2. 中国农业科学院饲料研究所, 北京 100081
2. Feed Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
奶牛生产性能测定技术是目前规模化奶牛养殖过程中一套成熟、完整的技术体系，是优化奶牛饲养管理条件，提高养殖过程生产效率，保障乳品质的重要工具[1]。在生产过程中，奶牛的日产奶量和乳成分是评价奶牛泌乳性能和牛场管理水平的重要参考指标，奶牛日产奶量和乳成分在受到品种、环境、季节和饲养管理影响的同时还受到泌乳阶段、胎次等因素的影响[2-4]。深入了解奶牛泌乳性能随泌乳阶段、体细胞水平、胎次等因素的变化规律，对提高牧场管理水平、改善奶牛生产性能和乳制品品质具有重要意义。
不同泌乳阶段奶牛的泌乳能力具有不同的表现，在干物质摄入量、能量利用效率、饲料转化率以及代谢能力均会有差异，从而导致产奶量、乳中总固形物和体细胞数量等产生变化，其中，乳中总固形物和能量利用效率会随着泌乳天数的增加而降低，说明泌乳阶段会影响奶牛的生产[5-6]。张益宁等[7]对陕西某牧场6年内不同泌乳阶段奶牛的泌乳性能进行分析发现，不同泌乳阶段奶牛产奶量会呈现先上升后下降的变化，乳蛋白率、乳脂率、乳尿素氮也会随着泌乳阶段的变化发生不同的改变。同样，乳汁中的体细胞数也与日产奶量和乳成分有着显著的相关性，当体细胞数在20~50万个·mL-1时，奶牛乳腺健康开始发生改变，当超过50万个·mL-1时，奶牛泌乳能力会严重下降，还会导致乳成分发生改变，乳品质下降[8]。何芳等[9]研究表明，乳汁中SCC与产奶量和乳糖含量呈显著负相关，与尿素氮含量呈显著正相关，并且随着SCC的升高，奶损失和经济损失均逐渐增加，说明合理的控制SCC将有助于减少经济损失。类似的，Stocco等[10]研究也证明，SCC与产奶量和乳成分之间存在着显著的关系。
本研究收集北京地区大型集约化牧场奶牛DHI测定数据，通过对不同泌乳阶段和体细胞水平泌乳性能的差异与相关性进行分析，探索各指标之间的关系与变化规律，为在不同泌乳阶段奶牛的饲养管理、控制SCC、保护奶牛乳房健康以及提高乳品质提供理论依据，为牧场实际生产提供科学合理的指导意见，进而提升牧场管理水平，减少不必要的损失，提高牧场的经济效益。
1 试验材料与方法 1.1 数据来源收集北京14家奶牛养殖场，2018—2021年共285 045条中国荷斯坦奶牛的DHI报告，14家奶牛养殖场每月定期进行采样，将样品送至DHI检测中心进行分析。包括胎次、泌乳天数(d)、日产奶量(kg·d-1)、乳脂率(%)、乳糖率(%)、乳蛋白率(%)、脂蛋比和乳尿素氮(mg·dL-1)。
1.2 数据处理产犊胎次为1~11胎，参考张益宁等[7]方法，将泌乳阶段划分为0~99 d、100~199 d、200~299 d和300 d以上(含300 d)4个阶段，SCC水平划分为低SCC组(0~20万个·mL-1，含20万个·mL-1，下同)、中SCC组(20~50万个·mL-1)、高SCC组(大于50万个·mL-1)3个水平。按照“平均值±3倍标准差”剔除异常数据后，共得到251 949条DHI数据，具体泌乳阶段与SCC水平分组情况见表 1。
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表 1 奶牛泌乳阶段和SCC分组情况 Table 1 Lactation period and SCC grouping of Holstein cows |
数据使用Excel 2013和SPSS 21.0进行处理，去除年份和胎次等因子，使用ONE-WAY ANOVA单因素方差分析进行方差齐性检验，使用Pearson双侧检验进行多个变量间的相关性分析，利用LDS和Duncan多重比较对组间差异进行分析，2个变量之间的相关性使用Pearson相关系数进行判断，比较结果均以“平均数±标准差”的形式表示。
