创新是有机农业发展的必由之路-以“特石模式”为例

浏览:254 发表时间:2020-06-01 09:15:08
编者按:文章系统的分析了中国有机农业发展发展缓慢的原因,针对这些原因提出解决之道,并用多年实践的特石模式展示了可行性。



创新是有机农业发展的必由之路-以“特石模式”为例

作者:韩农


中国有机农业发展了近三十年,虽说有了长足的进步,但是从有机农业占全国农业总产量(2017年,1.04%【1】)或者生产面积(2017年,1.76%,【1】)的比例来看,仍然处于发展的初级阶段,很难称其为一个有影响力的行业。


尽管有很好的政策支持和市场导向,中国有机农业依然在缓慢地爬坡过程中,除了外部因素以外,有机农业本身固有的问题和瓶颈一直制约着其快速发展。


一、有机农业发展的局限


1、强调社会属性过多,自然属性过少


生产力是推动社会发展进步的“发动机”,生产力决定生产关系,经济基础决定上层建筑,是政治经济学的基本理论。有机农业作为一个自然科学领域的产业,优先提高的应该是自身的生产力水平。在众多的有机农业案例分析中,很少提及如何提高有机农业的生产力水平,更多的是强调生产关系,例如“社区支持农业(CSA)”,不强调生产者如何提高自身的生产力水平而侧重于构建生产者与消费者之间的关系,试图用改良的生产关系掩盖落后的生产力。


有机农业认识到化学农业带来的环境污染、气候变化和食品安全的问题,希望用更生态、更可持续的农业形式取代之,在这个过程中生产力水平的提升是一个不容回避的主题,自古以来,任何行业的发展更替,都是生产力进步的结果,没有例外。


2、继承传统有余,科学创新不足


有机农业不是复古农业,不是低生产力的代名词,它本身的内在属性是在“有机四原则”指导下的产业,属于自然科学范畴。大多数有机农业从业者对于有机农业的本质理解片面化、极端化,偏重于继承传统,对于许多先进的科学技术持有怀疑的态度,这导致有机农业行业应用先进技术受到阻碍,生产力水平难以提高。


以耕作土壤的改良为例,《汜胜之书》说道:“凡耕之本,在于趣时,和土,务粪泽,早锄草获”,其中“和土”是指理想土壤的松软状态,通过耕作达到这种理想状态,有搅拌混合的意思,但古人并不知道土壤团粒结构的形成机理,也不知土壤中微生物对于土壤结构的影响,所以一味地按照传统经验耕作,是为知其然不知其所以然,难以适应不同的地理和土壤情况,也无法量化指标。如果依据现代土壤理论,结合对土壤基本指标的测量,运用先进的技术,针对性地对土壤进行改良,获得良好的、量化的结果,才是科学的有效的做法。


3、有机农业缺乏完整的、创新的理论体系


近百年来,石化农业使用化肥是建立在矿质营养理论基础上的,有机农业拒绝使用化肥但仍然认可矿质营养理论,并未提出创新的系统理论证明其与石化农业在作物营养方面的差异性或特殊性。有机农业也提出了重视土壤可持续发展,不要掠夺性地使用土地等理念,但是仍然没有发展出基于土壤可持续利用的理论体系。在作物的有机养分供给和品质方面,也缺乏系统的理论研究。作为与石化农业相抗衡的新兴产业,有机农业理论体系的缺失或不足,是制约整个有机农业行业发展重大缺陷。


4、偏重监管和约束,对于提高生产力的技术指引不足


有机农业标准规定的限制性条款很多,尤其是投入物的限制,但是对于实际生产中可能产生的问题,其应对的有效手段相对不足。当然,这不是标准要解决的问题,作为一个发展中的行业,需要更多的适应性技术解决有机农业整体生产力低下的问题,如果根据“有机四原则”制定《有机农业产业技术导引手册》,来帮助有机农业者,就可大幅度提高他们的生产力水平。


标准限定在有机农业生产中不可以使用的物质,而《手册》则可以提供用什么物质或技术来解决问题。


发展有机农业首先要从生产端保证农产品的产量和质量。由于当前技术投入水平低,有机农业生产技术人员匮乏,导致有机产品产量相对较低,有机产品价格过高。因此相关部门和高校应该致力于研究有机农业的生产技术,培养有机生产技术人员,提高有机产品的产量和质量。【2】


