基于主成分与聚类分析的甘蔗新品种（系）主要农艺及产量性状的评价

2022年3月 热带农业科学
第42卷第3期
Mar. 2022 CHINESE JOURNAL OF TROPICAL AGRICULTURE Vol.42, No.3
收稿日期 2021-11-19；修回日期 2021-12-06
基金项目 广西农业科学院科技发展基金项目（No.桂农科2020YM132）；广西农业科学院基本科研业务专项项目（No.桂农
科2021YT151）；广西科学研究与技术开发计划项目（No.桂科攻1598006-1-1B ）；2021广西农科院成果转化项目（No.NKYCZ202104）。

第一作者 谭秦亮（1985—），女，硕士，助理研究员，研究方向为作物栽培与遗传育种，E-mail ：****************。

通讯作者 程琴（1984—），女，硕士，助理研究员，研究方向为亚热带作物栽培学，E-mail ：****************。

基于主成分与聚类分析的甘蔗新品种（系） 主要农艺及产量性状的评价
谭秦亮 朱鹏锦 李穆 程琴 周全光 庞新华
（广西壮族自治区亚热带作物研究所 广西南宁 530001）
摘 要 为了揭示不同甘蔗品种（系）的大田性状特性，分析新植蔗及宿根蔗农艺、产量性状变化特点。

以新台糖22号（ROC22）为对照（CK ），对10份甘蔗品种（系）进行1年新植和1年宿根的品比试验，并对株高、茎径、有效茎数、蔗糖分等17个农艺指标进行变异系数、相关性、主成分分析及聚类分析。

结果表明：新植蔗与宿根蔗变异系数变幅分别为4.89%~23.89%和4.06%~22.77%。

各性状间存在较高相关性，在新植蔗中蔗茎产量与出苗率、有效茎数及产糖量呈极显著正相关，产糖量与出苗率、有效茎数呈显著正相关；在宿根蔗中蔗茎产量与产糖量呈极显著正相关，与茎径呈显著负相关。

主成分分析得出，新植与宿根均可分为3个主成分，累计贡献率分别为90.365%和84.177%；第1主成分和第2主成分与甘蔗产量和品质密切相关，其中单茎重、有效茎数和蔗糖分是影响甘蔗产量和品质的重要因素；在欧式距离为10的水平上，10个甘蔗材料可以分为3大类，其中第Ⅲ大类的4个参试材料表现出有效茎数适中、宿根性强等特性。

综上所述，桂热2号具有有效茎数适中、产量高及宿根性强等特点，可在广西南宁蔗区，特别是在良圻蔗区推广种植。

关键词 甘蔗；农艺性状；产量；主成分分析；聚类分析
中图分类号 S566.1 文献标识码 A DOI: 10.12008/j.issn.1009-2196.2022.03.007
Evaluation of Main Agronomic and Yield Traits of New Sugarcane Varieties
(Lines) Based on Principal Component and Cluster Analysis
TAN Qinliang ZHU Pengjin LI Mu CHENG Qin ZHOU Quanguang PANG Xinhua
(Guangxi Subtropical Crops Research Institute, Nanning, Guangxi 530001, China)
Abstract In order to reveal the field characteristics of different sugarcane varieties (lines), the changes of agronomic and yield traits of newly planted and ratoon sugarcane were analyzed. Ten sugarcane varieties (lines) were selected for evaluation with ROC22 as control (CK), and 17 agronomic indexes, such as plant height, stem diameter, effective stem number, sucrose content, etc, were analyzed by using coefficient of variation, correlation, principal component analysis and cluster analysis. The results showed that the variation coefficients of the newly planted and ratoon sugarcane of the sugarcane varieties/lines were 4.89% - 23.89% and 4.06% -22.77%, respectively. There was a high correlation between the traits. For the newly planted sugarcane, cane yield was highly significantly positively correlated with seedling emergence rate, effective stem number and sugar yield, and sugar yield was significantly positively correlated with seedling emergence rate and effective stem number. For the ratoon sugarcane, sugarcane stem yield had a highly significant positive correlation with sugar yield, and a significant negative correlation with stem diameter. Principal component analysis showed that the newly planted and ratoon sugarcane could be divided into three principal components, with their respective cumulative contribution of 90.365% and 84.177%. The first and second principal components were closely correlated with sugarcane yield and quality, among which single stem weight, number of effective stems and sucrose content are important factors affecting sugarcane yield and quality. At the level of Euclidean distance of 10, the 10 sugarcane varieties (lines) can be divided into three categories, of which four sugarcane varieties (lines) in the category III have moderate number of effective stems and strong ratooning. In conclusion Guire 2 has moderate number of effective stems, high yield and strong ratooning ability, and can be popularized in the sugarcane produc-ing areas of Nanning, Guangxi, especially in the Liangqi sugarcane producing area.
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Keywords sugarcane; agronomic characters; yield; principal component analysis; cluster analysis
随着国民生活水平的不断提高以及甘蔗种植栽培技术的飞速发展，我国甘蔗的种植面积现稳居世界第三位，仅次于巴西和印度。

