【图文课件】04-5 可持续发展：粮食-能源-水系统关联

《生态学：管理大自然的经济学》 

Ecology: The Economy of Managing Nature

复旦大学生命科学学院赵斌教授在中国大学MOOC网站上倾心打造的《生态学：管理大自然的经济学》。关注本公众号，可在第一时间获得课程的同步更新。

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同学们好，我们今天要讲的主题，是与可持续发展有关的问题。从全球来看，其实有相当一部分人口是缺乏足够资源的。而如果我们从资源的稀缺性来看，粮食(Food)、能源(Energy)和水（Water）三种资源，在区域可持续发展系统中，是很容易成为“短板”的。所以，它们之间的关系，是可持续发展的核心理念，对一个国家的经济增长有着重要的作用。但是，过去我们总是将这三种资源分开处理，没有考虑到一种资源的需求，会对另一种资源的需求产生直接或间接的影响。所以我们今天，主要从这个角度来看看，如何将这三者之间的关系结合起来，共同探讨可持续发展的问题。

据相关机构预测，随着气候变化的影响，到2030年，全球对食品、能源和水的需求将分别增长50%、50%和30%。

话说2011年1 月，世界经济论坛发布了《全球风险报告》(第六版)，首次将“粮食、能源、水”系统关联（Water-Energy-FoodNexus,WEF-Nexus）作为当年的三大风险群之一，其他两项风险是“宏观经济失衡”与“非法经济 ”，这揭开了“食品、能源、水”系统关联整合研究的序幕。这份报告帮助人们深刻地理解了粮食、能源、水，还有气候、生物多样性等领域之间的关系，打破了学科之间的藩篱，制定了融合多学科、多领域的综合性解决措施。

同年11月，德国联邦政府在波恩又召开了探讨“粮食-能源-水”系统关联的国际会议。会议指出，全球气候变化和社会变化影响着粮食-能源-水资源的生产与消耗，同时指出这三种资源间的复杂关联关系，尤其是在生产、消耗与管理过程中普遍存在权衡、取舍和各种潜在的冲突，任何基于单一资源的战略，都将会产生严重的不可预期的后果。这三种资源，水、能源和粮食，肯定是人类生存和发展的必需资源。大家可以自己分析一下，是否有其他的变量会比这三种资源更重要？另一方面，类似于水与能源、水与粮食，以及能源与粮食之间的两两关联的研究，已经有很多了，但似乎并不足以支撑更好的决策，甚至有时候会误导决策。人们越来越发现，只有通过三种资源的整体协同研究，才有助于提高可持续发展决策的有效性。

我们刚才说到的世界经济论坛，这是一个以基金会形式成立的非营利组织。主要是探讨世界经济领域存在的问题，促进国际经济合作与交流。不知道大家注意到没有，世界经济论坛（World Economic Forum）与水-能源-粮食（Water Energy Food Nexus）的简称都是WEF。由于水-能源-粮食这三个词分不清哪个更重要，所以不同的研究者和不同的部门，就把这三个词的位置按照自己理解的重要性放置，相应也就有不同的简写方式。比如，能源部门称为EWF，水文学家和水工程师称之为WEF，农业界人士则采用FEW的说法。所以，这个词对不同的人来说可能意味着不同的事情。我觉得，为了避免与世界经济论坛的简称相混淆，也为了让这个简写能够读，我更喜欢用FEW，few。而且，本身few这个英文也有匮乏、不足的意思。所以，在今天的课程中，我将以“粮食-能源-水”系统关联，也就是Food-Energy-Water这样的顺序进行说明。

