全 文 ：土地生态系统的复杂性研究 3
吴次芳 3 3 　陈美球　(浙江大学东南土地管理学院 ,杭州 310029)
【摘要】　运用复杂科学理论 ,阐述了土地生态系统的复杂性特征 ,包括多层次性、高维性 ,子系统关联的复
杂性 ,结构与功能的不确定性 ,开放性、动态性 ,自适应性和自组织性等复杂性特征 ,并进一步探讨了分形、
混沌及人工神经网络在土地生态系统复杂性特征研究中的应用.
关键词 　土地生态系统 　复杂性 　混沌 　分形
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 06 - 0753 - 04 　中图分类号 　Q148 　文献标识码 　A
Complexity of land ecosystem. WU Cifang , CHEN Meiqiu ( Southeast L and M anagement College , Zhejiang
U niversity , Hangz hou 310029) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (6) :753～756.
In recent years ,complexity studies has become a new research region and been widely applied in engineering ,bio2
logy ,economy ,management ,military ,police and sociology. In this paper ,from the view of complex science ,the
main complexity characteristics of land ecosystem were described ,furthermore ,the application of fractal ,chaos ,
and artificial neural network on the complexity of land ecosystem were also discussed.
Key words 　Land ecosystem , Complexity , Chaos , Fractal.
3 国家自然科学基金资助项目 (30060020) .3 3 通讯联系人.
2000 - 10 - 12 收稿 ,2001 - 02 - 09 接受.
1 　引 　　言
复杂性研究主要兴起于 20 世纪 80 年代 . 它与系统学关
系非常密切 ,系统学的很多研究成果为复杂性研究奠定了基
础.随着科技的进步和社会的发展 ,人们逐渐认识到系统大
于其组成部分之和 (整体效益) ,系统具有不同层次结构和功
能结构 ,系统处于不断地发展变化之中 ,系统经常与其外界
环境有物质、能量和信息的交换 ,系统在远离平衡的状态下
也可稳定 (自组织) ,确定性的系统有其内在的随机性 (混
沌) ,而随机性的系统却又有其内在的确定性 (突现) 等经典
科学中传统观念难以解释的现象. 促使系统论、信息论、控制
论、相变论、耗散结构论、突变论、协同论、混沌论、超循环论
等新科学理论相继诞生 ,从而促进了有关交叉学科及新理
论、新方法的深入研究 ,带动了复杂性研究的兴起 [2 ,3 ,5 ,11 ] .
复杂性研究从产生起 ,就被广泛运用于工程、生物、经
济、管理、军事、政治、社会等各研究领域[17 ] ,在生态学研究
中也取得较大进展 ,特别是在生物进化、生态系统自组织与
突变、能量流动、系统稳定性方面取得了一定成果 [1 ,7～10 ,19 ] .
融自然、社会、经济于一体的土地生态系统是一个典型的复
杂系统 ,运用复杂性研究思路对土地生态系统进行研究 ,对
帮助人们认识土地生态系统、处理人地关系、实现土地资源
的永续利用具有重大现实意义. 本文在分析土地生态系统复
杂性特征的基础上 ,分析探讨了土地生态系统的复杂性研究
方法 ,以期为人类开展土地生态系统复杂性研究提供参考.
2 　土地生态系统的复杂性特征分析
　　衡量一个系统是否具有复杂性 ,主要看其是否具有复杂
性的基本特征. 复杂系统一般表现以下特征 :1)整体性、系统
性. 整体大于各组成部分之和 ,即每个组成不能代替整体 ,每
个层次的局部不能说明整体 ,低层次的规律不能说明高层次
的规律. 系统各单元之间的联系广泛而紧密 ,构成一个网络.
