Climate Change Impact on Soil Erosion in Sub-tropical Environment
Application of Empirical and Semi-empirical Models
- 2022
- Buch
- Verfasst von
- Subodh Chandra Pal
- Rabin Chakrabortty
- Buchreihe
- Geography of the Physical Environment
- Verlag
- Springer International Publishing
Über dieses Buch
Diese Arbeit konzentriert sich auf die potenziellen Auswirkungen des Klimawandels auf die Bodenerosion in einer vom Monsun dominierten subtropischen Region. Die durch extreme Regenfälle während der Monsunzeit verursachte Bodenerosion ist aus verschiedenen ökologischen und sozioökonomischen Perspektiven weltweit ein großes Problem. Diese Untersuchungsregion (Südbengalen) ist einer der fruchtbaren Agrargürtel, der eine gute Menge an Produkten produziert und zum BIP des Landes beiträgt. Allerdings ist die landwirtschaftliche Produktionsrate in letzter Zeit aufgrund sinkender Bodenfruchtbarkeit rapide zurückgegangen. Die vom Monsun dominierte subtropische Region weist einzigartige Merkmale in Bezug auf saisonale Temperaturschwankungen und die Verfügbarkeit von Niederschlagsereignissen auf. Die subtropische Region ist dicht besiedelt, wobei die Mehrheit der Bevölkerung auf landwirtschaftliche Produktionssysteme angewiesen ist, die vom Regen gespeist werden. Die sinkende Rate der landwirtschaftlichen Produktion hat auch dazu geführt, dass die Bodenfruchtbarkeit abnimmt und die Bodenerosion zunimmt. Zahlreiche Studien zeigen, dass Bodenerosion die Hauptursache für den rapide zunehmenden Trend der Bodendegradation in der Region ist. Ein homöostatischer Mechanismus kann Bodenerosion nicht ersetzen, und es entsteht eine Lücke zwischen Bodenerosion und Regolithbildung. Extreme Veränderungen der Landnutzung und Bodenbedeckung, Bevölkerungswachstum und die mangelnde Unterstützung traditioneller landwirtschaftlicher Praktiken und Bewirtschaftungspraktiken können in den meisten Ländern der tropischen und subtropischen Umwelt die Geschwindigkeit der Bodenerosion und der damit verbundenen Sedimentation der Reservoirs beschleunigen. Quantitative Informationen mit größtmöglicher Genauigkeit durch Validierung von Bodenverlusten können ein wesentlicher Bestandteil einer angemessenen und nachhaltigen Boden- und Wassererhaltungsplanung sein. Die genauen Aspekte moderner Managementstrategien sind die Kartierung der Suszeptibilität von Bodenerosion mittels empirischer und semi-empirischer Modelle in einer GIS-Plattform oder die Verwendung von Wahrscheinlichkeitsstatistiken. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die am besten geeigneten Entwicklungsstrategien vorzuschlagen, die das Ausmaß der Bodenerosion für die gegenwärtigen und zukünftigen Zeiträume berücksichtigen. Umfangreiche Feldforschung wurde durchgeführt, um den Unterstützungsfaktor zu ermitteln, den die lokalen Akteure in dieser Region annehmen.
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Über dieses Buch
This work focuses on the potential impact of climate change on soil erosion in a monsoon-dominated sub-tropical region. Water-induced soil erosion due to extreme rainfall during the monsoon period is a major problem worldwide, from different environmental and socio-economic perspectives. This study region covered (South Bengal) is one of the fertile agricultural belts that produces a good amount of produce and contributes to the country's GDP. However, the rate of agricultural output has decreased rapidly in recent times due to a decline in soil fertility.
