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未来全球磷矿储量的分布和生产
摘要
磷（P）对作物生长和粮食生产至关重要，施用于农业用地的大部分磷来自磷矿石（PR），这是一种不可再生资源。公共财政储备的分配和当前生产的份额都集中在少数几个国家，特别是摩洛哥和中国。各个国家以不同的储备 - 生产（R / P）比率运营其磷酸盐采矿业，这决定了该国公共储备的寿命，以及未来储备和生产的全球分布。本研究使用美国地质调查局数据（2011年1月发布）得出各个国家的R / P比率，并将其与增加全球需求的情景相结合，以调查公共储备和生产的全球分布如何从现在到2100年变化.结果显示，目前全球70％的产量来自储量，这些储量将在100年内耗尽，并且与需求的增加相结合将导致显着的全球生产，到2070年将大于目前的产量。拥有近77％全球储量的摩洛哥需要在2075年前将产量提高700％左右才能满足大部分的需求。如果可能的话，摩洛哥将获得更大份额的全球产量，从2010年的约15％到2100年的约80％，这意味着对市场价格的更多控制。此外，由于摩洛哥在整个分析期间的R / P比率最高，其在全球储量中的份额继续增加，从2011年的77％增加到2100年的89％。总体而言，研究得出结论，除非额外的磷源被探查到或社会显着增加磷回收，否则未来全球磷安全将越来越依赖于一个国家。
- 介绍
磷对于作物生长和食物生产至关重要。 为了维持高产量，现代农业需要稳定的化肥供应，其中含有来自磷酸盐岩的磷。 据估计，施用于农田的大约60％的磷来自这种不可再生资源（Cordell，2010; Liu等，2008; Smil，2000; Smit等，2009），其余来自有机残留物中的再生磷，如粪肥，作物残茬和人类排泄物。 据估计，大约90％来自磷酸盐岩的磷在农业中用作肥料或饲料（Brunner，2010）。
人们越来越了解维持供应可持续磷供应（这是全球人口增长导致的食物需求所必需的）所面临的挑战。这些挑战存在于整个磷供应链中，从磷矿开采到化肥使用和磷富集废物的再循环。在磷的使用和再利用方面更有效率能使一个国家对进口磷的依赖性降低，从而提高了供应的安全性。一些研究表明，磷酸盐岩储量可能在50 - 100年内耗尽（Steen，1998; De Haes等，2009; Smit等，2009; Vaccari，2009; Cordell，2010），而其他研究表明，磷矿石储量将延伸到未来（Van Kauwenbergh，2010; Van Vuuren等，2010）。无论这些时间表如何，很明显大多数磷矿石储量仅由少数几个国家持有，主要是摩洛哥，根据USGS最新估计（2011年1月），它控制着世界储量的77％左右。
迄今为止关于磷稀缺的大多数研究论文都在全球范围内考虑了储量和产量，但全球储量由各个国家的个别矿床组成，因此各国内储量与产量之间的相互作用（R / P比）产生一个变化很大的全球形势，未来可能会因较少国家的市场支配而加剧磷供应问题。
本文考虑了各个国家的储备与生产之间的关系（储备与生产比率）如何影响到21世纪的磷供应格局。
- 目的和目标
2.1目的
调查由于目前在各个国家内运营的不同的储备 - 生产（R / P）比率，磷酸盐岩储量的分布和供应份额在整个21世纪可能会如何变化。
2.2目标
（1）确定磷酸盐岩储量的大小，分布和生产的最新估计，以及确定各个国家和整个世界的R / P比率。
（2）利用R / P比率制定一个方案，以确定未来产量如何受到R / P比率低于全球平均值的储量损耗的影响，并将在本世纪末之前耗尽。
（3）确定一些国家必须增加多少产量才能满足生产要求，同时也要求全球对磷矿的需求增加。
（4）制定适应生产设计的方案，并确定在分析期间这将如何影响储量分配和生产份额.
