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  发布时间:2010/11/29 15:08:41  所属期数:2010.2    被阅览数:5864次  
 

 
 
Feasibility Study on Ensuring Technology of Sustainable Development
文/ 郭久亦 美国国际政策研究中心前高级研究员

翻译/ 刁周玮、石磊 清华大学环境科学与工程系

简介

  未来学家倾向于从政治、社会和经济角度来描述未来。由于人类社会发展的无限可能性和不可预知性,我们可以比较容易地想象出许多未来场景,尤其是那些乐观的场景。尽管乐观主义不失为一种好的选择,但我们却从来都离不开现实。

  本文将给出一个现实主义者的观点。首先,我们将详细描述维持生态系统所可能用到的各种技术。我们相信,只有通过描述这些科技上的细节,我们才能判定这些技术是否有成功的机会或是还仅仅属于天方夜谭。我们应该集中关注的就是技术的实用性。在应用一种技术前,我们应该提出并回答下面三个问题:时间是否足够?资金是否充足?技术限制何在?

  首先,时光短暂。我们所处的生态系统早已经大大过载。我们不能再花费10到20年的时间来等待一项技术的成熟。当生态系统已无法拯救时,技术又有何用?

  其次,技术在进入市场之前,政府必须在研发阶段就投入大量的资金。我们将在后文中看到,无论在能源、食物、水或是其它应对领域,技术都是昂贵的,有些时候会超越预算和资源极限。所以,当我们甚至还没有足够的资金来重建医保系统时,又从哪里去寻找成千上万亿的资金来开发技术?

  最后,这些技术的极限何在?例如,将大量携带藻类的海水泵送到干涸的沙漠来发展农业现实吗?再如,在孟加拉等国的沼泽地来发展农业是现实的吗?

  笔者将从地球的现状开始说起。现在最困扰世界的问题是,我们并没有以一种可持续的方式生活。随着人口增加和经济增长,我们对于地球上自然资源如能源、食物、水资源和其他生活基础物质的需求也在增长。这种过度需求的证据无处不在:废弃的渔场、锐减的森林、扩张的沙漠、逐年升高的二氧化碳排放量、受腐蚀的土壤、逐渐升高的气温、地下水位下降、冰川融化、草原退化、海平面升高、河流干涸。事实上,所有这些环境变化趋势都会影响世界的基本供给,逐渐接近我们能从这个星球得到的极限。

  本文将分别介绍一些可以取代现存那些破坏自然技术的替代技术。只要有足够的时间和资金,这些方法原则上都是可以实现的。我们将对这些技术进行详细描述,尤其将衡量各种技术走向市场所需要的时间以及所需要的全部成本。

  不幸的是,有些生态系统已经遭到破坏且无法挽回,例如酸化的海洋、被砍伐的森林、冰川融化后的格陵兰岛和高原等。对此,我们需要集中解决两个棘手问题——人口和气候变化。如果我们不深入分析这两个问题的技术或社会含义,我们就无法解决它们,从而也就无从拯救整个地球。

  绝大多数未来主义者通常描述2050年的情景,有的甚至还预言世纪末情景。我相信,我们最基本的生态系统、能源、食物、水资源的危机状况使我们已经等不到那个时候了。当前,食物和水资源的全球性短缺已经出现。到2030年,地球上人口总数将从现在的67亿增长到83亿,在这样的情况下,预测2030年的情景就需要考虑人口压力以及相关的气候变化问题。无视这些问题将是自掘坟墓。

处于气候转折点的星球

  世界上最杰出的气候学家之一詹姆斯·汉森博士于2008年6月23日向美国国会提出了一份宣言。他在宣言中声明,世界已经危险地接近一个临界点。由于全球气候螺旋对天气系统的放大性的反馈,全球变暖已经达到了某个界点,这导致一种剧烈变化,而且其变化之大以致人类采取任何控制行动都已为时过晚,并已经影响了数百万人。


  北极海洋冰川是很好的例子。全球变暖引发了海洋冰川的消融,深色海水的暴露又吸收了更多的阳光,使更多的冰川融化。结果是,即使没有更多的温室气体,夏季的北冰洋依然几乎没有冰山。除此,还有很多剧变的预兆。西南极洲和格陵兰岛的冰原都容易受到哪怕是很小的额外变暖的影响。这些2英里(约3.2公里)厚的冰块反应速度很慢,但一旦解体过程开始,将不可阻挡。从我们将在未来排放二氧化碳的量看,汉森估计,如果不采取措施改变目前二氧化碳的排放现状,海平面将在本世纪内上升1米。

  气候学家认为,大气中二氧化碳的安全水平是不超过350ppm(百万分之一,二氧化碳在大气中的体积浓度)。令人担心的是,二氧化碳浓度目前已经达到385 ppm并仍以每年约2ppm的速度上升,而且其在1900年工业化前的水平时只有270ppm。这些结论是基于地质气候数据,这些数据显示了地球在过去以及现在对二氧化碳的反应状况。持续增加的温室气体排放的影响远不止在将来导致物种灭绝和海平面上升这两个问题。

  我们所知道的是,热带已经向两极移动了170英里(约273.6公里),将美国南部、地中海地区、澳大利亚以及非洲南部都转变为了干燥的亚热带气候。在过去的六年间,澳大利亚一直都有干旱发生,尤其南部面临着干旱的危险。气候变暖同时也导致水循环走向极端,一方面更严重的干旱和森林火灾不断发生,另一方面暴雨和洪水也变得更加猛烈。热带气候的扩张极有可能会影响数百万人的生活。

  高山冰川是数百万人的淡水来源。在世界范围内这些冰川已经缩减许多,包括喜马拉雅山脉、安第斯山脉以及洛基山脉。如果二氧化碳排放的增长不能得到缓解,这些冰川最终将消失,其形成的河流在夏末秋初也将枯竭。

