規(guī)模化豬場糞污還田對(duì)土壤的污染及治理

程 彬，李 寧，黃琳琳，劉坤洋

（1.遼寧省動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)測預(yù)警中心，遼寧 沈陽 110005；2.遼寧春興畜牧獸醫(yī)服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110005；3.遼寧省動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心，遼寧 沈陽 110164）

2015年農(nóng)業(yè)部出臺(tái)《到2020年化肥使用量零增長行動(dòng)方案》，明確提出利用有機(jī)肥替代化肥，到2020年畜禽糞便養(yǎng)分還田率達(dá)到60%，比2015年提高10個(gè)百分點(diǎn)。豬糞是良好的有機(jī)肥原料，大量豬糞還田，既解決了養(yǎng)豬場糞便、污水排放問題，也達(dá)到了有機(jī)肥還田替代化肥的目的，是未來種養(yǎng)結(jié)合發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的大趨勢(shì)。但是，近年來大量豬糞還田也產(chǎn)生土壤污染問題，必須采取措施加以解決。本文就豬場糞便污水對(duì)農(nóng)田造成的污染以及防治污染措施作簡要闡述，以期對(duì)正確施用豬糞肥提供參考。

1 豬場糞污對(duì)土壤的污染

目前，我國養(yǎng)豬生產(chǎn)方式已經(jīng)發(fā)生根本轉(zhuǎn)變，據(jù)第三次全國農(nóng)業(yè)普查報(bào)告，養(yǎng)豬規(guī)模飼養(yǎng)比例已占63%。大多數(shù)豬場糞便處理是采取堆肥的方式，糞便經(jīng)熟化后還田，污水是經(jīng)過沉淀池沉淀后還田。但是，實(shí)踐中這種糞污還田的方式，如施用不當(dāng)，往往會(huì)對(duì)土壤造成污染。

1.1 重金屬污染 現(xiàn)代養(yǎng)豬生產(chǎn)中，豬飼料中常常加入含有重金屬物質(zhì)的添加劑，多以無機(jī)鹽形式添加，以達(dá)到促進(jìn)豬生長發(fā)育、提高飼料轉(zhuǎn)化率、增強(qiáng)免疫力的目的，由于這些重金屬元素在動(dòng)物體內(nèi)的生物效價(jià)很低，大部分隨畜禽糞便排出體外，故畜禽糞便中往往含有高量的重金屬，從而增加了農(nóng)用畜禽糞便污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。潘尋等[1]對(duì)山東省21家規(guī)模化豬場共126個(gè)豬糞樣品及18個(gè)配合飼料樣品中多種重金屬（Cr、Cu、Zn、As、Cd和Pb）的含量進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明，豬糞中Cr、Cu、Zn、As、Cd、Pb的平均檢出值分別為 12.3、472.8、1908.6、36.5、0.9、2.9 mg/kg。豬配合飼料中As、Cu、Zn的最大檢出值分別為34.1、211.9、2883.1 mg/kg，超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高添加量的17～35倍。豬糞中重金屬含量與飼料中重金屬含量呈正相關(guān)。朱建春等[2]測定了陜西省11個(gè)地區(qū)64家規(guī)模化養(yǎng)豬場中64個(gè)育肥豬飼料和相應(yīng)的豬糞樣品中Cu、Zn、Cr、Ni、As、Pb和Cd等元素的含量。結(jié)果表明，飼料和豬糞中均含有大量Cu、Zn、Cr、Ni、As、Pb和Cd等，并以Cu和Zn含量最高；飼料中Cu和Zn平均含量在38.33～805.61 mg/kg和90.69～1208.19 mg/kg之間，豬糞中Cu和Zn平均含量在78.99～1543.28 mg/kg和68.72～3011.72 mg/kg之間；其中Cr、Cu、Zn、As、Pb和Cd最高，超出國家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)倍數(shù)分別為5.44、134.27、10.98、60.08、7.67和110.86倍。飼料是豬糞中重金屬的主要來源。