种植区域多分布在广西、云南、广东、海南、福建等地区，其中广西的甘蔗种植面积超过全国甘蔗种植面积的60%以上，产糖量占我国食糖总产量的90%以上[1]，对保证我国食糖生产和供需有至关重要的作用。

目前，广西农垦良圻蔗区作为南宁地区的主要蔗区，甘蔗种植面积维持在0.55万hm 2左右，种植品种主要有新台糖22号、桂糖42号、桂柳05-136和桂糖46号等，其中新台糖22号仍然是该地区的当家品种[2]。

该品种在广西的种植时间已近20年，种性和抗性严重退化，病虫害发生严重尤其是宿根蔗的黑穗病，导致甘蔗产量难以保证和提高[3]。

因此，甘蔗新品种的选育与推广成为当务之急。

影响甘蔗产量的构成因子较多，主要受品种自带的遗传种性
[4-6]
、大田管理和病虫害
防治[7]
、种植栽培技术[8]
等因素影响；由于高产优良甘蔗新品种选育周期长，因此，遵循科学的选
种方法，结合不同地区的气候特点、生态环境等因素进行分析，开展不同甘蔗新品种的适应性试种试验成为推广新品种的有效方法。

主成分分析旨在利用降维的思想，将原本个数较多的指标转换为新的少数几个综合指标（主成分），其中每个主成分都能够反映原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复。

聚类分析的目标是在相似的基础上收集数据来分类，衡量不同数据源间的相似性，并把数据源分类到不同的簇中。

主成分分析与聚类分析是农业研究中重要的统计分析方法[9]，在小麦[10]、水稻[11]、高粱[12]和大麦[13]等作物中均有应用，在甘蔗上也早有应用[14-16]，且取得了良好的效果。

在育种工作综合评价中，仅通过某一个性状的表现（比如产量性状）对品种进行综合评价往往会对结果造成误差，以致失去某些具有推广潜力的品种（系）。

为加快新品种选育进程，运用变异系数、相关性分析、主成分分析相结合的方法，更能快速准确地筛选出优异种质。

本研究以广西当前主推品种及广西亚热带作物研究所自育的优质品系10个材料（含对照 ROC22）为研究对象，通过变异性、相关性、主成分与聚类分析对其新植和宿根蔗的株高、茎径、有效茎数、
田间锤度、蔗茎产量和产糖量等17个主要农艺指标进行考察， 以期揭示各农艺性状和产量构成因子间的相关性与特征规律，为选育出适合广西南宁蔗区种植的优质甘蔗种质材料提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 材料
本试验参试材料10个，以新台糖22号（ROC22）为对照，详见表1。

表1 参试材料
品种（系） 选育单位
桂糖42号 广西农业科学院甘蔗研究所 桂糖46号 广西农业科学院甘蔗研究所 凉蔗07-53 广西农业科学院亚热带作物研究所桂热1号 广西农业科学院亚热带作物研究所凉蔗02-186 广西农业科学院亚热带作物研究所桂热2号 广西农业科学院亚热带作物研究所凉蔗03-23 广西农业科学院亚热带作物研究所凉蔗02-169 广西农业科学院亚热带作物研究所凉蔗03-81
广西农业科学院亚热带作物研究所
新台糖22号（CK ）中国台湾糖业研究所
1.2 方法
1.2.1 试验设计 试验于2016年3月至2018月
2月在广西农垦良圻农场试验基地（22°20'N ，109°14'E ）进行。

