
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文檔簡介
1、紅萍研究及其在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用黃毅斌、唐龍飛黃毅斌、唐龍飛福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所國家紅萍資源中心國家紅萍資源中心福建山地草業(yè)工程技術(shù)研究中心福建山地草業(yè)工程技術(shù)研究中心1 紅萍事件(Azolla Event)2 紅萍的生物學(xué)特性3 紅萍在生態(tài)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用4 紅萍的未來研究5 國家紅萍資源中心簡況1 紅萍事件(Azolla Event)20062006年,年,Henk BrinkhuisHenk Brinkhuis等學(xué)者,在等學(xué)者,在NatureNature發(fā)表發(fā)表“始始新世北冰洋的表面水的淡化作用(新世北冰洋的表面水的淡化作用(Episodic fre
2、sh Episodic fresh surface waters in the Eocene Arctic Ocean surface waters in the Eocene Arctic Ocean )” ” ,文,文章認(rèn)為,從始新世中期開始(大約章認(rèn)為,從始新世中期開始(大約50005000萬年前),北冰洋萬年前),北冰洋至少表面為淡水、水溫約至少表面為淡水、水溫約10-1510-15,紅萍大量生長與繁衍。,紅萍大量生長與繁衍。隨后的其他研究表明,在距今隨后的其他研究表明,在距今49004900萬年的冰芯樣本中,紅萬年的冰芯樣本中,紅萍大量出現(xiàn),萍大量出現(xiàn), “ “霸占霸占”北極的時(shí)間持
3、續(xù)了大約北極的時(shí)間持續(xù)了大約8080萬年。萬年。研究者推測,可能是陸地漂移使得北極和大西洋重新連通,研究者推測,可能是陸地漂移使得北極和大西洋重新連通,海洋的鹽水侵入后,結(jié)束了蕨類在北極曇花一現(xiàn)的生活。海洋的鹽水侵入后,結(jié)束了蕨類在北極曇花一現(xiàn)的生活。一般認(rèn)為,北冰洋在從溫暖的白堊紀(jì)一般認(rèn)為,北冰洋在從溫暖的白堊紀(jì)( (約約1.41.4億年前至約億年前至約65006500萬年前萬年前) )到寒冷的新生代到寒冷的新生代( (約約65006500萬年前至現(xiàn)在萬年前至現(xiàn)在) )的過的過渡,在當(dāng)時(shí)的全球氣候變化中發(fā)揮了重要的作用。渡,在當(dāng)時(shí)的全球氣候變化中發(fā)揮了重要的作用。紅萍在北極的紅萍在北極的80
4、80萬年繁衍雖是曇花一現(xiàn),但因?yàn)榧t萍吸收萬年繁衍雖是曇花一現(xiàn),但因?yàn)榧t萍吸收了大量的二氧化碳,加速了那時(shí)期的地球從了大量的二氧化碳,加速了那時(shí)期的地球從“溫室溫室”效應(yīng)效應(yīng)向向“冰室冰室”效應(yīng)轉(zhuǎn)變的過程效應(yīng)轉(zhuǎn)變的過程 。這就是國內(nèi)外熱議的這就是國內(nèi)外熱議的“紅萍事件紅萍事件”(Azolla EventAzolla Event)。)。針對(duì)目前的全球變暖現(xiàn)狀,有學(xué)者提出應(yīng)用紅萍以應(yīng)對(duì)的針對(duì)目前的全球變暖現(xiàn)狀,有學(xué)者提出應(yīng)用紅萍以應(yīng)對(duì)的思路。思路。2 紅萍的生物學(xué)特性紅萍,學(xué)名滿江紅(紅萍,學(xué)名滿江紅(AzollaAzolla),屬槐葉萍目、滿江紅科、滿),屬槐葉萍目、滿江紅科、滿江紅屬。江紅屬。是
