1、Vol.44 No.2Feb.2024第 44 卷 第 2 期2024 年 2 月中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry&Technologyhttp:/收稿日期:2023-03-17基金项目:国家自然科学基金项目(30860228);江西省教育厅科技重点项目(GJJ210410)。第一作者:李华(),副教授,硕士研究生导师。通信作者:陈飞平(),教授,硕士研究生导师。引文格式:李华,郑育桃,黄荷,等.基于 MSPA 和 MCR 模型的庐山市生态网络构建 J.中南林业科技大学学报,2024,44(2
2、):98-107.LI H,ZHENG Y T,HUANG H,et al.Construction of Lushan ecological network based on MSPA and MCR modelJ.Journal of Central South University of Forestry&Technology,2024,44(2):98-107.基于 MSPA 和 MCR 模型的庐山市生态网络构建李 华1,郑育桃2,黄 荷1,陈飞平1(1.江西农业大学,江西 南昌 330045;2.江西省林业科学院,江西 南昌 330032)摘 要:【目的】在生态环境形势严峻的背景下,
3、构建生态网络是连接破碎化斑块间的重要纽带,是保障物种迁徙交流的有效途径。【方法】以庐山市为研究对象,以 GIS 技术为核心,利用 MSPA 法对庐山市进行景观格局分析,再运用景观连通性评价法选取重要生态源地;其次采用 AHP 分析法结合专家打分法建立阻力因子评价体系构建阻力面,再基于 MCR 模型完成庐山市生态网络的构建,运用重力模型选取重要潜在生态廊道,给出生态网络的优化对策,最后应用生态网络分析法,对出生态网络的可行性进行分析。【结果】1)庐山市 10 处重要生态源地的面积为 37 946.52 hm2,庐山和鄱阳湖为两处大型生态源地;2)遴选出 19 条重要生态廊道长为297.05 km
4、,主要分布于中部地区;3)构成生态廊道的景观三要素分别为林地、水系和耕地,廊道宽度设置为300 m;4)构建形成“两区两带三轴”的生态安全格局。【结论】研究区内中心城区及中南部地区斑块分布零碎,景观连通性差,缺少生物栖息活动的绿色空间,应大力改善两地的生态环境,生态绿廊由两地内部向外部空间延伸构建,最终绿廊绿道交织成网覆盖全域,新增 3 个生态核心节点和 9 条重要生态廊道后的网络连接指数明显提高,表明构建的庐山市生态网络可行性较强。研究结果对于庐山市的城市绿地系统规划、生态园林城市的建设和生物多样性保护具有一定的指导意义。关键词:MSPA;生态网络;MCR 模型;庐山市;重力模型中图分类号:
5、S759.92 文献标志码:A 文章编号:1673-923X(2024)02-0098-10Construction of Lushan ecological network based on MSPA and MCR modelLI Hua1,ZHENG Yutao2,HUANG He1,CHEN Feiping1(1.Jiangxi Agricultural University,Nanchang 330045,Jiangxi,China;2.Jiangxi Academy of Forestry,Nanchang 330032,Jiangxi,China)Abstract:【Object
6、ive】In the context of the severe ecological environment,building an ecological network is an important link connecting fragmented patches and an effective way to ensure species migration and communication.【Method】Taking Lushan city as the research object and GIS technology as the core,the landscape
7、pattern of Lushan city was analyzed by MSPA method,and then the important ecological source area was selected by landscape connectivity evaluation method.Secondly,the resistance factor evaluation system was established by AHP analysis method combined with expert scoring method to construct resistanc
