22种有毒矿产资源战略性评估

22种有毒矿产资源战略性评估

一、全球固有矿产资源消费现状及趋势稀有矿产资源一般指地壳中丰度低、分布稀疏、难以提取的矿石资源。虽然在工业上很难制备和应用，但它在现代工业中得到了广泛的应用。考察世界范围内工业化的历程可以发现,矿产资源消费总量及其结构表现出一定的阶段性特征。在工业化初中期,大量消耗煤炭、铁矿石等大宗矿产。工业化中期,石油、有色金属消费增长较快。进入工业化后期和后工业化时期,稀有金属需求逐步扩大,成为现代制造业特别是战略性新兴产业和国防工业的关键原材料。1900—2011年的百余年间,美国代表性大宗矿产品(铁矿石和铜)与稀有金属(钼和铟)消费量的变化趋势验证了上述矿产品消费结构的演变规律。由图1可见,美国大宗矿产品消费量在达到峰值后震荡下行,而稀有金属消费量则持续增长。稀有矿产资源消费量不断上升的同时,应用于工业生产的稀有矿产品的种类也大幅增加。以计算机芯片为例,20世纪80年代的计算机芯片仅含有12种化学元素,而21世纪的高速大容量集成电路则包含61种化学元素。增加的49种化学元素中,包括15种稀有金属,以及钇和除钷之外的其他14种镧系元素共15种稀土金属。长期以来,发达国家既是先进材料的研发制造基地,又是主要消费市场,稀有矿产资源丰富的发展中国家仅扮演着初级矿产资源提供者的角色。然而,近20年来,部分稀有矿产品消费的地区结构发生了显著变化,新兴经济体和发展中国家正在改变全球稀有矿产的消费版图。为应对国际金融危机,发达国家实施“再工业化”战略,大力发展战略性新兴产业,这些举措不同程度上加剧了稀有矿产资源的国际竞争,稀有矿产资源更加炙手可热。值得注意的是,虽然开发利用技术进步在一定程度上提高了稀有矿产品的全球供给能力或技术替代能力,缓解了部分稀有矿产品的供给压力,但近年来世界各国民众环保意识不断增强,稀有矿产资源开采、冶炼、提纯、使用、回收等各个环节都面临更加严格的环保标准,这对稀有矿产品供给形成了重要约束。当前,中国正处于工业化中后期和城镇化加快发展的中期阶段。受人口规模、GDP增速、产业结构、技术水平、消费偏好、体制机制等诸多因素影响,中国矿产资源消费具有复杂性和独特性,主要表现为传统产业和基础设施建设对大宗矿产品需求依然强劲的同时,稀有矿产品消费规模迅速扩大,目前中国稀土、钨、钼等稀有金属的消费量均居全球第一位。同时,中国稀有矿产资源品种较为齐全,储量丰富,是稀有矿产品主要出口国。近年来,为保护环境、促进资源可持续利用,中国对钨、稀土等稀有矿产开采出口采取了一系列限制措施,但这些措施引发了美国、欧盟、日本等主要进口国的强烈反弹,稀有矿产资源领域的贸易摩擦呈加剧之势。1从应用前景、政策环境、资源安全等因素看,全球稀有矿产资源供求关系偏紧、竞争升级的局面很可能会长期持续。在此背景下,科学地评估稀有矿产资源的战略性,为制定实施稀有矿产资源国家战略提供依据,对于提升战略性新兴产业原材料保障能力、维护国家资源安全具有重要意义。二、稀有金属、矿尽管近年来相关研究十分活跃,但目前稀有矿产资源尚无统一的界定和分类。实际上,矿产资源分类反映出一定时期内认矿、找矿、采矿、用矿的生产实践和科技发展水平,稀有矿产资源所涵盖的矿种范围并非一成不变。中国比较常用的金属分类方法是把除铁之外的92种金属(含半金属)分为有色轻金属、有色重金属、贵金属、稀有金属和半金属五大类。其中,稀有金属又分为稀有轻金属、稀有高熔点金属、稀散金属、稀土金属、稀有放射性金属等五类。鉴于本文的出发点和落脚点是对稀有矿产资源的战略性做出评估,并以此作为稀有矿产资源国家战略的依据,综合考虑矿产品的性质和用途,本文将除稀有放射性金属之外的其他四类稀有金属、贵金属中的铂族金属(将其定义为稀贵金属),以及稀有非金属矿产石墨2,共计22种矿产资源界定为稀有矿产资源(见表1)。