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ASD | LabSpec地物光譜儀在反演土壤水分特征曲線方面的應(yīng)用
對地表入滲和蒸發(fā)通量的分配,以及準(zhǔn)確量化不同空間尺度下土壤與大氣之間的質(zhì)量和能量交換過程,都需要了解土壤的水文性質(zhì)(如土壤水分特征曲線和導(dǎo)水率特征曲線)。土壤水分特征曲線(SWRC)描述了在基質(zhì)勢下土壤水分含量的平衡情況,是重要的水文特性,與土壤孔隙的大小分布和結(jié)構(gòu)密切相關(guān),受土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機物和粘土礦物等因素的影響。傳統(tǒng)測量SWRC的實驗室方法繁瑣,數(shù)據(jù)往往不完整,且只覆蓋有限的水分含量范圍。近年來,近程和遙感技術(shù)得到了廣泛關(guān)注,特別是在光學(xué)域內(nèi)的土壤反射光譜已被用于獲取土壤礦物學(xué)和化學(xué)成分、有機物含量、粒度分布及水分含量等信息。這些研究為衛(wèi)星遙感提供了大尺度測繪的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)方法主要依賴光譜轉(zhuǎn)移函數(shù),盡管能有效推斷土壤水力特性,但需大量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)。本文提出了一種新的實驗室方法,通過水分含量依賴的短波紅外(SWIR)土壤反射光譜直接估計SWRC,利用最近開發(fā)的前向輻射傳輸模型,僅依賴水分含量-反射率數(shù)據(jù)對,計算更高效,無需反演流動方程,簡化了測量過程。為了測試提議的新實驗室方法,作者使用了21種亞利桑那州土壤,這些土壤的質(zhì)地(表 1)和礦物成分(即高嶺石、云母/伊利石、蒙脫石、蛭石、綠泥石和黑云母含量)有很大差異。下面提供了實驗確定的 SWRC 和干燥土壤的反射光譜的描述。表 1. 亞利桑那州土壤的質(zhì)地特性使用ASD LabSpec®2500 地物光譜儀測量不同含水量水平的土壤反射光譜。波長范圍:350-2500nm。將烘干的土壤樣品通過2mm篩子,然后裝入直徑為40mm、高度為1.5mm的黑色金屬容器中。反射率測量采用與SWRC測量相同的目標(biāo)填充密度。樣品經(jīng)過仔細(xì)平整(即不壓實以盡量減少陰影效應(yīng))。土壤樣品最初用2毫升注射器浸透,在土壤從浸透到風(fēng)干的過程中,每3分鐘自動獲取一次反射光譜。圖 2. (a) 假設(shè) θo= 0.18, l...
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ASD | LabSpec地物光譜儀在反演土壤水分特征曲線方面的應(yīng)用
對地表入滲和蒸發(fā)通量的分配,以及準(zhǔn)確量化不同空間尺度下土壤與大氣之間的質(zhì)量和能量交換過程,都需要了解土壤的水文性質(zhì)(如土壤水分特征曲線和導(dǎo)水率特征曲線)。土壤水分特征曲線(SWRC)描述了在基質(zhì)勢下土壤水分含量的平衡情況,是重要的水文特性,與土壤孔隙的大小分布和結(jié)構(gòu)密切相關(guān),受土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、有機物和粘土礦物等因素的影響。傳統(tǒng)測量SWRC的實驗室方法繁瑣,數(shù)據(jù)往往不完整,且只覆蓋有限的水分含量范圍。近年來,近程和遙感技術(shù)得到了廣泛關(guān)注,特別是在光學(xué)域內(nèi)的土壤反射光譜已被用于獲取土壤礦物學(xué)和化學(xué)成分、有機物含量、粒度分布及水分含量等信息。這些研究為衛(wèi)星遙感提供了大尺度測繪的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)方法主要依賴光譜轉(zhuǎn)移函數(shù),盡管能有效推斷土壤水力特性,但需大量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型校準(zhǔn)。本文提出了一種新的實驗室方法,通過水分含量依賴的短波紅外(SWIR)土壤反射光譜直接估計SWRC,利用最近開發(fā)的前向輻射傳輸模型,僅依賴水分含量-反射率數(shù)據(jù)對,計算更高效,無需反演流動方程,簡化了測量過程。為了測試提議的新實驗室方法,作者使用了21種亞利桑那州土壤,這些土壤的質(zhì)地(表 1)和礦物成分(即高嶺石、云母/伊利石、蒙脫石、蛭石、綠泥石和黑云母含量)有很大差異。下面提供了實驗確定的 SWRC 和干燥土壤的反射光譜的描述。表 1. 亞利桑那州土壤的質(zhì)地特性使用ASD LabSpec®2500 ...
