中國磷礦資源需求預測

孫小虹, 陳春琳, 王高尚, 熊先孝, 高 鵬, 趙 明, 唐 堯

1)中化地質礦山總局化工地質調查總院, 北京 100013; 2)中國地質科學院礦產資源研究所, 北京 100037

中國磷礦資源需求預測

孫小虹1), 陳春琳1), 王高尚2), 熊先孝1), 高 鵬1), 趙 明1), 唐 堯1)

1)中化地質礦山總局化工地質調查總院, 北京 100013; 2)中國地質科學院礦產資源研究所, 北京 100037

世界上約 66%的磷礦石用于生產磷肥, 磷礦的合理開采和利用直接關系國家糧食安全以及人類的生存發展, 磷礦工業的可持續發展對化肥工業和農業生產均具有重要意義。本文通過對典型工業化國家人均磷肥消費與人均GDP倒“U”形規律的分析, 結合我國歷史磷肥消費狀況、氮磷鉀科學施肥比例以及未來經濟發展趨勢, 分三種經濟增長情景(即高增長、參考和低增長)對我國未來的磷肥需求進行預測, 并根據磷礦消費結構, 進一步估算了磷礦資源的需求。根據本研究的預測結果, 中國磷肥需求峰值預計可能在2020—2025年到來, 屆時磷肥需求可能達到 1700～1800萬噸(折 P2O5100%), 磷礦石需求總量可能達到2000～2100萬噸(折 P2O5100%)。這一預測結果將會對指導磷肥的合理施用, 以及磷礦的可持續開發利用起到積極作用。

磷肥; 磷礦需求; 倒“U”形規律; 需求預測; 可持續開發利用

磷是農作物生長的必須營養元素之一。磷礦主要用于生產磷肥, 產出的磷肥產品包括磷酸二銨(DAP)、磷酸一銨(MAP)、重鈣(TSP)等, 也用來制造黃磷、赤磷、磷酸、磷化合物及其他磷酸鹽類產品, 在農業生產、化工、醫藥、食品、輕工、國防等工業部門應用廣泛。從世界范圍來看, 66%的磷礦石用于生產磷肥, 9%用于食品工業, 6%用于生產動物飼料, 19%用于其他工業生產, 如洗滌劑和金屬表面處理(國土資源部信息中心, 2013)。作為一種不可再生的礦產資源, 磷礦的可持續開發和利用直接關系到國家糧食安全以及人類的生存發展(朱訓, 1999)。

以往國內對磷礦資源需求的預測方法鮮有報導, 僅限于根據歷史消費數據進行經驗外推, 而對磷肥需求的預測方法主要有: 1)根據歷史消費量,運用統計回歸等方法模擬預測未來的磷肥需求(林仁惠, 2000); 2)借鑒國外的氮磷鉀肥消費比例來預測我國的磷肥需求(林葆等, 2002); 3)根據磷肥的增產效率來預測保證糧食安全的磷肥需求量(許秀成,2004)。以上三種預測方法考慮的需求影響因素單一,預測結果差異較大。近年來部分學者充分考慮土壤肥力、有機肥投入、作物產量、環境風險等因素, 從保持土壤肥力角度預測磷肥需求(謝如林等, 2001;曹寧等, 2007; 張衛峰等, 2007), 較其它方法更為全面客觀, 但缺乏對工業化過程礦產資源消費需求規律的把握。中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心提出人均礦產資源消費的“S”形模型, 并對全球及中國一次能源、粗鋼、銅、鋁等礦產資源需求進行了科學預測(王高尚等, 2002; 王安建等, 2002,2008, 2010; 王安建, 2010; 于汶加等, 2010; 陳其慎等, 2010a, b; 徐銘辰等, 2010; 高芯蕊等, 2010), 對資源需求分析和政策調整具有重要的指導意義。

本文在“S”形模型基礎上, 詳細分析了典型工業化國家磷肥需求變化的規律, 結合我國近 30年來磷肥消費的增長情況以及氮磷鉀科學施肥比例,對中國磷肥需求趨勢進行了預測, 并根據磷礦消費結構, 進一步預測了中國磷礦資源的需求趨勢。

