基于ArcGIS孟连县牛油果种植气候适宜性精细化分析

刘波 ,  龚红梅

高原农业 ›› 2025, Vol. 9 ›› Issue (04) : 470 -481.

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高原农业 ›› 2025, Vol. 9 ›› Issue (04) : 470 -481. DOI: 10.19707/j.cnki.jpa.2025.04.007

基于ArcGIS孟连县牛油果种植气候适宜性精细化分析

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Refined Analysis of Climatic Suitability of Avocado Planting in Menglian County Based on ArcGIS

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摘要

本文旨在研究孟连县牛油果种植指标评估、灾害风险分析、气候适宜性区划,合理布局,减少气象灾害影响,提高牛油果产量及品质。选用牛油果主要物候期气象观测资料及生长发育与分布状况调查数据,运用栅格计算、空间插值等ArcGIS技术方法进行分析,将孟连县牛油果种植气候适宜性划分为最适宜区、适宜区、次适宜区、不适宜区4个层级,完成其气候适宜性区划专题图绘制。结果表明,孟连县影响牛油果种植气象要素包括3个指标6个因子,指标中影响较大的是温度,在温度要素中最低气温影响较大;年降水量丰富,适宜牛油果种植,但少部分低洼种植区根部易积水,根腐病发生风险偏高;年平均气温适宜牛油果生长,但干季降水稀少,气温回升快,低海拔区4 - 5月有高温干旱风险,有灌溉条件的区域更适宜种植牛油果。结果说明,孟连县年平均气温在22 ℃以上;最冷月1月,平均气温在12 ℃以上;年降水量在2 000 mm以上,均为牛油果种植最适宜区,约占全县国土面积的70%。

Abstract

This article is intended to investigate the assessment of avocado planting indicators, disaster risk analysis, and climate suitability zoning in Menglian County, for the purpose of rational layout, minimizing the influence of meteorological disasters, and enhancing the output and quality of avocados. The main phenological period meteorological observation data of avocados and the investigation data on their growth, development, and distribution were selected. ArcGIS technical approaches such as raster calculation and spatial interpolation were employed for analysis. The climate suitability for avocado planting in Menglian County was classified into four levels: the most suitable area, the suitable area, the less suitable area, and the unsuitable area, and the thematic map of climate suitability zoning was accomplished. The results demonstrate that the meteorological factors influencing avocado planting in Menglian County encompassed three indicators and six factors. Among the indicators, temperature exerted a more significant impact, and the minimum temperature had a greater influence within the temperature factors. The annual precipitation was abundant, which was conducive to avocado planting. However, in some low-lying planting areas, the roots were prone to water accumulation, and the risk of root rot was relatively high. The annual average temperature was suitable for avocado growth. Nevertheless, the precipitation was scarce during the dry season, and the temperature rose rapidly. In the low-altitude areas, there was a risk of high temperature and drought from April to May. Areas with irrigation conditions were more suitable for avocado planting. The results suggest that in Menglian County, the annual average temperature is above 22 ℃; the average temperature in the coldest month, January, is above 12 ℃; and the annual precipitation is above 2,000 mm. All these areas are the most suitable for avocado planting, accounting for approximately 70% of the county's total land area.

Graphical abstract

关键词

牛油果 / 种植气候适宜性 / ArcGIS / 精细化分析

Key words

Avocado / Planting Climate Suitability / ArcGIS / Fine-Grained Analysis

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刘波,龚红梅. 基于ArcGIS孟连县牛油果种植气候适宜性精细化分析[J]. 高原农业, 2025, 9(04): 470-481 DOI:10.19707/j.cnki.jpa.2025.04.007