试验采用随机区组设计，每个品种设3次重复，每个小区为一个重复，每小区5行，行长7 m ，行距1.2 m ，小区面积42 m 2。

下种密度为10.5芽/m 。

1.2.2 项目测定
1.2.2.1 农艺性状 新植蔗生长初期调查出苗率及分蘖率，出苗率=（出苗数/下种芽数）×100%，分蘖率=（单位面积分蘖总苗数/单位面积种苗出苗总数）×100%；宿根蔗生长初期调查发株率，发株率=（单位面积新植蔗有效茎数/单位面积宿根蔗出苗总数）×100%。

1.2.2.2 产量性状 2017年3月（新植）和2018年2月（宿根）收获前对株高、茎径、锤度、有效茎等指标进行调查与测定。

有效茎：调查每小区1.3 m 以上的茎数，作为有效茎数，计算每公顷有效茎；株高：每小区选择连续甘蔗15株，测
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量株高，计算平均值；茎径、锤度：与调查株高同步进行，每小区用卡尺顺序测量15株蔗茎及锤度，计算平均值。

甘蔗理论产量（t/hm 2）=甘蔗单茎重×有效茎（条/hm 2）；单茎重（kg ）=0.785 4×（株高–30）×茎径2×比重/1 000；甘蔗蔗糖分（%）= 1.082 5×田间锤度–7.703；含糖量（t/hm 2）=甘蔗理论产量×糖分含量（%）。

1.2.3 数据处理 采用Excel 2016和SPSS15.0软件对数据进行处理和作图，采用Pearson 进行相关分析。

2 结果与分析
2.1 主要农艺及产量性状的变异性分析
变异系数是衡量性状变异的数量指标，主要受到标准差和平均数的影响。

表2显示，试验材料性状指标的变异系数变化幅度比较大，为4.06%~23.89%。

新植蔗9个指标中变异最大的是分蘖率，变异系数达到23.89%；其次为出苗率、单茎重、有效茎，株高的变异系数最小，仅为4.89%。

宿根蔗8个指标中变异最大的为蔗茎产量，变异系数为22.77%；其次为产糖量、有效茎
数、发株率，茎径的变异系数最小，仅为4.06%。

2.2 主要农艺性状及产量指标的相关性分析
由表3可以看出，在新植蔗中蔗茎产量与出苗率、有效茎数、产糖量呈极显著正相关，说明对蔗茎产量影响最大的因素为出苗率和有效茎数，蔗茎产量对产糖量影响最大。

产糖量与出苗率、有效茎数呈显著正相关，说明这2个指标对产糖量的影响较大。

其他的指标之间相关性主要表现为：株高与蔗糖分呈显著正相关；茎径与单茎重呈极显著正相关，与有效茎呈显著负相关，与出苗率呈极显著负相关；单茎重与有效茎数呈显著负相关，与出苗率呈极显著负相关；有效茎数与出苗率呈显著正相关；蔗糖分与分蘖率呈显著负相关。

在宿根蔗中，蔗茎产量与产糖量呈极显著正相关，与茎径呈显著负相关；蔗糖分与单茎重呈极显著正相关，与株高呈显著正相关；茎径与单茎重呈显著正相关，说明茎径对单茎重有很大的影响。

