陳夢軍 肖盛楊 舒英格

摘要：為深入了解國內(nèi)在土壤質(zhì)量評價系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀，本文基于中國知網(wǎng)（CNKI，http：//w ww.cnki.net）數(shù)據(jù)庫，對有關(guān)土壤質(zhì)量評價的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索與分析。結(jié)果表明：土壤質(zhì)量評價指標(biāo)大致分為物理、化學(xué)和生物學(xué)三大類，物理指標(biāo)主要是土壤容重、機(jī)械組成、含水量、孔隙度、質(zhì)地和土層厚度;化學(xué)指標(biāo)主要是土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、pH、大量元素的全量和有效量;生物指標(biāo)主要是蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶、微生物生物量碳、微生物生物量氮。國內(nèi)研究者通用的土壤質(zhì)量評價方法是采用主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）對最小數(shù)據(jù)集（Minimum Data Set，MDS）進(jìn)行優(yōu)化，主因子分析（Principal factor analysis，PFA）或?qū)哟畏治觯ˋnalytic Hierarchy Process，AHP）確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，最后采用土壤相對質(zhì)量指數(shù)法進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合評價。未來土壤質(zhì)量評價系統(tǒng)發(fā)展趨勢是采用主導(dǎo)性、敏感性、穩(wěn)定性和獨立性的分析手段對MDS的進(jìn)行優(yōu)化，客觀合理的主客觀綜合賦值法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，采用更全面客觀真實反映土壤實際質(zhì)量的分析方法評價土壤質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：CNKI;土壤質(zhì)量;評價指標(biāo);評價方法;文獻(xiàn)分析

Analysis on Soil Quality Evaluation Studies Based on CNKI Database

CHEN Meng?jun，XIAO Sheng?yang，SHU Ying?ge*

（College of Agriculture， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550025， China）

Abstract： In order to understand the research status of soil quality evaluation system in China， this paper analyzes the literatures about soil quality evaluationbased on information retrieved from China Knowledge Network （CNKI， http：//www.cnki.net） database. The results show that the evaluation indicators of soil quality can be generally divided into three categories： physical， chemical and biological.The physical indicators are mainly soil bulk density， mechanical composition， water content， porosity， texture and soil thickness.The chemical indicators are mainly soil organic matter （SOM）， pH， total and effective amount of a large number of elements.The biological indicators are mainly sucrase， phosphatase， urease， catalase， microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen. The soil quality evaluation system generally employed by domestic researchers is to use Principal Component Analysis （PCA） to optimize Minimum Data Set （MDS）， and Principal factor analysis （PFA）or Analytic Hierarchy Process （AHP） to determine the weight of each evaluation index.Finally， the soil quality index method is used to comprehensively evaluate soil quality. The development trend of the future soil quality evaluation system is （i） to optimize the MDS by using dominant， sensitive， stable， and independent analysis methods， （ii） to objectively and reasonably determine the weight of each evaluation index by subjective and objective comprehensive valuation method and （iii） to evaluate soil quality by an analytical method that is more comprehensively and objectively reflectingthe actual soil quality.

Key words：CNKI; soil quality; evaluation indicator; evaluation method; literature analysis

土壤質(zhì)量是圍繞土壤功能進(jìn)行定義，是土壤許多物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，以及形成這些性質(zhì)的一些重要過程的綜合體[1-3]。土壤質(zhì)量不能夠直接測定，需要通過土壤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行評價[4-5]，但由于土壤地帶性差異和時空變異性大[6-7]，類型多樣，使土壤質(zhì)量評價指標(biāo)選擇具有一定的差異性和復(fù)雜性[5，8]。隨著統(tǒng)計學(xué)發(fā)展和評價模型不斷推出，如主成分分析法[5，9-10]、層次分析法[11-12]、典范對應(yīng)分析[13-14]、模糊數(shù)學(xué)[15]、灰色系統(tǒng)模型[16-17]、物元分析模型[18-19]、TOPSIS模型[3，20]等在土壤質(zhì)量評價中運用，對于同一評價對象采用不同評價方法將會得到不同結(jié)果[21]，使土壤質(zhì)量評價更為復(fù)雜[22]。國內(nèi)外己在土壤質(zhì)量評價指標(biāo)體系建立和評價方法優(yōu)化方面開展了大量的研究工作[23-24]，但到目前為止，始終沒有形成一個合適的體系和標(biāo)準(zhǔn)，也尚未建立一個綜合的土壤質(zhì)量評價體系[1，25]。本文基于中國知網(wǎng)（CNKI，http：//ww w.cnki.net）數(shù)據(jù)庫，對有關(guān)土壤質(zhì)量評價的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索與分析，旨在確定一套國內(nèi)研究者通用的土壤質(zhì)量評價系統(tǒng)，為土壤質(zhì)量評價研究更加客觀精準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

