傳統(tǒng)化肥增效改性技術途徑與政策建議論文
化肥是重要的農業(yè)生產資料，是糧食的“糧食”,化肥在糧食增產中的作用占40% 50%[1].我國從20世紀80年代開始大量施用化肥，目前我國農業(yè)化肥消費量已達到6000萬噸，占世界消費量的1 /3,單位面積施肥量是世界平均水平的3倍[2].然而，我國又是一個肥料資源相對短缺的國家。按目前的開采速度，我國高品位的磷礦資源僅供開采15年，175億噸磷礦資源將在79年內用完[3]; 我國鉀肥更是50%依賴進口。為獲得高產而大量施肥，我國氮、磷、鉀化肥的當季利用率分別只有35% 、20%和40%左右，平均比發(fā)達國家低15 20個百分點。這不僅造成能源、資源和經濟的巨大浪費，也帶來嚴重的環(huán)境問題。據預測，到2030年我國化肥需求量將達到6600 7000萬噸[4].2030年要使全國1億 多公 頃 耕 地 平 均 化 肥 施 用 水 平 達600kg / hm2,是很難達到的，也是土壤、環(huán)境難以承受的。我國未來肥料發(fā)展的重點應當是如何提高效率與利用率，而不是繼續(xù)大幅度提高施肥水平。所以，我國肥料產業(yè)實施“質量替代數量”發(fā)展戰(zhàn)略，化肥用量力爭控制在5500萬噸左右，通過肥料科技創(chuàng)新、改善施肥技術和挖掘植物遺傳潛力等提高肥料效益的途徑，在不增加或適度減少化肥用量的前提下，通過提高效率，保證我國的糧食安全[5].
開展肥料科技創(chuàng)新、發(fā)展新型肥料是我國肥料產業(yè)實施質量替代數量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[5].新型肥料是肥料產業(yè)發(fā)展過程中不斷出現的新品種、新類型和新產品，其內涵是動態(tài)發(fā)展的。國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006 2020年） ,將環(huán)保型肥料列為優(yōu)先發(fā)展主題，重點研究開發(fā)環(huán)保型肥料創(chuàng)制關鍵技術，專用復（ 混） 型緩釋、控釋肥料及施肥技術與相關設備�！笆濉币詠�，新型肥料研究被列入國家863計劃、科技支撐計劃、成果轉化基金項目等給予支持，大大促進了新型肥料科技進步和產業(yè)化發(fā)展。2000年以來，我國新型肥料產業(yè)迅速發(fā)展。2010年，我國從事各類新型肥料生產的企業(yè)超過2000家，占全國肥料生產企業(yè)總數的1 /4,新型肥料產業(yè)的資產規(guī)模超過500億元，從業(yè)人員約3萬人，新型肥料產值每年約160多億元[6].據估計，2014年全國各類新型肥料年產量總計達3000萬噸（ 商品量） ,應用面積超過6億畝，增產糧食150億公斤。然而，面對資源、能源、環(huán)境保護和糧食安全的巨大壓力，我國新型肥料的發(fā)展任重道遠，技術水平、產業(yè)規(guī)模還遠不能滿足農業(yè)生產的需要。
當前新型肥料的發(fā)展主要包括兩個方面： 一是對傳統(tǒng)（ 常規(guī)） 肥料進行再加工，使其營養(yǎng)功能得到提高或使之具有新的特性和功能； 二是通過開發(fā)新資源，利用新理論、新方法和新技術等，研發(fā)肥料新類型、新產品。本文將就傳統(tǒng)化肥增效改性、提升產品性能與功能問題展開討論，為推動我國新型肥料發(fā)展、肥料產業(yè)技術升級，起到拋磚引玉的作用。
1 傳統(tǒng)化肥增效改性的必要性
