劉艷會 劉金福 何中聲 洪偉 馮雪萍 崖佐朝
摘要: 黃山松是亞熱帶中部山區(qū)主要建群種,研究其物種組成及群落結(jié)構(gòu)對探討中亞熱帶植被演替規(guī)律具有重要意義。戴云山自然保護區(qū)分布有大面積黃山松群落,該研究采用網(wǎng)格布點法,建立86塊(25.82 m × 25.82 m)共5.7 hm2固定樣地,對樣地內(nèi)黃山松群落的物種組成特征、分布區(qū)類型、胸徑和樹高結(jié)構(gòu)、空間分布格局4個方面特征進行了探討。結(jié)果表明:(1)樣地內(nèi)共出現(xiàn)木本植物32 603株219種,隸屬于59科108屬。喬灌木優(yōu)勢種有黃山松、馬尾松、木荷、腫節(jié)少穗竹、巖柃、窄基紅褐柃等,其中稀有種和偶見種分別占總物種數(shù)的33.79%、25.75%和45.21%、24.66%。(2)在區(qū)系分布類型上,熱帶分布類型的科屬多于溫帶分布類型的科屬,熱帶分布類型中又以泛熱帶分布類型,溫帶分布類型以北溫帶占據(jù)最大比例。(3)樣地內(nèi)優(yōu)勢種的胸徑分布呈倒“J”型,表明更新狀態(tài)良好。垂直結(jié)構(gòu)上,各優(yōu)勢種樹高為倒“J”型或近似倒“J”型。黃山松和其他優(yōu)勢喬木大部分樹高為4~10 m,灌木除短尾越桔0~1 m個體數(shù)最多外,其他優(yōu)勢灌木1~2 m個體數(shù)最多。(4)經(jīng)計算,樣地內(nèi)喬灌木各優(yōu)勢種均呈聚集分布,聚集程度有所差異,喬木層黃山松最低,灌木層短尾越桔最低。該研究結(jié)果表明戴云山保護區(qū)黃山松群落物種組成豐富、更新良好,反映了亞熱帶高山針葉林的典型特征,其空間分布格局可能與取樣方式等因素有關(guān)。
關(guān)鍵詞: 黃山松群落, 物種組成, 胸徑樹高結(jié)構(gòu), 空間分布格局, 戴云山
中圖分類號: Q948.15文獻標識碼: A文章編號: 10003142(2017)07088110
植物群落是一定地段內(nèi)不同植物在長期歷史過程中逐漸形成的生態(tài)復合體。分析植物群落可以揭示物種共存規(guī)律、形成機制,反應其生境條件以及空間關(guān)聯(lián)。因此研究植物群落種類組成、數(shù)量特征、物種多樣性是植被生態(tài)學研究的基礎(chǔ)(劉靜等,2016)。群落結(jié)構(gòu)為揭示物種共存、群落演替和生物多樣性維持機制等提供重要信息(Tilman et al,2006),群落的物種組成和區(qū)系成分則反映群落結(jié)構(gòu)變化,是了解群落性質(zhì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。黃山松(Pinus taiwanensis)是中國特有種,又稱臺灣松,常綠喬木,為喜光樹種,耐干旱瘠簿、抗風,材質(zhì)好,同時病蟲危害少,生長持續(xù)時間長,主要分布于浙江、臺灣、福建、江西、安徽等省山地,是亞熱帶中山地區(qū)的主要建群種。戴云山脈保存有中國大陸最南端、面積最大、保存最完好的原生性黃山松林,群落面積6 400 hm2,是中國最大的黃山松種質(zhì)基因基地(朱德煌等,2012)。迄今,本課題組對戴云山黃山松群落已做大量研究,對其主要群落類型及物種多樣性(任國學等,2011)、主要樹種種群更新生態(tài)位(朱德煌等,2012)、幼苗與環(huán)境因子空間異質(zhì)性關(guān)聯(lián)(劉金福等, 2013;蘇松錦等,2015)等進行了探討分析,揭示了黃山松的生長環(huán)境和生存現(xiàn)狀。由于黃山松群落廣布于自然保護區(qū)內(nèi),而以往的研究局限于戴云山主峰或者九仙山、陳坂嶺頭等地,空間尺度相對較小。