胡天然

(1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.黑龍江省水土保持科學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150070)

20世紀(jì)90年代以來，土地利用/覆被變化(LUCC)是全球環(huán)境變化的重要組成部分和造成全球環(huán)境變化的重要原因，日益受到國際組織和世界各國的普遍關(guān)注，目前已成為國際上全球變化研究的前沿和熱點(diǎn)課題。近幾年國內(nèi)外在區(qū)域土地利用變化方面研究的廣度和深度都有了很大的提高［1－12］，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的劇增，城市的土地利用變化迅速，國內(nèi)外對一些大都市區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的城市土地利用變化研究較多［8－11］，而對一些中小城市的土地利用變化研究相對較少。筆者以土地資源遙感調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用遙感和地理信息系統(tǒng)方法，結(jié)合統(tǒng)計分析，揭示1992～2010年肇州縣土地利用的數(shù)量變化和空間變化特征，明確其變化的主要類型和區(qū)域差異，為該區(qū)域土地管理決策、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及進(jìn)一步深入研究奠定基礎(chǔ)，對于區(qū)域土地可持續(xù)利用具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況 肇州縣隸屬于黑龍江省大慶市，位于黑龍江省西南部，松花江之北，松嫩平原腹地。背靠大慶油田，東部與肇東市比鄰，西部與大同區(qū)交界，南部與肇源縣接壤，北部與安達(dá)市相連，是長春、哈爾濱、大慶、齊齊哈爾黃金經(jīng)濟(jì)帶上的一個重要縣份。地理坐標(biāo)為 124°48'12″～125°48'03″E、45°35'02″～46°16'08″N。全境南北長 77 km，東西寬72 km，境內(nèi)幅員面積2 398 km2。轄6鎮(zhèn)6鄉(xiāng)2場，104個行政村，731個自然屯。肇州縣地處黑龍江省第一積溫帶，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均活動積溫2 800℃，無霜期143 d。全境為沖擊平原，地勢平坦，平均海拔150 m。

1.2 資料來源 研究區(qū)的遙感影像資料包括1992、2001和2010年的3期landsat TM多波段的數(shù)據(jù)，其地形圖數(shù)據(jù)為全國1∶5萬地形圖。

1.3 遙感圖像信息提取 遙感影像預(yù)處理包括影像的波段處理、幾何校正、影像的拼接與裁剪。遙感影像利用ENVI軟件進(jìn)行計算機(jī)監(jiān)督分類處理之后，利用ArcMap成圖功能，得到了研究區(qū)1992、2001和2010年的土地利用現(xiàn)狀圖(圖1～3)和研究區(qū)1992～2001、2001～2010年土地利用動態(tài)變化圖(圖4、5)。

圖1 1992年肇州縣土地利用現(xiàn)狀

1.4 研究方法 利用遙感圖像處理ENVI軟件，首先對3個時相的遙感圖像進(jìn)行幾何校正、鑲嵌、幾何配準(zhǔn)、監(jiān)督分類，從中提取出主要的土地利用類型，提取出土地利用變化信息，在此基礎(chǔ)上建立土地利用變化動態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和主要變化類型的空間分布圖。在 ArcGIS、Excel等軟件的支持下，計算出肇州縣土地利用動態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動態(tài)度等模型，對該區(qū)1992～2010年土地利用時空變化進(jìn)行定量分析。

圖2 2001年肇州縣土地利用現(xiàn)狀

圖3 2010年肇州縣土地利用現(xiàn)狀

2 結(jié)果與分析

圖4 1992～2001年肇州縣土地利用動態(tài)變化空間分布

圖5 2001～2010年肇州縣土地利用動態(tài)變化空間分布

2.1 土地利用動態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣 為了分析土地利用類型的轉(zhuǎn)移趨向，在ArcGIS和Excel軟件中對不同時相遙感圖像的分類結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，可獲得1992～2001、2001～2010年研究區(qū)各土地利用類型之間的變化量。將1992、2001和2010年3期矢量數(shù)據(jù)的耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和其他用地類別的相同地類編碼通過ArcGIS中的融合工具分別進(jìn)行同一地類的合并，得到6類用地類型的相關(guān)數(shù)據(jù)新表;經(jīng)過3個時段矢量數(shù)據(jù)的兩兩相交操作分別得到各用地類型的地類編碼轉(zhuǎn)換對照表，并在ArcGIS里將面積發(fā)生變化的用地類型總面積計算出來;將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.dbf格式文件，利用Excel中的數(shù)據(jù)透視表和數(shù)據(jù)透視圖工具對得到的2期數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計算操作;由計算所得結(jié)果得到肇州縣土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣［13］(表 1、2)。

