劉昭兵， 紀雄輝， 官 迪， 謝運河， 朱 堅， 彭建偉

(1.湖南省農業(yè)科學院/農業(yè)部長江中游平原農業(yè)環(huán)境重點實驗室/ 農田土壤重金屬污染防控與修復湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410125； 2.湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院， 湖南 長沙 410128)

鎘脅迫條件下淹水時間對水稻吸收累積鎘的影響

劉昭兵1,2， 紀雄輝1①， 官 迪1， 謝運河1， 朱 堅1， 彭建偉2

(1.湖南省農業(yè)科學院/農業(yè)部長江中游平原農業(yè)環(huán)境重點實驗室/ 農田土壤重金屬污染防控與修復湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410125； 2.湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院， 湖南 長沙 410128)

采用盆栽試驗方法，以外源添加鎘(Cd)模擬土壤鎘污染，研究水稻不同生育期(分蘗盛期和灌漿期)淹水以及淹水時間對水稻產(chǎn)量及吸收累積Cd的影響。結果表明，與常規(guī)灌溉處理(CI)相比，其他不同淹水時間處理均出現(xiàn)一定程度減產(chǎn)，其中全生育期濕潤灌溉(WI)、分蘗盛期開始淹水1～4周(T1、T2、T3和T4)5個處理的水稻產(chǎn)量顯著下降，降幅分別為23.7%、16.0%、15.5%、20.2%和18.6%。隨著淹水時間的延長，糙米Cd含量呈下降趨勢，其中以全生育期淹水處理(WF)的糙米Cd含量最低，僅為WI的3.4%。在相同淹水時間條件下，分蘗盛期開始淹水1～4周處理的糙米Cd含量較灌漿開始淹水1～4周處理(F1、F2、F3和F4)分別降低了27.1%(P<0.05)、46.6%(P<0.05)、56.0%(P<0.05)和35.2%，平均降幅為41.2%。水稻莖葉Cd含量與糙米Cd含量的變化趨勢基本相同。水稻莖葉對Cd的轉運效率隨淹水時間的延長呈下降趨勢。不同處理的水稻莖葉和糙米Cd富集系數(shù)變異極大，其中WI的糙米、莖葉Cd富集系數(shù)分別為WF處理的29.0和18.8倍。淹水能有效抑制水稻對Cd的吸收累積，抑制效果與淹水時間呈正相關，且分蘗盛期淹水對水稻莖葉和糙米Cd累積的抑制效果優(yōu)于灌漿期淹水。

鎘脅迫； 淹水時間； 水稻； 鎘累積

2014年《全國土壤污染狀況調查公報》顯示,我國土壤超標率為16.1%,其中鎘(Cd)的點位超標率為7.0%,位居無機污染物之首,且南方污染程度重于北方,耕地土壤環(huán)境質量堪憂[1]。Cd是一種重要的環(huán)境污染元素,在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署列出的12種危險化學物質中占據(jù)首位。Cd的生物毒性極強[2-3],食物鏈傳遞是其危害人類健康的主要途徑之一。中國是世界上的水稻生產(chǎn)和消費大國,近年來,由于南方稻米重金屬污染事件頻發(fā),糧食質量安全已受到國家和社會各界的高度關注。據(jù)統(tǒng)計,我國每年因重金屬污染導致的糧食減產(chǎn)超過1×107t,被重金屬污染的糧食多達1.2×107t,合計經(jīng)濟損失至少200億元[4]。當前環(huán)境污染與糧食安全問題凸顯,《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020)》早已將“加強農村環(huán)境保護”“綜合治污與廢棄物循環(huán)利用”“食品安全”分別列入了農業(yè)、環(huán)境和公共安全領域的優(yōu)先主題。

