姚 斌 王 鋒 馮益明
(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,北京 100091)
荒漠化與全球氣候變化是當(dāng)今世界面臨的兩大主要環(huán)境問題,困擾著全人類的生存和發(fā)展[1-2]。根據(jù)聯(lián)合國防治荒漠化《聯(lián)合國關(guān)于在發(fā)生嚴(yán)重干旱和/或荒漠化的國家特別是在非洲防治荒漠化的公約》(簡稱《公約》)的定義,荒漠化是指包括氣候變異和人類活動在內(nèi)的種種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區(qū)的土地退化[3]。
當(dāng)今世界荒漠化面積廣大,影響眾多人口的生存[4]。中國是世界上荒漠化面積大、分布廣、類型復(fù)雜、危害重的國家之一。中國的荒漠化土地分布在全國18個省區(qū)的498個縣(旗),全國荒漠化土地總面積占荒漠化可能發(fā)生區(qū)域總面積的79.47%,高于69%的世界平均水平[5]。為了客觀反映中國荒漠化發(fā)生區(qū)域,吳波等[6]按照聯(lián)合國防治荒漠化《公約》的定義對中國荒漠化潛在發(fā)生范圍進行了重新修訂,修訂后的中國荒漠化潛在發(fā)生范圍總面積約 4 524 089.1 km2,約占國土總面積的47.11%,荒漠化潛在發(fā)生范圍修訂后比修訂前面積增加 1 207 056.9 km2。中國荒漠化的未來發(fā)展趨勢也是人們關(guān)注的焦點問題,慈龍駿等[7]采用HADCM2模型模擬2種氣候變化模式下荒漠化生物氣候類型區(qū)變化,結(jié)果表明,中國未來荒漠化氣侯類型區(qū)及荒漠化面積都將繼續(xù)擴大,區(qū)域干旱化程度將進一步加劇。董光榮等[8]利用建立的沙區(qū)降水、氣溫回歸模型對我國的荒漠化發(fā)展趨勢作了更長時段的預(yù)測,預(yù)測結(jié)果顯示,就整個北方沙區(qū)來講,氣溫升高,降水減少,未來80年自然荒漠化仍有擴大的趨勢。
土地退化是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的主要因素之一,土地荒漠化會導(dǎo)致眾多的環(huán)境和社會問題出現(xiàn)[9-10]。土地荒漠化的一個直接后果是導(dǎo)致封存的土壤碳釋放[11],其與現(xiàn)代工業(yè)化過程中大量化石燃料燃燒排放的溫室氣體產(chǎn)生疊加效應(yīng),增高了大氣中主要溫室氣體CO2的濃度,導(dǎo)致全球變暖,氣溫升高[12-16]。
大氣中溫室氣體濃度激增導(dǎo)致地球變暖升溫已是不爭的事實,如何有效控制大氣中的CO2濃度成為世界各國關(guān)注的焦點。隨著研究的深入,陸地生態(tài)系統(tǒng)活動碳庫對大氣中CO2濃度增加的貢獻已引起研究者的廣泛關(guān)注[17-19]。研究者普遍認(rèn)為,增加活動碳庫的匯有利于減少陸地生態(tài)系統(tǒng)釋放CO2,從而在一定程度上控制大氣中的CO2含量,進而緩解導(dǎo)致地球變暖升溫的溫室氣體效應(yīng)。當(dāng)前,森林、草原、濕地、農(nóng)田等陸地主要生態(tài)系統(tǒng)的碳源、碳匯研究成為熱點,取得了大量的研究成果[20-24]。然而,由于荒漠化地區(qū)(土地)多位于發(fā)展中國家,且多數(shù)研究者認(rèn)為,荒漠化地區(qū)地面植被少,以流沙等為主,土壤有機碳少,以無機碳為主,其對CO2濃度升高及全球碳庫的貢獻小[25]。因而,國內(nèi)外學(xué)者對作為陸地生態(tài)系統(tǒng)主要碳庫之一的荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳庫重視程度不夠,研究成果不多。以下側(cè)重對國內(nèi)土地荒漠化對土壤碳的影響研究狀況進行概述。
