文章信息
- 陈强, 陈云浩, 王萌杰, 蒋卫国, 侯鹏, 李营
- CHEN Qiang, CHEN Yunhao, WANG Mengjie, JIANG Weiguo, HOU Peng, LI Ying
- 2001-2010年洞庭湖生态系统质量遥感综合评价与变化分析
- Ecosystem quality comprehensive evaluation and change analysis of Dongting Lake in 2001-2010 based on remote sensing
- 生态学报, 2015, 35(13): 4347-4356
- Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(13): 4347-4356
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201403250557
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文章历史
- 收稿日期:2014-03-25
- 修订日期:2015-03-11
2. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京 100875;
3. 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室, 北京 100875;
4. 中国环境保护部卫星环境应用中心, 北京 100094
2. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
3. Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster, Ministry of Education, Beijing 100875, China;
4. Satellite Environment Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100094, China
The results indicated that the mean value of the ecosystem quality comprehensive evaluation index of the five ecosystems in the Dongting Lake area was 59.81 (total score: 100). After evaluating the ecosystem production capacity, stability, and carrying capacity indices, we found that the indices produced values of 72.79, 52.21, and 71.86, respectively, indicating that ecosystem stability in the Dongting Lake area was poor in the period from 2001 to 2010. However, the three indices showed different change trends during the period. Two indices, EPI and EBCI, decreased by 8.85% and 9.11%, respectively, but ESI rose slightly, by 3.09%. The ecosystem quality declined by 5.97% from 2001 to 2010, the average change rate being -0.508 per year. An analysis of the various ecosystem types found that the forest ecosystem's quality was better than the other ecosystem types, and that the wetlands ecosystem quality was the lowest. We found that, from 2001 to 2010, the ecosystem quality of the wetlands had the most obvious decline (12.97%) and that the forest ecosystem