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    欧洲的火山和沉积盆地中蕴藏着丰富的地热资源,熔岩驱动的高热烩地热资源主要分布在冰岛、意大利、希腊和土耳其,多用于发电;可供直接利用的中、高温地热资源多分布于盆地地区,如法国、德国、波兰、意大利、匈牙利、罗马尼亚等国家;而随着地源热泵技术的开发和应用,浅层地热资源随处可用,尤其在奥地利、瑞士、德国和瑞典等多个国家得到广泛推广应用。

    目前,欧洲将地热利用方式划分为地热发电、直接利用和地源热泵三类,这三类地热利用市场均占据重要地位。欧盟委员会联合研究中心(JRC)报告显示,全球地热装机总容量2015年大约为82GW(吉瓦),地源热泵利用比例最高,达到61%,其中欧洲占据着最大的地源热泵市场。从具体国家来看,地热能装机总容量最高的前15个国家的总装机容量达到全球的85%,这其中有10个国家分布在欧洲。

    从整个欧洲来看,地热发电、直接利用和地源热泵三种地热利用方式都得到较好的应用和发展,而且都已具备相关的成熟技术。目前的研究和攻关焦点在于进一步降低成本,使地热利用更具市场竞争力。

    1 高温地热发电占主导,中低温地热发电势头正旺

    在欧洲,地热发电已经成为一种环境友好,且可持续的能源供应方式,这也使欧洲的地热发电市场在全球占有一席之地。截至2014年底,全球地热发电厂装机容量达12GW,其中欧洲地热发电装机容量约为2060MW(兆瓦),占全球总量的17%左右。

    近10年来,全球地热发电量也在持续增长,年均增长率在3%左右,2014年全球地热发电量达到74TWh(太瓦时)。其中,欧洲88座地热发电厂总发电量为12TWh,占全球地热发电量的16.2%,10年间6.3%的年均增长率更是高于全球水平。目前,欧洲地热发电主要分布在意大利、冰岛和土耳其三个国家,占比分别为44%、43%和10%。其中,近几年地热发电量的增加主要集中于土耳其和冰岛,而意大利地热发电量相对稳定。由于2014年试运转和维修的原因,欧洲地热发电厂的产能利用率在76%左右,与过去几年的水平相当。

    发电技术方面,主要有干蒸汽发电、闪蒸发电和有机朗肯循环发电等,其中干蒸汽发电和闪蒸发电技术主导欧洲市场,占比分别为40%和42%。比如,意大利以干蒸汽发电技术占据主导;冰岛地热资源为高温湿蒸汽资源,几乎都采用闪蒸发电技术。但最近10年,利用中低温地热能的有机朗肯循环(简称ORC)发电技术发展较快。由于土耳其拥有丰富的中低温地热资源,ORC发电技术成为主流。

    2014年欧洲地热发电容量较2013年新增170MW,并全部来自于土耳其。从发电方式来看,新增容量全部集中在ORC方面,这主要是由于中温地热发电的增加,但传统发电装置仍占据主导地位。为了更加高效地利用地热资源,冰岛、法国、德国和土耳其已启动了围绕地热发电的地热综合利用项目,以地热发电为主,采用“热电联供”或“冷热电联供”模式,在解决电力的同时为周边地区的居民提供供热或制冷需求,这将显著提高当地地热资源利用效率。

    2 地热直接利用技术已成熟,新技术出现较少

    地热的直接利用主要包括:区域供暖、洗浴和游泳加热、温室加热、水产养殖池加热、工业用热、农业干燥和融雪等方式。目前,欧洲地热直接利用最为活跃的部门仍然是集中供暖,欧洲地热能委员会(EGEC)统计显示,2014年欧洲地热供暖产热量新增大约80GWh(吉瓦时),总计达到4260GWh,占到地热直接利用的40%。2015年欧洲地热直接利用装机总容量估计为4701.7MW,主要利用国为冰岛、土耳其、法国和匈牙利等。目前欧洲共有257个地热集中供暖厂,主要分布在法国、冰岛和匈牙利等国家,2014年和2015年共新增23个。

    地热直接利用技术已经成熟,最近,除了在建筑供暖的集成利用方面有一些新的进展外,地热能直接利用领域并没有多少新专利。目前,供热系统是推动地热直接利用最有力的部门,由于地热流体往往不适合直接被分配到区域供热网络中,因此地热直接利用的发展取决于其他行业热交换器先进技术的发展。而在地热资源开发方面,一个新的概念“三重系统”被提出来,主要是通过钻探一个新的生产井,同时把前两个钻井转换成回灌井,以此来延长设计项目的寿命。这个概念已经在法国付诸应用,它可以使地热能源延长30年的使用寿命。目前,越来越多的供热系统开始采用此三重系统。

    3 地源热泵技术方兴未艾,环保型技术成为关注点

    地源热泵技术在欧洲获得广泛推广应用,2013年“欧洲地热大会”(EGC)将地源热泵作为地热利用的一个独立分类进行统计。据JRC2015年报告,全球地源热泵总装机容量约为50GW,其中欧洲装机容量达到19GW,全球占比最高,达到38%左右,其次为美洲和亚洲。

    EGEC数据显示,目前瑞典、德国、法国、瑞士和挪威成为欧洲地源热泵领域的领头羊,5个国家地源热泵装机容量之和占欧洲的69%。欧洲的地源热泵市场已经从过去由许多小型本地公司组成的市场发展成为主要由供暖和空调制造商组成的大规模的市场。目前,欧洲热泵及地源热泵市场被几个主要生产商所控制,这些大的制造商主要来自于地源热泵发展较为迅速的德国和瑞典。

    当前,地源热泵技术研发的主要目标在于提高地源热泵系统的效率和减少运作成本,主要进展包括:降低维修和养护成本,改进控制系统,使用更有效的液体工质,提高辅助设备(如泵和风扇)的工作效率。目前,地源热泵的COP值(用于评价热泵的能源转换率)通常在3~4左右,通过优化设计提高热泵的COP值是目前技术发展的主要关注点。同时,开发环保型的,并且具有更好的热特性的新型防冻液也是地源热泵技术发展的关注点。通过降低钻孔热阻指标(RB)以提高浅层地热系统的“赫尔斯特伦效率”也被寄予厚望。可以预期这些技术进步都将有助于提高地源热泵系统的效率。

    4 针对不同利用方式推出系列支持政策

    欧洲地热资源利用的发展离不开欧盟在区域层面推出的一系列支持政策和联合行动计划。欧盟通过其“研究和创新框架计划”和其他鼓励机制来支持地热资源的开发,并且通过建立相应的法律和政策框架来促进地热资源的有序健康发展。从1998年欧洲地热能源委员会成立、2000年欧洲热泵协会成立,到2010年EERA地热联合计划启动、2012年地热ERA-NET计划启动,欧洲地热能开发利用的平台和联合计划不断完善;从2004年欧洲经济和社会委员会起草决议以促进地热开发,到2012年《地热科技的战略研究重点》发布,明确欧洲地热开发利用的方向和目标,欧洲对地热能开发的支持政策不断细化。

    针对地热能开发和利用,欧盟内部存在着一系列形式多样的政策支持制度。这些支持政策在不同成员国间有所不同,同时因三种不同地热利用方式(发电、直接利用和地源热泵)的发展现状而有所差异。

    欧盟地热发电补贴形式多样,但进展较慢。地热发电项目通常具有前期投入大、开发时间长的特点,至少需要3年时间,平均开发时间大约为5至7年。鉴于此,欧盟在2009年立法要求在传统电力系统运行条件允许的情况下,要优先安排可再生能源发电。欧盟对地热发电的政策支持方式主要有:风险保险基金、上网电价补贴政策(FIT)、可再生能源溢价机制(FIP)、可交易证书、投标和软贷款等。虽然FIT和FIP这些基于市场的机制通常适用于多种新能源技术,但在地热发电项目的应用并不理想,因此欧盟对地热发电提供类似政策支持的国家并不多,目前实行FIT政策的有奥地利、法国、德国等9个国家,实行FIP的则仅有意大利、荷兰等4个国家。

