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章 節(jié) 第四章 土壤化學(xué)性質(zhì)(4學(xué)時(shí))教學(xué)目的和要求 學(xué)生應(yīng)掌握土壤膠體的種類、性質(zhì)、吸收性能;土壤酸堿性及緩沖性;土壤氧化還原反應(yīng);土壤養(yǎng)分狀況。重點(diǎn)掌握土壤膠體的性質(zhì)、陰陽離子的交換吸附、土壤酸堿性標(biāo)準(zhǔn)酸堿性對土壤及作物的影響、酸堿性調(diào)節(jié)措施、土壤酸堿緩沖性原因、土壤氧化還原體系及對作物的影響、土壤養(yǎng)分性態(tài)及有效性、土壤保肥供肥及調(diào)節(jié)。要求學(xué)生理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合,掌握土壤化學(xué)性質(zhì)的內(nèi)容的優(yōu)劣及其對生產(chǎn)的影響,并對其能進(jìn)行調(diào)節(jié)。重 點(diǎn) 難 點(diǎn) 4 土壤化學(xué)性質(zhì)4.1 土壤膠體與吸收性能重點(diǎn):土壤膠體的種類、性質(zhì);陽離子交換吸附、陰離子交換吸附難點(diǎn):陽離子交換作用4.2 土壤酸堿性與緩沖性重點(diǎn): 土壤酸堿指標(biāo)、影響酸堿性因素、酸堿性對養(yǎng)分及作物影響、酸堿性調(diào)節(jié)難點(diǎn):酸堿性對養(yǎng)分及作物影響 4.3土壤氧化還原反應(yīng)重點(diǎn): 土壤氧化還原電位影響因素 氧化還原電位對作物生長的影響難點(diǎn): 4.4土壤養(yǎng)分狀況重點(diǎn):土壤中養(yǎng)分的存在形態(tài)及其有效性 土壤中養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化 土壤的保肥性、供肥性及其調(diào)節(jié)難點(diǎn):土壤中養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化教學(xué)進(jìn)程(含章節(jié)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法、輔助手段)教學(xué)進(jìn)程(含章節(jié)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法、輔助手段)教學(xué)進(jìn)程(含章節(jié)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法、輔助手段)教學(xué)進(jìn)程(含章節(jié)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法、輔助手段)教學(xué)進(jìn)程(含章節(jié)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法、輔助手段)教學(xué)進(jìn)程(含章節(jié)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法、輔助手段)教學(xué)進(jìn)程(含章節(jié)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法、輔助手段)教學(xué)進(jìn)程(含章節(jié)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配、教學(xué)方法、輔助手段) 4 土壤化學(xué)性質(zhì)4.1 土壤膠體與吸收性能學(xué)時(shí)分配: 50 分鐘 教法: 創(chuàng)設(shè)問題情景,啟發(fā)學(xué)生思維,采用類舉法,結(jié)合土壤膠體圖片,增加學(xué)生對土壤膠體及其作用的認(rèn)識(shí)。