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        小麥/玉米/大豆間套作體系中小麥?zhǔn)┝缀笮?duì)大豆產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)狀況的影響

        2013-09-12 06:07:22陳遠(yuǎn)學(xué)陳新平唐義琴陳曉輝徐開未
        關(guān)鍵詞:大豆產(chǎn)量

        陳遠(yuǎn)學(xué),周 濤,黃 蔚,陳新平,唐義琴,劉 靜,陳曉輝,徐開未*

        (1四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川成都611130;2中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京100193)

        間套作是我國(guó)傳統(tǒng)精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要組成部分,對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。間套作模式利用不同物種在空間分布和養(yǎng)分需求等方面的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),使間套作系統(tǒng)能更有效地利用各種生長(zhǎng)因子(光、水分、各種養(yǎng)分等)來獲得產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)[1]。中國(guó)南方以其特有的農(nóng)業(yè)種植制度使得大豆生產(chǎn)以間套作為主,近年來旱地新三熟“小麥/玉米/大豆”模式在西南地區(qū)迅猛發(fā)展[2-3]。合適的間套作品種、施肥方式和種植密度使間套作作物在生長(zhǎng)資源的需求上具有互補(bǔ)性,互利大于競(jìng)爭(zhēng)。大豆作為該模式中增效和改善土壤環(huán)境的核心作物,對(duì)其已做了大量的研究工作。

        前人對(duì)四川“小麥/玉米/大豆”體系中大豆的研究從合理的種植規(guī)格,發(fā)展到施肥對(duì)其自身養(yǎng)分分配,營(yíng)養(yǎng)特征的影響,進(jìn)一步深入到與其他作物間的相互影響、養(yǎng)分運(yùn)移。如向達(dá)兵等[4-5]認(rèn)為,適量施磷、鉀提高了套作大豆莖桿的抗倒指數(shù),降低倒伏率,同時(shí)調(diào)節(jié)鉀素平衡;劉增禹等[6]從玉米株型對(duì)大豆氮素積累方面的研究著手發(fā)現(xiàn),緊湊型玉米下的大豆花后氮素積累速率大、積累量多,從而有利于提高大豆地上部氮素的總積累量;在“小麥/玉米/大豆”間作體系中大豆通過自身的生物固氮促進(jìn)了玉米對(duì)氮素的吸收,使玉米處于優(yōu)勢(shì)生態(tài)位,而傳統(tǒng)的“小麥/玉米/甘薯”體系中玉米、甘薯爭(zhēng)奪土壤無機(jī)氮使二者相對(duì)小麥而言都處于弱勢(shì)生態(tài)位[1]。然而對(duì)該體系養(yǎng)分高效管理的研究較少,特別是對(duì)大豆的研究還少見報(bào)道。由于磷肥的當(dāng)季利用率低、肥效長(zhǎng),小麥與大豆相比對(duì)施用磷肥更敏感,對(duì)磷肥的依賴性高于大豆。對(duì)于小麥/玉米/大豆間作體系中小麥和大豆前后茬的種植關(guān)系,是否可以考慮后作大豆僅依靠前作小麥?zhǔn)┝追屎髿埩粲谕寥乐械牧姿兀詼p少磷肥的施用,提高磷素利用率?為此本研究在該體系下種植小麥時(shí),設(shè)置不施磷和4個(gè)不同施磷水平處理,種植大豆時(shí)不施肥,以期通過對(duì)小麥?zhǔn)┓柿康恼{(diào)節(jié),使在不影響小麥和大豆產(chǎn)量和品質(zhì)的前提下,提高土壤磷肥利用率,達(dá)到降低生產(chǎn)成本、提高收益的目的。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)于2010年11月至2011年10月在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行,土壤為紫色濕潤(rùn)雛形土(紫色大土),0—20 cm耕層土壤 pH 6.27,有機(jī)質(zhì)含量 29.8 g/kg、全氮 1.28 g/kg、堿解氮 178 mg/kg、有效磷36 mg/kg、速效鉀71 mg/kg。

