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Ecological restoration and reconstruction of degraded lakeside zone ecosystem

湖滨带退化生态系统的恢复与重建



全 文 :湖滨带退化生态系统的恢复与重建 3
颜昌宙1 ,2  金相灿2 3 3  赵景柱1  叶 春2  王中琼2
(1 中国科学院生态环境研究中心系统生态重点实验室 , 北京 100085 ;2 中国环境科学研究院湖泊生态
环境创新基地 ,北京 100012)
【摘要】 湖滨带是水陆生态交错带的一种类型 ,在湖泊流域生态系统中发挥着重要作用 ,具有较高的生
态、社会和经济价值. 湖滨带的功能包括 :缓冲带功能、保持生物多样性及生境保护功能、护岸功能和经济
美学价值. 湖滨带退化的原因主要是人为因素引起的生物群落结构的逆向演替及生态功能下降 ,退化湖滨
带生态恢复与重建的理论基础是恢复生态学 ,其生态恢复技术可划分为三大类 :湖滨带生境恢复与重建技
术、湖滨带生物恢复与重建技术、湖滨带生态系统结构与功能恢复技术. 云南洱海湖滨带近 3 年的生态恢
复与重建试验的生态调查结果表明 ,试验区水生植被得到恢复 ,水质净化作用明显 ,藻类得到抑制 ,浮游动
物的构成和数量发生变化 ,湖滨带湿地生态系统的生物多样性和稳定性增加.
关键词  湖滨带  生态恢复与重建  生态功能  退化生态系统
文章编号  1001 - 9332 (2005) 02 - 0360 - 05  中图分类号  X17114  文献标识码  A
Ecological restoration and reconstruction of degraded lakeside zone ecosystem. YAN Changzhou1 ,2 ,J IN Xiang2
can
2
,ZHAO Jingzhu1 , YE Chun2 ,WAN G Zhongqiong2 (1 Key L aboratory of S ystem Ecology , Research Center of
Eco2Envi ronmental Sciences , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100085 , China ; 2 Research Center of L ake
Eco2Envi ronment , Chinese Research Academy of Envi ronmental Sciences , Beijing 100012 , China) . 2Chin. J .
A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (2) :360~364.
As a kind of aquatic2terrestrial ecotone ,lakeside zone plays an important role in the lake basin ecosystem ,and has
high ecological ,social and economic values. Its functions include lake buffer ,conservation of biological diversities
and special habitats ,dike protection from soil erosion ,and economic and esthetics values. The main factors induc2
ing lakeside zone degradation are the anthropogenic activities that caused the converse succession of communities
and the decline of ecological function. The theoretical basis of ecological restoration and reconstruction of degraded
lakeside zone is restoration ecology ; while the technologies are of three types ,i. e. ,habitat restoration and recon2
struction ,species restoration and reconstruction ,and structural and functional restoration. A three2year case study
on the ecosystem restoration and reconstruction of degraded lakeside zone of Erhai Lake in Yunnan Province
showed that the aquatic macrophytes were restored ,purifying function was distinct ,algae were restrained ,and the
component and individuals of zooplankton were changed. In a word ,the biological diversity and stability in the
degraded lakeside2zone ecosystem increased after the restoration and reconstruction.
Key words  Lakeside zone , Ecological restoration and reconstruction , Ecological function , Degraded ecosystem.3 国家重点基础研究发展规划项目 (2002CB412307) 、中国科学院知
识创新工程重要方向性项目 ( KZCX32SW2423) 和国家杰出青年科学
基金资助项目 (70325002) .3 3 通讯联系人.
2004 - 07 - 16 收稿 ,2004 - 10 - 06 接受.
