喷灌对冬小麦生长环境的调节及其对水分利用效率影响的研究

喷灌对冬小麦生长环境的调节及其对水分利用效率影响的研究

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第19卷第6期农业工程学报Vol.19No.6462003年11月TransactionsoftheCSAENov.2003喷灌对冬小麦生长环境的调节及其对水分利用效率影响的研究※刘海军,康跃虎,刘士平(中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)摘 要:研究了在不同气候条件下喷灌对近地面空气温湿度和农田蒸发能力(冠层顶部20cm蒸发皿水面蒸发量)的影响,在干热风天气条件下微量喷水对冠层温度和农田蒸发能力的影响,以及喷灌对冬小麦产量和水分利用效率的影响。试验结果表明,如果4~5月份降水量较少、空气相对湿度较低,则喷灌会明显降低近地面空气日最高温度和日平均温度,增加日平均相对湿度特别是最低相对湿度。喷灌条件下农田蒸发能力明显低于地面灌溉。微量喷水明显降低冠层温度和降低农田蒸发能力。农田蒸发能力变化与喷水量和日最高温度成正比,与日最低相对湿度和风速成反比。喷灌条件下冬小麦的产量和水分利用效率明显高于地面灌溉。关键词:喷灌;农田小气候;冠层温度;水分利用效率中图分类号:S275.5;S512.1;S273.4文献标识码:A文章编号:100226819(2003)0620046206其中72.1%降雨发生在6~9月,剩下的143.9mm分布1 引 言在10月到次年的5月间。在2000~2001年和2001~冬小麦是我国北方地区主要的农作物之一,其产量2002年冬小麦生育期间,降雨量分布极不均衡(表1)。约占我国小麦总产量的61%。冬小麦的高产稳产需要在冬小麦生长旺盛的4~5月份,2000~2001年冬小麦良好的生长环境,主要包括充足的土壤水分养分、合适生长季的降水量只有18.6mm,在本文中称为干旱年的空气温湿度和充足的光照条件。4~5月是冬小麦生份;而2001~2002年冬小麦生长季同期降水量却达到[1]长以及形成产量的关键时期,信乃诠指出小麦抽穗开了88.5mm,称为湿润年份。花期最适温度为18~20℃,最适空气湿度为70%~表12000~2001年和2001~2002年冬小麦生育期降水量分布80%;小麦灌浆期适宜温度为18~22℃,若最高气温达Table1Monthlyprecipitationdistributionduring到30~35℃,不仅会加速灌浆速率,缩短灌浆期,同时2000~2001and2001~2002winterwheatgrowingperiods试验年份10月311月12月1月2月3月4月5月6月33还可能引起其它灾害,造成减产,最常见的有干热风危害[2]等。2000~20017.418.8—40.124.84.015.82.80.0喷灌是以类似于降雨的方式湿润土壤,补充作物所2001~200224.04.21.72.95.132.755.80.0需的水分。当喷灌水滴在空中飞行时,由于和大气的摩3降水量从播种后计算;33降水量计算到冬小麦收获时。[3,4]擦以及表面温度的升高,会在空中蒸发;水滴进入[5,6]2.2 试验设计及方法冠层后,部分被冠层截留。喷灌水滴蒸发和冠层截[7,8]试验布置示意图如图1所示。喷灌试验区面积为留水分蒸发会改变冠层附近的温湿度条件,在干热144m×108m,喷头选择18m×18m的正方形布置。地低湿条件下,可以降低空气温度、增加空气湿度,改善作面灌溉试验区面积为200m×108m。喷灌和地面灌溉物的生长环境,提高作物的光合速率和降低蒸腾强[9,10]试验田播种冬小麦品种一样,施底肥、追肥等大田管理度。本文主要研究在冬小麦的不同生长阶段和不措施一样。在喷灌试验田和地面灌溉试验田分别安装同的气候条件下喷灌对冬小麦生长环境的改善和调节一座小气候自动观测系统(MAOS2Ⅰ),测量地表以上1、作用,以及对冬小麦水分利用效率的影响。2、3和4m处的空气温湿度,采集频率为每小时1次。2 材料和方法农田蒸发能力用布置在冠层顶部的20cm蒸发皿水面蒸发量来表示。2000~2001年冬小麦生长季节,于2.1 试验基地情况试验在中国科学院禹城综合试验站(北纬36°57′,3月21日在喷灌和地面灌溉试验田从南到北分别布置东经116°36′,海拔20m)进行。禹城地区属于暖温带半3套20cm蒸发皿,取3个的平均值;2001~2002年冬小湿润大陆性季风气候。多年平均降雨量为515.1mm,麦生长季节,于3月23日在喷灌和地面灌溉试验田分别布置1套和2套20cm蒸发皿。