5、一種起源于晚白堊紀(jì)之前(約是一種起源于晚白堊紀(jì)之前(約58005800萬年前)的古老水生蕨萬年前)的古老水生蕨類植物,其進(jìn)化完美度較高,因此能繁衍至今。類植物,其進(jìn)化完美度較高,因此能繁衍至今。 魚腥魚腥藻藻蕨蕨體體 在其漫長的進(jìn)化過程中,接納了固氮的魚腥藻(在其漫長的進(jìn)化過程中,接納了固氮的魚腥藻(Anabeana Anabeana azollaeazollae),并形成了世代相傳、同步發(fā)育的共生關(guān)系。),并形成了世代相傳、同步發(fā)育的共生關(guān)系。 蕨類為葉腔中的魚腥藻提供碳水化合物,魚腥藻則固定空蕨類為葉腔中的魚腥藻提供碳水化合物,魚腥藻則固定空氣中的氮素,以氣中的氮素,以HNHN3 3的形式
6、通過腺毛輸送到蕨體,并轉(zhuǎn)化的形式通過腺毛輸送到蕨體,并轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)為有機(jī)態(tài)N N,進(jìn)而合成氨基酸和蛋白質(zhì)。,進(jìn)而合成氨基酸和蛋白質(zhì)。 (1)適合水田生態(tài)系統(tǒng)適合水田生態(tài)系統(tǒng) 紅萍在貧瘠的水質(zhì)條件下仍能繁殖生長。紅萍在貧瘠的水質(zhì)條件下仍能繁殖生長。 最佳生長溫度最佳生長溫度15-2815-28、濕度、濕度65-85%65-85%、光強(qiáng)、光強(qiáng)6000-12000Lux6000-12000Lux。 最佳生長條件下,倍殖時(shí)間為最佳生長條件下,倍殖時(shí)間為2.8-3.52.8-3.5天。天。 當(dāng)當(dāng)N N濃度超過濃度超過100ppm100ppm時(shí)抑制其固氮活性,而時(shí)抑制其固氮活性,而N N濃度小于濃度小于4
7、0ppm40ppm時(shí)促進(jìn)生物固氮作用。時(shí)促進(jìn)生物固氮作用。 這種條件存在于水田生態(tài)這種條件存在于水田生態(tài)系統(tǒng)中,長期以來紅萍成系統(tǒng)中,長期以來紅萍成為我國傳統(tǒng)有機(jī)農(nóng)業(yè)的重為我國傳統(tǒng)有機(jī)農(nóng)業(yè)的重要肥料來源。要肥料來源。 (2 2)固氮能力強(qiáng):)固氮能力強(qiáng):固氮量在固氮量在150-450kg N/hm150-450kg N/hm2 2.a, .a, 固氮效率高固氮效率高于大豆、三葉草等豆科植物。于大豆、三葉草等豆科植物。(3 3)具有富集鉀的能力:)具有富集鉀的能力:水稻吸收水體中鉀的峰值為水稻吸收水體中鉀的峰值為8ppm8ppm、臨、臨界濃度為界濃度為2ppm2ppm,而紅萍的峰值為,而紅萍的峰
8、值為0.85ppm0.85ppm、臨界濃度為、臨界濃度為0.1ppm0.1ppm。紅萍可以吸收并富集水稻無法利用的鉀(紅萍含。紅萍可以吸收并富集水稻無法利用的鉀(紅萍含K K 1.991.992.56%DM2.56%DM)。)。(4 4)光合作用高效:)光合作用高效:紅萍由蕨和藻兩種不同植物組成,擁有各紅萍由蕨和藻兩種不同植物組成,擁有各自不同的光合色素,可以在較大光域范圍內(nèi)進(jìn)行光合作用。自不同的光合色素,可以在較大光域范圍內(nèi)進(jìn)行光合作用。(5 5)營養(yǎng)全面)營養(yǎng)全面, ,適口性好:適口性好:干物質(zhì)含粗蛋白干物質(zhì)含粗蛋白25-35%25-35%,粗纖維,粗纖維7-7-11%11%,還含有鉀、鈣
9、、硫、硒、鉬等礦質(zhì)元素。個(gè)體,還含有鉀、鈣、硫、硒、鉬等礦質(zhì)元素。個(gè)體1 12cm2cm2 2. .3 紅萍在生態(tài)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用3.1 作為優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)原料 3.1.1 3.1.1 禽、畜、魚生產(chǎn)的廉價(jià)飼料禽、畜、魚生產(chǎn)的廉價(jià)飼料紅萍富含動(dòng)物飼料的主要營養(yǎng)成分與氨基酸等,如人工培紅萍富含動(dòng)物飼料的主要營養(yǎng)成分與氨基酸等,如人工培育的回交萍(育的回交萍(MH3-1MH3-1)粗蛋白、粗纖維和蛋氨酸、苯丙氨)粗蛋白、粗纖維和蛋氨酸、苯丙氨酸含量分別達(dá)到酸含量分別達(dá)到28.29%28.29%,7.06%7.06%和和0.2645%0.2645%,0.6479%0.6479%,用,用其作飼料生產(chǎn)豬、
