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2016年1月17日 星期日

健康來自好的生態環境?


98.2.26紫褐色型成蟲個體的雌寬腹螳螂正捕食台灣紋白蝶的幼蟲
    健康來自好的生態環境?:人類的健康源自於健康的食物與好的生態環境?生命需要陽光、空氣、水、食物、與好的生態環境
    這好的生態環境-源自要有健康好的土壤?>才能孕育出茂盛健康的植物、動物(人類的食物)?>才會有好的空氣?>有乾淨好的水?>有風調雨順好的氣候?...
    因此人類要健康,要從認識生態環境中如何維護好的土壤環境?,要愛護這大地之母-土壤,須從認識土壤生物及土壤有機質開始,再以自然友善農法-不施農藥與殺草劑來耕殖土地,就能生產出健康安全特別香甜好吃的農產食物。若使用農藥與殺草劑來耕殖土地,農藥除了殺死了一些對作物有害的蟲類之外,同時也殺死作物上與地上地下的益蟲...,而殺草劑雖殺死雜草,同時也可能殺死一些地上地下的益蟲...兩者同時都破壞到土壤生物及土壤有機質之自然生態環境...這樣的土壤所種植出來的農產品,就沒有那麼健康安全香甜好吃
    以下是人類尤其是農人更需認識的土壤生物及土壤有機質之知識。資料載自Charp2-3 - 國立臺灣師範大學地理學系
第三章、土壤生物及土壤有機質(下載的國立臺灣師範大學的資料有些表格圖表無法顯示請從上方連結看原版資料)
第一節、土壤生物與土壤的關係
一、土壤生物的種類
1.大型生物
土壤中大型生物如:齧齒類及食蟲動物、昆蟲類、木蝨、、蝸蝓、蝸牛、蜘蛛、百足蟲、蚯蚓、千足蟲等。土壤中大型生物的活動對土壤的影響包括:
(1)齧齒類常搗碎土塊,變成團粒狀,且搬運土塊。進而使土壤中有機質團結,且促進空氣流通及排水良好,但其害處在傷害農作物。
(2)昆蟲類能搬運或消化土壤,常把地面植物及動物遺體物質帶入土中,對土壤有機質的移動與破壞有很大的影響,其作穴對土壤通氣亦有影響。此類動物繁殖力大,其遺體對土壤有機物生成頗有影響。
(3)蚯蚓及蝸牛為土壤中最重要的腹足動物,常以腐朽植物體為食物。蚯蚓常吃食土壤而再排泄出來,據估計每年每英畝有15噸之乾土穿過蚯蚓之體。土壤之穿過其體不僅是可作其食物之有機質部份,且有礦物成分,均受其體內消化酵素之作用,又能弄碎土粒,使有機質、氮素、交換性鈣及鎂、有效磷、pH、鹽基飽和度及陽離子交換能量,均有顯著增加,故可增進土壤肥力。
土壤中的無機元素對動物的分布和數量亦有一定影響。由於石灰質土壤對蝸牛殼的形成很重要,所以在石灰質地區的蝸牛數量往往比其它地區多。
2.土壤微生物
(1)線蟲:分為雜食性、肉食性、寄生類等。
(2)原生動物:即單細胞動物,土壤中常見者有三種,變形蟲、纖毛蟲、鞭毛蟲等。原生動物之主要食物為有機物,故對有機物的分解頗有影響。而有一部份原生動物以細菌為食物,對於限制細菌之繁殖頗有影響。
3.土壤植物
土壤植物可分為:土壤藻類、土壤蕈類、土壤放射菌類、土壤細菌等四類。
(1)土壤藻類可分為:綠藻、藍綠藻、黃綠藻、細藻等。藻類對土壤性質及植物生長可能的影響如下:
·增加土壤有機質,因其能行光合作用製造有機質。
·增進土壤通氣,因其行光合作用能放出氧氣。
·已知有固氮能力之細菌和藻類(如藍綠藻)很多,稱為「固氮生物」,能吸收氮氣,進行固碳作用(nitrogen fixation)