1  引   言
湖滨带是水陆生态交错带的一种类型 [3 ,10 ,25 ] ,是湿地的
组成部分之一. 随着人类干扰活动的不断增强 ,湖泊生态系
统特别是湖滨带生态系统的严重退化是世界范围内的普遍
现象. 退化湖滨带往往造成植被破坏 ,生物多样性下降 ,湖岸
遭受侵蚀 ,景观美学价值降低 ,水质恶化 ,洪涝灾害频繁 ,严
重威胁湖区人民的身体健康和生命财产安全. 因此 ,与湖泊
生态修复、湿地恢复密切相关的湖滨带退化生态系统恢复与
重建已成为当今恢复生态学和流域生态学 [3 ]研究的重要内
容之一. 美国和中国生态学会均将恢复生态学作为生态学五
大优先关注或资助的领域之一 [18 ] . 美国于 1991 年提出庞大
的生态修复计划 :在 2010 年前恢复受损河流 64 ×104 km ,湖
泊 67 ×104 hm2 ,湿地 400 ×104 hm2 [15 ] . 目前 ,中国的湖滨带
生态修复研究已经受到广泛重视 ,并从实验阶段转向实际应
用阶段 ,例如 ,中国环境科学研究院和中国科学院南京地理
与湖泊研究所分别在云南洱海、滇池和江苏太湖开展了湖滨
带生态恢复示范工程建设 ,以恢复湖泊水陆交错带生态系
统 ,抑制蓝藻生长 ,改善水质和岸带景观 [20 ,22 ] .
2  湖滨带的生态功能及退化原因
211  湖滨带的生态功能
湖滨带具有明显的边缘效应 ,是地球生物圈中一种十分
应 用 生 态 学 报  2005 年 2 月  第 16 卷  第 2 期                                
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2005 ,16 (2)∶360~364
表 1  湖滨带生态系统退化原因
Table 1 Causes for degraded lakeside2zone ecosystem
机理 Mechanism 描述 Description
自然变化
Natural changes
气候变化
Climate change
气候变化如气温升高、干旱等的长期效应会导致湖泊萎缩、水位降低 ,引起湖滨带生
态系统退化 ,但其变化过程相当缓慢.
植被演替及生物入侵
Vegetation succession and species
invasion
植被演替特别是生物入侵可能会造成湖滨带景观、群落结构及食物链的变化 ,当某
种不利变化或负效应积累到一定程度时就会引起湖滨带生态功能的下降.
沉积作用 Deposit impact 沉积作用产生促淤成陆的长期效应最终会导致湖泊沼泽化和湖滨带的消失.
其他物理作用
Other physical impacts
水流漫顶和水流运移泥沙是湖岸表面退化的主要原因 ;风浪可产生近湖岸表面破坏
退化 ,减小土壤的抗剪强度 ,造成堤防崩塌. 对于较陡坡度的湖岸 ,降水、重力等其它
物理作用使湖岸表面物质易于脱落 ,产生崩塌、脱坡等.
人类作用
Human impacts
围湖造田 (塘)
Reclaiming land or fishponds from
the lake
围垦破坏了湖滨带天然的生态系统 ,使近岸浅水区大型水生植物减少 ,湖泊鱼类栖
息、索饵、产卵的基地丧失 ,湖泊生物资源的再生循环过程受到严重影响 ,也使湖泊
蓄洪滞水的功能大大减弱.
不合理的水利设施
Unreasonable water conservancy
facilities
堤防增强了湖泊抵御洪水的能力 ,但使正常蓄水位以上的湖岸带湿地生态系统受到
破坏 ;一些水利电站使湖泊长期处于低水位运行 ,造成滩地长期裸露 ,植被群落结构
遭受破坏 ,生态条件恶化.
围网养殖
Cage culture
沿岸浅水区大面积围网养殖使湖滨带有机污染负荷明显增加 ,并且由于鱼类的牧食
压力 ,使养殖区水草无法生长、底栖动物群落结构发生变化.
水质污染
Water pollution
大量未经处理的工业废水和生活污水排入湖泊 ,使湖滨带水质污染严重 ,导致大型
水生植物死亡 ,湖体呈现荒漠化现象.
旅游业的过度发展
Unreasonable development of
tourism industry
临湖旅游度假区不仅改变湖滨带土地利用性质 ,破坏原有的湖滨生态系统 ,而且生
活污水直接排入湖泊 ,导致湖滨带水体受到污染 ,产生富营养化 ,使水生生态系统受
到间接的破坏.