導(dǎo)入: 由學(xué)生在以前其它課程接觸到的膠體概念切入土壤膠體,介紹土壤膠體的種類、作用等。 問題:1、土壤膠體的種類有哪些?2、試述土壤膠體的特征及其對土壤理化性質(zhì)的影響?3、為什么南方土壤的陽離子交換量常小于北方土壤?4、如何理解土壤陽離子交換作用對土壤肥力的重要性?內(nèi)容: 一、土壤膠體的概念與種類1 土壤膠體的概念 大小在1-100mm(或1000nm)(在長、寬和高三個(gè)方向上,至少有一個(gè)方向在此范圍內(nèi))的土壤固體顆粒。2.種類:(1)土壤礦質(zhì)膠體:高嶺石 蒙脫石 蛭石(2)土壤有機(jī)膠體 :腐殖質(zhì)等(3)土壤有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合膠體:有機(jī)無機(jī)膠體結(jié)合在一起,土壤中數(shù)量最多,性質(zhì)最好二、土壤膠體的構(gòu)造和性質(zhì)1.膠體構(gòu)造土壤膠體分散系土壤膠團(tuán)土壤溶液膠核雙電層定位離子層(內(nèi)層)補(bǔ)償離子層非活性層擴(kuò)散層反離子層膠粒2.膠體的性質(zhì)(1)巨大的比表面和表面能: 每克膠體的表面積達(dá)500平方米左右,有很強(qiáng)的吸附能力,對保肥、保水作用大。(2)膠體帶有電荷 可帶負(fù)電也可帶正電,通常土壤條件下(我國北方多數(shù)土壤)所帶負(fù)電荷多于正電荷。帶正電或負(fù)電的土壤分別有利于吸附陰離子(如H2PO4- 、HPO42- 、 PO43-)或陽離子(如Fe3 + 、Ca2+ 、Mg2+、K+、NH4+、 Na+)土壤電荷據(jù)來源性質(zhì)又分為兩種: 永久負(fù)電荷: 粘土礦物在形成時(shí),晶格內(nèi)發(fā)生同晶置換而產(chǎn)生的電荷。不易改變。 可變電荷:指膠體上隨著土壤溶液pH值變化而發(fā)生電荷數(shù)量(甚至電荷符號(hào))變化的那部分電荷叫可變電荷。易改變。(3)土壤膠體可改變其狀態(tài):水多時(shí)為溶膠、水少時(shí)為凝膠,是可逆過程。膠體狀態(tài)的改變,影響土壤保肥供肥狀況。三、土壤的陽離子吸附與交換1. 陽離子交換作用:土壤膠體顆粒吸附的陽離子與土壤溶液中的陽離子進(jìn)行交換吸附的作用。參與交換吸附的陽離子稱為交換性陽離子。陽離子交換作用是土壤的養(yǎng)分離子保肥(吸附)和供肥(解吸)的過程。據(jù)性質(zhì),交換性陽離子可分兩種:致酸離子(能使土壤酸度增強(qiáng)): H+ Al3+ 鹽基離子(可與陰離子形成鹽):Fe3 + 、Ca2+ 、Mg2+、K+、NH4+、 Na+交換吸附作用示意圖:土壤膠粒土壤膠粒Ca2+NH4+3K+ Ca2+ +NH4+ K+K+K+2.交換作用的特征(1)交換是可逆反應(yīng) :一種離子可被吸附與膠體表明,也可進(jìn)入溶液。(2)、等數(shù)量電荷交換:交換的電荷數(shù)相等。(3)交換符合質(zhì)量作用定律:土壤溶液中某種離子的濃度改變,則土壤膠體上吸附的其它離子發(fā)生改變,這對施肥、保肥又重要意義。3 陽離子交換能力 陽離子交換能力受以下因素影響:(1)電荷的影響 : 高價(jià)離子交換能力低價(jià)離子 (2)離子半徑和離子水化半徑 : 同價(jià)離子,離子半徑大的、水化半徑小的交換能力大。H離子有特殊性,其H3O+半徑很小,運(yùn)動(dòng)速度快,因此交換能力大于二價(jià)離子。