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    人造林窗下香椿幼林細(xì)根的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)

    2018-09-04 08:38:36周義貴劉運(yùn)科李德會(huì)李賢偉
    關(guān)鍵詞:細(xì)根香椿養(yǎng)分

    周義貴,劉運(yùn)科,蘇 宇,李德會(huì),李賢偉*

    (1.四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,成都 610081;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,成都 611130;3.成都市農(nóng)林科學(xué)院,成都 611130)

    養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)指植物體內(nèi)器官或組織之間的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移與交換。大量研究表明,葉片在衰老過程中會(huì)將氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素轉(zhuǎn)移到其他組織[1]。細(xì)根(直徑<2 mm)是植物根系的重要組成部分,是植物從土壤中捕獲養(yǎng)分和水分的主要器官。雖然細(xì)根生物量僅占林分總生物量的0.5%~10%[2],但細(xì)根壽命短、周轉(zhuǎn)快,在頻繁的死亡過程中可將大量養(yǎng)分歸還給土壤,同時(shí)也通過養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)將養(yǎng)分轉(zhuǎn)移給其他器官或組織,以減少自身養(yǎng)分損失,降低對環(huán)境養(yǎng)分供應(yīng)的依賴。因此,細(xì)根的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)是植物保持營養(yǎng)的重要策略之一[1,3-4]。盡管如此,目前關(guān)于細(xì)根衰老死亡過程中是否存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)仍然存在很大爭議[5]。有研究認(rèn)為,細(xì)根存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán),衰老的細(xì)根在脫落前可以轉(zhuǎn)移23%的氮、30%的磷和39%的鉀[6]。而E.S.Nambiar等[7]卻提出質(zhì)疑,認(rèn)為直接比較死根和活根之間的養(yǎng)分差異來確定細(xì)根衰老死亡過程中是否存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的方法有明顯缺陷。在無法準(zhǔn)確獲取細(xì)根死亡時(shí)間的基礎(chǔ)上,直接從林地中采集的死亡細(xì)根不能確定是否發(fā)生分解,更不能精確分解量及養(yǎng)分濃度變化率,這使得研究結(jié)論缺乏可信度[7]。隨著研究方法的不斷完善,將細(xì)根剝離土壤后置于獨(dú)立空間,則能夠避免細(xì)根的分解對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的影響。吳勇等[8]利用黑色塑料瓶將剝離土壤的細(xì)根套住、密封,模擬細(xì)根衰老的方法獲得了柳杉(Cryptomeria fortunei)1~3級細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)數(shù)據(jù),陳珊等[5]也驗(yàn)證了該方法的可行性。相對于地上部分而言,植物根系的外部環(huán)境更為復(fù)雜,不斷改善方法,對研究養(yǎng)分元素的遷移規(guī)律,探討細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)將具有重要意義。

    香椿(Toona sinensis)是亞熱帶地區(qū)珍貴的鄉(xiāng)土闊葉樹種,在退化人工針葉純林的結(jié)構(gòu)調(diào)整和生態(tài)功能提升中具有先天的優(yōu)勢,可作為改善林分結(jié)構(gòu)、提升森林質(zhì)量的重要備選樹種[9]。本試驗(yàn)選取川中丘陵區(qū)柏木低效林近自然經(jīng)營改造模式,通過“開窗補(bǔ)闊”,以補(bǔ)植的香椿為對象,采用吳勇等[8]的方法,將細(xì)根剝離土壤后置于獨(dú)立空間,在確保其不分解的前提下,定期獲取不同根序級的衰老細(xì)根,并分析其氮、磷、鉀、鈣、鎂等主要養(yǎng)分元素動(dòng)態(tài),確定細(xì)根在衰老死亡過程中養(yǎng)分元素是否發(fā)生內(nèi)循環(huán)及其速率大小。從養(yǎng)分利用效率角度,為退化森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)過程中的樹種選擇提供數(shù)據(jù)支撐。以期為實(shí)現(xiàn)林分“混交-異齡-復(fù)層”的結(jié)構(gòu),形成優(yōu)質(zhì)、健康、高效、穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)提供一定的理論依據(jù)。