2 结果 2.1 不同泌乳阶段奶牛泌乳性能的描述性统计与相关性分析2.1.1 不同泌乳阶段奶牛产奶量和乳成分比较 不同泌乳阶段奶牛产奶量和乳成分比较见表 2，由表 2可知，不同泌乳阶段奶牛的产奶量、乳脂率、乳蛋白率、脂蛋比、乳糖率、尿素氮和SCC均存在显著差异(P < 0.01)。在不同泌乳阶段(按本研究划分的4个阶段) 条件下：产奶量高低依次为0~99 d＞100~199 d＞200~299 d＞300 d以上；乳脂率高低依次为300 d以上＞200~299 d＞0~99 d＞100~199 d，其中0~99 d和100~199 d间的乳脂率差异不显著(P>0.05)；乳蛋白率高低依次为300 d以上＞200~299 d＞100~199 d＞0~99 d；脂蛋比在0~99 d时最高，100~199 d、200~299 d和300 d以上时没有显著的差异(P>0.05)；乳糖率的高低依次为0~99 d＞100~199 d＞200~299 d＞300 d以上；尿素氮的高低依次为100~199 d＞0~99 d＞200~299 d＞300 d以上，其中0~99 d和100~199 d间无显著差异(P>0.05)；SCC的高低依次为300 d以上＞200~299 d＞100~199 d＞0~99 d，其中0~99 d和100~199 d间的SCC差异不显著(P>0.05)。
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表 2 不同泌乳阶段奶牛产奶量和乳成分比较 Table 2 Comparison of milk yield and milk components of dairy cows in different lactation periods |
2.1.2 不同泌乳阶段奶牛产奶量和乳成分相关性分析 图 1展示了0~99 d(A)、100~199 d(B)、200~299 d(C)和300 d以上(D)4个不同泌乳阶段的奶牛产奶量、乳脂率、乳蛋白率、SCC、MUN、乳糖率和脂蛋比间的相关性。在整个泌乳阶段中，乳脂率与乳蛋白率、SCC、MUN、脂蛋比呈显著正相关，与乳糖率呈显著负相关(P＜0.01)，乳糖率与脂蛋比呈显著负相关(P＜0.01)(图 1)。泌乳期在0~99 d(图 1A)时，产奶量与乳脂率、乳蛋白率、SCC呈极显著负相关，与乳糖率呈极显著正相关(P＜0.01)；乳蛋白率与SCC呈显著正相关，与MUN、乳糖率、脂蛋比呈显著负相关；SCC与乳糖率呈显著负相关(P＜0.01)；MUN与乳糖率、脂蛋比呈显著正相关(P＜0.01)。泌乳期在100~199 d(图 1B)时，产奶量与乳脂率、乳蛋白率、SCC、MUN、脂蛋比呈显著负相关，与乳糖率呈显著正相关(P＜0.01)；乳蛋白率与SCC、MUN、乳糖率呈显著正相关，与脂蛋比呈显著负相关(P＜0.01)；SCC与乳糖率呈显著负相关(P＜0.01)，与脂蛋比呈显著正相关(P＜0.05)；MUN与乳糖率、脂蛋比呈显著正相关(P＜0.01)。泌乳期在200~299 d(图 1C)时，产奶量与乳脂率、乳蛋白率、SCC、MUN、脂蛋比呈显著负相关，与乳糖率呈显著正相关(P＜0.01)；乳蛋白率与MUN、乳糖率呈显著正相关，与脂蛋比呈显著负相关(P＜0.01)；SCC与乳糖率呈显著负相关，与脂蛋比呈显著正相关(P＜0.01)；MUN与脂蛋比呈显著正相关(P＜0.01)。泌乳期在300 d以上(图 1D)时，产奶量与乳脂率、乳蛋白率、SCC、脂蛋比呈显著负相关，与MUN、乳糖率呈显著正相关(P＜0.01)；蛋白率与MUN、乳糖率呈显著正相关，与脂蛋比呈显著负相关(P＜0.01)；SCC与MUN(P＜0.05)、脂蛋比(P＜0.01)呈显著正相关，与乳糖率呈显著负相关(P＜0.01)；MUN与乳糖率、脂蛋比呈显著正相关(P＜0.01)。