各種單個(gè)陽離子交換能力順序?yàn)椋篎e3+ 、Al3+ H+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+(3)離子濃度: 交換能力弱的離子在濃度足夠大的情況下,可以交換吸附濃度低高價(jià)離子。這對施肥以調(diào)整養(yǎng)分離子的有效性有意義講解原因?舉例解釋:餓虎難敵群狼,人多力量大4.介紹兩個(gè)重要指標(biāo):陽離子交換量(CEC) :是指在一定pH時(shí)每1000g干土所能吸附的全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)。 (其反映土壤含有的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量)。鹽基飽和度: 指土壤中交換性鹽基離子( Fe3+ K+、Na+、NH4+、Ca2+ 、Mg2+等)總量占陽離子交換量的百分?jǐn)?shù)。 (其反映土壤養(yǎng)分的有效性的)5.影響交換性陽離子有效度的因素交換性陽離子對植物有效性的如何,很大程度上取決于它們從膠體上解吸或交換的難易:(1)、交換性離子的飽和度 : 是指土壤吸附某離子的量占土壤陽離子交換量的百分?jǐn)?shù)。某離子飽和度愈大,被交換而解吸的機(jī)會(huì)愈多,則有效度愈大。集中施肥、近根施肥的道理。土壤CEC/(c mol/kg交換性Ca量/(c mol/kg)交換性Ca的飽和度%Ca的有效度甲10440.0大乙40512.5小解釋表中甲乙土壤的養(yǎng)分有效性。施肥一大片,不如一條線。(2).陪補(bǔ)離子效應(yīng):與該離子共存的其他離子為陪補(bǔ)離子。陪補(bǔ)離子吸附力強(qiáng),則該離子有效性強(qiáng)。為什么?舉例說明。(3).粘土礦物類型:北方蒙脫石吸附離子于晶層間,牢固,有效度低;南方高嶺石吸附于表明,有效度高四、土壤的陰離子吸附與交換1.定義:土壤膠體顆粒吸附的陰離子與土壤溶液中的陰離子進(jìn)行交換吸附的作用。參與交換吸附的陰離子稱為交換性陰離子。陰離子交換作用是土壤的養(yǎng)分離子保肥(吸附)和供肥(解吸)的過程。(簡單講解)負(fù)吸附:土壤溶液中的離子濃度大于膠體表明的離子濃度的現(xiàn)象。北方土壤多數(shù)為堿性,易發(fā)生負(fù)吸附。2.土壤中主要陰離子吸附狀況:(1)易于被土壤吸收的陰離子 如磷酸根(H2PO4- HPO42- PO43-)、硅酸根(HSiO3-、SiO32-)和某些有機(jī)酸的陰離子(如草酸根)(2)很少被吸收或根本不被吸收的陰離子 如Cl-、NO3-出現(xiàn)負(fù)吸附(固體表面濃度低于溶液中濃度)極易隨水流失。(3)介于上述兩者之間的陰離子 如SO42-、CO32-、HCO3-、及某些有機(jī)酸的陰離子,土壤吸收它們的能力很弱。鑒于以上情況,施肥、澆水時(shí)應(yīng)注意的問題?4.2 土壤酸堿性與緩沖性學(xué)時(shí)分配:60 分鐘 教法: 創(chuàng)設(shè)問題情景,啟發(fā)學(xué)生思維,采用類舉法,結(jié)合土壤酸堿度對作物及土壤的影響,增加學(xué)生對土壤酸堿度的認(rèn)識(shí)。導(dǎo)入: 由土壤酸堿產(chǎn)生的原因開始,進(jìn)而講解土壤酸堿影響因素、酸堿指標(biāo)、酸堿性對作物及土壤的影響,最后講酸堿調(diào)節(jié)措施。 問題:1、試比較活性酸和潛性酸的區(qū)別和聯(lián)系。2、試述影響土壤酸堿性的因素。3、什么是土壤緩沖性?有什么作用?4、試述土壤酸堿性和作物生長的關(guān)系5.土壤酸堿性影響因素有哪些?如何調(diào)節(jié)土壤的酸堿性?內(nèi)容: 一. 土壤酸性的來源與類型1.