城市地球关键带水文过程与水环境和水资源研究:现状、挑战与未来

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作者 桑丽源 郭威 +12 位作者 张静文 刘艺轩 章同坤 张竹卿 岳展鹏 李丹阳 张润 张旭 唐伟平 刘展航 丁虎 郎赟超 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期445-461,共17页

城市化和城市发展是对生态环境影响最显著的人类活动,伴随人口增长和消费水平提升,城市化引发了一系列复杂的水资源与水环境问题。尤其在发展中国家,城市排水系统不足加剧了水环境恶化,严重威胁城市健康与可持续发展目标。为此,从地球... 城市化和城市发展是对生态环境影响最显著的人类活动,伴随人口增长和消费水平提升,城市化引发了一系列复杂的水资源与水环境问题。尤其在发展中国家,城市排水系统不足加剧了水环境恶化,严重威胁城市健康与可持续发展目标。为此,从地球系统科学视角探讨城市三维下垫面结构、水文过程与水资源管理之间的复杂关系成为关键科学问题。本研究基于“地球关键带科学”和“社会-生态系统科学理论”,系统梳理了城市下垫面结构与水循环动态变化、水环境质量及水资源可持续利用的耦合机制。通过整合物理、化学与生物过程,研究揭示了不透水面扩张对降水-径流-渗透动态平衡、污染物迁移及水资源供需分配的影响机制,强调社会与自然系统耦合研究对水资源优化管理的重要性。此外,研究结合水文过程与生态系统服务的关联,深入分析了水文动态对生态系统服务功能及人类福祉的调控作用,初步提出了基于社会-生态系统理论的城市水资源可持续管理框架。该框架为理解城市水文系统结构-过程-功能的耦合机制提供了科学支撑。本综述研究不仅有助于理解复杂的城市水文动态与生态服务关系,打通水文分支学科间壁垒,还为城市水资源管理和政策制定提供了理论依据和实践指导。 展开更多

关键词 城市地球关键带 水文过程 水环境 水资源 城市社会-生态系统

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表层地球系统科学视角下的生态系统科学研究 被引量：1

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作者 王铁军 晏智锋 +5 位作者 宋照亮 周浩然 孙新超 陈伟 李攀 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期78-91,共14页

表层地球系统科学强调地球圈层间相互作用的整体性、动态平衡和互馈机制,为研究生态系统的结构、功能及其演变规律以及人类活动的影响提供了新的理论框架和方法体系。本文从表层地球系统科学的视角出发,探讨了生态系统科学在相关研究领... 表层地球系统科学强调地球圈层间相互作用的整体性、动态平衡和互馈机制,为研究生态系统的结构、功能及其演变规律以及人类活动的影响提供了新的理论框架和方法体系。本文从表层地球系统科学的视角出发,探讨了生态系统科学在相关研究领域中的地位和作用,并梳理了当前的热点议题和面临的挑战。首先,讨论了表层地球系统科学与生态系统科学的关系:前者关注地球表层各圈层之间的相互作用及其整体行为,后者通过研究生态系统能量和物质流动,探究与其他圈层之间的协同演变机制。其次,探讨了表层地球系统科学对生态系统科学研究的理论革新,特别是多圈层耦合框架和复杂系统理论的引入,推动了生态系统科学从局部到全球、从静态到动态的研究范式转变。结合从局部观测到全球整合的发展趋势,本文还讨论了系统观测与数据集成、跨尺度建模技术、新兴技术和指标等在生态系统科学研究中的重要应用。从多圈层相互作用的角度出发,讨论了全球变化背景下生态系统与其他地表圈层间的关联关系,以及对全球变化的响应与适应机制等问题,表明通过整合不同圈层间的互作机制,可以为研究生态系统稳定性和服务功能等提供重要的科学基础。最后,面对人类活动加剧的全球变化,本文指出生态系统科学需要进一步整合遥感技术、大数据分析和人工智能等新兴技术,以深刻揭示人类世背景下生态系统的演变规律以及非线性响应机制和临界阈值等问题,为全球可持续发展提供科学依据和决策支持。 展开更多

关键词 表层地球系统科学 生态系统科学 互作机制 全球变化

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人类世生物地球化学循环及其科学 被引量：6

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作者 刘丛强 李思亮 +5 位作者 刘学炎 王宝利 郎赟超 丁虎 郝丽萍 张琼予 《地学前缘》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期455-466,共12页

