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        青海省冬蟲夏草采挖區(qū)與非采挖區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計量特征

        2023-01-01 00:00:00陳建博李秀璋徐成體梁靜唐楚煜王濤賀輝曹正飛李玉玲
        草地學(xué)報 2023年4期

        摘要:為研究冬蟲夏草采挖區(qū)與非采挖區(qū)的土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征,本研究以青海省7個地區(qū)冬蟲夏草生長地土壤樣本為試驗材料,分別采用重鉻酸鉀-外加熱法、凱氏定氮法、堿熔法、碳酸氫鈉浸提-比色法、酸溶法、1 mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度計法、堿解-擴散法、鄰菲啰啉比色法、火焰原子吸收分光光度法對土壤樣本的養(yǎng)分與理化指標進行了測定,并對其化學(xué)計量特征進行了分析。結(jié)果表明,除XH(青海省海南藏族自治州興??h)地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)在全氮含量上存在顯著性差異(Plt;0.05),其他各地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)在土壤各指標含量上均無顯著性差異,不同地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)C∶N的范圍是18.24~32.79,C∶P是155.53~562.78,N∶P是4.85~24.00,C∶K是4.51~11.52,K∶N是2.55~7.17,K∶P是31.44~81.86;采挖區(qū)與非采挖區(qū)的C∶P與N∶P之間均具有極顯著相關(guān)性(Plt;0.01)。因此,本研究發(fā)現(xiàn)采挖冬蟲夏草對其生長環(huán)境的土壤化學(xué)性質(zhì)無顯著性影響,為冬蟲夏草采挖對生態(tài)環(huán)境的影響評估提供數(shù)據(jù)支撐。

        關(guān)鍵詞:冬蟲夏草;采挖區(qū);非采挖區(qū);土壤;生態(tài)化學(xué)計量

        中圖分類號:S153文獻標識碼:A文章編號:1007-0435(2023)04-1134-09

        Soil Ecological Stoichiometry in the Excavated and Non- excavated

        Areas of Chinese Cordyceps in Qinghai Province

        CHEN Jian-bo, LI Xiu-zhang, LIANG Jing, TANG Chu-yu, WANG Tao, HE Hui,

        CAO Zheng-fei, LI Yu-ling

        (Academy of Animal Husbandry and Veterinary Sciences, Qinghai University, Xining, Qinghai Province 810016, China)

        Abstract:In order to study the ecological stoichiometry characteristics of soil in the excavated and non- excavated areas of Chinese cordyceps in Qinghai Province,the soil samples from seven regions of Qinghai Province where the cordyceps grow at were used as experimental materials. The total organic carbon,total nitrogen,total phosphorus,total potassium,rapidly available nitrogen,rapidly available phosphorus,rapidly available potassium,iron and copper contents of the soil samples collected from seven regions where Chinese cordyceps grow at in Qinghai Province were tested in the laboratory by the corresponding analysis methods. The results showed that except for XH (Xinghai County,Hainan Tibetan Autonomous Prefecture,Qinghai Province),where there was a significant difference (Plt;0.05) in total nitrogen content between the excavated and non-excavated areas,there were no significant differences between the excavated and non-excavated areas in total soil organic carbon,total nitrogen,total phosphorus,total potassium,rapidly available nitrogen,rapidly available phosphorus,rapidly available potassium,iron and copper content. The range of C∶N values of the soils sampled in the excavated and non-excavated areas in seven regions spanned from 18.24 to 32.79;C∶P values from 155.53 to 562.78;N∶P values from 4.85 to 24.00;C∶K values from 4.51 to 11.52;K∶N values from 2.55 to 7.17;and K∶P values from 31.44 to 81.86. There was a highly significant correlation between both C∶P values and N∶P values (Plt;0.01) in both the excavated and non-excavated areas in that seven regions. Therefore,this study found out there were no significant effects of Chinese cordyceps harvesting on the soil chemical properties of its growing soil,providing a partly data to support the assessment of the impacts of Chinese cordyceps harvesting on the ecological environment.

