中国砂石资源利用的现状、问题与解决对策研究

庄淑蓉 陈睿山 叶超

关键词：建筑骨料;远程耦合;区域性稀缺;供需冲突

0引言

砂子（sand）、砾石（gravel）和机制砂石（crushedrock），统称为建筑骨料（constructionaggregate），是世界上开采量最多的固体材料，超过了化石燃料和生物质[1].建筑骨料在中国通常被称为砂石资源，被广泛应用于建筑业、基础设施修建和填海造陆.由于城市扩张、基础设施改善和为应对气候变化而加强海岸保护，1990—2000年，全球用于建筑和交通基础设施的自然资源总量增加了23倍[2]，其中砂石的使用量最多.砂石是建筑工业的重要原料，由于新住宅、商业和工业建筑的快速建造，砂石的需求以每年平均4.5%的增长率高速增长[3].有学者根据水泥数据估算和物流分析，测算出目前全球每年砂石资源的需求量为400亿～500亿t，平均每人每天消耗18kg砂石资源[4].在全球范围，砂石约占非金属矿物总使用量的3/4[3]，砂石矿山占总矿山开采量的50%以上[5].已有部分研究表明，大量的砂石资源开采常常导致一系列负面的生态与社会影响，比如：可能对生物栖息地、迁移路径、生态群落造成巨大的影响和负担;侵蚀河岸、减低河岸的稳定性并减少泥沙流量，进而增加沿海地区的咸水入侵风险，使得生活用水的供应安全受到威胁等[6].在发展中国家，砂石开采主要是非正式的手工和小规模作业[5，7]，随着需求和利润的增加，其非法行为可能会增加，更容易引起违法犯罪，并且非法采矿者与当地社区之间常常形成紧张关系[8].由非法采矿而引起的冲突已经出现在摩洛哥、印度、孟加拉国、中国、意大利和柬埔寨等国家[5].砂石开采与利用在大多数发展中国家和发达国家都很普遍[9]，然而，對砂石的相关研究即使在某些发达国家也是近几年才开始，其相关的可靠数据十分缺乏[10].砂石资源的生产和消费反映了一个未被充分认识到的可持续性挑战[6].

从1999年开始，中国就有学者意识到采砂可能会破坏海岸带[11]，存在降低河床的风险[12]，并且容易破坏水域生态环境、影响饮用水源的质量，对通航安全和大坝的安全构成重大威胁[13-14].随着中国城市化的推进，砂石年消费量于2018年增至200多亿t，占全球消费量的近一半，是世界上最大的砂石生产国和消费国[15]，砂石的开采和消费面临越来越多的问题[16].在实践中，砂石资源的开采和因开采而产生的一系列影响已引起国家的重视.2019年11月4日，工业和信息化部、国家发展改革委等多个部门联合下发了《关于推进机制砂石行业高质量发展的若干意见》的文件[15];2020年3月25日，国家发展改革委、工业和信息化部等多部委进一步印发了《关于促进砂石行业健康有序发展的指导意见》的通知[17];2021年2月3日，CCTV《经济半小时》报道了粤港澳大湾区建设背景下，珠三角砂石资源存在严重的供需矛盾[18].然而，由于缺乏有效数据，当前的研究主要集中在河湖海砂石开采对地质地貌和生态环境的影响[14，19–23]，缺乏将砂石作为城市建设、填海造陆等涉及经济发展的必需资源进行研究，并且尚未将砂石资源的开采利用作为一个系统进行综合研究.本文首先回顾砂石资源的研究进展，随后采用《中国建材报》、砂石骨料网数据中心和广州市混凝土行业协会信息网等多渠道的数据，分析中国砂石资源的开采利用现状，再利用远程耦合框架综合分析砂石开采、运输和使用的影响，并提出促进中国砂石资源可持续发展的应对策略，以确保砂石骨料的供应和最小化采矿影响.

1砂石资源研究进展

近年来，Nature和Science上均发表了有关砂石资源的综述性文章[6，9，16，24]，强调砂石资源的稀缺问题和砂石开采所带来的一系列负面影响.在实证研究方面，相关文献主要关注河湖海砂石开采的影响，以及估算包括砂石在内的物质消耗量.

