全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015125 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
贾焰,张军,张仁陟.2001-2011年石羊河流域水资源生态足迹研究.草业学报,2016,25(2):1017.
JIAYan,ZHANGJun,ZHANGRenZhi.EcologicalfootprintofwaterresourcesintheShiyangRiverBasinfrom2001-2011.ActaPrataculturae
Sinica,2016,25(2):1017.
2001-2011年石羊河流域水资源生态足迹研究
贾焰1,2,张军1,3,张仁陟1,3
(1.甘肃农业大学资源与环境学院,甘肃 兰州730070;2.农业部对外经济合作中心,北京100125;
3.甘肃省节水农业工程技术研究中心,甘肃 兰州730070)
摘要:水资源是人类社会和生态系统可持续发展的基础性资源。随着人口增长和经济社会发展,水资源短缺和水
环境恶化已经成为全球性问题,处于干旱内陆区的石羊河流域更是面临着生产生活用水与生态用水的巨大矛盾。
利用生态足迹法构建了石羊河流域农业用水、工业用水、城镇公共用水、生活用水和生态环境用水5个二级水资源
账户,研究了石羊河流域水资源承载力与生态赤字,结果表明,2001-2011年石羊河流域水资源承载力平均为
1955.5hm2,呈现出波动下降的趋势,水资源承载力与耕地面积存在显著负相关关系;石羊河流域水资源生态足迹
平均为43531.04hm2,呈现出“先增后减再增”的趋势;石羊河流域生态赤字平均为41575.55hm2,呈现“先增后
降”趋势,与总水资源生态足迹变化趋势一致。未来在水资源管理方面首先要调整产业结构,特别是不适宜再扩大
种植业面积,进一步扩大节水灌溉面积。
关键词:生态足迹;水资源承载力;石羊河流域
犈犮狅犾狅犵犻犮犪犾犳狅狅狋狆狉犻狀狋狅犳狑犪狋犲狉狉犲狊狅狌狉犮犲狊犻狀狋犺犲犛犺犻狔犪狀犵犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀犳狉狅犿2001-2011
JIAYan1,2,ZHANGJun1,3,ZHANGRenZhi1,3
1.犆狅犾犾犲犵犲狅犳犚犲狊狅狌狉犮犲狊犪狀犱犈狀狏犻狉狅狀犿犲狀狋犪犾犛犮犻犲狀犮犲,犌犪狀狊狌犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730070,犆犺犻狀犪;2.犉狅狉犲犻犵狀犈犮狅狀狅犿犻犮
犆狅狅狆犲狉犪狋犻狅狀犆犲狀狋犲狉,犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲,犅犲犻犼犻狀犵100125,犆犺犻狀犪;3.犚犲狊犲犪狉犮犺犆犲狀狋犲狉狅犳犠犪狋犲狉狊犪狏犻狀犵犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犲狅犳犌犪狀狊狌
犘狉狅狏犻狀犮犲,犔犪狀狕犺狅狌730070,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Waterisanimportantresourceforalhumanbeingsandforthesustainabledevelopmentofecosys
tems.TheShiyangRiverBasinisoneofthecontinentaldrainagebasinsinNorthwestChinawherethelevelof
waterutilizationisveryhigh,andtheshortageofwaterresourcesisthereforeserious.Furthermore,theenvi
ronmentisfragile,andthesocialandeconomicdevelopmentisrestricted.Thispaperstudiesthewatercon
sumptionbythehumanpopulationandtheimpactonthenaturalecologicalenvironment.Quantitativeindica
torsoftheinfluencearedevelopedtostatisticalydefinedataofwaterresourcesintheShiyangRiverBasin.We
introduceaconceptofregionalwaterresourcecarryingcapacity.Theecologicalfootprintmethodisusedto
buildamodeloftheecologicalcarryingcapacityofwaterresourcesfortheShiyangRiverBasin,andcalculate
theecologicalwaterresourcecarryingcapacityoftheBasin.Theaveragewaterresourcecarryingcapacitywas
1955.5ha,andtheecologicalfootprintis43531.04ha.Thereforetheaverageecologicaldeficitfor2001-2011
intheShiyangRiverBasinwas41575.55ha.Futurewaterresourcemanagementshouldincludeappropriateim
migrationpolicy,adjustmentofindustrialactivity;plantingareashouldnotincrease,andpubliceducationto
10-17
2016年2月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第25卷 第2期
Vol.25,No.2
收稿日期:20150310;改回日期:20150529
基金项目:国家自然科学基金(31160269,41161066),国家科技支撑计划(2012BAD14B03),甘肃省基本科研业务费(041013),甘肃农业大学青年
导师基金(GAUQNDS2001402)和甘肃农业大学科技创新基金(GAUCX1017)资助。
作者简介:贾焰(1973),女,陕西西安人,在读博士。Email:zxhycalen@163.com
通信作者Correspondingauthor.Email:zhangrz@gsau.edu.cn
enhanceawarenessofwaterconservationissuesshouldbeimplemented.
