孫金金+吳靜
摘要:借助物理學(xué)中速度演化模型,定量研究分析土地集約利用與城市化時(shí)空耦合關(guān)系,并將其分為協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū)、熵增區(qū)、退化解體區(qū)和新周期產(chǎn)生區(qū)。同時(shí),將協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū)進(jìn)一步細(xì)分為前期磨合時(shí)期、中期協(xié)調(diào)時(shí)期和后期拮抗時(shí)期。最后借助ArcGIS10.0軟件進(jìn)行區(qū)域分析和空間聚類(lèi)分析,發(fā)現(xiàn)江蘇省城市耦合協(xié)調(diào)關(guān)系呈集聚發(fā)展,蘇南地區(qū)為高值集聚,蘇北地區(qū)為低值集聚。
關(guān)鍵詞:土地集約利用;城市化;耦合關(guān)系;空間聚類(lèi)分析
中圖分類(lèi)號(hào):F293.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0439-8114(2016)23-6281-07
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.23.069
Abstract:By using the speed evolution model in physics,the space-time coupling relationship between land intensive utilization and urbanization was analysed. And the relationship was divided into the coordinated development, entropy increase, degradation disintegration and a new cycle generation. At the same time, the coordinated development area was further subdivided for the early running period, interim coordination period and late antagonistic period. Finally, by using ARCGIS 10.0 software to carry out the regional analysis and spatial clustering analysis, Jiangsu Province was a cluster development: the South of Jiangsu region was high concentration, the northern of Jiangsu area was low concentration.
Key words: land intensive utilization; urbanization; coupling relationship; spatial clustering analysis
隨著城市化進(jìn)程的加快,大面積地區(qū)出現(xiàn)增劃經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū),擴(kuò)大城區(qū)面積,這種無(wú)序的擴(kuò)張行為,導(dǎo)致城市土地粗放利用,嚴(yán)重威脅到城市化進(jìn)程的健康發(fā)展。因此,第25個(gè)全國(guó)“土地日”宣傳主題提出:“節(jié)約集約利用土地,推動(dòng)土地利用方式根本轉(zhuǎn)變?!?/p>
針對(duì)城市土地集約利用,國(guó)外大體從以下三種角度研究:一是基于可持續(xù)發(fā)展和城市規(guī)劃理論分析研究[1]。二是基于土地資源配置和規(guī)劃的模式分析研究[2]。三是基于土地資源利用和保護(hù)的角度分析研究[3]。而國(guó)內(nèi)則大體從以下兩個(gè)角度研究:一是通過(guò)學(xué)習(xí)國(guó)外土地利用理論研究國(guó)內(nèi)土地集約利用[4,5]。二是通過(guò)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)分析、評(píng)價(jià)土地集約利用。