8、e surface,and the ecological network of Lushan city was constructed by MCR model.The gravity model was used to select important potential ecological corridors,and the optimization countermeasures of ecological network were given.Finally,the feasibility of ecological network was analyzed by using eco
9、logical network analysis method.【Result】The area of 10 important ecological patches in Lushan city was 37 946.52 hm2,Lushan and Poyang Lake were two large ecological sources;19 important ecological corridors with a length of 297.05 km were selected,mainly distributed in the central area;The three el
10、ements of the landscape were forest land,water system and cultivated land,and the corridor width was set to 300 m.After adding 3 ecological core nodes and 9 important ecological corridors,the network connection index had increased significantly,indicating that the planned ecological network of Lusha
11、n city was more feasible.【Conclusion】The ecological patches in the central urban area and the central and southern regions of the study area were fragmented,with poor landscape connectivity and lack of green space for biological habitat activities.We should vigorously improve the ecological environm
12、ent of the two places.Ecological green corridors extend from the interior of the two places to the outer space.Eventually,the green corridors and greenways are intertwined into a network,covering the whole area.The research results have certain guiding significance for the urban green space system p
13、lanning,the construction of ecological garden cities and the protection of biodiversity in Lushan city.Keywords:MSPA;ecological network;MCR model;Lushan city;gravity modelDoi:10.14067/ki.1673-923x.2024.02.01199中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷生态安全被认是国家安全最重要的部分,也是人类社会可持续发展,民生改善的基本要素1。生态绿地破碎化,斑块之间的连贯性减弱,局部景观结
14、构多样性下降等引发的各种生态问题逐渐成为热点问题2-3。为加强城市生态用地保护与完善景观格局发展模式,构建生态网络的相关概念被国内外大量学者提出4-6,生态网络是多廊道连接生态源的网状结构,将散布的生态栖息地通过生态廊道连接而形成的网络体系,可以串联破碎化的生态绿地,保障生物体往更多元、更广泛的空间发展7-9。Vogt 等10-11以景观连通性分析为研究目的,完善传统方法中出现的生态源地识别不准确、景观连通性分析不严谨等问题,从而提供的一种更具精确性和科学性的创新型生态网络构建方法。由俞孔坚引入的最小累积阻力模型(MCR)12是基于“源-汇”生态原理,通过计算各源点间的最小成本路径,提取出物种