        大豆選用四川應(yīng)用面積最大的秋豆品種“貢選1號(hào)”,由四川省自貢市農(nóng)科所選育。小麥為高抗優(yōu)質(zhì)品種“川麥37”,由四川省農(nóng)科院作物所選育。玉米選用四川省和農(nóng)業(yè)部主推優(yōu)良品種“川單418”,由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所“川單種業(yè)”選育。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

        1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)在四川小麥/玉米/大豆周年間套作體系中進(jìn)行,小麥設(shè)5個(gè)磷水平,分別為P2O50、45、90、135、180 kg/hm2(以 WP0、WP1、WP2、WP3、WP4表示),氮、鉀用量一致,為 N 120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2;玉米同樣設(shè)5個(gè)磷水平,分別為P2O50、37.5、75、112.5、150 kg/hm2(記為MP0、MP1、MP2、MP3、MP4),氮、鉀施用量一致,為N 195 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2;大豆作為小麥的后作,試驗(yàn)設(shè)計(jì)為大豆不施氮、磷、鉀肥。小麥播種前土壤有效磷含量為36 mg/kg,經(jīng)過5個(gè)磷水平處理(P2O50、45、90、135、180 kg/hm2)種植小麥,小麥?zhǔn)斋@后大豆播種前各處理的土壤有效磷含量分別為19、22、51、57和62 mg/kg,作為大豆的不同磷營(yíng)養(yǎng)條件,記為 SP0、SP1、SP2、SP3、SP4。

        1.2.2試驗(yàn)實(shí)施 田間裂區(qū)設(shè)計(jì),5個(gè)磷水平為大區(qū),大區(qū)內(nèi)設(shè)3個(gè)小區(qū)作為3次重復(fù),重復(fù)間無田間間隔,大區(qū)間間隔2 m。小區(qū)面積2 m×9 m=18 m2,小區(qū)幅寬2 m,其中1 m種4行小麥,另1 m為套作玉米預(yù)留行(隙地),即小麥/玉米采用1 m/1 m的田間配置(圖1)。小麥于2010年11月11日條播,行距0.25 m,用種量180 kg/hm2,密度為2.4×106plant/hm2;待小麥揚(yáng)花時(shí),在隙地中種2行玉米,玉米實(shí)行育苗移栽,2011年4月6日采用肥團(tuán)育苗,2011年4月16日移栽,玉米窄行距60 cm(寬行距140 cm),窩距40 cm(圖1),每窩栽壯苗2株,密度5.0×104plant/hm2。小麥于2011年5月25日收獲(此時(shí)玉米處于6片展開葉期),20 d后,即6月15日(此時(shí)玉米處于大喇叭口期)在小麥茬地上點(diǎn)播2行大豆,大豆行距40 cm,窩距33cm(圖1),每穴留 2株,密度6.22×104plant/hm2。玉米于2011年8月10日收獲(此時(shí)大豆處于初花期),大豆于2011年10月27日收獲。

        圖1 套作小麥、玉米、大豆的田間試驗(yàn)布置圖Fig.1 Diagram showing the arrangement of the rows of wheat,maize,soybean in the field experiment

        1.2.3施肥方法 小麥播種時(shí)開深5 cm左右的溝,50%的氮和全部磷、鉀肥撒于溝內(nèi),然后播種回土;另于分蘗期追施20%的氮,于拔節(jié)期追施30%的氮,均在遇小雨天撒施。玉米打塘施底肥,窩深15 cm左右,30%的氮和全部磷、鉀肥作底肥施于窩內(nèi),然后覆土移栽玉米苗;再于玉米拔節(jié)期追施30%的氮,于大喇叭口期追施40%的氮,均采用兌清水沖施于株旁。大豆整個(gè)生育期間不施肥。其他田間管理措施同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田。

