基于生态足迹理论的新疆可持续发展研究

王永静，葛文芳

(石河子大学经济与管理学院，新疆 石河子 832003)

西部大开发战略实施15 a以来，新疆在经济、社会、生态环境保护、基础设施建设等方面取得显著成效。然而，由于新疆固有的生态环境脆弱性和追赶中、东部经济发达地区的迫切性，加快了自然资源的耗竭进程，严重阻碍了新疆的经济社会可持续发展。新疆作为丝绸之路经济带经济建设的核心区和西部地区的生态屏障，深入研究新疆生态系统的可持续性和生态压力对新疆生态资源开发、科学管理、顶层设计意义深远。生态足迹概念是由William Rees于1992年提出来的，自此国际上围绕生态足迹内涵、计算方法、模型的研究逐渐丰富。Wackernagel开创了一种测量一个地区、国家自然资源供需差距的方法，由此从理论层面揭示人类对生态系统的利用状况[1]。Wackernagel在其著作《国家生态足迹》中，对世界上52个国家和地区的生态足迹进行实证研究，在所测算的52个国家和地区中，35个国家和地区出现生态赤字，其中也包括中国[2,3]。张志强和徐中民等人以统计年鉴数据为依据，对中国西部12个省(区市)1999年生态足迹进行计算和分析，结果表明，西部12省(区市)只有云南和西藏2个省份人均生态足迹为盈余，其余10个省(区市)均出现生态赤字，其中新疆和贵州是人均生态赤字最大的2个省(区市)[4]。徐中民等介绍了国际上关于生态足迹模型的研究进展和模型的优缺点，并对甘肃省1998年生态足迹进行计算和分析，是国内较早运用生态足迹方法判断区域发展是否处于生态承载能力范围内的范例[5]。郑晖计算并分析了1996-2009年甘肃省人均生态足迹、人均生态承载力、人均生态赤字的动态变化趋势，并使用灰色预测模型预测研究区2015年、2020年的生态安全情况，为理论研究提供良好参考借鉴[6]。Mathis Wackernagel对世界及亚太地区9个国家1961-2001年的人均生态足迹和生态承载力的动态变化研究结果发现，随着人口扩张、经济增长，人均生态足迹会逐渐扩大，生态承载力会逐渐减少，而亚太地区和世界人均生态承载力下降的主要原因是人口增长[7]。本文以新疆维吾尔自治区为研究对象，在计算2001-2014年生态足迹和生态承载力的基础上，分析新疆生态系统的可持续性、生态效益、生态协调性，并运用灰色预测模型模拟“十三五”、“十四五”期末生态数据，以期为地区生态可持续发展提供决策依据。

1 研究区概况

新疆维吾尔自治区位于欧亚大陆腹地，总面积为166.49 万km2。2014年末，区内总人口2 298.47 万人，粮食总产量1 390.81 万t，耕地面积412.46 万hm2(约占新疆总面积的2%)，人均耕地面积0.179 4 hm2(为全国平均水平的1.82倍)，人均林地面积0.294 3 hm2(为全国平均水平的1.59倍)，人均牧草地面积2.223 8 hm2(为全国平均水平的13.89倍)。新疆远离海洋，“三山夹两盆”的地貌多由高山、盆地、谷地构成，地表坐落着浩瀚的戈壁、沙漠。气候类型以温带大陆性气候见常，四季分明，昼夜温差大，干旱少雨、日照充足，年均气温9.7 ℃，年均降水量146.4 mm，年均日照时数2 808.6 h。年均降水量为全国平均水平的1/4,是全国降水最少的地区，也是全国面积最大的干旱、半干旱荒漠区。

区内水源主要靠山脉融雪补给，绿洲分布在盆地边缘和河流流域，约占新疆总面积的5%，具有典型的绿洲生态特点[8]。具有资源富集、干旱缺水、自然环境恶劣、生态脆弱，对人类活动和自然灾害反应敏感且恢复能力差的特点。矿产资源种类齐全，数量庞大，已发现矿种138种，经查明有资源储量的矿种97种，新发现大中型矿产地11处，新增查明资源储量中，煤炭储量为175.97 亿t。目前各类野生陆栖脊椎动物约212种，约占全国总数的1/8，鸟兽资源丰富约有201种。区内共有河道570多条，几乎都属于内流河，河流径流量在10亿m3以上的有18条。土壤普遍存在盐渍化、贫瘠化。植被种类繁多，主要种植作物包括小麦、棉花、玉米、果用瓜、水果产品、牧草等。新疆是我国优质棉花、小麦产业带，国内第2大畜牧业养殖基地，石油化工工业生产、加工基地。

