，直到監(jiān)測不到氨揮發(fā)為止。

1.3.2徑流淋溶測定

2014年4月26日至10月1日雨季即整個玉米生長季節(jié)內，在每次降雨產流后，立即測定每個收集器水位，計算徑流量。采集收集器內水樣，采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定總氮（TN），水樣取回后一般立即測定，如果不能測定的，滴加濃硫酸并冰凍保存，5 d內測定完畢。

1.3.3土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮測定

播種前和玉米收獲后，在每個土槽中取土壤表層（0～30 cm）及亞表層（30～50 cm）各4個采樣點，將樣品制備成混合樣并四分法取土50 g，過2 mm篩后保存于-20℃冰箱中，測定前取10 g放入250 mL的三角瓶中，加入1 mol·L-1的KCl溶液100 mL，搖床振蕩60 min后過濾用連續(xù)流動分析儀（Skalar，Netherland）測定土壤銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量。播種前的土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量之和為初始氮殘留；收獲后土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量之和為收獲后土壤氮殘留。

1.3.4玉米產量及吸氮量測定

收獲期取土槽中3株玉米，分為莖葉及籽粒兩部分，烘干稱重，然后將其分別粉碎并采用H2SO4-H2O2進行消化，凱氏定氮法分別測定其含氮量。產量數(shù)據(jù)為14%含水率的玉米籽粒產量，作物吸氮量數(shù)據(jù)為籽粒吸氮量和莖葉吸氮量之和。

1.4數(shù)據(jù)計算與處理

氨揮發(fā)速率：NH3-N（kg·hm-2·d-1）=M/（A×D）×10-2式中：M為單個裝置每次測得的氨量（NH3-N），mg；A為捕獲裝置的橫截面積，m2；D為每次連續(xù)捕獲的時間，d。

累積氨揮發(fā)量為玉米整個生育期氨揮發(fā)總量：

式中：Ci為第i次測定的氨揮發(fā)速率；di為第i次測定時連續(xù)捕獲的時間，d。

生育期土壤氮素凈化量=不施氮肥區(qū)作物吸氮量+不施氮肥區(qū)土壤殘留Nmin-不施氮肥區(qū)土壤起始Nmin［17］

表1　不同處理的肥料用量（kg·hm-2）Table 1 Fertilizer rate of different treatments（kg·hm-2）

2　結果與分析

2.1不同施肥處理產量、氮吸收量及肥料利用率

施肥可以顯著提高玉米籽粒產量。由表2可知，三種施肥處理的產量沒有明顯差異，與不施肥處理相比，可以顯著提高產量，最高增產達到49.3%。三種施肥處理的作物吸氮量也沒有顯著差異，緩控釋肥處理（C）的吸氮量最大，氮肥利用率達到34.0%；秸稈還田施肥處理雖然作物吸氮量不是最高，但因其施氮肥量較其他兩個施肥處理低，所以氮肥利用率最高為34.4%；農民習慣（F）是所有施肥處理中肥料利用率最低的，為31.6%。

2.2不同施肥處理土壤氮殘留

玉米收獲后，對不同施肥處理的土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮殘留進行采集和測定，從表3土壤氮殘留Nmin數(shù)據(jù)可知，在土壤表層（0～30 cm）和亞表層（30～50 cm），施肥處理的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮殘留均高于不施肥處理，尤其是硝態(tài)氮明顯增加；三種施肥處理中，在土壤亞表層緩控釋肥處理可以顯著增加硝態(tài)氮殘留，從而導致緩控釋肥處理在0～50 cm土層顯著增加了土壤硝態(tài)氮殘留。與播前土壤（0～50 cm）土層中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量相比，不施肥處理可降低土壤氮殘留，施肥處理可增加土壤氮殘留。

表2　不同施肥處理的籽粒產量、吸氮量及氮肥利用率Table 2 Yield，N uptake and N use efficiency of different treatment

