河势特征分界下的黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金面上项目()国家住房与城乡建设部科学技术计划项目()城乡人居生态环境学(北京高校高精尖学科建设项目)收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./冯君明冯一凡李翅吕硕马俊杰.河势特征分界下的黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变.生态学报():.():.河势特征分界下的黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变冯君明冯一凡李 翅吕 硕马俊杰 北京林业大学园林学院 北京 哈尔滨工业大学建筑学院哈尔滨 摘要:在黄河流域生态保护和高质量发展战略背景下加强对黄河滩区生境质量及其驱动机制研究对区域生物多样性保护和生态韧性提升具有重要意义 以黄河滩区沿河城镇为研究区依据河势特征将其划分为 个河段和 个子研究区并基于 模型与 类景观格局指数分析论证不同河势特征分界下生境质量与景观格局的时空演变规律 结果表明:()生境质量方面 年研究区生境质量整体呈下降趋势各河段生境质量平均值由大到小依次为河口段、弯曲段、游荡段、过渡段()景观格局方面各河段之间景观破碎度指数波动最小并随城镇化发展破碎化程度逐渐减弱连接度与复杂度波动明显且因河势特征存在差异性变化()生境质量与景观格局相关性方面多数土地景观格局指数与生境质量显著相关但关联程度有所下降 相同地类景观格局指数在不同河段内表现出不同甚至反向的互动关系 研究表明河势特征是黄河滩区生境质量的全局性支撑或限制因素其作用主要体现为对黄河滩区周边城镇土地空间发展的差异化影响该影响直接作用于紧邻黄河地带的城镇组团并间接影响其他区域在一定程度上左右了城镇发展主向以及土地转化、空间格局的演变规律最终影响区域生境质量的分布格局 研究结果对黄河滩区重要生态功能区的生境保护与生态系统功能调控具有一定的理论与实践价值关键词:黄河滩区周边城镇生境质量景观格局河势 :.:().():/.().:随着人类活动的加剧以及土地覆被的变化流域景观格局发生快速改变并威胁当地生境质量 生境质量是生物多样性维持能力的重要表征体现了区域生态环境为生物提供生存条件的能力 加强生境质量评估可以在一定程度上掌握流域生态系统的优劣情况为区域可持续发展提供支撑长久以来国内外学者积极探索自然环境、社会经济、城市建设等因素对生境质量的影响 其中自然因素对城市空间发展的约束力较强使不同自然特征梯度之间的生境质量存在较大差异 然而已有成果主要聚焦自然梯度等级与生境质量的关系对不同梯度分界下生境质量与景观格局的相关性研究较少此外目前常用的自然因子梯度划分方式主要包括地形梯度和圈层梯度两类前者适合于地形起伏较大的丘陵山区对平原生境质量解释力较弱后者聚焦个体城市或有中心聚集效应的城市组团难以作为流域城市/镇带梯度的划分途径 随着河流生态系统理论体系的逐步完善越来越多的学者认识到河势对流域研究的重要性 河势指河道水流的平面形式及变化趋势受地质与气候特征、来水来沙条件等自然因素和河床边界等人为因素影响 在河势传递效应影响下上下游、左右岸、河段与流域之间存在互动关联 在河势特征与生物多样性的关系中已有研究表明河床形态、河岸类型等均对河流生物多样性产生影响 在河流生态系统与流域生态系统关系上流域生态学、生态水文学等理念都将二者视为具有互动作用的整体 作为由水统一起来的水文单元流域河流是支撑其生物多样性的重要自然因素河流的河势特征也在一定程度上影响着两岸流域地带的生境状况 立足河势梯度视角梳理生境质量与景观格局耦合关系有助于进一步探索流域生境质量的驱动机制及内在差异基于上述研究本文将河势特征作为流域生境质量与景观格局互动关系研究的空间梯度划分依据并选择黄河滩区周边城镇作为实证区域 