第1篇　太阳能时代和太阳能热发电

1　能源和能源危机

1.1　能源的发展

1801年英国学者托马斯·杨在伦敦国王学院演讲自然哲学时引入能量的概念。他针对当时把质量与速度二次方之积称作活力或上升力的观点，提出用能量（energy）与物体所做的功相联系。托马斯·杨的观点当时没有引起重视，人们仍然认为不同的运动中蕴藏着不同的力，直到能量守恒定律被确认后，人们才认识到能量概念的重要意义。如果把能量定义为“做功的能力”，那么功就可以看成是“能量的体现”。

在爱因斯坦的“相对论”中，能量和另一重要物理概念——质量建立联系，质能关系公式更深刻地揭示了能量的物质属性，使人们认识到宇宙万物都是能量的不同表现形式。现在科学认为，一切形式的质量、能量最终都可以相互转化。能源，顾名思义是能量之源，是提供人类所需能量的相关物质。人们所谓的能源是存在于自然界中，能够转换成为热能、机械功、光能、电能等各种能量的资源。能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。时至今日，能源已和材料、信息被视为自然界和人类社会赖以生存发展的源泉，人们生活方式、思维方式，国家生存和兴旺的主要因素，经济赖以革新、进步的基础。

在回顾能源发展历史的同时，对人类社会的变迁会有进一步的理解。

1.1.1　火的应用

能够掌握、使用除自身体力之外的任何能源，是人和其他一切生物的根本差别之一。不论是史前恐龙、巨鳄等庞然大物，还是今日飞禽走兽，都不能做出超出自身力量的功。而人类具有这种能力，是从掌握用火开始。

从看见野火燃烧、烟雾弥漫时恐惧，到学会收集电击、森林草原自燃和岩浆能及草木引起的火种，人类至少又花费了一百多万年的时间，从而最终脱离了动物界。

火的使用是人类第一次群体性的社会运动，它使人类的族群获得了与其他群居动物生存本能的行为模式所不同的生存价值。

学会用火，就可熟食。熟食软柔，更富有营养，缩短了咀嚼和消化的过程和进食时间，从此人类结束了茹毛饮血、生吞活剥的岁月。食物种类和范围扩大，对人类体质和脑的发展产生了巨大的影响。

学会十分原始、可能纯属机遇的用火后，这项逐渐完善的技术经过80万～100万年才波及其他地区。

此后在熊熊燃烧的火光辉映下，人类的生产方式、社会结构、生活方式都发生了翻天覆地的变化。人类社会由蒙昧状态发展到氏族社会，又大步迈进文明门槛。

人类第一次掌握的能源，是易于获取、易于加工的草木能。草木能伴随人类走过漫长的原始社会，农业社会、工业社会初期。

依赖草木能源和风能、水力、畜力配合，人类制作工具，改造山川河流，将亿万亩丛林、碎石的丘陵和平原改造成肥田沃土，利用烘焙、冶炼，将黏土和矿石制成巧夺天工的瓷器和青铜器，修筑了长安、北京、巴格达、罗马等一批在历史上闪闪发光的城市，创建了农业文明的辉煌。直至今日，草木能源在世界各地的乡村仍然扮演着重要角色。

1.1.2　煤炭时代

煤炭的发现和利用可以追溯到远古时代，但煤炭的大规模利用是在蒸汽机发明之后。1765年，詹姆斯·瓦特成功制作了蒸汽机。18世纪50年代末，英国的焦炭高炉不过17座，到1790年就达到了81座，木炭高炉则减少到25座。煤、铁和蒸汽机的时代终于到来了，从而揭开了产业革命时代的序幕。但是到了19世纪中叶以后，煤才满足了整个社会所需能量的50%。美国在1850年，煤只能提供社会所需能量的10%，1900年就占全部所需能量的70%左右。

14～15世纪，欧洲开始推广新的高炉炼铁法，进入了自18世纪60年代英国出现产业革命的汽笛声以来人类使用煤炭能源的时代。珍妮纺纱机和瓦特蒸汽机迅速推广。继英国之后，美国、德国、法国、俄国以及日本都先后创办煤炭工业。从此之后，直到整个19世纪和20世纪上半期，煤炭代表着整整一个历史时代先进的社会生产力，成为近代工业社会的动力基础。

大机器取代了手工工具，使手工生产发展到机器生产，从而使以机器为主体的工厂制度代替了以手工工具为基础的工场制度，进而使整个国家的生产方式、产业结构、经济结构都发生了巨大变化。到1900年，煤炭产量在世界一次能源结构中的比例占到95%，处于绝对的优势地位。

直至今日，煤炭仍在工业生产和人民生活中发挥重要作用。我国使用的一次能源，仍有75%来自煤炭。

1.1.3　油气开发

石油是一种液态的矿物资源，可燃性能好，单位热值比煤高一倍，还具有比煤清洁、运输方便等优点。现在石油不仅是世界工业发达国家的主要能源，而且是重要工业原料；不仅是重要的军用物资，而且是日常生活的必需品。

石油是优质的动力燃料。1kg石油燃烧可产生约40000J热量。现代工业、国防、交通运输对石油的依赖程度是很大的。飞机、汽车、拖拉机、导弹、坦克、火箭等高速度、大动力的运载工具和武器，主要是依靠石油的产品——汽油、柴油和煤油作为动力来源。

石油还是重要的化工原料。人们的衣食住行都离不开石油产品。据统计，目前的石油产品超过5000种，已渗透到人类生活的所有领域。比如，三大合成材料——塑料、合成橡胶、合成纤维，都是用石油作原料，经过多次化学加工生产出的产品。

石油的发现虽然可以追溯到远古时代，但是真正作为经济资源被开发和利用，只有100多年的历史。19世纪末，英国人首先从石油中提取煤油作为照明燃料。1859年，美国打出第一口油井，开创了世界近代石油工业。面对能效更高，加工、转换、运输、储存和使用更加便利的石油，煤炭工业相形见绌。20世纪初，由于内燃机的推广和汽油发动机的问世，以及随之而来的汽车工业的发展，石油逐渐得到更广泛的应用，并在各国经济、军事等活动中起着越来越重要的作用。

在第二次世界大战中，石油的重要作用尤为突出。据统计，1939～1945年，在战争中使用的4000万辆汽车、15万辆坦克、20万架飞机，都是靠石油产品发动的。在石油和电力作为动力和原料、电动机和内燃机普遍应用的基础上，石油工业、电力工业、汽车工业、航空工业、钢铁工业和化学工业迅猛发展。1940年世界石油产量仅2.5亿吨，1950年增长到5.2亿吨，1960年增长到10.5亿吨，1970年增长到22亿吨，之后平均每年翻一番。欧美、日本、前苏联先后进行能源结构改革，以石油代替煤为主要能源。同时，从20世纪50年代开始，以石油为主要原料的合成化学工业也蓬勃发展。石油产量超过世界能源总量的50%。从此，人类进入石油时代。石油作为一种主要的物质资源，在世界各工业国的经济领域以及社会其他领域起着举足轻重的作用。今天，石化能源左右着人们的生活方式。不论是汽车、飞机，还是工业窑炉、燃机的燃料和自然界中不曾出现的机械及装置、性能各异的材料，都受惠于石油。

天然气是蕴藏于地下的一种可燃气体，其主要成分为甲烷。目前，天然气已成为世界主要能源之一，它与石油、煤炭、水力和核能构成了世界能源的五大支柱。公元1667年，英国成为最早利用天然气的欧洲国家，比我国晚了1000多年。在整个19世纪，由于没有找到长距离大量输送方式，天然气的应用受到限制。随着管线技术（加热、保温、加压、冷冻液化）的发展，大型天然气输送系统投入使用。现在大型输气工程可穿越沙漠、冻土、海底，长达数千甚至上万千米。石油经济给人类带来前所未有的繁华。20世纪是人类历史上经济科技发展最快的一段时间。在100年里，世界人口增加了4倍，工业生产增加了50倍以上，但能源消耗也增长100多倍。

自从学会收集天然火种和钻木取火，在之后的300万年之间，人类对能源的利用经历了使用天然草木时代、木炭时代、煤炭时代、石油-天然气时代，这些能源都是通过燃烧含碳有机物产生放热的化学反应（其中只有风能和地热能作为少量补充）。直到20世纪50年代，人类才发现大自然中还存在崭新的，可以利用的能源，这就是以太阳能为代表的可再生能源。这一发现又和石化能源密切相关。

1.2　石油能源的危机

1.2.1　石油的重要性

能源是人类生活中最重要的资源，能源问题一再牵动社会的神经，是关乎人们现实和未来生存发展的最为基本同时也是最为核心的动力问题。人类近代史上几次大的飞跃都得益于能源的开发，而几次大的全球危机也都因能源危机而起。在经济全球化、世界政治格局多极化的今天，保障能源持续供应，建立能源安全供应体系已成为当今世界各国能源战略的出发点和核心内容。

从能源的供求分布来看，“不平衡”一词可点破其中的根本特征。也正是这种不平衡，从根本上导致了国际上各种因资源问题而产生的纠纷甚至是战争。从近几十年来国际关系可以看到，石油资源和水资源是国家间发生战争和冲突连续不断的主要因素，特别是谋求对石油资源的控制成为国际斗争的焦点之一。在过去的20世纪仅仅由石油引起的冲突就达到500多起，其中20余起演变为武装冲突。随着石油和水资源的日益紧缺，能源对经济发展的制约作用将更加突出，以各种形式出现的全球能源争夺战也将愈演愈烈。

在工业领域，石油被称为“工业血液”，国际油价上升对多个行业产生重大影响，已经引发电力、煤炭、化纤、棉花、金属、建材等相关制造业原料价格上升，原料价格的上涨会进一步向下游传导，引发成品价格的上升。

受到油价高涨冲击比较大的行业有石化产业、航空产业以及汽车产业，国际原油及航空燃油价格急速攀升，导致世界航空运输行业成本持续大幅上升，而燃油成本占到航空公司总成本的40%以上。同时，油价高涨对于纺织工业更是雪上加霜。另外，化肥、农药、涂料、燃料、纯碱、塑料、化纤等行业，都或多或少受到高油价的影响。

