工業(yè)革命驅(qū)動(dòng)下能源與金屬資源需求演變特征與前景分析

楊建鋒 余韻 馬騰 張翠光 王泉

摘要 工業(yè)革命對(duì)能源與金屬資源需求具有深刻的影響。基于美國(guó)歷次工業(yè)革命的技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)變革、能源與金屬資源消費(fèi)量變化，分析了工業(yè)革命驅(qū)動(dòng)下能源與金屬資源需求演變特征，研判了新一輪工業(yè)革命技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)變革與能源、金屬資源需求變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：美國(guó)前三次工業(yè)革命主要依靠化石燃料為動(dòng)力，但是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)所需的化石燃料消費(fèi)增速不斷下降，第三次工業(yè)革命之后經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與化石燃料消費(fèi)增長(zhǎng)逐漸脫鉤;隨著歷次工業(yè)革命的推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革，越來(lái)越多的金屬進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)，金屬消費(fèi)趨勢(shì)出現(xiàn)分化。近年來(lái)，以信息技術(shù)深度與全面應(yīng)用為核心的新一輪技術(shù)革命正在興起。新信息技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)等或?qū)⑼苿?dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革，產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的資源將隨之發(fā)生變化。預(yù)計(jì)未來(lái)能源消費(fèi)中清潔、無(wú)污染、可再生新能源比例將不斷增大，化石燃料比例將不斷降低;稀有金屬消費(fèi)或?qū)⒂瓉?lái)快速增長(zhǎng)期，傳統(tǒng)大宗金屬消費(fèi)仍將在中高位波動(dòng)。面對(duì)新一輪工業(yè)革命，我國(guó)可采取低碳與無(wú)碳并舉的能源消費(fèi)轉(zhuǎn)型策略，加強(qiáng)化石能源清潔化技術(shù)和清潔、無(wú)污染、可再生新能源技術(shù)研發(fā);堅(jiān)持構(gòu)建國(guó)內(nèi)國(guó)外金屬資源供給體系，提升我國(guó)金屬資源的全球控制力和話語(yǔ)權(quán);加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)稀有金屬礦產(chǎn)品的深度研發(fā)，拓寬匱乏稀有金屬的境外來(lái)源。

關(guān)鍵詞 技術(shù)進(jìn)步; 工業(yè)革命; 能源; 金屬資源; 演變趨勢(shì)

中圖分類號(hào) F062.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1002-2104（2020）12-0045-10

DOI：10.12062/cpre.20200413

能源與金屬資源是工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的基礎(chǔ)原料。隨著我國(guó)進(jìn)入工業(yè)化后期，能源與礦產(chǎn)資源消費(fèi)增速趨緩，部分大宗礦產(chǎn)品消費(fèi)正陸續(xù)進(jìn)入峰值期，礦產(chǎn)資源需求趨勢(shì)面臨重大變化[1-2]。科學(xué)研判能源與金屬資源消費(fèi)變化趨勢(shì)對(duì)于促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、保障能源與金屬資源供給安全具有重要的意義。影響能源與金屬資源消費(fèi)變化的因素有很多。大量研究表明，人均能源、金屬消費(fèi)量與人均GDP呈“S”形變化關(guān)系，即工業(yè)化之前人均消費(fèi)量緩慢增長(zhǎng)，工業(yè)化發(fā)展階段快速增長(zhǎng)并達(dá)到峰值，之后趨于穩(wěn)定或出現(xiàn)下降[3-4]。但是，S形規(guī)律難以很好地解釋技術(shù)進(jìn)步對(duì)能源與金屬資源消費(fèi)變化的影響[5]。一方面，持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步會(huì)降低能源與金屬開發(fā)成本，從而刺激更多的資源消費(fèi);另一方面，重大技術(shù)變革可能會(huì)驅(qū)動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)萌芽與發(fā)展，從而刺激資源消費(fèi)從已有資源轉(zhuǎn)向其他新的資源[6]。2008年國(guó)際金融危機(jī)以來(lái)，世界各國(guó)在努力探索新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，加快科技攻關(guān)速度，新一輪技術(shù)革命正在蓬勃興起。面對(duì)新一輪技術(shù)革命，世界各國(guó)紛紛將科技創(chuàng)新作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，努力搶占世界未來(lái)科技與產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)，國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈[7]。新一輪技術(shù)革命或許正在推動(dòng)第四次工業(yè)革命發(fā)生，從而對(duì)今后的能源與金屬資源需求產(chǎn)生深刻的影響。為此，基于歷次工業(yè)革命的技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)變革、能源與金屬資源消費(fèi)變化，分析工業(yè)革命驅(qū)動(dòng)下能源與金屬資源需求演變特征，研判新一輪工業(yè)革命技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)變革與能源、金屬資源需求變化趨勢(shì)，以期為我國(guó)能源與金屬資源保障提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

