EC 기준 파프리카 순환식 수경재배에서 양액 교체 주기에 따른 양액 중의 이온 균형 및 각 이온의 EC 기여도 변화 Changes in Ion Balance and Individual Ionic Contributions to EC Reading at Different Renewal Intervals of Nutrient Solution under EC-based Nutrient Control in Closed-loop Soilless Culture for Sweet Peppers (Capsicum annum L. 'Fiesta')원문보기
EC 기준의 순환식 수경재배시스템에서 재사용 양액 내의 이온 농도의 변화와 각 이온의 EC 기여 비율의 변화는 안정적인 양액 관리를 위해서 고려되어야 할 중요한 요인이다. 본 연구는 초기 생육단계 파프리카의 EC 기준 순환식 수경재배에서 교체 주기에 따른 재사용 양액 내 이온 농도, 이온균형 및 이온의 EC 기여도의 변화를 조사하여 재사용 양액의 적정 분석 주기를 규명하고자 수행하였다. 실험은 파프리카의 평균 마디수가 13마디일 때 시작하였고, 처리 종료시점에서는 평균 마디수가 18마디였다. 1개의 암면 슬라브당 3주의 파프리카가 재배되었다. 처리는 재사용 양액의 교체 주기에 따라 각각 1주, 2주, 3주, 4주 교체 처리구로 구성되었다. 양액은 일사비례제어방식으로 급액되었다. 배액은 배액 탱크에 수집된 후에 당일 관수가 종료된 후 혼합 탱크에서 EC $2.69dS{\cdot}m^{-1}$가 될 때까지 희석되었다. 혼합된 양액은 익일의 양액으로 사용되었다. 재사용 양액은 주기적으로 수집하여 분석되었다. 교체 주기에 따른 이온 농도의 변화는 처리별 차이가 나타나지 않았다. 모든 처리구에서 이온 농도의 변화 범위는 각각 $K^+$ 5-8, $Ca^{2+}$ 11-14, $Mg^{2+}$ 2.0-2.7, $Na^+$ 0.5-0.6, $NO_3{^-}$ 14-19, ${SO_4}^{2-}$ 4-5, ${PO_4}^{3-}$ 1-4, $Cl^-$$0.3-0.5meq{\cdot}L^{-1}$와 같았다. 교체 주기에 따른 이온 균형 변화는 크지 않았다. 그러나 전체 처리구에서 이온 비율의 변화는 일정한 경향을 나타냈다. 양이온 비율 변화는 $K^+$ : $Ca^{2+}$을 중심으로 나타났으며, 음이온은 ${SO_4}^{2-}$ : ${PO_4}^{3-}$를 중심으로 나타났다. 양액 중의 $K^+$, $NO_3{^-}$, $H_2PO_4{^-}$의 1가 이온과 $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, ${SO_4}^{2-}$의 2가 이온의 활동도 계수는 각각 0.8-0.9, 0.5-0.6 사이에서 변하였고, 시간 경과와 함께 각 이온의 활동도 계수는 일정한 경향을 나타냈다. 각 이온이 양액의 EC에 기여한 비율은 $K^+$와 $NO_3{^-}$가 가장 컸고, 다음으로 $Ca^{2+}$, ${SO_4}^{2-}$, $Mg^{2+}$ 순으로 나타났다. 본 실험에 적용한 교체 주기 4주는 초기 생육단계의 파프리카를 EC 기준 순환식으로 수경재배 할 경우, 이온 농도 변화와 이에 따른 EC 기여도의 변화는 안정적인 범위 이내라고 판단된다.