The monsoon-dominated sub-tropical region has unique characteristics in terms of seasonal temperature fluctuations and the availability of rainfall events. The sub-tropical region is densely populated, with the majority of the population relying on rain-fed agricultural production systems. The declining rate of agricultural production has also established that soil fertility is declining and soil erosion is increasing. Numerous studies show that soil erosion is the major cause of the region's rapidly increasing trend of land degradation. A homeostatic mechanism cannot replace soil erosion, and a gap arises between soil erosion and regolith formation. Extreme changes in land use and land cover, population growth and the lacking support for traditional agricultural practices and management practices can accelerate the rate of soil erosion and its associated reservoir sedimentation in most countries of the tropical and sub-tropical environment. Quantitative information with maximum possible accuracy through validation regarding soil loss can be an essential part of the appropriate and sustainable soil and water conservation planning. The precise aspects of modern day management strategies are soil erosion susceptibility mapping using empirical and semi-empirical models in a GIS platform or the use of probability statistics.
The main objective of this work is to propose the most suitable development strategies considering the amount of soil erosion for the present and future periods. Extensive field research has been done to identify the support practice factor that the local stakeholders adopt in this region.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Chapter 1. Introduction to Soil Erosion Study
Subodh Chandra Pal, Rabin ChakraborttyDas Kapitel "Einführung in die Bodenerosionsstudie" geht auf die grundlegenden Konzepte und Prozesse der Bodenerosion ein und betont die globale Bedeutung dieses Umweltproblems. Er beginnt mit einem Vergleich der Bodenerosionsraten in verschiedenen Regionen, wobei Nordamerika weniger Verschlechterungen erlebt als Asien und Afrika. Der historische Kontext der Bodenerosion wird erforscht und geht auf die Landbesiedlung und die Rodung der Vegetation um 1800 zurück. Das Kapitel beschreibt den zweistufigen Prozess der Bodenerosion, bei dem Erosionsmittel wie Wasser und Wind abgetrennt und transportiert werden. Regenspritzer, Platten-, Kanal- und Bacherosion werden als Primärformen diskutiert, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften und Auswirkungen aufweisen. Das Kapitel unterstreicht auch die Bedeutung des Bodenschutzes und geht auf die Herausforderungen durch schnelles Bevölkerungswachstum und technologischen Fortschritt ein. Es unterstreicht die Notwendigkeit nachhaltiger Bodenbewirtschaftungsprozesse, um langfristige landwirtschaftliche Produktivität und Umweltschutz zu gewährleisten. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Rolle der Fernerkundung und des GIS bei der Bewertung von Bodenerosionsrisiken und bietet einen umfassenden Überblick über die Werkzeuge und Techniken, die für einen effektiven Bodenschutz zur Verfügung stehen.KI-Generiert
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Abstract“Soil erosion” is a global problem to natural resources and is particularly effective in reducing crop yield because of a loss in soil fertility, while multifunctional reserve storage is depleted due to continuous sedimentation. Accelerated erosion of the soil has detrimental economic and environmental effects. The “soil erosion” risk assessment can be useful in the area where “soil erosion” is the biggest challenge to sustainable agriculture, as the soil is the base of agricultural development. “Soil erosion” models can take into account all of the complex interrelationships that impact erosion rates by modelling hydrologic erosion processes. In order to predict “soil erosion”, most of these models include climate, topography, soil condition, land use and land cover. The generation of input data, too spatial and traditional approaches have proven too expensive and time consuming to generate these input data are the most difficult problems for evaluating these models. The advancement of remote sensing technology has improved the accessibility and cost-effectiveness of spatial information regarding the input parameters. The spatial data processing capabilities of “geographic information systems (GIS)” have contributed to the advancement of robust approaches to “soil erosion modelling”. -
