基于模擬數(shù)據(jù)分析長江調(diào)水對棘洪灘水庫的影響

摘 要： 目前南水北調(diào)東線調(diào)水工程水源復(fù)雜多變，顯著影響了受水水體的水質(zhì)與浮游藻類。為量化與評估這一影響，本研究在調(diào)水周期內(nèi)采集不同季節(jié)的供水（長江水）、受水（棘洪灘水庫水）水樣，同時開展室內(nèi)藻類生長潛力試驗，比較分析了不同比例的供、受水體混合處理后的理化因子、浮游藻類細胞密度與群落結(jié)構(gòu)的變化情況。結(jié)果顯示，春、秋季長江水的引入一定程度上削弱了棘洪灘水庫的營養(yǎng)負荷；pH在季節(jié)間均表現(xiàn)為下降的趨勢；秋季長江水的引入導(dǎo)致棘洪灘水體浮游藻類密度峰值顯著增加（Plt;0.05），而在春季，僅當(dāng)長江調(diào)水比例高于40%時，藻類密度峰值才隨調(diào)水量的增加而顯著增大（Plt;0.05）。群落結(jié)構(gòu)方面，春、秋季長江與棘洪灘水體浮的游藻類均以藍藻為主要優(yōu)勢，不同的是，春季以色球藻屬（Chroococcus）的種類占主要優(yōu)勢，秋季則以假魚腥藻屬（Pseudanabaena）、尖頭藻屬（Raphidiopsis）與細鞘絲藻屬（Leptolyngbya）的種類為優(yōu)勢。隨長江水引入比例的增加，春季調(diào)水進一步增加了色球藻屬的優(yōu)勢度；秋季調(diào)水則削弱了尖頭藻屬優(yōu)勢度同時增加了假魚腥藻屬的優(yōu)勢度。綜合表明，不同季節(jié)長江調(diào)水對棘洪灘水庫的浮游藻類生長影響存在差異，浮游藻類群落結(jié)構(gòu)顯著受到供水水體與季節(jié)的綜合影響。

關(guān)鍵詞： 南水北調(diào)；棘洪灘水庫；藻類生長潛力；浮游藻類群落結(jié)構(gòu)

中圖法分類號： X835 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）03-0466-09

南水北調(diào)是為緩解我國北方水資源嚴重短缺而實施的重大戰(zhàn)略性工程。鑒于不同地區(qū)水資源配置與實際情況，南水北調(diào)東線和膠東調(diào)水工程聯(lián)合為膠東半島供水，其主要水源包括長江水、黃河水與本地湖庫水。已有研究表明，長江調(diào)水顯著改善了沿線受水區(qū)的水生態(tài)狀況［1-3］。引江濟巢調(diào)水工程對巢湖的水質(zhì)和水動力水質(zhì)條件改善明顯，且流量越大，效果越顯著［4］。引江濟太工程利用長江水有效緩解了太湖浮游植物聚集的情況，但對太湖生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成了一定的影響［5］。南水北調(diào)中線工程的實施導(dǎo)致丹江口庫區(qū)浮游植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［6］。實際上，任何調(diào)水工程都可能對受納系統(tǒng)造成復(fù)雜的物理、化學(xué)、水文和生物影響［7-8］。例如中國的南水北調(diào)工程和長江-淮河調(diào)水工程雖然在一定程度上緩解了受水區(qū)的用水危機，但也帶來了跨流域的環(huán)境問題［9-12］。巴西的引水工程造成了與生物入侵和同質(zhì)化相關(guān)的生物多樣性影響［13-14］。許多研究提出了評估調(diào)水工程影響的方法［15-19］，但多集中在數(shù)值模擬上，而實際調(diào)水過程中環(huán)境因子的復(fù)雜動態(tài)變化使得模型預(yù)測存在較大誤差，這可能導(dǎo)致對調(diào)水的影響評估不準確。浮游藻類作為水生生態(tài)系統(tǒng)的重要初級生產(chǎn)者，對水體環(huán)境變化更為敏感，能在短時間內(nèi)做出快速響應(yīng)［20］。Song 等使用藻類生長潛力試驗評估了由金沙江和巴清河調(diào)水對程海湖藻類群落結(jié)構(gòu)的影響，金沙江調(diào)水將導(dǎo)致程海湖浮游藻類群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢種由魚腥藻轉(zhuǎn)變?yōu)轸~腥藻與小環(huán)藻共存，而巴清河調(diào)水將進一步提升魚腥藻的優(yōu)勢地位［21］。也有研究認為調(diào)水將導(dǎo)致調(diào)蓄湖泊藍藻的相對豐度的下降，對優(yōu)勢種的影響更為強烈［22］，由調(diào)水引起浮游藻類群落結(jié)構(gòu)的變化尚有待研究。