CNKI是目前國內(nèi)提供引文回溯數(shù)據(jù)最深的數(shù)據(jù)庫，所收錄文獻(xiàn)覆蓋全國最重要和最有影響力的研究成果，已成為國內(nèi)公認(rèn)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計與科學(xué)評價的主要檢索工具。本文基于CNKI數(shù)據(jù)庫，采用高級檢索方式，以“土壤質(zhì)量評價”為篇名進(jìn)行檢索，檢索時間跨度為1996年1月1日至2017年9月30日，共檢索文獻(xiàn)228篇并全部下載。利用Excel 2010進(jìn)行文獻(xiàn)統(tǒng)計分析。統(tǒng)計指標(biāo)主要包括文獻(xiàn)類型、土壤質(zhì)量評價指標(biāo)、指標(biāo)篩選方法、權(quán)重的確定方法以及評價方法。在228篇文獻(xiàn)中，有58篇與土壤質(zhì)量評價無關(guān)，其中包括期刊52篇、碩士論文5篇和博士論文1篇;綜述型文獻(xiàn)有34篇;研究型文獻(xiàn)有136篇，其中包括期刊116篇、碩士論文16篇和博士論文4篇。本文基于136篇研究型文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2結(jié)果與分析

2.1土壤質(zhì)量評價指標(biāo)體系

2.1.1理化指標(biāo)

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)量評價采用的物理指標(biāo)有土壤容重、機(jī)械組成（石礫、砂粒、粉粒、粘粒）、含水量（毛管水含量、飽和含水量、田間持水量、最大持水量）、孔隙度（總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、通氣孔隙度）、土層厚度、質(zhì)地（砂土、黏土、壤土）、團(tuán)聚體（水穩(wěn)性團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、團(tuán)聚體總量、團(tuán)聚體平均重量直徑）、土壤密度、土壤結(jié)構(gòu)和其他（比表面積、障礙層、抗沖性、侵蝕模數(shù)、徑流模數(shù)和入滲系數(shù)）。

在136篇文獻(xiàn)中有45篇未采用物理指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量評價。鑒于土壤容重易于測定，能綜合反映土壤質(zhì)量狀況[26-27]，選用率為49.5%，是使用頻率最高的物理指標(biāo)（表1）。土壤機(jī)械組成是土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度和容重等指標(biāo)的綜合表現(xiàn)[28-29]，選用率為36.3%，其使用頻率僅次于土壤容重。土壤水分的動態(tài)特性能敏感反映土壤質(zhì)量的動態(tài)變化[30]，雖然土壤水分的時空變化較大，不能長期穩(wěn)定的反映土壤質(zhì)量狀況，但它是干旱區(qū)土壤生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[5]，選用率為34.1%，是使用頻率位居第三的物理指標(biāo)。土壤孔隙度不需要測定，是土壤容重和土壤密度通過轉(zhuǎn)化函數(shù)求出，其選用率為19.8%。土層厚度能間接的表征土壤演化的過程和土壤生產(chǎn)力的大小[31]，是非常實用、直觀和易測的物理指標(biāo)，選用率為17.6%。土壤質(zhì)地表征土壤的內(nèi)在肥力狀況，選用率為15.4%。土壤團(tuán)聚體、土壤密度和土壤結(jié)構(gòu)間接反映土壤容重、機(jī)械組成、孔隙度和含水量，故其使用頻率較低。土壤比表面積、障礙層、抗沖性、侵蝕模數(shù)、徑流模數(shù)和入滲系數(shù)指標(biāo)也不易獲得，經(jīng)濟(jì)效益和可操作性差，但在水土流失嚴(yán)重的區(qū)域是必須考慮的土壤質(zhì)量評價指標(biāo)[32]。

綜上可知，從這些物理指標(biāo)在文獻(xiàn)中應(yīng)用普及性、綜合性、經(jīng)濟(jì)實用性等方面考慮，目前土壤質(zhì)量評價物理指標(biāo)主要是土壤容重、機(jī)械組成、含水量、孔隙度、質(zhì)地和土層厚度。

2.1.2化學(xué)指標(biāo)

土壤質(zhì)量評價采用的化學(xué)指標(biāo)有土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、pH、大量元素（全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀）、陽離子交換量（CEC）、電導(dǎo)率（EC）、土壤含鹽量（全鹽、鹽基飽和度、交換性鹽基）、交換性鈣、微量元素（有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅）。

