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Sustainable Development 可持续发展, 2012, 2, 117-123
http://dx.doi.org/10.12677/sd.2012.23016 Published Online July 2012 (http://www.hanspub.org/journal/sd)
Land Ecological Security Evaluation and Trend Forecast
of Hunan Province Based on P-S-R Model*
Wumei Zhang, Zhengdong Zhang#, Nann a n Ti an , Shen fe n g Wu, Chu n ho ng Yang
School of Geography, South China Normal University, Guangzhou
Email: #zhangzdedu@163.com
Received: Mar. 5th, 2012; revised: Mar. 23rd, 2012; accepted: Apr. 2nd, 2012
Abstract: According to the characteristics of land ecological environment of Hunan, to refer many scholars’
research, the paper constructed land ecological security index system of Hunan province based on P-S-R
model. AHP (analytic hierarchy process) and expert scoring method are used to determine the weight, and the
integrated index method is used to analyze and evaluate the dynamic state of land ecological environment in
Hunan province. The result show that the land ecological environment of Hunan is rising, but it just kept in
sensitive level during the past ten years. Using GM(1,1) model predicted the dynamic changes of land
ecological security in 2010-2019. The prediction shows: the land ecological security of Hunan province
showed a rising trend (0.47 - 0.86) from 2010 to 2019. The land ecological environment will be in good state
in 2015, and is expected to be safe level in 2019. According to this paper, some corresponding measures and
solutions can be put forward to solve the problem and improve the environment.
Keywords: Ecological Security; Evaluation; P-S-R Model; Hunan
基于 P-S-R 模型的湖南省土地生态安全
评价与趋势预测*
张五美,张正栋#,田楠楠,吴申凤,杨春红
华南师范大学地理科学学院,广州
Email: #zhangzdedu@163.com
收稿日期:2012 年3月5日;修回日期:2012 年3月23 日;录用日期:2012年4月2日
摘 要:根据湖南省土地生态环境的现状和特点,基于 P-S-R 模型构建了湖南省土地生态安全评价指
标体系,应用 AHP 层次分析法和专家打分法确定权重,采用综合指数法对湖南省2000~2009 年的土
地生态安全状况进行了评价。结果表明:湖南省土地生态环境安全级别较低,生态环境质量处于敏感
状态,但土地生态环境质量总体呈现上升的趋势。运用 GM(1,1)模型预测了 2010~2019 年湖南省土地
生态安全综合指数的动态变化,预测显示:从 2010~2019 年湖南省土地生态安全综合指数呈现上升趋
势(0.47~0.86),2015 年土地生态环境状态进入良好级别,2019 年达到安全级别。该研究可为湖南省土
地生态安全及其未来生态环境质量改善和生态安全规划管理提供依据。
关键词:生态安全;评价;P-S-R 模型;湖南省
*资助信息:广东省自然基金项目(9151063101000046)、广东省软科学项目(2009B70300115)和华南师范大学学术骨干与团队培养专项(G21053)
资助。
#通讯作者。
Copyright © 2012 Hanspub 117
基于 P-S-R 模型的省域土地生态安全评价与趋势预测
Copyright © 2012 Hanspub
118
1. 引言 南省工业化、城镇化水平快速提高,经济社会得到了
长足发展。2010 年地区生产总值 15902.12 亿元,增
长14.5%,比上年提高 0.8 个百分点。其中,第一产
业增加值 2339.44 亿元,增长 4.3%;第二产业增加值
7313.56 亿元,增长 20.2%;第三产业增加值 6249.1 2
亿元,增长 11.5%。第一、二、三次产业对经济增长
的贡献率分别为 3.5%、62.3%和34.2%。三次产业结
构为 14.7:46.0:39.3。
土地资源生态安全主要是指地球表面由各种有
机物和无机物构成的土地生态系统处于一种健康的
发展、循环状态。学术界关于土地利用与生态安全的
研究主要集中在作用机理研究、影响评价与安全格局
构建 3个方面,土地生态安全评价和预测是土地生态
安全研究的一个重要方向[1]。土地生态安全评价和预
测对于避免规划造成的环境影响和维护区域生态安
全有着重要的意义。在实施《湖南国民经济和社会发
展十二五规划纲要》和全面推进“四化两型”建设的
过程中,湖南省土地生态环境将面临越来越大的压
力,土地生态环境质量将会受到更大的威胁。该研究
以P-S-R模型为理论指导构建湖南省土地生态安全评
价指标体系,应用 AHP 层次分析法和专家打分法确
定各指标的权重,并采用综合指数法对湖南省
2000~2009 年的土地生态安全状况进行了评价。根据
所得出的评价结果,在 DPS 中,运用灰色系统方法中
的GM(1,1)模型对湖南省2010~2019 年土地生态安全
综合值进行预测。评价及预测结果可以为其生态环境
质量改善和生态安全规划管理提供重要的依据。
2.2. 研究方法
采用 P-S-R 模型与层次分析法、综合指数评价法
相结合的方法评价研究区土地生态安全,运用灰色系
统GM(1,1)模型对研究区的土地生态安全状况进行趋
势预测。
1) P-S-R 模型,即“压力–状态–响应”模型
(P-S-R,Pressure-State-Response)(图1)是环境质量评价
学科中生态系统健康评价子学科中常用的一种评价
模型,最初是由加拿大统计学家 David J. Rapport和
Tony Friend(1979)提出 ,后由经济合作与发展组织
(OECD)和联合国环境规划署(UNEP)于20 世纪八九十
年代共同发展起来的用于研究环境问题的框架体系。
P-S-R模型体现了人类与环境之间的相互作用关系。
人类通过各种活动从自然环境中获取其生存与发展
所必需的资源和物质,同时又向环境排放废弃物,从
而改变了自然资源储量与环境质量,而自然和环境状
态的变化又反过来影响人类的社会经济活动,进而社
会通过环境、经济等各方面的政策,以及通过意识和
行为的变化对这些变化做出反应。如此循环往复,构
了人类与环境之间的压力–状态–响应关系[2]。
2. 研究区与研究方法
2.1. 研究区概况
湖南省位于长江以南,北纬24˚39′~30˚08′、东经
108˚47′~114˚15′之间,为中低纬度地区,全省辖域面
积211,829 km2,境内湘江贯穿南北,大部分地区位于
洞庭湖以南。以山地、丘陵为主,大陆性亚热带季风
湿润气候,光、热、水资源丰富。改革开放以来,湖 成
政策响应
决策依据
政策模拟
人口基数过大
环境恶性循环
资源过度利用
环境污染
人口压力
决策依据 政策模拟
压力
资源压力
环境压力
社会经济
状态
资源状态
环境状态
社会经济
响应
资源政策
环境政策
社会行为
环境自净
能力
政策响应
Figure 1. P-S-R model framework of ecological security evaluation index system (ref [3])
图1. 生态安全评价指标体系 P-S-R 模型框架(据文献[3])
基于 P-S-R 模型的省域土地生态安全评价与趋势预测
该模型区分3类指标,即压力指标
响应指标。其中,压力指标表征人类的经济和社会活
动对环境的作用;状态指标表征特定时间阶段的环境
状态和环境变化情况,包括生态系统与自然环境现
状,人类的生活质量和健康状况等;响应指标指社会
和个人如何用行动来减轻、阻止、恢复和预防人类活
动对环境的负面影响,以及对已经发生的不利于人类
生存发展的生态环境变化进行补救的措施。
2) 层次分析法(AHP)。AHP 是一种定性与定量相
结合的决策分析方法。应用这种方法,决策者通过将
复杂问题分解为若干层次和若干因素,在各因素之间
进行简单的比较和计算,就可以得出不同方案的权
重,为最佳方案的选择提供依据。本文中各指标权重
的最终确定和计算都是通过 AHP 方法结合专家打分
得出。
3) 综合指数法。它是指在确定一套合理的指标体
系的基础上,将一组相同或不同指数值通过统计学处
理,使不同计量单位、性质的指标值标准化,最后转
化成一个综合指数,以准确地评价工作的综合水平。
本文指标体系的处理和最后综合值的计算就是运用
综合指数法。
其中单项指标安全值计算的模型为: i
2.3. 数据来源
、状态指标和
ii
SYW

