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农业生态学
农业生态学
第一章概述
第一节生态学的产生和发展
一、生态学与生态问题
生态学（Ecology）一词是1866年德国的生物学家E。
赫克尔在其著作《有机体的普通形态学》中第一次提出的。
生态学的英文名词起源于两个希腊字：
Oikos（家庭、住所）和Logos（学科）。
字面上指研究生物体及其生活的地方的学科，即“生境的学科”。
生态学的定义颇多：
“研究生物体与其周围环境之间关系的学科”；“研究生物与环境既包括光、热、水气、各种元素等非生物环境之间相互关系及其作用机理的学科”，现今，多数人将生态学理解为：
“研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的学科”。
生物的环境既包括光、热、水、气、各种元素等非生物环境之间和生物与生物之间的关系。
生态学这个词的词头与经济学（Economics）中的eco-是同一词根，所谓“家庭、住所”本意带有管理家庭、管理住所经济的意思，因此，可以认为生态学和经济学两个学科具有一些共同之处。
生态学从发展初期到现在，都与人类的实践关系密切，所以生物的环境包括利用自然、发行自然的各种生产实践关系。
基于此，也可以把生态学理解为有关生物的经济管理的科学。
生态学虽然已有一百多年的历史，只因为近年生态环境日益严峻，生态学才开始受到更多重视。
生态环境问题的实质是人类的文明与支持这个文明的自然系统之间不协调，以致出现了不能持续发展的关系。
在人口不断增长的同时，文明标准不断提高，人类在物质上的追求越来越多，当某些需示超越了自然系统可能支付能力的时候，人类与生态环境之间矛盾激化了。
自然系统是由土地、岩石、气候、河流和众多的生物所构成的相互影响、彼此制约的极其复杂的系统。
不同地区的自然系统在正常运转条件下，所能提供的每种物质或能量都有一定的数量限制。
与过去相比，当今经济发展、人类文明和物质追求在种类上和数量上空前高涨，而自然系统所能提供的资源却不能总是随之增长，当二者的不协调明显增大时，人类就感受到环境的威胁。
人类对某种资源消耗过多会导致可提供数量的减少，某一成分的改变，通过相互影响与制约关系会出现连锁反应。
某一生态环境因素被破坏会导致系统的其它方面也改变，以致阻碍了经济发展，甚至危及人类健康与生存。
二、人类对自然系统的认识过程与生态学的发展
人的认识是在实践中通过：
实践——认识——再实践——再认识的反复过程。
人的思维与认识既受客观条件、社会实践的限制，也受主观条件的限制。
总是由描述到定性、定量分析。
人类在狩猎时期，从火的发现到以后的人为种植驯养，直到文艺复兴以后，基本上都是简单的对单项资源开发，对生态系统的复杂性缺乏正确认识。
三、生态学发展的历史阶段
生态学发展到今天，可以概括为四个历史阶段。
生态学诞生以前时期。
生态学建立成长期。
近代生态学时期。
生态学应用与调控时间。
四、生态学的分支
由于生物的多样性和环境的多样性，由于生态学与其它许多学科的密切关系，生态学具有许多分支学科。
以研究对象的生物类别划分，有植物生态学、动物生态学、微生物生态学、人类生态学等。
每个大类别又分有若干小类别，如昆虫生态学、脊椎动物生态学等。
按环境性质划分，有湖沼生态学、海洋生态学、山地生态学、沙漠生态学等。
整个有机的自然界被看作由不同的生命组织层次（水平）构成的复合体，生物学研究对象由小到大的等级系统是：
基因——细胞——器官——有机体个体——种群——生态系统——生物圈。
按生物组织层次划分，有个体生态学、种群生态学、群落生态学、生态系统生态学等。
生态学与其它一些学科交叉或相互渗透的结果，有生态学与系统工程学结合形成的系统生态学、生态学与数学结合形成的数学生态学、生态学与农学结合形成的农业生态学、生态学与林学结合形成森林生态学、生态学与经济学结合形成的生态经济学、生态学与环境保护结合形成环境生态学等。