15、实现基因交流、迁徙的生态廊道13-14。MCR 模型以其能直观地凸显生态空间变化、客观评价生态栖息地间的相互关联性等特点15,常被学者应用于生物多样性保护和生态网络构建等相关领域中16。最后依据 MCR 模型分析得出的数据及图形,应用重力模型和网络分析法对生态网络进行客观评估与构建17。近年来,越来越多的学者在生态网络构建的相关领域中深入探索,形态空间格局分析方法(MSPA)是一种通过度量、识别与分割研究区内栅格图像的景观格局而产生的研究方法18,在识别生态源地中起着至关重要的作用19。陈瑶瑶等20以建立生态安全格局为出发点,利用 MSPA 分析方法构建南昌市生态网络并结合生态敏感性的评估分析
16、对南昌市生态景观格局的建设提供科学的优化方案及建议。谭华清等21根据夜间灯光数据等阻力因素修正综合阻力面提取生态廊道,构建了南京市“一带三区多轴”的生态景观骨架。方莹等22基于景观生态学理论,利用生态风险评价、MCR 模型和电路理论等方法判别出烟台市重要生态保护修复区,为生态系统的修复与生态网络的优化提供明确的方向。庐山市依匡庐之名山,傍鄱阳之湖水,是国内久负盛名的风景名胜区和避暑游览胜地,旅游业的蓬勃发展为当地带来了巨大的经济效益,同时也给庐山市的生态环境带来了巨大的威胁。因此对于自然资源丰富的城市,如何选取最优生态网络构建方案成为亟待解决的关键问题。本研究采用 MSPA 分析法和 MCR
17、模型,将拥有“依匡庐之名山,傍鄱阳之大湖”格局的庐山市作为研究区域,从生物多样性保护的角度出发,确定庐山市重要生态源地,提出构建庐山市生态网络的最佳对策,以期为庐山市的生态园林城市建设、绿道绿廊发展和生物多样性保护等方面提供科学的参考依据。1 研究区概况与数据处理1.1 研究区概况庐山市隶属于九江市,位于江西省北部,西接庐山,东临鄱阳湖,处于(11548 11610E,298 2936N)。其地理位置独特,地处长江中下游的生态孤岛,独拥“大江、大湖、名山”格局。庐山市总面积为 764.72 km2,陆地森林覆盖率达 61.8%,林业用地约占 31 350 hm2,占庐山市土地总面积的 33.6
18、4%,是古今中外驰名的避暑胜地。庐山市现有各类保护地 10 处(世界级除外),占庐山市土地总面积的 50.41%。拥有 2 处国家级自然保护区,即庐山自然保护区和鄱阳湖自然保护区。庐山市现有各类型公园 16 个,其中综合性公园2个,社区公园3个,专类公园2个,游园9个,万人拥有综合公园指数为 0.54,公园绿地服务半径覆盖率为 85.32%;至 2020 年底,公园绿地总面积为 69.57 hm2,按照 2020 年底庐山市中心城区人口 7.43 万人计算,人均公园绿地面积为 9.36 m2。1.2 数据来源与处理将庐山市 2020 年 4 月 15 日的 Landsat8 卫星影像(源于 h
19、ttp:/ m 空 间分辨率)研究区矢量边界导入 ENVI 5.3 软件中,在完成裁剪、辐射定标等预先操作后,采用最大似然法将土地分为林地、建设用地、耕地、水系和未利用地 5 类。结合庐山市内国土资源空间开发现状图(源于 https:/ Envi Classic 进行局部修改,并通过混淆矩阵的精度分析计算出精度为92.79%,结果表明土地分类较为准确并已达到本次研究要求。在综合实地考察、庐山市生态绿地规划、生物多样性规划及绿道绿廊构建等相关图件对比和目视解译法的基础上,最终获得 2020 年庐山市的土地利用分类现状图。李 华,等:基于 MSPA 和 MCR 模型的庐山市生态网络构建100第 2
20、 期2 研究方法2.1 生态源地的选取方法2.1.1 基于 MSPA 方法的景观要素分析MSPA 分析方法与传统源地识别分析法相比的优势在于可以将各个景观要素进行准确地定 义23-24,根据不同尺度的二元图实现像元与重要结构因子之间的空间关联性分析25,最终识别出 7 种景观要素分别为核心区、桥接区、孤岛、边缘、孔隙、支线和环道区26。将栅格单元为 30 m30 m 的土地利用分类现状图进行重分类处理,把林地、水系作为前景其余用地作为背景,使用 GuidosToolbox 3.0 工具生成 7 种景观要素。本研究选取 31 处核心区面积大于 30 hm2的生态区域进行后续的景观连通性评价。2.
21、1.2 景观连通性评价景观连通性的强弱程度是用来评判该区域的物种是否能顺利实现信息交流和迁移的重要决定因子27。常用的景观连接度指数包括整体连通性指数(IIC)及可能连通性指数(PC),以此分析景观连通水平,基于 IIC 和 PC 指数可以生成斑块重要值(dL),从而识别出对景观格局的连接具有较大影响的生态斑块28。采用 Conefor 2.6 软件对选取的 31 处核心区生态斑块进行定量评价,结合庐山市现状及相关文献,设置生态斑块的连通概率为 0.5,连通距离阈值为 2 500 m。最终获取 dL 值大于 1 且按优先级别划分前 10 的斑块作为本研究的重要生态源地。2.2 阻力面的构建物种
22、在生态斑块间实现迁移或信息传递时,常受到不同因素的阻碍和干扰,因此结合各个因素的不同阻力值从而构建综合阻力面是提取生态廊道的重要依据29。本研究分别从土地利用类型、坡度、高程和植被覆盖指数(NDVI)4 个方面的阻力因子构建阻力因子赋值评价体系(表 1),参考韩世豪等30和史娜娜等31的相关研究,首先将景观阻力分 5 个等级(1,3,5,7,9),其次通过专家评估结合层次分析法(AHP)计算出各个阻力因素的权重。2.3 生态网络的构建2.3.1 基于 MCR 模型的潜在生态廊道识别识别潜在生态廊道是生态网络构建的关键步骤,通过生态廊道的提取从而加强生物间的相互联系以及生态功能32。MCR 模型