2 研究方法和数据来源

2.1 研究方法

本文采用文献研究法梳理了以往学者对生态足迹、生态承载力的计算方法，建立生态足迹模型，在此基础上计算出新疆近10 a多的生态数据，并采用灰色预测模型GM(1.1)预测新疆中短期的生态足迹、生态承载力、万元GDP生态足迹数值。

生态足迹模型是由加拿大学者William Rees及其学生Mathis Wackernagel于1992年率先提出的一种以土地为度量单位的生态可持续性评价方法，以其科学合理、形象生动、使用范围广引起众多学者的广泛关注，该模型在对经济-生态协调性和整个可持续发展状况的整体评估方面有较好优势[1]。生态足迹模型通过统计一定时期内人类为满足自身生存和发展对区域内资源和能源的耗竭，并把这些耗竭转换为相应的生物生产土地面积来评估人类对生态系统的影响，通过与区域内土地可提供的生物生产面积进行比较，以此定量判断区域经济发展是否处于生态系统的承载力范围内。具体计算公式如下。

(1)生态足迹计算:

EF=Nef=N∑ri(cj/pj)

(1)

i=1,2,…,6j=1,2,…,19

EF=Nef=N∑ri(Yj+Ij-Ej)/(pjN)

(2)

i=1,2,…,6j=1,2,…,19

式中：EF为区域生态足迹总量；N为区域人口总数；ef为区域人均生态足迹,hm2/人；ri为均衡因子，它表示某一类的土地潜在的生物生产力与世界上所有土地的平均潜在生物生产力的一个比值，描述了不同土地类型之间生物生产能力的差异；cj/pj代表人均j种消费项目折算的生物生产性土地面积，或者可以理解为第j种消费项目折算的毛人均生态足迹，hm2/人；cj为第j种消费品的年人均消费量，kg/人；pj为第j种消费品的单位面积平均产量，kg/hm2；Yj为第j种消费项目的年生产量；Ij为第j种消费项目的年进口量；Ej为第j种消费项目的年出口量。

生态足迹代表人类对自然生态系统的资源和服务的需求，反映了随着人口的增长以及经济社会的发展所引起的对资源需求量的增长和污染物排放对生态系统造成的压力。

(2)生态承载力计算:

EC=N(1-0.12)ec

ec=airiyi

(3)

式中：EC代表区域生态承载力总量；N为区域人口总数；ec为人均生态承载力，计算结果中需要扣除12%的生物多样性保护面积；ec为人均生态承载力，hm2/人；ai为人均生物生产面积，hm2/人；ri为均衡因子；yi为产量因子，表示在既定国家范围内，某一类土地的生物生产力水平与世界相应土地的生物生产力水平的差异，可以反映出技术和土地管理的差异，通常为获得相同数量的产品时，所需要的世界性土地面积与国家性土地面积之间的比值，或者相同的土地面积所产出的世界性产品产量与国家性产品产量之间的比值。

生态承载力代表自然生态系统为人类提供资源和服务的能力。

(3)生态赤字和盈余计算：

ed=ef-ec(ef>ec)

er=ec-ef(ef

式中：ed表示区域的生态赤字；er表示区域的生态盈余。

如果区域的生态足迹大于生态承载力就会出现生态赤字，反之，则会出现生态盈余。在生态足迹和生态承载力的计算基础上可以对区域的生态发展可持续性进行评估，如果出现了生态赤字，表示区域生态发展不可持续，如果出现了生态盈余，表示区域生态发展处于可持续状态。

(4)万元GDP生态足迹计算：

万元GDP生态足迹=EF/GDP=人均生态足迹/人均GDP

(5)人均生态协调系数DS计算：

2.2 数据来源

2.2.1 指标选取

本文计算的生物生产性土地是指具有生物生产能力的土地和水体，生态足迹测量的生物生产性土地类型包括6种，分别是：耕地、林地、牧草地、水域、建筑用地、化石燃料用地。生态承载力测量的土地类型为5种，分别是：耕地、林地、牧草地、水域、建筑用地。