黄河滩区指黄河下游宽河道段主河槽至两侧河堤之间的地带是全球候鸟迁徙通道的中心区域和生物多样性分布的重要地段但生态流量偏低、河口湿地萎缩等现状也导致黄河滩区生态基址十分脆弱 年 月黄河流域生态保护和高质量发展战略的提出对黄河滩区周边城镇生态环境与城乡空间治理提出了新要求 然而在较长时间内聚焦黄河滩区城镇开展的生境质量相关研究较少已有成果主要围绕黄河流域、省域或城市尺度展开并且在景观格局与生境质量关联上不同河段或城市/镇也有不同的结论得出 本文对 年黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变进行分析重点探讨不同河势特征分界下景观格局与生境质量的相关性 研究过程可以为流域生物多样 期 冯君明 等:河势特征分界下的黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变:/.性研究提供新思路研究结论也能为黄河下游地区土地资源的可持续利用与韧性发展提供科学依据 研究区概况黄河滩区位于河南省北部和山东省西北部河道长 沿河地貌包括黄淮海平原、鲁中丘陵与河口三角洲三种类型整体地势较为平坦大部分属温带大陆性季风性气候年平均气温 年平均降雨量 本文选择河南省和山东省 个地级市内共 个黄河滩区沿河城区、县与县级市作为研究区具体包括 个中心城市城区、个一级城镇空间和 个二级城镇空间总面积约 筛选过程与分类依据详见课题组研究成果 根据河道特性、河床边界条件与小流域特点将研究区划分为 条总段、条分段以及 个子研究区各区构成及河势、流域信息如图、表 所示图 研究区概况.:白鹤镇京广铁路大桥段左岸:白鹤镇京广铁路大桥段右岸:京广铁路大桥东坝头段左岸:京广铁路大桥东坝头段右岸:东坝头高村段左岸:东坝头高村段右岸:高村陶城铺段左岸:高村陶城铺段右岸:陶城铺玉符河黄河交叉口段左岸:陶城铺玉符河黄河交叉口段右岸:玉符河黄河交叉口德大铁路大桥段左岸:玉符河黄河交叉口德大铁路大桥段右岸:德大铁路大桥黄河口段左岸:德大铁路大桥黄河口段右岸 研究数据和方法.数据来源以中国科学院资源环境科学与数据中心(:/./)提供的河南省和山东省、年 精度土地覆盖数据为主要信息源(图)在研究过程中生境质量评价采用国土资源部发布的土地利用现状分类(/)二级分类系统开展相关分析景观格局指数分析则将研究区域土地覆被类型按一级分类系统重分类为耕地、林地、草地、水域、已建成区和未利用地进行分析 此外为便于数据统计与表达本文以 为格网单元对研究区进行划分共获得 个格网以此为基础开展相关分析过程生 态 学 报 卷:/.表 研究区信息表 类型编号.名称面积/包含城镇单元 三级流域河势特征 游荡段白鹤镇京广铁路大桥段左岸.孟州市、温县、武涉县小浪底至花园口干流区长 河道 滩心多为浅滩且出没不定白鹤镇京广铁路大桥段右岸.巩义市、上街区、荥阳市同 京广铁路大桥东坝头段左岸.获嘉县、卫滨区、牧野区、凤泉区、红旗区、新乡县、延津县、原阳县、封丘县金堤河天然文岩渠流域长 堤距.堤距较宽滩岸抗冲能力弱滩区村庄稠密人口数量大京广铁路大桥东坝头段右岸.惠济区、中原区、金水区、二七区、管城回族区、中牟县、龙亭区、鼓楼区、顺河回族区、禹王台区、祥符区玉蚌区间北岸流域东坝头高村段左岸.滑县、长垣县同 长 堤距.为二级悬河较早形成区域是黄河下游防洪的薄弱地段东坝头高村段右岸.兰考县、东明县湖西区流域过渡段高村陶城铺段左岸.濮阳县、范县、台前县同 长 堤距.河段整体河槽摆动不大河道平面曲直相间高村陶城铺段右岸.牡丹区、鄄城县、郓城县、梁山县同 弯曲段陶城铺玉符河黄河交叉口段左岸.阳谷县、东阿县、齐河县徒 骇 马 颊 河流域长 堤距.河道断面较为窄深滩岸对水流约束作用强陶城铺玉符河黄河交叉口段右岸.