对于河道砂石开采，已有的研究主要集中在采砂的影响，包括对河湖边坡稳定性[20]、河道形状[21]、岸边植被碳封存和消除氮污染[22]、水体环境和水中生物的影响[14，23]等各方面，涉及地理学、环境科学、化学等多学科，研究方法多样.但研究以个别案例分析为主，缺乏全面判断砂石开采的综合影响.例如，采用建立河流采砂条件下堤防边坡失稳风险模型，以及挖掘活动的现场调查和河流地势图评估等方法，研究发现，在采砂实践背景下，长江不同坡度下边坡的不稳定风险概率从2.38%上升到4.74%[20]，珠江的河道形状、河床高度也都受到影响[22].另外，土壤采样分析的实验证明了，采砂活动不仅增加了漓江沿岸研究区（约12hm2，深度0～40cm）土壤碳的释放（933.96t），并且使得碳封存潜力每年减少28.8～40.8t，也大大降低了氮的清除率[22].夜间灯光遥感影像也常被用来监测河湖的采砂活动，通过比较夜间采砂活动与水体悬浮颗粒物浓度变化，定量评估采砂对水体环境的负面影响[14].由于采砂直接清除水中沉积物和间接改变水域物理条件（如水深、浊度和沉积物组成），因此，采砂活动不仅改变了水中生物的栖息环境，也对生物多样性的减少产生直接或间接的影响[23].

由于海砂开采活动的增加，其对生态环境的破坏[25]及海砂资源治理[26]的相关研究也逐渐增加.其中，大部分研究关注入海口的砂石资源开采造成盐水入侵和海域环境破坏的问题[25-26].另外，砂石相关研究还包括通过物流分析法估算中国城市的物质消耗.例如，通过投入产出模型估算中国原材料消费量，结果表明，1997—2007年，中国原材料消费量从119亿t猛增至204亿t，其中包括砂石在内的非金属矿物的比例最大（超过60%）[27];通过流入驱动模型和存量驱动模型估算中国砂石存量和流量，结果表明，在1978—2018年期间，中国砂石的消耗增加了近13倍（从13亿t增至173亿t），存量增加了近15倍（从183亿t增至2855亿t）[28].

综上，砂石的研究聚焦于资源开采的影响，缺乏对砂石资源的需求量、供应量的变化趋势，天然砂石和机制砂石的供应比例，以及砂石开采、运输和利用系统的社会和环境影响的整体研究.砂石作为城市建设、地区发展必需的资源类型，其开采利用现状和综合影响的不确定性，导致了砂石与城市化相关的研究无法顺利推进.因此，有必要梳理中国砂石资源开采利用现状，综合考察资源开发利用的多重影响，并据此提出资源可持续利用对策.

2中国砂石资源开采利用现状

2.1 砂石资源需求呈上涨趋势

近些年，中国快速增长的经济正在加速其物质化进程，原材料消费从1995年的117亿t强劲增长到2015年的354亿t[29].通过对原材料消费及其社会经济驱动因素分析，有学者发现，中国物质化进程的加快与城镇化和工业化水平密切相关，特别是与建筑业、服务业、重工业等领域的原材料需求密切相关[27].另外，由于填海造陆，1985—2010年沿海各省市共复垦滨海湿地754697hm2，并以年均5.9%的速度持续增长[30-31].大规模的填海造陆工程大部分使用海砂，据测算，1985—1999年间从河口水域开采的海砂约1.27×108m3[26].

从已有数据看，2001—2018年，砂石骨料的需求量呈增长趋势（图1）.2014—2017年期间，受宏观经济增速放缓影响，砂石市场也进入相对平稳的状态，但之后又迅速回升，于2018年达到200亿t，占全球产量的50%[32].按2019年7月份价格，砂石行业年产值达到2万亿元[33].砂石需求的增加从物质层面反映了中国城市的扩张.据估算，每平方米城市建筑需砂石约800kg，每千米高速公路需砂石约5.4万～6.0万t，每千米高铁需砂石约5.60万～8.64万t[5].从中国“十四五”发展规划及各省基础设施建设规划来看，砂石作为基础设施建设必需的最大宗基础建材，其需求量未来仍存在上涨趋势.

2.2 砂石供给侧变化趋势

面对不断攀升的砂石需求，河道砂石总供应量却呈下降趋势（从2005年的61.4亿t下降至2017年的50.7亿t）（图2）.2010年之前，河道天然砂石是砂石骨料的主要組成部分.事实上，中国河道采砂历史悠久，机械式开采始于20世纪70年代后期.到20世纪90年代，随着中国经济建设的快速发展，建筑用砂石需求量大增，砂价上涨，各种采砂船蜂拥而入各大江河湖泊.在巨大的经济利益驱动下，非法采砂活动在长江、黄河、珠江、淮河等地区十分猖獗[23，26，36].通过对实地采掘活动调查和河流水位调查，结果表明：2000年前后，长江干流每年的采砂量已超过8000万t[37];2008年黄河干支流采砂量为3071万t[38];1986—2003年，珠江三角洲采砂量超过8.7亿m3，上游水位下降1.59～3.12m[21].由于河道砂石开采造成水位下降、河道变形等多方面的影响，国家各部门曾出台相关的条例和法规.例如，2001年，国务院颁布了《长江河道采砂管理条例》，提出了国家对长江采砂实行统一规划制度和采砂许可制度，并促使相关部门逐步制定了采砂规划和完善采砂审批许可制度[39].