東平湖作為東線長江水輸水線路上的最后一個調(diào)蓄湖泊，而棘洪灘水庫作為青島市重要的飲用水源地，兩者重要的戰(zhàn)略地位是顯而易見的。長江調(diào)水洪灘水庫，其水質(zhì)的變化已成為公眾關(guān)注的焦點，也關(guān)乎到調(diào)水工程的成敗。利用藻類生長情況對調(diào)水情況進行預(yù)測具有巨大潛力，這一方法已在調(diào)水評估中得到很好的應(yīng)用［23-24］。鑒于上述原因，本研究利用藻類生長潛力試驗探討了在不同季節(jié)的調(diào)水周期內(nèi)，長江調(diào)水對棘洪灘水庫理化因子、浮游藻類細胞密度與群落結(jié)構(gòu)的影響。旨在為保障水質(zhì)安全提供數(shù)據(jù)支持，為跨流域調(diào)水中存在的共性問題提供解決思路，以及為調(diào)水部門提供基于生態(tài)系統(tǒng)水平的管理建議。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與理化因子測定

樣品的采集：于2022 年10 月與2023 年4 月東平湖調(diào)水周期內(nèi)，采集東平湖（長江水）中部和棘洪灘水庫出水口表層水5 L，經(jīng)過100 μm篩絹濾去大型浮游動物，水樣被收集在酸洗的聚乙烯塑料瓶中，每個樣點重復(fù)采樣兩次，低溫微光環(huán)境保存，24 h 內(nèi)開展試驗。采用手持式pH儀（中國雷磁，PHB-4）測定水體pH。部分水樣添加硫酸至pH 為1～2，常溫保存，用于測定總氮（TN），總磷（TP），總可溶性氮（TDN），總可溶性磷（TDP），分析參考標準方法［25］。

1.2 浮游藻類生長潛力試驗

試驗方案：根據(jù)實際調(diào)水情況與研究目的，將經(jīng)過處理后的水樣按照不同比例混合，模擬實際調(diào)水情況。具體采樣季節(jié)和試驗方案見表1。

培養(yǎng)條件：溫度為24±1 ℃，光源為白色日光燈，光照強度控制在5 000±10% lx，光暗比設(shè)置為14∶10。培養(yǎng)容器為容積250 mL錐形瓶，試驗溶液體積設(shè)置為150 mL，于恒溫光照培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)，每隔3 h 進行人工搖動，并隨機交換位置。

藻類鑒定與計數(shù)：每隔3 d 取樣，每個三角燒瓶取15 mL水樣，以3 000 rpm 的轉(zhuǎn)速離心，濃縮體積至2 mL，上清液返還至原三角燒瓶中。將底部藻液混勻，取0.1 ml 藻液在光學(xué)顯微鏡下利用浮游藻類計數(shù)框進行計數(shù)和鑒定，剩余藻液返還至原三角燒瓶中。浮游藻類鑒定參考《中國淡水藻類———系統(tǒng)、分類及生態(tài)》［26］，計數(shù)參考《淡水浮游生物研究方法》［27］。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

繪圖與數(shù)據(jù)分析軟件使用Origin 和SPSS25.0，采用One way-ANOVA 方法對數(shù)據(jù)進行顯著性分析，采用最小顯著差異法（LSD）檢驗各組間差異的顯著性。

