藺 甲 ，袁玉江 ，魏文壽 ，李漠巖 ，喻樹(shù)龍

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊830054；2.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆樹(shù)木年輪生態(tài)實(shí)驗(yàn)室；中國(guó)氣象局樹(shù)木年輪理化研究重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830002；3.新疆維吾爾自治區(qū)氣象局，新疆 烏魯木齊830002）

樹(shù)木年輪學(xué)是一門(mén)以植物生理學(xué)為基礎(chǔ)，以樹(shù)木年輪生長(zhǎng)特性為依據(jù)，研究環(huán)境對(duì)年輪生長(zhǎng)影響的學(xué)科，旨在獲取代用資料，重建環(huán)境因子的變化史實(shí)[1]。鑒于樹(shù)木年輪資料具有適用區(qū)域廣、定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和易于獲取復(fù)本等特點(diǎn)，樹(shù)木年輪分析長(zhǎng)期以來(lái)在地球科學(xué)界受到了高度的重視，在過(guò)去全球變化研究中，被列為重要的技術(shù)途徑之一，在歷史時(shí)期氣候變化研究中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。利用樹(shù)木年輪研究氣候變化最適合于干旱、半干旱或寒冷地區(qū)（如近極地地區(qū)和高海拔地區(qū)）。新疆博爾塔拉蒙古自治州（簡(jiǎn)稱(chēng)博州）中東部地區(qū)位于天山北坡西麓，該區(qū)具有干旱、半干旱的氣候特點(diǎn)，樹(shù)木生長(zhǎng)對(duì)氣候變化非常敏感?？蒲腥藛T自20世紀(jì)六七十年代，就開(kāi)始在新疆天山北坡進(jìn)行樹(shù)輪研究，潘婭婷等[3-4]曾對(duì)博爾塔拉河流域進(jìn)行過(guò)長(zhǎng)時(shí)間尺度上的氣候重建,喻樹(shù)龍等[5-6]對(duì)博州地區(qū)的氣溫進(jìn)行過(guò)研究。但前期的樹(shù)輪研究，采樣點(diǎn)偏少，校準(zhǔn)期短，從而重建精度偏低。為此，2010年在該研究區(qū)域進(jìn)行了新的樹(shù)輪樣本采集工作，以期對(duì)該地區(qū)過(guò)去的氣候有一個(gè)更好的認(rèn)識(shí)。本文分析博州中東部地區(qū)2010年新采集的9個(gè)采點(diǎn)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的特征及其對(duì)氣候的響應(yīng)，可為今后使用更多的樹(shù)輪寬度年表進(jìn)行氣候重建打下基礎(chǔ)。

1 自然地理概況

研究區(qū)位于博州地區(qū)中東部，包括博樂(lè)市與精河縣一市一縣，該區(qū)地處內(nèi)陸，氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍照諘r(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大。地貌復(fù)雜多樣，中部是喇叭狀的谷地平原，東部開(kāi)闊。地貌特征大致為中部谷地和東部盆地，地形由東向西呈坡形逐漸增高。研究區(qū)內(nèi)有新疆最大的咸水湖——艾比湖，它也是博州最低處，海拔189 m。

2 樹(shù)輪采樣

2010年8月，科研人員在博州中東部天山共完成了9個(gè)采點(diǎn)的樹(shù)木年輪樣本的采集工作（圖1），樹(shù)種為雪嶺云杉（Picea schrenkiana）。采樣依據(jù)樹(shù)木年輪學(xué)的基本原理并結(jié)合野外實(shí)際進(jìn)行。在博州中部的三臺(tái)林場(chǎng)選取了5個(gè)采點(diǎn)，東部的精河林場(chǎng)選取了4個(gè)采點(diǎn)。9個(gè)采點(diǎn)大多位于山地北坡，這是因?yàn)樘焐奖逼绿幱谟L(fēng)坡，降水較多，樹(shù)木年輪寬度生長(zhǎng)對(duì)氣候變化比較敏感。在森林中下部林緣和森林上樹(shù)線(xiàn)進(jìn)行取樣，一般在海拔1 900～2 500 m之間，同時(shí)對(duì)于森林中下部林緣盡可能將采點(diǎn)布設(shè)在坡度陡、土層薄和人類(lèi)活動(dòng)影響小的地方。采用生長(zhǎng)錐進(jìn)行樹(shù)輪取樣，每個(gè)采點(diǎn)采集20棵樹(shù)以上，每棵樹(shù)一般取3個(gè)鉆芯樣本，2個(gè)粗芯，1個(gè)細(xì)芯，共采樹(shù)269棵（表 1）。