1.2.2　石油的紧缺

追溯到19世纪60年代，石油是一种充裕而未能被开发利用的资源。早期的勘探者只需要钻浅油井就可找到大的石油层，使石油在自身的压力下涌上地表。容易得到的石油和天然气的储量已被取尽了，现在的石油公司需要努力寻找新的地下沉积，石油开采井如图1-1所示。一般的油井有3000多米深，只有大约1/3的新井能真正找到石油，石油资源日益紧张的现状使得世界主要经济大国和能源组织纷纷关注地球上到底还存有多少原油。美国《油气杂志》周刊指出，目前全球已探明的原油储量大约为1.2万亿桶；而《世界石油》月刊则认为是1.03万亿桶。即使按照最高的原油储量计算，照目前的消费速度，再考虑每年2%～3%的消费增长率，用不了40年，现存的原油储备就将枯竭。寻找石油已成为一种费用昂贵的活动，使得当今的勘察者走进了极端的环境里——遥远的沙漠、

冰冻的北极，甚至是水下作业。现在阿拉伯海湾、北海和墨西哥海湾的海域出产的石油大约占全球石油的1/3。把这些远道而来的资源投入生产甚至更加昂贵：挪威国家湾（Statford）B号钻井的栈桥是全球最大、最昂贵的建筑之一。把石油从油井取出输送到炼油厂要经过几千英里的路程，也需要增加很多的费用。

很多学者分析油价大幅波动的原因，如“美元贬值促使油价飙升”、“投机性交易推波助澜”、“政治、气候因素影响”、“采油设备陈旧急待更新”、“大国之间能源博弈”、“全球通胀加剧”，等等。这些分析都言之有理，但石油危机频频发生，愈演愈烈的国际油价持续攀升的根本原因，在于世界石油资源储量有限和全球消耗量不断增加之间无法克服、难以缓解的矛盾（见图1-2）。石油、天然气作为不可再生，已经严重消耗的资源，面临着在两三代人之间必然枯竭的黯淡前景。而为争夺这日益减少的资源，有关国家之间纵横捭阖、剑拔弩张冲突乃至局部战争都不可避免。

按照目前全世界对化石燃料的开采速度计算，石油还可供人类使用40年，天然气还可供人类使用65年，煤炭还可供人类使用162年。

1.3　能源消费对环境的破坏

每利用一份能量，就会得到一定的“惩罚”——把一部分本来可以利用的能量变为退化的能量，而这些退化的能量实际上就是环境污染的代名词。

1.3.1　地球环境的演变

从地球诞生时起，地球环境就早已经受过沧桑之变。地球在大约45亿年前形成时是一个炙热的巨大火球，还没有圈层环境的分化。地球外面包围着原始大气，主要由H2、CH4、CO2、NH3和水蒸气等组成而不含O2，是一个还原性的大气圈。像今天这样的地球各种圈层环境，是经历了亿万年的演变和进化才形成的。

生命的起源大约是在38亿年以前。可能是在洪大的暴雨等某种机制的作用下，地球上出现了水并产生了河流、湖泊和海洋。水分的循环降低了地表的温度，为生命的出现创造了最基本的条件。这样，地球上才有了生命的出现。水的出现是地球发育史上的重要条件。如今70%以上的地球表面覆盖着水，大多数生物体内水的含量也是在70%以上。人体和鸟类体中的含水量均为65%，鱼类体中的含水量为80%。医学上所用的生理盐水是浓度为0.9%的NaCl溶液，与原始海水一致。这似乎表明了，现代人身体内流动着的血液与几十亿年前的海洋水有着极其相似之处。在自然界的植物体内，水分含量更高，很多蔬菜类为大约80%，有些甚至高达95%。这一切都充分表明地球上生命的产生和进化离不开水，水是生命的源泉。尽管人们对生命起源的机制观点有种种不同，但一般都认为生命起源于海洋。因为当时还原性的大气圈还不能向地球提供必要的保护，使生命免受太阳辐射出的强烈紫外线的伤害。原始生命只有处于海洋水层的保护之下方能幸免于这种伤害。

早期细菌通过发酵作用取得能量，并在生命过程中放出CO2，逐渐改变了原始大气的组成。20亿年以前，大气圈中CO2的浓度很高，约为今天CO2浓度的10倍。到大约20亿年前，由原核生物进化成能够进行光合作用的单细胞藻类。正是这种植物体中的叶绿素接受阳光进行了光合作用，把太阳能转变成有机物储存起来并释放出O2，地球环境之中才首次出现O2。经过大约4亿年的积累，还原性的原始大气逐渐向含有CO2、H2O和O3的氧化性大气转化。到距今16亿年以前，大气中CO2的浓度逐渐下降到今天的水平。一个含氧的大气圈终于形成。而且O3在高空的积累逐渐形成了保护地球的臭氧层，为更高等的海洋生物进化和生命登陆创造了条件。

由于生物的出现，将大气圈中大量的CO2转移到岩石圈中，形成数量巨大的碳酸盐岩石，一方面改变了岩石圈的组成，另一方面由于生物与岩石风化物的相互作用，在地表上便逐渐形成了土壤。因此，地球各圈层的发育乃至地球环境的演变是生物界经过漫长的岁月与地球作用的结果。

地球表层物质和能量的循环、转换是靠生活活动实现的。如果没有生命捕获、转移和储存太阳能，就不会有今天的地球环境面貌。生命活动在太阳能的捕获与储存和地球表层物质的迁移转化方面有着超乎人们想象的巨大作用。据粗略估算，地质历史上所有生物的累计总质量是地球质量的1000倍以上；如果没有生物吸收大气圈中的CO2，则今天大气圈中的CO2将增加1000倍，地球环境就会变得不适合于人类和其他一切生物的生存了。地球现代的环境是生命参与历史上各个地质时期亿万年来演变过程的结果。

地球环境一直处于不断的演变和进化之中。在第四纪时期，地球经历了一个冰期和间冰期的交替。在更近一些的1450～1880年，地球度过了一个小的冰期。地球的平均温度也是在变化的过程之中。今天的地球实际上是处于一个相对较热的间冰期。地球上的生命也是处于不断地演变之中，不断地有物种的产生和灭绝。6500万年之前恐龙曾经在地球上兴旺一时以及后来的灭绝就是一个很好的例证。

1.3.2　人类对地球环境的依存

英国地球化学家哈密尔顿（E.Hamilton）等通过对人体脏器血液分析发现，人体血液中60多种化学元素的含量和地壳中这些元素含量具有相关性，它很好地说明了地球环境物质与人体物质的和谐统一性。归根到底，人类是地球环境长期演变发展的产物，与地球环境有着千丝万缕的不可分割的联系。这也正是西方很多国家的大学将环境这一学科设置在地球科学这一大类之中的一个原因所在。

地球环境和地球上的生命在以亿年计算的历程里，虽然都一直处于不断地演变和进化之中，但相对于某一物种或者说相对于人类生存时期，地球环境则是保持着一种稳定和平衡的状态。地球环境演变的过程与人一生的寿命相比显得极其漫长。这样便会自然理解环境是人类生存的基本条件，人类的生活和健康与周围环境有着密切的联系。

今天地球下层大气中的主要成分N2的浓度为78%，O2的浓度为21%，大气圈中各个组分之间保持着精细的平衡。地球今天的环境状态也是靠生物圈中生命活动来调节、控制和维持的。保持这种环境的平衡状态乃是生物圈所必需，破坏这种平衡状态就是破坏生命的基础。

（1）大气温室效应

研究表明，引起温室效应的主要罪魁祸首是使用矿物燃料后排放的CO2，当然还包括氯氟化物、CH4、O3和N2O等。经测算，它们对温室效应的“贡献”依次为，CO2占50%、氯氟化物占20%、CH4占16%、O3占8%、N2O占6%。

上述气体在地球表面形成像温室一样的玻璃罩，它允许阳光中的可见光和红外线通过，但当这些光线从地面向大气层反射时，大气中的CO2等气体会阻止热量的散发，就像地球表面被裹了一层“热的屏障”。这种不妨碍太阳辐射到达地面，但却阻止地球反射热扩散到宇宙空间的作用，叫做温室效应。

工业革命以来，人类活动不断增加大气层中温室气体的含量，还把大气中原来没有的温室气体制造出来，排入大气中，从而加剧了温室效应。与工业化以前相比，CO2、CH4、氯氟化物、对流层O3、N2O等温室气体的浓度，都有了显著的增加。

以CO2为例，地球大气圈中碳的自然循环，使大气中CO2平均含量维持在300×10-6。由于开采和燃烧矿物能源，以及大规模的砍伐森林和海洋污染，全球CO2浓度严重失衡。

（2）全球变暖潜势（GWP）

目前，大气中的CO2浓度正以每年0.4%～0.5%的速度增长。根据气象资料和科学家的推测，1万年以前至产业革命早期，大气中CO2的浓度基本保持在275×10-6左右。产业革命以后，CO2的浓度急剧上升，1750年为280×10-6，1900年为300×10-6，1958年为315×10-6，1980年为340×10-6，1989年为354×10-6，1998年为360×10-6，20世纪末达到了380×10-6，已非常接近可接受的上限390×10-6。

虽然现在还缺乏有效的定量模型来描述CO2的排放量与全球气候变暖的直接关系，但是，如果仔细对照和分析4000～8000年前的地球温度和当时的生态环境与现在的地球温度和生态环境，那么，温度变化对全球生态系统的决定性影响绝非是耸人听闻。

有些气候学家预计，到2025年全球平均表面气温将上升1℃，到21世纪中叶将上升1.5～4.5℃。世界气象组织的测算结果是，到2030年，地球平均温度可能增长4.5℃。

全球气候变暖将导致海水轻微膨胀，以及地球上的冰融化并流入海洋，从而使海水体积增大，全球海平面确实在缓慢上升，其上升速度为每年1～2mm。在过去100年内，世界海平面已上升了10～15cm，为了子孙后代的利益，人们必须重视这种缓慢上升的累积效应。海水可能淹没许多沿海地区，许多岛屿将会消失，干旱、洪水、暴风等自然灾害将更加频繁地发生。