土壤有機碳對土壤生產(chǎn)力和氣候變化有著深遠(yuǎn)的影響,近年來,土壤有機質(zhì)被越來越多地認(rèn)為是影響全球變暖的溫室氣體的源和匯[26]。國外對干旱地區(qū)荒漠化土壤流失及固碳潛力已開展了較多的研究[15,18],我國是世界上受荒漠化影響最嚴(yán)重的國家之一,以荒漠化發(fā)展迅速、對環(huán)境和社會的影響深刻而備受世人的注目。但對土地荒漠化影響土壤碳的研究尚處于初始階段,研究成果不多[11,16,27-28],有關(guān)荒漠化地區(qū)土壤碳的研究主要集中于青藏高原、西北干旱、半干旱區(qū)及南方的喀斯特石漠化地區(qū)。
作為地球陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分的青藏高原,以其對氣候變化的敏感性和在全球氣候變化中的重要作用,在全球氣候變化研究中占有極其重要的地位[29]。
青藏高原廣泛分布的高寒草甸、高寒草原與高寒沼澤草甸草地等均屬自然控制類型,并占據(jù)青藏高原的絕大部分面積,這類地表在歐亞大陸具有相當(dāng)?shù)膮^(qū)域代表性[30],同時,青藏高原草地發(fā)育的高山草甸土、亞高山草甸土以及高山草原草甸土等高山土壤富含有機質(zhì),土壤碳密度明顯高于其他地域[22,31]。近年來,諸多研究表明[32-33],廣泛分布于青藏高原的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)在自然擾動與人為因素的干擾下,作為生態(tài)系統(tǒng)主要指標(biāo)的植被覆蓋在青藏高原呈現(xiàn)明顯減少的趨勢,呈現(xiàn)出明顯的退化態(tài)勢,土地退化減少了植被生產(chǎn)力和土壤有機質(zhì)的輸入量,并加快了土壤有機質(zhì)的分解速率,從而影響到高寒生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)。過渡放牧導(dǎo)致青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為碳源,每年碳的凈排放量約為0.87 t/hm[33]。根據(jù)測算,近30年來,由于土地利用變化和草地退化導(dǎo)致青藏高原草地土壤碳流失量約為30.23×108g[32]。青藏高原三江源地區(qū)不同退化梯度土壤碳素含量動態(tài)研究也表明,隨著土層加深及海拔高度降低,土壤碳素含量均表現(xiàn)為逐漸減少[34]。
沙漠化過程會導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)的退化和土壤有機碳的流失,增加陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣釋放CO2,使退化土地成為陸地重要的碳源之一。研究結(jié)果顯示,1990—2000年青藏高原黃河源區(qū)沙漠化不僅表現(xiàn)為面積的擴展,而且表現(xiàn)為沙漠化程度的加重,其間黃河源區(qū)沙漠化導(dǎo)致土壤有機碳流失量達4.11 Mt,每年從土壤中流失的有機碳平均為0.40 Mt[35]。然而,通過有效的沙漠化防治,沙漠化過程能夠得到一定程度的控制,退化土地也會得到恢復(fù)。沙漠化土地的恢復(fù)將是增加陸地碳匯,減少大氣CO2的有效途徑之一。曾永年等[36]的研究結(jié)果顯示,青藏高原黃河源區(qū)沙漠化土壤具有較高的固碳潛力,通過對沙漠化土地的有效治理,不僅能夠改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,促進區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,而且將使黃河源區(qū)成為增加陸地碳匯的重要區(qū)域之一。另有研究表明,青藏高原原生高寒嵩草草甸土壤退化后流失的碳比氮多,對原生高寒嵩草草甸重度退化地進行自然恢復(fù)或松耙混播重建多年生植被可以作為系統(tǒng)固定碳(碳匯)的一個途徑[37]。
