CN108901230B - 一种扰动稻田土壤减少水稻释放甲烷的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扰动稻田土壤减少水稻释放甲烷的装置和方法，所述装置包括扰动杆、偏心转子、电源、电线、导电片、塑料泡沫和L形硬铁丝；所述扰动杆由绝缘材料制成，扰动杆的上部侧壁上固定有位置相对的偏心转子和电源，所述电线依次与偏心转子和电源相连，电线的两端分别向扰动杆下部延伸并与设置在扰动杆下部侧壁的两个L形硬铁丝相连接；L形硬铁丝的下方设置有塑料泡沫；所述塑料泡沫嵌套设置在扰动杆下部，并可相对于扰动杆上下移动；所述塑料泡沫靠近电线的一侧设置有导电片。所述方法为在水稻生长的返青期和分蘖期，在稻田中嵌入上述的土壤扰动装置，对稻田土壤施加扰动，不影响水稻成熟收获。本发明提供了一种在田间直接扰动土壤，减少稻田温室气体甲烷排放的方法，具有显著的低碳效益，田间操作方便，便于实际推广应用。

Description

一种扰动稻田土壤减少水稻释放甲烷的装置和方法
技术领域
本发明涉及低碳农业技术领域，更具体地，涉及一种扰动稻田土壤减少水稻释放甲烷的装置和方法。
背景技术
全球气候变化引起的极端天气、资源枯竭、生物灭绝等问题，严重威胁着全球生态环境及经济社会的可持续发展。温室气体过度排放导致全球温室效应逐年增强，是引起全球气候变化的重要驱动因素。目前，主要的温室气体有二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)以及氧化亚氮(N2O)。其中CH4对温室效应的贡献率达到了15％，虽然其浓度低于CO2，但其相对增温潜势是CO2的30多倍。因此，如何减少温室气体CH4排放已经成为全球关注的一个焦点。
农业作为温室气体排放的一个重要来源，也肩负着不可推卸的减排责任，农业活动产生的CH4占全球人为排放总量的52％，其中，水稻种植过程中释放出相当量的CH4。稻田CH4年排放量为31～112Tg，占全球总排放量的5％～19％，中国稻田CH4排放量达到7.2～9.5Tg。水稻作为中国最主要的粮食作物之一，对粮食供应以及社会稳定有着至关重要的作用，但与此同时稻田也是农业生产中甲烷排放的重要源头。土壤产CH4能力(源头)、水稻根际甲烷氧化(耗损)及水稻植株地上部输送(转运)三者共同作用影响甲烷通过水稻植株的输送总量，稻田产生的内源甲烷在排向大气之前大约有50％～90％在水稻根际和土水界面被重新氧化，因此，改变根际土壤微环境和水稻生长状态，有助于控制稻田温室气体的排放量。目前，通过外加抑制剂、生物炭等措施来控制稻田温室气体排放的技术较常见，而对于直接改变水稻输送途径，降低水稻释放温室气体的技术还未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种直接对稻田土壤施加扰动，干扰根际土壤输送甲烷的过程，进而降低释放到大气中的甲烷的方法。所述方法通过简单的物理措施方法改变了土壤的结构以及间接扰动了水稻植株，达到减排甲烷的作用。
本发明的第一个目的是提供一种水稻田土壤扰动装置。
本发明的第二个目的是提供一种扰动稻田土壤减少水稻释放甲烷的方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：
