中国科学院成都生物研究所, 成都 610041
2016年05月30日 收稿; 2016年08月29日 收修改稿
基金项目: 中国科学院“****”项目、四川省“****”项目和四川省青年科技创新团队项目（2015TD0026）资助
通信作者: 陈槐, E-mail:chenhuai@cib.ac.cn
摘要: 采用大数据方式，通过对Web of Science核心平台全球变化研究数据进行文献采集、存储、挖掘和关联分析，探究全球变化领域的研究趋势、研究力量、学科布局以及领域的重点与热点。该领域在此平台共检索到145 849篇论文，年发文量总体呈快速增长趋势。美国在发文量、总被引频次上远远超过其他国家，中国科学院以5 815篇发文量在所有研究机构中排第一。全球变化研究主要分布在环境科学与生态、地学、气象学与大气科学等学科。全球变暖、温室气体效应、碳氮循环、生物多样性保护、可持续发展等为该领域主要研究内容。遥感、卫星、模型、GIS等是主要研究手段。
关键词: TDA生态学全球变暖碳氮
Big data analysis of status and trends of global change research
MAO Ping, HUANG Dongxiao, WANG Yuhua, ZHOU Hua, WANG Haiyan, CHEN Huai
Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China
Abstract: To investigate the develop trends and the hot spots of the global change research, we used TDA analyzer to data mining based on WOS (Web of science) core collection database. We found that the annual number of publications increased rapidly in recent years, and a total of 145 849 papers were published in this field. The numbers of publications and citations in USA were far higher than those in other countries. However, the Chinese Academy of Sciences published 5 815 papers and was in the first rank of all the institutions. The research areas in the global change are mainly in environmental science and ecology, geography, meteorology, and atmospheric science, focusing on global warming, greenhouse gas effect, carbon and nitrogen cycle, biodiversity conservation, and sustainable development by using remote sensing, satellites, models, and GIS.
Key words: TDAecologyglobal warmingcarbonnitrogen
“全球变化”这一术语旨在概述地球环境中与自然和人类引起的变化有关的一系列全球问题及相互作用，是指由自然和人文因素引起的地球系统功能的全球尺度的变化，包括大气与海洋环流、水循环、生物地球化学循环以及资源、土地利用、城市化和经济发展等的变化[1-3]。整个人类社会如何应对全球变化、实现可持续发展, 是当前人类社会发展面临的重大挑战。在立足国际和区域平衡发展的前提下，通过加强科学研究，尤其是大科学计划、大数据研究来减少全球变化认识的不确定性，依靠科技进步是当前国际上积极应对全球变化挑战的主要途径。在过去几十年里，国际科学界对全球变化研究不断深化，定量定性分析地球大气、气候、海洋、陆地、水文等的时间与空间多尺度科学信息，开展全球环境变化及其后果的科学知识、科学评估与科学对策的关键技术研究。“全球变化研究计划”是国际上著名的大科学计划，是地球科学、环境科学、生命科学、社会科学和计算科学等多学科交叉研究，主要包括的研究问题为全球气候变暖、海平面上升、森林砍伐、土地退化、荒漠化程度增加、全球水资源及其他问题(淡水资源缺乏、生物多样性锐减、臭氧层空洞等)[1-7]。
