作者:秦志伟 吴廖 来源:《科学新闻》 发布时间:2016/3/3 15:15:26
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粉垄栽培 广造良田

 

 
 
近几年,在广西百色、海南琼海、内蒙古通辽、河北吴桥、新疆霍城等全国不少市县的田间,冒出了这样一台样貌颇为奇特的农机。
 
这台“大块头”是履带底盘,车头前挂着的灭茬器可以灭茬秸秆还田;后半身高悬着一排垂直螺旋钻头,装配有起垄清沟、施肥播种、表土平整镇压等功能,可以一次性完成传统的犁、耙、碎等作业程序。
 
在现场可以看到,螺旋钻头启动后,垂直深旋入土下30~50厘米,将田间原本板结的地面粉碎成颗粒状,让土壤自然悬浮成垄,可直接播种作物。这种农机的耕深不仅比传统拖拉机耕作加深了1倍,而且土壤疏松不乱土层、蓄水纳氧性强,可以有效减少化肥、农药的使用,促进农作物自然增产、提质、增效。
 
有人叫它深旋机,但它更广为人知的名字是“粉垄机”。
 
由广西农科院经济作物研究所研究员韦本辉等发明、广西五丰机械公司首创的粉垄机械——自走式粉垄深耕深松机,以及粉垄技术所带来的农业耕作方式的改变,逐渐引起了多地政府、农业专家和农民的关注。
 
“粉垄栽培主要是通气好,根系发达。粘土的透气性就不行,粉垄栽培之后使粘土结构改变,根系更发达。”“杂交水稻之父”、中国工程院院士袁隆平曾在接受媒体采访时对这项创新性农耕技术给予高度肯定,并指出“粉垄技术可在全国推广”。
 
2015年中央政府工作报告和中央“一号文件”相继提出,要“推进土地整治,增加深松土地”。的确,“根深叶茂”“树大根深”,古人对农耕的实践认知仍有极其重要的现实意义。
 
在种植业良种、良法的优化改进已几近触碰“天花板”的今天,单纯依靠“加肥、加药”来提高农作物产量的方法已经难以为继。回归农田本身,深耕深松,推动农耕模式的可持续转变,成为进一步保障我国粮食安全和发展绿色农业的一种重要方式。
 
粉垄作为一项可持续增产的高效农耕技术,现今已在全国20个省、市、自治区的20种作物上广泛应用。该技术的主要发明人告诉记者,在不增加化肥农药情况下,作物增产10%~30%,品质提升5%以上,效益增加15%以上,增贮天然降水100%以上。
 
“粉垄技术可以称作农耕方式上的变革,我觉得它应该走向世界。”中国科学院遗传与发育研究所研究员张正斌在接受《科学新闻》采访时表示。
 
粉垄栽培技术改变了传统的耕作模式,将数千年来传统的犁翻碎土“轻巧一变”,成为垂直旋削碎土的深耕深松方式。农耕技术从“浅层翻犁”到“水平旋耕”再到“垂直深旋”,推动了农耕革新的步步前行。
 
49位农民的联名信
 
2011年,当韦本辉领导的粉垄技术团队来到广西北流市民安镇兴上村进行28亩水稻示范田的粉垄实验时,他的心情有些忐忑。
 
此前,该技术已在玉米、甘蔗等11种旱地作物种植中得到良好的应用,增产达10%~30%。但是,由旱地到水田,异地而置的粉垄技术又能否产生同样的效果,他心里并没底。
 
彼时,仅仅两岁的粉垄技术尚处于研发早期。因此,第一代以拖拉机为动力带动钻头的“杂交”产品在兴上村水稻粉垄示范基地上并没有发挥最大功效,耕深只比传统耕作加深了7~8厘米(达20~22厘米)。
 
但早稻增产效果却着实让粉垄技术团队看到了希望。经过粉垄的2011年早稻,经测产,亩产稻谷672公斤,比对照增产123公斤,增产率22.4%。
 
“示范农户普遍反映,由于用了粉垄技术,自家的粮食连年丰收了,还想继续用。”北流市民安镇农技站负责人梁景表示。
 
不过粉垄在兴上村的推广并不是一帆风顺。当时粉垄团队摸索出的“水田干耕”法,即在冬天水田干水后耕作,待插秧前再放水泡田插秧,这一时间仍让兴上村的村民难以接受。千百年来老祖宗传下的“规矩”认为,水稻耕作得“一犁两耙,再拢平”,表面都有一层泥浆。但是,粉垄耕作却不用耙地,直接进行干土抛秧。这让不少示范农户心里开始犯嘀咕,有的人私下里又偷偷将粉垄后的泥地用耙拉平。
 