一种水稻田土壤扰动装置，其特征在于，包括扰动杆1、偏心转子2、电源3、电线4、导电片5、塑料泡沫6和L形硬铁丝7；所述扰动杆1由绝缘材料制成，扰动杆的上部侧壁上固定有位置相对的偏心转子2和电源3，所述电线4的上端依次与偏心转子2和电源3相连，电线的下端分别向扰动杆1下部延伸并与设置在扰动杆下部侧壁的两个“L”形硬铁丝7相连接；“L”形硬铁丝7的下方设置有塑料泡沫6；所述塑料泡沫6嵌套设置在扰动杆1下部，并可相对于扰动杆1上下移动；所述塑料泡沫6靠近电线4的一面设置有导电片5。
本发明所述水稻田土壤扰动装置的扰动杆上设置有带动扰动杆进行扰动的偏心转子，偏心转子的数量根据需要扰动的强度进行调整，所述电源为偏心转子供电，偏心转子和电源通过电线依次连接，但并不连通，电线的两端设置在扰动杆下部并与设置在扰动杆下部侧面的两个“L”形硬铁丝相连接且与塑料泡沫上设置的导电片位置相对应，“L”形硬铁丝主要起到限制器和固定导电的作用；塑料泡沫漂浮于稻田水面上，其与扰动杆之间的摩擦力小于水的浮力，当水位上升时，塑料泡沫上的导电片跟随塑料泡沫向上运动，从而接触电线两端L形硬铁丝，将接通电路，从而启动土壤扰动装置，当水位下降时，导电片随塑料泡沫向下移动而断开电路，土壤扰动装置关闭；所述塑料泡沫和绝缘材料的扰动杆可避免通电后电路出现短路。
优选地，所述扰动杆1为竹竿，来源广泛，成本低，且不导电。
优选地，所述竹竿直径为2～4cm(优选3cm)，竹竿长度为60～90cm(优选90cm)。
优选地，所述偏心转子的数量为1～4个(优选1个)，每个长8～12mm(优选10mm)，直径4～7mm(优选6mm)。
优选地，所述电源为装有5号电池的电池盒。
优选地，所述偏心转子和电源采用电工胶布固定于扰动杆上，附着位置为距离扰动杆顶端20～30cm(优选30cm)。
优选地，所述电线下端距离扰动杆顶部38～58cm(优选58cm)，最下端距离水面1～3cm。
优选地，所述电线下端为“L”形的硬铁丝，短端长度1～2cm，长端长度2～3cm，主要是进一步限制电线和塑料泡沫的位置，同时，L形硬铁丝可以相对于扰动杆上下移动并固定，当水位过低，泡沫的导电片无法接触到“L”形的硬铁丝时，可将L型硬铁丝向下移动并固定。从而使得在不改变扰动杆规格的情况下，适用多种水位变化的水稻田。
优选地，所述导电片5嵌入设置在塑料泡沫6中，与塑料泡沫6一起嵌套设置在扰动杆1外侧。
优选地，所述导电片5为铁环，直径3～5cm(优选3cm)，正中嵌入圆环形塑料泡沫。
优选地，所述塑料泡沫6为圆环形，其内径3～5cm(优选3cm)，外径5～7cm(优选5cm)，厚度4cm；塑料泡沫外侧标记入水深度刻度线0、1、2、3cm。
一种减少水稻释放甲烷的方法，为在水稻生长的返青期和分蘖期，对稻田土壤施加扰动，干扰根际土壤输送甲烷的过程，进而降低释放到大气中的甲烷气体。
所述方法通过简单的物理措施改变土壤的结构以及间接扰动了水稻植株，干扰根际土壤输送甲烷的过程，达到减排甲烷的作用。
优选地，所述扰动强度为2.6～4.8mm/s2。
优选地，所述方法为在水稻生长的返青期和分蘖期，在稻田中嵌入上述水稻田土壤扰动装置，对稻田土壤施加扰动。
优选地，所述水稻数量和土壤扰动装置比例为4～36:1(优选16:1)。
优选地，所述减少水稻释放甲烷的方法包括如下步骤：
S1.水稻育秧，平整稻田，常规种植水稻
水稻移栽前3～5天施基肥，而后插种水稻秧苗；所述水稻秧苗插种株行距按照常规水稻方式进行；所述水稻为常规稻品种；
S2.肥料和水分管理
水稻移栽7～10天后施尿素作为分蘖肥，保持薄水分蘖，在孕穗期和灌浆期采用浅湿灌溉，而后灌水量减少至排水落干；
S3.安置土壤扰动装置
将土壤扰动装置直接嵌入稻田土壤，控制电线两端L形硬铁丝距离水面1～3cm；塑料泡沫漂浮于水面，当水位上升时，塑料泡沫上的导电片接触电线，接通电路，土壤扰动装置启动，水位下降时，断开电路，土壤扰动装置关闭；
