張海歐

（1陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，國(guó)土資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，西安710075；2西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安710048）

0 引言

毛烏素沙地是中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)的典型代表，生態(tài)環(huán)境脆弱并威脅北方地區(qū)的生態(tài)安全。區(qū)內(nèi)存在沙地沙漠化嚴(yán)重和砒砂巖區(qū)水土流失嚴(yán)重等兩大危害，長(zhǎng)期以來(lái)的治理雖然取得了一定成效[1-3]，但仍較為有限，未從根本上解決區(qū)內(nèi)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，加劇了陜西省土地資源供需矛盾，為了緩解矛盾，增加耕地資源，焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向了具有光熱資源豐富的陜北地區(qū)，毛烏素沙地面積廣，具有巨大的挖掘潛力。但因改造難度大、投資高、耗水多，無(wú)法規(guī)模化利用，沙地中被稱為“環(huán)境癌癥”的砒砂巖因水土流失嚴(yán)重治理更為困難。因此，沙和砒砂巖的同時(shí)治理與利用是國(guó)土資源領(lǐng)域的重大難題。充分挖掘陜北地區(qū)糧食潛力，對(duì)毛烏素沙地進(jìn)行土地開(kāi)發(fā)整理的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何使土地能夠可持續(xù)利用。本文對(duì)毛烏素沙地綜合整治現(xiàn)狀分析和存在問(wèn)題進(jìn)行了探討，其次對(duì)毛烏素沙地開(kāi)展土地綜合整治的緊迫性與可行性進(jìn)行了分析，最后提出了毛烏素沙地綜合整治新思路，以期為中國(guó)毛烏素沙地綜合整治提供方法借鑒和參考。

1 沙地治理的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外研究進(jìn)展

1992年聯(lián)合國(guó)召開(kāi)了100多個(gè)國(guó)家元首和政府首腦參加的“國(guó)際環(huán)境與發(fā)展大會(huì)”，指出當(dāng)前的主要環(huán)境問(wèn)題一是工業(yè)化的廢水、廢氣、廢渣帶來(lái)的環(huán)境污染，另一個(gè)就是過(guò)度的開(kāi)發(fā)自然資源導(dǎo)致的森林銳減、水土流失、土地的沙漠化。47屆聯(lián)大根據(jù)“環(huán)發(fā)”大會(huì)的決定于1993年6月在內(nèi)羅畢召開(kāi)了“防治沙漠化國(guó)際公約談判會(huì)”，建立了治理沙漠化的全球性合作體制[4]。

在100多年以前，風(fēng)蝕荒漠化、沙漠化的治理已經(jīng)進(jìn)行研究。20世紀(jì)初，美國(guó)的中西部地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致沙塵暴發(fā)生頻繁，風(fēng)蝕過(guò)程的荒漠化迅速發(fā)展，引起了學(xué)者們和政府的關(guān)注，美國(guó)開(kāi)始系統(tǒng)的土壤風(fēng)蝕研究，其農(nóng)業(yè)部專(zhuān)門(mén)成立了水土保持局[5]。蘇聯(lián)在20世紀(jì)30年代修筑中亞鐵路過(guò)程中，啟動(dòng)了鐵路沿線的風(fēng)沙危害防治研究。60年代末到70年代初，非洲“Sahel”地區(qū)持續(xù)大旱，沙漠化迅速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)停滯，導(dǎo)致這一地區(qū)的政局動(dòng)蕩，引起各方對(duì)沙漠治理的高度重視。聯(lián)合國(guó)于1975年通過(guò)了“向荒漠化進(jìn)行斗爭(zhēng)行動(dòng)計(jì)劃（第3337號(hào)決議）”，1977年聯(lián)合國(guó)召開(kāi)了“世界荒漠化大會(huì)(UNCD)”。之后，各國(guó)相繼加強(qiáng)了對(duì)荒漠化治理的研究。其中，美國(guó)的研究多集中在土壤侵蝕過(guò)程，并在風(fēng)沙動(dòng)力學(xué)研究方面取得了較快進(jìn)展，但由于缺乏對(duì)土壤風(fēng)蝕物理過(guò)程和機(jī)制的深入研究，使得眾多風(fēng)蝕理論與方案往往彼此分歧，簡(jiǎn)單地推廣基于某一地域的數(shù)據(jù)的風(fēng)蝕模型可能導(dǎo)致很大的誤差。蘇聯(lián)主要集中于沙漠化農(nóng)田改造及鐵路的工程和生物防沙方面的研究工作，并在沙地水循環(huán)過(guò)程和植被的恢復(fù)演替過(guò)程研究中取得了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)和成果；沙地治理方面很多有益的工作歐美國(guó)家以及以色列、日本等國(guó)在非洲、中東、南美洲等都已經(jīng)開(kāi)展，其中“沙漠化物理過(guò)程”、“沙漠化生態(tài)農(nóng)業(yè)”等研究就頗具代表性；非洲則主要集中于土地沙漠化的防治和如何提高旱地的生產(chǎn)力方面的研究[6]。