一些學(xué)者基于城市化進(jìn)程中不同階段發(fā)展速度水平,分析城市土地集約利用,研究表明,城市土地集約利用與城市化的目標(biāo)是一致的,都是為實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)利用和城市社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)的效益最大化[6]。處于城市化不同發(fā)展階段的城市,土地集約利用程度存在明顯不同,從人力資本型集約到資本技術(shù)型集約,再到結(jié)構(gòu)型集約,最后形成生態(tài)型集約[6]。最后,根據(jù)上述研究城市化發(fā)展階段與土地集約利用程度的關(guān)系,制定出合適的土地政策,合理進(jìn)行土地資源配置。不過(guò),上述研究雖然創(chuàng)新點(diǎn)十足,但幾乎都為定性分析,未引入定量模型研究城市土地集約利用與區(qū)域城市化的時(shí)空耦合關(guān)系,更沒(méi)有實(shí)證研究。
本研究引入物理學(xué)當(dāng)中的速度耦合關(guān)系模型,定量分析土地集約利用與區(qū)域城市化的時(shí)空耦合關(guān)系,以2004、2007、2010年以及2013年江蘇省13個(gè)地級(jí)市作為研究對(duì)象,構(gòu)建土地集約利用與城市化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采取主成分計(jì)算綜合因子得分,借助耦合模型,測(cè)算土地集約利用與城市發(fā)展的耦合度。并基于SPSS17.0和ArcGIS10.0對(duì)江蘇省進(jìn)行空間聚類(lèi)分析。為國(guó)土資源部門(mén)制定土地政策,優(yōu)化城市格局提供科學(xué)依據(jù)。
1 理論與基礎(chǔ)
1.1 土地集約利用與城市化的內(nèi)涵
土地的集約化利用是指以提高經(jīng)濟(jì)社會(huì)總體效益為目標(biāo),以現(xiàn)有平均先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和生活設(shè)施為標(biāo)準(zhǔn)在滿(mǎn)足生產(chǎn)生活合理環(huán)境水平基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)土地資源投入產(chǎn)出的最大化[7]。
城市化的概念分為狹義和廣義。狹義概念是人口城市化,即農(nóng)村人口遷移到城市轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘腥丝诨蜣r(nóng)村地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械貐^(qū)[8]。廣義概念是除人口城市化以外,人們通常所說(shuō)的土地城市化、生活方式的城市化等[9]。簡(jiǎn)言之,狹義與廣義概念之間的關(guān)系以人口城市化為基石,城市化的廣義概念都是從人口城市化延伸出來(lái)的,“人的城鎮(zhèn)化”[9]也正驗(yàn)證了這一關(guān)系。
1.2 土地集約利用與城市化耦合關(guān)系
城市化是人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的客觀要求和必然產(chǎn)物[10],土地集約利用在城市化發(fā)展過(guò)程中扮演著極為重要的角色,為其提供物質(zhì)基礎(chǔ)和承載空間,土地集約利用與城市化之間存在著密切的關(guān)系[11]。土地集約利用作為一個(gè)系統(tǒng)而言,具有動(dòng)態(tài)性和相對(duì)性[12],受土地投入程度-土地利用程度-土地產(chǎn)出程度3個(gè)因素的制約。土地集約利用系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化土地布局,增加土地存量,來(lái)實(shí)現(xiàn)城市化系統(tǒng)內(nèi)人口-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)效益的最大化。相反,城市化是人類(lèi)活動(dòng)的過(guò)程導(dǎo)致的,所以空間集聚性是城市化的顯著特性,空間集聚成為城市化形成的動(dòng)力來(lái)源[13]。這種空間集聚是伴隨著人力、資本以及土地的匯聚。匯聚程度越高,土地集約利用程度越強(qiáng),匯聚程度越低或分散,土地集約利用程度越弱。因此,土地集約利用與城市化系統(tǒng)的耦合關(guān)系,將直接影響系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)發(fā)展,影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。