我们这里来看一个例子。印度曾经颁布过一个惠民政策，为了让贫困家庭能够用上电，印度政府就刻意压低了电价，据说都低于成本了。但是，大家都知道，电力分配方式，在很大程度上是更有利于工商业消费者和最富有的人群，一般是富人用电比穷人要多很多。也就是说，用电越多受益越多。所以，最后受惠的，其实并非最贫困的人口。更糟糕的是，电价补贴还导致印度北部的地下水抽取过度。因为电价便宜了，很多农民就采用电动水泵来抽取地下水，一些地区的地下水位骤降了180多米。那么就需要功率更大的水泵来抽水，又进一步加剧了电网的负担。这种不可持续性的做法带来了非常大的环境代价。所以，要提倡资源管理中的相互关联，这是自然而然的理由，也就要用到Nexus这个词。

Nexus这个词，根据国家基金委的翻译，称为“系统关联”，我也就沿用这种说法。Nexus在英语中的含义是指两个或多个元素之间的交互作用，有可能是依赖关系，也有可能是相互依赖关系。因此，Nexus，就是研究这三个资源之间的联系，以及如何处理它们之间的协同、冲突和权衡。但是，关于“粮食-能源-水”系统关联的确切含义，几乎还没有达成一致意见。许多相关的概念之间有冲突，也有重叠。在可持续发展领域，这个词目前变得很流行。尽管歧义很多，但常常也能引起很多人的共鸣和联想。但这是不是好事，其实也很难说，一个词过于泛化，反而会使其重要性变得微不足道。我们在前面提过，“生态”这个词本身也存在类似的问题。但我们知道，这是一个不断发展的概念，所以我们总是将最新的理念赋予其中。

那么，“粮食-能源-水”系统关联，这个提法是不是很新鲜呢？联合国粮农组织2014年在它的这份报告中就曾质疑：这一概念是否只是“新瓶装老酒”，或者它是否为可持续发展的论述贡献了新的东西呢。而且还一直有人有疑问，“粮食-能源-水”系统关联是否完整，因为它只考虑了三个方面，是否有足够的代表性的。像气候变化、环境、土地、治理、城市化、废物或者人类生计这些内容，应该是其他一些方面的问题，它们是否也应该加入到粮食-能源-水系统关联之中呢？

但如果这三个方面之间的关联没有那么新颖，那么为什么世界经济论坛、世界自然基金会、联合国和全球的一些公司，都对这种说法那么感兴趣呢？有人解释说，人们之所以对这种关系感兴趣，很大程度上是因为大家担心气候变化对水、能源和粮食安全所产生的影响，因为这三个方面都受到气候变化的影响，而它们又可因其温室气体的释放而对这一影响作出贡献。这也许是一个理由，但总感觉不是那么强烈。但我们看到的事实是，FEW系统关联的概念，作为理解和处理可持续发展的当代方式，已经获得了非常突出的地位。我们前面提到，任何基于单一资源的战略都将会产生严重的不可预期的后果，让我们再详细说说这事儿。

我们知道，水和能源短缺，可以直接导致粮食的紧张。粮食生产从灌溉到加工再到配送的各个环节，都离不开水和能源。粮食生产在全球都是极度耗水的，占全球淡水消耗量的90%，这个相当高吧！但粮食生产过程中能源强度并不算高，仅占全球能源消费的30%。当然，粮食在收获后或加工阶段还会损失一些，占到了25-30%，在零售和消费阶段也有许多浪费，这些损失和浪费其实也意味着水和能源的损失。还有，粮食本身也可以作为一种能源形式，但是这种做法，比如将粮食作物用于生物燃料，已经引起了人们的反思。

研究人员在进行水足迹分析中，一般将水分成三个部分：绿色水，是指在生产过程中，主要是在作物生长过程中蒸发的雨水；蓝色水，是指作物生长过程中蒸发的那些用于灌溉的地表水和地下水；而灰色水，是将生产过程中受到污染的水进行稀释，达到排放标准所需要的水。但是，正如这篇文章所说，生物质的能源生产，也会与粮食作物争夺稀缺的土地和水资源，这已经成为世界许多地区农业生产的主要制约因素。

