山西省2006～2015年農(nóng)業(yè)水足跡動(dòng)態(tài)變化研究

王云飛

摘要：基于水足跡理論和方法對(duì)2006～2015年山西省的農(nóng)業(yè)水足跡進(jìn)行了計(jì)算研究。結(jié)果表明：①山西省2006～2015年的水足跡平均值為322.4億m³，是同年份總用水量平均值的4.75倍。山西省2006～2015年人均水足跡平均值為927 11_13、人均用水量平均值193.87 m3，同樣相差4倍，水資源利用面臨著巨大壓力;②山西省2006～2015年的農(nóng)產(chǎn)品水足跡平均值達(dá)到296.3億m³，是2006～2015年平均農(nóng)業(yè)用水量45.12億m³的7.4倍，說明在山西省水資源利用過程種對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中消耗的實(shí)際水資源量應(yīng)予以重新認(rèn)識(shí);③在山西省的水足跡組成結(jié)構(gòu)中，2006～2015年連續(xù)10年間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡的比重都在90%以上，因此，正確處理好農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)、規(guī)模、發(fā)展方向?qū)τ谏轿魇∷Y源的合理利用和可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：水資源利用;虛擬水貿(mào)易;可持續(xù)評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：F062.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）4-0205-05

1 研究綜述

水資源是人類生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是不可替代的重要自然資源。世界上65%的水資源集中分布在10個(gè)國(guó)家，而占全球人口總數(shù)40%的80個(gè)國(guó)家卻嚴(yán)重缺水。自20世紀(jì)50年代起，我國(guó)隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、資源等方面的迅速崛起，水資源的需求量也與日俱增，不少經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、用水量大的地區(qū)已經(jīng)開始出現(xiàn)水資源利用緊張的問題[1，2]。山西省處于干旱半干旱氣候帶上，是東南沿海豐水區(qū)和西北干旱地區(qū)的過渡區(qū)域，水資源利用的脆弱性和敏感性遠(yuǎn)高于其它地區(qū)。而農(nóng)業(yè)用水多年來一直是山西省水資源利用中的主要部分，因此，農(nóng)業(yè)水資源的合理分配和利用是山西省水資源利用的重中之重。水足跡反映了人類社會(huì)生產(chǎn)、消費(fèi)各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)水資源的真實(shí)占用，從產(chǎn)品全生命周期角度衡量間接的虛擬水與直接的實(shí)體水的總和。同當(dāng)前統(tǒng)計(jì)年鑒對(duì)實(shí)體水的統(tǒng)計(jì)不同，水足跡使得人類社會(huì)水資源使用量的衡量方式發(fā)生了變化。

Hoekstra在2002年的虛擬水貿(mào)易國(guó)際專家會(huì)議上首次明確提出了水足跡的概念[3]。Hoekstra指出，水足跡是用于生產(chǎn)該產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈之中的用水量之和;在隨后發(fā)表的文章當(dāng)中，Hoekstra將水足跡進(jìn)一步分為綠水足跡、藍(lán)水足跡和灰水足跡3個(gè)二級(jí)賬戶，并完善了水足跡的核算方法[4];他的學(xué)生Chapagain等人用運(yùn)水足跡模型計(jì)算了世界范圍內(nèi)棉花的生產(chǎn)水足跡[5];在2007年，Chapagain又利用水足跡理論，計(jì)算了荷蘭茶葉和咖啡的水足跡[6]。在2010年和2014年，Hoekstra分別進(jìn)行了流域和地區(qū)的水足跡研究。2003年程國(guó)棟院士最早用虛擬水計(jì)算了西北干旱地區(qū)生活虛擬水消費(fèi)量;之后孫才志等人在中國(guó)各地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品虛擬水的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡明了虛擬水與水資源、耕地、人口、水土流失等的關(guān)系。

目前對(duì)于山西省水足跡的研究較少，僅在一些較大尺度的研究中涉及到山西省的部分地區(qū)。研究在前人研究的基礎(chǔ)之上，對(duì)山西省2006～2015年主要農(nóng)作物的水足跡進(jìn)行了核算。從虛擬水利用的角度，對(duì)山西省的水資源狀況進(jìn)行了分析，總結(jié)了其10年來的發(fā)展變化規(guī)律。

2 研究區(qū)概況

山西省位于黃河中游，北緯34°36′～40°44 ′，東經(jīng)110°15′～114°32′的位置，總面積15.6萬km²。屬于中部省份，境內(nèi)山地多，水資源不足，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然條件較差，全年降水量在400～650 mm之間，主要集中在夏季，全省共有河流1000多條，流域面積100 km²以上的有240多條。其中汾河、沁河、涑水河等屬黃河水系;桑干河、漳河等屬海河水系。河川徑流量114億m³，多年來水資源緊缺，一直是制約山西農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。