工業(yè)革命源于技術(shù)革命。重大技術(shù)創(chuàng)新首先應(yīng)用于幾個(gè)先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)部門，然后逐漸向其他產(chǎn)業(yè)部門擴(kuò)散，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生變革：一些新的經(jīng)濟(jì)部門或新業(yè)態(tài)應(yīng)運(yùn)而生，形成新興產(chǎn)業(yè);一些產(chǎn)業(yè)應(yīng)用新技術(shù)或者提高生產(chǎn)效率或者形成新生產(chǎn)模式，推動(dòng)原有產(chǎn)業(yè)升級(jí);一些產(chǎn)業(yè)難以適應(yīng)新技術(shù)變革的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致原有產(chǎn)業(yè)發(fā)生萎縮。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革，產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的自然資源隨之發(fā)生變化：自然界一些物質(zhì)由于新技術(shù)應(yīng)用與新產(chǎn)業(yè)興起，成為新興資源;一些自然資源由于產(chǎn)業(yè)升級(jí)，消費(fèi)量增長(zhǎng);一些自然資源由于原有產(chǎn)業(yè)萎縮，消費(fèi)量減少。隨著資源需求結(jié)構(gòu)變化，資源產(chǎn)業(yè)將不斷調(diào)整。由此可見，工業(yè)革命驅(qū)動(dòng)資源需求演變的鏈條可概化為3個(gè)環(huán)節(jié)：重大技術(shù)創(chuàng)新引發(fā)技術(shù)革命;技術(shù)革命推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革;產(chǎn)業(yè)變革推動(dòng)資源需求變化（見圖1）。

基于資源開發(fā)與消費(fèi)歷史數(shù)據(jù)，采用上述3個(gè)環(huán)節(jié)分析歷次工業(yè)革命驅(qū)動(dòng)下資源需求演變特征。所涉及的自然資源包括兩類：一類為能源，包括煤炭、石油、天然氣、可再生能源、核能等;一類為金屬礦產(chǎn)，包括黑色金屬、有色金屬、貴金屬、稀有金屬等。

基于以下原因，選取美國(guó)作為研究對(duì)象。一是美國(guó)完整經(jīng)歷了人類歷史上歷次工業(yè)革命，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)變革的完整性比較好;二是美國(guó)自然資源種類齊全，總量豐富，具有很好的代表性;三是美國(guó)人口規(guī)模和國(guó)土面積大，產(chǎn)業(yè)部門齊全，技術(shù)創(chuàng)新與經(jīng)濟(jì)發(fā)展在第一次工業(yè)革命末期以來(lái)一直引領(lǐng)世界各個(gè)國(guó)家;四是美國(guó)歷史數(shù)據(jù)齊全，近百年來(lái)的資源開發(fā)與消費(fèi)數(shù)據(jù)齊備;五是美國(guó)國(guó)土面積與中國(guó)相當(dāng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力世界第一，研究結(jié)果對(duì)我國(guó)具有較好的借鑒意義。

能源消費(fèi)、能源產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)能源信息署（EIA）《月度能源評(píng)論》[8]。金屬礦產(chǎn)消費(fèi)與產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《美國(guó)礦產(chǎn)品歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)》[9]。1900年以前的煤炭、鋼鐵、銅等礦產(chǎn)品產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)普查統(tǒng)計(jì)局《美國(guó)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：殖民時(shí)期到1970年》[10]?？紤]到數(shù)據(jù)的完整性，能源數(shù)據(jù)涵蓋1850—2018年，金屬礦產(chǎn)數(shù)據(jù)涵蓋1900—2015年，僅個(gè)別礦種涉及更早年份的數(shù)據(jù)。

2 前三次工業(yè)革命對(duì)資源需求變化分析

人類社會(huì)已經(jīng)完成了三次工業(yè)革命。第一次工業(yè)革命首先發(fā)生于18世紀(jì)60年代的英國(guó)。美國(guó)第一次工業(yè)革命晚于英國(guó)半個(gè)世紀(jì)。從19世紀(jì)60年代至20世紀(jì)20年代，美國(guó)經(jīng)歷了第二次工業(yè)革命。20世紀(jì)40年代至70年代，美國(guó)經(jīng)歷了第三次工業(yè)革命[11]。

2.1 第一次工業(yè)革命

美國(guó)第一次工業(yè)革命時(shí)間范圍大致是1790—1860年。蒸汽動(dòng)力技術(shù)與機(jī)械制造技術(shù)是驅(qū)動(dòng)英國(guó)第一次工業(yè)革命發(fā)生的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。美國(guó)第一次工業(yè)革命是以引進(jìn)、模仿、吸收英國(guó)的先進(jìn)技術(shù)為主。1789年，美國(guó)仿制英國(guó)水力紡紗機(jī)成功，建立第一家紡紗廠，率先在紡織業(yè)用機(jī)器代替手工勞動(dòng)。1817年，第一家蒸汽機(jī)制造廠建成投產(chǎn)。之后，機(jī)器開始在毛紡織業(yè)、面粉業(yè)、食品業(yè)、服裝業(yè)等行業(yè)推廣應(yīng)用[12]。不斷增長(zhǎng)的機(jī)械化需求推動(dòng)了機(jī)器工業(yè)發(fā)展，軋棉機(jī)、縫紉機(jī)、收割機(jī)、蒸汽動(dòng)力帆船等新的機(jī)器不斷被發(fā)明出來(lái)。