        1.2.4測(cè)定項(xiàng)目與方法 整個(gè)試驗(yàn)地在小麥播種前多點(diǎn)采集0—20 cm耕層土樣,混合,分析基礎(chǔ)肥力特征。小麥?zhǔn)斋@后大豆播種前在小麥茬各小區(qū)分別多點(diǎn)采集0—20 cm耕層混合土樣,測(cè)定土壤有效磷含量(NH4F-HCI法)[7]。小麥、玉米收獲時(shí)分別計(jì)產(chǎn),采樣并測(cè)定氮、磷、鉀含量;大豆實(shí)收計(jì)產(chǎn),每小區(qū)隨機(jī)采6株考種,測(cè)定飽莢數(shù)、癟莢數(shù)、計(jì)算飽癟比(飽癟比=飽莢數(shù)/癟莢數(shù))、千粒重,分莖桿、豆粒稱重制樣(收獲時(shí)大豆葉子基本掉完,故不計(jì)葉),樣品粉碎過0.25 mm篩,分析氮、磷、鉀含量[7]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 磷對(duì)大豆產(chǎn)量的影響

        2.1.1磷對(duì)大豆結(jié)莢的影響 在5個(gè)磷水平處理中,大豆結(jié)莢總量隨土壤有效磷含量增加而增加(表1),SP3和SP4的總莢數(shù)比SP0有極顯著增加;從SP1到SP4有增加趨勢(shì),但之間差異不顯著。施磷處理的飽莢數(shù)比對(duì)照處理都有顯著或極顯著增加,施磷處理間飽莢數(shù)總體上變化不明顯,SP1~SP4處理分別高出 SP013.9%、6.9%、13.2%、12.8%。癟莢數(shù)隨著土壤有效磷含量增加而先減少后增加,SP1最少,SP4最多,SP0次之。從飽莢癟莢的比值可以看出隨著土壤有效磷含量的增加大豆飽癟比先增加后減少,但均高于SP0處理。

        綜上,隨著土壤有效磷含量的增加大豆結(jié)莢數(shù)隨之增加,但是當(dāng)土壤有效磷含量達(dá)到較高值時(shí)(本試驗(yàn)為57 mg/kg,SP3處理)其增長(zhǎng)幅度減小或者趨于零增長(zhǎng)。SP1~SP4各處理飽莢數(shù)占總莢數(shù)的89.5%、87.2%、86.2%、84.7%,可見只有土壤有效磷含量在一定范圍內(nèi)才對(duì)大豆結(jié)莢最有利,可以提高大豆飽莢數(shù),降低癟莢數(shù)。本試驗(yàn)以SP1處理飽癟比最大。

        表1 磷對(duì)大豆結(jié)莢的影響Table 1 The impact of phosphorus on soybean pods

        2.1.2磷對(duì)大豆產(chǎn)量的影響 植株莖生物量隨著土壤有效磷含量的增加有增加趨勢(shì)(表2),從SP1~SP4分別比 SP0增加了10.4%、22.4%、28.5%、31.5%,但后3個(gè)處理間無顯著差異。大豆籽粒產(chǎn)量隨著土壤有效磷含量呈先增加后減少趨勢(shì),SP1產(chǎn)量最高且顯著高于SP011.6%,但與其他幾個(gè)施磷處理相比無顯著差異。大豆總生物量(籽粒+莖)后4個(gè)處理分別比SP0增加了11.1%、11.2%、13.5%、14.5%,由于土壤有效磷含量處于中等或較高水平,后4個(gè)處理中大豆的產(chǎn)量和生物量均未有顯著差異。不同磷水平的土壤中,大豆籽粒和莖稈的增長(zhǎng)對(duì)總生物量的貢獻(xiàn)不同,SP4的總生物量最大但籽粒僅占總量的0.57,而SP0為0.62。表明過高的土壤磷含量可能造成植株徒長(zhǎng),而只有在合適的土壤磷水平下才有利于大豆結(jié)莢和鼓粒。

        2.2 磷對(duì)大豆?fàn)I養(yǎng)狀況的影響

        2.2.1磷對(duì)大豆籽粒氮、磷、鉀含量的影響 大豆籽粒全氮、磷含量隨著土壤有效磷含量增加先增加后減少,全鉀含量依次上升(表3)。籽粒全氮含量各處理間并沒有顯著差異,全磷以SP2最高,SP1次之,且二者分別比 SP0、SP4高出2.6%、1.2%和2.2%、0.8%。全鉀含量SP0、SP1間無顯著差異,后三個(gè)處理極顯著高于SP0。