东平县、平阴县、肥城市、长清区、泰山区、岱岳区黄汶区流域玉符河黄河交叉口德大铁路大桥段左岸.天桥区、济阳区、惠民县、滨城区同 长 堤距.受鲁中山区影响滩岸对水流约束作用更强玉符河黄河交叉口德大铁路大桥段右岸.槐荫区、市中区、历下区、历城区、章丘区、邹平市、高青县、博兴县小清河流域河口段德大铁路大桥黄河口段左岸.利津县、河口区同 长 整体地势平坦新老河道纵横交错相互重叠切割形成了岗、坡、洼等微地貌类型德大铁路大桥黄河口段右岸.东营市、垦利区同 :游荡段 :过渡段 :弯曲段:河口段 .研究方法.模型生境质量评估()模型是由美国斯坦福大学自然资本项目平台开发用于评估生态系统服务功能量、支持生态系统管理决策的模型系统在国内外使用频繁方法也相对成熟 模型中的生境质量模块主要根据土地利用/覆盖类型的敏感度威胁因子的位置、威胁距离等计算生境质量分析原理及公式如文献所示 为使模型参数符合黄河滩区实际情况本文依据黄河下游地区相关文献 、现状调查、专家意见与 模型用户手册等选择威胁源因子并设定其影响距离、权重、敏感度等信息如表 所示 在分析过程中将生境质量按指数平均值大小划分为 个等级(.、.、.、.)进行表达分别对应低等、中低等、中高等和高等生境质量区 期 冯君明 等:河势特征分界下的黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变:/.图 年黄河滩区周边城镇土地覆盖图.表 威胁因子参数信息 威胁因子最大影响距离 /权重衰退类型 耕地 .线性衰退城镇用地 .指数衰退农村居民点 .指数衰退道路 .线性衰退工矿用地 .指数衰退表 各类型景观对威胁因子的敏感度 土地覆被类型 生境适宜度耕地城镇用地农村居民点道路工矿用地 耕地 .有林地.灌木林 .疏林地、其他林地 .草地.河渠 .湖泊.滩地.城镇用地 .农村居民点 .工矿用地 .未利用地 .生境质量空间分布特征使用全局莫兰指数()描述研究区生境质量是否有集聚效应该指数可以探究相邻网格属性值在生 态 学 报 卷:/.全局空间上的关联度其原理及公式详见文献 全局莫兰指数值域为若大于 为正相关反之则为负相关其绝对值趋近于 表示集聚性较强等于 则代表随机分布.景观格局指数参考已有研究成果选择 类共 项景观格局指数包括:()空间破碎度:斑块个数()、斑块密度()、最大斑块指数()()空间连接度:连通度()、散步与并列指数()、聚合度()()空间复杂度:边缘密度()、边缘长度()、景观形状()各指标公式详见参考文献计算过程通过.软件进行并以 为粒度单元进行移动窗口法()分析 此外为更加显著地表达研究区景观格局指数的时空分异研究过程将对景观格局指数分析结果进行线性归一化处理并按类型等权叠加以此为基础开展相关分析过程.生境质量与景观格局指数的相关性分析选择皮尔森相关系数()计算研究区生境质量与景观格局指数之间相关性皮尔森相关系数是一种线性相关系数用来反映两个变量相关程度绝对值越大代表相关性越强在本文用于计算研究区生境质量与景观格局指数的基础回归关系相关原理及公式如文献所示 研究结果图 年黄河滩区周边城镇土地覆盖面积统计.黄河滩区周边城镇土地覆被总体演变本文基于土地生态功能和空间结构讨论生境质量与景观格局的关系这就需要对研究区土地构成与演进形成总体认知 如图 所示研究区主要土地覆盖类型为耕地面积占比均达到 以上其次为建设用地面积占比也均高于 研究期间黄河滩区城镇建设用地、水域面积持续增加其他地类与之相反其中耕地在对外转化方面占比最高 年达到研究区总面积的.建设用地、耕地是各时段土地转换比例较高地类水域虽然在整体土地转化程度上弱于前两者但强于林地、草地等重要生态要素并占有更大比重进一步突显水文要素在黄河滩区生态环境演变中所扮演的角色.黄河滩区周边城镇生境质量时空演变特征.