中国地质调查局岩溶地质研究所研发的“一种基于岩溶地下河系统的岩溶湿地水资源调蓄方法”获得国家发明专利授权。

会仙岩溶湿地是我国亚热带低海拔岩溶地区规模最大的天然湿地，素有“桂林之肾”美称，受人类活动和全球气候变化双重影响，其面临着水资源分配不均、生态环境恶化、湿地生态功能退化等一系列问题。“一种基于岩溶地下河系统的岩溶湿地水资源调蓄方法”通过对湿地内地下河系统补给区、径流区、排泄区实施拦、蓄、引、堵等地下、地表水资源调蓄，实现地下水资源的水量-水位分级调控，岩溶湿地水资源的科学调蓄，使湿地水位保持在合理状态，维系湿地健康生态系统。该方法为破解南方岩溶湿地退化问题提供了新思路和新技术。

土壤资源的前世今生

郭俊刚 赵恒勤

前世

你可知道，松林下松软芬芳的泥土和坚硬巨大的岩石原来是一样的呢。大自然鬼斧神工，又历经数亿年，悄然将坚硬的岩石变成了肥沃的土壤。

早在几十亿年前，地球的表面都是岩石。地壳表面裸露的岩石，受到风力和水力的侵蚀，在物理、化学、生物、气候等多种因素综合作用下，逐渐被破碎和分解。山一样大的石头变成了小块，小块又变成了细粒。在岩石由大变小、由粗变细的过程中，不仅仅是个头变化了，同时岩石也变成了一种叫“成土母质”的物质，这个过程就叫作风化。要注意的是成土母质还不是土壤。时间又过了数亿年，成土母质在水、空气、腐殖质和微生物的帮助下，逐步形成真正的土壤。成土母质的性质决定了土壤的类别，所以在我国有东北的黑土地，有西北的黄土高原，有云贵川的红土，还有中原的棕色土壤。土壤的垂直剖面从下往上通常可划分为“土壤母质层”“底土”和“表土”三个部分，其中“表土”和“底土”合称为“土体”，是土壤的主要部分，土壤的顶部则是由动植物残体腐烂转化而成的“腐殖质层”。大自然需要300年到1000年的时间才能形成大约2.5厘米厚的土壤。

今生

时间来到了人类文明，人类利用和改造世界的能力不断增强，对矿产资源的大规模开发利用，也对土地资源造成了伤害，土壤环境严重恶化，已经威胁到人类的生存与发展。

一、土地的压占和破坏

根据有关部门测算，至2009年底，全国有1亿多亩历史遗留工矿废弃地尚未复垦。在全国11.23万座矿山的开采活动中，每年约有300万亩土地遭受毁损。在新增被损毁的土地之中，耕地或其他农用地高达60%以上。耕地的减少，导致失地农民的增多，土地利用效率降低，生态环境恶化，对社会经济的可持续发展造成严重影响。

二、土壤污染

土壤污染包括矿产资源开发利用造成的土壤酸化和土壤重金属污染。

土壤酸化是指酸性物质使土壤变酸的过程。一部分是矿物开采过程中，硫化矿床从地下开采到地表后，矿石中的硫元素会转化为硫酸根离子，硫酸根离子随同降雨、地表径流等水体进入土壤，导致土壤酸化；另一部分是在矿物加工利用过程中，如煤炭燃烧所产生的二氧化硫、氮氧化物等大量酸性气体，进入大气后遇水形成酸雨，使土壤环境被酸化。

随着矿产资源的开发利用，进入到土壤中的铜、铅、锌、铬、镉、汞、砷等重金属超出土壤承载能力，影响植物正常生长，诱发植物发生病变甚至死亡，也会在植物体表或体内积累，通过食物链进入人体，诱发人类的疾病。

未来

伴随着“绿水青山就是金山银山”号角的吹响，我们必须采取一定的措施，将矿产资源开发利用对环境造成的损害降到最低。通过矿山土地复垦，增加可耕地数量，提高土地质量，改善生态环境；通过开采工艺的改进，充分利用采空区和废弃巷道，减少地表塌陷和废石排放；通过生产设备和生产工艺的改进和优化，实现对矿产资源的高效节约集约利用，减少废弃物排放。

目前，已经涌现出一些重金属修复技术，比如利用钝化剂使重金属的形态趋于稳定，利用超富集作用的植物吸收土壤中的重金属。重要地块被污染又不易治理的话，直接给土壤搬个家，将污染土壤移走，将清洁土壤移来。

土壤是我们人类赖以生存的资源，要把生态文明理念贯穿到整个土地资源和矿产资源的开发利用过程中不仅要注重土地数量的保持，还要注重土地利用质量的提升，实现经济效益、生态效益和社会效益的统一。

宜兴保磷矿基地选矿厂实现零排放

周文雅 吕振福

磷矿是地球上不可再生的非金属矿产资源，是一种重要的化工矿物原料，是保证粮食安全不可替代的矿产资源。

根据《全国矿产资源规划（2016—2020年）》，我国规划有3个磷矿资源基地：滇中、贵州开阳-瓮福、湖北宜兴保。中国地质调查局郑州矿产综合利用研究所46种重要矿产资源开发利用水平调查项目组2019年奔赴湖北宜兴保磷矿基地进行开发利用水平调查，考察基地内资源的可持续保障情况、开采选别技术水平、尾矿废石的排放情况。