    目前,欧洲地热能的直接利用和地源热泵技术已经较为成熟,补贴正在逐渐减少。政府财政支持的方式主要有投资补助、减税、碳排放税减免、保险和低息贷款等,目前欧盟多数国家仅保留投资补助这一项支持政策,只有少数几个国家仍实行多种财政支持政策,比如法国在投资补助、减税、碳排放税减免和保险等方面都有支持。EGEC认为,从成本的角度看,地热取暖技术(增强型地热系统除外)与化石燃料采暖技术相比变得更有竞争力,这使得政府对地热直接利用和地源热泵技术的补贴逐步降低。但同时,地热开发前期投入大依然阻碍着地热相关技术的发展,因此需要引进一些创新性的融资工具,例如能源服务公司(ESCO)或对地源热泵消耗的电力给予折扣。

    地热“点燃”绿色未来

    中国与世界的经贸关系打开一扇崭新的窗户

     

    2015年5月20日,出访巴西的李克强总理在里约热内卢州长陪同下,登上中国北车长春客车公司为里约奥运专线制造的地铁列车,体验其启动、加速、减速停车等运行的全过程。

     

        巴西名城里约热内卢的地铁公司内,一辆从中国长春跨越重洋而来的银色列车,亮眼地停在试运行轨道上。

     

        中国总理李克强在里约州州长陪同下,步入车厢体验列车的舒适度和安全度。“这是中国装备的机遇,也是对中国装备制造的检验!”得知里约市民对中国产的地铁列车非常满意后,李克强当即表示,要把这个项目打造成中巴国际产能合作的“新典范”。

     

        这一幕发生在巴西当地时间2015年5月20日上午。李克强就任总理后首访拉美四国,而“国际产能合作”正是贯穿此访的一个核心理念。

     

        就在5月17日李克强踏上访程的前一天,国务院正式发布了《关于推进国际产能和装备制造合作的指导意见》。这是首次以国务院文件的形式推进国际产能合作,被舆论解读为“重要的路线图”。

     

        事实上,这一路线图此前多次在国务院常务会议上讨论部署过。作为中国在全球经济舞台上亮出的一张新牌,国际产能合作也经历过一个相互磨合深化与认同的过程。观察人士注意到,从最初的“双方”合作演进至“多方”合作,正是基于各方利益的最大契合点,国际社会才对此积极回应。国际产能合作的核心理念即:位于全球价值链上不同位置的国家,通过多方产业、资金及技术合作,共同“分享”工业文明与和平发展曙光,在多方深度合作中,提升各自位置,重构价值链,实现“多赢”格局。

     

        这样基于全球视野的包容性发展理念,势必给中国带来更多红利。正如李克强在常务会上多次强调的,借国际产能合作,积极参与全球市场竞争和价值链重构,是推动国内产业转型升级,促进中国经济迈向中高端的重大机遇。

     

        ■ 改革开放初期,靠输入生产线成就了风靡全球的“中国制造”,现在我们也走到“产业输出”的时候了

     

        在被视为“行政系统最高决策平台”的国务院常务会议上,不到40天内,李克强总理先后两次部署国际产能合作。

     

        2014年12月24日的常务会议,部署加大金融支持企业“走出去”力度,李克强明确提及与国际产能合作有关内容。

     

        2015年1月28日,常务会议题中出现了“部署加快中国装备‘走出去’,推进国际产能合作”。

     

        “推动中国装备‘走出去’,开展国际产能合作,是中国经济发展到今天的必然需求。”总理说,“这不仅有利于当前经济发展,更是推动产业转型升级,推动中国经济从中低端向中高端迈进的重大机遇。”

     

        据悉,当天会议上,针对这一议题,足足研究讨论了两个多小时。

     

        国务院常务会议初步确定了国际产能合作由政府推动、企业主导、金融支持的运作模式。

     

        2015年4月15日的常务会上,一个细节透露出总理对于这一议题的高度重视:当天的会议部署落实2015年经济体制改革重点任务,“推进国际产能合作,这一条要写进来!”在上会文件原有表述之外,李克强特意要求加上两项内容,其中一项就是“推进国际产能合作”。

     

        李克强在多次常务会上阐释过国际产能合作对于中国经济的深远意义。

     

        “我们常说,要从‘产品输出’向‘资本输出’升级,这当中有一个很重要的环节,就是‘产业输出’。这也与发达国家的转型路径相吻合。”他在今年年初的一次常务会上说,“改革开放初期,一些国家把大批生产线转移到我国沿海地区,成就了风靡全球的‘中国制造’,现在我们也走到‘产业输出’的时候了。”

     

        总理进一步强调,推动中国装备及优质产能“走出去”,目前是一个极好的时点。

     

        “现在不仅发展中国家,包括中东欧的一些中等收入国家,基础设施都有很大的提升空间,甚至有些发达国家的基础设施也面临老化等问题。”李克强说,“中国在这方面的性价比有很强的竞争力,因而要不失时机加快推动中国装备‘走出去’,与各国广泛进行产能合作。”

     

        ■ 国际产能合作不仅帮助输入国发展实体经济,也推进了其工业化进程

     

        梳理国际产能合作,李克强总理与哈萨克斯坦总理马西莫夫共进“天价早餐”,无疑是其中浓墨重彩的一笔。

     

        去年12月底,李克强出访哈萨克斯坦时,两位总理在早餐间围绕“中哈产能合作框架协议”初步敲定了一份价值180亿美元的大单。

     

        后来在2015年1月28日的国务院常务会议上,李克强讲起了当时的情景。

     

        “哈萨克斯坦公共产品匮乏,希望加大投资力度、大兴基础设施建设。但他们国内水泥、平板玻璃等产能生产线一条都没有。所以我提议,与其他们向我们购买成品,不如我们去当地直接建厂。”总理说,“哈方一听非常乐意。因为中国输出生产线,不仅帮助他们发展了实体经济,也推进了他们的工业化进程。”

     

        也就是在这次常务会上,有关国际产能合作的行动路线图开始变得清晰起来。比如,对于铁路、核电等重大装备,会议确定要“大力开拓”相关国际市场,探索采取合资、公私合营等投资运营方式,为有需求的国家提供工程设计咨询、施工建设、装备供应、运营维护等全方位服务,并通过国际合作开拓第三方市场。

     

        《关于推进国际产能和装备制造合作的指导意见》发布后,国家发改委有关负责人曾表示:“确立国际产能合作计划目标后,与一些国家的产能合作取得积极成效。今年仅仅与哈萨克斯坦几个月的合作,订单预计就超过500亿美元,相当于2014年全年出口额的一半。”

     

        ■ 国际产能合作:中国与世界的经贸关系、合作关系就此打开一扇崭新的窗户

     

        2015年李克强总理访问法国期间会见法国总统奥朗德,并同法国总理瓦尔斯举行会谈,两国政府共同发表了开展第三方市场合作联合声明和中法核能合作联合声明。

     

        2015年6月,李克强总理访问欧盟。与欧盟委员会主席容克共同出席中欧工商峰会时,李克强在致辞中说:“2014年,中欧每天的贸易量就超过17亿美元,全年贸易额超过6000亿美元。中欧作为全球两大重要经济体,应该携手共同推进国际产能合作。”

     

        讲到这里,他笑着转身,对着同样坐在主席台上的容克说:“中方参与欧洲投资计划的考虑是宏大的,主席先生须得有个好胃口。”

     

        这是李克强与容克的第一次会面。他力推的“国际产能合作”与容克提出的“欧洲投资计划”不谋而合。最终,中欧双方达成广泛共识,同意建立中欧共同投资基金,并尽早达成一个全面的中欧投资协定。

     

        此间评论称:基于国际产能合作这一全新思路,中国与世界的经贸关系、合作关系就此打开一扇崭新的窗户。

     

        据不完全统计,李克强总理出访巴西、哥伦比亚、秘鲁、智利拉美四国期间签署的基建、产能等实际项目及意向协议,总额超过1000亿美元。

     