而且，有人认为，在一个仍有8亿多人缺乏粮食保障的世界里，利用粮食作物来生产能源是否合乎道德呢？显然许多人对生物燃料提出了强烈的反对意见。他们认为，这是将贫穷的消费者与富裕的有车族对立起来。但其实这种说法可能并不准确。世界上有人缺乏食物，但从全球来看，食物供应并不短缺，也就是说，总体上全球粮食是有富余的。我们最常用做生物燃料的作物是糖料作物，或者玉米。但是，糖并非人类的主食，而且作为一种经济作物，还可以为贫穷的农民提供额外的收入，抓住这个机会的人的确也致富了。

而玉米，主要用来喂养动物，最终生产肉和奶。全球大约有65%的玉米都用于饲养动物了，美国还更高一些，已经达到了75%。而随着人类生活水平的提高，以及城市化进程的加快，肉类消费一直在增长。所以，现在全球正在发生的粮食冲突，可能并不是想象中汽车与穷人之间的冲突，而是汽车和吃肉之间的冲突。也就是说，现在不是因为要开车而饿死了穷人，而是为了开车我们可能就应该少吃肉。所以，生物燃料的问题，并不是粮食与能源之争，而是我们应该少吃肉还是少开车的问题。

我们再来看看水。在进入新世纪的第一个十年里，淡水的有限性和不可或缺性同样得到了重视，这是世界经济论坛在2011年的一本出版物《水安全》。这本书强调，在全球许多地方，水的风险一直被低估的，地下水被耗尽。但值得注意的是，水与能源不同，是没有替代品的。当然，在能源生产中，耗水量并不算高，仅占全球取水量的15%，其中只有11%被消耗。水在能源生产中，主要用于油气开采和发电，比如水力发电，还有化石燃料和核电站的冷却水，这些虽然利用水，但并不消耗太多的水。

当然，水与能源之间发生冲突的例子也是有的。比如，2003年的欧洲热浪就是一个水与能源之间发生冲突的情况，据统计当时有7万多人因此而死亡——当然我查到的数据有不同的说法，是否这么多人因热浪而死亡，或者有别的原因，我暂时没有看到更确切的说法。但至少可以肯定，好几万人的死亡，部分原因是由于干旱导致的河流水位降低，高温导致的水温升高，无法处理核电站的冷却要求，最终导致核电站关闭。核电站关闭，电力不足，也无法降温，这样更多人的健康受到影响。

前面说了这么多，要真正将粮食-能源-水系统关联的研究落地，必须能测量某些东西，因为我们不能管理难于测量的东西。新兴的跨学科研究，正在对食物-能源-水系统关联提供一种全新的理解，这些科学进步为协调我们的管理提供了许多关键信息，可以提高整个地球系统的可承受性、可靠性和环境可持续性。我们前面曾经提到的水足迹，就是一种度量方式，将水分成了绿水、蓝水和灰水。而且我们还了解了，生产不同食品的全球平均水足迹差异很大，而产生相同卡路里牛肉的水足迹，比谷类食品要高出20倍。

另外一个非常有意思的问题是：以前许多研究表明，提倡素食可以节约大量蓝水，但上面这个研究发现，生产低热量的所谓健康素食，比如水果和蔬菜，水足迹可能还高于谷物和肉类。换句话说，提倡人类的健康饮食，对地球来说可能是不健康的。但是，这篇文章的计算方法是受到质疑的，是不是混淆了取水量与消耗量，还有不同数据集之间是不是有冲突，总之还缺乏许多规范，最终有关这方面的结论还需要更详细的评估。

要管理稀缺资源，我们还可以找到一些方法。如果比较供给与需求，就能分析出资源是稀缺还是过剩。比如，我们可以通过各种不同指标的模型，绘制出这样的全球水资源短缺图。

在一个农业模型相互比较的项目（AgMIP）中，还使用不同的模型绘制了全球粮食需求预测图。

其实，在全球都存在大量的粮食被浪费的情况。如果我们只是节省粮食，其实也等于节省了水和能源。如果我们把损失降低到某个区域损失的最小水平，这就足够再养活十亿人口了。滴灌技术的发展，引起了人们的极大兴趣，滴灌技术的口号是让“每滴水都能生产更多的农作物”。但是这个节水技术，从目前来看，也不一定是最佳的方案。节水型灌溉技术，水是节省了，但减少了灌溉回流和对地表含水层的补给作用，反而可能导致灌溉总面积的扩大，不一定对水资源利用是最有效的。所以，在政策层面，应该是着重于总体上减少水的消耗，而不是提高灌溉效率。