蒸发皿测量时间为收稿日期:2002211211 修订日期:2003203212每天早晨8:00。基金项目:国家杰出青年基金(40125002)土壤水分由中子水分仪测定。在喷灌和地面灌溉试作者简介:刘海军(1975-),男,陕西富平人,博士生,主要从事农业验田分别埋设3根中子管,每5d测量一次,测量深度为水资源高效利用机理方面研究。北京 中国科学院地理科学与资140cm,每10cm为一层。喷灌灌溉时间和灌溉水量由土源研究所,100101壤水分来确定。当表层60cm内土壤体积含水率低于田通讯作者:康跃虎(1963-),研究员,博士生导师,北京安定门外大屯路917大楼 中国科学院地理科学与资源研究所,100101。Email:间持水量的60%时进行灌溉。地面灌溉采用畦灌,kangyh@igsnrr.ac.cn畦长50m,畦宽5m。地面灌溉灌水时间参考试验站大©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.  第6期          刘海军等:喷灌对冬小麦生长环境的调节及其对水分利用效率影响的研究47田灌溉。灌溉水量通过安装在管道上水表的读数得到。在2000~2001年冬小麦生长季,喷灌试验田共灌水5次,灌溉水量223mm;地面灌溉试验田灌水2次,总灌溉水量257mm。在2001~2002年生长季节,喷灌试验田灌水4次,总灌溉水量为150mm;地面灌溉试验田灌水2次,总灌溉水量为244mm。2.3 微量喷水降温试验微量喷水降温试验安排在干旱年份(2000~2001年冬小麦生长的6月份),这时降雨量少,温度高,相对湿度低,风速大。禹城地区的风向以西南风为主,因此喷水降温试验小区布置在喷灌试验地的北部(图1,细虚线以北),包括5个喷头,长99m,宽108m。对照小区布置在喷灌试验地南边(图1,细虚线以南),长45m,宽108m。喷水降温试验的喷灌水量和当日的部分农田小气候指标如表2所示。喷完水后,在处理小区和对照小区内各选一点,用红外测温仪测量冬小麦冠层的温度,观测频率为5min一次。待红外测温仪数值显示稳定以后,连读4次,取图1 试验布置图平均值。在处理小区和对照小区中央分别布置一个20Fig.1Layoutofexperimentcm蒸发皿,每天早上8:00观测。表2 喷水时间和农田小气候状况Table2Fieldmicroclimateconditionandsprinklerirrigationtime日期05228062010620206203062040620506206喷灌次数121212121112喷水时间12:1514:2012:1514:3012:1514:3012:1514:3012:2012:2013:3014:30喷灌量/mm1.51.51.01.51.51.51.51.51.51.51.51.5Tmax/℃30.9333.1134.2832.1831.4831.3332.66RH14/%39.7533.6224.4334.8737.9641.5132.84-1V14/m·s1.71.14.04.41.63.96.2 注:表中Tmax为2m高度处的日最高温度,RH14和V14分别为2m高度处14:00的相对湿度和风速。2.4 产量取样度没有明显差别,但是喷灌条件下日平均温度要稍微低2000~2001年冬小麦生长季,在喷灌和地面灌溉试于地面灌溉条件下的。验田分别随机取5个样;在2001~2002年冬小麦生长在降水量较少的情况下,喷灌对近地面空气湿度也季,喷灌和地面灌溉试验田分别随机取样7个,测量产产生了明显的影响,如图3所示。从图中可以看出,在量。在2000~2001年喷水降温试验中,处理小区和对2000~2001年(干旱年份)冬小麦生长季节,喷灌条件下2照小区分别取样5个测产。每个样方面积均为1.0m。近地面空气日平均相对湿度和最低相对湿度要明显高于地面灌溉条件下的。从5月17~6月4日,喷灌条件3 试验结果下空气日最低相对湿度要高于地面灌溉条件下4.92%3.1 喷灌对近地面空气温度和湿度的影响~16.94%,日平均相对湿度高出1.48%~9.94%。而在冬小麦生长的4~5月份,降水量较少(2000~在2001~2002年湿润年份,喷灌和地面灌溉条件下的2001年冬小麦生长季)时,喷灌对空气温度的影响较空气湿度没有明显差别。大;如果降水量较多,空气湿度较高,则喷灌对空气温度3.2 喷灌对农田蒸发力的影响的影响不明显(2001~2002年冬小麦生长季节)。图2喷灌对农田蒸发力的影响随着农田小气候的不同描述了2000~2001年(干旱年份)5月10日~6月4日,而不同。在干旱年份(2000~2001年),喷灌对冠层顶部喷灌和地面灌溉试验田1m高度处日最高温度和日平20cm蒸发皿水面蒸发量的影响较大,而在湿润年份均温度的对比变化过程。