每一个单元的变化都会受到其它单元的影响 ,并会引起其它
单元的变化. 2)多组成性. 即有多种多样的子系统和子子系
统.每个子系统有相对独立的结构、功能与行为. 3) 复杂的多
层次结构. 反映在时间与空间尺度两个方面 ,既是网络体系 ,
又是不均一的. 每一层次均成为构筑其上一层次的单元 ,同
时也有助于系统的某一功能的实现. 4) 开放性. 系统与外部
是相互关联、相互作用的 ,并能不断向更好地适应环境的方
向发展变化 ,系统与外部环境是统一的. 5)高度的动力系统 ,
且导向有序发展. 系统随着时间而变化 ,经过不同阶段和不
同的过程 ,向更高级的有序化发展. 系统有自适应、自组织地
趋向有序化的能力 ,使系统在发展过程中能够不断地学习并
对其层次结构与功能进行重组及完善. 6)系统演化过程的阶
段性. 系统演化有渐变和突变 ,整个过程是非级性的. 渐变是
突变的基础 ,而突变则是从低级到高级的变化原因. 可以把
突变作为一个系统由一种阶段、一种状态向另一阶段、一种
状态演化的转折. 7)动态性. 它不断地处于发展变化之中 ,而
且系统本身对未来的发展变化有一定的预测能力.
土地生态系统是地球陆地表面上由相互作用、相互依存
的地貌、岩石、水文、植被、土壤、气候等自然要素之间以及与
人类活动之间相互作用而形成的统一整体 [4 ] . 它不仅是指生
物和环境以及生物各种群之间长期相互作用而形成的统一
整体 ,着眼于土地各构成要素如植物、岩石、大气、陆地水、动
物和人之间的物质迁移与能量转换 ,更主要的内涵是空间区
域上各土地利用类型子系统之间的物质、能量与信息交流与
应 用 生 态 学 报 　2002 年 6 月 　第 13 卷 　第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2002 ,13 (6)∶753～756
转换 ,既包括陆地生态系统中自然现象的复杂性 ,也包括人类
在利用土地资源过程中形成的各种社会经济系统的复杂性.
211 　土地生态系统的层次性和高维性
土地生态系统的多层次结构表现在水平结构和垂直结
构两个方面. 在水平结构方面 ,按利用类型划分有农田生态
系统、草地生态系统、林地生态系统、水域生态系统、城镇工
矿用地生态系统等子系统. 不同子系统有其独特的结构组成
和功能表现 ,各子系统之间又存在相互影响、相互依赖的关
系 ;按景观生态结构又可分出不同的气候、土壤、生物等地带
性子系统 ,不同的地带性子系统由于地域特征的空间差异 ,
在系统结构和功能表现上存在较强的规律性 ,同时子系统之
间也存在明显的物质、能量、信息的相互交换. 在垂直结构方
面 ,土地生态系统是一个立体结构 ,可分为地上层、地表层和
地下层 3 个层面 ,不同层面之间联系紧密 ,难以在空间尺度
上明确划分 ,地上层包括气候、局部小气候因素 ,地表层包括
土壤、河川径流、浅层地下水、植物和微生物等要素 ,地下层
则含土壤层以下的岩石、深层地下水等.
212 　土地生态系统中各子系统关联的复杂性
土地生态系统位于岩石圈、大气圈、水圈、生物圈的复合
界面 ,是自然界各种物理过程、化学过程、生物过程、物质与
能量的转化与交换过程最活跃的场所 ,同时又是人类长期活
动的历史产物 ,包含文化、意识、制度、政策、科技、信息、交通
等多种社会经济因素. 各种自然过程和社会经济过程包含于
土地生态系统之中 ,使土地生态系统不仅表现出自然要素、
社会经济要素之间存在的复杂联系 ,而且农田、草地、林地、
城镇工矿用地、水域等不同土地利用类型子系统之间也存在
物质、能量及信息的紧密关联.
213 　土地生态系统的不确定性
土地生态系统的边界、结构和功能都具有一定的不确定
性 ,系统内生态特征变化也表现出一定的随机性. 这是由于
土地生态系统内部组成要素的多样性和复杂性所决定的. 如
区域气候条件变化、农田产出量变化、子系统之间物质、能量
交换方向及交换量等都存在较大的随机性 ,人们目前还无法
进行长期精确的预测.