地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带... 地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带来诸多威胁。本文基于地球系统科学研究的新进展,综述了人类世全球变化特征、生物地球化学循环在地球系统各圈层演化中的作用及其变化规律。特别关注了自然资源开发利用、生产和消费模式改变等人类活动对生物地球化学循环的影响,以及由此产生的气候、生态和环境效应。研究表明,应对人类世全球变化需要系统理解人类活动作为主要驱动力的多要素和多尺度生物地球化学循环过程及其生态和环境效应,基于地球系统科学的理论与方法开展针对人类世社会-生态系统的自然科学和社会科学的交叉融合研究。在文末提出了人类世生物地球化学研究的优先领域和方向,并强调解决受人类活动和气候变化高度影响下人类世生物地球化学循环的各种复杂科学问题的迫切性和重要性。 展开更多

关键词 人类世 生物地球化学循环 全球变化 地球系统科学

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基于流域系统水文水环境耦合模型的氮循环研究进展 被引量：1

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作者 弓耀奇 岳甫均 +3 位作者 刘鑫 郭田丽 王浩阳 李思亮 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期183-195,共13页

在气候变化和强人类活动等多重因素的耦合影响下,活性氮输入过量,加剧了陆地生态系统氮素向水生生态系统的流失,影响了流域水环境质量。识别流域内氮素来源及其转化过程的时空变化特征,已成为防控流失及改善环境质量的首要任务。由于氮... 在气候变化和强人类活动等多重因素的耦合影响下,活性氮输入过量,加剧了陆地生态系统氮素向水生生态系统的流失,影响了流域水环境质量。识别流域内氮素来源及其转化过程的时空变化特征,已成为防控流失及改善环境质量的首要任务。由于氮的来源多样、生物地球化学过程复杂,且受到诸多因素的耦合影响,限制了对流域系统氮循环的科学认知。在众多的研究方法中,模型模拟因具有灵活性高、系统性强、可多场景模拟分析等诸多优点,已成为揭示流域系统氮迁移转化及动态变化过程的重要手段。本文综述了流域水文模型及流域土壤、地表水与地下水氮素迁移模型的特征,对比了模型的原理、特点与研究范例。结果表明,在影响氮循环的诸多因素中,无序的强人为干扰、极端气候变化已成为扰动流域氮循环的重要因素。水文过程驱动下的水-氮耦合多过程、多机制研究尤为重要,基于此构建的水文生物地球化学模型(如CNMM-DNDC、PIHM等),已成为获取流域系统氮素时空分布规律及其预测分析的重要手段。此外,大数据与过程机理模型相结合已成为揭示氮循环过程中复杂问题的重要途径。通过综合诸多模型对空间格局、人为影响强度的适用性,梳理出针对受强人类干扰的滨海平原河网区氮循环适用模型,以加深对海陆交错带滨海流域地表水、地下水及海水相互作用下的氮循环科学认知,更全面、科学地评估滨海平原河网系统水环境质量与环境效应。 展开更多

关键词 氮循环 流域 模型 滨海流域 过程模型

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环渤海滨海湿地重金属的时空变化及来源分析 被引量：4

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作者 简锐风 岳甫均 +2 位作者 朱兆洲 刘小龙 张璐瑶 《中国环境科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期6025-6038,共14页

以环渤海滨海湿地的水体、表层沉积物、表层土壤重金属为对象,通过收集已有数据,利用内梅罗指数法、污染负荷指数法、主成分分析等方法分析了重金属的时空变化、污染水平、来源,旨在为环渤海地区滨海湿地重金属污染防控、治理提供重要信... 以环渤海滨海湿地的水体、表层沉积物、表层土壤重金属为对象,通过收集已有数据,利用内梅罗指数法、污染负荷指数法、主成分分析等方法分析了重金属的时空变化、污染水平、来源,旨在为环渤海地区滨海湿地重金属污染防控、治理提供重要信息.结果表明:2000~2020年,环渤海滨海湿地水体As、Pb、Cd、Cu浓度上升,Cr、Hg、Zn浓度下降;湿地表层沉积物As、Ni含量变化较小,Cr、Cu、Zn、Hg含量上升,Pb、Cd含量下降;湿地表层土壤Cr、Zn含量上升,As、Cu、Ni、Pb、Cd、Hg含量下降,三种湿地环境介质表现出差异性变化;环渤海滨海湿地重金属中Cd、Hg单因子污染水平较高,分别为2.67和2.57;2010s环渤海滨海湿地重金属综合污染水平较高,水体、沉积物、土壤的内梅罗指数和污染负荷指数分别为1.53、4.49、2.52和0.34、0.96、1.44,但在中国三大经济圈中处于较低水平;Cu、Ni、Cr、Zn、As对环渤海滨海湿地环境影响程度较低,主要来源于自然来源及少量人为来源;Hg、Pb、Cd对环渤海滨海湿地环境影响程度较高,主要来自重工业、与重工业联系较强的轻工业. 展开更多