only decreased by 2.26%. These data indicate that ecosystem quality in the Dongting Lake area fell from 2001 to 2010, with the wetlands ecosystem having the largest decline. At present, the ecosystem quality remains at a higher level than that indicated by these historical data, but it seem unlikely to lead to optimistic trends in the future. We should pay more attention to environmental protection and ecological planning in the Dongting Lake area.
生态系统是人类生存和经济社会可持续发展的基础,尤其是国务院《全国生态环境十年变化(2000—2010年)遥感调查与评估》项目的开展以及十八届三中全会提出的“深化生态文明体制改革”理念,更加强调生态文明建设的重要性。21世纪前10年是我国经济社会快速发展的10年,生态系统环境发生了很大变化,客观评价生态系统质量,并分析其10年变化将十分有利于生态系统环境保护工作的开展和生态文明的建设。
生态系统作为生态学中的基本功能单位,存在动态波动、对环境变化有一定的承载力等特点。目前,针对生态系统这些特征的评价多是以生态环境质量这一概念为基础的,而有关生态系统质量并未见普遍认可的定义。笔者根据有关学者的生态环境质量定义[1, 2],以生态系统的三大基本特征为出发点,认为生态系统质量应是指在一个具体的时间和空间范围内生态系统的总体或部分生命组分的质量,主要表现在其生产能力以及受到外界干扰后的动态变化,以及对人类的生存及社会经济持续发展的影响。类似于生态系统健康的定义,但生态系统质量更强调生态系统本身的基本特征,生态系统健康状况更多表现为生态系统对环境的承载状况,可以说生态系统健康是反应生态系统质量的另一方面。
前人对生态系统质量的评价多关注其环境质量和服务功能的评价[3, 4],而也有些学者认为对生态系统的质量状况进行评价,就必须能够反映生态系统的基本特征,体现生态系统的健康情况[5]。对生态系统质量的评价需要从以下三个方面描述:一是生态系统服务功能的评价,服务功能的基础是生产力,集中体现在生物量的富集;二是生态系统服务功能的稳定性,评价其生产能力的波动性;三是生态系统受到干扰的负荷能力,也就是生态系统承载力评价。
关于生态系统质量的评价常见的有两种方法,一是基于生态系统环境质量情况,利用中国环境科学研究院制定的生态环境质量评价指标体系,进行生态环境质量评价,并以此表征生态系统质量;二是基于指数评价法,通过构建不同指数法反映生态系统的不同方面,以此表征生态系统质量。第一种方法对生态系统质量的评价主要关注生态环境影响力方面,第二种方法则涉及生态系统多个方面,结合生态系统质量的定义可知,指数评价法对生态系统质量评价更全面,但从学者的文献研究可知,指数评价法中各指数的构建都是针对生态系统的某几个方面,缺少对生态系统质量的综合评价。本文便是在生态系统质量的理论框架下结合遥感和GIS基于综合指数法进行生态系统质量评价模型建立,对2001—2010年湖南洞庭湖区域森林、草地、湿地、农田和城镇五大生态系统类型进行生态系统质量评价,分析其10年变化,揭示典型湖泊湿地区域生态系统质量的变化趋势。
1 生态系统质量评价生态系统质量评价主要是对生态系统生产能力、稳定性和承载力3个方面进行描述的,通过构建生态系统生产能力指数、稳定性指数和承载力指数,评价生态系统质量的三个方面。
1.1 生态系统生产能力指数生态系统的服务功能是支撑人类社会不断发展和进步的基础条件,生态系统可为人类提供17类服务功能[6],其中生产力是最主要的,如果生态系统失去生产力,人类社会就难以存在和发展,所以选择生态系统生产能力指数作为区域生态系统质量评价的指标。
反映生态系统生产能力的指标有初级生产力、净初级生产力、地上生物量和植被指数等,其中植被第一性初级生产力(NPP)是最能反映陆地生态系统生产能力的指标,所以选择NPP年总量作为评价生态系统生产能力的主要指标参数。