針對于Cd污染土壤的修復利用,前人已做過大量研究工作[5-12],目前較為成熟可行的方法主要包括化學鈍化修復、富集植物修復以及農藝調控等?；瘜W鈍化修復雖然見效快,但其修復效果的持久性有待考究,且存在二次污染風險。植物修復也存在一定局限性,如耗時較長、修復效率偏低等。與其他措施相比,農藝調控因簡單易行而較為切合實際,其中水分調控是最有效的方法之一,已得到諸多學者的證實和認同。淹水能顯著降低土壤中Cd的生物有效性,從而減少水稻的Cd累積[13-15]。然而,除了全生育期淹水外,不同生育期淹水以及淹水時間對水稻吸收累積Cd的影響如何,目前尚缺少這方面的研究報道。筆者主要針對水稻分蘗盛期和灌漿期,采用盆栽方法研究不同淹水時間對水稻產(chǎn)量及吸收累積Cd的影響,探尋降低稻米Cd累積的最佳淹水調控時間,為利用農藝調控措施控制稻米Cd累積提供理論依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

采用盆栽試驗方法,在湖南省土壤肥料研究所栽培網(wǎng)室內進行。供試水稻品種為泰優(yōu)390,6月上旬播種,7月上旬移栽,每盆3蔸,每蔸2株,10月中旬收割。供試土壤為采自湖南省長沙縣的清潔水稻土(第四紀紅壤發(fā)育的紅黃泥)。土壤采集后經(jīng)風干、磨細,過5 mm孔徑篩后待用,土壤類型為紅黃泥,其他基本理化性質及Cd含量如下:pH值為5.20,w(有機質)為27.6 g·kg-1,w(堿解氮)為115.7 mg·kg-1,w(有效磷)為3.8 mg·kg-1,w(有效鉀)為92.0 mg·kg-1,w(全鎘)為0.11 mg·kg-1。盆栽器皿為陶土盆,每盆加入經(jīng)過前處理的土壤15 kg,添加硝酸鎘調節(jié)土壤全鎘含量至3.0 mg·kg-1,充分拌勻,干濕交替放置3個月,所有處理重復5次。水稻收獲時對稻谷和植株進行取樣,稻谷樣品曬干后稱重,最后去糙粉碎;植株樣品洗凈泥土后烘干粉碎。

1.2 試驗設置

共設置11種水分管理模式:(1)常規(guī)灌溉(CI),在水稻分蘗盛期和乳熟期各曬田1次,其他時間淹水;(2)全生育期淹水(WF),在水稻生長期間始終保持淹水狀態(tài);(3)全生育期濕潤灌溉(WI),在水稻生長期間始終保持土面處于無明水的濕潤狀態(tài);(4)分蘗盛期開始淹水1周(T1),其他時間濕潤灌溉;(5)分蘗盛期開始淹水2周(T2),其他時間濕潤灌溉;(6)分蘗盛期開始淹水3周(T3),其他時間濕潤灌溉;(7)分蘗盛期開始淹水4周(T4),其他時間濕潤灌溉;(8)灌漿開始淹水1周(F1),其他時間濕潤灌溉;(9)灌漿開始淹水2周(F2),其他時間濕潤灌溉;(10)灌漿開始淹水3周(F3),其他時間濕潤灌溉;(11)灌漿開始淹水4周(F4),其他時間濕潤灌溉?；试谒疽圃郧耙淮涡允┤?分別為0.32 g·kg-1尿素、0.14 g·kg-1磷酸二氫鉀和0.25 g·kg-1氯化鉀。水稻移栽返青后追施1次尿素,用量為0.07 g·kg-1。除水分管理外,其他管理措施與田間管理措施相同。水稻生長期間采用自來水灌溉(pH值為6.87,Cd未檢出)。

1.3 測定方法

基礎土壤全量Cd采用HNO3-H2O2-HF微波消解,土壤基本理化性質采用常規(guī)方法進行測定[16],灌溉水樣采用GB 7475—1987《水質 銅、鋅、鉛、鎘的測定 原子吸收分光光度法》中的螯合萃取法進行測定。糙米和植株樣品均以HNO3-H2O2進行微波消解,并帶標準物質(大米粉和灌木枝葉)進行質量控制。分析所用器皿均以φ=10%的稀硝酸溶液浸泡過夜。所有樣品Cd含量使用ICP-MS進行測定(iCap-Q,美國Thermo公司)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均使用5次重復試驗結果的平均值,采用Excel 2003和SPSS 13.0軟件進行統(tǒng)計和方差分析(LSD法)。