從國(guó)外對(duì)沙地治理研究現(xiàn)狀來(lái)看，主要集中于以下幾方面：研究砂粘混合土在固結(jié)測(cè)試中的微結(jié)構(gòu)變化[7]；調(diào)查研究沙漠環(huán)境中的典型沙丘的土壤水分和溫度模式，選擇裸土和植被土壤樣帶用于觀察土壤水分和溫度[8]；研究一種方法用于估算沙漠地區(qū)塌陷土和砂混合土的永久變形，混合土用于路面施工[9]；研究膨潤(rùn)土和沙土混合的滲透性和可壓縮特性[10]；研究半干旱地區(qū)的本地土壤和保水技術(shù)[11]；研究在半干旱津巴布韋地區(qū)，保護(hù)性耕作方法對(duì)土壤水分狀況的影響[12]；研究了德國(guó)東北風(fēng)沙土的保護(hù)性耕作[13]；公開(kāi)一種用于人造干海灘規(guī)劃用土的混合土，混合土地由海底清淤的砂土和粘土地混合而成，其滲透系數(shù)為1×10-4cm/s或以上[14]。Reynolds等[15]研究總結(jié)出了荒漠化、社會(huì)與環(huán)境變化、消除貧窮等方面的進(jìn)展、經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，提出了集成生物多樣性安全、土地退化、消除貧窮以及文化保護(hù)等方面的荒漠化和干旱區(qū)開(kāi)發(fā)范式。

1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

治理、開(kāi)發(fā)、建設(shè)沙漠是中國(guó)基本國(guó)策、長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。為改造治理沙漠，1991年林業(yè)部在蘭州召開(kāi)了“全國(guó)治沙工作會(huì)議”，由國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)成立了全國(guó)治沙協(xié)調(diào)小組，制定了治沙十年規(guī)劃。1993年又在內(nèi)蒙赤峰市召開(kāi)了“全國(guó)防沙治沙工程建設(shè)會(huì)議，更把治沙當(dāng)成重要的建設(shè)項(xiàng)目納入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃，有規(guī)劃、有規(guī)模、有目標(biāo)的對(duì)沙漠進(jìn)行治理[4]。