表1 1992～2001年肇州縣土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣hm2

表2 2001～2010年肇州縣土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣hm2

由表1～2可以看出，1992～2001年及2001～2010年的土地利用變化主要是耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、草地和建設(shè)用地;林地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地;草地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、林地和其他用?水域主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾推渌玫?建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍⒘值睾筒莸?其他用地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、草地、水域和建設(shè)用地。

2.1.1 耕地轉(zhuǎn)換分析。1992～2001年，耕地向其他類型用地轉(zhuǎn)換表現(xiàn)為向林地、草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化量分別為316.33、991.05 和287.05 hm2，分別占由耕地轉(zhuǎn)換為他類用地類型總量的16.74%、52.46%和15.19%。由其他類型的土地轉(zhuǎn)換為耕地的類型中林地占8.02%，草地占80%，建設(shè)用地占7.97%，但耕地的總量是增加的，凈增加了500.75 hm2。2001～2010年，耕地主要向林地、草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化量分別為 4 698.22、2 448.38 和 5 739.37 hm2，比前一個時期的轉(zhuǎn)化量明顯高出很多，分別占由耕地轉(zhuǎn)化為其他用地類型總量的34.39%、17.92%和42.01%。由其他類型土地轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐念愋椭?，草地?8.19%，建設(shè)用地占27.41%，其他用地占24.83%。相較于上一時期，草地的轉(zhuǎn)化比例有所下降，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化量有所增加，同時新增了其他用地的轉(zhuǎn)化，但總體上這一時期耕地的總量是減少的，凈減少了2 991.05 hm2。

2.1.2 林地轉(zhuǎn)換分析。1992～2001年，林地主要向耕地、草地和其他用地轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換面積分別為191.67、10.76和9.04 hm2，分別占轉(zhuǎn)為其他類型的土地總量的88.15%、4.95%和4.16%。在由其他類型的土地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值氐念愋椭?，主要是林地和草地，分別占轉(zhuǎn)入總量的52.51%和44.29%。這一時期林地的總量是增加的，總共增加了384.92 hm2。2001～2010年，林地主要表現(xiàn)出向耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)換的趨勢。其中林地轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地的面積分別為965.43和172.27 hm2，分別占由林地轉(zhuǎn)化為其他類型用地總量的79.43%和14.17%。在由其他類型土地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值氐念愋椭?，主要是耕地、草地、建設(shè)用地和其他用地，分別占總量的71.82%、9.16%、8.88% 和 9.88%。在此期間林地的總量仍是持續(xù)增加的，在上一期的基礎(chǔ)上凈增加了5 326.30 hm2。

2.1.3 草地轉(zhuǎn)換分析。1992～2001年，草地主要轉(zhuǎn)換為耕地、林地和水域和其他用地，轉(zhuǎn)換面積分別為1 911.88、266.76、177.63 和686.18 hm2，分別占由草地轉(zhuǎn)換為其他類型總量的 62.75%、8.76%、5.83% 和 22.52%。同時，在其他土地轉(zhuǎn)換為草地的類型中主要是耕地、水域和其他用地，面積分別為 991.05、584.14 和 1 040.11 hm2，分別占總量的37.74%、22.24%和39.6%。在這一時期內(nèi)，草地的總量是減少的，共減少了420.74 hm2。2001 ～2010 年，草地有4 075.31 hm2轉(zhuǎn)換為耕地，占轉(zhuǎn)出總量的54.89%，有713.98 hm2轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，占轉(zhuǎn)出總量的9.62%，有1 394.83 hm2轉(zhuǎn)換為其他用地，占轉(zhuǎn)出總量的18.79%。同時，主要由耕地和其他用地來彌補(bǔ)草地的損失，分別占轉(zhuǎn)入總量的7.81%和88.66%。在此期間，草地的總量大幅增加，凈增加了23 907.41 hm2。