3 研究方法

水足跡理論是由Hoekstra于2002年提出的概念，它是基于消費(fèi)基礎(chǔ)的水資源利用情況的指示器[9]，一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水足跡定義為該國(guó)家或地區(qū)的居民的生產(chǎn)和服務(wù)的水資源需求總量[10]。

3.1 主要農(nóng)作物的選取及原因

山西省農(nóng)作物的選取主要是根據(jù)山西省2006～2015年逐年份的農(nóng)作物播種面積、產(chǎn)量、和經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)值來進(jìn)行的，將山西省的主要農(nóng)作物分為糧食作物、蔬菜、油料作物、棉花、水果5大類。糧食作物選取了小麥、玉米、谷子、高粱、燕麥、蕎麥、大豆、馬鈴薯等主要農(nóng)作物;油料作物選取了向日葵和胡麻子兩個(gè)當(dāng)?shù)刂饕N植的作物;水果只選取了蘋果進(jìn)行計(jì)算。蘋果也是山西省主要的水果作物，占水果種植面積的80%以上;蔬菜由于并沒有詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)資料，各年份間主要蔬菜作物的產(chǎn)量變動(dòng)也比較大，所以這里直接采用了每年蔬菜的總產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行水足跡的核算。

目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)水足跡研究中的單位質(zhì)量農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量都采用Chapagain等對(duì)于中國(guó)部分產(chǎn)品的研究成果，本研究也直接引用了其相關(guān)研究結(jié)果。

3.2 數(shù)據(jù)來源

文章數(shù)據(jù)來源包括：2006～2015年山西省統(tǒng)計(jì)年鑒，主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和地區(qū)生產(chǎn)總值、進(jìn)出口貿(mào)易數(shù)據(jù)等都來自于此;2006～2015年山西省水資源公報(bào)中的農(nóng)業(yè)用水量，水資源總量和供水量等數(shù)據(jù);國(guó)際上有關(guān)虛擬水研究中中國(guó)地區(qū)主要農(nóng)畜產(chǎn)品單位虛擬水含量。

3.3 計(jì)算方法

根據(jù)水足跡定義的延伸可知，區(qū)域農(nóng)業(yè)水足跡等于生產(chǎn)本地居民消費(fèi)農(nóng)產(chǎn)品和服務(wù)的直接或間接用水量，包括內(nèi)部農(nóng)業(yè)水足跡和外部農(nóng)業(yè)水足跡：

AWFP=AIWFP+AEWFP

（1）

式（1）中，AWFP為農(nóng)業(yè)水足跡;AIWFP為內(nèi)部農(nóng)業(yè)水足跡，AEWFP為外部水足跡。采用自上而下的方法計(jì)算，可以更好的體現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中各部分耗用水資源的狀況。因而：

AWFP=AWUIAVWE+AVWI=AWUINVWI

（2）

式（2）中，AWU為本地農(nóng)業(yè)用水量;AVWE為農(nóng)業(yè)虛擬水輸出量;AVWI為農(nóng)業(yè)虛擬水輸入量;NVWI為農(nóng)業(yè)虛擬水凈輸入量。其中，農(nóng)業(yè)用水量包括植物產(chǎn)品用水量和動(dòng)物產(chǎn)品用水量，由區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與單位產(chǎn)品虛擬水含量相乘得到，即：

式（3）中：AWU為農(nóng)業(yè)用水總量;P_i為第i種農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量;VWCi為第i種農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的單位虛擬含水量。

由于山西省統(tǒng)計(jì)年鑒種有關(guān)進(jìn)出口產(chǎn)品采用分類價(jià)值量統(tǒng)計(jì)，且分類較粗，沒有詳細(xì)的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)出口記錄，所以對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的凈輸入量采取了估算的方式，具體為：

NVWI=Mn/GDP ×W

（4） 式（4）中：Mn為當(dāng)年進(jìn)出口貿(mào)易值（萬元）;GDP為同年的地區(qū)生產(chǎn)總值（萬元）;W為當(dāng)年的生產(chǎn)耗水量。

4 山西省農(nóng)業(yè)水足跡計(jì)算結(jié)果分析

4.1 山西省農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)

在核算山西省2006～2015年的農(nóng)業(yè)水足跡之前，對(duì)山西省這段時(shí)間農(nóng)業(yè)用水量的結(jié)構(gòu)和變化進(jìn)行了分析（表1）。以更好地反映山西省各個(gè)方面農(nóng)業(yè)用水的數(shù)量變化、比重增減狀況。

