曾曉霞,劉云國,曾光明，胡新將,胡 熙,張娉楊,龔小敏

(湖南大學 環(huán)境科學與工程學院 環(huán)境生物與控制教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082)

生態(tài)足跡由加拿大生態(tài)經(jīng)濟學家Rees W E于20世紀90年代初創(chuàng)建,而后得到了Wackernagel M等人的完善和發(fā)展,并將其概念定義為可持續(xù)維持某特定區(qū)域人口生存和吸納其所排放的廢棄物所需的具有生態(tài)生產(chǎn)性的地域面積[1-2].生態(tài)足跡模型將人類消耗的自然資源和排放的廢棄物轉化為相應的生產(chǎn)性面積與現(xiàn)存的土地面積比較來衡量人類社會的可持續(xù)發(fā)展狀況,有效的量化人類社會與自然環(huán)境之間的相互關系,且其計算結果直觀明了,具有區(qū)域可比性,因此該模型迅速發(fā)展成為可持續(xù)發(fā)展定量評價的重要方法[3-4].

然而傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型存在著土地類型功能單一化,溫室氣體考慮不全面,因子(均衡因子和產(chǎn)量因子)選取口徑不統(tǒng)一等缺點.為此,基于能值理論的改進生態(tài)足跡模型為生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的定量分析研究開拓了新途徑[5-6].能值理論是美國生態(tài)學家Odum H T等人以熱力學第二定律和能量傳遞規(guī)律為基礎創(chuàng)立的以能量分析為核心的系統(tǒng)分析方法.它將人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)視為能量系統(tǒng),以太陽能值為基本單位,把系統(tǒng)中不同種類,不可比較的能量轉換成同一標準的能值來衡量和分析,比較系統(tǒng)中流動或儲存的不同類別的能量及其在系統(tǒng)中的功能[7].

近年來,能值生態(tài)足跡模型得到了廣泛的認可和關注.Zhao等人[8]率先將能值理論與生態(tài)足跡模型相結合．隨后，陸續(xù)有國內(nèi)外學者將該模型運用于城市尺度[9-10],省份尺度[11-12]以及國家尺度[5,13]的生態(tài)安全研究,同時也有學者在該理論基礎上進行了不同程度的方法完善[3,14-15].江河流域往往是人類文明的發(fā)源地,其對社會經(jīng)濟發(fā)展起到了關鍵性的作用.隨著經(jīng)濟快速發(fā)展,人口迅猛增長以及城市化進程的加快,流域沿岸的城市紛紛面臨著經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的矛盾壓力,然而在流域尺度上的生態(tài)經(jīng)濟復合系統(tǒng)的定量化評價及關聯(lián)分析卻甚為少有.

本文以湘江流域的6個城市為研究對象,在傳統(tǒng)能值生態(tài)足跡模型的基礎上,從生態(tài)資源生產(chǎn)占用與廢棄物排放的角度出發(fā),一方面直接計算該城市段對自然資源和土地的利用情況,另一方面量化廢棄物的排放對本地環(huán)境的影響,探討區(qū)域內(nèi)部所承受的環(huán)境壓力.同時,本研究將得到的生態(tài)足跡結果與當?shù)氐纳鐣?jīng)濟指標進行關聯(lián)分析,進一步研究當?shù)厣鐣?jīng)濟對生態(tài)環(huán)境的驅(qū)動作用,為該流域及同類地區(qū)確立生態(tài)可持續(xù)的社會經(jīng)濟發(fā)展機制提供理論依據(jù)和借鑒模式.

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

湘江是湖南人民的母親河,也是長江中游南岸的重要支流之一.其上游稱海洋河,在湖南省永州市區(qū)與瀟水匯合,始稱湘江,流經(jīng)永州、衡陽、株洲、湘潭、長沙,至岳陽入洞庭湖后歸長江.干流全長856 km,流域面積9.46萬km2.湘江一帶屬亞熱帶季風氣候,四季分明,分雨旱兩季,年平均氣溫16.8～17.2℃,土壤以紅壤、水稻土為主.湘江及其途徑的永州、衡陽、株洲、湘潭、長沙和岳陽6大城市承擔了重要的生活生產(chǎn)工作,是湖南工農(nóng)業(yè)的核心區(qū)域(圖1).該6個城市的總面積占全省的40%左右,而其年均GDP總值卻占到了全省的65%以上.因此,本文以上述6個城市為基礎,分析湘江流域地區(qū)的本地生態(tài)安全狀況.