科学大数据类型多种多样，且时间序列超长。海量数据、多源数据的采集、存储、挖掘和关联分析引起科学界关注。在“大数据、大科学、大发现”的科学大数据研究思路下，面向全体数据、重视相关关系、接受多样化以及延伸实验结果，将科学大数据通过数据工具统计分析、运算与图解，转化为揭示科学内涵的研究，及时、低成本地从大数据中发现新知识、洞察价值、创造价值，并基于价值的数据、信息提供新层次知识产出，实现“从数据到信息、从信息到知识”[3, 8-13]。
科学知识的产出和分布是了解全球关于这一科学领域的研究情况的重要指标，已经成为对某一学科领域主题进行科学计量分析的重要组成部分。通过科学知识的产出与分布进行研究，能够反映科学前沿的发展动态。本研究利用美国科学信息研究所科学引文索引和社会科学引文索引数据库，利用TDA数据分析工具(Thomson data analyzer)，对全球变化研究文献大数据进行统计分析，了解本领域的学科发展态势[14-15]。
1 数据来源与研究方法在美国科学信息研究所(Institute for Scientific Information, ISI)的Web of ScienceTM Core Collection检索平台，以主题=“全球变化”作为检索式，在SCI-EXPANDED, CPCI-S, CCR-EXPANDED, IC数据库中检索1986—2015年近30年间全世界“全球变化”研究文献，检索日期为2016年4月28日。以检索到的145 632条研究文献作为研究对象，利用TDA和Excel进行统计分析，了解国际全球变化研究领域的学科发展趋势、学科布局、研究力量分布、关键领域及热点问题，把握国际全球变化研究态势。
2 结果与分析2.1 全球变化研究趋势随着全球环境变化(Global Environmental Change, GEC)四大计划陆续制订并实施，世界气候研究计划(World Climate Research Programme，WCRP，1980年)、“国际地圈生物圈计划”(International Geosphere-Biosphere Progamme，IGBP，1986年)、国际全球环境变化人文因素计划(International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change，IHDP，1990年)和国际生物多样性计划(An International Programme of Biodiversity Science，DIVERSITAS，1991年)，以及各国政界首脑签署的《联合国气候变化框架公约》(1992年)、《京都议定书》(1997年)、《哥本哈根协议》(2009年)和《巴黎协定》(2016年)，标志着全球各界对“全球变化”这一全球性问题展开全面的联合研究和共识缔结[7, 16]。在各国政府重视以及国际合作研究的开展下，近30年间全球研究年发文量激增，除1996年发文量略有下降外，其余每年论文均呈直线上升趋势，其中1991年论文年增长率接近150%((739-296) /296×100%)。从1986年28篇开始，1995年首次突破千篇，2011年首次突破万篇，到2015年共计17 880篇。2006—2015期间，近10年论文年发表量增长速率超300%((17 880-4 448) /4 448×100%)，详见图 1(备注：2016年未完成，数据不完整，因此全文不作统计)。
Fig. 1
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图 1 1986—2015年全球变化研究发文及引文趋势图 Fig. 1 Annual trends of publications on the global change and total citation times from 1986 to 2015 | |
评价当年论文活跃度不仅要考虑当年发文量，还要考虑论文被引频次。当年论文被引频次高，说明在某种程度上，当年论文总体质量高或者单篇论文质量非常高或者某篇论文开拓了一个全新的领域具有非常好的代表性，被后面年份引用次数多，影响力高。全球变化研究论文总被引频次在2010、2008和2009年分别为242 416、242 107和239 331次，在近30年论文总被引频次位列前3位，说明此3年论文极具代表性或者影响力普遍较高。
2.2 全球变化研究力量分布对开展全球变化研究论文所属的国家、机构以及研究人员进行统计分析，可以帮助明确该学科的研究力量分布、现状和影响力。表 1列举全球变化研究领域论文发表量排名前20的国家、机构和作者以及其论文总被引频次。
Table 1
 表 1 全球变化研究论文发表量位居前20位的国家、机构和作者及其被引频次Table 1 Top 20 most prolific countries/institutions/authors of global change papers and their cited times
