能源和礦產資源消費增長規律的再認識

王安建

(中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心，北京 100037)

能源和礦產資源是人類賴以生存和發展的動力來源和物質基礎。20世紀的100年，人類的石油消費增長了177倍、鋼鐵消費增長了30倍、鋁消費增長了3 600倍等。而在21世紀，人類是否還會像20世紀一樣大量、快速消費地球上的能源和礦產資源是科學家們需要回答的新科學問題。

2020年，中國鐵、錳、銅、鋁、銻、鎢、稀土和煤炭等16種礦產資源消費量超過全球消費總量的50%，27種礦產資源超過全球消費總量的30%。 中國工業化經濟快速發展拉動了全球能源和礦產資源勘查、開發、生產、消費和貿易，推動了世界經濟發展，礦業界對中國未來的資源需求和市場仍然給予厚望。

20世紀中葉以來，為了解決溫飽問題(1950—2000年)，中國50多年的時間累計消費煤炭301億t、石油36億t、天然氣0.5萬億m3、粗鋼23億t、銅2 093萬t、原鋁3 270萬t、鉛963萬t和鋅1 566萬t。然而，進入21世紀，在全面建設小康社會(2001—2020年)的20年時間里，中國累計消費煤炭620億t、石油86億t、天然氣2.8萬億m3、粗鋼134億t、銅1.54億t、原鋁3.8億t、鉛7 500萬t和鋅9 400萬t。全面建設小康社會的20年中能源和重要礦產資源消費是解決溫飽問題51年的2～10倍。中國經濟發展進程中，能源和礦產資源消費經歷了早期緩慢的近線性增長、中期高速的指數增長和目前的減速增長態勢，這種趨勢將如何持續也需要科學家們在理論上加以闡述。

值此《中國礦業》創刊30周年之際，很榮幸應編輯部之約，以中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心20年來能源和礦產資源消費與經濟增長規律的研究成果為基礎[1-10]，概要匯總并與各位同仁分享，以期對未來趨勢做出科學的判斷。

1 關于增長方式：線性增長、指數增長和零增長

自然或社會現象演化過程，是與環境進行物質、能量及信息交換的動態平衡過程，相互適應、互補。其中，線性增長、指數增長和零增長是三種典型的增長方式(圖1)，簡要回顧這些模型有助于我們深刻理解經濟社會發展過程中能源與礦產資源消費增長方式的演變特征。

圖1 線性增長、指數增長、零增長示意圖Fig.1 Schematic diagram of linear growth,exponential growth,and zero growth

1.1 線性增長

線性增長是自然或社會現象演化過程最為典型、也是最為基本的演化階段。它是累加式的增長，如2、4、6、8……，即在每個給定的時間增加一個固定的數量，是等速(等差)增長，也稱之為算術級數增長。就全球能源與礦產資源消費增長方式而言，大多數國家或經濟體，早期經濟發展階段，其人均能源或主要礦產資源消費隨著人均GDP增長呈現線性或近線性增長。

在數學表述上，整數維空間中演化過程的微小局部，可以近似地作為直線段等效處理。

考慮函數y=f(x)的階段性變化率為常量，見式(1)。

(1)

則有直線增長方程式(2)成立。

y=k0x+C0

(2)

式中：k0為增長率；C0為等待常量。

線性增長通常被用來近似表述現象在一段時期內的等速演化規律，尤其是在現象處于平穩演化階段時，可以應用線性增長模型予以較好地描述。

1.2 指數增長

指數增長是自然或社會現象演化過程得到充分的指數函數釋放，進入爆發式增長的演化階段。指數增長是一種非線性增長，即一個變量增長速率與其數量成比例，是等比例增加式的增長，如2、4、8、16、32……，也稱之為幾何級數增長。指數增長就是翻倍、翻倍、不斷再翻倍的過程。自然界和經濟社會系統中指數增長的例子不勝枚舉，如細胞分裂、病毒復制、細菌繁衍、銀行存款復利計算、放射性同位素按半衰期衰減等等。當我們討論發達經濟體能源和礦產資源消費與經濟發展的關系時，會注意到大多數發達國家或經濟體，當其進入工業化經濟快速發展階段，其人均能源和礦產資源消費隨著GDP增長多呈現出指數增長態勢，步入工業化中晚期之后才會開始呈現指數衰減。