综合新宿蔗数据可见，若要选育出高产高糖的甘蔗品种，在选育种过程中不仅需要选择中大茎、单茎重及甘蔗蔗糖分较高的材料，而且需要兼顾株高及其他农艺指标。

2.3 农艺性状及产量性状的主成分分析
由表4可知，前3个主成分所构成的信息量
表2 十个甘蔗材料主要农艺性状及产量的变异性分析
新植蔗
数值
株高 /cm
茎径 /cm
单茎重 /kg
有效茎 /(条·hm –2)
甘蔗蔗糖分/% 蔗茎产量
/(kg·hm –2)
产糖量/(kg·hm –2
) 出苗率
/% 分蘖率
/% 平均值 319.50 2.72 1.70 70 702.5013.44 100 506.0013 485.00 54.17 94.69 最小值 299.00 2.47 1.40 57 165.0012.29 76 275.009 450.00 32.22 66.08 最大值
351.00
3.18
2.33
85 365.00
14.30
120 975.0016 065.00 62.22 132.95 极差 52.00 0.71 0.93 28 200.00 2.01 44 700.00 6 615.00 30.00 66.87 标准差 15.63 0.20 0.27 11 211.260.73 13 965.04 1 854.14 10.74 22.62 变异系数/%
4.89
7.35
15.88
15.86
5.43 13.89
13.75 19.83
23.89
宿根蔗
数值
株高
/cm
茎径 /cm
单茎重 /kg
有效茎 /(条·hm –2)
甘蔗蔗糖分
/% 蔗茎产量 /(kg·hm –2) 产糖量 /(kg·hm –2) 发株率 /% 平均值 317.56 2.71 1.67 67 962.6013.49 100 243.10 13 474.80 120.88 最小值 286.00 2.53 1.40 50 660.0011.60 62 702.00 9 349.00 86.60 最大值 338.33 2.89 1.86 86 075.00
15.17
134 134.00 17 690.00 150.80 极差 52.33 0.36 0.46 35 415.00 3.57 71 432.00 8 341.00 64.20 标准差 16.01 0.11 0.14 12 307.41 1.28 22 829.43 3 006.98 16.48 变异系数/% 5.04 4.06 8.38
18.11
9.49
22.77
22.32
13.63
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表3 十个甘蔗材料主要农艺性状及产量指标的相关系数
植期
指标
发株率 /% 株高 /cm 茎径
/cm
单茎重/kg 有效茎数/(条·hm –2)蔗糖分/% 蔗茎产量/(kg·hm –2) 产糖量/(kg·hm –2) 出苗率/% 分蘖率/%
株高/cm 1 茎径/cm –0.188 1 单茎重/kg 0.172 0.933** 1 有效茎/(条·hm –2
)
0.019 –0.661*–0.641*
1
蔗糖分/%
0.716* 0.143 0.429 0.064 1 蔗茎产量/(kg·hm –2) 0.186
–0.590 –0.513 0.780**–0.085 1 产糖量/(kg·hm –2) 0.436 –0.520 –0.345 0.729*0.2720.935** 1 出苗率/% 0.315 –0.921**–0.803**
0.706*
–0.005
0.789** 0.754* 1
新植蔗 分蘖率/% –0.469 –0.253 –0.454 0.458 –0.714*0.206 –0.058 0.127 1 发株率/% 1
株高/cm 0.085 1
茎径/cm
–0.388 –0.223 1 单茎重/kg –0.308 0.491 0.739*
1
有效茎/(条·hm –2) 0.135 0.102 –0.418 –0.301 1
蔗糖分/%
0.125 0.702* 0.339 0.792**
0.078 1
蔗茎产量/(kg·hm –2) 0.076 0.199 –0.716*–0.500 0.118 –0.284 1
宿根蔗
产糖量/(kg·hm –2) 0.092 0.480 –0.578 –0.180 0.056 0.107
0.920** 1
注：*和**分别表示相关性达0.05和0.01显著水平。

表4 十个甘蔗材料的主成分分析
新植蔗
主成分
特征值
贡献率 /% 累计贡献率/% 株高
/cm
茎径/cm 单茎重/kg 有效茎/(条·hm –2)甘蔗蔗糖分/%蔗茎产量/(kg·hm –2) 产糖量/(kg·hm –2) 出苗率/% 分蘖率
/%
第一主成分 4.692 52.131 52.131
0.157 –0.890–0.830 0.872–0.1460.875 0.792 0.944 0.349第二主成分 2.587 28.742 80.872 0.857 0.039 0.372–0.054 0.9140.149 0.469 0.168–0.777第三主成分 0.854 9.492 90.365 –0.162 0.447 0.398 0.298–0.025
0.384
0.361
–0.224 0.227
宿根蔗
主成分
特征值
贡献率 /% 累计贡献率/%
发株率/% 株高
/cm 茎径/cm
单茎重
/kg 有效茎 /(条·hm –2)
甘蔗蔗 糖分/% 蔗茎产量 /(kg·hm –2) 产糖量 /(kg·hm –2)第一主成分 3.227 40.342 40.342 –0.327 0.004 0.927 0.832–0.385 0.510 –0.853 –0.658
第二主成分 2.294 28.680 69.022
0.119 0.939–0.141 0.525 0.017 0.790 0.299 0.625 第三主成分 1.212 15.155 84.177
0.702 0.099–0.173–0.098
0.574
0.233
–0.395
–0.361
为总信息量的90.365%，反映了绝大部分信息量。