23、是计算物种在克服景观阻力的情况下,从最初生态斑块到目标斑块间活动而产生的耗费代价。本研究利用 ArcGIS 10.7 软件中的成本路径工具共生成 45 条潜在生态廊道。公式如下:CRmini mijij nMfDR=。(1)式中:MCR代表最初生态源地至目的源地的最小累计阻力值,Dij是指生态源 j 穿过景观基面 i 的空间距离,Ri代表生态源 i 在某一方向活动时的阻力系数,fmin为表示空间距离与阻力系数变量的正相关函数。表 1 庐山市阻力因子赋值评价体系Table 1 Evaluation system of resistance factor assignment in Lushan阻
24、力因子The resistance factor亚类Subclass景观阻力Landscape resistance权重Weight土地利用类型Land use types林地10.31耕地3水系5未利用地7建设用地9坡度Slope/()329高程Elevation/m7009植被覆盖指数Normalized difference vegetation index(NDVI)0.810.190.6 0.830.4 0.650.2 0.470.292.3.2 重力模型的建立重力模型可以通过计算各斑块间的相互引力,从中提取出重要生态廊道,本研究应用重力模型选择重力阈值大于 700 的 19 条路径
25、作为重要生态廊道,其余的 26 条为一般生态廊道。公式如下:2maxlnlnijijijijLSSGLPP=。(2)式中:Gij代表生态源 i 和 j 的相互引力,Lmax是指全部廊道中的最大阻力,Lij代表源地 i 到源地 j 的累计阻力值,Si和 Sj为生态源地 i 和 j 的面积,Pi101中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷和 Pj是斑块 i 和 j 的阻力大小。2.4 生态网络分析网络分析法是反映生态效益和探索生态网络结构的主要研究方法,本研究选取网络闭合指数()、线点率()和网络连接度()对庐山市内生态网络的构建进行连接程度、连通率等的定量评估33,并通过生态网络构建
26、前后的数值对比来判断优化生态网络方向的可行性。公式如下:1253(2)LVLLVVV+=;。(3)式中:L 表示潜在重要生态廊道数量;V 为生态源地数量。3 结果与分析3.1 生态源地的分析与选取3.1.1 基于 MSPA 方法的景观要素分析如图 1 和表 2 所示,核心区规模最大,占林地、水系面积的比例达到 86.92%,庐山及鄱阳湖为两块大型生态斑块,而中心城区及中南部地区的斑块分布零碎稀疏。庐山市桥接区占林地、水系面积的 0.45%,其面积较小且散乱分布,表明生态斑块之间的连接水平较弱。边缘和孔隙分别代表斑块的内外边缘,规模占比仅次于核心区,反映出核心区结构相对稳定,不易受到外部因素的影
27、响。支线及环道区只占林地、水系面积的 1.33%和 0.35%。孤岛占林地、水系面积的 0.77%,是独立存在的绿地斑块,是后期设置生态踏脚石的重要选择依据。图 1 基于 MSPA 的庐山市景观要素分类Fig.1 Classification of landscape elements in Lushan based on MSPA表 2 各景观要素面积统计Table 2 Statistical table of area of various landscape elements景观类型Landscape type面积Area/hm2占林地的水系面积百分比Percentage of fore
28、st land and water system area/%占总面积百分比Percentage of total area/%核心区 Core41 556.0686.9156.56桥接区 Bridge215.010.450.29孤岛 Islet366.480.770.50边缘 Edge3 768.937.885.13孔隙 Perforation1 105.202.311.50支线 Branch633.961.330.86环道区 Loop166.410.350.23总计 Total47 812.0510065.073.1.2 基于景观连通性分析的生态源地选取由表 3 和图 2 可以看出,斑块
29、4 以庐山风景名胜区为代表,形成了大型生态斑块,其景观连通性最强,适宜物种迁徙扩散。斑块 5、8、9、10 主要包含鄱阳湖水系、湿地保护地区和大岭山等林地,斑块完整性较好且连通程度较高,可以实现部分物种尤其是湿地鸟类、鱼类从南至北的迁徙交流。斑块 2、3 为东牯岭山脉及林地,斑块 1 为玉京山及林地,其面积较小且连通性不高,受到人类活动干扰较大。中南地区生态斑块较少,表明其土地性质不适宜绿色植被的生长,导致区域内从南至北、从西至东的物种无法进行流动扩散。李 华,等:基于 MSPA 和 MCR 模型的庐山市生态网络构建102第 2 期表 3 重要生态源地景观连通性Table 3 Landscap