        2.2.2磷對(duì)大豆莖氮、磷、鉀含量的影響 大豆莖稈全氮、磷、鉀的含量隨土壤有效磷含量增加的變化趨勢(shì)與籽粒變化趨勢(shì)一致(表3),但不同處理間氮、磷的差異更加明顯。SP1到SP2處理莖全氮增長(zhǎng)幅度最大,隨著土壤有效磷含量增加緩慢下降,SP2依次比其他處理高出9.0%、7.3%、5.3%、7.0%。SP2處理的全磷含量最高,顯著高于其他處理35.3%、25.5%、6.3%、7.1%;SP1到SP2的增長(zhǎng)幅度最大,但隨著土壤有效磷含量的繼續(xù)增加莖磷含量不再增加??傮w上,植株莖磷含量與土壤有效磷含量呈極顯著正相關(guān)(r=0.862**,n=15)。莖全鉀含量和籽粒全鉀含量有相似規(guī)律,均隨土壤有效磷含量增加而逐漸增加,且莖全鉀含量的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于籽粒的增長(zhǎng)幅度。籽粒、莖全氮、磷、鉀含量均比SP0處理有所提高,氮、磷、鉀含量增長(zhǎng)最大幅度均出現(xiàn)在SP1、SP2處理間,而后隨著土壤有效磷含量增加其增長(zhǎng)速率減緩。同時(shí)籽粒中氮、磷、鉀含量各處理間的差異小于莖中的差異,說明適宜的土壤有效磷含量有利于植株吸收的氮、磷、鉀更多地向籽粒分配。

        表2 磷對(duì)大豆產(chǎn)量的影響Table 2 The impact of phosphorus on soybean yield and biomass

        表3 收獲期大豆籽粒、莖全氮、磷、鉀含量(%)Table 3 The total N,P and K contents of soybean seeds and stems in harvest stage

        2.2.3磷對(duì)周年作物氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量的影響小麥三種養(yǎng)分的積累量均隨施磷量的增加而增加(表4),氮積累量在WP1→WP2→WP3處理間有較大提升,其后增速減緩,WP3、WP4處理間無顯著差異。施磷處理磷積累量顯著高于未施磷處理,WP4顯著高于WP119.0%、WP216.8%。玉米氮、鉀積累量隨施磷量的增加而增加,磷積累量隨施磷量的增加呈單峰曲線。玉米磷積累量最高的為MP2處理,其分別比 MP0、MP1、MP4高 46.9%、35.8%、26.0%。大豆氮、磷積累量從SP0~SP4處理先增加后減少,最高點(diǎn)均出現(xiàn)在SP1處理,其極顯著高于SP0處理,但與后幾個(gè)處理間無顯著差異。三種作物的鉀積累量均隨施磷量或土壤有效磷含量的增加而有所增加,但最大增量點(diǎn)不在同一處理,說明磷素有利于作物對(duì)鉀的吸收,但不同磷濃度下作物對(duì)鉀的敏感點(diǎn)不同。

        表4 小麥/玉米/大豆間套作周年體系作物氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量(kg/hm2)Table 4 The total N,P,K accumulation of wheat,maize,soybean in relay-cropping system one year