2018年全国共有磷矿采矿权证288个，湖北宜兴保磷矿资源基地有磷矿采矿权证62个。磷矿是湖北在全国最具比较优势的矿种，查明资源储量74.96亿吨，位居全国第一。为了提高生产效率和产品质量，大部分企业都会优先使用高品位磷矿，以避免不必要的原材料消耗、减少产生的废渣、提高磷矿的利用率。中低品位的磷矿石一般要通过一些特定的选矿技术，得到磷含量较高的精矿，才能用于后续的生产。宜昌的磷矿资源具有明显的夹层结构，中层为富矿，上下两层均为贫矿。特殊的矿层结构加上历史原因，宜昌当地采富弃贫的现象普遍。

湖北省磷矿资源管理暂行办法要求对磷矿必须“全层开采，全部入选”；对开采规模实行总量控制；对磷矿石(粉)实行凭准运单运输的准运制度；逐步重组和关闭生产能力在 15 万吨/年以下的磷矿企业，提升资源利用水平。宜昌市继续减少磷矿石开采计划，2018年在1300万吨的基础上又缩减了300 万吨。一系列措施，有效保障了湖北磷矿资源的可持续发展。

2018年，湖北宜兴保磷矿基地内磷矿企业有62家，在产企业54家，均采用地下开采，运营期间采掘废石不出坑，回填采空区，既可降低采空区上方的开裂、沉降变形，又防止固体废弃物对环境的污染。由于基地磷矿实行开采总量控制，基地内总设计采矿能力3212.5万吨，实际采出矿石1440.795万吨，平均采矿产能利用率46.02 %。

湖北宜兴保磷矿基地选矿厂普遍采用重介质旋流器进行磷矿选别。磷矿原矿破碎后进入重介质旋流器，品位高的磷矿颗粒在旋流器中下沉，成为精矿产品；品位低的磷矿颗粒在旋流器中上浮，随溢流水排出，成为尾矿产品。所有生产废水净化后全部循环使用，完全实现零排放。

宜兴保磷矿基地2018年排放磷矿废石70.94万吨，年利用磷矿废石95.87万吨，磷矿废石累计积存量为194.26万吨，2018年磷矿废石利用率为135.14% 。

宜兴保磷矿基地2018年排放磷矿尾矿41.32万吨，年利用磷矿尾矿37.32万吨，平均磷矿尾矿利用率为90.32 %，累计磷矿尾矿积存量为95.89万吨。

磷矿属于不可再生资源，缺乏相应的替代品种，被列为我国重要的战略资源，在国家粮食生产安全中占有极其重要的地位。湖北宜兴保磷矿资源基地资源储量大，2016年湖北远安发现一特大型磷矿床，初步探明储量达4.29亿吨，是我国首次发现的单一矿区最大规模磷矿，后备资源丰富。湖北对磷矿实行开采总量控制性管理，可有效保障我国未来磷的供应能力，保障我国粮食安全，助力中国磷业发展。

材料界的“百变星君”——石墨

郭理想 张然 刘磊

地球上的碳分布非常广泛，既可以分布于地壳表层，又可以存在于地壳深部甚至是地球内部更深处的地幔中。此外，碳还是地球上生物体的基本组成元素之一。同时，其存在的状态也很多样，氧化态、还原态以及单质形式的碳均能在各种自然和人为环境中存在。截至目前，自然界中已发现的由碳单质构成的物质有三种：第一种是价值斐然、人尽皆知的钻石，第二种是与我们的日常生活密切相关的石墨，第三种是尚存争议且人们知之甚少的卡宾碳。

石墨最早由德国矿物学家A.G.Werner（1749~1817）命名。自然界中产出的石墨外观呈现出钢灰色或黑色，形状主要有鳞片状和土状两类，还有部分以块状形式产出。其化学成分主要是碳，天然产出的石墨成分纯净的很少，其中常包含SiO2、Al2O3、FeO以及粘土、沥青等杂质。

石墨矿床的形成需要具备以下两个主要条件：大量的碳，即碳质要集中，它们是形成石墨的主要原材料；合适的热力学条件，例如相当高的温度，好比是工厂中用于生产的机器需要合适的工作参数和加工环境。

全球石墨资源分布广泛，美国地质调查局最新发布的《世界矿产品概要2019》中的数据显示，全球范围内的石墨储量主要分布在土耳其、中国、巴西、莫桑比克、坦桑尼亚、印度、越南等国。其中晶质石墨主要分布在中国、巴西、莫桑比克、乌克兰、马达加斯加等地，隐晶质石墨主要分布在土耳其、印度、墨西哥等地。

我国是传统的石墨生产和消费大国。石墨属于不可再生资源，是我国的优势矿种，我国在2016年12月将晶质石墨列入国家战略性矿产目录。根据自然资源部最新发布的《中国矿产资源报告2019》显示，我国晶质石墨查明资源储量为4.37亿吨，主要分布在黑龙江、山东、内蒙古、吉林和湖南5个省（区）。我国已发现的石墨矿床总体上可分为三种类型：区域变质型，如黑龙江省鸡西市柳毛石墨矿、山东省青岛市莱西南墅石墨矿、内蒙古自治区乌兰察布市兴和石墨矿等；接触变质型，如湖南省郴州市鲁塘石墨矿，吉林省吉林市磐石烟筒山石墨矿等；岩浆热液型，如新疆维吾尔自治区昌吉苏吉泉石墨矿，巴音郭楞蒙古自治州尉犁县托克布拉克石墨矿等。