| 表 1 全球变化研究论文发表量位居前20位的国家、机构和作者及其被引频次Table 1 Top 20 most prolific countries/institutions/authors of global change papers and their cited times | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
美国以超过第2~4位英国、中国和德国发文量总和的论文量排名国家第一，其论文总被引频次是第2名英国的2.5倍。中国科学院以论文超过5 000篇排名机构第1位，第2~20位机构发文量在1 000~2 000篇之间。机构论文总被引频次排名第一的是美国国家海洋和大气管理局。西班牙最高科研理事会研究人员Josep Penuelas在按论文量排序中以185篇论文位居研究人员首位。
2.2.1 主要国家共有217个国家/地区开展全球变化研究，占全球229个国家/地区的94.76%。从发文数量看，排名前6位国家论文数量均超过10 000篇，分别为美国、英国、中国、德国、澳大利亚和加拿大(表 1)，论文总量占全球变化研究论文总数的79.15%。美国以47 222篇遥遥领先其他国家，是排名第2位英国发文量(19 511篇)的2.42倍，说明美国在该领域占据主导地位，具有较强实力；中国排名第3(13 563篇)。1986—1995年(前期)、1996—2005年(中期)和2006—2015年(后期)这3个10年阶段相比，各国的发文量均急剧增长(图 2)。美国同期均领先于同期各国。西班牙增速最快，其中，中期是前期的25倍，后期是中期的13倍。中国增长非常显著，后期10年论文量较中期10年翻了13倍，中期10年论文量较前期10年翻了24倍(图 2)。论文被引频次方面，美国以总频次1 524 976次位居第1位，是第2~5位国家总被引频次之和；美国、英国、法国、荷兰、瑞典和丹麦论文篇均被引频次超过30次，在论文被引方面表现非常突出。中国虽然发文量居第3位，但是论文总被引频次排在第10位，篇均被引频次排名第20位。目前中国有30.53%的论文(4 141/13 563) 未被引用，论文未被引用率在前20位国家中仅低于印度31.34%(997/3 181)，而其他欧美发达国家此数据基本在10%~15%(平均数为12.3%)。以上说明中国在论文数量上虽居高不下，但是论文的影响力较欧美国家有所欠缺，有待加强。
Fig. 2
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图 2 近30年TOP 20发文国家10年阶段趋势图 Fig. 2 Top 20 countries of global change research papers from 1986 to 2015 | |
通过对排名前20不同国家间的合作网络(基于节点相似度大小判断)进行分析(图 3)，可以看出在整个合作网络中，英国的中心性较高，分别与6个国家有直接、较紧密合作关系(0.25~0.5)，表明其与世界上最广泛的国家建立了合作关系。英国与荷兰、法国、德国以及北欧4国之间均有较紧密联系(0.25~0.50)。美国与加拿大、巴西建立了较紧密联系(0.25~0.5)。中国、南非、印度、日本、澳大利亚等国家间合作以及其与欧美国家之间合作均很少(＜0.25)。
Fig. 3
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图 3 发文量前20国家研究合作关系网络 Fig. 3 Corporation network of top 20 countries on global change research | |
2.2.2 主要机构据统计，本领域发表SCI论文数量排名前20位的研究机构中(表 1)，中国科学院以发文量5 815篇高居榜首，表明中国科学院在全球变化研究方面取得了较好的成果。中国有且仅有中国科学院一个机构入围。有11个机构属于美国，包括国家级研究机构和大学，说明美国参与本研究领域的研究机构和人员众多，活跃程度较高。英国牛津大学和剑桥大学均上榜，澳大利亚的昆士兰大学和澳洲国立大学也在前20位。从图 4分析发文量排名前10位的研究机构可以看出全球变化研究发展的一定趋势。在1996—2004年间，各机构研究起步低，发展较为缓慢，各机构年发文量均低于100篇，2005年机构年发文量首次突破百篇(中国科学院2005年发文量122篇)。中国科学院独领第一，2015年发文量是2011年的近3倍，是第2位美国地质勘探局的近4倍。其他机构之间差距非常小，且增长速率较缓慢，近5年间各机构年发文量在100~200篇之间。
Fig. 4
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图 4 近20年排名前10位机构年发文趋势图 Fig. 4 Publication tendency of top 10 institutions on global change research from 1996 to 2015 | |