已有研究表明，河道砂石资源将面临资源枯竭的威胁及相关的社会和环境挑战[40].主要河流的总输沙量呈下降趋势，根据2019年的《中国河流泥沙公报》，中国主要河流代表水文站年总输沙量为3.45亿t，较1950—2015年实测的平均年输沙量15.1亿t减少77%[41].通过对河道总输沙量和湖泊自然沉积物减少的驱动因素的研究，有学者认为输沙量减少可归为两个原因：大坝建设[42]和天然砂石开采[23，43].但无论是哪方面的原因，这都意味着河道砂石资源供给减少，河道、湖泊采砂已不可持续.

为应对巨大的资源需求，机制砂石快速发展，从2005年占砂石总量的20%左右，上升至2017年的近70%（图2），成为砂石供给最重要的组成部分.但目前对于机制砂石的研究远低于对天然砂石的研究，机制砂石开采潜在的生态环境影响有待深入探讨.

2.3 砂石资源供需冲突显著

城市建设导致的砂石需求增加和生态环境保护力度加强引起的天然砂石供给缩减同时存在，两者显著的冲突表征为砂石资源价格高攀.根据广州市混凝土行业协会信息网统计数据，广州市建筑用中砂（细度模数为3.0～2.3mm的砂子）价格基本呈上涨趋势，并且在2020年突增至2016年的3.3倍，达268元/m3（图3）.深圳市购进河砂的价格曾在2018年11月涨至342元/m3[44].值得注意的是，砂石价格受供给量、需求量、运输距离、砂石质量等影响波动较大，不同时间段、不同地方和不同质量的砂石价格均存在差异.但总体上，近十年中国砂石价格均存在上涨趋势.砂石资源价格的飞速增长对工程建设构成了重要影响，全国各地政府相关部门纷纷发文，稳定砂石市场价格，避免原材料市场失控[17，45].中国砂石资源的开发利用现状直观地表现为资源的供需矛盾问题，但其背后存在更多有待深入研究的科学问题，例如，砂石生产地与消费地是否存在空间分布差异，以及它们是如何连接起来的等.

3砂石资源开发利用的影响

3.1 理解砂石资源开发利用影响的框架

砂石资源的开发利用易导致多种负面影响，并且这些影响通常是复杂地交织在一起.然而，以往的研究常常只关注某一方面[47]，缺乏采用综合的视角来审视中国砂石资源系统的各种影响.砂石资源的开发利用涉及河湖海天然砂石的开采，机制砂石的开采和加工，及砂石的运输与利用，它们的联系跨越多个时空，关联多个部门.远程耦合框架[48-49]可以被用来理解砂石资源开发利用对多个人地系统的影响.该框架包括发送系统（sendingsystem）、接收系统（receivingsystem）、外溢系统（spilloversystem），系统之间由流（flow）连接[48].它强调了跨越时空的社会经济和环境的互动与反馈，适用于多个人类与自然耦合系统的多时空尺度的全方位研究和解释.

砂石资源的开发利用，包括：①多个人地系统（system） 砂石矿山、河湖海采砂地等发送系统，交通廊道、大气环境等溢出系统，建筑工地等接收系统;②流（flow） 在各个系统之间单向或双向流动的砂石资源、供求信息等;③原因（cause） 驱动至少两个耦合系统通过流产生远程耦合的条件，比如基础设施和房屋修建需求;④影响（effect） 通过流产生的使得一个或多个耦合系统发生的变化，比如河床下沉、其他有害排放等;⑤代理（agent） 政府、企业、团体、个人等利益相关者，促使或者阻碍各个耦合系统之间的流，是单个系统中原因和影响相互作用的中介，如砂石供应商、批复矿山开采许可的政府单位.