來源(簡單介紹)(1)水的解離(2)碳酸解離(3)有機(jī)酸的解離(4)酸雨:pH小于5.6的化學(xué)物質(zhì)(如SO2)隨降雨到地面如土壤。(5)其它無機(jī)酸:硅酸、磷酸等。 (6)土壤中鋁的水解:AL3 為制酸離子2.類型:土壤酸可分為活性酸和潛性酸。土壤活性酸是指與土壤固相處于平衡狀態(tài)的土壤溶液中的氫離子。土壤潛性酸是指吸附在土壤膠體表面的交換性致酸離子(H和Al3). 土壤潛性酸是活性酸的主要來源和后備,它們始終處于動(dòng)態(tài)平衡之中,是屬于一個(gè)體系中的兩種酸。兩者可以相互轉(zhuǎn)化。土壤中潛性酸的數(shù)量比活性酸大很多。但對作物產(chǎn)生直接作用的是活性酸。3.酸度指標(biāo):土壤酸度有不同的表示方法。土壤活性酸常用酸性強(qiáng)度指標(biāo)表示,一般用PH值表示。pH值大小與土壤酸堿性的對應(yīng)關(guān)系:pH值: 8.5酸堿度 強(qiáng)酸 酸 中 堿 強(qiáng)堿二、土壤堿性的來源及指標(biāo)1.來源:主要是鈣鎂鈉的碳酸鹽和重碳酸鹽水解、膠體表面吸附的交換性鈉水解。2.指標(biāo):(1)pH值(2)總堿度:是指1000克土壤中碳酸根、重碳酸根的厘摩爾數(shù).(3)堿化度(鈉堿化度:ESP):指土壤膠體吸附的交換性鈉離子占陽離子交換量的百分率。 三、影響土壤性酸堿的因素1.氣候因素:溫暖濕潤酸性土、 寒冷干燥堿性土。 原因?2.生物因素:生物呼吸產(chǎn)生CO2,有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生有機(jī)酸3.母質(zhì)影響:基性巖、超基性巖土壤偏堿; 酸性巖土壤偏堿4.人為因素:施肥、澆水生理酸性肥:硫酸銨、氯化銨、硫酸鉀、 氯化鉀生理堿性肥料:硝酸鈉、硝酸鈣施有機(jī)肥多的土壤, pH值小一般地,土壤水含量多,pH值大。5.大氣污染:二氧化硫產(chǎn)生酸雨6.鹽基飽和度:鹽基飽和度越高,pH值越高。原因? 四、土壤酸堿性對土壤養(yǎng)分和作物生長的影響1、土壤PH6.5左右時(shí),各種營養(yǎng)元素的有效度都較高,并適宜多數(shù)植物的生長。2、PH在微酸性、中性、堿性土壤中,氮、硫、鉀的有效度高。3、PH67的土壤中,磷的有效度最高。PH7時(shí),則易產(chǎn)生磷酸鈣沉淀,磷的有效性降低。4、在強(qiáng)酸和強(qiáng)堿土壤中,有效性鈣鎂的含量低,在PH6.58.5的土壤中,有效度較高。5、在酸性和強(qiáng)酸性土壤中,鐵錳銅鋅等微量元素有效度高;在PH7的土壤中,活性鐵錳銅鋅離子明顯下降,并常常出項(xiàng)鐵錳離子的供應(yīng)不足。6、在酸性土壤中,鉬的有效度低。PH6時(shí),其有效度增加。硼的有效度與PH的關(guān)系較復(fù)雜,在酸性土壤和PH7.08.5的石灰性土壤中,有效度均較低,在pH6.07.0和pH8.5的堿性土壤中,有效度較高。7. 有些植物可在很寬的pH范圍內(nèi)正常生長,大多數(shù)植物在pH9.0或壤土砂土, (3)土壤有機(jī)質(zhì):表土的有機(jī)質(zhì)含量較底土的高,緩沖性也是表土較底土強(qiáng)。 4.3土壤氧化還原反應(yīng)學(xué)時(shí)分配: 20 分鐘 教法: 概況講解土壤氧化還原影響因素及對作物生長的影響導(dǎo)入: 由土壤氧化還原體系的存在,重點(diǎn)講解氧化還原的影響因素及對作物的影響。 問題:試述土壤氧化還原狀況和作物生長的關(guān)系。如何調(diào)節(jié)土壤的氧化還原狀況?內(nèi)容一. 土壤氧化還原體系土壤中存在著一系列參與氧化還原反映的物質(zhì),并不斷地進(jìn)行著包括化學(xué)的和生物化學(xué)的復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)。