犓犲狔狑狅狉犱狊:ecologicalfootprint;carryingcapacityofwaterresource;ShiyangRiverBasin
水资源对国民经济和社会发展有着不可替代的作用[12]。随着人口膨胀,工农业用水猛增导致水资源紧张以
及水环境日益恶化,已经严重威胁到人类自身的生存;全球气候变化和全球水资源的分配不均加剧了水资源贫乏
地区生态环境恶化与社会经济不持续性,水资源短缺和水环境破坏已经成为全球性的严峻问题。如何解决经济
社会发展与水资源供需的矛盾,实现“水资源-社会经济-生态环境”系统的可持续发展,是当前迫切需要解决的
重要课题之一。生态足迹法具有较强综合性,符合可持续发展理念而受到生态学、资源科学等领域学者的广泛兴
趣,在水资源承载力、区域可持续发展评价等方面得到广泛应用[310]。水资源承载力概念是伴随着可持续发展的
观点,以及人们对社会经济可持续发展的认识基础上被提出[1113]。国外学者将水资源承载力融入可持续发展理
论中进行研究[1416],而国内学者多注重研究不同时空尺度上的水资源承载力动态特征,也兼顾水资源可持续评
价[1730],水资源承载力研究是实现区域可持续发展的基础。
在干旱区,水资源的重要性不言而喻,然而资源性的缺水导致水资源成为干旱区经济社会可持续发展的瓶
颈。石羊河流域(ShiyangRiverBasin,SRB)处于河西走廊东部,具有悠久的农业灌溉历史,是内陆河流域开发较
早,生态环境恶化最严重的地区之一,特别是石羊河流域下游的民勤。石羊河流域是内陆河流域中人口最多的,
多年的开发利用使得石羊河水资源利用率已超过150%,而石羊河流域水系灌溉维系着当地经济社会的发展和
生态平衡,科学合理地评价石羊河流域水资源利用,本文利用生态足迹法研究2001-2011年石羊河流域水资源
生态足迹和水资源承载力动态特征,为实现石羊河流域水资源可持续利用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
石羊河流域位于河西走廊东部,祁连山北麓,介于东经101°41′-104°16′,北纬36°29′-39°27′,流域面积
4.16×104km2,流域行政区划包括武威市的凉州区、古浪县、民勤县全部及天祝县部分、金昌市的永昌县及金川
区全部以及张掖市肃南裕固族自治县部分。石羊河起源于南部祁连山,消失于巴丹吉林和腾格里沙漠之间的民
勤盆地北部,主要由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、西大河等8条河流组成,多年平均
径流量15.75×108m3,产流面积1.1×104km2[31]。多年平均降水量222mm,蒸发量2000~2600mm,人均水
资源量约700m3,耕地亩均水资源量约250m3,属典型的资源型缺水地区。石羊河在河西走廊乃至全国均有极
其重要的地位,特别是处于下游的民勤为巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠接壤,为保护区域生态环境安全起到至关重
要的屏障和生态作用。
1.2 研究方法
20世纪90年代,加拿大经济学家 Wiliam提出生态足迹法,该方法通过引入生态生产性土地来定量分析自
然资源的可持续利用程度。水资源生态足迹对水资源可持续利用程度的衡量主要是通过水资源生态盈余和生态
赤字来表示。当一个区域的水资源生态足迹小于其水资源生态承载力时,则表明该地区水资源呈现盈余状态,水
资源利用处于可持续利用状态;相反,如果当一个区域的水资源生态足迹大于水资源生态承载力时,则表明该区
域出现水资源生态赤字情况,反映出该地区的水资源利用处于超载的情况,水资源数量较少不能满足该地域经济
发展的需要,或者该区域的水资源利用方式不利于该区域经济社会可持续发展。
1.2.1 水资源生态承载力计算方法 在生态足迹理论中,水资源生态承载力是利用水资源的生物生产能力来
衡量的,即水资源利用所能承载的相应生物生存面积。
水资源生态承载力的计算模型为[32]:犈犆=0.4狉φ犠/犘
式中,犈犆为水资源生态承载力(hm2);狉为水资源全球均衡因子;φ为计算区域水资源产量因子;犠 为计算区域