某种程度上，砂石资源的开发利用也可能产生新的就业机会，促进砂石接收地的经济繁荣等.然而这种狭隘的关注常常导致对砂石资源开发利用的片面理解，难以意识到某种社会经济发展可能是以生态环境破坏、身体健康损害为代价.因此，需要采用远程耦合框架全面考察砂石资源开发利用对多个系统的正反面影响（图4），本文利用该框架重点在于强调系统的整体性，例如，砂石接收系统的需求变化会驱使砂石发送系统的变化，并进而影响砂石溢出系统.同时，需要指出的是每个系统内部也是复杂的，例如，政府（相关利益者）出于某种原因出台某些政策可能会对砂石开采产生不同影响.

3.2 砂石资源开发利用系统的多重影响

3.2.1砂石接收系统

砂石接收系统通常是在建筑物密集的城市地区，包括城市扩张和需翻新的城中村区域，砂石被用于建筑环境的建造和重建[47].当前，城市化、都市圈建设依然是中国经济发展的重要引擎，砂石资源的需求量将有增无减.家庭规模的减小，人均总建筑面积的增加也增大了人均材料的需求[50-51].砂石接收系统在环境方面容易出现建筑垃圾污染和碳排放增加等问题.但在社会经济方面，却能为城市创造出更多的就业机会，带动城市建筑行业的发展，并且为市民提供更多的功能服务.

虽然地质资源的地理分布（砂石发送系统）决定了特定砂石资源的来源，但是砂石需求量还是取决于砂石接收系统的市场需求，这又通常由社会建设和经济发展的程度所决定.另外，砂石接收系统所接收的资源的质量也受到发送系统的制约和影响.例如，砂石发送系统的资源储量影响着砂石接收系统的资源可利用量，所输出的砂石资源的质量也会影响城市建筑物的质量和居民的身体健康，其中，氯离子超标的海砂易减短建筑物寿命，甚至导致房屋倒塌[52].

3.2.2砂石发送系统

砂石开采会深刻改变砂石发送系统的自然环境.河道、湖泊、入海口和海域天然砂石的开采会影响水深、地貌和浅层沉积物的变化，进而对生物多样性、植被等生态环境产生负面影响.鄱阳湖天然砂石的开采使得湖泊冬季水位降低，从而导致上游的水文梯度和流速增加，这可能加剧长江上游的侵蚀[53].并且水位下降很可能影响湿地生态系统，破坏候鸟的栖息地.洞庭湖活跃的商业采砂活动极大地改变了水深、沉积物成分、水质和底栖动物群落的性质，使得生物量显著减少[23].大规模的河道与入海口采砂，引起珠江河床大幅下切，导致咸水界向上游河段推移[25].天然砂石开采通过减少沉积物等物理因素对海洋生境产生不利影响，从而增大了海洋生物的死亡率，并对生态系统造成损害[26].另外，用于生产机制砂石的砂石类矿山的开采以露天开采为主，开采范围的地表及植被均被破坏，对矿区地形地貌、土地及景观破坏较大[54].矿山开采过程中产生的围岩、矿渣以及废弃矿山的尾矿废石、采坑等通常没有得到及时的治理，对生态环境破坏严重[54].矿山的无证开采和乱采滥挖现象在部分地区较为突出，部分矿山以开采低品位金属矿产为名，大面积开山采石，损毁资源[54].

砂石发送系统对砂石开采地周边的社会经济也常常产生负面影响，尽管某种程度上可能增加周边社区居民的就业机会.砂石类矿山开采过程产生的噪音对周边社区居民的日常生活形成干扰，并且产生的颗粒物和污水等也严重影响居民的身体健康.此外，巨大的市场经济利润和不断增长的需求，催生了非法供应网络，其不仅扰乱砂石骨料市场的正常秩序，并且容易滋生腐败[55]，引发地方冲突.非法采砂对生态环境和社区居民的影响更大，因为其行为通常是无序的，并且常常在半夜进行[56-57].例如，非法无序的大规模海砂开采不仅显著加强了盐水入侵，影响河口沿海地区居民的供水，而且不均匀的开采也增加了海堤的坡度和不稳定性，对附近的居民构成了很大的威胁[26].

3.2.3砂石溢出系统

砂石资源的开采和利用不仅对砂石开采地系统和利用地系统产生影响，也对溢出系统产生大气污染和外来物种传播等环境影响，以及交通拥堵和事故，运输基础设施损坏等社会经济影响.当前，中国70%以上的砂石用量主要依靠公路运输，在京津冀及周边地区、汾渭平原等大气污染防治重点区域，基本全部采用公路运输，这既增加了运输成本，也带来巨大污染排放.为此，国家发布文件强调“各地要研究砂石骨料行业运输结构调整政策措施，推进砂石行业清洁运输”[58].此外，运输砂石的车辆常常因超载和未正确密闭运输，出现“抛洒遗漏”现象，甚至引发交通事故，严重影响高速公路行车安全和污染高速公路行车环境[59].