        一个多月后总理出访欧洲,这份国际产能合作的成绩单被进一步丰富:中国与比利时签署12项双边合作文件,金额超过180亿欧元;中法两国政府共同发表了开展第三方市场合作联合声明和中法核能合作联合声明。

     

        这被媒体评价为“开拓性的联合声明”。此前国际社会还没有过这样的协议。在当今世界格局中,作为最大发展中国家的中国已经进入工业化中期,拥有处在世界中端的工业生产线和装备制造水平。在这方面,法国等发达国家处于高端水平,而大多数发展中国家尚处在工业化的初期。

     

        对于中国总理力推的国际产能合作而言,这样的坐标系意味着巨大的机会。将中国的中端装备与法国的核“芯”技术结合起来共同开发第三方市场,对中国而言,意味着存量资产得到盘活,促进产业链迈向中高端;对法国而言,意味着更多的出口与就业;而对第三方市场而言,则意味着获得更高性价比的装备与核“芯”技术,提升自身工业化水平。

     

        1+1+1>3:这正是国际产能合作的奥妙所在,也意味着中国会在全球市场上赢得更多和平发展伙伴,并从中获得更加持久的红利。

    正如李克强在一次国务院常务会议上所言:“中国经济是在全球化进程中成长壮大起来的。开放与改革一样,是我们今后发展的必由之路。”

    国务院常务会议回顾解读(九):国际产能合作:1+1+...

    加拿大矿山。 张锦洪 摄

    澳大利亚矿石港口

    目前,世界各国高度重视关键矿产(也译为“危机矿产”),国际机构、政府部门、行业组织和科研院所均从不同侧面开展了专项调查或研究。

    关键矿产是出于资源、经济、环境、技术等各种原因而导致供应上可能存在一定障碍和风险的矿种,具有重要性、战略性、稀缺性、动态性等特点,是现代化经济体系建设急需、生态文明建设必需、新能源等新兴战略产业发展特需的矿种。

    世界主要国家管理关键矿产在战略、清单、风险、政策等方面都有各自的经验,对我国关键矿产的研究和管理工作具有借鉴意义。

    1 战略管理

    当前,世界范围内对关键矿产的理论研究、评估方法、产业政策等方面的管理,已经上升到全局、系统、长远的战略高度,逐步形成了各个国家或地区关键矿产发展战略。

    美国:将确保关键矿产安全和可靠供应上升为联邦战略

    2008年,美国国家科学研究委员会发布《矿产资源、关键矿产和美国经济》研究报告。2011年,美国能源部发布《关键矿产战略》研究报告。2017年,美国总统特朗普签署《关于确保关键矿产安全和可靠供应的联邦战略》总统行政命令,强调关键矿产是对美国经济和国家安全至关重要的非燃料矿产或矿物原材料,如果没有这些矿产资源,将会对美国经济和国家安全产生重大影响。

    研究数据表明,美国拥有大约价值6.2万亿美元矿产资源储量,但每年仍进口近70亿美元矿产品,美国军工部门每年需要进口75万吨矿产品,包括夜视镜使用的镧、光学跟踪设备使用的铍、防弹衣使用的镍和阿帕奇直升机使用的银。调查表明,美国90%的制造业高管对能否及时获得所需关键矿产表示担忧。美国地质调查局数据表明,42种非燃料矿产中,有11种净进口依存度高于90%,而且国外生产高度集中,对新兴技术来说是不可替代的矿种。因此,美国将确保关键矿产安全和可靠供应上升为联邦战略。

    欧盟:以安全获取关键原材料为目标

    欧盟于2008年发起《原材料倡议》,提出以安全获取关键原材料为目标的关键矿产战略。2010年,欧盟定义“关键原材料”是经济意义重要的、供应风险高的非燃料矿产或矿物原材料。欧盟委员会(欧盟唯一有权起草法令的机构)于2012年起6年内先后发布《为欧洲未来福祉提供原材料》《迈向循环经济》《关于欧盟循环经济行动的报告》《投资智能、创新和可持续发展工业——重新制定欧洲工业政策战略》《关键原材料和循环经济报告》,均涉及关键矿产发展战略。

    其中,关键矿产发展战略要点包括:支撑欧洲工业政策,提振欧洲工业竞争力;加强新矿山开发,增加关键原材料产量;促进关键矿产有效利用和再循环,将循环经济作为欧盟优先领域;提高欧盟各国各机构和广大投资者对关键原材料潜在供应风险和发展机会的认识;在贸易谈判、处理纠纷过程中重点关注关键矿产进口依存度,在实施《2030年可持续发展议程与目标》中充分发挥关键原材料的作用。

    欧盟成员国也相继制定关键矿产发展战略。比如:《法国战略金属计划(2010)》《德国原材料战略(2010)》《荷兰原材料政策(2011)》《葡萄牙地质资源和矿产资源国家战略(2013-2020年)》《瑞典关键矿产发展战略》《芬兰矿产资源战略(2010)》等。

    英国:提出以关键矿产为重点的自然资源联合战略

    英国《资源安全行动计划(2012)》是一项自然资源联合战略,详细介绍英国政府认识到关键矿产的重要性和必要性,加强国家资源战略和关键矿产的评估研究,为企业提供解决关键矿产供给风险的行动框架,建立一个在政府与现有伙伴关系基础上的关于自然资源问题的行动计划。2018年7月,英国政府发布《国家规划政策框架》强调,促进关键矿产的可持续利用,为国家发展的需要提供足够的矿物供应,并对此制定专门的规划和政策。

    澳大利亚:战略强调抢抓机遇、发挥优势、延续繁荣

    澳大利亚是一个大宗矿产品主要出口国,2018~2019年度,资源和能源出口总额将创下2520亿澳元的新高。该国2013年发布研究报告《高科技世界的关键矿产:澳大利亚供应全球需求的机会》,分析了澳大利亚关键矿产的资源潜力,认为关键矿产是对全球及主要经济体发展至关重要的矿产资源。2018年,澳大利亚“资源2030工作组”发布近20年来最新一份国家资源声明《澳大利亚资源:确保子孙后代的繁荣》研究报告。研究报告高度重视电池产业和其他关键矿产下游产业,进一步强调寻找生产、加工和出口新材料的机会。

    日本:战略要求高度重视海外矿产资源可靠供应

    2012年,日本政府发布《矿产资源安全战略》,其战略重点是安全有效地从世界各资源国家获取关键矿产,战略要求是政府高度重视海外矿产资源的可靠保障。在《矿产资源安全战略》指导下,日本当年就与越南签署了在越方境内联合勘查稀土的协议。

    2 清单管理

    近年来,世界各国关于关键矿产评估方法的研究比较活跃,并在实际操作中运用相关模型形成了关键矿产的目录清单,成为关键矿产管理的重要手段和基本方法。

    国外关键矿产目录概况

    2011年,美国能源部分析了风能涡轮机、电力汽车、太阳能电池和节能照明设备所需要的14种关键矿产。2016年,美国国家科学技术委员会发布《关键矿产的评估方法和初步应用》研究报告,确定了32种关键矿产目录,其中对铂族金属的研究更加充分,对硅以及有关合金高度重视,在关键矿产目录中突出铂族金属、硅及有关合金的排序。2018年,美国内政部公布新的关键矿产目录共35个矿种,与2016年目录相比增加了砷等非金属,以及铀、锂、铷、铯等高技术产业应用广泛且发展前景看好的矿产。

    2010年,欧盟发布关键原材料评估方法,决定建立关键原材料目录,并且每3年一次更新目录。2011年评估出14种关键原材料,2014年评估出20种关键原材料,2017年从61个原材料中评估出27种关键原材料。

    澳大利亚资源能源和旅游部结合自身国情和矿情发布关键矿产目录,评估分为一类和二类资源关键性指数。2013年,澳大利亚地质调查局确定了稀土、铂族金属、钴、镍、铬、锆、铜、铟等22种关键矿产目录。

    英国地质调查局在2011年和2012年研究矿产资源供应风险指数,并定期进行关键矿产目录更新。英国地质调查局的评估方法不断改善,2015年确定了稀土元素组、锑、铋、锗、钒、镓、锶、钨、钼、钴、铟等40种关键矿产目录。

