这是一篇资源与环境经济学工业经济博士论文代写范文,清洁能源转型;铜全产业链;驱动机理;碳排放预测;脱碳路径;冶金工业;环境科学与资源利用;工业经济为研究论点。本研究重点探究太阳能电池、风力涡轮机、新能源汽车动力电池和电机技术进步,以及聚光太阳能技术、5G 技术、特高压电网等新兴技术涌现对铜需求和产业链各环节产量带来的影响。
目录
摘要
abstract
1.1 研究背景
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摘要
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第1章 绪论
1.1 研究背景
碳锁定效应的是指以化石燃料技术为基础的能源系统对未来经济社会低碳转型的限制[19]。金属行业是我国二氧化碳的主要排放源之一,2022 年金属行业碳排放量约占全国碳排放总量的 20% 。金属矿产资源的选冶流程长且工艺复杂,呈现出高耗能和高排放属性,金属产业链各环节生产技术已经历经数百年的发展历史,成熟的技术范式难以实现颠覆性变革,一定程度上具有技术锁定效应,导致铜[20]、铁[21]、铝[22]、镍[23]、稀土[24]等金属产业链各环节均具有强烈的碳锁定效应[25]。其中,关键金属铜全产业链供给环节包括采矿、选矿、熔炼、吹炼、精炼、加工、制造和回收等多个复杂性工艺流程,各环节均需消耗大量化石能源和电能,且中国仍以高耗能高排放的火法冶金工艺作为主导的技术路线[20, 26]。此外,中国铜矿资源禀赋不佳,随着矿石品位持续下降和矿物细粒化,能源投入将进一步增加,导致铜全产业链碳排放量持续上升,占全国碳排放量的份额大幅提高[27-29]。在关键金属铜需求强劲和产业链各供给环节高碳工艺占主导的双重因素叠加下,铜全产业链碳排放的攀升将大大削弱清洁能源技术的碳减排潜力[30],推动关键金属铜全产业链低碳转型对于全面实现碳中和具有现实紧迫性。

1.2 研究意义
本研究紧紧围绕能源-金属系统关联的理论视角,(1)基于高分辨率的“部门-产品-组件”动态物质流分析(MFA)和生命周期评估(LCA)方法,构建了广度宽、精度高的多系统多尺度多环节铜全产业链碳排放核算框架。(2)将对数平均迪氏指数法(LMDI)和生产理论分解分析法(PDA)相结合,从供需协同的角度剖析了铜全产业链碳排放的影响因素及其驱动机理,既量化了人口规模、经济增长、终端产业结构和用铜技术迭代等需求侧因素的拉动作用,又凸显了能源结构转型、生产用能技术变革、能源使用效率提升等供给侧因素对铜全产业链碳排放的影响,拓展了关键金属全产业链碳排放驱动机理研究的相关理论。(3)集成动态物质流存量驱动模型和生命周期评估模型,针对需求侧和供给侧分别设定经济社会发展、技术变革和资源效率多维度高分辨率关键参数情景,构建铜全产业链碳排放趋势预测和脱碳路径实施效果模拟的集成性模型,可以有效捕捉不同经济社会发展情景下铜全产业链碳排放趋势,精准量化技术变革和资源效率路径的脱碳效果,克服了传统碳排放趋势和碳减排路径研究对经济社会、技术、市场等关键参数进行简单线性设定的不足,为关键金属全产业链碳排放趋势和脱碳路径研究提供了集成性模拟工具。总体而言,本研究为清洁能源转型下关键金属碳排放的相关研究提供了可供借鉴的理论基础和方法框架。
1.3 文献综述