随着人口增长和经济发展，人类对自然资源的需求日益增加。
为防止各自局部开发资源而造成整体的破坏，需要针对区域状况与问题，将生态学系统与人类社会经济系统联系起来作为一个复合的大系统进行研究。
出现了景观生态学和人类生态学等，景观生态学是由生态学与地理学结合研究，着重探讨景观范围内若干生态系统之间的相互关系和管理。
人类生态学研究人类与环境的关系及其相互作用的规律，它即强调人的生物属性，也强调人的社会属性，其环境包括自然环境和人工环境，探求生物圈与技术圈在不同条件下的最佳组合，分析现在，规划未来。
第二节 农业生态学产生的背景
一、农业生态学的产生
农业生产的本质是人类利用生物群体转化环境资源而形成各种农业产品的过程。
农业生产本身就是调节生物与环境关系的一个生态过程。
农业科学中的许多分支学科，诸如作物栽培学、耕作学、家畜饲养、良种培育、病虫害防治、土壤学、肥料学、农田水利、农业机械化等可以说都是从不同角度或侧面研究调节管理生物与环境之间关系的学科，许多农学家在某种意义上讲也都是生态学家。
当然，这些农业学科常是单从某一侧面研究生物与环境之间的关系。
如果以个体生态学水平或单项分析为基础建立农业生态学，就必然与一些农业科学重复而不再十分必要。
在40年代与50年代一些农业生态学著作如：
美国的K.H.W.Klages的《生态学的作物地理学》（1942年）
60年代的世界经济迅速发展造成了严重环境危机：
人口增长、资源不足或枯竭、环境污染等重大问题，引起世界科学技术界的震惊，问题的根源是缺乏对生态系统的认识和整体安排。
二、农业发展推动农业生态学发展
生物种群的增长总是为资源所约束。
鱼群在海洋中为有限食物竞争，干旱草原上的植物为生存而争水，凶猛的非洲狮、亚洲虎的繁殖都受到食物的约制。
同样，人类也经常面临调整可能养活的人口与可能食物供应之间的关系；随着人口增长，要求进一步开发资源，改善农业经营以提供更多的食物；否则会因食物限制而降低每个人的消费水平，乃至进而引发战乱或因健康下降而缩减了人口。
为了免于饥饿，农业发展经常是在不断地扩大开发资源。
但是许多农业资源是有限的。
例如，单从雨量业判断，地面上约有46%的土地是有足够雨量供其生产粮食，但实际只有5%成为耕地，41%是因为湿度、土质、地形等原因未能开垦；如果只从温度判断，大约83%地面可用，单从地形考虑，约有64%地面可以耕作；只考虑土壤肥力，则46%的地面可以种植。
如果综合雨量和温度两项，只有32%地面可以开发；综合雨量、温度和地形三项，只有21%可用；综合雨量、温度、地形和土质四项，就只有157.74亿亩，占陆地面积7%可以开垦。
可见，只以个别资源为依据是不能作出正确评价的。
综合多种资源因素，欧洲有37%土地可垦，美洲有10%可垦，亚洲有6%可垦。
中国1990年垦植土地占10.7%，如图：
在人口增长与人类的物质文明不断提高的双重压力下，许多国家和地区的农业垦植面积不断扩大，乃至被迫对某些不适宜垦植的土地进行开垦。
为此，就需要不惜代价投入更多的能源以及其它资源来进行改造。
否则，不适宜垦植地的生态系统会以某种灾害形式回答人类；增加投入则又出现高投入和低效率的农业。
长期以来农业发展的历史，是不断扩大开发资源的历史。
从社会经济系统与自然生态系统之间的关系，农业发展的历史时代分析，大致可以划分为四个时代：
第一时代是旧石器以前的原始时代，农业资源是石块、木棒、野果、野兽等，人类完全依赖自然生态系统之间的关系，生产力极低。
第二个时代是人类社会开始发行自然生态系统的时代。
在新石器时代以后文化、宗教出现，劳动分工和商品交换出现，农业开始人工种植和驯养动物，城市出现，人类社会利用资源增多，改造自然生态系统明显，农业生产力提高。
第三个时代是经济大发展的工业化时代。