214 　土地生态系统的开放性和动态性
土地生态系统的开放性与动态性表现在 :1)土地生态系
统和人类之间的物质与能量交换. 土地是一个自然历史综合
体 ,本身凝聚着人类社会实践的成分 ,在长期的演化过程中 ,
不断受到人类的干预. 人类活动不断参与土地生态系统的物
质与能量的交换 ,而人们对土地的干预随着社会的发展和科
技水平的提高不断变化 ,使土地生态系统处于一个动态变化
过程之中. 2)土地生态系统和外部系统之间的物质与能量交
换. 土地生态系统内部的大气循环、地质循环、水循环和生物
循环无一不与外界环境紧密联系 ,在与外界不断进行物质和
能量交换的同时 ,自身系统状态也在不断变化发展.
215 　土地生态系统的自适应性和自组织性
土地生态系统的自适应性和自组织性主要表现在其较
强的自我调节功能和代偿作用. 土地生态系统是一个庞大的
系统 ,具有多层次结构和众多的生物种群 ,物质与能量的转
化与交换途径众多 ,从而使系统表现出较强的自我调节能力
和代偿功能[18 ] . 自我调节能力主要是指通过生物种群数量
及结构的改变以抵制环境变化的能力 ;代偿作用是指当系统
内某一能流和物流渠道受阻时 ,可改由其它渠道继续进行 ,
从而维持系统的正常状态.
3 　土地生态系统复杂性研究的方法
　　复杂性研究是研究系统在不同层次上的复杂组成 ,认识
其间的相互作用、其与环境的相互影响和由此产生的整体特
征 (结构、功能和行为、演化等) ,回答其发生、变化的规律、过
程和原因 ,揭示整体的活动机理 ,以便于掌握、调节或控制.
传统的自上而下的还原论方法要求独立地分析系统每个单
元的行为 ,然而在复杂系统中单元间的关系很复杂 ,无法将
某个单元与其它单元分离 ,独立地分析 ,单元之间的关系或
相互作用也难以明确. 为了克服传统还原论对复杂性研究的
局限性 ,SFI(Santa Fe 研究所 ,美国专门从事复杂性研究的
组织)提出了 AN (自动网络)方法[16 ] . 该方法特点是 :1) 在了
解系统的宏观行为时 ,不认为每个单元的细节都是重要的 ,
因此 ,可对复杂系统的单元进行简化 ,采用充分简单的单元
模型. 2)认为主要是单元的数目 (即系统的规模)对系统的宏
观特征有决定性的影响 ,因此 ,可采用充分简化的模型模拟
单元间的相互作用. 3) 着重于观察与研究系统的宏观特征.
复杂性研究方法虽与一般的系统动态学研究方法存在一定
区别 ,例如系统动力学研究方法主要借助建立微分方程组或
系统动态流图 ,再通过数学分析或计算机模拟来研究系统的
动力学特征 ,而复杂性研究方法主要有元胞机法 CA (Celluar
Automato) 、遗传算法 GA ( Genetic Algorithm) 、博弈论 (game
theory)及组合优化法 (combinatorial optimization) . 但这些方
法非常依赖于计算机模拟 ,同时动力学特征也是复杂性研究
中的重要属性 ,因此 ,在具体研究应用过程中 ,是将复杂性研
究和系统动力学研究结合在一起 ,定性判断与定量分析相结
合 ,微观分析与宏观综合相结合 ,还原论与整体论相结合 ,科
学推理与哲学思辨相结合 ,采用综合集成的系统科学方法.
目前比较成熟的土地生态系统研究方法有以下几点.
311 　土地生态系统的分形特征研究方法
分形与分维研究是探索自然界复杂性的新理论和新方
法之一. 它于 20 世纪 70 年代初由 Mandelbrot 创建[16 ] .
Mandelbrot 通过研究发现 ,尽管自然现象变化万千 ,错综复
杂 ,但往往存在一种自相似性. 这种自相似现象不仅限于形
体方面 ,还可表现在功能、形态、信息等多方面 ,反映了广义
全息现象的普遍存在. 分形理论的定量工具是“分维”. 分维
通常用分维数 (即分维数值) 来表达 ,目前有 Hausdorff 维、拓
扑维、自相似维、容量维、信息维、关联维、盒子维、Bouligand
维、Lyapunov 维、填充维等十几种维数 ,不同的分维有着不
同的内涵 ,表达着各自不同的物理含义.