目前,我國建立了多個大型固定監(jiān)測樣地,對探討物種共存機制、檢驗生態(tài)學理論提供了良好的平臺(馬克平,2008)。大型固定樣地主要監(jiān)測南亞熱帶常綠闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林、暖溫帶落葉闊葉次生林以及溫帶闊葉紅松林等(徐麗娜和金光澤,2012),對亞熱帶針葉林的研究仍較少。同時,大型樣地設置多為監(jiān)測某一區(qū)域內(nèi)的闊葉林,因而海拔跨度小。針對分布范圍廣的群落進行研究時存在一定局限性。
基于上述考慮,以戴云山自然保護區(qū)為研究范圍,采用網(wǎng)格布點法,擴大監(jiān)測面積和海拔跨度,建立86塊、總面積達5.7 hm2的黃山松樣地。主要探討以下幾個科學問題:(1)戴云山自然保護區(qū)樣地內(nèi)黃山松群落的物種組成;(2)樣地內(nèi)出現(xiàn)物種所屬區(qū)系;(3)優(yōu)勢種物種個體數(shù),胸徑樹高分布有何特點;(4)黃山松群落優(yōu)勢種的空間分布格局。討論不同取樣條件下的異同,以期為戴云山黃山松群落的保護與發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
1材料與方法
1.1 研究區(qū)及樣地概況
戴云山自然保護區(qū)位于福建泉州德化縣境內(nèi),118°05′22″~118°20′15″ E,25°38′07″~25°43′40″ N,屬亞熱帶季風氣候,年平均氣溫為15.6~19.5 ℃,最冷月在1月份,平均氣溫為6.5~10.5 ℃,最熱月是七月,平均氣溫為23~27.5 ℃,最高氣溫36.6 ℃??諝庀鄬穸?7%。山地黃壤、紅壤、黃紅壤是土壤主要組成部分。該區(qū)地形復雜,1 000 m以上的山峰有258座,其中最高峰海拔1 856 m,被譽為“閩中屋脊”。
戴云山屬典型山地森林生態(tài)系統(tǒng),保留有最為集中和完整、天然更新狀態(tài)最好的黃山松林,且該地生物多樣性豐富,樣地內(nèi)喬灌木層共出現(xiàn)種子植物59科108屬219種;喬木層主要有黃山松、木荷(Schima superba)、馬尾松(Pinus massonianaa)、紅楠(Machilus thunbergii)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、羅浮栲(Castanopsis fabri)等;灌木層主要有中華野海棠(Bredia sinensis)、腫節(jié)少穗竹(Oligostachyum oedogonatum)、華麗杜鵑(Rhododendron farrerae)、小葉赤楠(Syzygium buxifolium)、莢蒾(Viburnum dilatatum)等;草本層主要有芒萁(Dicranopteris pedat)、中華里白(Hicriopteris chinensis)、狗脊蕨(Woodwardia japonica)等。
1.2 樣地設置以及調(diào)查方法
2015年在戴云山自然保護區(qū)內(nèi)(118.10°~11827° E, 25.65°~25.72° N之間)采用網(wǎng)格布點法以550 m間距公里坐標數(shù)點,如果橫、縱坐標交點在黃山松小班內(nèi),則該點為樣地位置。共設置25.82 m × 25.82 m的正方形樣地86個(圖1),總面積約為5.7 hm2。每個樣地四個角點分別設置于北N、東E、南S、西W4個方向,樣點中心位置O須埋設水泥樁,便于今后復查。記錄每個樣方內(nèi)DBH >5 cm的喬木名稱、冠幅、冠下高、生活力狀況并按順時針掛牌、編號;4個方向上分別設置4 m × 4 m 小樣方,記錄幼樹(H>30 cm 和DBH<5 cm)名稱、高度、胸徑并編號,查數(shù)輪生枝數(shù)。記錄灌木種類、相對蓋度、株數(shù)、平均高;在每個灌木樣方內(nèi)設置一個1 m × 1 m 草本樣方,記錄種類、蓋度、株數(shù)和平均高度。