EC 기준의 순환식 수경재배시스템에서 재사용 양액 내의 이온 농도의 변화와 각 이온의 EC 기여 비율의 변화는 안정적인 양액 관리를 위해서 고려되어야 할 중요한 요인이다. 본 연구는 초기 생육단계 파프리카의 EC 기준 순환식 수경재배에서 교체 주기에 따른 재사용 양액 내 이온 농도, 이온균형 및 이온의 EC 기여도의 변화를 조사하여 재사용 양액의 적정 분석 주기를 규명하고자 수행하였다. 실험은 파프리카의 평균 마디수가 13마디일 때 시작하였고, 처리 종료시점에서는 평균 마디수가 18마디였다. 1개의 암면 슬라브당 3주의 파프리카가 재배되었다. 처리는 재사용 양액의 교체 주기에 따라 각각 1주, 2주, 3주, 4주 교체 처리구로 구성되었다. 양액은 일사비례제어방식으로 급액되었다. 배액은 배액 탱크에 수집된 후에 당일 관수가 종료된 후 혼합 탱크에서 EC $2.69dS{\cdot}m^{-1}$가 될 때까지 희석되었다. 혼합된 양액은 익일의 양액으로 사용되었다. 재사용 양액은 주기적으로 수집하여 분석되었다. 교체 주기에 따른 이온 농도의 변화는 처리별 차이가 나타나지 않았다. 모든 처리구에서 이온 농도의 변화 범위는 각각 $K^+$ 5-8, $Ca^{2+}$ 11-14, $Mg^{2+}$ 2.0-2.7, $Na^+$ 0.5-0.6, $NO_3{^-}$ 14-19, ${SO_4}^{2-}$ 4-5, ${PO_4}^{3-}$ 1-4, $Cl^-$$0.3-0.5meq{\cdot}L^{-1}$와 같았다. 교체 주기에 따른 이온 균형 변화는 크지 않았다. 그러나 전체 처리구에서 이온 비율의 변화는 일정한 경향을 나타냈다. 양이온 비율 변화는 $K^+$ : $Ca^{2+}$을 중심으로 나타났으며, 음이온은 ${SO_4}^{2-}$ : ${PO_4}^{3-}$를 중심으로 나타났다. 양액 중의 $K^+$, $NO_3{^-}$, $H_2PO_4{^-}$의 1가 이온과 $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, ${SO_4}^{2-}$의 2가 이온의 활동도 계수는 각각 0.8-0.9, 0.5-0.6 사이에서 변하였고, 시간 경과와 함께 각 이온의 활동도 계수는 일정한 경향을 나타냈다. 각 이온이 양액의 EC에 기여한 비율은 $K^+$와 $NO_3{^-}$가 가장 컸고, 다음으로 $Ca^{2+}$, ${SO_4}^{2-}$, $Mg^{2+}$ 순으로 나타났다. 본 실험에 적용한 교체 주기 4주는 초기 생육단계의 파프리카를 EC 기준 순환식으로 수경재배 할 경우, 이온 농도 변화와 이에 따른 EC 기여도의 변화는 안정적인 범위 이내라고 판단된다.
Individual ion concentrations and ionic contributions to EC reading in the circulated nutrient solution are the important factors to be considered for stable EC-based closed-loop soilless culture. This study was conducted to determine appropriate ion-analysis intervals of the circulated nutrient sol...
Individual ion concentrations and ionic contributions to EC reading in the circulated nutrient solution are the important factors to be considered for stable EC-based closed-loop soilless culture. This study was conducted to determine appropriate ion-analysis intervals of the circulated nutrient solutions based on ion concentration, ion balance, and ion electrical conductivity under different renewal intervals in EC-based nutrient control systems for sweet peppers (Capsicum annum L. 'Fiesta') in early growth stage. Average node numbers of the plants were 13 and 18 when the experiment started and finished, respectively, and three plants were grown in each rockwool slab. Four different renewal intervals of circulated nutrient solutions such as 1, 2, 3, and 4 weeks were used as treatment. Nutrient solutions were supplied to the plants based on integrated radiation. Drainage was collected into drain tanks after irrigation ended in the day and then mixed with fresh water until the EC reaches 2.69 $dS{\cdot}m^{-1}$. The replenished nutrient solution was supplied to the plants in the next day. Ion concentrations of the individual ions periodically analyzed in the circulated nutrient solutions showed no significant differences among the treatments during the experimental period. Ion concentrations of $K^+$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Na^+$, $NO_3{^-}$, ${SO_4}^{2-}$, ${PO_4}^{3-}$, and $Cl^-$ varied within 5-8, 11-14, 2.0-2.7, 0.5-0.6, 14-19, 4-5, 1-4, and 0.3-0.5 $meq{\cdot}L^{-1}$, respectively. Ion balance showed a consistent tendency over all the treatments and especially $K^+$ : $Ca^{2+}$ and ${SO_4}^{2-}$ : ${PO_4}^{3-}$ played great roles in the cation and anion balances in the nutrient solutions, respectively. Activity coefficients of ions such as $K^+$, $NO_3{^-}$, and $H_2PO_4{^-}$ varied within 0.8-0.9 and those of $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, ${SO_4}^{2-}$ varied within 0.5-0.6, showing little changes with time. Ionic contributions of $K^+$ and $NO_3{^-}$ to EC reading were the greatest followed by $Ca^{2+}$, ${SO_4}^{2-}$, and $Mg^{2+}$ in the order. From the results, we thought that allowable ranges in ion concentration, ion balance, and subsequent individual ionic contributions to EC reading would be obtained within 4-week renewal interval of nutrient solution in EC-based closed-loop soilless culture for sweet pepper plants.