3 年表的研制

按照樹(shù)木年輪學(xué)研究步驟和樣本的基本處理程序[7-8]，將從野外采集的樹(shù)芯樣本固定在特制的樣本板上，待其干燥后，用砂紙磨平、打光，在顯微鏡下目測(cè)定年及樹(shù)輪標(biāo)識(shí)，采用MeasureJ2X（精度為0.001 mm）樹(shù)木年輪寬度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行輪寬測(cè)量，每棵樹(shù)取2個(gè)樣芯進(jìn)行樹(shù)輪寬度測(cè)量（一粗一細(xì)），實(shí)測(cè)樣芯541個(gè)。用折線(xiàn)圖對(duì)比方法進(jìn)行交叉定年，并用國(guó)際年輪庫(kù)的COFECHA交叉定年質(zhì)量控制程序[9]進(jìn)行交叉定年質(zhì)量檢驗(yàn)，確保每一年輪具有準(zhǔn)確的日歷年齡。使用ARSTAN樹(shù)輪年表研制程序，采用年表公共區(qū)間年代數(shù)的2/3步長(zhǎng)的樣條函數(shù)擬合樹(shù)輪寬度序列的生長(zhǎng)趨勢(shì)，并剔除奇異值過(guò)多或者與主序列相關(guān)較差的年輪序列[10]（9個(gè)采點(diǎn)共選用540個(gè)樣本），最終研制出9個(gè)采點(diǎn)上的樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表（STD）、差值年表（RES）和自回歸年表(ARS)。取9個(gè)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的公共區(qū)間（1710—2010年），做出樹(shù)輪寬度指數(shù)曲線(xiàn)（圖2）。本文僅對(duì)這9個(gè)采點(diǎn)的樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的主要統(tǒng)計(jì)特征（表2）及它們對(duì)氣候的響應(yīng)進(jìn)行研究。

4 樹(shù)輪寬度年表特征分析

4.1 樣本對(duì)總體的代表性

表1 博州中東部地區(qū)樹(shù)輪采點(diǎn)概況

樹(shù)輪年表中樣本數(shù)反映抽樣樣本對(duì)總體的代表性。其值越大，說(shuō)明采樣越成功[12]。在博州中東部9個(gè)樹(shù)輪寬度年表中，樣本對(duì)總體的代表性都在94.0%以上，說(shuō)明此次樹(shù)木年輪的采樣較為成功，各采點(diǎn)樣本對(duì)其所在采點(diǎn)的樹(shù)輪樣本總體均具有較好的代表性。其中包爾克特溝西側(cè)樣本對(duì)總體代表性最高為97.1%，其次是小海子為96.5%。在后文中，這兩個(gè)年表都對(duì)降水表現(xiàn)出了較好的相關(guān)性。

4.2 平均敏感度與標(biāo)準(zhǔn)差

4.2.1 平均敏感度

平均敏感度是判斷一個(gè)年表優(yōu)劣的重要指標(biāo)，可以反映輪寬序列對(duì)氣候變化的敏感程度。年輪平均敏感度表達(dá)式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[13]。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)年表（或年輪序列）的敏感度值越大，一般氣候因子的限制作用就越強(qiáng)，氣候信息含量就越多，年表與氣候資料的相關(guān)性較好[13]。平均敏感度的實(shí)際取值范圍為0