·能助長細菌及蕈類之分解有機質及合成有機質。
(2)土壤蕈類可分為:黴菌、蕈菌、酵母菌等。
·黴菌:為土壤菌類中最重要者,對酸鹼適應力甚強,由喜酸性環境,在強酸的土壤環境甚中為依靠其對有機質的分解。
·蕈類:廣見於森林土壤中,對有機質亦有分解功能。
·酵母菌:腐植質中較多,對有機質的分解能力較弱。
(2)土壤細菌類:可分為自營性細菌(autotrophic bacteria)與異營性細菌(heterotrophic bacteria)兩種。
·自營性細菌:係利用無機鹽類的氧化作用攝取所需能量。
·異營性細菌:係以有機質為其營養料,有可分為好氣性(Aerobic)與嫌氣性(Anaerobic)兩種,前者分解速率較後者快約10倍;後者對Fe+3的還原成Fe+2(以奪取氧化鐵中的氧氣,並產生土壤斑紋顏色的變化),扮演著重要的角色。
(3)土壤放射菌類:其在土壤中最大的作用為分解有機質,適於鹼性環境中繁殖,酸性環境中作用力較差,此外放射菌具有強力的分解有機物能力。
二、土壤微生物對土壤及高等植物的影響
1.有機質之分解與降解作用
降解作用主要是將大分子量的有機質,特別是腐植質,分化成較小分子量的有機質,有利於後續的分解作用的進行。有機質經分解後,其中之N, P, S, K, Ca, Mg等植物營養元素都釋放出來成為無機態,可供植物利用。
(1)好氣性(或稱喜氣性)微生物分解有機物過程:作用於土壤表層或排水良好時,氧氣提供充分,土中微生物對有機質分解速度甚快。其分解速率約為嫌氣性環境的十數倍(圖3-1)。
(2)嫌氣性(或稱厭氣性)微生物分解有機物過程:作用於土壤底層或排水不良,造成缺氧時,嫌氣性微生物的作用仍須消耗土壤中的氧氣,使氧化還原電位降低,將土壤層塑造成還原環境,使土層的有機質發生還原分解,釋放出氧氣供給微生物分解所需(圖3-2)。
2.微生物之合成作用
土壤中許多有機化合物,經微生物吸收分解後,在與微生物體內組織合成新的有機質,合成的有機質即成為腐植質的一部份。此項作用對腐植質的形成關係至為重要。(郭魁士,1997115-116
3.固氮作用、硝化作用與脫氮作用
土壤中有一部份微生物,如異營性的固氮細菌等,能吸收空氣中之游離氮氣,透過化學能轉化成自由氮原子(N2®2N),稱為「固氮作用」。自由氮與氫氣合成氨氣(2N3H2®2NH3)或胺類有機質(有機質NH2),稱為「胺化作用」,兩個過程合併是廣義的「固氮作用」。含氮有機質分解過程又轉化成無機含氮化合物(如尿素和尿酸),這個過程是一種放熱反應,對土壤生物及作物均有益處。(參:孫儒泳主編,1995302
「硝化作用」(nitrification)係指「由氨氧或胺類轉化成硝酸的作用」(第一步亞硝酸鹽化:NH4®NO2;第二步硝酸鹽化:NO2®NO3),硝化細菌為嚴格的好氣性細菌,故盛行於排水與通氣良好的土壤。硝酸在土壤中如遇鹽基離子(鹼金族及鹼土族離子),即形成硝酸鹽。硝酸或硝酸鹽中之氮,特稱為硝酸態氮(Nitrate nitrogenNO3N),能供作物吸收,故亦屬於「有效性氮」。