2 評(píng)價(jià)方法與過(guò)程
2.1 指標(biāo)體系的建立
指標(biāo)體系建立需遵循的基本原則有科學(xué)性原則、綜合性原則、簡(jiǎn)明性原則、可操作性原則、可比性原則、動(dòng)態(tài)性原則等[14]。借鑒葛京鳳[15]、韋素瓊[6]構(gòu)建的土地集約利用水平指標(biāo)以及劉浩[16]構(gòu)建的城市化水平指標(biāo),結(jié)合江蘇地區(qū)城市的實(shí)際情況,選取12個(gè)指標(biāo)(表1)從土地投入程度、土地利用程度、土地產(chǎn)出程度3個(gè)方面構(gòu)建土地集約利用綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;選取8個(gè)指標(biāo)(表2)從人口城市化、經(jīng)濟(jì)城市化、社會(huì)城市化、生態(tài)城市化4個(gè)方面構(gòu)建城市化綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。
2.2 模型的構(gòu)建
2.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中評(píng)價(jià)層設(shè)有M項(xiàng)(T1,T2,…,TM),同時(shí)設(shè)有N項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tij(i=1,2,…,M;j=1,2,…,N),組成原始數(shù)據(jù)矩陣,Tij為j城市第i項(xiàng)指標(biāo)體系中的原始數(shù)據(jù)。指標(biāo)體系中原始數(shù)量具有不同的單位,因此,需要對(duì)指標(biāo)體系中原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。
正向指標(biāo)無(wú)量綱化:
負(fù)向指標(biāo)無(wú)量綱化:
式中,Tij為指標(biāo)數(shù)據(jù)的原始值,maxTij為指標(biāo)數(shù)據(jù)的最大值,minTij為指標(biāo)數(shù)據(jù)的最小值,Pij為無(wú)量綱化后的標(biāo)準(zhǔn)值。
2.2.2 主成分分析計(jì)算綜合得分 主成分是將多個(gè)變量通過(guò)線性變換以選出較少個(gè)數(shù)的重要變量的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法[12]。利用SPSS軟件,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析,得出特征值以及方差貢獻(xiàn)率。因子分析結(jié)果中的主因子數(shù)目決定主成分分析中主成分的數(shù)目。根據(jù)因子分析的結(jié)果,計(jì)算特征向量矩陣,特征向量矩陣便是主成分公式中的回歸系數(shù)。最后,得出主成分的計(jì)算公式。具體的數(shù)學(xué)模型如下:
式中,矩陣Zm為主成分計(jì)算結(jié)果;矩陣um為主成分的回歸系數(shù);矩陣Pmm為原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果。
考慮在主成分分析中,各主成分所代表的信息具有不同性和獨(dú)立性。最后,將方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重計(jì)算各因子的綜合得分,公式如下:
式中,Vm為因子綜合得分;Zmt為式(3)中主成分計(jì)算結(jié)果;Qt為權(quán)重。
因此,城市土地集約利用水平(UL)和城市化水平(UD)綜合得分便可表示為:
2.2.3 土地利用與城市化耦合關(guān)系模型[17] 土地集約利用與城市化系統(tǒng)存在非線性關(guān)系,其系統(tǒng)方程表示為:
利用泰勒級(jí)數(shù)原理,得到系統(tǒng)方程展開(kāi)公式:
再利用李雅普諾夫第一近似原理保證穩(wěn)定性,求出近似線性系統(tǒng)公式:
城市化(UD)與土地集約利用(UL)系統(tǒng)的一般函數(shù),表示為:
式中,城市化系統(tǒng)指標(biāo)的權(quán)重為e,土地集約利用系統(tǒng)指標(biāo)的權(quán)重為f,α、β分別為系統(tǒng)內(nèi)指標(biāo)。然后將其作為一個(gè)系統(tǒng)分析,再依據(jù)貝塔蘭菲的一般系統(tǒng)理論,求得土地集約利用與城市化的系統(tǒng)演化方程:
式中,C和D分別表示城市化和土地集約利用的演化狀態(tài)。C系統(tǒng)和D系統(tǒng)彼此作用,以斜率反映變化速度,其公式為:
當(dāng)f(UL)和f(UD)處于平衡時(shí),整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展的狀態(tài),系統(tǒng)的演化速度V=f(VC,VD),如果城市化為周期性變化,將導(dǎo)致土地集約利用系統(tǒng)也出現(xiàn)周期性變化。
可以用VC和VD作為變量建立坐標(biāo)系,得到V的變化軌跡(圖1)。
由圖1可見(jiàn),系統(tǒng)演化狀態(tài)下土地集約利用與城市化的耦合關(guān)系分別為:①協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū)、②熵增區(qū)、③退化解體區(qū)、④新周期產(chǎn)生區(qū)。當(dāng)θ趨近于0°時(shí),土地集約利用滯后城市化,城市土地利用存在粗放利用;當(dāng)θ的值為45°時(shí),土地集約利用與城市化處于同步狀態(tài),促進(jìn)城市發(fā)展,城市土地趨向集約利用,系統(tǒng)優(yōu)化;當(dāng)θ靠近90°時(shí),土地集約利用超前于城市發(fā)展,土地存在過(guò)度利用(表3)。
第二象限熵增區(qū)城市發(fā)展出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng);θ為180°時(shí),經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度到達(dá)波谷;θ為225°時(shí)是系統(tǒng)的崩潰點(diǎn),系統(tǒng)進(jìn)入下一周期變化。第四象限區(qū)域中,系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入新演化周期。當(dāng)VC為0°時(shí),是土地利用系統(tǒng)演變中的突變點(diǎn),同時(shí)是進(jìn)入新周期的準(zhǔn)備階段。
3 實(shí)證研究
3.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源
研究區(qū)選取江蘇省13個(gè)地級(jí)市,包括南京市、蘇州市、無(wú)錫市、常州市、泰州市、南通市、揚(yáng)州市、鎮(zhèn)江市、徐州市、鹽城市、淮安市、連云港市、宿遷市??偯娣e1 026萬(wàn)km2,占全國(guó)總面積的1.1%,其中平原面積706萬(wàn)km2,水面面積173萬(wàn)km2,海岸線長(zhǎng)954 km。
研究數(shù)據(jù)來(lái)源于2004、2007、2010年以及2013年的江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒。
3.2 實(shí)證結(jié)果
3.2.1 土地集約利用與城市化的耦合度結(jié)果 以江蘇省南京市為例,其他12個(gè)地級(jí)市依次類(lèi)推。首先,利用式(1)-式(6),算出2004、2007、2010年以及2013年江蘇省南京市土地集約利用與城市化綜合值(表4)。其次,通過(guò)其變化趨勢(shì)可以得到以下方程:
C=0.013 3X3-0.081 3X2+0.450 2X1-0.285 9 (18)
D=0.017 5X3-0.134 2X2+0.611 0X1-0.466 3(19)
式中,X取值為(1,4),分別代表2004、2007、2010年以及2013年;C為城市化綜合值;D為土地集約利用綜合值。然后,對(duì)變化趨勢(shì)方程式進(jìn)行求導(dǎo)。
VC=0.039 9X2-0.162 6X1+0.450 2 (20)
VD=0.052 5X2-0.268 4X1+0.611 0 (21)
式中,X取值為(1,4),分別代表2004、2007、2010年以及2013年;VC為城市化變化速率;VD為土地集約利用變化速率。根據(jù)式(14)、式(17),計(jì)算土地集約利用與城市化耦合度(表5)。