一位中年妇女站在田边用北流话大声质问:“我们祖祖辈辈都是要耙土才能插秧,你们这样种田,找得到吃的吗?”虽然将信将疑,这位农户还是听从了粉垄团队的劝说,粉垄后直接抛秧。出乎意料的是,谷穗长势最好的也是这块田。
 
随后几年,尝到甜头的示范农户继续采用轻耕或免耕种植,至2013年底,粉垄稻第六造仍具增产效果,平均亩产干谷641.56公斤,比对照541.68公斤亩增稻谷99.88公斤,增产18.4%。
 
很少有人愿意做第一个吃螃蟹的人,但却往往会在见证成功后一拥而上。粉垄技术持续增产的效果让其他村民也开始跃跃欲试。2014年冬,兴上村高块组的49名村民联名写信至广西农科院,希望能够在他们的101.95亩地上进一步推广粉垄技术。
 
此时,与粉垄团队合作的广西五丰机械公司也已研制出新的履带自走式粉垄专业机械。据媒体报道,2015年,广西北流市民安镇兴上村稻田粉垄加深到28~30厘米,采用“水稻粉垄干土抛秧种植法”,早稻产量每亩增加126.07公斤,增产25.51%;晚稻免耕种植亩增产102.4公斤,增幅达19.50%。
 
农业之本在于耕作
 
自远古人类驯化栽培野生植物以来,耕作技术从点穴撒籽、刀耕火种到机械化耕作,经历了漫长的历史演进。
 
如今,现代农业最突出的标志之一就是实现了耕作的机械化。农业机械化在耕作上的应用与普及,既解放了大量的农业劳动力,又较大幅度提高了作物的单产和土地农产品的产出率,为人类的发展作出了不可磨灭的贡献。
 
在粉垄团队看来,农耕技术一旦得到革新突破并推广,成为减轻农事劳作、提高作物单产的技术与方法,就可以成为人类共同财富,久远沿用,造福人类。
 
然而,世界农业机械耕作的应用与普及时间不尽相同。发达国家已有上百年的历史,我国大量使用拖拉机耕作却只是近二三十年的事。
 
“我国近代耕作技术系统研究不够,未形成可在大范围推行的新的耕作技术体系。”中国工程院院士山仑在《农耕新方法粉垄及其应用研究》第三方评价意见中指出。
 
研究显示,我国耕作使用的各种农机具,与传统人力耕作、畜力耕作相比,耕作层深度由12厘米左右加深到16厘米左右,最深也不过25厘米。
 
“现行的各种拖拉机耕作,仍然沿用传统的犁翻或悬耕碎土的方式。即不管犁耕还是旋耕,均为纵向碎土,导致耕层较浅。虽然是深松技术,但在秸秆粉碎还田等方面还有很大的不足之处。土壤中的速效养分得不到有效释放,加上多年的连续保护性耕作,导致耕层变浅,土壤保水保肥性能较差,难以满足作物进一步高产。”张正斌指出。
 
据联合国粮农组织预计,到21世纪中叶,世界人口将增加到85亿~100亿,粮食产量要比当前增长70%~100%,才能满足人们的生活需求。
 
而要实现这一目标,2015年12月发表于《世界农业》的论文《“一带一路”沿线国家粮食生产现状及前景》中指出,世界粮食主产国需大幅提高粮食产量。其中,扩大耕地面积和提高单产是两个主要途径。但未来全球只依靠扩大耕地面积来提高粮食产量的可能性已非常小, 粮食产量提高将主要依靠单产的进一步提升。
 
如何进一步提高作物产量?
 