土地生态系统作为一个复杂系统 ,在许多方面存在着自
相似性 ,在不同尺度上表现出生物多样性、土地利用结构、系
457 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
统脆弱度等方面的自相似性 ,通过土地生态系统的分形特征
研究 ,可以识辨各类土地生态系统的特征因素对系统整体功
能表现的影响规律性的强弱 ,从而可为土地生态系统研究模
型建立的参数筛选奠定基础.同时 ,也可运用分形理论对土地
利用规模的合理性进行评价 ,Mandelbrot 曾运用分维理论 ,建
立了土地配置的合理性评价模型 ,通过不合理指数 USD2 ( R ,
t)来评价土地配置的合理程度 ,当 USD2 ( R , t) = 0 时 ,则土
地配置规模处于最佳状态[13 ] ;著名生态学家 Haber 也曾运用
分维理论对土地利用系统的多样性进行评价 ,建立了土地配
置是否病态的评估模型 ,提出土地配置多样化评价指标
CD1/ 2 ( R , t) ,当 CD1/ 2 ( R , t) ≤0 时 ,则表明土地配置处于严
重病态.我们在进行温岭市土地配置研究中 ,把 Mandelbrot 的
土地配置的合理性评价模型和 Haber 的土地配置病态评估模
型成功地运用于土地利用系统变化分析 (表 1) .
表 1 　温岭市土地资源配置评价
Table 1 Land distribution evaluation in Wenling City
土地利
用分区
Zone
CD1/ 2 USD2 总投入 TI
Input
(104yuan·hm - 2)
总产出 TO
Output
(104yuan·hm - 2)
Ⅰ 1. 6238 0. 0685 0. 3291 0. 5446
Ⅱ 1. 4951 0. 1091 0. 3376 0. 5511
Ⅲ 1. 2335 0. 1826 0. 3531 0. 5790
Ⅳ 1. 8032 0. 0215 0. 3192 0. 5378
Ⅴ 1. 3154 0. 1573 0. 3477 0. 5580
Ⅰ. 西部林果用地 West wood orchard land zone , Ⅱ. 中东部粮菜用地 Middle2
east food vegetable land zone , Ⅲ. 东南沿海林港用地 Southeast wood port land
zone , Ⅳ. 城镇建设用地 Town constructive land zone , Ⅴ. 沿海滩涂 Seaboard
zone.
　　对表 1 数据进行回归 ,得 : TI = - 0 . 05988 CD1/ 2 +
0. 42673 ; TO = 0 . 21086 CD1/ 2 + 0 . 31468 ; TO - TI = 0 .
01705 CD1/ 2 + 0. 18822 . 回归分析结果表明 ,随着温岭市土
地配置空间多样性的增加 ,单位面积上的总投入减少 ,净产
出增加 ;土地配置规模的不合理性增加 ,则单位面积总投入
增加.
312 　土地生态系统的混沌特征研究方法
混沌是指复杂的非线性动力系统本身产生的一种不规
则 (非周期) 的宏观时空行为 ,是表观上的无序 ,内在的有
序[12 ,14 ] . 具体表现特征 :1)混沌系统对初始条件具有敏感的
依赖性 ,即对系统的初始条件的任何微小扰动 ,都会在整个
系统中逐级放大 ,最后导致系统状态的重大变化. 2) 混沌系
统在局部上具有不稳定性 ,却在整体上具有稳定性. 这是与
一般无序的区别所在. 3) 混沌系统具有分维性质 ,即混沌系
统运动的轨道在相对空间中的几何形态具有分数维数. 混沌
运动的轨道在相对空间中的某个区域内无穷次的折迭 ,构成
一个有无穷层次的自相似结构即“奇怪吸引子”. 4) 混沌系统
具有内在随机性 ,即混沌现象产生的主要根源在系统的内
部 ,而不在系统外部. 5) 混沌系统具有一定的标度律和普适
性 ,即系统趋向混沌时往往具有一定的共同特征. 混沌特征
研究就是找出隐藏在随机表面现象中的规律和有序 ,并将事
物发展的必然性和偶然性 ,几率描述和决定论描述统一起
来 ,进而解释系统的复杂性问题. 其突出特点是在整体层次
上描述复杂系统演化行为过程.