    国外目录清单主要特征

    一是关键矿产目录中的矿产种类,大多数大宗矿产不在目录之中。而铜和铝这两种20世纪的大宗金属,在21世纪仍将有较大的需求量,主要原因是能源产业发展的驱动,特别是电动汽车和输配电、电缆等领域的需求。这在一定程度上也表明,随着全球的经济发展和技术进步,经济结构调整和产业结构升级,所需要的矿产种类在发生变化。

    二是关键矿产目录中的矿产种类,非金属矿种数量不多但相对集中。主要包括天然晶质石墨、萤石、重晶石、硅藻土、滑石等少数几种特种非金属。与金属矿产相比,非金属矿产的开发利用仍然存在很大程度的不足,这需要材料技术方面的重大创新与突破。

    三是关键矿产目录中的矿产种类,相似度非常高的矿种是“三稀金属”。主要包括稀土、锂、钴、镍、锰、钨、铍等稀有、稀土和稀散金属。这些都是未来国际竞争的重要矿种,是高新技术发展的关键矿种,是生态文明建设的必需矿种。

    四是一些国家或地区将不少特种金属合金列入关键矿产目录。合金元素指的是在冶炼金属的过程中加入一定数量的一种或多种金属或非金属元素从而获得材料的特殊性能,如提高强度、改善抗氧化性能、提高塑性和工艺性能等,而这些添加进去的辅助性元素材料就叫作合金元素。

    五是关键矿产目录是动态的,不同关键矿产的危机性也是动态的。这主要取决于技术的进步和产业的调整。比如,欧盟委员会关键矿产目录,原则上每3年调整一次,每次调整时,可能增删一些关键矿产的种类,也可能对一些关键矿产的危机性进行调整。比如锂,在早期一些关于关键矿产的研究报告中,或者将锂排除在外,或者评估锂的危机性较低,但随着电动汽车的发展,近期一些关于关键矿产的研究,均将锂列入目录之中并加以重点分析和研究。

    3 风险管理

    近年来,全球范围内围绕关键矿产竞争日趋激烈,并呈现复杂化、扩大化的态势。强化关键矿产风险因子管理,成为各国政府矿政管理的重点工作。

    重点矿种是关键矿产管理重中之重

    美国地质调查局研究的42种非燃料矿产中,国内资源或产能无法满足国内需求的矿种有11种,包括铼、铂、钯、钛、锰、铬、锂、锆、钽、铌、铑,都是在现代社会发挥重要作用的关键矿产。

    未来的资源冲突和供给风险则可能更多地集中于对某些非燃料矿产的竞争,比如锂、镍、钴等,其原因是这些危机性十分突出的重点矿种的广泛运用,使得一批又一批新兴技术成为可能或现实。例如:锂是电动汽车的重要燃料。研究预测,2035年全球锂需求量可能比2017年增长30倍,未来关于锂资源的市场竞争将非常激烈。由于电池中含镍钴锰三元材料,未来镍需求量也将会大幅度增加。而钴作为一种非常稀缺的矿产,2016全球钴消费中用于电池生产的钴的比例上升至46.5%。

    净进口依存度是关键矿产管理的基本因子

    美国地质调查局认为,净进口依存度是量化一个国家对某种矿产品来自国外的消费量,可以观察国外来源的关键矿产的潜在供应中断风险。2017年,美国地质调查局提供了90多种非燃料矿产和原材料的生产、消费和进口依存度数据,将这些数据合并为每种矿产品的“净进口依存度”,对美国关键矿产进行分析,并提出满足美国关键矿产需求的建议。

    生产集中度是关键矿产管理的重要指标

    生产集中度,是指某个行业的相关市场内若干家最大的排名靠前的企业所占市场份额的总和,是对整个行业的市场结构集中程度的测量计算,是市场实力的重要量化指标。在美国等国家或地区关键矿产评估方案中,生产集中度是主要指标。

    根据美国地质调查局的数据,全球70%的锂资源储量在智利、玻利维亚和阿根廷,锂矿生产的国家集中度已经远远高于10年前水平,由此导致锂矿供不应求,价格维持强势。另外,2017年刚果(金)钴矿资源占全球钴储量和产量的50%和60%。

    地缘政治是关键矿产风险的一个瓶颈

    地缘政治是根据各种地理要素和政治格局的地域形式,分析和预测世界或地区范围的战略形势和有关国家的政治行为,把地理因素视为影响甚至决定国家政治行为的一个基本因素。在世界范围的关键矿产竞争中,地缘政治往往发挥出难以预测的作用。对于政府主导自然资源海外投资尤其是关键矿产投资的国家而言,总体上看,更加关注地缘政治而非市场意义,使地缘政治成为关键矿产供给中断的突发风险和管理瓶颈。以钴为例,当前全球最大的钴供应国刚果(金),政局时有动荡,政府治理指数扭曲,导致钴供应风险加大。

    综合协调是关键矿产风险减缓的有效途径

    一是各国政府在关键矿产竞争中扮演着重要角色。美国于1970年颁布相关法律,强调提振美国矿产资源产业,促进国内矿业发展,积极开展循环利用;1980年又提出确保涉及国家安全和经济发展的关键矿产的稳定供应;近几年特朗普签署总统行政命令,高度重视关键矿产问题。其他各国政府矿政部门在关键矿产管理也中积极作为,其主要职能是确定关键矿产目录清单,开展关键矿产调查评价,简化矿业权审批程序,营造良好投资环境,促进关键矿产勘查,鼓励关键矿产开发。

    二是学术界在关键矿产研究中发挥出基础性作用。关键矿产是全球矿产资源政策研究的热点课题。比如:美国国家科学研究委员会2008年发布研究报告和矿种目录;白宫成立危机原材料研究小组,主要职能是推进关键矿产基础研发,促进关键矿产供应多样性,提供关键矿产市场风险信息,建立联邦基金,评估市场风险,提供决策支撑。

    三是矿业界将矿产勘探开发的重点向关键矿产转移。2014年,英国石油公司BP公司发布研究报告,其特点是从能源消费角度予以考虑,分析未来可能出现的新能源消费路径,加大关键矿产勘探开发的投入。

    4 政策管理

    目前,世界范围内的关键矿产管理政策,可以概括为扩大国内供给、稳定全球供应、加强循环利用、推进技术研发等4个方面。

    扩大国内供给

    一是加强国内关键矿产资源评价。美国开展了现代历史上首次关于关键矿产的全国地质调查。欧盟提出建立原材料战略数据库,通过有效畅通的数据来支撑矿产资源评价。利用欧盟资助的各类项目,提供有关地质信息,以支持获取关键矿产的空间土地利用计划。2010年欧盟特设改善矿产资源开采框架条件工作组,实施相关计划,其目标都是评价尚未查明储量的矿产资源,重点是关键矿产。

    二是鼓励开展国内关键矿产勘查。美国强调查明关键矿产新的来源,确保美国矿业公司和生产企业可以采取电子方式获得美国国土范围内最先进的地形、地质和地球物理数据。欧盟鼓励成员国增加国内采矿业投资,加大关键矿产勘查力度。

    三是简化关键矿产矿业权审批流程。美国要求精简矿业权租让和许可程序,加快关键矿产资源准入速度,推动勘探、生产、加工、回收和冶炼进程。欧盟鼓励成员国制定矿产资源政策,使得矿产资源勘查和开发审批流程更加有效、清晰、易懂,简化行政程序。

    稳定全球供应

    稳定全球供应是世界主要国家保障关键矿产供应的重要手段。提高国外来源的关键矿产保障程度,是各个国家对关键矿产关注的重点,也是关键矿产管理的要点。美国政府明确提出,改变关键矿产依赖国外供给的格局,欧盟的主要目标是加大国外关键矿产供给力度。稳定全球供应、降低国外供给风险,成为各国关键矿产管理的重要任务。