在论文总被引频次方面, 美国国家海洋和大气管理局、美国国家大气研究中心和美国加州大学伯克利分校排名前3位，都在75 000次以上，这3个机构论文发表总数却不高。其中美国国家海洋和大气管理局总发文量为1 604篇，论文总被引频次高达83 381次；美国国家大气研究中心总发文量仅1 108篇，论文总被引频次高达77 757次，反映它们论文平均水平较高，认可度较高。在论文篇均被引频次方面，美国国家大气研究中心、美国国家航空航天局、美国国家海洋和大气管理局和英国剑桥大学均超过50次，说明其发表的论文及其科学研究影响力较高，得到科学界普遍认可与引用传播。虽然发文量排名第1，但是中国科学院论文总被引频次排名第3，篇均被引频次仅有13次，在前20位机构中排最末。中国科学院论文未被引用率为23.77%(1 382/5 185)，在排名前20的机构中是唯一超过20%的机构，其他机构论文未被引用率在10%~13%(平均数为12%)。
发文量排名前20位不同机构间合作网络图(基于节点相似度大小判断)见图 5。美国国家航空航天局与哥伦比亚大学、美国国家航空航天局与科罗拉多大学之间的合作非常密切(0.25~0.5)；与美国国家海洋和大气管理局、美国国家大气研究中心、美国国家航空航天局、美国林务局等7个美国机构间合作较为密切，加州大学戴维斯分校和伯克利分校之间、澳大利亚国立大学和昆士兰大学之间合作较为密切(＜0.25)。排名前20位非美国机构，如中国科学院、牛津大学、剑桥大学、法国国家科学研究院等各机构之间合作非常少。
Fig. 5
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图 5 发文量前20机构研究合作关系网络 Fig. 5 Corporation network of top 20 institutions on global change research | |
2.2.3 主要研究人员西班牙最高科研理事会研究人员Josep Penuelas、法国国家科学研究院研究人员Philippe Ciais与Wilfried Thuiller、苏格兰阿伯丁大学研究人员Pete Smith与美国俄克拉荷马大学骆亦其教授等15位研究人员发表全球变化研究论文均超过百篇，其中Josep Penuelas最高，共发表 185篇。美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校研究人员F. Stuart Chapin Ⅲ、瑞士洛桑大学研究人员Antoine Guisan、西班牙最高科研理事会研究人员Miguel B. Araujo等5位研究人员论文篇均被引次数超过100次影响力非常高。
发文量排名前20位研究人员间合作网络图(基于节点相似度大小判断)见图 6。法国国家科学研究院研究人员Philippe Ciais与北京大学城市与环境学系教授朴世龙合作非常密切(＞0.75)。Philippe Ciais、朴世龙与美国俄克拉荷马大学骆亦其教授、西班牙最高科研理事会研究人员Josep Penuelas、加拿大魁北克大学教授彭长辉五者之间的合作较为密切(＜0.25)，使美国、西班牙、加拿大、中国所属机构间交流频繁，学术氛围浓厚。法国国家科学研究院研究人员Wilfried Thuiller与西班牙最高科研理事会研究人员Miguel B. Araujo和瑞士洛桑大学研究人员Antoine Guisan合作密切程度较高(0.25~0.5)，Miguel B. Araujo与澳大利亚阿得雷德大学研究人员Barry W. Brook、丹麦奥尔胡斯大学研究人员Jens-Christian Svenning和瑞典洛桑大学研究人员Antoine Guisan之间合作较为密切(＜0.25)。
Fig. 6
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图 6 发文量前20研究人员合作关系网络 Fig. 6 Corporation network of top 20 researchers on global change research | |
2.3 全球变化研究学科布局2.3.1 主要载文期刊学术期刊是研究成果发表的有效途径，通过对某领域研究论文所在期刊的分布进行分析可以确定该领域的核心期刊，为读者提供相关指导，指导作者投稿，并为该领域研究者对该领域相关文献的搜集和管理提供一定的依据[17]。全球变化研究载文期刊近万个(9 664个)，有174个期刊名包含Change，载文量超过1 000篇的有13个期刊。前10的期刊中，有6份来自美国，3份来自英国，1份来自荷兰；有6份期刊为本领域学科性专业期刊，跟气候变化、全球变化生物学、地球大气、能源政策等方面相关。另4份为综合型研究期刊，其中Nature (2015年影响因子为41.456)、Science (2015年影响因子为33.611) 和Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (简称PNAS)是全球非常著名的顶级期刊。载文量排名前3的期刊分别是Climatic Change (2 550篇)、Global Change Biology (2 544篇)和Plos ONE (2 386篇)，详见表 2。