近年来,金属资源碳排放的研究逐渐从特定阶段扩展到全生命周期的各个阶段,同时将采选环节、冶炼环节、制造环节和回收环节纳入研究范畴,构建产业链视角下的金属资源碳排放综合核算框架[45, 46]。在方法上,国内外学者将LCA 与物质流分析(MFA)相结合,有利于高精度地量化物质材料全生命周期各阶段的碳排放[47-49]。LCA 可以细化和量化全生命周期各阶段物质投入和产出的清单,衡量单位金属生产的碳排放量,即碳排放强度;MFA 可以清晰地刻画采选、冶炼、制造、使用和回收过程的金属供需,通过将铜全生命周期各阶段的产量与碳排放强度相乘后加总核算出铜全生命周期碳排放总量。LCA 和 MFA结合有利于精准地量化金属全生命周期各阶段的碳排放量,广泛应用于金属资源全生命周期碳排放核算[50-54]。
1.4 研究内容、研究方法与技术路线
第 1 章,绪论。首先,介绍研究背景和意义。其次,对金属行业碳排放核算、金属行业碳排放影响因素研究、金属行业碳排放预测和碳减排路径研究三个方面的文献进行梳理并展开评述,为本研究的开展提供了理论方法支撑。最后,详细介绍本研究的逻辑思路、内容、方法和技术路线,并提炼主要创新点。第 2 章,概念界定、理论基础和理论模型。首先,界定清洁能源转型、关键金属、铜全产业链碳排放、产业脱碳发展等核心概念。其次,介绍与本研究息息相关的资源供需与均衡理论、环境库兹涅茨曲线理论和低碳经济理论及其在本研究中的应用。最后,在归纳总结关键金属全产业链碳排放影响因素的基础上,分析清洁能源转型如何从需求侧和供给侧双轮驱动关键金属全产业链碳排放,构建清洁能源转型下关键全产业链碳排放驱动机理的理论模型。第 3 章,铜全产业链历史碳排放核算研究。首先,基于动态物质流分析(MFA)和生命周期评估(LCA)分别构建铜需求和产业链各环节产量、碳排放强度(单位铜产量的碳排放)和碳排放总量核算框架。其次,采用自上而下和自下而上相结合的方法核算发电侧、输配电侧、用电侧传统和新兴应用领域铜需求,遵循物质守恒定理推算铜产业链各环节产量,围绕原生铜火法冶金、原生铜湿法冶金和再生铜冶炼三条技术路线核算铜全产业链碳排放强度,在产量和碳排放强度核算的基础上,通过将铜产业链各环节相应的产量和碳排放强度依次相乘后相加,核算出铜全产业链历史碳排放总量。最后,厘清铜全产业链物质循环和碳排放历史演变过程,分析铜全产业链碳排放现状和存在的问题。第 4 章,铜全产业链碳排放驱动因素及机理研究。首先,定性分析清洁能源转型下铜全产业链碳排放影响因素的作用机理。其次,构建对数平均迪氏指数法(LMDI)和生产者理论分解分析法(PDA)相结合的铜全产业链碳排放影响因素分解模型。最后,运用影响因素分解模型将铜全产业链碳排放影响因素分解为人口规模、经济增长、终端产业结构、终端用铜技术迭代等需求侧因素,以及能源结构、潜在能源强度、能源使用效率、节能技术进步、铜生产技术效率、铜生产技术进步和铜产业结构等供给侧因素,并分析各影响因素对铜全产业链碳排放的驱动效应和机理。第 5 章,清洁能源转型下铜全产业链碳排放趋势预测研究。首先,基于动态物质流存量驱动模型构建铜需求和产业链各环节产量预测模型,基于生命周期评估模型构建铜全产业链碳排放强度预测模型,通过模型集成构建铜全产业链碳排放趋势预测模型。其次,结合清洁能源转型的现实背景,针对需求侧设置人口规模、传统和新兴用铜产品人均存量和市场渗透率等经济社会发展相关的关键参数情景,针对供给侧设置矿石品位、能源结构等经济社会发展相关的关键参数情景,并将供需双侧关键参数情景进行组合。最后,采用情景分析法预测铜需求和产业链各环节产量以及碳排放强度,通过整合各情景组合下铜产业链各环节产量与碳排放强度,综合研判不同经济社会发展模式下中国铜全产业链碳排放趋势,并与现有研究结果进行对比分析和交叉验证。第 6 章,清洁能源转型下铜全产业链脱碳路径研究。首先,在第五章铜全产业链碳排放预测模型的基础上嵌入脱碳路径关键参数,构建铜全产业链脱碳路径实施效果模拟模型。