海南熱帶雨林國家公園土地利用碳排放時空演變

海南熱帶雨林國家公園土地利用碳排放時空演變目錄1引言 12研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源 22.1研究區(qū)概況 22.2數(shù)據(jù)來源 33研究方法 33.1土地利用動態(tài)度 33.2碳排放系數(shù)法 43.3空間自相關 44結果與分析 54.1土地利用變化分析 54.2土地利用碳排放時空演變特征 64.2.1土地利用碳排放時間變化特征 64.2.2土地利用碳排放空間分布特征 74.2.3土地利用碳排放空間分異特征 85結論與建議 105.1結論 105.2建議 105.3不足 116參考文獻 11致謝 12摘要：本文將海南熱帶雨林國家公園作為研究對象，以1990、1999、2011、2021年四個時相的Landsat遙感影像數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)源，利用碳排放系數(shù)法、空間可視化、空間自相關等方法分析海南熱帶雨林國家公園土地利用碳排放時空分布格局與演化特征，為推動區(qū)域經濟社會綠色低碳發(fā)展提供決策參考。結果表明，（1）1990-2021年，草地、耕地、水體面積呈減少趨勢，建設用地、林地、水體、未利用地面積呈增加趨勢，建設用地和草地的變化程度較為顯著；（2）30年來，海南熱帶雨林國家公園的土地利用凈碳排放量整體呈先略微下降后快速上升的趨勢，累計增加了73916噸。碳源增長幅度大，碳匯小幅度增長，其中林地為主要碳匯，建設用地為主要碳源，碳排放量與建設用地具有較強的相關性；（3）海南熱帶雨林國家公園各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用碳排放空間上呈中間低四周高的分布格局，且高值區(qū)有從四周向中部不斷演化的趨勢。（4）空間關聯(lián)上，1990年海南熱帶雨林國家公園各鄉(xiāng)鎮(zhèn)凈碳排放和碳源在空間上具有不顯著性，在1999-2021年空間相關性不斷降低，接近于均衡分布。碳匯在1990-2021年呈現(xiàn)顯著的空間正相關關系。關鍵詞：海南熱帶雨林國家公園；土地利用變化；碳排放；空間關聯(lián)；時空演變1引言全球氣候變暖是當今社會密切關注的問題之一，不少學者認為人類活動范圍的擴大是導致全球二氧化碳濃度升高的主要原因[1]，有些學者則持其他看法，認為土地利用是造成溫室氣體排放量增長的主要因素[2]。無可爭議的是，全球變暖與二氧化碳濃度上升密切相關。相關研究表明，區(qū)域土地利用活動產生的碳排放量占人類活動碳排放總量的1/3，成為區(qū)域碳排放的重要碳源，對于區(qū)域的碳排放格局有著重要影響[3]。2018年，IPCC發(fā)布報告強調了土地在氣候系統(tǒng)中起著重要作用。2021年，中國提出“碳達峰、碳中和”目標，明確了碳減排任務。因此，深入研究土地利用過程中碳排放的時空演變具有重大現(xiàn)實意義。早在上世紀90年代國外學者就開始研究土地利用變化與碳排放之間的關系，21世紀初以來國內學者展開了大量有關碳排放問題的研究并取得了一定成果。這些研究主要集中于區(qū)域碳補償分區(qū)、碳排放時空特征、區(qū)域碳排放核算方法、碳排放影響因素等方面。全國尺度上，葛全勝等探討了中國300年間土地利用對碳循環(huán)產生的影響[4]；賴力在構建碳排放清單的同時考慮了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放（碳吸收）和人為源碳排放[5]；SuM等測算了28個歐洲國家20年間的溫室氣體碳排放量[6]；SohlTL等為緩解美國溫室氣體排放構建了土地利用變化模擬框架[7]。區(qū)域尺度上，張秀梅等[8]、嚴志翰等[9]、魏艷茹等[10]、舒心等[11]、夏四友[12]等分別對江蘇省、浙江省、福建省、長三角城市群、京津冀城市群等的碳排放和碳補償分區(qū)進行了研究；城市尺度上，藍家程等[13]研究了重慶市的碳排放效應；JoHK[14]以韓國為例分析了城市綠地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯作用?？