Table 2
表 2 全球变化研究发文量前10期刊Table 2 Top 10 journals by the numbers of papers on global change
| 表 2 全球变化研究发文量前10期刊Table 2 Top 10 journals by the numbers of papers on global change |
2.3.2 主要学科主题来源学科分布情况能够从宏观层面反映出研究主题在研究过程中所用到的基础理论和方法以及其应用范围。对收录期刊采用的学科分类分析全球变化研究领域的分布(图 7) (注：有些期刊隶属多个学科)。结果表明，全球变化研究共涉及141个不同学科。环境科学与生态、地学、气象学与大气科学、工程学和自然地理研究领域这5个学科领域发文量超过10 000篇，覆盖本领域发文量的68%。水资源、科学技术、农业、水生生物学和能源学发文量紧随其后。
Fig. 7
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图 7 全球变化研究前20学科领域分布(单位：%) Fig. 7 Percents of papers on global change research by research areas (unit:%) | |
2.4 全球变化研究重点与热点2.4.1 高影响力论文文章的被引频次在很大程度上反映了人们对某个领域研究的关注，可以显示科学论文在科研过程中被传播、被使用和受重视的程度以及在学术交流中的作用和地位，当前的科研产出评价中被引频次被越来越多地纳入考核指标之一[14]。全球变化研究的145 849篇发文的总被引频次为3 164 070次，篇均被引频次为21.69次，未被引用论文率为21.75%(31 717/145 849)。表 3给出所有年份总被引用频次最多的前10篇全球变化研究论文。其中，被引频次最高的1篇论文共被引用3 953次，是意大利罗马第一大学所作关于纳米材料在能源储存的开发与应用方面的研究论文。这10篇文章中有5篇为综述，分别是第1、4、8、9、10篇。高被引论文主要是在宏观生态学研究，包括气候变化下生态系统模型研究、生态系统响应全球变化、生态研究模式及尺度、物种分布及生物多样性预测等相关主题。这些主题是多年来生态学研究的经典研究主题，该领域有影响力、有开拓性的研究成果，对后来研究者具有较好的引导性。表 4给出近5年来总被引频次最多的前10篇本领域研究论文，2012年美国研究人员Karl E. Taylor发表的论文被引次数2 294次，排名第1位。这10篇文章中有3篇综述。近5年高被引论文涉及全球气候变化研究与物种分布模型、土壤有机碳、生物炭、黑炭等碳循环在生态系统中的影响作用、全球粮食安全及农业系统优化、集约化措施等方面。从论文被引角度分析，这些主题应是全球变化研究领域新近热点与重点，围绕这些方面主题研究人员开展了较多相关性、衍生性的工作，值得重视。
Table 3
表 3 1986—2015年全球变化高影响力论文前10Table 3 Top 10 highly cited papers on global change research from 1986 to 2015
| 表 3 1986—2015年全球变化高影响力论文前10Table 3 Top 10 highly cited papers on global change research from 1986 to 2015 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Table 4
表 4 近10年全球变化高影响力论文前10篇Table 4 Top 10 highly cited papers on global changes research from 2006 to 2015
| 表 4 近10年全球变化高影响力论文前10篇Table 4 Top 10 highly cited papers on global changes research from 2006 to 2015 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.4.2 热点领域主题词是论文主要内容的概括，能鲜明而直观地表达文献论述或表达的主题，反映研究的内容、方法、地域等。一个关键词出现的频次等于具有该关键词的学术论文数，一个关键词出现的频次越高，相关的研究成果数越多，研究内容的集中性就越强，相关主题被关注的程度越高，从高频关键词的分布可以看出研究的热点。