這些過程對土壤的肥力和植物生長帶來深刻的影響,是土壤溶液中一種重要的化學(xué)性質(zhì)。 土壤氧化還原體系及物質(zhì):有機(jī)體系:為還原物質(zhì),主要是新鮮的未分解的有機(jī)物質(zhì)如有機(jī)酸、糖、酚等有機(jī)化合物、微生物體及代謝物。無機(jī)體系:氧化物質(zhì),氧體系O 2 、 氮體系NO 3 - 、 鐵體系Fe 3+ 、 錳體系Mn 4+、硫體系 SO 4 2-二. 土壤氧化還原電位及其影響因素1.定義:由于氧化態(tài)物質(zhì)和還原態(tài)物質(zhì)的濃度關(guān)系而產(chǎn)生的電位稱為氧化還原電位( Eh 。單位為 V (伏)和 mV (毫伏)。所以氧化還原電位可以作為土壤通氣的指標(biāo)。2.影響因素: 土壤的通氣性 土壤通氣狀態(tài)直接確定了土壤中氧的濃度,在通氣良好的土壤中土壤與大氣間氣體交換迅速,使得土壤中氧濃度較高, En 值高。在排水不良的土壤中,通氣空隙減少,使得大氣與土壤交換緩慢, O 2 的濃度降低,再加上微生物消耗氧, Eh 下降,所以同一土壤, Eh 可以作為土壤通氣狀況的相對指標(biāo)。 土壤中易分解的有機(jī)質(zhì) 土壤中許多易分解的有機(jī)質(zhì)可作為微生物需要的養(yǎng)分和能量的來源。在嫌氣分解的過程中,微生物奪取有機(jī)質(zhì)中所含的氧,形成多種還原性的物質(zhì),所以在淹水條件下,施用新鮮的有機(jī)肥料,使土壤的 En 值急劇下降,這種現(xiàn)象在保肥田旱稻苗期經(jīng)常發(fā)生。 土壤中易氧化物質(zhì)或易還原物質(zhì) 土壤中易氧化的物質(zhì)如 Fe 2+ 、 Mn 2+ 等含量多,說明該土壤具有較強(qiáng)的還原性,并且抗氧化能力也強(qiáng);反之,易還原物質(zhì)如 Fe 3+ 、 Mn 4+ 較多時(shí),抗還原能力也大。含鐵、錳較多的土壤,灌水后 Eh 不易迅速下降,其原因是具有這種 “ 緩沖能力 ” 。 植物根系的代謝作用 植物根系在其生命活動(dòng)中,能分泌有機(jī)酸物質(zhì),降低根際 pH 值,對于一般旱地植物,根際土壤 En 較根外低數(shù)十 mv ,而水稻根系能分泌氧,使根際土壤 En 值較根外(非根際土壤)為高。三、氧化還原電位對作物生長的影響1.對作物的影響:作物所需的礦質(zhì)養(yǎng)分有些需要是呈氧化態(tài)是才能被植物吸收。如磷以 H 2 PO 4 - 或 HPO 4 - 形態(tài)被吸收,硫以 SO 4 2- 形態(tài)被吸收。有效養(yǎng)分則需要還原態(tài)才能被吸收,如鐵、錳分別以 Fe 2+ 、 Mn 2+ 形態(tài)被吸收。而對于氮素而言,無論氧化態(tài)( NO 3 - )或還原態(tài) NH 4 + 都能被植物吸收,然而旱地以 NO 3 -為主,水地以 NH 4 + 為主。所以氧化還原電位的高低能影響到各種變價(jià)養(yǎng)分元素的有效性,過高或過低均會(huì)影響到作物的生長。2.調(diào)節(jié)氧化還原電位的措施(1.)加強(qiáng)耕作管理,調(diào)節(jié)土壤通氣性(2)改善土壤質(zhì)地(3)加強(qiáng)排水灌溉(4)調(diào)節(jié)土壤有機(jī)物質(zhì)含量及狀態(tài)4.4土壤養(yǎng)分狀況學(xué)時(shí)分配: 50 分鐘 教法:結(jié)合土壤肥力養(yǎng)分因素及生產(chǎn)實(shí)際,舉例說明、深入淺出講授導(dǎo)入: 由土壤肥力的養(yǎng)分因素開始,講解養(yǎng)分的種類、形態(tài)、有效性、轉(zhuǎn)化及土壤保肥供肥問題:1、簡述土壤養(yǎng)分的存在形態(tài)及對植物的有效性。