CH4等也是温室气体的重要来源。煤炭常和甲烷气体共生，因此在开采煤炭时总会伴随着甲烷气体的释放。每开采1t煤平均要释放出13kg的CH4。CH4气体对气候产生温室效应的作用是CO2的23倍。

新近的研究认为，在人类活动所导致的大气温室效应增强作用中，除了CO2的浓度增加这一主要贡献之外，炭黑等大气颗粒物也具有温室效应的作用，它是引起地球气候变化的重要角色。

近年来在印度洋上空进行的国际性测量研究显示，炭黑颗粒物对温室效应的间接作用在于它可以吸收部分太阳辐射，进而减少云的覆盖并引起云中水滴的回暖和蒸发。即通过云的改变而使大气增温。

大气层中的某些气体（CO2、CH4、N2O等）能够增强大气的温室效应是由于它们能够吸收地球向空间发出的红外辐射的一部分。这种吸收的强度及所涉及的波长则取决于该气体的性质、浓度以及同时存在的其他温室气体。为了评价各种温室气体对温室效应影响的相对能力，人们提出了一个被称为“全球变暖潜势”（Global Warming Potential，GWP）的参数。这是非常有用的参数，利用它人们可以对各种不同气体的气候影响作用进行比较。评价的方式是，计算一定量的某种气体在议定的期限内的全球变暖潜势。一般取这种期限为20年、100年和500年。这种比较值会随着期限的增加而变化。下面取100年这个期限来说明这个定义。

GWP是以CO2气体作为评价参考的，即GWP（CO2）=1。对于CH4，则有GWP（CH4）=23。这意味着，如果向大气层中排放1kg的CH4，在未来的100年终端时，它会和23kg的CO2对气候产生同样的影响。因此，CH4是一种气候变暖作用更强的气体。同样道理，N2O的GWP值为296，CFCs的GWP值为5700～11900。对温室效应的作用最大的有害气体是SF6，它的GWP值为22200。如果现在来比较一下GWP值在所取的不同期限（20年、100年和500年）的变化，就会发现CH4的GWP值对应于20年、100年和500年分别为62、23和7或CH4的GWP值显现减少的趋势。而SF6的GWP值（对应于20年、100年和500年分别为15100、22200和32400）随时间却呈现增加的趋势。这是与该种温室气体的大气寿命相关的。如果某种气体的大气寿命比CO2的大气寿命短，它的GWP值就会随着时间进展而增加。某种气体被消除的能力取决于它的化学活性。化学活性越弱，它在大气层中存在的时间就越长。

（3）低碳温室气体的排放量直接导致“低碳经济”的概念

“低碳经济”这一名词首次出现在2003年英国政府发表的《能源白皮书》，题为《我们未来的能源：创建低碳经济》。从此，“低碳经济”成为引起全世界日益广泛关注的热门话题。当时，《能源白皮书》中并没有这一新名词的确切定义以及相关界定方法和标准。日前虽然全球都在谈论“低碳经济”，但其概念仍然不是很明确，而且在不断地更新发展。较为主流的理解是，“低碳经济”指尽可能最小量排放温室气体的经济体。英国首次提出“低碳经济”时，科学界以及公众都比较信服的一个结论就是目前大气中浓度过高的温室气体对全球气候变暖有直接作用，并且证实这些浓度过高的温室气体是人类经济活动、生产、生活的结果。因此，在全球范围内倡导低碳经济是避免灾难性气候变化的必要手段。几乎所有国家都已经认识到急需向低碳经济转型的必要性，各国寻求低碳经济发展已经变成缓解全球变暖长期战略的一个重要组成部分。与此同时，日益枯竭的不可再生型能源资源、不断上升的能源需求以及能源价格，也将推动全球向低碳经济转型。将碳排放量作为一种限定，其含义是“把大气中温室气体浓度稳定在防止全球气候系统受到威胁的水平上”（全球气候公约目标），无论人类选择怎样的发展路径、发展速度、发展规模都必须考虑碳排放量这个约束。“低碳经济”围绕整个经济活动，旨在在生产和消费的各个环节全面考虑温室气体排放，主要体现在对能源生产和消费做更加有效率的选择上，以求达到最小的温室气体排放量。具体来说，“低碳经济”作为一种新型经济模式，与以往的高消耗、低效率和高排放的传统经济有本质上的区别。主要体现在：①工业方面，高效率的生产和能源利用；②能源结构方面，可再生能源生产将占据相当高比例；③交通方面，使用高效燃料，低碳排放的交通工具、公共交通取代私人交通，并且更多地使用自行车和步行；④建筑方面，办公建筑与家庭住房都采用高效节能材料以及节能建造方式。归根结底，都是通过系统地调整体制从而激励节能技术创新、低碳排放技术应用、提高能源使用效率的结果。随着经济不断发展，逐步减少单位GDP的碳排放量，打破传统经济增长与温室气体排放总量之间的旧的高度相关关系，建立新的低碳生活环境和生活方式。低碳经济的概念几乎涵盖了所有产业，内涵扩展为低碳生产、低碳消费、低碳生活、低碳城市、低碳旅游、低碳文化、低碳哲学、低碳艺术、低碳生存主义。

1.3.3　大气温室效应增强可能导致的后果

欧亚和北美大陆的平均温度将会比目前的实际温度高出6～8℃。现在的全球地面每日平均气温与第一次工业革命之前相比增加了0.6℃。这种温度升高变化的规模大小相当于地球从一个冰期过渡到一个间冰期所需要的1万～2万年期间所能观察到的温度变化。而人类活动在一百年的时间内就能产生这种相似的变化，将对地球的大部分生态系统和人类社会本身造成一场灾难。远在人类出现在地球上之前就曾经发生过强烈的生态系统巨变。在这种巨变过程中大量的生物物种灭绝，有的灭绝比例高达90%。

气候变暖会产生一系列灾难性的后果，诸如飓风频率和大陆上暴风雨及热浪的增加、海平面的上升、珊瑚礁的消失和厄尔尼诺现象的增强以及干旱和洪涝等灾害的出现频率增加等。生态系统原来脆弱的状况会趋向产生更加严重的灾害，例如农业上的干旱现象有加剧的危险。这种状况的发生尤其是当气候变化的节律加快时会更加显著。除此之外，气候变化还会带来卫生健康方面的问题。疟疾、登革热和出血热等疾病会在一些原来没有发生过这些疾病的温带国家出现并会在原来就发生这些疾病的国家里蔓延。到21世纪末，如全球气温升高5℃，将会导致海平面大幅上升。临海岸的众多城市如纽约、东京、上海、天津、伦敦将遭受海水倒灌的严重威胁。上海市区一半面积将会成为低于海面的洼地，大片人口密集城乡将成为汪洋泽国。太平洋中一些岛国现在已岌岌可危，而至少孟加拉国一地，就会有近1亿人无家可归。如何安顿这些环境难民并弥补大量耕地减少引发的粮食危机，已经成为现在各国政府面前的严峻课题。

1.3.4　臭氧层破坏

最近几十年以来，很多科学家逐渐认识到平流层大气中的臭氧正在遭受着日益严重的破坏。1985年，英国科学家Farmen等根据他们在南极哈雷湾观测站（Halley Bay）的观测结果，发现从1975年以来，那里每年早春总臭氧浓度的减少超过30%（见图1-3）。这一消息震惊了世界各国和社会各界。

这个臭氧层的破坏，完全像温室效应一样，是一种慢性的、广泛的大气污染的结果。越来越多的科学证据表明，南极臭氧层破坏的根本原因是逸散到大气层之中的人工合成含氯和含溴的物质所造成，最具代表性的化合物是氟氯碳化合物，即氟利昂（CFCs）和含溴化合物哈龙（Halons）。CFCs是20世纪20年代合成的另一种类型的能源物质，被广泛用作液体制冷剂、喷雾剂和发泡剂等。它们在大气中的寿命为几个世纪。人类活动释放的CFCs和Halons化合物在大气对流层里化学性能十分稳定，不易通过一般的大气化学反应去除。经过一定的时间，这些化合物主要在热带地区上空被大气环流带入到平流层，并借助风力从低纬度地区向高纬度地区移动，进而在平流层内均匀分布。

在平流层内，强烈的紫外线照射能够解离CFCs和Halons分子，释放出高活性原子态的氯和溴自由基。氯原子自由基和溴原子自由基就是破坏臭氧层的主要物质，它们对臭氧的破坏是以催化方式的连锁反应进行的，影响很大。臭氧层破坏的过程示意见图1-4。

来自太阳的紫外辐射中，波长为280～315nm的紫外线称为UV-B区，其紫外辐射能量高，对人类和地球上的其他生命造成的危害最严重。这一波段的紫外线能被平流层大气完全吸收。臭氧层的破坏，会使其吸收紫外辐射的能力大大减弱，导致到达地球表面UV-B区紫外线强度明显增加，给人类健康和生态环境带来严重的危害。一般认为，平流层的臭氧总量减少1%，到达地球表面的有害紫外线将增加2%。

1.3.5　酸雨

酸雨已成为当今世界上最严重的区域性环境问题之一。从更广些的范畴而言，酸雨一词可扩展为酸沉降。酸沉降是指大气中的酸通过降水（如雨、雾、雪等）迁移到地面，或在含酸气团气流的作用下直接迁移到地表。一般对酸沉降的研究主要集中在酸雨上面。世界上对雨水的第一次分析监测是在1850年。二氧化硫的自然来源是火山喷发。在北半球，由于人为活动排放的二氧化硫的数量大于自然排放量。在南半球的情况则恰恰相反。

通常把pH值低于5.6的降雨叫做酸雨。这个自然酸性程度在20世纪由于人类向大气中排放的污染物的增加而大大增强，pH值变化为4～4.5。能形成酸雨的污染物中最主要的是化石燃料在燃烧过程中所排放的SO2和氮氧化物气体。诸如石油提炼业、发电、工业及民用的燃油或燃煤采暖。这些主要的工业生产和能源转换部门是SO2产生和排放的最大来源。需要的能源越多，由此带来的污染越严重。一座1000MW的燃煤发电站全年发电6.6TW·h，要消耗6.5Mt的氧和2.5Mt的煤炭而释放出7.8Mt的CO2、40000t的SO2和10000t的NO2。

