自然地理学教案节选.docx
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自然地理学教案节选
平顶山学院教案
2006—2007学年第一学期
《自然地理学》
环境与地理科学系
2007年12月6日
绪论
[学习目的]要求掌握自然地理学的研究对象，正确理解其内涵；了解自然地理学的研究领域、研究方法和研究意义；正确认识自然地理学与相邻学科的关系。
[基本内容]
●研究对象
●研究领域
●研究方法
●与相邻学科的关系
任何一门独立的学科关注3个问题：
1）研究什么—研究对象和核心问题；
2）有什么用—基本价值；
3）怎么研究—方法论（科学哲学、逻辑、系统论等）。
这这些问题都是绪论需要回答的。
第一节自然地理学的研究对象
一、地理学的研究对象
什么是地理学？
地理学是研究什么的？
这个问题不仅初进大学专修地理的同学会提出，即使从事地理科学工作几十年有经验的专家也不断思索着；这个问题不但在中国地理学界如此，其他国家、包括地理学比较先进的国家的学者们也经常在探讨着。
地理学家最怕回答“你是干什么的”类似问题。
甚至在1924年召开的国际地理学年会上，会长墨雷（JhonMurray）致开幕词，曾被问到“什么是地理学”的问题。
“总是不停讨论和争议自己的实质可谓是地理学的一个特点，就象美国地理学家协会（theAAG）其成立的唯一目的就是要找出它到底是干什么的”（芬尼曼，1919，3）。
自1904年以来（1985）81次本学会主席致词中，有42次（占52%）主要是有关方法或哲学原理的，有39次是关于实质性内容的。
近来，一位外国学者曾说：
地理学就是地理学家干的工作，也就是他们想干而又被允许干的事。
“地理学家所搞的就是地理学”这样典型实用主义的说法，表明地理学没有严格定义，因而也就不会有严格的限定性的范畴。
英国地理学家P.哈盖（PeterHogget）在其所著《地理学》（Geography）中，曾举出简明而易懂的实例，以说明地理学研究领域与其他相关学科之差异：
“对在同一海滩上游泳或日光浴的人群（进行）研究，不同科学家各有不同主题。
地质学家对海边沙砾感兴趣，生物学家则海滨的动植物有兴趣，经济学者则考虑不同位置的冰淇淋摊贩之边际成本，而地理学者则从事海滩的自然条件、区位等的综合研究，以了解其对游客的影响力”。
首先采用地理学（geography）这个词的人，是生于公元前三世纪的古希腊学者埃拉托色尼，当时的含义是“对地球的描述”（towriteabouttheearth）。
中国古代则有“天有日月星辰谓之文，地有山川原隰谓之理”之说。
“仰以观天文，俯以察地理”。
关于地理学曾有不少学者不过定义（Definition）。
据不完全统计，地理学的定义不下40种之多，但至今没有一个定义为大家所公认，可谓众说纷纭。
关于地理学研究对象的表述，长期以来多延用“地理环境”一词。
（除此之外，还有其他不同的表达术语，如“地理壳”、“景观壳”、“地理圈”、“生物发生圈”、“地理综合体”、“地理系统”等等）。
英国地理学家P.哈盖在《人文地理学的区位分析》（1977）中指出地理研究的三大核心问题，即地理学研究的是作为社会舞台的地球表层，是作为人的环境的地球；地理学集中研究人的空间组织及其与环境的生态关系；从区域入手，研究地球上的富裕程度和多样化（地表的差异性和区域结构特征）。
表1地球科学的学科分类体系
按圈层范围
按学科交叉
大气科学
大气物理学
地球物理学
固体地球物理学
气象学
地磁与高空物理学
天气动力学
地震学等
海洋科学
物理海洋学
地球化学
元素地球化学
生物海洋学
同位素地球化学
环境海洋学等
生物地球化学等
地理科学
自然地理学
地生物学
生态学
经济地理学
生物地理学
区域地理学等
古生物学等
地质科学
地球物质成分学
天文地学
行星地理学
动力地质学
天文地质学
历史地质学
数学地学
数学地质
区域地质学等
数字地球等
地球是人类在宇宙中生存、发展的唯一家园。
