新疆石河子南山地區表土花粉研究

張 卉，張 蕓，楊振京，閻 平，孔昭宸，閻 順

(1.中國科學院植物研究所植被與環境變化國家重點實驗室，北京 100093;2.中國科學院大學，北京 100049;3.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，正定 050803;4.石河子大學生命科學學院，石河子 832003;5.中國科學院新疆生態與地理研究所，烏魯木齊 830011)

新疆處于西風環流、蒙古高壓和季風環流的交匯地帶，對于氣候變化的響應十分敏感。由于獨特的地理位置和脆弱的生態環境，新疆已成為國內外許多科學家的研究對象［1-4］，天山作為亞洲大陸最大的山系之一，橫貫于新疆的中部，成為分隔南、北疆自然地理區系的山系。北疆為溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年均氣溫－4—9℃，全年降水量150—200 mm以上;南疆屬暖溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫7—14℃，全年降水量25—100 mm［5］。因此由于天山特殊的地理位置，使得其對于新疆氣候的研究，甚至全球氣候的研究具有重要意義［6-8］。

孢粉分析是第四紀植被、古氣候研究的重要手段之一，利用孢粉組合可以恢復古植被，進而重建古氣候、古環境［9-11］。但是，不同植物的孢粉產量、大小、保存、傳播等諸多方面都存在差異，所以，孢粉組合中的孢粉數量和百分比、濃度、沉積率比例不一定與實際植被中該植物的數量和比例完全一致［12］。而表土孢粉與植被關系的研究是解決這一問題的關鍵，只有對現代植被與表土孢粉的關系進行深入的研究才能將化石孢粉重建古植被的誤差盡量減小［13］。近些年，天山北坡表土花粉的研究有了一定的進展。潘安定［14］首次應用灰色系統對天山北坡不同植被類型的表土孢粉組合進行了研究，在一定程度上有助于提高新疆干旱區花粉組合與植被類型對應上的準確性。閻順等［15］對表土中云杉花粉的含量進行了比較詳細的研究，對其傳播的機制有了較全面的認識，從而為云杉花粉在植被重建方面的應用提供了有說服力的證據。楊振京等［16］在對該區進行全面考察的基礎上建立了天山北坡植被垂直帶的表土花粉譜，基本反應了植被特征。這些成果開創了天山北坡的表土花粉研究工作，為后來該地區的表土及地層花粉方面的研究奠定了良好的基礎，但是，很多工作還有待進一步探討，花粉與植被對應關系的真實性以及植物在群落中的數量關系的研究就相對欠缺。

另外，表土花粉直接反映古植被的情況在以前的研究中較少涉及，因此，本文擬通過石河子南山地區23個不同海拔的表土孢粉分析，并與地層花粉譜進行對比分析，進一步探討表土孢粉與植被的對應關系，并對表土花粉反映歷史時期古植被的情況進行初步探討，為更好地認識南山地區古氣候環境演變提供參考依據。

1 研究區概況

研究區位于石河子市，境內有瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝河、巴音溝河等。氣候上屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年平均氣溫2.5—5.0℃，1月平均氣溫為－15—－20℃，7月平均氣溫為20—25℃，年均降水量多在500 mm以上，是中國干旱區中的濕島。降水季節變化很大，最大降水集中在5、6兩月，以2月份最少。所有植被垂直帶譜的結構幾乎完全一樣，差異在于同一類型垂直帶的上下限高度及帶幅寬度不同。帶譜之間存在明顯的過渡，植被垂直帶可分為高山座墊植被帶(＞3400 m)、高山亞高山草甸帶(3400—2700 m)、中山森林植被帶(2700—1720 m)、森林草原過渡帶(1720—1300 m)、蒿屬荒漠帶(1300—700 m)和典型荒漠帶(＜700 m)。

表土采樣點所在的石河子南山，距烏魯木齊75 km，屬北天山的喀拉烏成山北麓，地處中山與低山過渡帶，平均海拔1922 m，年降雨量400—600 mm，最冷月(1月)平均氣溫－10.4℃，最熱月(7月)平均氣溫12.4℃。無霜期77 d，平均降水量456.3 mm，年平均蒸發量為1008.3 mm，夏季多雨，冬有積雪，這一地區的氣候、地貌和植被垂直帶分帶明顯，具有多種植被帶類型，從下至上可分為:典型荒漠帶、蒿屬荒漠帶、森林草原過渡帶、山地云杉林帶等［17］。

