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碳氮同位素结合稳定同位素模型解析沉积土壤碳源

本站小编 Free考研考试/2021-12-26
李娜,1,3, 孙占祥,2, 张燕卿1, 刘恩科1, 李凤鸣3, 李纯乾3, 李菲31农业农村部旱作节水农业重点开放实验室,北京 101010
2辽宁省农业科学院,沈阳 110161
3辽宁省旱地农林研究所,辽宁朝阳 122000

Contribution of Carbon Sources in Sedimentary Soils Combining Carbon and Nitrogen Isotope with Stable Isotope Model

LI Na,1,3, SUN ZhanXiang,2, ZHANG YanQing1, LIU EnKe1, LI FengMing3, LI ChunQian3, LI Fei31Key Laboratory of Dryland Agriculture, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 101010
2Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161
3Liaoning Institute of Dry Land Agriculture and Forestry, Chaoyang 122000, Liaoning

通讯作者: 孙占祥,E-mail： szx67@163.com

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-12-6接受日期:2021-02-19
基金资助:农业农村部旱作节水农业重点实验室基金.2018KLDA03
辽宁省自然科学基金指导计划.2019-ZD-0391
辽宁省中央引导地方科技发展专项.2019JH6/10200004


Received:2020-12-6Accepted:2021-02-19
作者简介 About authors
李娜,E-mail： caulina@outlook.com。









摘要
【目的】研究辽西褐土丘陵区典型小流域不同土地利用方式下经侵蚀沉积过程沉积土壤碳来源,为合理调控小流域土壤侵蚀造成的土壤碳流失提供科学参考。【方法】通过对辽西丘陵沟壑区小流域野外取样,研究小流域沉积土壤碳的来源并量化其贡献。通过GIS结合GPS技术对小流域4种不同土地利用类型（耕地、林地、草地、沟渠）表层土壤及小流域拦沙坝3个位点（S1坝前、S2坝中、S3坝后）0-100 cm土壤剖面进行取样,结合碳、氮同位素混合模型对沉积土壤碳源进行解析。【结果】利用13C和15N同位素特征及其元素组成（土壤有机碳和全氮）对辽西丘陵沟壑区侵蚀沉积物土壤有机碳进行了定性和定量鉴定。辽西丘陵沟壑区小流域沉积物中有机碳主要来源为耕地,其次是沟渠、草地和林地。耕地贡献平均为58.75%,沟渠25.49%,草地6.49%,林地9.2%。【结论】碳氮稳定性同位素模型作为一种重要的“指纹”工具可以成功应用于辽西丘陵沟壑区小流域沉积土壤碳来源定性及定量的分析。研究成果可以为受水力侵蚀的小流域的土壤保护和养分流失控制以及维持生态系统的可持续性提供理论参考。
关键词： 有机碳;水土流失;拦沙坝;沉积物;稳定同位素模型

Abstract
【Objective】To study the sources of deposited soil organic carbon (SOC) under different land use patterns in a typical small watershed in the brown soil hilly area of western Liaoning through eroded sedimentation, and to provide a scientific reference for the reasonable control of soil carbon loss caused by soil erosion in the small watershed. 【Method】Through field sampling of small watersheds in the hilly and gully area of western Liaoning, the sources of deposited soil carbon in the small watersheds were studied and their contribution was quantified. Using GIS and GPS technology to analyze the surface soil of 4 different land use types (cropland, forest, grassland, gully) in the small watershed and 3 locations of the check dam in the small watershed (S1 in front of the dam, S2 in the middle of the dam, S3 behind the dam) 0-100 cm soil profile was sampled to analyze the carbon source of the sedimentary soil based on a mixed carbon and nitrogen isotope model.【Result】Using13C and15N isotopic characteristics and their elemental composition qualitative and quantitative identification of soil organic carbon in eroded sediments in the hilly and gully area of western Liaoning was carried out. The SOC loss was primarily from cropland, accounting for 58.75%, followed by gully (25.49%), forest (9.2%), and grassland (6.49%). 【Conclusion】 The stable isotope SIAR mixing model, as a reliable "fingerprint" tool, could be successfully employed to estimate the contribution of various C sources within a complex ecosystem, The research results can provide theoretical references for soil protection and nutrient loss control in small watersheds affected by water erosion, and for maintaining the sustainability of the ecosystem.
Keywords：soil organic carbon;soil erosion;constructed dam;sediments;stable isotope model