轉運系數(shù)為糙米Cd含量/莖葉Cd含量;富集系數(shù)為水稻不同器官Cd含量/土壤Cd含量。

2 結果與討論

2.1 淹水時間對水稻產(chǎn)量的影響

圖1為不同淹水時間條件下的水稻產(chǎn)量。由圖1可知,不同淹水時間條件下的水稻產(chǎn)量差異明顯,其中CI的水稻產(chǎn)量最高,WI的水稻產(chǎn)量最低。與CI相比,其他不同淹水時間處理均出現(xiàn)一定程度減產(chǎn),其中WI、T1、T2、T3、T4這5個處理的水稻產(chǎn)量顯著下降,降幅分別為23.7%、16.0%、15.5%、20.2%和18.6%。水稻在不同生育階段對水分的敏感程度不同,因而需水量差異較大。有研究表明,抽穗揚花期是水稻缺水最為敏感的時期,其次為拔節(jié)抽穗期,最后為分蘗期和乳熟期[17]。與CI處理相比,WI處理的水稻明顯減產(chǎn),這與水稻在整個生育期的需水規(guī)律有關,因為濕潤灌溉處理的土壤含水率w在40%左右,難以滿足水稻在拔節(jié)抽穗期和抽穗揚花期的水分需求。T1、T2、T3和T4處理亦出現(xiàn)明顯減產(chǎn),這與抽穗揚花期缺水密切相關,缺水容易使花粉和雌蕊柱頭枯萎,或者抽穗困難,并極易造成根系、葉片早衰,最終影響產(chǎn)量。

CI表示常規(guī)灌溉處理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期濕潤灌溉; T1～T4分別表示分蘗盛期開始淹水1、2、3和4周; F1～F4分別表示灌漿開始淹水1、2、3和4周,其他時間濕潤灌溉。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間水稻產(chǎn)量差異顯著(P<0.05)。

2.2 淹水時間對水稻吸收累積Cd的影響

不同處理的水稻糙米Cd含量見圖2。由圖2可以看出,不同淹水時間處理的水稻糙米Cd含量存在較大差異,11個處理中,以WI處理糙米Cd含量最高,WF處理糙米Cd含量最低,各處理糙米Cd含量順序為WI>F1>F2>T1>CI>F3>T2>F4>T3>T4>WF,其中WF處理糙米Cd含量為0.16 mg·kg-1,符合GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》標準。與CI處理對比發(fā)現(xiàn),WF、T2、T3、T4和F4這5個處理的糙米Cd含量顯著下降(P<0.05),降幅分別為91.8%、29.1%、63.3%、75.5%和62.2%。常規(guī)灌溉處理除其他時間淹水外,在水稻分蘗盛期和乳熟期各進行1次曬田,曬田對土壤Cd活性產(chǎn)生極大影響,進而影響水稻對Cd的吸收累積。全生育期淹水、分蘗盛期開始淹水2～4周和灌漿開始淹水4周處理的糙米Cd含量顯著低于常規(guī)灌溉處理(P<0.05),證實這2個關鍵時期開展水分調控對水稻Cd累積有重要影響。

CI表示常規(guī)灌溉處理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期濕潤灌溉; T1～T4分別表示分蘗盛期開始淹水1、2、3和4周; F1～F4分別表示灌漿開始淹水1、2、3和4周,其他時間濕潤灌溉。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間糙米Cd含量差異顯著(P<0.05)。

與WI處理相比,水稻在整個生育期的淹水時間對糙米Cd累積的影響極大,所有淹水處理的糙米Cd含量均顯著下降(P<0.05),且隨著淹水時間的延長,糙米Cd含量呈降低趨勢,其中以WF處理的糙米Cd含量最低,僅為WI處理的3.4%。將分蘗盛期開始淹水與灌漿開始淹水處理進行對比,在相同淹水時間條件下,除淹水4周處理的差異不明顯外,淹水1～3周的水稻糙米Cd含量均存在顯著差異(P<0.05),T1～T4處理的的糙米Cd含量較F1～F4處理分別降低27.1%(P<0.05)、46.6%(P<0.05)、56.0%(P<0.05)和35.2%,平均降幅為41.2%。從糙米Cd含量降幅來看,分蘗盛期開始淹水對糙米Cd累積的抑制效果明顯優(yōu)于灌漿開始淹水處理。