关键词 滨海湿地 环渤海 重金属 时空变化 来源分析

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京津冀地区水资源供需演变面临挑战问题及研究途径

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作者 陈喜 高满 +1 位作者 董建志 王哲 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期436-444,共9页

近百年来京津冀地区社会经济快速发展、城市化进程加快、农田扩张、用水需求提高,叠加气候变化,导致区域水资源衰减和供需严重失衡;近年来大规模调水、节水、产业结构调整等缓解了水资源衰减和供需失衡状态;未来低碳、绿色发展以及应对... 近百年来京津冀地区社会经济快速发展、城市化进程加快、农田扩张、用水需求提高,叠加气候变化,导致区域水资源衰减和供需严重失衡;近年来大规模调水、节水、产业结构调整等缓解了水资源衰减和供需失衡状态;未来低碳、绿色发展以及应对全球变化,京津冀地区社会经济、生态环境将面临极大的调整,水资源演变情势、供需结构和安全保障将面临一系列新的挑战。本文将京津冀地区水文情势及水资源供需演变划分为三个阶段,系统分析历史不同阶段水资源演变“S型”曲线形成及驱动机制,阐述低碳、绿色发展以及应对气候变化对水资源供需格局转变的影响,提出促进当地水资源恢复能力的水循环机理以及提升应对极端气候变化的水资源保障能力研究途径,为京津冀地区乃至其他缺水地区水资源可持续利用提供科学支撑。 展开更多

关键词 水资源 水循环 供需平衡 京津冀地区

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滦河口河岸砂质潜水含水层渗透系数尺度效应分析研究

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作者 杨轶群 李燊琰 +3 位作者 戴君一 高迪 周诗雨 王礼春 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期425-435,共11页

渗透系数(K)是表征地下水流动和含水层特征的关键水文地质参数,但在不同尺度上河岸带潜水含水层渗透系数的差异性分析尚缺乏系统性研究。本研究以滦河口河岸带松散砂质潜水含水层为研究对象,结合变水头室内渗流实验、野外微水试验以及... 渗透系数(K)是表征地下水流动和含水层特征的关键水文地质参数,但在不同尺度上河岸带潜水含水层渗透系数的差异性分析尚缺乏系统性研究。本研究以滦河口河岸带松散砂质潜水含水层为研究对象,结合变水头室内渗流实验、野外微水试验以及解析解反演三种方法,从室内土柱尺度(小尺度)、野外钻孔尺度(中尺度)和场地尺度(大尺度)系统分析了含水层的渗透系数特征。研究结果表明,随着研究尺度的增大,渗透系数逐渐升高,三种尺度下的渗透系数的中值分别为0.71 m/d、12.31 m/d和191 m/d。在小尺度下,渗透系数反映了含水层局部异质性特征;随着尺度的增大,形成了更多的优先流路径,渗透系数显著增大;而在场地尺度上,渗透系数表现为含水层整体等效后的结果。由于不同尺度下渗透系数存在显著差异,在研究河岸带地表水-地下水交换通量、海水入侵等潜水含水层中地下水运动过程时,需要谨慎选择与研究目标和工程需求相匹配尺度的渗透系数。本研究为滦河口地区潜水含水层的开发利用提供基础数据支持,同时可为其他区域含水层渗透系数的尺度转换提供借鉴。 展开更多

关键词 渗透系数 尺度效应 砂质潜水含水层

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裂隙扩张及惯性效应共同作用下裂隙中非达西渗流模拟研究

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作者 戴君一 王礼春 孙晓林 《水文地质工程地质》 北大核心 2025年第2期44-52,共9页