從國(guó)內(nèi)對(duì)沙地利用研究現(xiàn)狀來(lái)看，主要集中于以下幾方面：沙土和鹽堿土混合成沙堿土進(jìn)行造田，研究混合后的沙堿土特性，當(dāng)鹽堿土中混入40%～60%的沙丘風(fēng)沙土?xí)r，可滿足種植玉米、向日葵等旱作作物的條件[16]；將沙土與煤矸石按照不同的比例進(jìn)行混合，在混合土壤中種植當(dāng)?shù)靥卣髦参锕茸雍忘S豆，然后利用不同比例下作物的生長(zhǎng)狀況得出沙土和煤矸石的最佳混合比例[17]；毛烏素沙地推平后通過(guò)混合黃土或者其它改良劑改善沙地的立地條件，建設(shè)防護(hù)林或者種植植被固定沙地的新模式[18]；研究用泥炭改良風(fēng)沙土的方法，改良風(fēng)沙土用于種植大白菜[19]；研究在砒砂巖地區(qū)利用沙棘植物的攔沙作用、沙棘人工林地土壤水分物理性質(zhì)、沙棘植物對(duì)土壤改良效應(yīng)等[20-22]；研究砒砂巖巖性特征對(duì)抗侵蝕性影響[23]；調(diào)研砒砂巖區(qū)水土流失治理措施[24]；研究砒砂巖區(qū)復(fù)合農(nóng)林系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)與模式[25]；研究榆林毛烏素沙地固沙林地土壤質(zhì)量演變機(jī)制[26]；以及研究固沙保水植草種樹(shù)綠化沙漠的方法[27]。

從時(shí)序上看，20世紀(jì)50年代至90年代初期，毛烏素沙地的荒漠化擴(kuò)展迅速，只是一些局部區(qū)域植被在一定程度上得到了恢復(fù)。荒漠化的迅速擴(kuò)展主要原因是人類(lèi)在發(fā)展過(guò)程中不合理的活動(dòng)所造成，除此之外，自然環(huán)境因素（例如氣候波動(dòng)）對(duì)荒漠化的擴(kuò)展也有一定的影響[28]。進(jìn)入21世紀(jì)后，生態(tài)建設(shè)成為西部大開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一，一些企業(yè)進(jìn)入治沙行業(yè)，充分利用沙漠資源開(kāi)發(fā)新產(chǎn)業(yè)，如沙柳、甘草、沙棘等沙產(chǎn)業(yè)和飼草料加工等草產(chǎn)業(yè)以及沙產(chǎn)業(yè)、林產(chǎn)業(yè)等，推動(dòng)了防沙治沙工程的發(fā)展。由此，毛烏素地區(qū)以治理為目的和手段的沙漠化治理效果明顯。近年來(lái)，毛烏素沙地通過(guò)退耕還林還草措施、水土保持工程、生態(tài)環(huán)境綜合治理等生態(tài)建設(shè)與生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施，使得沙漠化治理取得了一定成效，毛烏素地區(qū)出現(xiàn)了“整體遏制，局部好轉(zhuǎn)”的良好態(tài)勢(shì)。但是，在西部和北部的毛烏素地區(qū)荒漠化擴(kuò)展的趨勢(shì)仍較嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)治理措施，只是在某些局部地區(qū)，植被在一定程度得到了恢復(fù)，毛烏素沙地沙漠化防治任務(wù)依然艱巨[29]。

2 毛烏素沙地綜合整治現(xiàn)狀分析和存在問(wèn)題

2.1 毛烏素沙地綜合整治現(xiàn)狀

全國(guó)沙漠化普查結(jié)果表明，毛烏素沙地總面積為7.84萬(wàn)km2，占全國(guó)沙區(qū)總面積的4.25%。自然氣候條件和人文活動(dòng)干擾的綜合影響，毛烏素沙地的沙漠化態(tài)勢(shì)明顯加劇，對(duì)中國(guó)北方地區(qū)的生態(tài)安全造成巨大沖擊。毛烏素沙地屬于生態(tài)脆弱區(qū)，廣泛分布著砒砂巖，近幾十年來(lái)，砒砂巖區(qū)內(nèi)的許多縣區(qū)均開(kāi)展了砒砂巖區(qū)域的治理工作，采用機(jī)械、化學(xué)和生物固沙的措施，使毛烏素地區(qū)沙地的快速擴(kuò)張?jiān)谝欢ǔ潭壬铣尸F(xiàn)出良好的局面。但是，沙地未治理的面積仍占較大比例，由于毛烏素地區(qū)沙地土壤貧瘠，肥料短缺，作物產(chǎn)量受到嚴(yán)重影響。而且隨著快速工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展，人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)加劇，特別是能源開(kāi)采、水資源開(kāi)發(fā)、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整仍會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)建設(shè)、沙漠化防止帶來(lái)新的沖擊和壓力，因而科學(xué)協(xié)調(diào)保障發(fā)展與保護(hù)生態(tài)環(huán)境的關(guān)系事關(guān)生態(tài)脆弱地區(qū)的資源可持續(xù)利用。