基于生态可持续思想下的有机农业是最有希望取代消耗不可再生资源的化学农业的新兴产业,在“有机四原则”指导下,与时俱进,研究有机农业的系统理论,创新生态友好的先进科学技术,提供更多的服务支持,全面提高有机农业的生产力水平。


二、有机农业需要创新


1、理论创新


有机农业应当是一套具有完整的、高生产力水平的理论体系,涵盖土壤、环境、种植养殖、废弃物循环、生产效率、农业机械化和智能化等方面。


依笔者来看,有机农业的理论至少要包括以下四个方面:


1)循环理论


从国际有机运动联盟IFORM的有机农业定义可以看出,有机农业生产很大程度上依赖于生产物质的循环利用,可以说无循环不有机。从理论上看,有机农业的良性循环应该具有以下特征:


高生产力

农业生产本身就是自然再生产和经济再生产的密切交织,要求更高的投入产出比,而提高投入产出比就需要解决循环的效率。自然农业基本上属于低生产力的自然再生产,其投入产出比值较低;


稳定性

即使具备循环的要件,靠天吃饭的自然生产力是不稳定的,良性循环应该能够抵御一定的自然风险,比如气候突然变化和病虫害的爆发等,这需要依靠创新的生态技术和现代化设施加以解决;


可持续性

从农业投入物资源的循环利用和产出的平衡,每个环节都需要略有冗余,以保证在转换效率变化时可以保持循环系统的可持续发展而不至于受到某个环节的不利影响,例如较差的土壤改良需要额外的农业废弃物资源的投入,根据地理气候和种植产出等情况,以适当的冗余度予以补充;


多维性

从有机农业的定义不难看出,有机农业的生产尽可能地依靠生产单元内部的物质循环来实现,这就要求有机生产的多维性,例如种植养殖一体化和废弃物转化等。充分利用阳光和土地资源的多样性种植及间作套种、初级产品和加工产品的链条化、向体验服务延伸的产业多元化等等,增加的这些维度,都是为了维护循环系统的稳定性和可持续性。


以种植生产为例,深根系物种和浅根系物种组合,可最大限度地利用不同土层的水分和养分;不同冠层结构的物种搭配,可有效利用空间资源和光能资源;不同物候期的物种构建的群落可在不同阶段充分利用有限的养分。这也符合了生物多样性的资源互补理论,多样性的增加使群落中物种的功能特性(如根系深度、冠层高度、生长速度、竞争能力及对不良环境的耐受力等)的多样化增加,从而可实现对有限的资源在不同的时间、空间,以不同的方式进行利用,使资源利用率最大化,进而导致系统功能水平的提高。


2)可持续发展理论


推广有机农业的本质是推动普及可持续的农业生产方式,这个核心点与1981年马世骏先生在农业生态工程学术讨论会上提出“整体、协调、循环、再生”生态工程建设原理不谋而合。


有机农业的可持续理论是多维度的,首先是农业自然资源的永续利用和农业生态环境的良好维护;其次是在经济上可以自我维持和自我发展;第三是高品质高产出水平的长期维持,;第四是能满足人类食、衣、住等基本需求和农村剩余劳动力就业机会不断增加以及农村社会环境良性发展。


在农业生产的环节中至少包括:


土壤利用可持续(Soil Sustainable)

减少外来物质的投入,通过技术手段强化对光能、空气固氮、土壤固碳固氮的利用,以及资源的再生循环,如剩余物资的返还(秸秆畜禽粪便等),需要研究提出有机农业条件下土壤可持续的生态学机理。


环境可持续(Environment Sustainable)

通过人工构建和环境保育,使得生产区域的生物多样性在满足高生产力的同时得以持续稳定,提出农业剩余物资高效率循环利用的量化模型和生物多样性对病虫害的前端控制模型。


生产能力的可持续性(Productivity Sustainable)

以销定产的订单制生产是最佳选择,通过合理组织周年生产计划,实现均衡生产和产销平衡,减少生产环节的浪费。


3)比较优势理论


品质差别(高营养、无农残)

优质优价在成熟的市场会得到体现,即使在目前鱼龙混杂和不良竞争的市场,由于越来越多的消费者开始注重食品安全和环境保护,消费者愿意支付较高的溢价食用有机食品来取代低营养的、有安全隐患常规产品,但是需要有机农业给出更多的科学验证和案例,证明有机产品品质的比较优势。