  珊瑚礁被誉为海洋中的热带雨林,它们也是海洋中1/3物种的栖息地。海洋变暖更重要的是由于吸收二氧化碳导致的海洋酸化,这些都使珊瑚礁处在危险之中。海洋中那些依赖碳酸盐贝壳和骨骼所生长的生物,都由于海洋酸度增加而受到威胁。

  以上现象,包括北冰洋的不稳定以及冰川的溶解,都警示我们,在这条道路上人类已经走的太远。为了防止这种危险最终导致数以万计人生活无法继续的临界点的到来,我们不能再以此速度向大气中继续释放二氧化碳,而应努力植树造林、采取更好的农业方式并且放弃使用化石燃料。

能源——电力生产

  尽管我们很清楚应该停止使用化石燃料,但目前现实的经济问题是,我们依然依靠化石燃料提供绝大部分的能源基础。能源基础即为每天24小时生产电能的各个供电站,之后全国高压输电线网将这些电力输送给全国各地。由于现有电站大多通过烧煤或油供电,我们完全不能防止大量的温室气体排放,而其中尤以二氧化碳为主,因为每产1000度电,燃煤会产生一吨二氧化碳。另外,燃煤也会释放汞、二氧化硫以及其他的污染物质。


  煤炭 根据国际能源机构(IEA)的报告,2030年全球电力需求将达到2.3141万亿千瓦时,但通过燃煤方式产生的电能比例将从2006年的41%上升到44%。在这样的情况下,使二氧化碳排放量降低是不可能实现的。

  但是对于政府来说,很难利用其他的可再生能源如风能、太阳能、水电、生物质能以及核能来替代煤炭。他们的论点是,以使用“清洁煤炭”的方式来继续使用煤炭。那么何为“清洁煤炭”?

清洁煤炭——二氧化碳捕捉及封存(CSS)

  2005年全球共排放二氧化碳266亿吨。CSS可以将从发电站燃烧烟囱中释放的二氧化碳收集、液化、运输并将其通过直径不超过9英寸(相当于22.86厘米)的管道释放到地下几千英尺(1英尺约0.3048米)的合适地层中。在这里,二氧化碳很有希望能够保存超过100年。为了达到预计2050年的捕捉量570亿吨,需要建设3.2万根年输送能力为100-500万吨的管道。与此相比,2005年全球原油采出量仅为40亿吨。

  在政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2007年发布的关于CCS的报告中总结道,由于技术复杂且成本较高,CCS于2050年前在美国是不可能实现的,并且由于CCS实施需要比未实施多使用10%~44%的电能,除了技术复杂,电力成本也使得发展中国家不太可能采用这种方式。

  目前清洁煤炭被吹捧成了解决燃煤电厂二氧化碳排放问题的正确办法。但是潮流在变,许多以前鼓吹清洁煤炭的人现在也开始认识到,每年产生的二氧化碳量大到无法全部存储在地下,另外,昂贵的技术价格也使得在全世界推广这种方法的想法是不现实的。

  其他的燃料来源 寻求其他可再生能源如风能、太阳能、生物质能、水电以及潮汐能等是很正常的。风能很有可能成为占主导地位的能源,因为在目前看来,太阳能板的价格还是相对较高。可再生能源的好处是两方面的,首先这些能源是“免费”的,其次使用这些能源也不排放二氧化碳。

风能和太阳能

  我们正在目睹迅速的能源变革:欧盟计划在2020年将可再生能源在总能源消费中所占的比例从2007年的8%提高到20%。在2008年,欧盟风能发电量已经达到60GW(1GW即十亿瓦特),并且仍然以极快的速度增长着。

  太阳能光伏发电目前仍处在紧张的研究阶段,以期获得更高的能量转换效率以及更低的生产成本。假设在2020年研究成功,太阳能的贡献到2030年之后可能会更大。扩展现有技术——在碲化镉所制的薄膜上进行光电转换——其长期展望是乐观的,预计2050年美国电力需求的69%都将由太阳能供应。但是现在看来,直到2020年也仅有2050年预计目标的2.5%能够得到实施,并且到时还需要将能量转换效率从现有的10%提高到14%,也需要将建设成本从目前的4000美元/kW降低到1200美元/kW以下。所以尽管预期很乐观,但在2030年前,可再生能源所占的比例仍不会很高。

  除欧盟外,奥巴马政府对于新能源发展规划很有雄心,计划将新能源比例提高到2012年的10%,然后再提高到2025年的25%。这些目标能否实现还需拭目以待。展望未来10年,可以预见的是可再生能源只能满足10%到20%的能源需求,而剩余部分的需求仍然需要来自于化石燃料的基础负荷。

  在风能和电能产生之后还存在一个问题:美国前总统阿尔·戈尔所提到的能够将这些通过例如中西部安装的风轮机和西南地区建造的热电厂所产生的电能,经过长距离运输到人口密集地区的智能电网何时能够实现?仅仅是考虑到加州在2020年所要求达到的33%的新能源比例,就会需要极大的资金投入——将需要157亿美元投资于新型传输线。既然要利用更多的可再生能源,加州就和全美一样面临着这个问题。例如,在美国东部,将风电并入国家电网的传输线建设就将花费800亿美元。

  对于风能和太阳能利用存在的一个重要问题是,风并不是持续性的,而太阳也并不是持续照耀,因此在间歇期能量的储备就格外重要。这就是为什么更多的时候,我们选择继续使用煤炭作为基础。

  核能 为什么核能如此重要?目前这个问题的答案已经明了:如果“清洁煤炭”不是一个可行的选择,那么只有核能能够取代化石燃料作为能源基础。因为它不仅不产生二氧化碳,同时可以24小时不间断供电。没有基础能源,这些可再生能源无法接入接纳全部电力来源的智能电网,这些来源包括偏远地区的风电场、太阳能电厂以及发电厂所产生的电能。