其次,从供需双侧的技术变革和资源效率维度设计脱碳路径,围绕技术变革路径设置终端用铜技术迭代、铜冶金技术路线变轨等关键参数情景,围绕资源效率路径设置产品寿命、密集型使用和生产用能技术效率等关键参数情景,并供需双侧关键参数情景进行组合。最后,采用情景分析法模拟铜全产业链供需双侧技术变革和资源效率单一和组合脱碳路径实施效果。最后,量化碳中和目标下中国铜全产业链碳排放预算,通过对比不同脱碳路径下铜全产业链碳排放模拟结果和碳排放预算量,识别最优脱碳路径。第 7 章,研究结论与政策建议。本章主要对全文内容和研究结论进行回顾和总结,并且根据研究结果有针对性地提出政策建议,提出本研究的局限性以及对未来研究的系列展望。
2.1 概念界定
清洁能源是根据能源使用过程的环境影响衍生出来的概念,包括水能、太阳能、风能、生物质能、氢能、地热能、海洋能、潮汐能、波浪能等可再生能源和核能[179]。清洁能源主要具备以下几个优点:清洁环保,清洁能源使用过程中较少或几乎不排放损害生态环境的污染物;可再生,除核能以外,其他清洁能源均可再生,分布广泛,具备长久供应潜力;应用灵活,清洁能源产业以因地制宜为布局准则,既可以大规模集中式开发,又可以小规模分散式利用。“能源转型”一词最早出自 1980 年德国科学院出版的报告《能源转型:没有石油与铀的增长与繁荣》。在初期,能源转型被狭义地理解为可再生能源发展和能源效率提升。纵观人类能源发展史,历次能源转型不仅涉及技术的更新换代和利益关系的再调整,还表现为长期结构性变化。朱彤和王蕾[180]在《国家能源转型:德、美实践与中国选择》一书中提出,能源转型绝不仅仅是在现有能源系统的基础上单纯提高可再生能源或非化石能源比重,更重要的是能源体系的结构性变化,能源体系变革是能源转型的核心要求。书中对能源转型作出了如下定义:能源转型是由重大能源技术创新或原动机所推动的、伴随着能源系统深刻变革的一次能源结构长期变化过程。
2.2 理论基础
市场由供给方和需求方组成,经济学中供需平衡的实质是指市场上生产者供给的商品数量与消费者需求的数量一致的平衡状态,使供给与需求平衡的价格叫做均衡价格,即为需求曲线和供给曲线的交点。市场通过价格机制自动调节供给和需求,市场供给和需求共同决定商品的均衡价格和数量。当市场价格高于均衡价格时,会出现供过于求的情况,供应者将做出降低价格的策略,直到达到市场均衡点。当市场价格低于市场价格时,会出现供不应求的情况,供给者将提高产品价格,使市场价格趋于均衡点。当市场受到某个外部事件冲击时,供需平衡将会被打破和重构。假定供给不变时,需求增加会使需求曲线向右移动,供需曲线交点对应的价格提高,消费者为产品支付的价格也提高,市场交易量随之减少;假定需求不变,供给增加使得供给曲线向右移动,价格下降,市场交易量随之增加。当供给和需求同时发生变化时,需要通过具体分析两者变动的方向和程度,判定均衡价格和均衡数量的变化趋势。在完全竞争市场条件下,产品过剩和短缺都只是暂时的,最终会实现市场均衡[193, 194]。金属矿产是一种可耗竭的稀缺资源,金属产品供给量除了受市场价格和需求影响外,还受到矿产资源储量、资源勘探和开采技术、国际贸易等因素的约束,故金属矿产无法完全依靠市场机制达到供需均衡状态。金属是我国基础工业的重要原材料,市场需求量整体上逐年增大,产品价格随之升高,由于受到矿产供给能力、供给渠道的限制,金属产品供给量无法随着价格上升而增加,甚至由于地缘政治和突发事件等因素,出现供给下降的情形,金属产品市场均衡价格从整体上呈现上涨趋势。从短期来看,金属产品需求价格弹性较小,难以在短期内探索和发展金属替代品,故产业链下游企业需承受高额原材料成本。从长期来看,高价格导致的高额成本和低利润将倒逼下游工业主体开展技术创新和变更技术路线,促使价格高昂的金属品被替代,市场需求量随之减少,逐渐达成供需平衡稳态。
2.3 理论模型