可以看出,在干旱年份,喷灌(2001~2002年),喷灌对水面蒸发量影响不很明显。如条件下日最高温度一般降低0.31~2.83℃,从5月17图4所示,2001年3月31日~6月4日,喷灌和地面灌日~6月4日之间,日平均温度降低0.12℃~1.23℃。溉条件下冠层顶部20cm蒸发皿水面蒸发量分别为在2001~2002年(湿润年份)冬小麦生长季节,4~5月363.6mm和406.9mm;在2002年分别为333.7mm和份的降水量较多,这时喷灌和地面灌溉条件下日最高温351.0mm。可以看出,在干旱和湿润年份,喷灌条件下©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 48农业工程学报                     2003年 水面蒸发量比地面灌溉条件下水面蒸发量分别少43.3mm和17.6mm。图2 喷灌和地面灌溉日最高温度和平均温度的对比曲线Fig.2Comparisonofdailymaximumandaveragetemperatureundersprinklerirrigation图3 喷灌和地面灌溉日最低相对湿度andsurfaceirrigationconditions和平均相对湿度的对比曲线Fig.3Comparisonofminimumandaveragerelativehumidityundersprinklerirrigationandsurfaceirrigationconditions图4 喷灌和地面灌溉冬小麦冠层顶部20cm蒸发皿累计水面蒸发量对比图5 微量喷水处理和对照处理冬小麦冠层顶部20cmFig.4Comparisonofcumulativewatersurface蒸发皿水面蒸发量evaporationof20cmstandardpanundersprinklerFig.5Watersurfaceevaporationof20cmstandardpanirrigationandsurfaceirrigationconditionsonthetopofwinterwheatcanopyundersprayingalittleamountofwaterandno2spraytreatmentconditions  在高温低湿条件下,微量喷水可明显影响农田蒸发1日~6月6日,喷水处理的水面蒸发量要比对照处理能力。图5描述了干旱年份2001年6月1日~6月6平均每天减少0.75mm,最高可减少1.2mm。对减少的日喷水处理后,冠层顶部20cm蒸发皿在喷水和不喷水水面蒸发量和喷水量、2m处最高温度、最低相对湿度条件下的水面蒸发量。可以看出,喷水以后,冠层顶部和最大风度进行了统计回归,回归方程为的水面蒸发量明显减小。6月7日两者差异不大是由ΔE=0.01974I+0.00322TMAX-0.00083RHMIN-于当日没有喷水,这说明如果不进行微量喷水,农田的0.01276VMAX(R=0.97)(1)小气候状况很快恢复到和不喷水条件下一样。从6月式中ΔE———减少的水面蒸发量,以冠层顶部20cm©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.  第6期          刘海军等:喷灌对冬小麦生长环境的调节及其对水分利用效率影响的研究49蒸发皿水面蒸发量的百分数表示,%;I———每天喷水-bXΔT(X)=a·e(R=0.94)(2)的水量,mm;TMAX,RHMIN,VMAX———分别为2m处日最式中ΔT———喷水Xmin以后冠层温度的下降值,℃;高温度,℃,最低相对湿度,%和最大风速,m/s。X———喷水停止后的时间,min;a,b———回归参数,用从回归方程可以看出,喷水条件下水面蒸发量变化下式确定与每天的喷灌水量和日最高温度成正比,喷灌水量越a=0.2463T-0.0274RH+1.4765V多,则水分蒸发消耗的能量就越多,减少了到达作物冠(R=0.72)(3)层的辐射热量;温度越高,喷灌对空气温度的影响就越b=0.00092T-0.00018RH+0.00794V显著,因此温度降低得也越多。减少的水面蒸发量与相(R=0.76)(4)对湿度和最大风速成反比,相对湿度越小,大气蒸发能式中T、RH、V———分别表示喷水开始时农田2m高力越大,而喷灌水分的蒸发增加了空气湿度,减少了大度处的气温,℃和相对湿度,%及风速,m/s。F检验得气的蒸发能力;风速越大,迅速带走了微量喷水而增加到回归方程(2)显著。从回归方程可以看出,农田温度的空气湿度,同时加强了冠层上面的平流交换,带来了越高、相对湿度越小、风速越大,则冠层可能降低的温度周围的潜热,空气湿度的减小和潜热的增加,使得近地也就越大。