裂隙渗流是核废料、CO_(2)地质储存等重大工程的关键因素,常涉及高压环境。随着水力梯度增加,惯性效应增强,导致非达西效应(表观渗透率减少)。然而,前人研究常忽略高压下水力耦合作用对裂隙的扩张及相应的表观渗透率上升效应,造成刻画... 裂隙渗流是核废料、CO_(2)地质储存等重大工程的关键因素,常涉及高压环境。随着水力梯度增加,惯性效应增强,导致非达西效应(表观渗透率减少)。然而,前人研究常忽略高压下水力耦合作用对裂隙的扩张及相应的表观渗透率上升效应,造成刻画和模拟渗流过程不准确。为此,基于二维粗糙单裂隙和裂隙-基质系统,采用直接数值模拟方法研究裂隙扩张和惯性效应2种机制共同作用下的非达西渗流发展规律,探讨不同岩石基质力学性质对裂隙非达西渗流的影响。结果表明:(1)当压力梯度较小时,渗流处于达西流态,2种机制对渗流的影响都可以忽略,随着压力梯度逐渐升高,渗流进入非达西流态,2种机制都起到重要作用;(2)在2种机制竞争作用下,非达西渗流由惯性效应主导转向裂隙扩张主导,与之对应,裂隙等效水力开度呈现出先减小后增大的规律;(3)基质岩石的抗变形能力越弱,裂隙扩张主导效应越显著,并且使得由惯性效应转向裂隙扩张作用主导的临界值也越小,反之惯性效应主导显著。研究成果能为准确研判高压环境下裂隙介质中后达西渗流机制提供科学依据。 展开更多

关键词 粗糙裂隙 非达西渗流 裂隙扩张作用 数值模拟 水力开度 临界雷诺数

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2019-2022年天津北大港湿地遥感分类数据集

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作者 张心悦 韩杏杏 +3 位作者 王铁军 李攀 黄辉 陈楚 《中国科学数据（中英文网络版）》 CSCD 2024年第3期126-139,共14页

湿地是地球上最重要的生态系统之一,具有净化水质、维持生物多样性等重要功能。由于湿地具有特殊的水文和植被特征,传统的监测方法难以对其进行测绘和管理。随着大数据和云计算的兴起,GEE(Google Earth Engine)为长时间序列的数据处理... 湿地是地球上最重要的生态系统之一,具有净化水质、维持生物多样性等重要功能。由于湿地具有特殊的水文和植被特征,传统的监测方法难以对其进行测绘和管理。随着大数据和云计算的兴起,GEE(Google Earth Engine)为长时间序列的数据处理提供了可能。本研究基于GEE平台,结合Sentinel-1雷达影像和Sentinel-2光学影像,利用随机森林分类算法对天津北大港湿地进行信息提取,探讨多源遥感数据和时间序列特征对天津北大港湿地分类的重要性,并最终得到2019–2022年天津北大港湿地遥感分类数据集。经实测数据验证,分类结果的总体精度为95.35%,符合精度要求。本数据集可为天津北大港湿地保护和管理提供科学依据。 展开更多

关键词 北大港湿地 GEE Sentinel-1 Sentinel-2 随机森林

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全球变化下生态水文学发展与展望 被引量：1

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作者 陈喜 董建志 +5 位作者 王礼春 张永根 王学静 狄崇利 高满 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期52-61,共10页

在全球变化背景下,生态水文研究的时空尺度得到了极大的拓展,研究内容从水与生物之间的互馈关系及其变化,延伸至水与其他非生物要素(如大气、土壤、岩石)以及人类活动之间的互馈关系及其演变机制。本文基于地球系统科学理念,结合全球变... 在全球变化背景下,生态水文研究的时空尺度得到了极大的拓展,研究内容从水与生物之间的互馈关系及其变化,延伸至水与其他非生物要素(如大气、土壤、岩石)以及人类活动之间的互馈关系及其演变机制。本文基于地球系统科学理念,结合全球变化下生态水文面临的挑战以及研究范式转变,从“土壤-植被-大气”连续体(SPAC)、地球关键带以及流域等多维度探讨生态水文学过程,阐释水分、能量和物质在基岩、土壤、植被和大气界面之间的传输与交换机制以及植被生长对土壤结构和水分动态的反馈作用,论述气候变化和人类活动影响下基岩风化、土壤形成与生态水文过程的协同演变及其对水文循环和物质平衡的影响,并讨论了流域作为连接全球与局地尺度的关键中间单元的重要性。面向水-生态资源可持续利用需求,提出了在人工智能背景下生态水文研究的可能突破途径,包括多源数据融合、物理过程与机器学习结合的建模方法,以及跨学科协作的研究范式。本文旨在构建生态-水文-社会协同发展理论框架,为提升生态系统质量、保障水资源可持续利用、促进社会经济绿色发展提供科学依据和决策支持。 展开更多

关键词 生态水文 水资源 地球系统科学 全球变化

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莱州湾入海河流河口氮来源及转化过程的同位素解析 被引量：1