内水资源总量(m3),水资源总量为区域内地表水资源量和地下水资源量之和再扣除其重复计算量;犘为世界水
资源平均生产能力(m3/hm2)。左其亭[33]研究认为干旱区河流水资源利用率极限阈值为净水资源量的40%,因
11第25卷第2期 草业学报2016年
此,计算区域水资源承载力时扣除60%用于维持生态环境。
水资源产量因子为该区域水资源平均生产能力与世界水资源平均生产能力的比值。假定世界水资源产量因
子为1,则水资源产量因子的计算公式为:
φ=犞/犞犵
式中,φ为水资源产量因子,犞 为石羊河流域单位面积产水量,犞犵 为全国单位面积产水量。2001-2011年石羊河
流域水资源平均生产能力为4.33×104m3/km2,全国水资源平均生产能力为29.46×104m3/km2[32],由此,计算
出石羊河流域的水资源产量因子为0.1470。
根据文献[32]可知,世界水资源平均生产能力为31.4×104m3/km2。
水资源均衡因子等于水资源生物生产面积的平均生态生产力除以全球各类生物生产面积的平均生态生产
力。为便于比较,本文选择根据世界自然基金会(WorldWideFundforNature,WWF)计算确定的水资源均衡因
子为5.19[3234]。
1.2.2 水资源生态足迹计算方法 水资源生态足迹以水资源为出发点,估算流域或区域的水资源的利用强
度[35]。水资源生态足迹可以定义为:任何已知人口(某个人、一个城市、一个区域或全球)的水资源足迹是生产这
些人口所消耗的所有资源所需要的水资源量。这里的所有资源既包括人类生活所必需的直接消耗的水资源,也
包括为人类提供生态系统服务和功能的环境资源[3637]。
根据生态足迹模型,水资源生态足迹可将消耗的水资源量转化为相应地生产面积———水资源用地面积。因
此,为了全面分析石羊河流域水资源生态足迹的动态特征,分别为农业用水、工业用水、城镇公共用水、生活用水
和生态环境用水5个用水账户,其中农业用水包括农田灌溉用水、林牧渔畜用水2个下级用水账户。工业用水主
要是工业生产过程所用的水。城镇公共用水主要是指建筑业和服务业用水。居民用水包括城镇生活用水和农村
生活用水。生态用水包括城市环境用水和农村生态用水量。其计算公式分别为:
犠犉a=狉犠a/狆
犠犉i=狉犠i/狆
犠犉c=狉犠c/狆
犠犉l=狉犠l/狆
犠犉e=狉犠e/狆
式中,犠犉a为农业用水生态足迹(hm2);犠a为农业用水量(m3);犠犉i为工业用水生态足迹(hm2);犠i为工业用
水量(m3);犠犉c为城镇公共用水生态足迹(hm2);犠c为城镇公共用水量(m3);犠犉l为生活用水生态足迹(hm2);
犠l为生活用水量(m3);犠犉e为生态环境用水生态足迹(hm2);犠e为生产环境用水量(m3);r为水资源全球均衡
因子;狆为世界水资源平均生产能力(m3/hm2)。
1.3 数据来源
文中用到的农业用水量、生活用水、工业用水量和生态环境用水量等用水量数据以及部分经济社会数据来源
于2001-2011年《甘肃省水资源公报》;部分社会经济数据来源于2002-2009年《甘肃年鉴》以及2010-2012年
的《甘肃发展年鉴》(表1)。
2 结果与分析
2.1 石羊河流域水资源生态足迹及动态特征
表2是石羊河流域2001-2011年农业用水、工业用水、城镇公共用水、生活用水和生态环境用水5个水资源
账户的生态足迹。石羊河流域水资源足迹农业用水生态足迹远高于其他4类水资源生态足迹。
2001-2011年石羊河流域水资源生态足迹平均为43531.04hm2,呈现出“先增后减再增”的趋势,2001-
2005年呈现增加态势,2005-2009年呈现逐渐减小趋势,2009年又出现小幅增加趋势。2005年石羊河流域水资
源生态足迹最大为46142.57hm2,2009年最小为41467.44hm2。通过计算相关系数发现,石羊河流域总水资源
足迹与农田灌溉用水足迹、生活用水足迹成显著正相关关系。
21 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.2
表1 石羊河流域2001-2011年社会经济及用水量