NPP与生态系统生产能力有比较显著的相关关系,本研究拟采用NPP作为基础,构造生态系统生产能力指数(EPI)反映生态系统的生产能力,考虑到地表的实际覆盖以及季节变化的影响,同时为了更好的对比,所以EPI指数应该进行归一化,考虑到即便是很低的NPP数值,生态系统依然具备较微弱的生产能力,所以EPI指数的范围定义为[10,100]。在EPI归一化的过程中需要设定NPP的上下限,然后再对NPP进行线性拉伸得到EPI指数。本研究将10年NPP数据进行直方图统计分析,以±2σ为阈值得到NPP的上下限。EPI就表示为:
式中,Nt,k表示的是像元k第t年的NPP年总量(g m-2 a-1);EPIt,k表示的是像元k第t年的生产能力指数,无量纲,值越大表示该区域生态系统生物生产能力较强。定义a为拉伸常数,Nmax和Nmin为年均NPP的上下限。
1.2 生态系统稳定性指数生态系统的稳定性是指生态系统对外界条件干扰的响应,是生态系统适应外界条件能力的表现[7],体现为生态系统的内部调整。一般无干扰情况下,生态系统在一定范围内波动,当受到外界干扰后,生态系统会偏离原有的波动状态,发生生态跃迁,在新范围内逐渐达到平衡。可通过对生态系统的生产能力波动的定量研究,来表征生态系统的稳定性,一般要依据生态系统的平衡状态和变化阈值来评价生态系统的稳定性[8],而生态系统稳定性一般反应为生态系统生产能力的变化情况,因此可依据生态系统生产能力的变异系数来构建生态系统稳定性指数。
本研究中,以像元为基本分析对象,以每年各旬的NPP为单位,形成一个三维旬时间序列的数组 N=(Nt,y,k,t=1,2,…,T;y=1,2,…,Y;k=1,2,…,K) 。对于像元k,第t年第y旬的NPP为Nt,y,k,则第t年的NPP年均值为:
式中,y表示旬数。可知,像元k第t年NPP年均值变异系数为:
式中,St,k表示像元k第t年NPP的方差,cvt,k像元k第t年NPP年均值变异系数,cvt,k则表示像元k的NPP在第t年的波动性和离散性,以NPP的变异系数构造生态系统的稳定性指数(ESI),反映生态系统的稳定性,通过分段处理和线性拉伸构建ESI,考虑到生态系统始终具有一定程度的稳定性,因此定义ESI的范围为[10,100]。
式中,ESIt,k表示像元k第t年的稳定度指数,无量纲,值越大说明该区域生态系统稳定程度高,值越小说明区域生态系统波动性强,稳定度低。a为拉伸常数,cvmax和cvmin为NPP年均值变异系数的上下限,类似于NPP上下限的取值规则,将cvmax和cvmin赋值为140%和10%。
1.3 生态系统承载力指数生态系统承载力是指生态系统维系自身健康、稳定发展的潜在能力,主要表现为生态系统对外界干扰的负荷承载能力,突出是对人类活动的承载能力。从诸学者对生态承载力的研究可知[9, 10],生态系统承载力更多反映的是人与生态系统的一种互动关系,以及生态系统自我调整恢复能力对其胁迫的负荷支撑作用。因此,本研究依据生态系统承载力的定义,以“社会经济-土地覆被-生态系统健康-生态系统承载力”为主线[11],结合层次分析法,以生态系统健康为基础实现对生态系统承载力的评价。
利用遥感数据,以人口密度和人类干扰指数作为压力指标,以植被NPP、植被覆盖度、叶面积指数、多样性指数、平均弹性度、平均分维度、斑块密度和斑块标准差等作为状态指标,以NDVI的变化比例为响应指标,利用层次分析法确定对指标体系中各指标的权重w,计算生态系统健康指数(EHI)。通过对EHI值的分段线性拉伸,得到区域的生态系统承载力指数(EBCI)。
在联合国经济合作开发署建立的压力-状态-响应(PSR)框架模型的基础上,根据生态系统健康评价指标的选取原则、评价模型和要素的可操作性,以及研究区的实际情况,建立适应研究区域的生态系统健康评价指标体系。
对于区域k第t年的生态系统健康指数EHIt,k表示为:
式中,j和m表示评价指标及其个数,wi,k,j表示区域k第i年第j个指标的权重,xi,k,p表示区域k第i年第j个指标标准化后的值。
式中,生态系统承载力指数EBCIt,k就表示t年区域k由于生态系统被压力过大而导致破坏可能性,值越大表示生态系统被破坏的可能性越小,生态系统当前承载能力就越强。
1.4 生态系统质量综合评价模型生态系统质量评价主要是对生态系统生产能力、稳定性和承载力三方面进行评价,本研究基于2000—2010年的遥感数据和社会经济数据,利用综合指数法,通过构建EPI、ESI和EBCI,评价生态系统生产能力、稳定性和承载力三方面,并利用熵值权重法,对各指数分别赋权,最终得到对应不同生态类型的生态系统质量综合评价得分,以此思路搭建生态系统质量遥感综合评价模型。
EPI、ESI和EBCI表征生态系统质量的不同方面,由于不同的生态系统,其生态系统质量的三方面表现也有差异,考虑到这种差异对生态系统质量评价的影响,应该根据不同的生态系统类型,对各指数进行赋权加和,求得对应不同生态系统类型的生态系统质量评价结果。本研究采用信息论中的熵值理论,通过分析不同生态系统类型的各指数熵值表征其分布的离散程度。根据熵的特性可知,用熵值来判断某个指标的离散程度,熵值越大,指标的离散程度越大,该指标对综合评价的影响越大[12]。