S4.回收土壤扰动装置
在水稻灌浆期之后，将土壤扰动装置从稻田土壤中取出，停止扰动处理。
优选地，S1所述施基肥施用标准为每667m2施腐熟鸡粪1800～2000kg(优选2000kg)。
优选地，S1所述水稻秧苗插种株行距的规格为18cm～22cm×13cm～17cm(优选20cm×15cm)。
优选地，S2所述水稻在移栽后7～10天的分蘖肥为每667m2施尿素4～6kg(优选5kg)。
优选地，S2所述保持薄水分蘖的水层为4～6cm(优选5cm)。
优选地，S2所述在孕穗期和灌浆期采用浅湿灌溉的水层为1～3cm(优选3cm)，而后灌水量减少至排水落干。
优选地，S3所述土壤扰动装置嵌入稻田土壤后，控制塑料泡沫进入水体深度为0～2cm(优选2cm)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供了一种水稻田土壤扰动装置，所述装置结构简单，操作方便，制作成本低，且使用效果显著。
(2)本发明提供了一种扰动稻田土壤减少水稻释放甲烷的方法，改变了土壤的结构以及间接扰动了水稻植株，达到减排甲烷的作用。在稻田中安装简易竹竿扰动土壤装置，通过调整初始水位和偏心转子的数量达到扰动强度的控制，无论在低强度和高强度均能有效降低甲烷的排放通量在不影响农户经济效益的前提下，带来显著的生态效益和社会效益。
(4)本发明减少水稻释放甲烷的方法，可以原位调控水稻释放甲烷过程，可有效降低甲烷释放，保证了农业生产的低碳效果。方便容易，操作简便，无需复杂的程序，便于农民在田间操作，便于实际推广应用。
附图说明
图1为本发明扰动装置的示意图。
图2为采用不同数量偏心转子后装置的扰动强度
图3为低强度扰动土壤状态下水稻分蘖期的甲烷排放效果。
图4为高强度扰动土壤状态下水稻分蘖期的甲烷排放效果。
图5为高强度扰动土壤状态下水稻根际土壤微生物多样性变化
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1一种水稻田土壤扰动装置
一种水稻田土壤扰动装置(图1)，包括竹竿1、偏心转子2、电源3、电线4、导电片5、塑料泡沫6和L形硬铁丝7，竹竿的上部侧壁上固定有位置相对的偏心转子2和电源3，所述电线4依次与偏心转子2和电源3相连，电线的两端分别向竹竿1下部延伸并固定在竹竿1两侧，电线下端直接连接设置在扰动杆下部侧壁的L形硬铁丝7，L形硬铁丝7的下方设置有塑料泡沫6；。所述塑料泡沫6嵌套设置在竹竿1下部，并可相对于竹竿1上下移动；所述塑料泡沫6靠近电线4的一侧设置有导电片5。所述L形硬铁丝起到限制器和连通电路的作用。
所述水稻田土壤扰动装置的竹竿上设置有带动竹竿进行扰动的偏心转子，偏心转子的数量根据需要扰动的强度进行调整，所述电源为偏心转子供电，偏心转子和电源通过电线依次连接，但并不连通，电线的两端设置在竹竿下部，连接L形硬铁丝，与塑料泡沫上设置的导电片相对应，塑料泡沫漂浮于稻田水面上，当水位上升时，塑料泡沫上的导电片跟随塑料泡沫向上运动，从而接触电线的两端L形硬铁丝，将接通电路，从而启动土壤扰动装置，当水位下降时，导电片随塑料泡沫向下移动而断开电路，土壤扰动装置关闭。
所述竹竿直径为2～4cm(优选3cm)，竹竿长度为60～90cm(优选90cm)。
所述偏心转子的数量为1～4个(优选1个)，每个长8～12mm(优选10mm)，直径4～7mm(优选6mm)。
所述电源为装有5号电池的电池盒。
所述偏心转子和电源采用电工胶布固定于扰动杆上，附着位置为距离扰动杆顶端20～30cm(优选30cm)。