犜犪犫犾犲1 犛狅犮犻狅犲犮狅狀狅犿犻犮狊狋犪狋狌狊犪狀犱狌狊犻狀犵狑犪狋犲狉犻狀犛犺犻狔犪狀犵犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀犳狉狅犿2001狋狅2011
项目Item 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
人口Population(×104person) 221.73 225.85 226.63 226.99 224.87 223.90 223.93 226.04 227.07 219.39 219.67
GDP(×108yuan) 120.96 119.61 138.52 165.98 193.73 303.96 387.61 387.32 375.86 443.78 556.28
年降水量Precipitation(mm) 201.6 250.9 272.7 222.5 199.3 224.8 279.0 228.5 220.5 214.8 261.1
耕地面积Arableland(×104hm2) 611.80 604.11 437.85 594.98 591.34 585.90 447.94 636.00 636.00 657.33 490.25
单位面积灌水量Irrigationwaterperunitarea
(m3/hm2)
10645.910646.410276.210144.810410.910512.6 9400.8 9655.5 9018.5 8928.9 8793.0
水资源总量 Waterresources(×108m3) 14.26 15.02 23.97 19.46 20.15 19.35 20.41 15.19 15.56 16.83 15.94
农业用水量Agriculturalwater(×108m3) 22.87 24.39 24.20 24.18 24.33 24.49 24.34 23.60 22.25 22.29 22.14
工业用水量Industrialwaterconsumption(×108m3) 1.49 1.24 1.34 1.28 1.55 1.51 1.42 1.38 1.38 1.45 1.63
生活用水Domesticwater(×108m3) 0.63 0.64 0.62 0.65 1.20 1.23 1.26 1.27 0.85 0.85 0.85
生态环境用水量Ecoenvironmentalwater(×108m3) - - 0.02 0.02 0.83 0.55 0.60 0.61 0.61 0.62 0.61
2001-2011年石羊河流域农业用水生态足迹平均为38932.30hm2,占总生态足迹的89.4%,其中农田灌溉
用水足迹平均为37853.10hm2,占农业用水生态足迹中的97%。农业用水生态足迹一直呈现下降趋势,到2011
年最小为36597.43hm2,其主要原因一方面是石羊河流域单位面积耕地灌水量逐渐下降(表1),计算农业用水生
态足迹与单位面积耕地灌水量之间相关系数为0.72;另一方面是石羊河流域产业政策的调整,不断降低农业产
业的国民经济生产中的比例,已经从2003年的23%降到2011年的16%。
2001-2011年石羊河流域工业用水生态足迹平均为2354.06hm2,占总生态足迹的5.4%。石羊河流域工
业用水足迹总的趋势呈现增加态势,其中2002年最低为2055.34hm2,2011年最高为2692.68hm2。
2001-2011年石羊河流域生活用水生态足迹平均为1512.66hm2,占总生态足迹的3.5%。生活用水生态
足迹总体上呈现出上升趋势,其中2003年最低为1032.88hm2,2008年最高为2104.59hm2。生活用水生态足
迹呈现增加趋势,2004-2008年增幅较大,2008年后生活用水足迹减小,此后缓慢增加至2011年的1406.92
hm2。总体上,石羊河流域生活用水足迹在2004-2008年处于较高水平,均接近或超过2000hm2,之前和之后时
期均远低于这一时段,其主要原因是这一时段居民生活用水量增幅较大,特别是农村居民生活用水量增长了70%。