    1 材料和方法

    1.1 研究區(qū)概況

    試驗(yàn)地位于四川省德陽市旌陽區(qū)和新鎮(zhèn)(104°25′E,31°04′N),海拔 510~540 m,屬于低山丘陵地貌。該區(qū)屬亞熱帶濕潤和半濕潤氣候區(qū),年均氣溫16~17℃,年總降水量880~940 mm,主要集中在5—10月,冬干春旱。年均無霜期 270~290 d[10],土壤多為紫色土。該區(qū)在20世紀(jì)80年代營造了大面積的柏木純林,因樹種單一、初植密度過大及經(jīng)營管理滯后,導(dǎo)致林分郁閉度大、層次結(jié)構(gòu)簡單、物種多樣性低、地力衰退、林分長勢普遍衰弱?,F(xiàn)平均樹高6.5 m,平均胸徑8.0 cm,郁閉度大于0.8,單位蓄積量為44.7 m3/hm2,遠(yuǎn)低于83.6 m3/hm2的全國平均水平,是典型的低產(chǎn)低效林[11]。林下灌木以黃荊(Vitex negundo)、馬桑(Coriaria nepalensis)、火棘(Pyracantha fortuneana)、鐵仔(Myrsine africana)為主;草本植物以鳳尾蕨(Pteris cretica)、栗褐苔草(Carex brunnea)、藎草(Arthraxon hispidus)為主。

    1.2 樣地設(shè)置

    2012年3月,選擇在西南坡向、中坡位、坡度20°~30°、生長狀況及經(jīng)營管理水平相似的地段進(jìn)行林窗式采伐[10]。人造林窗為以南北向長、東西向短的近橢圓形,面積為200 m2,3次重復(fù),各林窗之間預(yù)留5~10 m的過渡帶。將樹枝樹干等殘?bào)w移除,但未掘根。處理完成后,于2012年3月下旬在每個(gè)林窗中引種香椿,采用“品”字形的方式,按50 cm×50 cm×50 cm的規(guī)格窩穴栽種,株行距為1 m×1.5 m,每窩穴施基肥2.5~3.0 kg[9]。初植香椿為2 a生實(shí)生苗,平均樹高30 cm,平均地徑0.43 cm。期間,只對香椿周邊進(jìn)行折灌、除草處理,沒有施肥等其他經(jīng)營措施。2015年4月對樣地基本情況進(jìn)行調(diào)查,3個(gè)樣地的香椿長勢良好,平均樹高6.0 m,胸徑4.53 cm,平均冠面積3.87 m2。

    1.3 試驗(yàn)方法

    試驗(yàn)開始于2015年4月下旬。在3個(gè)樣地分別選取5株香椿平均木,在林下距樹基1m處移除枯落物。參照Guo D.L.等[12]的根序分級方法,以根軸末端未分枝的根分為1級細(xì)根,1級細(xì)根著生于2級細(xì)根上,依次分到5級細(xì)根,對于生于高級細(xì)根(3~5級細(xì)根)上的沒有分支的細(xì)根也分為1級細(xì)根,用木刀輕輕去除表層土壤,露出1級細(xì)根,沿1級細(xì)根仔細(xì)向2級細(xì)根搜尋,直至找到5級細(xì)根分枝處,將該根束分蘗的所有1~5級細(xì)根小心從土壤中剝離出來,用刷子輕輕刷去附著在細(xì)根上的泥土,將根束全部放置于內(nèi)徑6 cm,深25 cm的黑色塑料瓶中,瓶口用防水膠密封,防止土壤水、土壤動(dòng)物和林地凋落物等雜物進(jìn)入,然后將塑料瓶垂直于地面埋回原地土壤10~20 cm土層中[8],既保證細(xì)根衰老過程中能正常呼吸,也避免了細(xì)根分解對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的影響。每株樣樹重復(fù)5次,共獲得75個(gè)根束,每根束細(xì)根鮮重約5 g。從實(shí)驗(yàn)當(dāng)天開始,每間隔7 d分別從每株樣樹上截取1個(gè)根束,每次采集15個(gè)根束,共采集5次(采集時(shí)間分別為:2015-4-23,2015-4-30,2015-5-7,2015-5-14,2015-5-21)。根束采集后放入自制便攜式冰箱立即帶回實(shí)驗(yàn)室。用去離子水清洗干凈,測定各級根序形態(tài)參數(shù)(表1),在65℃烘箱中烘烤48 h后粉碎保存。分別采用凱氏定氮法測氮,鉬銻抗比色法測磷,原子吸收分光光度法測定鉀、鈣、鎂的濃度[13]。采用陳珊等[5]的方法計(jì)算各級細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)率。

    N級細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)率/%=N級細(xì)根期初與期末養(yǎng)分濃度變化量/N級細(xì)根期初養(yǎng)分濃度×100%

    式中,N=1,2,…,5,期初濃度為 2015-4-23取樣養(yǎng)分濃度;期末濃度為2015-5-21取樣養(yǎng)分濃度。

    表1 香椿1~5級細(xì)根根長、直徑、比根長Table1 1~5 fine root length,diameter,and specific root length of Toona sinensis