不同處理的水稻莖葉Cd含量見圖3。水稻莖葉Cd含量的變化趨勢與糙米Cd含量基本相似,以WI處理最高,WF處理最低。與CI處理相比,WF、T2、T3、T4、F3和F4這6個處理的水稻莖葉Cd含量分別降低90.4%、48.8%、66.3%、73.6%、38.8%和50.7%,降幅均達到顯著水平(P<0.05),而WI處理的水稻莖葉Cd含量則高出CI處理80.9%(P<0.05)。與WI處理相比,所有淹水處理的水稻莖葉Cd含量均顯著下降,且隨著淹水時間的延長,水稻莖葉Cd含量顯著降低,其中WF處理的水稻莖葉Cd含量僅為WI處理的5.3%。將分蘗盛期開始淹水(T1～T4)與灌漿開始淹水(F1～F4)處理進行對比,在淹水時間相同條件下,T1～T4處理的水稻莖葉Cd含量低于F1～F4處理,降幅分別為11.8%、41.1%(P<0.05)、44.9%(P<0.05)和46.4%(P<0.05),平均為36.0%。

CI表示常規(guī)灌溉處理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期濕潤灌溉; T1～T4分別表示分蘗盛期開始淹水1、2、3和4周; F1～F4分別表示灌漿開始淹水1、2、3和4周,其他時間濕潤灌溉。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間莖葉Cd含量差異顯著(P<0.05)。

淹水導致土壤Cd活性降低是影響水稻Cd累積的一個重要原因[18]。淹水影響土壤氧化還原狀況,進而影響Cd的形態(tài)轉化,這種變化與還原條件下Cd的硫化物形成以及Fe等氧化物對Cd的不同吸附特性有關[19]。淹水還原條件下,土壤中的SO42-還原為S2-,有機物不能完全分解而產(chǎn)生硫化氫,Cd在土壤中具有很強的親硫性質,可與S2-共沉淀,從而降低Cd的活性[20]。筆者前期的研究結果也證實,淹水條件下土壤中S是影響Cd活性的一個重要因子[21]。除土壤因素外,Cd在水稻各器官中的再分配也影響稻米的Cd累積。有研究認為,調控Cd在水稻莖葉和籽粒中積累的機制包括3個主要過程:根系的吸收，木質部運輸，通過韌皮部向籽粒中轉運[22]。而糙米中的Cd含量受水稻植株吸收Cd的總量和莖葉Cd向籽粒轉移效率的雙重影響。已有研究證實,水稻籽粒Cd含量與Cd從莖葉向籽粒的轉運能力存在顯著正相關[23]。RODDA等[24]的研究表明,糙米中60%的Cd含量是由劍葉、莖稈等在水稻開花灌漿前累積的Cd重新活化,通過韌皮部輸入籽粒。TANAKA等[25]研究發(fā)現(xiàn),90%的Cd通過韌皮部輸送實現(xiàn)水稻籽粒的積累。文志琦等[26]的研究證實,水稻根系和葉片在灌漿期對穗軸的Cd輸出量基本接近,認為根系吸收的Cd一部分通過穗軸直接進入籽粒,另一部分轉運到葉片儲存起來,在灌漿期通過穗軸進入籽粒。由此可見,水稻莖葉在營養(yǎng)生長階段累積的Cd在后期的轉運輸出中對籽粒Cd累積的貢獻極大。對水稻糙米Cd含量與莖葉Cd含量進行的回歸分析表明,兩者呈顯著線性正相關(R2=0.939 4,P=0.000 1),說明莖葉中Cd的轉運輸出對糙米的Cd累積影響較大。