在數學表述上，當函數y=f(x)的階段性局部變化率與y成正比時，見式(3)。

(3)

則有指數函數增長方程式(4)成立。

y=C1exp(k1x)

(4)

式中，k1、C1為等待常量。

對于式(4)，當|k1x|≤1時，有局部的近似直線增長方程式(2)的形式，見式(5)。

y=C1[1+k1x]=C1k1x+C1

(5)

指數增長經常用來表述現象在開始階段的演化規律，具有一定的爆發性質，前已敘及如人口增長、細菌繁殖、復利計算等方面，在初始階段都可以應用指數增長方程予以描述。

1.3 零增長

當自然或社會現象演化經過充分的指數函數釋放階段后，一般即進入與環境的平衡(衰減)演化階段，這一階段的顯著特征之一是增率為零，即零增長、飽和性或極限性。實踐表明，以國家或經濟體為邊界，當經濟發展到一定水平時，其能源和重要礦產資源消費會出現零增長。

零增長方程見式(6)。

(6)

其解為零增長方程或經典飽和方程形式見式(7)。

y=CZ

(7)

式中：CZ為等待常量。在能源和礦產資源需求分析中，零增長點也經常被稱之為拐點或峰值點，盡管在數學層面上不夠嚴謹，但是它的確是一個非常重要的物理臨界點。

2 從線性增長、指數增長到零增長：“S”形曲線模型

一般說來，自然或社會現象演化在初始孕育階段呈現較為緩慢的變化過程，隨后進入快速增長階段，最后進入飽和階段，即從低緩的近線性增長到指數增長、指數衰減再到零增長，形成完整的“S”形曲線。經典“S”形曲線經常被用于描述或刻畫自然或社會現象不同狀態演化過程。這些過程可以周而復始不斷疊加，也可以復合形成更宏觀的“S”形曲線[11]，如圖2所示。 資料表明，一個國家或經濟體，隨著經濟發展，人均能源或不同種類的礦產資源不斷的消費-飽和-疊加，可以形成復合“S”形曲線模式。

圖2 不同模式的S形曲線類型Fig.2 S-curve types of different patterns

在數學方程描述上，可簡化為初始階段線性變化，然后指數變化，最后飽和(緩慢變化)。當初期階段為水平線時(即式(1)中k0=0時)，則其皆可以歸納在經典的邏輯斯蒂方程(Logistic Equation)形式中。在1798年馬爾薩斯(Thomas Robert Malthus)人口模型方程的基礎上，1838年Pierre-Francois Verhulst給出邏輯斯蒂方程(Logistic Equation)，即經典“S”型曲線方程[12-13]，見式(8)。

(8)

式中：y為人口數量函數；t為時間；k為人口增長率；K為環境容納量或承載能力，一般地取K>y。

由式(8)即可得其一解析解為式(9)。

(9)

式中，t0為時間待定常量。

此時，容易證明式(9)包含著開始指數增長、然后線性增長、后期進入零增長三個過程的規律。為了改善低端及高端漸近線的性質，將式(9)拓展為廣義形式[13]，見式(10)。

(10)

式中：J為前段漸近線參數；K為后段漸近線參數(當J=0時，K仍為環境容納量)；C通常取值為1；Q為與y(t=0)相關的參數；υ>0為漸近線附近的形態特征(效果)參數；t0=k-1lnQ為待定時間常數。

經典“S”形曲線方程(式(8))，與廣義“S”形曲線方程(式(10))，皆描述曲線前段為水平線、中間段為增長或衰減、后段為水平線的曲線形態。經典“S”形曲線如圖2所示，其在趨勢上也包括式(10)前后皆為水平線的曲線形態。

應該強調，人均能源和礦產資源消費與經濟發展(人均GDP增長)經常顯現拓展“S”形曲線方程形式，可借助于雙曲正切函數來描述[9]，其方程式前后曲線為多組較為復雜的非水平線，表達舒緩上升、穩定或平穩下降狀態，能夠更精準地刻畫不同經濟體隨著人均GDP的增長，人均能源和礦產資源消費軌跡。

3 能源和礦產資源消費增長的“S”形規律

“S”形規律是先期工業化國家近200年來能源資源消費與經濟發展足跡的總結，它揭示了能源和重要礦產資源消費與經濟發展的內在聯系，是能源資源支撐經濟發展機理研究的基礎。