按照生态足迹模型计算生态足迹时，根据不同的消费账户分类，包括生物资源消费账户生态足迹和能源消费账户生态足迹。生物资源消费账户主要记录区域消费的农产品、林产品、畜产品、水产品，本文具体涵盖19种产品，它们分别是：棉花、木材、羊毛、谷物、豆类、薯类、甜菜、核桃、水果、油料、猪肉、牛肉、羊肉、禽类、蛋类、鲜奶、水产品、蔬菜、果用瓜。能源消费账户包括4类能源，它们分别是：煤炭、石油、天然气、水风电。

2.2.2 数据说明

在计算生物资源消费账户生态足迹时，城镇居民和农村居民的油料、猪肉、牛肉、羊肉、禽类、蛋类、鲜奶、水产品、蔬菜、果用瓜的年人均消费量可以从年鉴中找到，根据城镇化率加权可以计算这10种农产品的人均消费量，再根据公式(1)可以计算每种产品的人均生态足迹分量。其余农产品，包括棉花、木材、羊毛、谷物、豆类、薯类、甜菜、核桃、水果的年人均消费量不能直接从年鉴上找到，采用公式(2)，根据年产量与进出口数据汇总可以间接计算出人均消费量和人均生态足迹分量。

在计算能源消费账户生态足迹时，4类能源的年消费量可以从统计年鉴中获取，根据能源折算系数计算出各类能源年消费量和人均消费量，再根据公式(1),用人均能源消费量除以全球平均能源足迹可以计算能源人均生态足迹分量。

在计算不同土地类型的生态承载力时，不同土地类型的生物生产性土地面积可以从统计年鉴获取，能计算出人均占有生物生产性土地面积，再根据公式(3)可以计算出不同生物生产性土地的生态承载力分量。

对新疆10 a多生态数据的计算，涉及到的数据众多，主要包括城镇化率、农产品年人均消费量、农产品年产量、年进口量、年出口量、人口总数、各种农产品世界平均产量、能源年消费量、能源折算系数、全球平均能源足迹、均衡因子、产量因子、不同生物生产性土地的面积、国内生产总值。其中，各种农产品世界平均产量采用联合国粮农组织计算的生物资源世界平均产量资料；均衡因子、产量因子依据Wakernagel对中国生态足迹计算时的取值，不同类型的生物生产性土地均衡因子取值如下：耕地2.8，草地0.5、林地1.1、水域0.2、化石燃料地1.1、建筑用地2.8，不同类型的生物生产性土地产量因子取值如下：耕地1.66、草地0.19、林地0.91、水域1.00、建筑用地1.66；能源折算系数、全球平均能源足迹以世界上单位化石燃料生产土地面积的平均发热量为依据；煤炭、石油、天然气、水风电的折算系数分别为20.93、50.2、38.98、11.84 GJ/t；煤炭、石油、天然气、水风电的全球平均能源足迹分别为：55、71、93、1 000 GJ/hm2。研究区数据来自新疆统计年鉴(2001-2015年)，新疆调查年鉴(2006-2014年)。

3 新疆生态可持续性动态分析

3.1 资源供需水平的数量变化

从总量水平来看，过去14 a，新疆生态足迹和生态承载力均有所上升。2000年，新疆总生态足迹为3 142.64 万hm2,2010年上升至6 094.02 万hm2，2014年则高达9 424.97 万hm2，2005-2014年生态足迹的年均增速为7.43%。生态足迹快速增加的主要原因在于人口膨胀和消费水平的不断上升。与生态足迹的增速相比，生态承载力虽有所增长，却呈现微小波动上升趋势。2000年，新疆总生态承载力为3 168.06 万hm2，2010年上升至3 218.67 万hm2,2014年达到3 218.65 万hm2，2005-2014年生态承载力年均增速为0.11%。生态承载力增速缓慢的原因在于新疆生态环境脆弱性较高，生态系统抵抗外界干扰的能力弱、恢复性差。从总量数据来看，总生态足迹的增长明显快于总生态承载力的增长，如表1所示。