本文评估稀有矿产资源的“战略性”,是对某种稀有矿产在全球范围内面临的供给风险、其开采加工过程造成的环境影响和生态损害及其经济重要性进行综合分析,并以此判断其对产业发展特别是战略性新兴产业发展的相对重要性。总体看,本文所考察的六大类22种稀有矿产资源在战略性新兴产业中应用广泛,但具体到某一产业需要用到的稀有矿产资源种类,不同产业之间存在一定差别。其中,新材料产业所需稀有矿产种类最多,新一代信息技术产业次之,新能源汽车产业最少。以各类稀有矿产资源在不同产业应用中的代表性产品为基础,结合国家发展和改革委员会2013年发布的《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》(简称《目录》)中确定的七个产业近3100项细分产品和服务,初步定性判断出各类稀有矿产资源在七个产业19个发展方向上3应用的重要性,这一定性判断结果为本文后续定量研究提供了支持(见表2)。三、评估方法和指标体系1.基于战略视角的稀土矿产资源评价框架的确立伴随着在战略性新兴产业中日益广泛且重要的应用,稀有矿产资源可持续保障问题成为研究热点。美国国家科学研究会(NatioualResearchCouncil)、欧洲理事会(EuropeanCommission)、日本经济产业省相继发布了稀有金属或关键原材料战略的研究成果,国外一些学者也积极探索稀有矿产资源关键度的评价方法和指标体系。其中,NRC建立了矿产品关键度评价矩阵,筛选出对美国经济具有战略意义的11种关键矿产品。这11种关键矿产品中,除了铜、锰之外,其他9种都属于稀有矿产资源。与此类似,在EC和日本经济产业省的相关研究中,也分别识别出包括主要稀有金属在内的战略性矿产资源。从国内研究进展看,长期以来,国内学者侧重于分析石油、天然气、铁矿石、煤炭等大宗矿产资源的保障能力及其影响因素。近年来,战略性新兴产业发展推高了稀有矿产品需求量,相关研究也开始关注稀有矿产资源安全问题,但就目前掌握的文献看,对中国关键稀有矿产资源的综合性研究非常缺乏,尚无对稀有矿产资源的战略性进行定量评估的研究成果。稀有矿产资源的战略性分析需要综合考虑地质储量、经济用途、技术创新、生态环境、地缘政治、社会发展水平和监管政策等多种因素。在现有研究中,美国和欧盟对关键原材料战略研究所采用的分析框架都是双因素评价法,即分别以矿产资源的供应风险与供应受限的经济影响(或经济重要性)为横坐标和纵坐标,通过计算两个坐标下各种指数的数值确定各种矿产资源在坐标系中的位置,并根据一定标准把稀有矿产资源分为四类:①1供应风险高,经济影响大的矿产资源;②2供应风险高,经济影响小的矿产资源;③供应风险低,经济影响大的矿产资源;④供应风险低,经济影响小的矿产资源。供应风险高、经济影响大的矿产资源的关键度高,这些矿产被确定为需要重点保障的关键原材料。只考虑供应风险和经济影响的双因素分析框架的优点是简洁明了,而其缺点在于未能考察矿产资源开采利用的环境影响。4对于中国这样的稀有矿产品生产消费大国而言,如果把评估稀有矿产资源的战略性仅限于供应风险和经济影响两个维度,而忽视资源开采利用对生态环境的影响,很可能会得出误导性的结论,难以为中国保护不可再生的稀有矿产资源提供支撑。以稀土为例,从中国的角度看,由于稀土资源储量丰富,并且国内企业在稀土产业链中高端的开发应用较少,因此如果只从供应风险和经济影响的角度考察其战略性,很可能会得出稀土战略性不高的结论。基于这样的结论而制定实施的政策就会是鼓励开采稀土资源。但是,考虑到稀土特别是中国南方离子型稀土的开发利用会对生态环境产生相当程度的破坏5,如果把环境影响纳入战略性评价框架,则稀土战略性必然会提高,而以此为基础制定的政策措施很可能是限制开采。