偟膩碚f，土地利用碳排放的定量估算、低碳優(yōu)化方法是碳排放研究的重要內容，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。然而，當前國內相關文獻在研究尺度上主要集中于國家、地方和省級宏觀層面，而市級和縣域微觀層面的研究相對缺乏；在研究區(qū)域的選擇上，多數(shù)研究傾向于關注經濟發(fā)達和能源消費量大的華東、華北、東北地區(qū)，而對于自然條件優(yōu)越、以天然生態(tài)系統(tǒng)為主的南方地區(qū)研究尚顯薄弱，有待進一步深入。因此，關于海南熱帶雨林國家公園土地利用的碳排放時空演變的研究在國內外都具有一定的重要性和研究價值。未來的研究可以進一步加強學術交流和合作，積極突破研究瓶頸，為推動土地利用的可持續(xù)發(fā)展和氣候變化的適應與應對提供更深入的理論和實踐支持。基于此，本研究以海南熱帶雨林國家公園為研究單元，利用1990、1999、2011、2021年四期LandsatTM遙感影像為數(shù)據(jù)源，運用碳排放系數(shù)法、空間可視化、空間自相關等方法分析海南熱帶雨林國家公園土地利用碳排放和碳吸收的時空分布格局與演化特征。針對土地利用碳排放狀況的區(qū)域差異，采取適宜的碳補償策略與方針，為推動區(qū)域經濟社會綠色低碳發(fā)展提供決策參考。2研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源2.1研究區(qū)概況海南熱帶雨林國家公園位于海南島中部山區(qū)，地處南北熱量和東西水分分界的交匯處(圖1)，生態(tài)系統(tǒng)類型以熱帶雨林為主。國家公園總面積4269km2，約占海南陸域總面積的13%，森林覆蓋率為95.85%，其中包括超過95%的未被破壞的原始森林及占到55%的大陸性島嶼型熱帶雨林。擁有中國分布最集中、保存最完好、連片面積最大的大陸性島嶼型熱帶雨林[15]。陽光充足且光線充沛，全年溫度介于22.5至26.0攝氏度之間，并且常年降水量穩(wěn)定在1759毫米左右。海南熱帶雨林國家公園坐落在海南島南側的五指山-黎母嶺，最高山峰五指山（1867m），黎母嶺最高峰為鸚哥嶺（1811m），屬于中山-丘陵地貌。主要河流有萬泉河和昌化江。其中熱帶雨林分布最廣，是該公園內最主要的植被類型，形成了獨特、極具價值的森林景觀、動物景觀、生物資源、清潔水源、清新空氣等生態(tài)產品。熱帶雨林可分為熱帶低地雨林、熱帶山地雨林、熱帶針葉林和高山云霧林。公園內野生維管束植物220科1142屬3577種，其中國家一級保護植物坡壘、伯樂樹、海南蘇鐵、葫蘆蘇鐵、龍尾蘇鐵、臺灣蘇鐵等6種，國家二級保護植物桫欏、土沉香、降香黃檀、海南紫荊木、蝴蝶樹等34種，特有植物有尖峰青岡、霸王玉蘭、吊羅山蘿芙木、五指山含笑、海南菊、海南翠柏、雅加松等428種[15]。生物物種豐富，生物多樣性高。圖1研究區(qū)位置圖2.2數(shù)據(jù)來源本文的土地利用數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云()，選取云量較少、覆蓋較好、夏半年的遙感影像，獲取海南熱帶雨林國家公園1990年、1999年、2011年、2021年四期Landsat分辨率為30m的遙感影像，利用envi軟件對遙感影像進行大氣校正、輻射校正、幾何校正等預處理，然后通過監(jiān)督分類與目視解譯相結合的方法，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地六個地類。最后，構建分類混淆矩陣，同時使用Kappa系數(shù)對經過解譯的遙感影像進行精度檢驗。結果表明，四期數(shù)據(jù)Kappa系數(shù)均超過0.85，在精度上滿足使用的要求。3研究方法3.1土地利用動態(tài)度采用單一土地利用動態(tài)度反映研究區(qū)一定時間范圍內某種土地利用類型的動態(tài)變化情況[16]。土地利用動態(tài)度越小，土地利用動態(tài)變化越小。