根据特征值和各成分的贡献值可以看出，第一主成分主要包括了出苗率、分蘖率、有效茎数、蔗茎产量及产糖量等信息，其中出苗率的特征值最大，为0.944，主要反映了试验材料的产量及产糖量性状，概括为产量和产糖量因子；第二主成分主要包括了株高及甘蔗蔗糖分的信息，主要反映了试验材料的农艺及糖分性状，概括为农艺及品质因子；第三主成分代表了茎径及单茎重的信息，其中茎径的特征值最大，为0.447，概括为农艺因子。

宿根蔗8个性状指标主成分分析结果见表4。

前3个主成分所构成的信息量为总信息量的84.177%，反映了绝大部分信息量。

根据特征值和各成分的贡献值可以看出，第一主成分主要综合了茎径、单茎重及甘蔗蔗糖分等信息，其中茎径的特征值最大，为0.927，概括为农艺及品质因子；第二主成分主要包括了株高、蔗茎产量及产糖量的信息，其中株高的特征值最大，为0.939，概括为产量和产糖量因子；第三主成分代表了发株率及有效茎数的信息，其中发株率的特征值最大，
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- 36 -为0.702，概括为农艺因子。

2.4 主要农艺性状及产量性状的聚类分析
综合新植蔗和宿根蔗的17个性状指标，采用欧式距离、系统聚类法对10个甘蔗材料进行聚类分析。

在欧式距离10的水平上，10个甘蔗材料聚为3大类（图1）。

由图1和表5可知，第Ⅰ大类材料有1份，为桂糖42号，占参试材料的10.00%，主要表现为新植蔗株高、单茎重及蔗糖分高等特性，宿根蔗发株率、株高、单茎重、有效茎数及甘蔗蔗糖分高等特性，属于植株高大、宿根性良好、高糖的材料。

第Ⅱ类材料有5份，分别是桂热1号、新台糖22号、凉蔗03-23、凉蔗02-169、桂糖46号，占参试材料的50.00%，主要表现为新植与宿根蔗茎径大、宿根蔗茎产量及产糖量均良好，属于大茎、宿根性强、高产高糖的材料；第Ⅲ类材料有4份，分别是桂热2号、
凉蔗07-53、凉蔗03-81、凉蔗02-186，表现出新植出苗率、分蘖率、蔗糖分、有效茎数高等特性，新植与宿根蔗均高产高糖，属于有效茎适中、宿根性好、高产高糖的材料。

图1 十个甘蔗材料的聚类分析图
表5 十个甘蔗材料各类性状指标的平均值
新植蔗
类别
株高 /cm
茎径 /cm 单茎 重/kg 有效茎数/(条·hm –2)甘蔗蔗糖分/%蔗茎产量/(kg·hm –2)产糖量 /(kg·hm –2) 出苗率
/% 分蘖率/% 第Ⅰ类(n =1，10.00%) 336.00 2.78
1.88 57 570 14.26 86 28012 330 53.33 66.08第Ⅱ类(n =5，50.00%) 317.80
2.80 1.79 63 666 1
3.33 95 430 12 765 49.07 88.63 第Ⅲ类(n =4，40.00%) 317.50 2.62 1.55 82 781 13.36 110 408 14 674 60.76 109.42 平均值
323.77
2.73
1.74
68 006
13.65 97 373
13 256
54.39
88.04
宿根蔗
类别
发株率
/%
株高 /cm
茎径 /cm 单茎重/kg 有效茎数/(条·hm –2)甘蔗蔗糖分
/% 蔗茎产量 /(kg·hm –2) 产糖量
/(kg·hm –2)第Ⅰ类(n =1，10.00%) 150.80 324.67 2.75 1.75 78 928 14.92 62 702 9 349 第Ⅱ类(n =5，50.00%) 111.32 311.11 2.78 1.71 60 808 13.41 89 211 11 981 第Ⅲ类(n =4，40.00%) 125.35 323.83 2.61 1.59 74 164 13.23 123 419 16 373 平均值
129.16 319.87
2.71
1.68
71 300
13.85
91 777
12 568
3 讨论与结论
变异系数是衡量作物遗传多样性及自然多变环境下遗传稳定性的重要指标，优良品种的选择潜力与作物农艺性状的变异系数相互关联，变异系数越大，遗传多样性越丰富，越容易从该群体中选出优良品种[17-20]。