1.3 數(shù)據(jù)處理
對調(diào)查數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析計算樣地內(nèi)植物的相對密度、相對優(yōu)勢度、相對頻度計算各物種重要值, 相關(guān)公式見孫儒泳等(2004)。根據(jù)世界種子植物科屬分布區(qū)類型劃分標準劃分出所有植物所屬科屬的分布區(qū)類型(吳征鎰,2003;吳征鎰等,1997);通過計算Lloyd平均擁擠度、聚塊指數(shù)、擴散系數(shù)以及負二項參數(shù),對種群空間分布格局進行分析,相關(guān)定義及計算方法見文獻(鄭元潤,1997)。
2結(jié)果與分析
2.1 植物組成特征
樣地內(nèi)黃山松群落分布有木本植物共59科108屬219種。其中薔薇科(22種)、殼斗科(20種)、樟科(18種)、冬青科(15種)等占據(jù)優(yōu)勢,主要優(yōu)勢樹種包括喬木層的黃山松、馬尾松、木荷、紅楠、
兩廣楊桐、羅浮栲等,灌木層的腫節(jié)少穗竹、崗柃、窄基紅褐柃、短尾越桔、滿山紅等。
樣地內(nèi)優(yōu)勢樹種均為常綠種。Hubbell、Foster把單位公頃個體數(shù)少于等于1的種定義為稀有種,1~10的為偶見種(楊慶松等,2011)。黃山松群落固定樣地中喬木層稀有種數(shù)(74種,占33.79%)低于灌木層(99種,占45.21%),灌木層偶見種數(shù)(54種,24.66)低于喬木層(56種,25.57%),喬木層只有1株物種的有25個,灌木層有46個。
由表1可知,平均胸徑最大的樹種為馬尾松(17.56 cm),羅浮栲(14.15 cm)和杉木(14.49 cm)胸徑均值較為接近,黃山松平均胸徑為11.59 cm,由大到小排序,位于第7。胸高斷面積排在前五位的樹種為馬尾松、羅浮栲、杉木、紅楠和黃山松。所有喬木樹種平均胸高斷面積為144.85 cm2,胸高斷面積之和為1 251 089 cm2,黃山松占總體胸高斷面積的87.66%。
調(diào)查樣地內(nèi)重要值≥1的灌木有16種(表2),重要值最大的前三個物種為腫節(jié)少穗竹、崗柃、窄基紅褐柃,依次為12.06、9.65、7.92。個體數(shù)量按從多到少排序前三的物種為崗柃、華麗杜鵑、窄基紅褐柃。腫節(jié)少穗竹萌生枝數(shù)最多(6 252株)占總體的37%,崗柃(2454株)占14.56%,居其次。此16種灌木個體數(shù)占樣地內(nèi)灌木總個體數(shù)的80.02%。平均高度最大的是格藥柃(3.72 m),江南山柳(2.71 m)和兩廣楊桐(2.44 m)次之。
2.2 分布區(qū)類型
由表3可知, 樣地內(nèi)熱帶區(qū)系類型和溫帶區(qū)系類型的科分別占總科數(shù)的74.58%和25.42%,其中熱帶區(qū)系類型的科以泛熱帶區(qū)系為主,主要是大戟科、樟科、山茶科等,占總科數(shù)的32.19%。溫帶區(qū)系類型的科中以北溫帶區(qū)系為主,占總科數(shù)的15.25%。樣地內(nèi)熱帶區(qū)系類型和溫帶區(qū)系類型的屬分別占總數(shù)的52.78%和43.52%。熱帶區(qū)系類型中泛熱帶的屬所占比例最高,主要包括大青屬、冬青屬、榕屬等,占總屬數(shù)的20.37%。溫帶區(qū)系屬種以北溫帶分布類型的屬數(shù)最多,包括李屬、櫟屬、槭樹屬等,占總屬數(shù)的20.37%。世界廣布科有14科,占23.73%,主要包括???、榆科、薔薇科等,屬有4屬。中國特有屬包括箬竹屬、杉木屬、少穗竹屬等。總體而言,熱帶分布區(qū)系類型科屬多于溫帶分布區(qū)系類型科屬。