由以上分析可知,鑒于青藏高原區(qū)特殊的地理位置及惡劣的自然環(huán)境,目前國內(nèi)對青藏高原地區(qū)土壤碳庫收支的基礎(chǔ)研究既少又缺乏系統(tǒng)性,尚無法全面、系統(tǒng)地評估該區(qū)域土壤碳源/匯的大小、分布及其變化。
2.2.1土地荒漠化對土壤碳的影響研究 我國西北干旱、半干旱地區(qū)面積廣大,由于受自然條件和人為因素的綜合影響,荒漠化趨勢顯著[6-8],監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,我國北方沙質(zhì)沙漠化在20世紀(jì)50年代以來一直呈現(xiàn)出擴展的趨勢[5]。近年來,中國土壤碳庫成為一個小小的碳源,其主要的原因之一是北方沙漠化嚴(yán)重,過度開墾和放牧導(dǎo)致土壤有機碳釋放[38],而土壤碳的喪失與沙漠化的發(fā)生與發(fā)展有必然的聯(lián)系[39]。有研究表明,1950—1990年我國土壤沙漠化導(dǎo)致的碳排放總量為2.812 Pg[16];據(jù)估測若中國所有的沙漠化土地退化一個類型級別,則釋放的CO2量可達309.2 Mt[27]。Qi等用中國17個典型沙漠(地)不同退化程度地塊1 m深土層內(nèi)有機碳的含量及沙質(zhì)荒漠化動態(tài)的評價結(jié)果,估算出中國沙質(zhì)荒漠化土壤中有機碳儲量為 7 184 Pg[11],在過去40年中因沙質(zhì)荒漠化而損失的土壤有機碳的凈損失量為 2 168 Tg。如果沙質(zhì)荒漠化擴展的速率保持不變,到2000年和2030年土壤有機碳的損失量將分別增加151 Tg和 1 243 Tg[28]。Duan等[16]的估算結(jié)果則顯示,我國沙漠化土地0~50 cm土層中有機碳的總儲量為 753.143 Mt,近40年來我國荒漠化土地凈釋放到大氣中的CO2量為124.475 Mt。
科爾沁沙地是我國著名的4大沙地之一,處于典型的農(nóng)牧交錯區(qū),因而在我國北方干旱、半干旱地區(qū)土地荒漠化對土壤碳的影響研究中對其關(guān)注程度較高。李玉強等[40]的研究結(jié)果表明,科爾沁沙地沙漠化過程中土壤碳含量衰減,質(zhì)地變粗;沙漠化初期有機碳衰減速率快于沙漠化后期,沙漠化過程中土壤有機碳衰減速率快于全氮。科爾沁沙地不同退化沙地土壤碳的礦化潛力研究顯示,流動沙地土壤有極低的土壤有機碳含量及微弱的土壤微生物呼吸,表明土壤沙漠化不僅導(dǎo)致土壤有機碳庫衰竭,也使土壤微生物活性喪失[41]。
沙區(qū)人工造林被普遍認(rèn)為是逆轉(zhuǎn)土地沙化及增加碳匯的有效措施之一,干旱、半干旱區(qū)造林不僅能夠改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境、防風(fēng)固沙、防止水土流失、提高生產(chǎn)力,而且逐漸成為一個重要的陸地碳庫[42-43]。根據(jù)預(yù)測,未來的50年間,干旱、半干旱地區(qū)每年能固定碳1.0×1015g[44]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,1985—2000年,我國科爾沁沙地以及周邊地區(qū)約有 28 300 hm2的草地轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち諿45]。