2.1.4 水域轉(zhuǎn)換分析。肇州縣水域資源比較豐富，主要包括河流、湖泊水面、水庫和坑塘等。1992～2001年，水域有584.14 hm2轉(zhuǎn)換為草地，有1 465.95 hm2轉(zhuǎn)換為其他用地，分別占轉(zhuǎn)出總量的28.26%和70.92%。同時，在其他類型土地轉(zhuǎn)換為水域用地的主要是草地和其他用地，面積分別為177.63和417.02 hm2，占轉(zhuǎn)入總量的28.12%和66.01%，總體上來說，該時期內(nèi)水域的總量減少了1 435.27 hm2。2001～2010年，水域主要轉(zhuǎn)換為草地和建設(shè)用地，轉(zhuǎn)換量分別為577.19 和 132.49 hm2，占轉(zhuǎn)出總量的69.74%和16.01%。由其他類型轉(zhuǎn)換為水域的主要是耕地、草地和其他用地，分別占轉(zhuǎn)入總量的13.18%、21.66%和63.23%。這一時期水域的總體上呈增加趨勢，面積增加了2 134.12 hm2。

2.1.5 建設(shè)用地轉(zhuǎn)換分析。1992～2001年，建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為其他類型的土地在數(shù)量上主要表現(xiàn)為向耕地轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)出量為190.37 hm2，占轉(zhuǎn)出總量的97.04%。與此同時，由其他類型土地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地也主要是耕地，還有少量其他用地，數(shù)量為 287.05 和 9.49 hm2，分別占轉(zhuǎn)入總量的 93.49% 和3.09%，由此可以看出，在此期間建設(shè)用地和耕地間的轉(zhuǎn)換比較頻繁，而且轉(zhuǎn)換量比較大，但總體上來看，建設(shè)用地的面積還是增加的，總共增加了110.89 hm2。在2001～2010年期間，建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為其他類型的土地，按照數(shù)量的多少分別是耕地、林地和草地，其面積分別為 2 925.26、581.06和462.39 hm2，分別占由建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋涂偭康?1.31%，14.16%和11.27%。同時可以看出，主要由耕地、草地和其他用地來彌補(bǔ)建設(shè)用地的流失，分別占轉(zhuǎn)換總量的70.10%、8.72%和18.52%?？梢?，建設(shè)用地迅速增加主要是靠占用大量耕地得以實現(xiàn)的，其次是林地和草地。與1992～2001年相比，建設(shè)用地仍是持續(xù)增加的，但增幅較大，在面積上增加了4 084.85 hm2，比上期的110.89 hm2高出很多。

2.1.6 其他用地轉(zhuǎn)換分析。1992～2001年，其他用地有79.06 hm2轉(zhuǎn)換為耕地，有 1 040.11 hm2轉(zhuǎn)換為草地，有417.02 hm2轉(zhuǎn)換為水域，分別占轉(zhuǎn)出總量的 5.07%、66.69%和26.74%。同時，主要由耕地、草地和水域轉(zhuǎn)換為其他用地，轉(zhuǎn)換面積分別為 257.61、686.18 和 1465.95 hm2，分別占轉(zhuǎn)入總量的10.65%、28.36%和60.60%。這一時期內(nèi)其他用地凈增加了859.44 hm2。2001～2010年，其他用地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍⒘值?、草地、水域和建設(shè)用地，轉(zhuǎn)換量分別為2 650.06、646.34、27 777.47、1 872.82 和 1 516.30 hm2，分別占轉(zhuǎn)出總量的 7.69%、1.88%、80.60%、5.43% 和 4.40%，同時，主要由耕地、草地和水域轉(zhuǎn)換為其他用地，分別占轉(zhuǎn)入總量的19.30%、69.69%和4.20%，但其他用地的總量是急劇降低的，凈減少了32 461.61 hm2。由此可以看出，其他用地在此期間得到了比較充分地利用。

2.2 土地利用動態(tài)度

2.2.1 單一及綜合土地利用變化動態(tài)度。利用土地利用動態(tài)度模型來定量反映區(qū)域土地利用變化的速率，對比不同時段土地利用變化差異和預(yù)測未來土地利用變化的趨勢具有積極意義。單一土地利用類型動態(tài)度表示某研究區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況。計算公式為［15］:

式中，Ua、Ub分別為研究期初、研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量;T為研究時段長;K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型的動態(tài)度。當(dāng)設(shè)T為年時，K就是該研究區(qū)域某種土地利用類型的年變化率。

某一研究樣區(qū)的綜合土地利用動態(tài)度計算公式為［16］:

式中，ΔUin－i為研究期間其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)?i類型的面積之和;ΔUout－i為 i類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e之和;為研究期初各種土地利用類型的面積之和;Rt的值就是該研究區(qū)土地利用年綜合變化率。通過計算，得到1992～2001、2001～2010年肇州縣單一土地利用動態(tài)變化程度［17］和綜合土地利用動態(tài)度［18］，結(jié)果見表3。