石墨的用途也颇为广泛。石墨具备良好的导电、导热、润滑、耐磨，以及耐高温、抗腐蚀、防辐射等诸多优良性能，能用于制造各种产品，被广泛用于国民经济的各个行业，可谓是材料界的“百变星君”。在传统行业中，石墨可作为耐火砖、坩埚、增碳剂等，应用于耐火材料和钢铁工业。由于洁净钢及超低碳钢的发展，以及节能降耗的要求，开发低碳耐火材料已成为必然趋势，石墨在炼钢领域的用量正逐步降低。

在新能源领域，石墨可作为锂离子电池的负极材料。负极材料对石墨性能要求较高，通常需要将石墨球形化以后，提纯到99.9%以上。在核能领域，天然石墨也发挥着重要作用，球床式高温气冷堆的球形燃料元件中，天然石墨占据64%的比例。

石墨烯是近年来的热点新型碳材料。英国曼彻斯特大学的物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov于2004年首次发现了石墨烯，他们也因此荣获了2010年的诺贝尔物理学奖。我国目前已经实现以天然石墨为原料，通过氧化石墨-还原法制备石墨烯粉体的工业化量产过程，并在防腐涂料、导热膜等领域有较好的应用效果。未来石墨烯在新能源汽车、海洋工程、能源发展、高端装备、环境治理等领域的应用将进一步深入，有望成为各个重大领域不可或缺的应用材料。

“工业味精”——锡矿的开发利用

田敏 张红新

地壳中锡的平均含量只有0.004%，属于比较稀贵的金属。目前已发现锡矿物和含锡矿物50余种，其中具有工业意义的主要矿物为：锡石、黄锡矿、圆柱锡矿、硫锡铅矿、辉锑锡铅矿。地球上锡矿主要呈带状分布在东南亚和东亚两大锡矿带，东南亚锡矿带北起缅甸的掸邦高原，沿缅泰边境向南延伸到印度尼西亚。东亚锡矿带西起中国云南个旧，延伸至广西，南起朝鲜，经中国延伸至俄罗斯。中国居于东亚锡矿带的主要区域，因此成为全球锡资源储备第一大国。近年来数据显示，全球锡储量共约480万吨，中国拥有150万吨，印尼80万吨，巴西70万吨，玻利维亚40万吨，澳大利亚37万吨。

我国锡矿资源分布较为集中，主要分布在云南、广西和湖南三个省（区），三个省（区）锡精矿产量合计约占全国总产量的90%。目前，世界上有20多个国家开采锡矿，自1993年以来中国锡精矿产量一直居于世界第一。

我国锡矿资源按照矿物组成不同分为三类：原生锡矿、砂锡矿和其他类型锡矿石，储量分别为92.88%、0.80%和6.32%。原生锡矿主要分布在广西和云南，合计占总累计查明储量的83.06%。目前，工业生产中锡矿选厂根据资源类型的不同，共有7种方法处理矿石，分别为重选、单一浮选、浮-重-浮、浮-磁-重、重-浮-磁、重-磁-浮、重选-浮选，重选法处理矿石量最多，单一浮选法处理的原矿品位最高。我国资源量最大的原生锡矿和砂锡矿主要采用重选工艺，使用的机械设备有跳汰、摇床、溜槽及离心机等重选设备。我国虽然锡矿储量丰富，但品位较低，主要集中在0.1%~1%之间。国内矿山企业着力提高锡矿伴生资源综合利用水平，通过科学制定选矿工艺，回收共伴生组分11种元素，包括镉、硫铁矿、镍、铅、锑、铁、铜、钨、锌、铟、银。

锡最大的优点是可以100%回收，符合环保、节能、节约资源的国家战略，国家不断出台多项政策鼓励扩大锡的应用领域。近几年，我国电子产品出口日益增多，在欧盟《关于报废电子电器设备指令》和《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》发布实施后，欧洲将强制步入无铅化电子时代。中国电子无铅化趋向势在必行，预计我国在锡焊料领域中消费量年增长率将在10%左右；塑料工业生产因环保要求，将扩大锡热稳定剂的使用；硫酸亚锡作为新型绿色环保水泥的添加剂，在近几年发展较快。随着我国汽车、钢铁、机械制造业和矿山工业的发展，锡的使用量会逐步增加，锡产业将迎来长期良好的发展前景。

你了解氟中毒吗？

冯乃琦 张永康 曹耀华

氟在自然环境中广泛分布且与人体健康密切相关，主要分布在人的骨骼、牙齿、指甲和毛发中。氟是与人体健康密切相关的必需微量元素，但若摄入过量就会引起氟中毒，氟污染还可以使动植物中毒，影响农牧业生产。我国地方性氟中毒病区分布广、病情重，遍及29个省、市、自治区。全国有病区县1314个，病区村10万余个，受威胁人口超过1亿人。

一、什么是地方性氟中毒？

地方性氟中毒，是指在自然条件下，人们长期生活在高氟环境中，主要通过饮水、空气或食物等摄入过量的氟而导致全身慢性蓄积性中毒。

二、地方性氟中毒的危害是什么？

地方性氟中毒是一种慢性全身性疾病，主要表现在牙齿和骨骼上。对牙齿的损害主要表现为氟斑牙。主要危害为7~8岁以下的婴幼儿，一旦形成残留终生。

对骨骼的损伤会引起氟骨症，主要表现腰腿及全身关节麻木、疼痛、骨关节变形，出现弯腰和驼背，最后发生功能障碍，乃至瘫痪。另外还可能对神经系统产生障碍，对肌肉、肾脏、甲状腺、甲状腺旁腺等产生不同程度的损害。