11篇文獻(xiàn)未采用化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量評價。SOM是土壤養(yǎng)分的主要給源和倉庫，選用率為94.4%，是使用頻率最高的化學(xué)指標(biāo)（表2）。pH影響著絕大部分土壤養(yǎng)分有效性和土壤生物活性[33]，選用率為68.0%。土壤氮、磷、鉀的全量及其有效性與土壤肥力密切相關(guān)，全氮、全磷和全鉀是土壤速效養(yǎng)分的儲備指標(biāo)，表征土壤氮、磷和鉀速效養(yǎng)分持續(xù)供應(yīng)的潛在能力[34-35]，探討土壤肥力狀況是土壤質(zhì)量評價的核心內(nèi)容之一，無疑養(yǎng)分元素是土壤質(zhì)量評價中重要的指標(biāo)。CEC是保肥、供肥性和緩沖能力的重要指標(biāo)，選用率為24.0%。EC能反映土壤鹽分狀況，是表征土壤酸化、次生鹽漬化等土壤質(zhì)量退化狀況，EC較易于獲得，常常取代土壤含鹽量、鹽基飽和度和交換性鹽基運用于土壤質(zhì)量評價中[10，28]。鑒于土壤中微量必需營養(yǎng)元素在土壤中的有效含量較低，且較難測定，需要昂貴的精密分析儀器，國內(nèi)選擇大量元素作為評價指標(biāo)而較少考慮[36]，隨著科學(xué)界對土壤質(zhì)量的要求不斷提高，中微量營養(yǎng)元素已被運用于土壤質(zhì)量評價中[37-38]。

綜上可知，目前土壤質(zhì)量評價化學(xué)指標(biāo)主要是SOM、pH、大量元素的全量（全氮、全磷、全鉀）和有效量（堿解氮、速效磷、速效鉀）。

2.1.3生物學(xué)指標(biāo)

土壤質(zhì)量評價采用的生物學(xué)指標(biāo)有細(xì)菌、真菌、放線菌、固氮菌、蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶、其他酶（多酚氧化酶、脫氫酶、蛋白酶、淀粉酶）、微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物生物量磷、呼吸強(qiáng)度、C/N、微生物熵、代謝熵。

87篇文獻(xiàn)未采用生物學(xué)指標(biāo)進(jìn)行土壤質(zhì)量評價。土壤蔗糖酶在土壤碳循環(huán)有重要作用，可以反映土壤熟化水平[39]，選用率為53.1%，是使用頻率最高的生物指標(biāo)（表3）。土壤磷酸酶和脲酶分別參與土壤磷、氮素轉(zhuǎn)化，其活性表征土壤磷、氮營養(yǎng)元素含量的高低[40]，選用率都是44.9%和40.8%。土壤過氧化氫酶促進(jìn)過氧化氫反應(yīng)分解，從而提高土壤微生物活性[41]，其選用率為30.6%。微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物生物量磷含量雖低，但在土壤碳、氮、磷營養(yǎng)元素循環(huán)上起到重要作用，是反映土壤質(zhì)量發(fā)展和退化的重要指標(biāo)[42]，選用率分別為30.6%、30.6%、12.2%。鑒于土壤細(xì)菌、真菌和放線菌等土壤微生物的樣品采集、保存和測定受許多人為因素干擾大，其選用率較低。其他生物指標(biāo)可以表征或換算土壤呼吸強(qiáng)度、C/N、微生物熵、微生物代謝熵等土壤生物指標(biāo)，故在土壤質(zhì)量評價中選用率較低。

綜上可知，目前土壤質(zhì)量評價生物學(xué)指標(biāo)主要是蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶、微生物生物量碳、微生物生物量氮。

2.2評價指標(biāo)篩選方法

鑒于土壤質(zhì)量評價可選擇指標(biāo)太多，雖然指標(biāo)選擇越全面越能真實的反映土壤的實際質(zhì)量，但考慮到在實際研究中的簡單易行、經(jīng)濟(jì)適用性和可操作性等問題，最小數(shù)據(jù)集（Minimum Data Set，MDS）代表土壤質(zhì)量評價最小最敏感指標(biāo)集合，在土壤質(zhì)量評價中得到了廣泛的應(yīng)用[25，37]。但MDS因評價區(qū)域、評價者和評價目的不同而有所增減，MDS優(yōu)化方法有很多種。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)量評價指標(biāo)篩選方法有主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）、相關(guān)分析（Related Analysis，RA）、典范對應(yīng)分析（Canonical Correspondence Analysis，CCA）、逐步回歸分析、專家經(jīng)驗法。