長期大量施用豬糞，由于蓄積作用，將不可避免地造成土壤重金屬污染進(jìn)而通過作物影響到人類健康。何夢(mèng)媛等[3]在大田中連續(xù)施用豬糞堆肥4年后，耕層（0～15 cm）土壤Cu含量顯著高于對(duì)照，Cu含量與對(duì)照比增加了43.8%～118.6%（P＜0.05）。豬糞帶入的Cu主要積累在土壤耕層（0～15 cm）。豬糞帶入的Cu和Zn在耕層土壤中的積累率分別達(dá)到76.4%～119%和14.2%～20.4%。李大明等[4]研究表明，紅壤稻田土壤連續(xù)施用豬糞30年后，土壤全量Cu和Zn含量分別增加了7.69～9.52 mg/kg和22.42～35.46 mg/kg；2002～2010年為快速增長期，這可能是由于飼料中含量增加所致，以此期間年均累積速率為依據(jù)，再連續(xù)施用豬糞12年（豬糞施用量每年為22.5 t/hm2）土壤銅含量將達(dá)到重度污染水平。葉必雄等[5]研究發(fā)現(xiàn)，長期施用畜禽糞便有機(jī)肥，Zn、Hg、As等重金屬均存在明顯的表層聚集現(xiàn)象，連續(xù)17年施用豬糞導(dǎo)致土壤表層中Cd含量增加17～18.9倍。大量施用含高Cu、Zn的豬糞，可能會(huì)使土壤中有效態(tài)Cu、Zn的濃度升高達(dá)到對(duì)植物毒害的水平，使蔬菜根系生長受到抑制[6]。張妍等[7]

1.2 抗生素污染 抗生素是畜禽養(yǎng)殖業(yè)常用的飼料添加劑，用于預(yù)防畜禽疾病和促進(jìn)畜禽生長。然而抗生素并不能被動(dòng)物很好地吸收，僅有少部分參與機(jī)體代謝發(fā)揮藥效，其余30%～90%以代謝物的形式隨糞、尿排出體外，大部分隨畜禽糞便的農(nóng)田施用進(jìn)入到土壤中[9]，極易造成抗生素抗性基因污染，威脅人類康健。Zhao等[10]對(duì)我國8個(gè)省的大型畜禽養(yǎng)殖場的143個(gè)畜禽糞便樣本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，豬糞中環(huán)丙沙星、恩諾沙星、四環(huán)素和金霉素的濃度在21～59.6 mg/kg之間。Pan等[11]對(duì)山東省21家規(guī)模化養(yǎng)豬場的126個(gè)豬糞樣本的抗生素進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果顯示，四環(huán)素類抗生素的檢出濃度和檢出率（84.9%～96.8%）均很高，其中金霉素的檢出率為96.8%，最高殘留濃度達(dá)764.4 mg/kg，磺胺類抗生素的最高殘留濃度為28.7 mg/kg。張樹清等[12]從7個(gè)省、市、自治區(qū)的養(yǎng)豬和養(yǎng)雞場采集了55個(gè)樣本，分析結(jié)果表明豬糞中土霉素和金霉素的殘留量遠(yuǎn)高于雞糞，其最高含量分別達(dá)134.75 mg/kg和121.78 mg/kg，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的獸藥殘留明顯高于其他地區(qū)。樓晨露[13]研究表明長期施用豬糞會(huì)造成稻田表層土壤的抗生素積累及抗生素抗性基因污染。隨著豬糞施用量的增大，土壤中殘留的抗生素濃度和抗生素抗性基因相對(duì)豐度逐漸升高。豬糞的施用使稻田土壤中總抗生素抗性基因相對(duì)豐度升高，并增加了抗生素抗性基因的多樣性。黃福等[14]研究表明，未施用豬糞水稻土檢測出66種抗性基因，而施用豬糞水稻土則檢測出107種抗生素抗性基因，施用豬糞后水稻土中抗生素抗性基因種類顯著增加（P＜0.05）。相對(duì)于未施用豬糞水稻土，施用豬糞水稻土有49種抗生素抗性基因豐度顯著增加（P＜0.05），其中施用豬糞水稻土中喹諾酮類/氯霉素類抗性基因的mexF的豐度相對(duì)于未施用豬糞水稻研究，在豬糞施肥量＞50 t/hm2時(shí)，小白菜地上部Cu和Zn含量顯著高于對(duì)照處理，隨著豬糞施用量的增加，小白菜對(duì)土壤中Cu的富集系數(shù)從0.11上升到0.17，提高了Cu在蔬菜中的富集和對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)。黃治平等[8]連續(xù)4年施用規(guī)模化豬場豬糞的溫室生產(chǎn)的部分番茄和黃瓜As含量超標(biāo)。若連續(xù)以每年150 m3/hm2的豬糞施用量于該研究區(qū)蔬菜溫室，土壤中全Cu和全Zn含量分別經(jīng)過10年和15年可能超過國家農(nóng)田土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。土增加1791倍。畜禽糞便作為肥料施于土壤，其中的抗生素能夠被土壤吸附和積累，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要土著微生物，如固氮菌、解磷菌、放線菌等有殺死或抑制作用，降低土壤養(yǎng)分循環(huán)效率，還會(huì)對(duì)一些植物產(chǎn)生不同程度的生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)，影響它們的生長，如土霉素便能通過影響紫花苜蓿根系的生理過程而顯著抑制其生長［15］。