Chapter 2. Geophysical Settings of South Bengal
Subodh Chandra Pal, Rabin ChakraborttyDas Kapitel vertieft sich in die geophysikalischen Gegebenheiten Südbengals und konzentriert sich auf die geologischen Formationen des Untersuchungsgebiets, wie die lateritischen Böden der Rarh-Region und die metamorphen Gesteine der Chota Nagpur-Hochebene. Außerdem werden die Entwässerungssysteme untersucht, wobei die dendritischen Flussmuster und die Auswirkungen der Klimaschwankungen auf den Fluss hervorgehoben werden. Darüber hinaus werden in diesem Kapitel die Bodeneigenschaften diskutiert, einschließlich der Verteilung lateritischer und alluvialer Böden, sowie der Einfluss der Vegetation auf Bodenerosion und fluviale Geomorphologie. Die detaillierte Analyse dieser Themen vermittelt ein umfassendes Verständnis der geologischen und hydrologischen Dynamik der Region und macht sie zu einer unverzichtbaren Lektüre für Experten auf diesem Gebiet.KI-Generiert
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AbstractThe “Bengal basin” is located in the state of West Bengal, in the north-eastern region of the Indian subcontinent. The “Bengal basin” was formed by divergent subsidence during the “Middle-Upper Cretaceous period”. The subaerial fluvial classics of the Bolpur Formation, as well as its stratigraphic variation of the shell limestone and shale–sandstone of the Ghatal Formation, were deposited in the shelf region during this period. A thick succession of roughly 20 km of deposits in the “Bengal basin” was formed by the proximal accumulation of orogenic material from the eastern “Himalaya and the Indo-Burman Uplifts”. The “Bengal basin” experienced a polycyclic tectonic evolution. It was a diverge edge basin that formed as a result of the split of “Gondwanaland” along rifted margin of the “Indian plate” from the “Carboniferous” to the “upper Eocene”. It shows all of the evolutionary aspects of marginal sag basins. During the “lower Cretaceous”, the Indian plate eventually broke from “Gondwanaland” and migrated northwards, colliding for the first time with the “Eurasian Plate” in the north and the “Burmese Plate” in the northeast during the “upper Eocene”. This chapter is aimed to give the clear-cut idea about geophysical settings of the study region. In this perspective, the overall topographical, geological as well as geomorphological characteristics of this region can be identified. -
Chapter 3. Morphotectonics Characteristics and Its Control on Soil Erosion
Subodh Chandra Pal, Rabin ChakraborttyDas Kapitel vertieft sich in die komplizierte Beziehung zwischen Morphotektonik und Bodenerosion, einem drängenden globalen Problem, das durch menschliche Aktivitäten verschärft wird. Sie unterstreicht die bedeutende Rolle der wasserbedingten Erosion, die für 80% der weltweiten Verschlechterung landwirtschaftlicher Flächen verantwortlich ist. Fortgeschrittene Modellierungstechniken wie logistische Regression und evidenzbasierte Glaubensfunktionen werden eingesetzt, um das Erosionspotenzial abzuschätzen, was ein robustes Rahmenwerk für die Vorhersage und Eindämmung von Bodenverlusten bietet. Die Studie betont, wie wichtig es ist, die kausalen Parameter wie Höhe, Aspekt, Neigung und Entwässerungsdichte zu verstehen, um das Erosionsrisiko genau zu beurteilen. Durch die Kombination dieser Methoden zu einem Ensemblemodell bietet die Forschung einen anspruchsvollen Ansatz zum Bodenschutz und ist daher für Fachleute auf diesem Gebiet eine unverzichtbare Lektüre.KI-Generiert
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AbstractThe influence of the “morphotectonic characteristics” on “erosion potentiality” assessment has been estimated in this chapter. The related parameter has been selected with considering recent literatures related to this field. In this perspective, the “evidential belief function (EBF)”, “logistic regression (LR)” and ensemble of “EBF-LR” have been considered. Here, the efficiency of ensemble model is quite high then any single alone model, i.e. “EBF” and “LR”. The “area under curve (AUC)” values from “receiver operating characteristics (ROC)’ for ensemble of “EBF-LR” are 0.99 and 0.92, respectively. The western and central parts of this region are related with an erosion potential zone that ranges from very high to high. So, the special emphasis regarding the suitable management strategies has to be taken into consideration for this region to overcome this type of situation. This sort of data aids decision-makers in implementing the most appropriate development initiatives in vulnerable areas. The role of future researchers is to quantifying the erosion potentiality with maximum possible accuracy and considering maximum-related parameters. -
