蔡建輝，顏七笙，王彥芳

(東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013)

0 引言

水資源作為一種戰(zhàn)略性資源，是人類經(jīng)濟(jì)、社會獲得發(fā)展進(jìn)步的必需自然資源。隨著經(jīng)濟(jì)全球化步伐的進(jìn)一步加深，人類活動對水資源的消耗和依賴逐步加大。與此同時，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)部門作為高耗水行業(yè)，更加劇了我國水資源短缺的嚴(yán)峻形態(tài)。在全球人類活動的總用水量中，農(nóng)業(yè)用水所占比重過半，如何逐步降低農(nóng)業(yè)對水資源的消耗、優(yōu)化高耗水農(nóng)作物的種植比例、提高用水效率，是擺在我們面前的一個新挑戰(zhàn)。在我國建設(shè)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的號召下，保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源的高效有機(jī)整合，能夠促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的協(xié)調(diào)發(fā)展，因此從水足跡的角度出發(fā)研究我國農(nóng)作物的水資源利用效率尤為重要。

2002年，荷蘭學(xué)者Hoekstra通過類比“生態(tài)足跡”的概念，首次提出了“水足跡”(Water Footprint)的概念，其內(nèi)涵為在一定的標(biāo)準(zhǔn)下，制造出一定的符合人們消費(fèi)的服務(wù)或者農(nóng)產(chǎn)品所耗費(fèi)的水的量，它表征的是在創(chuàng)造滿足人們基本生存的服務(wù)或產(chǎn)品時對現(xiàn)實(shí)中水資源量的耗費(fèi)程度[1-3]。一種特定農(nóng)產(chǎn)品的水足跡指在該農(nóng)產(chǎn)品整個生長周期中各種類型水足跡的總和[2，4]。水足跡理論以一種創(chuàng)新的方法從量化分析的視角描述了不同區(qū)域的淡水資源消費(fèi)狀況與水資源污染狀況。水足跡可以劃分為藍(lán)水足跡、綠水足跡及灰水足跡3種，其將虛擬形態(tài)的水與實(shí)物形態(tài)的水相結(jié)合，切實(shí)地反映了農(nóng)作物生長過程中所耗費(fèi)的水資源量與其所需水資源的構(gòu)成。國外學(xué)者Hoekstra等[5]分析了水足跡在水資源管理中的應(yīng)用前景，同時對水足跡量化與可持續(xù)評價框架進(jìn)行了初步構(gòu)建；Mekonnen等[6]在柵格尺度的基礎(chǔ)上構(gòu)建了動態(tài)水分平衡模型，并對全球主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了量化核算。在國內(nèi)，孫世坤、劉文艷、劉靜等[7]對河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了分析；石蒙蒙、薛興燕、趙勇等[8]對河南省水足跡的時空差異進(jìn)行了研究；田園宏、諸大建、王歡明等[9]對中國糧食作物水足跡進(jìn)行了核算；蓋力強(qiáng)、謝高地、李士美等[10]對華北平原小麥、玉米水足跡進(jìn)行了估算；何浩、黃晶、童文杰等[11]對湖南水稻水足跡進(jìn)行了研究。我國農(nóng)作物水足跡研究主要側(cè)重于東部、中部省份的一些主要作物上，對于我國西北干旱區(qū)的農(nóng)作物水足跡分析尚不多見。

中國是世界馬鈴薯總產(chǎn)最多的國家，甘肅省是我國馬鈴薯主要種植基地，尤其以定西市種植馬鈴薯最多，被稱為“中國馬鈴薯之鄉(xiāng)”。甘肅省馬鈴薯在我國馬鈴薯北方一作區(qū)中占有舉足輕重的作用。面對西北地區(qū)干旱缺水的自然條件，分析當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物的水資源利用狀況很有必要，對馬鈴薯水足跡的研究可以對今后在西北旱區(qū)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、調(diào)整高耗水作物的播種比例，以及科學(xué)管理水資源提供參考依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

甘肅省地處我國西北干旱半干旱區(qū)，降雨較少，加之近年來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，使得水資源總量由2003年的247.2億m3，下降到2015年的164.8億m3，人均水資源量2003年為951.6 m3，到2015年為635m3，水資源短缺。地理位置92°13′- 108°46′E，32°31′- 42°57′N，甘肅省東西約1 600km多，面積45.37萬km2，占全國總面積的4.72%[12]。氣候?qū)贉貛Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫在0～16℃之間；年降水量為36.6～734.9mm；海拔多為1 500～3 000m；全省現(xiàn)轄12個地級市，2個自治州，86個縣(市、區(qū))。