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A.0~99 d; B.100~199 d; C.200~299 d; D.300 d以上(包含300 d)。*.P < 0.05; **. P < 0.01。下同 A. 0-99 d; B. 100-199 d; C. 200-299 d; D. Over 300 d(≥300 d)。*.P < 0.05; **. P < 0.01. The same as below 图 1 不同泌乳阶段奶牛产奶量和乳成分相关性分析 Fig. 1 Correlation analysis of milk yield and milk components of dairy cows in different lactation periods |
2.2.1 不同SCC水平奶牛泌乳天数、产奶量和乳成分比较 不同SCC水平奶牛泌乳天数、产奶量和乳成分见表 3，由表 3可知，不同SCC水平泌乳天数、产奶量、乳脂率、乳蛋白率、脂蛋比和乳糖率存在显著差异(P＜0.01)，MUN没有显著差异(P＞0.05)。其中，产奶量与乳糖率随着SCC的升高而显著降低(P＜0.01)，泌乳天数、乳脂率、乳蛋白率、脂蛋比随SCC的升高而显著升高(P＜0.01)，尿素氮在中SCC时最高，其次为低SCC、高SCC。
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表 3 不同体细胞水平奶牛泌乳天数、产奶量和乳成分比较 Table 3 Comparison of lactation days, milk yield and milk components of dairy cows with different SCC levels |
2.2.2 不同体细胞水平奶牛泌乳天数、产奶量和乳成分相关性分析 图 2展示了低SCC、中SCC、高SCC的泌乳天数、产奶量、乳脂率、乳蛋白率、SCC、MUN、乳糖率和脂蛋比之间的相关性。不同SCC水平下MUN与乳糖率、脂蛋比均呈显著正相关(P＜0.01)(图 2)。在低SCC中(图 2A)，泌乳天数与产奶量、SCC、MUN、乳糖率、脂蛋比呈显著负相关，与乳脂率、乳蛋白率呈显著正相关(P＜0.01)；产奶量与乳脂率、乳蛋白率、脂蛋比(P < 0.05)呈显著负相关，与SCC、乳糖率呈显著正相关(P＜0.01)；乳脂率与乳蛋白率、SCC、MUN、脂蛋比呈显著正相关，与乳糖率呈显著负相关(P＜0.01)；乳蛋白率与SCC、乳糖率、脂蛋比呈显著负相关，与MUN呈显著正相关(P＜0.01)；SCC与乳糖率呈显著负相关，与脂蛋比呈显著正相关(P＜0.01)；乳糖率与脂蛋比呈显著负相关(P＜0.01)。在中SCC中(图 2B)，泌乳天数与产奶量、MUN、乳糖率、脂蛋比呈显著负相关，与乳脂率、乳蛋白率、SCC呈显著正相关(P＜0.01)；产奶量与乳脂率、乳蛋白率、SCC呈显著负相关，与MUN、乳糖率、脂蛋比呈显著正相关(P＜0.01)；乳脂率与乳蛋白率、MUN、乳糖率、脂蛋比呈显著正相关，与SCC呈显著负相关(P＜0.01)；乳蛋白率与SCC、MUN(P < 0.05) 呈显著正相关，与脂蛋比呈显著负相关(P＜0.01)；SCC与MUN、乳糖率、脂蛋比呈显著负相关(P＜0.01)；乳糖率与脂蛋比呈显著正相关(P＜0.01)。在高SCC中(图 2B)，泌乳天数与产奶量、SCC、乳糖率、脂蛋比呈显著负相关，与乳脂率、乳蛋白率呈显著正相关(P＜0.01)；产奶量与乳脂率、乳蛋白率呈显著负相关，与SCC、乳糖率、脂蛋比呈显著正相关(P＜0.01)；乳脂率与乳蛋白率、MUN、脂蛋比呈显著正相关，与SCC、乳糖率呈显著负相关(P＜0.01)；乳蛋白率与SCC、乳糖率、脂蛋比呈显著负相关，与MUN呈显著正相关(P＜0.01)；SCC与MUN、乳糖率呈显著正相关(P＜0.01)。