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作者 张璐瑶 岳甫均 +4 位作者 李军 简锐风 马卓妮 弓耀奇 刘小龙 《中国环境科学》 北大核心 2025年第2期981-990,共10页

为解决莱州湾氮污染问题,本文开展了莱州湾入海河流氮来源及转化过程研究.通过分析水质参数、氮含量、水和硝酸盐的稳定同位素,以明确河流河口水体氮来源及其关键过程.结果表明:水的δD和δ^(18)O与盐度之间具有较好的时空变化一致性,... 为解决莱州湾氮污染问题,本文开展了莱州湾入海河流氮来源及转化过程研究.通过分析水质参数、氮含量、水和硝酸盐的稳定同位素,以明确河流河口水体氮来源及其关键过程.结果表明:水的δD和δ^(18)O与盐度之间具有较好的时空变化一致性,表明入海河口受到较强的海水混合作用影响,并向河流上游显著减弱.丰水期和枯水期NO_(3)^(-)-N占TN比例除个别点较低外,大部分都在37.2%~81.7%和29.5%~95.9%内,表明在大部分河段NO_(3)^(-)-N是主要的无机氮形态;枯水期ρ(TN)和ρ(NH_(4)^(+)-N)在部分样点出现极值,显著高于丰水期,部分水体ρ(NH_(4)^(+)-N)在2mg/L以上,属劣V类水质.2005-2023年间的ρ(NO_(3)^(-)-N)的变化表明,莱州湾入海河流NO_(3)^(-)-N浓度呈“先上升,后下降”趋势.总体上,水体中δ^(15)N-NO_(3)^(-)在丰水期和枯水期的变化范围分别为+5.7‰~+18.6‰和+4.5‰~+20.0‰;δ^(18)O-NO_(3)^(-)为+4.2‰~+13.8‰和-0.5‰~+20.1‰,均无明显季节变化.硝酸盐同位素结果表明莱州湾入海河流主要受硝化作用影响,同时部分河段样点受到反硝化作用影响.枯水期低盐度采样点NO_(3)^(-)-N主要来自于粪肥和污水,丰水期河口大部分采样点受咸潮回溯的影响,并且大部分河段水体受农业施肥影响明显.本研究明确了莱州湾海岸带入海河流河口氮污染源的排放特征和时空差异性,所取得的认识可以为未来环渤海入海河流氮污染的防控和治理提供研究示范和数据参考. 展开更多

关键词 同位素 氮来源 莱州湾 入海河流

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水体硅碳化学计量趋同的浮游植物驱动机制

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作者 李婉珠 王宝利 刘丛强 《地学前缘》 北大核心 2025年第3期311-319,共9页

浮游植物元素化学计量比对其生境中营养元素可利用性变化的响应与反馈研究,是理解水生生态系统结构和功能相互关系的关键要素。水体中硅(Si)碳(C)化学计量比的动态变化一定程度上能够反映其中Si-C生物地球化学循环的耦合关系,但目前浮... 浮游植物元素化学计量比对其生境中营养元素可利用性变化的响应与反馈研究,是理解水生生态系统结构和功能相互关系的关键要素。水体中硅(Si)碳(C)化学计量比的动态变化一定程度上能够反映其中Si-C生物地球化学循环的耦合关系,但目前浮游植物Si∶C计量比与溶解硅(DSi)和CO_(2)浓度的相互作用模式和潜在机制尚不清楚。在此,我们发现湖泊浮游植物Si∶C摩尔比随年际变化趋向于与其生境中DSi∶CO_(2)摩尔比一致(即硅碳化学计量趋同),且这种趋同是由浮游植物群落演替来驱动的。不同类型内陆水体(河流、湖泊、水库和湿地)大空间尺度调查结果显示浮游植物Si∶C摩尔比和DSi∶CO_(2)摩尔比空间差异显著,大都偏离Redfield比例。随机森林分析显示,硅藻门相对丰度、水温和溶解无机氮是浮游植物Si∶C比形成的重要预测因子。宏转录组学证据表明,伴随着浮游植物群落演替,其分子水平上蛋白质周转响应并反馈DSi∶CO_(2)比变化,进而导致水体硅碳化学计量趋同。这些发现为水体浮游植物化学计量学的认识提供了新的见解。硅碳化学计量趋同在一定程度上可以表征表层地球系统岩石圈、水圈和生物圈之间的相互作用,并为描述水生生态系统结构和功能对环境变化的响应提供了一种定量模式。 展开更多

关键词 水生生态系统 浮游植物 化学计量比 群落组成 宏转录组

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