摘要:
基于政府的環境稅政策,構建輪胎制造博弈模型,探討政府的環境稅政策對企業輪胎循環利用策略的影響,分析不同稅率下政府與企業之間的互動關系。研究結果表明,在適中的環境稅率下,輪胎制造企業采用再生輪胎策略能夠實現利潤的最大化,而在稅率過高或過低的情況下,企業更傾向于選擇全新輪胎策略;企業在廢舊輪胎回收再利用方面的固定投資對碳排放量影響顯著,提升環境稅率并不一定減少碳排放;在適中的碳排放外部性成本區間內,存在一個最優解,可以同時實現社會福利的最大化和輪胎制造商利潤的最大化,并有效降低社會碳排放總量。
關鍵詞:輪胎循環利用;環境稅;社會福利;環境效益
中圖分類號:C931; F272.3
"文獻標志碼:A
如今,全球每年生產新輪胎超過30億條,同時需處理約10億條廢舊輪胎,對環境保護和資源回收形成了巨大挑戰[13]。隨著中國機動車保有量超越美國居全球首位,廢舊輪胎的年產量正以8%至10%的速度增長,廢舊輪胎的綜合利用已上升為國家戰略性新興產業,成為再生資源綜合利用的重要組成部分[4]。目前,處理廢舊輪胎的傳統方式主要是填埋和焚燒[5],填埋為有害微生物提供了滋生條件,焚燒則釋放CO、SO2等大量有害氣體,污染環境。環保的處理方法之一是輪胎翻新,即直接回收舊輪胎中仍具功能和價值的部件,再利用或重新配置[6]。但現有技術大多僅支持部分翻新,加之廢舊輪胎的回收體系尚不完善,缺乏專門立法支持,在國內,超過90%的廢舊輪胎通過民間自由交易,這種低水平、小規模的交易方式導致大量輪胎流入不規范加工企業,造成資源浪費和環境污染。回收經營者間的無序競爭不僅影響了廢舊輪胎資源的有效利用,還使合規企業面臨資源短缺的困境。企業在廢舊輪胎回收再利用中的運作管理對提升資源利用效率、降低運營成本和優化回收流程具有重要意義,而引入供應鏈運作管理理論,企業可以改善廢舊輪胎的收集、運輸和處理過程。例如,利用運輸優化和庫存管理策略,可以降低回收環節中的資源浪費[7];利用精益生產理念,企業能夠識別并消除回收流程中的低效環節,從而提升整體運營效率。六西格瑪方法的應用有助于提高再生橡膠和其他回收材料的質量,減少加工過程中的損耗。目前,尚無某種舊輪胎處理技術具備顯著優勢[8],因此需要根據具體輪胎的材料與結構,聯合多種技術實現高效回收[9]。在輪胎側面刻上結構與材料標識信息,便于回收階段的粉碎與分離,可降低約30%的回收能耗,回收率提升至75%左右,與更先進技術的聯合使用可進一步提高回收率[1011]。廢舊輪胎回收的另一技術熱點是脫硫,利用化學、熱物理或生物手段斷裂硫鍵,從而改性廢舊輪胎材料并提升回收效果[12]。研究表明,將40%的再生脫硫橡膠添加至天然橡膠中,合成的新橡膠機械性能穩定[13],脫硫橡膠可以替代65%的天然橡膠[14]。熱解是極具前景的廢舊輪胎回收方法之一,通過加熱至一定溫度,使輪胎大分子鏈裂解為小分子鏈,生成熱解油、熱解氣體和炭黑,能夠高效處理大批量廢舊橡膠[15]。在政策層面,近年來世界主要發達經濟體及中國相繼出臺多項廢舊輪胎循環利用和資源化相關法規,環境稅政策在部分國家的實施顯著推動了資源回收和污染治理的進展。瑞典于1991年率先實施碳稅,以減少化石燃料的使用并促進清潔能源發展;日本通過對工業廢棄物征收環境稅,提升廢舊資源回收利用率;法國實施了“生態稅”政策,對不符合環保要求的生產和消費環節征收附加稅,旨在刺激綠色技術創新[16]。中國近年來在資源回收和環境保護領域逐步推進環境稅政策,2018年《環境保護稅法》正式實施,對固體廢棄物、廢氣等污染物征稅,為企業建立綠色生產體系提供經濟激勵。這些政策都以保護環境和提升社會福利為核心目標,涵蓋能源、工業生產、廢棄物管理等多個領域。