對傳統(tǒng)肥料（ 常規(guī)肥料） 進行再加工，使其營養(yǎng)功能得到提高或使之具有新的特性和功能，是新型肥料研究的重要內容[5,7].我國傳統(tǒng)氮肥主要包括尿素（ 占氮肥總產量的65%左右）、硫酸銨、氯化銨、碳酸氫銨及硝酸銨等品種類型。由于氮肥活性高，損失途徑多，未被作物利用的氮肥又不容易在土壤中殘留而被后續(xù)利用，加之我國氮肥用量大（ 單位面積用量約為世界平均的3倍）[7],因此，我國農田氮肥利用率一直處在較低水平[2],全國大田作物氮肥當季利用率平均只有30%左右，遠低于發(fā)達國家50% 60%的 水 平。2012年，我 國 氮 肥 產 量4313萬噸，占世界產量的40%左右； 農業(yè)消費氮肥3337萬噸，占氮肥產量的77% .我國每年農業(yè)施用的氮肥通過揮發(fā)、淋洗和徑流等途徑損失超過1000萬噸，相當于2000多萬噸尿素，直接經濟損失400多億元人民幣，不僅造成能源與資源的巨大浪費，而且對環(huán)境造成極大威脅[5].第一次全國污染源普查公報，農業(yè)源總氮排放量占排放總量（ 含農業(yè)、工業(yè)和生活源） 的57. 2% .因此，對傳統(tǒng)氮肥進行增效改性，減少損失、提高利用率，對保護資源與環(huán)境、提高經濟效益等，均具有重要意義。
傳統(tǒng)磷肥品種主要包括磷銨、普通過磷酸鈣、重鈣、硝酸磷肥、鈣鎂磷肥以及氮磷鉀復合（ 混） 肥等[3],除鈣鎂磷肥外，多數磷肥品種中的磷是水溶性磷。但是，磷肥施入土壤中通常被大量固定是影響其提高效率的重要限制因素[8-9].我國2012年磷肥產量達到1693萬噸，占世界磷肥產量的40%,2012年我國磷肥農業(yè)用量達到1167萬噸。根據2013年農業(yè)部的結果，我國水稻、小麥、玉米三大糧食作物磷肥的當季利用率平均只有24%,比發(fā)達國家低十幾個百分點。第一次全國污染源普查公報，農業(yè)源總磷排放量占排放總量（ 含農業(yè)、工業(yè)和生活源） 的67. 4% .大量施用磷肥也導致面源污染發(fā)生。因此，對傳統(tǒng)磷肥進行增效改性的主要方向是減少固定、促進吸收、提高效率。
傳統(tǒng)鉀肥主要包括氯化鉀、硫酸鉀等品種。我國水溶性鉀肥資源嚴重不足，只占世界水溶性鉀肥資源的5%左右，長期以來我國鉀肥產量不能滿足自給需要[6],50%以上依賴進口，需要大量外匯。2012年我國農業(yè)鉀肥用量525萬噸，一半來自進口。鉀肥在土壤中的活躍程度介于氮肥和磷肥之間。但是，鉀離子也相對較為活躍，施入土壤后受徑流、淋溶及土壤固定等影響，當季利用率也不高。根據農業(yè)部2013年研究結果，我國水稻、小麥、玉米三大糧食作物鉀肥的當季利用率平均為42% .對傳統(tǒng)鉀肥增效改性的方向，也主要是提高有效性、促進吸收，提高效率。
另外，我國農業(yè)大量依靠投入氮、磷、鉀化肥獲得高產的同時，大量中、微量元素也隨作物收獲而帶出農田，我國農田土壤中、微量元素缺乏現象越來越普遍[10-12].因此，發(fā)展高效中、微量元素肥料，也是提高肥效和增加產量的有效途徑。
2 傳統(tǒng)化肥增效改性的主要技術途徑
對傳統(tǒng)化肥進行增效改性的主要技術途徑包括： 一是緩釋法增效改性[13],通過發(fā)展緩釋肥料，調控肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放過程，最大限度地使養(yǎng)分供應與作物需肥節(jié)律相一致，從而提高肥料的利用率[5].緩釋法增效改性的肥料產品通常稱作緩釋肥料。二是穩(wěn)定法增效改性[7],通過添加脲酶抑制劑或/和硝化抑制劑，以降低土壤脲酶和硝化細菌活性，減緩尿素在土壤中的轉化速度，從而減少揮發(fā)、淋洗等損失，提高氮肥的利用率[7,14].穩(wěn)定法增效改性的肥料產品通常稱作穩(wěn)定肥料。三是增效劑法增效改性[7,15-16],專指在肥料生產過程中加入海藻酸類、腐植酸類和氨基酸類等天然活性物質所生產的肥料改性增效產品。海藻酸類、腐植酸類和氨基酸類等增效劑都是天然物質或是植物源的，不但可以提高肥料利用率，而且環(huán)保安全。通過向肥料中添加生物活性物質類肥料增效劑所生產的改性增效產品，通常稱作增值肥料[7,17].四是有機物料與化學肥料復合（ 混） 優(yōu)化化肥養(yǎng)分高效利用，生產的肥料產品為有機無機復混肥料或含有機質的復合（ 混） 肥料[9,18].