地球科学是研究地球系统并预测其未来行为的唯一科学。
在六大基础自然科学之中，地学是不可缺少的重要环节。
地球系统内存在不同圈层（子系统）之间的相互作用，物理、化学和生物三大基本过程之间的相互作用，以及人与地球系统之间的相互作用。
因此，地球科学是一个庞大的超级学科体系群，根据实际研究的不同圈层、内容特色和服务目的，传统上划分出众多的一级和二级学科分类体系。
上表的第一栏中，大气科学研究大气圈的组成、结构和气候过程；海洋科学研究水圈海洋部分的物理、化学、生物现象的运动过程；地理科学研究地球表层的地理环境及其发展演变规律；地质科学研究地球的物质成分、内部结构、外部特征、各圈层间的相互作用和演变历史。
第二栏反映了地学与其他基础科学之间的交叉渗透关系。
美国经济和社会学者鲍定（K.E.Boulding）认为，地理学通过采用新的研究方法，更明确了它综合不同社会科学和自然科学的任务，“在各门学问里，地理学算是唯一的以地球为一个整体系统作为研究对象的科学，因此，地理学可自称为人类科学里的‘皇后’”。
地理学不同于物理学、化学、生物学等科学，其研究的基本单位不是研究对象的最小基点（分子、原子、细胞），而是庞大和相对完整的物质系统—地球。
二、自然地理学的研究对象
近代地理学自19世纪中期建立以来，曾经有过许多不同的定义，但都没有否定其主旨是研究作为人类居所的地球表面，即地球表层。
自然地理学所研究的地球表层是一个开放系统，称为地球表层系统（theearthsurfacesystem），它是地球上大气、水体、岩石、生物相互接触、相互渗透的部分，也是人类生存与活动直接影响的部分。
1、广义的地球表层
上自大气圈对流层顶部，下至岩石圈沉积层底部（陆地部分在地下5～6km，海洋部分平均在海面以下4km处），平均厚度可达15km（陆地部分为16km，海洋部分为14km）。
之所以这样划定地球表层的垂直范围，其主要依据有以下三点：
（1）对流层顶是大气圈物质组成和物理性质发生明显分异的界面之一，对流层顶以下的大气圈部分对下垫面性质和人类活动有重要影响。
对流层中的温度随高度上升而降低，空气对流运动强烈，产生诸如云雾、风、降水和雷暴等天气现象；对流层中还生活着数以万计的生物钟类，它们对人类的生产和生活具有重要影响；对流层的性质深受海陆表面性质的影响。
而对流层顶以上的平流层缺乏水汽，气流以水平运动为主，没有天气变化，强烈的宇宙辐射排除了生命存在的可能性。
（2）陆地表面以下5～6km处是沉积岩分布的下限。
根据成因的不同，组成地壳的岩石可分为沉积岩、岩浆岩和变质岩三大类，其中沉积岩是地表先成岩石经过风化、搬运、堆积和固结成岩作用形成的，与地表附近的大气运动、流水、生物活动密切相关。
可见，沉积岩分布下限可以被看作是大气圈或地表因素作用于固体地壳的最大深度。
在沉积岩石圈内，存在着低温液态水、有机质乃至生命，而沉积岩石圈以下的地壳部分则缺乏空气、液态水、有机质和生命。
（3）在对流层顶至沉积岩石圈底部之间的范围内，最主要的能量来源是太阳辐射能。
太阳辐射作用于所产生的一系列物质循环和太阳能转化过程都发生在上述范围之内，而且对流层大气、沉积岩石圈、水圈和生物圈都参与了太阳能的转化和物质循环。
相反，沉积岩石圈以下的部分，其能量则以地热能为主，太阳能的影响已非常微弱。
对流层以外的大气圈部分，虽然能量也来自太阳辐射，对地球表层系统也有一定影响，但是对人类生存来说，它远不如对流层那样重要。
2、狭义的地球表层
指大气圈、岩石圈、水圈的交接面，上限离地面不超过100m，相当于对流层近地面摩擦层下部—地面边界层，下限为太阳辐射能可到达的深度。
由于这一深度在陆地不超过地下30m，在海洋不超过水下200m，所以狭义的地球表层的厚度，一般不超过200～300m，但这却正是生物和人类活动最为集中也最为活跃的场所。
地表系统上边界以外的大气层和下边界以外的岩石圈下层及岩石圈以下的地幔部分，便构成了地表系统的环境。