對分蘗盛期和灌漿期淹水的不同處理進行比較,水稻在不同生長階段淹水的效果存在明顯差異,分蘗盛期開始淹水對糙米Cd累積的抑制效果優(yōu)于灌漿期開始淹水處理。分析認為,分蘗盛期開始淹水抑制了水稻在營養(yǎng)生長階段植株對Cd的吸收累積,由于植株Cd累積量的減少導致糙米Cd含量的下降。灌漿期開始淹水則抑制了水稻生殖生長階段莖葉中Cd向籽粒的轉運,這從其莖葉—糙米Cd轉運系數(shù)的變化可以得到證實(圖4),因為水稻在營養(yǎng)生長期累積的Cd已達到較高水平,灌漿期莖葉對Cd轉運效率的降低最終導致糙米Cd含量下降。相同淹水時間條件下,分蘗盛期開始淹水的糙米Cd含量均低于灌漿期開始淹水處理,由此推斷造成這種差異的原因是淹水對水稻營養(yǎng)生長期Cd累積的影響大于生殖生長期對Cd轉運的影響。這與王凱榮等[27]研究認為水稻吸收Cd速率表現(xiàn)為幼穗分化至抽穗期(中期)最高,其次為抽穗之后(后期)的結論基本相符。

2.3 淹水時間對水稻Cd轉運的影響

稻米中的Cd含量除了與種植土壤的Cd污染程度密切相關外,也在很大程度上取決于水稻自身對Cd的轉運效率。水稻莖葉—糙米的Cd轉運系數(shù)表征的是重金屬Cd由莖葉轉運至糙米的難易程度,不僅與水稻基因型有關,也受外界條件影響。圖4為不同淹水處理的水稻Cd轉運系數(shù)。F1處理的水稻Cd轉運效率最高,而F4處理的效率最低。與CI處理相比,F1和F2處理的水稻Cd轉運效率顯著提高(P<0.05),分別升高56.1%和52.4%。WF、T4和F4處理的水稻Cd轉運效率較CI處理略有下降,但差異未達顯著水平。比較T1～T4與F1～F4這2組處理發(fā)現(xiàn),隨著淹水時間的延長Cd轉運效率下降,說明淹水處理能在一定程度上抑制Cd由莖葉向糙米的轉運,這種抑制效果與時間呈正相關。

CI表示常規(guī)灌溉處理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期濕潤灌溉; T1～T4分別表示分蘗盛期開始淹水1、2、3和4周; F1～F4分別表示灌漿開始淹水1、2、3和4周,其他時間濕潤灌溉。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間Cd轉運系數(shù)差異顯著(P<0.05)。

2.4 淹水時間對水稻富集Cd的影響

圖5～6分別為不同淹水處理水稻糙米和莖葉對Cd的富集系數(shù)。

CI表示常規(guī)灌溉處理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期濕潤灌溉; T1～T4分別表示分蘗盛期開始淹水1、2、3和4周; F1～F4分別表示灌漿開始淹水1、2、3和4周,其他時間濕潤灌溉。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間糙米Cd富集系數(shù)差異顯著(P<0.05)。

不同淹水條件下水稻莖葉和糙米對土壤中Cd的富集能力差異極大。WI處理的糙米Cd富集系數(shù)大于1,達到富集水平,而其他處理的糙米Cd富集系數(shù)均在1以下。從莖葉Cd的富集系數(shù)來看,除WF和T4處理的莖葉Cd富集系數(shù)小于1外,其他處理的莖葉Cd富集系數(shù)均大于1,表明水稻莖葉對Cd的富集能力明顯高于糙米。通過比較T1～T4與F1～F4這2組處理,發(fā)現(xiàn)淹水時間顯著影響水稻莖葉和糙米對土壤Cd的富集能力,且隨著淹水時間的延長,水稻對Cd的富集能力下降。11個處理中以WI處理的Cd富集系數(shù)最高,WF處理最低,前者糙米和莖葉Cd富集系數(shù)分別是后者的29.0和18.8倍。

CI表示常規(guī)灌溉處理; WF表示全生育期淹水; WI表示全生育期濕潤灌溉; T1～T4分別表示分蘗盛期開始淹水1、2、3和4周; F1～F4分別表示灌漿開始淹水1、2、3和4周,其他時間濕潤灌溉。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間莖葉Cd富集系數(shù)差異顯著(P<0.05)。