然而,胡亞林等[46]研究指出,沙質(zhì)退化草地造林后地上植被覆蓋的變化,引起土壤養(yǎng)分循環(huán)過程發(fā)生相應(yīng)改變,半干旱區(qū)科爾沁沙質(zhì)退化草地營造人工樟子松30多年后土壤有機碳含量有所下降,造林作為該地區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)手段具有一定的局限性。故而,雖然許多國家將干旱、半干旱區(qū)造林作為全球一個重要的碳匯,但干旱、半干旱區(qū)造林也能對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一些負(fù)面影響,包括土壤質(zhì)量下降、植被群落結(jié)構(gòu)衰退、物種多樣性降低以及病蟲害爆發(fā)等[47],沙區(qū)造林的實際生態(tài)效應(yīng)需要謹(jǐn)慎評估。
近期的一些研究[48-49]認(rèn)為,半干旱區(qū)沙漠化土地的治理有著較高的碳截存潛力,但碳截存的實現(xiàn)必須在大范圍內(nèi)實施合理的土地利用和土壤、植被管理措施。沙地草地是中國北方分布廣泛的一類土地資源,也是易發(fā)生沙漠化的區(qū)域。禁牧作為目前正在廣泛實施的一項恢復(fù)自然植被、保護生態(tài)環(huán)境的重要舉措,將對區(qū)域碳的截存和循環(huán)產(chǎn)生顯著影響[50-52]??茽柷呱郴莸爻掷m(xù)放牧和圍封恢復(fù)下土壤系統(tǒng)的碳儲存研究結(jié)果表明,在風(fēng)蝕嚴(yán)重的科爾沁沙地,沙化草地在采取有效的保護措施后,可以增加土壤的碳匯容量[50]。不同沙漠化階段科爾沁沙地土壤碳儲量的衰減表現(xiàn)為沙漠化初期快于沙漠化后期,沙漠化過程中土壤有機碳儲量的衰減要快于全氮[51]。左小安等[52]分析了科爾沁沙地沙丘固定和植被恢復(fù)過程中土壤的理化性質(zhì),結(jié)果表明,沙丘植被修復(fù)過程中灌叢的發(fā)育對土壤有機碳存儲具有明顯的正向效應(yīng)。He等[53]研究了沙地逆轉(zhuǎn)過程中土壤顆粒碳、氮變化,結(jié)果表明,封育可使土壤顆粒碳、氮大幅度增加,尤其在0~10 cm土層中增加較多。沙漠化對科爾沁沙質(zhì)草地土壤碳平衡的影響研究表明,草地碳儲量隨沙漠化的發(fā)展而明顯降低;沙漠化可使草地碳平衡受到明顯破壞,草地一旦沙漠化即成為“碳源”。為了促進沙漠化草地碳庫的恢復(fù),應(yīng)加強沙漠化草地的治理,促進草地植被的恢復(fù)重建[54]。另有研究表明,從潛在沙漠化到嚴(yán)重沙漠化階段,內(nèi)蒙古科爾沁沙地土壤有機碳儲量下降90.9%,沙漠化程度每加重一級,即從潛在退化到輕度,輕度退化到中度,中度退化到重度,重度退化到嚴(yán)重,科爾沁沙地土壤有機碳的儲量分別下降52.2%、49.5%、46.2%和24.0%[55]。
2.2.2土地荒漠化逆轉(zhuǎn)過程對土壤碳的影響研究
研究表明,荒漠化土地碳截留的潛力巨大[56-57],荒漠化防治導(dǎo)致的沙漠化逆轉(zhuǎn)不僅能改善生態(tài)環(huán)境,促進社會經(jīng)濟良性循環(huán),而且土壤碳的固定對緩解CO2排放和全球氣候變化具有重要意義。
土壤有機碳(soil organic carbon,SOC)是反映土地荒漠化的重要指標(biāo),荒漠化和土壤有機碳受自然因素和人類活動因素的綜合調(diào)控,其中土地利用、覆蓋和管理方式的變更是最直接的驅(qū)動因子[56-58]。半干旱區(qū)沙漠化土地的治理有著較高的碳截存潛力,持續(xù)的恢復(fù)可以逐漸提高土壤有機質(zhì)含量。中國是一個荒漠化非常嚴(yán)重的國家,荒漠化面積分別占干旱區(qū)面積和國土面積的79%和34%,我國干旱荒漠化土地對全球碳循環(huán)和緩解CO2的排放具有很大的潛力,在全球氣候變化中具有重要意義[59]。根據(jù)Duan等[16]估算,我國荒漠化土地的固碳潛力為 360.04 Mt。中國北方在過去的40多年里因沙漠化的逆轉(zhuǎn)而截存了59.12 Mt的碳,大約有10%的沙漠化土地已恢復(fù)到接近于其初始狀態(tài)的碳含量水平[60]。如果中國所有的沙漠化土地能夠逆轉(zhuǎn)一個等級,則土壤可截存236.04 Mt碳,對應(yīng)的CO2量為中國因土地沙漠化而釋放的CO2總量的15.7%;若中國所有的沙漠化土地能夠完全逆轉(zhuǎn),則土壤截存的碳量更為可觀[16]。