蒸汽機(jī)的推廣應(yīng)用引發(fā)了動(dòng)力革命，煤炭資源需求快速增長(zhǎng)。1800年美國(guó)煤炭產(chǎn)量不到10萬(wàn)t，到1860年迅速增加到1 752萬(wàn)t，增長(zhǎng)了180倍，年均增長(zhǎng)9.3%。以第一次工業(yè)革命為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，人類能源消費(fèi)發(fā)生了革命性變化，之前作為能源消費(fèi)主要來(lái)源的木柴不斷被煤炭所替代。據(jù)美國(guó)能源信息署估算，到1860年煤炭消費(fèi)量增加到547 PJ，占能源消費(fèi)比例增至16.4%（見圖2、圖3）。

機(jī)器工業(yè)發(fā)展帶動(dòng)了鋼鐵資源需求增長(zhǎng)，促進(jìn)了鋼鐵工業(yè)的發(fā)展。美國(guó)相繼引進(jìn)了熱風(fēng)爐、焦炭煉鐵法等煉鐵技術(shù)，建立起近代煉鐵業(yè)。1810年美國(guó)生鐵產(chǎn)量4.9萬(wàn)t，到1860年增長(zhǎng)到74.5萬(wàn)t，年均增長(zhǎng)8.0%。

2.2 第二次工業(yè)革命

以電力、內(nèi)燃機(jī)技術(shù)為核心的技術(shù)發(fā)明是第二次工業(yè)革命的標(biāo)志。1866年德國(guó)發(fā)明發(fā)電機(jī)技術(shù)，美國(guó)隨即引進(jìn)。1879年美國(guó)發(fā)明實(shí)用白熾電燈，1882年建立第一座商業(yè)電站，1886年成立公司制造變壓器和交流發(fā)電機(jī)。到1892年，建立交流發(fā)電站多達(dá)500座以上。從德國(guó)引進(jìn)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)和汽車制造技術(shù)，并發(fā)明了汽車生產(chǎn)線流水作業(yè)技術(shù)。電力技術(shù)、內(nèi)燃機(jī)技術(shù)催生了一批新興產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)工業(yè)重心由輕工業(yè)轉(zhuǎn)向重工業(yè)。電力電氣工業(yè)建造了越來(lái)越多的發(fā)電站為居民、工礦企業(yè)和城市提供電力。電氣制造業(yè)成為美國(guó)的重要出口產(chǎn)業(yè)。汽車在20世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。煉油技術(shù)煉出為內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力的汽油，推動(dòng)了石油工業(yè)與化學(xué)工業(yè)的發(fā)展。原有的冶金、機(jī)器制造、交通運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)隨著技術(shù)變革加速發(fā)展[13]。輪船、汽車、鐵路等運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和機(jī)器制造業(yè)的規(guī)模擴(kuò)大，刺激了鋼鐵工業(yè)的發(fā)展[14]。

能源方面，煤炭消費(fèi)繼續(xù)快速增長(zhǎng)，石油、天然氣消費(fèi)開始興起。煤炭采掘業(yè)和石油采煉業(yè)快速發(fā)展。1860—1920年，煤炭產(chǎn)量由0.18億t增至5.84億t，年均增長(zhǎng)9.3%;石油產(chǎn)量由50萬(wàn)桶增至44 293萬(wàn)桶，年均增長(zhǎng)10.7%。1885年前后，煤炭消費(fèi)量超過(guò)木柴消費(fèi)量，代替木柴成為能源供給的主力（見圖2）。到1920年煤炭消費(fèi)量增長(zhǎng)至16 358 PJ，占能源消費(fèi)的比例一度升至75%以上（見圖3）。隨著油田的發(fā)現(xiàn)，石油、天然氣成為新興能源。石油消費(fèi)量由1860年的3 PJ增長(zhǎng)到1920年的2 823 PJ，占能源消費(fèi)總量的12.5%;天然氣1880年開始出現(xiàn)，到1920年消費(fèi)量為858 PJ，占比3.8%。