表2 博州中東部地區(qū)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的主要特征參數(shù)

4.2.2 標(biāo)準(zhǔn)差

樹(shù)輪年表的標(biāo)準(zhǔn)差可以表征其含有的氣候信息量。一般認(rèn)為，樹(shù)輪年表標(biāo)準(zhǔn)差越大，其含有的氣候信息量相對(duì)就多[12]。博州中東部地區(qū)9個(gè)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的標(biāo)準(zhǔn)差在0.239～0.346之間（表2），以吉普克北和包爾克特溝西側(cè)年表相對(duì)較大，分別為0.346和0.325。在相關(guān)分析中，這兩個(gè)年表都與降水表現(xiàn)出了較好的相關(guān)性。

4.3 自相關(guān)

樹(shù)輪年表的自相關(guān)系數(shù)反映氣候?qū)δ贻唽挾壬L(zhǎng)影響的持續(xù)性。一階自相關(guān)系數(shù)大小反映的是當(dāng)年氣候狀況對(duì)次年輪寬生長(zhǎng)的影響的強(qiáng)弱[10]。樹(shù)木年輪學(xué)的研究表明，高質(zhì)量的樹(shù)輪年表，一階自相關(guān)系數(shù)一般較低。博州中東部地區(qū)9個(gè)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的一階自相關(guān)系數(shù)在0.379～0.732之間（表2），其中位于森林中下部林緣的吉普克北、包爾克特溝西側(cè)、胡蘇木薩拉年表和位于森林上樹(shù)線(xiàn)的吉普克年表的一階自相關(guān)系數(shù)都在0.5以下。表明這四個(gè)采點(diǎn)上樹(shù)輪年表包含有較多的氣候信息。另外，圖3是9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化年表15階自相關(guān)系數(shù)的柱狀圖。反映出博州中東部地區(qū)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表連續(xù)正的顯著（P<0.01）自相關(guān)系數(shù)，一般在4階以?xún)?nèi)，這說(shuō)明氣候要素影響該地區(qū)樹(shù)木年輪寬度生長(zhǎng)主要表現(xiàn)在當(dāng)年及其后的3 a，該區(qū)域氣候?qū)?shù)木年輪生長(zhǎng)存在滯后性影響。

4.4 第一特征向量百分比與樹(shù)間相關(guān)系數(shù)

4.4.1 第一特征向量百分比

第一特征向量百分比反映年表中各樣本序列的同步性大小，其值愈大，一般認(rèn)為氣候因子對(duì)樹(shù)木年輪寬度生長(zhǎng)的限制作用就越明顯，年表中所含有的氣候信息相對(duì)就多。從表2可見(jiàn)，在9個(gè)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表中，第一特征向量百分比一般均在40.0%以上，其中吉普克北、包爾克特溝西側(cè)年表的第一特征向量百分比值最大，其年表質(zhì)量較好。

4.4.2 樹(shù)間相關(guān)系數(shù)

樹(shù)間相關(guān)系數(shù)的大小反映同一采點(diǎn)上樹(shù)木的生長(zhǎng)受該區(qū)域氣候影響所導(dǎo)致的同步性變化的強(qiáng)弱。該數(shù)值越大，說(shuō)明氣候?qū)Ξ?dāng)?shù)貥?shù)木生長(zhǎng)的影響就越顯著，樹(shù)輪年表中則含有較多的氣候變化信息，樹(shù)輪年表中各樹(shù)木間的同步性變化就越明顯，反之亦然[14]。由表2可知，吉普克北和包爾克特溝西側(cè)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的樹(shù)間相關(guān)系數(shù)最高，都在0.5以上?？梢?jiàn)，這兩個(gè)采點(diǎn)上樹(shù)木年輪生長(zhǎng)的同步性較好，對(duì)氣候的響應(yīng)最為敏感，一般就認(rèn)為其包含有較多的氣候變化信息。