这些气体同水蒸气进行化学反应以后会形成硫酸、硝酸等酸化土壤和水。

酸雨会以不同方式损害水生生态系统、陆生生态系统，酸雨还会加速建筑材料的腐蚀。酸雨使河流和湖泊水体酸化，水生生态系统紊乱。在酸雨最严重的时期，挪威南部约5000个湖泊中有1750个由于湖水过酸而使鱼虾绝迹；瑞典的9万个湖泊中有2万个已受到不同程度酸雨的侵害。加拿大和美国有数千个湖泊酸化，已经严重到威胁某些生物生存的程度。美国曾报道至少有1200个湖泊已酸化，加拿大抽样调查的8500个湖泊已经全部酸化。

在美国国内，工业高度集中的东北部地区酸雨正逐步蔓延到西部人口稠密地区以及重要的自然保护区。美国世界资源研究所和加利福尼亚大学伯克利分校对西部共同进行的酸雨测试表明，“整个西部宝贵的水资源、林业资源、11个国家公园和数百万英亩的自然区正处在酸雨的淫威之下”。

酸雨还会烧死农作物或使之减产。美国科学家的研究结果表明，授粉后立即遭受酸雨淋过的玉米，结出的颗粒要比未受酸雨淋过的玉米少。而且，雨中所含的酸性成分越多，结出的颗粒越少。有时，一场酸雨过后，可使几百亩的农作物一片枯焦。

酸雨不仅严重危害自然环境，而且已经成为损害人体健康的一大因素。据美国政府的推算，1980年由于酸雨和硫氧化物污染造成的死亡人数占全国死亡人数的2%，即相当于全美国有51000人死于大气污染。

酸雨的腐蚀作用还加速了建筑物、桥梁、水坝、工业装备、供水管网、水轮发电机和通讯电缆等材料的损坏、使用寿命缩短，并严重损害历史建筑、雕刻等文化古迹（见图1-5）。

1.3.6　热污染

在能源的环境效应之中，除了有毒有害的化学污染物、大气的温室效应、放射性物质等之外，热污染也是能源利用过程中的一种生态环境污染。热污染是指人类在广泛利用能源的各种生产和生活活动中所排放的废热造成的环境污染。废热可以污染大气环境和水体环境。

（1）城市热岛效应

所谓“城市热岛效应”是指由于城市区域的人口高度密集、工业集中以及消耗大量的燃料，全部能量最终将转化为热能，进入大气，使城市气温明显高于郊区气温的现象。城市热岛现象于18世纪初首先在英国的伦敦市发现。这种大气的热污染造成的城市热岛效应，是人类活动对城市区域气候影响中最典型的特征之一。

热岛气候使一些夏季原本十分炎热的城市变得更加炎热，夏季城市气温过高会诱发冠心病、高血压、中风等，直接损害人体健康。当有热浪袭击时总体死亡率呈上升趋势，例如1995年芝加哥的热浪和2003年夏季法国的酷暑曾在短时间内引起众多人的死亡。1980夏季热浪袭击美国圣路易斯市和堪萨斯市，两市商业区死亡率分别增高57%和64%，而附近郊区仅增高10%。城市热岛效应自然会对这种热浪袭击起着助纣为虐的作用。

城市热岛效应还会导致城市上空的云、雾和降雨的增加，这就是热岛效应带来的所谓“雨岛效应”和“雾岛效应”。城市多雾会严重妨碍水陆交通和飞机的起落等。

（2）水体热污染

使用江河、湖泊水作冷源的火力发电厂、核电站以及煤矿、冶金、石油、化工等工业部门所排放的大量废水温度较高，进入到江河、湖泊等自然水域会引起这些接纳水体局部水温升高，形成水体的热污染。

火电厂和核电站是水体热污染的主要来源。由于所有的热力学机器都不能直接利用热能，因此就会对环境产生热影响。例如核反应堆发电的原理是利用裂变反应放出的热量来产生水蒸气，再将水蒸气用于驱动连接交流发电机的涡轮机。这种系统运行的热力学效率取决于热源与冷源的温度差值。在法国利用这种核反应堆发电的效率是33%。这就是说每生产1GW的电就要浪费2GW的热能。一般一座1000MW的火电厂，每小时就有4.6TJ的热量排放到自然水域中。使用化石燃料、生物质或废弃物的发电站存在着同样的环境问题。

法国吉隆河入海口的布来埃核电站装有4台900MW的机组，每秒钟产生的温水水量为225m3，致使古隆河口数公里范围内的水温升高了5℃。美国每天全部企业冷却用水水量高达4.5亿立方米，其中的80%都是发电厂使用的冷却用水。

热污染会使收纳水体温度升高，影响水生生物的生存，破坏自然水域的生态平衡，危害渔业生产。由于水温升高会导致水中的溶解氧含量减少而处于缺氧状态。同时水温升高会使水中藻类大量繁殖，加速水体的富营养化过程，也会使所有水生生物的代谢率增高而需要更多的溶解氧。这样一来，水中鱼类和其他浮游生物的生长将受到影响。水温升高对于在较低水温中生长的鱼类危害更大，其产卵和孵化受影响而导致繁殖率降低。

此外水体升温还容易滋生一些致病微生物，引起疾病的传播、流行。水体热污染有助于流行性出血热、伤寒、疟疾、登革热等疾病的发生。

1.3.7　生物多样性锐减

生物多样性锐减这一全球性环境问题是由人类行为所导致的，同样亦可视为能源利用的一种负效应。据估计，在20世纪80年代后期，热带雨林的面积正以每秒钟减少两个足球场的速度被毁坏，若继续保持这个速度，几十年以后几乎所有的热带雨林都将被毁灭。从1960年起地球森林面积已有一半遭到破坏。此外，全球变暖导致气候以及自然生态系统在比较短的时间内发生较大变化，这也是全球生物多样性锐减的主要原因之一。

人们已经意识到生物多样性及其组成成分的资源价值，包括在生态、社会、经济、科学、教育、文化等各个领域的价值。生物多样性的资源价值主要体现在两个方面。一方面，地球上的生物多样性以及由此而形成的生物资源构成了人类赖以生存的生命支持系统。人类社会的一切进步和发展都是建立在生物多样性基础之上，人类的生存离不开其他生物。另一方面，生物多样性的资源价值体现在生态系统的生态服务功能。生态系统调节着地球上的能量流动，保证了自然界的物质循环，从而维持着大气的构成平衡，涵养水源，净化水源，为人类提供休息场所等。生态服务功能的经济价值不低于生态系统的直接经济价值。

有关生物多样性，目前国际上讨论最多的是物种多样性。科学家估计地球上的生物物种大约在500万～1000万种之间，其中经过科学鉴定和记录的生物物种大约有170万种。对研究较多的生物类群来说，从极地到赤道，物种的丰富程度呈增加趋势，其中热带雨林的物种最为丰富。在热带森林的考察证明，在潮湿的热带森林中尚未鉴定的昆虫和其他无脊椎动物种类数量十分惊人，可能有上百万种。中国地貌类型丰富，具有北半球所有的生态系统类型，无论在生物资源种类上还是在数量上都占有相当重要的地位，是世界上生物多样性最丰富的8个国家之一。

科学家估计，按照目前每年砍伐1700万平方公里的速度，今后30年内热带雨林可能就会毁掉。栖息地的改变与丢失意味着生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性的同时丢失。

当前地球上生物多样性损失速度比历史上任何时候都快。根据生物学家爱德华·威尔逊的估计，自然发生的即与人类行为无关的本底灭绝速率大约是每几年一个物种。而目前每年约有4000～6000的物种濒临灭绝，或者说每天约有10余种。这一灭绝率竟是与人类行为无关的自然灭绝速率的10000倍。联合国环境规划署的评价结论说，在可以预见的未来，5%～20%动植物种群可能受到灭绝的威胁。还有研究表明，依照目前的情况发展下去，在下一个25年间，地球上每10年大约有5%～10%的物种将要消失。

物种的多样性有益于人类，物种的灭绝和遗传多样性的丧失将使生物多样性不断减少，逐渐瓦解人类生存的基础。生物多样性的大量丢失和有限生物资源的破坏已经和正在直接或间接地抑制经济的发展和社会的进步。

1.3.8　大气污染引起的健康危害

人类使用的大量的煤炭、石油等化石能源，在燃烧过程中会产生很多种大气污染物，燃烧被认为是大气污染的第一来源。这些大气污染物会对人体健康和环境产生有害影响。大气污染物按其来源可分为一次污染物和二次污染物。直接由污染源排放的污染物可称为一次污染物，如二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和硫化氢（H2S）等。而在一定条件下，由大气一次污染物参与化学反应而生成的污染物，称为二次污染物，如臭氧（O3）、过氧乙酰硝酸酯（PAN）和硫酸雾（H2SO4）等，二次污染物比一次污染物对人体的危害更为严重。

大气污染物按其在大气中的存在状态则可分为分子状态污染物和粒子状态污染物两大类。常见的分子状态污染物如SO2、NOx、CO、O3等沸点都很低，在常温常压下以气体分子形式分散于大气之中。粒子状态污染物（或颗粒物）是分散在大气中的微小液体和固体颗粒，粒径多在0.01～100μm，是一个复杂的非均匀体系。粒径小于100μm颗粒物表示为总悬浮微粒物（TSP），粒径小于10μm的颗粒物可以长期漂浮在大气之中，常表示为飘尘（PM10）或可吸入颗粒物（IP）。由于飘尘粒径微小，具有胶体性质，所以又被称为气溶胶。它可被人体直接吸入呼吸道内造成危害，所以是最引人注目的研究对象之一。由化石能源燃烧产生的大气污染主要表现为煤炭型污染和光化学烟雾污染两种类型，它们对人体健康的危害形式亦有所不同。此外还有海洋污染。2004年5月，联合国教科文组织巴黎会议报告：人类用煤炭和石油所排放的CO2有48%为海洋吸收。这就是说，自19世纪产业革命开始以来，海水中已积聚超过1180亿吨的CO2，这使海水的酸度增加，从而威胁许多海洋生物的生存。