        小麥和大豆的氮積累總量遠(yuǎn)大于當(dāng)季該種植條帶上土壤的施氮總量,說明利用小麥后效養(yǎng)分種植大豆有利于提高土壤氮肥利用效率。

        2.3 土壤有效磷含量與各指標(biāo)的相關(guān)性分析

        通過對(duì)上述大豆各項(xiàng)指標(biāo)的分析,套作大豆利用前作小麥吸收剩余在土壤中的養(yǎng)分是可行的,但要使其產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)狀況達(dá)到最佳還需調(diào)節(jié)前作小麥的施肥量。相關(guān)分析(表5)顯示,在本試驗(yàn)條件下,土壤有效磷含量和大豆產(chǎn)量無顯著相關(guān)性,但與莖干重以及與莖的磷、鉀含量和氮、磷、鉀積累量呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.816、0.862、0.879、0.811、0.898、0.861。大豆莖、籽粒鉀含量和鉀積累量均與土壤有效磷含量呈極好的相關(guān)性,大豆產(chǎn)量與大豆籽粒、莖的氮、磷、鉀養(yǎng)分含量沒有明顯相關(guān)性。隨著土壤有效磷含量的增加,莖的生物量、養(yǎng)分含量和積累量都在上升,但大豆產(chǎn)量并非在隨著增加,說明土壤中殘留過多的磷只是促進(jìn)了大豆莖葉的徒長(zhǎng)而并不能促進(jìn)大豆結(jié)莢和鼓粒。磷能促進(jìn)大豆植株對(duì)鉀的吸收。

        3 討論

        程鳳嫻等[8]認(rèn)為土壤有效磷含量是影響大豆生物量、吸磷量和產(chǎn)量的主要因素。本研究中,試驗(yàn)后4個(gè)處理大豆產(chǎn)量顯著高于SP0處理,生物量隨著土壤有效磷含量增加有所增加,但SP1~SP4間并無顯著差異,籽粒、莖全磷、全氮含量SP2處理最高,全鉀含量SP0~SP4逐漸上升;最高產(chǎn)量處理土壤有效磷含量為22 mg/kg(SP1),植株養(yǎng)分含量最大處理土壤有效磷含量為51 mg/kg(SP2),同樣也表明合適的土壤有效磷含量可以提高大豆的產(chǎn)量和生物量,促進(jìn)植株對(duì)養(yǎng)分的吸收。尹秀英[9]、孫世超[10]、蔡柏巖等[11]認(rèn)為適宜的施磷有利于提高大豆的產(chǎn)量。也有研究[8]表明,在土壤有效磷(Olsen-P)含量低 (4 mg/kg)、中 (15 mg/kg)、高(70 mg/kg)的三種條件下對(duì)大豆進(jìn)行磷肥試驗(yàn),低磷土壤施磷對(duì)大豆產(chǎn)量和生物量影響較大,中等磷含量土壤影響較小,高磷土壤產(chǎn)量降低。本試驗(yàn)的結(jié)論也映證了這點(diǎn),即合適的土壤磷含量可以提高大豆產(chǎn)量和生物量,試驗(yàn)中SP1~SP4處理土壤有效磷含量為22~62 mg/kg,跨度40 mg/kg,由于供試土壤有效磷含量總體處于中等或較高水平,其產(chǎn)量和生物量之間并未有顯著差異。說明在較高磷含量土壤上繼續(xù)施磷對(duì)提高大豆產(chǎn)量是無益的。

        郭慶元[12],Andrask 等[13]認(rèn)為適宜的施磷量有利于大豆籽粒蛋白質(zhì)的積累。但本試驗(yàn)中籽粒蛋白質(zhì)含量(表3)處理間并沒有顯著差異,這可能是因?yàn)榍白餍←溛樟舜罅康臒o機(jī)氮(99.3~124.1 kg/hm2),降低了土壤中肥料氮的殘留,從而各處理間差異不顯著。肖焱波等[14]在研究“小麥+蠶豆”系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn),小麥可以吸收大比例土壤無機(jī)氮,從而降低土壤無機(jī)氮的殘留。雍太文等[15]在研究“麥/玉/豆”間套作體系指出, 3種作物間氮素的競(jìng)爭(zhēng)互利作用并存,小麥、玉米為優(yōu)勢(shì)作物,大豆為弱勢(shì)作物,大豆氮源主要通過自身根瘤固定N2,并促進(jìn)玉米對(duì)氮素的吸收。可見,在“麥/玉/豆”間套作體系中大豆不施氮確實(shí)存在供氮不足的問題。本試驗(yàn)大豆收獲時(shí)葉子全部凋落,據(jù)雷婷等[16]、劉增禹等[6]對(duì)套作大豆(貢選1號(hào))的研究,同時(shí)結(jié)合本研究中大豆養(yǎng)分含量、生物量估測(cè)凋落大豆葉占總生物量的14.5%左右,葉氮積累量為16 kg/hm2左右。據(jù)此,小麥、大豆氮的總積累量在242~284 kg/hm2左右,遠(yuǎn)高于施氮量120 kg/hm2。為了解決大豆氮不足的問題,可以對(duì)大豆接種高效共生固氮大豆根瘤菌,相關(guān)研究表明,單作大豆接種高效大豆根瘤菌可提高產(chǎn)量33.5%、植株含氮量提高26.9%[17]。在“麥/玉/豆”體系中接種大豆根瘤菌的效果有待后續(xù)研究。同時(shí)該種植模式為解決高效大豆根瘤菌在生產(chǎn)應(yīng)用中的氮阻遏問題提供了新思路。