2 研究区域及数据洞庭湖位于中国湖南省东北部,长江中游以南,为我国第二大淡水湖,由湘、资、沅、澧四水交汇。本文选取的研究区域为洞庭湖及其4条支流流经的湖南各行政区区域,包括岳阳、益阳和常德在内的16个县市行政区,总面积约257万 hm2。根据中国生态系统类型区划体系,将洞庭湖地区的生态系统类型分为自然生态系统包括森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统,以及人工生态系统包括农田生态系统和城镇生态系统。
主要的研究数据为遥感数据、基础地理数据和社会经济数据,遥感数据主要是2001—2010年旬时间序列的数据,包括归一化植被指数NDVI、初级生产力NPP、叶面积指数LAI和植被覆盖度fv,这些数据是在MODIS250 m产品数据基础上反演计算得到的;还有2001、2005和2010年三期土地覆被数据,并在此数据基础上提取人类干扰度、景观格局指数等指标。基础地理数据主要是行政区边界矢量,社会经济数据主要是人口密度。
3 结果与分析根据上述理论方法,以250 m×250 m的像元尺度为评价单元,对洞庭湖区域410667个评价单元进行生态系统生产能力、稳定性和承载力三方面的评价,对各指数按照10—30为等级Ⅰ,30—60为等级Ⅱ,60—70为等级Ⅲ,70—80为等级Ⅳ,80—100为等级Ⅴ的方式进行等级划分,并对洞庭湖区域的五类主要的生态系统类型进行生态系统质量遥感综合评价。
3.1 洞庭湖生态系统生产能力评价由1.1可知,以NPP年均值为基础,通过构建生产能力指数对研究区生态系统生产能力进行分析,对生产能力指数进行标准等级划分,可得到2001—2010年洞庭湖生态系统生产能力指数平均值的评价结果如下图 2所示。
统计各等级面积百分比,由表 2可知,2001—2010年洞庭湖区域生态系统生产能力平均值为72.79,标准差为12.11,可知这十年间,洞庭湖区域生态系统生产能力较高,等级Ⅴ的面积所占百分比达30%左右,各等级区域分布较离散。结合生态系统类型可知,森林生态系统生产能力最高,其生产能力指数平均值达84.15,高等级面积所占百分比近70%;其次是草地、农田、城镇,湿地生态系统生产力最低,生产能力指数平均值为55.62,高等级面积所占百分比为11%。自然生态系统整体生产力较高与人工生态系统的生产力,生产能力指数均值分别为74.19和68.21。
3.2 洞庭湖生态系统稳定性评价由1.2可知,以NPP年变异系数为基础,通过构建稳定性指数对研究区生态系统稳定性进行分析,对稳定性指数进行标准等级划分,可得到2001—2010年洞庭湖生态系统稳定性指数平均值的评价结果(图 3)。
统计各等级面积百分比,由表 2可知,2001—2010年洞庭湖区域生态系统稳定性指数平均值为52.21,标准差为8.38,可知这十年间,洞庭湖区域生态系统稳定性中等偏低,等级Ⅲ的面积所占百分比达65%左右,各等级区域分布较集中,洞庭湖水域区域生态系统稳定性低于其他地区。结合生态系统类型可知,森林生态系统稳定性较高,其稳定性指数平均值达59.31,等级Ⅲ的面积所占百分比近90%;其次是草地、农田、城镇,湿地生态系统稳定性较低,稳定性指数平均值为45.81,等级Ⅲ的面积所占百分比为40%。自然生态系统稳定性较高与人工生态系统的稳定性,稳定性指数均值分别为54.00和49.10。
3.3 洞庭湖生态系统承载力评价基于1.3部分建立的指标体系,基于PSR模型和层次分析,对洞庭湖进行生态承载力评价,层次分析法得到10个指标权重分别为0.0854、0.0854、0.1676、0.0796、0.0467、0.1033、0.0509、0.1126、0.1559和0.1126,由此计算得到2001、2005和2010年洞庭湖生态系统承载力指数,对承载力指数进行标准等级划分,可得到(图 4)。
统计各等级面积百分比,由表 1可知,2001—2010年洞庭湖区域生态系统承载力指数平均值为71.86,标准差为15.6,可知这10年间,洞庭湖区域生态系统承载力中等偏高,等级Ⅴ的面积所占百分比达30%左右,各等级区域分布较离散,洞庭湖水域区域生态系统承载力低于其他地区。结合生态系统类型可知,各生态系统类型EBCI差异明显,森林生态系统承载力较高,其承载力指数平均值达80.84,等级Ⅴ的面积所占百分比近55%;其次是农田、城镇、湿地,草地生态系统承载力较低,承载力指数平均值为37.91,等级Ⅱ的面积所占百分比近85%。自然生态系统承载力较低与人工生态系统承载力,承载力指数均值分别为55.94和62.93,可见在受到人为干扰下,自然生态系统比人工生态系统更容易受到影响。