廢舊輪胎的回收與再利用逐漸成為全球關注的焦點,各國和地區在輪胎回收技術的研發及相關政策的制定上均展現出高度的重視和精細考量。從經濟效益和廢棄物管理角度看,輪胎的翻新工藝相較于再生工藝具備顯著優勢[17]。然而,針對企業實施輪胎循環利用策略所獲得的經濟與環境效益的研究依然較為匱乏,尤其缺乏政府環境政策對影響企業生產決策的深入分析。實際上,企業的輪胎循環利用策略不僅受經濟可行性驅動,也受到政府政策的影響。對于政府而言,政策所帶來的環境效益和社會福利亦是關鍵關注點。本文將政府角色納入輪胎循環利用的分析框架,探討在政策影響下構建規范的廢舊輪胎回收體系的途徑和企業在不同情境下的廢舊輪胎回收策略,通過構建政府與企業的最優回收決策模型,研究環境稅政策與企業生產決策之間的互動機制,分析其對企業廢舊輪胎回收策略的影響及在減少碳排放和提升社會福利中的作用,并探討環境稅政策對企業選擇規范化回收體系作為生產策略的激勵效應。
青島大學學報(自然科學版)第38卷
第2期"" 高英來等:環境稅政策下輪胎循環利用策略優化
1 模型建立
輪胎的生產與回收具有階段性特點,本文建立一個兩階段的生產決策模型,以反映產品從初始生產到回收利用的完整生命周期。兩階段模型可以分離不同階段企業策略的差異,本質為雙層優化模型:上層為企業第一階段的生產決策和政府環境稅率的選擇,下層為第二階段再生輪胎的最優定價和產量策略。上層的解通過影響市場需求、生產成本和碳排放約束,直接決定下層優化結果;而下層優化解又經由反饋作用影響上層總利潤目標函數的取值,從而形成嵌套的遞歸優化關系。在實際分析中,第二階段的再生輪胎策略顯著受到第一階段全新輪胎生產數量和政府環境稅政策的影響,例如較高的環境稅率會降低全新輪胎的市場競爭力,從而促進再生輪胎的市場需求上升,但可能導致再生輪胎的生產成本上升。橡膠輪胎企業可以選擇在每個階段都只向供應鏈下游客戶提供全新輪胎產品(簡稱全新策略模型,N),也可以選擇在第一階段產品出清后回收輪胎,從而在第二階段提供再生輪胎產品(簡稱再生策略模型,R)。
假設客戶對全新輪胎的支付意愿為x,在區間[0,1]上服從均勻分布,概率密度函數為g(x),累計分布函數為G(x)。客戶對于使用再生輪胎的支付意愿是τx,其中0lt;τlt;1,不失一般性,將市場規模標準化為1。本文所使用的參變量見表1。
n,0時選擇購買再生輪胎,當prgt;τpn時,客戶只會購買再生輪胎。而本文著重探討廢舊輪胎回收再生策略問題,因此只討論pr≤τpn的情形。
兩種生產策略下,第一階段輪胎企業只能提供全新輪胎,需求為
D1=∫1png(x)dx=1-pn(1)
若選擇全新輪胎策略,第二階段需求不變,仍為
D2=1-pn(2)
而若選擇再生輪胎策略,第二階段對全新輪胎的需求為
D2n=∫1pn-pr1-τg(x)dx=1-pn-pr1-τ (3)
而第二階段對再生輪胎的需求為
D2r=∫pn-pr1-τprτg(x)dx=pn-pr1-τ-prτ(4)
1.1 全新策略模型(N)
第一階段與第二階段制造商只生產全新輪胎
Q1=Q2=1-pn(5)
第二階段利潤函數
π2n=Q2·pn-cn-ω·en+(ε·E-Q2·en)·pe(6)
計算最優策略,得(上標*表示最優,下文同)
Q*1=Q*2=(1-enpe-ωen-cn)/2(7)
全新輪胎的最優定價為
p*n=(cn+enpe+ωen+1)/2(8)
此時輪胎制造商獲得的最大利潤為
π*n=r+1-1+1·cn+enpe-ωen-12×cn+enpe+ωen-12+ε·Epe(9)
對應碳排放量為
M*n=1-enpe-cn·en(10)
1.2 再生策略模型(R)
首先討論輪胎制造商在第二階段的最優決策。設輪胎制造商在第一階段提供的全新輪胎數量Q1和全新輪胎定價pn,第二階段利潤的最優決策問題為