2. 1緩釋肥產業(yè)發(fā)展及技術趨勢
緩釋肥料是我國肥料質量替代數量發(fā)展的重要產品類型[5].從20世紀70年代開始，我國緩釋肥料經歷了探索起步（20世紀80年代）、初步發(fā)展（20世紀90年代） 和快速發(fā)展（2000年以來） 三個階段[13].2000年以前，我國緩釋肥料用量很少，在國際上沒有地位； 之后經過10多年的快速發(fā)展，到2010年全世界緩釋肥消費量170萬噸，其中中國的消費量占到70萬噸，占世界總消費量的40%以上，中國已經超過美國（60萬噸） 成為世界上緩釋肥料第一生產和消費大國[13].據測算，目前中國各類緩釋肥料的產能達到490萬噸，年產量200萬噸，應用面積達到9000多萬畝。中國緩釋肥料進行了兩次大的技術引進和集成創(chuàng)新。2005年以前，以引進日本溶劑型樹脂包衣緩釋肥料技術為主要特征，通過消化吸收和集成創(chuàng)新，形成了產業(yè)化。2005年以后，以吸收和引進美國、加拿大無溶劑反應成膜樹脂包衣緩釋肥料技術為主要特征，通過消化吸收和集成創(chuàng)新，形成產業(yè)化，整體技術水平達到國際先進水平。當前我國緩釋肥料正面臨第三次創(chuàng)業(yè)和科技創(chuàng)新，需要從材料、設備、質量標準等方面全面自主創(chuàng)新，提升產業(yè)技術水平。
中國緩釋肥料產業(yè)技術創(chuàng)新和發(fā)展中亟待從理論上明確大田作物需要什么樣的緩釋肥料。國外緩釋肥料主要用在草坪、園藝等領域，在大田作物上應用不多，沒有太多經驗可供我們借鑒。我國緩釋肥料發(fā)展的主要目標是大田作物，大田作物對肥料養(yǎng)分緩釋性的要求如何是必須加強研究和明確回答的問題。肥料的緩釋性不等同于供肥性，肥料的緩釋性是指肥料進入介質后養(yǎng)分向介質（ 水或土壤）中擴散的速度快慢； 而肥料的供肥性是指肥料進入土體后持續(xù)供應作物養(yǎng)分的能力，包括供肥強度和供肥持續(xù)時間兩個方面。肥料養(yǎng)分在土壤中釋放后并不立即在原位全部被作物直接吸收，大部分通過轉化和遷移，分布在不同深度的土體中，通過水-肥-根的耦合，從整個土體中供應作物養(yǎng)分。肥料養(yǎng)分能否被作物高效吸收利用，關鍵在于水-肥-根在時間和空間上的耦合特征[6].水肥耦合有效地提高了肥料向作物根系的移動[19],但在機理上只關注了水分、養(yǎng)分同其吸收主體-根系在時間上的高效耦合而忽視了在空間上的耦合[6,13].肥料養(yǎng)分緩釋性的設計原則是實現“肥料養(yǎng)分在土壤中按一定規(guī)律釋放后，在土體中與作物需肥規(guī)律在時間和空間兩維相匹配（S型供應）”,供肥不僅僅局限于0-20 cm表土根層，只考慮肥料養(yǎng)分在0-20 cm土層中的釋放與作物需肥規(guī)律相匹配（“S”型釋放） ,還要考慮養(yǎng)分向亞表層根系的供應。目前的緩釋肥料養(yǎng)分一般在施入土壤表層（ 一般是0-20 cm土層）后呈“S”型釋放，并不一定能實現肥料養(yǎng)分在整個土體中的供肥性也是“S”型的[6].