    加强循环利用

    当前,全球关键矿产最终产品的回收率很低,许多情况下不到1%。世界各国都在研究制定和积极实施关键矿产最终产品回收利用的措施,形成全产业链的高效回收利用,推进循环经济。欧盟于2015年提出《迈向循环经济》报告,2017年提出《关于欧盟循环经济行动的报告》,2018年提出《关键原材料和循环经济报告》,大多涉及关键矿产最终产品的回收利用。

    推进技术研发

    目前的研究,以减少关键矿产使用强度、寻求替代技术突破等创新创造为主,重视基础性研究,促进清洁能源发展,拓展关键矿产供应多样性。美国地质调查局全面开展全球评估,确定关键矿产新的资源,关注矿产品使用效率、替代、回收等技术。日本经济产业省与资源开发企业和大学合作,促进关键矿产的高效使用和循环利用。欧盟《原材料倡议》提出后,已经实施56个项目,其中技术类项目2.67亿欧元,包括勘探、开采、选冶、替代性、废弃物处理等技术;非技术类项目2830万欧元;国际合作750万欧元。

    启示与建议

    加强关键矿产调查研究及勘查工作

    鉴于国际经验,建议我国提高对关键矿产工作的重视程度,加强关键矿产的调查研究及勘查工作。

    一是建议组织专门力量,进行关键矿产目录编制研究。对此,要建立专责小组,确定关键矿产评价指标体系,提出关键矿产清单,尽快形成我国关键矿产目录。同时,加强对备选关键矿产的形势分析,加强跟踪监测、预警和研判,有针对性地提出关键矿产的发展战略和产业政策。

    二是抓好关键矿产潜力调查评价与规划。建议针对重点地区、重要成矿带加强关键矿产资源潜力调查评价,加强关键矿产成矿理论模型研究,摸清我国关键矿产资源潜力,并以此为基础做到关键矿产资源潜力调查工作制度化。

    三是加大关键矿产勘查力度。建议将关键矿产勘查作为今后“找矿突破战略行动”的主攻矿种,进一步创新找矿机制,采取积极有效的激励措施,吸引社会资本对关键矿产勘查的投入。对此,要重视理论及方法、机制创新等研究,着重加强绿色勘查工作,为提高关键矿产国内保障能力奠定扎实的资源基础。

    四是制定相应的关键矿产矿业权制度。建议在深化矿产资源管理制度改革过程中,充分发挥市场在资源配置中的决定性作用,优化矿业权出让流程,完善矿业权出让收益标准,降低企业矿业权获取和持有成本,加快关键矿产地质调查成果的应用转化,尽快将找矿靶区转化为可以向社会出让的探矿权。

    五是加强关键矿产全流程和生命周期管理。建议确立跨部门协调机制,由资源管理部门、产业管理部门乃至境外投资促进部门采取统一政策和目标导向,确保关键矿产的安全稳定供应。同时,要采取多种政策手段加强技术研发工作,重点是关键矿产的高效利用和循环利用以及替代品研究,提高国内关键矿产资源的勘查开发和利用效率。

    六是优化境外关键矿产资源战略布局。加强对国外关键矿产战略布局研究和前期基础调查,引导企业“走出去”获得矿权。尤其要关注“一带一路”沿线国家集中度高的关键矿产,如南美铜、锂矿,非洲的镍、铜及钴矿等,要作为战略布局的重点。

    作者单位:中国地质调查局发展研究中心(自然资源部矿产勘查技术指导中心)

    从战略高度谋划对策保障供应

    资源、环境与生态问题已成为事关人类发展前景的全球性问题。近几十年来,随着人口急剧增长与经济快速发展,世界工业化、城市化进程不断加快,人类活动已成为全球变化的重要驱动力。在经济全球化、区域一体化不断深化的推动下,各国经济发展对相互之间资源、环境与生态的影响不断加大,人类进入了生态全球化时代。面对前所未有的重大而紧迫的全球性环境问题,世界各国在持续努力探索解决之道。党的十八大从新的历史起点出发,做出“大力推进生态文明建设”的战略决策;习近平总书记从新时代基本方略的高度提出要树立“两个共同体”理念——“人类命运共同体”理念与“山水林田湖草生命共同体”理念,为推进全球经济社会发展指明了方向,地质调查工作迎来了新的转型发展。地质调查工作如何适应与服务全球与国内生态文明建设并推动全球与区域问题的解决,亟待深入思考。

     

    11990~2015年不同国家矿产资源人均开采量与消费量变化

    地球系统问题的全球性与区域性

    20世纪50年代以来,人类活动对地球系统影响的程度和频度发生了急剧变化,人类施加于地球系统的各种压力进入“大加速”时期,地球从全新世跨入了新的地质年代——人类世。人类活动对地球系统的影响已经接近或超过自然因素引发的环境变化,并正在继续加剧,有可能产生不可逆转的后果。在第23届联合国气候大会上,来自世界各国的科学家发出警告:地球系统越来越抵近危险的“临界点”。

    1. 全球自然资源开发从线性增长转变为指数增长,发展中国家增长尤为突出

    过去的100多年,矿产、水、土地等自然资源开发经历了从线性增长到指数增长的转变。

    (1)矿产资源:全球开采总量快速增长,发达国家主导矿产消费,发展中国家开采快速增加

    1901年以来,全球矿产开采总量经历了缓慢增长、快速增长、稳定增长与急剧增长的变化。与1901年比较,2015年全球矿产开采总量增长了32.0倍,其中化石能源增长14.6倍,金属矿石增长41倍,非金属矿石增长49.3倍。根据开采量增长情况,矿产资源开发可划分为4个阶段:1945年以前,矿产开采量缓慢增长,年均增长0.59亿吨,人均开采量1.73吨;1946~1973年,矿产开采量快速增长,年均增长6.40亿吨,人均开采量增长到5.78吨,年均增长4.0%;1974~1997年,矿产开采增速减缓,年均增长6.15亿吨,人均开采量增至6.34吨,年均增长0.4%;1998~2015年,矿产开采量急剧增长,年均增长16.05亿吨,人均开采量增至9.01吨,年均增长2%。

    近几十年来,全球矿产开采与消费格局发生了重大变化。从开采来看,20世纪90年代中期之前,OECD国家主导全球,开采量占全球的41.8%,之后开采量占全球比例不断降低,到2015年降至23.0%,并且自2007年开始由增长转变为下降趋势;金砖国家开采量快速增长,在1995年超过OECD,占全球比例由1995年的37.9%升至2015年的51.6%。从消费来看,直到2007年,OECD国家消费量呈不断增长趋势,1990~2007年平均占全球总量的52.1%,2007年之后消费量降中趋稳,近年来稳定在295.42亿吨左右,占全球比例降至2015年的36.4%;金砖国家消费量在2000年之后快速增长,年均增长6.3%,在2010年超过OECD国家,到2015年增至360.57亿吨,占全球总量的44.0%;其余国家矿产消费量保持稳定增长趋势,年均增长3.1%。

    全球资源治理体系变革滞后于全球矿产开采消费格局的变化。1990~2015年,OECD国家人均矿产消费量大大高于其人均开采量,平均高出42.2%,且这一比例有增大的趋势。这表明,发达国家所开发的矿产根本满足不了其消费需求,通过进口越来越多的原矿石、矿产品与各种制成品来补充。金砖国家、其余国家人均开采量一直大于其消费量,说明发展中国家所开采的矿产在满足本国需求之外,有相当比例以原矿石、矿产品、各种制成品等形式出口。以金砖国家为例,2015年矿产开采量14.6吨/人,消费量11.7吨/人,在满足本国需求的同时,每人平均为其他国家贡献了2.9吨的矿产。目前的全球资源治理体系与发展中国家的贡献不相适应,亟需变革,以促进全球资源优化配置。