“必须更新土壤耕作机具和耕作栽培技术,为作物生长创造更优良的土壤环境。”粉垄团队认为,“要研制出使耕作深度增加且不将底层生土上翻、并能使耕作层高度疏松的耕作机具和技术方法。”
 
自此之后,团队负责人带着他对粉垄机的构想来到广西五丰机械公司。
 
在一无正式图纸、二无样机的情况下,他们对现行农耕机具进行研究,反复改良和实验,最后设计出一种能深耕将土壤垂直旋磨粉碎、并且自然悬浮成垄的新型耕作机具,耕作层深度可增加30厘米以上。
 
从最初以拖拉机为动力带动钻头的“杂交”产品,到履带自走式粉垄专业机械,粉垄机械的成熟经历了6年4型的改造,其中对旋转钻头的改进更是高达10 次以上。每一次改良进步都源自于粉垄栽培试验示范实践和用户建议。
 
2015年4月,改进后的履带式粉垄深旋机在广西工业博览会开幕式上亮相,得到广西壮族自治区主席陈武的肯定。
 
“由广西农科院经作所、广西五丰机械公司发明制造的粉垄机,在某种意义上是对耕作机械的一场革命。”张正斌表示,它打破了现行拖拉机(水平)旋耕、深翻、深松耕作与运行理念,是一项利用专用粉垄深旋耕机带动垂直螺旋钻头、深垦深松土地的农耕新技术。
 
粉垄技术团队介绍,该项技术突破了传统的“犁翻—耙碎—耙平—起垄—种植”的耕作栽培体系,可一次性完成深耕、粉碎、成垄等作业,其最大优点是深耕深松而不乱土层,耕层呈粉碎颗粒状,疏松而不易黏结,通气性能良好,贮水性能提高,为作物生长发育,特别是为根系的纵深生长创造了一个全新的土壤生态环境,为农作物对干旱、高温、低温等不良环境的抵御能力提高、保障稳产丰收创造了条件。
 
“‘粉垄耕作与栽培技术体系研究’对我国整体耕作制度的提升与发展具有重要意义,迈出了实际的关键性一步。”山仑评价道。
 
“深水”才能养“大鱼”
 
2016年1月22日,广西百色市田阳县那满乡,这个位于右江河谷中游的小山村,即便是在风雪侵袭两广时,也并没有让霜冻破坏了它作为著名蔬菜基地的美誉。
 
去年11月,广西在这里安排了一个粉垄示范基地。农科院的粉垄团队挑选了其中一片地进行30厘米粉垄耕作,并于12月26日开始播种小番茄。
 
穿梭在粉垄耕作后种植的红润点缀的番茄地间,记者几次差点陷进土壤中。粉垄过后的土地就像海绵一样,踩上去均匀松软而有弹性。
 
示范田的实施单位、广西半亩良田农业开发有限公司总经理姚进荣,顺手挖起了一株粉垄后种植的番茄和一株对照组种植的番茄,轻轻掸去根系上的土。对比发现,粉垄种植的根系可达50厘米,而对照组根系长度还不到30厘米。
 
生产实践证明,耕作土壤的深浅及其生态环境,往往决定作物产量的高低。而全国土壤普查的资料显示,我国耕地面临着耕层变浅、耕地养分失衡等重大共性问题。
 
广西农业科学院副研究员、薯类研究室主任甘秀芹介绍,粉垄土壤深耕可增加耕作层土壤松土容量和客土,增厚耕作层的活土层,促进作物根系更好的生长发育;同时,可以增加天然降水和人工灌溉水的入渗速度,增加耕层的贮水量。
 
“根深才能树大,特别是在旱地,尤其需要依靠根系找水、找营养。现在的浅层耕作技术导致根系不深,因此风一吹小麦也倒,玉米也倒,这是很普遍的原因。”张正斌表示,“但粉垄深旋耕技术和目前国际上的水平旋耕是不一样的。水平旋耕是在地表上旋耕,耕深只有15~20厘米。但粉垄垂直旋耕是在土壤深层旋耕,耕深可达45~50厘米,这是一个完全不一样的概念。”
 
记者在现场多次观察发现,由于使用螺旋形钻头代替了传统耕作的犁头或旋耕纵向碎土刀片机具,粉垄具有明显的良好整地耕作特点。
 
“粉垄耕作层土壤实现了横向快速切割碎土,形成了粉垄特有的耕作碎土方式,实现了可根据作物种植需求,超越现有耕作犁底层作业有效利用耕作层及其以下土壤资源,且粉垄耕作层面土壤达到深耕深松,形成土壤保水性能提高的‘水库’,这是传统耕作所难以比拟的耕作效果。”粉垄团队认为,这就是“深水才能养大鱼”的原理,“深水”即从土壤深层下手,而“大鱼”就是作物增产效果。
 