金屬方面，黑色金屬消費(fèi)增速加快，部分有色金屬消費(fèi)開始興起。鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展，生鐵產(chǎn)量增速加快。到19世紀(jì)80年代，生鐵產(chǎn)量達(dá)到350萬(wàn)t以上，超過(guò)英、法兩國(guó)，位居世界首位。與鋼鐵工業(yè)緊密相關(guān)的生鐵、錳等黑色金屬消費(fèi)量快速增長(zhǎng)。1900—1920年，生鐵消費(fèi)量由1 300萬(wàn)t增加到3 240萬(wàn)t，年均增長(zhǎng)7.1%;錳消費(fèi)量由20.2萬(wàn)t增加到55.2萬(wàn)t，年均增長(zhǎng)12.6%（見圖4（A））。在機(jī)器制造業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，銅、鉛、鋅、鎢、錫、銻等有色金屬消費(fèi)開始興起（見圖4（B）、圖4（C））。以銅為例，1900—1920年，銅金屬消費(fèi)量由16.6萬(wàn)t增至64.2萬(wàn)t，年均增長(zhǎng)9.3%。與此同時(shí)，金、銀等貴金屬消費(fèi)量也開始增長(zhǎng)。金消費(fèi)量由2.56 t增至4.54 t，年均增長(zhǎng)8.0%（見圖4（D））。

2.3 第三次工業(yè)革命

第三次工業(yè)革命首先于20世紀(jì)40年代在美國(guó)發(fā)生，以電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、原子能、航天等新技術(shù)的發(fā)明為標(biāo)志，已有的技術(shù)繼續(xù)快速發(fā)展、集成和應(yīng)用。1946年美國(guó)發(fā)明電子管計(jì)算機(jī)，1965年出現(xiàn)集成電路計(jì)算機(jī)，1975年出現(xiàn)基于大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)。原子能技術(shù)獲得突破，1942年研制出世界第一座核反應(yīng)堆，1945年成功制造出原子彈，從1950年到1972年共建成600個(gè)以上的核反應(yīng)堆[11]?？臻g技術(shù)得以發(fā)明并快速發(fā)展，1958年成功發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星，1961年載人衛(wèi)星上天，1969年實(shí)現(xiàn)登月。以電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、原子能為核心的新技術(shù)興起和傳統(tǒng)技術(shù)群向縱深發(fā)展，推動(dòng)美國(guó)由勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)為主向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)為主轉(zhuǎn)變。在催生計(jì)算機(jī)制造業(yè)、核工業(yè)、航天與航空工業(yè)等一大批新興產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，運(yùn)輸設(shè)備、機(jī)械制造、鋼鐵、化學(xué)等原有產(chǎn)業(yè)以前所未有的速度快速發(fā)展，深刻改變了人類生產(chǎn)、生活與消費(fèi)方式。

隨著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和新興產(chǎn)業(yè)的興起，自然資源消費(fèi)快速增加，自然資源開發(fā)進(jìn)入“大加速”時(shí)期[15-16]。能源方面，石油、天然氣消費(fèi)量大幅增加，并先后超過(guò)煤炭，成為能源供給的主力，核能作為新興能源在20世紀(jì)50年代末開始進(jìn)入人類生活。煤炭消費(fèi)量自20世紀(jì)40年代中期開始下行，占能源消費(fèi)的比例由1940年的49.7%降至1980年的19.8%。石油、天然氣消費(fèi)量則持續(xù)快速上漲，分別由1940年的8 187 PJ、2 812 PJ增長(zhǎng)到1980年的36 088 PJ、21 350 PJ，年均增長(zhǎng)分別為3.6%和5.1%（見圖2）。石油、天然氣占能源消費(fèi)的比例分別由1940年的30.8%、10.6%增至1980年的43.8%、25.9%（見圖3）。核能于20世紀(jì)50年代末開始緩慢發(fā)展，到1980年占能源消費(fèi)量的3.5%。

金屬方面，這個(gè)時(shí)期絕大多數(shù)礦種進(jìn)入到工業(yè)應(yīng)用，但消費(fèi)增長(zhǎng)趨勢(shì)出現(xiàn)分化。鋼鐵、錳、鉻等黑色金屬消費(fèi)量經(jīng)歷快速增長(zhǎng)后，于20世紀(jì)70年代達(dá)到峰值，之后波動(dòng)下行（見圖4（A））。有色金屬中，錫、汞等金屬消費(fèi)量先后在20世紀(jì)50—60年代達(dá)到峰值，之后總體呈下降趨勢(shì)（見圖4（C））;銅、鉛、鋅、銻等金屬消費(fèi)量延續(xù)之前的增長(zhǎng)趨勢(shì)，直到20世紀(jì)90年代末達(dá)到峰值（見圖4（B））;鋁、鎂、鎳等金屬自20世紀(jì)40年代開始投入大量應(yīng)用，到90年代末消費(fèi)量達(dá)到峰值（見圖4（E））;鈷、鉬、鉍、鎢等金屬消費(fèi)量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，迄今尚未見到峰值（見圖4（F）、圖4（C））。貴金屬中，金消費(fèi)量在20世紀(jì)70—90年代在峰值區(qū)波動(dòng)，之后呈下行趨勢(shì);銀和鉑族金屬消費(fèi)量保持波動(dòng)上升趨勢(shì)，迄今尚未見到峰值（見圖4（D））。稀土金屬的應(yīng)用晚于其他金屬，大致在20世紀(jì)50年代之后得到了較多應(yīng)用，在20世紀(jì)70—80年代消費(fèi)量經(jīng)歷了一輪較快增長(zhǎng)，之后呈波動(dòng)狀態(tài)（見圖4（G）、圖4（H））。