2 實驗方法

2.1 野外采樣

沿著瑪納斯河海拔高度從約2400 m到300 m左右，每間隔海拔高度50—100 m取樣1次，其中海拔為650—400 m的地點，由于處在農田地帶受人為干擾較大而沒有采樣，總共采集了23塊表土樣品(表1)，主要收集地表的枯落物和苔蘚、地衣，當缺少枯落物和苔蘚、地衣時，則采集少量表土，并通過全球定位系統記錄每個采樣點的經緯度和海拔。樣品按照海拔高度的順序進行編號(表1)。

表1 新疆南山地區各樣品對應的海拔與現代植被帶類型Table 1 Altitudes and vegetation zones of all samples from Nanshan region of Xinjiang

2.2 實驗方法及數據處理

在實驗室每塊樣品取50 g，個別樣品為100 g，樣品處理前，每個樣品外加入1粒石松孢子片(26000粒/片)作為指示劑以計算孢粉濃度，采用常規的酸、堿處理和重液浮選的方法進行花粉提取，應用Olympus光學顯微鏡CX31在40×10倍鏡下對孢粉進行鑒定和統計，除個別樣品花粉含量較少外，均統計陸生植物花粉300粒以上。

采樣點分布圖(圖1)應用ArcGIS完成，孢粉數量統計和百分比計算應用Excel軟件完成，將孢粉分析結果以占陸生植物花粉總和為基數進行百分比計算，并運用Tilia軟件進行孢粉圖式制圖(圖2)。

3 結果與分析

23塊孢粉樣品共統計孢粉總數為21128粒，它們分屬于42個植物科屬。其中喬木植物花粉主要有云杉屬(Picea)、落葉松屬(Larix)、樺木屬(Betula);中旱生灌木和草本植物花粉主要有麻黃屬(Ephedra)、白刺(Nitraria)、藜科(Chenopodiaceae)和蒿屬(Artemisia)等;中生或濕生草本植物花粉有禾本科(Gramineae)和莎草科(Cyperaceae)等。依據表土花粉特點和現代植被調查，該區表土孢粉譜從上至下可分為4個孢粉組合帶(圖2)。

帶Ⅰ 森林植被帶(2400—1700 m):該帶植被以云杉屬為主，林下生長著多種類型的灌木及草本植物，以珠芽蓼(Polygonum viviparum)、烏頭(Aconitum carmichaeli)、忍冬(Lonicera Japonica)和天山花楸(Sorbus tianschanica)等較多。另外，林下還見較多的水龍骨屬(Polypodium)植物。孢粉組合中喬木植物花粉含量為71.3%—88.89%，平均值高達81.07%，其中云杉屬花粉含量最高(平均值為81.02%)，樺屬和榆屬等花粉類型含量較少。草本和灌木植物花粉含量為 11.11%—28.66%，平均值為 18.93%，其中藜科(14.76%)、蒿屬(1.78%)、麻黃屬(1.34%)占主要成分，還見少量的禾本科和石竹科(Caryophyllaceae)花粉。該帶的孢粉種類較多，達29個植物科屬，除了云杉屬(81.02%)、藜科(14.76%)含量較高外，其它種類僅占很小的比例，部分科屬的孢粉僅有幾粒。

帶Ⅱ 森林草原過渡帶(1700—1350 m):植被以豆科錦雞兒(Caragana sinica)和小檗科(Berberidaceae)灌叢為主，其次主要有蒲公英屬(Taraxacum)和牛蒡(Arctium lappal)等草本植物。孢粉組合中喬木植物花粉含量占2.94%—65.96%，并隨海拔降低而顯著減少，平均值為36.16%，較帶I明顯降低。其中云杉屬花粉的均值為35.47%，其他喬木植物如樺屬、落葉松屬含量較低。灌木和草本植物花粉含量為34.04%—97.06%，均值為 63.84%，比帶 I含量增高，其中藜科(50.13%)占主要部分，蒿屬(7.8%)、蓼屬(2.32%)等含量也較高，還見少量禾本科、菊科(Compositae)、石竹科等。盡管該帶較帶I的孢粉種類有所減少，但所鑒定的植物科屬也能達到21個。