2011年,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所与山东省德州市农业科学研究院的研究团队,在河北省沧州市吴桥县开展了“粉垄耕作对黄淮海北部土壤水分及其利用效率的影响”试验,利用粉垄耕作地块土壤,进行土壤水分及玉米生长利用土壤水分效率研究。试验设置粉垄30厘米、粉垄50厘米、粉垄30厘米+地膜、粉垄50厘米+地膜、粉垄30厘米裸地、粉垄50厘米裸地等耕作处理,以旋耕15厘米和深松35厘米为对照。
 
“粉垄耕作的出现为打破犁底层、解决耕层变浅提供了一种新的选择和可行之法。本研究表明,这种新型耕作措施使耕层比旋耕和深松更为疏松深厚,易于调用深层水分,发生水分补给时,入渗快而深,即土壤调蓄水分更通畅。”这项于2013年12月发表在《生态学报》的研究结果显示。
 
粉垄耕作后,各处理的总耗水量比旋耕和深松耕分别减少了12.2%~16.4%和10.2%~14.5%;粉垄产量水分利用效率比,分别比旋耕和深松提高了28.3%~50.6%和19.1%~39.7%。
 
粉垄的优势不仅在于“根深”“保水”,而且也在“淡盐”等土壤环境修复等方面具有潜力。
 
在宁夏引黄灌区农垦平吉堡现代农业示范园区,宁夏农垦农林牧技术推广服务中心对这片淡灰钙土进行了粉垄试验。
 
测定结果显示,与对照相比,粉垄整地种植前0~20厘米耕层土壤全盐含量降低54.72%,20~40厘米耕层全盐含量则增加75%;收获后测定,粉垄比对照0~20厘米耕层土壤含量降低22.78%,20~40厘米耕层全盐含量则降低4.44%。
 
“这表明粉垄耕作有良好的‘淡盐’作用。”甘秀芹表示,由于土壤疏松,不仅0~20厘米耕层土壤全盐被淡化,而且耕层20~40厘米的盐分在收获后也比对照田同层次的土壤盐分要低。
 
清华大学盐碱地区生态修复与固碳研究中心副教授王淑娟在调研过粉垄技术后,向《科学新闻》表示:“我国差不多有几亿亩盐碱地,所以盐碱地的改良会对我国粮食安全和生态环境改善起到很好的作用。”她正在与粉垄技术团队探讨,希望能通过粉垄技术和化学改良剂相结合的方法,提升盐碱地改良效果和速度,减少成本和耗水量。
 
而且“粉垄技术可以把秸秆粉碎还田、深翻和起垄等耕作技术集成一体,改善土壤活性,挖掘土壤自然的生产潜力”,张正斌举例道。
 
“可在全国推广应用”
 
粉垄技术于2008年开始试验研究,2011年在兴上村正式开始试点应用。几年来在团队成员的直接指导下,经过民安镇农业技术推广站参与示范,这一技术被认为是一项显著增产增效的实用技术。
 
当记者问到该项技术的优点时,参与试验示范的玉林市农业技术推广站原站长陈耀福研究员表示,这项技术能深松稻土,保持土壤的良好形状;保墒保肥,施肥转化率高;水稻根系发达,前中期先长根、后壮苗,苗情稳健,穗粒数较多,“这是农户普遍的反应”。
 
毕生致力于水稻增产研究的袁隆平,几年前就开始关注粉垄技术。2011年,袁隆平得知广西粉垄水稻试验增产效果明显时,就立即派人专程赴现场考察,并于2013年在三亚进行了杂交水稻超高产粉垄栽培试验。
 
2014年,袁隆平团队又分别在湖南沅江、隆回开展了常规稻直播和超级杂交稻粉垄耕作新技术试验示范。7月15日,益阳市农业局组织专家进行的测产验收表明,沅江市罗阳镇示范片粉垄稻亩产稻谷469千克,比对照增产63公斤,增幅为15.6%。隆回超级稻示范片内的粉垄稻长势也明显优于对照组。在接受媒体采访时,袁隆平也因此表示,粉垄是一个改革和创新,可以在全国推广了。
 