10、鴨、魚可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成其作飼料生產(chǎn)豬、鴨、魚可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。可為有機(jī)禽、畜、魚產(chǎn)品生產(chǎn)提供廉價(jià)的飼料源。本。可為有機(jī)禽、畜、魚產(chǎn)品生產(chǎn)提供廉價(jià)的飼料源。 幾種紅萍飼料營養(yǎng)成分分析幾種紅萍飼料營養(yǎng)成分分析紅萍品系粗蛋白(%)粗纖維(%)木質(zhì)素(%)榕萍1-4號(hào)27.857.6730.81回交萍3號(hào)28.297.0631.13小葉萍401828.997.4233.51細(xì)綠萍100125.307.9642.98幾種紅萍主要氨基酸成分分析幾種紅萍主要氨基酸成分分析(%)紅萍品系紅萍品系天冬天冬氨酸氨酸蛋氨蛋氨酸酸賴氨賴氨酸酸亮氨亮氨酸酸蘇氨蘇氨酸酸苯丙苯丙氨酸氨酸異亮異亮氨
11、酸氨酸脯氨脯氨酸酸酪氨酪氨酸酸細(xì)綠萍細(xì)綠萍10011.25450.26040.56001.06990.66840.61270.58270.26250.3787小葉萍小葉萍40181.06350.15600.35640.93010.53800.52510.48030.21050.3327榕萍榕萍1-4號(hào)號(hào)1.26310.14260.60041.09070.63830.60030.58610.24680.4008回交萍回交萍3號(hào)號(hào)1.30960.26450.59561.14490.70470.64790.59200.26090.40423.1.2 3.1.2 有機(jī)稻米生產(chǎn)的首選肥源有機(jī)稻米生產(chǎn)的首
12、選肥源紅萍在養(yǎng)殖中進(jìn)行生物固氮,并可富集水稻植株不能直接紅萍在養(yǎng)殖中進(jìn)行生物固氮,并可富集水稻植株不能直接利用微量的鉀,使其成為有機(jī)稻米生產(chǎn)的天然氮、鉀肥源。利用微量的鉀,使其成為有機(jī)稻米生產(chǎn)的天然氮、鉀肥源。2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代以來,有機(jī)稻米生產(chǎn)國已經(jīng)開始重視應(yīng)用紅年代以來,有機(jī)稻米生產(chǎn)國已經(jīng)開始重視應(yīng)用紅萍。比如,萍。比如,19931993年由日本岡山縣農(nóng)民古野隆雄發(fā)明的年由日本岡山縣農(nóng)民古野隆雄發(fā)明的“稻稻- -萍萍- -鴨耕作制鴨耕作制” ” 已成為日本主要的有機(jī)稻米生產(chǎn)體系,已成為日本主要的有機(jī)稻米生產(chǎn)體系,被推廣到韓國、越南、菲律賓等國,在中國江蘇、廣東等被推廣到韓國、越南
13、、菲律賓等國,在中國江蘇、廣東等經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)的已推廣該耕作制。經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)的已推廣該耕作制。 稻萍魚模式 在養(yǎng)魚占地在養(yǎng)魚占地10情況下,情況下,保持水稻產(chǎn)量,節(jié)約肥料、保持水稻產(chǎn)量,節(jié)約肥料、農(nóng)藥農(nóng)藥70,魚產(chǎn)量,魚產(chǎn)量300400kg/畝。畝。 3.1.3 3.1.3 食用菌生產(chǎn)的原料:食用菌生產(chǎn)的原料:每每hmhm2 2 水面年產(chǎn)鮮萍量達(dá)水面年產(chǎn)鮮萍量達(dá)300t300t(含水量(含水量93%93%左右)。不但具有蛋白質(zhì)、微量礦物質(zhì)、維左右)。不但具有蛋白質(zhì)、微量礦物質(zhì)、維生素等營養(yǎng)豐富的優(yōu)點(diǎn),而且其木質(zhì)素含量高,個(gè)體小、生素等營養(yǎng)豐富的優(yōu)點(diǎn),而且其木質(zhì)素含量高,個(gè)體小、含水量高的弱點(diǎn)