1.2 研究方法

1.2.1 基礎資料來源

本文基礎數(shù)據(jù)的獲取采用查閱與分析相關統(tǒng)計資料的方法,并通過實地調(diào)查,補充和核對部分數(shù)據(jù)資料.其中相關統(tǒng)計資料包括1999～2008年的《湖南統(tǒng)計年鑒》和《湖南年鑒》,《湖南經(jīng)濟社會發(fā)展60年(1949-2009)》以及各市相關的社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒及報表等.

1.2.2 生態(tài)承載力計算

自然資源分為可更新資源和不可更新資源兩類.由于不可更新資源的消耗速度要快于其再生速度,會隨著人類的不斷利用而日益枯竭,只有利用可更新資源,生態(tài)承載力才具有可持續(xù)性.因此能值生態(tài)足跡模型中的生態(tài)承載力計算,只考慮可更新資源的能值.

圖1 湘江流域的城市區(qū)位圖

傳統(tǒng)的能值生態(tài)足跡模型涉及的可更新能源有太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水勢能和地球旋轉能5種.然而經(jīng)研究證實,土壤肥力亦屬于再生資源,其有機質(zhì)每年形成和分解的速率大約在2%～4%左右[16]．因此在計算地表的可再生資源的能值時也應把表層土壤有機能值看作是每年可再生的[3,6],本文折中選取3%的表層土壤有機能值代入計算.

為避免重復計算,根據(jù)能值理論,同一性質(zhì)的能量投入只取其中的最大值.如風能、雨水化學能和雨水勢能都是太陽光的轉化形式,選其中數(shù)值最大的一項代入總能值中.因此,本研究地區(qū)獲得的能值即由太陽輻射能、地球旋轉能以及表層土壤有機能3種類型組成.生態(tài)承載力的計算公式為:

(1)

式中:EC為人均生態(tài)承載力(hm2/人);E為可更新資源的人均能值(sej);P1為全球平均能值密度(sej/hm2·a),數(shù)值為3.12×1015[17];N為區(qū)域人口數(shù)(人);ei為第i種同類可更新資源能值的最大值(sej).

1.2.3 生態(tài)足跡計算

本文將生態(tài)足跡賬戶分為生產(chǎn)性資源賬戶和廢棄物排放賬戶,賬戶細分見表1.生產(chǎn)性資源賬戶從區(qū)域的生產(chǎn)角度來計算,用地區(qū)的生產(chǎn)量來代替消費量,因為本地生產(chǎn)的產(chǎn)品無論是否被本地消費,均消耗了本地的生態(tài)資源.該賬戶分為本地自產(chǎn)的生物資源賬戶和能源資源賬戶;廢棄物排放賬戶則包括廢氣、廢水和廢物3種類型,反映出廢棄物排放對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的壓力.相比原有的生態(tài)足跡賬戶分類方式,本分類可明確表達出當?shù)氐馁Y源生產(chǎn)和消費對本地環(huán)境的直接影響,更能明確生態(tài)足跡概念的真正意義.

表1 生態(tài)足跡賬戶的分類

生態(tài)足跡賬戶的項目劃分后,首先計算區(qū)域能值密度,其計算公式為:

P2=U/S

(2)

式中：P2為區(qū)域能值密度(Sej/hm2),U為區(qū)域的能值總量(Sej),S為區(qū)域面積(hm2).

然后引入太陽能值轉換率[6,17],即單位能量或物質(zhì)中所含的太陽能值之量.計算各項目所包含的能量,將太陽能值轉換率乘以給定項目的能量,即可將各項目給定的能量換算為太陽能值.區(qū)域各項目的太陽能值除以區(qū)域總人口,則為各項目的人均太陽能值.

(3)

式中：Ci為第i種資源的人均太陽能值(Sej/人),Ei為第i種資源所包含的能量(J),Ti為第i種資源的太陽能值轉換率(sej·J-1或sej·g-1)[7],N為區(qū)域人口數(shù)(人).