        Key words:Chinese cordyceps;Excavated areas;Non-excavated areas;Soil;Ecological stoichiometry

        生態(tài)化學(xué)計量學(xué)是一種研究生物系統(tǒng)與多種營養(yǎng)元素碳、氮、磷、鉀(C,N,P,K)等能量平衡的科學(xué),在植被的組成、生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制與功能的研究中發(fā)揮著重要的作用,對陸地生態(tài)動力學(xué)的研究也具有較大的幫助[1-2]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤的C,N,P,K含量與生物地球化學(xué)循環(huán)密切相關(guān),并對初級生產(chǎn)量和C的積累具有重要的影響[3]。土壤是生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分,是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ),作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳(C)含量最高的部分,在碳循環(huán)過程中具有至關(guān)重要的作用[4]。碳(C)、氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)元素是生物體的重要元素,主要影響植物的生長發(fā)育、土壤的養(yǎng)分循環(huán)以及土壤微生物活性等,而鉀(K)元素與生物體的新陳代謝密切相關(guān)[5-6]。土壤C∶N∶P的比值不僅可以反映土壤的肥力情況,還能直接影響植物對這些元素的吸收與利用,同時土壤中有機質(zhì)、全N、全P、全K含量的變化也會造成各營養(yǎng)物質(zhì)的化學(xué)計量關(guān)系發(fā)生變化[7]。

        冬蟲夏草作為我國名貴的中藥材,主要分布在3 000~5 000 m的矮嵩草草甸、高山嵩草草甸和亞高山草甸中,分布地氣溫較低、凍土時間較長、晝夜溫差大、日照充足、土壤濕潤[8-10]。研究表明,冬蟲夏草具有地域分布規(guī)律的特征,主要呈現(xiàn)垂直地帶性分布的規(guī)律,且植被、土壤、溫度、濕度、海拔、坡度、降雨量是影響冬蟲夏草分布的主要影響因子[11]。冬蟲夏草的生長繁殖過程主要是在土壤中進行的,土壤作為蝙蝠蛾幼蟲的棲息環(huán)境不僅通過影響食物來源(即植物)和土壤的溫濕度間接對其生長繁殖和種群分布造成影響,而且還能影響侵染后幼蟲的生長環(huán)境,從而對冬蟲夏草菌的增殖以及子座的的生長造成破壞[12]。吳慶貴等[37]研究發(fā)現(xiàn),在5~25 cm的土層中,土壤有機碳、水解氮、有機質(zhì)、全氮和吸濕水對冬蟲夏草種群的分布具有顯著影響,而土壤自由水、全磷、pH、有效磷對冬蟲夏草種群的分布沒有影響。常毓巍等[14]通過對甘肅省夏河縣部分冬蟲夏草產(chǎn)區(qū)土壤的理化因子進行調(diào)查分析,在5~10 cm的土層中,土壤pH值、含水量和全磷對冬蟲夏草的分布具有顯著的影響,且該土層冬蟲夏草分布數(shù)量較多。何淑玲等[14]采用樣方法對冬蟲夏草分布區(qū)不同土層土壤的全鉀、有機質(zhì)、速效磷、全磷、水解氮、含水量、速效鉀pH進行測定,并揭示在5~10 cm的土壤中,土壤含水量、全鉀、pH值對冬蟲夏草種群的分布具有顯著影響。