maxpr π2r=D2n·pn-cn-ω·en+D2r·pr-cr-ω·er+(ε·E-D2n·en-D2r·er)·pes.t.""" D2r≤ μQ1,pr≤ τpn, pngt;0 (11)
由此可求得輪胎制造商對再生輪胎的最優定價
p*r=τpn"""" ω≤ωl
cr+erpe-τcn+ωer-τenpe-τωen2+τpn" ωmgt;ω≥ωl
τ·pn-μQ1+τμQ1""""" ωugt;ωgt;ωm(12)
其中,單位環境稅率取值下限為ωl=τcn+enpe-cr-erpeer-τen,單位環境稅率取值上限為ωu=1-cnen,單位環境稅率取值中限為ωm=τcn+enpe-cr+erpe+2μQ1τ2-τer-τen。
輪胎制造商在第二階段的最大利潤為
π*2r=1-pnpn-cn-ω·en-enpe+εEpe"" ω≤ωl
1-pnpn-cn-ω·en-enpe+cr+erpe-τcn+ωer-τenpe-τωen24τ1-τ+εEpe" ωmgt;ω≥ωl
1-pnpn-cn-ω·en-enpe+1-τpnμQ-τμQ1cn+ω·en+enpe+
μQ1-μQ1+τμQ1-μQ1τcr+ω·er+erpe+εEpe ωugt;ωgt;ωm (13)
第二階段的碳排放量為
M*2r=en1-pn"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""ω≤ωl
e2r+e2nτ2pe+ω-cnerτ+enτcnτ-cr-2τenerpe-ωcrer2ττ-1-enpn-1"""""""""""""" ωmgt;ω≥ωl
en1-pn+Q1μer-enτ""" """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""ωugt;ωgt;ωm(14)
求解再生策略下全階段總利潤的最優決策問題
maxpn πr=π*2r1+r+Q1·pn-cn-ω·en+(E-Q1·en)·pe-F
s.t."""" Q1=1-pn(15)
由此得全新輪胎的最優價格
p*n=(cn+enpe+enω+1)/2"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ω≤ωl
(cn+enpe+enω+1)/2"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" """""""""""""""""""ωm""""" gt;ω≥ωl
r1+cn+cn+en2-μτpe+ω+2μ2τ-2μ2τ2+erμpe+
enper+erμω+enrω+2+crμ2r+2μ2τ-2μ2τ2+4""""""""" ωugt;ωgt;ωm""""" (16)
最大總利潤為
π*r=1+r-1+11-cn-enpe-enω22+1+r-1ε+1·Epe-F""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ω≤ωl
1+r-1+11-cn-enpe-enω22+1+r-1ε+1·Epe-F+
cr+erpe-τcn+ωer-τenpe-τωen24τ1-τ1+r"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" """""""""""""""""""ωm""""" ≥ωgt;ωl
1+r-1+1×r+21-cn-2en+enr+erμ-enμτpe+ω+cnμτ-crμ2r+4+2μ2τ1-τ×