4.5 信噪比與缺輪百分比

4.5.1 信噪比

樹(shù)輪年表平均指數(shù)的方差貢獻(xiàn)百分比（即氣候信號(hào)）與剩余的可認(rèn)為是非氣候因素形成的噪音之間的比值與樣本數(shù)的乘積，被稱(chēng)為“信噪比”[15]。其表達(dá)式為：

一般來(lái)說(shuō)，氣候信息含量多的年表具有較大的信噪比。由表2得知，包爾克特溝西側(cè)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的信噪比為33.2，是9個(gè)采點(diǎn)中最高的一個(gè)，其次小海子和吉普克北年表，信噪比分別為27.2和26.8，這指示這3個(gè)年表所包含的氣候信息可能較多。

4.5.2 缺輪百分比

缺輪百分比能夠反映樹(shù)木生長(zhǎng)受氣候影響的大小，其值越大，說(shuō)明氣候?qū)?shù)木生長(zhǎng)的限制作用越強(qiáng)，年表中的氣候信息含量就愈多[12]。通過(guò)對(duì)比分析，吉普克北年表的缺輪百分比最大，高達(dá)5.13%，其次是包爾克特溝西側(cè)和吉普克年表，其值都在3.00%以上。表明，這3個(gè)采點(diǎn)樹(shù)輪寬度年表可能含有較多的氣候信息，在與氣象資料的相關(guān)分析中，3個(gè)年表也都表現(xiàn)出了較好的相關(guān)性。

4.6 標(biāo)準(zhǔn)化樹(shù)輪年表的互相關(guān)系數(shù)對(duì)比

選擇博州中東部9個(gè)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表的公共區(qū)間 1710—2010年（n=301），進(jìn)行相關(guān)分析，計(jì)算出它們之間的互相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3。從表中可以看出：（1）9個(gè)年表的互相關(guān)系數(shù)都超過(guò)了0.01的顯著水平。這說(shuō)明博州中東部9個(gè)采點(diǎn)上的樹(shù)木年輪生長(zhǎng)變化具有一定的相似性，即年輪寬度生長(zhǎng)所受到的限制因子相似。（2）9個(gè)年表中，7個(gè)位于森林中下部林緣樹(shù)輪年表間的平均互相關(guān)系數(shù)為0.524。其中，角爾達(dá)斯巴依薩依與然布爾薩依下林緣年表的相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)0.845。同時(shí)從表1可以看出，這兩個(gè)采點(diǎn)的空間位置很接近，海拔高度大致相同，采點(diǎn)的坡向、坡度也差別不大，也許是其具有的氣候特點(diǎn)很相似所致。（3）位于森林上樹(shù)線(xiàn)的吉普克和賽里木湖東年表的相關(guān)系數(shù)為0.469?？梢?jiàn)，位于森林中下部林緣年表間的平均互相關(guān)系數(shù)要好于上樹(shù)線(xiàn)。這說(shuō)明，在博州中東部山區(qū)低海拔處樹(shù)木年輪寬度生長(zhǎng)受氣候的限制作用要強(qiáng)于高海拔地區(qū)，森林中下部林緣樹(shù)輪年表中所含有的氣候信息要多于森林上樹(shù)線(xiàn)附近的年表。

表3 博州中東部標(biāo)準(zhǔn)化樹(shù)輪年表的相關(guān)系數(shù)