2001-2011年石羊河流域城镇公共用水生态足迹平均为253.02hm2,占总生态足迹的0.58%。城镇公共
用水生态足迹一直保持在稳定上升趋势,2003年最低为217.35hm2,2010年最高为274.71hm2。
由于统计原因,缺乏2001和2002年生态用水量,因此本文仅计算了2003-2011年石羊河流域生态用水足
迹。2003-2011年石羊河流域生态环境用水生态足迹为672.15hm2,占总生态足迹的1.5%。总体上石羊河流
域生态环境用水生态足迹呈现增长的趋势,由2003年的30.7hm2 增加至2011年的1010.1hm2,2003-2004年
生态用水足迹比较低的原因是没有农村生态用水量,而2005年较高的原因是因为城镇环境用水量增加较大。
总体来说,石羊河流域经济快速发展,生活用水量、工业用水量也随之增加,同时对生态环境也越来越重视,
因此,石羊河流域总生态足迹仍会持续增加,通过石羊河流域综合治理项目实施,以及石羊河产业结构调整和发
展,改变农业用水足迹过大的问题,改善用水结构,提高用水效率,以实现石羊河流域脆弱生态环境的修复和保
护。
2.2 石羊河流域水资源承载力及动态特征
由表2可知,2001-2011年石羊河流域水资源承载力平均为1955.5hm2,呈现出波动下降的趋势,2001年
最小为1563.5hm2,2003年最高为2628.5hm2。2003-2007年石羊河流域水资源承载力处于相对较高水平,
均超过了2000hm2,其他年份水资源承载力均没有超过2000hm2,且表现出水资源承载力波动下降趋势。由图
31第25卷第2期 草业学报2016年
1可知,石羊河流域水资源承载力与耕地面积之间存在显著的负相关关系,随着耕地面积增加农业耗水增加,而
导致石羊河流域水资源承载力下降。由此可见,适度减少石羊河流域耕地面积可以实现水资源可持续利用。
2.3 石羊河流域水资源生态赤字
对比石羊河流域2001-2011年总水资源生态足迹和水资源承载力,总水资源生态足迹大于生态承载力,说
明石羊河流域水资源供给不足,不能完全满足流域的经济社会发展的需要。总的来说2001-2011年石羊河流域
生态赤字呈现“先增后降”趋势(图2),2005-2008年石羊河流域水资源生态赤字处于较高的阶段。从2003年波
动中上升到2008年,其中2005年达到峰值为43932.83hm2,2009年降至最低为39760.56hm2,缓慢增加至
2011年的39931.33hm2,与总水资源生态足迹变化趋势一致。计算相关系数发现,石羊河流域水资源生态赤字
与农田灌溉用水足迹成显著正相关关系,表明石羊河流域水资源赤字主要是由农业用水造成的。
表2 石羊河流域2001-2011年水资源承载力与生态足迹
犜犪犫犾犲2 犈犮狅犾狅犵犻犮犪犾犳狅狅狋狆狉犻狀狋犪狀犱犮犪狉狉狔犻狀犵犮犪狆犪犮犻狋狔狅犳狑犪狋犲狉狉犲狊狅狌狉犮犲狊犻狀犛犺犻狔犪狀犵犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀犳狉狅犿2001狋狅2011 hm2
项目Item 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
农业用水生态足迹Ecologicalfootprintofag
riculturalwater
37809.240308.840005.639974.240220.040476.040227.139010.336780.436846.236597.4
农田灌溉用水足迹Ecologicalfootprintofirri
gationwater
36247.238746.338213.438229.039672.139858.239590.438369.335849.035893.035716.1
林牧渔畜用水足迹Ecologicalfootprintoffor
estry,livestock,fisheriesanddomesticanimal
1562.0 1562.5 1792.2 1745.3 547.9 617.8 636.7 641.0 931.4 953.2 881.3