具體實踐過程中陳淑蘭等[59]研究了陜西榆林市沙漠化逆轉(zhuǎn)地區(qū)土壤有機碳的時空動態(tài)特征,指出沙漠化逆轉(zhuǎn)能顯著提高沙漠化地區(qū)土壤的固碳能力。Li等[61]對寧夏騰格里沙地的研究也得到了類似的結(jié)果。劉方明等[62]研究了科爾沁沙地小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)人工固沙林0~50 cm土層在0、5、10、22 a的時間序列上土壤有機碳的動態(tài),結(jié)果表明,各層次土壤有機碳含量和儲量隨小葉錦雞兒種植年限的增加而增加。隨著沙漠化逆轉(zhuǎn)時間的增加,土壤受到的擾動減少,地表植被類型和數(shù)量的增加,輸入土壤中的有機物質(zhì)增多,且風(fēng)蝕等作用減少,導(dǎo)致土壤有機碳積累增多[63]。Lal和Follett[64]通過研究,估算出全球干旱土地通過恢復(fù)退化土壤和沙漠化治理,碳固存潛力將增加到0.9~1.9×1015g/a。沙漠化土地的持續(xù)恢復(fù)可以提高土壤有機質(zhì)含量[50],沙化土地恢復(fù)過程中植被防止了土壤風(fēng)蝕,避免了有機碳含量較高的表層土壤流失,也有利于土壤碳的截存[65]。因而,退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)可增強陸地碳吸收量,減少陸地碳排放量,恢復(fù)與重建退化生態(tài)系統(tǒng)成為減緩?fù)寥烙袡C碳施加于環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)的主要調(diào)控對策,退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)后將成為中國未來一個極為重要的“碳匯”[66]。研究結(jié)果顯示,20世紀(jì)50年代以來,我國最大的內(nèi)流河塔里木河流域土地荒漠化趨勢明顯,荒漠化對塔里木河下游土壤有機碳影響較大,自1959年至1996年,塔里木河下游地區(qū)沙漠化面積不斷擴大,有機碳含量下降顯著,導(dǎo)致許多封存的土壤碳排向到大氣。然而,近期的研究表明,在生態(tài)恢復(fù)過程中,塔里木河下游退化土壤中有機碳含量顯著增加,但是,退化土壤有機碳的增加將是一個緩慢的過程[67]。
由以上分析可知,西北干旱、半干旱區(qū)土地荒漠化對土壤碳的影響實證研究相對較多,也取得了一定的成果。然而,由于欠缺該區(qū)域土壤碳循環(huán)方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳庫收支計算方法的不確定性,目前尚無法對該區(qū)域受荒漠化影響土地土壤碳的情況進行較為全面準(zhǔn)確的估算及評估。
石漠化即喀斯特荒漠化或石化,與我國西北一帶沙漠化現(xiàn)狀相似,是土地劣化演變的極端形式之一,是土地退化的一種特殊形式,我國的石漠化地區(qū)主要分布在南方喀斯特地區(qū)??λ固厥瘜儆谕恋鼗哪姆懂?,本質(zhì)是土地生產(chǎn)力衰退甚至喪失的過程。