2.3不同施肥處理的氨揮發(fā)損失

2.3.1不同施肥處理氨揮發(fā)速率動態(tài)變化

氨揮發(fā)速率是評價氨揮發(fā)的重要指標。不同施肥處理，土壤中氨揮發(fā)變化具有明顯的規(guī)律性（圖2）。試驗于2014年4月26日施入肥料，當日出現(xiàn)小雨，次日除控釋肥處理（C）外其余普通尿素施肥處理都出現(xiàn)氨揮發(fā)的小高峰，之后5 d溫度明顯升高且無降雨，而且由于土槽受到陽光照射，土壤溫度要高于大田地溫，各處理氨揮發(fā)速率緩慢升高。在施肥后第6 d，出現(xiàn)一次中等降雨，土壤濕度增大使礦化速率增大或固定的氨揮發(fā)被釋放出來。農民習慣處理（F）和秸稈處理（R）在降雨后出現(xiàn)氨揮發(fā)最大速率；此時控釋肥（C）釋放速率增快但未到達峰值，直到第15 d才出現(xiàn)氨揮發(fā)速率高峰。從圖2可以看出，由普通尿素作為肥料的處理氨揮發(fā)峰值主要集中在施肥后前5 d，控釋肥處理（C）峰值主要集中在第10～20 d。隨著時間延長，土壤中的銨態(tài)氮逐漸被轉化或消耗，含量逐漸減少，日揮發(fā)量也逐漸降低。至6月8日時，各施肥處理氨揮發(fā)速率與不施肥處理的氨揮發(fā)速率基本一致，趨于平穩(wěn)，肥料氨揮發(fā)現(xiàn)象不再明顯。

表3　不同施肥處理對土壤氮殘留的影響（kg·hm-2）Table 3 Effect of different treatment on soil N residue（kg·hm-2）

圖3　不同施肥處理的氨揮發(fā)累積量Figure 3 Accumulative NH3of different treatment

2.3.2不同施肥處理氨揮發(fā)累積損失量

從氨揮發(fā)總量（圖3）來看，農民習慣處理（F）氨揮發(fā)累積量最高，達到26.1 kg N·hm-2。秸稈還田處理（R）和控釋肥處理（C）的氨揮發(fā)累積量基本持平，分別為24.2 kg N·hm-2和23.9 kg N·hm-2，與農民習慣相比降低了7.3%和8.4%。

2.4不同施肥處理氮徑流淋溶損失

2014年整個玉米生育期東北地區(qū)降雨量極少，一般情況下，旱地在小雨和中雨條件下很難產流，但因雨季出現(xiàn)連續(xù)中雨情況，所以一部分中雨出現(xiàn)了明顯徑流現(xiàn)象。如果部分時期出現(xiàn)連續(xù)兩日降雨，采樣時將2 d的徑流合并混合處理，故在整個玉米生長期間，共出現(xiàn)四次徑流和淋溶。徑流和淋溶中總氮流失負荷如圖4。各處理的氮流失負荷存在顯著差異，徑流氮流失負荷表現(xiàn)為農民習慣＞秸稈還田＞控釋肥＞不施肥，淋溶氮流失負荷表現(xiàn)為秸稈還田＞農民習慣＞控釋肥＞不施肥，秸稈還田的淋溶氮流失負荷高主要是由于其淋溶量高所致。各處理的前兩次徑流淋溶氮負荷占到了總徑流淋溶氮流失負荷的70%以上。從本次試驗數(shù)據(jù)看出，黑土玉米地氮流失負荷主要以徑流流失負荷為主，占徑流淋溶流失總負荷的60%以上。農民習慣施肥、秸稈還田施肥及控釋肥徑流淋溶氮損失負荷分別占化肥施用量的1.4%、1.5%和0.9%。

2.5氮表觀損失

圖4　玉米生育期內各處理徑流淋溶總氮流失負荷Figure 4 Nitrogen loss load of different treatment by runoff and leaching in maize growth period

根據(jù)土壤-作物體系中氮平衡原理，基于系統(tǒng)輸入量（包括施氮量、土壤礦化量和播前土壤無機氮）等于系統(tǒng)輸出量（包括作物吸氮量、土壤無機氮殘留和氮肥表觀損失）可以計算各處理氮損失量。從氮肥表觀損失數(shù)據(jù)看（表4），秸稈還田處理氮表觀損失最多，達141.4 kg N·hm-2，與農民習慣和控釋肥相比，氮表觀損失分別增加1.7 kg N·hm-2和19.7 kg N·hm-2；但從肥料損失率看，控釋肥的損失率最低，僅為50.7%，與農民習慣施肥和秸稈還田施肥相比，損失率分別減少了7.5%和8.2%。