帶Ⅲ 蒿屬荒漠帶(1350—750 m):植被以蒿屬、藜科和麻黃屬等植物為主，主要有絹蒿(Seriphidiam santolinum)、苔草(Carex tristachya)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)和駱駝蓬(Peganum harmala)等。孢粉組合中喬木植物花粉含量較帶Ⅰ、Ⅱ低，其值為0.19%—1.71%，平均值為0.96%。而灌木和草本植物花粉含量達 98.29%—99.81%，平均值為 99.04%，主要為藜科(62.36%)、蒿屬(34.33%)、麻黃屬(1.99%)，還有少量的蓼科、白刺、菊科等。與前兩帶相比，該孢粉帶的孢粉種類較少，僅有16個植物科屬，其中薔薇科(Rosaceae)、傘形科(Umbelliferae)、檉柳屬(Tamarix)和胡頹子科(Elaeagnaceae)等植物花粉只有幾粒。

帶Ⅳ 典型荒漠帶(750—350 m):該孢粉組合帶中，蒿屬、藜科等典型的荒漠植物明顯占優勢。但在400 m以下的樣品中卻含有大量的沼澤蕨(Thelypteris)孢子和蘆葦(Phragmites)植硅體，所以甚有必要劃出兩個亞帶:

亞帶Ⅳ1(750—650 m):喬木植物花粉含量平均值為0.56%，灌木和草本植物花粉含量為99.39%—99.48%，平均值為 99.44%，為整個垂直帶譜的最高值，其中藜科(79.55%)、蒿屬(17.12%)和麻黃(1.66%)含量較高，還有少量的菊科、白刺、檉柳屬和禾本科植物花粉。值得注意的是，該孢粉帶的孢粉種類較Ⅲ帶多，有24個植物科屬，除出現山蘿卜屬(Scabiosa)、豆科(Leguminosae)、十字花科(Cruciferae)外還出現了香蒲屬(Typha)、眼子菜屬(Potamogeton)和黑三棱屬(Sparganium)等濕生植物的個別花粉。

圖1 新疆南山地區表土花粉采樣點Fig.1 Study area and locations of surface pollen sampling sites in Nanshan region of Xinjiang

亞帶Ⅳ2(400—350 m):位于草灘湖區范圍內，孢粉組合雖以藜科、蒿屬為主，但該帶還出現了大量的沼澤蕨孢子和蘆葦植硅體，似乎該特征與草灘湖地層剖面中泥炭層的孢粉特征類似［35］，推測該土樣并不能完全代表近代的表土沉積，而是兼具歷史沉積物與表土沉積物的特征。

4 討論與結果

4.1 北坡樣帶表土花粉與植被的關系

該地區表土孢粉組合特征大致能反映當地植被的主要特征。帶I中較高含量的云杉花粉可能與植被帶以云杉為主的森林植物有關，帶Ⅱ中以云杉為主的喬木植物和含量較高的藜科、蒿屬和蓼屬等草本植物為主的孢粉組合特征與森林-草原植被帶的植被特征較為類似。帶Ⅲ的蒿屬花粉含量較高，與該帶植被中絹蒿較多有一定的關系，帶Ⅳ以藜科為主的花粉組合特征代表了這個植被帶的荒漠植被類型，而該帶中的亞帶Ⅳ2除藜科花粉占優勢外，還伴有大量沼澤蕨孢子和蘆葦植硅體，與荒漠植被類型不完全相符，有待進一步討論。

4.1.1 典型喬木(云杉)花粉與植被

根據表土樣品和現代植被調查，新疆天山北坡地區的喬木花粉在森林植被帶達到最大值，以云杉屬為主，伴生有少量的樺屬和榆屬。云杉作為新疆山地的植被建群屬種，種類少(雪嶺云杉Picea schrenkiana和西伯利亞云杉Picea obovata)，分布范圍具有局限性，在山地垂直地帶性中扮演著重要的角色［18］。