优选地，所述电线下端距离扰动杆顶部38～58cm(优选58cm)，最下端距离水面1～3cm。
优选地，所述电线下端为“L”形的硬铁丝，短端长度1～2cm，长端长度2～3cm。同时，L形硬铁丝可以起限制器作用，进一步限制电线和塑料泡沫的位置。
优选地，所述导电片5嵌入设置在塑料泡沫6中，与塑料泡沫6一起嵌套设置在扰动杆1外侧。
优选地，所述导电片5为铁环，直径3～5cm(优选3cm)，正中嵌入圆环形塑料泡沫。
优选地，所述塑料泡沫6为圆环形，其内径3～5cm(优选3cm)，外径5～7cm(优选5cm)，厚度4cm。
采用振动检测仪测定不同数量偏心转子造成土壤扰动装置扰动的强度，测定结果如图2所示，在增加偏心转子的情况下，土壤扰动装置的强度随着时间的推移保持稳定。采用3个偏心转子时，扰动装置的强度比1个偏心转子的强度增加了25％(P<0.05)。
实施例2
取两块实验稻田，其中一块实验稻田A作常规水稻处理。另一块实验稻田B做常规水稻处理，同时施加土壤扰动。稻田B详细操作过程为：
S1.水稻育秧，平整稻田，常规种植水稻：
水稻移栽前3天施基肥，施用标准为每667m2施腐熟鸡粪1800kg。而后插种水稻秧苗；株行距的规格为20cm×15cm；所述水稻品种为黄华占。
S2.肥料和水分管理：
水稻移栽10天后施尿素作为分蘖肥，每667m2施尿素5kg；保持薄水分蘖，水层为5cm；在孕穗期和灌浆期采用浅湿灌溉，水层为3cm；而后灌水量减少至排水落干。
S3.安置竹竿
首先，选择直径为3cm，长度为90cm的竹竿，将长度10mm，直径6mm的偏心转子和装有5号电池的电池盒用电工胶布相对的固定于距离竹竿顶端30cm。电池盒连接的细电线用电工胶布固定于竹竿，电线L形铁丝最下端距离水面2cm，短端长度1cm，长端长度3cm。塑料泡沫进入水体1cm。
其次，将直径5cm铁环正中嵌入厚度3cm的圆环形塑料泡沫。将嵌入铁环的圆环形塑料泡沫穿过竹竿，而后竹竿直接嵌入稻田土壤。圆环形塑料泡沫漂浮于水面，内径5cm，外径6cm；其上嵌入的铁环和电池盒的两根细电线L形铁丝相对应，此应用实例中水位5cm，铁环可以接触细电线L形铁丝，接通电路，土壤扰动装置安装后即处于启动状态。密度为水稻与竹竿之比16:1；安装时间为水稻移栽7天后。
S4.回收竹竿
回收竹竿的时间为水稻灌浆期之后。回收竹竿的方式从土壤中抽出，取回塑料泡沫板并存放在一个干燥通风的地方，拆卸电池，保证装置各部件完好以备下次使用。
采用静态箱法采集温室气体，采用气相色谱法测定温室气体浓度，每隔10min抽取一次样品，共抽取4次，抽气时同步记录箱内温度。甲烷排放通量的计算采用下列公式：
Figure GDA0001790071360000071
式中，F为甲烷排放通量(mg·m-2·h-1)；M为甲烷的分子量(16g/mol)，单位为g；V为标准状态下1mol甲烷的体积，单位为L；dc/dt为甲烷浓度变化率，单位为μmol·mol-1·h-1；T为静态箱内温度，单位为℃；H为静态箱箱高，单位为m。
结果如图2所示，低强度扰动下，实验稻田B的采样点的甲烷的排放通量相比对照A田块降低了19％，具有显著性差异(P<0.05)。
实施例3
取两块实验稻田，其中一块实验稻田A做常规水稻处理。另一块实验稻田B做常规水稻处理，同时施加土壤扰动。稻田B详细操作过程为：
S1.水稻育秧，平整稻田，常规种植水稻：
水稻移栽前5天施基肥，施用标准为每667m2施腐熟鸡粪2000kg。而后插种水稻秧苗；株行距的规格为20cm×15cm；所述水稻品种为黄华占。
S2.肥料和水分管理：