山西省農(nóng)業(yè)用水量總體呈不斷增長(zhǎng)的狀態(tài)，這也從側(cè)面說明，山西省對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求在不斷增加。從表1可以看出，其中主要以水澆地的用水量為主，并且在計(jì)算時(shí)間內(nèi)比重有所增加，2015年占到農(nóng)業(yè)總用水量的89.8%;水田、菜田、草場(chǎng)、魚塘的用水量均出現(xiàn)不同程度的下降;林果地灌溉和牲畜用水量則有所增加。4.2農(nóng)業(yè)水足跡

跟據(jù)公式（1）～（4），借鑒Hoekstra等人中國(guó)主要農(nóng)除產(chǎn)品單位虛擬水含量的研究成果，結(jié)合山西省相關(guān)農(nóng)作物數(shù)據(jù)和動(dòng)物產(chǎn)品產(chǎn)量計(jì)算了2005～2016年山西省農(nóng)業(yè)水足跡以及植物、動(dòng)物產(chǎn)品用水量。

表2反映了山西省農(nóng)業(yè)水足跡的變化，從2006～2015年水足跡從225億m3增加到了366億m3，上升趨勢(shì)明顯。農(nóng)業(yè)水足跡的增加，主要是由于隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，2011年開始，對(duì)于動(dòng)物產(chǎn)品的需求顯著增加，統(tǒng)計(jì)年鑒中對(duì)于動(dòng)物產(chǎn)品有了明確的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì);山西省進(jìn)行了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)調(diào)整，改變了以往以煤炭等重工業(yè)為主的發(fā)展模式，響應(yīng)國(guó)家相關(guān)政策，農(nóng)業(yè)地位有所上升，耕地面積有少量的增加;市場(chǎng)的刺激作用，居民生活水平不斷提高，對(duì)于各類農(nóng)產(chǎn)品的需求增加。此外可以看到，農(nóng)業(yè)水足跡要遠(yuǎn)高于當(dāng)年統(tǒng)計(jì)的農(nóng)業(yè)用水量，主要是由于農(nóng)業(yè)水足跡計(jì)算的是生產(chǎn)產(chǎn)品的整個(gè)過程中所消耗的水資源，其次主要是由于農(nóng)產(chǎn)品虛擬水計(jì)算過程中涵蓋了降水量，而農(nóng)業(yè)用水量主要是由灌溉用水量和林牧漁畜用水量組成的，并未統(tǒng)計(jì)被土壤直接利用的降水量[9]。山西省對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的實(shí)際用水量遠(yuǎn)超過統(tǒng)計(jì)的農(nóng)業(yè)用水量，讓人們對(duì)山西省的農(nóng)業(yè)水資源利用情況有了新的認(rèn)識(shí)，需要更加注意加強(qiáng)水資源利用的節(jié)約性和緊迫性。

結(jié)合表1可以看到，在山西省的主要農(nóng)作物當(dāng)中單位虛擬水含量最高的是棉花5.68 kg/m³、油料5.1 kg/m3，而實(shí)際的農(nóng)業(yè)水足跡當(dāng)中糧食、蔬菜、水果等所用的水量才是最多的。蔬菜是日常生活中必不可少的食品，巨大的需求是其播種面積較大的原因，居民的生活消費(fèi)方式對(duì)作物的生產(chǎn)有著至關(guān)重要的影響。蔬菜的大面積種植使得棉花等高耗水作物的種植面積相對(duì)較少，這也在某種程度上減少了對(duì)水資源的消耗[10]。

此外，還對(duì)山西省主要糧食作物的生產(chǎn)用水量進(jìn)行了計(jì)算，從表3可以看到其2006～2015年來的具體變化情況。

動(dòng)物產(chǎn)品包括豬肉、牛肉、羊肉和牛奶，由于2010年之前產(chǎn)量太小，因此年鑒中并未對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所以動(dòng)物產(chǎn)品用水量的核算是從2011年開始的，2011～2015年，各類動(dòng)物產(chǎn)品的生產(chǎn)用水量中（表4），豬肉、牛奶的生產(chǎn)用水量較高，羊肉最少。由于山西特殊的地理位置，在晉北地區(qū)，對(duì)牛羊肉的生產(chǎn)、消費(fèi)較多，晉中、晉南地區(qū)則以豬肉為主。但從總體上看，羊肉的生產(chǎn)用水量還是最少的。這主要是由于，羊肉的價(jià)格較高和且居民長(zhǎng)期的飲食習(xí)慣決定的。由于人類的生活方式、消費(fèi)習(xí)慣短期內(nèi)很難改變，從山西省2011～2015年動(dòng)物產(chǎn)品生產(chǎn)用水結(jié)構(gòu)來看，為了節(jié)約本地的水資源，可行的方法是增加禽肉、豬肉、蛋奶等虛擬水消耗較多的產(chǎn)品的進(jìn)口，以頂替一部分當(dāng)?shù)厮Y源的使用。

