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全球变化的净效应是个体和交互影响土地利用的变化,大气成分、生物多样性和气候。过去六年的合成的活动的全球变化与陆地生态系统项目IGBP(国际岩石圈生物圈项目)处理全球变化影响生态系统与全球变化响应和生活。生态系统的反应被认为是在功能和植被组成和结构的变化。田间试验的高有限公司₂对地上部生物量的影响表明,平均而言,一个积极影响生物质,从-20%到80%不等。一些早期的预测有限公司₂影响(C₃与C₄植物、N-fixers C: N在垃圾)一般不支持,有必要考虑改变公司的互动效应₂,温度和氮。全球动态植被模型包括瞬态变化表明,生物群落不转变为完整的实体。重要的植被变化,特别是在高纬度地区,很有可能在下个世纪,扰动机制的变化将是最重要的。基于预测土地利用变化、植被结构、生理和生态系统,陆地生物圈将可能成为碳源而不是沉在接下来的世纪。

由于土地利用变化,21世纪的陆地生物圈可能会进一步大幅贫困的物种丰富度和重组。更自然的生态系统将会在早期连续性的状态或转换为生产系统。生物圈将一般瘦弱的,结构简单,用更少的地区生态复杂的原始状态。

温带作物生产可能会略有增加,因为公司₂增加(5 - 7%小麦平均场条件),但是在热带作物生产可能在某些地区下降。土地利用变化会影响最大的草地和牧场;由于需要> 2%的年度增加作物产量来满足人口扩张,将有增加农田变成牧场的入侵。

提交:1997年10月24日。接受:1997年11月19日。

关键词:农业;生物群落;二氧化碳;气候;动力学;生态系统功能;全球变化;影响;土地利用;陆地生物圈; vegetation changes.

评估未来的起点的世界自然和陆地生态系统管理是全球变化的认识远远超过气候变化。beplay竞技的净效应的个体和交互影响土地利用的变化,大气组成、生物多样性,和beplay竞技气候变化。关于这四个主要的状态驱动的全球变化,我们注意到:

•大气成分变化。增加公司₂和其他温室气体是无可争议的,除氟氯化碳,他们将继续上升至少在未来几十年。

•土地利用变化。这包括从一种类型的土地覆盖转换到另一个,以及管理实践的变化(如施肥、变化从痛苦到免耕,等等)。它还包括地表水和河流的变化。

•生物多样性下降在世界的大部分地区。

•气候可能是变化的。政府间气候变化专门委员会(IPCC) 1995年评估(IPCCbeplay竞技 WGI 1995)得出结论:人类活动导致的全球气候变化检测。

基本所有四个司机是无可争议的,戏剧性的变化在人口(图1),人数增加,运动,自然资源的人均消费,访问资源和技术能力。

统计数据是众所周知的,但它是重要的认识到它们的重要性,强调以下几点。尽管联合国最近的一项估计表明减弱了一点点增加的速度超出了下个世纪中叶,人口将继续增长在当前利率。所有的评估都认为不会有减缓人口增长到2050年的。联合国中位数(很可能)估计2050年94亿,增加到1990年代的80 x 10⁶人们每年。人口变化的影响变得更清楚,当一个人承认自1900年以来,人口增加了三倍,这是伴随着世界经济中增长了20倍,化石燃料的消费增长了30倍,并在工业生产增长了50倍。未来50年将看到另一个双重的人口数量的增加和世界经济增长5 - 10倍。

结果必然人口的增加,粮食产量将不得不增加> 2%,持续,每年;下个世纪中叶之前,他们将不得不增加> 250%。经济发展的结合和并行技术的进步将导致自然资源的人均消费增加。这些发展的生态后果将不可避免地包括进一步加强土地利用实践和进一步转换耕地的自然植被,大部分地区目前对耕作边际。

回到我们的开放点,大气成分和气候的变化将影响土地使用。这些土地利用变化将会直接反馈,,大气成分和气候;所有这些变化的净效应(统称为全球变化)将结合个人和互动的影响。