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LI-2100 | 基于水分利用策略和植物性狀確定坡耕地玉米種植適宜土壤厚度
水資源在糧食生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)中的關(guān)鍵作用,特別是在頻繁出現(xiàn)的高溫、干旱等極端天氣條件下,威脅糧食生產(chǎn),加速土地退化。研究指出,中國作為人均水資源低于世界平均水平的國家,農(nóng)業(yè)用水已占全國總用水量的60%以上,但整體用水效率較低且區(qū)域差異顯著。尤其在山區(qū)和丘陵地區(qū),土壤侵蝕和厚度減少嚴(yán)重影響了蓄水能力,加劇了干旱頻發(fā)和作物減產(chǎn)的風(fēng)險。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn),本文強調(diào)了通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)管理實踐,提高用水效率,以緩解干旱脅迫,維持作物產(chǎn)量的重要性。本次田間試驗在中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)站進(jìn)行,該站位于中國四川盆地中北部,海拔400-600m(東經(jīng)105° 27’,北緯 31°16’)(圖 1)。該地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候,平均氣溫 17.3℃。年平均降水量為826mm,蒸發(fā)量為680 mm。降雨分布不均,約70%的年降水發(fā)生在夏秋季,季節(jié)性干旱頻繁,主要發(fā)生在春季和初夏。 圖1. 研究區(qū)域位置(a)、實驗地塊圖片(b)、地塊設(shè)計圖(c)、實驗地塊剖面圖(d)。本試驗土壤為鈣質(zhì)紫色土,來源于蓬萊鎮(zhèn)組,屬于中溫土壤質(zhì)地,被稱為新土,占四川盆地紫色土總量的四分之一以上(圖1)。鈣質(zhì)紫色土剖面主要發(fā)育在頁巖和泥巖中,常與不透水的砂巖互層。淺層紫色土的下伏基巖限制了根系生長,入滲的大部分水分往往會因地下徑流繞過根區(qū)而流失。試驗土壤性質(zhì)相似,平均值為:pH 值為8.37,土壤有機碳...
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Resonon | Pika IR+高光譜成像儀在考古學(xué)方面的應(yīng)用
考古學(xué)雖然常與發(fā)掘相關(guān),但許多遺址仍需通過地表上的文物和其他特征來進(jìn)行識別。對這些地表考古記錄的分析不僅可以揭示不同定居時期的信息,還能展示土地的農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)或儀式用途,以及景觀中人、物、思想的流動模式。本文介紹了一種利用機載高光譜短波紅外 (SWIR) 圖像的新方法,用于記錄和分析地表考古材料。SWIR 光可以區(qū)分不同類型的巖石、礦物和土壤,地質(zhì)學(xué)家經(jīng)常利用這一原理繪制地質(zhì)圖。Resonon Pika IR+高光譜成像儀能夠以優(yōu)于10厘米的空間分辨率收集SWIR圖像,從而識別并表征地表文物。本文探討了在NASA Space Archaeology 資助下進(jìn)行的實驗,展示了這項技術(shù)的潛力和挑戰(zhàn),特別是在成功定位和表征單個文物方面,同時指出了未來發(fā)展的關(guān)鍵方向。作者團(tuán)隊將 Resonon Pika IR+高光譜成像儀安裝在 DJI M600上(圖 1)。還在機身頂部安裝了額外的 GPS 天線桿,并安裝了一個 GPS 定位器,用于將位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)?Pika 的 IMU。 圖 1. 搭載在 DJI M600 無人機上的 Resonon Pika IR+ 高光譜傳感器(左);無人機在科羅拉多州梅薩維德附近的調(diào)查中飛行(右)。 為了測試超高分辨率 SWIR 成像在考古學(xué)中的可行性,作者團(tuán)隊設(shè)計了一個簡單的實驗調(diào)查,以便確定 Resonon Pi...