2、簡述土壤養(yǎng)分的無效化和有效化過程。3、什么是土壤保肥性和供肥性?如何進(jìn)行調(diào)節(jié)?內(nèi)容:一、土壤中養(yǎng)分的存在形態(tài)及其有效性主要介紹氮磷鉀等的形態(tài)及有效性1.土壤氮形態(tài)及有效性有效 .土壤全氮無機(jī)態(tài)氮(5%)NO3N,NO2N,少量 NH4+N溶液態(tài)交換態(tài)固定態(tài)有機(jī)態(tài)氮(95%)水溶性含量5%氨基酸胺鹽酰胺類化合物蛋白質(zhì)多肽核蛋白非水解性含量30%雜環(huán)態(tài)化合物等水解性速效2.土壤磷形態(tài)及有效性我國土壤的全磷量(以P2O5計(jì))一般在0.050.30%之間,變幅很大。北方比南方高。我省土壤全磷量(P)在0.030.06%。土壤全磷量高者,有效磷的供應(yīng)不一定充足,得看速效磷的含量。土壤全磷有機(jī)態(tài)磷 植素類、核酸類、磷脂類等 占全磷量的1030%無機(jī)態(tài)磷占全磷量的70%以上磷酸鈣鎂類化合物 如(CaP)Ca(H2PO4)2 CaHPO4 Ca3(PO4)2 Ca4H(PO4)3 Ca5(PO4)3F 磷酸鐵和磷酸鋁類化合物 如(FeP、AlP)Fe(OH)2H2PO4 AI(OH)2H2PO4閉蓄態(tài)磷由氧化鐵膠膜或類似物質(zhì)包被著的磷酸鹽有效磷3.土壤鉀地殼和土壤中鉀素的含量遠(yuǎn)比氮、磷多,我國土壤鉀的含量變幅較大,一般在2.5%以下,分布趨勢是從南到北逐漸升高。礦物態(tài)鉀: 90%以上,土壤中的含鉀礦物,如鉀長石 屬于無效性鉀。占1.2固定態(tài)鉀: 非交換性鉀,粘土礦物晶格孔穴中的鉀, 是緩效性鉀。交換性鉀: 土壤膠體表面吸附的鉀離子, 是速效性鉀。水溶性鉀: 土壤溶液中的鉀離子, 是速效性鉀,4. 土壤微量元素的形態(tài)礦物態(tài) : 存在于固體礦物中。交換態(tài) : 吸附于膠體表面的離子。溶解態(tài) : 大多為離子形態(tài), 二、土壤中養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化1.氮:循環(huán):氮轉(zhuǎn)化:(1)有機(jī)態(tài)氮的礦化過程 以蛋白質(zhì)為例:水解作用 蛋白質(zhì)在酶的作用下,逐級水解,變?yōu)楹唵蔚暮袡C(jī)物氨基酸的作用。氨化作用 水解產(chǎn)物氨基酸,在微生物和酶的參與下繼續(xù)分解,釋放出氨的作用。(2)硝化作用 氨態(tài)氮經(jīng)兩種特殊細(xì)菌的作用氧化成硝酸的過程。 亞硝化細(xì)菌2NH4+ + 3O2 2NO2 + 2H2O + 4H+660 kj 硝化細(xì)菌2NO2 + O2 2NO3 + 1 80.6 kj(3)反硝化作用 反硝化細(xì)菌 反硝化細(xì)菌NO3 NO2 N2或 N2O、NO(4)銨的固定 21型粘粒礦物硅氧片中六方形網(wǎng)孔半徑和銨離子半徑近似,銨離子很易嵌入網(wǎng)孔被固定。2.磷循環(huán):礦物磷 有效磷 作物吸收 有機(jī)質(zhì)礦化 磷的固定:土壤中速效磷化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榫徯誀顟B(tài),稱為土壤固磷作用。主要有三種固磷機(jī)制:(1)化學(xué)沉淀機(jī)制在酸性土壤中,F(xiàn)e、Al、Mn離子和它們的氧化物、氫氧化物都可與H2PO作用產(chǎn)生難溶性的羥基磷酸鹽。Fe3+H2PO4+2H2O
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