換言之，緩釋肥料養(yǎng)分在施入土壤表層（0-20 cm） 后呈“S”型釋放，可使表層肥料養(yǎng)分供應（ 如0-20 cm土層，供應淺層根系） 是“S”型的，但深層土壤的養(yǎng)分供應（20cm以下土壤，供應深層土壤根系） 不一定是“S”型的，因此整個土體中的供肥性就不是“S”型的。不同作物的根系深淺不同，對肥料養(yǎng)分緩釋性的要求也不相同； 土壤、氣候和水分管理制度等不同條件下栽培的作物，對肥料養(yǎng)分緩釋性的要求亦不相同。因此，需要在緩釋肥的`“供肥性”上大做文章，根據不同根系生長特性的作物在不同生育期根系在不同土層的分布特點，大力研究適應不同作物的專用型緩釋肥。
樹脂包膜緩釋肥料是我國最為重要的緩釋肥料品種之一，需要在以下幾方面加大科技創(chuàng)新力度：1） 生產工藝實現連續(xù)化，提高產品質量的穩(wěn)定性；2） 提高單套設備產能，年生產能力力求超過萬噸以上，甚至超過5萬噸；3） 提高生產的自動化水平，省工、高效、產品質量穩(wěn)定。另外，大田作物需要多樣化的緩釋肥料產品，因此，我國緩釋肥料在重視發(fā)展樹脂包膜緩釋肥料（ 多以BB緩釋肥料的形式進入農田） 的同時，還應重視發(fā)展其他緩釋機理的肥料產品，如非樹脂包膜型、載體緩釋型、有機無機緩釋型等肥料品種[9,18,20-23].這些產品主要是利用無機礦物材料、有機質材料等包裹或包膜速溶性肥料，或將緩釋材料與速溶肥料融合，使養(yǎng)分起到緩釋長效的效果。非樹脂包膜型等緩釋肥料用普通設備即可生產，無需特殊設備、無需溶劑，工藝簡單、能耗小、產量高、成本低，大田作物應用效果好。另外，緩釋肥料需要不斷完善標準[13].我國當前的緩釋肥料標準主要是在參考國外經驗的基礎上制定的，國外緩釋肥標準主要是根據淺根草坪和園藝花卉等植物需肥規(guī)律制定的[7,24],可能并不適合大田深根作物。我國發(fā)展大田作物緩釋肥料，需要依據大田作物對緩釋肥的要求，制定和完善相應標準。
2. 2穩(wěn)定肥料產業(yè)發(fā)展及技術趨勢
穩(wěn)定肥料是指通過添加脲酶抑制劑和/或硝化抑制劑等，調節(jié)土壤酶或微生物活性，減緩尿素的水解和對銨態(tài)氮的硝化-反硝化作用，達到肥料氮素緩慢轉化和減少損失的目的。1935年Rotini首先發(fā)現土壤中存在脲酶，40年代Conrad等發(fā)現向土壤中加入某些抑制脲酶活性的物質可以延緩尿素的水解，60年代人們開始重視篩選土壤脲酶抑制劑的工作[5].HQ（ 氫醌）、NBPT（N -丁基硫代磷酰三胺）、PPD（ 鄰-苯基磷酰二胺）、TPTA（ 硫代磷酰三胺）、CHPT（N -磷酸三環(huán)己胺） 等是篩選研究的重要土壤脲酶抑制劑[14].國外自20世紀50年代開始研制硝化抑制劑，研究的主要產品有吡啶、嘧啶、硫脲、噻唑、汞等的衍生物，以及疊氮化鉀、氯苯異硫氰酸鹽、六氯乙烷、五氯酚鈉等。雙氰胺（DCD） 是較為廣泛用于提高氮肥利用率的硝化抑制劑[7,14].