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2018–2019年大興安嶺北部近地表土壤凍融期森林土壤CO2和CH4通量
高緯度苔原和針葉林、中緯度闊葉林和草原、高山和 高原地區(qū)普遍存在季節(jié)性、晝夜性甚至持續(xù)數(shù)小時的凍融循環(huán)。北半球近55%的陸地面積經(jīng)歷季節(jié)性凍融,土壤凍融循環(huán)持續(xù)時間從幾天到150天不等。頻繁的凍融循環(huán)改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝,加速土壤有機質(zhì)的分解,并以溫室氣體(如CO2、CH4和N2O)或溶解有機碳(DOC)的形式排放。這些過程已成為生態(tài)學(xué)、凍土學(xué)和生物地球化學(xué)研究的重點。凍融循環(huán)對地表土壤CO2和CH4通量的影響備受關(guān)注。一項研究發(fā)現(xiàn),積雪對冬季土壤呼吸的影響是短暫的,厚度變化對CO2通量影響小。了解活動層過程對多年凍土區(qū)土壤CO2和CH4動態(tài)的響應(yīng)和反饋至關(guān)重要。凍融循環(huán)頻率和持續(xù)時間對高寒地區(qū)土壤碳通量具有重要調(diào)控作用。不同生態(tài)系統(tǒng)在融化期具有較高的CO2和CH4通量,研究表明,在近地表土壤凍結(jié)期間CO2通量達(dá)到峰值,隨后顯著下降。春季融化期(20-30天)的甲烷通量占全年總量的11%。本研究在內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站(NFORS-DXAE)進(jìn)行。該地區(qū)具有典型的大陸性季風(fēng)半干旱氣候,多年平均氣溫為-4.4°C,年蒸發(fā)潛力800-1200毫米,年降水量450-550毫米,其中60%集中在7月和8月,降雪期為9月至次年5月,平均降雪厚度約30厘米。實驗地塊位于海拔820米的北坡落葉松林,主要喬木為興安落葉松和白樺,平均胸高10 c...
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ASD LabSpec 4 地物光譜儀在近地天體群中識別人造天體的應(yīng)用
在2020年9月,由美國夏威夷的Pan-STARRS1望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆疑似地球的臨時衛(wèi)星,為地月系統(tǒng)帶來了一顆新的天體。起初,科學(xué)家們認(rèn)為它是一顆普通的阿波羅小行星,即軌道穿過地球的天體,并將其命名為2020SO。然而,模擬結(jié)果顯示,它將在10月變成一個繞地球公轉(zhuǎn)的小天體,成為一個迷你月球。隨后的觀察結(jié)果則讓天文學(xué)家更加困惑??茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn),這顆神秘的天體每年圍繞太陽公轉(zhuǎn)一周,其軌道偏心率與地球的公轉(zhuǎn)軌道非常相似。天體在太空中的運動非常復(fù)雜,小天體容易受到大天體引力的擾動,因此其運動規(guī)律也十分復(fù)雜。但是因為它們與地球的相似性,反而顯得更加神秘。不僅如此,2020SO的運行速度也比普通的小行星慢,這一點與其他小行星有顯著的不同。由于這些原因,科學(xué)家們開始重新思考2020SO的真實身份。2020 年 11 月至 2021 年 3 月 2020 SO 繞地球和太陽的軌道澳大利亞弗林德斯大學(xué)的太空考古學(xué)家Alice Gorman表示,通過它的運行速度可以推斷出其初始速度,從而推斷出它的來源?,F(xiàn)有的速度太慢,這讓科學(xué)家們感到困惑。Gorman和她的同事還推測,2020SO可能是一塊從月球上掉下來的巖石。對于這樣的天體,速度慢一點是正常的。然而,實際觀測表明,2020SO比這類天體還要慢。在排除了其他可能性后,科學(xué)家們提出了一個最不可能但又唯一剩下的猜想:2020SO是一顆人造天體!根據(jù)其軌道的...