3 結論

(1)水稻對水分需求的敏感性因不同生育期而異。所有處理中,常規(guī)灌溉處理的產(chǎn)量最高,說明適時曬田有利于保障水稻產(chǎn)量,分蘗盛期淹水1～4周處理的減產(chǎn)明顯,說明灌漿期缺水對水稻產(chǎn)量的影響大于分蘗期缺水。

(2)在水稻整個生育期內,淹水時間顯著影響水稻對Cd的吸收累積。淹水時間越長水稻莖葉和糙米中的Cd含量越低,而這種影響也因水稻生育期而異,分蘗盛期開始淹水處理對水稻Cd累積的抑制效果明顯優(yōu)于灌漿開始淹水處理。

(3)水稻莖葉—糙米的Cd轉運系數(shù)代表Cd由莖葉轉運至糙米的難易程度,不同淹水時間處理的水稻Cd轉運效率隨淹水時間的延長而下降,表明淹水能在一定程度上降低水稻對Cd的轉運效率,且這種抑制效果與淹水時間呈正相關。

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EffectsofTimingandDurationofWaterloggingonCdAbsorptionandAccumulationbyRiceUnderCadmiumStress.

LIU Zhao-bing1,2, JI Xiong-hui1, GUAN Di1, XIE Yun-he1, ZHU Jian1, PENG Jian-wei2

(1.Hunan Academy of Agriculture Sciences/ Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agriculture Environment in Middle Reach Plain of Yangtze River/ Key Laboratory of Prevention, Control and Remediation of Soil Heavy Metal Pollution in Hunan Province, Changsha 410125, China; 2.College of Resources and Environment, Hunan Agriculture University, Changsha 410128, China)

A pot experiment was conducted using extraneous cadmium as soil Cd contaminant for exploration of effect of timing and duration of waterlogging on rice yield and Cd accumulation in rice. Results show that rice yield lowered to a varying extent in all the flooding treatments vs CK (CI), especially Treatment WI (wetting irrigation throughout the rice growing season) and Treatments T1, T2, T3 and T4 (flooding beginning at the prime tillering stage and lasting for 1, 2, 3 and 4 weeks, respectively), which was 23.7%, 16.0%, 15.5%, 20.2% and 18.6%, lower, respectively, than CK. Cd content in brown rice decreased with duration of waterlogging, and Treatment WF (flooded throughout the rice growing season) was the lowest or only 3.4% of Treatment WI in Cd content in brown rice. Under the same waterlogging conditions, Treatment T1, T2, T3 and T4 was 27.1% (P<0.05), 46.6% (P<0.05), 56.0% (P<0.05) and 35.2% lower than Treatment F1, F2, F3 and F4 (flooding beginning at the filling stage and lasting for 1, 2, 3 and 4 weeks, respectively), respectively or 41.2% lower by mean in Cd in brown rice. Cd contents in shoots and brown rice varied along basically similar trends. Cd transport efficiency of the shoots decreased with duration of waterlogging. Cd enrichment factor of shoot and brown rice differed significantly between treatments and even by 17.8 and 28.0 times between Treatments WI and Treatments WF. All the findings demonstrate that flooding could effectively inhibit uptake and accumulation of Cd in rice, and the effect is positively related to duration of and timing of flooding, and better with the beginning of flooding at the tillering stage than at the filling stage.

cadmium stress； duration and timing of waterlogging； rice； cadmium accumulation

2017-03-22

湖南省重點研發(fā)計劃農業(yè)領域技術創(chuàng)新項目(2016NK2190); 國家重點研發(fā)計劃(2016YFD0800705); 水利部公益性行業(yè)科研專項(201501019)

① 通信作者E-mail: jixionghui@sohu.com

X503； S365

A

1673-4831(2017)12-1125-07

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.12.009

劉昭兵(1979—),男,湖南洞口人,副研究員,博士生,主要從事農業(yè)生態(tài)環(huán)境研究。E-mail: 22984697@qq.com

許 素)

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