技术差别(化学技术VS生物技术)

农业生产过程中的不确定因素很多,受自然地理气候季节的影响又比较大,采取创新的技术和先进的现代化设施设备能够提高系统生产力,这方面和常规现代农业的目标是一致的,只不过手段有所不同,比如用生物农药替代化学农药,用有机肥替代化学肥料等等,但是仅仅考虑替代是不够的,需要系统地研究更高效能而且对环境更友好的技术。


成本差别(生产成本和环境成本)

如果将环境成本计算在内,化学农业的生产成本将比系统化的有机生产更高,尽管这方面还有赖于政府和企业及农户的共同努力,希望农产品生产的真实成本能够涵盖环境成本。在常规农业巨大的产品数量和低成本的压力下,有机农业的的核心竞争力完全依赖于技术的进步,在当前无法计入环境成本的压力下能否与化学农业生产展开市场竞争,是有机农业创新的重任,我们不能指望市场很快接受环境成本叠加到农产品成本上,唯一的突破口就是依靠环境友好型的先进技术的应用,提高生产力来与化学农业竞争。


有机农业内部的生产成本对比化学农业能否取得比较优势主要取决于是否具备完整的、高效率的生产技术体系。从特石十年的实践来看,高品质低成本的规模化有机生产完全可以可以与化学农业一较高下,说明技术的进步能够带来生产力的大幅度提升的和成本的下降。


4)组织创新


1912年,熊彼特在《经济发展理论》中指出,创新是指“企业家对生产要素的新的组合”,也就是把一种从来没有过的生产要素和生产条件的“新组合”引入生产体,形成新型生产力,以获取潜在利润。生产要素和生产条件的新组合,构建创新的组织模式,核心目标仍然是提高生产力。生产要素包括劳动力、土地、资本、企业家才能、信息等,生产条件包括技术、产品、设施装备等。


作为有机农业生产组织形式,需要依据地域化地理化进行优化组合,并非普适性的,这也体现了农业生产和地理地域高度相关的特性,例如人烟稀少的偏远山区适宜发展以家庭为单位的特色有机农场而非规模化的产业农场,反而是效率最大化的选择,而土壤广袤的平原和城市近郊,则需要以更高效率的现代化企业有机农场为组织形式。


在中国广大的农村,农户土地承包经营权导致的分散经营,乡村农业集体经济极度萎缩,乡村农业基础资源的碎片化,不利于现代化先进技术的应用,也是造成当下农村农业生产力水平低下的一个重要原因。在有机农业推广的组织形式中,发展壮大乡村集体经济组织,重新恢复以村为单位的土地适度集约经营,是农村发展有机农业的核心组织问题。


生产者和消费者的关系构建,是为构建互信模式。传统的产销不见面在食品安全危机的影响下,信任度大幅下降,尽管有政府监管做背书也很难打消消费者的顾虑。互信型生产-消费模式需要多方面配合,包括可信的科普教育、消费者对生产者的了解、第三方监管的背书等等。例如日本的农协体制,所有农户的产品都明确标识着生产者的情况,便于增加消费者的信任,又如近年来兴起的CSA社区支持农业,其本质是增进消费者对生产的了解和对农业生产的了解。随着互联网和物联网的发展,生产者直销进入消费领域将是未来的主要趋势,这就要求生产者有足够的能力和自信面对消费者的检验,这是构建新型互信型产销模式的关键,而生产者的背信也将承担被市场抛弃和严厉处罚的后果。


2、技术创新


限制多,创新少;传统多,科技少;情怀高,效益低。这些现象,仍然是有机农业发展几十年的真实写照。科技创新和技术进步能够提高生产力,增加效益,降低成本,是有机农业与化学农业竞争乃至替代的核心武器。


以特石模式为例,说明有机农业的三个主要瓶颈技术突破带来的好处。


a)土壤改良


使用有机肥和秸秆还田,并没有解决贫瘠土壤或被破坏的土壤如何能尽快修复的问题,更何况这些基于传统的培肥土壤肥力的手段被证实效率很低,无论是秸秆直接还田或是制作腐熟的有机肥再还田,对土壤有机质的增加每年平均不过0.1%【3】【4】。