从人均水平来看，受人口、消费、技术水平等因素的综合影响，生态足迹和生态承载力呈现出相反的变化趋势。人均生态足迹除个别年份(2006年)有小幅下降，总体呈现持续上升趋势，2000年人均生态足迹为1.699 26 hm2,2010年上升到2.793 40 hm2，2014年高达4.100 54 hm2，2014年相比2000年上升了2.401 28 hm2，2005-2014年人均生态足迹年均增长5.86%。而同时，人均生态承载力呈现持续下降的趋势，在2000-2005年，人均生态承载力由1.713 01 hm2下降到1.585 19 hm2，年均下降0.025 56 hm2，在接下来的9 a，人均生态承载力逐年平均微量下降0.020 54 hm2，2005-2014年人均生态承载力年均下降1.37%。人均生态承载力表示生态系统的资源供给和更新能力。生态足迹总量增长是由人口和消费的增长共同带动的，生态足迹总量增长率7.43%与人均生态足迹增长率5.86%对比，说明新疆生态足迹增长主要原因在于消费的增长。生态承载力总量正向增长与人均生态承载力逐年下降说明生态承载力总量的“虚增”是由人口增长实际带动的，生态系统的资源更新能力有减退的迹象。

注：数据来源于统计年鉴计算整理。

3.2 资源供需的结构性变化

从生态足迹的构成来看，人均生态足迹构成反映了居民对不同类型土地生产的产品和服务消费需求。由图1可知，能源用地和耕地占整个生态足迹的绝大部分比例。2000年，能源用地占整个生态足迹的51%，耕地占32%。2014年，能源用地和耕地分别占70%、19%，耕地比例有所下降，能源用地比例上升较快，2类土地占比之和从83%上升到89%。2000年，能源用地总量为1 468.38 万hm2，2014年上升到5 957.26 万hm2，增幅达到4 488.88 万hm2，占生态足迹总增长的71.45%，这也是生态足迹总量上升的主要原因。同时，林业用地规模扩张也引起生态足迹总量上升，但由于基数较小，增量有限。草地用地规模呈微量下降趋势，下降的原因是由于草地面积数量有限，由于人口扩张和过度放牧造成资源不可持续利用。

图1 新疆不同土地类型生态足迹比例变化趋势

从生态承载力的构成来看，人均生态承载力构成反映了不同类型土地向居民提供产品和服务的供给能力。由图2可知，耕地和林地成为生态承载力的主要组成部分，2种土地类型占整个生态承载力的70%，耕地占比达52%，说明耕地和林地在维持生态系统平衡和保护生态系统安全方面起到重要作用，草地和建设用地在生态承载力中的比例相当，分别占生态承载力的13%和15%。水域在生态承载力中的占比最小，这与新疆气候干旱、远离海洋的自然资源禀赋和地理区位有关。

图2 新疆不同土地类型生态承载力比例变化趋势

生态足迹和生态承载力构成的动态变化可以反映出资源需求和供给结构的变动，它们是新疆经济发展、人口增长和消费结构转变的结果。首先，它反映了新疆产业结构演变的历程，随着国民经济的优化改革，第2产业和第3产业的比重逐渐增大，第1产业比重逐渐减小，具体体现在：随着工业化和城镇化进程的不断推进，农业用地减少，能源用地大幅增加，建设用地有所增加。其次，它反映了居民消费结构的变化，在基本的粮食需求得到满足之后，对肉蛋奶等动物性产品的需求增多。随着文化水平的提高，对书刊杂志包装袋等纸制品的需求上涨，这是居民收入水平上涨和生活条件改善的结果，具体表现在：对牧草地和林地的用地需求不断增长。

3.3 资源的利用效益分析

用万元GDP生态足迹这一指标来衡量一个地区GDP生产占用的生态足迹，反映资源利用效益。万元GDP生态足迹数值越小，资源利用效益越高，反之资源利用效益越低。由表1可知，2000年万元GDP生态足迹为2.304 7 hm2，2010年为1.120 7 hm2，到2014年这一指标降为1.016 3 hm2。2000-2014年，万元GDP生态足迹总体呈下降趋势，表明新疆资源利用效益不断提高，效益水平的不断提高一方面得益于资源利用技术的进步和管理水平的提高，另一方面也取决于政策制度的变革、产业结构的日趋合理。