1.2 研究方法

1.2.1 藍(lán)水足跡

地下水與地表水的消耗指標(biāo)被稱為藍(lán)水消耗的指標(biāo)，即藍(lán)水足跡[2]。藍(lán)水足跡表征的是在一段特定時間內(nèi)對可用藍(lán)水量的消耗[13]。在農(nóng)作物的生長過程中，對藍(lán)水需求量的衡量一般采用灌溉用水指標(biāo)進(jìn)行分析，藍(lán)水主要來源于河流、湖泊以及地下含水層中的水資源[5，14]。則有

(1)

ETblue=max(0，ET0-Reff)

(2)

1.2.2 綠水足跡

綠水足跡是人們綠水使用的指標(biāo)。綠水是指源于降水，未形成徑流或未補(bǔ)充地下水，但儲存于土壤或暫時儲留在土壤或植被表面的水[2]。最終這部分水汽將通過蒸發(fā)或植被蒸騰的方式被消耗掉，綠水足跡是作物生長過程中消耗的雨水量，即降水通過下滲作用到達(dá)非飽和的土層以供作物生長所需的有效降水量[15]。則

(3)

ETgreen=min(ET0，Reff)

(4)

其中，WFgreen為綠水足跡(m3/a)；CWUgreen為馬鈴薯生長綠水耗水量(m3/hm2)；ETgreen為綠水蒸散發(fā)量(mm)。

通過美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的USDA Soil Conservation Service方式可以計(jì)算得到有效降水量Reff為

(5)

其中，R為降水量(mm)。

1.2.3 灰水足跡

將衡量水污染的規(guī)模和程度的指標(biāo)稱為灰水足跡，主要是通過將特定的污染物稀釋達(dá)到安全水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[16]所需的水量來體現(xiàn)[2]。其定義為在現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和自然本底濃度的基礎(chǔ)上，把特定的污染物負(fù)荷稀釋所需要的淡水資源的量[5]。則有

(6)

其中，WFgrey為灰水足跡(m3/a)；AR為單位面積的土地化肥施用量(kg/hm2)；將最終進(jìn)入水體中的污染物的量與該化學(xué)物質(zhì)施用總量的比值稱為淋失率α；Cmax為達(dá)到相應(yīng)水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)下污染物的最高濃度(kg/m3)；Cnat為受納水體的自然本底濃度(kg/m3)。

1.2.4 馬鈴薯生長過程水足跡

將馬鈴薯在其整個生長周期中的藍(lán)水、綠水、灰水足跡的量進(jìn)行求和，即得到馬鈴薯生長過程水足跡，其表征的是馬鈴薯在整個生長周期中所耗費(fèi)的水資源量，即

WF=WFblue+WFgreen+WFgrey

(7)

其中，WF為馬鈴薯生長過程水足跡(m3/a)。

1.2.5 馬鈴薯生長過程水足跡效率

為了進(jìn)一步研究甘肅省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值與馬鈴薯水足跡的關(guān)系，進(jìn)一步了解甘肅省馬鈴薯的用水實(shí)情，本研究構(gòu)建了水足跡效率這一指標(biāo)，即定義甘肅省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值與甘肅省馬鈴薯水足跡的比值為該地區(qū)的馬鈴薯水足跡效率，其內(nèi)涵為在單位水足跡上產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值數(shù)量，其值越大，水足跡的效率越高；其值越小，則水足跡效率越低[17]。具體計(jì)算公式為

(8)

其中，g為馬鈴薯水足跡效率(元/m3)；A_GDP為甘肅省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值(元)；WF為馬鈴薯水足跡(m3/a)。

1.3 GM(1,1)灰色預(yù)測模型

將一種對含有不確定因素的系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測的方法稱之為灰色預(yù)測法[18]。在對各系統(tǒng)因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析時，也可對一系列原始數(shù)據(jù)進(jìn)行生成處理操作，為的是探尋系統(tǒng)變化的規(guī)律，接著在通過生成存在較強(qiáng)規(guī)律性的數(shù)據(jù)序列，建立與之相對應(yīng)的微分方程模型，將事物未來的發(fā)展方向加以預(yù)測[19]。GM(1,1)模型原理：設(shè)時間序列t(t=1,2,…,n)x(0)有n個觀察值，x(0)(t)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)}，借助累加的方法生成新序列x(1)(t)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)}，則GM(1,1)預(yù)測模型微分方程為

(9)

預(yù)測模型為

(10)

其中，a和u皆代表參數(shù)，可以通過最小二乘法來估計(jì)。灰色GM(1,1)模型的預(yù)測精度主要是借助均方差比C和小誤差概率P的取值區(qū)間來檢驗(yàn)[19]，如表1所示。