中国是稀有矿产资源主要生产和出口大国,也是稀有矿产资源开发利用环境损失的直接受害者,特别是面对欧美国家向WTO提起的“稀土诉讼”,将稀有矿产资源开发利用的环境影响纳入分析框架更具现实意义。Graedaletal.和Nassaretal.也指出,在对矿产资源的关键度或战略性进行评价时,需要将资源开发利用全寿命周期的环境影响纳入分析框架,进行定量分析。因此,本文将环境影响作为独立的评价维度,进一步突出这一因素对稀有矿产资源战略性的影响。基于此,本文借鉴Graedaletal.最近发展的三因素分析框架,结合中国战略性新兴产业对稀有矿产资源的需求等实际情况,分别从供应风险、环境影响、供应受限的经济影响三个维度,测算出不同维度下各项评估指标的数值,进而对各评估指标的测算结果加总,判断22种稀有矿产资源的战略性。需要强调的是,本文采取的研究方法实际上是对各种稀有矿产资源在战略性新兴产业发展中的相对重要性进行量化排序,而这种排序可以作为直观的依据,在国家战略层面上对不同种类稀有矿产资源开发利用采取差别化、更有针对性的政策措施。2.供应受限的经济影响具体到本文选取的三个评估维度,在国家层面对矿产资源的供应风险进行评价时,既要考虑由地质性、技术性和经济性因素共同决定的资源供应潜力,又要分析矿产品生产国的社会发展水平、矿业监管政策与地缘政治等影响资源开发及供应能力的因素;评估矿产资源的环境影响,则需要对资源开发利用全寿命周期的环境影响进行定量分析;而关于供应受限的经济影响,在NRC和EC等研究矿产资源和原材料关键度的文献中,一般只通过直接或间接度量矿产资源和原材料的经济贡献及其进口依存度来衡量。不过,Graedaletal.等近期文献强调,矿产资源和材料的可替代性也是评价供应受限的经济影响的重要因素。原因在于,全球供求关系趋紧、部分稀有矿产品价格持续攀升势必刺激替代技术(产品)研发,导致替代技术或产品的技术经济性增强。在上述研究基础上,本文进一步将供应风险、环境影响、供应受限的经济影响三个维度分解为7个影响因素和9项评价指标,这些因素和指标的含义、作用机制及数据来源见表3。四、稀土矿产资源战略：基于不同维度的计算1.稀土资源潜力所含的供应风险:稀散金属的视角对供应风险维度下5项指标进行加权平均,即可得到衡量各种稀有矿产资源供应风险的指标值。图2简要说明了本文评价稀有矿产资源供应风险的指标及其权重。6(1)地质性、技术性及经济性因素。矿产资源的储产比之值越大,说明该资源的供应潜力越大,由资源供应潜力这一因素引起供应不足的风险也就越低。为了能与评价供应风险的其他指标进行合理加权,需要根据储产比的实际值进行换算。由于本文考察的22种稀有矿产资源的储产比最高值、最低值分别为1630、17,且方差较大,因此,借鉴Graedaletal.提出的换算方法,利用式(1)把储产比转换为取值范围在的指标(R/P)Trom:采用式(1)进行转换时,稀有矿产资源的储产比(R/P)越接近最低值,其(R/P)Tran的值增长得越快;R/P越接近最高值,(R/P)Tran下降得越慢。由表4可知,在22种稀有矿产资源中,铟的资源供应潜力所隐含的供应风险最高,铯的供应风险最低。7分类别看,稀散金属在六大类稀有矿产的平均供应风险最高,稀有非金属次之,稀土金属最低。一方面,是因为稀散金属主要以分散状态存在,很少能够形成独立和共生矿床,其储量相对较少;另一方面,随着电子信息等高技术产业快速发展,国际市场对铟、镓、锗、硒、碲等稀散金属的需求急剧扩张。这两方面的因素决定了稀散金属储产比较低,其资源潜力所隐含的供应风险相应较高。同时,计算结果显示,稀土资源潜力所隐含的供应风险较低,这似乎违背常识,但却符合实际情况。一是受制于数据可得性,本文并未区分重稀土与轻稀土8,而从全球已探明储量看,比较稀缺的是离子吸附型重稀土,轻稀土资源并不稀缺。