最后將各項目的人均太陽能值換算成對應的生產(chǎn)性土地面積.其計算公式為:

(4)

式中：EF為人均生態(tài)足跡(hm2/人);ai為第i種資源的人均生態(tài)足跡(hm2/人).

1.2.4 生態(tài)盈虧計算

將各項目的人均生態(tài)足跡匯總,與人均生態(tài)承載力進行比較,來衡量研究地區(qū)的生態(tài)安全情況.若人均生態(tài)足跡大于人均生態(tài)承載力,則該地區(qū)存在生態(tài)赤字(Ecological Deficit, ED);反之,則該地區(qū)存在生態(tài)盈余(Ecological Surplus, ES).

ED或ES=EC-EF．

(5)

1.2.5 生態(tài)足跡與社會經(jīng)濟的關聯(lián)分析方法

生態(tài)足跡的變化,除了與自然資源的優(yōu)劣、多寡有關之外,與當?shù)氐淖匀毁Y源管理、人口數(shù)量、社會經(jīng)濟、技術水平等社會經(jīng)濟因素也密切相關[18].本文選取人口,GDP,固定投資/GDP,三次產(chǎn)業(yè)占GDP的比例,重工業(yè)率,家庭恩格爾系數(shù),財政收入/GDP,城鄉(xiāng)居民實際收入比,城鎮(zhèn)率,進出口總額等12項社會經(jīng)濟指標,量化社會經(jīng)濟對生態(tài)足跡的驅(qū)動作用.

由于社會經(jīng)濟指標之間具有一定的內(nèi)在聯(lián)系,若直接將這些指標作為自變量納入回歸分析,則可能會因指標間的多元共線性而無法得出正確結論.因此,為確定影響湘江城市段本地生態(tài)足跡的主驅(qū)動因素,首先采用主成分分析法,將選取的多個自變量組合成少數(shù)且相互獨立的能充分反映總體信息的指標.在此基礎上,再將相關系數(shù)較大的主成分因子與湘江城市段的人均生態(tài)足跡時間序列進行多元線性回歸建模分析,找出影響本地區(qū)生態(tài)足跡變化的關鍵社會經(jīng)濟驅(qū)動因素.主成分分析與多元線性回歸分析由SPSS 18中的相應功能完成.

2 結果與討論

2.1 湘江城市段生態(tài)承載力及其區(qū)域差異分析

2.1.1 生態(tài)承載力的變化情況

如表2所示,1999～2008年,湘江城市段年均獲得太陽能值1.51×1022sej,年均生態(tài)承載力在0.14 ～0.19 hm2/人之間,平均值為0.16 hm2/人.10年間,生態(tài)承載力變化幅度較小,但呈波浪形下降趨勢.

2.1.2 生態(tài)承載力的區(qū)域差異

由于年均獲得的太陽能值與區(qū)域面積有關,因此在1999～2008年間,湘江沿岸的6個城市所獲得的年均太陽能值與其面積的大小排序一致,即永州>衡陽>岳陽>長沙>株洲>湘潭.將各城市的太陽能值代入式(1)中,結果見圖2.

表2 湘江城市段的能值變化情況

年均生態(tài)承載力最大和最小的城市分別是永州市和湘潭市,分別為0.23 hm2/人和0.11 hm2/人;株洲市的年均生態(tài)承載力僅次于永州市,為0.18 hm2/人,這與其人口的數(shù)量相對較少且增長率較低有關.相反,衡陽市雖獲得的太陽能值較大,但其人口總數(shù)在該城市段中最大,導致其年均生態(tài)承載力與長沙市、湘潭市接近,僅為0.13 hm2/人.

圖2 湘江流域各地市的生態(tài)承載力變化

2.2 湘江城市段生態(tài)足跡及其區(qū)域差異分析

2.2.1 生態(tài)足跡的變化情況

1999～2008年間湘江城市段產(chǎn)生的生態(tài)足跡能值年均1.68 ×1023sej,是其獲得的太陽能值的11倍.該地區(qū)的生態(tài)足跡年均達到了2.88 hm2/人,是同時段全國年均生態(tài)足跡的1.8倍,黃河三角洲的5.14倍[19].從圖3可見,該地區(qū)的生態(tài)足跡呈現(xiàn)出波浪式快速上升趨勢,與生態(tài)承載力的變化趨勢相反.人均生態(tài)足跡最小值出現(xiàn)在2002年,為2.15 hm2/人;最大值出現(xiàn)在2007年,為3.79 hm2/人.