  因此,世界现在面临一个两难困境:继续利用煤炭作为基础能源,还是利用核能作为基础能源?最有可能的是,煤炭将逐渐被核能取代。自从我们意识到即将到来的油气短缺以及在化石燃料燃烧过程中释放的二氧化碳的众多负面影响之后,核反应就重新得到重视。核反应目前与其他燃料相比,竞争力较强。目前,中国核电产能达到了9吉瓦,占全国产量的2.7%,并且中国政府还宣布到2020年核电产能将达到70吉瓦、到2050年达到400吉瓦。英国政府最近宣布将新建10座核电站,其中首座将在2018年投入运行,并且在2025年核能供电将占到新能源供电总量的40%。法国和日本都已建设正规的核工业。法国电力的80%来自核电,并且60年来没有发生过严重事故。目前,每年全球核工业总值大约为450亿美元,但在15年后,预计可以增长到750亿美元。

美国目前的电力组成如下:

 

能源种类

比例

煤炭

31%

核能

9.6%

天然气

41%

水电

7%

可再生能源

2.3%

其它

9.1%

  可见,目前核反应堆已经在美国的电力供应中占到了9.6%。假设核反应堆的资本成本为每1000MW20亿美元,并且煤炭现存的发电能力为3350亿瓦左右。在美国用核电替代所有这些煤炭发电厂将需要约6800亿美元的投资。考虑建设期限,如果使用预制结构,可以将建设时间从10年降至5年。

维持未来运输系统的新技术

  国际能源机构首席经济学家Fatih Birol博士近期研究表示,世界即将面临极大的能源灾难——能源供应短缺将影响经济复苏过程,因为全球的主要油田都已经超过了他们的产量峰值。

  什么是石油峰值?即开采石油的速度达到最高点时的状态,由于技术和地理限制,全球石油产量将从此持续下降。许多国家的政府都认为,石油峰值到21世纪都不会发生,并且至少要等到2030年以后。但是,目前最具冲击性的新闻是,国际能源机构认为我们将在2010年后开始更早地面临石油短缺,因为需求可能会超过逐渐减少的供给。事实上,全球生产高峰可能在10年内发生,至少比大多数国家政府估计的时间要提前10年。

  关于世界上3/4储量的800多个油气田的第一次详细评估显示,大多数最大的油田已经达到峰值,石油产量递减速率是2年前计算的近乎两倍。由于石油生产国长期投资不足,未来5年内很有可能产生石油危机,这将危及到全球经济的复苏。

  需求到底超过了供应多少呢?就算需求保持不变,世界也需要4个沙特阿拉伯来保证供给,需要6个沙特阿拉伯才能保证从现在到2030年间预计的需求增加。这对于地理、投资和地缘政治都是极大的挑战。事实上,国际能源机构的结论认为,全球能源系统目前正处于十字路口,而石油供给量“显然不可持续”。

  很显然,当需求增加时少数几个石油生产国的市场力量将增强,因为对于这些已经存在的油田,很少有能取而代之的新的供应渠道。这就表明,如许多石油专家所预测的,石油价格将很快急剧上升。

  对此没有好的解决办法。有人试图从加拿大Alberta地区的沥青砂中提取石油,但这种方法不仅需要大量的电力、水资源和资本投入,并且会破坏环境。

  目前,交通运输部门所排放的二氧化碳大约占排放总量的20%~25%。由于石油目前正在逼近峰值,一些人认为新一代的发动机能解决即将到来的能源危机。在某种程度上新型汽车的确可以减少对汽油的需求,但这却不是根本的解决办法。事实上,市场上目前已经有电动车和混合动力车存在。

  电动车 随着城市化进程的加快,电动车在城市内短距离行驶显得十分合适。电动车由大型锂电池和电动机带动,其优点是不排放二氧化碳,因此不造成污染。从这个角度来说,电动车是环境友好的,此外,它比燃烧汽油的汽车噪声更小。电动车电池可以行驶100英里(约161公里)左右,之后就需要在充电站充电。

  必须清楚的是,虽然电动车的能量来自电能,但电能是通过电网获得的,电网却需要有必须的能源基础,可再生能源只能补充到电网中。电网仍然需要保持24小时供电,除非核能彻底取代了化石燃料作为能源基础,否则电动车从根本上来说还不是环境友好的。

  混合动力车 混合动力车结合了电动车和汽车的特点,希望得到二者的最佳性能。汽油发动机加速阶段需要100-200马力。在混合动力车内采用电动机进行加速,因此汽油发动机可以很小,只需要10-20马力,并且设计为仅有一个速度就可获得最大效率。

  混合动力车加速时采用电动机,用恒定速度进行巡航时采用汽油发动机。当车减速或者静止时,发电机持续运转,电池充电。这类混合动力车本质上是可以行驶更长距离的电动车。

  10马力的发动机代替100马力的电动机可因此获得更高的里程数。而能够节约多少汽油取决于这种车能够在城市或者郊区行驶多长距离。尽管这个系统效率更高,但它依然需要依赖汽油,电力也依然是由化石燃料产生并通过电网获得。但目前,还存在利用二代生物燃料如纤维质的材料生产液体燃料的可能性。

  生物柴油替代汽油 新技术已经能够从玉米中提取乙醇,但更值得期待的是从纤维素物质中提取生物柴油,这种方法不仅原料丰富,同时经济上更加便宜。

  技术改革需要市场推动,即有需求才有技术创新。但是在新技术诞生之后,直接投入生产是不明智的,需要更严谨地分析该技术是否能够在市场中存活,以及市场中可能存在的基本矛盾。例如,市场可能发生变动,新技术的产生导致刚刚起步的生产停滞,投入的资金也无法挽回。