4中国砂石资源可持续利用对策

根据中国当前的砂石资源开采利用现状及其影响，提出并实施可持续的砂石资源开发利用对策迫在眉睫（图5）.本文结合国家出台的相关政策[15，17]，对相关措施做进一步的深化.由于砂石资源开发利用具有系统性，资源可持续利用对策也是针对系统整体提出的.

首先，需对砂石资源进行资源清查.因为过去砂石资源开采一般是临时性的，很少被纳入国土空间规划，存在散乱的现象.而对砂石资源进行全面地质调查，便于掌握砂石资源的区位、储量和品级信息[60]，具体包括图5所示的6个方面措施.其中，对砂石资源的流量和存量进行量化，这对于确定供应瓶颈和更有效地利用资源至关重要[47].因此，需要建立一个可靠的数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，DMS），能夠实时观察砂石资源的变化，预防和减低其环境、社会方面的负面影响，还可追溯砂石来源，保证建筑质量（图6）.绘制全国砂石生产和消费地图，能够识别砂石资源供需的时空错位，有利于明确和解决“十四五”乃至2035—2050年中国砂石资源的供需问题.此外，编制采砂规划能够对资源进行有序开采，避免市场混乱.

其次，解决砂石资源短缺，应对砂石开发利用产生的环境和社会经济负面影响，需要加强监管制度，具体包括如图5所示的4个方面措施.其中，成立专门的砂石资源管理部门，加强砂石资源高效利用制度建设（包括法律制度的完善）极其重要，其能够针对砂石资源实际情况制定具体的法律法规、加强有效的执法和监督;地方执行机构则能根据各个地区的砂石供需情况，实行政策制度合作等，这将有利于提高砂石的使用和贸易效率，实现负责任的生产和消费，达到优化供应系统和最大限度地减少负面影响的目的.此外，实施标准和最佳使用实践，能够统一全国砂石的质量标准，推进砂石产业的高质量发展.开源节流和供给侧改革则是目前应对砂石紧缺的直接措施.

最后，需要进行跨学科的综合研究，以分析与砂石资源供应有关的挑战以及应对策略的潜力和风险.砂石资源问题是一个系统问题，砂石资源的供应和消费涉及从采掘区到消费区的所有系统的复杂性[6]表明：打破学科界线，整合多学科知识和实践的交叉应用，以解决问题为导向的砂石资源综合研究是当务之急.砂石资源治理涉及地理学、生态学、经济学、法学、工程学、社会学等多学科和跨学科的理论和观点，这些学科的合作可以促进创新，促进砂石资源这一新兴领域的繁荣和发展.同时，科学研究可进一步推动制度的完善，切实保障国家新基建的部署、社会经济可持续发展和生态文明建设.

5结论与讨论

砂石资源是基础设施建设、填海造陆和建筑业的主要原材料，随着中国城市迅猛扩张，砂石资源的需求量和消费量呈增长趋势.从已有数据分析得到的砂石资源开采利用现状为：需求上涨，机制砂石逐渐成为砂石供应的主要组成部分和砂石价格上涨.目前，砂石资源的可用数据仍然缺乏，研究集中于河砂开采的影响，缺乏系统性研究.本文利用远程耦合框架，更为全面地综述了砂石资源开发利用存在的生态和社会经济等多重影响，包括：用砂地的建筑质量无保障;砂石运输过程中的交通事故、大气污染和碳排放;采砂地的生态破坏、偷采盗采和群体冲突等问题.针对中国砂石开采利用现状及其系统的问题，本文提出了促进砂石行业健康有序发展的若干建议，包括对砂石资源进行资源清查、加强监管制度和多学科综合研究，以明确资源储量，确定供应瓶颈，优化供应系统并最大限度地减少负面影响.

砂石资源的生产规模，资源开发利用所引起的环境和社会问题，与公众意识之间存在很大的差异.砂石资源并未引起太多的关注，然而，其贯穿现代城市生活的方方面面，从资源的开采到消费涉及不同人群的日常生活和切身利益.例如，砂石开采给当地带来环境污染、噪声污染;矿山砂石加工行业对工人的健康可能存在威胁;利益相关者在砂石资源的经济利益和社会利益分配上存在不公正现象等.这些议题急需进一步深入研究，以揭示砂石资源开发利用对自然和人的更多影响.