本研究变异系数分析表明，新植蔗分蘖率和出苗率的变异系数最大，分别达到23.89%和19.83%，其余均在4.89%~23.89%，其中株高的变异系数最小。

宿根蔗蔗茎产量和产糖量的变异系数最大，分别为22.77%和22.32%， 其余均在4.06%~22.77%，其中茎径的变异系数最小。

结果说明该群体的样本间差异大，各个农艺性状的遗传多样性丰富，从中选择出优良个体的几率较大，这与俞华先等[21]、高三基等[22]研究基本一致。

相关性分析是为了分析多个性状指标间是否相关、相关程度及相关性质的一种综合统计分析方法。

研究表明[23]，作物各性状间既存在着具有促进作用的显著正相关，也存在着具有制约作用的显著负相关，在进行性状指标选择时，需要注
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意促进与制约相互间的关系。

作物产量主要由产量构成因素决定，如何更好地利用相互间的关系是目前育种和栽培的关键；在甘蔗上，最终的产量主要由分蘖率、株高、茎径、单茎重、有效茎数等多个农艺性状指标决定，其中有效茎数和单茎重对产量的贡献最大。

在本研究中，不同性状间存在多重复杂的促进或制约关系，对新植蔗的产量和产糖量均有促进作用的指标有出苗率和有效茎，茎径和单茎重对有效茎数有制约作用，茎径对单茎重有促进作用。

宿根蔗的茎径及甘蔗蔗糖分对单茎重有促进作用，产量对产糖量有促进作用，茎径对产量有制约作用。

前人研究
[24-26]
发现，在
以强宿根、高产、高糖为育种目标的前提下，更应重视出苗率、发株率、有效茎数、株高等性状的表现与筛选，同时还应注意协调甘蔗产量与蔗糖分、锤度等指标的关系，这与本研究中相关性分析结果的复杂性相似。

主成分分析表明，新植蔗第一主成分和宿根蔗第二主成分均反映的是产量和产糖量相关指标，该成分得分越高说明材料的产量和产糖量越
高；新植蔗第二主成分和宿根蔗第一主成分均反映的是农艺和品质相关指标，该成分得分越高说
明材料的甘蔗蔗糖分越高；新植蔗第三主成分和宿根蔗第三主成分均反映的是农艺性状相关指标，该成分得分越高说明材料的新植蔗单茎重及宿根蔗有效茎数等指标越高。

新植蔗前3个因子所含信息量占比90.365%，宿根蔗前3个因子所含信息量占比84.177%，足以反映参试材料的性状特征。

系统聚类将10份参试材料的17个性状指标分为3大类群，较好地揭示了参试材料之间的性状特点。

3大类群材料各有特点，第Ⅰ类群的材料表现植株高大、宿根有效茎较多、宿根产量偏低；第Ⅱ类群的材料表现为大茎，宿根产量及产糖量均良好；第Ⅲ类群的材料表现为有效茎数适中、宿根性强、产量及产糖量较高。

在实际生产和选育种中，可依据不同类群的特点，选择合适不同育种目标的材料，从而提高各个材料的可利用性。

在开展甘蔗品种筛选时，由于参试材料和研究指标不同，不同研究者的结果也有所差异[27-29]，尤其是农艺指标已受到气候、环境及种植管理技术的影响。

综上所述，10个参试品种中，第Ⅲ类群的材料桂热2号具有有效茎数适中、产
量高及宿根性强等特点，可在广西南宁蔗区特别是在良圻蔗区推广种植。

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（责任编辑 林海妹）
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