3.2.2 土地集約利用與城市化的耦合關(guān)系評(píng)價(jià) 根據(jù)上述計(jì)算方式,得出2004、2007、2010年以及2013年江蘇省13個(gè)地級(jí)市土地集約利用與城市化耦合度,并根據(jù)耦合模型(圖1)以及協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū)細(xì)分結(jié)果(表3),得到江蘇省13個(gè)地級(jí)城市土地利用與城市化耦合關(guān)系(表6)。
3.3 結(jié)果與分析
3.3.1 區(qū)域綜合分析 根據(jù)表6得出的2004、2007、2010年以及2013年江蘇省13個(gè)地級(jí)市土地利用與城市化耦合關(guān)系,利用ArcGIS10.0軟件將地理信息空間化(圖2)。研究發(fā)現(xiàn),江蘇省13個(gè)地級(jí)市土地集約利用與城市化耦合關(guān)系均處于協(xié)調(diào)發(fā)展區(qū)。從區(qū)域空間看,2004年處于前期磨合期(Ⅰ)的城市有3個(gè),地處蘇北地區(qū);處于中期協(xié)調(diào)區(qū)(Ⅱ)的城市有10個(gè),地處蘇中和蘇南地區(qū)。2007年處于前期磨合期(Ⅰ)的連云港、宿遷和淮安向中期協(xié)調(diào)期(Ⅱ)轉(zhuǎn)變;2010年處于后期拮抗期(Ⅲ)的城市增加到3個(gè),地處蘇南地區(qū);2013年處于后期拮抗期(Ⅲ)的城市增加到6個(gè),地處蘇南地區(qū)。
滯后發(fā)展?fàn)顟B(tài),即城市土地集約利用滯后于城市化,制約城市化發(fā)展,城市土地趨于粗放利用,系統(tǒng)退化[16]。2004年和2007年,連云港、宿遷和淮安一直處于前期磨合期(Ⅰ),城市土地存在無(wú)序擴(kuò)張現(xiàn)象,城市土地應(yīng)進(jìn)行內(nèi)部挖潛,需重視內(nèi)涵立體式綜合利用。
同步發(fā)展?fàn)顟B(tài),即城市土地集約利用同步于城市化,推動(dòng)城市化發(fā)展,城市土地趨向集約利用,系統(tǒng)優(yōu)化[16]。2004年中期協(xié)調(diào)期(Ⅱ)有10個(gè);2007年中期協(xié)調(diào)期(Ⅱ)有9個(gè);2010年中期協(xié)調(diào)期(Ⅱ)有10個(gè);2013年中期協(xié)調(diào)期(Ⅱ)有7個(gè)。研究表明,江蘇省城市化處于健康發(fā)展的城市較多,城市化得到持續(xù)性發(fā)展。
超前發(fā)展?fàn)顟B(tài),即城市土地集約利用超前于城市化,影響城市化發(fā)展,城市土地趨于過(guò)度利用,系統(tǒng)退化[16]。2004、2007、2010年以及2013年,處于后期拮抗期(Ⅲ)的城市相對(duì)應(yīng)的個(gè)數(shù)分別為0、1、3、6,且?guī)缀醵紴樘K南地區(qū)??梢?jiàn)蘇南地區(qū)城市土地過(guò)度利用現(xiàn)象較為嚴(yán)重,需綜合規(guī)劃城市發(fā)展,發(fā)揮城市化系統(tǒng)內(nèi)人口-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)綜合效益的最大化。
3.3.2 空間聚類(lèi)分析 通過(guò)ArcGIS10.0的空間聚類(lèi)分析模塊,分析城市土地集約利用與城市化的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展度的空間分布狀況,采用全局莫蘭指數(shù)I和局部杰瑞指數(shù)Li對(duì)江蘇省城市的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展度進(jìn)行分析,計(jì)算公式如下:
式中,I為莫蘭指數(shù),Li為局部杰瑞指數(shù),n為樣本總數(shù),Wij為空間權(quán)重,xi為樣本i的屬性,i≠j,x0為樣本的平均值,S2為方差。
全局莫蘭指數(shù)檢驗(yàn)研究區(qū)中臨近地域間的相似、相異或相互獨(dú)立(-1≤I≤1)。當(dāng)I的值接近于1時(shí)表明具有相似的屬性集聚在一起(高值與高值相鄰、低值與低值相鄰);I的值接近于-1時(shí)表明具有相異的屬性集聚在一起(高值與低值相鄰、低值與高值相鄰);I的值接近于0則表示屬性是隨機(jī)分布的或不存在空間自相關(guān)性。