本文是基于一个合成的第一个六年国际岩石圈生物圈计划(IGBP)的全球变化与陆地生态系统(GCTE)项目。的合成是由> 30科学家,包括GCTE科学指导委员会(SSC),并基于大量的研究(GCTE研究项目)> 1000名科学家和技术人员在全球44个国家。合成(沃克et al。在新闻),将在1998年初出现。论文遵循的格式表示的第一作者合成的执行摘要美国生态学会的年度会议上,1997年8月。我们合成的主要发现在三个部分:生态系统响应,陆地碳循环,与全球变化和生活。

生态系统响应是最方便地考虑下两个标题:生态系统功能和植被变化。第一个处理陆地生态系统与全球变化相互作用,给任何一个生态系统的状态。第二个处理生态系统状态的变化(即。在植被的结构和组成)由于全球变化。

最初的生态生理学工作主要集中在生态层面提升公司的影响₂与其他因素的相互作用。新兴的理解可以概括如下:

•最整个生态系统暴露于双有限公司₂浓度显示更高的旺季净碳吸收比增长环境有限公司₂浓度。草原,地上生产力平均增加了16%在所有的实验中,尽管个别草原社区的反应差异很大,与一些消极图2)。社区反应的变化反映了变化的组件的物种,物种之间的互动影响,高度交互的本质有限公司₂与其他环境因素如反应水、养分可用性和温度。

图2所示。刺激的地上部生物量高的草本系统有限公司₂,有和没有添加氮气。均值表示对所有点,有或没有氮之外。

•寒冷的生态系统,如冻原和高山草原,最不响应高有限公司₂,在某些情况下未见增长反应,完全适应旺季气体交换几年后。更快的增长在少年树木并不表明是否森林作为一个整体会吸收更多的碳。

•两个早期预测响应性高有限公司₂(1)C吗₄物种会低于C₃物种;(2)物种和固氮共生体将显示一个更大的生物反应。一般来说,这些预测都一直在生态系统研究中证实。

•还与早前的预测相反,垃圾从植物种植在高有限公司₂不一定分解较慢。C: N的比例在高架下垃圾从植物种植有限公司₂一般不高于从植物生长在环境有限公司₂,虽然有大量的变异物种之一。

•高有限公司₂通常会增加光合作用的产物的分配,这就增加了容量和/或活动的地下的碳汇。模型表明,地下的水槽容量的增加可能导致长期土壤碳封存,尽管仍然缺乏强有力的经验证据。

•草本植物暴露于高有限公司₂显示降低气孔导度,这通常导致减少土壤水分的损失。水量的增加是主要驱动力增加净碳吸收量water-limited草地系统。

•也有降低气孔导度在树苗暴露于高有限公司₂,但这似乎并没有成熟的树木的情况(森林),根据目前的实验数据集。控制水力传导率的大树显然依赖于气孔电导率要少得多。

•间接比直接影响温度效应将更加重要。直接增加空气温度对植物生长的影响可能小于预计经常因为热适应。然而,可能会有垃圾分解的发展加速和刺激。间接的温度效应主要与气候变暖有关的冻土在高纬度地区,这可能会导致热岩溶扩张,大量物种组成的变化对木本灌木(而不是苔藓),并增加营养的可用性。

•在一些森林,氮沉降增加净初级生产力(NPP)。然而,连续的氮负荷将导致,从长远来看,物种组成的变化,这可能是也可能不是增加碳封存在生态系统水平。连续的氮负荷,以及其他相关的污染物,可能导致,在许多情况下,与后续NPP减少土壤酸化。

•模型结果表明,提升公司的综合效应₂、更高的温度和氮沉降增加氮矿化和NPP,而碳储存是通过增加土壤温度降低。

•对流层臭氧对NPP生态系统的负面影响,但高有限公司₂有可能改善植物臭氧伤害那些物种显示降低气孔导度在提升公司吗₂。也有潜在的增加降低NPP的紫外线辐射。

•在一般情况下,只要人类活动有直接,严重影响水和养分循环和扰动机制,这种影响将会覆盖任何直接有限公司₂对生态系统功能的影响。

到目前为止,在GCTE和相关工作程序从单一植物实验表明推断整个生态系统对全球变化的响应必须用相当大的护理(例如,Korner 1995)。同时,公司₂不会增加独立,没有其他变化。特别是,温度和大气氮水平也将改变,所有三个变化的互动效应,我们需要了解。一个建模实验(图3)调查这些互动效应说明了是多么重要,也说明了不同模型的重要性。为研究所得,其他环境因素的变化将变得明显,需要包含在综合分析。