  这方面一个很好的例子是过去几年中对第一代生物柴油的迅速利用,也就是全球利用美国玉米、大豆以及巴西甘蔗生产乙醇的迅猛过程。很可惜,这个过程给世界带来了一些危害。可以理解这一切是怎么发生的:油价飙升,生产乙醇可能提供一种更便宜的燃料;布什政府希望停止依靠海外石油,因此政府给与农民更多的补助去从玉米中提取乙醇。在这之前,美国已经有180座炼油厂进行玉米加工为乙醇燃料,美国30%的玉米产量已经用于生产乙醇。但就算美国全部的玉米产量都被转换为乙醇燃料,也只能供给美国交通需求的20%。

  采用食物原料是极大的错误:美国的玉米和大豆甚至巴西的甘蔗被用于生产交通用燃料乙醇,这一做法将国际能源市场和食品市场紧紧联系在了一起。结果是,国际市场上谷物价格自2006年中期至2008年中期上涨了3倍,导致了进口美国玉米的国家如墨西哥、中国、印度和一些非洲国家内贫民的饥荒。巴西通过利用甘蔗生产乙醇已经脱离了对海外石油的依赖,这是非常值得称赞的。但这同样需要很大的代价:亚马孙森林被砍伐,获得的土地被用于种植甘蔗。从环境角度来讲,这是非常令人不快的。

  很显然我们不能继续利用粮食产油,因为在当前人口快速增长情况下,世界粮食需求本身甚至都无法得到满足。逻辑上我们应该抛弃使用第一代生物柴油的做法。相应的我们可以采用具有多种来源的液体状的第二代纤维素材质的生物柴油。其来源主要是不可食用的植物部分:如农业残余物如木材、锯屑、玉米秆和稻秆等。因此目前出现了一些所谓的“能源作物”,如能够快速增长的草类如柳枝稷等。从这些纤维素质中提取的油类,一般被称为“草油”。

  二代生物柴油的优点是原料价格较低,相当于每桶石油10-40美元,并且来源充足,不依靠海外供给。最重要的是,它与粮食生产无关。绝大多数这类的纤维素物质都可从植物废料中获得,这类能源作物可以被种植在无法作为农田的边缘地带。

  在美国,每年可以获得大约13亿吨(干重)的纤维素生物质,并且与食物链无关。从全球来说,纤维素生物质所含内能大概相当于每年340到1600亿桶原油,远远超过了世界目前300亿桶原油的消耗量。但问题是,虽然发酵玉米粒是相对容易的,但降解坚韧的纤维素秆却是很困难的。纤维素在植物内用于支撑植物的竖直生长,因此其刚性很强,且非常难以降解。纤维素是由葡萄糖分子连结而成的,要将其中所蕴含的化学能释放出来,需要将分子间的化学键打开。目前,科学家正在研究打开化学键的多种方法。从根本上来说,采用的都是利用热量、酸或碱将固态生物质降解为小分子,这种方法在经济上也能够和石油相抗衡。

  AFEX法将纤维素在100摄氏度及高压下与较高浓度的氨水煮沸进行处理。酶可将纤维素转化为糖类,之后转化为乙醇。AFEX法降低成本的潜力很大: 处理每相当于1加仑(相当于3.785升)的汽油需要1美元,而之后出售价格可以提到2美元。

  技术正在以极快的速度发展着。2009年 美国政府提出了刺激性方针:为生物质项目提供8亿美元的资金,并为“前沿生物柴油计划”保证60亿美元的贷款。一系列的示范厂已经在建设中,第一个商业性的生物精炼项目也将在2011年10月开始动工建设。但是总体来说,这项技术还需要5-15年才能进入市场。

粮食安全

  最近的争论大多集中在石油短缺和能源安全方面。尽管能源对我们来说的确很重要,但目前却有更重要的会给我们带来更大影响的事件需要关注,这就是未来世界的粮食供应问题。我们的生活中可以没有石油,但决不能没有水和粮食。

  两个因素会给粮食供给带来极大影响——水和温度。关于水,我们所关心的是正在融化的冰川和地下水的过度开采;关于温度,我们关心的是全球的气候变暖——自1970年以来,年平均气温已经上升了0.7摄氏度。

  人一天需要使用15升水,但是每天所食用的粮食需要7560升水来生产,是生活用水量的500倍。农业是经济中水资源供应最紧张的部分,从地下泵上来的或者从河流中引出的水有70%都用于农业灌溉,20%用于工业,另10%用于居民使用。

  目前,世界农业灌溉水供给已经面临紧缩。喜马拉雅山脉上的冰川正在快速消融,甘戈里冰川提供了恒河70%的水源,如果它在干季消失,那么恒河将变为季节性河流。中国青藏高原上的冰川目前也正在加速消融,保守估计在2060年将有2/3消失。这也会导致抚育1.47亿人的黄河和3.68亿人的长江变成季节性河流。

  虽然无法亲眼看到中国北部和印度等地地下水资源的快速消耗甚至枯竭,但这的确是非常严重的问题。在人口占到世界总人口一半的几个国家内,地下水位已经明显降低。加上到本世纪中叶将会增加的30亿人口,不难预见届时将会有大规模的饥荒发生。

  小麦、水稻和玉米这三种在世界粮食供给中占主导地位的谷物中,水稻是需水量最大的,并且在中国,从1998年到2004年,水稻产量已经剧减了5000万吨。如果水资源和耕地继续短缺,很难想象水稻产量能够有所增加 。

  过度放牧已经将大片的草原变成了沙漠。另一方面,巴西有较大的潜力通过开拓亚马孙热带雨林来发展其农业,但这将造成负面的环境影响。

  我们逐渐意识到,由于我们还在不停地建造新的化石燃料发电厂,我们也在排放大量的二氧化碳进入大气,不断造成地球温度的升高。但是我们通常仅限于思考到这一层面,而由于地球温度升高所带来的严重后果,我们很少考虑。