年份

從生態(tài)足跡結構來看,草地的生態(tài)足跡最大,年均達到1.65 hm2/人;其次是耕地,達到0.55 hm2/人;林地的生態(tài)足跡最小,為0.03 hm2/人.從變化趨勢來看,耕地和草地的生態(tài)足跡所占比例呈下降趨勢,分別從1999年的21.9%和59.16%下降到了2008年的16.51%和53.52%,耕地的下降速度略快于草地.相反的,化石能源用地、林地和建筑用地的生態(tài)足跡比例則呈大幅度上升趨勢,在1999年至2008年間其人均生態(tài)足跡分別擴大了1.90，1.81和1.76倍.相比之下,水域的生態(tài)足跡比例變化不大,年均所占比例均在5%左右.由于呈增長趨勢的生態(tài)足跡類型的增長幅度遠大于呈下降趨勢的生態(tài)足跡類型的幅度,因此總體的生態(tài)足跡需求量亦呈現(xiàn)上升狀態(tài).

從各類型生態(tài)足跡的變化情況可看出,工業(yè)的蓬勃發(fā)展,人口數(shù)量的增長,居民消費水平及對生活質(zhì)量要求的提高等是這十年來該地區(qū)生態(tài)足跡快速提升的重要因素.首先,膳食結構得到了很大的改善,以谷物、小麥、玉米等為主的糧食作物消耗逐漸向豬、牛、羊等高營養(yǎng)的多種膳食結構轉變.1999年,糧食和豬牛羊禽肉的人均生態(tài)足跡的比例為1∶4.77,到了2008年,該比例轉變?yōu)?∶5.88.10年間,豬牛羊等農(nóng)牧產(chǎn)品的人均生態(tài)足跡增加了約1.3倍.其次，工業(yè)科技的創(chuàng)新,家電的普及,住房條件的改善,均加大了對原油,電力等能源的消耗,直接拉動了資源消耗的力度.10年間化石能源用地和建筑用地的生態(tài)足跡人均增長速率較快,分別達到了2.78%和2.21%,是耕地增長速率的6.15倍和4.88倍.

2.2.2 生態(tài)足跡的區(qū)域差異

1999～2008年間,湘江流域6個城市的年均生態(tài)足跡的排序依次為岳陽>衡陽>湘潭>株洲>永州>長沙.

岳陽市的年均生態(tài)足跡最大,達到3.41 hm2/人.作為洞庭湖農(nóng)業(yè)經(jīng)濟圈中重要的糧食生產(chǎn)基地,由于長期大力開發(fā)糧食作物和水產(chǎn)品,耕地、水域年均生態(tài)足跡均明顯大于本地區(qū)的其他城市(同類生態(tài)足跡比較,下同),分別達到了0.80 hm2/人和0.36 hm2/人．其生態(tài)足跡年均變化幅度在流域6個城市中也是最大的,方差達到了0.56．這反映出岳陽市在生產(chǎn)方面仍需進一步的科學規(guī)劃,使其能夠?qū)崿F(xiàn)長期穩(wěn)定發(fā)展.衡陽市的年均生態(tài)足跡為3.22 hm2/人,排在本地區(qū)的第二位,其中化石能源用地的年均生態(tài)足跡大大高于其他城市,達到了0.59 hm2/人,是6個城市該項生態(tài)足跡平均值的2.27倍．這與衡陽市工業(yè)眾多,工業(yè)能源消耗大有關.湘潭市的年均生態(tài)足跡略小于衡陽市,為3.12 hm2/人.在“長株潭一體化”政策的推動下,湘潭市在城市建設布局以及產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整方面表現(xiàn)積極,體現(xiàn)在草地和建筑用地年均生態(tài)足跡在本地區(qū)中均為最大值.長沙市的年均生態(tài)足跡最小,為2.31 hm2/人,其中耕地,建筑用地以及水域年均生態(tài)足跡在本地區(qū)中均達到最小.而且,長沙市生態(tài)足跡的年均變化幅度亦最小，方差為0.14.這在一定程度上說明了作為湘江流域的綜合性城市,長沙市的城市建設水平較為成熟,在生態(tài)資源的利用上也逐漸轉向了高效化和穩(wěn)定化,為兩型社會的建設創(chuàng)造了一定的條件.