    (2)水资源:开采总量保持增长态势下呈现出显著的区域分化

    全球水资源开采在总量持续增长态势下呈现出显著的区域性差异。1901年~1950年,全球水资源开采量缓慢增长,由6713亿立方米增至12265亿立方米,年均增长1.3%;1951年~1980年,水资源开采量快速增长,年均增长3.2%;1981年以来,水资源开采量增速趋缓,年均增长0.8%。OECD国家水资源开采量在1980年由快速增长转变为稳定波动趋势,近年来稳定在9200亿立方米,占全球总量的23%。金砖国家水资源开采量自20世纪60年代以来保持快速增长的趋势,1960年~2000年年均增长2.4%以上,2000年以后增速有所减缓,到2015年增至17500亿立方米,占全球总量的43.7%。全球水资源开采量增长的主要原因是灌溉农业的快速发展与农业经济的持续增长。中国、印度等新兴经济体农业快速发展,加上持续的工业化和城市化,用水量有较大幅度的增长;欧盟、美国等发达经济体由于越来越多地进口工业制造产品与粮食,同时技术进步促使工业与城市用水下降,用水量自以前的增长转变为稳定或下降。

    地下水开采量快速增加,部分发展中国家含水层疏干问题严重。全球地下水开采量自20世纪60年代的3120亿立方米增至2010年的9820亿立方米,增长了3倍多。与水资源类似,地下水开采亦呈现出显著的区域差异。发达国家地下水开采在经历了一段时期的快速增长后已趋于稳定或缓慢下降。例如,美国地下水开采1950年~1980年保持了30年的增长,之后趋于稳定。发展中国家地下水开采自20世纪七八十年代以来处于快速增加的态势。例如,埃及1972年~2000年地下水开采量增长了6倍。地下水开采主要集中在亚洲国家,印度、中国、巴基斯坦、伊朗、孟加拉国等5个国家地下水开采量占全球总量的53.2%。地下水开采量的快速增加导致部分地区地下水位持续下降,引发了严重的生态环境问题,如泉水消失、湿地萎缩、地面沉降、海水入侵等。

    (3)土地资源:城市与农业用地持续扩展,生态空间不断萎缩

    1901年~2015年,全球土地利用变化的趋势是拓荒草原与森林来扩展农业用地,开发农业用地来扩展城市和基础设施建设用地,森林、草原、湿地等生态空间不断萎缩。农业用地面积扩展趋势趋于减缓。1901年~1955年,全球农业用地面积快速增长,年均增长0.88%,占全球土地面积的比例由20.6%增至33%;1955年~2015年,农业用地面积增速趋缓,年均增长0.23%,约占全球土地面积的38.0%。从区域上看,欧盟、东欧和北美的耕地面积有所下降,而南美、非洲和亚洲的耕地面积呈扩大态势。全球森林面积不断减少。1901年~1960年,森林面积平均以每年减少0.18%的速度逐年缩小,1960年以后森林面积缩小速度减缓,年均减少0.1%。

    城市化以前所未有的速度在扩张。遥感图像分析表明,全球城市面积6587.6万公顷,占全球土地面积的0.51%。城市用地占土地面积比例最高的地区是西欧(2.11%),其次是东亚(0.97%)、北美(0.72%)、东南亚(0.63%)。据统计,1950年~2015年人口大于1000万的城市群数量由2个增加到29个,人口500万~1000万的城市群数量由5个增加到45个。联合国粮农组织(FAO)估计,目前城市面积以每年200万公顷的速度扩展,80%的土地来自于农业用地。虽然城市占用土地面积比例很小,但是由于城市集聚了全球一半以上的人口,城市发展对生态环境的影响是巨大而深远的。

    2. 全球生态环境恶化趋势加剧,区域分化明显

    在不断加快的世界工业化、城市化进程作用下,气候变暖、自然灾害、水土污染等日益成为影响全球发展的重大生态环境问题。

    (1)二氧化碳等温室气体浓度不断攀升,全球气候变化加剧

    根据观测数据,大气中二氧化碳等温室气体浓度上升呈加剧趋势。1901年~1960年,大气二氧化碳浓度由296ppm增至316ppm,年均增长0.11%;1960年之后,增长速度逐渐加快,1961年~1997年均增长0.36%,1997年~2015年均增长0.55%,2015年大气二氧化碳浓度增至399.57ppm。大气二氧化碳浓度升高的主要原因是化石燃料燃烧和水泥生产排放了大量的二氧化碳。2015年化石燃料燃烧与水泥生产排放了360.2亿吨二氧化碳,是1990年的1.6倍。

    发展中国家开采了越来越多的化石能源,来满足发达国家的能源消费需求。在世界经济发展竞争加剧的背景下,很多发展中国家为了获得竞争优势,降低或放松了环境标准要求,推动高耗能、高污染、高碳产业发展;而发达国家对环境标准要求不断提高,以提高本国环境质量和生活舒适度。受此影响,高碳产业可能从环境标准高的发达国家向环境标准宽松的发展中国家转移,从而导致碳排放转移。全球碳计划(GCP)对1990年~2015年二氧化碳排放量估算表明:OECD国家因消费造成的碳排放大于其生产造成的碳排放,且差值越来越大;相反,金砖国家生产造成的碳排放大于其消费造成的碳排放,差值亦越来越大。这说明,发展中国家开发了本国越来越多的化石能源,加工、制造成各种产品出口到发达国家,承担了碳排放量上升与环境污染的代价。

    (2)重大突发性地质灾害呈上升趋势,经济损失快速增加

    全球重大地质灾害发生频次不断上升。联合国国际减灾战略机构EM-DAT灾害数据库收集了各国发生的重大自然灾害。入库灾害至少满足下列条件之一:造成10人以上死亡;100人以上受到灾害影响;政府宣布应对灾害紧急状态;政府在救灾过程中呼吁国际援助。1940年~2015年,全球发生重大崩塌、滑坡、泥石流地质灾害697次,造成6.5万人死亡,有记录的经济损失约89.4亿美元。上世纪40年代到80年代初重大地质灾害增长较慢,80年代以后发生频率快速增加,从80年代初的年均不足10次增加到近10年的年均18次。虽然发生频次增加,但是因灾死亡人数没有明显增长,单次地质灾害造成的死亡人数总体上是下降的,从1970年~1979年的136人/次下降到近5年的38人/次,说明各国地质灾害防治取得了一定成效。然而,地质灾害造成的经济损失自80年代以来快速增加,从70年代的平均每年0.14亿美元增加到近10年的平均每年1.76亿美元。

    不同国家地质灾害发生与防治情况存在显著差异。美国1960年~2009年地质灾害共造成336人死亡,直接经济损失12.4亿美元(按1960年折算)。1970年以后,美国地质灾害造成的死亡人数保持在很低的水平,平均年死亡人数在4人以下;1985年以前直接经济损失呈快速增加趋势,之后直接经济损失则呈减少的趋势。墨西哥1997年以前地质灾害发生在低水平波动,平均每年发生10次左右,平均每年导致近14人死亡;1998年以来,地质灾害显著增加,平均每年发生的地质灾害增加至86次,平均每年导致50人以上死亡。尼泊尔1971年~1992年发生地质灾害频次保持稳定,多在19次上下波动;1993年以后发生频次明显增加并呈周期性波动,平均每年发生120次以上,在高发年可达380次以上。

    (3)全球水土污染处于上升态势

    已有数据研究表明,全球水土污染呈上升趋势,随着部分工业企业(特别是高污染企业)由发达国家向新兴市场国家转移,新兴市场国家水体和土壤面临着越来越大的污染压力。

    地表水和地下水污染日趋严重。据联合国估计,全球每天大约有200万吨工农业和生活废弃物排入地表水体中,全球每年污水产生量高达1500立方千米。在发展中国家,80%的污水未经处理直接排放到河流、湖泊和海洋中。世界卫生组织统计显示,全球有8.84亿人缺乏安全饮用水,全球88%的腹泻与不安全饮用水、缺乏卫生条件有关,大部分分布在发展中国家。在快速城市化和农业种植区,地下水中的氮浓度不断上升,地下水质趋于恶化。在人类活动的作用下,孟加拉国、缅甸、阿富汗、柬埔寨、印度、中国等地区发生了地下水砷污染,影响了3500万~7500万人口的饮水安全。土壤污染问题在发达国家和发展中国家普遍存在。由于长达200年的工业化过程和现代工农业的发展,欧洲土壤污染严重。据欧盟调查,38个欧洲国家发现大约有250万个场地存在污染风险,其中有34.2万个已被确认为污染场地,需要进行修复。由于土壤污染的隐蔽性和复杂性,土壤污染问题在很多国家尚没有引起足够重视。