面空气温湿度环境接近于未喷水条件下的。3.3 微量喷灌对冠层温度的影响微量喷水明显影响了冠层温度。试验结果显示,喷水后5min,冬小麦冠层温度要比没有喷水的冠层温度低6.7~10.8℃。随着时间的增加冠层温度逐渐升高,最后接近未喷水条件下的冠层温度。冠层温度的变化与当时的空气温度有关。若喷水时空气温度较高,则冠层的温度下降较多。在6月2日14:30,6月6日13:30和14:30喷灌时,冠层的温度都超过了34℃,喷水后5min,冠层温度均下降了10℃以上。喷水对冠层温度的图7 实测和模拟喷灌后冠层温度下降变化过程影响一般可达到40~60min。Fig.7Measuredandmodeledcanopytemperature图6描述了6月5日喷水处理和对照处理冬小麦changesaftersprayinglittleamountofwater冠层温度白天的变化过程。可以看出,在11:00以前,从图7还可以看出,模型能较好的模拟喷灌后冠层喷水处理和未喷水处理的冬小麦冠层温度没有明显差温度的变化。异。但11:00以后,未喷水处理的冠层温度要稍微高于3.4 喷灌对产量和水分利用效率的影响喷水处理的冠层温度,这主要是由于通过6月1日~6在没有地表径流的情况下,农田的水量平衡可以描月4日的喷水处理,冬小麦的生长条件得到了一定程度述为的改善,小麦冠层的生长要优于未喷水处理的。在14:ET=I+P+ΔW-D(5)20喷水以后,冠层温度迅速降低,随后逐渐升高,直至式中ET———冬小麦生育期内的腾发量;I———灌溉接近未喷水处理的冠层温度。在16:00的时候,喷水和未喷水处理的冠层温度又差异不明显。水量;P———降水量;ΔW———0~135cm土壤范围内,播种时和收获时的土壤含水量变化;D———冬小麦生育期内,通过地下135cm断面上的渗漏水量。以上单位均为mm。通过地下135cm深度处的渗漏水量D采用定位通量法计算,表达式如下ND=∑qiti(6)i=1式中i=1,2,3⋯N,表示把小麦的生育期划分为N个时间段;ti———第i阶段的时间;qi———第i时间段通过地下135cm横截面的平均流量,用Darcy公式计算图6 微量喷水处理和对照处理日冠层温度变化对比曲线H2-H1Fig.6Dailycanopytemperaturechangesundersprayingq=-K(h)(7)Δzlittleamountofwaterandnon2spraytreatmentconditions式中q———断面平均流量,cm/min;K(h)———非饱微量喷水后冠层温度变化与时间的关系可用指数和导水率,cm/min;H1,H2———分别为130cm和140cm曲线描述(图7)。从图7可以看出冠层温度在刚开始深度处的土壤水势,cm;h———土壤基质势,cm;喷完后下降较快,然后变化比较平缓。冠层温度下降的Δz———两个水势间的垂直距离,10cm。指数曲线表示形式为非饱和导水率采用禹城试验站提供的公式计算,模©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 50农业工程学报                     2003年 拟公式为2)干热风是造成北方小麦减产的主要原因之一。K(h)=9.6×10-5exp(-0.0198|h|)(8)利用喷灌系统喷洒微量水分可明显降低冠层温度和减[11]小农田蒸发力。每次喷水1.5mm可影响冠层温度40土壤基质势h用下式确定~60min。空气温度越高、相对湿度越小、风速越大,则θ=0.473×307.28(9)微量喷水对冠层温度影响越大。微量喷水处理条件下,0.904307.28+|h|农田的蒸发能力要明显小于没有喷水处理的。33式中θ———体积含水量,m/m。3)喷灌不仅可以及时补充作物生长所需要的水表32000~2001年和2001~2002年冬小麦分,同时还改善了农田小气候,促进作物生长。喷灌条生长季节耗水量和产量件下冬小麦的水分利用效率要明显高于地面灌溉条件Table3Evapotranspirationandyieldin2000~2001and下的。在不同降水条件下,喷灌农田冬小麦的水分利用2001~2002winterwheatgrowingseasons效率相差不大,说明采用喷灌技术,可以使得冬小麦的土壤水灌水降水渗漏耗水量产量水分生产率维持在较高的水平上。试验处理量变化-2/mm/mm/mm/mm/kg·hm/mm2000~2001喷灌223.0113.6112.012.1436.57001[参 考 文 献]干旱年份地面灌256.5113.685.82.5453.44455[1]信乃诠.