3　討論

在考慮土壤氮素礦化和其本身無機氮殘留的前提下，研究土壤作物系統(tǒng)的氮平衡能夠為土壤整個的氮循環(huán)提供更加詳實的信息，而且能夠在一定程度上反映氮損失［18-19］。本研究發(fā)現(xiàn)不同施肥管理對玉米的產量影響不大，但氮損失量及氮損失率卻存在差異。有研究表明秸稈還田后會被微生物利用發(fā)生腐解，其礦化出來的氮素會被作物吸收利用，從而增加作物產量［20］。秸稈還田可明顯增產、貯存土壤水分和降低玉米生育期耗水量［21］；同時可以提高土壤團聚體含量［22］，增加土壤有機碳含量［23-25］。在本研究中秸稈還田處理添加了有機物料并減少了化肥的施用量，但產量和氮損失與農民習慣相比無顯著差異，其可能的原因是，秸稈還田增加了土壤碳氮比，為微生物活動提供了充足的碳源，使反硝化作用明顯，從而增加了氮損失［26］。秸稈還田處理并未出現(xiàn)明顯的增產和增效現(xiàn)象，可能與生育期降雨量少導致秸稈腐解效果不明顯有關。在本研究中控釋肥可以在保證作物產量的前提下顯著降低氮損失，這與前人的研究結果一致［14，27-28］?？蒯尫士梢钥刂品柿现杏行юB(yǎng)分的釋放速率，做到養(yǎng)分供應規(guī)律與作物在生育期的需肥規(guī)律相一致，從而提高作物產量和氮肥利用率［29-31］。本研究因數(shù)據(jù)有限，在氮平衡計算中未考慮氮沉降問題，Liu等［32］研究表明北方地區(qū)平均每年的干濕氮沉降量為26～38 kg N·hm-2。因此，在未來的氮素平衡計算和推薦使用氮肥量時，應該對該地區(qū)的干濕氮沉降予以考慮［19］。

表4　不同施肥處理的氮表觀損失Table 4 N appearance loss of different treatment

本研究結果表明，三種施肥處理的作物吸氮量均占施氮量的40%以上，氨揮發(fā)和徑流淋溶損失約占施氮量的10%，剩下的氮肥主要是硝化反硝化和未知損失，與我國農田化肥氮去向評估基本一致［31］。氨揮發(fā)是氮損失的重要途徑，溫度、水分及pH值都對氨揮發(fā)損失有顯著影響［33-34］。本次試驗農民習慣、秸稈還田和控釋肥的氨揮發(fā)損失的總累計量分別為26.1、24.2、23.9 kg N·hm-2，占施氮量的10.9%、10.1%和10.0%，其損失率與華北小麥-玉米輪作體系氨揮發(fā)損失率9.9%～37%相比明顯低［35］，主要由于土壤pH對氨揮發(fā)影響明顯。華北地區(qū)土壤為潮土偏堿性，pH值較高有利于水溶態(tài)NH3形成；東北地區(qū)黑土pH為中性，H+濃度較高，會降低水溶性NH3產生，提高NH+4的濃度［36］，因此氨揮發(fā)量相對較低。但此次試驗與前人在東北黑土玉米連作體系研究結果相比氨揮發(fā)量明顯高［34］，主要原因有兩方面：一是溫度，二是水分。本試驗前期處于高溫干旱期，4月下旬出現(xiàn)當期歷史最高溫，而且試驗采用土槽裝置，其四周均受到陽光照射，經過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)同一試驗地槽內地溫要高于大田地溫，高溫導致氨揮發(fā)量增多［37］。同時由于前期降雨量很少，土壤中水分較少，導致尿素和控釋肥料氨揮發(fā)量增多，與Yan等［38］的研究結果一致。