14、卻能在食用菌生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化為木質(zhì)素轉(zhuǎn)化率含水量高的弱點(diǎn)卻能在食用菌生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化為木質(zhì)素轉(zhuǎn)化率高、不須加工粉碎和烘干的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于食用菌生產(chǎn)中的物高、不須加工粉碎和烘干的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于食用菌生產(chǎn)中的物質(zhì)循環(huán)利用是一種理想的生產(chǎn)原料。質(zhì)循環(huán)利用是一種理想的生產(chǎn)原料。 3.2 應(yīng)用于作為控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染的植物 3.2.1 紅萍抑制水田甲烷排放大氣中的大氣中的CHCH4 4有有20%20%30%30%來自稻田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的排放。因此來自稻田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的排放。因此近年來對(duì)稻田近年來對(duì)稻田CHCH4 4 排放有較多的研究,但尚未找到普遍使排放有較多的研究,但尚未找到普遍使用的有效控制方法。用的有效控制方法。我們的研究發(fā)現(xiàn),
15、稻我們的研究發(fā)現(xiàn),稻- -萍萍- -魚模式魚模式CHCH4 4-3-3. h. h-1-1, ,比常規(guī)稻田減比常規(guī)稻田減少少34.6%34.6%。 3.2.3.2.2 2 紅萍對(duì)養(yǎng)殖水體中紅萍對(duì)養(yǎng)殖水體中N N、P P去除效果:去除效果:多層養(yǎng)殖的紅萍對(duì)多層養(yǎng)殖的紅萍對(duì)5 5個(gè)流量處理的養(yǎng)殖水體中個(gè)流量處理的養(yǎng)殖水體中NHNH3 3-N-N和和TPTP都有去除效果。都有去除效果。在在5ml/s5ml/s流量下,流量下,NHNH3 3-N-N去除率去除率38.90%38.90%,TPTP的去除率的去除率38.43%38.43%。 3.2.3 3.2.3 水體水體重金屬離子的降污作用重金屬離子的降
16、污作用紅萍具有富集金屬離子的能力,因此,在稻田中放養(yǎng)紅萍,紅萍具有富集金屬離子的能力,因此,在稻田中放養(yǎng)紅萍,可以對(duì)重金屬污染起降污作用??梢詫?duì)重金屬污染起降污作用。 3.3 作為外太空開發(fā)的先行植物 生物圈二號(hào)是美國科學(xué)家建立的一個(gè)密閉生態(tài)生命保障系統(tǒng)生物圈二號(hào)是美國科學(xué)家建立的一個(gè)密閉生態(tài)生命保障系統(tǒng)(CELSSCELSS)。該生態(tài)系統(tǒng)除陽光外,其它物質(zhì)(水、空氣、)。該生態(tài)系統(tǒng)除陽光外,其它物質(zhì)(水、空氣、食物和生活廢棄物等)是完全依靠食物和生活廢棄物等)是完全依靠CELSSCELSS內(nèi)部循環(huán)的。內(nèi)部循環(huán)的。 在眾多的參試先鋒植物里,紅萍也名列其中。在眾多的參試先鋒植物里,紅萍也名列其中