3.1 能源和礦產資源消費與GDP增長的“S”形模型

21世紀初，中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心在研究礦產資源消費與經濟發展關系時[1-2,4]，率先發現隨著人均GDP增長，人均能源和重要礦產資源消費呈現緩慢增長、快速增長、減速增長到零增長或負增長的現象(圖3(a))，剖析了能源和重要礦產資源消費與一個國家或地區城市化率、基礎設施完備程度、社會財富積累水平和產業結構變遷的關系，并建立了“S”形曲線模型。該研究辨析了緩慢工業化過程和快速壓縮式工業化過程“S”形曲線模型的差異(圖3(b))，從資源角度闡釋了工業化的本質是人類將自然資源轉化成社會財富、快速發展經濟、大幅度提高人民生活水平的過程，強調當其社會財富積累到一定水平時，工業化進入成熟期，經濟結構發生重大變化，重要礦產資源消費量開始零增長或下降，能源消費增速趨緩。

“S”形模型的建立識別出了能源和礦產資源消費增長的起飛、轉折和零增長3個關鍵點，并以此為基礎劃分緩慢、快速、減速和零增長或負增長4個增速區(圖3(a))[3,9]。之所以將“S”形模型稱之為“S”形規律，是因為幾乎所有發達經濟體，隨著GDP的增長，能源和大宗礦產資源消費增長的起飛、轉折和零增長點對應的人均GDP具有驚人的一致性。“S”形規律告訴我們，隨著經濟的發展，能源與重要礦產資源消費不會無限增長，能源和重要礦產資源消費達峰并呈緩慢下降態勢是經濟社會發展的一種必然。盡管相同發展階段(相同的人均GDP)，不同國家、不同種類礦產資源人均消費量各異，但依據這一模型， 根據經濟發展階段、 發展模式和既往能源及重要礦產資源消費歷程，仍可比較精準地預測一個國家或地區未來不同經濟發展水平的能源資源需求。

圖3 人均能源和礦產資源消費與人均GDP的“S”形曲線Fig.3 The S-curve between GDP per capita and consumption of energy and mineral resources per capita

3.2 能源和礦產資源部門消費與GDP增長的“S”形模型

事實上，隨著人均GDP的增長，能源與重要礦產資源消費軌跡也顯現出準“S”形特征。以能源終端消費為例，隨著經濟發展，人均部門能源消費“S”形軌跡峰值的到來遵循著農業、工業、生活、商業和交通的序列(圖4(a))。同樣，鋼鐵部門消費“S”形軌跡峰值的到來表現為建筑(含基礎設施)、機械制造、汽車和更高端其他部門應用等序列(圖4(b))。這種部門能源資源消費的“S”形軌跡客觀地反映了經濟發展過程中，隨著基礎設施不斷完備、社會財富持續積累，產業發展持續轉換升級、人民生活水平持續提升所導致消費領域變遷和升級的結果。

圖4 人均部門能源消費、鋼鐵消費與人均GDP的“S”形曲線Fig.4 The S-curve between GDP per capita and sectoral consumption of energy per capita and steel

應該強調指出，盡管不同國家、不同經濟發展模式，各部門能源和重要礦產資源消費“S”形曲線之間的比例關系可能會有些差異，但其峰值演變序列基本保持不變，這一模型或規律可用于判斷產業演變的趨勢，對于制定一個國家或區域產業發展規劃具有重要借鑒意義。

3.3 不同種類礦產資源消費的“S”形模型及序列

隨著經濟的發展，不同種類礦產資源消費的“S”形曲線到達零增長點的時間不同，往往會有序形成波次遞進或遞進波次的排列組合，被稱之為波次遞進規律[1,14]。由于不同種類礦產資源在國民經濟建設中的功能和地位不同，其到達頂點或峰值點(零增長點)的時間各異(圖5(a))。鋼鐵和水泥作為最重要的結構性材料，與一個國家的城市化水平和基礎設施完備程度密切相關，其消費的零增長點主要集中在人均GDP10 000～12 000美元。 銅和鋁由于在國民經濟建設中的作用更加廣泛，其消費零增長點到來的時間稍晚，主要集中在人均GDP18 000～20 000美元左右[1,3]。能源作為經濟社會發展的驅動力，其消費零增長點到來的時間與經濟社會發展的重大轉型期密切相關，大多發達國家一次能源消費的零增長點集中在人均GDP20 000～22 000美元附近(圖5(a))。