三、大气、土壤和水中的氟是从哪里来的？

大气中的氟：大气中氟的人为来源主要是工矿业的生产过程和煤炭燃烧的排放，以气态和颗粒形式将氟化物释放到环境中。

土壤中的氟：土壤中氟的来源主要有3个途径：岩石中含氟矿物的风化；火山喷发进入大气的含氟化合物经干湿沉降进入土壤；人类工业活动。据估计，我国磷肥厂一年排放10多万吨氟，砖瓦厂排氟量达50万吨以上。此外，钢铁、制铝、化学磷肥、玻璃、陶瓷、氟化工等工业以及燃煤过程中排放的含氟三废，数量也极高。

水中的氟：萤石和磷灰石的溶解是地下水中氟的主要来源，黑云母、角闪石以及含蛭石、高岭石和蒙脱石的黏土矿物也是其来源之一。

四、地方性氟中毒有哪几种类型？

根据氟的来源和摄氟途径不同，将地方性氟中毒分为三大类：饮水型氟中毒、燃煤污染型氟中毒、饮茶型氟中毒。

五、地方性氟中毒临床表现有哪些？

氟中毒最突出的表现是骨骼和牙齿受损害。骨骼损害引起氟骨症，出现全身关节疼痛，四肢或躯干麻木，手足抽搐、僵硬，严重时还有关节活动困难，弯腰驼背，胸廓变形，甚至不能直立行走，丧失劳动能力。

六、影响氟中毒发病的主要因素有哪些？

一是摄氟量：摄氟量高，发病率高，病情严重。二是营养条件：蛋白质、钙和维生素有抗氟保护机体的作用。三是饮水中的化学成分及硬度。饮水中的钙和镁可降低人体对氟的吸收，促进氟从体内排泄，减少氟对机体的危害。饮水的碱度增强可使氟的活性增强，有利于氟的吸收和增加氟的毒性。四是抗氟元素的摄入，如钙、镁、铝、硼、锌、硒、铜、钼、铁等，可促进氟由体内排出或增强某些酶的活性，从而提高机体抗氟能力，降低氟的毒性。五是生活、饮食习惯与燃煤污染型和饮茶型地方性氟中毒有着极为密切的关系。

七、氟中毒的预防措施有哪些？

饮水型氟中毒病区预防的根本措施是降低水氟含量，使之达到生活饮用水卫生标准。

一是改换水源。在有条件的地区采用引水、打深井等措施，使病区群众改用低氟水源。二是在干旱地区，可利用物理、化学方法除去水中过量的氟，使之达到生活饮用水卫生标准的要求。常用的方法有混凝沉淀法、活性氧化铝吸附过滤法、骨炭过滤法等。三是饮茶型氟中毒病区要大力宣传高氟茶的危害，使病区广大群众认识到高氟对人体健康危害的严重性，自觉改变不良的饮茶习惯，增强自我防病能力。

八、地方性氟中毒该如何治疗？

地方性氟中毒由于发病机理不太清楚，目前尚未研究出根本有效的治疗方法，只能对症或缓解某些症状，减轻病人痛苦。

一是切断氟源，减少机体摄氟量。根据病区类型和特点，采取不同措施，把环境介质中的氟含量降到或控制在国家标准范围内，减少机体摄氟量。

二是减少机体对氟的吸收。利用某些元素与氟的亲和力与氟离子结合，形成新的难溶性盐，不能被机体吸收利用，如铝、硼、钙等元素。

三是促进体内氟的排泄。体内氟主要从肾脏排泄，某些药物和元素能促进氟从机体排出。如甘草和维生素C，两者对增强体内新陈代谢、加强利尿解毒有一定作用。

四是改善生活条件。生活条件和营养状况对地方性氟中毒的发生与发展有直接影响，改善生活条件，增强机体抵抗力，补充必要的营养，有利于减轻发病和提高疗效。

五是对症治疗。地方性氟中毒患者常出现疼痛、麻木、抽搐，以及消化系统、神经系统障碍等症状，可给以镇静、镇痛、助消化等药物，解除患者痛苦。

九、刷牙会导致氟中毒吗？

我国居民氟的适宜摄入量应在1.0到1.5毫克之间，可耐受最高摄入量为3毫克，超过此安全限值，氟就会在体内积蓄，引起氟中毒。我国牙膏含氟量标准是：成人牙膏0.05%～0.15%。如果使用1克的含氟牙膏（约1厘米长的膏体），每天刷牙2次，氟总量只为2～3毫克。刷牙后吐掉泡沫，已经吐掉了大部分的氟，剩下吞咽到体内的氟只是很少的一部分，不会对人体产生伤害。

对于儿童，特别是6岁以下的儿童，由于吞咽反射比较差，容易在刷牙时吞入牙膏，要注意防止氟摄入过量。一方面，儿童应该使用含氟量更少的儿童牙膏，并且每天刷牙不超过2次。另一方面，家长要监督孩子刷牙，鼓励他们吐出泡沫，不要吞咽。偶尔发生的吞入不用过于担心，因为即使是使用含氟1500毫克/千克的牙膏，1岁儿童也要一次服下33克才会达到可能中毒量。