,
式中 Yi为各指标的标准化值,Wi是各指标的权重。
土地生态安全综合值计算的数学模型为:
式中,T为土地生态安全综合值或系统压力、状态、
响应安全指数值;Yi为第i个指标的安全值;Wi为准
则层指标的权重;n为指标总数。
4) GM(1,1)模型。灰色系统理论是我国学者邓聚
龙教授于 20世纪 70 年代末,80 年代初创立并发展的
一套解决灰色系统的理论和方法。其主要研究对象为
“部分信息已知,部分信息未知”的“小样本,贫信
息”不确定性系统。灰色数列预测是灰色系统理论的
研究内容之一,是指利用动态GM 模型,对系统的时
间序列进行数量大小的预测,即对系统的主行为特征
量或某项指标,发展变化到未来特定时刻出现的数值
进行预测。GM(1,1)模型是灰色系统理论中单序列一
阶微分模型。
研究主要以《湖南省统计年鉴》(2001~2010)、《中
国环境统计年鉴》(2001~2010),湖南省统计信息网
(http://www.hntj.gov.cn )、中华人民共和国国家统计局
(http://www.stats.gov.cn)为主要数据来源,对湖南省进
行土地生态安全评价和预测。
3. 湖南省土地生态安全评价
3.1. 指标体系的构建
在P-S-R 模型基础上,参考众多学者所构建的指
标体系[2-7],结合湖南省土地生态环境现状和对土地生
态环境有重要影响的自然、社会、经济各方面的因素
以及数据的可获得性,构建了3个层次(目标层、准则
层、指标层)的指标体系,共22 个指标(表1)。
评价指标作为影响湖南省土地生态安全水平的
因素,可分为正向指标和逆向指标,其中正向指标的
值越大,说明土地生态安全的状况越好,维护和改善
土地生态系统安全的能力越强;逆向指标的值越大,
说明土地资源及其在利用过程中的冲突越大,土地生
态系统安全的状况越差。其中,“城市化水平”与“未
成林造林面积比重”为逆向指标。在城市化的不同阶
段,城市化的发展与推进对土地生态系统具有不同的
影响。相关研究表明,近 40 年来,湖南长沙在城市
化过程中,长沙市土地覆被格局发生了明显变化。具
体而言,建设用地比例逐年上升且变化幅度最大,非
林植被比例却逐年下降;与此同时,林地和水体的变
化幅度较小,但在此过程中,也曾呈现出“先增加后
下降”的趋势[8]。由此可推测,湖南省近十年以来,
城市化的发展对土地生态系统而言是一种较大的压
力。根据湖南省统计年鉴(2001~2010),数据显示近十
年来,“未成林造林面积的比重”与“灌木、有林地
面积比重”存在一定的负相关关系,且未成林造林地
的生态环境非常脆弱,由此可知,“未成林造林面积
比重”对土地生态系统而言是一个逆向指标。
3.2. 指标权重的确定及一致性检验
采用 AHP 层次分析法和专家打分相结合得方法
确定各因素的权重。运用这种方法,决策者通过将复
杂问题分解为若干层次和若干因素,各个因素之间进
行简单的比较和计算,就可以得出不同因素的重要性