中国农业气象学[M].北京:中国农业出版社,2001~2002喷灌150.0126.472.4-19.0367.857431999,539~564.湿润年份地面灌243.6126.4108.02.0476.05469[2] 康贻美,郑玉兰.德州地区的气象灾害分析[J].气象,1995,21(9):43~45.2000~2001年和2001~2002年冬小麦耗水量计算[3]FrostKR,SchwalenHC.Sprinklerevaporationlosses[J].Agric和产量如表3所示。在2000~2001年冬小麦生长季,Eng,1955,36:526~528.[4]KohlKD,KohlRA,DeboerDW.Measurementoflowpressure喷灌条件下冬小麦耗水量比地面灌溉条件下少16.9-2sprinklerevaporationloss[J].TransoftheASAE,1987,30:1071mm,产量多2546kg·hm。在2001~2002年冬小麦生~1074.长季节,喷灌条件下冬小麦耗水量比地面灌溉条件下少[5]AyarsJE,HutmacherRB,SchonemanRA,etal.Influenceof-2108.2mm,产量多274kg·hm。在2000~2001年和cottoncanopyonsprinklerirrigationuniformity[J].Transofthe2001~2002年试验季节,喷灌条件下冬小麦的水分利用ASAE,1991,34:890~896.-3-3效率分别为1.60kg·m和1.56kg·m,而地面灌溉条[6]LiJ,RaoM.Sprinklerwaterdistributionsasaffectedbywinter件下的分别为0.98kg·m-3和1.15kg·m-3。可以看出,wheatcanopy[J].IrrigSci,2000,20:29~35.喷灌条件下的水分利用效率要明显高于地面灌溉条件[7]KohlRA,WrightJL.Airtemperatureandvaporpressurechangescausedbysprinklerirrigation[J].AgronJ,1974,66:85下的。在喷灌条件下,冬小麦的水分利用效率在干旱年~87.份和湿润年份相差较小,但是地面灌溉条件下,冬小麦[8] 杜尧东,王 建,刘作新,等.春小麦田喷灌的水量分布及在湿润年份的水分利用效率要比干旱年份的水分利用小气候效应[J].应用生态学报,2001,12(3):398~400.-3效率高0.17kg·m。微量喷水试验显示,喷水可提高[9] 杨晓光,陈 阜,宫 飞,等.喷灌条件下冬小麦生理特性-2产量291kg·hm,增幅为4.3%。及生态环境特点的试验研究[J].农业工程学报,2000,16(3):35~37.4 结果和讨论[10]TolkJA,HowellTA,SteinerJL,etal.Roleoftranspiration1)喷灌过程中,水滴蒸发和冠层截留蒸发增加了suppressionbyevaporationofinterceptedwaterinimprovingirri2空气湿度,同时水滴蒸发消耗了一部分辐射能量,使得gationefficiency[J].IrrigSci,1995,16:89~95.[11]Ben2AsherJ.Aridlandsirrigationandagro-productivity:a到达冠层的能量减少。在降水量较少的干旱气候条件closedcircuitfromtheoriesthroughmodelsandlaboratoriesto下,喷灌可有效降低空气的温度和增加空气湿度,降低fieldimplementation.In:HuangG(ed)TheoryandPracticeof农田的蒸发能力。在降水量较多的年份,喷灌对农田温WaterSavingAgriculture[M].Beijing:ChinaWaterPower湿度和蒸发力的影响不太显著。喷灌对农田温湿度的Press,2000,40~52.调节作用,可使得冬小麦的光合速率增高,蒸腾强度降[11]低。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.  