2 結(jié)果

2.1 不同季節(jié)及不同混合比例下試驗水體的理化因子變化情況

春季棘洪灘水體總氮含量為3.16 mg/L，總可溶性氮含量為3.03 mg/L，長江水源略低，總氮與總可溶性氮含量分別為2.44 和2.17 mg/L。棘洪灘水庫總磷與總可溶性磷含量分別為0.024 和0.022 mg/L，長江水源則略高，含量達到0.065 和0.034 mg/L（圖1）。秋季棘洪灘水體氮磷含量均低于長江水源但整體營養(yǎng)水平均高于春季，棘洪灘水體總氮與總可溶性氮含量分別為2.36 和2.06 mg/L，長江水源分別為4.98 和4.7 mg/L，棘洪灘水庫總磷與總可溶性磷含量分別為0.03 和0.019 mg/L，長江水源分別為0.086和0.03 mg/L。

隨著長江與棘洪灘水體的混合比例的增大，春季和秋季理化因子變化結(jié)果相似。受到長江水源與棘洪灘水庫水體營養(yǎng)鹽差異的影響，隨著混合比例的增加，總氮與總可溶性氮含量在春季隨之減小，秋季則隨之增大；總磷與總可溶性磷含量在春與秋季隨之增加。春季與秋季棘洪灘水庫pH 均低于長江水體，春季隨著混合比例的增加，pH略有上升后下降，秋季則隨著混合比例的增加，混合水體pH不斷下降（圖1）。

2.2 不同季節(jié)及不同混合比例下試驗水體的藻類生長情況

不同季節(jié)長江水的引入對棘洪灘浮游藻類生長的影響存在差異（圖2），在春季，隨著培養(yǎng)時間的延長，實驗組的藻類密度呈上升趨勢，在16～20 d 達到密度峰值。藻類密度峰值顯示，當(dāng)混合比例在5∶0 與3∶2 之間時，改變混合比例對藻類密度峰值無顯著性（Pgt;0.05）差異，處理組的藻類密度峰值與棘洪灘對照組的密度相近，當(dāng)混合比例超過3∶2 時，隨著混合比例的增加，藻類密度峰值隨之顯著（Plt;0.05）增大，最終與長江水對照組藻類相近。在秋季，實驗組藻類密度隨著培養(yǎng)時間的延長而增加，在12～20 d 達到密度峰值，與春季不同，當(dāng)混合比例在5∶0 與3∶2 之間時，藻類密度峰值隨混合比例的增加而顯著（Plt;0.05）增大，當(dāng)混合比例超過過3∶2 時，藻類密度峰值達到最大值，且隨調(diào)水比例增加而保持相對穩(wěn)定。

春季棘洪灘水庫浮游藻類組成較均勻，以藍藻、綠藻與硅藻為主，藍藻中色球藻屬（Chroococcus）物種相對豐度最高，達到25.8%；綠藻中卵囊藻屬（Oocystis）物種相對豐度最高，達到21.2%；硅藻中針桿藻屬（Synedra）物種相對豐度最高，達到15.9%。長江水體浮游藻類群落結(jié)構(gòu)與棘洪灘水庫存在差異，藍藻中假魚腥藻屬（Pseudanabaena）物種相對豐度最高，為18.3%；綠藻中卵囊藻屬（Oocystis）物種相對豐度最高，為12%；硅藻中直鏈藻屬（Melosira）物種的相對豐度最高，為16%。到達培養(yǎng)末期（20 d）時，棘洪灘水庫與長江水體對照組的浮游藻類群落結(jié)構(gòu)相對于培養(yǎng)初期（0 d）存在差異，該時期藍藻占據(jù)了主要的優(yōu)勢地位，藍藻相對豐度超過80%，構(gòu)成以色球藻屬為主，相對豐度超過60%。在混合處理組中，隨著長江水混合比例的增加，色球藻屬物種相對豐度先升高后下降，最高由棘洪灘對照組的65%升至89.7%，隨后降至長江水體對照組的66.7%，而假魚腥藻屬物種的相對豐度先減小而后升高，由棘洪灘水庫對照組的18.6%最低降至2.7%，隨后升至27.5%，色球藻屬物種相對豐度最大時，假魚腥藻屬物種相對豐度最小，此時混合比例為2∶3，針桿藻屬的優(yōu)勢度隨著長江水的混入比例升高而不斷下降，在混合比例大于3∶2 時，相對豐度僅為1% 左右（圖3）。