    1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

    所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010、SPSS 20.0進(jìn)行處理與分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)分析香椿1~5級細(xì)根養(yǎng)分濃度和內(nèi)循環(huán)率。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 香椿1~5級細(xì)根初始養(yǎng)分濃度

    從表2可知,香椿1~5級細(xì)根中氮的初始濃度最大,其次是鉀、鈣、鎂、磷,分別為 4.85~18.75 g/kg、4.01~5.19 g/kg、2.93~3.25 g/kg、1.46~1.59 g/kg、0.76~1.13 g/kg,其中氮、磷、鉀濃度隨著根序的增加而降低。方差分析顯示,氮濃度在1、2級細(xì)根之間差異不顯著(P>0.05),但均顯著高于 3~5級細(xì)根(P<0.05);磷濃度在 1級細(xì)根中顯著最高(P<0.05),在 2、3 級細(xì)根及4、5級細(xì)根差異不顯著(P>0.05),但二者之間差異顯著(P<0.05);鉀濃度在相鄰根序間差異不顯著(P>0.05),但在低級細(xì)根(1、2級)中顯著高于高級細(xì)根;鈣、鎂濃度在各根序間差異不顯著(P>0.05)。

    表2 香椿1~5級細(xì)根初始養(yǎng)分濃度Table2 1~5 fine root initial nutrient concentration of Toona sinensis g·kg-1

    2.2 香椿細(xì)根衰老過程中養(yǎng)分濃度變化

    2.2.1 香椿細(xì)根衰老過程中氮濃度變化

    由圖1可知,不同等級根序中的氮濃度變化規(guī)律均不相同。1級細(xì)根的氮濃度呈現(xiàn)下降趨勢,累計(jì)降低了30.56%。2、3、4級細(xì)根的氮濃度均表現(xiàn)為先升后降,說明氮在細(xì)根衰老過程中發(fā)生遷移,存在內(nèi)循環(huán)。由于還未衰老的2級細(xì)根接受了從1級細(xì)根中轉(zhuǎn)移出來的氮,其濃度在處理3周后達(dá)到峰值,為20.93 g/kg。處理3周后開始表現(xiàn)出衰老特征,氮元素遷出速率明顯加快,2級細(xì)根氮累計(jì)遷移率為46.49%。3級細(xì)根的氮濃度變化規(guī)律與2級細(xì)根的氮濃度變化相似,3級細(xì)根氮累計(jì)遷移率為25.68%。4級細(xì)根中氮在處理4周后出現(xiàn)峰值,為8.71 g/kg,表明氮元素的遷移伴隨著不同根序細(xì)根的衰老而發(fā)生。5級細(xì)根的氮濃度變化基本穩(wěn)定,說明在5周的試驗(yàn)期間內(nèi),5級細(xì)根主要起養(yǎng)分運(yùn)輸作用。

    2.2.2 香椿細(xì)根衰老過程中磷濃度變化

    如圖1所示,細(xì)根在衰老過程中磷濃度變化與氮元素相似,也存在內(nèi)循環(huán)。1級細(xì)根的磷濃度均處于下降過程,且在處理1周后有一個(gè)劇烈的下降過程,但在處理2周后下降趨勢明顯減緩,說明1級細(xì)根的磷遷移較為迅速,累計(jì)降低了0.46 g/kg。由于2級細(xì)根接受了從1級細(xì)根遷移出來的磷,其濃度在第2周達(dá)到峰值,為1.23 g/kg,說明處理2周后開始表現(xiàn)出衰老特征,磷元素遷出速率明顯加快,2級細(xì)根磷累計(jì)遷移率為56.86%。3級細(xì)根磷濃度變化與2級細(xì)根變化相似,同樣在處理2周后即達(dá)到峰值。相對于2~3級同根序細(xì)根的氮濃度變化,磷的遷移發(fā)生則更為迅速。4、5級細(xì)根中的磷濃度則沒有明顯的變化趨勢。

    2.2.3 香椿細(xì)根衰老過程中鉀濃度變化

    鉀元素是極易移動(dòng)的養(yǎng)分元素,同樣在細(xì)根衰老過程中存在內(nèi)循環(huán),且在處理的第1周就迅速做出反應(yīng)。如圖1所示,1級細(xì)根的鉀濃度在處理第1周就迅速下降,之后呈現(xiàn)較平緩的變化,1級細(xì)根鉀累計(jì)遷移率為21.77%。2級細(xì)根的鉀濃度在第2周達(dá)到峰值,說明2級細(xì)根接受了從1級細(xì)根遷移出來的鉀,2周后開始表現(xiàn)出衰老和養(yǎng)分轉(zhuǎn)移的特性。3、4級細(xì)根的鉀濃度先升后降,均在3周后開始表現(xiàn)出養(yǎng)分轉(zhuǎn)移的特性。5級細(xì)根的鉀濃度無明顯變化。