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A.低SCC; B.中SCC; C.高SCC A. Low SCC; B. Medium SCC; C. High SCC 图 2 不同体细胞水平奶牛泌乳天数、产奶量和乳成分的相关性 Fig. 2 Correlation analysis of lactation days, milk yield and milk components of dairy cows with different SCC levels |
图 3展示了奶牛日产奶量和乳成分随泌乳天数的变化规律，由图 3可以看出产奶量(图 3A)和乳糖率(图 3B)随着泌乳天数的增加呈现先上升后下降的变化规律，体细胞数(图 3C)、乳蛋白率(图 3D)和乳脂率(图 3E)随着泌乳天数的增加呈现先下降后上升的变化规律，而脂蛋比(图 3F)随泌乳天数的增加呈现逐渐下降的变化规律。采用多项式对奶牛产奶量、乳糖率、乳蛋白率、SCC、乳脂率和脂蛋比随泌乳天数变化规律进行曲线拟合得到产奶量随泌乳天数的变化曲线为：y=-3×10-9x4+3×10-6x3-1.5×10-3x2+2.039×10-1x+34.437(x为泌乳天数，y为产奶量，R2=0.975 9)；乳糖率随泌乳天数的变化曲线为y=-1×10-15x6+2×10-12x5-2×10-9x4+6×10-7x3-1×10-4x2+8.4×10-3x+4.999 2(x为泌乳天数，y为乳糖率，R2=0.984 7)；SCC随泌乳天数的变化曲线为：y=-4×10-12x5+6×10-9x4-3×10-6x3+8×10-4x2-8.89×10-2x+22.862 (x为泌乳天数，y为SCC，R2=0.782 9)；乳蛋白率随泌乳天数的变化曲线为：y=4×10-15x6-7×10-12x5+5×10-9x4 -2×10-6x3+3×10-4x2-1.94×10-2x+3.576(x为泌乳天数，y为乳蛋白率，R2=0.943 7)；乳脂率随泌乳天数的变化曲线为：y=-6×10-13x5+9×10-10x4-6×10-7x3+2×10-4x2-1.93×10-2x+4.777 2(x为泌乳天数，y为乳脂率，R2=0.975 5)；脂蛋比随泌乳天数的变化曲线为：y=2×10-11x4-3×10-8x3+2×10-5x2- 2.9×10-3x+1.44(x为泌乳天数，y为脂蛋比，R2=0.863 6)。
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A.产奶量；B.乳糖率；C.体细胞数；D.乳蛋白率；E.乳脂率；F.脂蛋比 A. Milk yield; B. Lactose percentage; C. SCC; D. Milk protein percentage; E. Milk fat percentage; F. Milk fat/Milk protein (F/P) 图 3 产奶量和乳成分随泌乳天数的变化规律 Fig. 3 Change rules of milk yield and milk components with lactation days |