秋季長江水體與棘洪灘水庫水體藻類群落結(jié)構(gòu)均以藍藻為主，初期棘洪灘水庫藍藻組成主要以假魚腥藻屬（Pseudanabaena）、細鞘絲藻屬（Leptolyngbya）、顫藻屬（Oscillatoria）與魚腥藻屬（Anabaena）為主，而長江水體中以假魚腥藻屬（Pseudanabaena）和細鞘絲藻屬（Leptolyngbya）相對豐度最高。兩水體混合之后，假魚腥藻屬的相對豐度在混合組中高于40%，且大于其在對照組中的豐度。隨著混合比例的升高，尖頭藻屬（Raphidiopsis）的相對豐度逐漸下降，而細鞘絲藻屬的相對豐度基本保持不變，維持在25%附近（圖4）。

3 討論

多數(shù)情況下，氮磷含量被認為是影響藻類生長的關(guān)鍵因子，而磷是湖泊藻類生長的限制性因子，但與湖泊富營養(yǎng)化程度相關(guān)［28，29］。東平湖（長江水）與棘洪灘水庫春、秋季總氮濃度均較高，處于2～4 mg/L 之間，而東平湖（長江水）春、秋季磷含量高于棘洪灘水庫，東平湖（長江水）春、秋季磷含量分別為0.065 和0.086 mg/L，棘洪灘水庫則處于0.03 mg/L左右。氮磷比被認為與湖泊生態(tài)系統(tǒng)中影響藻類氮磷限制相關(guān)［30］，棘洪灘水庫氮磷比在79～132 之間，東平湖（長江水）氮磷比在38～59 之間，均超過之前報導(dǎo)的磷限制的下限值［31，32］，東平湖（長江水）與棘洪灘水庫影響藻類生長的關(guān)鍵因子可能為磷，這一點已在之前的研究中得到證實［33］。棘洪灘水庫磷含量低于東平湖（長江水），東平湖水體額外的磷輸入可能是促進棘洪灘水庫藻類生長的原因。但不同季節(jié)表現(xiàn)存在差異，春季長江混合比例低于40%時，不會引起浮游藻類細胞密度峰值顯著（Plt;0.05）增加；而秋季長江水的引入會引起浮游藻類密度峰值的顯著（Plt;0.05）增加，并在混合比例大于等于40%時，浮游藻類密度峰值達到最大值。這可能與浮游藻類的生長特性相關(guān)，藻類生物量與營養(yǎng)鹽濃度間的關(guān)系類似Logistic 增長曲線，只有當(dāng)外界可利用的營養(yǎng)鹽濃度超過一定限度才能引起藻類的快速生長［34］。有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水體可溶性磷濃度超過0.04 mg/L［33］時，藻類生物量才隨著磷濃度的增加而顯著升高，Kristiina 等認為在北方湖泊中，將總磷濃度控制在0.05 mg/L以下時，有助于控制藍藻水華［35］。作者認為春季長江調(diào)水小于等于40%的調(diào)水量，對應(yīng)總磷含量不超過0.043 mg/L時，不會引起棘洪灘水庫浮游藻類密度的顯著升高。秋季則與春季不同，表現(xiàn)在春季棘洪灘水庫浮游藻類細胞密度受東平湖調(diào)水影響有限，而秋季則受東平湖調(diào)水影響明顯，可能與春秋季的營養(yǎng)鹽含量、pH的差距和浮游藻類群落結(jié)構(gòu)相關(guān)。長江水的磷含量秋季高于春季，相同混合比例下，秋季長江水能為棘洪灘水庫提供更多的磷，而棘洪灘水體的藻類生長限制因子為磷［33］，因此秋季長江水體的引入導(dǎo)致了棘洪灘水庫磷濃度的增加，進而引起了棘洪灘水庫水體藻類密度峰值的顯著升高（Plt;0.05）。雖然在混合比例達到20%時，棘洪灘總磷濃度達到0.04 mg/L，仍舊低于之前推測的棘洪灘水庫引起藻類生長的磷的最小閾值濃度，但依然引起藻類密度峰值的顯著增加（Plt;0.05）。這可能與春秋季棘洪灘水庫水體浮游藻類群落結(jié)構(gòu)相關(guān)，秋季假魚腥藻占據(jù)主要優(yōu)勢地位，而假魚腥藻受氮和磷濃度影響較大［36］，秋季長江水的混入提高了棘洪灘水庫的氮磷含量（圖1），導(dǎo)致了棘洪灘水庫以假魚腥藻為主要優(yōu)勢的浮游藻類細胞密度的增加。此外，水體中pH 含量主要與碳酸鹽緩沖體系相關(guān)，較低的pH 表明東平湖水體中承載了更多的CO2，為藻類生長提供了更多的碳源，有利于浮游藻類的生長，也是秋季長江水的引入導(dǎo)致棘洪灘水庫浮游藻類密度峰值顯著增加的原因。