    2.2.4 香椿細(xì)根衰老過程中鈣和鎂濃度變化

    由圖1可知,1~5級細(xì)根在衰老過程中鈣濃度變化均不顯著,基本在 2.93~3.25 g/kg之間,1、2、4級細(xì)根的鈣隨時(shí)間變化呈“W”型的趨勢,3、5級細(xì)根變化規(guī)律不明顯。鎂濃度在各級根序中的變化均不同,且變化幅度均較小。1、4級細(xì)根的鎂濃度在處理前期下降,在1周后上升,但1級細(xì)根的鎂濃度變化幅度比4級細(xì)根大。2、3級細(xì)根的鎂濃度在1周后下降,隨后開始上升,在處理第3周達(dá)到峰值。第4周2級細(xì)根鎂濃度開始下降,而3級細(xì)根的鎂濃度趨于穩(wěn)定的水平。5級細(xì)根的鎂濃度處于波動(dòng)狀態(tài),無明顯規(guī)律變化。表明香椿細(xì)根衰老過程中,鈣、鎂可能存在內(nèi)循環(huán),但遷移率極小。

    2.3 香椿細(xì)根衰老過程中的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)率

    由表3可知,香椿1~5級細(xì)根在衰老過程中,氮、磷、鉀養(yǎng)分遷移明顯,存在內(nèi)循環(huán)。氮、磷和鉀的內(nèi)循環(huán)率平均為16.41%、21.95%和17.09%,主要發(fā)生在1級和2級細(xì)根中,其中磷的內(nèi)循環(huán)率最大,其次是氮、鉀。氮、磷的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)在2級細(xì)根中最顯著,其內(nèi)循環(huán)率分別高達(dá)29.58%、33.97%,鉀的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)則主要集中在1級細(xì)根,其內(nèi)循環(huán)率為22.11%,均遠(yuǎn)高于3~5級細(xì)根。鈣和鎂元素在細(xì)根衰老過程中濃度變化不大,說明這2種元素移動(dòng)性較差(濃度變化率較小或?yàn)樨?fù)值,暫不分析內(nèi)循環(huán)率)。方差分析顯示,同一元素在1~2級細(xì)根以及4~5級細(xì)根中的內(nèi)循環(huán)率無顯著差異(P>0.05),但低級細(xì)根(1、2級)養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)顯著高于高級細(xì)根(3~5級)(P<0.05),3級細(xì)根與 4、5級細(xì)根之間的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)差異顯著(P<0.05)(3級細(xì)根作為過渡性根),說明在分析香椿的細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)時(shí)可以將1~2級細(xì)根和3~5級細(xì)根分別歸為同一結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行研究。

    圖1 香椿細(xì)根衰老過程中養(yǎng)分濃度變化Figure1 The change of Nutrient concentration in Toona sinensis fine root with senescence

    表3 1~5級香椿細(xì)根元素的內(nèi)循環(huán)率Table3 Nutrient internal cycling rate of different root order of Toona sinensis %