重要的生态过渡带 [2 ,4 ] . 作为水2陆交错带的一种类型 ,湖滨
带含有边界和梯度两个特点 ,其范围通常是指景观和性质受
水体及陆地两方面影响的地带 [3 ] . 从方便管理的角度而言 ,
湖滨带也可泛指邻近湖泊、水库并且有显著资源价值的地
带 ,包括陆向湖岸带、水位变幅带和近岸浅水区 (水深 2 m 以
内) . 水2陆交错带的生态功能 [6 ,7 ,14 ,16 ]有保持物种多样性 [8 ] 、
拦截和过滤物质流 [7 ] 、有利于鱼类的繁育 ,稳定毗邻生态系
统、净化水体等[3 ] . 因此 ,从湖滨带的生态学过程及其生态系
统服务功能[17 ]而言 ,湖滨带的功能可简化为以下 4 个重要
功能 : ①对水陆生态系统间的物流、能流、信息流和生物流发
挥过滤器和屏障作用的缓冲带功能 ; ②保持生物多样性并提
供野生动植物栖息地 (生境)以及其它特殊地的保护功能 ; ③
稳定湖岸、控制土壤侵蚀的护岸功能 ; ④可提供丰富的资源、
多用途的娱乐场所和舒适的环境 [13 ] ,即经济美学价值.
212  湖滨带生态系统退化原因
湖滨带的生态恢复与重建是针对退化的湖滨带生态系
统进行的 ,因而取决于湖滨带生态特征的变化 ,即湖滨带生
态过程及功能的削弱或失衡. 气候变化、植被演替、生物入
侵、沉积作用、湖泊水质恶化、不合理的水资源利用、湖滨滩
地或湿地资源过度开发等原因都可能导致湖滨带生态系统
的退化 (表 1) . 以上的变化原因有自然变化如气候变化、植
被演替、生物入侵、沉积作用等 ,但其变化过程相当缓慢. 随
着人类文明的发展 ,人类活动对湖滨带的影响越来越深刻、
广泛 ,大面积的围湖造田、不合理的水利设施、水质污染、围
网养殖以及旅游业的过度发展 ,使得我国绝大多数的湖滨湿
地长期处于衰退过程中甚至受到严重的生态破坏. 因此 ,湖
滨带退化生态系统主要是由人为原因引起的逆向演替.
3  湖滨带生态恢复与重建的理论及技术方法
湖滨带生态恢复与重建的理论基础是恢复生态学 ,即根
据生态学原理 ,通过一定的生物、生态工程的技术与方法 ,依
据人为设定的目标 ,使湖滨带生态系统的结构、功能和生态
学潜力尽可能地恢复到原有的或更高的水平 [12 ] . 很显然 ,湖
滨带恢复和重建过程是由人工设计并在生态系统层次上进
行的 ,由于生物与环境的相互作用和生态演替的复杂性 ,这
一过程具有较强的综合性、人为性和风险性. 目前生态恢复
的基本思路是根据地带性规律、生态演替及生态位原理选择
适宜的先锋植物 ,构造种群和生态系统 ,实行土壤、植被与生
物同步分级恢复 ,以逐步使生态系统恢复到一定的功能水
平[27 ,29 ] . 水位的涨幅变化和水质条件是湖滨带最重要的决
定因素 ,它不仅影响湖滨带生态环境的理化性质 ,而且也是
最终选择湖滨湿地生物群落的主要因素之一. 因此 ,在对湖
滨带进行生态恢复与重建时 ,除考虑土壤 (基底条件) 、植被、
生物的恢复外 ,还应考虑湖泊水位和水质条件的恢复 ,可以
说 ,水质条件恢复和水位的涨幅变化是影响湖滨带生态恢复
与重建成败的关键因素.