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本文引用格式
李娜, 孙占祥, 张燕卿, 刘恩科, 李凤鸣, 李纯乾, 李菲. 碳氮同位素结合稳定同位素模型解析沉积土壤碳源[J]. 中国农业科学, 2021, 54(14): 3057-3064 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.14.011
LI Na, SUN ZhanXiang, ZHANG YanQing, LIU EnKe, LI FengMing, LI ChunQian, LI Fei. Contribution of Carbon Sources in Sedimentary Soils Combining Carbon and Nitrogen Isotope with Stable Isotope Model[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(14): 3057-3064 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.14.011


开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0 引言

【研究意义】水土流失是导致小流域土壤有机碳（SOC）流失的主要过程[1]。土壤侵蚀伴随着水的流动和沉积物的输送,使土壤SOC从土壤生态系统中移出[2]。由土壤侵蚀引起的碳的重新分配仍在继续[3],但侵蚀小流域的碳输出的过程及终点却在很大程度上未知,也很少被研究。土壤侵蚀在陆地碳释放中的作用仍然是土壤调节气候变化潜力最重要的不确定因素之一[4,5]。辽宁省西部丘陵沟壑区是中国东北地区最严重的水土流失地区之一[6],山丘占耕地总数的70%左右。辽西丘陵区水土流失面积为209.06万hm2,总侵蚀面积为49.4%,占总面积的41.6%。土壤碳的流失不仅严重消耗了辽西地区的土地资源,导致陆地生态系统退化,而且还影响了陆地和水生生态系统中碳的生物地球化学循环[7,8,9]。【前人研究进展】碳和氮稳定同位素比率（δ13C、δ15N）和元素成分是一个潜在的强大的工具用来跟踪流域沉积物来源的贡献[10,11]。此外,稳定同位素也已用于追踪流域山坡上侵蚀物质的来源。碳、氮稳定同位素组成的成功使用是由于生态系统源之间的显著差异,这是由于碳循环过程中由于物理、化学和生物过程引起的同位素分馏[12,13]。在定性、定量分析沉积土壤中碳来源的同时,利用基于R统计学软件的稳定同位素模型（stable isotope analysis in R,SIAR）[14],定量研究各来源对沉积土壤SOC的贡献率。此外,稳定同位素比率（δ13C 和δ15N）在推断有机碳的来源和转化过程方面应用广泛[15,16],SIAR模型也广泛应用于食物链、水环境及土壤污染物的溯源[17,18,19]。【本研究切入点】本研究以此为出发点,以辽西地区典型小流域-太平沟小流域为研究对象,基于太平沟小流域的治理现状,运用GIS技术结合同位素混合模型——SIAR模型,系统开展小流域受土壤侵蚀过程沉积区有机碳来源研究。【拟解决的关键问题】用稳定同位素技术,研究可以获取小流域尺度土壤侵蚀和环境变化的信息及沉积物中碳同位素组成特征和变化,得知土壤碳循环的重要信息,揭示流域土壤侵蚀状态和生态环境的变化,为小流域土壤碳流失调控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区太平沟小流域位于辽宁省朝阳市建平县惠州乡（东经119°35′47″—119°38′18″,北纬41°57′38″— 41°59′38″）。该地区为干旱和半干旱气候,年平均温度约为8℃,年累积温度为3 847℃。平均地表温度为10.2℃。平均年降雨量为200 mm。降水主要集中在6—9月,占年降水量的80%。大多数降水是强降雨和短期暴雨,年际变化较大。年蒸发量为2 041 mm左右,平均相对湿度约为52%。