Individual ion concentrations and ionic contributions to EC reading in the circulated nutrient solution are the important factors to be considered for stable EC-based closed-loop soilless culture. This study was conducted to determine appropriate ion-analysis intervals of the circulated nutrient solutions based on ion concentration, ion balance, and ion electrical conductivity under different renewal intervals in EC-based nutrient control systems for sweet peppers (Capsicum annum L. 'Fiesta') in early growth stage. Average node numbers of the plants were 13 and 18 when the experiment started and finished, respectively, and three plants were grown in each rockwool slab. Four different renewal intervals of circulated nutrient solutions such as 1, 2, 3, and 4 weeks were used as treatment. Nutrient solutions were supplied to the plants based on integrated radiation. Drainage was collected into drain tanks after irrigation ended in the day and then mixed with fresh water until the EC reaches 2.69 $dS{\cdot}m^{-1}$. The replenished nutrient solution was supplied to the plants in the next day. Ion concentrations of the individual ions periodically analyzed in the circulated nutrient solutions showed no significant differences among the treatments during the experimental period. Ion concentrations of $K^+$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $Na^+$, $NO_3{^-}$, ${SO_4}^{2-}$, ${PO_4}^{3-}$, and $Cl^-$ varied within 5-8, 11-14, 2.0-2.7, 0.5-0.6, 14-19, 4-5, 1-4, and 0.3-0.5 $meq{\cdot}L^{-1}$, respectively. Ion balance showed a consistent tendency over all the treatments and especially $K^+$ : $Ca^{2+}$ and ${SO_4}^{2-}$ : ${PO_4}^{3-}$ played great roles in the cation and anion balances in the nutrient solutions, respectively. Activity coefficients of ions such as $K^+$, $NO_3{^-}$, and $H_2PO_4{^-}$ varied within 0.8-0.9 and those of $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, ${SO_4}^{2-}$ varied within 0.5-0.6, showing little changes with time. Ionic contributions of $K^+$ and $NO_3{^-}$ to EC reading were the greatest followed by $Ca^{2+}$, ${SO_4}^{2-}$, and $Mg^{2+}$ in the order. From the results, we thought that allowable ranges in ion concentration, ion balance, and subsequent individual ionic contributions to EC reading would be obtained within 4-week renewal interval of nutrient solution in EC-based closed-loop soilless culture for sweet pepper plants.
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문제 정의
따라서 안정적인 배액의 사용을 위해서는 재사용 양액을 연속적으로 사용할 수 있는 기간과 이러한 조건에서 시간 경과에 따라서 제어 기준인 EC에 기여하는 각 이온의 효과를 분석할 필요가 있다. 본 연구는 EC 기준 파프리카 순환식 수경재배에서 재사용 양액의 교체 주기를 분석 주기로 가정하고 그에 따른 각 이온 농도의 변화와 이온의 EC 기여도 변화를 파악하여 순환식 수경재배에서 안정적인 양액 분석 주기를 추정하고자 수행하였다.
EC 기준의 순환식 수경재배시스템에서 재사용 양액 내의 이온 농도의 변화와 각 이온의 EC 기여 비율의 변화는 안정적인 양액 관리를 위해서 고려되어야 할 중요한 요인이다. 본 연구는 초기 생육단계 파프리카의 EC 기준 순환식 수경재배에서 교체 주기에 따른 재사용 양액 내 이온 농도, 이온 균형 및 이온의 EC 기여도의 변화를 조사하여 재사용 양액의 적정 분석 주기를 규명하고자 수행하였다. 실험은 파프리카의 평균 마디수가 13마디일 때 시작하였고, 처리 종료 시점에서는 평균 마디수가 18마디였다.