我國從20世紀60年代開始重視研究穩(wěn)定肥料，中國科學院南京土壤研究所率先開始了硝化抑制劑的研究。之后，中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所在上個世紀70年代開始研究氫醌作為脲酶抑制劑如何提高氮肥利用率，在盤錦化肥廠、大慶化肥廠等通過添加脲酶抑制劑生產緩釋尿素，并且應用到大田作物上[14].特別是進入2000年以來，中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所開發(fā)出一批新型脲酶抑制劑和硝化抑制劑，應用在尿素、復合（ 混） 肥中，生產穩(wěn)定肥料，大面積實現了產業(yè)化，并且牽頭制定了《穩(wěn)定性肥料》（ 標準編號：HG/T 4135 -2010） 行業(yè)標準，2011年3月1日正式實施，規(guī)范了相關定義術語，統(tǒng)一了檢驗方法，從而規(guī)范了穩(wěn)定肥料市場，標志著穩(wěn)定肥料產業(yè)的發(fā)展步入了一個新的階段。目前全國已有50余家化肥企業(yè)從事穩(wěn)定肥料生產和推廣，年產量超過80萬噸，應用面積超過上千萬畝。
穩(wěn)定肥料未來技術趨勢，一是篩選更加廉價、高效、環(huán)保的脲酶抑制劑和硝化抑制劑，應用到穩(wěn)定肥料生產中； 二是提高穩(wěn)定肥料在不同土壤、氣候條件下效果的穩(wěn)定性； 三是研究穩(wěn)定肥料產品如何走向作物專用化。
2. 3增值肥料產業(yè)發(fā)展及技術趨勢
增值肥料（value-added fertilizer） 專指肥料生產過程中加入海藻酸類、腐植酸類和氨基酸類等天然活性物質所生產的肥料改性增效產品。海藻酸類、腐植酸類和氨基酸類等增效劑都是天然物質或是植物源的，可以提高肥料利用率，且環(huán)保安全[7,17,25-26].增值肥料發(fā)展的主要技術特點： 增效劑微量高效，添加量在多在0. 3‰ 3‰之間； 肥料養(yǎng)分含量基本不受影響，如增值尿素含氮量不低于46%; 增效明顯，添加的增效劑具有常規(guī)的可檢測性； 增效劑為植物源天然物質及其提取物，對環(huán)境、作物和人體無害； 工藝簡單，成本低。增值肥料主要通過促進作物根系生長與活力； 影響氮肥轉化及運移模式，提 高 氮 肥 穩(wěn) 定 性，減 少 氨 揮 發(fā) 和 淋 洗 損失[7,16-17,25-27]; 減少土壤對磷鉀肥的固定，提高其有效性和供應強度等，從而改善作物對肥料的吸收利用，提高肥料利用率[28].
增值肥料的關鍵技術是開發(fā)微量高效、環(huán)保安全的肥料增效劑。中國農業(yè)科學院新型肥料創(chuàng)新團隊，在國家863計劃、國家科技支撐計劃等項目的支持下，經過10年的努力，研制出發(fā)酵海藻液、鋅腐酸、禾谷素等系列肥料增效劑； 開發(fā)了海藻酸尿素、鋅腐酸尿素和禾谷素尿素等增值尿素新產品[29],以及相應的增值復合（ 混） 肥料、增值磷銨等新產品； 在中國氮肥工業(yè)協(xié)會的指導下，2012年成立《化肥增值產業(yè)技術創(chuàng)新聯盟》，推動我國傳統(tǒng)化肥增值改性。我國利用氨基酸、腐植酸、海藻酸等改性的增值尿素年產量超過300萬噸，每年推廣面積1億畝，增產糧食30億公斤，農民增收60多億元，減少尿素損失超過40萬噸，為農業(yè)增產、農民增收、環(huán)境保護和促進我國肥料產品性能升級做出了貢獻[7].增值肥料檢測方法及技術標準研究，也需要亟待加強。
2. 4有機物料與化學肥料復合（ 混） 優(yōu)化化肥養(yǎng)分高效利用的產業(yè)發(fā)展及技術趨勢