為了改善農(nóng)、牧業(yè)的生產(chǎn)條件、遏制荒漠化迅速擴(kuò)展，防治風(fēng)沙危害和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，研究者提出[31]了多種針對(duì)毛烏素沙地治理及生態(tài)修復(fù)的措施，然而這些措施的實(shí)施受到了當(dāng)?shù)氐耐寥篮退謼l件的限制[32]。境內(nèi)風(fēng)沙土基質(zhì)為沙土或細(xì)沙粒，土壤無(wú)發(fā)育，粒徑在1～0.25mm的沙粒約75%，0.25～0.05mm的約占20%，土壤結(jié)構(gòu)疏松，保水保肥性差，有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量很少，水分的深層損失量大、有效利用率很低。僅靠植被的自然恢復(fù)短期內(nèi)很難達(dá)到恢復(fù)植被的目的。因此，對(duì)于毛烏素沙地的治理及綜合利用新模式需要將生物固沙與工程固沙措施結(jié)合起來(lái)[33]。王仁德[34]提出了沙丘推平-沙地改良-打井灌溉-植被固沙-綜合利用5個(gè)主要環(huán)節(jié)的沙地治理新模式，核心問(wèn)題是沙地改良。沙地改良的方法中，比較常用、易于施工的方法就是將沙土與黃土按照一定配比混合，以改變沙土的物理、化學(xué)性質(zhì)，增加土壤保水保肥性能。但在毛烏素沙地的治理中采用沙土與黃土混合的方法很難實(shí)行，主要是由于當(dāng)?shù)攸S土土源距離較遠(yuǎn)，拉土成本太高；其次，在陜北黃土高原溝壑區(qū)，黃土的大量開(kāi)采會(huì)加速環(huán)境惡化和水土流失。

2.2 毛烏素沙地開(kāi)展土地綜合整治的緊迫性與可行性分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速向前發(fā)展，對(duì)土地利用需求量激增。根據(jù)現(xiàn)階段中國(guó)的基本國(guó)情，既要保障各個(gè)重點(diǎn)、大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地，又要堅(jiān)守“十八億畝”耕地紅線，保障發(fā)展與保護(hù)耕地的“雙?！眽毫Σ粩嘣龃?，破解土地供需矛盾迫在眉睫。

按照學(xué)術(shù)界用得較多的黃委會(huì)綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站“晉陜蒙接壤區(qū)砒砂巖分布范圍及類(lèi)型區(qū)劃分”得出的面積數(shù)據(jù)，王愿昌等[24]在以往研究成果基礎(chǔ)上的補(bǔ)充完善，突破了晉陜蒙接壤區(qū)這一范圍，而是以此為中心，得到砒砂巖區(qū)總面積1.67萬(wàn)km2，毛烏素沙地總面積為7.84萬(wàn)km2，廣泛分布著砒砂巖，沙地面積廣，將二者就近進(jìn)行復(fù)配成土研究，營(yíng)造土地健康和可持續(xù)的生命力，為緩解人地矛盾具有重要的意義。