年輪學(xué)研究表明，一般高質(zhì)量的樹(shù)輪年表，具有較高的平均敏感度、標(biāo)準(zhǔn)差、信噪比、第一特征向量，而一般具有較低的一階自相關(guān)[11]。通過(guò)以上多個(gè)特征參數(shù)的對(duì)比分析，得知在9個(gè)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表中，位于森林中下部林緣的吉普克北、包爾克特溝西側(cè)、小海子和胡蘇木薩拉年表，均具有比較大的平均敏感度、標(biāo)準(zhǔn)差、第一特征向量百分比，其中吉普克北年表具有最大的平均敏感度、標(biāo)準(zhǔn)差和第一特征向量百分比；包爾克特溝西側(cè)年表具有最大的信噪比，樣本對(duì)總體的代表性最高，說(shuō)明這幾個(gè)采點(diǎn)上的樹(shù)木年輪寬度生長(zhǎng)受氣候因子的限制作用強(qiáng)，均包含有較多的氣候信息量。而位于森林上樹(shù)線(xiàn)的吉普克和賽里木湖東年表相比較，吉普克年表的平均敏感度明顯偏大，一階自相關(guān)明顯偏小，說(shuō)明吉普克年表的質(zhì)量較好。這與通過(guò)相關(guān)分析得出的包爾克特溝西側(cè)年表與博樂(lè)氣象站上年6月至當(dāng)年5月降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.533、吉普克年表與博樂(lè)和精河氣象站上年12月至當(dāng)年11月月平均最低氣溫的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.571、小海子年表與博樂(lè)和精河氣象站上年7月至當(dāng)年6月的降水量的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.644相一致。

5 樹(shù)輪寬度年表對(duì)氣候的響應(yīng)

5.1 樹(shù)輪年表與月氣候要素相關(guān)分析

選用相關(guān)函數(shù)來(lái)分析樹(shù)輪寬度年表與月氣候要素之間的相關(guān)性。將海拔偏低（2 000～2 300 m），且年表之間互相關(guān)較好的 BEK、RBX、JED、JES、XHZ年表平均后作為森林中下部林緣區(qū)域樹(shù)輪年表（1654—2010年），選擇平均海拔最高（2 422 m）且與氣象數(shù)據(jù)相關(guān)較好的JPK年表代表森林上樹(shù)線(xiàn)樹(shù)輪年表（1311—2010年）。選用博樂(lè)氣象站（1958—2010年）和精河氣象站（1953—2010年）兩站平均的歷年氣象資料，將上年7月至當(dāng)年9月逐月的月平均氣溫、月降水量作為區(qū)域氣候因子，分析兩個(gè)區(qū)域年表對(duì)區(qū)域月平均氣溫、月降水量的相關(guān)系數(shù)（圖4）。

從圖4可知：（1）森林上樹(shù)線(xiàn)樹(shù)輪寬度年表與區(qū)域溫度、降水的相關(guān)系數(shù)中，超過(guò)0.05顯著性水平的月氣候因子共有6個(gè)，其中降水有3個(gè)，溫度有3個(gè)，與6月溫度的相關(guān)系數(shù)最大。吉普克采點(diǎn)平均海拔2 422 m，6月正直春末夏初，處于云杉的速生期之內(nèi)，這時(shí)候溫度逐漸升高，有利于樹(shù)木的光合作用，形成較寬的年輪。可知春末夏初的溫度是影響森林上樹(shù)線(xiàn)樹(shù)輪生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛳拗埔蜃?。?）森林中下部林緣區(qū)域樹(shù)輪寬度年表與區(qū)域溫度、降水的相關(guān)系數(shù)中，超過(guò)0.05顯著性水平的月氣候因子共有9個(gè)，其中降水有7個(gè)，溫度有2個(gè)。顯然，降水是主要?dú)夂蛳拗埔蜃?，與6月降水的相關(guān)系數(shù)最大。6月份處于樹(shù)木早材徑向生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，降水量多，樹(shù)木早材細(xì)胞分裂快，形成的年輪偏寬，且5—6月天山山區(qū)的降水偏少，降水量多有利于樹(shù)木的光合作用，形成較寬的年輪?？梢?jiàn)，降水是影響森林中下部林緣樹(shù)木年輪寬度生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛳拗埔蜃印?/p>