第6期          刘海军等:喷灌对冬小麦生长环境的调节及其对水分利用效率影响的研究51Regulationoffieldenvironmentalconditionbysprinklerirrigationanditseffectonwateruseefficiencyofwinterwheat※LiuHaijun,KangYaohu,LiuShiping(InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourceResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)Abstract:Afieldexperimentwascarriedouttostudytheeffectsofsprinklerirrigationonairtemperatureandhumidityneargroundsurface,fieldevaporationpotential(watersurfaceevaporationmeasuredusing20cmstandardpanonthetopofcanopy)andwateruseefficiencyofwinterwheatunderdifferentclimateconditions.Acoolingtreatmentbysprayingalittleamountofwa2terusingsprinklerirrigationsystemwasalsoconducted.Itseffectoncanopytemperatureagainstthedryhotwindwasstudied.Experimentalresultsshowthatsprinklerirrigationsignificantlydecreasedthemaximumandaveragedailyairtemperatureandin2creasedtheminimumandaveragedailyrelativehumiditywhenitwasdry.Fieldevaporationpotentialinsprinklerirrigationfieldwasgreatlylowerthanthatinsurfaceirrigationfield.Coolingtreatmentshowedthatsprayinglittleamountofwatercangreatlyde2creasecanopytemperature.Decreaseoffieldevaporationpotentialispositivelyrelatedtosprayingwaterquantityandthemaxi2mumdailytemperature,andnegativelyrelatedtotheminimumrelativehumidityandwindspeed.Winterwheatyieldandwateruseefficiencyundersprinklerirrigationconditionwerehigherthanthatundersurfaceirrigationcondition.Keywords:sprinklerirrigation;fieldmicroclimate;canopytemperature;wateruseefficiency《畜牧工程科技创新与发展》一书出版  由李保明教授主编的《畜牧工程科技创新与发与动物福利等6个专题,30万字。该书内容比较全展》一书由中国农业工程学会畜牧工程分会组织全国面,有一定的理论深度和较高的实用价值,对加快我相关领域的部分专家、学者编著,由中国农业科技出国畜牧工程设施设备标准化和产业化进程,促进畜牧版社出版。该书针对我国畜牧工程的发展现状、主要业可持续发展具有一定的指导意义。成就、存在问题,在认真总结的基础上,结合我国国情和畜牧业发展特点以及所面临的新形势,着重就畜牧定价:48.00元,购书联系方式:业集约化、规模化、标准化生产工艺模式,畜禽养殖建施正香老师筑设施、饲养设备、环境调控等工程配套措施,畜产品中国农业大学(东校区)水利与土木工程学院,安全、无公害、高品位生产技术等进行探讨。该书汇北京100083集了中国农业大学、中国农业科学院、农业部规划设Tel/Fax:+86210282386730计研究院、北京市农业机械研究所等20多家单位专Email:shizhx@263.net,shizhx@cau.edu.cn家学者的最新研究成果,分总论、工程工艺模式、设施网址:www.capitalfarmer.net与设备、环境调控技术、环境保护与环境治理、动物行为©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.

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