具體的計算公式如式（1）：K=U其中，K表示某一研究時段某一種土地利用類型的動態(tài)度；Ua為研究期初期某種地類的面積；Ub為研究末期某種地類的面積；t表示研究周期。3.2碳排放系數(shù)法采用碳排放系數(shù)法計算公園碳排放量，碳排放量計算公式如式（2）所示：Ci式中，Ci表示第i種地類產生的碳排放量（t）；Ai表示第i種地類的面積（hm2）；αi表示第i種地類的碳排放系數(shù)。當C參考以往研究成果，結合研究區(qū)的實際情況，估算得到各土地利用類型的碳排放系數(shù)（表1）。表1不同土地利用類型碳排放系數(shù)（單位：t/hm2）土地利用類型土地利用碳排放系數(shù)參考來源耕地0.497彭文甫等[17]林地-0.581彭文甫等[17]草地-0.021孫雷剛等[18]水域-0.257賴力[5]建設用地36.07譚潔等[19]未利用地-0.005賴力[5]注：負數(shù)表示碳匯。3.3空間自相關空間自相關主要探索特定地理空間范圍內一組變量與其他觀測變量之間潛在的相互依賴性，包括全局空間自相關和局部空間自相關[20]。采用全局Moran'sI指數(shù)分析空間關聯(lián)特征，而利用局部自相關進行聚類分析,可以揭示研究區(qū)域內要素的高值與低值集聚分布,可用于要素時空演變特征分析。全局Moran'sI計算公式如式（3）：I=n式中，I為全局Moran'sI值；n為研究對象的個數(shù)；xi和xj為目標屬性特征在研究對象i和j上的觀測值；Wij為i和j之間的空間權重，鄰接是為1，反之為0；4結果與分析4.1土地利用變化分析利用envi對海南熱帶雨林國家公園1990年、1999年、2011年和2021年遙感影像解譯獲取土地利用數(shù)據(jù)。由圖2和表1可知，林地是海南熱帶雨林國家公園的主導土地利用類型，在各年度均占區(qū)域土地總面積的85%以上，草地和耕地面積次之。1990—2021年研究區(qū)林地面積總體上緩慢增加，水體面積前期增加較快后期緩慢增加，建設用地面積和未利用地增加幅度較大且在2011-2021年增長速率最高。1990-2021年建設用地面積增加了27.09km2，增長率最高，達474%，其次是水體面積，增加了65.89km2，增長率達450%;草地和耕地面積前期緩慢下降后期下降較快，其中草地面積下降371.33km2，降幅為96%，耕地面積下降62.89km2,降幅為66%。圖2海南熱帶雨林國家公園1990-2021年土地利用類型表2海南熱帶雨林國家公園土地利用類型面積及比例土地利用類型1990年1999年2011年2021年面積/km2比例/%面積/km2比例/%面積/km2比例/%面積/km2比例/%耕地94.502.1267.911.5358.801.3231.600.71林地3949.0488.784016.8090.274064.5291.414289.3796.40草地383.188.61311.867.01245.845.5311.850.27水體14.640.3348.711.0974.391.6780.531.81建設用地5.700.134.220.092.650.0632.800.74未利用地1.250.030.050.000.030.003.380.08由表3可知，1990-2021年海南熱帶雨林國家公園土地利用結構不斷發(fā)生變化,土地利用變化表現(xiàn)為“四增兩減”，即林地、建設用地、未利用地和水體整體呈增加趨勢,草地和耕地整體呈減少態(tài)勢。其中建設用地增加的速度最快，動態(tài)度達15.32%,表明土地利用開發(fā)的強度在增大,城鎮(zhèn)面積在快速擴張,城鎮(zhèn)化進程不斷加快。草地減少的速度最快，31年間動態(tài)度為-3.13%，可能存在著過度放牧以及城市擴張導致的草場退化問題。表3海南熱帶雨林國家公園各土地利用類型動態(tài)度（單位:%）土地利用類型1990-1999年1999-2011年2011-2021年1990-2021年耕地-3.13-1.12-4.63-2.15林地50.28草地-2.07-1.76-9.52-3.13水體25.864.390.8314.52建設用地-2.89-3.10113.8315.32未利用地-10.70-2.781095.005.534.2土地利用碳排放時空演變特征4.2.1土地利用碳排放時間變化特征由公式（2）估算出海南熱帶雨林國家公園1990-2021年土地利用碳排放量和碳吸收量以及凈碳排放量（表3）。