1.3 病原微生物污染 畜禽體內(nèi)的微生物主要通過消化道排出體外，而糞便是各微生物的主要載體，畜禽糞便中存在大量微生物，包括細(xì)菌、真菌、寄生蟲卵及病毒，其中大腸桿菌、沙門氏菌、李氏桿菌、馬里克氏病毒、蛔蟲卵等有致病性。畜禽養(yǎng)殖場排放的污水中平均每毫升含有33萬個(gè)大腸桿菌和69萬個(gè)大腸球菌，每1000 mL沉淀池污水中含有190多個(gè)蛔蟲卵和100多個(gè)線蟲卵[16]。當(dāng)含有致病微生物的糞便釋放于土壤后，造成蔬菜污染，通過食物鏈威脅人類健康，甚至可能引發(fā)嚴(yán)重疾病[17]。

2 治理措施

2.1 源頭控制 既然飼料中重金屬和抗生素是污染的主要來源，那么通過在飼料中添加具有相同甚至更優(yōu)作用且安全無害的添加劑代替金屬無機(jī)鹽和抗生素，就可以達(dá)到減少土壤中重金屬和抗生素污染的目的。近年來，替代重金屬無機(jī)鹽和抗生素的飼料添加劑研究應(yīng)用已經(jīng)有了長足進(jìn)展，收到良好效果。