圖5 人均GDP與不同種類礦產資源的“S”形曲線及其與產業結構的演化關系Fig.5 The S-shaped curve between GDP per capita and different types of mineral resources andthe evolution relationship of GDP per capita with industrial structure

能源和礦產資源消費種類的演變規律是經濟發展過程中傳統工業、重化工業、高端工業轉換升級的結果(圖5(b))。不僅是能源和大宗礦產資源，用量較少的“三稀”礦產隨著經濟發展水平的持續提升也必將趨于飽和而到達極限值，而總體顯現復合“S”形軌跡(圖6)。

圖6 不同種類礦產資源與經濟發展的復合“S”形曲線Fig.6 The compound S-shaped curve of different typesof mineral resources and economic development

4 “S”形規律釋義

人均能源和礦產資源消費增長的“S”形規律揭示了從農業社會到工業社會，再到后工業社會，能源與礦產資源消費的演變趨勢及其與城市化率、基礎設施完備程度、社會財富積累水平和經濟結構變遷的內在聯系(圖7)[4-5]。

圖7 能源與礦產資源消費的演變趨勢與經濟社會發展之間的聯系Fig.7 The relationship between the evolution trend ofenergy and mineral resource consumption andeconomic and social development

4.1 農業社會發展階段(人均GDP低于2 500～3 000美元)

人們隨著農作物耕種的地域集中居住，創造的GDP很少。少量礦產資源用于制造簡單的勞動工具，能源消費主要用于維持基本生活需要，社會財富積累有限，經濟發展緩慢，能源和礦產資源消費呈低緩的增長趨勢。

4.2 工業化社會發展階段(人均GDP處于3 000～20 000美元區間)

經濟增長由農業轉向以制造業為主的工業。能源和礦產資源消費增長可劃分為兩個階段。快速增長階段(轉折點前)：第二產業比例持續增大、城市化率、基礎設施建設、社會財富積累水平快速提升，創造單位GDP的能耗持續增加，鋼鐵和水泥消費快速增長；增速減緩階段(轉折點后)：城市化率、基礎設施建設、社會財富積累水平增速放緩，創造單位GDP的能耗開始下降，粗鋼和水泥消費進入零增長，人均銅、鉛和鋅等大宗礦產資源消費增速放緩并陸續開始進入零增長或負增長，產業結構發生重大轉變。社會發展開始向后工業化轉變。

4.3 后工業化社會發展階段(人均GDP超過20 000～22 000美元)

以高新技術為特色的低能耗第三產業替代高能耗的工業成為GDP的主要貢獻者。大宗礦產資源消費均處于零增長或負增長，戰略性關鍵礦產(“三稀”礦產)快速增長[5]，一次能源消費到達零增長點。此時，基礎設施趨于完備，城市化率和社會財富積累步入更高水平。

5 基于“S”形規律的全球能源和礦產資源需求周期判斷

“S”形規律是經濟社會發展過程中，能源和礦產資源消費增長具有極限的一種表達。由于一個國家或地區能源和礦產資源消費增長具有極限，無論是在理論上還是實踐中，在一個相對平衡的體系內不存在周期問題[4]。礦業界普遍關注礦業周期問題，很大程度上是全球層面礦產資源需求增長的周期問題。

圖8和圖9表達了修正后的全球能源與礦產資源需求增長周期預判。由于國家間和區域間經濟發展不平衡，大多數國家，特別是發展中國家基礎設施建設、城市化率和社會財富積累水平差異較大，加之各國進入工業化進程的時間和發展模式不同，重要國家或國家集團快速發展的能源與礦產資源需求將會形成新的“S”形增長趨勢，與歷史上的“S”形相疊加，形成的新的需求增長周期。

圖8 全球礦產資源需求增長周期預判Fig.8 The prediction of the growth cycle of global mineral resource demand

圖9 全球能源需求增長周期預判Fig.9 The prediction of the global energy demand growth cycle

根據“S”形規律，以中國為主要拉動者的全球能源和大宗礦產資源消費峰值將在2025年前后陸續到達[3]。由于印度和東南亞等國家資源消費增量難以消納中國進入峰值后的減量[4]，預計2025—2030年國際礦產品供應將會出現供需平衡或供過于求的局面。伴隨著印度等國家逐漸步入工業化高速發展階段，全球能源和礦產資源消費將在2030—2035年迎來新的快速增長周期。