由于試驗年份降雨量與多年降雨量相比明顯減少，徑流淋溶的氮負荷較少，僅約占氮肥總量的2%，其中徑流的氮負荷占總負荷的60%以上。該地在多雨年份，徑流氮總負荷僅為肥料總量的3%左右［16］，如果按上面的徑流淋溶氮負荷比例計算，徑流淋溶總負荷也僅為5%。根據(jù)如上計算，東北黑土區(qū)玉米連作體系的徑流淋溶損失量與我國南方和華北小麥玉米輪作體系徑流淋溶損失相比要小很多。在徑流淋溶總氮流失負荷中，與農民習慣施肥相比，控釋肥可以顯著降低氮流失負荷。這是由于控釋肥養(yǎng)分釋放速度慢，與作物對養(yǎng)分的需求同步，釋放的養(yǎng)分與土壤接觸少，減少了土壤理化作用或生物作用對養(yǎng)分的分解和固定，且其顆粒大不易隨水流失，從而在源頭上顯著減少氮流失［39］。

在土壤氮殘留方面，王小明等［40］研究表明，緩控施肥相比常規(guī)施肥可降低土壤剖面尤其是深層土壤硝態(tài)氮的淋洗累積效應，使硝態(tài)氮累積降低20%～70%，從而減小對地下水產生污染的風險。本研究可監(jiān)測的土壤剖面（0～50 cm）土層中控釋肥累積氮殘留相對較高，與降雨量少導致控釋肥釋放不充分有密切關系［41］，因而在降雨相對較少年份，應適當控制控釋肥的施用量。

4　結論

在東北黑土玉米連作系統(tǒng)中，緩控釋肥在保證作物產量及作物吸氮量的同時，可明顯降低肥料的氮損失，是消減農業(yè)面源污染的有效途徑。但在降雨量相對較少的年份，應適當控制控釋肥的施用量，以降低土壤硝態(tài)氮累積的風險。

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Effect of different fertilization management on nitrogen loss in black soils in Northeast China

YAN Li，WANG Yin，F(xiàn)ENG Guo-zhong，DU Xiao-qing，LIU Shuo-ran，CAO Meng-ying，GAO Qiang*
（Key Laboratory of Sustainable Utilization of Soil Resources in the Commodity Grain Bases，College of Resource&Environmental Science in Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China）

In this research，the effect of different fertilization（urea，straw returning and controlled release fertilizer）in a one-time application on ammonia volatilization，nitrogen loss by runoff and leaching，and nitrogen residue on black soils was studied by soil box simulation method in order to know the nitrogen loss effect on environment and nitrogen use efficiency of different fertilization management.The results showed that ammonia volatilization accumulation amount of farmer conventional fertilization，straw returning fertilizer and controlled release fertilizer were 26.1 kg N·hm-2，24.2 kg N·hm-2and 23.9 kg N·hm-2，the fertilizer loss rate was 10.9%，10.1%and 10.0%，respectively；nitrogen loss by runoff and leaching was accounted for 1.4%，1.5%and 0.9%of nitrogen application rate，in which the nitrogen loss by runoff was the main form.Inorganic nitrogen residue in 0～50 cm soil layer of farmer conventional fertilization，straw returning fertilizer and controlled release fertilizer were 42.2 kg N·hm-2，42.3 kg N·hm-2and 54.6 kg N·hm-2，respectively.Straw returning could reduce the nitrogen residue on soils，as well as maintaining yield and increasing nitrogen utilization efficiency；controlled release fertilization should decrease the nitrogen rate in less rainfall year due to higher risk of nitrate accumulation in soils.

black soils；straw returning；controlled release fertilizer；nitrogen loss

X511

A

1672-2043（2016）09-1816-08doi：10.11654/jaes.2016-0412

2016－03－28

國家科技支撐計劃項目（2013BAC09B01）；公益性行業(yè)（農業(yè)）專項（201103003）；國家級大學生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目（201610193013）

焉莉（1980—），女，吉林長春人，講師，從事農業(yè)環(huán)境管理領域研究。E-mail：yanli02002@hotmail.com

高強E-mail：gaoqinglunwen@163.com