cn-en-1-μτ-r-2-2μ2τ1-τ+crμ+erμpe+ω+μτ2r+2+μ2τ1-τ"""""""""""""""""""""""""""""""" ωu≥ωgt;ωm""""" (17)
其中,重新計算得環境稅率取值中限為
ωm"" =-cr+erpe-cnτ+μτ-μτ2+cnμτ2-cnμτ-enpeτ-enμpeτ+enμpeτ2er-enτ+enμτ2-enμτ
本文所求的最優定價解為解析解。由于模型目標函數(式(11))為二次形式,且關于決策變量的一階導數單調遞增或單調遞減,因此可以推斷此模型為凸優化問題,解析解即為全局最優解。為確保理論分析的嚴謹性,數值仿真驗證了在給定參數范圍內最優解的唯一性和全局最優性。與全新策略相比,再生策略考慮最優決策時, ωlt;ωm"" 時,全新策略與再生策略的定價和產量相同,此時的最優策略為全新策略;ωugt;ωgt;ωm"" 時,再生策略提供更少的全新輪胎,而此時的輪胎需求量更大,但全新輪胎供應量減少,卻滿足了更多的輪胎需求量,由此推斷此時的再生輪胎供應量增加,并滿足了消費者的需求。
再生策略下的總碳排放量為
M*r=-encn+enpe+enω-1"" ω ≤ωl
en2τ2+e2r-2enerτpe+ω-crer+enτ+encnτ2-cnerτ2ττ-1-encn+enpe+enω-1 ωm ≥ωgt;ωl
-2en+erμ-enμτ2cn-r+crμ+cnr+2enpe+2enω+erμpe-cnμτ+
enper+erμω+enrω-enμpeτ-enμτω-22r+μ2τ-μ2τ2+2ωu≥ωgt;ωm"""""""
(18)
ωu≥ωgt;ωm"" 時,p*ncngt;0,p*nengt;0,p*nωgt;0,Q*1cnlt;0,Q*1enlt;0,Q*1ωlt;0,無論選擇全新策略還是再生策略,輪胎制造商的單位生產成本(包括全新輪胎成本、再生輪胎成本和環境稅)均構成其定價的主要影響因素。此處的“定價”指生產端的產品定價,即廠家根據成本構成和目標利潤制定的出廠價格。由于成本增加直接影響利潤目標,生產端定價隨之正相關上升。
ωlt;ωm"" 時,p*nωgt;0,Q*1cnlt;0,Q*1enlt;0,Q*1ωlt;0,隨著輪胎制造商的單位生產成本的上升,輪胎的銷售價格也會相應提高。首階段,隨著全新輪胎的單位成本的增加,以及再生輪胎的單位成本和環境稅的降低,新輪胎的市場需求量相應減少。因為增加的環境稅和單位成本被制造商轉嫁到輪胎的銷售價格中,導致價格上漲。此時,客戶面臨更高的購買成本,可能會減少購買量或尋求替代產品,從而引起需求量的下降;p*nε=0,Q*1ε=0,制造商選擇全新策略,消費者的低碳偏好不會產生影響。
ωm"" ≤ωlt;ωu時,p*ncngt;0,p*nengt;0,p*nωgt;0,Q*1cnlt;0,Q*1enlt;0,Q*1ωlt;0,在不同的策略選擇下,生產端的定價通過市場供需機制影響終端銷售價格(即商家價格)。需求固定時,定價上升會推動銷售價格同步上升;但若市場競爭激烈或需求彈性較大,終端銷售價格可能偏離廠家定價。總體而言,輪胎的銷售價格受到成本、市場需求和競爭結構的綜合影響,而兩階段模型通過參數ω劃分成本與價格之間的傳導路徑;p*nεlt;0,Q*1εgt;0,與全新策略相比,由于低碳偏好的存在,輪胎制造商第一階段輪胎需求量增大,消費者更喜歡購買再生輪胎,所以低碳偏好越大企業定價越高,需求量也越大,使制造商的利潤變大。π*rεgt;0,M*rεlt;0,利潤π*r與低碳偏好在3個環境稅范圍內都成正相關,與碳排放量M*r成負相關,與全新策略相比,無論環境稅水平如何,考慮客戶低碳偏好都會使利潤增加,碳排放總量減少。
2 模型最優策略選擇
全新策略模型和再生策略模型的總利潤差額:Δπ=πr-πn,碳排放差額:ΔM=Mr-Mn,ωopt表示ω的最優取值。