가설 설정
각 이온이 양액 EC에 기여하는 비율은 이온의 당량과 이동도에 결정된다. 수경재배와 같이 낮은 양액 농도 조건에서 양액 중의 이온의 당량 이온전도도의 비는 극한 이온 당량전도도의 비와 동일하다고 가정하였다(eq. 1).
5). 이러한 과정을 평형상태에 도달할 때까지 반복하였고, Cl- 및 NO3-은 양이온과 이온페어를 이루지 않고, PO43-는 H2PO4-의 형태로 존재한다고 가정하였다.
제안 방법
4). 각 이온의 활동도와 평형정수(Kij)를 이용해서 이온페어를 구한 후에 Ai를 구하였다(eq. 5). 이러한 과정을 평형상태에 도달할 때까지 반복하였고, Cl- 및 NO3-은 양이온과 이온페어를 이루지 않고, PO43-는 H2PO4-의 형태로 존재한다고 가정하였다.
각 처리구의 혼합탱크 내 개별 이온의 당량 농도는 시간 경과에 따라 변화하였다(Fig. 3). 본 실험에서 4주간의 처리 내에서는 교체 주기에 따른 개별 이온의 농도 변화는 처리구별로 차이를 보이지 않았다.
각 시스템에는 3주의 파프리카를 재배하였다. 매주 각 혼합탱크 내 양액의 pH를 측정하고, 양액 샘플을 채취하여 K+, Ca2+, Mg2+, Na+, SO42-, NO3-, PO43 Cl의 농도를 분석하였다. 양이온은 유도결합플라즈마 발광광도기(ICP-730 ES, Varian, USA)를 사용하였고, 음이온은 이온크로마토그래프(ICS-3000, Dionex, USA)을 사용하여 농도를 분석하였다.
2). 배액의 EC는 혼합 탱크 내의 양액의 EC보다 높기 때문에 배액이 유입되면 혼합탱크 내 양액의 EC가 상승하고, 제어 순서에 따라서 새로운 양액과 원수를 투입하여 급액하기 전의 혼합탱크 내의 양액 EC를 일정하게 조절하였다.
: 극한당량이온전도도, i: 임의 이온을 나타낸다. 보다 세밀하게 분석하기 위하여 EC에 기여하는 농도는 이온페어를 제외한 이온 활동도(activity)를 사용하였고, 용액내의 화학적 평형상태에서 수치해석을 이용하여 이온 활동도를 구하였다(Adams, 1977). 이 때 사용된 이온의 반경 및 극한 이온당량전도도는 Table 1과 같다.
순환식 수경재배 장치는 배액 수집탱크, 양액 혼합탱크, 관수장치로 구성하였다(Fig. 1). 배액 수집탱크의 용량은 4L였으며, 혼합탱크 내의 최고 수위와 최저 수위 사이의 양액체적은 L1 수위센서와 L2 수위센서를 이용하여 3.
4주/m2로 설정하였다. 양액은 일사비례제어 방식을 사용하였고, 낮은 재식밀도로 인한 증산량 증가 조건에서 약 30%의 배액율이 가능한 급액 조건을 사전 탐색하여 100 J・cm-2의 누적광량당 작물 1주에 250mL가 공급되도록 설정하였다. 배지 함수율은 급액과 함께 증가되어 배액이 시작되면 암면의 물리적 특성상 배지 함수율은 80-85%까지 증가하였으며, 이후 배액이 진행되는 기간(10분 내외)동안 급액되는 양액은 대부분 배액되었고, 배액율은 약 34%이었다.
처리는 재사용 양액의 교체 주기에 따라 각각 1주, 2주, 3주, 4주 교체 처리구로 구성되었다. 양액은 일사비례제어방식으로 급액되었다. 배액은 배액 탱크에 수집된 후에 당일 관수가 종료된 후 혼합 탱크에서 EC 2.