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牛油果又称油梨(Persea americana)是一种新兴发展的亚热带果树,对气候条件要求可概括为“喜温热忌霜冻,喜多雨忌洪涝,喜风调雨顺忌狂风暴雨”。党的十八大以来,孟连县委、政府为深刻践行习近平总书记生态文明思想和“绿水青山就是金山银山”的“两山理论”,实现建设美丽家园的目标,牛油果在云南省边疆的孟连县蓬勃发展,种植面积已达6 000 hm2以上,是全国规模最大的牛油果种植基地,完成“孟连牛油果”国家地理标志认证,是全国名特优新农产品,被称为“中国牛油果之乡”。
全面推进乡村振兴,加快农业农村现代化建设,已成为中国全面建成小康社会后的重大战略。在乡村振兴和农业农村现代化建设新形势下,如何提升生态农产品附加值及市场竞争力,从而促进乡村振兴成为目前的重要研究课题,尤其是气候对农产品种植方面研究更为重要。农产品气候适宜性分析是客观评价天气气候对农产品种植适宜程度影响的优劣等级。开展气候适宜性分析旨在进一步提升现代气象为农服务能力,引导农产品种植企业和农户更好地利用气候资源优势提高农产品品质和防灾减灾能力,促增收,巩固脱贫攻坚成果,助力乡村振兴。
目前,陈金表等[1,2]根据牛油果的生长发育特性及引种表现,提出高产优质标准化种植技术;张丽娜、杨正宏等[3-5]根据云南省地理气候特征,对牛油果种植发展优势进行分析,并提出发展对策。以上从牛油果种植和发展优势进行了研究,但关于牛油果种植气候适宜性及灾害防范研究相对较少,未有文献完成牛油果种植气候适宜性区划及灾害防范相关研究,故本文结合乡村振兴气象保障服务工作实际,尝试从气温、降水、日照等气候要素,对孟连牛油果种植气候适宜性进行分析,以期对引进牛油果新品种、提升牛油果品质及孟连县牛油果产业发展提供科学依据和科技支撑。

1 研究区域、数据和方法

1.1 研究区域概况

图1所示,孟连县位于云南省西南部,于属南亚热带气候类型,境内气候垂直变化明显,冬无严寒,夏无酷暑,四季如春,年平均气温为20.1 ℃,最高气温达37.6 ℃,每年1 - 2月最冷,平均气温13 ℃左右,年平均降水量1 373 mm,地跨东经99°09′ - 99°46′、北纬22°05′ - 22°32′之间。东与澜沧县接壤,北与西盟县相连,西部、南部与缅甸掸邦第二特区相连,最高点为腊福大黑山(又称昂郎山),海拔2 603 m;最低点南马河与南卡江交汇处勐啊,海拔500 m。具有与“世界油梨之都”美誉的墨西哥米却肯州乌拉邦市类似的气候环境。牛油果是一种荒山荒地造林,保护水土流失,改善生态环境的好树种,发展牛油果产业是一项生态与经济“双赢”的绿色产业。

1.2 资料与方法

1.2.1 数据资料来源

(1)本文中牛油果主要物候期观测资料及生长发育与分布状况调查资料来源于孟连县牛油果科学技术研究中心、孟连县委农办;气象观测资料来源于孟连县气象局。

(2)孟连县行政边界、河流水系等基础地理数据来源于中国气象局下发的基础地理数据;数字高程(DEM)数据来源于中国资源卫星中心。

1.2.2 数据处理方法

根据文献[6-10]的研究,本文基于ArcGIS技术,利用栅格计算、空间插值分析等方法,对基础地理数据、气象观测数据、牛油果生长生理指标、气象灾害指标等资料开展牛油果种植气候适宜性精细化分析。

(1)气温推算

气温是表示热量特征的重要指标之一,是自然区划和计算农业生产潜力的重要参数,是热量条件分析的基础,但受海拔高度、地形因素(坡度,坡向)、大气状况等因素影响明显。本文利用孟连县地面气象观测站的气温数据,建立月平均气温与气象观测站经、纬度和海拔高度的统计分析模型,计算得出孟连县1 - 12月的平均气温数据[6]。其计算公式如下:

T=a+b×λ+c×ϕ+d×h

式中:T为气象站观测的月平均气温值;λϕ分别为气象观测站所处位置的经、纬度;h为海拔高度(m);abcd为回归系数,其中海拔高度是影响气温的主要因子。运用ArcGIS中的栅格计算工具计算逐月平均气温,逐月累加平均后得到孟连县实际的年平均气温,数值单位为℃。