考慮到水庫的緩沖能力，棘洪灘水庫持續(xù)調(diào)水可能不會引起營養(yǎng)鹽濃度的顯著上升［37］，但由于調(diào)水短期引入的藻類與營養(yǎng)鹽可能對藻類的生長產(chǎn)生影響，藻類實際生長情況可能與調(diào)水本身相關(guān)。在本研究中，東平湖（長江水）與棘洪灘水庫的混合水最高可使棘洪灘水庫藻類密度升高至混合前的兩倍，但不會引起棘洪灘水庫浮游藻類的異常增殖，因此經(jīng)東平湖調(diào)長江水引起棘洪灘水庫藻類水華的概率較低。春季棘洪灘水庫在混合比例低于60%情況下，仍能維持在原有浮游藻類密度附近，秋季東平湖水體的混入則會顯著引起棘洪灘水庫浮游藻類顯著升高，因此，基于藻類生長潛力測試，考慮藻類豐度指標，由東平湖調(diào)水至棘洪灘水庫春季更合適。

在藻類群落結(jié)構(gòu)方面，不同種類的浮游藻類生存策略存在差異，一般包含C 策略（Competitive）、S 策略（Stress-tolerant）、R 策略（Ruderal）三種不同類型的生存策略［38］。當(dāng)存在低強度的干擾和環(huán)境壓力時，C策略物種傾向于占主導(dǎo)地位。在低干擾強度和高壓力條件下，作為抗脅迫物種的S）策略種往往在競爭中勝出，R策略種在低壓力和高干擾環(huán)境中有望成為優(yōu)勢［39］。色球藻屬（Chroococcus）為S 型［40］，面對不同比例混合下的非穩(wěn)態(tài)環(huán)境可能占據(jù)一定的優(yōu)勢地位。在春季實驗中，當(dāng)長江水比例在40%和60%時，由于水體混合程度與培養(yǎng)壓力的增加，色球藻屬相對豐度增加，最高達到90%；而混合比例在0、20%或80%、100%，其混合程度低，色球藻屬相對豐度與對照組相近。根據(jù)浮游植物的形態(tài)、生理和生存策略，Reynolds 等［41］在生態(tài)系統(tǒng)中引入功能群（functional group， FG）概念，進一步細化和分類。尖頭藻屬（Raphidiopsis）屬于SN功能群［42］，其生境特點是混合和溫暖，一定程度上解釋了秋季相對春季尖頭藻屬相對豐度增加的原因。棘洪灘水庫受到外來水源混合影響，可能導(dǎo)致尖頭藻屬持續(xù)占優(yōu)。但在秋季，當(dāng)長江水比例超過40%，其相對豐度隨著混合比例的增大而減小，最終與長江水對照組類似。假魚腥藻屬（Pseudanabaena）屬于S1 功能群［42］，生境特點為渾濁的混合環(huán)境，雖然培養(yǎng)環(huán)境水體透明度較高，但假魚腥藻被認為與氮磷濃度正相關(guān)［43］，秋季東平水體的混入顯著增加了氮磷含量，引起了假魚腥藻屬的相對豐度的增加。春季東平湖（長江水）的輸入導(dǎo)致了棘洪灘水庫色球藻屬相對豐度的增加，并在混合比例為40%與60%下達到絕對優(yōu)勢，相對豐度超過80%，表明色球藻屬是棘洪灘水庫春季調(diào)水過程中潛在的優(yōu)勢藻種，適宜環(huán)境條件下可能成為棘洪灘水庫春季的絕對優(yōu)勢種。秋季調(diào)水導(dǎo)致假魚腥藻屬相對豐度增加，表明持續(xù)調(diào)水可能增加假魚腥藻的優(yōu)勢且持續(xù)占優(yōu)勢，這主要受到水源地的浮游藻類與季節(jié)雙重因素驅(qū)動。