5.2 區(qū)域樹(shù)輪年表與氣候資料的相關(guān)分析

根據(jù)前述相關(guān)函數(shù)的分析結(jié)果，在森林中下部林緣，降水對(duì)樹(shù)木年輪生長(zhǎng)的限制性影響要大于氣溫。在森林上樹(shù)線(xiàn)，氣溫對(duì)樹(shù)木年輪生長(zhǎng)的限制性影響要大于降水。因而取博樂(lè)和精河氣象站1958年至2010年共53 a的月平均溫度、月平均最低氣溫、月平均最高氣溫，將兩站資料平均，與森林上樹(shù)線(xiàn)年表做單相關(guān)普查，取兩站平均月降水量資料與森林中下部林緣區(qū)域年表做單相關(guān)普查。為考慮連續(xù)多個(gè)月份氣候狀況對(duì)樹(shù)木年輪生長(zhǎng)的影響，將氣象資料從上年1月至當(dāng)年12月的所有不同時(shí)段順序做組合，發(fā)現(xiàn)最佳相關(guān)時(shí)段及其相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表4。

表4 博州中東部地區(qū)樹(shù)輪寬度標(biāo)準(zhǔn)化年表與溫度、降水量的最佳相關(guān)時(shí)段及相關(guān)系數(shù)

在溫度（平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫）與上樹(shù)線(xiàn)年表吉普克的相關(guān)分析中，平均最低氣溫與年表的相關(guān)系數(shù)最大。從表4可以看出：（1）氣溫與森林上樹(shù)線(xiàn)年表呈顯著正相關(guān)。對(duì)位于森林上樹(shù)線(xiàn)的雪嶺云杉而言，由于海拔高，溫度較低，因而冬春季樹(shù)木凍害發(fā)生的可能性也較高。上年12月至當(dāng)年3月平均最低氣溫偏高，云杉的針葉和根系在去冬今春受凍的可能性較小，有利于針葉和根系在初春的生長(zhǎng)，形成較好的根系與繁茂的針葉，為當(dāng)年生長(zhǎng)季的樹(shù)輪生長(zhǎng)打下較好的基礎(chǔ)。當(dāng)年生長(zhǎng)季4—9月最低溫度偏高，有利于樹(shù)木的光合作用及有機(jī)物質(zhì)的積累，云杉形成偏寬的年輪。（2）森林中下部林緣的5個(gè)年表與降水量的相關(guān)分析中，相關(guān)系數(shù)普遍較高，都在0.5以上，其中以小海子年表的相關(guān)最好，而由這5個(gè)年表平均得到的森林中下部林緣區(qū)域年表與降水量的相關(guān)系數(shù)為最大（R=0.644，顯著性水平達(dá)0.000 1）。小海子采點(diǎn)位于博州的東端，處于森林的中下部林緣，降水較少，且平均坡度較大（32°）、所選樹(shù)木多在山脊上，土層薄，水份易流失，因而降水就成了樹(shù)木生長(zhǎng)的主要?dú)夂蛳拗埔蜃印Ｒ陨辖Y(jié)論與森林上限對(duì)溫度變化反映敏感，而森林下限則對(duì)降水反映敏感[11]的結(jié)論符合。由此可見(jiàn)，樹(shù)輪年表與氣溫和降水量的關(guān)系是有其樹(shù)木生理學(xué)意義的。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）森林中下部林緣的吉普克北、包爾克特溝西側(cè)、小海子和胡蘇木薩拉年表及森林上樹(shù)線(xiàn)的吉普克年表包含的氣候信息較多。

（2）氣候?qū)?shù)木年輪寬度生長(zhǎng)的影響主要表現(xiàn)在當(dāng)年及其后的3 a。

（3）森林中下部林緣樹(shù)輪寬度年表中含有的氣候信息強(qiáng)于森林上樹(shù)線(xiàn)附近的年表。

（4）森林上樹(shù)線(xiàn)樹(shù)輪寬度年表與上年12月至當(dāng)年9月平均最低氣溫相關(guān)系數(shù)最大，其中與6月溫度的相關(guān)最好。森林中下部林緣區(qū)域樹(shù)輪寬度年表與上年6月至當(dāng)年5月的降水量相關(guān)系數(shù)最大，其中與6月降水量的相關(guān)最好。

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