该地属于典型的棕色土壤和丘陵地区,坡地占该区农业用地的80%左右。土壤侵蚀以水力侵蚀为主。研究区小流域面积约17.5 km2。主要农作物是玉米,耕种方式是连作。小流域的土壤性质见表1。自从20世纪70年代后,国家在该流域投入了大量资金加强了水土保持措施,以进行恢复植被重建,防止水土流失。控制措施主要包括土地休耕,水坝和梯田建设,草木种植,农林造林等。该地区的主要土地利用类型有林地、耕地、草地和沟渠。在流域出口有拦沙坝储存土壤沉积物,目前有约1 m厚的沉积物。研究区主要土地利用类型是耕地和林地,草地、休闲地和沟渠相对于小流域的总面积而言较小。

1.2 样品采集与测定

2018年9月进行了现场采样。试验地土壤类型为褐土。分别从具有代表性的土地利用方式耕地（45）,林地（42）,草地（20）,沟渠（19）4个区共收集表层（0—10 cm）土壤样品共129个。此外,还通过100 cm3环刀收集了五份原状土样品,用于测定土壤容重（BD）和土壤含水量（SWC）。从沿拦沙坝沉积区开始到末端收集沉积物样品。使用直径7.0 cm土钻收集了总共90个沉积物样品（10个深度,3个剖面和3个重复样品）用于理化性质分析。分别在拦沙坝的前端（S1）,拦沙坝中央（S2）和拦沙坝后端（S3）,垂直钻取0—1 m深度的3个点,获取完整的土壤剖面。垂直取样间隔为0.1 m。从保留的沉积物中提取了原始土壤样品,以进行土壤容重和土壤含水量分析。

将收集到的所有样品立即运送到实验室进行理化分析。在进行分析之前,先将土壤可见的根部残留物和碎石清除。将所有沉积物和土壤样品风干,分成两份样品,一份样品通过2 mm的筛子以测定土壤质地、pH,另一份样品通过0.15 mm的筛子测定其土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）含量以及碳氮同位素特征。使用HI 3221 pH计（Hanna Instruments Inc.,美国）以1：2.5的土壤水比测定土壤pH[20]。用Coulter LS200激光颗粒分析仪在0.02—2 000 μm的范围内对土壤样品进行质地分析,用H2O2去除有机物并用六偏磷酸盐进行化学分散[21]。采用环刀法测量土壤容重和含水量,在105℃下烘干48 h[20]。SOC和TN含量以及碳氮稳定同位素组成由IRMS（Isoprime100,Isoprime,UK）附带的元素分析仪测定,国际标准为IAEA-N1,IAEA-N3,USGS24和USGS41,分析精度为0.2‰。δ13C和δ15N的平均分析误差通常为0.01‰[22]。在测定土壤元素碳和氮之前,将样品中加入 1 mol·L-1盐酸进行酸化除去土壤无机碳,因为辽西地区pH为微偏碱性,去除土壤中的碳酸盐。同位素分析于2019年3月在中国农业科学院环境稳定同位素实验室进行。

1.3 据分析与SIAR混合同位素模型概述

1.3.1 模型概述 为了准确量化沉积区土壤SOC的来源,选用基于贝叶斯方程的 SIAR 混合同位素模型进行分析,该模型能够表征因为同位素分馏所引起的变异所产生的误差,并且它能够解析出的各个源的分布特征,最后得出的各源的贡献率;且当有多个源（>3）存在时,SIAR模型同样适用,模型表达式如下：

${{X}_{ij}}=\frac{\sum\nolimits_{k=1}^{k}{{{P}_{k}}{{q}_{jk}}({{S}_{jk}}+{{C}_{jk}})}}{\sum\nolimits_{k=1}^{k}{{{P}_{k}}{{q}_{jk}}}}+{{\varepsilon }_{ij}}$

${{S}_{jk}}\tilde{\ }\text{N}({{u}_{jk}},\omega _{jk}^{2})$

${{C}_{jk}}\tilde{\ }\text{N}(u{{\delta }_{jk}},\tau _{jk}^{2})$

${{\varepsilon }_{jk}}\tilde{\ }\text{N}(0,\sigma _{jk}^{2})$

式中：Xij表示不同来源的第 i种混合物的第 j 个同位素的值;Sjk表示第k种源的第j个同位素的值;Pk表示源中第 k 个来源的贡献比例;Cjk表示分馏系数;εij表示剩余误差,代表不同单个混合物之间能确定的变量[17]。