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）

2020年6月11日，自然资源部中国地质调查局武汉地质调查中心赣州于都地区生态地质调查项目组联合江西应用技术职业学院，在于都金桥崩岗修复治理示范园区组织开展了一场别开生面的生态地质调查与生态修复野外现场教学与科普实践活动。活动邀请了知名生态地质专家汪振立教授出席并指导，全程共有70余名学生参加。

来到崩岗发育连片区，大家亲眼目睹了由于水土流失造成地表千疮百孔、满目疮痍的景象，不仅感叹大自然强大的破坏力，更表现出了对生态环境恶化的忧心忡忡。同学们在项目组负责人的带领和讲解下，通过近距离观察和思考，明白了什么是崩岗，初步了解了崩岗地貌、成因、分类、危害、形成机理及防治措施等，并饶有兴致地进行了讨论，对如何防治崩岗水土流失侵蚀和生态修复提出了种种设想和建议。

走进崩岗修复治理展示区，置身于山水相依、绿树成荫、芳草萋萋的美景和宜人的环境，同学们陶醉在这幅生态画卷当中，深切感受到生态修复的魅力。结合眼前实例，项目组从生态文明到美丽乡村建设，从“两山理论”到“生态优先、绿色发展”思想，从理论到实践进行了深入浅出地阐述和讲解。同学们一路兴致勃勃地边听、边观察、边记录，对生态修复必须秉持“尊重自然、顺应自然、保护自然”和“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念，以及对因地制宜不仅要提升自然生态景观、培育经济特色产业，还要传承乡村特色文化，形成集警示教育、高效农业、生态休闲、宜居家园于一体的生态格局有了更直观地认识。

通过参加本次活动，同学们纷纷表示开阔了眼界、增长了见识，受益匪浅，并将在以后的生活、工作中一定要注意节约资源、保护环境，当好生态卫士，守护绿水青山。

项目负责人现场讲解

野外合影

成都地下空间建设现场。 赵 凡 摄

武汉地铁站。 赵 凡 摄

上海地铁地下空间。资料图片

核心提示：城市化使得城市土地资源日益紧张，有效开发和利用地下空间成为大势所趋。在5月份召开的全国科技创新大会上，习近平总书记明确提出，向地球深部进军是我们迫切需要解决的战略科技问题。而国土资源部提出的科技创新“三深一土”战略，则让“向地球深部战略”实施进入快车道。其实近年来，上海、成都、武汉等城市已经开始立体空间发展的探索和实践，取得了不少实绩。但大部分城市在地下空间利用的规划、法规、管理、技术等方面都还处在起步阶段，如何解决地下空间的安全利用问题迫在眉睫。

自以为熟悉成都，可我还是在它最中心位置的天府广场上迷失。令人堵心的堵车和比肩接踵的人流像是不见了。

这是11月27日的上午，成都少有的太阳出来，眼前所见，是宽阔的广场，上面喷泉、绿地、雕塑、玩闹孩子，还有晒太阳的老人。

成都市规划院的领导带着我们来到步梯口，一边往下走，一边介绍：天府广场地下工程的总体布局是四层：地面广场，用于休闲和人车集散；地下一层，是商业、文化、交通功能；地下二层，是车库和地铁站厅，地下三层，是1号线站台，地下四层，是2号线站台。

原来，地面上的广场，在地下却成为另一个立体的繁华世界。会生活的成都人依然会生活，但是换了一种方式。

这种改变，是从什么时候开始的？终将向何方？

一

朝向未来的国家战略，迫切性、必要性几乎被大举进军的城市化“逼”出来，一开始就显示出不可阻挡的趋势性。从政府角度看，“三深一土”是中国科技创新的新高地。中国城市未来的发展、中国地勘产业的未来转型都能在地下空间利用中找到突破口

当在很多人都在纠结如何利用地面空间的时候，地下空间的利用，其实早就开始，只不过没有上升到整体的、长远的理念上认识。

中国在西汉时期就出现了5到7米深的水井；

1835年，四川自贡诞生了1001.42米的人工钻凿盐井；

我国目前最深的油井在新疆塔里木盆地，深达8408米；

我国第一口用于科学研究目的的5000米深钻在江苏省东海县诞生；

1969年10月1日，北京第一条地铁线路建成通车；

20世纪初，中国地质调查局开始把城市地质调查研究作为重要的工作内容

……

无论是单孔挖凿,还是成面积的挖掘建设，亦或是摸清家底的探索研究，我们早就因为各种各样的原因打起了地下空间的主意。但是，当21世纪第一个15年过去之后，很多有识之士深刻地意识到，这件事，我们再不做，就晚了。

在国外高校执教多年的中国地质科学院教授级高工戴春森知道不少国际做法。比如美国的“地球透明计划”、芬兰的“赫尔辛基地下空间总体规划”、马来西亚的“排洪与地下公路一体化”。

这些成规模、成系统的地下空间利用规划，在一些国家已经完成。地下空间利用的实践也在一些国家做得有声有色，比如新加坡利用100米以下的地下空间，主要是做物流；加拿大蒙特利的城市空间建设，30%已经转到地下；东京在地下修建了巨型的排水系统。有数据表明，国际城市地下空间利用率为30%。而我国城市平均地下空间的利用率只是17%。

地下空间利用的差距是因为整体深测水平有差距。按照地球深部探测首席专家组组长董树文的观点，我国深部探测领域相对国际先进水平之间有一个30年左右的代沟，我们在探测技术、探测和利用深度、探测分辨率和探测程度上都存在明显差距。就在人家开始第二轮深地探测时，我们的第一轮才刚刚开始。