30、e connectivity of important ecological sources编号No.斑块重要值Plaque importance面积Area/hm2占生态源地总面积比例Percentage of total ecological source area/%12.091 81433.891.0824.500 50547.381.3631.784 76355.950.88475.399 0419 095.2147.43553.992 495 993.9114.8968.952 841 848.604.5972.244 38526.951.31834.666 87952.292.3
31、7931.136 98168.750.421035.349 038 023.5919.93图 2 庐山市生态源地分类Fig.2 Classification of ecological source areas in Lushan3.2 生态廊道的建立与分析如图 3 所示,综合阻力值在 0.56 7.07 之间,其中庐山、鄱阳湖和中心城区的建设用地范围内的阻力值较大。基于 MCR 模型共建立 45 条潜在生态廊道(图 4),运用重力模型得到 10 个生态源点间的相互作用强度(表 4)。强度越强,代表斑块间的连接水平越高,将引力阈值大于 700 的19 条生态廊道作为重要生态廊道,其余的 26
32、条为图 3 庐山市综合生态阻力面Fig.3 Comprehensive ecological resistance surface图 4 庐山市生态廊道的建立Fig.4 Establishment of ecological corridor in Lushan103中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷一般生态廊道。由表 4 可以看出,生态源地 9 和10 呈现出来的相互作用程度最高,表明源地之间联系紧密,可通过克服较小干扰因子实现物种迁徙交流。斑块 4 和 3、斑块 7 和 2、斑块 1 和 6、斑块 9 和 6 等相互作用程度较高,可实现物种从山上至山下、从城南至城北、从林地
33、至湿地的迁移活动,通过搭建物种能量交流的生态通道,筑牢生态保护屏障。斑块 4 与斑块 8、9、10 相互作用程度较弱,主要是因为斑块间的土地利用性质、高程因素等相差较大,导致物种往该方向迁徙时受阻。表 4 重要生态源地间相互作用力统计Table 4 Statistics of interaction forces among important ecological sources生态源地Ecological source12345678910104 211.692 323.991 990.482 319.011 208.95499.09248.68248.88205.032022 431.8
34、7989.74790.493 376.871 121.65482.37482.05345.7830713.97583.195 889.471 577.67499.75498.68378.1740643.39598.40335.32130.38131.81126.7550434.88213.07114.15115.32105.36609 756.34531.23832.68724.3570309.37604.51543.85802 564.66736.0590155 517.411003.3 庐山市生态网络的构建3.3.1 核心斑块的保护与新增庐山市中部偏南部地区,连通水平较低,选取连接程度较高
35、的3个核心斑块分别位于大岭山、东牯岭及庐山作为新增生态源地,并构建出 9 条新增生态廊道(图 5)。庐山市珍稀资源丰富、生境优越,应最大程度保护鄱阳湖湿地保护区和庐山自然风景名胜区,针对如玉京山、大岭山的部分破碎化斑块,应修复断裂区域生态环境,扩大植被面积,形成成片的大型生态源地,有利于扩大生物生存空间。3.3.2 生态踏脚石增设生态源地之间的距离越远,需克服的阻力因素越大,生物在迁徙运动过程中的死亡率会随之增加34,因此在距离远的生态源地之间有必要通过多增设生态踏脚石的方法,提供给生物暂时栖息的生活环境,以提升各条生态廊道的稳定程度。本研究基于生态网络及桥接区的分布,共增设了25 处生态踏脚
36、石。图 5 庐山市生态网络构建Fig.5 Ecological network planning of Lushan city李 华,等:基于 MSPA 和 MCR 模型的庐山市生态网络构建104第 2 期3.4 庐山市生态网络可行性分析参考相关文献 35-36,将庐山市生态廊道设置为 300 m,由生态廊道的景观要素分析(表 5)可知,占总面积的比重最大的 3 个景观要素分别为林地、耕地和水系,其中林地在重要廊道、一般廊道和新增廊道中分别占 51.84%、43.14%和 51.81%。由此可以得出林地、耕地和水系是构建生态网络的关键因素,同时保障了生态网络的稳定性和可行性。利用网络分析法,得