「脫氮作用」(或稱「反硝化作用」)為與硝化作用相反的微生物(細菌及真菌)轉變作用,把硝酸化合物還原成為NO2N2ONO等氣體而揮發出去。由於脫氮作用是無氧或缺氧條件下進行,這一過程通常是透過較差的土壤中進行的,故容易在排水不良或浸水的底土層中進行。(參:郭魁士,1997116-121;孫儒泳主編,1995303-304
4.SMnFe等之氧化、還原作用
排水良好的土壤環境,FeMnS透過自營性細菌之氧化作用,攝取所需的能量以維生活。硫磺細菌產生硫酸,能促進土壤中許多礦物發生分解與溶解而形成硫酸鹽,植物要吸收之硫即為SO4-2,故此作用為對植物營養有利之作用。但當土壤中所含的硫化鐵礦過多時,硫化鐵礦物被硫磺細菌氧化,會產生過多的硫酸,使土壤pH大幅降低,對作物生長不利。
反之,排水不良的土壤環境,SMnFe受嫌氣性細菌作用均易發生還原作用。植物所吸收的鐵,主要為溶解性較大的Fe+2,故鐵之還原對植物營養有益,但溶解性Fe+2過多時(通常發生在土壤長期浸水時),則對植物生長有害。有機質在排水不良與空氣閉塞情況下,受嫌氣性微生物分解,產生一些對植物生長有害的物質,如CH4, H2, (CH3)2S, H2S等。故整體而言,還原環境較不利於作物生長。(郭魁士,1997121-123
5.微生物之活動對高等植物的影響(郭魁士,1997123-125
(1)分解有機質及轉換無機質,使土壤及高等植物均獲益處(正面)。
(2)藻類行光合作用增加土壤之有機質及促進通氣(正面)。
(3)土壤微生物之間的相互競爭,產生抗生素之類物質,抑制或殺死外來細菌有淨化土壤及(灌溉)水源的功能(正面)
(4)一般而言,在還原環境下,嫌氣性細菌的作用較不利於作物生長(負面)。
(5)脫氮作用使土壤損失氮素(負面)。
CxHyOz+(x+1/4y-1/2z)O2 CO2+1/2yH2O….………………….…….(1)
n(CxHyOz)(原生質)+NH3+(nx+n/4y-n/2z-5)O2+能量
C5H7NO2+(nx-5)CO2+1/2(ny-4)H2O…………….……………………….(2)
C5H7NO2+5O2 5O2+2H2O+NH3+能量……………………………(3)
3-1、好氣性環境微生物分解過程示意圖
3-2、嫌氣性環境微生物分解過程示意圖
第二節、土壤有機質
一、土壤有機質的形成與環境
1.地球上碳素的來源及變化
土壤有機質源自光合作用,有機質即是含碳化合物,主由碳、()、氧二(三)元素所組成。碳對生物和生態系統的重要僅次於水,它構成生物體重量(乾重)的49%,大氣的平均CO2濃度為0.032%(即320ppm),然而近100年來,大氣中的CO2濃度呈現持續上升的趨勢。夏天由於植物之光合作用較盛吸收大量的CO2,可使大氣中的CO2濃度降到0.032%以下,冬夏大氣中的CO2濃度可相差0.002%白天植物行光合作用消耗CO2;夜晚植物進行呼吸作用增加CO2濃度,因此夜晚的CO2濃度比白天多。(參:孫儒泳主編,1995297-280
此外,有很多生長在鹼性水域的中的水生植物,在進行光合作用時會釋出碳酸鈣(CaCO3)。這種純碳酸鈣和黏土混合就可形成泥灰層,泥灰層長期受壓就可轉變為石灰岩,廣泛分布於界各地的石灰岩大都是這樣生成的。(參:孫儒泳主編,1995297-280
2.土壤有機質的定義