    地球系统问题解决的理论框架 

    不断加速的工业化、城市化与全球化耦合在一起对地球系统产生了前所未有的影响,促使人们必须从全球尺度去认识地球系统的变化机理;同时,不同区域或国家自然资源与生态环境变化出现了明显分化,与人类相互联系最为密切的近地表圈层资源、环境与生态问题呈现显著的区域性特征,促使人们必须从近地表圈层去认识地球系统的变化机理。在问题驱动下,随着全球观测、信息等技术进步,地球科学形成了一门新的分支——地球系统科学;在地球系统科学理论指导下,聚焦近地表圈层形成了一个新兴领域——地球关键带。

    近年来,我国从生态文明建设实践出发,提出了“构建人类命运共同体”和“山水林田湖草生命共同体”的理念。“人类命运共同体”的内涵是从生态、经济、政治、合作等方面构建全球治理体系,推动形成新型国际关系和国际新秩序;在生态方面强调生态环境问题无边界,保护地球系统是全人类的共同责任。“山水林田湖草生命共同体”的内涵是按照生态系统的整体性、系统性及其内在规律,统筹考虑自然生态各要素、山上山下、地上地下、陆地海洋以及流域上下游,进行整体保护、系统修复和综合治理。由此,学术界与政界在应对人类面临的地球系统问题方面高度契合,共同构成了完整的理论框架。

    1. 地球系统科学:服务构建人类命运共同体

    地球系统科学把地球看成一个由相互作用的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈等圈层构成的统一系统,重点研究各组成部分之间的相互作用,了解整个地球系统的过去、现今及未来的行为,为全球生态环境问题的解决提供理论基础与对策方案。上世纪80年代以来,地球系统科学以全球气候变化研究为重点,技术方法不断发展,研究内容不断丰富,研究体系日趋完善与成熟。

     

    地球系统问题解决的理论框架

    (1)以观测、机理、建模与解决方案为重点,地球系统科学研究取得重大进展

    地球系统观测网不断扩展与升级,地球系统监测能力不断增强。美国NASA于1991年建立地球观测系统(EOS),利用卫星与其他手段对全球陆地表面、生物圈、地球空间、大气以及海洋进行长期观测;EOS之后,启动了地球系统任务(ESM),加深对气候系统与气候变化的认识;2017年,启动了下一代联合极轨卫星系统,用于天气预报和环境监测。美国地质调查局自1972年起陆续发射LandSat系列卫星,用于探测地球资源与环境,包括调查地下矿藏、海洋资源和地下水资源,监视农、林、畜牧业和水利资源利用,监测自然灾害和环境污染等。法国国家空间研究中心自1986年开始研发SPOT系列卫星,进行土地利用/覆盖变化、植被监测、自然灾害评估等。欧盟与欧洲航天局自2005年资助地球观测计划——全球环境与安全监测系统(GMES),由遥感卫星与陆地、海洋、大气等监测传感器组成,2013年更名为“哥白尼计划”,以扩大地球观测计划在公众中的影响力。

    地球系统变化与过程机理研究不断深化,揭示了地球系统要素不同时空尺度下的变化规律与影响。地球系统变化包括大气过程、海洋过程、陆地过程、冰冻圈过程等,这些过程相互影响、相互作用。由于碳循环是地球系统物质和能量循环的核心,全球碳循环及其对全球变化的响应研究一直是被广泛关注的前沿问题。人们对岩石圈、陆地生态系统、海洋、大气以及人类社会等碳库的储量、在全球碳循环中的地位及其作用机制有了深入的认识。人们认识到土地利用、覆盖变化是造成全球变化的重要原因,很多学者对土地利用变化引起的区域气候、土壤、水文、地质等因子变化及其对生态系统影响进行了大量研究。针对全球变化的生态系统影响,学者从植物群落、植物生理生态、地下生态、水生态系统、生物入侵、生物多样性等方面开展了深入研究。

    先后建立了多个地球系统模拟模型,地球系统变化预测能力大幅度提升。上世纪80年代以来,很多研究机构陆续开展了大气模式、海洋模式、陆面模式、海冰模式等地球系统模拟模型的研发和应用。2000年美国NASA提出构建地球系统建模框架ESMF,包括核心框架、天气及气候建模、数据同化应用等,为地球系统建模提供了一个标准的开放资源的软件平台。ESMF发展至今,已经拥有40多个模型,包含大气圈模型、大气动力学/物理学相关模型、海洋模型、陆地和陆表模型、水文学/分水岭模型等。欧洲提出了欧洲地球系统模拟网络(ENES)计划,包括地球系统模拟集成和气候资料存储与分发两个计划,目标是建立一个高效的欧洲地球系统模拟和气候预测系统进行集成模拟研究。日本在上世纪90年代启动了“地球模拟器”计划,于2002年研制成功,并在国际上率先开展了超高分辨率的全球气候系统模式的发展和模拟研究。中国科学院开发了地球系统模式CAS-ESM,集成了大气、陆面、陆冰、海洋、海冰等分量模式。

    应对全球变化提出了系列减缓、适应方案,服务制定政策、编制规划和措施决策。基于地球系统观测、机理研究与模型模拟预测,开展全球变化的适应与可持续发展研究是地球系统科学研究的重点之一。2015年,《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》,将所有国家都纳入了呵护地球生态确保人类发展的命运共同体当中,目标是把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内,并为把升温控制在1.5℃之内努力。越来越多的研究强调通过人类自身行为的改变,主动适应地球系统变化;通过土地系统和景观的重新设计,协调生态系统服务和人类福祉之间的相互关系;通过社会-经济-环境可持续性的综合协同,降低地球系统变化的风险。

    (2)促进自然科学与人文科学融合和推进更加平衡的多学科集成,成为地球系统科学发展的未来趋势

    国际科学理事会(ICSU)于2010年提出了面向全球可持续发展地球系统科学面临的5大挑战:一是如何提高对未来环境条件及其影响预测的实用性;二是如何发展、增强和集成必要的观测系统用以管理全球和区域环境变化;三是如何预见、识别、避免与管理破坏性全球环境变化;四是采取什么样的制度、经济和行为变化以迈入全球可持续发展路径;五是如何在技术研发、政策制定与社会响应中鼓励创新来实现全球可持续性。

    面临这些重大挑战,地球系统科学将会从自然科学主导的研究转变为有广泛的科学和人文领域参与的研究,从单学科主导的研究转为更加平衡的多学科集成研究。“未来地球计划”未来10年将集中在3个方面:动态行星地球——观测、解释、了解和预测地球、环境和社会系统趋势、驱动力和过程及其相互作用;全球发展——获得管理食物、水、能源、材料、生物多样性和其他生态系统功能和服务所需要的知识;可持续性转型——了解转型过程与选择,评估跨部门和跨尺度的全球环境治理与管理战略。

    中国所提出的构建人类命运共同体理念,得到了国际社会的高度认可。这一理念被联合国纳入相关决议,与“未来地球计划”等一起共同引导与推进全球生态文明建设。

    2. 地球关键带理论:服务构建山水林田湖草生命共同体

    地球关键带是指异质的近地表环境,岩石、土壤、水、空气和生物在其中发生着复杂的相互作用,在调控着自然生境的同时,决定着维持经济社会发展所需的资源供应。地球关键带科学为近地表圈层地球系统研究提供了一个整体框架,在此框架内开展全面、系统、持续、深入的跨学科研究。可以说,地球关键带科学是地球系统科学在近地表圈层的具体实现,为地球系统科学提供区域理论基础并服务于区域与全球可持续发展。

    (1)融合地质、水文、土壤、生态等学科,地球关键带科学快速发展

    通过探索,地球关键带科学形成了一条整合研究的技术框架:循环上升的调查-监测-研究体系。通过调查、监测和研究的循环进行,不断深化对关键带及其过程时空变化规律的认识;在此基础上,通过对图件、数据和成果集成分析,针对管理者、科学家、社会公众等服务对象生产各种产品,将关键带研究成果最大程度地传递给社会。