37、到庐山市目前的网络闭合指数()为 0.67、线点率()为 1.9、网络连接度()0.79(表 6),优化构建后的、和 分别为 0.76、2.15 和 0.85。通过前后对比可以看出,优化构建后的生态网络复杂程度提高,生态源地的连接水平提升,物种迁徙和信息交流能力增强,表明优化构建后的生态网络可行性强,加强了对生物多样性的保护功能。表 5 庐山市生态廊道的景观要素分析Table 5 Analysis of landscape elements of ecological corridor in Lushan city廊道类型Corridor type廊道长度Corridor length/km林
38、地Forest land水系Drainage耕地Plowland建设用地Construction land未利用地Unutilized land合计Total/hm2重要廊道面积/hm2297.054 834.18433.733 741.68314.321.809 325.71占比/%51.844.6540.123.370.02一般廊道面积/hm2335.194 415.38432.855 049.5305.6131.6910 235.03占比/%43.144.2349.342.990.31新增廊道面积/hm2140.554 073.66332.103 209.28226.4221.287 8
39、62.74占比/%51.814.2240.822.880.27表 6 庐山市生态网络分析Table 6 Analysis of ecological network in Lushan city生态网络 Ecological network节点数 Number of nodes/个廊道数 Number of corridors/条构建前 Before planning10190.671.90.79构建后 After planning13280.762.150.854 结 论构建生态网络是连接破碎化斑块间的重要纽带,是保障物种迁徙交流的有效途径。以庐山市为研究对象,应用形态空间格局分析(MSPA
40、)方法和景观连通性评价,依据景观连通水平的优先等级识别重要生态源地,构建生态阻力面;利用MCR 模型提取各斑块间最小成本路径生成潜在生态廊道,采用重力模型遴选重要生态廊道,实现庐山市生态网络的构建与优化。结果表明:1)庐山市 10 处重要生态源地总面积为 37 946.52 hm2,其中庐山和鄱阳湖形成两处大型生态源地,生态环境优良,但研究区中南部土地类型以耕地为主,缺少绿色空间供生物栖息和活动,应根据生态踏脚石的设置,首先对中南部地区进行退耕还林等改善生态环境;2)庐山市生态网络构建复杂,相同性质、距离较近的生态源地表现出来的相互作用力较大。19 条重要生态廊道长 297.05 km,主要分
41、布于中部地区,因此应优先加强中部地区大岭山、玉京山、东牯岭和金锭山等重要生态源地间的廊道建设;3)构成生态廊道的景观三要素分别为林地、水系和耕地。廊道宽度设置为 300 m。新增 3 个生态核心节点和 9 条重要生态廊道后的网络连接指数明显提高,表明庐山市生态网络构建的可行性较强。由于庐山市水系面积占比较大,对陆地生物的迁徙与交流有较明显的干扰阻力,应综合考虑水系周围的土地性质,合理进行人工造林工程,在不干扰湿地生物活动的情况下为陆地生物提供休息活动的绿色空间。5 讨 论和传统生态网络构建方法相比,MSPA 结合MCR 模型能够在核心区选取、源地提取、廊道筛选等方面更为快捷、准确,引入阻力模型
42、对廊道重要性进行筛选能够提升生态网络构建的科学性、合理37。选取土地利用类型、坡度、高程、植被覆盖指数作为阻力面影响因子,切合研究区实际。MSPA 分析法具决定边缘效应的边缘宽度只能统一设置为某个值进行分析,本研究设置的边缘宽度为 1,边缘效应为 30 m,但庐山市地形丰富,生物种类繁多,许多物种不适宜在边缘效应为 30 m 105中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷的范围中生存活动,因此在往后的探索中应弥补对于生态网络的复杂性研究的空白,优化或创新更精准科学的生态源地识别方法。研究区边界在一定程度上阻碍了鄱阳湖水系斑块的连通性分析,由于边界的分割将部分绿地与水系的生态景观排除在
43、外,形成不完整的生态斑块,这对生态网络的整体构建有一定的影响。构建庐山市生态网络,旨在最大程度连接破碎化的斑块,为物种提供迁徙交流的最佳生态通道,并以保护生物多样性为重要依据,加快庐山市生态园林城市的建设。研究结果对于庐山市城市绿地系统规划和生态园林城市建设具有一定的指导意义,同时对部分与庐山市具有相似生态格局的城市提供科学的参考 依据。参考文献:1 潘竟虎,王云.基于 CVOR 和电路理论的讨赖河流域生态安全评价及生态格局优化 J.生态学报,2021,41(7):2582-2595.PAN J H,WANG Y.Ecological security evaluation and ecolo
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