湖滨带生态恢复与重建的总体目标是通过生境改善和
物种的恢复及保护 ,逐步恢复湖滨带退化生态系统的结构和
功能 ,最终达到湖滨带生态系统的自我维持和良性循环状
态.由于不同地域湖滨带所强调的生态服务功能不尽相同 ,
其生态恢复与重建的侧重点和要求也会有不同 ,如农业流域
和水土流失区的湖滨带应维持较大的缓冲带规模 ,并尽可能
增强其污染物净化能力 ,使水体得到更好的保护和恢复 ;而
城郊风景区的湖滨带则应充分发挥其防洪、护岸功能和美学
景观功能. 鉴于我国目前大多数湖泊富营养化和非点源污染
的现状 ,在湖滨带生态恢复与重建过程中应优先考虑恢复其
缓冲带功能. 总体而言 ,退化湖滨带生态恢复与重建的基本
目标和要求如下 [12 ,29 ] : ①实现湖滨带基底的稳定性. 湖滨基
底是生态系统发育和存在的载体 ,基底不稳定就不可能保证
1632 期                颜昌宙等 :湖滨带退化生态系统的恢复与重建            
生态系统的演替与发展 [28 ] . ②恢复湖滨带良好的水状况 ,一
是恢复湖泊正常的蓄水水位和水文条件 ,二是通过污染控
制 ,改善近岸浅水区的水环境质量. ③通过消除干扰 ,改善湖
滨带的资源利用方式 ,调节生物、生境及其相互关系来改善
其物质和能量流动状况是湖滨带生态恢复设计的关键 [21 ] .
由于湖滨带的水位经常波动 ,还有各种干扰 (如风浪、水质污
染等)存在 ,因此在湖滨带恢复时必须考虑这些干扰 ,并将其
作为恢复中的一部分 [11 ] . ④维持尽可能大的缓冲带和过渡
带规模 ,增加物种组成和生物多样性. 湖滨带恢复的系统等
级越高 ,维持湖滨带生物多样性和生物净化的潜能就愈大.
⑤根据湖滨带特有的圈层结构和生态敏感程度 ,采取分级规
划、分区设计的思想 ,重点落实湖滨带核心区 (水位变幅区)
的生态恢复措施 [22 ,24 ] . ⑥恢复湖滨带景观 ,增加视觉和美学
享受.
湖滨带的生态恢复可概括为 :湖滨带生境恢复、湖滨带
生物恢复和湖滨带生态系统结构与功能恢复 3 个部分 ,相应
地 ,湖滨带的生态恢复技术也可以划分为三大类 :
(1)湖滨带生境恢复与重建技术  湖滨带生境恢复的目
标是提高生境的异质性和稳定性 ,为生态系统恢复创造条
件.湖滨带生境恢复与重建技术已形成一套比较完整的理论
体系 ,湖滨带生境恢复包括湖滨带基底恢复、水文条件恢复、
水质恢复和土壤恢复等 ,其中水质恢复是退化湖滨带生境恢
复的重点和难点 ,由于湖泊是静水水体 ,自净能力低 ,因此不
但要进行点源、非点源污染控制 ,还需要进行污水深度处理、
原位强化净化及生物调控措施等. 基底恢复技术包括物理基
底改造技术、生态堤岸技术、水土流失控制技术、生态清淤技
术等. 对于风浪冲刷强烈的湖岸区 ,基底修复可以考虑构筑
潜坝消浪 ,同时应尽可能使原来陡峭易蚀的湖岸区平缓化、
稳定化 ,以适合水生植物的生存和定居. 水文条件恢复通常
是通过调控湖泊水位、河流廊道恢复、配水工程等措施来实
现.水质改善技术包括污水处理技术、湖泊富营养化控制技
术等. 土壤恢复技术包括土壤污染控制技术、土壤肥力恢复
技术等.
(2)湖滨带生物恢复与重建技术主要包括物种选育和培
植技术、物种引入技术、物种保护技术、种群扩增及动态调控
技术、种群行为控制技术、群落演替控制与重建技术、群落结
构优化配置与组建技术等 [1 ,27 ,29 ] . 其中先锋物种引入技术、
物种保护技术、群落结构优化配置与组建技术在湖滨带恢复
实践中得到较为广泛的应用.
(3)湖滨带生态系统结构与功能恢复技术主要包括生态
系统结构及功能的优化配置与调控技术、生态系统稳定化管
理技术、景观设计技术等. 目前生态系统结构与功能恢复技
术尚未形成一套比较完整的理论体系 ,仍在不断的试验探索
和发展中. 因此 ,急需针对不同类型的退化湖滨带生态系统 ,
对生态系统结构与功能恢复的实用技术进行系统的研究.
需要强调的是 ,在许多湖滨带和湿地恢复实践中 ,以上技
术常常整合应用 ,并可取得显著效果.同时 ,由于湖滨带的景观
类型和土地利用性质的不同 ,湖滨带生态恢复工程模式还可划
分为滩地模式、河口模式、陡岸模式、鱼塘模式、农田模式、堤防
模式等多种类型[24] ,进行相应的生态工程规划和设计.