廣義的有機質包括:生物體、有機殘體、腐植質;狹義的有機質常即指「腐植質」。土壤有機質可分為「有機殘體」(organic residues)與「腐植質」(humus)兩部份,前者包括植物及動物已死部份、動物排洩物等與分解出來呈游離狀態未被「聚合」的有機化合物(如醣類、氨基酸、脂肪、蛋白質、核酸等物質)。後者為有機聚合物(尤其是酚類聚合物),分子量特大。
3.有機質的分解
動植物殘體在土壤內或地面上之分解,其速度與其最終產物為無機鹽類,常依溫度(最重要因素)、水份、空氣、化學物質、pH、微生物種類及本身的抵抗力有關。
(1)溫度:一般而言,溫度愈高則分解速率愈快,合適的溫度為20-30℃,若在10℃以下或35℃以上時分解速率惡化。所以熱帶地區的丘陵與臺地等排水良好的地區,一般有機質含量甚少。
(2)水份:適量的水份(排水良好)有助於土壤有機質分解,但水份過多且停留過久,會導致排水不良而使空氣(氧氣)缺乏,降低分解速率。
(3)化學成份:有效性(解離)CaMgNaKPN等元素有助於分解有機質成份之CHO。其中又以N最為重要。
(4)微生物:微生物的作用是土壤有機質分解過程中最重要的機制,可分為好氣性與嫌氣性微生物。嫌氣性微生物常產生有機酸、醇類、CO2NH3H2SCH4等氣體,好氣性微生物多產生CO2H2ONH3SO4-2PO4-3等。(茹至剛,1994,《廢水防治工程》,pp.26-162
(5)土壤pH:視土壤微生物對pH的適應的情形而定,適應良好則分解速率快,反之則反。好氣性微生物活動適宜的pH6-9;嫌氣性微生物活動適宜的pH6.5-8.0間。
(6)化合物對抵抗分解的能力:醣類、澱粉、水溶性蛋白質>粗蛋白質>半纖維>纖維>脂肪類、蠟類、木素等。
(7)時間與生成物:新鮮的生物殘體進入土壤中分解甚速,以後隨時間之增長而趨緩慢,其分解生成物之化學成份近似腐植質者分解甚慢。
4.自然環境與土壤有機質含量
(1)多雨地區低窪積水之沼澤地:多雨地區低窪積水之沼澤地水生植物光合作用旺盛,其殘體沉積於地面,由於空氣不能進入,有機質分解速率受阻,遂聚積深厚的有機質層(好氣性微生物分解有機質速度約為嫌氣性微生物之10倍)。有機質層進一步分解,可形成「泥炭」,若深埋於地層中經壓密與脫水及碳化作用可形成煤礦。
(2)溫帶草原氣候區:溫帶地區的氣溫不高,有機質分解作用不強,降水足夠維持草本植物生長。而草原生命週期循環遠較森林為快;且木本植物的殘體之累積以地面為主,而草本植物之殘體(根、莖)大半位於土壤中,因此溫帶草原植被土壤中有機質的聚積速率,遠較溫帶森林為快,相對的腐植化的質量也勝過溫帶森林區,故世界上的溫帶草原,如烏克蘭草原、中國之松遼平原、阿根廷之彭巴草原往往形成所謂「草原黑土帶」。
(3)火山覆蓋地區:火山岩層風化後富含陽離子的礦物質與有機質結合,形成有機-鹽基複合膠體,較為穩定不易分解,成為有機質含量高的黑色或褐色土壤。
(4)北極地帶:世界土壤中的碳素有超過三分之一儲存在北極生態系統中,北極森林及北極苔原所儲存的碳素之量,相當於大氣層中所發現的二氧化碳的三分之二。全球暖化造成深層土壤中的碳素釋出,其釋出的濃度甚至超過石化燃料釋出到大氣層的總濃度。(取自:http://www.eurekalert.org/pub_releases/2004-09/uoaf-asf092404.php, 2004.09.30摘譯)
3-1、中國主要土壤中腐植質的元素組成(%