Chapter 4. Estimation of Surface Runoff
Subodh Chandra Pal, Rabin ChakraborttyDas Kapitel befasst sich mit der Abschätzung des Oberflächenabflusses, einem entscheidenden Faktor für Wassererosion und Bodenmanagement. Es wird die SCS-CN-Methode eingeführt, ein zuverlässiger Ansatz zur Berechnung des Abflussvolumens unter Berücksichtigung von Faktoren wie Infiltrationsrate, hydrologischer Bodengruppe sowie Veränderungen der Landnutzung und Landbedeckung. Die Studie unterstreicht die erheblichen Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf Abflussmuster und Erosionspotenzial und betont die Notwendigkeit präziser Modellierungen, um die Umweltzerstörung zu verringern. Durch die Einbeziehung von Geo-Raumfahrttechnologien bietet das Kapitel eine detaillierte Analyse der Abflussdynamik, die umsetzbare Erkenntnisse für das Management von Wasserressourcen und Erosionsschutzstrategien liefert.KI-Generiert
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AbstractThe land degradation from the different forms of erosion due to water action is very much familiar in the subtropical environments. The “Soil Conservation Service-Curve Number (SCS-CN)” is considered as a reliable technique for estimating the potential surface runoff. The application of GIS technique is not only capable to estimate the scenario with less effort and money but also deals with the maximum possible accuracy. In the subtropical environments, the “land use and land cover (LULC)” changes rapidly for the expansion of the agricultural area as well as settlement area from the forest and fallow land. The character and amount of surface runoff are very much dependent regarding the nature of “LULC”. This scenario leads to play an influential function regarding the erosion susceptibility. The most of the areas of this region are facing the very high surface runoff which leads to large-scale “land degradation” in the different forms of erosion. Due to high “surface runoff”, the “infiltration capacity” also significantly decreases which also decreases the storage of the subsurface water. The weighted curve number of all features is 15,248,412.7, and the feature-wise “weighted CN” ranges from 78,690.44 to 9,977,959. The water discharge of this region is 719,641.88 m3 which indicates the larger erosion potentiality. -
Chapter 5. Soil Loss Estimation Using Different Empirical and Semi-empirical Models
Subodh Chandra Pal, Rabin ChakraborttyDas Kapitel "Soil Loss Estimation Using Different Empirical and Semi-empirical Models" geht dem komplexen Problem der Bodenerosion, insbesondere in der subtropischen Monsunregion, nach. Darin werden die Auswirkungen verschiedener Faktoren wie Bodenbeschaffenheit, Vegetation und Niederschlag auf die Bodenerosion diskutiert. Die Studie betont den Einsatz empirischer Modelle wie USLE, RUSLE und MUSLE, um Bodenverluste abzuschätzen und gefährdete Bereiche zu identifizieren. Die Forschung unterstreicht die Notwendigkeit einer genauen Bewertung der Bodenerosion zur Umsetzung wirksamer Erhaltungsstrategien. Das Kapitel enthält auch eine Sensitivitätsanalyse zur Bestimmung des am besten geeigneten Modells für die Schätzung von Bodenverlusten, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf dem RUSLE-Modell liegt. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Integration der GIS-Technologie für ein präzises und effizientes Bodenerosionsmanagement. Die Studie schließt mit Empfehlungen für strukturelle und nicht-strukturelle Maßnahmen zur Eindämmung der Bodenerosion und betont die Rolle lokaler Akteure bei der Umsetzung ganzheitlicher Ansätze im Landmanagement.KI-Generiert
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Abstract“Soil erosion” caused by water is one of the most severe aspects of land degradation processes. This type of problem is more acute in the “subtropical environment” than in other parts of the world. The erosion of the topsoil is influenced by rainfall variability and anthropogenic activities. Soil erosion is presently recognized as a separate field for large-scale land degradation caused by soil loss across the world. Many academics from several disciplines have emphasized the need of using multiple approaches to assess the quantity of soil erosion. The empirical model can estimate the amount of soil loss from