2.4 資源需求演變特征

從上面的論述可以得出，每次工業(yè)革命，由不同的主導(dǎo)技術(shù)驅(qū)動(dòng)，發(fā)展興起一批新興產(chǎn)業(yè)，帶動(dòng)不同的資源需求快速增長(zhǎng)（見表1），可以總結(jié)出以下資源需求演變特征。

（1）前三次工業(yè)革命主要依靠化石燃料為動(dòng)力，但是化石燃料消費(fèi)增速不斷下降，第三次工業(yè)革命之后經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與化石燃料消費(fèi)增長(zhǎng)逐漸脫鉤。第二次工業(yè)革命期間，人均GDP每增長(zhǎng)1 000美元（2011年不變價(jià)，下同），人均化石燃料消費(fèi)量增加33.6 GJ;第三次工業(yè)革命期間，人均GDP每增長(zhǎng)1 000美元，人均化石燃料消費(fèi)量增加8.7 GJ。1980年以后，人均GDP在增長(zhǎng)，人均化石燃料消費(fèi)量總體呈下降趨勢(shì)（見圖5）。從能源消費(fèi)比例來(lái)看，化石燃料所占比例在20世紀(jì)70年代末期達(dá)到最高（90%以上），之后緩慢下降（見圖3）。從數(shù)量來(lái)看，化石燃料消費(fèi)量在21世紀(jì)初期達(dá)到最高，在2005年之后緩慢下降（見圖2）。能源消費(fèi)中化石燃料比例和化石燃料消費(fèi)量二者持續(xù)下降的趨勢(shì)表明，大約在進(jìn)入21世紀(jì)之后，新的技術(shù)變革可能驅(qū)動(dòng)了新的能源供給在不斷成長(zhǎng)。

（2）隨著歷次工業(yè)革命推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革，越來(lái)越多金屬進(jìn)入消費(fèi)，金屬消費(fèi)趨勢(shì)出現(xiàn)分化。第一次工業(yè)革命，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以輕紡工業(yè)為主，僅有鋼鐵消費(fèi)量出現(xiàn)快速增長(zhǎng)。第二次工業(yè)革命，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由輕工業(yè)為主轉(zhuǎn)向重工業(yè)，黑色金屬中的鎂、鐵，有色金屬中的銅、鉛、鋅、銻、錫、汞，貴金屬中的金、銀等消費(fèi)量快速增長(zhǎng)。第三次工業(yè)革命，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)為主轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)為主，絕大多數(shù)金屬得到了開發(fā)利用，但消費(fèi)量變化趨勢(shì)表現(xiàn)有所不同：鐵、錳、鉻等黑色金屬，銅、鉛、鋅、銻、錫、汞、鋁、鎂、鎳等有色金屬、金等消費(fèi)增長(zhǎng)出現(xiàn)峰值，在峰值期之后緩慢下行;其他金屬相對(duì)晚一些進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)，消費(fèi)量一直保持增長(zhǎng)或波動(dòng)變化趨勢(shì)，尚未出現(xiàn)峰值。根據(jù)不同時(shí)間段變化趨勢(shì)，金屬消費(fèi)大體可劃分為增長(zhǎng)期、峰值期和減少期（見圖6）

（3）部分出現(xiàn)消費(fèi)峰值的金屬，其消費(fèi)量雖然呈緩慢下行趨勢(shì)，但是從消費(fèi)歷史看仍然處在中-高位水平。例如，生鐵在峰值期平均消費(fèi)量為8 113萬(wàn)t，2006—2015年平均消費(fèi)量3 446萬(wàn)t，為峰值期的42.5%;錳金屬峰值期平均消費(fèi)量為120.8萬(wàn)t，2006—2015年平均消費(fèi)量79.4萬(wàn)t，為峰值期的65.7%。有色金屬更為明顯。銅金屬在峰值期消費(fèi)量為243.5萬(wàn)t，2006—2015年平均消費(fèi)量186.5萬(wàn)t，為峰值期的76.6%;鉛金屬在峰值期消費(fèi)量為160.6萬(wàn)t，2006—2015年平均消費(fèi)量151.2萬(wàn)t，為峰值期的94.1%。金屬消費(fèi)量在峰值期之后仍然保持在中-高位水平的原因在于，雖然在工業(yè)化完成后第三產(chǎn)業(yè)超過(guò)第二產(chǎn)業(yè)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要源泉，但是以制造業(yè)為主體的實(shí)體經(jīng)濟(jì)依然是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，具有不可動(dòng)搖的地位。實(shí)體經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要相當(dāng)數(shù)量的金屬消費(fèi)予以支撐。