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Picarro | 沿海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)NH3源和匯研究
沿海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)是一種位于海洋與陸地交界處的生物多樣性豐富的獨特生態(tài)環(huán)境。它不僅具有重要的生態(tài)功能,在碳儲存、環(huán)境凈化和防風(fēng)護(hù)堤方面發(fā)揮著重要作用,還對人類社會活動有著極大的支持和調(diào)節(jié)作用。氨氣是大氣環(huán)境中含量豐富的堿性氣體,其在沿海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中的作用不可忽視。但是,過量的氨氣輸入也給其帶來了一系列問題。沿海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)NH3源和匯研究背景介紹氨(NH3)是大氣中含量最多的堿性氣體。在氣溶膠形成中發(fā)揮重要作用,而氣溶膠會對人類健康產(chǎn)生不利影響,同時會降低能見度,改變地球輻射平衡,并通過大氣沉積促進(jìn)活性氮(Nr)的全球再分配。農(nóng)業(yè)集約化是NH3的主要人為來源,導(dǎo)致進(jìn)入生物圈的Nr增加一倍。NH3的其他來源包括工業(yè)過程、車輛排放及土壤和海洋的揮發(fā)。農(nóng)業(yè)和城市源通過大氣沉積過程直接或間接排放NH3,其會改變鹽沼的結(jié)構(gòu)和功能。此外,大氣沉積過程是NH3進(jìn)入沿海水域的主要途徑, NH3沉積到敏感的生態(tài)系統(tǒng)(如鹽沼)可導(dǎo)致土壤酸化、富營養(yǎng)化和生物多樣性喪失等一系列負(fù)面影響。研究方法研究人員于2018年6月21日至7月20日在圣瓊斯保護(hù)區(qū)利用Picarro SI2103氨氣分析儀進(jìn)行了NH3濃度連續(xù)和高時間分辨率測量,并計算NH3通量,結(jié)合其他測量指標(biāo)如:CO2、CH4、H2O、pH值、水位、電導(dǎo)率、鹽度、溶解氧、水中溶解無機氮等以加強對沿海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)NH3地氣交換過程的理解。結(jié) 論潮汐水位...