云杉花粉具有大的雙氣囊，有很強的飛行能力，在實驗采樣分析中，盡管采樣點據林地較遠，有的甚至有上千米，但是絕大多數樣品中都有云杉花粉的分布，通常認為其具有超代表性［19］。盡管在遠離林地的荒漠地區的表土樣中，云杉花粉也普遍存在，但是數量很少。在南山地區的表土孢粉垂直帶譜中，喬木植物占主導的帶I中，云杉屬花粉含量高達81.02%，而該帶位于海拔1700—2400 m的中山地區，分布有大片的雪嶺云杉，長勢較好，郁閉度高，群落組合中還有珠芽蓼、忍冬和烏頭等。在海拔1620—1700 m處分布有云杉過熟純林，生態環境出現惡化，較難更新恢復，云杉花粉含量開始降低。在海拔1350—1600 m，是大多種類花粉含量急劇變化的過渡帶，由于處于云杉林線下部的灌叢帶，據林地垂直距離局部達到300 m，隨著距離的增大，云杉花粉含量明顯減少，從65.7%下降到2.26%，表明一般情況下，距林地的距離影響著云杉花粉的含量，據閻順等［15，20］對新疆表土中云杉花粉的研究數據顯示，當在距林地水平距離10 km以上時，云杉花粉平均含量為4.7%;距林地20 km以上云杉花粉平均含量為4.2%;距林地100 km以上，云杉花粉平均含量則降至3.12%;距林地200 km以上，云杉花粉平均含量僅占3.1%。李文漪［21-22］等對新疆柴窩堡盆地、天山天池等地區的表土花粉研究也表示云杉花粉的含量與距林地的距離有較大的關系，并認為當云杉花粉百分含量大于20%時才能考慮是否有云杉林的存在。海拔低于1350 m為蒿屬荒漠帶和典型荒漠帶，植被數量極少，且大部分為藜科、蒿屬等，喬木百分比僅為0.89%，其中云杉花粉含量為0.37%，與荒漠地帶罕見喬木的情況較相符。

從花粉譜中可以看出，云杉屬花粉在海拔低于1350 m的地方即林帶下方所占的比例很小，一方面如前面所述是由于距林地的距離較遠，另一方面，可能是山風氣流對云杉花粉往下搬運的能力較弱所致［20］。需要指出的是，本次采樣沒有涉及高海拔的草甸植被帶，不能判斷完整的植被帶是否會出現距林地較遠的林線上部的云杉花粉含量較高的情況，但是結合以前的研究，出現這種情況的最大可能是受山谷風的影響，大量的研究證明，高山上升氣流對云杉花粉的搬運作用非常顯著。其中，花粉的“爬山”現象在高山地帶非常普遍［23］，至于山風對云杉花粉的搬運能力與低海拔地區較低含量的云杉花粉的關系還有待進一步研究。

4.1.2 典型草本植物花粉與植被

在整個植被垂直帶中草本植物花粉主要有藜科、蒿屬和麻黃屬等，其中藜科和蒿屬占大部分，藜科花粉最高達到88.88%，帶 I中藜科花粉相對較低，但也達到了 14.76%，其它各(亞)帶分別為 50.13%、57.05%、79.55%和 71.76%，蒿屬花粉在垂直帶上的分布分別為 1.78%、7.79%、39.45%、17.12%和 17.92%，藜科和蒿屬花粉因為其產量高、易保存和傳播能力強等特點，在表土花粉中明顯具超代表性，一直是學者們研究的重點［24-26］。閻順等［27］在研究中指出藜科和蒿屬作為新疆荒漠區和荒漠草原區的建群植物，分布廣泛，但是其花粉的分布更為廣泛，幾乎所有的植被帶樣品中都有其分布。李文漪等［21］認為當它們在植被中的含量達到30%以上時，則可以基本反映植被情況。在本次采樣的植被帶中，帶Ⅲ花粉組合以藜科和蒿屬為主，兩者的百分含量均超過30%，與所處的蒿屬荒漠植被帶相符，能夠基本反映當地的植被狀況。除了帶Ⅰ之外其它各(亞)帶的藜科含量均超過了30%，部分能夠反映低海拔地區的荒漠植被狀況，但是與其他地區的研究結果有所不同，在距荒漠地帶較遠的過渡帶百分含量仍然超過30%，顯示了藜科花粉的傳播能力很強，支持其花粉超代表性的說法。