2.1.1 氨基酸微量元素螯合物替代無機(jī)鹽 金屬微量元素氨基酸和多肽的螯合物代替無機(jī)鹽應(yīng)用于動(dòng)物飼料添加劑，不僅有效提高了動(dòng)物的生長速度，降低了飼料消耗，增強(qiáng)了抗病能力，而且因其具有抵抗干擾、緩解礦物質(zhì)之間拮抗競爭的作用，有良好的生物化學(xué)穩(wěn)定性和營養(yǎng)性，在機(jī)體環(huán)境條件下溶解性好，易被動(dòng)物體消化吸收，生物學(xué)效價(jià)高，減少重金屬排泄污染，被稱為第三代飼料微量元素添加劑，廣泛應(yīng)用在養(yǎng)殖業(yè)[18]。戴德淵等[19]試驗(yàn)組用復(fù)合氨基酸微量元素螯合物預(yù)混料（每千克含鐵80000 mg、鋅20000 mg、銅5000 mg、錳15000 mg、碘100 mg和硒10 mg），預(yù)混料在日糧中添加量為0.1%，對(duì)比在日糧中添加各元素相同含量的無機(jī)微量元素預(yù)混料，并補(bǔ)平賴氨酸、蛋氨酸及蘇氨酸等主要的限制性氨基酸水平。結(jié)果顯示，試驗(yàn)組的日增重比對(duì)照組高33.6 g，提高3.21%，試驗(yàn)組的料重比也優(yōu)于對(duì)照組，比對(duì)照組低0.13。方俊等[20]研究表明，蛋氨酸螯合鋅能夠顯著增加仔豬的生產(chǎn)性能，與無機(jī)鋅400 mg/kg對(duì)照組相比，仔豬日糧中添加蛋氨酸鋅300、350、400 mg/kg，可使仔豬18～25、25～35及 18～35 d增重顯著增加（P＜0.05）；蛋氨酸鋅處理組日采食量較對(duì)照組分別顯著高出21%、22.2%、21.2%（P＜0.05），蛋氨酸鋅處理組料肉比顯著降低（P＜0.05），說明蛋氨酸鋅主要通過增加日采食量來促進(jìn)仔豬的生長。夏中生等[21]用微量元素氨基酸螯合物按不同比例替代生長豬飼糧中無機(jī)微量元素，研究其對(duì)生長豬生長性、血清微量元素含量和糞中金屬元素排泄量的影響，結(jié)果表明，添加鐵（Fe）、鋅（Zn）、銅（Cu）、錳（Mn）微量元素氨基酸螯合物按不同比例添加，對(duì)生長豬的生長性能有一定的改善作用，與對(duì)照組比較，平均日增重分別提高 9.85%（P＜0.05）、7.51%（P＞0.05）、1.34%（P＞0.05），料重比分別比對(duì)照組降低6.74%（P＜0.05）、7.45%（P＜0.05）、1.42%（P＞0.05）；血清中微量元素鐵（Fe）、鋅（Zn）、銅（Cu）、錳（Mn）含量比對(duì)照組均有所增加，微量元素螯合物替代無機(jī)元素的適宜比例為25%；與對(duì)照組相比，糞中鐵、鋅、銅的含量分別顯著降低（P＜0.05），各組糞錳含量差異不顯著，生長豬飼糧中使用適量比例微量元素氨基酸螯合物可降低糞中微量元素鐵、銅、鋅、錳的排泄量，減少了其對(duì)環(huán)境的污染。隨著微量元素螯合物生產(chǎn)工藝改進(jìn)，成本降低，微量元素螯合物替代無機(jī)鹽作為飼料添加劑將成為必然。

2.1.2 益生菌益生元替代抗生素 益生菌（Probiotics）是指能夠促進(jìn)腸內(nèi)菌群生態(tài)平衡，對(duì)宿主起有益作用的活的微生物制劑。常見益生菌主要有乳酸菌、芽孢桿菌、酵母菌和光合細(xì)菌類等幾大類。益生元（Prebiotics）是指不易被消化的食物成分，通過選擇性的刺激一種或幾種細(xì)菌的生長與活性，而對(duì)寄主產(chǎn)生有益的影響，從而改善寄主健康的物質(zhì)。它就像是有益菌的食物，能促進(jìn)動(dòng)物體內(nèi)有益菌的生長，同時(shí)抑制有害菌[22]。大多數(shù)商業(yè)用益生元為寡糖，如低聚異麥芽糖、低聚果糖、低聚半乳糖等。試驗(yàn)證明，益生菌和益生元飼料添加劑能從兩個(gè)方面促進(jìn)動(dòng)物健康，即提高健康狀態(tài)和減少疾病發(fā)生。周映華等[23]采用乳酸桿菌、枯草芽孢桿菌和釀酒酵母菌發(fā)酵無抗生素全價(jià)飼料飼喂18 kg左右的仔豬，試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)組的末重、平均日增重和平均日采食量均顯著高于對(duì)照組（P＜0.05），而料重比則顯著低于對(duì)照組（P＜0.05）。王娟娟等[24]用乳桿菌、釀酒酵母和枯草芽孢桿菌發(fā)酵飼料飼喂14 kg左右“杜長大”三元雜交仔豬，在試驗(yàn)第21天，發(fā)酵飼料組仔豬IgA濃度顯著高于其他試驗(yàn)組（P＜0.01），這表明益生菌發(fā)酵飼料可以發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用，增強(qiáng)機(jī)體免疫功能。王博等[25]在母豬飼料中添加益生菌0.2%，發(fā)現(xiàn)其能顯著提高血清中IgA、IgM、IgG的含量，并顯著降低母豬腸道大腸桿菌的數(shù)量，改善菌群數(shù)。