对比分析三项指数的均值和标准差,由表 1可知,2001—2010年洞庭湖区域生态系统生产能力均值较高,标准差较低,对比各生态系统类型,EPI差异不大;生态系统稳定性均值较低,标准差低,各生态系统类型ESI差异较小;生态系统承载力均值较高,标准差也较高,各生态系统类型EBCI差异较大。
生态系统类型 Ecosystem Types | 生产力指数EPI | 稳定性指数ESI | 承载力指数EBCI | ||||
平均值 Mean | 标准差 Standard Deviation | 平均值 Mean | 标准差 Standard Deviation | 平均值 Mean | 标准差 Standard Deviation | ||
EPI: ecosystem productivity index;ESI: ecosystem stability index;EBCI: ecosystem bearing capacity index | |||||||
自然生态系统 | 森林 Forest | 84.15 | 8.65 | 59.31 | 6.31 | 80.84 | 7.33 |
Natural Ecosystem | 草地Grass | 82.81 | 8.46 | 56.87 | 6.04 | 37.91 | 7.62 |
湿地Wetland | 55.62 | 22.09 | 45.81 | 9.14 | 49.05 | 18.12 | |
均值Mean | 74.19 | 13.07 | 54.00 | 7.16 | 55.94 | 11.02 | |
人工生态系统 | 农田Farmland | 78.25 | 6.40 | 51.63 | 6.44 | 77.48 | 4.99 |
Artificial Ecosystem | 城镇Urban | 62.17 | 15.18 | 46.56 | 6.91 | 48.38 | 10.35 |
均值Mean | 68.21 | 10.79 | 49.10 | 6.67 | 62.93 | 7.67 | |
其他Other | 54.27 | 9.53 | 54.89 | 6.07 | 35.57 | 7.00 | |
总体Total | 72.79 | 11.11 | 52.21 | 8.38 | 71.86 | 15.60 |
对比分析三项指数的2001—2010年的变化情况(图 5),三项指数的年平均变化率为-0.769/a、0.173/a和-0.78/a,可见三项指数十年间变化很小,EPI和EBCI呈现降低趋势,大概下降8.85%和9.11%,ESI呈小幅度的升高趋势,大概上升3.09%。
3.4 洞庭湖生态系统质量遥感综合评价根据1.4构建生态系统质量综合评价模型,对2001、2005和2010年洞庭湖区域5个生态系统类型进行生态系统质量遥感综合评价。根据之前求得的以上三项指数的10年均值,对其进行熵值分析,赋予不同权重,通过MATLAB分析数据可知,EPI、ESI和EBCI三项指数熵值分别为0.393、0.389和0.411,由此可知三项指数在生态系统质量综合评价模型权重分别为0.336、0.338和0.326,通过对三项指数进行加权求和得到综合评价得分,进行等级划分,得到2001、2005和2010年洞庭湖生态系统质量遥感综合评价结果如图 6所示。
基于生态系统质量综合评价模型评价2001、2005和2010年洞庭湖生态系统质量,由图 6和表 2可知,总体生态系统质量综合评价指数3a均值为59.81,等级Ⅲ和Ⅳ所占面积百分比3a均高于30%。各生态系统类型评价结果有较明显差异,森林生态系统质量最高,3a的均值达到74.31,等级Ⅴ所占面积百分比均值达到23.5%;湿地生态系统质量最低,3a的均值达到50.18,等级Ⅰ所占面积百分比均值达到15.6%;农田、草地和城镇生态系统质量3a均值分别为62.81、58.89和57.73,自然生态系统和人工生态系统质量较接近,差异较小,均值分别为61.21和60.44。对比3a的各生态系统类型的生态系统质量,各生态系统类型的3a变化不大,但都呈现降低趋势,降幅最大的是湿地生态系统(下降12.61%),平均变化率达到-0.782/a;降幅最小的是森林生态系统(下降2.28%),平均变化率只有-0.174/a;而总体下降5.97%,平均变化率为-0.508/a。
生态系统类型 Ecosystem Types | 2001 | 2005 | 2010 | 平均值 Mean | ||||