随着蒸汽机、电力等动力的应用，工业化大生产出现了，经济以前所未有的速度发展，为了追求享受与利润，不顾及各方面的后果与长远影响，以现代化手段进行大量的、强烈地开发资源。
出现了生态环境剧烈地破坏、资源枯竭、水土流失、环境污染等许多全球性大问题，成为高速发展的工业、现代农业的隐患，不仅危及经济发展，同时影响人类的生态与健康。
第四个时代是人类自觉地协调经济发展与生态建设的时代。
经济发展不是必然会导致生态环境破坏，只是人类单纯追求某些经济目标，而又缺乏现代环境意识，缺乏对资源环境与经济的统筹关联整体系统措施才出现的。
表1—1四个时代农业发展特点
农业发展
经济生产水平
技术管理
资源消费
生态环境破坏
第一时代
低
低
低
低
第二时代
中
中
中
中
第三时代
高
中
高
高
第四时代
高
高
中
低
第三节农业生态学的研究对象与内容
一、农业生态学的研究对象
农业生态学的研究对象主要是农业生态系统（agroecosystem）。
农业生态系统是人类为满足社会需求，在一定边界内通过干预，利用生物与生物、生物与环境之间的能量和物质联系建立起来的功能整体。
农业生物包括各种农作物、果树、蔬菜、家畜、养殖水产类、林木等。
也包括农田杂草、病、虫等有害生物。
这里要指出，草原、森林和湖泊等不论以系统的边界或以系统的环境而言，都具有其独立的特点。
作为生态系统，如草原生态系统、森林生态系统、湖泊生态系统等，都有专门的学科加以研究。
因此，农业生态系统已被理解为农区以种植业为中心的农业生态系统，包括农作物、果蔬和家畜家禽以及池塘的水产养殖类，也包括农区的防护林、经济林（茶树、橡胶、板栗等）。
它们是在人的选择培育和经营管理下，与当地气候、土地等环境条件之间取得相互适应的已被驯化了的农业生物类群。
虽然农业生态系统的研究涉及的方面很多：
有作物、果树、蔬菜、家畜、家禽、一些水产类和林木，以及气候、土壤等自然环境和社会经济环境等。
它们分属不同的许多学科，内容极其广泛。
但它们之所以能兼容于农业生态学一门课程之内，这是因为农业生态学把研究对象看作是系统，其研究重点不是着重于系统的组成成分，而是诸多成分之间的关系，把每一种成分作为因素，从物质、能量上研究它们之间的相互联系、耦合、转化、反馈等，或者说，系统的约束与行为过程才是研究的重点。
农业生态系统所包含的各成分之间的关系和行为过程，正如恩格斯所概括的：
“一个伟大的基本思想，即认为世界不是一成不变的事物的集合体。
”农业生产作为物质生产是生物学过程和人类农业劳动过程的集合体。
生物学过程是生物利用环境完成其生长发育，主要是生物与环境之间的物质能量变换的生态过程。
人类农业劳动过程包括人类处理人与自然物之间的物质能量变换的生态过程。
即技术过程；以及通过生产关系、劳动、分配等人与人之间的经济过程。
农业生产中的生态过程、技术过程与经济过程也是三个系统，即农业生产的生态系统、农业技术系统和农业经济系统，认识到农业生产包含三个系统，并以农业生态系统为中心，把三个系统相互作用统一研究，是农业科学在体系上的一个重大发展。
三个系统在认识上可以抽象地分割，可以分别研究，但实际上是交织在一个不可分割的物质和能量变换过程中所含有的三类作用因素。
农业生产具有三个系统过程的特点，决定了研究农业生态系统过程必然不能像自然生态系统只研究纯生态学过程，必然也必须包含有农业技术系统过程和农业经济系统过程在内（图1—1）。
例如对施肥、灌溉等许多技术分别以现代化技术手段的能量和物质的投入加以计量，对生物的物质能量变换和对技术的物质能量变换，都还要计量其效率。
包括能量之间、物质之间，也包括物能量的经济效益分析。
当然，农业生态系统作为复合系统，对其所包含的三个系统不是同等对待的。
生态系统是其研究的主体；农业技术系统常只作为调控因素（就像气候在农业生态系统中一样）；农业经济系统不仅是调控因素，而且经济效益也是农业生态系统的重要目标。
（农业生态系统与自然系统关系）
二、农业生态学的任务与内容