值得注意的是，假魚腥藻屬已經(jīng)成為山東境內(nèi)多個調(diào)蓄湖泊潛在的水華種［44］。對山東省第一大水庫峽山水庫的浮游植物優(yōu)勢種生態(tài)位及種間聯(lián)結(jié)性動態(tài)分析顯示，假魚腥藻在多個季節(jié)具有最大的生態(tài)位寬度及較強的適應(yīng)多樣化生境的能力，可在冬季迅速發(fā)展的優(yōu)勢藍藻［45］。此外，假魚腥藻屬某些種類可能產(chǎn)異味物質(zhì)，例如2- 甲基異莰醇［46］，且已在青島居民用水中檢出［47］。因此調(diào)水管理部門需密切關(guān)注在調(diào)水過程中假魚腥藻對受水水庫的影響。

藻類生長潛力試驗是在較為適合的環(huán)境，記錄藻類群落結(jié)構(gòu)的演替規(guī)律，找出單次調(diào)水情況下具有較高生長潛力的藻種，借以預(yù)測實際調(diào)水過程中藻類群落結(jié)構(gòu)的變化，以此為調(diào)水管理部門的決策提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本研究通過藻類生長潛力試驗?zāi)M了長江經(jīng)東平湖調(diào)水，棘洪灘水庫浮游藻類的變化情況，初步給出了調(diào)水量閾值和分析了優(yōu)勢藍藻可能帶來的風(fēng)險。客觀的講，這一模擬與現(xiàn)實調(diào)水情況可能存在一定的出入，其原因是現(xiàn)實調(diào)水浮游植物變化還可能受多個物理、化學(xué)和生物等復(fù)雜因素影響。但本研究的結(jié)果初步給出了調(diào)水浮游藻類變化的合理區(qū)間和趨勢，這對調(diào)水前評估調(diào)水對受水水庫水質(zhì)影響具有積極重要的意義。

鑒于膠東調(diào)水工程涉及多水源調(diào)水，受水水庫眾多，作者建議在水源地本底情況不清的情況下，調(diào)水前很有必要進行藻類生長潛力實驗，預(yù)測浮游植物群落變化，防止調(diào)水引起藻類異常增殖形成水華；此外需根據(jù)室內(nèi)模擬試驗的結(jié)果，選擇合適的季節(jié)和調(diào)水量進行生態(tài)調(diào)水。目前作者僅關(guān)注單一水源調(diào)水棘洪灘水庫的浮游植物群落變化情況，作為膠東調(diào)水工程重要的調(diào)蓄水庫，多水源的混合調(diào)度匯集于棘洪灘水庫對其的影響程度還需進一步的監(jiān)測評估。未來還需結(jié)合野外數(shù)據(jù)，動態(tài)分析浮游藻類群落結(jié)構(gòu)演替規(guī)律，合理調(diào)度水資源，保障居民用水安全。

4 結(jié)論

長江經(jīng)東平湖調(diào)水至棘洪灘水庫，增加了受水水庫營養(yǎng)鹽濃度，持續(xù)的調(diào)水輸入改變了棘洪灘水庫藻類群落結(jié)構(gòu)，增加了藍藻的相對豐度。春季調(diào)水比例超過棘洪灘庫容40%和秋季調(diào)水時，將顯著引起棘洪灘水庫浮游藻類密度峰值的升高。基于維持受水水庫浮游藻類密度保持相對穩(wěn)定方面，本研究建議長江經(jīng)東平湖調(diào)水棘洪灘水庫應(yīng)選擇春季調(diào)水較好，且調(diào)水比例應(yīng)不超過40%。春秋季兩水體混合過程中，實驗組浮游藻類密度峰值均未達到藻類水華標準，因此認為春、秋季由長江經(jīng)由東平湖向棘洪灘調(diào)水的藻類水華風(fēng)險較小，但秋季調(diào)水過程中假魚腥藻屬的相對豐度有所增加，需要關(guān)注該藻對水庫飲水安全的影響。

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