关键稀土元素之全球物质流网络的构建与结构演化分析

Many emerging technologies rely on the use of rare earth elements (REEs), of which more than 90% are now mined in China. It is therefore critical to quantitatively characterize the anthropogenic life cycles of REEs in China and other major economies such as Japan, U.S., and European Union. It is also important to know how China’s REEs are transported and processed at the global scale through an increasingly complex global trade system. We thus propose to examine three critical REEs (i.e., neodymium, dysprosium, and yttrium) which are predominately produced in China but are used globally as necessaries in a variety of clean energy technologies. In particular, this project will: (1) develop an anthropogenic life cycle framework for each REE for modeling their dynamic anthropogenic stocks and flows in major economies such as China, the US, Japan, and European Union during 1990-2015; (2) develop dynamic global material flow networks for each REE, covering more than 150 countries/territories during 1990-2015 and the trade of each REE in different forms including ores, concentrates, refined products, semis, final products, end-of-life products, and scrap; (3) analyze the evolution of the structure of these material flow networks using complex network analysis methods, and examine the factors and mechanisms driving the evolution of these material flow networks in the study period; and finally (4) explore policies that can help improve the sustainability and security of REEs production, use, and trade in China.

当今世界对发展高新技术至关重要的稀土资源有90%多产自中国。定量分析稀土元素的来源和去向以及如何在全球贸易网络中被输送到全世界兼具学术与政策意义。本项目将以钕、镝和钇三种对清洁能源技术至关重要且难以替代的关键稀土元素为对象，以1990-2015年为时间边界开展如下研究：（1）建立稀土元素的全生命周期流量与存量研究框架，模拟中国、美国和日本等世界主要经济体中关键稀土元素的动态流量与存量，分析这些经济体中关键稀土元素生产、使用、贸易以及循环利用的历史演化特征；（2）构建全球5大洲超过150个国家或地区之间关键稀土元素以粗矿、精矿、初级产品（氧化物和金属）、中间产品、最终产品、报废产品和废料等不同形态进行贸易的全球物质流网络，分析网络的结构、相互关联及其动态演化特征，解析网络动态演化的驱动因素和机制。研究结果将为我国制定有关优化稀土贸易结构和促进稀土资源可持续利用的政策提供数据基础和决策依据。

稀土是发展现代工业和国防尖端技术不可替代的战略性资源。定量分析稀土元素在全球范围内以及世界主要经济体内部的物质流动规律对引导全球稀土资源合理配置，促进稀土产业持续健康发展至关重要。本项目以钕、镝、钇等关键稀土元素为研究对象，采用物质流分析方法，建立了全生命周期稀土物质流分析框架，开发了稀土流量及存量核算模型，分析了中国、日本、欧洲等世界主要经济体的稀土生产、消费、贸易等演变规律。同时，基于联合国商品贸易统计数据库，采用复杂网络方法，模拟了近20年全球稀土贸易格局的演变趋势，分析了网络结构动态演变的关键特征及驱动因素。主要结论如下：（1）中国是全球稀土资源储量、生产量、出口量的第一大国。1990-2019年，中国累计稀土矿开采量、冶炼产品生产量、出口量分别达到约250万吨、235万吨、100万吨。同时，中国由于大量进口稀土矿产品，已成为当前全球最大的稀土进口国；（2）稀土资源流动呈现元素差异化、技术影响显著的特征。风机、新能源汽车等低碳能源技术的快速发展极大地驱动了钕、镝等元素消费升级，导致潜在的钕、镝供应风险；照明技术演替（荧光照明转向固态照明）严重削减了钇、铕等元素的市场需求，进而造成了严重的钇、铕元素供应过剩问题；（3）近20年，全球稀土贸易网络规模逐渐扩大（参与国、贸易关系、贸易量增加），中国、日本、美国、德国为网络的核心国，对网络演变起到主导影响作用；（4）全球稀土贸易网络在中国削减稀土资源出口时（2011年），呈现网络规模扩张、集聚效应显著、社团化趋势明显的特征。本项目的研究成果将为制定我国稀土贸易政策及中长期产业规划提供数据基础与决策支持，为构建稀土产业“双循环”发展新格局提供科学支撑。