联合国环境规划署警告：地球海洋中的“死亡地带”正在增加。在过去10年间，海洋死亡地带明显扩大。

1.3.9　能源开发和运输过程所致的环境效应

无论是化石能源还是可再生能源，在开发或运输的过程中都能引起某些种类的环境效应或恶性事故的发生。

（1）煤炭的开采

煤炭是化石能源中数量最多的部分，煤炭也是污染环境最严重的一种能源。煤炭的开采方式可以分为露天开采和地下开采。在全世界露天开采方式约占1/3，地下开采约占2/3。煤炭常和甲烷气体（CH4）共生，因此在开采煤炭时总会伴随CH4气体的释放。每开采1t煤平均要释放出13kg的CH4。CH4气体产生的温室效应的作用是CO2的23倍。

煤炭开采时，工人由于吸入二氧化硅粉尘而导致的矽肺病通常是不可逆转和致命的。在机械化开采时产生的粉尘粒度比手工开采时更细，细粒粉尘可以长驱直入到达人体肺叶深部，因而矽肺的发病率更高。

伴随着煤炭的地下开采还会产生大量的剥离物，在地表形成体积庞大的矸石山。通常每采选1t煤炭约产生0.2t的煤矸石。例如，我国每年产生的煤矸石数量约为1亿吨之多。庞大的矿区矸石山要侵占大量的农田，矸石堆经雨水浸滤可以导致水源污染。其中发热量相对高一些的矸石山还会发生自燃，排放出大量SO2、CO等有害气体，污染大气环境。此外，开采区上方的地面塌陷也是时常可能发生的。

质量较差的煤炭含有很高比例的灰分，在分选时会产生废弃物。存放在煤矿或使用地点附近的煤炭以及煤炭运输时都经常会引起污染。堆积的煤炭会被雨水浸滤或者随风散佚灰尘。鲁索（P.Rousseaux）等估计有0.05%～0.1%的煤炭会以此种方式散失到环境之中。

煤炭燃烧时产生能增加大气温室效应的CO2气体同时也会产生灰尘。需要的能源越多，由此带来的污染越严重。一座1000MW的燃煤发电站全年发电6.6TW·h，要消耗6.5Mt的氧和2.5Mt的煤炭，并释放出7.8Mt的CO2、4万吨的SO2、1万吨的NO2和6000t的粉尘。同时会产生45万吨的固体废弃物。

煤炭开采时还会伴有放射性污染的发生。根据产地不同，每吨煤炭含有1～10g的放射性元素铀，而含有的放射性元素钍的量大约是铀的2.5倍。因此，上述燃煤发电站每年通过大气或粉煤灰向环境中释放平均数量为几十吨的铀和钍。美国的一项研究指出，一座燃煤发电站附近的人群所接受的放射性剂量要比同等功率的核电站附近的人群高百倍。当然，燃煤发电站对人群健康的影响可能更主要来自煤炭燃烧时的化学物质污染。

（2）石油的海洋运输污染

在石油钻探、开采、提炼、运输和使用过程中，都会有一部分石油流失到周围环境中，有些流失是作业过程中难以避免的（见图1-6）。开采石油时对矿脉中石油的回收率为30%，采用新技术时回收率可以达到40%～50%。使用油井勘探和采油时会丢失0.01%～0.02%的石油。伴随石油开采抽出的大量盐水一般会反注入油井，但有时也会流入表面水体中，特别是在开采海洋石油时。这可以成为影响海洋水体环境的一种因素。通过提炼石油人们可以得到各种烃类化合物、燃料、沥青以及各种石油化工产品。值得注意的是，在各种加工、提炼过程中要耗损掉大约10%所处理的石油总量。

海洋以其巨大的容量消纳着各种自然来源和人为活动产生的污染物。近几十年来在日益严重的海洋污染之中，最引人注目的是海洋的石油污染。很多石油是经过海洋运输的，大约50%的海上运输用来发运化石燃料，其中的30%是原油，11%为石油产品，9%为煤炭。

海洋石油污染给海洋生态带来了一系列有害影响，会引起多种环境效应。污染物中比较重的、不易流动的部分是难以清除的，一般会造成相当严重的环境损害，尤其是当海岸被污染时。烃类化合物对海洋的污染使附近海域的水生生物、海鸟受到极大影响，海滩旅游业蒙受极大损失。

世界海洋已具有明显油膜的分布，每升几微克的低浓度可溶性石油组分已遍布海洋的每个角落。海水表面的油膜能阻碍海水与空气之间的气体交换，导致海水中生物缺氧。由于油膜的影响，海洋藻类光合作用急剧降低，其结果是使海洋产氧量减少，同时也影响其他海洋生物的生长与繁殖，对整个海洋生态系统产生影响。

石油中的某些组分还具有消化道毒性。烃类化合物也同样是一种可以生物降解的有机物质，降解需要的时间或长或短，因此可被称为具有营养性的物质。生物降解的第一阶段会导致水域之内的氮和磷的减少以及溶解氧浓度的降低，继第一阶段之后发生的是水体富营养化和随之而来的被石油污染致死的动物的矿化过程。海面浮油使食物链被包括致癌物质在内的毒物污染。污染海域的鱼、虾及海参体内苯并芘类致癌物浓度明显增高。

此外，被海面浮油浓集的原本分散于海水中的氯烃等农药或者石油中某些组分本身类同于一些海洋生物的正常的化学信息。由于石油污染造成的这种假信息会影响许多鱼、虾类的觅食、交配、迁徙等行为。试验证明，数个10-9浓度的煤油可以使龙虾离开天然觅食场所游向溢油污染区。这是海洋石油污染对海洋生物极其有害的一种影响。

当海岸被这些称为“黑海潮”的石油污染时，海滩旅游业受到的各种损失极其惨重。昔日繁华绚丽、风景如画的蓝色海岸顿时变得萧条冷落。这种情景近年来屡屡发生在西班牙、法国等国的海滨城市。

1.3.10　能源使用的“误区”——现代高能农业

每一寸肥沃的土壤都是一个复杂的有机系统。在这个系统中，为生命所必需的物质依靠太阳能做周而复始的循环，从植物到动物，到土壤中的细菌，再回到植物中。除了许多其他营养性化学物质外，碳和氮是贯穿整个生态循环过程的两种基本化学成分。在传统农业中，农民对土壤施畜肥，而不是化肥。这样，把有机物质送还到土壤中，使其重新进入生态循环过程。

长期形成的这种生态农业大约在45年前发生了质的变化。农民从使用有机肥转向使用人工合成产品。这对矿物能源资源日益短缺的趋势简直是“火上浇油”。

高能耗农业的主要特征是机械化和能源密集，自动收割机、播种机、灌溉机械以及许多其他农业机器，节省了数亿人的体力劳动。在美国，玉米亩产提高3倍的同时，劳动力却减少了2/3。但是同时，生产1英亩玉米所耗费的能源增加了4倍。

过度的“化学疗法”已严重损害土壤和人类的健康，对社会关系以及整个地球生态系统也是极为有害的。

年复一年地种植单一品种的庄稼和使用化学肥料，扰乱了土壤的自然生态平衡。土壤赖以保持湿度的有机物含量不断降低。板结的土壤迫使农民使用功率更大的机器。

自1945年以来，美国的化肥使用量增加了6倍，杀虫剂的使用量增加了12倍，导致目前食品成本的60%是能源成本。因此，现代农业的基础已经从土地转向石油。

在西方发达国家，整个农业经济体系，包括税制、信用体系和不动产制等，都建立在高能农业的基础上。

高能农业也严重威胁着人类的健康。过度使用化肥和杀虫剂使大量有毒化学品渗入到土壤中，污染地下水并出现在食物中。市场上的杀虫剂可能有半数混有会损害人体自然免疫系统的石油馏出物，另外半数含有致癌物质。

大力推广绿色革命的主要理由是解决世界性粮食短缺问题。但是，深入的研究已经表明，解决世界性粮食匮乏不能全靠技术途径，更需要全面的政治和社会改革。缺乏农业土地不是导致饥饿的唯一原因。

1.3.11　废弃物泛滥成灾

发达国家建立在能源与资源高消耗基础上的生产体系和高消费的生活方式，不仅对资源环境造成极大的压力，同时还产生大量的垃圾和危险废弃物。

据估计，全球每年新增垃圾100亿吨，人均2t左右，其中发达国家占有很大的比重。在许多国家，垃圾的处理能力远远赶不上垃圾的增长量。

在垃圾中有相当一部分是危险废弃物。由于对危险的定义还未统一，因此，对世界每年产生的危险废弃物的数量没有公认的估计数。可以作为参考的一个估计数是，全世界每年约产生3.3亿吨危险废弃物，其中的80%来自美国、德国、日本、英国、法国和意大利等，发展中国家如巴西、印度以及中国每年也产生大量的危险废弃物。

许多国家政府与国际组织都在设法控制危险废弃物不断引发的问题。但是，由于危险废弃物的性质多种多样，要控制它们极其困难。这些危险废弃物不但严重污染空气、水源和土壤，而且由于各国对危险废弃物的理解不同，管理方式各异，从而使危险废弃物易于通过各种渠道损害人体健康。

在人类的生产活动中，化学工业造成的危险废弃物最多。目前市场上约有七八万种化学品，其中对人体健康和生态环境有危害的约有3.5万种。联合国环境署发现，发达国家在地中海的工厂每年向海洋倾倒约3万吨有害金属、90t以上的农药残余物，以及其他污染物质。大量鱼类受到污染，有的已不适于人类食用。类似的污染情况也出现在其他海域。

更加恶劣的是，发达国家为维持其原有的生活和消费方式，同时保护本国的生态环境不受污染，把大量污染严重的工厂转移到发展中国家。如西非海岸外的大西洋现在富含铝、锡、铬、氯化物、氟化物等污染物质，而这些污染物都是发达国家生产铝、钢和其他金属原材料时的伴生物。