该技术的示范试点不仅仅在广西,也不仅仅局限于水稻。与此同时,粉垄机也随着粉垄技术应用的全面推广开往全国各地。
 
截至目前,粉垄机已在广西、新疆、内蒙古、山东、甘肃、辽宁、河北、宁夏、河南、湖南、湖北、四川、陕西、广东、海南、云南、吉林、黑龙江、安徽、北京等20个省、市、自治区的20多种作物上应用。
 
“粉垄技术在水、肥、土三方面产生了良好的增产效果,在有条件的地区,在一些通过深耕可显著增产的作物中,不妨积极推广粉垄栽培技术。”张正斌告诉记者。
 
粉垄一次之后持续增产的效果引发广泛关注。中国农业科学院农业资源与农业区划研究所对2011年在辽宁昌图和河北吴桥进行粉垄耕作后连续五年(2011~2015年)定位的产量试验发现,在辽宁昌图春玉米一年一熟条件下,每年平均亩增产56.9公斤,增产率10.5%;在河北吴桥春玉米—冬小麦—夏玉米两年三熟条件下,每年平均亩增产110.5公斤,增产率11.2%。
 
一份耕耘,一份收获。粉垄技术科研团队先后获国家发明专利、实用新型专利共100多项,“农耕新方法粉垄发明及其应用”项目获2015年中国产学研合作创新成果一等奖、2015年广西技术发明奖二等奖等。
 
向绿色发展进军
 
在目前的中国,各种需要高肥、高水的杂交水稻、杂交玉米等杂交良种大量推广已历时30余年,为粮食安全和经济发展作出了贡献。
 
但也应当看到,长期种植导致耕地松土层愈来愈浅薄、板结,农业面源污染不断加重,供肥、供水能力差,土壤养分严重“供血不足”和化肥利用率愈来愈低下,不得不靠盲目施用化肥、农药等获取‘掠夺式’产量,其产生的后果值得引起重视。
 
数据显示,我国化肥、农药已过量施用,比世界平均水平高出2.5倍,比欧美国家高出4倍。因此,变革现行农业生产方式,推行农业绿色发展拐点新技术,势在必行。
 
2015年,农业部制定出台了《农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》,力争到2020年,农业面源污染加剧的趋势得到有效遏制,实现“一控两减三基本”。
 
农业部副部长张桃林介绍,“一控”是指控制农业用水总量和农业水环境污染,确保农业灌溉用水总量保持在3720亿立方米,农田灌溉用水水质达标;“两减”是指化肥、农药减量使用;“三基本”是指畜禽粪污、农膜、农作物秸秆基本得到资源化、综合循环再利用和无害化处理。
 
十八届五中全会也提出绿色发展,其也将成为指导我国“十三五”时期发展甚至是更为长远发展的科学发展理念和发展方式。
 
“粉垄就是绿色农业之道。”在广西五丰机械有限公司首届自走式粉垄深耕深松机供货会上,韦本辉向国内外专家学者介绍道。
 
据介绍,粉垄技术本质是回移自然,减少化肥、增产提质,是保障人们吃饱、吃好、吃得健康安全,保障人类赖以生存的土壤、水体、空气减轻污染伤害,保障宜人生态环境的“青山绿水”,促进粮食和环境安全的一种重大科学创举。
 
记者了解到,广西北流市民安镇粉垄种植水稻2011~2015年的5年10造定点试验,在不增加甚至减少10%以上化肥的情况下,每亩净增产稻谷1295.6 斤。
 
“粉垄技术降低了‘化学农业’程度。”甘秀芹介绍,中国农科院和广西农科院通过对水稻、玉米、小麦等试验,结果显示,降低了“化学农业”程度,每产出100公斤粮食其化肥使用量比传统耕作减少0.35~4.29公斤,减幅10.81%~30.99%。
 