二是尽管目前稀土在战略性新兴产业中有广泛应用,但其用量仍然相对较少。(2)社会发展与监管政策因素。影响资源开发及供应能力的因素之一是社会发展与监管政策因素,包括资源产出国的社会发展水平和矿业监管政策。根据式(2)把稀有矿产产出国社会发展水平所隐含的风险转换为取值在的指标SPR:显然,稀有矿产资源的HDI越接近最低值,其SPR值增长得越快;HDI越接近最高值,SPR下降得越慢。另由表4可知,在22种稀有矿产资源中,钽的资源产出国经济社会发展水平的加权平均值最低,由此隐含的供应风险最高,铍的供应风险最低。这与钽、铍的资源分布有直接关系,世界上钽矿集中分布在莫桑比克、卢旺达、刚果(金)、埃塞俄比亚、尼日利亚、布隆迪等非洲国家,这几个国家钽产量占世界总产量的比重高达76.5%,由于这些国家经济社会发展水平都很低,必然会推高钽的供应风险。而对于铍而言,经济社会发展水平高居世界第三位的美国的产量占比达90.38%,明显降低了铍的供给风险。根据式(3)把稀有矿产产出国矿业监管政策所隐含的风险转换为取值在的指标RPR:采用式(3)进行转换时,稀有矿产资源的PPI越接近最低值,其RPR值增长得越快;PPI越接近最高值,RPR下降得越慢。在22种稀有矿产资源中,石墨的资源产出国矿业监管政策潜力指数的加权平均值最低,由此隐含的供应风险最高,铯的供应风险最低。由于石墨的主要产出国是中国、印度、巴西等发展中国家,相对而言这些国家矿业监管政策的不确定性较大,矿产资源勘探开采投资预期的稳定性较弱,其PPI普遍低于平均水平,导致全球石墨供应面临较大的风险。而由于加拿大铯产量占世界总产量的比重高达85%,其PPI值为77.35,因此铯的全球供应中,矿业监管政策因素带来的风险很低(见表4)。(3)地缘政治因素。影响资源开发及供应能力的因素之二是地缘政治因素,包括资源产出国的政治环境和矿产品的全球供应集中度。根据式(4)把稀有矿产产出国政治环境所隐含的风险转换为取值范围在的指标PER:转换结果显示:稀有矿产资源的WGI-PV越接近最低值,其PER值增长得越快;WGI-PV越接近最高值,PER下降得越慢。结果同样是石墨的资源产出国政治稳定与无暴力程度指标的加权平均值最低,由此隐含的供应风险最高,铯的供应风险最低(见表4)。整体而言,各种稀有矿产资源供应风险受政治稳定与无暴力程度指标(WGI-PV)与矿业监管政策潜力指数(PPI)的影响程度基本一致。可见,这两个指标实际上是从不同侧面衡量资源富集国(地区)政府的治理水平。根据式(5)把全球供应集中度隐含的风险转换为取值范围在的指标GSCR:采用式(5)转换,稀有矿产资源的HHI越接近最低值,其GSCR值降低得越快;HHI越接近最高值,GSCR增长得越慢。其中,钛的全球供应集中度为1177,为22种稀有矿产资源HHI的最低值(见表4)。(4)全球供应风险加总。以表4报告的22种稀有矿产资源相关指标值为基础,利用图2设定的权重进行加总,得出定量评价稀有矿产资源供应风险的指标SR之值,即22稀有矿产资源在全球市场上的相对供应风险。结果显示,钨的全球供应风险最高,石墨次之,锗第三,铯最低。并且,在六大类稀有矿产资源中,锗、镓、铟、铊、硒、碲等稀散金属的供应风险平均值最高,锂、铍、铷、铯等稀有轻金属的供应风险平均值最低。2.研究结论与讨论矿产资源特别是稀有矿产资源开发利用会对生态环境产生一定的破坏。环境保护和生态文明建设持续推进对减少稀有矿产资源开发利用的环境影响提出了更高要求。在供应风险等其他条件相同的情况下,一种稀有矿产资源开发利用的环境损害越大,通常意味着其供应量越有可能因为生态环境保护减少,进而影响其在战略性新兴产业的应用。Nassaretal.和Graedaletal.指出,对矿产资源的关键度或战略性进行评价时,需要对资源开发利用全寿命周期的环境影响进行定量分析。