水稻移栽7天后施尿素作为分蘖肥，每667m2施尿素4kg；保持薄水分蘖，水层为6cm；在孕穗期和灌浆期采用浅湿灌溉，水层为3cm；而后灌水量减少至排水落干。
S3.安置竹竿
首先，选择直径为4cm，长度为60cm的竹竿，将2个长度10mm，直径4mm的偏心转子和装有5号电池的电池盒用电工胶布相对的固定于距离竹竿顶端20cm。电池盒连接的细电线用电工胶布固定于竹竿，电线最下端L形铁丝距离水面1cm，短端长度1cm，长端长度2cm。塑料泡沫进入水体2cm。
铁环直径4cm，正中嵌入圆环形塑料泡沫。将嵌入铁环的圆环形塑料泡沫穿过竹竿，而后竹竿直接嵌入稻田土壤。圆环形塑料泡沫漂浮于水面，内径4cm，外径7cm；其上嵌入的铁环和电池盒的两根细电线L形铁丝的相对应，此应用实例中水位6cm，铁环可以接触细电线L形铁丝，接通电路，土壤扰动装置安装后即处于启动状态，水位下降时，断开电路，土壤扰动装置关闭。密度为水稻与竹竿之比16:1；时间为水稻移栽7天后。
S4.回收竹竿
回收竹竿的时间为水稻灌浆期之后。回收竹竿的方式从土壤中抽出，取回塑料泡沫板并存放在一个干燥通风的地方，拆卸电池，保证装置各部件完好以备下次使用。
采用静态箱法采集温室气体，采用气相色谱法测定温室气体浓度，每隔10min抽取一次样品，共抽取4次，抽气时同步记录箱内温度。甲烷排放通量的计算采用下列公式：
Figure GDA0001790071360000081
式中，F为甲烷排放通量(mg·m-2·h-1)；M为甲烷的分子量(16g/mol)，单位为g；V为标准状态下1mol甲烷的体积，单位为L；dc/dt为甲烷浓度变化率，单位为μmol·mol-1·h-1；T为静态箱内温度，单位为℃；H为静态箱箱高，单位为m。
结果如图3所示，高强度扰动下，实验稻田B的采样点的甲烷的排放通量相比对照A田块降低了32％，具有显著性差异(P<0.05)。
实施例4
甲烷的产生与土壤微生物群落关系密切，本实施例分析了采用本方法扰动土壤后，土壤微生物群落多样性的变化情况。取两块实验稻田，其中一块实验稻田A做常规水稻处理。另一块实验稻田B做常规水稻处理，同时施加土壤扰动。稻田B详细操作过程为：
S1.水稻育秧，平整稻田，常规种植水稻：
水稻移栽前5天施基肥，施用标准为每667m2施腐熟鸡粪2000kg。而后插种水稻秧苗；株行距的规格为20cm×15cm；所述水稻品种为黄华占。
S2.肥料和水分管理：
水稻移栽7天后施尿素作为分蘖肥，每667m2施尿素4kg；保持薄水分蘖，水层为6cm；在孕穗期和灌浆期采用浅湿灌溉，水层为3cm；而后灌水量减少至排水落干。
S3.安置竹竿
首先，选择直径为4cm，长度为60cm的竹竿，将2个长度10mm，直径4mm的偏心转子和装有5号电池的电池盒用电工胶布相对的固定于距离竹竿顶端20cm。电池盒连接的细电线用电工胶布固定于竹竿，电线最下端L形铁丝距离水面1cm，短端长度1cm，长端长度3cm。塑料泡沫进入水体2cm。
铁环直径5cm，正中嵌入圆环形塑料泡沫。将嵌入铁环的圆环形塑料泡沫穿过竹竿，而后竹竿直接嵌入稻田土壤。圆环形塑料泡沫漂浮于水面，内径5cm，外径7cm；其上嵌入的铁环和电池盒的两根细电线L形铁丝的相对应，此应用实例中水位6cm，铁环可以接触细电线L形铁丝，接通电路，土壤扰动装置安装后即处于启动状态，水位下降时，断开电路，土壤扰动装置关闭。密度为水稻与竹竿之比16:1；时间为水稻移栽7天后。
S4.回收竹竿
回收竹竿的时间为水稻灌浆期之后。回收竹竿的方式从土壤中抽出，取回塑料泡沫板并存放在一个干燥通风的地方，拆卸电池，保证装置各部件完好以备下次使用。