4.3 農(nóng)業(yè)用水量組成結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合表1可以看到，谷子、蕎麥、黍、大豆的單位虛擬水含量都是較高的，即種植同樣面積的該作物要比種植其他作物需要消耗更多的水資源，而實(shí)際生產(chǎn)用水量最高的是玉米，這是由玉米耐旱、耕作方式簡(jiǎn)單省力、投入少而產(chǎn)量相對(duì)較高的特點(diǎn)決定的，多年來玉米一直是山西省最主要的糧食作物，隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的提高，產(chǎn)量也在逐年上升。在谷子、蕎麥、黍、大豆四種耗水較高的作物當(dāng)中，黍從2009年以后便不在種植了，主要是由于黍的耕種程序復(fù)雜，需要投入的人工勞動(dòng)力成本較高且對(duì)水量要求較高，任何一個(gè)方面不滿足產(chǎn)量都會(huì)出現(xiàn)下滑，因此從2010年開始就被改種玉米了，這在一定程度上優(yōu)化了山西省水資源的利用結(jié)構(gòu)（表5）。

從優(yōu)化水資源利用的角度考慮，建議山西省接下來進(jìn)一步減少谷子、蕎麥、大豆等高耗水作物的種植，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，充分利用山西省東西部橋梁的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，通過加大這些商品的進(jìn)口，從而降低對(duì)水資源的消耗量;另外，通過改良技術(shù)、減少灌溉用水，發(fā)展高科技農(nóng)業(yè)，也可以適當(dāng)?shù)木徑馑Y源供需的矛盾。

4.4 虛擬水貿(mào)易

結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算了2006-2015年山西省農(nóng)業(yè)進(jìn)口虛擬水量和出口虛擬水量。表6反映了山西省10年來進(jìn)出口虛擬水貿(mào)易的情況。

整體來看，山西省的進(jìn)出口虛擬水量數(shù)值都比較低，這也反映出山西省比較閉塞，同外界的聯(lián)系較少的現(xiàn)狀。水足跡凈貿(mào)易量反映地區(qū)在水資源貿(mào)易中的地位和作用。計(jì)算方法參考了戚瑞等人的研究，水足跡凈貿(mào)易量一出口虛擬水量 進(jìn)口虛擬水量[11]。如果水足跡凈貿(mào)易量為正值，就表示出口虛擬水量大于進(jìn)口虛擬水量，說明該地區(qū)屬于水資源輸出地;如果出現(xiàn)負(fù)值，則表示該地區(qū)為水資源輸入地。

除2009年、2010年、2012年3年的出口虛擬水量小于進(jìn)口虛擬水量外，其余時(shí)間段內(nèi)，出口虛擬水量均大于進(jìn)口虛擬水量，在山西省水資源如此緊張的情況下，目前這種虛擬水貿(mào)易中水資源輸出地的狀況，一定程度上加劇了本地水資源的利用壓力。建議增加進(jìn)口虛擬水的數(shù)量，并且選擇本地產(chǎn)量有限而單位虛擬水含量又較高的產(chǎn)品進(jìn)口，滿足需求的同時(shí)也可以優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品的種植結(jié)構(gòu)。

由圖1、圖2中可以看到山西省農(nóng)業(yè)虛擬水進(jìn)出口當(dāng)中，植物產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品所占的比例以及計(jì)算時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)。

從圖1可以看到，山西省主要農(nóng)產(chǎn)品的出口中，植物產(chǎn)品占主要部分且計(jì)算時(shí)間內(nèi)變化較大，2006植物產(chǎn)品出口量最大，之后逐漸減小，2009年達(dá)到最小值，之后開始波動(dòng)增加，2015年植物產(chǎn)品出口虛擬水量為0.02億m³。

圖2反映了計(jì)算時(shí)間內(nèi)山西省動(dòng)物產(chǎn)品和植物產(chǎn)品的進(jìn)口虛擬水情況，主要以植物產(chǎn)品為主，動(dòng)物產(chǎn)品相對(duì)較少，有些年份甚至為0，但結(jié)合表6可以看到，人們對(duì)動(dòng)物產(chǎn)品的需求在逐漸提高，適當(dāng)加強(qiáng)禽蛋、豬肉等動(dòng)物產(chǎn)品的進(jìn)口，可間接緩解山西省水資源短缺的狀況。