17、。 近年來近年來NASANASA將紅萍列為建立火星地面站的先鋒作物。將紅萍列為建立火星地面站的先鋒作物。在我國,我們自在我國,我們自19971997年開始承擔(dān)的年開始承擔(dān)的863863課題,對(duì)紅萍應(yīng)用于課題,對(duì)紅萍應(yīng)用于CELSSCELSS的可行性,進(jìn)行了深入的研究。的可行性,進(jìn)行了深入的研究。結(jié)果表明,紅萍的生長特性適合于在結(jié)果表明,紅萍的生長特性適合于在CELSSCELSS中的應(yīng)用。(中的應(yīng)用。(1 1)生長迅速,倍殖天數(shù)為生長迅速,倍殖天數(shù)為3-5d3-5d。(。(2 2)可以進(jìn)行濕潤養(yǎng)殖,解)可以進(jìn)行濕潤養(yǎng)殖,解決太空的失重問題。(決太空的失重問題。(3 3)非常強(qiáng)的吸收)非常強(qiáng)的吸收
18、COCO2 2和和O O2 2能力,在立能力,在立體疊層養(yǎng)殖情況下,占較小的空間,為宇航員供氧。(體疊層養(yǎng)殖情況下,占較小的空間,為宇航員供氧。(4 4)用于宇航員尿液凈化、是可再利用的生物部件。(用于宇航員尿液凈化、是可再利用的生物部件。(5 5)可加)可加工成沙拉等食品,也可養(yǎng)魚等,形成食物鏈循環(huán)。工成沙拉等食品,也可養(yǎng)魚等,形成食物鏈循環(huán)。(1)(1)研究出適合失重狀態(tài)的紅萍濕養(yǎng)介質(zhì)。研究出適合失重狀態(tài)的紅萍濕養(yǎng)介質(zhì)。 (2) (2) 研究出節(jié)省能耗,而且提高紅萍產(chǎn)量和放研究出節(jié)省能耗,而且提高紅萍產(chǎn)量和放O2O2能力的冷能力的冷光源。光源。人工光源人工光源放萍放萍量量經(jīng)歷經(jīng)歷時(shí)間時(shí)間(
19、h h)收萍量(收萍量(g g)増產(chǎn)増產(chǎn)(%)(%)1 12 23 3平均平均普通日光燈普通日光燈50504 478.878.880.480.475.275.278.278.2 雙波長熒光雙波長熒光50504 489.689.691.191.195.695.692.192.117.8 表1:不同光照對(duì)紅萍生物產(chǎn)量的影響n密閉艙內(nèi)設(shè)置生物部件艙、人居間和設(shè)備間,密閉面積密閉艙內(nèi)設(shè)置生物部件艙、人居間和設(shè)備間,密閉面積60m260m2、容、容積積220m2220m2。在受控密閉艙內(nèi)進(jìn)行。在受控密閉艙內(nèi)進(jìn)行2 2人有植物有魚的載人供人有植物有魚的載人供O2O2試驗(yàn),試驗(yàn),試驗(yàn)自愿者為沒有對(duì)照試驗(yàn)的相
20、同試驗(yàn)自愿者為沒有對(duì)照試驗(yàn)的相同2 2人。艙內(nèi)植物種植面積人。艙內(nèi)植物種植面積70.6m270.6m2,其中:紅萍,其中:紅萍50.4m250.4m2,水稻、蕹菜、葉用番薯、西洋菜等,水稻、蕹菜、葉用番薯、西洋菜等4 4種高等植物合計(jì)種高等植物合計(jì)20.2m220.2m2。人工光照全天候保持。人工光照全天候保持700070009000 Lux9000 Lux。每間隔每間隔4h4h測定艙內(nèi)大氣測定艙內(nèi)大氣O2O2CO2CO2濃度與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系。濃度與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系。 (3) (3) 初步實(shí)現(xiàn)密閉生態(tài)系統(tǒng)的初步實(shí)現(xiàn)密閉生態(tài)系統(tǒng)的O O2 2-CO-CO2 2平衡平衡4 紅萍的未來研究 4.1 紅