袁隆平在观察粉垄试验点后,受托向农业部科教司写信表示,粉垄耕作深耕深松,可以活土、保水、透气,能促进作物生长发育,特别是用于粘土的效果会更好些。
 
创新脚步没有停止
 
2012年3月28日,广西科技厅组织以中国工程院院士刘旭为主任的科技成果鉴定委员会,对“农耕新方法粉垄及其应用研究”项目进行了成果鉴定。
 
鉴定意见认为,该项目“发明了一种‘粉垄农耕新方法’,研究具有原创性,达到国内领先水平”。
 
在这位粉垄技术带头人看来,粉垄栽培从所产生的一系列正面效应看,其具有自身独特的特质性利用与发展优势。粉垄技术对于“天上”“地下”资源的统筹可以从回归自然的角度真正修复“伤痕累累”的土地。
 
所谓“天上”,是指除了太阳光能以外,还有空气中含有氮、磷、钾等养分的漂浮物,通过降雨过程,水分渗流到土壤中,供作物生长利用;所谓“地下”,是指耕作层及其以下部分土壤资源,包括土壤中的各种矿物质元素养分和水分、氧气、微生物等。
 
粉垄团队告诉记者,由于粉垄深旋耕保水、保肥、增温,对作物遇到干旱、高温、低温有较好的抵御能力,可提高作物的稳产增产性能,可减少区域性乃至全国性农业减产风险。
 
从初步的试验研究和实际效果来推断,粉垄栽培还具有其他重大的综合发展潜能,有可能为国家经济增长和社会稳定发展提供新的技术源,有可能成为国家发展战略工程技术。
 
不过,任何一项新技术在推向市场时,都需要经历市场和用户的“百炼”才能“成钢”。
 
“粉垄栽培虽然取得一系列研究成果,但是尚有一系列问题值得研究和完善;有些实验结果有待反复验证;有些想法,也只是根据研究结果、原理进行的推断和探索,需要进行实际试验方得出正确结论。”粉垄团队表示。
 
2014年,广西农科院在上报自治区政府的文件中指出了粉垄技术存在的问题和需要进一步研究的地方,如粉垄机还处在样机阶段,机械部分技术仍不成熟;粉垄技术适用的土壤类型及其与传统耕作技术耕作成本的差异等。粉垄团队和广西五丰机械公司也在农民的反馈中不断改良粉垄技术和机械。
 
去年10月20日,广西壮族自治区副主席张秀隆前往北流市民安镇兴上村水稻粉垄示范基地考察,深入田间察看水稻粉垄栽培情况。他对粉垄技术的创新性和所取得的初步成果给予肯定,认为粉垄耕作深、松、碎程度比其他翻耕好,值得深入研究。
 
同时,他也希望科技人员今后多做一些不同耕法的规范对比试验,深化理论研究,加强粉垄机械关键技术研发,重视农机、农艺配套研究和技术效率、效益比较。同时搭建好的平台,大力应用推广粉垄耕作技术,促进粮食增产增收。
 
粉垄技术团队在与不少农业专家实践探讨后达成了较为一致的意见,认为粉垄栽培既是一种农耕方式的进步,也是一场深刻的农业技术革新,由此将引发出牵涉技术变革的多个方面,至少有耕地良田化、耕种良种化、新的栽培技术体系化等。这些也将是粉垄技术团队的下一步研究重点。
 
“粉垄耕作技术是增加单产、提高品质的新生事物,(是)很值得作深入研究使之具有更大推广价值的新技术。”中国工程院院士蒋亦元在为粉垄技术题词时写道。
 
而兴上村49名农户也希望继续把该村作为样板。2015年春,兴上村再次采用粉垄种植早稻,晚稻采取免耕法,按粉垄栽培操作。北流市也表示要努力将其建成北流市超高产典型,进一步发挥辐射效应。
 
在张正斌看来,粉垄技术可以被定位为“粉垄高效农业”。“粉垄农耕新方法”是一种创新型高效现代农业模式,具有“深耕不乱土层、活土、释肥、保水、增温、淡盐、减排(甲烷)固碳”等功效,可应用于农、林、草业等而实现“增粮、增效、减灾、良态。”
 
“它有望成为助力解决我国乃至世界粮食安全、全面提高我国农业生产水平、关乎国家全局发展的民生性重大科学技术。”张正斌最后建议,国家也应为粉垄技术提供研发资金和农机补贴,以加快粉垄技术的研发速度,在全国开展更广泛的示范推广。■
 
《科学新闻》 (科学新闻2016年2月刊 封面)

 

 
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