当今，经济发展受到生态环境多方面的制约；生态环境建设又受到经济负荷能力的制约。
社会所面临的人口、资源、贫困、承载力、粮食、能源、生态环境和灾害等重大问题，同时向生态学和经济学提出挑战，要求从生态与经济相结合的整体高度出发，探讨解决这些问题的途径与方法。
面对这些问题，以生态系统、农业技术系统和农业经济系统等三个系统组合而成的复合的农业生态系统为研究对象的农业生态学，其任务不仅是阐述农业原理，而且要面对现实，提出协调各种关系和推动农业持续发展的各种可行方案。
几十年来，中国每年对农业有许多投资项目，农业科技每年也取得许多成果，每项投资和科技成果都可以有百分之几、百分之十几乃至百分之几十的增产效果，积累下来农业似乎应有几十倍的增长。
事实并非如此，不同地区农业投资与科技成果的相差极为悬殊。
因为单项投资或科技成果在技术上、经济上和生态上所产生的作用与结果并不一致。
在一系统内，它们之间往往互不协调、相互干扰甚至互相低消。
许多投资或成果在农业复合系统中只是“零件”，某一“零件”能产生多大效果是因“机器”的整体状况而异的；是因“零件”在“机器”中的位置、与其它“零件”的配合而异的。
农业生态学是研究由许多“零件”所组装的整体“机器”，包括“机器”的组装原理、原则与改进等。
整体协调有助于发挥单项技术的作用，将整体与单项结合研究，不是相互取代而是彼此补充，才能更好地发挥农业科学的效益。
这样，
①农业生态学的任务显然不仅仅是对农业生产的复杂现象，从本质上（从物质与能量转换的本质上）做出生态学的解释。
②农业生态学还应是以结构化的科学知识和系统分析的思想，研究农业生产的系统过程，是对整个“机器”进行研究，以承担诸多“零件”的组装。
为此，农业生态学要求学习者从整体上学会处理已学到的科学知识，将各种农业科学知识通过整体思维框架，合理地纳入系统之内，以提高整体的效益。
③农业生态学在加强现代化环境意识的基础上，探讨并把握生态—技术—经济复合系统的相互作用关系，以便能够在我国面临的土地承受超负荷的人口压力和农业粮食短缺的形势下，从农业的整体动态层次上，探讨促进农业发展的可能性与途径，以便创造生态上和经济上均能持续发展的前景。
④农业生态学通过其对物质、能量的运转与区域农业发展的关系分析，通过系统分析探求限制因子与发展的优化结构与优化调控途径，在给定的条件和约束限度内，建立有针对性的结构组合、各种可供选择的途径，设计区域农业的发展方案。
农业生态学要完善地实现这些任务虽然是步履艰难的，但也许这正是农业生态学所以受到重视和应尽的责任。
农业生态学需要探讨：
农业生态整体认识与农业发展的关系和展望；
现代生态环境意识，生态环境作用与农业的发展；
农业生物群体及其在不同区域和动态层次上的组成、结构、行为过程、约束和发展的规律；
农业生态系统的能量与物质转换特点、规律与模型；
农业生态系统中种植、养殖、加工、农、林、牧与土壤肥力的内在联系、定量关系和农业生态系统的生产力（包括初级生产力、次级生产力和土壤库的建设）；
农业生态系统的物质再生产与经济再生产的内在联系与区域开发；
农业生态系统设计与生态农业建设。
第四节农业生态学在科学中的地位
一、农业生态学的基础性和综合性
农业生态学从物质和能量转换上研究农业，使它具有农业生产最本质的基础性；农业生态学又是以高度综合性而著称。
农业生物包括了农作物、蔬菜、果树、家禽、水产类和森林等多种多样生物种群，研究这些生物的专业知识与单项成果对于认识整体是不可缺少的。
农业生态学与这许多生物种群的生理、生态、分布、栽培、饲养等具有广泛的联系，使农业生态学具有农业总体生产的特点。
农业生态学与其它生态学分支一样，强调生物与其生存外界环境的整体关系，因而涉及气象、土壤、地貌、水文以及社会、经济等，在某种程度上已是景观生态学的内容，包括自然景观与文化景观的分析和调控。
农业生态学在探讨复杂系统的定量关系和各种优化方案时，经常借助系统工程学和其它应用数学思想与方法，使它带有应用农业系统工程学的特色。