21、萍在未來農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的難點(diǎn) 紅萍的生物學(xué)缺陷限制了其廣泛應(yīng)用。紅萍的生物學(xué)缺陷限制了其廣泛應(yīng)用。 (1 1)抗逆境能力不強(qiáng):)抗逆境能力不強(qiáng):紅萍的生長對(duì)溫度、濕度和光照條件要求較紅萍的生長對(duì)溫度、濕度和光照條件要求較嚴(yán)格,而自然界適合紅萍繁衍的地域有限、季節(jié)短暫。表現(xiàn)在它在世嚴(yán)格,而自然界適合紅萍繁衍的地域有限、季節(jié)短暫。表現(xiàn)在它在世界的分布地域較窄,周年繁衍困難。存在所謂界的分布地域較窄,周年繁衍困難。存在所謂“越夏越夏”、“越冬越冬”、“爛萍爛萍”、“黑腐病黑腐病”等等在實(shí)際栽培應(yīng)用中的問題。等等在實(shí)際栽培應(yīng)用中的問題。 (2 2)耐蔭差:)耐蔭差:雖然紅萍光補(bǔ)償點(diǎn)在雖然紅萍光補(bǔ)償點(diǎn)在55
22、0-700lux550-700lux,但是在低,但是在低于于3000lux3000lux的環(huán)境下難以長期生存。水稻的環(huán)境下難以長期生存。水稻“封行封行”后光強(qiáng)在后光強(qiáng)在2000lux2000lux以下,紅萍生理代謝下降導(dǎo)致抗病蟲能力急劇下降。以下,紅萍生理代謝下降導(dǎo)致抗病蟲能力急劇下降。最耐蔭的品種卡州萍(最耐蔭的品種卡州萍(A.carolinianaA.caroliniana),在),在3200lux3200lux以下以下生長速率也明顯下降。生長速率也明顯下降。 (3 3)可利用時(shí)間短:)可利用時(shí)間短:在南方的生長旺季在在南方的生長旺季在3 3月月-5-5月、及月、及9 9月月-11-11月
23、,在盛夏和嚴(yán)冬生存困難。月,在盛夏和嚴(yán)冬生存困難。 (4 4)異地利用成本高:)異地利用成本高:收獲、擴(kuò)繁和晾曬需要較大的工作收獲、擴(kuò)繁和晾曬需要較大的工作量;生長旺期在雨季;含水量高。量;生長旺期在雨季;含水量高。 (5 5)保種繁種困難:)保種繁種困難:多數(shù)紅萍品種無法在自然條件下產(chǎn)生多數(shù)紅萍品種無法在自然條件下產(chǎn)生“種子種子”孢子果,主要利用營養(yǎng)體保種,要經(jīng)過孢子果,主要利用營養(yǎng)體保種,要經(jīng)過“越越夏夏”、“越冬越冬”考驗(yàn),利用時(shí)間短于保種時(shí)間。考驗(yàn),利用時(shí)間短于保種時(shí)間。 4.2 未來需要加強(qiáng)的研究 (1 1)紅萍在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的潛力研究:)紅萍在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的潛力研究:探討紅萍在生態(tài)農(nóng)探討紅萍在生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的潛力,尤其是紅萍在固碳增氧、節(jié)能減排、保護(hù)業(yè)生產(chǎn)的潛力,尤其是紅萍在固碳增氧、節(jié)能減排、保護(hù)生態(tài)和作為有機(jī)肥源方面的理論與實(shí)用技術(shù)。生態(tài)和作為有機(jī)肥源方面的理論與實(shí)用技術(shù)。 (2 2)以轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高紅萍生物學(xué)優(yōu)勢:)以轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高紅萍生物學(xué)優(yōu)勢:引入抗蟲、耐引入抗蟲、耐蔭的外源基因,培養(yǎng)抗性強(qiáng)的紅萍品種;導(dǎo)入谷
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