102篇文獻(xiàn)未對評價指標(biāo)的進(jìn)行篩選。PCA能減少指標(biāo)冗余，選用率高達(dá)67.6%，是使用頻率最高的指標(biāo)篩選方法（表4），但其只考慮評價指標(biāo)在主成分上的荷載大小進(jìn)行土壤質(zhì)量評價指標(biāo)，會引起剔除指標(biāo)所包含的土壤質(zhì)量信息丟失[43]?；赑CA并結(jié)合函數(shù)值（Norm值）、RA或逐步回歸分析的篩選方法既最大限度地減少指標(biāo)冗余，又能盡可避免評價指標(biāo)所包含的土壤質(zhì)量信息被忽略，用較少的指標(biāo)表達(dá)大部分信息量[44]，是目前逐步被采用的指標(biāo)篩選方法。CCA普遍應(yīng)用于篩選對植物群落樹種組成與分布影響的土壤肥力指標(biāo)[13-14]，在森林土壤質(zhì)量評價中采用較為廣泛。專家經(jīng)驗法主觀隨意性大，會引起評價結(jié)果存在差異性，選用率較低。

2.3評價指標(biāo)權(quán)重的確定方法

權(quán)重是指各評價指標(biāo)在整體評價中所占的比重，用來衡量各評價指標(biāo)的相對重要性。土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的權(quán)重確定方法包括主觀賦值法、客觀賦值法、主客觀綜合賦值法[43，45]。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，主觀賦值法有層次分析（Analytic Hierarchy Process，AHP）、專家打分法;客觀賦值法有主因子分析（Principal factor analysis，PFA）、RA、灰色關(guān)聯(lián)分析。

58篇文獻(xiàn)未采用權(quán)重進(jìn)行評價。PFA確定權(quán)重能客觀反映各項指標(biāo)對土壤質(zhì)量總體變異的貢獻(xiàn)率，選用率為59.0%，是客觀賦值法中使用頻率最高的方法（表5）。RA是以某指標(biāo)與其他指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的平均值占所有指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的比來表示權(quán)重[5，38]，選用率為15.4%，是使用頻率僅次于PFA的客觀賦值法。AHP法將復(fù)雜土壤質(zhì)量問題的各評價指標(biāo)層次化，將定性、定量信息結(jié)合起來確定出每一層次相對重要性的權(quán)重值，并進(jìn)行一致性檢驗，符合客觀實際[11-12]，選用率為26.9%，是主觀賦值法中使用頻率最高的方法。專家打分法能合理的對權(quán)重進(jìn)行排序，但主觀隨意性大，選用率較低。采用灰色關(guān)聯(lián)分析時，當(dāng)評價對象的指標(biāo)具有可測性，則該法的準(zhǔn)確性較大[46]，但是當(dāng)土壤質(zhì)量指標(biāo)值過于離散時，會丟失部分信息[16-17]，選用率最低。主客觀綜合賦值法為了克服主觀賦值法具有主觀隨意性和客觀賦值法依賴于樣本數(shù)可能與實際相悖的缺點，而綜合主觀賦值法在權(quán)重排序上具有較高合理性和客觀賦值法在實際評價中具有較強(qiáng)客觀性的優(yōu)點，無疑主客觀綜合賦值法更具準(zhǔn)確性、合理性、科學(xué)性和實用性。但是這些組合權(quán)重在眾多主觀和客觀權(quán)重確定方法沒有統(tǒng)一的搭配方式，不同的搭配方式會得到不一樣的結(jié)果。

綜上可知，目前土壤質(zhì)量評價權(quán)重的確定方法中的主觀賦值法主要是AHP，客觀賦值法主要是PFA。主客觀綜合賦值法是未來土壤質(zhì)量評價權(quán)重的確定方法的發(fā)展趨勢。

2.4土壤質(zhì)量評價方法

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)量評價方法有土壤相對質(zhì)量指數(shù)法（加權(quán)綜合指數(shù)法、加權(quán)指數(shù)和法）、內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、聚類分析法、物元分析法、TOPSIS法。