        土壤養(yǎng)分(有效磷、速效氮、有機質(zhì)等)是植物生長所需的重要元素,也是土壤肥力是基礎(chǔ),而土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)對于土壤養(yǎng)分的限制性具有指示作用,可以反映草地退化中關(guān)鍵營養(yǎng)元素的限制[16]。研究表明,人為踩踏干擾會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞,土壤的緊實度發(fā)生改變,即土壤的孔隙縮小,水分的滲透性降低,并對土壤全氮、有機碳的積累以及土質(zhì)退化等生態(tài)問題具有一定的影響[17-18]。近年來,冬蟲夏草面臨地理分布縮小和產(chǎn)量逐年減少的問題,其原因可能是由于采收者在不合理的時間進行采挖,采挖時人為的踐踏對草場產(chǎn)生影響,進而對冬蟲夏草的生境造成一定的破壞以及對其過度采挖,進而導(dǎo)致冬蟲夏草產(chǎn)量與分布逐漸減少[10,19]。旦久羅布等[20]認為采挖使冬蟲夏草的資源減少,草地裸露面積擴增,草地退化加劇,植物群落多樣性降低,鼠害加重。本研究通過對青海省化隆縣(HL)、河南縣(HN)、瑪沁縣(MQ)、達日縣(DR)、興??h(XH)、雜多縣(ZD)和玉樹市國青牧場(GQ)7個地區(qū)的冬蟲夏草生長地的采挖區(qū)與非采挖區(qū)的土壤理化因子和生態(tài)化學(xué)計量進行比較分析,明確采挖對不同冬蟲夏草產(chǎn)區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響,探討采挖對冬蟲夏草生長環(huán)境的影響,為分析野生冬蟲夏草采挖的環(huán)境效應(yīng)與產(chǎn)量的關(guān)系提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

        1材料與方法

        1.1研究區(qū)概況

        本研究取樣地選擇青海省冬蟲夏草的7個具有代表性的產(chǎn)區(qū),分別位于青海省海東市、黃南藏族自治州、果洛藏族自治州、海南藏族自治州和玉樹藏族自治州。各冬蟲夏草產(chǎn)區(qū)取樣地的詳細信息見表1。

        1.2樣品采集與處理

        樣品采集時間為2021年8月,此時各冬蟲夏草產(chǎn)區(qū)的采挖活動均已停止,且處于植物生長的茂盛時期。在采挖區(qū)與非采挖區(qū)各隨機選取3個樣方,樣方框大小為50 cm×50 cm,采用五點取樣法用土鉆鉆取樣方框內(nèi)5~20 cm(5~25 cm土壤的化學(xué)性質(zhì)對冬蟲夏草的分布具有顯著的影響[13-15],且0~5 cm土層中植被根系分布密集,故不采用該土層的土壤)的混合土壤,取回實驗室后自然風干,對風干后的土樣進行研磨,并過 1 mm標準篩。

        1.3試驗方法

        土壤有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定[21],全氮采用凱氏定氮法測定[22],全磷采用堿熔法和速效磷采用碳酸氫鈉浸提-比色法測定[23],全鉀采用酸溶法和速效鉀采用1 mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度計法測定[24],速效氮采用堿解-擴散法測定[25],鐵采用鄰菲啰啉比色法測定[26],銅采用火焰原子吸收分光光度法測定[27]。

        1.4數(shù)據(jù)處理

        運用SPSS 26.0對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行單因素方差分析,結(jié)果用均值與標準差表示,不同小寫字母表示差異顯著。參照SPSS 26.0分析出的結(jié)果,利用Origin2019作柱狀圖,采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法(Pearson)分別對采挖區(qū)與非采挖區(qū)的土壤理化因子及化學(xué)計量比進行相關(guān)性分析。

        2結(jié)果與分析

        2.1土壤全量養(yǎng)分及金屬元素含量變化特征的影響

        結(jié)果顯示,除GQ地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)的全氮含量存在顯著性差異之外(Plt;0.05),各地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、鐵以及銅含量均無顯著性差異(圖1)。7個地區(qū)的土壤有機碳的含量86.44~197.13 g·kg-1,全磷含量為0.30~0.56 g·kg-1,全氮含量為2.71~8.24 g·kg-1,全鉀含量為13.67~25.37 g·kg-1,鐵含量為26.53~31.87 g·kg-1,銅的含量為19.57~28.17 mg·kg-1。