3.4 生态系统可持续性分析

用自然生态系统是否出现生态盈余来判断生态系统的可持续发展状态。由图3可知，2005-2014年，人均生态足迹均超过人均生态承载力，一直存在生态赤字，且赤字额度逐年增大，除2000年外，人均生态盈余为0.013 7 hm2，2005年人均赤字额为0.898 7 hm2，到2014年则高达2.700 2 hm2。2005-2014年赤字额年均增长22.27%。在这样的资源利用方式下，生态环境压力不断加剧，生态安全状况不容乐观，人类生产生活所消耗资源超出了自然生态系统的再生能力，区域生态系统处于人为地过度开发利用的不可持续的恶性循环当中，而且随着时间的推移，生态供需缺口持续扩大。造成生态赤字的原因是人口增加引起资源消费量的增多，生态环境脆弱，化石能源用地生态承载力为0。

图3 2000-2014年新疆人均生态赤字额变动趋势

3.5 生态协调系数分析

生态协调系数DS越接近1协调性越差，越接近1.414协调性越好。当DS=1.414时，区域生态供给恰好满足生态需求，处于最佳协调状态。当DS=1时，区域承载力为0，生态系统已无法向人类提供资源和服务，或者区域生态足迹为0，人类停止消费，此时生态系统处于最差协调状态。由图4可知，2000-2014年新疆生态协调系数DS都处在1～1.414，基本上都是人均生态足迹大于人均生态承载力，存在自然资源开发过度。在2000年，DS为1.414，人均生态足迹和承载力基本平衡。从2005年起，DS逐渐远离1.414且逐渐变小但都大于1，可以看出来，西部大开发以来，新疆的生态安全状况不断下滑，生态经济的不稳定性和风险性不断加大。

图4 2000-2014年新疆生态协调系数变动趋势

4 生态足迹模型预测与分析

4.1人均生态足迹、人均生态承载力和万元GDP生态足迹的预测

本文基于灰色系统理论，揭示少数据、贫信息背景下事物的发展规律。使用灰色预测模型，依据预测问题的特征，为揭示中短期内新疆生态系统演变趋势和可持续性发展前景，尝试以2005-2014年新疆人均生态足迹、人均生态承载力和万元GDP生态足迹作为原始数据，预测新疆“十三五”末期、“十四五”末期生态足迹的可能性变化。具体使用GM(1,1)模型，操作软件为GTMS3.0灰色系统理论建模软件。预测结果和误差检验如表2、表3所示。

表2 2020、2025年新疆人均生态足迹、人均生态承载力与万元GDP生态足迹预测结果

表3 灰色GM(1,1)预测误差检验

4.2 预测分析

由表2可知，2020年新疆人均生态足迹将上升到6.496 4 hm2,2025年将达到9.586 4 hm2。2020年人均可利用生态承载力预计下降到1.294 7 hm2，2025年为1.212 5 hm2。人均生态赤字2020年上升到5.201 7 hm2，2025年扩大为8.373 9 hm2。万元GDP生态足迹2020年下降到0.649 9 hm2，2025年预计为0.478 0 hm2。由此可总结出，随着新疆经济的发展和人地矛盾不断加剧，居民消费量日益增加，带来的后果是人均生态足迹不断上涨，人均生态承载力持续下降，生态足迹供需缺口进一步扩大，区域生态安全状况进一步恶化。与此同时，资源利用效率得到进一步的提高。因此，新疆未来的资源开发利用趋势将是，资源消耗量不断上升与资源利用效率不断提高并存的局面。

5 结论与讨论

从总量水平上看，在过去的10 a多，生态足迹和生态承载力均有所上升，且生态足迹增速快于承载力增速。生态足迹增长是由人口膨胀和消费水平提高两者共同决定的，主要原因在于消费水平的提高。生态承载力增长缓慢，其原因在于新疆生态环境脆弱性较高，生态系统抵抗外界干扰的能力弱、恢复性差。