在那里，大气、水体、岩石、生物等要素之间的相互关系与相互作用程度显著减弱。
地表系统的边界是个相对的概念，且具有逐渐过渡的性质，随着人类活动对地球环境的影响范围与影响强度的增加，地表系统的边界呈扩张的趋势。
有些学者认为，地球表层系统的空间范围太大，组成甚为复杂，给研究工作带来诸多不便，而且也容易和其它地学分支（如地质学、气象学、生物学、水文学等）的研究对象相混淆，因而主张将自然地理学的研究对象限制在较小的范围内。
A.N.斯特拉勒等认为，自然地理学的研究中心是“生命层”，即地球上绝大部分生命有机体所生活的、占厚度很小的一个圈层。
牛文元在其编著的《自然地理新论》（1981）中，强调自然地理学的研究对象是“自然地理面”。
它的上限是大气近地面边界层（大气底部摩擦层）顶部，在地表以上50～100m的高度上；下限是太阳能影响地面以下的终止线（多年平均地下温度和水下温度的变幅稳定线），该线在陆地部分深25～30m，在海洋部分深约100m。
因此，自然地理面的总厚度介于75～200m之间。
牛文元在其后来的编著的《理论地理学》中，又把自然地理面的上界扩大至大气边界层（大气摩擦层）顶部，在地面以上500～1000m的高度上，下界没有变化，总厚度扩大到525～1100m。
实际上，自然地理学研究对象的垂直厚度应视所研究问题的水平尺度而定。
研究问题的水平范围小，则对象的垂直厚度就小，反之垂直厚度则大。
若以植物冠层顶部为上界，以植物根系所及部位为下界，则构成更次一级的地球表层系统（相当于“土地系统”）。
从物质组成来看，地球表层系统包括四个圈层，即大气圈的对流层、水圈、生物圈、沉积岩石圈。
需要说明的是，沉积岩石圈并不都是由沉积岩构成，之所以称之为沉积岩石圈是因为沉积岩的分布规定了太阳辐射能影响地表以下的深度。
上述四大圈层的物质组成不同，物质运动形式也不同，都以独特的方式对地球表层系统发生影响。
例如，对流层、水圈、生物圈和沉积岩石圈的物质运动分别影响地球表层系统的气候、水文、生物和土壤以及地貌状况。
通常将气候、水文、生物、土壤和地貌称为五大自然地理要素。
在地球表层系统各组分之间，人类是最活跃的因素。
它可以在一定程度上改变地球表层系统的外貌，使其向着有利于人类的方向发展。
然而在特定时段和区域内，人类也可以破坏地球表层系统，产生一系列环境问题。
从这种意义上说，人类活动也是地球表层系统的一个重要环境因素。
与天文因素对全球系统的单向影响不同，人类圈与其它圈层之间的作用是双向的。
目前，人类的力量已强大到可与地质力量相比。
人类每年的消耗500亿吨矿产资源，已超过在大举中脊每年新生成的岩石圈物质数量（约300亿t），更比河流每年搬运的物质数量（约165亿t）多。
人类的力量不仅表现在量上，而且还表现在质上，它每年创造（有意识或无意识）大量新的化学物质，参与并不断改变地球表层系统的物质过程。
在人类圈同其它圈层的强相互作用中，一方面，人类圈的环境容量在扩大；另一方面，自然资源的大量消耗和生态环境的不断恶化，正严重威胁人类的生存和发展。
80年代初期，我国著名学者钱学森（1983）提出了建立地球表层学的设想。
“地球表层”是指岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的相互交错、渗透部分，大体相当于自岩石圈顶部（大陆地表往下5-6km，海洋往下4km）至大气圈平流层底部（地表往上约20km）之间的范围，是地球上与人类活动关系最密切的地理环境。
因此，地球表层是地球圈层结构中的特定部分，与周围的地球圈层其他部分之间存在物质-能量交换关系，本身也构成一个开放的复杂次级巨系统。
地球表层学就是研究这样一个复杂的物质体系的科学，是一门跨地理学、地质学、气候学、工农业生产技术、技术经济和国土经济学的新学科。
国际上流行的地球系统科学诞生于80年代中期。
地球系统科学强调地球的整体概念，将大气圈、水圈、岩石圈和生物圈看成是具有有机联系的“地球系统”，把太阳和地心作为两个主要的自然驱动器，人类活动作为第三促动因素。