目前国际上流行的全寿命周期环境影响评价数据库,例如,由瑞士全寿命周期分析中心、瑞士联邦环境办公室和瑞士联邦能源办公室联合资助奖励的Ecoinvent数据库,主要分析铁矿石、石油、煤炭等大宗矿产资源开发利用的全寿命周期环境影响,稀有矿产资源开发利用的环境影响还没有成为它们关注的焦点。不过,从Steen的报告中可直接获得除铂族金属、稀土金属和石墨之外的其他19种稀有矿产资源开发利用的全寿命环境影响指数,并且可以通过估算间接获得铂族金属、稀土金属和石墨的全寿命环境影响指数。本文对相关数据进一步做如下处理:由于铂、钯生产量在铂族金属产量中的占比很高,因而以USGS披露的2011年全球铂、钯产量为权重对其环境影响指数进行加权平均,计算出铂族金属作为一个总类的环境影响指数的估算值。9Steen的报告还给出了除钷之外的其他16种稀土金属的环境影响指数。考虑到2011年中国稀土氧化物(REO)产量占世界总产量的比重接近95%,本文以《中国稀土》(2011)披露的各类稀土冶炼产品产量为基础,估算出镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、铒、钇等11种稀土金属的产量及其在总产量中的比重。然后,以这些稀土元素的产量占比为权重,对其环境影响指数进行加权平均,求得稀土金属作为一个总类的环境影响指数的估算值。10另外,作为22种稀有矿产中唯一的非金属矿产,石墨的情况也比较特殊。Steen的研究并未提供石墨的环境影响指数。考虑到石墨开采、选矿及加工过程中主要产生粉尘、废气、废水和废渣等污染物,与大宗非金属矿产相似,因此,参考Steen给出的煤矿和硫矿这两种非金属矿产开发利用的环境影响指数,将这两种矿产的平均值作为石墨环境影响的指数值。在上述数据处理基础上,本文得出22种稀有矿产资源的环境影响指数,其最高值、最低值分别为74,300,00ELU/kg、0.0749ELU/kg,且方差很大,因此利用式(6)将其转换为取值范围在的指标(EI)Tran得:显然,(EI)Tran值越大,说明资源开发利用对生态环境的损害越大,反之则越小。以稀有矿产资源开发利用的全寿命周期环境影响指数来衡量,铂、钯等稀有贵金属的环境影响最大,稀有非金属石墨的环境影响最低。在六大类稀有矿产资源中,稀散金属环境影响指数的平均值最高,稀有轻金属环境影响指数的平均值最低(见表4)。3.标准1:经济重要性+增长的认知能力指标本文考察稀有矿产资源供应受限的经济影响,采用经济重要性、材料可替代性和对供应限制的敏感性三项指标。对这三个指标进行加权平均,得出衡量各种稀有矿产资源供应风险的指标值(见图3和表4)。11(1)经济重要性。本文预测到2020年中国战略性新兴产业的增加值总额将达到120453.84亿元12,将增加值总额分配至七大战略性新兴产业的23个发展方向,则每个发展方向在2020年的增加值为5237.12亿元。在此基础上,把重要性分为4个层级。把稀有矿产资源在战略性新兴产业主要应用领域的经济影响相加,计算出在此指标上的总值。最后,再根据式(7)将各稀有矿产资源的经济影响转换为取值范围在的经济重要性(ECTran)的指标值。转换结果表明,ECTran与EC正相关,但在EC值增加过程中,ECTran增长速度会逐渐放缓。(2)材料可替代性。根据表2可计算出材料的可替代性。以锂为例,在表2中锂主要应用于电子核心基础产业、生物医药产业、航空装备产业、新型金属功能材料产业、新能源汽车产业等5个领域,并且对应的重要性分别是第二层级、第四层级、第二层级、第二层级和第一层级,因此锂的可替代性难度值为275。然后,根据式(8)将其转换为取值范围在的材料可替代性(SPTran)的指标值。SPTran与SP正相关,并且在SP值增加过程中,SPTran增速趋缓。