特石模式的创新:


土壤品质的提高,一个主要的指标是有机质的快速大幅度增加,其本质就是有机碳的固持。既然传统的有机物料直接还田或者腐熟的有机肥使用,并不能显著增加土壤的碳固持,就要看看这样的方法到底出了什么问题,然后找出解决问题的办法。


传统理论认为,土壤有机质的形成,土壤微生物的贡献不超过5%,现在越来越多的证据表明,土壤微生物对于碳固持的贡献可能超过50%甚至更高。图1是一个土壤碳固持的假设模型,依据这个假设,特石公司做了十年的探索和多种土壤条件下的试验,目前已经取得了阶段性的成果,可以实现快速、低成本、有效地提高土壤有机碳的固持(有机质大幅度提升),同时将有机碳在土壤中的固持由30%提高到50%。在中国三个不同土壤类型下的改良结果表明这种创新的技术方法具有时间短、效果好、成本低等突出特点。



图1.土壤改良机理模型示意图,箭头方向代表了从一种状态向另一种状态的转化,虚线代表了两种因素之间的相关性,p=转化概率,Ln=木质素,M=微生物,N=微生物残体,Lw=低分子量有机物,C=土壤有机碳;r=相关系数,A=土壤团粒结构,NPK=土壤氮磷钾,Mo=土壤湿润度,pH=土壤pH值。


采用特石模式改良土壤的特点:


快速-从物料处理到改良完成仅需要20天左右,每年一次的改良,可以实现土壤有机质0.5%-1%的增长,效率比传统做法提高5倍以上。


低成本-由于所有物料均为就地取材的“农业废弃物”并且就在田间地头处理,就地改良,没有物料来回运输的成本,成本比商品有机肥降低一半以上。


可持续-特石专用技术的应用大幅度降低了有机物料的碳氮损失,转化为土壤有机质固持在土壤中,只要每年根据产出农产品带走的养分,用“农业废弃物”再经过处理转化为土壤有机质,可以长期保持土壤有机质维持在3%左右。


b)循环


循环生产是所有行业应当遵循的生态准则,废弃物回收循环利用也是降低生产成本的重要措施。在农业生产中会有大量的“废弃物”产生,如何快速高效率地处理回用并且降低环境污染,是农业循环的核心技术。


目前对于农业“废弃物”的处理大体分为两类,固体形式的如秸秆树枝,作为制作有机肥的原料或者直接翻入田间,液体形式的如畜禽粪便和生活污水,较好的处理是厌氧发酵,目前更多的是露天发酵,不但养分大量损失而且污染环境。


从减少排放的角度,秸秆等有机物料无论是直接还田还是堆肥制作有机肥,其碳氮的损失都是很高的(秸秆直接还田的碳损失70%,堆肥过程氮损失max70%【5-7】,碳损失max63%)【6-8】。


厌氧发酵是一种比较彻底的废弃物转化技术,但是目前的厌氧消化技术设备效率太低,消化周期太长,难以满足规模化生产时废弃物转化与种植生产所需养分的及时供应,成为循环生产的瓶颈。


值得注意的是,目前国家正在推行的乡村人居环境工程中,农村生活污水的处理仍然沿袭了工业化处理的思维和做法,即农户旱厕改为水冲式厕所→户用三格式化粪池→乡村污水处理厂(站)→达标排放。这样的处理方式,不仅增大了农村生活污水的处理运行成本而且浪费了宝贵的养分资源。


特石模式的创新:


研发并定型生产了基于多项专利的技术装备-特石两相变压厌氧生物发酵装置,大幅度提高了液体类废弃物转化的效率,原料(畜禽粪便、居民生活污水等)的转化率在14个小时内(传统沼气技术消化时间>28天)就可以达到95%(传统沼气设施的消化率70%),相比目前流行的UASB消化器或传统的沼气池,消化时间缩短了数倍乃至十几倍。