在養(yǎng)豬生產(chǎn)中將低聚糖用作抗生素的替代品具有很大的潛力，因其無污染、無殘留、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，引起人們研究的興趣。甘露寡糖能調(diào)控仔豬胃腸道微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)有益菌的生長和繁殖，抑制有害菌對(duì)腸壁的黏附和定植，維持正常的消化道環(huán)境。飼喂不同濃度半乳甘露寡糖，能夠降低斷奶仔豬回腸微生物種群數(shù)量，抑制金色葡萄球菌、產(chǎn)氣莢膜等有害菌，促進(jìn)部分乳酸桿菌、雙歧桿菌等有益菌的繁殖。在結(jié)腸中，能降低大腸桿菌數(shù)，并明顯地提高結(jié)腸中乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)[26]。

2.1.3 中草藥替代抗生素 中草藥具有增強(qiáng)機(jī)體免疫力、促進(jìn)動(dòng)物生長發(fā)育、提高飼料利用率和改善胴體品質(zhì)等功能[27]。研究表明，中草藥提取植物精油對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌有抑菌效果[28]，與抗生素對(duì)照相比，在育肥豬日糧中添加刺五加散能夠促進(jìn)育肥豬的生長，并顯著提高育肥豬的免疫功能（P＜0.05）[29]。Ashis等[30]試驗(yàn)表明，中草藥姜粉和菊粉可以有效替代抗生素，抑制病原微生物的生長，有利于腸道微生物群的建立。戴亮[31]研究表明，中草藥飼料添加劑可減少斷奶仔豬腹瀉，與對(duì)照組相比，中草藥組顯著降低了斷奶仔豬的腹瀉率（P＜0.05）。劉澤民等[32]研究表明，中草藥對(duì)提高豬肉中甲硫氨酸、谷氨酸、甘氨酸等含量有較顯著的效果（P＜0.05），優(yōu)于抗生素組，進(jìn)而提高豬肉品質(zhì)。

2.2 正確使用堆肥技術(shù) 規(guī)模豬場由于成本的原因?qū)ωi糞便的處理多采用堆肥的方法將豬糞還田。堆肥過程是一種由多種微生物參與、對(duì)畜禽糞便進(jìn)行的復(fù)雜生化反應(yīng)過程。所有影響微生物活性的因素都將對(duì)堆肥化進(jìn)程和產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響,如溫度、水分、pH值、C/N碳氮比、通氣量等。理想的堆體溫度為50～60℃高溫維持時(shí)間5～10 d，能滿足畜禽糞便無害化的相關(guān)要求；含水率為50%～65%是較為適宜的范圍，利用鋸末或稻糠作為輔料進(jìn)行水份調(diào)解時(shí)，含水率為62%，利用秸稈作為輔料調(diào)解水份時(shí)，含水率為65%，利用花生殼為輔料調(diào)解水份時(shí)，含水率為60%；pH為5～9都能滿足堆肥需要；碳氮比為5～26，一般會(huì)添加一些秸稈等輔料進(jìn)行調(diào)解；堆體氧濃度是影響好氧高溫進(jìn)程的關(guān)鍵因素，氧濃度不足會(huì)降低堆體微生物的活性，從而對(duì)堆肥溫度、惡臭產(chǎn)生以及堆肥質(zhì)量產(chǎn)生影響，一般認(rèn)為堆肥適宜的氧濃度為10%～18%，最低不應(yīng)小于8%[33]。