ground-based observations of the field site, but it takes a long time and is expensive. Apart from this most of the areas of the world are ungauged in nature facing the challenges for incorporating the necessary relevant data. For this purpose, the use of this model in a “GIS” integrated platform is rapidly increasing. This integrated model can produce nearly identical results across a wide range of variables, making it a reliable predictor. In recent times, the use of multiple predictive models in identical work has increased significantly, with the aim of determining which one is more reliable in terms of incorporating primary data. In this study, the application of “Universal Soil Loss Equation (USLE)”, “Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE)” and “Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE)” has been done to estimate the annul “soil loss” in Bengal Basin. From the analysis, the “RUSLE” gives the better outcome in comparison with “USLE” and “MUSLE”. -
Chapter 6. Potential Sediment Yield Estimation Using Machine Learning, Artificial Intelligence Techniques and GIS
Subodh Chandra Pal, Rabin ChakraborttyDas Kapitel "Potential Sediment Yield Estimation using Machine Learning, Artificial Intelligence Techniques and GIS" geht der bedeutenden Herausforderung der Bodenerosion und Sedimentation in Entwicklungsländern nach. Sie unterstreicht die entscheidende Rolle des Bodens für Ökosysteme und Landwirtschaft und die sich verschärfenden Faktoren wie intensive Landwirtschaft, Entwaldung und Klimaveränderungen. Die Studie konzentriert sich auf das bengalische Becken, eines der größten Deltas der Welt, und nutzt fortschrittliche Techniken wie Fuzzy Logic und analytische neuronale Netzwerke (ANNs), um den Sedimentertrag zu schätzen. Die Methodik umfasst die Auswahl und Erstellung kausaler Parameter wie Niederschlag, Entwässerungsdichte, Landnutzung, Gefälle und geologische Faktoren. Die Ergebnisse, die durch Sensitivitätsanalysen und ROC-Kurven validiert wurden, zeigen das Potenzial dieser Modelle bei der Identifizierung von Sedimentationszonen mit hohem Risiko auf. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Notwendigkeit weiterer Forschung und der Bedeutung dieser Modelle für effektive Strategien zum Erosionsmanagement.KI-Generiert
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Abstract“Soil erosion”-induced land degradation is the most common issues in the subtropical region. When this eroded material transported in a different place and accumulate there, this is called the sediment yield. This scenario is very much influential harmful element which decreases the navigation power of water resources. The “fuzzy logic (FL)” and “analytical neural network (ANN)” have been incorporated with considering different influential factors of sediment yield. In the recent studies, the researchers are tried to estimate the sediment yield potentiality and its spatial difference then the estimating the point-specific information. The weight of the different influential factors and its associated subfactors has been assigned with considering the function of “fuzzy logic”. The “multi-layer perceptron classifier (MLPC)” approach in “ANN” has been considered to estimate the sediment yield potentiality in this region. The middle, southern and south-eastern part of this region is associated with moderate to very high sediment yield zones though it is unevenly distributed throughout this region. This sort of particular information aids decision-makers and future researchers in developing appropriate strategies and doing future study on this issue in more precise ways. -
Chapter 7. Impact of Climate and LULC Change on Soil Erosion
Subodh Chandra Pal, Rabin ChakraborttyDas Kapitel vertieft sich in das bedeutende Problem der Bodenerosion, das durch den Klimawandel und die Veränderungen der Landnutzung / Landbedeckung (LULC) verschärft wird. Es wird diskutiert, wie Veränderungen der Niederschlags- und Bodenbeschaffenheit Erosionsprozesse beeinflussen, wobei der Schwerpunkt auf dem Einfluss sich ändernder Niederschlagsmuster und Landnutzungspraktiken liegt. Die Studie nutzt fortschrittliche Modelle, um zukünftige Niederschlags- und LULC-Szenarien zu projizieren, wobei die potenzielle Zunahme der Bodenerosion unter verschiedenen sozioökonomischen Wegen hervorgehoben wird. Die Forschung zielt darauf ab, Einblicke in nachhaltige Managementpraktiken zu geben, um die negativen Auswirkungen des Klimawandels und der LULC-Veränderungen auf die Bodenerosion abzumildern.KI-Generiert