1 磷礦資源概況

全球磷礦資源豐富, 據美國地質調查局統計,2013年全球磷礦石儲量 670億噸, 靜態儲采比約299年, 主要分布在非洲、亞洲、北美等地區, 其中94%集中分布在摩洛哥和西撒哈拉、中國、阿爾及利亞、敘利亞、南非、約旦、美國、俄羅斯等8個國家(地區)。摩洛哥和西撒哈拉磷礦石儲量 500億噸, 位居世界第一, 約占世界總量的 75%。中國磷礦石儲量位居第二, 約占世界總量的5%。

圖1 中國磷礦基礎儲量分布(數據來源: 中華人民共和國國土資源部, 2013)Fig. 1 Distribution of basic phosphate reserves in China(Source: Ministry of Land and Ressources of the People’s Republic of China, 2013)

磷礦是中國重要礦產資源, 累計查明資源儲量約 200億噸, 集中分布在湖北、貴州、云南、四川和湖南五省(圖 1), 約占全國磷礦基礎儲量的 83%,P2O5品位大于30%的富礦石儲量幾乎全部集中在這五個省內。中國工業磷礦床主要以沉積磷塊巖礦床為主, 變質型磷灰巖礦床和巖漿型磷灰石礦床居次要地位(薛天星等, 2011)。中國磷礦儲量雖然豐富, 但富礦較少, 中低品位礦和貧礦多, 且難選礦多、易選礦少(袁俊宏, 2003), 可利用性較差。全國磷礦平均品位僅16.85%, 遠遠低于摩洛哥(33%)和美國(30%)。

2 中國磷礦資源需求預測

2.1 預測理論基礎

分析發達國家1960—2011年近50年來的人均磷肥消費量(圖2)可見, 法國、德國、英國、美國在20世紀 70年代初就已達到消費頂點, 之后開始逐漸降低。意大利、日本在20世紀70年代末也已達到消費頂點, 后平緩下降。而發展中國家 1960—2011年近50年來的人均磷肥消費量持續上升(圖3),與發達國家趨勢明顯不同。隨著中國、印度和巴西等發展中國家消費量的持續增長, 世界磷肥消費量仍將持續上升。

圖2 發達國家1961—2011年人均磷肥消費量走勢圖(數據來源: 國際肥料工業協會(IFA), 2011;格羅寧根增長和發展中心(GGDC), 2011)Fig. 2 The per capita consumption trends of the phosphate fertilizer from 1961 to 2011 in developed countries(Source: International Fertilizer Industry Association (IFA),2011; Groningen Growth and Development Centre(GGDC), 2011)

從人均GDP和人均磷肥消費量的關系來看(圖4), 英、法、德、美、意、日等發達國家人均磷肥消費量在人均 GDP 12000～15000美元(蓋凱美元,下同)時達到消費頂點, 之后呈持續下降趨勢, 呈倒“U”形軌跡(或“S”形)。即: 當工業化經濟起飛時, 人均磷肥消費量隨人均 GDP快速增長而同步增長; 隨著人均收入的增加, 人均磷肥消費量增速趨緩, 并在某一GDP值時增率為零, 此時人均磷肥消費量達到頂點; 其后開始逐漸降低。但由于不同國家和地區經濟發展水平、所處經濟發展階段和土壤肥力、種植結構等的不同, 其磷肥消費增長的起點、增長速率、峰值到來的時間存在差異。

圖3 發展中國家1961—2011年人均磷肥消費量走勢圖(數據來源: IFA, 2011; 中國磷肥工業協會, 2011;GGDC, 2011)Fig. 3 The per capita consumption trends of the phosphate fertilizer from 1961 to 2011 in developing countries(Source: IFA, 2011; China Phosphate Fertilizer Industry Association, 2011; GGDC, 2011)

圖4 發展中國家與發達國家磷肥消費軌跡圖(數據來源: IFA, 2011; 中國磷肥工業協會, 2011;GGDC, 2011)Fig. 4 The trend of phosphate fertilizer consumption in developed and developing countries(Source: IFA, 2011; China Phosphate Fertilizer Industry Association, 2011; GGDC, 2011)