2.3 徑級結(jié)構(gòu)
徑級結(jié)構(gòu)是植物群落穩(wěn)定性和生長發(fā)育狀況的重要指標。樣地內(nèi)共有喬灌木獨立個體32 603株, 其中喬木層胸徑最大的是東南石櫟為111 cm,甜櫧最大胸徑62 cm居其次。樣地內(nèi)所有喬木平均胸徑為10.19 cm。由圖2可知,樣地內(nèi)黃山松和重要值前五位的樹種胸徑分布明顯呈現(xiàn)倒“J”形,表明黃山松群落處于穩(wěn)定與正常生長的狀態(tài)。黃山松(5~7 cm) 和馬尾松(5~11 cm) 初始徑級個體數(shù)圖 1黃山
并不是最多,分別在7~9 cm和11~17 cm處呈“峰形”分布,后呈倒“J”形。木荷、紅楠、羅浮栲隨著胸徑變大,個體數(shù)逐漸減少, 而兩廣楊桐則急劇減少,其5~11 cm胸徑的個體數(shù)占據(jù)了58.67%。根據(jù)實際測量,采取下限原則,將胸徑劃分為3個等級:小徑木(5~10 cm)、中徑木(10~20 cm)、大徑木(>20 cm)。統(tǒng)計得知,樣地DBH<20 cm的喬木個體數(shù)占樣地內(nèi)喬木總數(shù)的92.37%,小徑木和中徑木分別占48.43%和44.3%,大徑木僅占7.54%,為最小比例。黃山松群落DBH<20 cm的占黃山松總體的94%,中徑木所占比例大于小徑木,接近半數(shù)。中小徑級個體數(shù)和大徑級個體數(shù)差異很大,表明戴云山目前生境適宜黃山松等優(yōu)勢樹種的生存,且種群自我更新情況良好。
2.4 垂直結(jié)構(gòu)
通過對樣地內(nèi)黃山松及其他優(yōu)勢樹種的樹高分類統(tǒng)計(圖3)可以看出,樣地內(nèi)優(yōu)勢種樹高個體數(shù)基本呈現(xiàn)峰形分布的凸形曲線。黃山松樹高6~8 m個體數(shù)最多,其次為4~6 m個體數(shù)最多, 4~10 m黃山松占總體的75.44%。木荷各徑階樹高個體數(shù)分布趨勢與黃山松接近,4~10 m的個體數(shù)占總個體數(shù)的81.85%。紅楠6~8 m個體數(shù)最多,占35.37%,兩廣楊桐 4~6 m個體數(shù)占總體的52.55%。羅浮栲各徑級分布較平均。
灌木樹高分布基本呈倒“J”形或近似倒“J”形。各個物種樹高大部分在2 m以下。崗柃0~1 m和1~2 m個體數(shù)相當,窄基紅褐柃1~2 m個體數(shù)最多。短尾越桔0~1 m個體數(shù)占最大比例。滿山紅和映山紅分布較為平均,但1~2 m個體數(shù)仍占最大比例。
2.5 空間分布格局
種群空間格局反映的是一定環(huán)境因子對個體行為、生存和生產(chǎn)的影響,是分析種內(nèi)和種間競爭、種子擴散、干擾等生態(tài)過程的基礎(chǔ)(Druckenbrod et al,2005;Nathan,2006)。物種空間分布格局能夠反映環(huán)境因子對植物個體生存、生產(chǎn)、更新的影響。通過對喬木和灌木的空間格局分析(表4,表5)可見,采用方差均值比率法,計算結(jié)果表明喬灌木各優(yōu)勢種均呈聚集分布。利用聚集強度指數(shù)進行分析驗證發(fā)現(xiàn)叢生指數(shù)皆大于1,負二項參數(shù)較小,平均擁擠度遠大于1,擴散系數(shù)大于1,可以推斷喬木層優(yōu)勢樹種呈集群分布。聚集程度前三位(由高到低)的是青岡、羅浮栲、木荷,黃山松的聚集程度最低,兩廣楊桐 、馬尾松、紅楠的聚集程度相近。灌木層優(yōu)勢種也呈集群分布,聚集程度高的物種是黃瑞木、巖柃、腫節(jié)少穗竹。聚集程度低的物種為崗柃和短尾越桔。
3討論與結(jié)論