黄河滩区周边城镇生境质量空间分布特征 年间研究区生境质量指数级别以中低等为主(图)与已有成果基本一致 少数高等质量区于黄河入海口、东平湖、济南南部或郑州西部山地等呈斑块状分布中高等和中低等质量区广泛分布于黄河两侧平原低等生境质量区则以点状或小型斑块的形式分布在各级城镇建成区域 从空间集聚性看研究区生境质量指数集聚效应显著(全局莫兰指数)在河段对比上(图)各河段生境质量平均值由高到低依次为河口段弯曲段游荡段过渡段除河口、弯曲段内分布有一定比例的高等级生境质量区外游荡、过渡段内中高、高等级生境质量区比例均不足.黄河滩区周边城镇生境质量时序演变特征从时间演变来看研究区生境质量整体处于逐年下降状态(图)年内由.降到了.年间下降最为严重 在空间集聚特征上研究期内生境质量全局莫兰指数于.至.之间小规模变动表明各级生境质量区集聚性相对稳定 在河段对比上(图)除河口段外各河段生境质量平均值处逐年下降状态游荡、弯曲段在 年下降速率较高主要原因在于该时段黄河滩区城镇化速度较快大量林地、耕地等土地转为建设用地加剧了威胁源对区域生境斑块的限制作用 比较特别的 期 冯君明 等:河势特征分界下的黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变:/.图 年黄河滩区周边城镇土地覆盖转换统计.图 年黄河滩区周边城镇生境质量指数等级分布.是同处黄河入海口的垦利区()和河口区()呈相反趋势并且上升/下降幅度均极高主要原因在于 年前后 区黄河三角洲洲体蚀退幅度较大逐年扩增的水体为河岸地带提供了良好的生境条件这方面与 区相反导致后者近 年生境质量平均值每 年下降.黄河滩区周边城镇景观格局演变特征.黄河滩区周边城镇景观格局指数空间分布特征在景观格局指数上各子研究区与所属河段也表现出一定的空间分异(图)年研究区景生 态 学 报 卷:/.图 年黄河滩区周边城镇生境质量平均值及各等级生境面积比例.图 年黄河滩区各河段城镇生境质量平均值演变.观破碎度与复杂度分布规律大体相近连接度与之相反 在变化幅度上三类景观格局指数波动情况由大到小依次为复杂度连接度破碎度可以解释为黄河滩区周边区域城镇化与区域一体化发展程度均较强广袤的农业景观基底与相近的城镇发展布局减小了土地空间在斑块破碎化方面的差距 与之不同的是各河段景 期 冯君明 等:河势特征分界下的黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变:/.观连接度与复杂度差异明显其中连接度指数河口段游荡段过渡段弯曲段复杂度则与之相反主要原因在于河口段滨海滩涂以及游荡段“二级悬河”特性极大降低了黄河两岸城镇空间发展的自由程度使建设用地的扩张以“填充式”或“蔓延式”为主同时相比其他河段表现出与黄河不同的关系模式例如郑州市中心城区以平行或远离黄河为发展主向济南市则于 年提出“携河发展”目标可见河势特征对黄河沿岸城镇空间的发展可以起到制约、开放或联动的复杂影响图 年黄河滩区不同河段城镇景观格局指数演变.黄河滩区周边城镇景观格局指数时序演变特征在时间尺度上 年黄河滩区周边城镇景观破碎度呈微弱下降趋势(图)下降幅度由大到小依次为游荡段河口段过渡段弯曲段可以解释为快速城镇化发展与建成区的扩张使城乡结合地带的过渡性斑块得以整合但河势特征对游荡段和河口段城镇空间发展限制更加明显 连接度方面游荡段连接性指数逐年增加以郑州市、开封市中心城区所在的 区段最为显著这与济南市中心城区所在的 区段(弯曲段)相反进一步印证了游荡段河势对黄河沿岸城镇发展的限制作用过渡段与弯曲段连接性指数较为稳定而河口段则有较大程度提升主要归因于大面积水库坑塘、滩地被建设用地侵占同时在海岸蚀退作用下河岸散布的草地斑块在研究时段内平均每年减少.复杂度与连接度指数规律相反但变化幅度较弱.黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局的相关性图 展示了研究期内黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局的 相关性分析结果 整体尺度上以 年为例大部分地类景观格局指数(.)与生境质量显著相关(.)林地、草地破碎度与复杂度指数与生境质量呈显著正向关系水域在连接性方面也对生境质量具有一定影响力建设用地连接性指数与生境质量表现出极强的负相关性耕地的破碎化与连接性下降表明生境质量将会有所提升 在演变过程生 态 学 报 卷:/.中.的景观格局指数 相关系数值呈持续降低状态.为先减后增可以解释为 年研究区土地动态度相对较高降低了土地空间格局的内在差异性导致相关景观格局指数与生境质量的关联逐渐减弱河段尺度上以最临近状态的 年为例进行分析(图)与整体尺度相比各河段之间生境质量与景观格局相关性存在较大差异 游荡性河段具有“宽、浅、散、乱”的水文特点水域难以成为支撑区域生境质量的关键因素使其相比其他河段更加依赖林草生境斑块的优化过渡段兼具游荡段与弯曲段的河势特征滩区两岸蓄水能力强这为该地区草地生态系统发育提供了支撑草地破碎度、连接度、复杂度指数与生境质量的关系最为协同弯曲段河势稳定堤距小且对水流的约束作用强使该河段城镇空间发展与黄河关系最为紧密但也加剧了建设用地与水域对于生境质量的矛盾关系甚至后者在破碎度、复杂度指数方面的作用因此受到削弱土地覆被对河口段生境质量的影响主要体现在耕地、水域与建设用地方面首先高破碎度、高复杂度的水域斑块多分布在生境质量较低的城镇地带因此与生境质量呈负相关关系其次由于耕地的生境适宜度小于水域覆被类型因此高连接性农田区域生境质量虽然优于城镇建成区但仍小于水域斑块的影响建设用地格局指数与此同理图 黄河滩区周边城镇景观格局指数与生境质量 相关性结果.表示.表示.讨论与结论.讨论()黄河下游生态系统是以黄河干流为主体由山、河、林、田、湖、草、滩等构成的复合生态系统 在黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要启示下以城镇为基本单元从流域城镇带入手讨论区域景观格局和生境质量的关系可以更加全面地解释二者之间的关联与空间分异也是对河流/流域生态学、流域水文学等理论的实践运用与扩展“游荡段、过渡段、弯曲段、河口段”是对黄河下游河势特点的定性描述体现了黄河下游河流生态系统在纵向维度上的变化情况 在流域尺度上国内外学者通常关注水利枢纽等设施对流域景观格局或 期 冯君明 等:河势特征分界下的黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局演变:/.生物多样性的影响对河势内在差异所带来的纵向变化关注不足分析其中的原因可能由于河势特点受多重因素影响使其难以有效量化但不可否认的是在人类干扰水文过程的能力日趋加强背景下河势特征的不同必然会扩大河流/流域生态系统在格局与功能上的差异这仍然是河流生态系统序列不连续性()理念的体现 通过对黄河滩区周边城镇生境质量与景观格局的时空演变研究可以发现河势特征对区域城镇空间发展和生境质量演变均产生差异化影响主要表现在:河势特征直接影响黄河滩区两侧城镇的土地转化与空间格局演变例如游荡段“二级悬河”与河口段三角洲极大限制了黄河滩区两侧城镇建设用地扩张的自由程度使其景观连接度指数高于弯曲段和过渡段土地斑块的破碎化过程也有所减弱不同河段内土地景观格局与生境质量相关性存在显著甚至相反的差异例如河口段水域斑块的破碎化和复杂程度提升与生境质量呈负向关系在其他河段均正向相关面对不同的河势环境条件地方政府采取了多种针对性措施包括黄河滩区生态廊道建设、黄河口生态旅游区等对区域生境质量提升产生一定支持但在城镇化过程中城水矛盾始终是生物多样性维持的关键作为郑新一体化发展的重要节点新乡市平原示范区与黄河距离为 