發展中國家中國、巴西、印度均處于上升階段,并很可能沿著發達國家的增長規律而發展。目前,中國人均磷肥消費量約 10 kg, 與德國同等發展水平時相當, 略高于意大利當時的人均水平、遠高于日本的人均水平。近30年來中國磷肥消費持續上升,結合“S”形理論曲線, 中國人均磷肥消費已經越過快速增長期, 之后增速將緩慢下降, 越過峰值后,依據典型工業化國家經驗, 人均磷肥消費量將緩慢下降。

2.2 預測過程

參考國家中長期經濟發展戰略, 對中國未來經濟發展給定三種預案, 在此基礎上, 結合主要發達國家人均GDP與人均磷肥消費軌跡、發達國家人均消費磷肥的時間序列軌跡以及氮磷鉀科學施肥比例,預測中國磷肥需求趨勢。并根據磷礦消費結構(圖5)和聯合國人居委員會預測的未來人口數據, 進一步預測中國磷肥以及磷礦資源需求總量。

本文設定中國經濟發展水平分三種情景, 即:經濟高增長、參考和低增長, 三種情景下, GDP增率不同。為便于預測, 我們設定三種情景下的GDP增率見表 1。三種經濟增長方式中, 本文更傾向于參考情景下經濟增長方式。在參考情景下, 2013年人均 GDP年均增速為 7.5%, 2014—2015年人均GDP年均增速為6.5%, 2015—2020年人均GDP年均增速為5.5%, 2020—2025年人均GDP年均增速為4%。

2.3 預測結果

圖5 中國磷礦消費結構及消費量(數據來源: 中國磷肥工業協會, 2011, 消費量單位為萬噸, 折P2O5100%)Fig. 5 The consumption structure and consumption of phosphate rock in China(Source: China Phosphate Fertilizer Industry Association,2011, unit: 10000 tons, as P2O5 100%)

表1 三種經濟發展情景下的中國GDP增率Table 1 GDP growth rate under three scenarios in China

根據倒“U”形、時間序列軌跡及氮磷鉀比例法綜合分析, 三種經濟發展情景下, 中國磷肥需求峰值預計在2020—2025年到來(圖6)。在參考情景下, 峰值期磷肥需求可能達到 1700～1800萬噸(折P2O5100%), 磷礦石需求總量可能達 2000～2100萬噸(折P2O5100%)。我國磷肥需求按三種給定方案達到峰值后, 將會緩慢下降。此外, 還將本預測結果與其他預測機構及個人的預測值進行了對比(表2)。

3 討論

3.1 人均磷肥消費倒“U”形規律的內涵

人均磷肥消費量與人均GDP的倒“U”形規律(圖 4)顯示, 人均磷肥消費量存在三個重要轉變點:起飛點、轉折點和零增長點。起飛點即人均磷肥消費高速增長的開始點, 從實際分析結果看, 中國、印度、巴西在起飛點時人均GDP低于日本、意大利、法國、德國、英國、美國, 這主要與磷肥大規模施用的時間有關。轉折點即人均磷肥消費增幅由大到小的轉變點, 轉折點的人均磷肥消費增長幅度達到最大值, 之后將進入減速增長期。零增長點即人均磷肥消費增幅降為零的點, 這一點位于人均GDP 12000～15000美元時。此時一方面工業化和城市化基本完成, 另一方面土壤磷素水平大幅提升,磷肥需求達到頂點。

圖6 中國磷資源消費趨勢預測Fig. 6 Prediction of phosphorus resources consumption trends in China

3.2 人均磷肥消費倒“U”形規律的檢驗

發達國家人均磷肥消費量趨勢表明, 磷肥消費具有“頂點”(圖2, 圖4)?？紤]磷肥用量與糧食產量的關系(圖7), 發達國家英、法、德、美、意、日等國單位耕地面積磷肥施用量在單位耕地面積糧食產量2000～2500 kg/hm2時達到頂點, 之后呈持續下降趨勢, 與人均磷肥消費倒“U”形規律一致。