  除了水之外,对农业第二重要的因素是温度。作物生态学家发现,在生长季节气温上升1℃,谷物的产量会减少10%。在过去的五个最热的年间,有记录显示,温度和干旱导致了2002年美国和印度的粮食减产。2003年,欧洲谷物产量减少了3000万吨,这相当于美国小麦产量的一半。

  世界正在意识到全球谷物产量在过去几年中已经无法满足消耗,这造成了谷物存量接近历史最低值,也提高了谷物价格。总之,世界粮食与水资源供给和温度休戚相关。为保证在未来能够为全球人口提供足够的粮食,我们必须立即阻止水资源的枯竭以及由二氧化碳排放导致的全球变暖,并稳定世界人口数量。

  过去的20世纪里,全球的饥饿人口数量一直在下降,到90年代达到最低点8.25亿。然而,其后饥饿人口数量不降反升,2005年达到8.7亿,预计2009年这一数字超过10亿。

水资源安全

  水资源安全已经成为了世界需要面临的第二大问题。随着全球变暖导致了过去几年中气温不断升高,水资源短缺也日益恶化。

  水资源短缺的问题始终存在。中国拥有世界20%的人口,但仅拥有世界7%的水资源,这个国家常年与干旱斗争。地方性干旱同时也对美国西南和中东地区产生了影响。赤道地区面积扩大,造成亚热带地区更加干旱,澳大利亚南部更干燥,这不仅影响其农业,也同样影响了其饮用水资源。

  由联合国24个组织共同发表的报告声明,人类正面临“水资源破产”,而全球人口将在20年内受到水资源短缺的影响,数百万人将因此丧生,并由此导致冲突增加和更多资源的枯竭。另一份世界经济论坛发表的报告声明,我们正生活在一个不可持续的脆弱的水资源“泡沫”中。我们正处在破产的边缘,而且没有途径偿还所欠的债务。

  全球变暖在过去的几年中造成了温度的升高,而水资源短缺的情况则比这更严重。预计世界上有1/5的人口没有安全的饮用水来源,并且这个比例还将随着人口数量的增加而提高。目前已经有超过10亿人面临水资源短缺问题,30个国家从境外获得1 / 3以上的水资源。联合国教科文组织的报告预计,由于水资源而引发的冲突将可能在中东、海地、斯里兰卡、哥伦比亚和其他一些国家发生,气候变化将有可能增加国家和国际安全威胁发生的可能性。这明显将引起争论和国际间的不稳定,并将导致未来的“水战争”。

  2009年10月在阿根廷刚刚召开的联合国反荒漠化大会上,执行秘书吕克尼·亚卡贾指出:“目前,已经有40%的土地遭遇干旱威胁。如果没有相应的减缓措施,到2025年全球将有2/3的土地遭受荒漠化影响。与1990年比较,荒漠化率已经提升了15%~25%。”巴基斯坦、中国和非洲撒哈拉地区的荒漠化最为严重。

维持粮食和水资源的技术

  海水灌溉农业 NASA的科学家们正在研究藻类和细菌这两种21世纪最重要的生物质能技术。这种技术首先将海水泵入盐沼或者沿海的沙漠地区,然后在其上种植一些盐碱植物——也就是一些能够在盐水中生长的藻类。


  藻类作为石油的替代物是非常现实的,它使用起来非常便宜,来源广泛,并且具有极大的降低全球二氧化碳排放的潜力。与玉米和糖类乙醇不同,盐碱藻类与传统的粮食作物生长不发生拮抗,并且能够将盐水净化为纯净的饮用水。

  人们正在试图将太平洋沿岸南美地区的荒地转化为藻类塘。沿海地区有很多沙漠,这些没有开发的地区可以被用来培养藻类。用海水灌溉沙漠梯田不会很昂贵,太阳能驱动的水泵可以用来把海水或者地下水泵到沙漠中。这种方法可以将西澳大利亚、中东、东非等地荒废的干旱地区转变为可耕种地区。但是,需要考虑到的是,这种对于海水大规模的转移需要很多的资金。

  研究藻类的一个重要原因是它可能直接替代石油并且在生产上是易于实现的。精炼藻类的过程与精炼石油相比更简单,且成本更低。藻类是油脂类植物,含30%~60%的油,只需要简单的压榨便可得到燃料。

  生物质能甚至可以用作为航天能源。煤油在高纬度会凝固的特性导致其在航天飞机中由于粘滞性改变而不能正常流动,并且能量密度降低,不适合航天的要求。NASA测试表明,藻类可以替代航天燃料,因此全球可能发生从石油到藻类的转变。而这种转变不需要太昂贵的基础设施。

  合理种植盐碱植物同时也可以缓解全球粮食和水资源的短缺问题。目前全球68%的淡水用于传统农业灌溉,而技术革新后这部分水资源可以供给缺水的人们,而不再应用于灌溉淡水依赖作物。目前已发现1万多种自然存在的盐碱藻类,其中有250种可以作为稳定的粮食作物 。一亩地培养藻类可获得的能量要远高于种植乙醇作物所获得的能量,并且藻类可以用于生产塑料或者动物饲料。最重要的是,藻类是能源的丰富来源,且不释放二氧化碳。

  当前,对于盐碱植物的研究还处在早期阶段,预计其进入市场还需要10-20年。将海水提升到沙漠地带的成本目前还无法估计。

  垂直农业 我们知道,食物和水都存在着全球性的危机。我们的文明正在受到沙漠扩张和海平面上升的挤压,可供养68亿人口的土地越来越少。目前,可供粮食和牲畜生长的土地面积大致相当于南美洲的大小。到2050年,为供养所预测的90亿人口,我们还将需要相当于巴西国土面积的额外土地。砍伐森林显然不是解决之道,因为森林是“地球之肺”。