由表3可知，1990-2021年海南熱帶雨林國家公園的凈碳排放量均為負值，表現(xiàn)為碳吸收，土地利用的凈碳排放量受到碳匯和碳源的影響。從碳源方面來看，公園總碳源量在1990-2021年整體呈先略微下降后上升的趨勢，累計增加了94604t。碳源包括耕地和建設用地，其中耕地碳排放量呈持續(xù)遞減趨勢，但耕地的碳排放較弱，對整體碳排放量影響較小。建設用地碳排放量由1990年20575t增長至2021年118305t，增長5.75倍，其中2011-2021年增長速度最快達1238%。建設用地面積增加是引起公園總碳源量增加的主要因素。從碳匯方面來看，公園總碳匯量在1990-2021年呈增加趨勢，碳匯量從229439t增長至249212t。其中，林地對碳匯貢獻率最大，占碳匯總量的99%，林地為主要碳匯。從整體看，碳匯對碳的吸收量遠遠高于碳源的碳排放量，凈碳排放為負值，且在1990-2011年呈持續(xù)遞減的趨勢，2011-2021年為快速增長階段，與建設用地變化趨勢一致。因此，1990-2021年建設用地面積快速增加導致的碳排放量增長是導致海南熱帶雨林國家公園凈碳排放量增長的關鍵因素。表4海南熱帶雨林國家公園1990-2021年土地利用碳排放量（單位：102t）年份碳源碳匯凈碳排放總量耕地建設用地合計林地草地水域未利用地合計1990年46.97205.75252.72-2294.39-8.05-3.76-0.01-2306.2-2053.491999年33.75152.15185.90-2333.76-6.55-12.520.00-2352.83-2166.922011年29.2295.54124.76-2361.49-5.16-19.120.00-2385.77-2261.012021年15.711183.051198.76-2492.12-0.25-20.70-0.02-2513.09-1314.334.2.2土地利用碳排放空間分布特征為了能夠更加直觀清楚的看出海南熱帶雨林國家公園1990-2021年內部區(qū)域間土地利用凈碳排放量空間分布差異，將研究區(qū)46個鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元凈碳排放分為低值（-19500t~-16000t）、較低值（-16000t~-7200t）、中值（-7200t~3700t）、較高值（-3700t~-1200t）、高值(-1200t~2700t)五個等級，并通過ArcGIS進行空間可視化分析，結果如圖4所示。整體來看，1990-2021年多年平均情形下公園土地利用凈碳排放量空間上呈中間低四周高的分布格局，且高值區(qū)呈現(xiàn)出由四周向中部逐漸擴大的趨勢，公園凈碳排放量顯著變化區(qū)域與公園建設用地顯著增加區(qū)域基本保持一致。1990-2011年凈碳排放量總體穩(wěn)定，空間分布類型變動較少，主要為長征鎮(zhèn)由高值區(qū)下降為較高值區(qū)，東河鎮(zhèn)由中值區(qū)突破為高值區(qū)，牙叉鎮(zhèn)由中值區(qū)突破為較高值區(qū)。2011-2021年凈碳排放量整體增長顯著，尤其以什運鄉(xiāng)、本號鎮(zhèn)、板橋鎮(zhèn)和江邊鎮(zhèn)最為明顯，凈碳排放總量由-226100.62t上升至-131433.17t。2021年低中值區(qū)集中分布在樂東黎族自治縣的尖峰鎮(zhèn)、昌江黎族自治縣的王下鄉(xiāng)、白沙黎族自治縣的南開鄉(xiāng)、五指山市的通什鎮(zhèn)等，主要原因是多處于山地地區(qū)，土地利用程度低，城鎮(zhèn)發(fā)展水平低，林地面積比重大，主要承擔生態(tài)功能，碳吸收量大，碳匯能力強。高值區(qū)集中分布在經濟發(fā)展水平高、能源消耗量高的瓊中黎族自治縣的和平鎮(zhèn)、什運鄉(xiāng)和營根鎮(zhèn)、東方市的江邊鎮(zhèn)和東河鎮(zhèn)、樂東黎族自治縣的抱由鎮(zhèn)、昌江黎族自治縣的打安鎮(zhèn)、萬寧市的南橋鎮(zhèn)等，主要原因是土地利用程度高，人口密集，經濟發(fā)展水平高，城鎮(zhèn)面積大,城鎮(zhèn)化進程不斷加快，建設用地面積增加，產生的碳排放量大。