(2)有效积温推算

有效积温,是作物在某个生育期或全部生育期内有效温度的总和,反映作物生长发育对热量要求、评价热量资源、合理安排作物布局和进行农业气候区划的一种指标,常用于农业气象预报及农作物气候适宜性分析[7]。由于有效积温剔除了生物学下限温度以下和上限温度以上的温度,因此它基本上反映了作物的生育速率与温度的线性关系。

复杂地形下有效积温推算:将气象观测站的海拔高度、经、纬度建立积温推算模型,进而将各网格点上考虑坡度、坡向、地形遮蔽及坡地反射的太阳总辐射代入推算模型,就可建立山区细网格下的年≥ 0 ℃、≥ 10 ℃和≥ 15 ℃的有效积温分布模型。

(3)日照时数推算

在复杂地形条件下,由于受季节、云量、海拔、坡度和坡向等地形因子以及周围地形相互遮蔽的影响,导致日照时数的时空差异显著。采用半球视域算法,依次计算出基于DEM数据的1 - 12月的地理可照时数,再建立实际可照时数与地理可照时数的估算方法进行估算,推算出实际日照时数数据[8]。本文利用孟连县地面气象观测站数据,经内插的日照百分率与地理可照时数之积进行估算。

(4)降水量推算

降水量是水资源评估的重要依据。在气象、水文、生态等学科研究中也是各种研究模型的重要因子。本文依托ArcGIS技术,根据观测站点的海拔与降水量观测值采取空间插值和线性回归分析方法,从降水权重、估计、暴雨灾害风险等方面,对牛油果种植适宜性降水量要素进行分析。

① 权重函数距离权重是在信息圆搜索距离确定的情形下,计算观测站点与插值点间距离对插值点估算值的影响[9]。权重取值与距离计算公式如下:

Di=0                                    diRpexp-diRp2α-e-α       diRp

式中,Rp是相对于插值点P的搜索半径,α是无量参数。Rp的大小取决于站点密度。Rp是一个变化的量,它随格点周围测站分布密度的不同而变化,本文中的插值站点数目为14。

方位权重是考虑到孟连县地处低纬高原,受季风影响[10]。不同方位的插值站点对插值点的影响除距离因素外,其所处方位也将对插值结果产生影响:测点Pi (i = 1,2,3,4)对于格点中心P分布如图2,四个点相对于点P的距离相等,但是P4点相对于其余三点是独立得的。显然,PP4虽然与PP1、PP2的距离相同,但是空间位置不同,其对点P的影响就有差异。因此,本文引入方位权重来表示插值站点的不同方位对插值结果的影响。

引入PiP之间的夹角余弦作为空间布局的一种量度,通过投影进行测量,则不同站点相对于点P的方位对估值P的影响可以表示为:

ai=djC*Dj1-cosPjPPidjC*Dj

式中, 表示选定的信息圆(搜索半径r包括的)范围。

cosPjPPi=x-xix-xj+y-yiy-yjdidj

由于- 1 ≤ cosθ ≤ 1,因此0 ≤ a i ≤ 2。如果Pi 和其余测站大都在P的同一方向,则(1 - cosθ)约为0,表明此时PiP点的值的影响完全由距离决定,而与方向无关;如果Pi 在其他测点的相反方向上,则ai 约等于2,表明方向影响达到最大。

综上所述,得出方位和距离的权重函数:Wi = Di(1 + ai)。在估计降水时,对参与估值的站点的降水与海拔高程进行加权最小二乘回归分析。

② 降水估计

p1-p2p1+p2=β0+β1Z1-Z2

式中,P1P2 为搜索半径内任意两点的观测值,Z1Z2 为测点海拔;β0β1 为回归方程系数。插值点降水量(PP )的计算公式如下:

Pp=i=1nWiPi+1+f1-fi=1nWi

式中, = β0 + β1(Zp - Z i )。要求│ │ 1,并规定当│ │ 0.95时,│ │ = 0.95。

2 结果分析

2.1 牛油果主要物候期与气象条件分析

孟连县牛油果不同物候期与气象条件关系(见表1)。一般情况下,牛油果在生长发育过程中,影响其产量品质的关键气象因子是温度,特别是开花挂果至成熟期的高温、干旱和洪涝等气象灾害对牛油果品质和产量影响较为显著[11,16]