表3 肇州縣1992～2010年土地利用變化動態(tài)度

從表3可以看出，6種土地利用類型中林地年變化率最大，其次為草地，再次為其他用地和建設(shè)用地。說明由于1992～2010年肇州縣對生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重視，林地面積在迅速的增加，隨著當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)投入的加大以及養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，草地面積也在迅猛增長，在縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動影響下，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，且其他用地的開發(fā)利用速度較快。以上數(shù)據(jù)還表明，1992～2010年研究區(qū)域綜合土地利用年均變化速度為0.86%，其中2001～2010年綜合土地利用年均變化速度相比1992～2001年要更快，約為前者的18倍，說明2001～2010年研究區(qū)在土地利用方面有很大的調(diào)整和變化。

2.2.2 土地利用變化空間動態(tài)度。為了對研究區(qū)的各類用地數(shù)據(jù)類型進(jìn)行更深入的分析，在進(jìn)行了數(shù)量變化及不同土地類型間的轉(zhuǎn)移矩陣及單一、綜合動態(tài)度的分析之后，綜合利用數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用變化空間動態(tài)度和趨勢狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)研究分析，其中使用的土地利用類型間轉(zhuǎn)移指數(shù)模型［19］見表4。表4中，Ua為研究期初某一種土地利用類型的數(shù)量;ΔUin為研究時段T內(nèi)其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)樵擃愋偷拿娣e之和，ΔUout為某一類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e之和;ΔUin－i為研究期間其他類型轉(zhuǎn)變?yōu)閕類型的面積之和;ΔUout－i為i類型轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷拿娣e之和;為研究期初各種土地利用類型的面積之和。

表4 土地利用變化類型間轉(zhuǎn)移指數(shù)模型

根據(jù)1992～2001年以及2001～2010年的轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計、計算出肇州縣1992～2001年和2001～2010年2個時段的單一、區(qū)域綜合土地利用變化空間動態(tài)度和趨勢狀態(tài)指數(shù)［20］，結(jié)果見表5。

表5 肇州縣1992～2001年和2001～2010年土地利用變化空間動態(tài)度

從表5中數(shù)據(jù)(Rss行列)分析可看出，1992～2001年水域的變化空間動態(tài)度最大，其次是林地和草地，說明在研究期間水域和林地等土地利用類型輸入與輸出轉(zhuǎn)化頻繁，或轉(zhuǎn)化量占各自期初面積的百分比較大。2001～2010年林地變化空間動態(tài)度最大，其次是草地和水域，再次是其他用地和建設(shè)用地，較之上一期整體空間動態(tài)度數(shù)值都有大幅增加，說明在此期間除了上述地類土地利用類型輸入與輸出轉(zhuǎn)化頻繁或轉(zhuǎn)化量占各自期初面積的百分比較大之外，各地類之間轉(zhuǎn)化面積比例也有較大規(guī)模變動。在2個時間段空間動態(tài)度最小的都是耕地，說明1992～2010年耕地空間轉(zhuǎn)移不頻繁，或轉(zhuǎn)化量占期初面積的百分比不大。

從Ps行列分析，當(dāng)0≤Ps≤1時則該土地利用類型朝著規(guī)模增大的方向發(fā)展，該類型處于“漲勢”狀態(tài)。Ps越接近于0，表明該土地利用類型的規(guī)模增長越緩慢，且雙向轉(zhuǎn)換頻繁，呈現(xiàn)平衡態(tài)勢，但轉(zhuǎn)換為其他類型的面積略微小于其他類型轉(zhuǎn)換為該類型的面積，如1992～2001年的耕地和2001～2010年的建設(shè)用地;Ps越接近于1，說明土地利用類型的轉(zhuǎn)換方向主要為其他類型轉(zhuǎn)換為該類型，呈現(xiàn)極端非平衡態(tài)勢，致使該類型面積穩(wěn)步增加，如兩個時期的林地。

當(dāng)－1≤Ps≤0時，則土地利用類型朝著規(guī)模減少的方向發(fā)展，該類型處于“落勢”狀態(tài)。Ps越接近0，表明該類型的規(guī)模減少越緩慢，且雙向轉(zhuǎn)換頻繁，呈現(xiàn)平衡態(tài)勢，但面積轉(zhuǎn)換為其他類型面積略微大于其他類型轉(zhuǎn)為該類型的面積，如1992～2001年的草地和2001～2010年的耕地;Ps越接近于－1，說明土地利用類型的轉(zhuǎn)換方向主要為該類型轉(zhuǎn)換為其他類型，呈極端非平衡態(tài)勢，致使該類型規(guī)模逐步萎縮，如1992～2001年的水域和2001～2010年時段的其他用地。