本研究结果显示，不同泌乳阶段奶牛的产奶量和乳成分存在显著的差异，这是由于奶牛在泌乳过程中机体的生理状态会发生不同程度的变化，在不同泌乳阶段奶牛采食的日粮也会影响奶牛的泌乳性能[11-12]。此外，不同阶段的奶牛体内激素也影响着奶牛泌乳性能，乳汁合成是由多种激素相互协同完成的，例如雌激素、催乳素、生长激素等均在奶牛泌乳过程中起着重要作用，在泌乳发生和维持阶段发挥作用最显著，这也是泌乳奶牛在100天左右达到泌乳高峰的原因之一[13]。在前300 d中奶牛泌乳可以分为泌乳早期、泌乳中期、泌乳后期，在泌乳早期奶牛的生理机能相对于其他时期具有优势，其产奶量会显著高于其他时期，在产后9~10周左右奶牛食欲最强，其干物质摄入量达到高峰，这也是其达到泌乳高峰的原因之一[14]。奶牛的最佳泌乳时间为305 d，在305 d后奶牛进入干奶期，此时奶牛乳腺组织需要进行细胞更新，为下一个泌乳期做准备，但是由于繁殖等各种因素，部分奶牛未能受孕成功，奶牛则会继续参加泌乳工作，同时营养水平、挤奶频率和催乳生殖激素也会影响奶牛乳腺细胞的增殖与凋亡以及奶牛持续力，这也是300 d以后奶牛的泌乳量显著低于其他泌乳阶段的一个主要原因[15-16]。研究表明，奶牛SCC会随着泌乳阶段的增加而显著增加，Laevens等[17]的研究也与本研究结果相一致，这是奶牛自然免疫系统表现出来的一种免疫反应，随着时间的增长，奶牛乳腺受微生物、细菌和应激等因素的影响，乳腺导管受损，致使乳中SCC增加[18]。乳成分在不同泌乳阶段的显著差异一方面是由于泌乳阶段的改变导致乳腺机能的改变引起的，另一方面也是由于牛奶的稀释效应[19]所引起的，即当产奶量升高时，牛奶乳脂、乳蛋白虽然产量增加，但是浓度会降低，从而导致乳脂率和乳蛋白率降低，这与前人的研究结果相一致[20-21]。此外，不同泌乳阶段尿素氮浓度的高低表现：100~199 d＞0~99 d＞200~299 d＞300 d以上，这可能与各阶段奶牛氮素的供需平衡有关，100~199 d为奶牛泌乳的高峰期，这个阶段奶牛采食量增加，氮素摄入量增加，这可能使导致100~199 d MUN浓度最高的原因之一[22]。
SCC反映奶牛的健康状态和牛奶质量，健康奶牛乳汁中SCC一般在2~20万个·mL-1，在生产中当奶牛SCC在20~50万个·mL-1时视为患有隐性乳房炎，当SCC达到50万个·mL-1则认为奶牛患有临床乳房炎[23-24]，在本研究中依此将SCC分为低、中、高水平，在结果中可以看出低SCC水平奶牛的产奶量显著高于中、高SCC水平奶牛，这是由于低SCC奶牛的乳腺健康状态更佳，泌乳能力更强，这也与Litwinczuk等[25]的报道相一致。同时，低SCC奶牛的平均泌乳天数显著低于中、高水平，这是因为奶牛泌乳高峰期在产后100天左右，之后由于生理与环境因素会导致乳腺健康状态逐渐下降，致使SCC增加[26]，这也印证了本研究中不同泌乳阶段产奶量和乳成分显著差异的结果。同样，由于稀释效应[19]，不同SCC水平导致奶牛产奶量产生显著差异，进而导致乳中蛋白质和乳脂的浓度发生改变，即较低产奶量的奶牛会表现出更高的乳脂率和乳蛋白率。乳糖是乳汁中主要的碳水化合物，是唯一的糖类，其合成过程中可以将外界水分吸收至乳腺上皮细胞中，是影响奶牛产奶量的关键因素之一，奶牛产奶量会随乳糖合成的增加而提高[27-28]，这是低SCC水平奶牛乳糖率显著高于中、高SCC水平奶牛的原因。乳中MUN的浓度与SCC的相关性还尚未见报道，有待进一步研究。
3.2 不同泌乳阶段和SCC水平奶牛泌乳天数、产奶量和乳成分相关性分析不同泌乳阶段和SCC水平奶牛产奶量与乳脂率、蛋白率呈负相关关系，不同泌乳阶段奶牛产奶量与SCC均呈负相关关系，这反映了SCC是影响奶牛产奶量的主要因素之一，较低的SCC对提高奶牛产奶量具有促进作用[29]。但在不同SCC水平，奶牛SCC与产奶量表现出不同的相关性，在低和高SCC水平产奶量与SCC表现出正相关关系，而中SCC水平却表现出负相关，这可能是由于在低SCC水平奶牛乳腺健康状态良好，SCC的适当升高会对泌乳产生有益影响，而在中SCC水平，奶牛处于临床乳房炎的状态，SCC的升高会加重其向临床乳房炎转变，从而使产奶量降低，表现出显著负相关关系，而高SCC水平表现为正相关关系，其可能与胎次以及各个牛场对患有乳房炎奶牛的饲养管理方式有关，其具体原因还尚未见报道，有待进一步研究。