1.3.12　水资源短缺

联合国环境与发展大会在《21世纪议程》第十八章——《保护淡水资源质量和供应：水资源开发、管理和利用综合性办法》中所提出的建议，确立“世界水日”的决议，旨在使全世界都来关心并解决水资源短缺的问题，不然，水危机很可能会比粮食危机或石油危机更早到来。据联合国提供的数据，至1994年3月，大约有10亿人得不到充足的洁净饮用水供应。在全世界范围内，每天有6000～3.5万名儿童因缺乏饮用水或因缺水造成的后果而死亡，其中非洲的形势最严峻。

世界气象组织和联合国教科文组织共同为在马拉喀什举行的世界水资源论坛准备的一份文件的序言中写道：“到21世纪，水有可能成为一种罕见之物。”联合国的6个国际机构、一些大的发展银行、还有非政府组织及私营部门的一些代表参加了这次会议。专家们还写道：“必须从现在起就要想办法，以避免因水资源的匮乏而引发的国际冲突。”同时，他们还强调：“在未来50年里，与水资源匮乏及大面积水面受到污染相关的各种问题实际上是与地球上的所有居民都有关系的。”

据联合国统计，21世纪以来，由于人口增长使全世界的淡水消费量增加了7倍。近年来，每年的淡水使用量达到32400亿立方米。目前，全世界大约有15亿人缺乏饮用水。此外，世界各国的淡水消费量相差悬殊，美国人日均消费600L水，欧洲人消费200L，而非洲人只有30L。

在2050年以前，全球人口可能将增加近1倍，而人们对水需求量的增加则比人口的增加快2倍。1998年8月，美国马里兰州约翰·霍普金斯大学公共健康小组发表报告称，到2025年，面临水资源短缺问题的人口会从当时的近5亿增长到28亿，到那时全球人口将达到80亿。目前全球有31个国家存在水资源短缺问题，但到2025年人口压力将使这一数字增加到48个。报告说，1996年人类使用的淡水占全球淡水总量的54%；在未来30年，人口增加将使这一数字增加到70%，甚至更多。

世界气象组织在1997年3月22日“世界水日”时发表报告指出，随着世界人口的急剧增加，21世纪将可能发生淡水危机，各国政府和人民对此应给予高度重视。这份报告说，全世界淡水消耗量自20世纪初以来增加了6～7倍，比人口增长速度高2倍。报告预计世界人均淡水拥有量将从1995年的7300m3减少到2025年的4800m3，减幅达1/3。同时，全球缺水地区会越来越多，农业、工业、生活用水相争的形势将更加紧张。报告呼吁人类珍惜只占地球水量2.5%的淡水资源，高度重视迫在眉睫的水危机，制订具体措施，加强对水资源的管理。

人类面临的严峻而复杂的淡水资源问题，首先是水资源分配不均（世界上有40%的居民遭受缺水的痛苦），对水资源的管理不善，浪费严重。据统计，从地下抽取的水有大约70%是用于农田灌溉的，在发展中国家甚至达到90%。有23%的地下水用于工业生产，只有7%是家庭用水。而且由于采用的是传统的灌溉技术，水在到达农作物根部之前就已经变成蒸汽挥发了。城市供水管道漏水率也高达50%。

其次，淡水资源的污染日益严重。据世界卫生组织统计，全世界每年至少有1500万人死于水污染引起的疾病，仅痢疾每年就夺去四五百万儿童的生命。沼泽污水滋生的蚊子传播的疟疾每年传染10亿人，造成270万人死亡，其中非洲儿童占100万。尤其令人警醒的是，造成水资源污染的主要原因不是自然灾害，而是人类的行为。在地球现有的水资源中，地下水资源日趋减少和受污染的状况格外令人担忧。目前全球约有1/2的人饮用或使用地下水，随着人口猛增以及工业化和都市化进程不断加快，人类对地下水的需求与日俱增。人们在无限制地开采地下水的同时，却不重视、也没有足够能力保护地下水资源。结果，人类排放的污染物逐渐渗入厚厚的地层，污染了过去被认为是最安全和最洁净的地下水。目前，世界许多城市的地下水已遭到不同程度的污染，有的已不适合人类饮用。控制地下水的过度开采，防止地下水污染，将成为有关国家今后几年内最迫切的任务之一。

污染及浪费的增加，对地下水的不合理开采使得1950～1990年间美洲大陆水的使用量增加了100%以上，非洲大陆水的使用量增加了300%以上，在欧洲增加了近500%。亚太地区，特别是南亚和东亚地区，水荒日趋严重。以印度为例，目前约有4500万人喝不到洁净水，每年有近100万儿童死于由于饮用不洁水或其他卫生问题而造成的各种疾病。在整个东亚地区，每3个人中只有1个人能喝到经过卫生处理的水。

1.3.13　太多的人口——68亿人的地球

专家们认为，世界人口到2050年将增加到73亿～107亿，2050年最有可能达到的人口总数为90亿左右。从中期看，2020～2025年的年均人口增长总数将降至6400万，到2045～2050年，将大幅下降至3300万。然而，要维持全球90亿人口的生存，地球届时必须能够生产出相当于今天两倍的卡路里。

事实上，目前许多国家已经存在食物供应赶不上人口增长的危机，全球至少有11亿人无法得到安全的饮用水，26亿人缺乏基本的卫生条件。所以，对于未来的世界来说，人口持续增长的挑战是双重的，一方面必须解决现存的贫困和食物短缺问题，另一方面必须考虑长远可能出现的食物供应危机问题。面对食物供应远景中的诸多不确定因素，更现实的态度应当是：与其让人口不加限制地增长，不如采取适当的人口政策：使人口增长稳定下来。

人口的迅速增长使地球资源的消耗加快。美国世界观察研究所指出：1900年世界平均每天只消耗几千桶汽油，而到100年后，人类平均每天消耗7200万桶汽油。1900年人类每天对金属的使用为2000万吨，而现在上升到12亿吨，人类对其他自然资源的消耗也是如此。

1.4　能源危机与中国发展

在介绍能源的环境效益时，尤其要注重中国。这块被誉为居天下之中，如花似锦的土地，这块哺乳过世界最长的连续文明和世界最多人口、现在仍具有巨大发展潜力的土地，正面临巨大能源资源的紧缺和生态环境的破坏。

1.4.1　中国人口

在寻求发展与环境更和谐关系的进程中，人们认识到人类影响力中存在三个相互关联的成分，可以认为是人口、消耗、技术因素的乘积。对环境的影响力=人口×消耗×技术。

而在中国，人口因素首当其冲。

中国长期保持在世界人口中最为密集地区的地位。事实上，中国很多地区从事耕耘的农村人口密度早已高于欧美中小城镇人口密度。由于人口基数庞大，能源需求巨大。一个显而易见的例子，如果用电热水器解决我国13亿人必不可少的洗澡问题，每个人每天用水以50L计，仅此小小需求就超过8个长江三峡工程发电总量。人口问题包括人口数量、人口素质、人口结构、人口分布这四大类问题。从数量、素质、结构、分布来看，中国人口的现状如下。

中国人口规模庞大与人口持续增长的现状将长期并存。在一个人口过剩的国度，人们要面对的挑战是要认识到人口既是资源和财富，也是负担和问题。目前，中国处在人口的增长势能尚需较长的时间来释放惯性的增长阶段。当前和今后十几年，中国人口仍将以年均700万～1000万的速度增长。21世纪，中国将先后迎来总人口、劳动年龄人口和老龄人口三大高峰。

庞大的人口数量，一方面为中国经济社会发展提供了丰富的劳动力资源、巨大的国内消费市场；另一方面，人口多也确实给中国的资源环境带来了巨大的、持久的压力，形成了中国特有的人口与发展的三大问题。第一是十几亿人的吃饭问题，第二是十亿人左右的就业问题，第三是几亿人养老的问题。

如果说20世纪80年代以前谈论中国的人口问题，主要在于科学文化素质偏低、健康素质不高，近年来，“人口老龄化”、“出生性别比偏高”等问题则已成为人们关注的焦点。

中国科学院国情分析研究小组估测，中国人口承载量应控制在16亿人以内，最适合的人口是7亿左右，这是维持中国人口的生命线。根据生态系统的负荷能力，中国按粮食产量计算，不应该超过12.6亿人；按能源的理想负载，不应该超过11.5亿人；按土地资源，不应该超过10亿人；按淡水供应，不应该超过4.5亿人；按动物蛋白供应，不应该超过2.6亿人。这就是中国人口面临的严峻现实。

1.4.2　水资源

中国人均水资源占有量为2300m3左右，相当于世界人均的1/4、美国的1/5，是世界人均水资源极少的13个贫水国之一。中国农业年缺水300亿立方米，城市则缺水60亿立方米。因为缺水，每年工业约有2000亿元的损失，农业约有1500亿元的损失。

根据绿色和平组织的报告，在过去的24年中，中国青藏高原的冰川融化了3000km2，按照这个速度，到2050年，中国现存的冰川将融化1/2，而到2100年，中国的冰川将全部消失。

根据水利部《21世纪中国水供求》分析：2010年中国工业、农业、生活及生态环境总需水量在中等干旱年为6988亿立方米，供水总量为6670亿立方米，缺水318亿立方米。这表明，2010年后中国将开始进入严重缺水期。

按照国际公认的标准，人均水资源低于3000m3为轻度缺水；人均水资源低于2000m3为中度缺水；人均水资源低于1000m3为重度缺水；人均水资源低于500m3为极度缺水。中国660多个城市中，有400个不同程度缺水，100多个重度缺水。在14个沿海开放城市中，有9个重度缺水；在32个百万人口以上的特大城市中，有30个长期受缺水困扰；在46个重点城市中，有45.6%的城市水质较差。

据《中国可持续发展水资源战略研究报告》，到2030年全国城市工业用水和城市生活用水的总量将达到1320亿立方米，比现在增加近700亿立方米；国民经济需水总量将达到7000亿～8000亿立方米；而实际的可用水资源仅有8000亿～9500亿立方米，需水量已接近可利用水量的极限。2009年秋冬至2010年春，中国西南地区持续干旱，昔日碧波荡漾的溪流和湖泊干涸龟裂，亿亩良田严重减产甚至颗粒无收，数千万居民饮水困难。为解决水的短缺，抗旱部队钻井深度已达1400m。