1
n
ii
i
TYW



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基于 P-S-R 模型的省域土地生态安全评价与趋势预测
Table 1. Land ecological security ev
表1. 湖南省土地生
aluatirovince
态安
目标层 Destination layer 准则层 Criteria layer 指标层 Inde
on index system of Hunan P
全评价指标体系
x layer 单位 Unit 指标性质 Index properties
人口密度(C1) 人/km2 −
人口
城市
人均 2+
耕地面积化肥负荷(C5) Kg/hm −
工业固体 −
SO2排放强度(C ) 万吨/年 −
1
废水排放量 /年 −
面积占受灾
耕地面积比重
效灌溉 (C
林造
森林
人均水资
地均 GDP
2
GDP
投资占
固体
废水
2排放达标率
第三产业产值占
3
自然保护区占国土面积的比重
增长率(C2) ‰ −
化水平(C3) % −
耕地面积(C4) hm/人
2
单位
系统压力(B)
废物排放量(C6) 万吨/年
7
(C8) 万吨
面积比重(C9) % −
(C10) % +
面积比重 11) % +
林面积比重(C12) % −
覆盖率(C13) 亿立方米/人 +
源拥有量(C14) 万元/km2 +
农业成灾
有
未成
系统状态(B)
湖南省土地生态安全评价(A)
(C15) % +
增长率(C16) % +
GDP 的比重(C17) % +
废物处置率(C18) % +
排放达标率(C19) % +
(C20) % +
GDP 的比重(C21) % +
(C22) % +
环保
工业
工业
SO
系统响应(B)
特征
向量,并作一致性检验,若一致性检验通过,则对应
于最大特征值的特征向量(归一化后)可作为权系数。
否则要重新调整判断矩阵,直到满足要求为止。经计
算得出 中0.1;指标层中,系统压力
指标
价。本文采用的是极差变换法。其公
程度,由此得出相应的权重,如表2所示。 式为:
当指标越大越好时:

 
计算每一个判断矩阵的最大特征值和对应
minmax minii
YXXX X (1)
当指标越小越好时:

 
按公式 Rc = Ic/IR 进行一致性检验。若Rc < 0.10,则
一致性检验通过,计算所得特征向量可作为权向量,
Rc = 0 <
maxmax minii
YX XX X  (2)
式中:Yi为参评因子的标准化赋值;Xi为实测值;Xmax
为实测最大值;Xmin 为实测最小值。Y值大则表示该
因子对环境的影响大,反之则小。
评价指标经标准化处理后,其数值介于 0~1。其
中,0表示选定的时间序列内某一年的某一指标
,准则层
Rc = 0.0003 < 0.1、系统状态指标Rc = 0.0016 <
0.1、系统响应指标 Rc = 0.0046 < 0.1,所以,各指标
均通过一致性检验,可以作为决策使用。
3.3. 数据标准化
由于各指标的单位不同,量纲不同,数量级也不
同,各指标之间就缺乏可比性。因此,为统一标准,
首先要对所有评价指标进行标准化处理,以消除量
纲,将其转化成无量纲、无数量级差别的标准分,然
后在进行分析评
和其
同一指标相比处于最差的状态;1表示时间
同一指标相
比处
3.4. 土地生态安全等级的确定
他年份的
序列内某一年的某一指标和其他年份的
于最佳的状态。
在参考相关文献[2,4,9-13]的基础上,针对湖南省
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120
基于 P-S-R 模型的省域土地生态安全评价与趋势预测
Tab nce
指B1 C
2 C
5
le 2. The indexes weights of land ecological security evaluation of Hunan Provi
表2. 湖南省土地生态安全评价指标权重
标代码 Index code C
1 C
3 C
4 C
6C
7 C
8
权重 Weight 0.4018 0.0685 0.0471 0.020 0.0471 95 0.0448 0.0437
指标代码 Index code B2 C
9 C
10 C
13 C
14 C
15 C
16
权重 Weight 0.2693 0.0261 0.0379 0.7 0.0475 0.0254 0.0399 0.0219
指标代码 Index code B3 C
17 C
18 C C21 C
22
权重 Weight 0.3289 0.0472 0.0.0413 0.22
590 0.050.03
C
11 C
12
0379 0.032
19 20 C
0558 0.0596 0.0728 05
土地生态环境的实际情况,采用等间距法划分安全指
数,对应将土地生态环境安全水平划分为5级(表3)。
4. 评价结果分析与预测
4.1. 评价结果与分析
4.1.1. 评价结果
评价结果采用综合指数法计算得出。其中单项指
标安全指数值计算的模型为:
i
式中 Si为单项指标安全指数值,Yi为各指标的标准
值,Wi是各指标的权重。
土地生态安全压力、状态、响应三个系统安全指
数值及土地生态安全综合值计算的模型为:
指标 值;W准则层指
n为指标总数。
方法计算得出湖南省 2000~ 年土地
安全指数态安全指数, 应安全指
安全综,如表 4和图 2所示。
指数反映力的 小,指数
越小, 大;系统状态安全指数反映安
数越大,状态越好;系统响应 全指数反
活动不利 人类生存发展 生态环境
和改进所 得的效果,指 越大越安
合指数表示个土地生态系 的安全情
安全。
Table 3. The chart of land ecological security rating of Hunan Province
湖南省土地生态安全评价等级
ristic
化映社会和人类