发生在地球系统中的重大变化是在上述三个力的作用下，通过物理、化学、生物过程相互作用的结果。
着重探讨几十年至几百年的变化及其与人类活动的关系，注重高分辨率的人类历史时期的全球环境变化研究，注重航空、航天遥感手段、GIS、GPS手段和其他空间观测、实验手段的应用，强调国际合作研究的重要性，提出制约、改变和适应全球变化的措施。
因此，地球系统科学同样反映了更高层次的学科间大跨度交叉渗透特征，是当代地球科学进入一个重大转折时期的标志，因而受到普遍重视。
联合国21世纪议程更认为，地球系统科学是可持续发展战略的科学基础。
当然，地球系统科学并不能代替传统地球科学各分支学科的自身发展，相反要求它们能更深入精确地研究和提供地球系统各组成部分自身的规律性知识。
1994年AMBIO第一期是《综合地球系统科学》专号，美国有22所大学开展地球系统科学教育。
三、自然地理学的特点
（一）全球性
由于地球系统过程具有明显的全球性特征，因此许多自然现象和过程都不受国界的限制。
20世纪60年代板块构造学说的出现，首先在固体地球研究中建立了全球观概念。
80年代以来大气科学和海洋科学的发展，也已经走向全球化，著名的厄尔尼诺-拉尼娜现象引起的气候灾害影响遍及全球3/4范围，就是一个实例。
自然地理学的全球性特点决定了人们必须采用全球范围调查研究和观察测试方法。
随着科学技术的进步，人们对地球的研究范围，已经能从隧道扫描显微镜和离子探针的原子尺度到全球地震台网的和轨道卫星所提供的数据得出的全球图像。
从地表的地学实地调查和标本采集，飞机和卫星对地面的遥感监测，大陆和海洋的超深钻探，天然和人工地震对地球内部圈层结构的探测等，为自然地理学的全球观研究提供了基础资料。
与此相适应，80年代起一系列大型国际地球科学合作研究计划的推出，如国际岩石圈计划（ILP）、深海钻探计划（DSDP）/大洋钻探计划（ODP）、世界气候计划（WCP）、国际地圈生物圈计划（IGBP）等，已形成了对地球的全球立体研究网络。
（二）多尺度性
另一个特点是地球系统内各种地学过程发生的时间尺度和空间尺度具有极大的差别。
以往对不少地学问题争论不休，特别是环境预测问题上出现互相矛盾、脱离实际的情况，症结之一就是不在一个时空尺度下讨论问题所致。
举气候变迁的例子。
地球系统过程的主要时间尺度大体可以划分以下5个层次：
几十亿年至几百万年尺度地球和生命的起源、生物灭绝、板块构造、造山作用、等重大事件，是传统地学的研究领域。
几十万年至几千年尺度冰期、间冰期的交替，土壤的发育，生物种类的分布，地球公转的周期变化。
几百年至几十年尺度该尺度的全球变化有气候、大气化学成分的变化，地表干燥度或酸度的变化，陆地和海洋生态系统的变化，土壤侵蚀、水系变迁，以及人类对大气圈、水圈、生物圈的干扰，则是地球系统科学的主要研究对象。
人口问题、资源问题、能源问题、可持续发展问题等全球性社会问题也都要在这个层次上解决。
这一层次上的全球研究是对人类智慧的挑战，既是科学发展的热点，也是21世纪解决人类重大问题的认识基础。
几个季度至几天尺度天气现象、洋流中的旋涡、极地海冰的季节消长，地面径流、风化、植物生长的年循环，地球自转的地理效应，生物地球化学过程，火山、地震活动等。
几小时至几秒尺度湍流热交换、大气对流等。
几年至几小时时间尺度的变化，属于大气、海洋和生物科学的研究范畴。
地球科学的这种特殊时空尺度使得人们无法直接测量地球中心的温度，也无法在实验室再造地球系统的真实过程。
因此，通过长期地学研究实践总结的类比方法具有重要意义。
19世纪英国地质学家莱伊尔（C.Lell）提出的“现在是过去的钥匙”名言，后来被称为“将今论古”的现实主义原则和方法，启示人们可以根据现今地表发生的各种地学过程及其物质记录，研究地质历史时期的古环境变化。
由此类推，人们也可以运用“将古论今”的方法，根据地质和人类历史中发生过的地球环境和岩石圈演变过程来预测地球的未来趋势。