3 第四次工業(yè)革命技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革趨勢(shì)及對(duì)資源需求的影響

越來(lái)越多的跡象表明，21世紀(jì)以來(lái)世界正在進(jìn)入技術(shù)顛覆性變革新階段。全球新一輪科技革命正從“點(diǎn)狀突破”轉(zhuǎn)向“連點(diǎn)成線”，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革不斷加速;發(fā)展過(guò)程呈現(xiàn)“一核多翼”的演進(jìn)格局[17]?！耙缓恕笔侵敢孕畔⒓夹g(shù)深度與全面應(yīng)用為核心，“多翼”包括新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)、航天技術(shù)等不同領(lǐng)域（見表2）。世界各國(guó)紛紛出臺(tái)相關(guān)戰(zhàn)略推進(jìn)新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，驅(qū)動(dòng)新一輪工業(yè)革命席卷全球。

3.1 以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為核心的信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革

近20 a來(lái)，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。信息技術(shù)深度與全面應(yīng)用，將成為產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展的核心基礎(chǔ)設(shè)施，從根本上改變?nèi)祟?社會(huì)-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的聯(lián)通方式。

數(shù)字化向各個(gè)領(lǐng)域推進(jìn)，促使經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面數(shù)據(jù)化。基于大數(shù)據(jù)的深層利用已成為一項(xiàng)新的高新技術(shù)、一類新的科研范式、一種新的決策方式[18]。隨著大數(shù)據(jù)呈指數(shù)級(jí)增加，普遍、可靠、高效、低成本計(jì)算技術(shù)成為信息技術(shù)變革的支柱。日本2003年研制出量子計(jì)算機(jī)基本電路。美國(guó)2008年開發(fā)出運(yùn)算速度達(dá)每秒1 000×10.4億次的超級(jí)計(jì)算機(jī)，2013年建成世界第一臺(tái)碳納米管計(jì)算機(jī)，2017年發(fā)布了50量子比特的IBM Q量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[19]。我國(guó)2018年研制出運(yùn)算速度突破百億億次的神威E級(jí)原型機(jī)。量子計(jì)算、光子計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算等技術(shù)不斷發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)化改變了現(xiàn)代社會(huì)獲取、交換和消費(fèi)信息的方式。云計(jì)算、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)將推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)溝通方式和產(chǎn)業(yè)模式不斷創(chuàng)新。2013年加拿大提出以太坊區(qū)塊鏈平臺(tái)，2015年Linux基金會(huì)發(fā)動(dòng)Hyperledger開源區(qū)塊鏈項(xiàng)目，2017年我國(guó)騰訊公司發(fā)布可信區(qū)塊鏈平臺(tái)TrustSQL。物聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的核心基礎(chǔ)設(shè)施，預(yù)計(jì)未來(lái)10 a全球?qū)⒂杏?00億臺(tái)互聯(lián)設(shè)備。

智能化技術(shù)迅猛發(fā)展。人機(jī)協(xié)作、無(wú)人駕駛、情感識(shí)別、腦機(jī)接口、仿生軟體機(jī)器人等技術(shù)不斷進(jìn)步，人工智能與機(jī)器人在制造、交通自動(dòng)化、醫(yī)療健康等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來(lái)越重要的作用。美國(guó)2013年首次實(shí)現(xiàn)兩個(gè)人腦之間的遠(yuǎn)程控制，歐盟2013年啟動(dòng)“人類腦計(jì)劃”，推動(dòng)神經(jīng)信息學(xué)、神經(jīng)計(jì)算機(jī)研發(fā)。日本、美國(guó)和歐洲已有7種類型40余款服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)或半商業(yè)化應(yīng)用。

3.2 清潔、無(wú)污染、可再生新能源與產(chǎn)業(yè)變革

前三次工業(yè)革命以化石燃料為主要能源，排放了大量的溫室氣體，引發(fā)了氣候變暖、生態(tài)退化等問(wèn)題。2015年，聯(lián)合國(guó)氣候大會(huì)通過(guò)《巴黎協(xié)定》，大力推進(jìn)溫室氣體減排，減緩全球氣溫上升速度。開發(fā)清潔低碳、無(wú)污染、可再生的能源技術(shù)成為越來(lái)越多國(guó)家能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略。新能源技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展或?qū)⒏淖兩鐣?huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的動(dòng)力。

清潔低碳能源技術(shù)可能將改變目前的全球能源供需格局。頁(yè)巖氣開發(fā)技術(shù)的突破改變了美國(guó)油氣資源供給格局，頁(yè)巖氣產(chǎn)量快速攀升，使美國(guó)在60 a后重新成為天然氣凈出口國(guó)。天然氣水合物、地?zé)?、太?yáng)能、核聚變等非常規(guī)能源潛力巨大，一旦技術(shù)獲得突破，將比頁(yè)巖氣帶來(lái)的能源改變更加巨大。例如，我國(guó)2017年實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物試采成功。美國(guó)2015年啟動(dòng)地?zé)崮芮把赜^測(cè)研究計(jì)劃，干熱巖地?zé)崮艽笠?guī)模商業(yè)運(yùn)營(yíng)前景可期[20]。