A/C比值在花粉研究中的應用越來越廣泛，翁成郁等［28］研究了西昆侖地區表土花粉組合特征及其與植被的數量關系，指出A/C花粉含量比值可作為干燥程度的一個指示參數，對氣候、環境的恢復具有很大意義。孫湘君等［29］認為高含量的蒿屬花粉一般代表較濕潤的高海拔地區生長的以蒿屬為主的干草原，而高含量的藜科花粉則代表低海拔地區的荒漠，并指出使用A/C值恢復古環境時，其前提條件是蒿屬與藜科花粉之和必須占優勢，起碼超過花粉總數的一半，A/C值才有指示旱生植被的生態意義。Van Campo［30］的研究表明，A/C可以用來區分溫帶草原和沙漠，并且可以用來重建當地降雨量的變化狀況。Herzschuh［31］也認為A/C比值可以作為區分干旱度的一個代用指標。南山地區的表土孢粉研究表明，蒿屬的花粉集中在蒿屬荒漠，藜科花粉則集中在蒿屬荒漠和典型荒漠帶。另一方面，帶Ⅲ的A/C比值為 0.12—2.79，均值為 1.06，其他各(亞)帶的 A/C 值均小于 0.5(圖3)，亞帶Ⅳ2雖然部分反映的是古濕地環境，但是現代植被是荒漠植被，蒿屬和藜科所占比例與亞帶Ⅳ1相差不大。另外，在草灘湖濕地的古沉積環境下，又使得該亞帶的A/C比值略大于亞帶Ⅳ1。A/C值在一定程度上指示環境的干濕程度，但在局部環境下也反映人類對植被的干擾程度［32］。與亞帶Ⅳ2相比，亞帶Ⅳ1的采樣地受人類干擾較嚴重，分布有人工種植的楊樹，另外還分布有大片的苦豆子(Sophora alopecuroide)，苦豆子生長的地方大多為荒漠和半荒漠區內較潮濕的地段，地下水位較淺，比較適合人類活動，在人類干擾較嚴重的情況下，A/C比值有減少的趨勢［33］相符合。

4.2 表土花粉代表性問題

石河子南山海拔400 m以上的表土花粉垂直分布與楊振京［33］沿天山博格達峰附近雪線至古爾班通古特沙漠的長約100 km，寬約20 km的樣帶上采集的位于海拔2400—400 m的表土花粉組合特征類似，反映了當地現生植被分布的情況，但是在海拔400 m以下的花粉組合中，指示濕地環境的沼澤蕨孢子所占比例(基數為統計孢粉總數)竟高達49.4%，且蘆葦植硅體含量也較多(10—180粒)，同時還見有水生植物(黑三棱、眼子菜、香蒲等)花粉的出現。為了驗證這些表土花粉的物源，沿不同海拔高度采集了表土花粉樣品進行鑒定，發現沿途并未出現沼澤蕨孢子，而只有在海拔低于400 m處才開始出現沼澤蕨孢子以及蘆葦植硅體，表明它們不是從天山搬運而來，而在一定程度上指示了原地的濕生古環境。因此海拔400 m以下的花粉組合特征不能完全反映當地植被，而在一定程度上還代表歷史時期古濕地的沉積特征，這些研究成果有助于合理解釋剖面地層中的花粉特征以及較客觀的恢復古植被景觀和古氣候特征。值得提出的是，作者們對草灘湖村濕地4550a以來的孢粉記錄和環境演變進行了研究［34-35］，表明該地區的歷史植被和氣候演變明顯，2500 cal.a BP至今，水生植物生長，形成濕地景觀，盡管濕地周圍大區域仍是以蒿屬、藜科為主的荒漠草原。在草灘湖村剖面中，沼澤蕨孢子和蘆葦植硅體大量分布在深66 cm以上的泥炭層中(約2500 cal.a BP)［34］，恰好與該地區400 m以下的表土中出現高比例的沼澤蕨孢子和蘆葦植硅體相一致，從而為該表土花粉反映歷史時期的植被與環境情況進一步提供了證據。

圖3 新疆南山地區表土花粉不同花粉帶蒿屬/藜科比值Fig.3 Artemisia/Chenopodiaceae(A/C)pollen ratio of different surface pollen zones in the Nanshan region of Xinjiang