其实，对地下空间利用的必要性，地球人的认识都一样，因为横亘在所有人眼前的问题都一样——而中国，压力则更大。

人口增长、交通拥堵、日益加剧的污染、越来越频繁的自然灾害、越来越严重的地表资源的枯竭……种种问题表明，要做到可持续发展，必须要把深地探测研究上升到国家战略的高度认识。

地下空间安全利用的国家专项研究势在必行。

在今年5月召开的全国科技创新大会上，习近平总书记明确提出，向地球深部进军是我们迫切需要解决的战略科技问题。国家领导人对地下空间和能源资源的开发利用高度重视，而新近叫响的国土资源科技创新“三深一土”战略，恰好契合了国家“十三五”规划纲要中提出的“深空、深海、深地、深蓝”发展目标。

“向地球深部战略”实施进入快车道。在此背景下，国土资源部与教育部、中科院、中国地震局共商建立了深地探测研究协调机制，成立了由国土资源部部长姜大明任组长的深部研究领导小组，责成由8位院士专家组成的首席专家组领衔编制地球深部探测国家重大科技项目方案，由多位院士专家组成的专家顾问委员会咨询把关，共同推进深地探测研究重大科技项目立项。

立项建议书目前已经完成，计划年底前完成论证工作，这是深地探测的进度表。在科学家的立项书里，深地探测项目分四个层次：第一层，近地表探测（0到0.5公里）；第二层，万米资源探测（0.5到10公里）；第三层，透视地壳探测（10到30公里）；第四层，深地科学探测（大于30公里）。要完成八大任务：地下空间探测与安全利用；深部含水层结构探测；深部资源能源探测与开采；深部油气探测与开采；地热资源探测与地热利用；深部地下观测与地壳活动性监测；深部探测前沿技术与装备；深部探测与深部过程。

地下空间安全利用的课题排在八大任务的第一，不仅因为它对于中国未来发展至关重要，还因为大家对它最摸不清底。

中国地下空间起步晚发展快，存在资源浪费、生态环境破坏等诸多问题，亟须科学的理论、先进的技术和严谨的规则进行破解，迫切需要通过国家重大科技专项“创理论、攻技术、建规则”。中国地质科学院党委书记、副院长王小烈说，地下空间安全利用和立项研究对于国家发展有三个重大意义：第一是缓解城市土地供应的压力，保障城市可持续发展；第二是防范自然灾害影响；第三是引导产业转型，培育新兴产业，增加社会经济的效益和生态环境的效益。因此，“向地下要空间、要安全、要效益，是我国社会经济和城市发展的必然选择”。

调研，就是立项论证工作的重要部分。

11月25日~28日，地球深部深探研究领导小组及首席专家组成员赴上海、武汉、成都三个大都市调研。来自国土资源部、教育部、中科院、中国地震局等不同部门的有关院士、专家每到一处，即马不停蹄地召开座谈会并考察现场，了解各个城市地下空间安全利用的需求点、梳理未来在地下空间安全利用中需要攻克的科技难题、沟通各地方因地制宜的特色发展途径。

二

关于地下空间的种种涉及，不能再只当成文学看。科学家的畅想把一个完全不一样的世界展现出来，你还当这是异想天开吗？不，它也许就是我们看得见的未来

“全球变暖，环境恶化，地面城市问题突出，人类已经开始探索太空定居。那么，我们有没有可能往下看？深部空间资源丰富，人类能否实现在地球深部生存和定居？”

四川大学的谢和平院士从这个发问开始了自己的阐述。他说，与我们已经熟悉的地面空间相比较，深地空间环境清洁、隔音隔震、天然抗自然灾害，低成本无辐射而且恒温恒湿。因此，深地空间可能成为优于太空移民定居，应对未来地球灾害的人类移居方式。

移居地下生活，需要建立全链条的生态圈。谢和平构想的奇特之处正在于此。在他的构想中，地下空间要打造出三层——地下宜居城市、地下生态圈和科学探索基地。在这张构想图中，有生活和文化区域，比如可将图书馆、博物馆、会展中心、体育馆、音乐厅、养老院等地上文化、娱乐设施转入地下；有交通与通信，比如可以在深部纵向和横向设计覆盖整个地下空间网络；有生态景观，比如可以进行包括植物、动物和微生物的地下生态系统构造，以及地下瀑布等景观系统建设。

科学的构想不是科幻小说，它的内核，还是科学研究与推理。对于谢和平带来的这场头脑风暴，大家观点并不相同，但都认为，地下空间的安全利用可以通过科技攻关实现，这已经并可能为越来越多的实践案例所证实。

地球深部工程要做什么？

地质学告诉我们，地球从地表到地心，分地壳、地幔和地核三个同心球层。现在所谓的地下空间利用，主要还在地壳层。在开发的过程中，要对付的，主要是覆土层和基岩层。而这两个层面的施工，需要多种技术的支持。

技术是为目标服务的。董树文提出，首先，地下空间是资源，需要向评价其他地下矿产资源一样进行规范地调查、勘查和评价；其次，所谓地下空间并“不空”，而是充满水土、岩石物质、具有温压梯度、应力变化等多重场元的平衡系统，一旦开发利用必然产生原始平衡的扰动和破坏，需要精细的探测和实时的监测技术；再次，地下深部空间具有极端物理、化学、生物和地质环境，可以开展地表温压条件下不可实现的实验，如增重环境与上天的失重环境恰恰相反，极具探索性。所以，地下空间探测与安全利用，包括了城市地下空间、地下含水层和特殊空间三个部分。