4  湖滨带退化生态系统恢复与重建的实践研究
湖滨带是湿地景观和湖泊生态系统中生物多样性最为
丰富的地区之一 ,湖滨带植被在形成湖泊物理和生物特性的
过程中起着重要作用. 湖滨带生态恢复与重建的重要方法之
一就是采用工程和生物措施 ,以生态演替为理论基础 ,根据
湖滨带退化原因及不同的湖滨带类型选择最佳位置恢复和
重建生物群落及其生境要素 ,以保护湖滨带的生态结构和功
能. 其最终目的就是再现一个自然的、自我持续的生态系统 ,
使其与环境背景保持完整的统一性 [5 ,19 ,21 ] .
在上述生态恢复理论的指导下 ,选择洱海西岸小关邑村
附近的湖滨滩地进行了约 3 年的湖滨带生态恢复与重建试
验示范研究 ,结果表明 :通过生境修复 (去除人为干扰、物理
基底修复)和植被重建 ,试验区湖滨湿地生态功能得到改善
和强化 ,生态效益明显.
411  湖滨带湿地生态系统的生物多样性和稳定性增加
原有湖滨带滩地的土地利用类型主要为农田、裸露的荒
滩或稀疏的防护林 (主要是湿生乔木滇杨) ,经过约 3 年的湖
滨带滩地生态恢复与重建 ,采用生境修复工程措施 (包括物
理基底修复及配水工程) 和引入乡土植物 (表 2) ,在试验地
组成了以滇杨 ( Populus yunnanensis) 、河柳 ( S alix brachista)
和黑麦草 ( L olium perenne) 等为主的乔草带 , 以水稗
( Echinochloa crusgalii) 2 六蕊稻草 ( Leersia hexandra) 、狗牙
根 ( Cynodon dactylon) 、野 慈 姑 ( S agit taria t rif olia var .
angustif olia) 为 主 的 湿 生 带 , 以 双 穗 雀 稗 ( Pospalum
distichum) 、茭草 ( Zinania caducif lora) 、芦苇 ( Phragmites
com m unis) 为主的挺水植物带 , 以微齿眼子菜 ( Potamogeton
m aackianus) 、金 鱼 藻 ( Ceratophyllum demersum) 、苦 草
( V allisneria spi ralis) 为主的沉水植物带 ,形成了由乔木、湿
生植物、挺水植物和沉水植物共同组成的面积约为 10 hm2
的湖滨带湿地生态系统. 2001 年湖滨带生态调查结果表明 ,
洱海小关邑湖滨带中分布广义水生植物 49 种 ,占洱海水生
植物种类的 86 % ,此外 ,还发现湖滨带生态恢复前没有的水
生动物如野鸭和牛蛙等. 因此 ,示范工程的实施明显地提高
了湖滨带的生物多样性和生态多样性 ,促进了湖滨带生态系
统的稳定.
412  水质净化作用显著
非点源污染物进入湖滨带后 ,经过湿地系统的过滤和拦
截作用 ,水质可得到明显改善. 洱海小关邑湖滨带示范工程
的监测结果表明 :无论是村落废水 ,还是农田废水 ,主要污染
物 TN、TP、CODMn、PO43 - 、SS 经过湖滨带后其浓度都明显
下降[9 ] (表 3) .
263                    应  用  生  态  学  报                   16 卷
表 2  洱海小关邑湖滨带生态恢复措施
Table 2 Ecological restoration measures of Xiaoguanyi lakeside2zone
生态恢复措施
Ecological restoration measures
工程及目标
Ecological restoration engineering and its target
生境修复
Habitat rehabilitation
湖滨带基底修复
Soil or landscape rehabilitation of lakeside zone
清理湖滨带中的垃圾和建筑弃土 ,消除人为形成的硬质
田埂和陡坎 ,创建适合植被恢复的浅滩环境和岸坡.
配水工程
Water distribution engineering
水文条件恢复 ,同时消除村落废水集中排放对湖滨带的
影响.
乡土植物和先锋物种引入
Introduction of local plants and pio2
neering species
选择滇杨、河柳、黑麦草、狗牙根、茭草、芦苇、海菜花人工
植入 ,其它草本植物和沉水植物主要依靠自然恢复.