左右而济南市落实“跨河发展”战略的新旧动能转换先行区中心城区与黄河距离不足 东营市也在加快沿海开发建设过程上述内容既是人类根据河势特点选择的发展模式也是需要借助多种手段缓和城水矛盾的空间载体 总体而言河势特征是黄河滩区景观格局与生境质量的全局性支撑或限制因素相比水利枢纽直接影响河流的水文过程河势特征的影响更多映射在周边区域范围内并对生境质量产生差异性影响这也是相同地类在不同河段与生境质量关系存在显著差异的重要原因之一()本文仍存一定局限在研究方法上虽然 模型应用较为成熟在参数设定上也依据了模型指导手册和相关研究成果但由于黄河滩区较大的区域跨度与复杂的水文环境如何统筹不同河段城镇特点实现更加合理的评估参数设定有待进一步推敲 在研究对象上由于复杂的水文条件黄河下游地区拥有天然的河势分异现象因此土地景观格局与生境质量以及二者相关性的差异在不同河段内能够有所表达而该方法对其他河流的适用性还需进一步探讨.结论本文采用 年土地覆被数据基于 模型测度黄河滩区周边城镇生境质量的空间分布使用 软件进行景观空间破碎度、连接度与复杂度指数分析最后通过 平台计算不同尺度条件下生境质量与景观格局的 相关性 主要结论如下:()生境质量方面 年间黄河滩区周边城镇生境质量级别以中低等为主各级生境质量区以集聚性方式稳定分布 在不同河段对比中各河段生境质量平均值由高到低依次为河口段、弯曲段、游荡段、过渡段 随着时间推移除河口段外各河段生境质量平均值处逐年下降状态()景观格局方面各河段之间景观格局指数存在一定空间差异其中破碎度差异最小复杂度差异大于连接度但二者表现形式相反 在景观格局指数演变过程中游荡段、河口段受河势特征影响更加突显黄河滩区两侧或滨海区域脆弱的生态基址使其难以承载过于复杂的城镇建设功能而弯曲段城镇空间的发展较少受到水文条件的限制()生境质量与景观格局的相关性方面多数土地覆被类型的景观格局指数与生境质量显著相关但关联程度随城镇化发展有所减弱这与常玉旸等研究结论一致 林地、草地是游荡段生境质量的关键因素弯曲段、河口段在其基础上更需关注城水之间的矛盾关系过渡段区域内草地对生境质量提供了稳定的支撑作用但其相对单一的生态系统构成难以在更广程度上为流域生物多样性提供支持 世纪初期黄河滩区城镇发展极大改变了原有土地空间格局虽然近年土地转换程度有所下降但庞大的耕地与建设用地规模依然限制着生境质量的改善进程 随着小浪底水库的建成使用各河段水文条件逐渐趋于稳定 在以生境质量提升为主要目的的黄河滩区周边城镇空间优化上需聚焦河段主要矛盾采用适用的规划策略首先调水调沙工程使黄河三角洲洲体重新增长但在本研究中水域面积的减少不利于河口段生境质量的提升因此需借助优化岸线结构等方式缓解水生态系统的退化问题其次游荡段黄河两岸的生 态 学 报 卷:/.生态基址与环境条件将有所提升但在广阔的游荡性滩区范围内水域空间格局难以在短时间发生根本性转变仍需结合生态保育、平原造林、改良农业生产、优化绿色空间布局等方式为区域生物多样性提供支撑此外构建多层次林草植物群落提升高适宜性生境质量斑块的结构多样性是过渡段生物多样性维持的重要抓手弯曲段则需聚焦城镇建成地带依托城市河流、道路等要素完善生物迁徙廊道网络并强化城镇与黄河之间生态缓冲带的近自然性与低干扰程度参考文献():.:():.:.:.黄木易 岳文泽 冯少茹 张嘉晖.基于 模型的皖西大别山区生境质量时空演化及景观格局分析.生态学报 ():.:.:.戴云哲 李江风 杨建新.长沙都市区生境质量对城市扩张的时空响应.地理科学进展 ():.由星莹 张小峰 唐金武 杨云平.长江中下游河势调整传递及阻隔机理.北京:科学出版社:.胡一三 张红武 刘贵芝 王恺忱 彭瑞善 刘月兰.黄河下游游荡性河段河道整治.郑州:黄河水利出版社:.:.:.():.蔡庆华 吴刚 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