  上世纪80年代以来,人们已经认识到,耕作农业已经超出了土地的承载能力。化肥和农药破坏了生态系统自我维持所需要的营养元素循环。为此,我们必须找到一种可持续的农作方式。随着城市化的发展,我们正在建设越来越多的高楼大厦。这些高楼的墙壁是由玻璃构成,热量通过玻璃墙壁进行交换以调节空气。

  在这么一片小的土地上能源是如此浪费!原则上,我们可以利用这些三维空间。哥伦比亚大学的Despommier在“科学美国人”杂志2009年11月刊上建议,可以以垂直堆叠方式建造高层园艺温室。发展室内农业有以下诸多优点。

  * 食物主要是在城市地区消费,因此节省了运输所需的化石燃料;

  * 与户外农业比较,室内农业可以自由选择所需的位置、温度、湿度和土壤成分;

  * 没有土壤径流。事实上,水可以来自于城市的自身循环,例如人类排泄物;

  * 户外生长的作物要经受干旱、洪水、虫害等恶劣气候条件和不可预测的作物歉收状况。径流不仅造成大量的水土流失,而且还会导致海洋死区;

  * 可以避免沙门氏菌、霍乱等传染。

  事实上,温室农业已经较为普遍,目前主要有三类技术。(1)悬空栽培。这种栽培方法是将植物的根茎悬吊在充满水蒸气和养分的空间中。这就避免了土壤的利用,水的消耗也降低到户外所需的90%。适宜栽培的作物包括土豆和胡萝卜等;(2)水法栽培。植物的根茎浸在富含营养元素的水中。这种技术同样也不需要土壤,水的消耗也同样降低到户外栽培的90%。现在的温室栽培基本都是基于这个原理。一个例子是美国亚利桑那州的Eurofresh农场,它长年生产大量的西红柿、黄瓜、辣椒,还生产菠菜和浆果等市场所需品;(3)滴灌。将植物栽培在轻的、可以重复利用的惰性材料中,在根部利用滴管来输送水分和养分。这样可以大大用水量,适宜的作物有小麦和玉米等。

  这些方法最为重要的意义在于可以向垂直方向拓展,其产量最大可以高达平地农业的480倍【480 = 4(生长季节)×2(每个楼层的两面)× 2(双倍的栽培密度)× 30(楼层)】。

  最后,为减缓气候变化,让那些土地自由生长为天然草地或林地,以自然的方式来吸收二氧化碳。这样的例子比比皆是。例如,韩国与朝鲜之间的非军事区在停止耕作56年后已经成为动物和植物的自然天堂。虽然世界范围内,如来自于纽约、洛杉矶、巴黎、迪拜、阿布扎比、上海和北京的许多规划者对此深有兴趣,但到目前为止还没有原型研究和开发的农场,以回答能源和水需求的基本问题。鉴于全球性食品和水资源短缺,现在是时候来启动这些惊人的技术。它们很可能给予我们非常高的回报。

  净化海水为可饮用水或农业用水 由于饮用水短缺,全球已经建设了多座海水淡化设施。目前有两种不同的淡化技术。

反渗透技术(RO)

  在反渗透技术中,海水高压通过人工膜,水分子透过膜而将盐离子残留在膜外,形成淡水。这种方法电耗较大,生产1吨淡水大约需要3-5度电。也就是说,一座日产1.2万吨的淡水厂将耗用4兆瓦的电力。

多效蒸发技术(MED)和多级闪蒸技术 (MSF)

  利用蒸汽或者电厂废热进行蒸馏。这种简单的蒸馏过程需要70-130摄氏度的热量,同时每生产一吨淡水将耗用25-200度电。目前,最新的技术仅仅耗用10度电,与反渗透技术比较已经具有相当的竞争力 。

世界人口爆炸

 

十亿

2009

6.8

2012

7.0

2020

7.7

2030

8.3

2040

8.8

2050

9.1

  人类必须认识到,许多物理、生物、生态方面的限制导致地球可持续承载能力有限,有些专家估计地球只能承载大约20-30亿的人口。更多的人口意味着更多的对食物、水、能源、教育、医疗服务、工作、住宅甚至清洁空气的需求。这些会进一步导致气候变化。因此,世界人口与气候变化是密切相关的。为了减缓气候变化,控制人口是一个显著的解决之道。那么,我们为什么还对此犹豫?原因是,我们该如何减少世界人口。

以下是一些发展中国家的人口增长情况:

人口总数(百万人为单位)

国家

2000

2005

2010

2015

中国

1266

1312

1354

1396

印度

1042

1130

1214

1294

印度尼西亚

205

219

232

254

巴基斯坦

148

165

185

206

孟加拉

140

153

164

175

尼日利亚

125

141

158

176

墨西哥

100

105

111

115

埃及

71

78

85

99

刚果

51

59

68

78

*  括号内的数字为每年增长的人口数量(百万人为单位)

国家

年均增长率%

(2000-2005)

年均增长率%

(2005-2010)

年均增长率%

(2010-2015)

中国

0.72

0.63

0.61

 

(9.2)

(8.4)

(8.4)

印度

1.62

1.43

1.28

 

(17.6)

(16.8)

(16.0)

印度尼西亚

1.32

1.15

1.83

巴基斯坦

2.17

2.29

2.15

孟加拉

1.77

1.39

1.30

尼日利亚

2.42

2.33

2.11

墨西哥

1.08

1.04

0.87

埃及

1.87

1.83

3.08

刚果

2.99

2.78

2.64

  中国

  由于其独特的历史,中国可以强制采用计划生育政策——这是值得其他国家借鉴的。通过这种方法,中国在所有发展中国家中保持了最低的出生率。同时,过去30年的快速经济增长仍使得人口增长减缓。