2.2 常年气候条件分析

本文利用孟连县地面气象观测站资料,对孟连县近30年(1991 - 2020年)气候条件进行统计分析。孟连县年平均气温20.3 ℃,极端最高气温37.6 ℃,极端最低气温2.2 ℃;年均降水量1 343.4 mm;年均日照时数为2 247.3 h。

图3可知,平均气温、最高气温变化不明显,最低气温呈先增后降趋势,最热月6月,平均气温24.1 ℃,平均最高气温32.7 ℃,最冷月1月,平均气温14.2 ℃,平均最低气温4.6 ℃;降水量变化呈单峰型,最多月7月,平均降水量为291.4 mm,最少月为2月,平均降水量仅8.8 mm;日照时数变化呈“V”字型,最多月3月,平均日照时数为251.3 h,最少月为7月,平均日照时数为110.1 h。孟连牛油果关键物候期近30 a气象要素值(表2)。

2.3 适宜性气象要素空间特征分析

本文基于ArcGIS技术,运用栅格计算、空间插值分析等方法,从气温、日照、降水等气象要素对孟连县牛油果种植气候适宜性进行精细化分析。

2.3.1 年平均气温分析

根据式(1)中年平均计算公式,对孟连县年平均气温进行计算分析,并完成其年平均气温分布图的绘制(图4)。

图4可知,孟连县年平均气温呈“东西高、南北低”的空间分布特征。北部的大黑山和南部的哈布壳山周边地区年平均气温为15 ℃ ~ 20 ℃之间,其中山顶年平均气温低于18 ℃;西部的勐马镇、公信乡西部、富岩镇西部等地区年平均气温超过20 ℃,其中勐啊坝、南卡江、南马河、安永河及其支流年平均气温超过22 ℃,是孟连县最热的地区;东部的景信乡、娜允镇、芒信镇年平均气温18 ℃ ~ 22 ℃,其中孟连坝、景信坝、芒信坝气温在20 ℃ ~ 22 ℃。

2.3.2 有效积温分析

根据有效积温推算模型,分析了孟连县年≥ 0 ℃、≥ 10 ℃和≥ 15 ℃的有效积温对牛油果生长发育的影响,并绘制其有效积温分布图。

(1)年≥ 0 ℃有效积温

图5可知,孟连县≥ 0 ℃有效积温呈“东西高、南北低”的空间分布特征。北部的大黑山和南部的哈布壳山大部地区有效积温为6 000 ℃•d ~ 7 000 ℃•d,其中南部边缘的腊福山顶的有效积温低于5 800 ℃•d;西部的勐马镇、公信乡、富岩镇等地区的有效积温超过7 000 ℃•d,其中勐啊坝、南卡江、南马河、安永河及其支流的有效积温超过8 500 ℃•d,是孟连县热量条件最丰富的地区;东部的景信乡、娜允镇、芒信镇的有效积温为7 000 ℃•d以上,其中孟连坝、芒信坝、南垒河、南基河、南腊河河谷的有效积温为8 000 ℃•d ~ 8 500 ℃•d,也是孟连热量丰富的地区之一。

(2)年≥ 10℃有效积温

图6可知,孟连县≥ 10 ℃有效积温的分布与海拔高度呈反比,其空间呈“东西高、南北低”特征分布。北部的大黑山和南部的哈布壳山大部地区有效积温为6 000 ℃•d ~ 6 500 ℃•d,其中腊福山、芒信镇西部、娜允镇西部高山顶的有效积温低于5 800 ℃•d。西部的勐马镇、公信乡西部和中部、富岩镇西部和北部等地区的有效积温超过7 000 ℃•d,其中勐啊坝、南卡江、南马河、安永河及其支流的有效积温超过8 000 ℃•d是孟连县热量条件最丰富的地区;东部的景信乡、娜允镇、芒信镇的有效积温为7 000 ℃•d以上,其中孟连坝、芒信坝、南垒河、南基河、南腊河河谷的有效积温为7 500 ℃•d ~ 8 000 ℃•d,也是孟连热量丰富的地区之一。