经过特石变压厌氧发酵装置产出的厌氧发酵液,消除了畜禽粪便原料中可能含有的抗生素残留和重金属残留(通过硫酸盐反应和铁锰氧化络合在装置污泥中)超标的问题。


产出的厌氧发酵液作为速效的有机肥料,与水肥一体化节水灌溉设施结合,可以满足有机农业生产中随时随地追肥的需求,真正实现变废为宝的目标。


选配的膜过滤装备,可以将厌氧发酵液原液浓缩8倍,再络合植物和矿物质提取物,制成速效养分+杀菌+杀虫三效合一的纯生物制剂,用于有机种植防治病虫害并同时增加作物的有机养分。


c)病虫害防治


有机农业提倡生物多样性,但是只是提出了倡导原则,在具体的生产实践中如何实现,仍然缺乏具体的指引。


生物多样性导致环境的稳定性是生态学界的基本共识,从农业生产的角度,过去的许多研究都是在特定试验条件下的单对单(singletosingle)完成的,包括所谓的推拉(push-pull)和趋避效应(Flightfrom),在复杂的开放式的大田中应用是否有效还缺乏实证。


特石模式的创新:


依靠生物多样性吸引生物天敌控制农业病虫害,是基于生物多样性的生物天敌假说,依据这个假说,结合地域条件和生物天敌的习性,在大田中以宽度0.5米-3米不等的条带形式,人工种植多种特定种类的花草乔灌植物,并同时设置适宜生物天敌越冬越夏的栖息地环境(如湿地、土石堆、树林),再造生产环境下的生物多样性措施,该项技术被命名为“特石生态条带”。


经过在不同纬度和不同生产环境条件下的实践验证,结果表明,实施了“特石生态条带”的生产区,各类昆虫的种类和数量大幅度增加,许多生物天敌表现出定居现象,有机农业生产中病虫害大幅度减少,生物农药的使用也大幅度下降,表明该技术方法对农业生产中的虫害有着比较好的前端控制特点,大大降低了虫害后端治理的难度。


由于在开放式的大田环境中,不同地区的害虫-天敌生态链也有不同的组合类型,很难做出普适性的标准来配置生态条带植物,我们根据十二年的实践,确定了在中国北方、中部和南方三个典型气候和环境条件下的标准条带植物配置。目前,我们正在与有关科研机构合作,进行更大面积内实施“特石生态条带”效果的数据验证,包括昆虫种群数量的变化和稳定情况、农作物虫害的变化、对大田作物的品质和产量的影响等。


3、系统集成


有机农业产业化是一项多学科特点的系统工程,涵盖土壤学、生态学、生物化学、微生物、植物及动物生理学等多个自然科学学科,还包括管理学、人类学、心理学、市场营销等社会学科,需要以系统工程的角度进行统合。


从技术层面上看,除了解决几个瓶颈性问题和基础技术集成之外,还需要引进世界上更多的先进科技,全面提升系统的生产力水平,包括种植技术、养殖技术、营养品质、安全环境、信息技术、智慧技术等。


特石模式是上海特石生态科技有限公司公司(前身为太原特石生物科技有限公司)耗费了十年时间和数千万投资研发的,以可持续的有机农业创新理论为基础,自主创新技术为基础、以一系列先进技术为支撑,并结合高效率作业计划和管理系统,组成了生态循环有机农业产业化基础技术体系,简称“特石模式”。该模式由有机养殖+有机种植+废弃物生物循环装置三个子系统组成,体现了生态循环、农业高科技、低碳环保、生产过程和产品有机化的鲜明特点,在中国北中南三个地区经过了3-10年的规模化生产实践验证。


特石模式的突出特点为:两高两低,即高品质(种植养殖产品均达到欧盟有机标准)、高产出(与常规农业的产量持平)、低投入(投入产出比高)和低成本(与常规农业接近)。


特石模式中的所有技术已经完成了设备化和产品化、生产过程完成了规范化和标准化,整套体系经过短期培训即可实现标准化生产,具有极强的复制性。


作为一个基础性的有机农业产业化体系,特石模式是一个开放式平台,我们希望在上面集成更多的先进技术,成为有机农业产业化推动的有力武器。例如:

探测技术提高作物养分利用的效率的技术;

智慧农业技术对于提高综合管理水平;

有机农业多样性生产和轮作套种,开发更多更实用的新型农业机械;

功能性农产品(富硒、富铁、富锌等)在有机农业条件下的实施技术;

不同地区地域特点的高效率生产组织管理系统和特石模式的模块化组合;