圖7 發展中國家與發達國家單位耕地面積磷肥用量軌跡圖(數據來源: 聯合國糧食及農業組織統計數據庫(FAOSTAT), 2012; IFA, 2012)Fig. 7 The trend of per arable land phosphate fertilizer consumption in developed and developing countries(Source: Food and Agriculture Organization of the United Nations Statistics Division (FAOSTAT), 2012; IFA, 2012)

表2 中國磷肥和磷礦需求預測結果及對比(折P2O5100%)Table 2 Results of prediction of phosphate fertilizer and phosphate rock demand in China (P2O5 100%)

圖8 中國磷肥需求預測概念模型Fig. 8 Conceptual model of phosphate fertilizer demand prediction in China

隨著糧食單產的增加, 發展中國家巴西、印度、中國單位耕地面積磷肥用量均處于上升階段(圖 7),說明在發展中國家, 肥料仍是促進糧食增產的主要因素。分析發達國家和發展中國家 1961—2012年50年來的單位耕地面積糧食產量可見, 各國糧食單產均持續上升, 且中國目前糧食單產處于第一位,但單位耕地面積磷肥施用量尚并未達到發達國家的最高頂點水平。圖7顯示日本單位耕地面積磷肥用量最高, 頂點約 135 kg/hm2, 而目前中國單位耕地面積磷肥用量約105 kg/hm2, 參考發達國家單位耕地面積磷肥用量的峰值, 中國磷肥用量還有約 28%的增長空間, 2012年中國磷肥消費量1443萬噸(折P2O5100%), 據此推斷中國磷肥消費量的峰值將可能達到1800萬噸左右(折P2O5100%), 該結果與利用人均磷肥消費倒“U”形規律預測的磷肥需求峰值可能達到1700～1800萬噸(折P2O5100%)相吻合。影響單位耕地面積糧食產量的因素主要有三種: 肥料、種子和種植結構, 其中種子和種植結構主要受科學技術發展水平的制約。發達國家磷肥施用的經驗表明隨著科學技術的進步和生產的發展, 肥料施用對糧食增產的貢獻率逐漸降低; 當社會經濟發展到一定階段, 科技成為決定糧食單產的主要因素,而肥料施用對糧食增產的影響不再顯著。雖然中國早已達到糧食自給, 但也僅僅是溫飽型, 其食物的營養結構水平較低, 特別是蛋白質和脂肪的平均日攝入量遠低于發達國家水平。因此, 要保證我國糧食產量和糧食安全, 除了堅守 18億畝耕地紅線外,還要強化農業技術的進步和應用, 以促進我國農業的可持續發展。

3.3 中國磷肥需求預測概念模型

以“S”形規律為基礎, 本文將磷肥需求影響因素分為6種, 包括: 人均GDP、人均磷肥消費量、土壤磷素水平、經濟結構變化、氮磷鉀科學施肥比例、種植方式與肥料利用率(圖8)。其中, 人均GDP和人均磷肥消費量這兩個指標是衡量磷肥需求的關鍵參數, 屬核心指標; 土壤有效磷含量和社會經濟結構變化與磷肥需求密切相關, 但無明確因果關系,屬約束指標; 氮磷鉀科學施肥比、種植方及肥料利用率與磷肥需求有一定的聯系, 可以幫助判斷磷肥需求變化趨勢, 并對預測結果加以修正, 屬參考指標。

3.4 中國磷肥供需關系的啟示

圖9 中國磷肥供需關系(據張衛峰等, 2012)Fig. 9 Relationship between phosphate fertilizer supply and demand in China (after ZHANG et al., 2012)

化肥作為糧食豐產穩產的重要支撐, 中國從20世紀 80年代開始大量施用磷肥, 磷肥消費量快速增加(圖9), 此階段糧食增產主要依靠肥料。2004年中國磷肥消費量突破 1000萬噸, 之后磷肥消費量則呈緩慢增長趨勢。中國正處于經濟增長方式轉變和經濟結構調整轉型期, 農村正實現土地集約化改革, 隨著測土配方施肥、水肥一體化、機械施肥等新技術(張衛峰等, 2012)的逐步推廣應用, 糧食豐產對肥料的依賴程度將逐漸減弱; 另一方面, 由于磷肥用量的持續增長, 土壤有效磷含量也快速增長(曹寧等, 2007), 為了保持土壤肥力, 促進農業的可持續發展, 磷肥用量不能無限制的增加。因此, 磷肥消費量增長將逐漸趨于平緩。