蘇南地區(qū)2007年和2013年耦合協(xié)調(diào)度為相似屬性的集聚狀態(tài),呈穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展;蘇中地區(qū)2007、2010年和2013年耦合協(xié)調(diào)度為相似屬性的集聚狀態(tài),呈穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展;蘇北地區(qū)2010年和2013年耦合協(xié)調(diào)度為相異屬性的集聚狀態(tài);江蘇地區(qū)2010年和2013年耦合協(xié)調(diào)度為相異屬性的集聚狀態(tài);總體上呈集聚發(fā)展趨勢(shì)(表7)。
局部杰瑞指數(shù)則檢驗(yàn)局部地區(qū)是否存在高值或低值在空間上趨于集聚,高值Li代表高值集聚地域,低值Li則代表低值集聚地域(圖2)。局部杰瑞指數(shù)進(jìn)行空間聚類(lèi)分析表明:①蘇南、蘇中和蘇北三大區(qū)域各自?xún)?nèi)部呈集聚效應(yīng)。②蘇南地區(qū)屬于高集聚區(qū)域,表明城市耦合協(xié)調(diào)度最高;蘇中地區(qū)屬于中度集聚區(qū)域,表明城市耦合協(xié)調(diào)度一般;蘇北地區(qū)屬于低集聚區(qū)域,表明城市耦合協(xié)調(diào)度較低,其加速也相對(duì)慢。③從2004、2007、2010年和2013年時(shí)間維度變化來(lái)看,蘇北地區(qū)在向蘇中地區(qū)集聚,蘇中地區(qū)在向蘇南地區(qū)集聚,城市耦合協(xié)調(diào)度也呈相似狀態(tài)發(fā)展(圖3)。
4 結(jié)論與討論
1)江蘇省13個(gè)地級(jí)市土地集約利用與城市化耦合度在時(shí)間上具有動(dòng)態(tài)性。研究發(fā)現(xiàn),2004年和2007年,蘇北地區(qū)3個(gè)城市處于前期磨合時(shí)期(Ⅰ),分別是連云港、宿遷和淮安。2010年以后,轉(zhuǎn)變?yōu)橹衅趨f(xié)調(diào)時(shí)期(Ⅱ)。蘇南地區(qū)處于中期協(xié)調(diào)時(shí)期(Ⅱ),隨著時(shí)間的推移,也漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃谵卓箷r(shí)期(Ⅲ)。
2)江蘇省13個(gè)地級(jí)市土地集約利用與城市化耦合度在空間上具有差異性且有序上升。研究發(fā)現(xiàn),一方面,蘇北地區(qū)土地集約利用與城市化耦合度低于蘇中地區(qū)城市,蘇中地區(qū)城市低于蘇南地區(qū)城市,各區(qū)域城市之間存在較大的差異。另一方面,2004-2013年期間,蘇南地區(qū)城市由中期協(xié)調(diào)時(shí)期(Ⅱ)轉(zhuǎn)向后期拮抗時(shí)期(Ⅲ),蘇北地區(qū)城市由前期磨合時(shí)期(Ⅰ)轉(zhuǎn)向中期協(xié)調(diào)時(shí)期(Ⅱ),總體趨勢(shì)呈有序上升狀態(tài)。
3)江蘇省13個(gè)地級(jí)市土地集約利用與城市化耦合度在空間上具有集聚效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),蘇南、蘇中和蘇北三大區(qū)域各自?xún)?nèi)部呈集聚效應(yīng),蘇南地區(qū)屬于高集聚區(qū)域,蘇中地區(qū)屬于中集聚區(qū)域,蘇北地區(qū)屬于低集聚區(qū)域。同時(shí),蘇北地區(qū)在向蘇中地區(qū)集聚,蘇中地區(qū)在向蘇南地區(qū)集聚,城市耦合協(xié)調(diào)度也呈相似狀態(tài)發(fā)展。
4)借鑒物理學(xué)中速度演化的耦合模型,成功分析了土地集約利用與城市化耦合協(xié)調(diào)度關(guān)系。同時(shí),測(cè)算了土地集約利用與城市化系統(tǒng)在不同時(shí)間點(diǎn)綜合值的多項(xiàng)式方程,成功地反映了變化趨勢(shì),也彌補(bǔ)了中間斷隔時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。最后運(yùn)用ArcGIS10.0軟件繪制了土地集約利用與城市化耦合協(xié)調(diào)度在空間上的集聚效應(yīng)圖。
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