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AbstractIn the present study, the potential impact of “climate” and “land use and land cover (LULC)” change on soil erosion has been estimated. In this perspective, the future rainfall scenario in the projected period and LULC dynamics in the same period has been estimated. The pattern, intensity and amount of rainfall are always changing which has been established by different researchers. The “average annual soil erosion” for the base period and projected period has been estimated with considering “Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE)”. The “cellular automata (CA”) and “Markov chain (MC)” model has been used for projecting the future LULC in projected period. The selection of the suitable “general circulation model (GCM)” model has been done with the help of statistical analysis. That is very confusing task in any type of climatic modelling with considering suitable “GCM”. Then the combine impact of changing climate and “LULC” has been considered for future soil erosion modelling. There is a rising pattern of “soil erosion” from base year to projected period has been confirmed in this research. This type of information is useful to the regional planner to take the suitable remedies in keeping in the view of sustainable and long term planning. -
Chapter 8. Sociopolitical Policy Implication
Subodh Chandra Pal, Rabin ChakraborttyDas Kapitel beginnt mit der Betonung der entscheidenden Rolle des Bodens bei der Nahrungsmittelproduktion und der Abmilderung des Klimawandels. Darin wird diskutiert, wie Bodenschutz dazu beitragen kann, Ernährungssicherheit zu erreichen und Gesellschaften zu stärken. Der Weltklimarat (IPCC) hebt die Fähigkeit des Bodens zur CO2-Aufnahme hervor und unterstreicht seine Bedeutung für die Anpassung an den Klimawandel. Der Text vertieft sich dann in den historischen Kontext der Bodenerosion, insbesondere in Entwicklungsländern, wo Strategien zur Selbstversorgung mit Nahrungsmitteln oft zu Umweltzerstörung geführt haben. Sie identifiziert demografische, sozioökonomische, technologische und kulturelle Faktoren, die zum Boden- und Wasserverlust beitragen. Das Kapitel schlägt strategische Entscheidungen für den Bodenschutz vor, einschließlich ökologischer Maßnahmen, wirtschaftlicher und institutioneller Strategien und Rekultivierungstechniken. Es untersucht auch das Potenzial alternativer landwirtschaftlicher Praktiken und des Managements von Bewässerung und Intensivierung der Landwirtschaft. Die Schlussfolgerung betont die Notwendigkeit wissenschaftlicher und nachhaltiger Strategien zur Kontrolle der Bodendegradation und betont die Bedeutung nichtstruktureller Maßnahmen wie der Sozialforstwirtschaft. Das Kapitel bietet eine ganzheitliche Sicht der Herausforderungen und Lösungen im Bodenschutz und macht es zu einer wertvollen Ressource für diejenigen, die sich für nachhaltiges Landmanagement interessieren.KI-Generiert
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AbstractLand degradation declines the ecosystem and productivity loss of agricultural land. Asia got the highest position in terms of land degradation. More than 100 countries are suffering from land degradation and poor management system. Various natural as well as anthropogenic (overgrazing, land clearance, external species plantation, frequent agricultural practices, irrigation schemes, wrong management procedure) causes are responsible for surface soil erosion. Such type of anthropogenic implication on agricultural land is degrading the soils health, basic resources, function of biodiversity and ecosystem function. To control the soil erosion, many structural (construction of dam, check dam, percolation dam, various types of cement plug) and non-structural measures (plantation of trees or social forestry) can be considered among which the non-structural measure will be the most appropriate technique. In this study, we have highlighted the sociopolitical policy implication which will be beneficial for regional planners and policymakers to take an authentic decision to control the soil erosion in this particular region.
- Titel
- Climate Change Impact on Soil Erosion in Sub-tropical Environment
- Verfasst von
-
Subodh Chandra Pal
Rabin Chakrabortty
- Copyright-Jahr
- 2022
- Electronic ISBN
- 978-3-031-15721-9
- Print ISBN
- 978-3-031-15720-2
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-031-15721-9
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