3.背景文献
3.1磷矿石储量
磷是地壳中第十一最丰富的元素（约翰斯顿和斯蒂恩，2000年），其中含有约5-108.8亿吨（Mt）的P（Brunner，2010）。大约95％的磷被发现为磷酸钙矿物，称为磷灰石（Smil，2000）。大多数沉积岩含有非常小的磷浓度，通常约为0.1％P，但在某些条件下，这种情况很少同时出现在同一个地方，而且在数百万年后，这种浓度会增加，产生磷酸盐岩，被称为磷矿，其具有100个典型沉积岩的浓度，在10％至20％之间P（Filippelli，2011）。这些磷酸盐岩中的一些位于难以通过现有技术进入和提取的地方，例如大陆架和大西洋和太平洋海山上的大量资源（Jasinski，2008），但其他矿床有足够的磷酸盐含量和可达性，可实现经济的提取。这些矿床通常被称为磷矿石储量，由美国地质调查局（USGS）定义，作为确定资源的一部分，可以在确定时进行经济提取或生产（USGS，2011）。
美国地质勘探局每年1月编制一份矿产商品摘要报告，其中包括全球磷矿石储量和年产量的估算，以及前15个国家的估算和所有其他国家的分组类别。 美国地质勘探局也曾用于提供储量基数的估算，后者被定义为已经经济可用（经济储备）或具有在未来经济可用的合理潜力的总资源的现场已证明部分（USGS） ，2011）。 然而，自1996年美国矿业局（USBM）关闭以来，最新储备基数估算所依据的数据尚未更新，并且被认为太旧而无法保证可靠性，因此储备基数估计值已经停止。 2009年（USGS，2010年）。 在2011年之前，USGS对磷矿石储量和储量基数的最新估计分别为1.6万吨和4.7万吨（Jasinski，2010年，2009年）。
储备估算是动态的，可能由于多种原因而发生变化。 随着新矿床的发现，已知矿床的升级估算，或通过将基础储量重新分类为经济储量，储量估算可以增加，因为改进的开采技术或增加的市场价格使以前不经济的储量变得经济可用。 相反，如果市场价格下跌或开采成本增加，储备也可以通过提取，已知存款的降级估计或通过重新分类到不经济储备来减少。 1996年至2010年间，磷矿石储量估计在11,000至18,000,000吨之间，2010年估计为16,000,000吨。 然而，2011年1月，美国地质勘探局将其储量估算大幅增加至6.5万吨，增幅超过4倍，远远超过过去15年的任何估算（Jasinski，2011）。
这一变化在很大程度上受到2010年国际肥料开发中心（IFDC）编制的报告的影响，该报告回顾了有关磷矿石储量和资源的文献，并表示世界磷矿石储量约为6万吨，资源量为29万吨（Van Kauwenbergh） ，2010）。 特别是对摩洛哥的估计储量进行了相当大的修改，从美国地质勘探局（2010年）估计的5700万吨增加到约51,000吨，几乎增加了9倍。 摩洛哥估计储量的增加几乎占全球储量估算的全部增长; 事实上，与之前的USGS估计相比，IFDC报告中所有其他国家的储备总量实际上减少了约10％。
IFDC图片并非基于新的发现，而是基于全球公关存款的文献资料，自1990年以来，这些资料本身变得非常有限（Van Kauwenbergh，2010）。 为了估算摩洛哥磷矿石储量的大小，IFDC使用Gharbi（1998）和OCP（1989）的报告来估算磷矿石的数量，以计算岩石精矿量或储量。 因此，修订是基于以前被美国地质勘探局忽视或无法获得的升值，因此不包括在他们之前对摩洛哥的公共储备估算中。 值得注意的是，IFDC的报告（Van Kauwenbergh，2010）警告说，目前还不知道摩洛哥所有的磷矿石储量是否都能按今天的成本生产，这就提出了所有报价储量是否应被视为真实经济储量的问题。 或者是否应将某些人视为基础储备。
随后，根据IFDC的调查结果，美国地质勘探局于2011年1月修订了其公共储备金数据，将全球储量估计数增加至6.5万吨，摩洛哥储量占5万吨（Jasinski，2011）。 本文中进行的分析使用USGS（2011）PR储备估算。 我们建议本文的读者在解释发现时牢记公共储备估算的动态性质。
3.2磷矿石储量的分布
由于磷酸盐岩形成所需的特定条件很少同时发生，磷酸盐岩的形成在时间和地理上都受到限制，导致一些大块的磷矿形成，称为“磷矿巨石”，构成 大部分磷矿石储量（Filippelli，2011）。 这些磷矿石储量的地理分布引起了围绕磷安全的地缘政治问题。
储量的分布已经被认为显着集中在仅有五个国家控制着86％的全球储量（Jasinski，2010），随着IFDC报告的发布以及随后对USGS估计的修订而进一步加剧。 摩洛哥自然保护区增长9倍之后的最新估计显示，仅摩洛哥就控制着全球储量的77％，达到500亿吨（Jasinski，2011）。