監(jiān)測目的決定監(jiān)測內(nèi)容、指標和技術(shù)方法(徐海根等,2013)。固定樣地的建立以黃山松群落本底調(diào)查為目的,用以監(jiān)測整個保護區(qū)內(nèi)黃山松群落物種組成、群落結(jié)構(gòu),以期揭示黃山松群落生境維持機制,在物種角度驗證生態(tài)學假說。以大樣地的方式取樣跨度過大,實現(xiàn)難度高,局限于固定地塊,對氣候的反映不敏感。網(wǎng)格均勻布點取樣,覆蓋范圍廣,各樣地間海拔、坡度、坡向等環(huán)境因素空間異質(zhì)性強烈。與1 hm2大樣地進行比較不僅能反映取樣差異對物種多樣性監(jiān)測的影響,也能發(fā)現(xiàn)連續(xù)性樣地和網(wǎng)格布點樣地內(nèi)黃山松群落維持機制的共性與差異。
3.1 物種多樣性及區(qū)系類型
就物種多度而言,固定樣地內(nèi)木本植物達到59科108屬219種,1 hm2樣地物種多度為108種,隸屬于34科61屬, 物種數(shù)相差一倍。黃山松固定樣地中稀有種和偶見種分別占33.79%和25.57%,與其他大樣地(古田山、天童山、八大公山、武夷山)面積雖然不同,所占比例相似;金毛狗、福建柏、樂東擬單性性木蘭、閩楠等國家二級保護植物,浙江桂、厚殼桂、多脈青岡等省級重點保護植物,長耳玉山竹、福建含笑等戴云山特有植物(鄭世群,2013)也出現(xiàn)在樣地中,而1 hm2樣地中并未涵蓋??梢娒娣e增大, 物種數(shù)增加, 毋庸置疑。優(yōu)勢物種不同,1 hm2
樣地中,喬木層優(yōu)勢樹種較少,除黃山松外,僅有江南山柳和紅楠,其他均為灌木。固定樣地中優(yōu)勢種的數(shù)量明顯增多,喬木層的馬尾松、木荷、杉木、羅浮栲,灌木層的腫節(jié)少穗竹、烏藥、黃瑞木、箬竹等物種出現(xiàn),這與海拔跨度大有關(guān)。就保護區(qū)內(nèi)主要群落而言,固定樣地的研究結(jié)果更符合戴云山實際(鄭世群等 2012;劉金福等 2013)。同時,也不難發(fā)現(xiàn),無論取樣地區(qū)、取樣面積如何變化,崗柃、窄基紅褐柃、兩廣楊桐、短尾越桔、鹿角杜鵑等物種在黃山松群落均有大量分布(朱德煌等,2012;蘇松錦等,2015)。
區(qū)系特點來看,同緯度地區(qū)的大樣地均表現(xiàn)出同一特點:熱帶分布的科屬多于溫帶分布的科屬,其中熱帶分布類型中以泛熱帶分布比例最大,溫帶分布科屬以北溫帶數(shù)量最多。戴云山黃山松群落也表現(xiàn)出相同的特征,與其所處的地理位置相符。具體科屬所占比例差異,是戴云山地處中亞熱帶南緣,地勢較高、地形復雜,生境類型多樣所致。總體上熱帶性質(zhì)較顯著,具有一定程度的南亞熱帶性質(zhì)。
3.2 垂直結(jié)構(gòu)和胸徑分布
林木徑級和樹高分布結(jié)構(gòu)是森林生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分。戴云山黃山松群落大樣地內(nèi)喬木層和黃山松種群的徑級樹高都呈現(xiàn)倒“J”形(胸徑低于20 cm,樹高在4~10 m之間的黃山松占據(jù)主體)總體看來群落更新良好,與蘇松錦等(2015)、朱德煌等(2012)研究結(jié)果一致。但在實際調(diào)查中發(fā)現(xiàn),由于黃山松群落跨越海拔、區(qū)域尺度大,受自然環(huán)境資源異質(zhì)性的影響,各小樣地黃山松徑級分布存在差異。高海拔(1 500~1 700 m)黃山松群落受到大風、土壤等自然因素影響,生長緩慢,同時由于光照充足,人為干擾少,其幼苗、幼樹更新狀況也比其他地區(qū)好,小徑木數(shù)量多。海拔1 300~1 400 m黃山松純林分布廣,密度大,各個徑級黃山松均有分布。林木個體之間處在水、肥、氣、熱和營養(yǎng)空間方面激烈競爭階段,大徑木較少,密度制約下枯木倒木也多分布于此區(qū)域。低海拔地區(qū)針闊混交,灌木茂盛,喬木層郁閉度大,隨著氣候的變化低海拔物種逐漸向較高海拔擴張,黃山松的適宜生境范圍逐漸上移,海拔900 m處已逐漸減少,小徑級居多。