圖31990-2021年海南熱帶雨林國家公園土地利用碳排放空間變化4.2.3土地利用碳排放空間分異特征為了檢驗海南熱帶雨林國家公園各區(qū)域間土地利用碳排放是否存在空間相關性，本研究使用全局Moran'sI指數(shù)分別對公園各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用凈碳排放、碳源、碳匯的空間關聯(lián)度進行分析，結果如表5、6、7所示。表5海南熱帶雨林國家公園各鄉(xiāng)鎮(zhèn)凈碳排放全局自相關統(tǒng)計分析年份1990年1999年2011年2021年Moran'sI指數(shù)0.1516200.0170130.0770570.030541Z值1.6809010.3630010.9159340.491388P值0.1093990.7166040.3597020.623152方差0.0117920.0116820.0117490.011530表6海南熱帶雨林國家公園各鄉(xiāng)鎮(zhèn)碳源全局自相關統(tǒng)計分析年份1990年1999年2011年2021年Moran'sI指數(shù)0.1557580.1364260.1341460.139523Z值1.6354551.4577181.4382291.483902P值0.1019540.1449180.1503690.137835方差0.0118430.0118450.0118210.011881由表5和表6可知，1990-2021年凈碳排放和碳源的Moran'sI指數(shù)均大于0，但P值和Z值并未通過顯著性檢驗，可見海南熱帶雨林國家公園各鄉(xiāng)鎮(zhèn)凈碳排放和碳源整體的相關性并不顯著。其中，凈碳排放Moran'sI指數(shù)從1990年的0.151620降低到2021年的0.030541，整體呈下降趨勢，說明隨著時間的推移，空間集聚現(xiàn)象在減弱，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的凈碳排放差距在逐漸縮小，有均衡分布的傾向。表7海南熱帶雨林國家公園各鄉(xiāng)鎮(zhèn)碳匯全局自相關統(tǒng)計分析年份1990年1999年2011年2021年Moran'sI指數(shù)0.0073130.2333220.1039220.149787Z值0.3243342.9355752.3961641.617437P值0.7456850.0033290.0165680.105784方差0.0082930.0075780.0027710.01131由表7可知，1990-2021年海南熱帶雨林國家公園各鄉(xiāng)鎮(zhèn)碳匯的Moran'sI指數(shù)均為正值，且整體呈上升趨勢，其中1999年、2011年Z值大于臨界值，P值小于0.1，通過了95%的顯著性檢驗，表明碳匯之間存在較強的空間正相關關系。為了進一步探究46個鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間碳匯在空間上的高低值集聚情況，對具有顯著空間自相關關系的海南熱帶雨林國家公園1999年和2011年碳匯進行局部空間自相關分析，結果如圖4所示。圖4海南熱帶雨林國家公園碳匯LISA聚類由圖4可知，碳匯高—高集聚區(qū)1999年主要分布于白沙黎族自治縣的青松鄉(xiāng)，2011年轉為五指山市的暢好鄉(xiāng)，由于該區(qū)域林地占比高，且地形以山地丘陵為主，碳匯作用顯著。低—低集聚區(qū)主要分布在東方市的江邊鎮(zhèn)和東河鎮(zhèn)，由于該區(qū)域城鎮(zhèn)化與工業(yè)化水平均較高，建設用地占比較高，林草地占比相對較少，碳匯作用弱。