农业生态系统是如此高度复杂的系统，因此其理论研究或实际应用，都需要有正确的哲学为基础，如果生态哲学错误，其它定性、定量分析均会失去其应有的意义。
二 农业生态学的应用性与交叉性
农业生态学是在生态学与农业科学之间的交叉科学。
运用生态学理论、观点和方法研究农业生产，反映出它的应用性与交叉性，它要为农业生产和农业发展服务，就要服从社会经济系统的需要。
存在于生态系统中的资源，要转化成为财富，变成有价值的东西，必须通过劳动技术这个转换的媒介物，把它们从生态系统中提取出来。
技术系统是介于生态系统与经济系统之间的媒介物或桥梁，构成了生态系统——技术系统——经济系统的复合系统。
同一个生态系统，当采用不同的技术系统时就会产生不同的社会经济后果，当技术系统不合理时，生产的产品数量少，产值低，资源浪费大，使资源人为贬值；当技术系统合理，产品数量多，产值高，实现了资源增值。
在一定的资源系统条件下，采用何种技术体系，既受人类主观素质水平的约束，也受社会经济需求的影响。
不同历史时期的农业生产，具有不同的技术特点和不同的社会经济需求，对农业生态学也有不同要求，这就影响到农业生态学的科学位。
1978年以前30年左右的时期，中国经济主要是保障供给的产品经济。
强调“发展经济，保障供给”、“备战、备荒”，农业上强调“以粮为纲”，农业发展目标是《农业发展纲要》的“200公斤、250公斤和400公斤”的高产量，致富被认为是“走资本主义道路”，以致广大农民和县、社等基干部以亩产过800斤和“超千斤”为满足。
其技术体系是不不惜工本、不顾破坏生态环境地实现高产。
农业生态学在强调生态环境的同时还得以实现农业高产为中心。
80年代随着改革不断深入，逐步建立起以供求、竞争和效益为基础的社会主义商品经济，农民和基层干部追求致富与高产同步发展。
因此，农业在保证粮食需要的同时还要积极开展多各种经营和发展乡镇企业，农业技术系统和农业生态学也必然要探讨能持续实现粮食高产、致富与改善生态环境并重的更综合的复合系统，农业生态学的内容与科学地位也随之相应地变化。
思考题：
1.农业生态学的研究对象及其内容？
2.你对农业生态学有何看法？
第二章农业的基本生态分析
第一节 农业发展的背景变化
持续发展是要既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展。
但在当今农业发展的背景中，出现了许多危及持续发展的因素。
为实现农业持续发展而建立的农业生态系统，应该面对这些背景变化并采取相应的措施。
一、世界背景的变化
农业发展在国家间、地区间以及不同时期是不均衡的。
就世界而言，从本世纪50年代到70年代发展比较顺利，粮食增产超过人口增长速度。
以后，农业发展缓慢下来，粮食不足引起广泛的忧虑，因为它不是偶然的气候原因，而是世界农业发展的基础背景（包括中国在内）发生了变化。
1.人口增长过快。
2.人均耕地在减少。
3.化肥增产的效率在下降。
4.世界石油消耗过快。
5.森林面积减少。
6.污染
背景变化使资源和生态系统承受极大的压力，正在影响和改变着许多地方农业生态系统的结构和功能，研究农业发展必须面对这些现实。
二 国内农业形势变化
１ 粮食缺口。
我国每年粮食缺口大约为１８１亿斤
２ 耕地减少，生态环境恶化。
全国水旱灾逐年增加，成灾面积扩大，耕地逐年减少，大约每年减少５７６万亩。
３ 农民要求致富。
将会造成更多的毁林开荒和围湖造田。
第二节 资源生态环境的破坏
一、水土流失
二、水循环失调
三、沙漠化、盐渍化发展
四、土壤有机质大量损耗
五、环境污染
经济发展依赖于生态系统和有关资源。
因此对于生态系统的威胁就意味着对经济的威胁；生态系统的恶化就意味着发展前途的恶化。
在中国农业取得了很大成果的同时，由于农业经营的不尽合理和现代生态意识还不普及，也付出了昂贵的生态环境代价。
一、水土流失
森林或其它植被破坏引起大量的水土流失。