图3所示。模拟双有限的影响₂,增加空气温度(+ 2^oC)、N和大气沉积(+ 0.25 gx米²x年¹湿挪威云杉)在三个网站:网站在瑞典(Flakiliden),干燥松林在澳大利亚(高炉煤气),在加州和年度草原(Jasper),使用世纪和喂!模型。(喂!模型并不是运行在碧玉数据)。

第一代模型在区域和全球尺度上的植被变化是基于假设植被与非生物环境处于平衡状态。很快发现这些“均衡”模型应用在广泛的影响研究中,但是这样的使用常常导致一个误导性的概念在non-ecologists植被变化的基于重排的生物群落,导致急剧转变,从一种均衡状态的生物群落分布到另一个地方。

现实是完全不同的。影响植被组成和结构,在全球尺度从补丁,现在发生的,是连续的,可能会加速,没有可识别的或可预测的终点。这些非平衡的理解新兴、瞬态动力学改变植被组成和结构包括几个重要特点:

•生物群落不转变为完整的实体。物种竞争能力有不同的反应(例如,增长率),迁移率、康复(应对)干扰,并在其他方面。因此,新组合的物种将会出现。

•化石研究和模型模拟表明,许多植物可以迁移速度不够快跟上预计气候变化,但前提是他们可以通过不断迁移,相对安静的,自然生态系统。这强调了重要的后果自然生态系统作为全球变化的分裂现象(Pitelka et al . 1997年)。

•入侵外来物种进入自然生态系统是一个不断增加的问题。它可能加剧了土地利用/覆盖变化的趋势,通过增加贸易的全球化,和增加的干扰。

•扰动(如火,枯死由于昆虫袭击)似乎增加了在一些地区(例如,北方森林),导致更多的生态系统在早期的连续性的州(Kurz et al . 1995;看到图4),而其他地区(如北欧)、变化管理往往降低森林的面积在早期的连续性。

•明显不同的气候变化对物种组成的影响将发生在个别景观,由于当地土beplay竞技壤的影响,土地利用、地形变化。

图4所示。加拿大北方森林每年的平均面积被森林大火,insect-induced站死亡率,和明确的日志-1988年1920(从Kurz et al . 1995年)。

当一个人需要所有这些因素结合在一起,一些关于植被动态的概括在21世纪开始出现:

•因为土地使用的变化,21世纪的陆地生物圈是可能进一步大幅贫困的物种丰富度和物种组成的“重组”,作为生态系统功能未知的后果。

•扰动和枯死可能进一步提高更长寿的生物(树)的最优环境信封,从土地利用变化受到越来越大的压力。

•更自然的生态系统将会在早期连续性的状态,考虑到预计增加干扰,或将转化为人类控制的地面生产系统。通常这些趋势将导致“杂草丛生的,“用更少的系统结构简单的生物圈生态也更复杂的原始状态。

潜在的吸收大量的陆地生态系统有限公司₂,从而减缓建设有限公司₂在大气中,减少气候变化的速度,是一个关键问题讨论有限公司beplay竞技₂排放控制。当前对全球碳循环的理解,基于预算已知的源和汇有限公司₂到现在,所示表1。

表1。公司的平均年度预算₂扰动1980 - 1989年(从1995年丢弃)。碳通量和储层变化表达在10¹²公斤/年(= Gt /年)。数据来自联合国政府间气候变化专门委员会(1994),除了估计陆地下沉从丢弃。

^*错误是由正交积累。

这一分析表明,陆地生物圈是关于平衡对于公司的发射和吸收₂那个时期,最近的测量大气O支持这样的结论₂浓度(例如,这个1997)。估计1.6 x 10¹²公斤/年(16亿吨)的碳被释放到土地利用变化在热带地区,而对2.1 x 10¹²公斤/年陆地生态系统的碳被吸收,通过森林的再生有限公司₂受精,氮沉降。一些陆地碳池的大小的增加已经证明的位置,但并没有在全球范围内被证明或完整的植被扰动周期。有可能增加稀疏地分布在范围广泛的生态系统,因此,很难检测到。问题的关键是是否当前陆地生物圈吸收能力有限公司₂在未来可以维持或增加。