地质勘查、工程地质和地铁建设的多年实践，已经开发和运用了不少地下工程技术。但是要想达到董树文所说的三部分的要求，还远远不够。

戴春森根据国际事例研究提出，深部工程的展开，应该走这样的流程：第一是要做探测评价。要搞清地球原始平衡状态、建立多场的3D静态模型，画出基本线。第二是做规划。规划设计要考虑多种影响因素，比如工程叠加后对地质环境的影响、地质环境变化对工程的影响，这些变化随时间的演变过程、对这些演变最终造成灾害的可行性的动态模拟及灾变预测和规划、设计中的规避。第三就是建设使用阶段。这一阶段要进行对变化参数的监测，监测结果要用于校正和更新动态模型，要工程干预消除或延缓灾变演变过程。

将地面建设放到地下，必须杜绝急功近利。

作为地球深部探测首席专家，中国地质大学（北京）教授王成善院士说，在调研中，他产生了两个基本想法。第一个想法是要保证规划第一、安全第一和环境第一。城市地下空间的利用具有不可逆性。地面上建一个建筑，觉得不合适可以炸掉，地下就不行了；地下空间的发展是高成本投入，空间利用先后次序不同，影响的不是一两亿元，而是几十亿元、几百亿元的问题；地下空间受多强制性要素的约束，所谓上天容易入地难，是因为地下是个固体空间，充满了巨大不确定性。

他的第二个想法是地下空间利用规划必须考虑全功能、全深度、全资源和全灾害。他解释道，所谓全功能，是说由于地下空间的特殊性和巨大挑战性，我们一开始做的时候，就要把所有功能都考虑清楚，这种考虑要非常超前。所谓全深度，是指要站在整个世界科技发展的前沿态势来考虑深度问题。所谓全资源，不仅指地下资源，而且指在开发过程中的水、热和废渣石等资源的综合利用。所谓全灾害，是指既要考虑在地下空间利用之前的灾害问题，也要考虑到在开发利用过程之中的灾害问题，还要考虑开发利用之后运行过程中的灾害问题。

三

对于中国正在崛起的一批特大乃至超大型城市，解决地下空间的安全利用问题已迫在眉睫。城镇化大举进攻下，满负荷、超载量滋生出形形色色的城市病。一些城市已经开始立体空间发展的探索和实践，也取得了不少实绩。但大部分城市在地下空间利用的规划、法规、管理、技术等方面都还处在起步阶段

21世纪初，中国地质调查局开始拓展了一项有重要意义的工作：城市地质。2003~2009年，环渤海、长三角和珠三角启动了上海、北京、杭州、天津、南京、广州6个城市的三维地质调查试点。

南京地调中心研究员程光华告诉记者，三维地质调查试点在多领域采用多种技术手段对城市地质进行了全面、综合、系统的调查。在多个试点城市建立了数据库、三维模型和信息系统，为城市地下空间探测奠定了很好基础。但是调查深度大都以50米以浅为主，以工程地质钻为主，以钻孔为主，没能够很好地解决不确定性和抗干扰性的问题，深度和精度都有很大的局限性。

但是城镇化的大潮完全不能等待。大城市、特大城市、超大城市的交通和各种形式的污染让城市管理者急切寻找另一个空间，在全国各地迅速兴起的地铁建设热，是这种情绪最直接的表现。

成都，一个让人充满安逸生活想象的城市，在2005年之前，它的地下空间建设主要还是在人防工程、地下人行通道、车行下穿隧道、地下停车场这个层面。2005年，地下空间利用问题进入市政府的重要议事日程，该市先后编制了地下空间总体规划纲要（2005~2020）和《成都市中心城区地下空间利用规划》，将商业空间及居民活动空间逐渐往地下拓展。从2010年起，成都市进入了地铁快速发展期。该市规划局有关负责人说，目前，成都已经开通了地铁2号线、4号线1期和地铁3号线1期工程，运营里程达108公里。明年将开通运营4号线2期、10号线1期和7号线。

让他们自豪的还有巧用地下空间建交通隧道、地下停车场、地下综合管廊，以此来舒缓地面老城区压力。比如天府广场地下工程、川大校园内运动场地下工程、川师车辆段与综合基地地下工程等。把地下通道、停车场和地铁综合在一个空间成规模设计施工，既解决了交通拥堵老大难问题，又让历史古建熠熠生辉，让老城旧貌换新颜。

针对地区特点，成都市对地震水文进行认真分析梳理，在规划中重点研究地下公共设施规划布局，在深度上按浅、中、深分层指导，平面上形成分类控制布局。

成都市的热情非常高涨。他们计划要在2020年末，全市地铁运营总里程达到650公里以上，运营达到500公里以上。计划2025年末，全市建成地下综合管廊约500公里，全域成都基本形成区域骨干地下综合管廊网线。

武汉，一个由长江和其支流分为三处、水面面积占整个区域版图面积1/4的江城，地下空间如何利用？这个问题，实在让武汉市政府焦虑。武汉市市委常委、常务副市长龙正才感慨道，武汉这地方，动不动就要修桥，动不动就要修隧道，地上建筑设计力量还算雄厚。但是要论地下，难度就大了。