  印度

  过去5年,印度经济蓬勃发展,中产阶级人口增加了3亿。这也使得人口增长率显著下降。然而,其人口增长率仍然是世界第一,超过中国2个百分点。

  巴西和墨西哥

  由于经济的持续发展,其人口增长率正在降低。

  埃及、巴基斯坦、尼日利亚

  这些人口大国其年人口增长率超过了2%,人口压力巨大。

  18世纪经济学家马尔萨斯(Thomas Malthus)的“人口论”在今天仍然是全球适用的。马尔萨斯观察到人口总是持续增长,直到出现粮食短缺、水短缺、疾病或其他生存资源缺乏为止。另外,人口也会由于战争而减少。马尔萨斯的支持者声称:一个国家的人口数量会受到自然的限制,但是,现在发展中国家的人口依然在增加,仍没有显示出任何人口统计学上的限制。

  目前全球人口每年增加8000万,其中绝大多数来自非洲、中东和印度半岛,在这些地方人类生存所依赖的生态系统已经遭到了人口压力的严重威胁,例如伊拉克、苏丹、索马里、乍得、阿富汗、刚果和海地。粮食和水愈发稀缺,这将造成当地人口向其他相邻地区的扩散,如同癌细胞在体内扩散一样。最终,这些资源的缺乏将导致战争的发生。美国国防部已经意识到了这种境况将会带来的挑战,尤其是由于气候变化而给政府带来的可能的颠覆、恐怖主义、有组织的犯罪等,都将造成本地犯罪率上升。美国已经准备对其它国家进行粮食和军事干涉,但我们所能做的仍然有限。

  举例而言,水资源利用的增长比人口增长更快。20世纪,人口增长了4倍,而淡水利用量却增长了9倍多。目前,有28亿人口生活在水资源紧张的地区。这个数字预计到2030年将会上升到37亿。届时,水资源紧缺将导致世界粮食减产50%,那到时全球83亿人口的粮食从何而来?

  目前,全球人口的80%生活在贫困线以下。在将来的20年间,人口压力将导致争夺粮食和水资源的地区战争,这也会导致巨大的人口变动。

  那么,我们怎样来控制我们的人口?有决心的政府可以通过采用类似于中国计划生育那样的政策来控制人口增长,但在一个“民主”国家或政府作用缺失的国家,这种方法是不可行的。

减少世界人口的新技术

  中国计划生育国家研究所的研究人员宣称,他们已经接近研制出一种有效的男性避孕注射方法。在2009年6月发表于《临床内分泌学和代谢》杂志上的一篇文章“中国男性十一酸睾酮注射试验的多中心避孕效果”中,该机构连同其它九家研究机构的研究人员报道了一种男性避孕方法,该方法有效、可逆并且没有严重的短期副作用。

  这篇文章还处于正式出版前的电子出版阶段,但已经引起了媒体的高度关注。国家计划生育研究中心的研究人员在两年间持续给1000名健康的有生育能力的男性注射了睾丸激素类药物,最终只有1%的男性生育了后代。

  这个试验是迄今为止所开展的最为有效的睾丸激素类男性避孕药物试验。每位男性接受了500mg来自于茶籽油的睾丸激素。注射导致了卵泡刺激素(FSH)和黄体素(LU)这两种大脑化学物质的减少,并进一步扰乱了精子的产生。科学家没有发现常规的副作用,并且整个过程是可逆的。没有任何一种避孕方法能够达到100%有效,而这种注射方法的效率几乎与女性避孕药的效率相同。

  世界卫生组织高度关注男性避孕药的进展。他们希望将此用于发展中国家来达到计划生育和控制人口的效果。

气候变化

  气候变化现象 人们可以不相信气候学家所说的他们对于未来气候的预测,但我们不能忽视的是目前在地球上已经发生的这些变化。以下将概括描述地球上已经发生的主要变化。

  过度使用化石燃料使大气中二氧化碳浓度从工业化之前1900年的270ppm上升到389ppm。而且,由于我们继续沿袭过去的发展模式,也没有对现行的能源政策做出任何改变,二氧化碳浓度仍旧以每年2ppm的速度升高。在过去的30年里,地球的平均气温已经升高了0.75摄氏度。我们可能会问,如果温度上升2摄氏度地球将会发生什么?这就是在哥本哈根会议上被提到的限制数字。让我们来看一看那些已经退化且不可逆转的生态系统吧。

  * 海洋酸化已经导致了珊瑚礁和海洋鱼类生境的破坏,而海洋鱼类是世界上许多贫困人口的蛋白质来源;

  * 每年森林砍伐所导致的二氧化碳排放占到总量的17%,仅次于全球交通部门20%~25%的排放量。每年大约有3000万英亩(相当于1200万公顷)的热带雨林消失。亚马孙等热带雨林已经受到极大的压力且正变得干旱。如果森林火灾在这里蔓延,情况将变得不可收拾。然而,退耕还林又会带来耕地的减少,这是一个矛盾;

  * 格陵兰和南极的冰川正在以极快的速度消融。如果格陵兰的冰川全部融化,海平面将上升8英尺(约2.4米),数百万人口的生存地区将被淹没;

  * 南极和北极温度上升的幅度是全球平均值的两倍,造成了大量的冰川融化;

  * 地球气候已经在发生变化。热带地区已经向两极延伸了170英里(约274公里),将美国南部、地中海地区、澳大利亚和非洲南部变成了干燥的亚热带气候。这改变了农业作物的生长方式,并导致了农业地区向高纬度迁移;

  * 喜马拉雅山脉和安第斯山脉上冰川的融化导致了数十亿人口所使用的淡水资源的减少。

  气候工程 人们在越来越多地思考那些看似不能思考的东西。

  1991年吕宋岛火山爆发将大量的硫化物气溶胶喷射到了上层折射阳光的大气中。这一过程导致地球温度降低了0.5摄氏度长达多年。但是这并不能降低海水的酸度,并且可能导致酸雨。《科学》杂志发表的Hegel和Solomon的研究表示火山爆发后的全球降雨减少,因此警告气候工程可能会导致危险的干旱情况。