在136篇文獻(xiàn)中有14篇采用環(huán)境質(zhì)量評價方法和6篇采用指標(biāo)含量的高低比較進(jìn)行評價。土壤相對質(zhì)量指數(shù)分為加權(quán)指數(shù)和法和加權(quán)綜合指數(shù)法，加權(quán)綜合指數(shù)法充分考慮了評價指標(biāo)值、權(quán)重、評價指標(biāo)間交互作用和最小限制率對土壤質(zhì)量評價的共同影響[15，47]，其缺點在于采用乘法組合使評價結(jié)果大者更大，小者更小的倍增效應(yīng)，會造成與客觀實際不符，有學(xué)者研究表明加權(quán)指數(shù)和法計算MDS的代表性比加權(quán)綜合指數(shù)法高[5，37]。從文獻(xiàn)分析上看，加權(quán)指數(shù)和法的選用率為65.5%，是使用頻率最高的評價方法，加權(quán)綜合指數(shù)法選用率為24.1%，是使用頻率僅此于加權(quán)指數(shù)和法的評價方法，兩者共占89.6%（表6）。灰色關(guān)聯(lián)分析只需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，克服了確定標(biāo)準(zhǔn)值的過程中產(chǎn)生的主觀影響，但是在標(biāo)準(zhǔn)化過程中，當(dāng)土壤質(zhì)量指標(biāo)值過于離散時，會丟失部分信息[46]。聚類分析是多元分析中研究物以類聚的一種方法，聚類圖譜可直觀地表達(dá)聚類結(jié)果，但該法不能定量描述土壤質(zhì)量狀況，選用率較低。物元分析以可拓集合論為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，能解決各評價指標(biāo)存在不相容性和可變性問題[18-19]，該法計算過程相對復(fù)雜，選用率較低。TOPSIS法采用倒數(shù)法對評價指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，避免了采用極值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化所引起的弊端，且不需要權(quán)重，可以排除主客觀權(quán)重進(jìn)行土壤質(zhì)量評價帶來的誤差，能夠客觀評價土壤質(zhì)量[3，20]，逐步被運用于土壤質(zhì)量評價中。綜上可知，土壤相對質(zhì)量指數(shù)法在土壤質(zhì)量評價研究中依然占據(jù)主導(dǎo)地位。

3結(jié)論

目前國內(nèi)研究者進(jìn)行土壤質(zhì)量評價的指標(biāo)大致分為物理、化學(xué)和生物學(xué)三大類，物理指標(biāo)主要是土壤容重、機(jī)械組成、含水量、孔隙度、質(zhì)地和土層厚度;化學(xué)指標(biāo)是主要是SOM、pH、大量元素的全量（全氮、全磷、全鉀）和有效量（堿解氮、速效磷、速效鉀）;生物指標(biāo)主要是蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶、微生物生物量碳、微生物生物量氮。國內(nèi)研究者通用的土壤質(zhì)量評價系統(tǒng)是采用PCA并結(jié)合Norm值、RA或逐步回歸分析對MDS的進(jìn)行優(yōu)化，PFA或AHP確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，最后采用土壤相對質(zhì)量指數(shù)法進(jìn)行土壤質(zhì)量綜合評價。

4展望

當(dāng)前國內(nèi)在土壤質(zhì)量評價中的土壤養(yǎng)分研究經(jīng)常采用常規(guī)養(yǎng)分指標(biāo)，中微量養(yǎng)分和生物學(xué)指標(biāo)研究較少，應(yīng)該在這方面進(jìn)行加強(qiáng)。土壤資源的管理和持續(xù)利用涉及到生態(tài)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和社會指標(biāo)的綜合評價，而土壤質(zhì)量評價局限于土壤內(nèi)部的物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)這一小部分的生態(tài)指標(biāo)，結(jié)合生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會的綜合性則更能有效地預(yù)警和監(jiān)測未來土壤變化的趨勢。土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的權(quán)重確定方法上局限于簡單的主觀賦值法和客觀賦值法，應(yīng)該嘗試采用能避免簡單的主客觀賦值法缺點的主客觀綜合賦值法。目前土壤質(zhì)量評價方法較多評價結(jié)論的非一致性，受指標(biāo)選擇方法、權(quán)重確定方法和綜合評價方法居多的影響，且各種評價方法都有一定的局限性和不足之處，對同一評價對象采用不同方法進(jìn)行評價其結(jié)論可能存在較大差異，所以要基于組合評價研究，對同一評價評價采用若干方法進(jìn)行比較，最終確定最優(yōu)組合，解決多方法評價結(jié)論的非一致性問題。鑒于當(dāng)前國內(nèi)外土壤質(zhì)量的最新研究進(jìn)展，我國今后一段時間內(nèi)的土壤質(zhì)量研究工作應(yīng)主要集中在評價指標(biāo)的篩選和評價方法的優(yōu)化組合、土壤質(zhì)量演變的過程機(jī)理、土壤質(zhì)量保持與提高關(guān)鍵技術(shù)和動態(tài)監(jiān)測與預(yù)測預(yù)警方面研究。

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