1
ii
n
i
TYW



式中,Yi为第 i个 的安全指数i为
标的权重;
根据以上 2009
生态系统压力 ,状响
数及土地生态 合指数值
系统压力安全系统所承受压 大
压力越 系统生态
全状态,指 安
于 的
变化进行补救 取数
全。安全综 整统
况,指数越大越
ii
SYW
表3.
安全指数区间 Segment 评价等级 Degree 土地系统特征 Characte
(0, 0.2] 恶劣级 土地生态环境严重
抵抗
退化,不能满足基本的服务功能,生态环境恶化,
外界干扰能力极差,生态恢复和重建困难。
(0.2, 0.4] 风险级 土地
构有所退化,
(0.4, 0.6] 敏感级 土地
干扰
(0.6, 0.8] 良好级 土地生态系统受到
自我
(0.8, 1) 安全级 土地
土壤肥
生态系统受到较大的破坏,生态环境较恶劣,服务功能和生态结
抵 扰后容易发生生态灾害。
生态系统受 能维持,抵抗
的能力下降,受干扰后比较容易发生生态灾害。
轻微的破坏,但服务功能和结构尚好,受干扰后的
修复能
生态系
沃,
抗外界干扰的能力较差,受干
到一定的破坏,服务功能和生态结构尚
力较强,发生灾害的可能性较小。
统未受到明显的人类干扰,服务功能正常,生态结构完整,
基本无污染,很少发生灾害,无明显的生态问题。
Table 4. The results of land ecological se
表4. 200curity
0~2009年湖南省土地生态
年份 Year 压力安全指数 Pressure index 状态安全指数 Pressure index
evaluation of Hunan from 2000 to 2009
安全评价结果
响应安全指数 Pressure index安全综合指数 Comprehensive index
2000 0.3682 0.1109 0.0157 0.4948
2001 0.3005 0.0973
200.4522
0.409
0.2262 0.5193
0.5096
0.4828
0.0692 0.467
0.1000 0.4784
0.1588
0.1635
2002 0.2842 0.0940
03 0.2137 0.0797
2004 0.1533 0.0922
2005 0.1891 0.1041
2006 0.1531 0.1253
2007 0.1311 0.1221
2008 0.1374 0.1602
2009 0.0845 0.1696
0.2312
0.2295
0.2152 0.5128
0.2845 0.5386
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基于 P-S-R 模型的省域土地生态安全评价与趋势预测
Figure 2. The trend of land ecological secur
图2. 2000~2009年湖南省土地生
4、图 2可知,湖南省土地生态安全
级别较低
快,城市化水平
迅速发展,人均耕地面积逐年减少,人多地少矛盾越
来越突出。在城市化和工业化过程中,出现各种不合
土地生
环境系统所承受的压力在
后压力安全值的下降趋势相对前五年有所
的速度在于 的人口密
度相对前几年,人均耕地面 少的速度
及前五年大。各种污染物的排放强度及单位耕地面
的化肥负荷量相对前五年都有 少。
土地生 的响应安全值不断上升,这说明湖
南省各地区 积极采取措施 对生态环
污染进行治理和改善。主要体现在政府部门对环保
生事业的投资加大,对各 物的处理
加强,对生态自然区
发展对土地生态环境影响较小、经济
产
生态系统的状态安全值稳定上升, 因
是森林覆盖率的增大 环境质量有所提 均
GD 断增大,间减缓了对土地的压然
各地区各部门积极采取措施及政策治理和改善湖南
的土地生态环境,但 2000 年~2004 年 环
境所承受的压力过大 生态环境本身状态表现也
不是
2005 年较大,单位面积化肥
增加,而环保投资占GDP
产业产值占 GDP的比重却较低。因此
2004 年土 的压力明显增大,表
,响应
10 年
灾面积
面积
几乎是 2006
10 年内的最大值,
面积的比重是 10 年内的最大值,
且 。
4.2. 生态安全评价预测
利用以究计算得到的 2000~ 年湖南省土
地生态安全 指数作为原始数据,S中,运用
灰色系统方的 GM(1,1)模型对湖 2010~2019
年土地生综合值进行预测。 1,1)模型的
ity value in Hunan from 2000 to 2009
态安全值变化趋势
4.1.2. 结果分析 很乐观。响应安全值和压力安全值互相抵消之
后,综合安全值还是出现略微的下降,土地生态环境
稍有退化。而在 2005 年之后,由于系统所受压力和
人为响应的变化,综合安全值波动上升,生态环境不
断好转。总体而言,土地生态系统在承受较大系统压
力的条件下,综合安全值没有较大幅度的变动,主要
原因是系统的响应起到重要作用。
2) 从指标层面分析,2004 年人口密度为 319.2
人/km2,是10 年内的最大值。2004年人口增长率相
2000 年~2003 年以及
由表 3、表
,近 10 年来一直处于敏感级别。主要原因
是:人口多,人口密度大,人口增长
理的人类活动,对土地生态环境造成了越来越大的压
力。
1) 从准则层分析,土地生态系统的压力安全值一
直处于下降趋势,这说明在近十年内,湖南省 对
不断增大。自 2005 年以 负荷较前几年也出现明显的态
好转,下降 的比重、第三
减小。这主要是由 2005 年之后
有所下降积减不 现为压力安全值降低,系统响应变化并不明显
积 安全值几乎没有变化,最终使得综合安全值是
内的最低值。
等增加 所减
态系统
各部门和政策境 于单位耕地面积化肥负荷以及成灾面积占受
卫
不
的比重是 10 年内最大的,2007 年农业干旱受灾
为12,600 km2,成灾面积为9440 km2,
力度不断 种污染
断保护的重视度提高,以及积极年的 4~5倍,虽然受灾面积并非
效益较高的第三但成灾面积占受灾
业等。
土地 主要原
,生态 升。地
P的不 接的力。虽
是由于 ,生态
,土地
地生态环境系统所承受
2007 年生态安全值为后五年的最低值,主要是由
明显高于前 10年。且在2007 年人口增长率也较大
上研 2009
综合在 DP
法中 南省
态安全 GM(
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基于 P-S-R 模型的省域土地生态安全评价与趋势预测
Figure 3. The trends of land ecological security in Hunan from 2010 to 2019
本形式为
图3. 2010~2019年湖南省土地生态安全变化趋势
 