表 3  湖滨带示范工程对村落与农田废水的净化能力
Table 3 Purifying ability of lakeside2zone demonstration engineering for village & farmland wastewater( %)
污染类型 Pollution types TN TP CODMn PO43 - SS
村落废水 Village waste water 50~60 60~70 30~40 70~80 40~50
农田废水 Farmland waste water 20 20~40 15~20 60 10
413  湖滨带浅水区藻类受到抑制 ,浮游动物的构成和数量
发生变化
  湖滨带大型水生植被得到恢复后 ,近岸浅水区藻类受到
抑制. 据调查 ,小关邑湖滨带水生植被恢复后 ,浮游藻类生物
量有所下降 ,湖滨带生态恢复前近岸浅水区藻类生物量最高
为 4973171 ×104 个·L - 1 ,最低为 1097118 ×104 个·L - 1 ;而
湖滨带生态恢复后藻类生物量最高为 1709124 ×104 个·
L - 1 ,最低为 2881127 ×104 个·L - 1 ,数量大大降低. 此外 ,湖
滨带水生植被恢复后 ,浮游动物的生物量有所增加 ,平均数
量达到 1702 个·L - 1 ,喜清水性的枝角类、轮虫类数量增多 ,
表明湖滨带浅水区内的生境条件和水质状况得到一定程度
的改善.
5  结   语
  湖滨带退化的原因是多方面的 ,但只要消除自然的或人
为的干扰压力 ,采取必要的生态工程措施和适宜的管理方
式 ,湖滨带退化生态系统是可以被恢复的. 就退化湖滨带而
言 ,尽管其景观类型、退化原因和土地利用性质不同 ,湖滨带
生态恢复方法和模式会有所不同 ,但从国内外湖滨带生态恢
复与重建的实践中仍可归纳出如下可资借鉴的经验和方法 :
尽可能采用工程与生物措施相结合的方法进行恢复 ;选择一
个较长的低水位时段实施生物工程或者控制水位的涨幅变
化 ,使生物工程实施后有一个较长时间的植物生长适应期和
生态恢复过程 ;利用水文过程和河流廊道加快恢复 ;控制污
染物的流入 ,采用原位强化净化技术改善水质 ;维护基底和
岸坡的稳定性 ,对湖滨带内的地形、地貌进行改造以创建适
合植被恢复的浅滩环境和岸坡 [23 ,28 ] ;减少人类干扰 ,提高湖
滨带的自我维持能力 ;优化农业流域湖滨带土地利用方式、
作物结构和养殖模式 (如临湖的农业用地应以轻污染的水稻
田为主 ,菜地和旱地布置在上游地区 ,桑基鱼塘模式 [30 ]和林
果草渔模式[26 ]等) ;建立缓冲带以保护自然和恢复的湖滨湿
地 ;建立相对完整的湖滨带生物群落系列 (陆生植物、湿生植
物、挺水植物、浮叶植物、沉水植物等) ,以维持尽可能大的缓
冲带和过渡带规模.
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·书  讯·
《Wind on Tree Windbreaks》出版
中国科学院沈阳应用生态研究所朱教君 (Zhu Jiaojun)研究员、姜凤岐 (J iang Fengqi)研究员 ,日本国立新
泻大学松崎健 (Matsuzaki Takeshi)教授共同编著的《Wind on Tree Windbreaks》(英文版) (风与树木防护林)
一书由中国林业出版社出版发行. 该书是作者在近 20 年来从事防护林科学研究工作成果的总结. 本书以防
护林通过改变风的运行方式从而实现其防护效益为基本出发点 ,较系统地阐述了风在单株树木内 ,农田林带
附近 ,海岸林分内、林冠上的分布规律 ;建立了风速分布与树木、林带、林分结构之间的关系模型 ;阐明了树木
或林带对风的反应规律 ;并从防护林防风效益的角度论述了树木防护林营造与更新等问题. 本书可供从事林
业、生态建设的科研、教学、工程技术人员、学生参考.
该书标准 A4 开本 ,235 页 ,全书共分 7 章 36 节 ,有 148 幅图、63 张表 ,附有 400 余篇国内外参考文献. 有
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