該地區表土花粉的特殊代表性與其位于軍墾地帶有著較大的關系，石河子墾區地處天山北麓中段，古爾班通古特大沙漠南緣，全墾區面積7529 km2，自治區直轄市－石河子市位于墾區中部，南倚天山，是新疆生產建設兵團直轄的以農牧業為依托的軍墾新城，史料記載，石河子的開墾歷史遠從西漢屯田戍邊開始，歷經東漢、魏、晉、南北朝、隋、唐、元、明、清代2000余年，相襲至今。20世紀50年代初，石河子新疆生產建設兵團進駐石河子進行開荒生產，墾區的生態環境發生了巨大變化［36-37］。歷史時期長期的翻耕使得表土層揭開，造成實際采集的表土樣品混雜了一定的地層土壤，甚至完全是地層土壤，從而使得表土花粉與現代植被的對應關系欠缺，但卻較好地反映了歷史時期的植被環境特征。

值得提出的是，在草灘湖區采集的表土中，在距離較近的表土樣品中(樣品20和樣品21)的孢粉組合卻有較大的差異。其中，采于豆子農田地的樣品(樣品21)中未見沼澤蕨孢子，但有較多的蘆葦植硅體，根據不同植物的生境特點來看，地下水位、水質和土壤特性等均會影響植物的生長與分布，這里僅較為簡單地討論地下水位的情況，其他特性有待進一步的工作。造成這種現象的原因可能是該沉積樣品對應的歷史時期的積水較深，不利于蕨類植物生長，但對水分適應幅度很廣的蘆葦群落則大量分布。這一方面說明人們在開墾選址的時候考慮到了地下水位的問題，雖然在歷史時期該地區水面積較大，但是隨著歷史環境的變遷和人為活動的影響，草灘湖濕地的水面積逐漸減少，現代景觀已經少見有地上水，而且地下水位的下降也非常明顯，曾經相對的高湖地段退水后正好符合農作物對土壤水分的需求。另一方面說明不同程度的開墾對地表揭露的程度也不同，雖然該表土樣品可以明顯看出古濕地的環境，但是具體對應哪個歷史時期則無法判斷。可以結合同一地點的剖面樣品孢粉組合特征以及年齡數據來了解開墾深度，從而對開墾程度予以判斷，這對于土地利用與生態環境的關系以及不同農作物的種植生長對土地翻耕要求的研究有一定的參考價值。

5 結論

(1)通過對天山北坡按海拔梯度從海拔2400 m到300 m采集的23塊表土樣品的孢粉分析以及植被的調研，將該區表土孢粉譜分為4個孢粉帶，分別對應森林植被帶、森林草原植被帶和蒿屬荒漠帶和典型荒漠帶。在海拔400 m以上，花粉含量的垂直變化與植被之間具有較好的對應關系，而典型荒漠帶由于其特殊的花粉組合被劃分為兩個亞帶，其中亞帶Ⅳ2含有大量的沼澤蕨孢子和蘆葦植硅體對指示古環境具有重要的意義。

(2)云杉屬花粉在整個垂直植被帶中都有分布，與云杉自身較強的飛行能力有關，在低海拔地區含量明顯減少一方面由于距林地較遠，另一方面可能與山風的搬運能力較弱有關。在森林植被帶達到最大值，與該帶的建群種為云杉有關。

(3)南山地區的表土孢粉研究表明蒿屬的花粉集中在蒿屬荒漠，藜科花粉則集中在蒿屬荒漠和典型荒漠帶，與理論情況較符。帶Ⅰ、Ⅱ以及亞帶Ⅳ1和Ⅳ2的A/C均小于1，帶Ⅲ的A/C比值為0.12—2.79，均值為1.06，雖然A/C值在一定程度上指示環境的干濕程度，但在局部環境下也反映人類對植被的干擾程度。這表明在應用A/C比值進行古環境恢復時需要結合具體的研究環境進行說明。

(4)表土花粉通常與現代植被有較好的對應關系，但是當孢粉組合與現代植被相差較大，難以對區域植被和現代地理環境因素作出解釋時，可以考慮其與古地理之間的對應關系，從而在一定程度上可以為地層孢粉和古環境的研究提供依據，對研究農業開墾也有一定的參考價值。

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