关键金属全产业链碳排放可以分解为碳排放强度和金属产量1两个直接驱动因素[21]。碳排放强度表示产业链各环节生产单位金属产生的碳排放量,由供给侧因素决定;根据供需均衡理论,需求曲线的移动会引发价格变动,促使生产者调整生产行为,直到达到市场均衡,故产业链各环节的金属产量由其下游环节的金属需求和市场价格决定。总而言之,关键金属全产业链碳排放受供需两侧因素的共同影响(图 2-4)。在供给侧,碳排放强度的影响因素主要包括矿石品位、能源结构、能源使用效率、冶金技术路线和循环回收。矿石品位直接影响采选环节的碳排放强度,随着矿石开采量不断增加,全球矿石品位逐渐下降并呈现矿物细粒化趋势,金属矿产开采及其矿物加工的能耗和温室气体排放越来越密集[37, 200, 201] 。
第3章 铜全产业链历史碳排放核算研究
3.1 铜全产业链碳排放核算框架构建
3.2 铜全产业链历史需求和产业链各环节产量核算
3.3 铜全产业链历史碳排放强度和碳排放总量核算
3.4 铜全产业链历史累积物质循环和碳排放特征分析
3.5 本章小结
第4章 铜全产业链碳排放驱动因素及机理研究
4.1 铜全产业链碳排放驱动因素作用机理的定性分析
4.2 铜全产业链碳排放驱动因素分解模型构建和数据来源
4.3 铜全产业链碳排放驱动因素分解结果及分析
4.4 本章小结
第5章 清洁能源转型下铜全产业链碳排放趋势预测研究
5.1 铜全产业链碳排放趋势预测模型构建
5.2 供需双侧关键参数情景设置
5.3 铜全产业链碳排放趋势预测及结果分析
5.4 与现有研究的对比
5.5 本章小结
第6章 清洁能源转型下铜全产业链脱碳路径研究
6.1 铜全产业链脱碳路径实施效果模拟模型构建
6.2 供需双侧脱碳路径参数情景设置与组合
6.3 铜全产业链脱碳路径实施效果模拟与分析
6.4 本章小结
第7章 研究结论和政策建议
7.1 主要研究结论
7.2 政策建议
7.3 研究不足及研究展望
1.2 研究意义
1.3 文献综述
1.4 研究内容、研究方法与技术路线
1.5 主要创新点
第2章 概念界定、理论基础和理论模型
2.1 概念界定
2.2 理论基础
2.3 理论模型
第3章 铜全产业链历史碳排放核算研究
3.1 铜全产业链碳排放核算框架构建
3.2 铜全产业链历史需求和产业链各环节产量核算
3.3 铜全产业链历史碳排放强度和碳排放总量核算
3.4 铜全产业链历史累积物质循环和碳排放特征分析
3.5 本章小结
第4章 铜全产业链碳排放驱动因素及机理研究
4.1 铜全产业链碳排放驱动因素作用机理的定性分析
4.2 铜全产业链碳排放驱动因素分解模型构建和数据来源
4.3 铜全产业链碳排放驱动因素分解结果及分析
4.4 本章小结
第5章 清洁能源转型下铜全产业链碳排放趋势预测研究
5.1 铜全产业链碳排放趋势预测模型构建
5.2 供需双侧关键参数情景设置
5.3 铜全产业链碳排放趋势预测及结果分析
5.4 与现有研究的对比
5.5 本章小结
6.1 铜全产业链脱碳路径实施效果模拟模型构建
铜全产业链碳排放由需求侧的铜需求与供给侧的铜全产业链产量和碳排放强度共同决定,本章节从供需双侧技术变革和资源效率维度系统地设计铜全产业链脱碳路径,如图 6-1 所示。就技术变革路径而言,需求侧技术变革路径包括光伏、风电和新能源汽车用铜技术迭代,意味着光伏、风电、新能源汽车中铜强度低的用铜技术取代铜强度高的用铜技术。不同光伏太阳能电池技术的铜强度存在差异,基于碲化镉(CdTe)、碳化硅(c-Si)、非晶硅(a-Si)、铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池的光伏发电系统铜强度依次降低,其中基于 CdTe 太阳能电池的光伏发电系统铜强度是基于 CIGS 太阳能电池的光伏发电系统的 2 倍多。