定理1 輪胎制造商的最優策略為:
(1)Fgt;Δπωopt時,選擇全新策略;
(2)當Δπ1ωm"""" lt;Flt;Δπ2ωopt存在ω1和ω2,且ωm"" lt;ω1lt;ω2lt;ωu;ω1lt;ωlt;ω2時,選擇再生策略;0lt;ωlt;ω1或ω2lt;ωlt;ωu時,選擇全新策略;
(3)Δπ2ωult;Flt;Δπ1ωm"""" 時,存在ω3和ω4,且ωllt;ω3lt;ωm"" lt;ω4lt;ωu;ω3lt;ωlt;ω4時,選擇再生策略;當0lt;ωlt;ω3或ω4lt;ωlt;ωu時,選擇全新策略;
(4)0lt;Flt;Δπ2ωu時,存在ω5,且ωllt;ω5lt;ωm"" ;ω5lt;ωlt;ωu時,選擇再生策略;0lt;ωlt;ω5時,選擇全新策略。
定理1說明,隨著環境稅率水平的增加,輪胎制造商不會一直選擇回收策略。環境稅率增大雖然使再生輪胎的成本優勢增大,但也增加了輪胎制造商的單位生產成本,產品定價高,導致消費者需求減少,最終影響輪胎制造商的利潤。當環境稅率過高時,企業成本過大,促使輪胎制造商選擇全新策略。
推論1 0≤ω≤ωl時,Δπ為負常數;ωl≤ω≤ωm"" 時,Δπ為關于ω的單調遞增的凸函數;ωm"" ≤ω≤ωu時,Δπ為關于ω的凹函數,且在ω=ωopt時取得最大值。
推論1說明,隨著環境稅率水平的提高,再生策略與全新策略的利潤差額從負值先增大后減少。當環境稅率較小,即0≤ω≤ωl時,利潤差恒小于0,制造商采用再生策略的成本大于利潤,則選擇全新策略。
當輪胎制造商選擇再生策略,并不能一直使碳排放量減少,ωoptlt;ωlt;ωu時,再生策略利潤更高,輪胎制造商會選擇再生策略,但同時碳排放量逐漸增加。雖然再生輪胎減少一部分碳排放量,但由于總體的需求量增加,消耗更多的輪胎而使碳排放量增加。再生策略下環境稅率變化對利潤、碳排放變化趨勢見圖1。
在模擬參數的條件下,由圖1(a)可知,存在一個ωopt,此時生產再生輪胎是最優選擇。隨著環境稅率的增加,再生策略的利潤優勢可能先增加后減少。初期,環境稅率的增加有助于提高再生輪胎的市場競爭力,但當稅率過高時,可能因為成本上升而減少利潤。由圖1(b)在不同投資成本條件下,環境稅率的提高可能促進碳排放的減少,但這種減少在高環境稅率下放緩,因高環境稅收成本抑制再生輪胎的生產和消費。
3 社會福利分析
輪胎制造商根據環境稅率ω選擇最優的經營策略,政府可以根據輪胎制造商的反應設定稅率ω,以實現社會福利最大化。
全新策略下輪胎制造商的社會福利為
Wn=2∫1p*nx-p*ndGx+pe-σM*n+π*n(19)
再生策略下輪胎制造商的社會福利為
Wr=∫1p*nx-pn*dGx+∫1pn-pr1-τx-p*ndGx+∫pn-pr1-τprττx-p*rdGx+pe-σM*r+π*r(20)
Tn和Tr分別為輪胎制造商選擇全新策略和再生策略時的ω值集合,且Tn∪Tr=ω|ω∈0,ωu,政府的最優決策問題為W*=maxωmaxω∈TnWnω,maxω∈TrWrω。政府比較輪胎制造商兩種生產策略時的最大社會福利,從而確定社會福利最優時的環境稅率ω*。從函數形態可知,雖然Wn和Wr都是關于ω的連續函數,但是,W*不是連續函數,所以ω*的解析較難求得。
4 數值仿真分析
以中策、賽輪、普利司通、米其林等國內外知名輪胎企業公開發布的廢舊輪胎回收經營數據為例,通過對兩種產品的碳排放量、生產成本、廢舊產品回收率以及消費者對再制造產品的偏好進行賦值,政府制定環境稅水平及和碳配額交易價格對不同碳配額分配方式下制造商減排水平、兩類產品銷售量、利潤影響以圖像的形式顯示。數值算例中各項參數取值為:τ=075,cn=025,cr=02,en=10,er=06,μ=08,r=01,計算:ωl=0053,ωm=0387,ωu=0775,ωopt=0513,如圖2所示。