我们再来看看稀缺资源的储备问题。从全球的分析结果来看，在过去的50年中，粮食储备一直相当稳定的，这个储备可以养活全球人口半年的时间。天然水储存在湖泊和含水层中，还有许多人造的水库中。但是，水库对环境的不利影响，以及其巨大的蒸发损失，让人们觉得把水储存到地下含水层可能是更好的选择。而在能源储备方面，石油产量近些年来是超过需求的，所以油价曾经出现了较大幅度的跌价。石油和煤炭是可以储存的，但电力能源是不能轻易储存的，供给和需求都在瞬时完成。特别是在干旱期间，电力供应极易受到损害，因为当供水量最小时，一般也是高温的时候，而这个时候对电力的需求又是最大的。所以，这个矛盾一直是一个重大难题。

地球上许多资源的需求与供应之间存在着时空上的矛盾，这一般是通过资源的存储与运输进行部分解决的。运输资源，可以缓解资源在地理上供需不平衡的问题。水可以在河流和含水层中自然运输的。中国南北调水工程，就是希望把水从南方的长江输送到北部半干旱地区，但问题是，北方地势比南方高，水很重，如果泵站抽提就太耗能了，怎么办？所以，中线工程就从丹江口水库调水，输往河南、天津、北京等地。因为这个水库的水位高于其他几个地方，因此水在调运的时候基本靠自流。总体来说，这个系统的能源强度仍然还是很高的，因为不仅要运输水，还要处理水，大概需要900个污水处理厂，这都非常耗能。石油和天然气可以通过管道运输，电力传输看上去呢也很方便，也很容易，但是，不管是这些管道，还是电力传输网的建设，那都是很昂贵。所以，目前不管在哪个资源方面，都没有轻而易举的解决方案。

食品加工也是很耗水的，而粮食的重量远小于加工粮食所需要水的重量，所以食品贸易就显得比较节省水了。因此，我们就可以将粮食贸易看做是一种运输水的方法。2014年的一项研究表明，全球食品贸易占食品生产量的23％，从1986年至2009年间，食品卡路里的交易量增加了一倍。从全球来看，食品贸易总体上缓解了一些缺水压力。

监测粮食-能源-水系统关联的问题，在全球尺度是更加有效的。而要在全球尺度进行监测，就必须要有相关的大尺度工具。在过去几十年中，遥感和全球建模方法取得了重大进展。其中对粮食-能源-水系统关联的重要的卫星，包括GRACE和MODIS，可以分别监视全球蓄水量和植被变化，然后再推导出粮食生产。如果将全球粮食运输的贸易数据与其中嵌入的水和能源结合起来，还可以计算资源利用的存量和流量，获得更多新的见解。还有人从家庭、农民和产业出发，与粮食-能源-水系统关联联系起来分析，这样可以提供更可靠的数据，用于发现从区域到国家尺度的问题。

最后，我特别想给大家介绍一个非常有趣的研究。这个研究提出了一个新的概念框架，可以同时利用太阳光谱的不同部分，在同一块土地上来生产作物、发电、收集热量和净化水。我们目前的生产实践，大部分光谱其实都被浪费了，在一个特定地点的太阳光仅用于一个目的，要么是农业生产，要么是能源生产或者水净化。所以，这个新的方法就是将光谱分成三个部分，并有效地收集阳光进行利用，同时满足了所有三个目的。大家看看这幅图，是不是很有创意？

好，讲完了这个故事，我觉得这次课也就该结束了。同学们，再见！