据武汉市规划部门介绍，该市2007年启动第一轮主城区地下空间利用专题规划，2014年结合地铁城市、海绵城市建设、“三旧”改造以及“十三五”规划等，启动新一轮武汉市地下空间综合利用专项规划编制。按规划，到2020年，武汉主城区地下空间规模要达到达到450万平方米，人均地下空间建筑面积达到6个平方米。

武汉人说，目前他们的地下空间使用最多的还是停车场。自2012年首条地铁通车后，武汉市进入地铁时代。目前已建成2、3、4号线地下轨道，线网总长度达到89公里。但这距离目标还很远。他们的规划是以14条线轨道交通线路，达到60分钟穿越，30分钟达到中心城区的目标。此外，武汉完成了多条水下隧道，其中武汉长江隧道2008年建成使用，是万里长江上第一条穿江隧道。东湖隧道2015年建成，是我国最长承重湖隧道。综合管廊、大型地下商业项目、地下人防设施等都在建设中。今后，他们将进一步拓展过江隧道，谋划地下排水深邃建设。

在管理方面，武汉市出台了《地下空间开发利用管理暂行规定》《轨道交通规划管理办法》等一批地方管理法规，探索了地下土地供应和产权登记，轨道交通安全建设与运营管控途径，开展了全市及重点地区的地下空间综合利用规划。

在对三个大城市的考察中，专家们不约而同地对上海地下空间安全利用的实践和规划思路竖起了大拇指。

上海的常住人口高达2415万，对于地下空间的迫切需求，促使它较早即开始了地下空间的开发。20世纪90年代以来，随着大规模旧城改造和新区建设，特别是地铁建设的大力推进，上海的地下空间开发已经形成一定规模，近几年更是进入快速发展期。

上海市规划和国土资源管理局有关人士介绍说，截至2016年，全市已经建成地下地下工程共有3.6万个，总建筑面积8186万平方米。截至“十二五”末，上海城市轨道交通网络运行线路总数已达14条600多公里，城市轨道交通基本网络已经全面建成。形成了一批多功能、大规模的地下综合体。地下综合交通枢纽和道路为优化城市交通提供了新渠道，结合绿地、广场、公园建成的地下车库缓解了中心城区停车资源紧张的问题。地下市政管线设施已成相当规模，专业管沟和综合管廊建设正在探索和推进阶段。此外，还已建成了一批指挥工程、医疗救护工程、防空专业队工程和大型人员隐蔽部等骨干民防工程。

上海在地下空间利用的管理上也进行了多项探索。比如出台了一系列法规政策，对地下空间安全使用管理和地下空间开发引发地面沉降防治等进行规范。2014年颁布实施的《上海市地下空间规划建设条例》要求，地下空间开发应遵循统筹规划、综合开发、合理利用、安全环保、公共利益优先、地下与地上相协调的原则，并对地下空间实现分层利用。同时，上海还建立了地下空间管理联席会议制度，市住建委牵头、17个部门统筹协调涉及地下空间利用的重大事项。为加强地下地籍管理，上海市还发布了《上海市城市地下空间建设用地审批和房地产登记规定》，分别针对存量单建地下空间、存量结建地下空间和新增地下空间提出了三维宗地构建方法。2013年市政府办公厅转发了《上海市地下建设用地使用权出让规定》，规范了经营型地下建设用地使用权实行出让制度，明确了出让方式，量化了出让价款的确定方法。

早在2003年，上海就在全国率先完成地下空间概念规划，这些年，该市相继出台不少相关规划，已有的规划在不断完善中。2012年出台《上海市城市地下空间开发利用和保护十二五规划》。目前，该市已制定了《上海市城市总体规划2016~2040》并向社会公示。

规划、法律、管理、技术工艺等等方面尽可能到位，上海的探索让人感受到精致用心的国际范儿。

三个城市以自己的方式因地制宜地探索地下空间的安全利用，原因是他们都有共同迫切的需求！

但问题和困难也是显见的，比如：

——规划布局需要有更长远的眼光，需要为未来发展做预留。

——就目前开发的深度和结构而论，尽管不少城市地下交通设施建设规模不小，但开发深度与全球城市相比有差距，轨道交通承担公共交通比重有待提高，地下交通网络化需要完善，地下快速路和地下步行道尚处于起步阶段。

——就管理而言，地下市政公用设施缺乏统一监管。地下空间建设的历史信息缺乏梳理和统筹管理和分享机制。

——在复杂地形上的地下空间利用好还存在技术工艺的难点

——在地下空间利用的法规政策上还有很多问题需要探索规范

——如何在地下空间建设中防灾减灾，保障地面和地下空间的安全，技术和设施需要借鉴全球城市经验，提前做合理有序的开展规划和建设。

11月28日晚，记者在返京的飞机上采访了刚结束调研任务的深地探测协调领导小组成员、中国地质调查局总工程师、地球深部探测中心主任严光生。

“中国城市发展的迅速程度令人震惊，像上海、武汉、成都这样的特大城市对地下空间的需求之大，简直就是迫不及待，而且它们都在加快脚步发展地下设施建设。”这种状态，严光生觉得，有喜有忧。“喜的是大家都意识到了地下空间安全利用的必要性，像上海这样的城市，甚至考虑得更长远，在规划中给后人留下了发展空间，从环保的角度，编制了2030年和2040年的不同规划。忧的是，我们现在对地下空间的了解还并不十分清楚，仓促上阵，肯定不行。还有很多科技难关需要进一步攻克”。下一步，他说，要在今年底前完成总体方案的论证，明年争取将完善好的方案上报国家。