表1 GM(1,1)灰色預(yù)測模型精度參照表Table 1 The accuracy reference table of GM(1,1) grey prediction model

1.4 數(shù)據(jù)來源

本研究中計(jì)算與馬鈴薯需水量、蒸散發(fā)量、有效降水量有關(guān)的年平均溫度、相對濕度、平均風(fēng)速、日照時數(shù)及年均降水量指標(biāo)的數(shù)據(jù)分別來自于中國氣象局國家氣象信息中心、《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》與《中國氣象年鑒》中關(guān)于甘肅省的數(shù)據(jù)；甘肅省馬鈴薯播種面積數(shù)據(jù)來源于《甘肅省統(tǒng)計(jì)年鑒》[12]。在對灰水足跡核算時，選取了主要污染物氮肥作為指標(biāo)，且取10%作為氮肥淋失率進(jìn)行計(jì)算[2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥主要淋失為硝態(tài)氮[14，20]，選取硝酸鹽(以N計(jì))的標(biāo)準(zhǔn)濃度限值為10mg/L，故Cmax為0.01kg/m3，Cnat為污染物在水體中的初始濃度，常以0計(jì)[5]。

另外，由于甘肅省特殊的氣候條件，甘肅省馬鈴薯生長周期一般為7個月，一年一熟，種植期通常為當(dāng)年4月份播種，10月份收獲。因此，在本研究中采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦軟件CropWat模擬甘肅省馬鈴薯需水量、有效降水量、蒸散發(fā)量時，選取了4-10月的數(shù)據(jù)作為一年的生長周期進(jìn)行核算，從而確保了甘肅省馬鈴薯水足跡的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘肅省馬鈴薯生長過程水足跡

在對甘肅省1993-2014年馬鈴薯生長過程水足跡進(jìn)行核算的過程中，借助了聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的CROPWAT 8.0模型來計(jì)算馬鈴薯生長期藍(lán)綠水的蒸散發(fā)量、需水量、有效降水量，如圖1所示。

甘肅省1993-2014年馬鈴薯生長過程水足跡整體呈波動上升態(tài)勢，馬鈴薯種植面積、農(nóng)業(yè)技術(shù)水平應(yīng)用、降水量的多少都是制約水足跡大小的因素。1993-2014年馬鈴薯生長過程水足跡的平均值為3.62×109m3/a，最大值出現(xiàn)在2013年為5.11×109m3/a，最小值出現(xiàn)在1993年為1.88×109m3/a。其中，藍(lán)水足跡占63.80%，綠水足跡占23.28%，灰水足跡占12.92%。

圖1 甘肅省1993-2014年馬鈴薯生長過程水足跡Fig.1 Water footprint of potato growth process in Gansu Province during 1993-2014

由此可知：在這22年間，甘肅省馬鈴薯生長過程水足跡的構(gòu)成比例為藍(lán)水足跡所占比重最大，綠水足跡次之，灰水足跡最小，同樣也表明了藍(lán)水在甘肅省馬鈴薯種植過程中起重要作用。

2.2 甘肅省馬鈴薯藍(lán)水、綠水、灰水足跡

1993-2014年甘肅省馬鈴薯生長過程的水足跡分別由其藍(lán)水、綠水、灰水足跡組成，其貢獻(xiàn)度為：藍(lán)水>綠水>灰水。藍(lán)水足跡在1993-2014年間，總體呈波動上升趨勢，局部年份受當(dāng)年降水、氣候、播種面積等影響有所回落，藍(lán)水足跡最大值出現(xiàn)在2007年為3.23×109m3/a，最小值出現(xiàn)在1993年為1.19×109m3/a。在1994-1995、1999-2000、2001-2003、2004-2005、2007-2010、2011-2012、2013-2014年間藍(lán)水足跡呈下降態(tài)勢，其余年份為遞增趨勢，尤以2005-2007年增幅最大，增加了49%，如圖2所示；這與甘肅省政府將2005年確定為“馬鈴薯產(chǎn)業(yè)年”，將2005年農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)資金的60%用于扶持馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的政策實(shí)施是分不開的，并且通過這一政策的實(shí)施，2007年甘肅省馬鈴薯產(chǎn)量首次突破了1 000萬kg大關(guān)，馬鈴薯已經(jīng)成為穩(wěn)定全省糧食安全的重要農(nóng)產(chǎn)品，并已躋身甘肅省戰(zhàn)略性主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)行列。