01
x
kazkb
[14],其中, 基
  

111
1
2xk 1
1
zk xk,

x
k为

0
x
k的一次累
加序列,z1为x1的紧邻均值生成序列。根据已知序列
可计算得出

0
x
k的时间响应序列
 
10
11 ak
bb
xk xe
aa


 


[14]。根据 GM(1,1)模型
预测可得出湖南省土地生态安全值序列











0.4948, 0.467, 0.4784,,0.5386 
的预测公式为:

0.058973
1 0.581640.61375
t
xt e

 ,
精确度检验值为C = 0.4992好;p = 0.8889好。结果
显示 2010~2019 年湖南省土地生态安全综合指数仍呈
现上升趋势(图3)。
由图 3可知,虽然目前湖南省土地生态环境安全
级别较低,生态环境质量处于敏感状态,但从预测可
以看出具有较大的发展潜力。若湖南省各地区各
00 000
1, 2, 3,,10Xx xxx
政府
部门
来近 10 年,湖南省土地生态环境就会进
入良
测。结果表明,近 10 年来,湖南省土地生态安全处
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继续努力减少生态环境所承受的各种压力,积极
应对和预防生态环境问题,对生态环境可能出现的问
题采取“预防为主,防治结合”的方针,在生态环境
承载力范围之内努力发展经济,提高人们的生活水
平。在环境承载力范围之内实现“减少生态环境压力,
提高生态环境防治,积极发展社会经济”同步进行,
那么,在未
好甚至安全级别,继而形成土地生态环境的良性
循环。
5. 结论
本文运用 P-S-R模型研究了 2000~2009 年湖南省
土地生态安全状况,并在此基础上进行了分析和预
于敏感级别。响应指标在生态环境的恢复和重建方面
起主要作用,尽管政策响应越来越强,但生态环境压
力强度仍然较大,且有增强趋势,使土地生态安全状
态呈现出波动状态。虽然当前湖南省的土地生态安全
性处于较低状态,但未来10 年具有较大的发展潜力。
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