目前传统 c-Si 电池仍占据主导地位,太阳能薄膜电池的市场份额整体偏低,其中铜强度最高的 CdTe 电池和CIGS 电池市场份额相对较高。风力涡轮机技术中直驱励磁同步(DD-EESG)、直 驱 永 磁 同 步 (DD-PMSG)、 齿 轮 双 馈 感 应 (GD-DFIG) 和 齿 轮 永 磁 同 步(GD-PMSG)的铜强度依次降低,总体上海上风力涡轮机铜强度远大于陆上风力涡轮机,直驱风力涡轮机的铜强度远大于齿轮风力涡轮机,励磁、永磁体、感应风力涡轮机的铜强度依次降低。目前陆上风力发电系统主要采用 GD-DFIG风力涡轮机,海上风力发电系统主要采用 DD-PMSG 风力涡轮机。新能源汽车动力电池中镍钴铝(NCA)和镍锰锂(NCM)铜强度相近,新兴的陆上和海上风力涡轮机均可以划分为四类:直驱励磁同步(DD-EESG)、直 驱 永磁同步(DD-PMSG)、齿轮永磁同步 (GD-PMSG)和 齿 轮双馈 感应(GD-DFIG)。当前陆上风力发电系统主要采用齿轮双馈感应(GD-DFIG)风力涡轮机,风轮机通过增速齿轮箱连接至转速较高的双馈感应风力涡轮机,其功率较低、质量较轻、易于安装维护,但是控制回路相对复杂。目前海上风力发电系统主要采用永磁直驱同步(DD-PMSG)风力涡轮机,风轮机与永磁同步风力涡轮机直接相连,其功率大、可靠性较好、控制回路少、但是体积大,维护成本较高。齿轮永磁同步(GB-DFIG)风力涡轮机的风轮机通过低变速比的齿轮箱与永磁同步风力涡轮机连接,属于半直驱式风力发电系统,其转子转速比永磁直驱同步涡轮机的高,有利于减小风力涡轮机的体积和质量,降低风机的吊装难度,同时保留了永磁直驱风力发电系统容量大、低电压穿越能力较强等优点,在陆上风力发电系统和海上风力发电系统均具有较广阔的应用前景。如图 6-9 所示,从基准情景(Baseline)到技术突破情景(Advanced),齿轮永磁同步风力涡轮机(GB-PMSG)技术水平不断提升,陆上和海上风力发电系统中齿轮永磁技术的市场份额均依次增大,其余风力涡轮机技术市场份额依次降低。磷酸铁锂电池(LFP)铜强度较高,是下一代硫锂电池(LiS)铜强度的 6 倍、固态锂空气电池(Li-Air)铜强度的 48 倍,目前耗铜量高的 NCA、NCM 和 LFP 电池仍占市场主导地位。
6.2 供需双侧脱碳路径参数情景设置与组合
需求侧脱碳路径包括 Path1 至 Path8。由于路径数量较多,为更清晰地呈现典型需求侧脱碳路径的实施效果,本节首先模拟 Path1 至 Path8脱碳路径下的铜全产业链碳排放总量趋势,发现多条路径下铜全产业链碳排放趋势存在相似性。根据各需求侧脱碳路径下铜全产业链碳排放趋势变化特征,本研究筛选出 4 条具有代表性的需求侧脱碳路径,分别为 Path2、Path6、Path4和 Path8。Path2 侧重于需求侧技术变革,Path6 侧重于需求侧资源效率提升,Path6 和 Path8 分别代表稳健与激进的需求侧技术变革和资源效率改进。需求侧脱碳路径实施效果的模拟结果如图 6-13 所示。第一行的三个图表示在基准情景(DS1-SS1)、产业低碳发展-电力结构低碳化情景(DS2-SS2)和产业零碳转型-电力结构零碳化情景(DS3-SS3)三种经济社会发展情景下,在不施加任何脱碳路径干预的情况下,铜全产业链碳排放的演变趋势。第二行至第五行分别表示在实施脱碳路径 Path2、Path6、Path4 和 Path8 的情况下,各经济社会发展情景下铜全产业链碳排放的变化趋势。
6.3 铜全产业链脱碳路径实施效果模拟与分析