圖2 甘肅省1993-2014年馬鈴薯藍(lán)水、綠水、灰水足跡Fig.2 Blue-green-grey water footprint of potato in Gansu Province during 1993-2014

綠水足跡在這22年間，總體呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，整體變化幅度較??；在1993-1994、1996-1997、1999-2000、2007-2009、2013-2014年間為下降趨勢，其余年份為小幅上升趨勢；其最大值出現(xiàn)在2013年為1.21×109m3/a，最小值出現(xiàn)在1994年為4.86×108m3/a。

灰水足跡在這22年間，整體上呈緩慢上升態(tài)勢；在1996-1997、1999-2000、2004-2005、2007-2010、2013-2014年間呈下降態(tài)勢，其余年份為緩慢上升趨勢；其最大值出現(xiàn)在2013年為6.78×108m3/a，最小值出現(xiàn)在1993年為1.88×108m3/a?；宜阚E的值主要取決于氮肥施用量和馬鈴薯播種面積的多少。

2.3 甘肅省馬鈴薯水足跡效率

通過構(gòu)建水足跡效率這一指標(biāo)，可以更加透徹地分析甘肅省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值與馬鈴薯生長過程水足跡的關(guān)系，借助式(8)得出1993-2014年甘肅省馬鈴薯水足跡效率，如圖3所示。在這22年間，馬鈴薯水足跡效率總體上呈現(xiàn)出先小幅上升、然后平穩(wěn)下降、最后波動上升的態(tài)勢。水足跡效率在1993-1996、1997-1998、1999-2000、2001-2003、2004-2005、2007-2014年間為遞增趨勢，其余年份為下降趨勢；其最小值為1993年的5.27元/m3，最大值為2014年的25.06元/m3，同比增長約4.76倍，表明甘肅省馬鈴薯水足跡效率在明顯提高，在單位量的水足跡上能夠產(chǎn)生更大的馬鈴薯收益，即表明馬鈴薯為甘肅省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值做出的貢獻(xiàn)更多了。1998-2001年的水足跡效率表現(xiàn)出下降趨勢，是由于在1998-2000年間甘肅省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值呈下降態(tài)勢，且伴隨著馬鈴薯水足跡增長過快導(dǎo)致的。

在此期間，甘肅省馬鈴薯水足跡效率平均值為11.58元/m3，仍處于較低水平，甘肅省政府應(yīng)制定和實(shí)施更加惠農(nóng)的政策、加大對馬鈴薯種植的扶持力度、依靠科技優(yōu)化馬鈴薯種植結(jié)構(gòu)、調(diào)整馬鈴薯收購價格，從而實(shí)現(xiàn)甘肅省馬鈴薯水足跡效率的穩(wěn)步提高[21]。

圖3 甘肅省1993-2014年馬鈴薯水足跡及效率Fig.3 Water footprint and efficiency of potato in Gansu province during 1993-2014

2.4 甘肅省2015-2020年馬鈴薯藍(lán)水、綠水、灰水足跡預(yù)測

借助灰色 GM(1,1)預(yù)測模型，選取甘肅省馬鈴薯2010-2014年的藍(lán)水、綠水、灰水足跡數(shù)據(jù)作為樣本(即原始序列)進(jìn)行建模[19]，通過核算得到相應(yīng)的a值、u值、模型方程(見表2)，該模型平均相對誤差不超過2%，即可認(rèn)為模型擬合精度較高，在本研究中相對誤差大部分未超2%。設(shè)t1，…，t6分別為2015-2020年對其進(jìn)行預(yù)測，如表3所示[22]。

表2 馬鈴薯水足跡預(yù)測方程、a和u值Table 2 Prediction equation of potato’s water footprint and the value of a-u

由預(yù)測結(jié)果可知，在6年間甘肅省馬鈴薯水足跡將持續(xù)增長，2020年將達(dá)到5.275 2×109m3；馬鈴薯藍(lán)水、綠水、灰水足跡皆將呈緩慢上升態(tài)勢，在2020年分別將達(dá)到3.304 1×109、1.221 3×109、7.497 5×108m3。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

在本次研究中主要借助聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的CropWat軟件對1993-2014年甘肅省馬鈴薯生長過程水足跡進(jìn)行了定量分析，并對2015-2020年的水足跡進(jìn)行了預(yù)測，發(fā)現(xiàn)甘肅省馬鈴薯水足跡不僅受當(dāng)年降水量的制約，同時也與馬鈴薯播種面積、農(nóng)業(yè)科技投入力度、灌溉技術(shù)及惠農(nóng)政策等的扶持密切相關(guān)。研究表明：