添加輔料可大大提高堆肥效果。呂兌安[34]研究表明，添加秸稈、5%磷礦粉和硼泥可以同時(shí)促進(jìn)堆肥過程中Cu、Zn的鈍化。利用硼泥作為堆肥鈍化劑還有利于“廢-廢無害化、資源化利用”，減輕占地和環(huán)境污染壓力。陶金沙等[35]研究了添加小麥秸稈生物質(zhì)炭對(duì)豬糞高溫好氧堆肥腐熟程度和溫室氣體排放的影響結(jié)果表明，在整個(gè)堆肥腐熟過程中，豬糞與生物質(zhì)炭分別以12:1、5:1和2.3:1比例混合的堆體達(dá)到的最高堆肥溫度分別為58、63和60℃，其中5:1和2.3:1比例混合的處理均比12:1處理提前2 d進(jìn)入高溫腐熟階段，并且提前5d完成腐熟過程；添加生物質(zhì)炭處理堆體顯著降低堆體CH4、CO2排放總量。肖禮等[36]研究表明，白腐真菌起到加速堆肥中四環(huán)素降解的作用。四環(huán)素和土霉素的濃度隨堆肥時(shí)間顯著下降，經(jīng)過42 d兩種抗生素降解率達(dá)90%以上。

2.3 按照土地承載能力合理施肥 豬糞堆肥還田量應(yīng)根據(jù)種植作物養(yǎng)分需求、周圍可利用土地面積確定。我國種植作物養(yǎng)分需求通常以氮移走量為計(jì)算依據(jù)，部分作物氮移走量如表1所示[37]。

合理施肥有利于土壤有機(jī)質(zhì)和總氮提高。楊世琦等[38]設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)施肥+空白（CK）、傳統(tǒng)施肥+豬糞還田4500 kg/hm2（T1）和傳統(tǒng)施肥+豬糞還田9000 kg/hm2（T2）對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示豬糞還田有利于土壤有機(jī)質(zhì)和總氮提高；30 cm土層與對(duì)照相比，T1和T2的有機(jī)質(zhì)增加0.95 g/kg和1.41 g/kg，分別提高7.50%和11.13%；總氮增加0.06 g/kg和0.16 g/kg，分別提高7.72%和22.04%。豬糞還田提高了作物產(chǎn)量，水稻增產(chǎn)12.26%～11.56%，冬小麥產(chǎn)量提高9.32%～12.52%。

表1 部分作物全年N移走量Table 1 N migration for some crops

考慮到農(nóng)田重金屬污染問題，應(yīng)根據(jù)糞便污水中有害物質(zhì)含量合理確定豬糞施用量。王瓊瑤等[39]研究了豬糞-秸稈還田對(duì)土壤、作物重金屬銅鋅積累及環(huán)境容量影響，在豬糞-秸稈還田處理下，土壤對(duì)Cu、Zn具有累積效應(yīng)，在稻麥輪作后，土壤Cu、Zn的最小靜態(tài)環(huán)境容量分別為11.32、135.06 kg/hm2，綜合考慮土壤Cu、Zn的安全問題，建議豬糞還田的最高施用量為1028.77 t/hm2。柳開樓等[40]研究表明，若確保連續(xù)施用豬糞50年土壤Cu、Zn、Cr和As含量不超標(biāo)，則紅壤稻田每公頃每年最多豬糞施用量應(yīng)不超過6.40 t。因此，糞污還田必須兼顧土地承載能力。

3 小結(jié)

為促進(jìn)動(dòng)物生長發(fā)育，提高免疫力，動(dòng)物飼料中加入抗生素、重金屬無機(jī)鹽等添加劑已在畜牧業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，這就造成豬糞便中有藥物、重金屬殘留。長期大量豬糞便還田，已經(jīng)造成土壤中抗生素抗性基因和重金屬的污染，威脅到人類健康，必須采取措施消除威脅。可以采取源頭抑制的方法，減少甚至消除飼料中抗生素和重金屬無機(jī)鹽的添加，已有的研究表明，益生菌益生元、中草藥等無害添加劑可替代抗生素，氨基酸螯合物可替代重金屬無機(jī)鹽；正確運(yùn)用豬糞堆肥技術(shù)也可以大大降低還田造成的污染；在豬糞還田過程中必須考慮作物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的需求，以及土壤對(duì)有害物質(zhì)的承載能力，合理計(jì)算豬糞肥施用量。這樣，就可以將豬糞便變成資源，有效利用，實(shí)現(xiàn)化肥用量零增長的目標(biāo)。

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