预测未来的场景是困难的,因为在条款表1不能可靠地预测未来。已经有很大不确定性的扰动预算的1980年代,和更大的不确定性将适用于特定的对未来的预测。然而,它是可能的评估可能的趋势方面的预算,他们是否会增加或减少的相对重要性,这样一个总体趋势可以预测。

中描述的那样介绍,人口每十年上升约十亿至少未来三年,每年持续增加粮食产量> 2%还是需要的。根据图像的预测模型(阿尔卡莫1994)和从其他分析,这将导致农业进一步转换自然生态系统,尤其是在非洲和亚洲图5),在目前出现土地集约化生产。这两个过程几乎总是加速释放的碳到大气中,因此从这个源排放的总体率将至少保持在当前水平,或者,更可能的是,将会增加。此外,随着越来越多的土地被转换为农业,减少区域自然生态系统,可以作为碳汇,从而减少潜在的水槽陆地生物圈的力量。

图5所示。全球土地覆盖变化的投影图像从1990年到2090年的2.1模型。彩色区域描述区域将改变从一个植被类型的植被类型。(从r . Leemans个人沟通)。

生态系统的组成和结构的变化是由结合管理实践(包括缺乏管理实践)和气候和大气成分的变化。例如,生物量增加目前观察到的许多森林地区在很大程度上反映了连续性的变化由于过去森林管理的变化。未来全球变化影响将叠加在这些目前的趋势。特别是,当前生物量增加的趋势可能在某些地区被逆转全球变化的影响变得越来越重要。全球变化下,目前的植被组合,而不是将完整的生物群落,通过增加死亡率可能会改变他们的一些组件,其次是建立和发展新的组合。死亡率的植被,向大气中释放碳,是一个快速的过程,而植被的新组合的发展,吸收大气中的碳,慢。因此,生态系统的结构和成分改变的过程可能会导致增加排放的碳到大气中几十年几百年的时间尺度,而不管新理论平衡生物群系分布(假设一些稳定的未来气候)最终商店比现在或多或少的碳分布。

特定的生理因素可能影响长期的陆地生态系统的碳平衡包括:

土壤排放。土壤有机质氧化预计随着温度的升高而增加。观察从高纬度地区,大陆地区已经受到温度升高在过去的三十年里,表明一些苔原生态系统在阿拉斯加和西伯利亚已经从碳汇资源,或近似平衡,很大程度上是由于增加土壤碳的分解。然而,更多的工作,比如一个协调的跨多个生物群落的暖化实验,需要前土壤排放的潜在意义作为一个新兴源有限公司₂可以确认。

有限公司₂受精/ N沉积。最近的生态层面的合成有限公司₂研究表明,公司的影响₂对生态系统功能,虽然仍然潜在重大,不是想早些时候一样大。土地利用变化的交互作用(放弃农业森林),N沉积,有限公司₂受精导致强劲增长在许多温带森林,证据表明,N沉积扮演了相当重要的角色(例如,Auclair和贝德福德1995)。然而,N沉积效应有一个明确的最大,看来是被超过的一些欧洲森林Schulze (1989)。

营养限制。碳循环有着密切的和必然的联系,在多个时间尺度,对其他营养物质的循环,特别是氮、磷、硫(Rastetter et al . 1997年)。营养供应不足限制了生态层面碳吸收和储存在许多系统中,因此衰减的影响增加大气CO₂和气候变化。在一些生物群落,气温的上升将导致增加N矿化,而就其本身而言,将会导致提高有限公司₂吸收,至少在短期内如此。

生理上的“饱和”。通过生态系统的净吸收大气中的碳同化之间的生理平衡有限公司₂通过光合作用和有限的释放₂通过呼吸和分解。这些过程发生在不同的利率。碳同化反应积极,几乎立即增加大气CO₂分解反应的过程,而只是间接,通过改变温度,水分,和垃圾质量,包括长延迟组件。此外,还有在这些过程非线性。尽管碳同化增加而增加大气CO₂,它以递减的速度。呼吸,另一方面,是一个指数级增加温度的函数。因此,随着全球变化的进行,公司的增长率₂同化的陆地生态系统将会放缓,而呼吸和分解率将会增加。在短期内,对经济增长有积极的影响,因此,在有限公司₂吸收,但在时间帧(世纪),净效应会降低陆地生物圈的能力吸收有限公司₂。