儲(chǔ)能技術(shù)在能源革命中具有非常重要的作用。近年來(lái)，先后出現(xiàn)了壓縮空氣儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)，研發(fā)出鈉硫電池、液流電池、鋰離子電池、超級(jí)電容器等儲(chǔ)能設(shè)備和產(chǎn)品。隨著鋰離子電池能量密度不斷提高，全球電動(dòng)汽車產(chǎn)量可能將呈指數(shù)增加。氫能技術(shù)日益得到重視，日、德、美等國(guó)家紛紛大力支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3.3 新材料、增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革

新材料技術(shù)、多維打印技術(shù)發(fā)展，或?qū)⒏淖兩鐣?huì)經(jīng)濟(jì)賴以發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。石墨烯是目前最薄、最輕、最強(qiáng)韌的材料，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)異。納米材料被認(rèn)為是材料領(lǐng)域的下一場(chǎng)革命，目前主要集中在納米電池、生物材料、納米金屬催化等領(lǐng)域。隨著增材制造（包括3D打?。┘夹g(shù)的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)顛覆多個(gè)產(chǎn)業(yè)體系，制造、運(yùn)輸、物流、交通等企業(yè)或?qū)l(fā)生很大變化。

世界各國(guó)積極搶占材料領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。美國(guó)于2015年發(fā)布《國(guó)家創(chuàng)新戰(zhàn)略》，提出研發(fā)新能源材料、生物與醫(yī)藥材料、環(huán)保材料、納米材料，先進(jìn)制造、新一代信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電動(dòng)汽車相關(guān)材料，寬禁帶半導(dǎo)體材料[21]。歐盟于2010年制定了“2020戰(zhàn)略”，提出推進(jìn)低碳產(chǎn)業(yè)相關(guān)材料、信息技術(shù)相關(guān)材料、生物材料、石墨烯等材料研發(fā)。英國(guó)于2013年推出《英國(guó)工業(yè)2050》，重點(diǎn)支持建設(shè)新能源、智能系統(tǒng)和材料化學(xué)等創(chuàng)新中心[22]。

3.4 未來(lái)資源需求演變趨勢(shì)分析

新信息、新能源、新材料等技術(shù)將推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革，產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的資源將隨之發(fā)生變化，深刻影響未來(lái)的資源產(chǎn)業(yè)。

（1）能源消費(fèi)中清潔、無(wú)污染、可再生新能源比例將不斷增大，化石燃料比例將逐漸降低。2000—2018年，美國(guó)能源消費(fèi)量趨于穩(wěn)定，年均增長(zhǎng)0.1%，而可再生能源消費(fèi)年均增長(zhǎng)3.3%，核能消費(fèi)年均增長(zhǎng)0.6%;能源消費(fèi)中，可再生能源比例由6.2%增長(zhǎng)到11.4%，核能比例由8.0%增長(zhǎng)到8.6%（見圖3）。可再生能源消費(fèi)中，生物能源、地?zé)崮?、太?yáng)能等增長(zhǎng)尤為明顯。2019年《BP世界能源展望》預(yù)測(cè)，可再生能源占全球能源的比例，在漸進(jìn)轉(zhuǎn)型情景下將從2017年的4%增加到2040年的15%，在快速轉(zhuǎn)型情景下將增加到29%[23]。世界地?zé)岽髸?huì)預(yù)測(cè)，到2050年地?zé)岚l(fā)電占全球電力生產(chǎn)總量的比例將上升到8.3%[24-25]。

（2）對(duì)于金屬資源，稀有金屬消費(fèi)或?qū)⒂瓉?lái)快速增長(zhǎng)期，傳統(tǒng)大宗金屬消費(fèi)仍將在中高位波動(dòng)。從圖4可以看出，除鐵、錳、銅等13種金屬之外，美國(guó)其他金屬消費(fèi)尚未出現(xiàn)峰值。即使已過(guò)峰值期的金屬（如錳），近年來(lái)有的消費(fèi)也出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。隨著信息、新能源、新材料、智能制造、航空航天等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與擴(kuò)大，以稀有金屬為重點(diǎn)的戰(zhàn)略新興礦產(chǎn)需求將快速增加。2017年世界銀行預(yù)測(cè)，風(fēng)能、太陽(yáng)能、儲(chǔ)能電池等低碳技術(shù)發(fā)展將導(dǎo)致鋁、銅、錳、鋰、鎳、銀、稀土等金屬需求量增長(zhǎng);到2050年儲(chǔ)能電池所需金屬需求量在全球氣溫升溫2 ℃的情景下要比升溫4 ℃的情景增加10倍以上[26]。