对土地生态系统进行混沌特征研究 ,首先可利用时间序
列上蕴含丰富动态信息的已知变量 ,通过构建时间序列上的
相空间 ,在宏观尺度上了解系统演化机制 ,从而提高人们对
土地生态系统变化的预测能力 ,合理进行土地利用配置 ,防
止土地生态系统的退化. 作为一个复杂的生态系统 ,难以确
切地知道土地生态系统内所有变量因素的因果机理 ,但可以
测得系统的几个重要分量的时间序列 ,采用相空间重构的方
法重构系统的相空间. 相空间重构的依据是系统的任一分量
的演化是由与之相互作用的其它分量所确定的 ,因此 ,这些
相关分量的信息就隐藏在任一分量的发展过程中 ,可以只考
虑一个分量 ,并将某些固定的时间延迟点上的观测值作为新
维来处理 ,从而构造出一个等价的相空间 ,并在这个相空间
中恢复原有的动力学系统 ,通过映射、功能谱、Lyapunov 指
数等特征研究 ,来认识原有真实系统的演化机制. 实践已证
明 ,只要嵌入维数和时滞选取适当 ,所重构的相空间具有与
实际的动力学系统相同的几何性质和信息性质 [15 ] . 其次 ,有
利于提高土地生态系统稳定性的研究. 土地生态系统稳定性
是指系统受外界干扰后 ,维持自身平衡的能力 ,是衡量土地
生态系统状态的一个重要特征. 一般认为 ,土地生态系统的
稳定性与土地空间配置的多样性密切相关 ,早在 1971 年
Haber 通过分异土地利用研究 ,就提出“区域土地利用类型
不能太单一 ,并至少保持 10 %～15 %的它用或自然保护区 ,
避免大片土地同一化”的观点 ,来保持土地生态系统的稳定
性 ,实现土地的持续利用[17 ] . 但土地配置多样性越大 ,各种
土地利用类型之间的联结强度不断增强 ,系统的稳定性不一
定就越好. 土地生态系统中土地配置多样化程度到底在何等
程度内才是适度的 ,是一个典型的复杂性问题. 根据混沌学
理论 ,当系统进入混沌状态时 ,其在相图上的图像往往呈“奇
怪吸引子”的形状[15 ] ,故可借助奇怪吸引子研究找到这一适
宜尺度 ,即当土地生态系统某些变量出现奇怪吸引子时 ,则
可能意味着土地生态系统不稳定性的出现.
以耗散结构理论为指导 ,以系统稳定性为评价内容的土
地生态系统持续发展的模型构建思路 :根据种群的增长特
性 ,可分为 r 型增长和 k 型增长两种.
相对没有环境阻力的 r 型增长 : dN/ dt = r·N . 其中 ,
N 为种群数量 ; r 为内禀自然增长率.
受环境阻力影响的 k 型增长 : dN/ dt = r ·N ·(1 -
N / K) .其中 , K 为环境容量 ; N 为种群数量 ; r 为内禀自然
增长率.
显然 ,人口的增长应属于 k 型增长. 在这种条件下 ,广义
流为 J = N ,广义力 X = r·(1 - N/ K) . 于是熵产生
P = N ·r (1 - N / K)
dP/ dt = r2 ·N ·(1 - N / K) (1 - 2 N/ K)
显然 , P ≥0 且有当 K/ 2 ≤N ≤K 时 , dP/ dt ≤0 ,因此 ,
K/ 2 ≤N ≤K 时 ,系统局部稳定.
在非平衡态的非线性区 , J = N
X = r ·[1 - N / K(2 N/ K - 1) ·N ]
超熵产生
δx P = dN ·d[ r (1 - N / K) (2 N/ K - 1) ·N ]
= 6 r/ K2 ( N - (1 - 1/ 3) ·K/ 2)
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　( N - K/ 2 (1 - 1/ 3) ) ·( dN ) 2
1)当 (1 - 1/ 3) ·K/ 3 < N < (1 ÷1/ 3) ·K/ 2 时 ,δx P >
0 ,即系统整体稳定 ;
2)当 N = (1 - 1/ 3) ·K/ 2 或 N = K/ 2·(1 + 1/ 3) 时 ,
δx P > 0 ,系统处于临界状态 ;
3)当 0 ≤N < (1 - 1/ 3) K/ 2 或 K/ 2·(1 - 1/ 3) < N
≤K 时 ,δx P > 0 ,系统不稳定.