  哥本哈根共识中心的新报告提出了两种新的方法。(1)清洁海洋上空云层——将海水喷洒到海洋上空云层中,使其能够反射更多的阳光。这种技术每年只需要90亿美元。(2)开展太空遮阳——将小型透明的遮蔽物发射到太空中阻挡少量阳光射入地球。

  虽然大约一半由人类活动产生的二氧化碳被天然的“碳库”——海洋吸收。令人担忧的是,过去四年中的数据显示南半球海洋吸收大气中二氧化碳的速率正在减小。另外,最近科学家也发现日本海的二氧化碳吸收速率也忽然迅速下降。对此我们能做什么——也许是增大海洋中铁元素的浓度,促进浮游植物的生长使其吸收更多的二氧化碳——但是,将浮游植物作为食物的海洋动物会将这部分碳返回到大气中。

  目前有多种“空气捕捉”计划,主要是将碳固定为固体状态或储存在海底。这和在上文中介绍的清洁煤炭的“碳捕捉与封存”类似,都过于复杂、昂贵,在2050年前不可能实现。但是怀疑者会问,这些全球工程计划能否奏效,会产生消极的全球性副作用吗?如果其他国家反对“修补云层”的计划怎么办?政治家们是否会承担改变全球气候的风险?

  结论 《自然》杂志上的一篇新文章指出,包括James Hansen在内的一些气候学家声称,人类必须遵守自然进程的限制,否则将遭遇极大的灾难。这其中包括地球系统中的9个过程:气候变化、海洋酸化、全球氮磷循环干扰、淡水利用、土地使用、大气气溶胶承载、化学物质污染和生物多样性减少。正如之前所言,其中许多的限制已经被突破。

  我们目前仍对使用各种减轻气候变化的技术心存畏惧。毕竟,我们不知道这类地球工程项目在全球范围内将会发生什么样的后果。而政治和社会的障碍则更令人畏缩。

  首先,中国和印度的人口数据显示,随着生活水平的提高,其出生率不断下降。但是我们不能将其作为降低一国人口增长速率的方法。尽管这个世界没有足够的资源保证每个国家都能达到第一世界(如北美和西欧)的生活水平,唯一的解决办法是公平,但这就意味着第一世界需要降低其高生活水平(与罗马帝国的衰落类似),并通过对发展中国家技术和经济的支持来达到所有国家的生活水平的平等,但这一切并不会通过自由意志发生。不论是否自愿,中国和印度都毫无疑问会通过自己的努力来提高其国民的生活水平。

  其次,当被要求减排二氧化碳时,中国和印度有理由辩称他们不会为发达国家过去排放的二氧化碳买单。2009年12月在哥本哈根召开的气候变化192国会议已经结束,尽管世界各国承诺减排二氧化碳,但提出的减排目标并不足以使得地球升温控制在2摄氏度的目标之内,也没有达成减缓气候变化的约束性协议。各国仍将“各自为政”,并且不会放弃继续使用化石能源。

  从本质上说,人类是“目光短浅”的。除非灾难已经到来,否则我们不会采取任何行动。然而,到了那时,任何行动都已为时过晚。而人类即使为了拯救自身的生存也还是很难放弃私利而走到一起!

  最后,由于任何技术都需要20年左右的时间才能成熟并且需要投入数以亿计的资金,因此任何技术都不是短期内就能起作用的。人类是地球的监护人,我们需要聚在一起做出巨大牺牲,减少化石燃料的使用。如果2030年真的如预计一样能源和粮食需求增长50%,水资源需求增长30%,人口增长到83亿,那么,我们何时才能停止这种常规增长?

  正如联合国秘书长潘基文评论“千年计划”的文章中说的:“如果人类希望获得与气候变化战斗的机会,就需要投入与阿波罗登月计划一样的努力。这个目标很高,因为如果不能够走可持续发展的路线,数亿人将陷入贫困,多种文明将崩塌。”

结语

  我是一个现实主义者,而且现实世界中与我持有同样态度的人还很多。对于人类所面临的困境,我们需要深思。人类本质是矛盾的综合体,这点或许只有莎士比亚能够用深刻而包容的语言描述。比如,我们有时仁慈、富有同情心和爱心,有时又具有侵略性、残忍、贪婪而好战。尽管一定的侵略性对于人类的生存是不可缺少的,但对于文明来说,我们在对待彼此以及自然方面必须收起我们的攻击性。

  毫无疑问,我们都深爱自己的子孙。然而我们正在贪婪地使用地球上的各种资源,丝毫没有想到我们后代的利益。例如,瑙鲁群岛的磷资源在一代人内就被开采枯竭。正如Jared Diamond 在《第三只猩猩》书中所说:“直到我们自己这一代,之前从没有人考虑过后代人们是否能够生活在一个值得生活的星球上。”

  如果我们的文明最终衰落,我是说如果,那么应该是因为我们把我们的地球毁灭到了无法生存的境况。正如知名环境学者James Lovelock曾说:也许在100万年之后,我们的星球可以从我们的蹂躏中恢复,也许到时会有另一群人,不一定和我们一样,会重新繁殖。他们的古生物学家和考古学家会研究为什么我们的文明会消失,正如我们在研究复活节岛上发生的一切一样。也许他们会发现这样一块墓志铭:“曾经有这样一个聪慧的种群,他们发明了令人难以置信的技术——甚至可以改变这个星球的气候。但他们的人口肆意增长,对环境造成了极大的危害,这也将他们带入了毁灭。”

 
 

 
  相关新闻链接:
  • 2010世界发展报告(下)
  • 2010世界发展报告(上)
  • 由灰转绿:中国节能建筑如何保证其快速城市化可持续
  • 气候变化与贫困:中国案例研究(摘选)
  • 气候正义运动在成长
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