中國(guó)耕地面積減少的重要原因之一是土地退化，而中國(guó)土地退化的重要類(lèi)型之一則是沙漠化。中國(guó)的四大沙區(qū)之一——毛烏素沙地，光熱資源豐富，面積廣闊，具有巨大的挖掘和開(kāi)發(fā)潛力。但在毛烏素沙地境內(nèi)，砒砂巖的水土流失和土地沙漠化嚴(yán)重，使得沙地境內(nèi)的資源化利用和可持續(xù)發(fā)展受到了嚴(yán)重的制約。

3 毛烏素沙地綜合整治新思路

在毛烏素沙地，廣泛分布著砒砂巖和沙，砒砂巖質(zhì)地粘重，遇水板結(jié)，導(dǎo)水性能低，透水性差，熟化程度低，遇水流失嚴(yán)重，但砒砂巖持水保水性能較強(qiáng)，而沙通體無(wú)結(jié)構(gòu)，漏水漏肥嚴(yán)重，砒砂巖和沙在當(dāng)?shù)夭⒎Q為“兩害”[30]，也是造成當(dāng)?shù)厮亮魇?，耕地減少的主要原因。如何變“兩害”為一寶？研究者[36-40]從資源合理利用的角度出發(fā)，遵循區(qū)域生態(tài)環(huán)境平衡的規(guī)律，就地取材，利用兩者在成土中的互補(bǔ)性，將砒砂巖與沙按不同的比例復(fù)配成土，揭示其成土機(jī)理，既可解決沙土黏著力差、易被風(fēng)吹揚(yáng)和滲透能力太強(qiáng)漏水漏肥的問(wèn)題，也可以改善砒砂巖粘重、易板結(jié)的特點(diǎn)，使土壤兼?zhèn)渫笟馔杆院捅Ｋ７市?，探索出了沙地和砒砂巖規(guī)?；卫砗唾Y源化利用的新模式。并采取新思路在復(fù)配成土技術(shù)上取得了一定的突破，將砒砂巖與沙復(fù)配成土的技術(shù)應(yīng)用于造田工程，并在榆林市小紀(jì)汗鄉(xiāng)大紀(jì)汗村得以推廣應(yīng)用。砒砂巖與沙復(fù)配成土技術(shù)的研究與應(yīng)用推進(jìn)了土地整治工程領(lǐng)域的發(fā)展，開(kāi)啟了土地整治，保護(hù)耕地的新篇章。

Han等[35]基于沙地土壤膠體極為欠缺、穩(wěn)定性與協(xié)調(diào)性、抗逆性極差這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，針對(duì)毛烏素地區(qū)砒砂巖水土流失和土地沙漠化嚴(yán)重的“兩害”難題，研究發(fā)現(xiàn)砒砂巖與沙兩種物質(zhì)結(jié)構(gòu)具有互補(bǔ)性，兩者結(jié)合后可通過(guò)耕作層有機(jī)重構(gòu)的途徑同步實(shí)現(xiàn)固沙、節(jié)水節(jié)肥的目的，從而探索出了沙與砒砂巖規(guī)?；卫砗唾Y源化利用的新模式。

毛烏素沙地地處中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，屬生態(tài)環(huán)境極度脆弱區(qū)，土地沙化，經(jīng)濟(jì)滯后。治沙與生態(tài)重建，推動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展是區(qū)域面臨的首要任務(wù)。Han等[35]開(kāi)展了砒砂巖與沙復(fù)配成土關(guān)鍵技術(shù)研究。在綜合調(diào)研的基礎(chǔ)上，將利用當(dāng)?shù)刎S富的光熱資源，恢復(fù)生態(tài)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為主要目標(biāo)，實(shí)施“構(gòu)建良好的物理質(zhì)量，改土固沙、營(yíng)造沙地植被生長(zhǎng)條件和穩(wěn)定生產(chǎn)環(huán)境”為特色的土體有機(jī)重構(gòu)。根據(jù)砒砂巖“無(wú)水堅(jiān)硬如石，遇水松軟如泥”的基本特征，利用土地工程手段將砒砂巖中“膠體”物質(zhì)移植到沙中，促進(jìn)沙快速成土成壤。在傳統(tǒng)沙地治理基礎(chǔ)上，將沙地粒級(jí)配置、土壤培肥、節(jié)水灌溉、水肥一體化、篩選與培植適于旱生、沙生環(huán)境的植被作為主要研究?jī)?nèi)容，探索“砒砂巖與沙物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性能互補(bǔ)，復(fù)配成耕作土壤”的科學(xué)性，開(kāi)發(fā)沙地人工快速成土綜合整治與合理開(kāi)發(fā)利用模式。