國內(nèi)相關(guān)學(xué)者也對石漠化對土壤碳的影響做了研究[68-70]。盧紅梅等對花江峽谷不同石漠化階段土壤有機碳的變異特征研究表明,喀斯特生境中土壤具有高度異質(zhì)性,人為干擾方式對土壤有機碳含量變異性的影響很大,隨著石漠化程度的加劇,樵采和開墾系列樣地土壤有機碳含量呈現(xiàn)不斷降低的趨勢[68];土壤有機碳分組分析測試表明,隨著石漠化程度的加劇,土壤總有機碳、輕組有機碳和重組有機碳含量均呈降低趨勢,且輕組有機碳占總有機碳的比例有減少趨勢[69]。我國西南喀斯特地區(qū)石漠化過程對喀斯特地區(qū)土壤中有機質(zhì)組成有明顯的影響,不同石漠化階段土壤有機質(zhì)組成有明顯差異,土壤中胡敏素、富里酸與胡敏酸均表現(xiàn)出未石漠化>潛在石漠化>輕度石漠化>中度石漠化的趨勢[70]。李孝良等[71]研究發(fā)現(xiàn):在貴州省喀斯特地區(qū)隨石漠化程度增加,土壤總有機碳、輕組有機碳和重組有機碳含量均呈降低趨勢,且輕組有機碳占總有機碳的比例有減少趨勢。在土體分布上,研究區(qū)土壤總有機碳含量從大到小均依次表現(xiàn)為表土層、心土層、底土層,且隨石漠化程度加深,表現(xiàn)出表土侵蝕現(xiàn)象。
另有研究發(fā)現(xiàn),在粵北石漠化從輕度向極重度發(fā)展的過程中,土層厚度、土壤覆蓋度和土壤有機碳含量均呈顯著下降趨勢,土壤有機碳含量在石漠化初期下降幅度更大,而土層厚度、土壤覆蓋度在石漠化發(fā)展的后期階段下降程度更為明顯,這些都在一定程度上體現(xiàn)了石漠化過程的土壤退化本質(zhì)[72]。
由于我國西南地區(qū)特殊的生境及人文條件限制,石漠化成為制約我國西南地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵生態(tài)因素之一。然而受經(jīng)濟、自然地理條件及人們認(rèn)識水平的制約,西南喀斯特石漠化地區(qū)的土壤碳研究尚處于起步階段,鮮見全面系統(tǒng)的研究及成果報告。
荒漠化是當(dāng)今世界面臨的主要環(huán)境問題之一,土地荒漠化能夠?qū)е路獯娴耐寥捞坚尫?,增高大氣中主要的溫室氣體CO2的濃度,導(dǎo)致全球變暖、氣溫升高。在碳循環(huán)研究中,一個重要的科學(xué)問題是回答區(qū)域或全球的碳源、碳匯的大小、分布及其變化。然而,由于中國荒漠化地區(qū)土壤的碳匯資料奇缺,目前很難對中國廣大荒漠化地區(qū)土壤的碳源、碳匯問題作出較為準(zhǔn)確的評估。因而,針對我國荒漠化地區(qū)土壤碳的研究現(xiàn)狀,加強對超過我國1/3的國土面積荒漠化及潛在荒漠化地區(qū)土壤碳循環(huán)的研究意義重大,是人們必須面對的重大現(xiàn)實科學(xué)問題。
針對我國廣大荒漠化地區(qū)土壤碳循環(huán)研究缺失的現(xiàn)實,近期應(yīng)加強下列研究工作:1)加強有關(guān)荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集整理工作,為今后具體工作的開展奠定基礎(chǔ);2)進一步加強荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳庫收支計算方法的研究,以便提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性,為全面系統(tǒng)地評估荒漠化對我國土壤碳的影響提供技術(shù)支持;3)加強我國荒漠化地區(qū)土壤碳源、匯的實證研究,基本改變荒漠化地區(qū)土壤碳匯資料奇缺的現(xiàn)實;4)加強對青藏高原及我國南方喀斯特石漠化區(qū)等對維系我國可持續(xù)發(fā)展起關(guān)鍵作用的特定區(qū)域的土壤碳庫收支的基礎(chǔ)研究,以使能全面地、系統(tǒng)地估算和評估其區(qū)域碳源/碳匯的大小、分布及其變化。
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