陆地碳预算中的词汇不独立运作或在同一时间尺度上,从知识特性,很难推断一个预算术语在短时间尺度的动力学在碳储存长期趋势。Schulze净生物群落生产力的概念,所以(这个,在新闻),是一个有用的工具集成的影响几个流程在多个时间尺度(图6)。

图6所示。陆地生态系统碳吸收和存储。



GPP,总初级生产力;NPP净初级生产;棉结、净生态系统生产;所以,净生物群系生产。

此外,预算中的词汇不操作相同的力量在世界所有地区。在一些地区,如撒哈拉以南非洲和亚洲的大部分地区,土地利用变化组件可能会占主导地位,而这些地区将净碳的来源。对于其他人,如北美和欧洲的部分地区,固碳过程可能主导和这些地区可能依然存在,或成为重要的碳汇,在十年或世纪时间框架。

鉴于估计未来困难(甚至)大小固碳的流程(如N沉积,有限公司₂受精)与那些释放碳(土壤有机质氧化、生态系统结构变化),有许多可能的场景陆地碳循环在全球规模在未来的100年。然而,毫无疑问,至少在接下来的几十年里,更多地区的自然生态系统将会转化为农业,同时排放碳,减少土地大量的碳的数量可以隔离。因此,GCTE合成的总体结论是,现行的速度吸收大气中的碳,在全球范围内,将很难维护。更有可能的是陆地生物圈作为一个整体(即包括土地转换或修改生产食品和纤维)将成为一个净源。这个投影的发展策略具有重要的启示作用稳定大气中温室气体的浓度。

需要满足每年2%或更大的粮食需求将增加巨大的压力管理生产系统。气候变化可能会进一步强调这些系统。极端天气事件,如连续的干旱,或同时在两个或两个以上的干旱,全球粮食主产区的会造成严重的食物短缺。(mid-U.S扩展的干旱。粮食地区在1930年代造成了巨大的环境和经济损失)。

一个应对食品供应问题是技术:改进耕作制度的发展和/或作物品种。毫无疑问,改良品种,如转基因作物与内置杀虫剂和早熟品种高水分利用效率,将抵消增加的需求。然而,生物技术还没有成功地改善我们的能力来应对复杂,系统级问题,如干旱和盐碱。持续增加的全球生产所需的每年2%几乎肯定会实现,但它会产生相当大的影响对土地利用和生态系统。beplay竞技气候变化使得生产的任务额外的食物和纤维更加不确定。

资源的可用性将继续限制农业发展在许多地区。例如,水资源,已经一个主要的问题,可能会变得越来越限制农业、工业和城市对水的需求更直接与竞争需要维护保护河流和废物清除和净化目的。

在全球变化对地面生产系统的影响,对区域和全球粮食供应,工作在过去的六年里凸显了以下主要问题:

•作物生产。作物生产影响非常不同的在世界的不同部分(如已经突出了最近其他评估)。最近的估计显示增加产量在中期和高纬度地区,但减少在低纬度地区,粮食需求将是最大的。

在理想场条件下,小麦产量不太可能增加当前的公司超过10%翻了一番₂浓度;增加5 - 7%是平均管理更现实的条件(品特et al . 1996年)。主要小麦模型正在迅速改进,但仍然需要谨慎使用任何单一模型在空间外推(见表2)。

表2。最大和最小的估计小麦产量(1毫克= 1吨)的八款车型GCTE小麦网络。模型模拟假设的小麦作物的生长使用公共气象数据集和同时的叶面积指数(LAI)的发展。(从Goudriaan et al . 1994年)。

温度> 32^oC减少由于小穗不育水稻产量。这种关系是影响高有限公司₂。主要水稻模型认为大范围的潜在收益和建议每1产量减少5%^oC上升温度> 32^oC(见图7)。

图7所示。水稻产量的相对变化由于温度变化,所模拟的五个增长模式。米切尔(1996)。

害虫、疾病和杂草目前造成损失约有1/3到1/2的作物生产。beplay竞技气候变化很可能导致热带和亚热带物种扩散到温带地区,增加物种的活动目前有限的热积累在高纬度地区。