通过对全球变化研究主题词(基于文献关键词)词频进行统计，并根据关键词的含义手工清理同义词及不相关词，对关键词进一步筛选。表 5最终确定表征全球变化研究1990—2015年间各领域各时间段最受关注的研究主题词和新出现的主题词(排名前10位)。1990—2000年间出现最受关注的主题词为二氧化碳、全新世、光合作用、可再生能源、生物多样性、氮、甲烷、遥感、北极、温室气体等；2001—2005年间新出现的主题词有干旱、花粉、碳汇、硅藻属、古气候、模型、碳循环、氮、碳、稳定性同位素等；2006—2010年间新出现的主题词有可持续性、农业、中国、生物量、生物地理学、土地利用、火、恢复力、物种入侵、GIS等；2010—2015年间新出现的主题词有生命周期评估、生态系统服务、粮食安全、海洋酸化、水文学、降雨量、表型可塑性、富营养化、一氧化二氮、MODIS等。全球变暖、温室气体效应、碳氮循环、生物多样性保护、可持续发展等为本领域主要研究内容，遥感、模型、GIS和MODIS是主要研究手段。图 8为出现频率排名前30位关键词的年代趋势图，能很清楚了解该关键词的出现年代以及活跃年份。图表分析说明全球变化研究所涉及的内容在不断拓展，研究所涉及的全球变化内涵因子也在不断丰富。
Table 5
表 5 1990—2015年间全球变化最受关注的研究主题词和新出现的主题词(前10)Table 5 Top 10 research hotspots on global change research from 1990 to 2015
| 表 5 1990—2015年间全球变化最受关注的研究主题词和新出现的主题词(前10)Table 5 Top 10 research hotspots on global change research from 1990 to 2015 |
Fig. 8
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图 8 全球变化研究排名前30关键词与年份关联图 Fig. 8 Bubble chart of annual top 30 keywords of global change research | |
3 结论与讨论本文利用大数据方式研究发现，全球变化领域发文量总体呈快速增长趋势。美国在发文量、总被引频次、排名前20研究机构数量、合作国家数量等多个指标远远超过其他国家，表明其在本领域综合实力遥遥领先。研究方向主要分布在环境科学与生态、地学和气象学与大气科学方面。高被引论文主要是在宏观生态学研究，包括气候变化下生态系统模型研究、生态系统响应全球变化、生态研究模式及尺度、物种分布及生物多样性预测、碳氮循环、粮食安全等相关主题。全球变暖、温室气体效应、碳氮循环、生物多样性保护、可持续发展等为本领域主要研究内容，遥感、模型、GIS是主要研究手段。
中国全球变化研究发展迅速，发文量已居全球第3。但在总被引频次、篇均被引频次、论文被引用率及前20位研究机构数量、国际合作情况表现均在20位中后。中国科学院机构发文量第1，但其论文质量与影响力指标偏低，有待进一步提高影响力。在全球化的今天，中国科研机构及科研人员在应更加积极和主动地参与到国际研究合作、开展国际交流中，聚焦全球变化研究重要领域，结合自身优势，开展原创性研究，从国际“跟跑或并行”逐步实现国际“领跑”，为中国，亚洲乃至全球有效减缓和适应全球变化提供强有力的科技支撑。
中国作为农业大国，近年来在农业发展过程中，通过推行法律法规、制订国家计划、发展农田水利建设、推进生物育种技术以应对全球变化影响效应[18]。中国政府及****应当共同思考与行动，应对全球变化挑战。第1层，****通过加强各种层次科学研究，努力识别全球变化发生机理及响应措施；第2层，科学界和政府适时向公众传达研究成果、科普行为法则使其正确应对全球变化以及通过自身行为规范减弱对生态和社会影响；第3层，科学家和机构组织与政府合作，从地方到国家层面，制定和实施政策和法规，减缓全球变化。第4层，科学界和政府与国际机构和国际社会建立并实施国际性联合公约，推动全球变化发展与保护机制[19]。全社会应在以发展经济为主要目标的当前，在可持续性科学的指导下，解决人口压力、自然资源稀缺性、环境价值的保护、社会平等和均衡发展等矛盾问题，引导人民改善和恢复地球生态环境，优化人类生产和生活方式，促进能源结构向可再生能源战略转变，维护国际与区域间人类社会和谐发展；从而实现经济发展和环境保护平衡，实现以人类福祉为发展目的，实现人与自然、人与人、人与社会和谐共生、良性循环、全面发展、持续繁荣目标，进入可持续发展的生态文明境地[20-22]。
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