2.3 湘江城市段生態(tài)盈虧及其區(qū)域差異分析

綜上所述,湘江城市段的生態(tài)足跡遠高于其生態(tài)承載力,處于生態(tài)不安全狀態(tài).湘江城市段整體的年均生態(tài)足跡是年均生態(tài)承載力的18.35倍,年均生態(tài)赤字高達2.75 hm2/人.與生態(tài)足跡相似,生態(tài)赤字亦呈現(xiàn)出波浪式上升趨勢,方差為0.28.年均生態(tài)赤字最小和最大的年份出現(xiàn)在2002年和2007年,分別為1.96 hm2/人和3.66 hm2/人.如圖4所示,年均生態(tài)赤字最高的是岳陽市,達到3.24 hm2/人;其次是衡陽市和湘潭市,分別達到了3.09 hm2/人和3.01 hm2/人;最低的是長沙市,為2.19 hm2/人.

圖4 湘江流域各地市的年均生態(tài)赤字(按降序排列)

從湘江流域各地市的生態(tài)赤字排序可看出,影響生態(tài)盈虧的因素除當?shù)氐淖匀坏乩項l件外,社會經(jīng)濟的發(fā)展模式和強度對生態(tài)盈虧也起著重要的作用,這在永州市表現(xiàn)最為明顯.由圖4可知,永州市憑借較舒適的氣候環(huán)境和適中的人口密度,其年均生態(tài)承載力在6個城市中取得了最大值,是長沙市的1.86倍和株洲市的1.25倍.永州市近年來承接了珠三角的產(chǎn)業(yè)轉移,利用其豐富的優(yōu)勢礦產(chǎn)資源,大力發(fā)展冶金、礦產(chǎn)品加工、機械制造等重工業(yè).然而,產(chǎn)業(yè)技術不成熟,工業(yè)園區(qū)管理不完善,廢物處置設施配備落后等是導致其生態(tài)赤字大于工業(yè)產(chǎn)值比重更大的長沙市和株洲市的主要原因.這凸顯了社會經(jīng)濟與生態(tài)足跡的關聯(lián)性.因此,分析社會經(jīng)濟的內(nèi)部結構對調(diào)整和管理當?shù)厣鷳B(tài)足跡具有關鍵作用.

2.4 生態(tài)足跡與社會經(jīng)濟的關聯(lián)分析

2.4.1 主成分分析

為消除通貨膨脹影響,社會經(jīng)濟指標按2008年為基期價格計算實際值,單位為元,經(jīng)濟結構指標單位為%.運用SPSS軟件對上述12個指標進行主成分分析,提取出2個公因子,累計貢獻率高達87.92%,基本可替代全部信息,結果見表3.通過主成分分析可看出,主成分1與固定投資/GDP,人口,GDP,第二產(chǎn)業(yè)GDP/GDP,進出口總額,財政收入/GDP呈高度正相關,而與第一產(chǎn)業(yè)GDP/GDP呈高度負相關,因此該類主成分主要是經(jīng)濟發(fā)展水平和生產(chǎn)消費結構的綜合反映,包含了原始變量的大部分信息.主成分2則主要與第三產(chǎn)業(yè)GDP/GDP,城鄉(xiāng)居民實際收入比,家庭恩格爾系數(shù),城鎮(zhèn)率有較大的相關性,因此第二主成分可以看作是社會發(fā)展結構的代表.