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Picarro | 棕色碳發(fā)色團(tuán)光學(xué)性質(zhì)和化學(xué)成分之間的聯(lián)系
棕色碳(BrC)是一類在近紫外和可見光區(qū)吸收光輻射的有機碳,不僅對大氣造成輻射強迫,更是對大氣光化學(xué)反應(yīng)速率有著重要作用。BrC不僅影響著大氣的輻射平衡和氣候變化,還直接關(guān)系到區(qū)域空氣質(zhì)量與公眾健康。本論深入探討了棕色碳發(fā)色團(tuán)的光學(xué)性質(zhì)與化學(xué)成分之間的密切關(guān)聯(lián),為更準(zhǔn)確地評估其在環(huán)境系統(tǒng)中的行為和影響提供了科學(xué)依據(jù)。棕色碳發(fā)色團(tuán)光學(xué)性質(zhì)和化學(xué)成分之間的聯(lián)系背景介紹棕色碳(BrC)是大氣有機氣溶膠的重要組分,在紫外到近紅外波段具有較強的吸光能力,對全球氣候變化和大氣化學(xué)過程具有重要影響。BrC結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類眾多、來源廣泛。大量研究表明生物質(zhì)燃燒、煤燃燒、機動車尾氣、生物排放以及二次有機氣溶膠等是BrC的重要來源。芳香族揮發(fā)性有機化合物,如苯同系物和衍生物,也可能是BrC發(fā)色團(tuán)的重要前體。但是,不同源排放的BrC進(jìn)入大氣后,受到復(fù)雜的大氣化學(xué)過程,其光學(xué)性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大的變化。研究方法2018年冬季高污染期,在機動車影響區(qū)和生物質(zhì)燃燒影響區(qū)來調(diào)查BrC發(fā)色團(tuán)的化學(xué)組分和光吸收性質(zhì)。利用Picarro SI2103氨氣分析儀測量NH3。將環(huán)境相對濕度、溫度、固相無機物和NH3作為輸入?yún)?shù),利用ISORROPIA II 熱動態(tài)模型計算氣溶膠液態(tài)水,進(jìn)而計算其含量。結(jié) 論對苯二甲酸、硝基苯酚和硝基兒茶酚是BrC的主要組成物質(zhì),占識別的發(fā)色團(tuán)濃度的50%以上。硝基苯酚和硝基兒茶酚對30...
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通過減少土壤物理性質(zhì)對光譜的耦合作用來提高高光譜遙感在估算土壤有機質(zhì)的時空可遷移性:以中國東北地區(qū)為例
摘要土壤有機質(zhì)(SOM)在全球碳循環(huán)中起著非常重要的作用,而高光譜遙感已被證明是一種快速估算SOM含量的有前景方法。然而,由于忽略了土壤物理性質(zhì)的光譜響應(yīng),SOM預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和時空可遷移性較差。本研究旨在通過減少土壤物理性質(zhì)對光譜的耦合作用來提高SOM預(yù)測模型的時空可遷移性。基于衛(wèi)星高光譜圖像和土壤物理變量,包括土壤濕度(SM)、土壤表面粗糙度(均方根高度,RMSH)和土壤容重(SBW),建立了基于信息解混方法的土壤光譜校正模型。選取中國東北的兩個重要糧食產(chǎn)區(qū)作為研究區(qū)域,以驗證光譜校正模型和SOM含量預(yù)測模型的性能和可遷移性。結(jié)果表明,基于四階多項式和XG-Boost算法的土壤光譜校正具有優(yōu)異的準(zhǔn)確性和泛化能力,幾乎所有波段的殘余預(yù)測偏差(RPD)均超過1.4?;赬G-Boost校正光譜的SOM預(yù)測精度最 高,決定系數(shù)(R2)為0.76,均方根誤差(RMSE)為5.74 g/kg,RPD為1.68。遷移后模型的預(yù)測精度、R2值、RMSE和RPD分別為0.72、6.71 g/kg和1.53。與模型直接遷移預(yù)測相比,采用基于四階多項式和XG-Boost的土壤光譜校正模型,SOM預(yù)測結(jié)果的RMSE分別降低了57.90%和60.27%。 這種性能比較凸顯了在區(qū)域尺度 SOM 預(yù)測中考慮土壤物理特性的優(yōu)勢。Figure 1. Framework of the proposed SOM...