양액의 재사용에 따른 이온의 불균형을 파악하기 위해 이온 간의 비율 변화를 조사하였다(Fig. 4). 양이온에서는 K+: Ca2+: Mg2+와 음이온에서는 NO3-: PO43-: SO42-의 비율 변화를 파악하였다.
4). 양이온에서는 K+: Ca2+: Mg2+와 음이온에서는 NO3-: PO43-: SO42-의 비율 변화를 파악하였다. 양이온의 초기 양액 내 비율은 K+: Ca2+: Mg2+가 0.
매주 각 혼합탱크 내 양액의 pH를 측정하고, 양액 샘플을 채취하여 K+, Ca2+, Mg2+, Na+, SO42-, NO3-, PO43 Cl의 농도를 분석하였다. 양이온은 유도결합플라즈마 발광광도기(ICP-730 ES, Varian, USA)를 사용하였고, 음이온은 이온크로마토그래프(ICS-3000, Dionex, USA)을 사용하여 농도를 분석하였다.
유리온실 내 온도는 최고 31℃에서 최저 12℃ 사이에서 유지되었다. 재식밀도는 양호한 수광 조건 하에서 양분 흡수가 가능하도록 일반 재배농가보다 낮은 1.4주/m2로 설정하였다. 양액은 일사비례제어 방식을 사용하였고, 낮은 재식밀도로 인한 증산량 증가 조건에서 약 30%의 배액율이 가능한 급액 조건을 사전 탐색하여 100 J・cm-2의 누적광량당 작물 1주에 250mL가 공급되도록 설정하였다.
1개의 암면 슬라브당 3주의 파프리카가 재배되었다. 처리는 재사용 양액의 교체 주기에 따라 각각 1주, 2주, 3주, 4주 교체 처리구로 구성되었다. 양액은 일사비례제어방식으로 급액되었다.
혼합 탱크 내 재사용 양액의 교체주기를 각각 1주, 2주, 3주, 4주로 설정하여 처리하였으며, 각 처리당 2개의 순환식 재배시스템을 사용하였다. 각 시스템에는 3주의 파프리카를 재배하였다.
혼합 탱크 내 재사용 양액의 교체주기를 각각 1주, 2주, 3주, 4주로 설정하여 처리하였으며, 각 처리당 2개의 순환식 재배시스템을 사용하였다. 각 시스템에는 3주의 파프리카를 재배하였다. 매주 각 혼합탱크 내 양액의 pH를 측정하고, 양액 샘플을 채취하여 K+, Ca2+, Mg2+, Na+, SO42-, NO3-, PO43 Cl의 농도를 분석하였다.
처리 종료 시점의 평균 마디수는 약 18마디였다. 처리 기간 동안의 일일 평균 누적 광량은 503J・cm-2・day-1 였으며, 인공배지는 암면(Cultilene, Denmark)을 사용하였다. 유리온실 내 온도는 최고 31℃에서 최저 12℃ 사이에서 유지되었다.
성능/효과
각 이온이 양액의 EC에 기여한 비율은 K+와 NO3-가 가장 컸고, 다음으로 Ca2+, SO42-, Mg2+ 순으로 나타났다(Fig. 6). 이것은 초기 양액의 조성에서 K+, NO3-, Ca2+ 등의 비율이 높았기 때문이지만, Ca2+의 경우는 높은 비율임에도 불구하고 2가 이온은 이온 자체의 극한 당량이온전도도가 상대적으로 낮고, 활동도계수도 낮기 때문에 EC에 기여하는 비율이 낮게 나타났다.
각 이온이 양액의 EC에 기여한 비율은 K+와 NO3-가 가장 컸고, 다음으로 Ca2+, SO42-, Mg2+ 순으로 나타났다(Fig. 6).
양액은 일사비례제어 방식을 사용하였고, 낮은 재식밀도로 인한 증산량 증가 조건에서 약 30%의 배액율이 가능한 급액 조건을 사전 탐색하여 100 J・cm-2의 누적광량당 작물 1주에 250mL가 공급되도록 설정하였다. 배지 함수율은 급액과 함께 증가되어 배액이 시작되면 암면의 물리적 특성상 배지 함수율은 80-85%까지 증가하였으며, 이후 배액이 진행되는 기간(10분 내외)동안 급액되는 양액은 대부분 배액되었고, 배액율은 약 34%이었다. 배지 함수율은 일중 65%에서 85% 사이에서 변화하였다.