當廢舊輪胎回收再生的固定投資成本較低時(F<0004),存在一個環境稅費區間(左端點為Δπ的零值點,右端點為ω=0724),在此區間內輪胎制造商提供的再生輪胎能夠同時帶來總利潤的增加和碳排放總量的減少。而當輪胎回收再利用的固定投資成本較高(F>0004)時,輪胎制造商提供再生輪胎可能不會帶來總利潤的增加(F≥0724)。隨著政府制定環境稅率增加,碳排放總量總體趨勢是一直下降的,但當政府制定環境稅率較高(ω≥0385)時,碳排放量的減少速率會降低。同時發現,雖然碳配額(即E和ε·E)隨情況不同發生了變化,但是對利潤和碳排放量并未產生顯著影響。
隨著環境稅率水平的增加,政府提高稅收可以促使企業減少全新輪胎的生產量,進而提高廢舊輪胎回收的比例;隨著廢舊輪胎回收比例的增加,碳排放量的增長速率逐漸放緩。所以政府保持一個穩定、適中的環境稅率,可以實現理想的輪胎循環利用的水平。
輪胎制造商在不同經營策略下社會福利函數W變化情況如圖3所示。當ω≤0216時,輪胎制造商選擇全新策略,此時社會福利W*=Wn,而當ω≥0216時,輪胎制造商選擇再生策略,此時社會福利W*gt;Wr。可以證明,在政府制定的適當的環境稅政策下,企業選擇輪胎循環利用策略對社會總是有益的,政府通過推動循環利用策略,促進環境效益的改善和社會福利的提升。
仿真分析結果直觀展示了在不同環境稅水平下制造商的生產和減排行為的影響。研究發現,建立“規范的廢舊輪胎回收體系”的必要性凸顯,尤其是“廢舊輪胎翻新設備”的固定投資成本是影響制造與再制造供應鏈的關鍵因素之一。適度提高環境稅水平有助于鼓勵輪胎制造商積極采取減排行動,從而提升減排效果、增加產品銷售量,并提高兩種產品的利潤。因此,政府應通過設置合理環境稅水平,引導企業建立和遵循規范的廢舊輪胎回收體系,以促進低碳再制造行為,推動企業實現可持續發展。
5 結論
本文提出一個兩階段的最優化決策模型,研究了橡膠輪胎的回收再生策略選擇,分析了環境稅費水平變化和碳配額約束對輪胎制造商最優決策的影響。適中的環境稅率有利于鼓勵輪胎制造商運用再生輪胎策略,過高或過低的環境稅率均導致輪胎制造商選擇全新輪胎策略,當環境稅政策與碳配額政策并行時,前者對于企業減排的影響遠大于后者。更加嚴格的環保稅收政策不一定能加快碳排放總額的減少,碳排放的減少還受制于橡膠輪胎回收再利用所需固定投資水平的影響;但碳配額的變化對于輪胎制造商選擇最優經營策略沒有顯著影響。在一定的單位碳排放外部性成本區間內,政策干預可以在輪胎再生策略下同時實現社會福利最大化、輪胎制造商利潤最大化和碳排放總量減少。
廢舊輪胎綜合利用已成為戰略性新興產業,需采取多種策略推進優化。適度提高環境稅率有助于增強企業減排動力,但需兼顧經濟發展與企業承受力,當前國內較低的稅率和寬松的碳配額限制難以反映資源稀缺性,階梯式碳配額交易可能顯著促進減排效果,值得進一步研究。企業應根據環境稅和碳配額政策靈活調整生產與回收策略,中等稅率下優先采用再生輪胎策略最有利于利潤提升,優化固定資產投資以平衡碳成本和環保政策,落實擴展生產者責任制(EPR),有效減少廢舊輪胎浪費并提升回收質量,推動循環經濟和可持續發展。從政策協調與社會福利視角,政府需通過合理設定稅率與配額,引導企業選擇環保策略,避免依賴單一政策;同時應鼓勵企業創新,研究廢舊輪胎回收在社會經濟系統中的代謝路徑,結合多技術手段(如熱化學回收生成氫氣)提高回收效率,減少碳排放,實現社會福利最大化。
參考文獻
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