(3)年≥ 15 ℃有效积温

图7可知,孟连县≥ 15 ℃有效积温的分布与海拔高度呈反比,其空间呈“东西高、南北低”特征分布。北部的大黑山和南部的哈布壳山大部地区有效积温为4 000 ℃•d ~ 5 500 ℃•d,其中腊福山高山顶的有效积温低于3 800 ℃•d。西部的勐马镇、公信乡西部和中部、富岩镇西部和北部等地区的有效积温超过6 000 ℃•d,其中勐啊坝、南卡江、南马河、安永河及其支流的有效积温超过7 000 ℃•d是孟连县热量条件最丰富的地区;东部的景信乡、娜允镇、芒信镇的有效积温为6 000 ℃•d以上,其中孟连坝、芒信坝、南垒河、南基河、南腊河河谷的有效积温为6 500 ℃•d ~ 7 000 ℃•d,也是孟连热量丰富的地区之一。

2.3.3 日照时数分析

利用孟连县地面气象观测站数据,根据日照时数推算方法,对孟连县日照时数进行计算分析,并完成其空间分布图的绘制(图8)。

图7可知,孟连县年日照时数主要受地形以及云雾等条件的影响,大部地区年日照时数为2 000 ~ 2 400 h之间,其中孟连坝、勐阿坝、勐马坝西部与东部、景信坝东南部、腊福山阳坡等地区年日照时数超过2 200 h,局部地区超过2 400 h,是县内年日照数的高值区;低值区主要分布在大黑山、腊福山阴坡和娜允镇北部和东南部、景信乡西部、芒信镇东部和西部等地区,为1 600 ~ 2 000 h,虽然略小于县内其他地方,但仍大于省内同纬度、同经度的地区。

2.3.4 降水量分析

本节根据1.2.2.4节中降水权重、降水估计等降水量计算方法,完成孟连县牛油果种植适宜性降水量要素及暴雨洪涝灾害分析。

(1)年平均降水量分析

图9可知,孟连县大部地区的年降水量为900 ~ 2 600 mm,呈“东西少、南北多”空间分布特征。北部的大黑山和南部的哈布壳山周边地区年降水量为2 000 mm以上,其中大黑山高山区即富岩镇中部及东部、娜允镇西部的年降水量超过2 600 mm,是孟连年降水量最多的地方;西部的勐马镇、公信乡西部的年降水量少于1 200 mm,其中南马河下游的勐啊坝的年降水量不足900 mm,是孟连降水最少的地区。东部的景信乡、娜允镇、芒信镇的年降水量为1 200 ~ 1 600 mm,其中南垒河及孟连坝年降水量在1 200 ~ 1 400 mm之间。

(2)牛油果暴雨洪涝灾害风险分析

积水是牛油果根部最忌讳的,积水过多、时间过长时,易感染根腐病,而且发病后极难控制[12]。暴雨和短时强降水是导致积水的最直接因素,同时暴雨还导致滑坡、山洪、塌方,造成牛油果种植地受损[13]

经收集气象、水文、地理信息以及历史灾情数据,根据DEM、河流水系信息,利用水文模型做适用性对比分析,结合统计法确定孟连暴雨致灾的小时降水临界雨量(≥ 40 mm/h),然后叠加流域信息、土地利用信息和不同程度暴雨洪涝淹没结果,绘制孟连县牛油果可种植区暴雨洪涝风险区划图(图10)。

图10可知,孟连县地处季风区,有明显的雨季与干季之分,雨季降水占年降水总量的88.7%,年均有大雨日约10.4 d、暴雨日3.3 d,孟连县大部分地区因暴雨造成牛油果受灾的风险较小。

3 牛油果种植气候适宜性区划指标讨论

3.1 温度气候适宜性指标

牛油果是热带作物,喜温暖气候,其适宜的年平均温度为20 ℃ ~ 25 ℃;不耐寒,抗寒力因品种不同而异,其中以墨西哥系品种耐寒能力最强,可耐- 7 ℃ ~ -10 ℃低温,危地马拉系在- 6 ℃低温下严重受害,西印度系0 ℃及以下的低温不能正常生长,甚至连根冻死;因此气温是“牛油果引种”的一个重要的指标,为了尽可能模拟牛油果原生态环境,避免低温对植株的危害,调查与分析牛油果生长状况与温度之间的关系后,选取年平均气温与最冷月气温,做牛油果种植的区划因子,年平均气温22 ℃以上适宜牛油果生长,但干季降水稀少,气温回升快,低海拔区4 - 5月有高温干旱风险,有灌溉条件的区域更适宜种植牛油果。