类比方法普遍应用到天气预报、灾害预测等研究领域。
例如，根据自然灾害与天文现象周期的对应关系开展预报，日益引起人们重视。
（三）综合性
（四）区域性
第二节自然地理学的学科体系
一、地理学的学科体系
概括地讲，现代科学意义上的地理学是研究地球表层物质系统与人类社会-经济-文化系统在组成、结构、功能、空间特征和时间动态等方面相互作用与相互依存机理的学科体系。
在长期的研究实践过程中，逐渐建立了一系列彼此独立而又有相互联系的地理学分支学科，形成了十分庞大的地理科学体系。
然而，由于地球表层系统的复杂性、不同学者的着眼点不同、地理科学与其他相关学科交叉渗透以及地理学快速发展等原因，目前学术界对地理科学体系的认识和具体划分仍存在很多分歧。
按照西方国家传统的学科体系的一级划分，地理学可以分为自然地理学和人文地理学两大分支学科。
自然地理学（physicalgeography）研究地球表层物质系统及其要素的组成、结构、功能、空间特征、时间动态，以及各要素之间相互作用的机理。
由于地球表层物质系统及其组成要素的运动与变化过程主要由自然力量和人化了的自然力量所驱动，受自然规律的支配，所以，自然地理学通常归属于自然科学的范畴。
人文地理学（humangeography）研究人类社会-经济-文化系统及其要素的组成、结构、功能、空间特征、时间动态和人地关系的原理。
由于人类社会-经济-文化系统及其要素的运动和变化过程主要由人文力量所驱动，在很大程度上受人类所创造的社会形态、经济制度、文化传统等发展规律的支配，所以，人文地理学通常归属于人文科学的范畴。
钱学森（1986）认为，任何一门完善的科学都应该包括其哲学、基础（基础理论）学科、技术（应用理论）和工程技术（应用技术）4个层次。
与之相对应，地理科学体系应该包括地理哲学、地球表层学、地理技术学科和地理工程技术4个层次。
其中地球表层学即自然地理学，是探讨地球表层系统组成、结构及其变化规律的基础理论学科；地理工程技术是地理科学直接改造客观世界的具体方法和手段；地理技术学科是介于地球表层学和地理工程技术之间的“桥梁”，即在地理科学基础理论的基础上，所产生的指导生产实践的应用理论；地理哲学是更高层次的关于人地关系的认识论和方法论概括。
从以上关于地理科学体系的讨论可知，不管哪一种观点，自然地理学都是地理科学体系的重要分支学科，并且是一个庞大的学科群。
它是地理科学体系中其它分支学科的基础性学科。
例如，经济地理学着重研究某一特定地区生产力布局和地域生产综合体形成条件与发展规律，而影响地区生产力合理布局的因素很多，其中自然条件和自然资源是非常重要的方面。
因此，必须深入调查和了解研究地区的自然地理状况，否则就不可能制定出切合实际的生产决策。
因此人文地理学家也必须具有自然地理学基本知识、基本理论和基本技能。
二、自然地理学的分科
依据自然地理学研究对象的复杂性和对其研究的领域分化，目前自然地理学主要有以下几个分科：
1、部门自然地理学（sectorialphysicalgeography）。
分别研究组成地球表层物质系统的各种自然要素与过程本身，强调以某个要素为核心的分析与综合，包括的学科主要有地貌学、气候学、水文地理学、土壤地理学和生物地理学。
与部门自然地理学相关联的基础自然科学包括：
天文学、地质学、海洋学、气象学、水文学、植物学、动物学、土壤学、生态学、地球化学、大地测量学等。
2、区域自然地理学（regionalphysicalgeography）。
研究地球表层系统的某个地域和地域组合的自然特征与过程，强调具体区域的个体性，如北美洲自然地理、中国自然地理、莱茵河流域自然地理等。
“一个区域，一个专题”。
3、综合自然地理学（integratedphysicalgeography）。
主要研究地球表层物质系统的形成历史、现代过程、类型特征、地域分异和发展演变，它是自然地理学的理论研究部分，强调综合性。
第三节自然地理学的研究领域
一、地理学的主题及研究传统/思想流派