由于乳糖是唯一能够调节乳汁渗透压的物质，乳糖率的提高会导致产奶量的上升[27]，相关性分析中产奶量与乳糖率也均呈正相关关系，这也印证了前面乳糖率显著差异的结果。在前300 d内，奶牛产奶量与乳MUN呈负相关关系，300 d后产奶量与乳MUN呈正相关关系，这是因为乳MUN与奶牛繁殖性状有着密切的关系，奶牛的理想泌乳周期为300 d左右，当超出300 d后奶牛未进入干奶期继续泌乳则说明奶牛可能未进入妊娠期，此时乳中MUN就会升高，进一步影响奶牛的繁殖能力[30]，这可能是导致300 d以后奶牛泌乳时间与MUN呈现正相关的原因之一；此外，300 d后奶牛SCC与MUN呈显著正相关，这可能是因为长期的泌乳活动使乳腺导管和血管通透性变大，使更多的MUN进入乳汁，导致乳MUN升高[9]。有研究表明，奶牛在合成乳汁的过程中，乳脂和乳蛋白两者相互促进彼此的合成，其两者呈显著正相关，本试验中不同泌乳阶段和体细胞水平上，乳脂率和乳蛋白率均与产奶量呈显著正相关关系，这与前人的研究结果一致[31]。本研究中，奶牛产奶量、脂蛋比、乳糖率、MUN与泌乳天数呈显著的负相关，相反乳蛋白率、乳脂率与泌乳天数呈显著正相关，这与Bielfeldt等[32]的研究结果基本一致。
3.3 奶牛产奶量和乳成分随泌乳天数的变化规律分析以往的研究表明，头胎牛在产犊后100天前后达到泌乳高峰期，经产牛在产犊60 d左右达到泌乳高峰期[33]，本研究中奶牛产奶量在60~100 d左右时候达到泌乳高峰期，这也与刘丹丹等[34]的研究结果一致。许多研究结果还表明，乳糖率的变化趋势与产奶量的变化趋势相一致[35-36]，这也印证了本研究中乳糖率与产奶量呈显著正相关的结果。由于奶牛在泌乳早期存在产犊生理应激、转群应激等问题，此时奶牛SCC水平相对较高，随着泌乳天数的增加，其逐渐适应后，在100~200 d期间SCC达到最低水平，之后逐渐升高，产奶量的高低也会影响SCC水平，这也与Santman-Berends[37]和Verbeke等[38]的研究结果相似，即奶牛SCC会随着泌乳天数的增加呈现先下降后上升的变化规律，同时由于泌乳高峰期产奶量增加产生的稀释效应也使乳中SCC呈现先下降后上升的变化规律。Lainé等[39]研究表明，奶牛在不同生理阶段乳脂率和乳蛋白率均会有显著变化，在产犊120 d前乳脂率逐渐下降，120 d后逐渐上升，这与本研究结果相同；这是由于奶牛在干奶期停止泌乳且在围产后期进行补饲，此阶段奶牛乳腺各种功能得以修复，从而使泌乳早期的乳脂率呈现一个较高水平，同时乳脂率也受产奶量高低的影响[40]，王加祥等[41]对江苏某牛场乳脂率变化进行分析，发现奶牛泌乳第一个月和泌乳末期奶牛的乳脂率较高，这也与本研究中乳脂率的变化趋势相同。乳蛋白率的变化规律同乳脂率一致，其产生先下降后升高的现象的原因也可能是因为围产后期的适当补饲所导致的[42]；而脂蛋比呈现逐渐下降后保持稳定是因为泌乳早期能量负平衡导致乳汁中乳蛋白率的增长速度小于乳脂率，而在泌乳中期后机体生理状态恢复稳定使两者保持相对平衡[34]。
4 结论不同泌乳阶段和SCC水平的奶牛产奶量和乳成分存在显著差异，泌乳早期和低SCC水平奶牛产奶量和乳糖率最高。随着泌乳天数的增加产奶量和乳糖率呈现先上升后下降的变化规律，SCC、乳脂率、乳蛋白率呈先下降后上升的变化趋势，脂蛋比呈下降后逐渐稳定的变化趋势。因此，应合理的根据奶牛泌乳阶段和SCC水平对奶牛进行分群和规划，提高饲养管理水平，优化营养供给，使奶牛达到最佳泌乳性能，以改善乳品质提高牧场经济效益。
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(编辑 郭云雁)