        2.2采挖區(qū)與非采挖區(qū)土壤速效養(yǎng)分含量變化特征

        通過對不同地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)土壤速效N,P,K的含量測定比較發(fā)現(xiàn)(圖2),土壤速效養(yǎng)分指標各地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)之間差異不顯著。7個地區(qū)的土壤速效氮含量在55.00~112.70 mg·kg-1,速效磷含量在4.84~19.98 mg·kg-1,速效鉀含量在57.60~235.47 mg·kg-1

        2.3土壤生態(tài)化學(xué)計量比特征

        通過對不同冬蟲夏草生長地采挖區(qū)與非采挖區(qū)土壤的C∶N,C∶P,C∶K,N∶P,N∶K以及P∶K分析表明,ZD采挖區(qū)的C∶N最高(32.79),顯著高于GQ,MQ,DR,HN和HL地區(qū)(Plt;0.05);7個地區(qū)C∶P的值為155.53~562.78,其中,HN非采挖區(qū)的C∶P最高(45.54);MQ采挖區(qū)的N∶P最高(24.00);相比于非采挖區(qū),XH采挖區(qū)的C∶K值最高(11.52),且顯著高于其它地區(qū)的采挖區(qū)與非采挖區(qū)(Plt;0.05);N∶K值在2.55~7.17之間,且ZD非采挖區(qū)的N∶K最高(7.17),除與ZD采挖區(qū)無顯著性差異外,與其它地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)均存在顯著性差異(Plt;0.05);DR地區(qū)采挖區(qū)的P∶K值最高(81.86),除DR非采挖區(qū)外,與其余地區(qū)的采挖區(qū)與非采挖區(qū)均存在顯著性差異(Plt;0.05)(圖3)。

        2.4相關(guān)性分析

        通過對不同地區(qū)采挖區(qū)土壤的有機C和全N,P,K,F(xiàn)e,Cu以及C∶N,C∶P,C∶K,N∶P,N∶K,P∶K相關(guān)性分析表明,有機碳與全氮之間呈極顯著正相關(guān)(Plt;0.01),與C∶P,C∶K之間存在顯著正相關(guān)(Plt;0.05);全氮與速效氮、C∶P,N∶P之間存在顯著正相關(guān)(Plt;0.05),與K∶N之間存在顯著負相關(guān)(Plt;0.05);全磷與N∶P,K∶P之間存在顯著負相關(guān)(Plt;0.05);全鉀與K∶P之間呈顯著正相關(guān)(Plt;0.05);速效氮與K∶N之間存在顯著負相關(guān)(Plt;0.05);速效鉀與鐵之間呈顯著負相關(guān)(Plt;0.05);銅與C∶P之間存在顯著負相關(guān)(Plt;0.05);C∶P與N∶P之間呈極顯著正相關(guān)(Plt;0.01);C∶K與K∶N之間呈顯著負相關(guān)(Plt;0.05)(圖4)。

        通過對非采挖區(qū)土壤有機C和全N,P,K,F(xiàn)e,Cu含量與化學(xué)計量比的Pearson相關(guān)性分析顯示,有機碳與全氮、速效氮、C∶P,C∶K之間均存在顯著正相關(guān)(Plt;0.05);全氮與速效氮、N∶P之間呈顯著正相關(guān)(Plt;0.05),與K∶N呈顯著負相關(guān)(Plt;0.05);全磷與K∶P之間存在顯著負相關(guān)(Plt;0.05);全鉀與K∶P之間存在顯著正相關(guān)(Plt;0.05);速效氮與K∶N之間呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)(Plt;0.01);銅與C∶P之間存在顯著負相關(guān)(Plt;0.05);C∶P與N∶P之間存在極顯著正相關(guān)(Plt;0.01);C∶K與K∶N之間呈顯著負相關(guān)(Plt;0.05)(圖5)。

        通過對比采挖區(qū)和非采挖區(qū)的相關(guān)性可知,土壤C∶P與有機碳的相關(guān)性大于與全磷的相關(guān)性,C∶K與有機碳的相關(guān)性大于與全鉀的相關(guān)性,K∶N與全氮的相關(guān)性大于與全鉀的相關(guān)性,表明研究區(qū)C∶P和C∶K主要受土壤有機碳的影響,K∶N主要受土壤全氮的影響。