3.2 降水气候适宜性指标

牛油果喜湿润气候,对干旱和积水相当敏感。土壤干旱,则阻碍根系对水分的吸收及地上部蒸腾,干扰正常的新陈代谢,导致落花落果,乃至叶片变黄而凋零脱落,冬季抗寒力降低。土壤积水过长,会造成土壤通气不良,使根系呼吸受阻而窒息腐烂,从而影响地上部分的生长发育或植株死亡[14]。孟连牛油果几乎都是山地种植,为了充分利用自然条件,降低灌溉成本,因此选取年降水量作为牛油果种植的区划因子,一般年降水量在1 000 mm的区域适宜牛油果生长,年降水量在1 500 ~ 2 000 mm生长最佳。

3.3 光照气候适宜性指标

光照的长短对牛油果的生长没有显著的影响,只要气温合适,牛油果一年四季均可生长。但牛油果不耐烈日暴晒,特别是在幼苗期,如地表温度过高容易引起幼茎灼伤,需要适当荫蔽[15]。成龄牛油果树需要充足的光照,以利于花芽分化及花序的发育和果实发育正常;孟连县全年光照充足,光照对种植区域的划分没有指征作用,不选为种植区划因子。

综上,根据牛油果的生长发育对气象条件的要求,结合孟连县气候特点及牛油果生产实际,从6个影响因子中,选取年平均气温、最冷月气温、年降水量3个因子作为孟连县牛油果种植气候适宜性区划因子,并按照最适宜、适宜、次适宜、不适宜进行分级。牛油果种植气候区划指标及分级(表3)、区划图(如图11)。

4 结论

本文运用栅格计算、空间插值等ArcGIS技术开展孟连县牛油果种植气候适宜性精细化分析,完成其种植指标评估、灾害风险分析、气候适宜性区划,绘制了孟连县牛油果种植气候适宜性区划专题图。得出以下结论:

(1)专题图绘制。孟连县牛油果种植气候适宜性分析包括气温、降水、日照3个气象要素指标6个因子。要素中影响较大的是温度,在温度要素中最低气温影响相对较大。根据各气象要素指标分析结果,完成其绘制了6个影响因子专题图绘制。

(2)气候适宜性划分。综合考虑各气象要素指标对牛油果种植的影响程度,得到了孟连县牛油果种植气候适宜性区划图,牛油果种植的气候最适宜区,占全县国土面积的70%左右,主要分布景信、娜允、芒信、勐马镇中东部、公信乡大部、富岩镇西部和北部。其中,年平均气温在22 ℃以上、最冷月(1月)气温12 ℃以上、年降水量在2 000 mm以上为牛油果种植最适宜区;年平均气温在18 ℃ ~ 22 ℃之间、最冷月(1月)气温在10 ℃ ~ 12 ℃之间、年降水量为1 400 ~ 1 800 mm为牛油果种植适宜区;年平均气温在15 ℃ ~ 18 ℃之间、年降水量850 ~ 1 200 mm为牛油果种植次适宜区。

(3)灾害风险。孟连县年降水量丰富,特别是雨季(5 - 10月),丰沛的降水满足牛油果营养生长、开花、座果及果实干物质的积累增长,同时少部分低洼种植区雨季因排水不畅,导致牛油果根部积水,根腐病发生风险偏高;但干季降水稀少,气温回升快,干季后期高温干旱会影响其开花及座果,有灌溉条件的区域更适宜种植牛油果。

针对以上结论,合理规划布局牛油果种植基地、强化科学管理,增强气象灾害风险防范意识。建议将牛油果种植在干旱、冰雹、大风等气象灾害风险低的区域,每年干季特别关注、加强牛油果的浇水及雨季低洼种植区的排水工作。可根据气象条件、土地利用类型、坡度、海拔等情况,合理布局、重点部署牛油果种植区灌溉设施规划和建设工作。

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基金资助

云南省气象局基层台站气象科技创新与能力提升计划项目(STIAP202230)

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