1.3.2 统计分析 在本研究中,所有数据统计均使用SPSS 18.0版（SPSS Inc.,Chicago,IL,USA）软件。不同处理间采用多重比较方法LSD （Least-Significant Difference）的方法。单因素方差分析采用（ANOVA,邓肯法）。数据绘图采用origin2016软件完成。SIAR模型的加载在R语言中完成,用于量化本研究中各种潜在碳源对土壤侵蚀有机碳的来源。

SIAR的源代码（https://github.com/AndrewLJackson/siar/blob/master/R/siarproportionbygroupplot.R）

2 结果

2.1 不同土地利用类型土壤与沉积区土壤对比

表1列出了不同土地利用方式土壤的理化性质。表1为拦沙坝3个位点剖面的容重（BD）和pH。耕地、林地、草地和沟渠土壤BD差异显著,林地土壤BD最高（1.38 g·cm-3）,沟渠土壤BD最低（1.18 g·cm-3）。所有土壤均呈弱碱性,其中草地土壤pH最高（8.2）,林地土壤pH最低（7.74）。流域土壤质地以粉砂壤土为主,粒径组成随土地利用和景观位置的变化而变化。林地土壤砂粒含量高于其他土壤,黏粒含量低于其他土壤,景观位置较低的土壤粉砂和黏粒含量高于景观位置较高的土壤。土壤颗粒组成的测量结果与土壤BD数据基本一致,说明该流域土壤侵蚀后土壤细颗粒在一定程度上从上游向下游移动。与源土相比,拦沙坝附近土壤沉积物的BD和pH普遍较高,但剖面上没有明显的分布格局。

Table 1
表1
表1不同土地利用类型土壤理化性质
Table 1Soil physical and chemical properties of different land use types
土地利用类型
Land-use type 		容重
Bulk density (g·cm-3) 		pH土壤含水量
Soil water content (%) 		土壤质地 Soil texture (%)
黏粒Clay粉粒 Silt砂粒 Sand
林地 Forest1.38±0.21a7.74b7.31±0.21ab17.17bc34.48c48.1a
耕地Cropland1.19±0.12c7.86b5.21±0.21a15.66bc40.31a44.03b
草地Gralssland1.27±0.05ab8.2a8.2±0.21ab18.31b40.63a41.06bc
沟渠Gully1.18±0.15c8.0a12.21±0.21c26.31a38.56abc35.13c

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图1

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图1沉积土壤不同剖面的容重与pH

S1：拦沙坝前端;S2：拦沙坝中央;S3：拦沙坝后端
Fig. 1Bulk density and pH of different profiles of sedimentary soil

S1: In front of the dam; S2: In the middle of the dam; S3: Behind the dam


2.2 不同土地利用类型及沉积物土壤同位素特征值

表2所示的土壤和沉积物中SOC的测量结果表明,不同土地利用之间土壤和沉积物之间的SOC含量存在显著差异。林地土壤中SOC（16.86±0.06）g·kg-1含量最高,耕地次之（7.35±0.04）g·kg-1。由于有机物质或植物组织在土壤表面的残留积累,林地土壤具有最高的有机碳含量。耕地较高的碳氮比反映了农业措施的影响,可能是土壤侵蚀或植物吸收导致土壤氮流失的结果。与其他土壤相比,沉积物的SOC普遍较低,但碳氮比相对较高。在1 m剖面内,沉积物的SOC范围为2.38—7.78g·kg-1,TN为0.19—0.66g·kg-1。

Table 2
表2
表2不同土地利用类型及沉积物同位素特征值
Table 2Different land use types and sediments of isotopic characteristic values
土地利用类型
Land use type 		土壤有机碳
SOC (g·kg-1) 		土壤总氮
TN (g·kg-1) 		碳同位素比值
δ13C (‰) 		氮同位素比值
δ15N (‰) 		碳氮比
C/N ratio
林地 Forest16.86±0.06a2.33±0.06a-24.9±0.25a1.25±0.06d7.24bc
耕地Cropland7.35±0.04b0.52±0.04c-23.85±0.43b3.05±0.05ab14.14a
草地Grassland6.43±0.09b0.86±0.09bc-19.2±0.25c2.63±0.03c7.48b
沟谷Gully4.21±0.07c0.65±0.02c-24.9±0.4a3.65±0.02a6.48c
沉积物 Sediments5.79±0.05abc0.40±0.09c-25.2±0.3ab2.92±0.02c14.48a