有機無機復混肥是肥料產業(yè)發(fā)展中的新秀，具有中國特色，逐漸被產業(yè)界所重視[6].過去發(fā)展有機無機復混肥料的主要原因，一是消納有機廢棄物，保護環(huán)境； 二是增加土壤有機質，培肥土壤。然而，一系列的研究發(fā)現，有機物料與化學肥料科學復合（ 混） ,具有調節(jié)化學肥料養(yǎng)分轉化、釋放和供應模式的作用； 有機物料通過改善土壤的理化性狀、調節(jié)土壤酶活性等，減輕氮肥氨揮發(fā)損失，減緩磷、鉀肥在土壤中的固定，提高供肥能力，等養(yǎng)分投入條件下，有機無機復合（ 混） 肥料具有較高的化肥養(yǎng)分利用率[8-9,18,30-32].如將味精廠發(fā)酵產生的有機廢棄物分別與化學氮肥、磷肥和鉀肥進行復混造粒，等養(yǎng)分投入情況下，有機復混氮肥、有機復混磷肥、有機復混鉀肥比普通化肥供肥能力強，作物增產，肥料利用率提高5 10個百分點[8-9,18],尤其是有機物料與氮、磷肥復合（ 混） 的增產效果最好。系統(tǒng)研究有機物料與化學肥料復合（ 混） 優(yōu)化化肥養(yǎng)分高效利用的原理，建立有機無機復合（ 混） 肥優(yōu)化化肥養(yǎng)分高效利用的理論與技術體系，是未來有機無機復合（ 混） 肥料研究的重要任務。有機無機復混肥料在經濟作物，如棉花、花生、馬鈴薯、大蒜、油菜以及果樹等作物上應用的潛力較大。磷鉀含量較高的有機無機復混肥也可以替代普通復混肥料作冬小麥等作物的基肥施用； 高氮型的有機無機復混肥也可以用作追肥，或用在東北春玉米或華北夏玉米上的一次性施肥。目前，我國有機無機復混肥料年產量近700萬噸，應用面積上億畝，年增產糧食超過40億公斤。
有機無機復混肥料產業(yè)的發(fā)展仍存在許多亟待解決的問題。目前，有機無機復混肥的生產企業(yè)規(guī)模相對較小，企業(yè)多采用團粒法工藝生產有機無機復混肥，產能相對較低，尚缺少龍頭企業(yè)帶動該行業(yè)的發(fā)展。開發(fā)產能高、養(yǎng)分含量高、效果好、品相優(yōu)的有機無機復混肥料生產新工藝，適應我國機械化施肥發(fā)展的需要，是有機無機復混肥行業(yè)發(fā)展需要解決的問題。系統(tǒng)研究有機物料與化學肥料復合（ 混） 優(yōu)化化肥養(yǎng)分高效利用的機理與原理，建立有機無機復合（ 混） 肥優(yōu)化化肥養(yǎng)分高效利用的理論與技術體系，是未來有機無機復合（ 混） 肥料研究的重要任務。另外，發(fā)展有機質含量3% 8% 、養(yǎng)分濃度超過40%的復合（ 混） 肥料，既可以發(fā)揮有機物料優(yōu)化化學肥料養(yǎng)分利用的作用，又可以滿足市場對高濃度復合（ 混） 肥料產品的需求，有較大的市場潛力。
3 傳統(tǒng)化肥增效改性的政策建議
肥料是保障國家糧食安全的戰(zhàn)略物資，是實現農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的物質基礎。過去十年，我國傳統(tǒng)化肥改性增效技術快速發(fā)展，迄今，我國各類增效改性肥料年產量達到1300萬噸（ 商品量） ,每年推廣面積4億多畝，年增產糧食110億公斤，為農業(yè)增產、農民增收和環(huán)境保護做出了重要貢獻。面對資源、能源、環(huán)境保護和糧食安全的巨大壓力，開展肥料科技創(chuàng)新、發(fā)展新型肥料是我國肥料產業(yè)實施質量替代數量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。利用物理、化學或生物等手段對傳統(tǒng)肥料進行改性，使其營養(yǎng)功能得到增強或賦予其新的功能，是肥料科技創(chuàng)新的重要途徑。推動傳統(tǒng)化肥增效改性，是一項系統(tǒng)工程，需要科學家和肥料行業(yè)的共同努力，更需要國家在政策上的推進。建議：1） 增加科研投入，開展傳統(tǒng)化肥增效改性的技術研究；2） 國家從投資、信貸、稅收等政策領域給予增效化肥新產業(yè)以優(yōu)惠扶持；3）國家支持建立一批傳統(tǒng)化肥改性增效的示范企業(yè)，推動傳統(tǒng)化肥產業(yè)技術提升；4） 從國家層面，建立傳統(tǒng)化肥增效改性工程技術國家研發(fā)平臺。
參 考 文 獻：
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