几十年来虽然累计已治理了约44万平方公里，但水土流失面积从50年代初期的116万平方公里增至目前的160万平方公里以上，其中土壤侵蚀模数大于1000吨/平方公里的面积在60平方公里以上。
每年流失表土超过50亿吨，预计2000年水土流失面积将超过170平方公里。
水土流失遍及范围很大，严惩区在西北黄土高原和南方丘陵山地。
黄土高原由于植被破坏和土壤质地松软，土壤侵蚀最重，其中土壤侵蚀模数高达5000吨/平方公里以上的面积就15.6万平方公里。
长江中上游等一些山区，森林覆盖率由50年代的40%左右，到目前已降为20%左右，甚至更低些。
有些流域土壤侵蚀模数也达1200—3000吨/平方公里，个别地方更高些，对长江的某些大支流流域计算，以当地生产粮油糖总产量与土壤流失总量相比，每生产1公斤粮油糖是以47—53公斤土壤泥沙的流失为代价换取的。
对于中国南方土层不厚的石质山区，这样多的土壤流失，长此以往会出现无土可种植的不堪设想的局面。
另一方面，随着植被破坏和土壤流失，土壤储水的能力大大下降，造成中旱大灾；流失的土壤在平原河床堆积，影响河水宣泄能力，又出现中雨大灾。
加重了水旱灾害的频度与强度。
二、水循环失调
中国水资源贫乏，全国年径流总量26380亿立方米，人均314立方米，仅及世界平均值（世界人均10800亿立方米）的21%。
中国水资源分布极其不均，淮河、黄河、海滦河、东北诸河、西北内陆河、年径流量只占全国的18%，而耕地面积占全国的62%，人口占全国的46%。
水土资源组合严重不平衡使许多地区出现水资源危机，在全国236个城市中188个城市缺水，占80%。
每日缺水1240万吨，干旱缺水已成为影响经济发展、制约农业的因素。
目前相当多的地区采取强化开采地下水，北京地下水抽取是速度是它补充速度的4倍。
海滦河流域、辽河流域、西北一些内陆河流域已出现数量很多的大范围地下水位持续下降漏斗，一些地方引起地表面下沉；一些地区引起海水入浸。
如海河流域平原区80年代每年地下水超额开采已达50亿立方米以上；已出现40个地下水位持续下降漏斗，破坏了水循环和水平衡。
造成区域干旱化，对土壤、地貌、气候和工农业生产均产生严重影响。
三、沙漠化、盐渍化发展
中国沙漠化影响达11个省区，沙漠、戈壁和沙漠化土地总面积约为150万平方公里，占国土总面积15.5%。
据中国科学院的研究：
50年代到70年代中国沙漠化土地平均约扩展1560平方公里。
新疆、内蒙古等地均已出现两块沙漠逐渐合扰相联的趋势。
如新疆的塔克拉玛干沙漠与库姆塔格沙漠各自扩大而逐年相联，威胁居民，目前已使南疆北疆的塔克拉玛干线公路3处交通经常因风沙受阻。
四、土壤有机质大量损耗
大家知道，土壤有机质是历史上长期生物残体在土壤中积累、腐殖质化而形成的。
土壤有机质数量是土壤自然肥力高低的最重要指标之一。
中国东北区的北部和中部是自然肥力最高、土壤有机质会计师最多的黑土地带。
现在这些地区多数土色变浅、黑土层变溥，土壤有机质含量大大下降。
由于农业结构和农业经营不够合理，目前（1986—1987年平均）每亩耕地输入氮素和各种产品输出（离开系统的边界）的氮素之比：
输入纯氮量/输出纯氮量为1.71公斤/2.39公斤=0.71，氮素养分赤字为29%，每年依赖大量土壤有机质耗损来补偿，是降低土壤自然肥力为代价换取产量，这种做法显然是难以持久的。
五、环境污染
随着经济发展与工业建设规模的扩大，污染也正日趋严重。
资源转化为产品的同时，也将产生出的废品和污染物排放给环境。
城市越大、工业比重越大的地区，在不重视环保工作和低效率生产下，其污染也往往越重。
中国GDP产值的废水负荷是日本、原西德的2.5倍。
中国二氮化硫排放量仅次于美国，居世界第二位。
1988年排放量达1520万吨，在二氮化硫排放最多的重庆贵阳等地
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