(3)对供应限制的敏感性。按照表3中提出的数据处理方法,根据式(9)把进口依存度(IR)转换为取值范围在的IRTran。显见,(IR)Tran与IR正相关,并且在IR增加过程中,(IR)Tran增长速度同样有所下降。4.利用加总方法确定稀矿资源量以上分别从供应风险、环境影响、供应受限的经济影响三个不同的维度对稀有矿产资源的战略性做出了评估。进一步对不同维度测算出的结果加总,可以从整体上判断各种稀有矿产战略性的相对位次。参考Nassaretal.和Graedaletal.的处理方法,利用式(10)对其进行加总。结果显示,铂族金属的战略性最高,而铯的战略性最低(见表4)。五、稀有金属关系因素的确定受数据可获得性制约,在测算供应风险、环境影响、供应受限的经济影响三个维度下稀有矿产资源战略性的过程中,部分指标采用了估算方法。为提高本文分析结果的稳健性,借鉴Nassaretal.和Graedaetal.提出的不确定性分析思路,进一步考察分项指标估算结果的影响。具体步骤如下:第一步,得出各种稀有矿产供应风险、环境影响、供应受限的经济影响数据等相关数据后,分别求出供应风险、环境影响、供应受限的经济影响的基准标准差。鉴于各种稀有矿产资源的各项数据差异较大,为了平稳化数据,对基准标准差进行对数化处理。第二步,将各种稀有矿产供应风险、环境影响、供应受限的经济影响数据的可靠性分为五个层次,并设定出各自的误差倍数。其中,结果不确定性最高、第二高、第三高、第四高、最低的指标设定的误差倍数分别是基本标准差的5倍、4倍、3倍、2倍和1倍。第三步,根据不同稀有金属供应风险、环境影响、供应受限的经济影响中的各子数据可靠性,给出其误差倍数的值,然后分别乘以其子数据的权重,得出各稀有金属供应风险、环境影响、供应受限的经济影响数据三项指标的误差倍数,再分别乘以各自的基准标准差,计算出各稀有金属的修正后标准差。在上述数据处理基础上,本文运用蒙特卡洛模拟的方法,演示测算结果的不确定性。假定各稀有金属的供应风险、环境影响、供应受限的经济影响数据均服从正态分布,根据之前求出的各稀有金属各项数据标准差和均值,进行蒙特卡洛模拟,通过10000次迭代测算得出各项数据的波动范围。图4和图5分别给出了22种稀有矿产资源战略性评估的不确定性分析结果13。比较图中各种稀有矿产资源战略性评价结果的“不确定性云”发现,尽管不同稀有矿产的“云”的大小不一,但基本上没有出现其中一朵“云”大面积覆盖另一朵“云”的情况。根据蒙特卡洛模拟的原理,出现这样的情况可以认为,在考虑了分项指标估算结果的影响之后,本文对22种稀有矿产资源战略性的评估结果依然成立。六、完善我国的政策工具,将市场和环境资源结合起来,构建多元化的国际合作体系本文通过文献研究梳理出六大类22种稀有矿产资源在中国战略性新兴产业中的重要应用。在此基础上,采用新近发展起来的三因素分析框架,结合战略性新兴产业发展实际情况和数据的可获得性,从全球供应风险、环境影响、供应受限的经济影响三个维度的9项指标,分析判断稀有矿产资源的战略性,对各种稀有矿产资源在战略性新兴产业中的相对重要性做出了量化排序,并运用蒙特卡洛模式验证了评估结果的可靠性。本文在稀有矿产资源战略性定量评估方面做出的创新性探索,对于制定实施稀有矿产资源国家战略具有重要的参考价值。稀有矿产资源战略及相关政策措施受资源禀赋、技术、经济、政治、环境等诸多因素影响,需要加强顶层设计,为稀有矿产资源的战略储备和开放式、可持续利用提供有力支撑。同时,由于稀有矿产资源开采、冶炼、加工等产业链不同环节上都会产生环境损害,这也为中国采取必要的政策手段对稀有矿产及其产品实行出口数量管理提供了依据。但是,在现行WTO基本原则和法规框架下,多边贸易体制基本不支持成员采取特定协议规定以外的关税和非关税手段对商品和服务进行