    3 討論

    自20世紀(jì)80年代,一些學(xué)者開始關(guān)注細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)研究,但因樹種、研究方法等的差異,細(xì)根衰老過程養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的機(jī)理至今仍無定論[1,14]。多數(shù)研究者認(rèn)為樹木的細(xì)根存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)[8,15],也有研究認(rèn)為這只不過是大多數(shù)植物的一個(gè)特征,部分樹木的細(xì)根基本不存在養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移。有學(xué)者通過比較研究發(fā)現(xiàn),同一樹種的細(xì)根中有的元素存在內(nèi)循環(huán),有的元素則不發(fā)生遷移。已開展的細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的研究大多數(shù)為直接比較活根和死根之間的養(yǎng)分差異來確定是否存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)及內(nèi)循環(huán)率的大小,其結(jié)果會(huì)受到細(xì)根分解的影響,所得結(jié)論的可靠性值得商榷[5,8]。由此可見,細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)研究的關(guān)鍵是獲取沒有分解的衰老或死亡細(xì)根[8]。如果將待研究植物細(xì)根剝離土壤,放置在無法接觸土壤微生物、養(yǎng)分和水分的獨(dú)立空間,人為促進(jìn)細(xì)根的衰老死亡進(jìn)程,避免了細(xì)根分解對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的影響,對于細(xì)根衰老過程中養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的正確評估將有積極的意義[8]。本研究將香椿細(xì)根置于獨(dú)立空間,避免了衰老過程中的分解對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的影響[5]。結(jié)果表明,香椿細(xì)根在衰老過程中氮、磷、鉀元素有明顯的遷移現(xiàn)象,存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán),其速率分別為4.14%~29.58%、10.06%~33.97%、13.23%~22.11%,養(yǎng)分循環(huán)利用效率較高。且3種元素的遷移均先發(fā)生在壽命短、周轉(zhuǎn)快的1級細(xì)根中,隨后向2級及更高根序級細(xì)根移動(dòng),但2~3級細(xì)根的磷濃度峰值比氮、鉀出現(xiàn)的早,說明在細(xì)根開始衰老時(shí),磷更容易轉(zhuǎn)移,且轉(zhuǎn)移更迅速;鈣和鎂元素則基本不發(fā)生轉(zhuǎn)移,這與養(yǎng)分元素自身的移動(dòng)性較差有關(guān),二者在植物體內(nèi)可能是以穩(wěn)定化合物的形式存在[5]。香椿1~5級細(xì)根中氮、磷和鉀的內(nèi)循環(huán)率平均為16.41%、21.95%和17.09%,且養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)主要集中在1~2級細(xì)根,其內(nèi)循環(huán)率遠(yuǎn)大于3~5級細(xì)根,這說明低級細(xì)根(1~2級)對養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的貢獻(xiàn)率高于高級細(xì)根(3~5級)。主要是因?yàn)?,一方面低級?xì)根具有較高的氮、磷、鉀濃度(表2),而養(yǎng)分濃度是影響?zhàn)B分內(nèi)循環(huán)率的重要因素[5,17]。另一方面,根據(jù)植物葉子壽命與內(nèi)循環(huán)強(qiáng)度成反比可推測細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)可能與細(xì)根壽命有密切關(guān)系,低級細(xì)根壽命顯著短于高級細(xì)根[17-20],細(xì)根根序等級可能是衡量細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)的重要依據(jù)[5]。

    根系的研究者一直試圖在根系中找到一些類似于功能上某個(gè)模塊的功能單元。如在北美的9個(gè)樹種的根系上發(fā)現(xiàn)了根痕,進(jìn)而推測細(xì)根像葉子一樣,每年或者不定期的成簇脫落[18]。隨后,Guo D.L.等[12,18]通過解剖特征分析初生和次生結(jié)構(gòu)、菌根浸染等進(jìn)一步論證了1級和2級細(xì)根成為一個(gè)統(tǒng)一功能模塊的可能。本研究對香椿1~5級細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)進(jìn)行了測定,結(jié)果表明同一養(yǎng)分元素在1~2級細(xì)根以及3/4~5級細(xì)根中的內(nèi)循環(huán)率內(nèi)無顯著差異,但低級細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)顯著高于高級細(xì)根,3級細(xì)根與4、5級細(xì)根之間的養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)差異顯著,說明在分析香椿的細(xì)根養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)時(shí)可以將1~2級細(xì)根、3級細(xì)根和4~5級細(xì)根分別歸為不同結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行研究。但不同結(jié)構(gòu)模塊在吸收養(yǎng)分中是否有不同功能,內(nèi)循環(huán)的機(jī)理是否一致,仍待進(jìn)一步研究。

    目前多數(shù)的研究者認(rèn)為,養(yǎng)分內(nèi)循環(huán)是植株為適應(yīng)貧瘠環(huán)境而提高養(yǎng)分循環(huán)利用率的一種自我保護(hù)機(jī)制[1,5]。Chen X.D.等[21]研究了混交刺槐后,側(cè)柏林長勢明顯變好,認(rèn)為刺槐進(jìn)入后,能夠有效地促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)。本研究證明香椿細(xì)根存在養(yǎng)分內(nèi)循環(huán),對于引入樹種適應(yīng)柏木低效林林地貧瘠的土壤環(huán)境,提高低效林改造成功率有重要意義。因此,川中丘陵區(qū)柏木低效林“開窗補(bǔ)闊”生態(tài)改造模式引進(jìn)的鄉(xiāng)土闊葉樹種香椿,與柏木林構(gòu)成針闊混交的塊狀鑲嵌格局,不僅改善了低效柏木林的景觀格局,增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性,而且香椿具有較高的光合效率和生產(chǎn)力[9],林分固碳能力強(qiáng)[11,22]。因此,在與本研究選取的條件相似的地區(qū),可將香椿作為柏木純林等退化人工林改造中的優(yōu)良備選樹種推廣使用。

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