•草地和牧场。作物/牧场边界将侵占牧场主要在发展中国家由于人口压力。牧场牲畜生产的变化将是由土地面积的减少由于种植和蒸散和降水的变化。当前公司的一倍₂将增加产量在不同的草地和牧场0% to20%,取决于温度,水和营养的局限性。一个亚热带草地灵敏度分析表明,牧场增加5%增长由于有限公司₂会导致长期平均增加3%的牛活重获得年之间减少NPP的可变性。

•森林管理。短期的研究高有限公司₂在森林管理展示植物生物量的增加产量,小树生长在肥沃的条件下。然而,这种增加会减少长期的效应增加净生态系统呼吸。这可能大大减少补偿由交互影响的有限公司₂和大气氮沉降;净效应是不确定的。

•的土壤。主要控制土壤有机质(SOM)水平和侵蚀在未来几十年仍将是土地管理,但是植被的变化由于短期气候变化的变化将是巨大的,尤其是在半干旱地区。长期增加意味着温度会加速SOM氧化,尤其是在它允许带进新的土地种植。土壤侵蚀线性增长意味着降水,但与风速、非线性阈值快速和显著增加风蚀约为5.5米/秒(见图8)。

图8所示。美国玉米带的土壤侵蚀敏感性对气候变化,估计使用模型的史诗。beplay竞技每个点代表了100 - 100年的年平均随机选择的网站。

强有力的共识走出最近的分析未来的趋势在世界的主要生物群落生物多样性(萨拉查宾,在准备中)确定生物多样性丧失的主要原因在未来几十年土地利用变化,主要栖息地的丧失和景观破碎度。下一个最重要的因素确定被外来物种入侵。虽然趋势不太确定,总的结论是,外来物种会越来越问题,考虑到经济和全球化(1),因此,人的运动和材料;和(2)的易感性扰乱了生态系统的入侵。大气成分的变化和气候被视为长期因素,随着时间的推移增加相对重要性。然而,N的变化沉积有重要影响物种多样性在较短的时间框架,特别是植物,尤其是在发达国家。

现在全球变化发生,将继续在可预见的未来,很可能在许多方面加强。它是一个新兴的现实,将越来越多地影响政治进程,区域战略规划和资源管理器的日常生活。学习生活与全球变化,以避免最严重的危害和利用机遇的出现,需要创造性和创新策略。这些都必须建立在一个良好的、科学的对陆地生态系统与全球变化相互作用的理解。

该如何,社会使用当前在应对全球变化的科学理解吗?这种困难的一个例子是当前辩论“现在采取行动和采取行动后(或采取任何行动)”建议限制温室气体排放。一些全局流程滞后几十年甚至几个世纪的时期。因此,采取任何行动的后果现在才会下个世纪,但当这些后果发生,他们可能会严重,很难应付。这种滞后效应的一个例子是减少陆地生物圈的吸收二氧化碳的能力既大气CO₂浓度和温度增加。现在缺乏行动可能导致一个大型的、不可避免的,额外的有限公司₂发布一个世纪左右,通过增加土壤有机质分解(约两倍比在陆地生态系统碳储存在地下)。

底线是,我们可能永远无法预测,具有高程度的确定性,正是陆地生态系统如何与加速环境变化。因此,生态系统的类比可以“管理”以同样的方式更简单设计的工业系统,是误导人的和危险的。在陆地生态系统与全球变化相互作用方面,我们必须期待意外(预测)和保持尽可能多的回答选项打开。有一个不可避免的在农业生态系统弹性和生产之间的权衡:最具生产力的系统往往是最简单的,但它们至少弹性扰动,扰动。高效系统需要养活不断扩张的人口;复杂,弹性系统需要能够应对未来的冲击和干扰,并继续提供我们需要的生态系统“商品和服务”。

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这是一个详细的概述的综合过去的六年里的工作的全球变化与陆地生态系统(GCTE)项目的国际岩石圈生物圈计划(IGBP)。完整的合成,将在1998年初由剑桥大学出版社出版,是三十多GCTE科学家写的。本文的作者准备执行总结概述从合成、分布式IGBP秘书处在斯德哥尔摩,1997年12月。

我们感谢德国国家IGBP秘书处和国家生态分析和合成中心在圣芭芭拉分校,加州的慷慨的财政支持1996年两GCTE合成车间。

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