1)在1993-2014年間，甘肅省馬鈴薯生長過程水足跡整體呈波動上升態(tài)勢，水足跡的平均值為3.62×109m3/a，最大值出現(xiàn)在2013年為5.11×109m3/a，最小值出現(xiàn)在1993年為1.88×109m3/a。

2)甘肅省1993-2014年馬鈴薯生長過程水足跡中各類型水的貢獻(xiàn)依次是：藍(lán)水>綠水>灰水。其中，藍(lán)水足跡占63.80%，綠水足跡占23.28%，灰水足跡占12.92%；因此表明了在甘肅省馬鈴薯生長過程中以藍(lán)水足跡為主，這也體現(xiàn)出了甘肅省地處我國西北干旱、半干旱區(qū)域，降雨稀少，水資源短缺，農(nóng)作物的生長需水量主要依靠抽取地下水灌溉的實(shí)情。

3)在1993-2014年間，藍(lán)水足跡總體呈波動上升趨勢，其最大值為2007年的3.23×109m3/a，最小值為1993年的1.19×109m3/a；綠水足跡總體呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，其最大值為2013年的1.21×109m3/a，最小值為1994年的4.86×108m3/a；灰水足跡整體上呈緩慢上升態(tài)勢，整體變化幅度較小，其最大值為2013年的6.78×108m3/a，最小值為1993年的1.88×108m3/a。

4)在22年間，馬鈴薯水足跡效率總體上呈現(xiàn)出上升—下降—上升的態(tài)勢，其最小值為1993年的5.27元/m3，最大值為2014年的25.06元/m3，同比增長約4.76倍，表明甘肅省馬鈴薯水足跡效率明顯提高，意味著馬鈴薯種植為甘肅省農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的貢獻(xiàn)度有所提高。但馬鈴薯水足跡效率平均值為11.58元/m3，仍然處于較低水平，甘肅省政府應(yīng)制定和實(shí)施更加惠農(nóng)的政策、加大對馬鈴薯種植的扶持力度、依靠科技優(yōu)化馬鈴薯種植結(jié)構(gòu)、調(diào)整馬鈴薯收購價格，從而實(shí)現(xiàn)甘肅省馬鈴薯水足跡效率的穩(wěn)步提高。

5)借助GM(1,1)灰色預(yù)測模型對甘肅省2015-2020年馬鈴薯生長過程水足跡、藍(lán)水、綠水、灰水足跡進(jìn)行預(yù)測，得到在2015-2020年間馬鈴薯水足跡總量，以及藍(lán)水、綠水、灰水足跡皆呈緩慢上升趨勢。

3.2 討論

本研究對甘肅省馬鈴薯生長過程水足跡做了較為保守的估算，主要原因是在對馬鈴薯灰水足跡進(jìn)行測算時，選取了氮肥中的氮素作為馬鈴薯生長過程中的最關(guān)鍵污染物[23]，沒有考慮其他肥種、農(nóng)藥等污染物引發(fā)的灰水足跡，因此灰水足跡核算結(jié)果可能略低于實(shí)際值。本研究僅以甘肅省馬鈴薯為例對其生長過程水足跡進(jìn)行初步評價，有利于西北其他干旱區(qū)農(nóng)作物水資源利用情況的對比，有利于合理調(diào)整甘肅省馬鈴薯種植規(guī)模，緩解甘肅省水足跡壓力，同時也響應(yīng)了我國在建設(shè)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”中保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源的高效有機(jī)整合的號召，更加有利于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)一步協(xié)調(diào)發(fā)展。

甘肅省作為西北干旱、水資源短缺省份，在發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)時應(yīng)首先考慮農(nóng)作物對水資源的消耗情況，對于高耗水的農(nóng)作物可以采取改良品種的方式進(jìn)行優(yōu)化，合理配置種植比例，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颉⑺牡葘?shí)際情況，因地制宜、減少高耗水農(nóng)作物的播種面積，進(jìn)一步發(fā)展需水量低的改良品種農(nóng)作物，從而緩解甘肅省水資源緊張的局面。藍(lán)水仍然是馬鈴薯生長的主要水源，要興修水利設(shè)施，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，合理配置藍(lán)水比例；植樹造林、改善氣候，開展人工施雨作業(yè)，提高綠水利用率。從馬鈴薯灰水足跡方面看，應(yīng)該在馬鈴薯生長過程中優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)、測土施肥，加大有機(jī)肥、農(nóng)家肥、綠肥等的投入比例，減少氮肥的施用量，從而可以減少氮素的淋失，進(jìn)一步降低氮肥的污染，有利于馬鈴薯灰水足跡的降低。

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