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2.3 源土壤与沉积土壤的δ13C相关性分析

为了探讨沉积泥沙中 SOC 的来源,在建立模型之前,对被测定潜在碳源的指纹识别指数进行了统计分析。结果发现,δ13C,δ15N,SOC 和 TN 能成功区别3种源材料（耕地、林地和沟渠）。在我们的研究中除了耕地与沟渠土壤间的δ15N 值未存在显著差异外,其他所有不同土地利用类型土壤之间的δ13C、δ15N、SOC和TN存在显著性差异（表2）。因此,由于所有源材料指纹识别因子的差异性,可以定量地研究沉积泥沙有机碳来源的贡献。林地土壤中δ13C较耕地和草地高出1‰—5‰。在4类源土中δ13C的范围在-23.99‰—-28.29‰,与其他类型源土相比,沉积物土壤的SOC及δ13C含量相对较低。此外,源材料与泥沙样品的双元关系模型也成功应用于识别潜在碳源贡献（图2）。由图2源土壤与沉积物土壤中SOC和δ13C的二元比可以看出在不同类型土壤中与沉积物中δ13C的同位素特征值是不同的。图3的TOC与δ13C的二元比可以看出,耕地土壤可能是沉积物中碳的主要贡献者或潜在来源,即沉积在沉积物中的碳主要来自于流域的耕地。

图2

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图2不同深度（0—100 cm）沉积物和潜在来源之间的SOC、δ13C均值

Fig. 2Mean SOC and δ13C for sediments at different depths (0-100 cm) and potential sources for the studied catchment



2.4 不同土地利用类型对沉积物表层土壤有机碳的贡献率

通过将源土的δ13C及其方差数据输入SIAR模型,如图3所示,由模型得出沉积物土壤SOC的贡献主要来源于耕地,接下来依次是沟渠、草地、林地。这也说明耕地作为沉积物碳的主要来源与SIAR混合模型的计算相一致。此外,SIAR模型还提供了每个来源的定性贡献的详细数值。图3给出了4种源土对沉积区泥沙剖面（0—100 cm）有机碳含量的定量贡献。说明了SIAR模型在小流域中预测SOC来源是成功适用的。耕地贡献平均为58.75%,其次是沟渠25.49%,草地6.49%,林地9.2%。90%以上的沉积物有机碳来自耕地、沟渠。林地和草地对研究流域沉积物中有机碳的贡献较小。由剖面不同源对沉积区的SOC贡献率可以看出在小流域尺度上,随着侵蚀事件的增加,流域尺度上耕地对沉积土壤有机碳的贡献率是增加的,流域尺度上农田对沉积土壤有机碳的贡献率是增加的,沉积区剖面中各源SOC贡献的垂直变化也可以反映土壤侵蚀和土地利用的时间异质性。

图3

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图3沉积区0-100 cm土壤剖面有机碳的来源及贡献比

Fig. 3Source and contribution ratio of organic carbon in 0-100 cm soil profile in sedimentary area



3 讨论

本研究采用野外取样和示踪的方法,探讨了辽西丘陵沟壑区土壤侵蚀沉积物SOC分布规律及来源。利用13C和15N同位素特征及其元素组成（SOC和TN）对辽西丘陵沟壑区侵蚀沉积物SOC进行了定性和定量鉴定。利用稳定同位素特征识别侵蚀沉积物SOC的来源应该考虑几个在其他研究中不能满足的假设。一方面,所选潜在源的13C和15N组成在流域内应表现出显著差异,沉积物的13C和15N同位素特征应处于不同潜在源的变化范围内。另一方面,自然丰度稳定同位素特征的应用还应考虑土壤侵蚀、泥沙运移和沉积后过程中凋落物同位素的分馏效应。但是,很难评估侵蚀和沉积过程对示踪剂的改变程度。为了减少由某些过程（例如矿化过程）引起源物质特征值（包括δ13C、δ15N、SOC和TN）的变化,源样品进行元素和同位素分析时采用模拟流迁移的方法。此外,采样过程还可能产生不确定性,这不仅是由于沉积区独特的沉积物来源和地貌特征,而且从沟渠到沉积区的土壤颗粒变化有很大不同。