腐植物質

C

H

(O+S)

N

其它

胡敏酸

50~60

3.1~5.3

31~41

3.0~3.5

0~12.9

富里酸

45~53

4.0~4.8

40~48

2.5~4.3

0~8.5



資料來源:陳炳濤,199131
3-2、自然景觀要素泥炭(未完全分解之有機質)、腐植質的堆積程度


土壤溫度

濕度係數K

氣候帶

景觀帶

生物學活性

泥炭、腐植質堆積程度

³30

³1.5

過剩濕度帶

熱帶雨林



20-30

1.0-1.5

充足濕度帶

溫帶森林

極強

極強

10-20

0.6-1.0

中度濕度帶




5-10

0.3-0.6

不足濕度帶




5

0.0-0.3

微小濕度帶


極弱

-



資料來源:沈照理(1991)主編,〈水文地質學〉,北京:科學出版社,pp168
二、腐植質的形成與性質
1.腐植質的定義
腐植質是一個複雜及較有抵抗力,呈暗棕色至黑色的非結晶膠體聚合物質,其生成乃由原植物組織經過某些改變,及由各種土壤生物所合成。這些有機聚合物一般依萃取溶解的特性可分為:依序溶解的「腐植酸(胡敏酸)」、「黃酸(富里酸)」、「吉馬多芙朗酸」等及不溶解的「腐植膠體(胡敏素)」二大部份(如圖3-3),是呈棕褐色至黑色的土壤有機質。
資料來源:陳炳濤等,199127
3-3、腐植質之化學成分與分離過程
3-4、圖解腐植質變化過程
按:AEFG的比例尺並非相同,AE肉眼可辨,FG必須以顯微鏡才能觀
察到。
3-5、圖解腐植質外觀變化型態
2.有機物的轉換過程(腐植化過程)
(1)有機質的獲得:生物體的合成,主要為植物體,其次為動物排泄物,再其次為動物體腐化的產物。
(2)腐植化作用(humuification):動植物殘體物質經由土壤生物之分解、合成,轉變成腐植質之作用。
(3)礦質化作用(mineralization):腐植質緩慢分解而最後形成CO2, H2O, NH3, H2PO4-, SO4-2等無機化合物的過程。礦質化作用分為兩個階段完成:
·有機質的降解階段:有機物質被微生物體外,逐步降解成為複雜有機質的基礎化合物,即將大分子降解成為小分子的有機質,例如:蛋白質®®®氨基酸。
·有機質分解階段:微生物將前一階段分解形成的簡單有機化合物吸收至體內,其中一部份用於建造微生物的自身軀體;另一部份則被氧化為最終分解產物。在這一過程中,微生物同時也獲得了其生命活動所必需的能量。
3.腐植化程度差異所形成之腐植質分類
(1)粗腐植質(raw humus):枯枝落葉及下層草類之輕度分解物,呈強酸性反應。
(2)黴腐植質(möder):枯枝落葉分解遲緩,礦物質土與腐植質不完全或不相混合之陸生腐植質。
(3)混合腐植質(mull):枯枝落葉分解較速,致腐植質與礦物土強烈混合之陸地腐植質。
(4)泥炭(peat):多少已呈腐植質化之植物遺體所堆積而成,植物組織仍能用肉眼識別,通常生成在寒帶之低濕沼澤與河岸處。
(5)黑腐植質(muck):主油泥炭分解成黑色粉沫狀的物質,顯微鏡下可確認原植物組織,但肉眼難辨認,普通在泥炭之最上層。
4.腐植質之物理性質
(1)腐植質之顏色主為暗棕色至黑色,故凡土色黝暗時常表示其有機質含量甚豐。土色偏黑有助於吸收熱量,若有灌溉且可維持土溫,促進作物生長(尤以溫帶之生長季為然)。
(2)腐植質能吸收大量的水份,使體積膨脹,有甚佳之保水能力,森林中有高腐植質土壤,有助於減低洪峰流量及水資源保育。
(3)腐植質在吸收大量的水份後使體積膨脹,如水份釋出後,可能使地層有塌陷之虞。
(4)腐植質為非結晶體,且多呈膠體性質。
(5)腐植質之比重為1.31.5間,土壤礦物質的密度在2.3-2.6間,故土壤密度隨腐植質之增加而降低。
(6)腐植質的膠體特性因比表面積甚大,能吸附大量的陽離子,也能吸附陰離子具有緩衝pH與鹽度之作用。
(7)腐植質之內聚力、塑性與黏性不強,使土質疏鬆,利於水份的入滲與土壤之耕犛。
(8)腐植質有助促進土壤粒團作用(aggregation),使土壤通氣及透水性良好適宜植物生長,並減少沖蝕作用。
(9)腐植質及其所溶解的礦物質或分解礦物的成份富含NPSK等元素,並具有極高的陽離子吸附能力。腐植質在礦質化的過程不斷的釋出NPSK等元素。兩種化學過程皆可供高等植物生長發育所需的營養鹽,是土壤高生產力的保證。
5.腐植質的化學組成
(1)基本元素組成:碳、氫、氧、氮、硫等元素。
(2)功能基含量:由於腐植質中有若干含氧功能基,致使腐植質具有各種膠體特性(表面吸附、離子交換、鉗合〔或譯螯合、夾合作用〕、緩衝作用)、氧化-還原和生理活性等。腐植質之主要功能基如表3-5及圖3-6所示。
(3)分子大小和形狀:腐植質是由一系列構造單元相似而分子大小不同的化學構造所組成的一種高度分散的體系,腐植質分子量可小到幾百亦可大到幾百萬(但不表示腐植質的個體很大)。富里酸的分子量較胡敏酸要低幾個數量級,正因富里酸的分子量較小,所以它較易於滲透入植物細胞中,表現較強的生理活性。(陳炳濤主編,199130-32
3-3、腐植質的含氧功能基含量平均值(當量毫克/克)