均值 Mean | 标准差 Standard Deviation | 均值 Mean | 标准差 Standard Deviation | 均值 Mean | 标准差 Standard Deviation | |||
自然生态系统 | 森林Forest | 76.36 | 8.14 | 71.95 | 6.05 | 74.62 | 7.25 | 74.31 |
Natural ecosystem | 草地Grass | 61.99 | 9.20 | 58.14 | 6.36 | 57.30 | 6.13 | 59.14 |
湿地Wetland | 54.24 | 16.91 | 48.90 | 16.98 | 47.40 | 14.91 | 50.18 | |
均值Mean | 64.20 | 11.42 | 59.66 | 9.80 | 59.77 | 9.43 | 61.21 | |
人工生态系统 | 农田Farmland | 70.91 | 6.61 | 66.68 | 5.10 | 66.60 | 6.21 | 68.06 |
Artificial ecosystem | 城镇Urban | 54.05 | 10.81 | 53.42 | 10.19 | 50.98 | 10.39 | 52.82 |
均值Mean | 62.48 | 8.71 | 60.05 | 7.65 | 58.79 | 8.30 | 60.44 | |
其他Other | 59.30 | 8.22 | 54.27 | 6.14 | 49.46 | 7.69 | 54.34 | |
总体Total | 62.81 | 13.00 | 58.89 | 11.99 | 57.73 | 12.86 | 59.81 |
本文依据MODIS遥感数据产品和基础地理数据,对洞庭湖地区各生态系统类型进行生态系统生产能力、稳定性和承载力三方面的评价,并结合生态系统质量遥感综合评价模型,对2001年、2005年和2010年的洞庭湖森林、草地、湿地、农田和城镇五大生态系统进行生态系统质量评价。
(1)通过对2001—2010年洞庭湖五大生态系统类型的生态系统生产能力、稳定性和承载力的评价,可知洞庭湖各生态系统类型的生产能力都较高,各生态类型中自然生态系统较高于人工生态系统,其中森林生态系统生产能力最高,湿地生态系统生产能力最低;洞庭湖各生态系统类型稳定性较差,自然生态系统稳定性较高于人工生态系统,其中森林生态系统稳定性最高,湿地生态系统稳定性最低;洞庭湖各生态系统类型承载力较高,但各生态系统类型差异较大,森林生态系统承载力远高于其他生态系统类型,而草地生态系统承载力最低。可见,由于人工生态系统的频繁更新变化,其生态系统的生产能力和稳定性都低于自然生态系统,但自然生态系统更容易受到环境变化和人类干扰的影响。
(2)基于生态系统质量遥感综合评价模型,对2001、2005和2010年洞庭湖五大生态系统类型的生态系统质量进行评价,可知各生态系统类型中,自然生态系统和人工生态系统质量差异较小,森林生态系统质量最高,其次是农田、草地、城镇,湿地生态系统质量最低。对于高生产能力的森林生态系统来说,10a的时间尺度很难看出有明显的变化,其生态系统的生产力、稳定性和承载力各方面都要优于其他生态系统类型,所以其生态系统质量评价自然最高;而对于其他生态系统类型,年内和年际的变化都比较明显,而且容易受到气候环境和人类活动的影响,其生态系统质量较低。
(3)通过对2001—2010年洞庭湖五大生态类型的三项指数和生态系统质量的变化分析可知,10年间各指数变化较小,EPI和EBCI呈降低趋势,ESI没有明显变化趋势,各生态系统类型的生态系统质量变化趋势一致,均呈现降低趋势,10a的年均变化率为-0.508/a。在这10年间,各生态系统类型的生产能力都有明显的下降,主要表现在湿地面积区域的缩减和森林覆盖的减少;而各生态系统的承载能力也在衰退,不过变化幅度较小,但当各生态系统类型面对自然环境变化和人类活动的干扰时,其生态系统崩溃的可能性逐渐增大。
由此可见,整体生态系统质量的下降说明目前洞庭湖区域各生态系统类型的健康状况和基本特征都处于较差的状态,而且有可能继续变差,虽然这10年间的变化并不十分明显,但已呈现出衰退的趋势。如果不予以重视、加以保护,在未来洞庭湖区域生态系统的各方面特征质量都有可能出现大范围大幅度的下降。2014年4月14日,国务院已审批通过《洞庭湖生态经济区规划》,该规划中已明确指出目前洞庭湖生态环境的问题以及未来的发展趋势,并且已提出针对生物多样性、生态经济发展、生态文明建设等各方面的规划方案,该规划的提出将提醒人们要密切关注洞庭湖生态环境变化,保护生态环境,提高生态系统质量。
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