表3 主成分分析結果

2.4.2 多元回歸分析

運用回歸模型的向后剔除法(backward removal method)對相關系數(shù)較大的主成分因子進行篩選,淘汰sig>0.1的指標.由表4可見,固定投資/GDP,第一產(chǎn)業(yè)GDP/GDP,城鎮(zhèn)率和家庭恩格爾系數(shù)4項指標與人均生態(tài)足跡的回歸模型擬合效果最好,且具有顯著的相關性,證明此四者對于該地區(qū)的人均生態(tài)足跡變化具有強烈的驅(qū)動作用.從各指標變量標準化后的系數(shù)來看,固定投資/GDP,第一產(chǎn)業(yè)GDP/GDP與人均生態(tài)足跡呈正相關,而城鎮(zhèn)率,家庭恩格爾系數(shù)與人均生態(tài)足跡呈負相關,但后者對生態(tài)足跡的負向驅(qū)動力明顯弱于前者對生態(tài)足跡的正向驅(qū)動力.

近年來,固定資產(chǎn)投資中增大了對房地產(chǎn),制造業(yè)的投入比重,拉動了大量的鋼材,煤炭,木材等資源的消耗.經(jīng)計算,1999～2008年期間,湘江城市段的固定資產(chǎn)投資額占GDP的比重逐年增加,人均生態(tài)足跡對固定投資/GDP的一階導數(shù)為正,投入產(chǎn)出的彈性系數(shù)為0.59,投資結構拉動了資源的消耗.這也說明湘江城市段的經(jīng)濟增長模式仍屬于資源消耗型,經(jīng)濟發(fā)展很大程度上依靠對資源的消耗.

通過多元回歸模型的分析得出,三次產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值對湘江城市段人均生態(tài)足跡的影響程度由大到小依次為第一,第三,第二產(chǎn)業(yè).這與劉建興等人研究得出的第一產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)三次產(chǎn)業(yè)中對生態(tài)資源占用的比例最大的結論一致[20].對于人口密集的國家而言,食物的供給需求對生態(tài)足跡的變化起著決定性的作用.隨著生活質(zhì)量的提高,科技的逐步革新,購買力的增強，反映食物在家庭總支出中比例的家庭恩格爾系數(shù)也在不斷下降.從回歸模型可看出,家庭恩格爾系數(shù)與生態(tài)足跡的負相關聯(lián)系,在一定程度上可緩解第一產(chǎn)業(yè)對生態(tài)足跡的壓力.但目前其緩沖效果有限,未能與第一產(chǎn)業(yè)的影響力抗衡.

城鄉(xiāng)差距往往會導致收入分配不均,這一方面會使貧困人群傾向于過度開采自然資源甚至破壞環(huán)境;另一方面也會導致資源環(huán)境政策的偏離[21].在這10年間,湘江城市段的綜合城市化水平從27%提高到了43%.其中,長沙市的實際城市化水平最高而生態(tài)赤字最小,這印證了城鄉(xiāng)生活水平差距的縮小有助于資源的平均分配,對自然生態(tài)的穩(wěn)定發(fā)展具有一定的幫助,值得其它城市借鑒.

表4 基于后退移除法的多元回歸模型分析結果

3 結 論

1)1999～2008年間,湘江城市段的生態(tài)承載力平均值為0.16 hm2/人;其生態(tài)足跡消耗較大,年均達到了2.88 hm2/人,是全國平均水平的1.8倍,且呈現(xiàn)出快速上升趨勢.

2)湘江城市段年均生態(tài)赤字高達2.75 hm2/人,處于生態(tài)不安全狀態(tài).其中,長沙市的生態(tài)赤字最小,為2.19 hm2/人.這與其城市建設水平較為成熟,城鄉(xiāng)生活水平差距較小,資源利用效率較高等有關.

3)湘江城市段的社會經(jīng)濟對人均生態(tài)足跡變化的正向驅(qū)動力明顯強于負向驅(qū)動力,其中經(jīng)濟發(fā)展模式和食物供給需求對生態(tài)足跡增長的貢獻最為明顯.因此,應通過改造土地生產(chǎn)力,調(diào)整產(chǎn)業(yè)和能源結構,強化清潔生產(chǎn)等途徑降低生態(tài)足跡,提高生態(tài)承載力;同時,不斷縮小城鄉(xiāng)差距,科學調(diào)控人口規(guī)模,合理規(guī)劃土地利用類型及規(guī)模等,控制社會經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的壓力.

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