腐植物質

羧基

酚羥基

醇羥基

基、酮基

甲基氧

胡敏酸

3.6

3.9

2.6

2.9

0.6

富里酸

8.2

3.0

6.1

2.7

0.8



資料來源:陳炳濤,199131

3-6、腐植質化學結構示意圖


四、「腐植質」與「有機殘體」分解過程的差異
1.腐植質相當穩定,黑鈣土在土壤中的平均保留時間可達870±50年;灰壤中的腐植質保留時間平均為250±60年(參:孫儒泳等,1995272),然而溫帶地區土壤中的腐植質層及富含腐植質的土層,一般可達數~數十公分,要將土層中腐植質完全分解至少要千年以上。有機殘體是不穩定的「土壤有機質」,經過一段時間的耕作後,土壤有機質含量就會很快下降,一旦有機質減少,氮素的轉化也就跟著減少,土壤肥力不足的現象就會發生。
2.腐植質具膠體特性,有很好的緩衝作用,而釋出的養分是漸進式,做為植物營養鹽,副作用較小。有機殘體一般缺乏良好的緩衝作用,(有機肥料)施用不當常造成土壤鹽化,特別是施用雞糞(有機肥料含鹽基物頗多),在還原環境中有機殘體往往分解成有害物質(如H2S),引起作物根部傷害。
五、森林與水田土壤有機及無機營養鹽的儲存
1.森林植被下營養鹽的儲存
森林(如熱帶雨林)區由於多雨的淋溶作用(leaching),許多森林土壤的營養鹽都很貧乏。生態學家長期以來提出的一個問題:雨林內驚人的生命力是如何靠如此瘠的土壤來維繫的,維繫雨林中密切生物活動的因素很多,其中雨林樹冠層能儲備大量的營養是重要的因素,雨林樹冠層的營養儲蓄與其上的附生植物(epiphyte)有關。附生植物附著於樹枝上,便開始收集有機物,最後形成一層厚墊(mat)。附生植物的厚墊有時可達30cm厚,提供了一個複雜的結構,形成一個多樣性的動物群落(community)。(參:金恆鑣等譯,20025-6
京恩(Gene Likens)及赫柏特(Herbert Bormann)在美國新罕布夏(New Hampshire)州的哈柏溪試驗林集水區,把試驗集水區上的林木伐倒,並用除草劑抑止植物再生,伐木會明顯增加集水區內營養的喪失,其中硝酸根離子(NO3-)約喪失40-50倍。而伐木集水區溪水中的其他主要營養元素的平均濃度從177%遽增到1,558%。(參:金恆鑣等譯,20027
2.稻蒿中的營養鹽含量
稻蒿乾物質中有54-56%的碳(約90%的有機質)、0.64-0.69%的氮、0.05-0.11%磷酐、2.0-2.1%的氧化鉀、0.42-1.2%的氧化鈣、0.3-0.52%的氧化鎂。假如一公頃稻蒿500公斤,估計約可提供4.5噸的有機質,32.34.25公斤的氮(152-164的硫酸錏)、2.5-5.5公斤的磷酐(14-30公斤的過磷酸鈣)、100-105公斤的氧化鉀(166-175公斤的氯化鉀)。

稻蒿經過燃燒,其中全部有機質與氮素及部分磷肥隨之氣化消失,雖然燒過之草灰可提供鉀、矽等無機質,有促進作物初期生長的事實,但長此燃燒處理,土壤養分與有機質浪費,將導致土壤逐漸貧瘠。(黃義雄,2004:〈如何處理稻蒿避免露天燃燒污染空氣〉,《桃園區農業專訊》,4724


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放下身段?放下身段?
泥土的芬芳?泥土的芬芳?
幸福的滋味? 幸福的滋味?
懶人可種的水果?: 懶人可種的水果?
草魚: 草魚
超大草魚: 超大草魚
吳郭魚: 吳郭魚 超大吳郭魚
健康之道?健康之道?
憨農?憨農?
耕耘 耕耘
耕耘之路:耕耘之路
收穫: 收穫

美夢成真

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