總體來看，高—高集聚區(qū)分布在林地、草地等具有碳匯作用的生態(tài)用地占比較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，低—低集聚區(qū)分布在林草地占比較少、經濟發(fā)展水平較高、建設用地占比較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，說明海南熱帶雨林國家公園碳匯在部分地區(qū)存在一定集聚性。5結論與建議5.1結論（1）林地是海南熱帶雨林國家公園的主導土地利用類型，1990-2021年，建設用地、林地、水體、未利用地面積呈增加趨勢，耕地、草地、水體面積呈減少趨勢，建設用地和草地的變化程度較為顯著。（2）海南熱帶雨林國家公園的土地利用碳排放量總體呈先略微下降后快速上升的趨勢。林地為主要碳匯，且占區(qū)域總面積的85%以上，因此碳匯對碳的吸收量遠遠高于碳源的碳排放量，凈碳排放表現(xiàn)為碳吸收，空間上呈中間低四周高的分布格局。建設用地為主要碳源，公園凈碳排放量顯著變化區(qū)域與公園建設用地顯著增加區(qū)域基本保持一致。（3）從海南熱帶雨林國家公園各鄉(xiāng)鎮(zhèn)凈碳排放量的空間分布來看，凈碳排放量高值區(qū)域主要分布在以瓊中黎族自治縣的和平鎮(zhèn)、什運鄉(xiāng)和營根鎮(zhèn)、東方市的江邊鎮(zhèn)和東河鎮(zhèn)、樂東黎族自治縣的抱由鎮(zhèn)、昌江黎族自治縣的打安鎮(zhèn)、萬寧市的南橋鎮(zhèn)為主的經濟發(fā)展水平高、能源消耗量高的區(qū)域，凈碳排放量低值區(qū)域主要集中在樂東黎族自治縣的尖峰鎮(zhèn)、昌江黎族自治縣的王下鄉(xiāng)、白沙黎族自治縣的南開鄉(xiāng)、五指山市的通什鎮(zhèn)為主城鎮(zhèn)發(fā)展水平低，林地面積比重大的區(qū)域。碳排放高值區(qū)和較高值區(qū)呈現(xiàn)由四周向中部不斷演化的趨勢。（4）1990年海南熱帶雨林國家公園各鄉(xiāng)鎮(zhèn)凈碳排放和碳源在空間上具有不顯著的特征，且在1999-2021年空間相關性不斷降低，接近于均衡分布。碳匯在1999-2011年呈現(xiàn)顯著的空間正相關關系。5.2建議（1）合理配置各類用地的比例，嚴格控制建設用地能源消耗，在不斷增加森林、草地、水域和未利用地碳匯的基礎上，重點開發(fā)水域和濕地碳匯，探索建立以國家公園為主體、自然保護區(qū)為基礎的特色自然保護地體系，增強生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。(2)在東方市、陵水黎族自治縣、萬寧市、瓊中黎族苗族自治縣等碳排放相對較高的地區(qū)，著力構建清潔低碳安全高效的能源體系，加快推進節(jié)能降耗;提高綠色節(jié)能產業(yè)的比重，推動工業(yè)領域低碳轉型升級和現(xiàn)代化發(fā)展；推動建筑業(yè)綠色發(fā)展，并構建綠色低碳綜合交通運輸體系與低碳生活方式。5.3不足本研究在測算土地利用碳排放時，對碳排放系數(shù)的確定主要參考其他已有文獻，但由于研究區(qū)域在自然、社會經濟、能源等方面存在一定差異，此各地區(qū)的碳排放系數(shù)應有所差別，但由于碳排放系數(shù)的確定具有一定難度，探究出適用于海南熱帶雨林國家公園實際的碳排放系數(shù)是尚需解決的難題。6參考文獻[1]GhoshS,DindaS,DasChatterjeeN,etal.Spatial-explicitcarbonemission-sequestrationbalanceestimationandevaluationofemissionsusceptiblezonesinanEasternHimalayancityusingpressure-sensitivity-resilienceframework:Anapproachtowardsachievinglowcarboncities[J].JournalofCleanerProduction,2022,336:130417.[2]韓驥，周翔，象偉寧.土地利用碳排放效應及其低碳管理研究進展[J].生態(tài)學報，2016，36(4):1152-1161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