土壤微生物群落多样性采用Biolog生态板测定，制备土壤悬浊液后，静置取上清液接种到biolog平板。采用微生物工作站测定590nm和750nm的吸光度，采用公式计算Shannon(H),Simpson(D)和Evenness(E)。Ci为吸光度，Pi是Ci占所有测试孔吸光度之和的比例。S是测试孔底物数量。
Figure GDA0001790071360000091
H＝-∑(Pi×lnPi)， Eq.2
D＝1-∑Pi 2， Eq.3
E＝H/lnS， Eq.4
结果如图4所示，高强度扰动下，实验稻田B的采样点的水稻根际土壤的Shannon、Simpson、Evenness多样性指数相比对照A田块增加了1.2％、0.3％和1.2％，统计分析表明多样性的提高具有显著性差异(P<0.05)。土壤微生物多样性提高可能抑制了产甲烷菌群落的扩散和增殖。

Claims (8)

1.一种水稻田土壤扰动装置，其特征在于，包括扰动杆(1)、偏心转子(2)、电源(3)、电线(4)、导电片(5)、塑料泡沫(6)和“L”形硬铁丝限制器(7)；所述扰动杆(1)由绝缘材料制成，扰动杆的上部侧壁上固定有位置相对的偏心转子(2)和电源(3)，所述电线(4)依次与偏心转子(2)和电源(3)相连，电线的两端分别向扰动杆(1)下部延伸并与设置在扰动杆下部侧壁的两个“L”形硬铁丝限制器(7)相连接；“L”形硬铁丝限制器(7)的下方设置有塑料泡沫(6)；所述塑料泡沫(6)嵌套设置在扰动杆(1)下部，并可相对于扰动杆(1)上下移动；所述塑料泡沫(6)靠近电线(4)的一侧设置有导电片(5)。
2.根据权利要求1所述的水稻田土壤扰动装置，其特征在于，所述扰动杆(1)为竹竿。
3.根据权利要求1所述的水稻田土壤扰动装置，其特征在于，所述导电片(5)嵌入设置在塑料泡沫(6)中，与塑料泡沫(6)一起嵌套设置在扰动杆(1)外侧。
4.根据权利要求1所述的水稻田土壤扰动装置，其特征在于，所述塑料泡沫(6)上方设置有“L”形硬铁丝限制器(7)，所述限制器同时与电线接通，并固定在扰动杆(1)。
5.一种减少水稻释放甲烷的方法，其特征在于，在水稻生长的返青期和分蘖期，在稻田中嵌入权利要求1～4任一项所述的土壤扰动装置，对稻田土壤施加扰动。
6.根据权利要求5所述的减少水稻释放甲烷的方法，其特征在于，所述扰动强度为2.6～4.8mm/s2。
7.根据权利要求5所述的减少水稻释放甲烷的方法，其特征在于，所述水稻数量和土壤扰动装置比例为4～36:1。
8.根据权利要求5所述的减少水稻释放甲烷的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1.水稻育秧，平整稻田，常规种植水稻；
水稻移栽前3～5天施基肥，而后插种水稻秧苗；所述水稻秧苗插种株行距按照常规水稻方式进行；所述水稻为常规稻品种；
S2.肥料和水分管理
水稻移栽7～10天后施尿素作为分蘖肥，保持薄水分蘖，在孕穗期和灌浆期采用浅湿灌溉，而后灌水量减少至排水落干；
S3.安置土壤扰动装置
将土壤扰动装置直接嵌入稻田土壤，控制塑料泡沫进入水体0～2cm，“L”形硬铁丝限制器距离水面1～3cm，当水位上升时，塑料泡沫上的导电片接触电线两端“L”形硬铁丝，接通电路，土壤扰动装置启动，水位下降时，断开电路，土壤扰动装置关闭；
S4.回收土壤扰动装置
在水稻灌浆期之后，将土壤扰动装置从稻田土壤中取出，停止扰动处理。
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