大徑木比例小是南方山區(qū)較為普遍的現(xiàn)象,就南方地區(qū)所建立的大型監(jiān)測樣地來看,面積雖有差異,但樣地內(nèi)小徑木占比例均最大,可能是種群、種間競爭激烈,物種更替頻繁,群落組成不穩(wěn)定,處于受到一定程度干擾后的恢復演替階段(丁暉等,2015)。人為干擾也是徑級分布的重要影響因素,由于樣地范圍廣,面積大,各地原因存在差異,部分黃山松群落是封山育林之后的天然次生林,生長年限短,樹高、胸徑偏小。DBH<10 cm的喬木和黃山松個體數(shù)均占各徑階的最大值,大徑木和特大徑木比例不到8%,黃山松甚至出現(xiàn)徑階缺失的現(xiàn)象,不排除靠近居民區(qū)的大徑木被偷盜砍伐的可能性。因而,各地區(qū)林木小徑級均占優(yōu)勢,而具體環(huán)境不同,未來演替方向也有待繼續(xù)監(jiān)測。
3.3 空間分布格局
種群空間分布格局依賴于研究尺度(蘇松錦等,2015)。戴云山固定樣地內(nèi)黃山松群落喬灌木優(yōu)勢種均呈聚集分布,與蘇松錦1 hm2樣地研究結(jié)果一致。蘇松錦等(2015)的研究認為,1 hm2樣地內(nèi)黃山松隨機分布的地區(qū)是受地形影響,地形平坦、高程較低易出現(xiàn)均勻分布。在固定樣地中,取樣地形多種多樣,黃山松群落亦為集群分布。Oring統(tǒng)計分析表明,0~26 m范圍內(nèi)黃山松群落喬木層會呈現(xiàn)集群分布的狀態(tài)。固定樣地內(nèi)物種呈聚集分布可能是采樣方法不同,單個樣地尺度低于26 m所致。除取樣差異外,物種本身所處演替階段,及其群落物種特性也會是影響物種分布格局的因素(丁暉等,2015)。黃山松群落的徑級樹高分布狀態(tài)表明群落仍在演替初期,即隨著種群的發(fā)育,個體年齡和體積的增大,群落內(nèi)物種對環(huán)境要求也將提高,自疏與他疏作用會使群落逐漸向均勻分布和隨機分布過渡(伊力塔等,2008)。未來隨著氣候的變化,可能會對黃山松的種群格局產(chǎn)生負向影響。同時,野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),很多地區(qū)是荒廢的耕地,部分喬木是在封山育林之后逐漸成長起來的,集群分布現(xiàn)象明顯,表明人為因素也可能影響群落空間分布。就集群程度來看,鹿角杜鵑、格藥柃、兩廣楊桐、馬醉木是黃山松群落亞林層,為黃山松伴生樹種,生境適應能力強,在戴云山廣泛分布,集群程度高。紅楠、楊梅、黃山松對海拔的適應狀況不同,在900~1 700 m均有分布,集群程度沒有其他樹種高。黃瑞木生境適應能力強,腫節(jié)少穗竹、崗柃枝叢數(shù)多,聚集程度遠高于其他灌木。集群程度也一定程度上反映了物種特性。
通過固定樣地的建立對戴云山黃山松群落進行監(jiān)測,在不同尺度范圍下,黃山松種群如何維持,作為先鋒樹種其今后的演替方向如何,不同取樣方式下監(jiān)測結(jié)果是否相同,如何解釋物種徑級結(jié)構(gòu)、空間分布格局上的差異,上述問題的回答,有待于做深入分析和探討。固定樣地物種組成和群落結(jié)構(gòu)的分析,是研究黃山松種群物種共存機制、更新演替規(guī)律的第一步,也為生物多樣性的監(jiān)測和維持提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
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