工业用水生态足迹Ecologicalfootprintofin
dustrialwater
2462.1 2055.3 2210.2 2107.7 2560.1 2500.8 2355.2 2277.8 2276.5 2396.2 2692.7
生活用水生态足迹Ecologicalfootprintofdo
mesticwater
1046.1 1062.1 1032.9 1071.4 1989.6 2035.3 2080.1 2104.6 1398.3 1411.9 1406.9
城镇公共用水足迹Urbanpublicwater 246.9 251.1 217.4 230.4 241.3 249.7 262.3 266.4 273.2 274.7 269.7
居民生活用水足迹Ecologicalfootprintofresi
dencelivingwater
799.2 811.1 815.5 841.0 1748.2 1785.6 1817.8 1838.2 1125.1 1137.2 1137.2
生态环境用水生态足迹Ecologicalfootprintof
ecoenvironmentalwater
- - 30.7 30.7 1372.9 917.2 991.7 1003.3 1012.2 1024.8 1010.1
总生态足迹Ecologicalfootprint 41519.043911.443279.543184.146142.645929.445654.144396.041467.441679.041679.0
水资源承载力Carryingcapacityofwaterre
sources
1563.5 1647.3 2628.5 2134.5 2209.7 2122.4 2238.1 1665.6 1706.9 1846.1 1747.7
图1 石羊河流域水资源承载力与耕地面积关系
犉犻犵.1 犜犺犲狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆犫犲狋狑犲犲狀犮犪狉狉狔犻狀犵犮犪狆犪犮犻狋狔狅犳狑犪狋犲狉
狉犲狊狅狌狉犮犲狊犪狀犱犃狉犪犫犾犲犾犪狀犱犻狀犛犺犻狔犪狀犵犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀
图2 石羊河流域2001-2011年水资源生态赤字变化特征
犉犻犵.2 犈犮狅犾狅犵犻犮犪犾犱犲犳犻犮犻狋狅犳狑犪狋犲狉狉犲狊狅狌狉犮犲狊犻狀犛犺犻狔犪狀犵
犚犻狏犲狉犅犪狊犻狀犳狉狅犿2001狋狅2011
41 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.2
3 讨论与结论
水资源总生态足迹呈现持续增加的态势,生活用水生态足迹和城镇公共用水生态足迹持续增加,农业用水足
迹虽呈现下降趋势,但仍在总水资源足迹中占有很大比重。石羊河流域水资源承载力从2001-2011年呈下降趋
势,水资源承载力下降明显。石羊河流域水资源承载力与耕地面积存在显著负相关关系。2001-2011年石羊河
流域水资源生态赤字波动较大,表明石羊河流域供水与用水之间的矛盾仍在增加,需要进一步加强供水能力,更
重要的一方面是调整产业政策,实行“开源节流”建立节水型社会。按照目前的发展状况,随着各种用水量的不断
增加,水资源生态赤字势必还会进一步增加,所以,有限水资源的合理有效利用成为石羊河流域可持续发展的当
务之急。
干旱内陆流域的生态环境问题往往是在人水矛盾的巨大压力下,由于缺乏水资源的统一管理、盲目扩大耕
地、过度使用地表水、持续超采地下水的后果[3940]。人口增加会导致水资源承载力负荷的增加,为保证石羊河流
域经济社会的可持续发展,需加强人口控制。石羊河流域是传统的农业产区,也是甘肃省重要的商品粮基地,农
业消耗了大量的水资源,未来要进一步减少耕地面积,减少虚拟水输出,提高节水灌溉面积,发展高水效的节水型
农业体系。未来石羊河流域水资源管理必须进行一体化管理,在不同产业之间,在上中下游之间合理调配,实现
水资源的需求管理。
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