4 結(jié)論與啟示

工業(yè)革命對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)能源與金屬資源需求具有深刻的影響。美國(guó)前三次工業(yè)革命分別推進(jìn)了煤炭、石油、天然氣、核能等能源消費(fèi)的興起與增長(zhǎng)，形成了以化石燃料為主的能源消費(fèi)格局。隨著新信息技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)等新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展，能源消費(fèi)中清潔、無(wú)污染、可再生新能源比例將不斷增大，化石燃料比例將不斷降低。前三次工業(yè)革命先后推進(jìn)了鋼鐵、錳等黑色金屬，銅、鉛、鋅等有色金屬，金、銀等貴金屬和鋰、稀土等稀有金屬消費(fèi)的興起與增長(zhǎng)。隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變革，金屬消費(fèi)趨勢(shì)出現(xiàn)分化。稀有金屬消費(fèi)或?qū)⒂瓉?lái)快速增長(zhǎng)期，傳統(tǒng)大宗金屬消費(fèi)仍將在中-高位波動(dòng)。

工業(yè)革命驅(qū)動(dòng)下美國(guó)資源需求演變特征，為保障我國(guó)能源資源供給安全提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和啟示。

（1）技術(shù)革命驅(qū)動(dòng)了能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換與升級(jí)，新能源技術(shù)是驅(qū)動(dòng)能源消費(fèi)從高碳走向低碳、無(wú)碳的關(guān)鍵。第一次、第二次工業(yè)革命驅(qū)動(dòng)美國(guó)能源動(dòng)力從薪柴為主轉(zhuǎn)換為煤炭為主，第三次工業(yè)革命驅(qū)動(dòng)美國(guó)能源動(dòng)力轉(zhuǎn)換為石油、天然氣為主，當(dāng)前正在進(jìn)行的技術(shù)革命則將能源動(dòng)力指向可再生能源。我國(guó)工業(yè)化在短時(shí)間內(nèi)走過(guò)了美國(guó)前三次工業(yè)革命發(fā)展歷程，呈現(xiàn)壓縮性和急速式的特點(diǎn)，以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在我國(guó)碳排放承諾的壓力下，我國(guó)能源消費(fèi)轉(zhuǎn)型可采取低碳與無(wú)碳并舉的策略。低碳策略是補(bǔ)課，通過(guò)研發(fā)化石能源清潔化技術(shù)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)控煤穩(wěn)油增氣;無(wú)碳策略是引領(lǐng)，通過(guò)研發(fā)清潔、無(wú)污染、可再生新能源技術(shù)，推動(dòng)非化石能源實(shí)現(xiàn)低成本開發(fā)。

（2）金屬資源是支撐工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，保障金屬資源供給安全需要長(zhǎng)期堅(jiān)持。隨著歷次工業(yè)革命的推進(jìn)，進(jìn)入到美國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的金屬種類越來(lái)越多。盡管不同金屬消費(fèi)趨勢(shì)出現(xiàn)分化，但是即使已過(guò)消費(fèi)峰值期的金屬也仍然長(zhǎng)期保持在較高的消費(fèi)水平。我國(guó)總體上已進(jìn)入工業(yè)化后期階段，金屬資源消費(fèi)增速趨緩，但仍然處于增長(zhǎng)期。保障金屬資源供給安全，一方面要立足國(guó)內(nèi)，在加強(qiáng)地質(zhì)找礦的同時(shí)，推進(jìn)金屬資源循環(huán)利用;另一方面要推進(jìn)礦業(yè)走出去，提升我國(guó)金屬資源的全球控制力和話語(yǔ)權(quán)。

（3）新一輪工業(yè)革命將推動(dòng)稀有金屬消費(fèi)快速增長(zhǎng)，稀有金屬供給關(guān)系到戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)前景。美國(guó)將高科技視為影響其國(guó)家安全和全球競(jìng)爭(zhēng)力的重要基石，而包括稀有金屬在內(nèi)的關(guān)鍵礦產(chǎn)的安全供應(yīng)關(guān)系到高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2019年美國(guó)出臺(tái)了《確保關(guān)鍵礦產(chǎn)可靠供應(yīng)的聯(lián)邦戰(zhàn)略》，以降低美國(guó)對(duì)關(guān)鍵礦產(chǎn)的進(jìn)口依賴。2020年美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）確定了可能造成美國(guó)制造業(yè)供應(yīng)鏈中斷風(fēng)險(xiǎn)最大的23種關(guān)鍵礦產(chǎn)，其中有13種礦產(chǎn)品供應(yīng)主要來(lái)源于中國(guó)[27]。面對(duì)各國(guó)在稀有金屬方面的博弈，我國(guó)一方面應(yīng)加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)稀有金屬礦產(chǎn)品的深度研發(fā)，支撐國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展;另一方面應(yīng)拓寬匱乏稀有金屬的境外來(lái)源，降低境外供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

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（責(zé)任編輯：李 琪）