随着地表水源不断枯竭，一些城市只好采用地下水。全国有400多个城市开采利用地下水，在城市用水总量中，地下水占到30%。全国地下水多年平均超采74亿立方米，超采区共有164片，超采区面积达18.2万平方公里，而地下水水位的逐年下降已经达到极其严重的程度。20世纪50年代，北京的水井在地表下约5m处就能打出水来，现北京4万口井平均深度达49m。按照现在的抽水速度，再过10～15年，很多地方抽水将抽到基岩，也就意味着城市地下供水的水源会永远消失。

中国的水污染也特别严重，70%的河流都是受到污染的，75%的湖泊遭受了不同程度的富营养化，大约3亿人不能饮用洁净水。中国废污水排放总量占世界总量的10%，单位产值废污水排放量为世界平均水平的3倍，且80%未经适当处理就排入江、河、湖、海。经过对中国532条河流的监测，有436条河流受到不同程度的污染。七大水系（长江、黄河、淮河、松花江、海河、辽河和珠江）中，长江支流呈轻度污染，黄河及松花江支流出现重度污染，淮河、海河流域为严重污染。七大水系中大约60%的水被定级为Ⅳ类甚至更差，这意味着不适于人类接触。

污染也恶化了水资源短缺的问题。在以前水资源丰富的珠江三角洲地区和长江三角洲地区，最近几年也出现了水质型水资源短缺，相当数量的水因为严重污染而变得不可使用。污染还扩展到了地下蓄水层，据估计，25%的地下蓄水层正在被污染。

中国近海海域污染也很严重。对18个海洋生态监控区的监测表明，主要海湾、河口及滨海湿地生态系统均处于不健康或亚健康状态。全国海域未达到清洁海域水质标准的面积为13.9万平方公里，其中，严重污染海域面积约为2.9万平方公里。据大连与日本北九州合作对大连湾的监测，共检出有机污染物220种，其中有47种属美国优先控制的危险物质。

1.4.3　土地退化

中国是世界上土地沙化最严重的国家之一，目前中国的荒漠化土地面积有264万平方公里，占国土面积的27%（见图1-7）。土地沙化面积在20世纪50年代每年扩展1500km2，70年代每年扩展2100km2，1994～1999年，年均扩展3436km2，相当于沿海地区每年损失两个中等县的土地面积。据初步测算，新中国成立后的50多年，中国土地沙化面积已经扩大超过10万平方公里，即相当于一个江苏省的土地面积被完全沙化。如果再不采取积极措施，扭转土地沙化加剧的势头，在今后的50年里，还将有成倍面积的土地沙漠化。

城市经济的快速发展、人口的急剧膨胀、资源的大量消耗，使得部分城市市区原有的自然生态系统破坏严重，地表大部分被建筑物、混凝土路面所覆盖，由此引发了各种各样的环境问题，影响了城市居民的日常生活，制约着城市的健康发展。

1.4.4　中国酸雨状况

我国是以煤炭为主要能源的国家，是世界上最大的煤炭生产和消费大国，煤炭在一次能源结构中占的比重一直在70%以上。燃煤时排放的SO2是煤炭的含硫组分在燃烧时被氧化而成的。煤炭的含硫量随煤质而异，我国的煤炭平均含硫量为1.72%。

我国酸雨的化学特征是pH值低、离子浓度高，硫酸根、铵和钙离子浓度远远高于欧美，而硝酸根浓度则低于欧美，属硫型酸雨。从20世纪80年代以来，中国的酸雨污染呈加速发展趋势。在80年代，中国的酸雨主要发生在重庆和贵阳等高硫煤使用地区及部分长江以南地区，酸雨区面积约为170万平方公里。到90年代中期，酸雨区向青藏高原以东及四川盆地扩大。以长沙、赣州等为代表的华中酸雨区为全国酸雨污染之最，其年均降水pH值低于4.0。因酸雨引起的经济损失相当巨大。2004年我国出现酸雨的城市为298个，占统计城市的1/2以上。酸雨城市主要分布在华中、西南、华东和华南地区。湖南和江西是华中酸雨污染最为严重的区域。

有数据显示，1949年以来，我国火电占总发电量的比例一直在75%以上，1991～2002年（除2001年）10年间更是保持在80%以上。火力发电企业排放的SO2成为我国大气污染的主要来源之一。

当前，中国的温室气体排放总量居世界第二位。国务院发展研究中心社会发展部苏杨博士介绍，近几年，随着我国进入重化工业高速增长时期，火力发电行业从2002年后进入爆发式增长，2004年火电机组新装机容量竟然超过2002年新装机容量近100%。显然，这意味着我国温室气体的排放也将可能快速增长。

此外，燃煤发电是山西、内蒙古生态退化的罪魁祸首，也是北京沙尘暴的主要原因。

1.4.5　无处可扔的城市

随着城市化的迅速推进，城市产生的垃圾数量越来越多。目前，城市垃圾总量已占全球垃圾总量的90%以上，成为当今一大世界性的“公害”。

据国家环境保护总局公布的数字，中国造成环境污染的固体废物中，最多的是生活垃圾和工业废物。目前，生活垃圾年产量约为2亿吨，工业废物为8亿吨，其中化学品等危险废物近1000t。由于缺乏有效处理，中国历年的垃圾存量已超过60亿吨。

随着中国成为世界的工厂，它也正在变成世界的“垃圾场”。联合国环境规划署的一份报告显示，全球每年产生的电子设备废料高达2000万～5000万吨，它是目前世界上增长最快的固体垃圾，其中80%被运到亚洲，其中又有90%被弃于中国。近年来，中国每年要容纳全世界70%以上的电子垃圾，已经成为世界最大的电子垃圾倾倒场。中国电子垃圾的数量还将以每年5%～10%的速度迅速增加。电子垃圾中含有铅、镉、锂等七百多种物质，其中50%对人体有害，在回收过程中如果处理不当，将严重污染环境。

目前，中国城市垃圾的年产量超过2亿吨，每年还以8%～9%的速度增长。历年来城市的垃圾堆放存量超过50亿吨，全国有30多个城市的垃圾堆存量超过1000万吨，近200个城市已无合适场所堆放垃圾，全国2/3的城市处在垃圾包围之中。

全国城市垃圾的产量平均每年增加10%，而清运量仅占产量的40%～50%，50%以上的垃圾堆放在城市的一些死角甚至公共场所，大量未经处理的工业废渣和生活垃圾堆放在城郊等地，成为严重的二次污染源，影响环境安全和人体健康。而且，一些垃圾污水由城郊渗入地下，严重地污染了地下水，祸及城郊菜地和果园。

中国城市目前处理生活垃圾的方法除露天堆放外，还有卫生填埋。这种方法避免了露天堆放产生的问题，其缺点是建设的填埋场占地面积大、使用时间短（一般10年左右）、造价高、垃圾中可回收利用的资源被浪费了。其次是焚烧，这种方法虽然使垃圾体积缩小了50%～95%，但烧掉了可回收的资源，释放出有毒气体，如二英、电池中的汞蒸气等，并产生有毒有害炉渣和灰尘。第三种是堆肥，这种方法需要人们将有机垃圾与其他垃圾分开，但是它具有很好的发展前景。

城市作为经济和生活中心，污水排放量大，加之中国城市污水的处理水平普遍不高，城市水环境面临的形势十分严峻。

1.4.6　物种减少

国际自然与自然资源保护联合会发布的《2004濒危物种红名单》，把中国列为世界上生物多样性受到最大威胁的5个国家之一。据估计在3万种高等生物中有3000种处于濒危灭绝状态，而已灭绝的野生动物有高鼻羚羊、白臀叶猴、豚鹿、新疆虎、赤颈鹤、白掌长臂猿等。中国的濒危针叶植物种类占全球第一（34种，其中26种为中国特有）；濒危哺乳类动物种类（82种，其中30种为中国特有）仅次于印度尼西亚和印度而居全球第三位；濒危鸟类种类（85种，其中17种为中国特有）仅次于印度尼西亚、巴西和秘鲁，与哥伦比亚同为全球第四位。中国被列入世界濒危动物“红皮书”的种数共123种，列为国家保护名录中的一、二级保护动物有277种。

导致中国野生动植物减少的缘由，一是不适度的开发，二是滥捕、滥猎、滥采，三是环境污染。保护中国的动植物资源已经迫在眉睫，应提上各级政府的议事日程。

1.4.7　可持续发展重大阻力

（1）环境

近30年来，中国经济获得了前所未有的持续的高速增长，但是，由于资源开发的迅速扩大和能源消耗的迅猛增长，中国的生态破坏和环境污染已经达到了十分严重的程度。单位产值所产生的固体废物比发达国家平均高出10倍，单位面积国土污水负荷量约为世界平均值的16.5倍；污染总量增长率为总产值增长率之数倍；经济波动系数为世界平均水平的4倍以上。

中国是世界上空气质量最糟糕的国家之一。中国很快会是世界上第一大温室气体排放国家。

根据环保部的测算，2002年中国每1亿吨燃煤，会排放115万吨二氧化硫、68万吨烟尘，氮氧化物排放强度是经济合作与开发组织国家平均水平的8倍。研究表明，中国二氧化硫的环境容量只有1200万吨，而中国全年排放二氧化硫1927万吨，居世界之首，远超过自身净化能力，使1/3的国土受到酸雨侵蚀。中国目前每年燃烧16亿吨煤左右，就已经使全国大多数地区乌烟瘴气。若2020年要燃烧30亿吨煤，每年将排放2750万～3560万吨二氧化硫，到那时不仅全中国都会下酸雨，还可能殃及周边国家。

虽然从使用煤部分转向使用石油或天然气减轻了城市中的空气污染，但近些年从使用自行车和公交工具大规模转向驾驶私人轿车已经抵消掉了上述所有的好处，并进一步恶化了环境。

中国环境规划院估计，在中国13亿人口中，每年有40多万人因患与空气污染相关的疾病而死亡。有1/3的国土面积受酸雨的影响，而且集中在东南地区。二氧化硫排放如果不严加控制，土壤几十年后将严重酸化，南方将可能变成不毛之地。