因此 , K/ 2 ≤N < (1 + 1/ 3) ·K/ 2 时 ,系统局部且整体
稳定. 在以人类活动为主导 ,自然资源为基础的土地配置系
统中 ,它是区域持续发展的限制区间. 运用该模型对温岭市
2010 年土地承载力研究表明 ,在小康生活水平下 ,保证土地
生态系统持续发展的人口限制区间为 80. 75～127. 4 万人.
313 　土地生态系统的人工神经网络研究方法
人工神经网络是基于模仿人类大脑的结构和功能而构
成的一种信息处理系统 ,是由大量称为神经元的简单信息单
元组成 ,每个神经元不仅从邻近的其他神经元接受信息 ,也
向邻近于该神经元的其他神经元发出信息. 整个网络的信息
处理是通过神经元之间的相互作用来完成的. 由于神经网络
具有组织、自学习和联想记忆功能 ,并具有分布性、并行性及
高度选择性等性能 ,从而在模式识别、系统辨识、预测、控制、
图像处理函数拟合等问题研究中发挥了重要作用.
将影响土地生态系统整体特征的土地利用结构、自然条
件及社会经济因素等因子作为神经元 ,对应于网络输入层的
一个节点 ,把系统整体特征表现作为神经系统网络的输出 ,
可构建出土地生态系统整体特征表现神经网络模型. 运用该
网络对研究区域调查样本进行监督学习 ,从而识别出影响因
子与预测对象之间复杂的非线性映射关系 ,为区域土地资源
的优化配置提供指导 ,同时也可为土地生态系统的规划设计
提供参考. 赵小敏等[20 ]在浙江余姚市的土地利用总体规划
方案编制中 ,曾运用人工神经网络理论 ,构建了土地生态系
统的变化因果关系图 ,并利用系统动力学原理进行了土地利
用系统变化仿真预测 ,大大提高了编制规划方案的可信度.
4 　展 　　望
　　土地生态系统是一个包含自然、社会、经济等诸多复杂
性 ,并具有较强自我调节能力的典型复杂巨系统. 其复杂程
度已使得传统的理论和技术手段难以适应 ,导致土地生态系
统研究成为生态学中一个突出的薄弱环节 [19 ] . 复杂性理论
与方法的诞生 ,无疑为开展土地生态系统研究工作提供了一
个新途径 ,将促进人们对土地生态系统整体行为的探索 ,加
深对其复杂行为的规律、本质及调控机制的认识.
　　土地生态学作为研究土地生态系统的特征、结构、功能
和优化利用的学科 ,是生态科学体系中的重要组成部分 ,目
的是从生态学角度为合理利用土地资源提供指导. 土地科学
刚刚兴起 ,属于年轻的学科 ,作为土地科学基础性学科之一
的土地生态学尚未得到学术界足够的重视 ,但从纯自然角度
研究生态系统转向综合考虑自然、人类活动的生态系统研究
是当今生态学发展的重要方向 ,已成为生态学界的共识 [15 ] .
这也正是土地生态学研究与陆地生态、湖泊生态等纯自然生
态学的区别所在. 土地生态系统是一个人类社会非常重要的
复杂巨系统 ,是人类活动与自然特征相互结合的生态系统.
开展土地生态系统复杂性研究不仅是土地生态系统深入研
究的需要 ,也是复杂性科学发展的需要.
　　从土地生态系统研究内容和复杂性研究方法特色两方
面综合考虑 ,把复杂性研究方法应用到土地生态系统中 ,二
者之间的研究切入点 ,会随着土地生态系统研究的深入和复
杂性科学的发展而不断扩展. 目前对土地生态系统进行复杂
性研究 ,可以对土地生态系统结构与系统整体特征表现和土
地生态系统动态演化模型及调控机制起到明显促进作用.
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作者简介 　吴次芳 ,男 ,1954 年生 ,博士 ,教授 ,博士生导师 ,
主要从事土地资源利用及管理教研工作 ,发表论文近 100
篇. Tel :0571286993067 ,E2mail :wucifang @zju. edu. cn
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