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Picarro | 北京城區(qū)NH3排放源-機動車尾氣
北京,這座擁有千年歷史的城市,見證了無數(shù)歷史的變遷和現(xiàn)代文明的飛躍。然而,隨之而來的是空氣質(zhì)量問題,尤其是由機動車尾氣排放引發(fā)的大氣污染。據(jù)相關(guān)研究顯示,機動車尾氣中含有大量的有害物質(zhì),包括一氧化碳、氮氧化物、揮發(fā)性有機化合物以及細(xì)顆粒物等,這些污染物不僅對人體健康構(gòu)成威脅,還會導(dǎo)致城市霧霾的形成,影響城市的視覺美感和居民的生活質(zhì)量。在眾多污染物中,氨氣作為一種典型的堿性氣體,其來源多樣,包括農(nóng)業(yè)活動、工業(yè)生產(chǎn)、生活垃圾處理等。在北京市城區(qū)車輛排放是否是氨氣的主要來源?據(jù)此,來自中國科學(xué)院大氣物理研究所的研究團(tuán)隊進(jìn)行了相關(guān)研究。北京城區(qū)NH3排放源-機動車尾氣背景介紹氨氣是大氣中重要的堿性氣體,在中和酸性氣體,形成二次氣溶膠方面發(fā)揮著重要作用。NH3在大氣中滯留時間短,因此NH3濃度日變化顯著。一般特征為在早上大約07:00~10:00,NH3濃度到達(dá)峰值。然而以前的研究局限于單一季節(jié),無法闡明該現(xiàn)象對于所有季節(jié)是否是普遍特征。且尚不清楚車輛排放是否是城市NH3主要源。研究方法來自中國科學(xué)院大氣物理研究所的研究團(tuán)隊利用Picarro G2103氨氣分析儀在中科院大氣物理所一棟建筑物屋頂進(jìn)行了NH3濃度年在線觀測并通過離線方式在冬天以小時尺度測量了NH4+及δ15N。旨在表征NH3日動態(tài)變化并識別NH3的城市源。結(jié) 論北京市城區(qū)早晨NH3峰值的發(fā)生是一種普遍特征,平均發(fā)生頻率為73....
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稻田中浮萍(Lemna minor L.)生長對水稻產(chǎn)量及其潛在原因的影響
菱透浮萍綠錦池,夏鶯千囀弄薔薇透過浮萍,詩人的眼里看到的是其和水中菱葉相映成趣的景象,是夏日池塘的勃勃生機。而在科研學(xué)者的眼中,看到的是天南星目浮萍科的水生植物,是潛藏在水稻種植中的雙刃劍。營養(yǎng)物質(zhì)的爭奪?自然光照的遮擋?生存空間的占據(jù)?在一片生機之下,浮萍和水稻之間塑造著另一番景象..由于氣候變暖/或灌溉水富營養(yǎng)化的影響,稻田中的浮萍(DGP)大幅增加。本研究考慮到生態(tài)因素、光合能力、光譜變化和植物生長等因素,對三個代表性水稻品種進(jìn)行了田間試驗,以確定DGP對水稻產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明,DGP顯著降低pH值0.6,日水溫降低0.6℃,水稻抽穗期提前1.6天,并平均增加了葉片的SPAD和光合速率分別為10.8%和14.4%。DGP還顯著提高了RARSc、MTCI、GCI、NDVI705、CI、CIrededge、mND705、SR705、GM等多種植被指數(shù)的數(shù)值,并且水稻冠層反射光譜的一階導(dǎo)數(shù)曲線在DGP處理后呈現(xiàn)出“紅移”現(xiàn)象。上述因素的改變可導(dǎo)致株高平均增加4.7%,干物質(zhì)重量平均增加15.0%,每平方米穗數(shù)平均增加10.6%,千粒重平均增加2.3%,最終籽粒產(chǎn)量增加10.2%。 DGP誘導(dǎo)的籽粒增產(chǎn)可以通過降低稻田水的pH值和溫度來實現(xiàn),從而提高SPAD值和葉片的光合作用,刺激水稻植株生長。這些成果可以通過水稻和浮萍之間的生物協(xié)同作用,為未來農(nóng)業(yè)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供有價值的理...
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