        3討論

        3.1采挖對土壤化學(xué)屬性的影響

        蝙蝠蛾幼蟲生活在地下5~20 cm的土層中,草場大多數(shù)為高寒草甸,這些分布地區(qū)不僅生長蝙蝠蛾幼蟲喜食的珠芽蓼、小大黃、委陵菜等植物,而且還生長著金露梅、高山柳等低矮灌木,蝙蝠蛾幼蟲不僅可以將灌木作為食物,其成蟲又能在灌木中進行產(chǎn)卵、孵化[13]。土壤作為植物生長發(fā)育的載體,其質(zhì)量的好壞對植物的生長以及微生物的活性具有重要的影響,有研究表明,土壤在人為踩踏的干擾下土壤養(yǎng)分及理化指標發(fā)生了改變[28]。本研究通過對青海省不同地區(qū)冬蟲夏草采挖區(qū)與非采挖區(qū)的土壤理化性質(zhì)進行研究并比較發(fā)現(xiàn),采挖區(qū)與非采挖區(qū)之間土壤中的有機碳、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、鐵和銅的含量無顯著性差異。

        藏北5個生長冬蟲夏草產(chǎn)區(qū)采挖樣地與對照樣地的土壤生物多樣性、土壤草地植被以及土壤理化性質(zhì)比較發(fā)現(xiàn),相比于對照樣地,采挖樣地的土壤pH值具有明顯的下降趨勢,土壤磷含量也降低,而鈣含量升高[29]。張宗豪等[30]通過調(diào)查玉樹市冬蟲夏草產(chǎn)區(qū)采挖前后不同深度下的土壤pH、全磷、全鈣、銅和鐵的含量變化情況揭示,采挖后的土壤有機質(zhì)含量豐富,鈣含量降低,全磷、鐵以及銅含量未發(fā)生顯著性變化。本研究也發(fā)現(xiàn)采挖區(qū)與非采挖區(qū),以及采挖前與采挖后土壤的理化性質(zhì)無顯著性變化。而GQ地區(qū)采挖區(qū)的全氮含量顯著低于非采挖區(qū),劉倩倩等[28]研究不同踩踏強度下土壤理化指標發(fā)現(xiàn)土壤全氮含量呈現(xiàn)大幅度下降。由于冬蟲夏草的生長環(huán)境較為惡劣,目前采挖冬蟲夏草均為人工采挖,部分地區(qū)在冬蟲夏草的采集期大多數(shù)牧民均會上山進行采挖,并在采挖區(qū)就地取材、搭建帳篷進行簡單的日常生活,在此期間由于人為的擾動以及較為薄弱的生態(tài)環(huán)境保護意識導(dǎo)致其周圍的生態(tài)環(huán)境受到影響[20]。冬蟲夏草的開發(fā)與利用與產(chǎn)區(qū)農(nóng)牧民的經(jīng)濟發(fā)展密切相關(guān),但過度采挖對冬蟲夏草的生長環(huán)境與產(chǎn)量分布具有一定的影響[31]。青海省嚴格的屬地化管理,大部分地區(qū)采挖強度較低,故采挖未對冬蟲夏草產(chǎn)區(qū)的土壤養(yǎng)分及生境造成顯著的影響,而少部分地區(qū)則實行包山制,在不科學(xué)、不合理的采挖下對當?shù)囟x夏草的生長環(huán)境造成了較為嚴重的影響[32]。張宗豪等[30]通過研究發(fā)現(xiàn)玉樹州玉樹市國營牧場(與本文GQ為同一取樣地)冬蟲夏草采挖后的土壤鈣含量降低,而土壤缺鈣則不利于土壤氮的固定,最終導(dǎo)致氮含量降低,結(jié)合前人研究可知,造成上述GQ地區(qū)的原因可能是缺乏對草地生態(tài)的保護意識,較多人為的踐踏造成單位面積的踩踏密度過高,管理無序以及對冬蟲夏草的過度采挖等。