        表5 土壤有效磷含量、產(chǎn)量、莖干重與大豆莖、籽粒的氮、磷、鉀養(yǎng)分含量和積累量之間的相關(guān)性Table 5 The relationship between soil available phosphorus content,yield,stem biomass and soybean stem,grain N,P,K nutrient content and accumulation

        大豆莖磷積累量 SP1、SP2、SP3、SP4處理是SP0處理的1.2、1.7、1.6、1.7倍,但其生物量?jī)H為SP0處理的1.1、1.2、1.3、1.3倍。據(jù)吳冬婷等[18]對(duì)不同磷濃度處理大豆莖、葉、籽粒的磷含量研究,結(jié)合本試驗(yàn)大豆籽粒、莖磷含量估測(cè)凋落葉磷積累量在0.9~3.4 kg/hm2左右,因此大豆地上部磷積累量和其生物量的比值將進(jìn)一步擴(kuò)大??梢姰?dāng)土壤有效磷含量大于或等于51 mg/kg時(shí)施磷已不能增加大豆產(chǎn)量,大豆莖對(duì)土壤磷存在了“奢侈吸收”。當(dāng)土壤有效磷低于其臨界值時(shí),作物產(chǎn)量隨土壤有效磷含量的增加而顯著提高,但是當(dāng)土壤有效磷較高時(shí),施磷肥對(duì)作物產(chǎn)量幾乎沒有影響,表明此時(shí)磷素不是限制作物產(chǎn)量增長(zhǎng)的主要影響因子,進(jìn)一步施磷肥是不合理的[19]。在小麥-玉米輪作體系中[19],發(fā)現(xiàn)小麥對(duì)磷的反應(yīng)大于玉米,對(duì)土壤自然供磷能力的反應(yīng)則是玉米高于小麥,主要原因是在小麥生長(zhǎng)初期外界溫度低,磷的礦化速率慢不利于作物的吸收[20],而玉米生長(zhǎng)的季節(jié)水熱條件好,磷的礦化速率提高,土壤供磷能力強(qiáng)從而有利于作物的吸收。結(jié)合以上兩點(diǎn),在“麥/玉/豆”體系中,大豆完全可以利用小麥吸收后殘余在土壤中和土壤自身礦化的磷來滿足整個(gè)生育期的需要。但本試驗(yàn)中大豆最高產(chǎn)量和最大養(yǎng)分含量并非同一個(gè)處理,最高產(chǎn)量在土壤有效磷含量為22 mg/kg(SP1),植株養(yǎng)分含量最大則在土壤有效磷含量為51 mg/kg(SP2),在“麥/玉/豆”體系中要達(dá)到產(chǎn)量與養(yǎng)分含量二者具佳,還有待設(shè)置更多的肥料處理做進(jìn)一步的研究。

        綜上,在四川紫色土區(qū)“麥/玉/豆”間套作體系中,可將小麥-大豆所需肥料在小麥種植時(shí)合理施用,特別是磷肥,在大豆種植時(shí)可少施或不施。這樣可以不降低產(chǎn)量,還可節(jié)約勞動(dòng)力成本,提高磷肥利用率,從而有利于種植效益的提高和環(huán)境保護(hù)。

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