隨著中國農業和磷肥產業的變化, 磷肥供需形勢不斷發生演變(圖 9)。2006年之前中國磷肥生產量低于消費量, 通過進口來滿足磷肥消費需求;2006年開始, 中國磷肥產量直線增加, 磷肥產量大于消費量, 開始磷肥凈出口。目前中國磷肥產能嚴重過剩, 造成資源過度消耗。磷礦資源涉及到中國人的飯碗問題, 雖然資源量大, 位居世界第二, 但膠磷礦多、品位低、采選難等特點導致回采率偏低,按現有經濟技術條件可供開采利用的資源極其有限。磷礦資源除具有不可再生性外, 還具有不可二次回收利用、不可被替代的屬性。因此需加大磷礦資源的勘查投入, 找富礦, 并注重科學開采、節約資源、控制出口, 確保磷礦資源的可持續利用。

4 主要結論與認識

1)據人均磷肥消費與人均GDP的“S”形規律,中國磷肥消費還處在上升階段, 預計 2020—2025年達到峰值。

2)峰值期磷肥需求可能達到1700～1800萬噸(折P2O5100%), 磷礦石需求總量可能達到 2000～2100 萬噸(折 P2O5100%)。

3)中國磷肥產能嚴重過剩, 造成資源過度消耗。我國磷礦資源量多, 儲量少, 隨著磷礦需求峰值的到來, 應注重資源保護, 合理開采, 確保磷礦資源的可持續利用。

致謝:本文撰寫過程中得到中國地質科學院礦產資源研究所全球礦產資源戰略研究中心王安建研究員、中化地質礦山總局姜樹葉、袁從建和姚超美教授級高工的悉心指導和幫助, 在此表示感謝！

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SUN Xiao-hong1), CHEN Chun-lin1), WANG Gao-Shang2), XIONG Xian-xiao1),GAO Peng1), ZHAO Ming1), TANG Yao1)
1)General Institute of Geological Survey, China Chemical Geology and Mine Bureau, Beijing100013;2)Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037

Phosphorus is essential for crop growth. Most of the phosphorus, which is applied to agricultural land,comes from phosphate rock. About 66% of the phosphate rock ore mined was used to produce phosphate fertilizer.A reasonable exploitation and utilization of phosphate rock is a key to the national food security and human survival. Sustainable development of the phosphate rock industry is important for the fertilizer industry and agricultural production. This paper analyzes the per capita consumption of the phosphate fertilizer and per capita GDP inverted U shape rule in typical industrialized countries. Combined with the history of phosphate fertilizer consumption, the reasonable ratio of N:P:K and the economy development trend in China, the authors assumed three scenarios, i.e., the high growth scenario, the medium growth scenario and the low growth scenario and, on such a basis, predicted China’s phosphate fertilizer demand. Then, in accordance with phosphorus consumption structure, the demand of phosphate rock was estimated. It is concluded that the demand for China’s phosphate fertilizer may be at the peak between 2020 and 2025 according to the medium growth scenario. The consumption of China’s phosphate fertilizer may reach 17～18 million tons (P2O5100%) and the total consumption of the phosphate rock may attain 20～21 million tons (P2O5100%). The results will play a positive role in the rational application of phosphate fertilizer and sustainable exploitation and utilization of the phosphate rock.

phosphate fertilizer; phosphate rock demand; inverted U shape regularity; demand prediction;sustainable exploitation and utilization

P619.213; X22

A

10.3975/cagsb.2015.02.10

本文由中國地質調查局地質調查項目“中國主要化工礦產資源跟蹤與評價”(編號: 12120113091900)資助。

2014-09-05; 改回日期: 2014-10-08。責任編輯: 魏樂軍。

孫小虹, 女, 1983年生。博士, 工程師。主要從事化工礦產地質研究。E-mail: sxhbei@sina.com。