图1显示了磷矿石储量集中分布的程度，最终类别是世界上所有其他国家的组合。 特别值得注意的是印度和西欧国家的缺席。 芬兰是唯一拥有商业矿床的西欧国家（Johnston和Steen，2000），印度的低品位磷矿石不适合化肥生产（Rosemarin，2004）。
磷矿石储量（岩石山）
数据：Jasinski（2011）
图1:世界磷矿石储量分布
摩洛哥采矿业由Of ficeCheacute;ri-fi en des Phosphates（OCP）控制，该公司是一个国有集团，摩洛哥国王穆罕默德六世是非官方监督者（Rosemarin，2004; Westenhaus，2010）。这产生了一个有趣的情况，即一个人有效控制全球磷酸盐储量的四分之三左右。此外，其中一些保护区位于西撒哈拉，这是一个自1975年以来一直被摩洛哥占领的独立领土（Rosemarin等，2009）。国际肥料开发中心（IFDC）估计，摩洛哥5万吨的大约11亿吨位于西撒哈拉的Bu Craa地区（Van Kauwenbergh，2010）。这相当于摩洛哥总储备的2％左右。西撒哈拉矿床的产量估计为OCP磷酸盐岩石开采量的5％至10％（OCP，2009）。然而，根据国际法，利用西撒哈拉等非自治领土的民间资源违背人民的意愿和最大利益是非法的（Corell，2002），因此一些澳大利亚和斯堪的纳维亚企业拥有这些资源。停止进口摩洛哥磷矿石（Rosemarin等，2009; Cordell，2010）。
磷矿石储量的地理浓度可以与石油储量相比较，如图2所示。由于它控制着大量的储量，摩洛哥被称为磷的沙特阿拉伯。 然而，根据2011年美国地质调查局的数据，摩洛哥与石油输出国组织相比将优于沙特阿拉伯，因为其控制的磷矿石储量比例相当于石油输出国组织所有12个成员国的石油储量比例，约为77％ （BP，2010）。
控制全球储备（％）
储量最大的国家
图2：磷矿石与石油储量分布的比较
3.3.磷矿生产
磷酸盐岩生产始于19世纪中叶之前，在1950年至1990年间迅速增加，并且在“绿色革命”中发挥了不受重视但关键的作用，其中农业产量显着增加（Elser和White，2010）。 根据美国地质勘探局的历史生产数据，可以确定自1900年以来已经生产了约7000万吨磷酸盐岩，产量平均每年增加约3.7％。 生产在1989年达到顶峰，并在几年内下降，部分原因是苏联解体，西欧和北美的铁化需求减少（Cordell等，2009a）。 然而，过去10年的需求不断增长，年产量再次增长约3％，2010年达到约1.76亿吨，这是有史以来最大的产量（Jasinski，2010）。
与公共储备的情况类似，全球公关产量仅由少数几个国家主导，如图3所示。从历史上看，美国是最大的磷矿生产国，自1900年以来几乎占该产量的三分之一。 2006年，中国超过美国成为世界上最大的磷矿生产国，目前产量约占全球产量的37％（Jasinski，2007年，2011年）。 然而，为了在2008年价格上涨期间确保国内供应，中国对其磷矿石实施了135％的出口关税，这有效地阻止了出口（Elser和White，2010）。
图3:2010年世界磷矿石产量份额
世界磷产量的集中性使得少数国家可以对磷矿石的市场价格有显着的控制。 1973年石油危机期间石油储备实现了这一点，当时石油输出国组织的阿拉伯成员国对美国实施石油禁运，导致石油价格翻了两番，并导致全球经济衰退。 欧佩克目前占全球石油产量的约41％（BP，2010），表明磷矿生产比原油生产更集中，如图4所示。
图4：磷矿石和原油产量分布的比较
3.4未来需求
由于大约90％来自磷矿石的磷被用于农业（Brunner，2010），未来对磷矿石的需求与作物和粮食生产有关。 预计未来食物需求将增加，主要驱动因素是人口增加和饮食变化。 联合国（UN）中等人口变量估计全球人口将从2010年的69.1亿增长到2050年的915亿（联合国，2009年）。 这相当于每年增长0.7％。 到2030年，食品总需求量将增加40％，到2050年将增加70％，到2050年水和能源使用量将增加一倍（Foresight，2011）。 Borlaug和Dowswell（2003）估计到2030年收成必须增加50％，本世纪粮食产量必须增加一倍。
粮食生产的增加和生物燃料等非粮食作物的开发预计将增加未来对化肥的需求。联合国粮食及农业组织（粮农组织）预计2010年至2014年期间化肥需求每年将增加约2.6％（粮农组织，2010年）。长期估算表明，到2030年，化肥需求每年可增加约1-1.5％（粮农组织，2000年，2002年），在2030年至2050年期间每年减缓至0.9％（粮农组织，2002年）。加速器
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