地理学作为一门学科，其研究领域是随着时代和学科的发展而不断完善和扩展的。
由于研究背景的差别和学术观点的不同，地理学在其自身的发展过程中形成若干不同的研究传统和学派，各自形成并发展了具有特色的理论与方法，它们对地理学认识水平的提高和学科发展起过积极而重要的作用。
简要地回顾这些学派，对认识现代地理科学具有重要意义。
（一）区域学派
地质学在洪堡时代已从古代宇宙学独立出来，此后其他地球科学卫门如气象学、海洋学等相继独立，各立门户。
18世纪和19世纪初，许多与区域无关的内容，也逐渐从庞杂的地理描述体系中分离出去，形成了许多单独学科。
如社会学、人口学、植物学、动物学等。
19世纪以来，由于欧洲的资本主义、重商主义、殖民主义的发展，间接地使科学也面临了专门化、独立化的问题。
在科学分折思潮的影响下，地理学内部系统地理（Systematicgeography）研究蓬勃发展，区域地理却相形见绌，并最终导致了地理学区域与部门的分化危机。
特别是生物学、解剖学、地质学、气象学等的突飞猛进，对地理学影响很大，使很多学者致力于“自然法则”（naturallaws）的建立，转而从事生物、地质、气象等的研究。
为了寻求摆脱危机的道路，德国地理学家赫特纳（1859—1941）继承李特尔（K.Ritter）的“统一”观念，把地理学的研究对象变成为区域的研究，提出区域是人地关系结合的原因，开创了统一地理学的道路。
赫特纳认为地理学的主题是地理区域间的相互差异，即“地表差异”（differenceofearthsurface）的科学，地理学的统一性寓于研究方法之中，为此而建立了一套概念体系和划分类型、区域的方法。
1919年，费尼曼（N.N.Fenneman）在地理学分类体系示意图中，把研究个别地理要素的部门地理学环列于图的边缘位置，其研究领域同相邻的系统科学相交错，而把图的中央位置归于区域地理学，以研究特定区域各地理要素间的相互关联和相互作用，从而提出区域地理学是地理学的学核心问题。
这一看法，认为地理学是一门边缘或综合的学科，它在科学中的地位犹如自然科学和社会科学之间的桥梁或连锁，呈现出一种新的科学体系或新学科领域，为许多地理学家所接受。
30年代末，哈特向（R.Hartshorne）在其名著《地理学的性质》一书中，从哲学高度上总结了地理学的理论和方法，明确提出地理学的对象是研究区域分异，并认为部门地理是研究的起点，区域地理则是研究的终端。
由于赫特纳、费尼曼、哈特向等人的学术思想的启迪，以及动荡不定的世界政治经济形势的客观需要，20世纪20—40年代，地理学区域研究达到了其历史上的鼎盛时期。
在德国，很多学者皆以区域地理为最重要的研究方法，其特点是小区域入手，进行典型性的景观研究。
在法国，特别重视研究已有精确的地图和可用的统计资料及文献的小范围地区，能够通过野外考察、群众访问和资料查证来详细研究自然与人文相互作用所产生的区域差异，其区域地理著作被誉为科学分析与文学描述的典范。
自麦金德（1861—1947）、赫伯森（A.J.Herbertson）大力倡导区域研究以后，英国地理学界也以区域地理研究为主体，如牛津大学地理学部几乎每位教师都有其特定的研究地区。
地理学发展至19世纪中期，由于自然科学的迅速发展及科学分析思潮的冲击，一些原来包括在地理学的分支，除地貌学外，几乎纷纷独立成专门学科。
学科以区域为源开始了新的分化。
另一方面，以区域为框架的地理描述内容，也随着科学的分化，形成了许多地理分支学科，更加突出了地理科学的特点。
与此同时，地理学中区域与部门的真正两分19世纪70年代后开始。
学科的分化是社会经济发展的需要和科技进步的表现，今后也还会继续下去。
但是，地理理科学体系的发展与学科分化，都是以区域描述或域地理为源而分化派生出来的。
地理科学形成众多分支学科，不是削弱了区域，而是在区域框架基础上，把地理学的研
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