在20世纪70年代后期,对于小流域治理投入的加大,开垦梯田的面积增加,造成后期农田对有机碳的贡献率越来越大。从1978年至今,由于降雨和人类活动的影响,坡耕地的土壤侵蚀和土壤SOC的流失增加,农业土壤中不稳定或活性SOC可能由于侵蚀而优先转移,造成了在拦沙坝区沉积[23,24]。每年在辽西丘陵沟壑区由土壤侵蚀造成的大量SOC流失和重新分配,严重影响该地区生态可持续性和生物地球化学循环[25]。土壤侵蚀通常有3个步骤：分离、迁移和沉积[26]。分离过程首先暴露有机物保护的土壤团聚体和黏土矿物[18];随后,与SOC相关的细土颗粒优先从侵蚀地迁移到沉积地点并沉积下,这对已建拦沙坝附近的土壤沉积和养分沉积有很大的影响。此外,当大量沉积物随水流移动时,沟渠的土壤侵蚀量通常会增加。

3个沉积物剖面中有机碳含量的变化与径流路径一致,也能反映流域土壤侵蚀或土地利用变化。林地有机碳的贡献从坝后（S3）到坝前（S1）的位置有所下降,这可能的原因是由于水流减缓,拦沙坝保留了更多来自林地的碳。此外,在通过对小流域几十年的治理中,由于改变了土地利用方式,流域林地面积增加,可减少水土流失或减少已建拦沙坝附近的有机碳沉积。在坝前（S1）和坝中（S2）,耕地对沉积物的贡献大于坝后（S3）,这反映了农业作业的影响,例如肥料和粪肥的施用,或者严重的土壤侵蚀或养分流失。草地对拦沙坝沉积物有机碳贡献的减少可能是由于草地利用率的增加或土壤养分流失的减少。在已建的拦沙坝附近,沟渠沉积较多碳。

沉积区剖面中各位点SOC贡献的垂直变化也可以反映土壤侵蚀和土地利用的时间异质性。我们的结果与WANG等[26]的研究一致。同时本研究表明,尽管这是由集约化种植方式及坡地主导的小流域地形,但是大部分沉积区的碳主要来自于耕地。这种结果主要是由于耕地地表破碎,当遭遇强降雨事件时,表土流失,产生大量沉积物。此外,当河道内的泥沙量很大时,沟渠的侵蚀通常会减少。由于地表径流携带了大量来自耕地的沉积物,因此在沟渠系统中的侵蚀减少了[27,28,29,30]。同时也说明在流域出口修拦沙坝将是一种有效的工程方法,其可以控制土壤侵蚀,并保留由侵蚀过程输送的大量SOC。

稳定性同位素混合模型作为一种可靠的“指纹”工具,适用于估算辽西丘陵沟壑区小流域中不同土地利用类型对沉积物中SOC的贡献率,这是质量平衡混合模型无法实现的[31,32,33]。在研究的小流域中,利用SIAR混合模型对4种潜在土地利用（林地、耕地、草地和沟渠）类型表层土壤进行了收集和分析。尽管流域主要是沟渠和陡坡景观,但沉积物中的SOC主要来源于耕地的流失,其次是沟渠、草地和林地。

4 结论

4.1 探讨了侵蚀土壤有机碳来源及其影响因素,明确了稳定碳氮同位素作为指示各潜在来源在辽西丘陵沟壑区的适用性。

4.2 辽西丘陵沟壑区小流域沉积物中的有机碳主要来源为耕地,其次是沟渠、草地和林地,其平均贡献率分别为58.75%、25.49%、6.49%、9.2%。

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