        3.2采挖區(qū)與非采挖區(qū)土壤全C,N,P,K化學(xué)計量特征

        利用化學(xué)計量學(xué)研究地球各化學(xué)元素在各生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分供應(yīng)與物質(zhì)循環(huán)的平衡已成為目前國內(nèi)外研究的熱點問題[33]。而土壤生態(tài)化學(xué)計量比在反映磷氮素的礦化作用、有機質(zhì)的分解和固定以及土壤關(guān)鍵養(yǎng)分的限制上具有關(guān)鍵性作用[16]。有研究表明,化學(xué)計量比可以有效的反映土壤的肥力情況,故研究土壤C,N,P化學(xué)計量比具有重要的意義[34-35]。本研究對不同地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)土壤C,N,P,K的化學(xué)計量比分析發(fā)現(xiàn),各地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)之間各化學(xué)計量比無顯著性差異。

        土壤C∶P可以顯示土壤磷素的礦化能力和微生物在環(huán)境中固磷能力,土壤N∶P則可作為土壤養(yǎng)分的指標[36-37]。有研究表明,草地植被凋落物的礦化、分解、轉(zhuǎn)化可以影響土壤有機碳含量的積累,氮的硝化與反硝化作用以及動植物殘體的歸還影響土壤的全氮含量[38]。海拔梯度引起的植物、土壤、氣候等因子的特征變化會使得土壤C,N,P,K的化學(xué)計量特征發(fā)生一定的變化[39]。本研究MQ地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)的的N∶P以及XH地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)的C∶K存在顯著性差異(Plt;0.05),而其余各化學(xué)計量比的各地區(qū)采挖區(qū)與非采挖區(qū)間無顯著性差異。冬蟲夏草的棲息地發(fā)生退化可能是在人為因素和氣候變化的雙重作用下,導(dǎo)致其野生種群數(shù)量急劇下降,野生種群嚴重瀕危,危及其可持續(xù)性[40]。因采挖者利用小型鋤頭等對冬蟲夏草進行才發(fā)并在采挖后未對草皮進行及時的回填,使草甸草皮裸露在外,裸露的土壤沒有植被的覆蓋,土壤水分流失,最終導(dǎo)致草地的退化以及鼠害的蔓延[20]。冬蟲夏草的采挖時期為春季,此時正值牧草處于返青期,草地生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱,大量人為的踩踏導(dǎo)致土壤孔隙度降低,透氣性減弱,且由于采挖需要不斷的挖掘土壤表層的草皮,對草地植被的生長返青具有延緩作用[41]。故推測采挖冬蟲夏草通過影響植被生長,使草地面積減少,增加鼠害,從而降低了植被的凋落物量,間接對土壤的養(yǎng)分及理化性質(zhì)造成了影響,以及采挖期間的人為踩踏干擾使得草地的土壤含水量,土壤孔隙度,透氣性以及土壤微生物的活性發(fā)生了變化,從而對土壤的全氮、全鉀、有機質(zhì)等的積累與循環(huán)造成了直接影響。而目前鮮見對青海省不同海拔地區(qū)土壤生態(tài)化學(xué)計量特征的報道,故相關(guān)問題的探究有待進一步深入研究。

        4結(jié)論

        本研究通過對不同地區(qū)冬蟲夏草采挖區(qū)與非采挖區(qū)的土壤理化性質(zhì)進行研究,發(fā)現(xiàn)采挖冬蟲夏草對其生長環(huán)境土壤中的有機碳、全氮、磷、鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、鐵和銅以及土壤化學(xué)計量比未造成顯著的影響。因此,可通過深入調(diào)查分析影響冬蟲夏草資源分布和生態(tài)儲量的關(guān)鍵因子,并規(guī)范科學(xué)、合理的采挖制度。

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        (責任編輯 彭露茜)

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