從區(qū)域LUCC空間動態(tài)度(Rts)來看，2001～2010年肇州縣各種土地利用類型總的空間轉(zhuǎn)移量(轉(zhuǎn)出或轉(zhuǎn)入)比前一時段有所增加。從區(qū)域空間變化趨勢狀態(tài)指數(shù)(Pt)分析，當(dāng)Pt越接近0時，表明區(qū)域內(nèi)所有的土地利用類型的雙向轉(zhuǎn)移越頻繁，且呈現(xiàn)均衡轉(zhuǎn)移的態(tài)勢;當(dāng)越接近于1時，說明每種土地利用類型的轉(zhuǎn)移方向主要為單向的極端不均衡轉(zhuǎn)移，或者是該類型轉(zhuǎn)移為其他類型，或者是其他類型轉(zhuǎn)移為該類型。為了更好地表達(dá)和理解LUCC的趨勢和狀態(tài)，可對區(qū)域LUCC的整體趨勢和狀態(tài)指數(shù)進(jìn)行分級:當(dāng)0≤Pt≤0.25時，定義區(qū)域LUCC處于平衡狀態(tài);當(dāng)0.25≤Pt≤0.50時，定義區(qū)域LUCC處于準(zhǔn)平衡狀態(tài);當(dāng)0.50≤Pt≤0.75時，定義區(qū)域LUCC處于不平衡狀態(tài);當(dāng)0.75≤Pt≤1時，定義區(qū)域LUCC處于極端不平衡狀態(tài)。從表5中的數(shù)據(jù)可看出，肇州縣土地利用變化逐漸由基本處于雙向轉(zhuǎn)移平衡狀態(tài)向單向不平衡轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。

3 結(jié)論與討論

(1)研究區(qū)土地利用數(shù)量變化存在著明顯的差異性，其中草地在研究期內(nèi)總量增加了23 674.51 hm2，而其他用地面積減少了31 498.27 hm2，這兩者是面積變化最明顯的土地類別。

(2)1992～2010年肇州縣林地面積在迅速的增加，隨著當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)投入的加大以及養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，草地面積也在迅猛增長，同時在縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動影響下，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，且其他用地的開發(fā)利用速度較快。此外，較之1992～2001年，2001～2010年肇州縣各土地利用類型在數(shù)量方面有很大的調(diào)整和變化。

(3)1992～2001年肇州縣在水域和林地的分配和利用方面有較大比例調(diào)整，與該時期相比，2001～2010年除了林地和水域之外，肇州縣對草地、建設(shè)用地以及其他用地的利用都有較大調(diào)整和變動，因在此期間以上地類的空間動態(tài)度指標(biāo)變化較明顯。與以上地類相比，1992～2010年肇州縣對耕地的保有量和轉(zhuǎn)換控制較好，耕地面積基本無大規(guī)模變動。

(4)從趨勢狀態(tài)指數(shù)方面來看，研究區(qū)1992～2001年的耕地和2001～2010年的建設(shè)用地的規(guī)模增長較緩慢，且雙向轉(zhuǎn)換頻繁，呈現(xiàn)平衡態(tài)勢，但轉(zhuǎn)換為其他類型的面積略微小于其他類型轉(zhuǎn)換為該類型的面積;2個時期的林地增長呈現(xiàn)極端非平衡態(tài)勢，致使該類型面積穩(wěn)步增加。1992～2001年的草地和2001～2010年的耕地規(guī)模減少較緩慢，且雙向轉(zhuǎn)換頻繁，呈現(xiàn)平衡態(tài)勢，但面積轉(zhuǎn)換為其他類型面積略微大于其他類型轉(zhuǎn)為該類型的面積;1992～2001年的水域和2001～2010年的其他用地類型規(guī)模逐步萎縮，呈極端非平衡態(tài)勢。(5)從區(qū)域LUCC空間動態(tài)度來看，肇州縣土地利用變化逐漸由基本處于雙向轉(zhuǎn)移平衡狀態(tài)向單向不平衡轉(zhuǎn)移狀態(tài)轉(zhuǎn)化。

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