    调查是了解地球关键带组成与结构的基础,也是部署监测和开展建模的基础。2012年,美国地质调查局发布了其核心科学体系科学战略(2013~2023),明确将地球关键带作为其研究的核心靶区,提出针对关键带的结构和过程进行调查,建立关键带3D/4D地质框架模型。针对土壤侵蚀、盐渍化、有机质减少和滑坡等土壤环境问题,欧盟委员会发布了土壤保护主题战略,将传统的1~2m深的土壤层扩展到地表至基岩之间的未固结土层进行调查和研究。关键带调查的主要目标之一是回答“关键带如何形成与演化”这一基本科学问题。欧盟资助的欧洲流域土壤变化项目选择了代表土壤形成不同阶段的4个地区进行调查研究,分析确定关键带形成演化的影响因素和关键带生态服务的可持续性。

    监测是了解地球关键带随时间变化的基础,为建模提供所需的输入数据和校正数据。美国国家科学基金会于2007年启动了关键带观测计划,先后建立了10个关键带观测站,以流域为单元,对关键带各种要素进行长期观测。德国亥姆霍兹联合会于2008年启动了陆地环境观测建设项目,先后建成了4个陆地环境观测站,为区域尺度气候变化研究提供地下水、包气带水、地表水、生物和大气的基础观测数据。法国则通过提升现有的“河流盆地网络”所属的观测站,建设关键带观测设施,以流域为单元对关键带要素进行观测。欧盟委员会于2009年启动了“欧洲流域土壤变化”项目,选择4个典型地点建立了地球关键带观测站,将土壤监测作为长期观测的重点。

    建模对于深化对关键带形成、运行与演化的科学认识具有重要的作用,始终是关键带科学研究的重要领域之一。例如,美国关键带观测计划的重要目标之一是建立能够描述关键带生态过程、生物地球化学过程和水文过程的系统模型,定量预测气候变化、地质作用和人类活动下关键带结构和功能的响应。关键带过程模型大致可分为两类:一类是描述单个过程的数学模型,一类是描述多个过程叠加的耦合过程的数学模型。对于前者,目前已建立了较为成熟的模拟模型;而对于后者,是关键带建模的重点和难点,尽管近年来做了很多探索工作,耦合模型还远不成熟,仍在不断发展中。

    (2)随着地球关键带科学的形成与发展,或将促使地球表层研究发生科学变革

    地球关键带将与经济社会最密切的近地表环境作为独立的开放系统,为区域资源、环境和生态问题研究提供一个完整的系统框架。地球关键带科学研究尚处于探索阶段,近年的进展表明地球关键带科学有潜力促使地球表层研究发生科学变革,为经济社会面临的气候变化、生态系统管护、水资源安全、自然灾害防治等重大问题的解决展示了一种新的图景。未来地球关键带科学研究发展方向包括4个方面:开发一个统一的地球关键带演化理论框架;开发耦合的系统模型来探究地球关键带服务;开发一个集成的数据和测量框架并进行验证;建立多学科集成的地球关键带观测站。

    从国内生态文明建设的实践中,我国提出了“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念。在内涵上,地球关键带与山水林田湖草异曲同工,前者侧重理论,后者侧重实践,目标均是推进区域生态环境治理。地球关键带科学是山水林田湖草系统治理的理论基础,后者则是前者与实践相结合的应用体现。地球关键带科学与山水林田湖草生命共同体理念共同构成了区域生态环境治理的理论框架,共同推进区域可持续发展。

    对地质调查工作的思考

    地球系统问题得到了政府与学术界的高度关注。在社会治理层面,围绕人类社会持续发展需求形成了“两个共同体”理念——人类命运共同体与山水林田湖草生命共同体。在学术层面,随着全球观测、信息等技术的进步,以问题为导向,地球科学形成了新的分支——地球系统科学,聚焦近地表圈层衍生了“地球关键带”新领域。由此,政府与学界在应对地球系统问题方面高度契合,共同构成了完整的理论框架。地质调查工作应树立人类命运共同体与山水林田湖草生命共同体理念,以地球系统科学理论为指导,以地球关键带为重点,加强调查、监测与机理研究,加强综合评价,服务和支撑生态文明建设。

    一是以地球关键带为重点加强综合调查评价。将地球关键带作为地质调查工作的重点靶区。按照统一的技术规范和标准,开展不同尺度的专业性基础性地质调查,充分反映地质框架的成土条件、成矿条件、水文条件等多种属性,建立地球表层三维地质框架模型。充分利用现代信息、网络、大数据等技术,加强区域问题综合评价,形成基础扎实、数据可靠、形式多样的综合评价产品,服务区域生态治理与自然资源综合管理。

    二是以服务生态保护修复为目标加强生态地质调查。根据自然资源管理与生态保护修复需要,选择典型地区探索开展生态地质调查,形成生态地质调查技术规范。根据自然资源勘查开发的源头保护、利用节约与破坏修复全过程需要,推进不同尺度生态地质调查,提出生态保护修复地质解决方案。

    三是以服务全球资源治理为重点加强全球问题合作研究。以“一带一路”倡议为抓手,加快推进矿产资源勘查开发国际合作,加强产能合作,促进全球资源优化配置。立足我国优势,在前沿与关键领域,策划实施地学大科学计划,以全球岩溶动力系统资源环境、地球化学调查、青藏高原特提斯演化与资源-环境效应等为重点,推进国际地学大计划合作。

    四是以资源环境要素为重点加强地球系统探测与监测。采用卫星遥感、航空遥感等对地观测技术,定期采集全球与区域资源环境要素数据。协调、整合、新建观测站点,形成地球关键带综合监测网。开展区域自然资源数量、质量与生态综合监测,及时提出预警。围绕深部资源勘查开发与灾害防治需要,加强地壳深部探测。

    五是以提升自然资源管理决策支撑能力为重点加强地质大数据建设。整合现有地质、资源、环境、生态等调查数据,构建地质大数据核心数据库体系。建立资源环境要素数据动态更新机制,实现地质大数据与自然资源管理需求在时空上的契合。与经济、管理、社会等相关基础数据无缝链接,为自然资源管理与资源环境治理提供全方位支撑。

     

    地球关键带研究的调查-监测-研究循环体系框架

    六是以过程机理研究为基础加强综合评价。基于三维地质框架模型,加强地球系统物理过程、化学过程、生物过程的机理研究,建立地球系统或地球关键带模拟模型。基于机理模型,考虑不同社会经济发展情景,对所面临的问题进行综合评价,有针对性地提出地质解决方案。

    (作者单位:自然资源部中国地质调查局发展研究中心)

    解决地球系统问题需要新站位

    2020年9月,为了配合制定欧盟关键矿产清单,欧盟委员会发布了《欧盟战略技术和行业所需的关键原材料:前瞻性研究》报告,自然资源部中国地质调查局地学文献中心近期出版的内部刊物《国外地质调查管理》2020年第20期刊登了该报告的摘要,以期为我国制定关键矿产清单相关工作提供参考和借鉴。

    这份报告与欧盟关键矿产清单同日发布,着眼于可再生能源,电动交通,国防和航空航天这三个战略行业中使用的九种技术的供应链。这九种战略技术包括:锂离子电池、燃料电池(FCs)、风能、牵引电动机、光伏(PV)、机器人、无人机、3D打印、数字技术。

    报告解释了向气候中性经济的转型,指出战略行业均会对关键原材料产生新增需求,为了对未来需求量和资源竞争情景做出估算,必须将原材料、技术和行业结合在一起考虑。报告还查明了欧盟在加工材料、组件和装配等后续阶段当前的供应风险。建议欧盟发展制造机遇,并在研发方面进行大量投资,以在欧洲目前强大的价值链中保持领先地位。

    识别出的欧盟供应风险和欧盟生产份额

    地学文献中心出版内部刊物刊登《欧盟战略技术和行业...