砒砂巖和沙是毛烏素沙地的重要物質(zhì)成分，前者裸露風(fēng)化后遇風(fēng)起塵、遇水流失，后者結(jié)構(gòu)松散、漏水漏肥，研究者通過(guò)對(duì)砒砂巖、沙及其復(fù)配土土壤特性、理化性質(zhì)、保水性、膠結(jié)力等的研究，創(chuàng)新性的發(fā)現(xiàn)了二者為具有明顯差異性、互補(bǔ)性特征的兩類(lèi)物質(zhì)，將砒砂巖與沙按照一定比例可以復(fù)配成土。砒砂巖的加入增強(qiáng)了沙地的保水性，增加了復(fù)配土的有效水分含量和持水時(shí)間；為固沙膠結(jié)提供了礦物、化學(xué)物質(zhì)及力學(xué)基礎(chǔ)，提高了固沙膠結(jié)能力，膠結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；砒砂巖豐富的粘粉粒含量有利于復(fù)配土表層形成2mm左右的土壤結(jié)皮，冬季還能在表層形成凍蓋層，具有顯著的固沙能力。而砒砂巖與沙復(fù)配成土的穩(wěn)定良性發(fā)展成為促進(jìn)毛素沙地區(qū)耕地可持續(xù)發(fā)展的重要前提。

利用砒砂巖和沙混合合成可耕種土壤，增加耕地面積，可以固沙、防止水土流失和改善生態(tài)環(huán)境。通過(guò)不同比例、不同級(jí)配的砒砂巖和沙的混合試驗(yàn)，確定了不同比例下合成土壤的質(zhì)地、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、毛管空隙、水分特征曲線等性質(zhì)指標(biāo)，分析該種復(fù)合土壤的保水、保肥特性，驗(yàn)證了復(fù)合土壤具有可耕性、保水性、保肥性及其作物種植的普適性。

4 結(jié)論

砒砂巖與沙復(fù)配成土關(guān)鍵技術(shù)，利用當(dāng)?shù)刎S富的光熱資源，恢復(fù)生態(tài)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為主要目標(biāo)，實(shí)施“構(gòu)建良好的物理質(zhì)量，改土固沙、營(yíng)造沙地植被生長(zhǎng)條件和穩(wěn)定生產(chǎn)環(huán)境”為特色的土體有機(jī)重構(gòu)。根據(jù)砒砂巖“無(wú)水堅(jiān)硬如石，遇水松軟如泥”的基本特征，利用土地工程手段將砒砂巖中“膠體”物質(zhì)移植到沙中，促進(jìn)沙快速成土成壤。在傳統(tǒng)沙地治理基礎(chǔ)上，將沙地粒級(jí)配置、土壤培肥、節(jié)水灌溉、水肥一體化、篩選與培植適于旱生、沙生環(huán)境的植被作為主要研究?jī)?nèi)容，探索“砒砂巖與沙物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性能互補(bǔ)，復(fù)配成耕作土壤”的科學(xué)性，開(kāi)發(fā)沙地人工快速成土綜合整治與合理開(kāi)發(fā)利用模式。砒砂巖與沙成土技術(shù)對(duì)于增加耕地面積、提高耕地質(zhì)量及實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用具有重要意義，該技術(shù)和成果已經(jīng)在毛烏素沙地的大面積推廣。

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