5 山西省農(nóng)業(yè)水足跡評(píng)價(jià)

參照戚瑞等人的研究，對(duì)基于水足跡理論的山西省農(nóng)業(yè)水資源利用的可持續(xù)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其判斷流程如圖3所示。

圖3中，WFR為水足跡增長(zhǎng)指數(shù)：末一年水足跡WFP2與前一年水足跡WFP1之差與前一年水足跡的百分比，即：

該指標(biāo)反映一定時(shí)期區(qū)域水資源耗用量的變動(dòng)幅度，其大小表明區(qū)域水足跡增減速度的快慢。

WAR為可用水資源增長(zhǎng)指數(shù)：末一年可用水資源WA2與前一年可用水資源WA1之差與前一年可用水資源的百分比，即：

該指標(biāo)反映一定時(shí)期區(qū)域水資源可利用量的變動(dòng)幅度，其大小表明區(qū)域可用水資源增減速度的快慢。

WSI為水資源可持續(xù)指數(shù)：水足跡增長(zhǎng)指數(shù)絕對(duì)值與可利用水資源增長(zhǎng)指數(shù)絕對(duì)值的比值，即

這個(gè)指數(shù)定量反映一個(gè)地區(qū)水資源可持續(xù)利用能力的強(qiáng)度。

結(jié)合表7的計(jì)算結(jié)果可以看到山西省2006～2015年10年來水資源利用的可持續(xù)性狀況。2006～2008年的2年時(shí)間里，山西省水資源利用一直處于不可持續(xù)的狀態(tài)，水資源的實(shí)際占用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)年的可用水資源量。2008～2011年則持續(xù)3年處在可持續(xù)利用的狀態(tài)，主要是由于這幾年為豐水年，可用水資源量有所增加，緩解了山西省水資源利用的緊張狀況。之后的4年時(shí)間里，只有2012～2013年為可持續(xù)利用狀態(tài)，其余年份均為不可持續(xù)利用，表明近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，山西省水資源利用的情況也越來越緊張，迫切需要優(yōu)化水資源配置、提高利用效率。

在表8的山西省水資源利用的匱乏度指標(biāo)中可以更加直接的看到山西省水資源的短缺，從2010年開始，山西省農(nóng)業(yè)水資源的匱乏度一直在不斷加劇，在2014年達(dá)到了894%。說明山西省境內(nèi)水資源的短缺程度已經(jīng)非常嚴(yán)重。

水資源匱乏度指標(biāo)較大，說明山西省本地水資源已將越來越無法滿足本地人們生產(chǎn)生活的需求，需要通過進(jìn)口虛擬水來緩解水資源供給與需求之間的矛盾。長(zhǎng)期高強(qiáng)度的開發(fā)本地水資源，不利于山西省水資源的可持續(xù)利用。

6 結(jié)論和建議

在實(shí)際計(jì)算過程中，由于受到統(tǒng)計(jì)資料、氣候條件等多種不確定因素的影響，山西省農(nóng)業(yè)水足跡的研究還有待更進(jìn)一步的完善。

通過對(duì)山西省主要農(nóng)作物水足跡的分析可以看到，通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)、加強(qiáng)特定產(chǎn)品的虛擬水進(jìn)口等措施可以減少生產(chǎn)水足跡;消費(fèi)者改變消費(fèi)結(jié)構(gòu)，即適當(dāng)減少對(duì)水資源密集產(chǎn)品（肉類）的生產(chǎn)或消費(fèi)，在可能的情況下以單位虛擬水含量較低的蔬菜來代替以節(jié)約水資源利用[12]。此外，提倡節(jié)約用水，在生活中注意對(duì)水資源的循環(huán)利用、安裝節(jié)水設(shè)施等，也有助于緩解山西省水資源的壓力。

農(nóng)業(yè)水足跡可以反映居民因消費(fèi)農(nóng)產(chǎn)品而對(duì)水資源的真正占有情況。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，山西省近年來的農(nóng)業(yè)水足跡在逐步增長(zhǎng)，主要原因是由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使人民消費(fèi)方式發(fā)生改變，對(duì)動(dòng)物產(chǎn)品需求顯著增加導(dǎo)致的。從山西省農(nóng)產(chǎn)品虛擬水的進(jìn)出口情況來看，目前山西省對(duì)外的水資源依賴程度還是很低的，接下來可通過加大外部水足跡的比例來緩解本地的水資源壓力。

參考文獻(xiàn)：

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