第 3 章铜全产业链碳排放历史核算框架和数据、第 4 章铜全产业链碳排放驱动因素及机理的实证分析以及第 5 章铜全产业链碳排放趋势预测模型框架,首先,从供需双侧技术变革和资源效率维度设计铜全产业链脱碳路径,并明晰脱碳路径作用的关键参数节点,构建铜全产业链脱碳路径实施效果模拟模型。其次,从供需双侧设置脱碳路径下关键参数单一和组合情景。最后,运用情景分析法模拟需求侧、供给侧和供需协同脱碳路径的实施效果,并结合 1.5°C温控目标下中国铜全产业链碳排放预算识别最优脱碳路径。本章研究结果为第 7 章对策设计和政策建议提供了数据基础和决策参考。
7.1 主要研究结论
清洁能源转型是全球碳中和的必经之路,清洁能源技术井喷大幅拉动关键金属需求。金属矿产资源选冶流程长且工艺复杂,具有高耗能高排放属性和强烈的碳锁定效应。铜,因其导电性好、延展性高、耐腐蚀性强等优良特性,广泛应用于发电侧、输配电侧和用电侧各产业领域,在清洁能源转型的新兴背景下,支撑清洁能源技术发展的关键金属铜将迎来新一轮需求涨潮。中国以高碳化的火法冶金工艺作为铜生产的主导技术路线,铜矿资源禀赋不佳、矿石品位下滑和矿物细粒化将持续加剧铜供给过程的环境影响。在关键金属铜需求强劲和产业链各供给环节高碳工艺占主导的双重因素叠加下,铜全产业链碳排放攀升将大大削弱清洁能源技术的碳减排潜力,推动关键金属铜全产业链低碳转型对于全面实现碳中和具有现实紧迫性。本研究基于能源-金属系统关联视角,以中国关键金属铜作为研究对象,围绕“如何明晰清洁能源转型下铜全产业链碳排放驱动机理”和“怎样识别清洁能源转型下铜全产业链脱碳路径”两大基本问题展开研究。首先,全面刻画铜全产业链物质循环和碳排放的历史演变过程;其次,从需求侧和供给侧剖析铜全产业链碳排放影响因素及驱动机理;再次,基于影响因素的驱动机理从需求侧和供给侧设置关键情景参数,预测铜全产业链未来碳排放趋势;最后,设计铜全产业链脱碳路径并模拟实施效果,结合 1.5 °C气候目标下中国铜全产业碳排放预算,识别最优脱碳路径,并针对性地提出保障我国铜全产业链实现深度脱碳的政策建议。
7.2 政策建议
缓解中国铜全产业链碳排放不仅要依靠需求侧光伏、风电和新能源汽车等新兴应用领域的用铜技术迭代,还需要依靠供给侧铜冶炼生产环节的技术突破,双管齐下,方能助力中国铜全产业链实现脱碳发展。一方面,加速低铜技术研发和应用推广。下一代动力电池技术、扁平化的电机绕组技术和齿轮式的永磁风力涡轮机技术将显著降低用铜强度,尽管目前已经呈现出向低铜技术市场化趋势,但是如果仅仅依靠市场调节机制技术变革进程非常缓慢,政府可通过财政投入、税收优惠、金融支持等政策来扶持光伏电池板、风力涡轮机、动力电池和电机企业技术研发创新,为创新动能强的中小企业提供信息服务与支持,通过搭建政产学研合作平台,优化配置创新资源,加速新兴技术市场化和产业化。另一方面,加速落后铜冶炼技术淘汰和现代铜冶炼技术攻克。PS 转炉技术环境污染性强,但因其技术成熟度高而一直被市场保留,尽管双闪工艺和连续性熔池冶炼技术具有良好的生产效率,但是两者在环境表现方面仍存在很大的挑战,政府应在强化环境规制的同时,加大现代化工艺技术研发,加速新旧技术之间的衔接和迭代。
7.3 研究不足及研究展望
尽管目前这些产业技术的增势相对于光伏、风电和新能源汽车较为微弱,但鉴于中国人口基数和市场体量大的现实背景,超前信息技术的未来市场空间不容忽视,铜作为导电的首选金属其需求可能受到猛烈冲击。目前由于缺乏统计数据无法量化和预测元宇宙和虚拟信息技术在组件层面的铜需求,随着人工智能和大数据产业的成长,在未来研究中该领域对铜产业链的冲击值得持续追踪和深入探讨。
参考文献 略
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