从人均水平来看，新疆生态足迹整体呈上升趋势，是由于工业化和城镇化使人类对自然资源的消耗强度增大。从生态足迹构成来看，能源用地和耕地是生态足迹的主要组成成分，占比达到80%以上，说明以能源消耗为主的工业部门已经成为新疆的支柱产业，新疆的经济发展由种植业转向了工业，这与新疆是我国的资源大省，区内蕴藏着丰富的能源、矿产资源有关。随着经济社会的快速发展，对生态资源的需求量势必增加，人均生态足迹也会随之上涨。新疆人均生态承载力基本保持在1.400 3～1.713 0 hm2，且有缓慢减小的趋势。从生态承载力构成来看，耕地和林地是其主要组成成分，两者在生态承载力的构成比例达到70%。

由于人均生态足迹快速增长，人均生态承载力缓慢减小，造成生态赤字逐年扩大，赤字额由2005年的0.898 7 hm2增加到2014年的2.700 2 hm2。2005-2014年赤字额年均增长22.27%。赤字率由2005年的56.69%上升到2014年的192.82%。生态赤字主要来源于化石能源用地和耕地，主要原因是对于能源的开发利用强度不断加大和粮食生产的负担加重。

从万元GDP生态足迹和生态协调系数指标度量新疆生态安全状况，结果表明2000-2014年，新疆资源利用效益水平不断提高，生态协调度不断下降，区域生态安全状况不断下滑，生态经济的不稳定性和风险性不断加大。

运用灰色预测模型测算出，新疆在未来的10 a里，人均生态足迹将会继续上升，人均生态承载力持续下降，生态供需缺口进一步扩大。

本文在计算生态足迹和生态承载力时，在数据收集的全面性方面存在一定困难，借鉴以往研究成果本文选择对19种产品和4类能源项目的消费情况进行统计，未能全面反映人类对区域生态系统的影响。另外，由于贸易调整会影响居民的净消费量，在模型计算时缺乏产品在省际间流动的全面而详实的数据资料，在计算区域生态数据时可能出现偏差。但本文通过研究时间序列生态数据的动态变化趋势，也能客观、科学地反映区域资源消耗与供应状况，结合灰色预测模型反映未来的区域生态发展状况，实现静态数据与动态模拟的有效结合。

6 建 议

扭转新疆生态赤字的资源利用不可持续的发展现状，应做好以下几点。

(1)加大对耕地、林地、牧草地的保护力度，提高农业用地的产出效率。近10 a多来，耕地是新疆生态承载力构成的重要组成部分，占比虽有所下降，仍然超过半数，资源贡献率超过其他土地类型。随着居民消费结构优化和消费水平的提高，居民对肉蛋奶、瓜果蔬菜、报刊杂志等消费品的需求将刚性上升，耕地、林地、草地占据生态承载力的绝大部分比例，加强土地资源的保护，坚持开发与维护并重，提高土地产出效率就是提高土地的资源和能源的供给能力。

(2)有效控制人口增长是减小人均生态足迹，加大人均生态承载力的有效途径。人口数量增长过快会提高资源消耗量和废物排放量，加大环境承载压力，造成环境质量下降。因此，在可持续发展观的指导下，新疆应从实际出发，严格执行计划生育政策，鼓励晚婚晚育少生优生，有效控制人口增长，促进人口与环境良性发展。

(3)调整产业结构。基于新疆生态环境脆弱性考虑，有色金属和石油化工工业资源消耗量大、产业链短、附加值不高，对脆弱生态环境影响较大，因此，提倡大力发展第3产业，限制过剩工业产能的产出，减少化石能源的消费比例，通过技术改造提高能源利用效率[9]。

[1] 刘宇辉. 基于生态足迹模型的经济-生态协调度评估[M].北京:中国环境科学出版社，2009.

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[3] Wackernagel M, Onisto L, Bello P, et al.National natural capital accounting with the ecological footprint concept[J].Ecological Economics, 1999,29(3):375-390.

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[6] 郑 晖,石培基,何娟娟.甘肃省生态足迹与生态承载力动态分析[J].干旱区资源与环境,2013,(10):13-18.

[7] Mathis Wackernagel,Justin Kitzes,Deborah Cheng,等. 亚太区2005生态足迹与自然财富(上)[J].世界环境,2006,(4):58-70.

[8] 胡颖颖,玉米提·哈力克,塔依尔江·艾山,等.新疆2001-2010年农业气候干旱脆弱性分析[J].中国沙漠,2014,(1):254-259.

[9] 郝 佳,龚新蜀.基于生态足迹的新疆生态安全分析[J].新疆农垦经济,2012,(2):73-76.

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