각 이온이 양액의 EC에 기여한 비율은 K+와 NO3-가 가장 컸고, 다음으로 Ca2+, SO42-, Mg2+ 순으로 나타났다. 본 실험에 적용한 교체 주기 4주는 초기 생육단계의 파프리카를 EC 기준 순환식으로 수경재배 할 경우, 이온 농도 변화와 이에 따른 EC 기여도의 변화는 안정적인 범위 이내라고 판단된다.
재사용 양액의 이온 농도에 영향을 주는 요인은 식물의 양분흡수가 1차적이다. 본 실험에서 4주간의 순환식 수경재배 처리에서는 양액 교체에 따른 이온 농도, 균형, EC 기여도의 차이가 나타나지 않았다. 이는 초기 생육단계 파프리카의 순환식 수경재배에서 4주 동안의 작물 양분 흡수가 재사용 양액 성분에 미치는 영향이 비교적 작거나, 배액율의 영향을 받았을 것으로 판단된다.
따라서 초기 생육단계의 파프리카를 EC 기준 순환식으로 수경재배를 할 경우 4주이내의 재배 기간에서는 이온 농도 변화와 이에 따른 EC 기여도의 변화로 인한 측정값의 왜곡은 적을 것으로 판단된다. 본 실험에서는 초기 생육단계의 파프리카를 사용하였기 때문에 이온 변화가 작게 나타났으며, 전 생육단계로 확대할 경우에는 이온변화의 폭이 보다 커질 것으로 판단된다.
본 연구는 초기 생육단계 파프리카의 EC 기준 순환식 수경재배에서 교체 주기에 따른 재사용 양액 내 이온 농도, 이온 균형 및 이온의 EC 기여도의 변화를 조사하여 재사용 양액의 적정 분석 주기를 규명하고자 수행하였다. 실험은 파프리카의 평균 마디수가 13마디일 때 시작하였고, 처리 종료 시점에서는 평균 마디수가 18마디였다. 1개의 암면 슬라브당 3주의 파프리카가 재배되었다.
후속연구
, 2007), 이러한 배액을 재사용할 경우는 혼합탱크 내 양액의 농도 및 각 이온의 농도에 영향을 주게 된다. 특히 EC 기준 순환식 수경재배에서 배액의 부피와 농도는 원수의 희석 비율과 새로운 양액의 투입 비율을 결정하는 중요한 요소이기 때문에(Savvas and Mannos, 1999), 추후 이와 관련된 분석이 필요하다. 일정 기간의 순환식 수경재배에서 비순환식에 비해 생육이나 수량에서 유의적 차이가 나타나지 않는 것은(Ehret et al.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
EC 기준의 순환식 수경재배시스템에서 안정적인 양액 관리를 위해서 고려되어야 할 중요한 요인으로는 무엇이 있는가?
EC 기준의 순환식 수경재배시스템에서 재사용 양액 내의 이온 농도의 변화와 각 이온의 EC 기여 비율의 변화는 안정적인 양액 관리를 위해서 고려되어야 할 중요한 요인이다. 본 연구는 초기 생육단계 파프리카의 EC 기준 순환식 수경재배에서 교체 주기에 따른 재사용 양액 내 이온 농도, 이온균형 및 이온의 EC 기여도의 변화를 조사하여 재사용 양액의 적정 분석 주기를 규명하고자 수행하였다.
인공배지를 사용하는 수경재배에서는 배지 내 염류의 집적을 방지하기 위해서 무엇을 발생시키는가?
인공배지를 사용하는 수경재배에서는 배지 내 염류의 집적을 방지하기 위해서 식물의 증산 요구량 이상으로 양액을 관수하여 일정 비율의 배액을 발생시킨다. 배액은 염류 농도가 높기 때문에 방류할 경우 환경 부하로 작용할 수 있으며, 비료와 수자원을 낭비하게 된다.
1). 배액 수집탱크의 용량은 4L 였으며, 혼합탱크 내의 최고 수위와 최저 수위 사이의 양액체적은 L1 수위센서와 L2 수위센서를 이용하여 3.6L로 유지되었다.
참고문헌 (14)
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