三、有机农业技术导引手册


随着有机农业在世界范围内的兴起和推动,越来越多的新人加入到有机农业行业中,推动了全社会关注有机农业和环境生态,但是我们发现,很多的有机农业从业者,往往花费太多的时间和资源,反复地做着前人已经做过无数遍的低水平重复工作。土壤改良是有机农业农业可持续生产的重点,但是绝大多数的有机农业从业者都不掌握基本原理和有效的技术,各种浪费资源和实践的尝试也在反复地进行着。例如,堆肥,是一项很古老但很成熟的基础技术,但我们很遗憾地看到很多新农人不断地自行摸索。这些现象,表明有机农业技术推广和服务的缺失,因此,迫切需要一套系统的技术指引手册,提高有机农业从业者的技术水平,减少自然资源和社会资源的浪费。


如果IFOAM能够组织世界的科学家、有机技术人员和实践者,按照有机农业“四原则”分门别类地编写一套《有机农业技术导引手册》,将是全世界有机农业从业者的福音。


这套《技术指引》可以分为:有机农业的基础理论、土壤分册、循环分册、种植分册(果蔬粮)、养殖分册(畜禽动物)、生态分册、病虫害防治分册、采后处理分册、实用技术分册,有机农业模型案例(规模化农场、专业化农场、家庭农场、小农经济等)等内容,集共性和特性于一体,供全世界的有机农业从业者参考,并组织培训推广和应用指导,让有机农业不但成为一种风潮,更是实实在在用先进的生产力取代化学农业的长期行动,实现农业生产方式的变革这一目标,在保护地球生态环境的同时,提供更多更优质的农产品,满足消费市场的需求。


四、总结


保护环境和生态是每个地球公民的责任,满足消费者对安全健康食品的需求也是有机农业的义务,解决环境生态和足量的、高品质的农产品生产是可以通过科学技术进步实现的,两者不是对立的关系。有机农业的发展需要与时俱进,在“有机四原则”的指导下,研究新的理论和科技,提高整个行业的生产力水平,解决化学农业问题的同时不降低目前的产出水平,是摆在全世界每个从事有机农业人的艰巨的任务。


落后就会挨打,创新发展和应用先进科技,壮大有机农业自身是快速推广有机农业的唯一出路。我们需要清醒地认识,与化学农业竞争,是一场生产力水平的较量。需要直面有机农业的局限和短板,也不需要回避目前的有机农业生产力水平较低的事实,加强研发和实践,构建高生产力水平的行业体系,改变社会对有机农业行业的错误认知,这样才能在竞争中取得优势,获得全社会的认可,从而实现有机农业改变世界的梦想。


中国的“特石模式”在有机农业产业化方面做出了有益的尝试,也取得了阶段性的成果,随着“特石模式”的推广,这套体系将会越来越完善。我们秉持开放合作的态度,愿意与世界各国的科学家、有机农业研究者和实践者全面合作,开启全球有机农业产业化的新篇章。

 

引用文献

【1】国家市场监督管理总局,中国农业大学,《中国有机产品认证与有机产业发展(2019)》

【2】我国有机产业发展概况及效益分析甄华杨等,《农产品质量与安全》2017(4)

【3】长期秸秆还田对华北潮土肥力、氮库猪粪及作物产量的影响,赵士诚等,《植物营养与肥料学报》2014,,2(6)

【4】秸秆还田对作物产量和土壤肥力的短期效应,刘晓霞等,《浙江农业科学》2017年第58卷第3期

【5】Rao Bhamidimarri, S. M. & Pandey, S. P. (1996). Aerobicthermophilic composting of pigerry solid wastes. Water Science &Technology, 33(8), 89-94

【6】Tiquia, S. M., Richard, T. L. & Honeyman, M. S. (2002). Carbon,nutrient, and mass loss during composting. Nutrient Cycling in Agroecosystems,62, 15-24

【7】Beck-Friis, B., Smårs, S., Jönsson, H., et al. (2001). SE-structuresand environment: gaseous emissions of carbon dioxides, ammonia and nitrousoxides from organic household waste in a compost reactor under differenttemperature regimes. Journal of Agricultural Engineering Research, 78(4),423-430

【8】Chang, R., Ying, Y., Cao W., et al. (2019). Effects of compostingand carbon based materials on carbon and nitrogen loss in the arable landutilization of cow manure and corn stalks. Journal of Environmental Management,233, 283-290


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