目前，中国城市总体上空气质量较差。影响城市空气质量的主要污染物为燃煤和汽车尾气的颗粒物，而中国城市空气中总悬浮颗粒物浓度早已普遍超标。根据世界卫生组织的报告，在全球污染最严重的10大城市中，中国就占了7个，而且中国的太原市还位列榜首。中国大多数城市总悬浮颗粒物年均值为300mg/m3，大同市为721mg/m3，兰州市为668mg/m3，而世界卫生组织的标准是90mg/m3，令人触目惊心。世界卫生组织通过对中国300个城市的测试得出结论：70%的中国城市不适合居住。

据中国有关部门检测，在342个被检测的城市中，符合国家环境空气质量一级标准的城市不足1%，只有38.6%的城市达到国家环境空气质量二级标准（居住区标准），环境空气质量达不到二级标准城市的居住人口占统计城市人口总数的60.9%。53.2%的城市可吸入颗粒物（PM10）的浓度达到二级标准；74.3%的城市二氧化硫浓度达到二级标准。颗粒物污染较重的城市主要分布在西北、华北、中原和四川东部。

一个典型的大城市每天向大气中排放几千吨空气污染物，如果没有大气的自然净化作用，空气会很快因污染而对人类及动植物造成致命伤害。工业和交通运输业的迅速发展以及化石燃料的大量使用，将粉尘、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、臭氧等物质排入大气层，使大气质量严重恶化，由此引起的温室效应和臭氧层破坏更是直接地威胁到人类的生存。

中国有的城市长年累月笼罩在烟雾之中，大气能见度极差，本溪市还曾经因烟雾弥漫而被称为“卫星上看不到的城市”。而大气中硫氧化物、氮氧化物严重超标导致了全国大部分地区出现酸雨，宜宾、长沙等城市酸雨出现的频率大于90%，长沙市降雨的平均pH值已达到3.54。酸雨的降落不仅破坏了生态环境，而且加剧了建筑物、铁道、桥梁的腐蚀与破损，给工农业带来巨大的损失。

中国城市的空气污染具有复合型的特点，工业、生活和交通是造成城市空气污染的主要原因。

衡量一个国家真正的富裕程度，国际上已有了新的算法，即要把一个国家的环境与自然资源作为核算的内容之一。在联合国与世界银行公布的世界各国人均财富的报告中，澳大利亚和加拿大因拥有丰富的自然资源而被列为世界的第1、2位，中国则列于世界的第160位之后。与其他发展中国家相比较，墨西哥高出中国12倍，巴西高出中国7.5倍。

医药和卫生专家撰写的分析报告指出，中国的工业化使很多人摆脱了贫困，但同时却严重损害了环境。报告指出，中国城市的空气质量已经进入“世界最差之列”，水污染已经成为对健康的严重威胁。空气和水污染等危险的环境因素是造成中国居民死亡和疾病的重要原因。

专家们提醒说，气候变化会使情况变得更加糟糕，因为气温升高和降水量增多会造成自然灾害的增加。

报告指出，中国人面临新、旧两种环境风险，旧的风险包括卫生条件欠佳和家庭燃烧木炭和煤炭造成的空气污染，每年造成大约42万人早亡。

新威胁是与工业化和城市化密不可分的，包括空气污染和工业废弃物，每年造成130万人死于各种呼吸道疾病。

研究人员指出，空气污染是很多因素造成的，包括将煤炭作为工业燃料、交通运输、工业化学品的排放、建筑粉尘和焚烧农业废料等。

中国的相当一部分湖泊和主要河流都受到严重污染，现存的200条大河中只有1/2可以提供饮用水，28个主要湖泊中具备这一条件的还不到1/4。

由于中国人吸入的危险颗粒物水平最多可达美国的20倍，科学家警告说，中国有可能爆发公共健康危机。被誉为中国空气质量最优的城市——海口，在世界城市空气质量排行榜中排名在200名以后，与空气、水和土壤严重污染相关的癌症（主要是肺癌、胃癌和肝癌）成为摧残中国人的健康和生命的主要杀手，很多地区已被认为不适宜人类居住。持续发展更加步履维艰。

PM2.5颗粒能沉积在肺里，对人类健康的威胁很大。几个小组的科学家研究了中国（包括香港）的雾霾，至少有两个小组发现了较高浓度的痕量金属。过量的锌和铬能引发从早衰到癌症等一系列问题。在极端情况下，空气中如果含有高浓度的痕量金属，甚至会损害人类的DNA，增加罹患遗传病的风险。

科学家警告说，如果不加强环境管理，高浓度的痕量金属可能会引发公共健康危机。

微小颗粒对健康的损害不光取决于颗粒的数量，也取决于它们的类别。痕量金属是空气中对人类健康危害最大的物质。

在山东泰山上的云雾中，每升水含有105μg铁，在江西庐山的云雾当中，每升水含铁90μg。美国亚利桑那州埃尔登山的数值则仅为5.6μg。

中国空气中的锌浓度甚至更高，在中国的这两座山上，每升水含有200～250μg锌，而埃尔登山的云雾当中则不含有这种金属。氧化之后，锌可以破坏细胞内的DNA结构。有些损害（比如某些痕量金属造成的损害）是无法修复的。

中国空气中发现的其他金属或危险元素包括铜、镁、锂、镍、砷、硒等。

（2）耕地

与和中国国土面积或地形近似的国家相比，中国耕地面积偏少。耕地在全国土地总面积中的比例，中国仅有10%，美国有20%，多山的日本有12%，印度达56%。而中国耕地减少的速度却比其他国家高出2倍。

1996～2003年的7年间，中国耕地面积已由19.5亿亩减少到18.5亿亩，7年减少了1亿亩，平均每年约减少14297亩，比两个海南省的耕地还要多。中国人均耕地只有1.43亩，不足世界平均水平的40%。2003年，在我国31个省、自治区、直辖市中，人均耕地低于0.8亩警戒线的地区已有6个。依照2006年中国进口的棉花、谷物和大豆三种产品总量计算，如果全部在国内生产，需要占用土地2亿亩，而中国只有3100万亩可耕作的余地。与此并存的另一问题是，由于大量使用化肥和污染等原因，现有耕地的质量在逐年下降，耕地后备资源严重不足。

还有研究报告指出，随着富裕程度提高，中国人的饮食重心已经开始从米面转向肉类，这就需要大量饲料。目前中国人均肉类消费水准为美国50%左右，如果达到美国水准，就需要额外增加2.77亿吨饲料粮食及6800万英亩（1英亩=4046.8平方米）耕地。虽然现在人们对转基因食物的安全性还各执一词，争论不息。但是在土地资源日益减少，庞大人口需求不断增加的压力之下，众多有识之士已得出结论。接受转基因食物已是大势所趋，中国迟早将会接受并且成为世界上最大推广转基因食物的国家。

中国森林资源最为匮乏。森林覆盖率为18.21%，仅为世界平均水平的61.3%；单位面积森林蓄积量仅为世界平均水平的84.8%。中国人均森林面积和蓄积量只占世界的134位和122位，中国林产品供需矛盾依然突出。

中国的森林资源消耗十分严重：一是林地非法流失严重，1999～2003年的5年间，全国有1010.68万公顷林地被改变用途；二是超限额采伐林木问题突出，1999～2003年的5年间，全国年均超限额采伐的数量高达7554.21万立方米。目前，中国木材缺口在9578万立方米左右。

纸张需求量猛增是木材消费增长的原因之一，纸张的大量消费不仅造成森林毁坏，而且因生产纸浆排放污水使江河湖泊受到严重污染（中国造纸行业所造成的水污染占整个水域污染的30%以上）。

（3）汽车

中国每千人拥有的小轿车数量与西方发达国家每千人拥有私人轿车400～500辆的水平相差甚巨，也大大低于俄罗斯、东欧以及东南亚和南美洲的欠发达国家，只与印度的水平相当。有人曾预测，如果中国的汽车人均拥有量达到世界平均水平，那么，全世界的石油出口量也不能满足中国的要求；如果中国的汽车发展达到美国那样的水平，全世界的石油产量也不够中国使用。

同时，汽车的过度发展也必将减少中国的耕地。汽车消费需要一系列外部配套条件（如道路、停车场等）才能实现。有关专家计算，如果中国未来汽车保有量达到日本每两人拥有一辆的水平，全国汽车保有量将从目前的1.5亿多辆增加到6.5亿多辆。假定中国平均每辆汽车所耗土地面积与欧洲和日本一样为0.02ha，6.5亿多辆汽车就要耗去1300万公顷（1.95亿亩），这已经超过中国现有2300万公顷（3.45亿亩）水稻田面积的1/2。

交通与交流推动着人类创造了往昔的城市文明，如果21世纪的城市还有希望，它将打开新的交通与交流的天地，那将缔造一个崭新的城市，而不该是一个车流滚滚、拥挤不堪的城市。

（4）捉襟见肘的矿产资源

中国矿产资源总的特点是人均拥有量低，结构不合理；分布与经济区域不匹配；在部分用量大的支柱性矿产中，贫矿和难选矿多，开发利用难度大。

目前，相当严峻的是，中国已有2/3的国有骨干矿山进入开采的中后期，400多座矿山因资源逐步枯竭濒临关闭，有的已停产闭坑，大量矿工面临下岗。

中国主要矿产品对国际市场的依赖程度将不断提高。

能源对于我国建设和发展具有特别重要的意义。相对发展需求和世界水平而言，我国仅是一资源小国，主要能源人均可采储量远远低于世界平均水平，石油、天然气分别只有11.1%、4.3%，煤炭稍多，也只有55.4%。能源紧缺已成制约我国经济、社会发展的主要因素。

据中国地质科学院、中国工程院等部门合作进行的研究，2010年我国石油基本消费量在2.7亿～4亿吨，预计我国在2005～2020年石油的产量将在1.8亿～2.1亿吨，每年的缺口为0.7亿～1.8亿吨，对海外原油的依存度将超过30%，也有研究机构预测，2020年我国石油对外依存度将高达60%。

1.5　中国采用新能源的紧迫性

在谈及中国能源的现状和未来发展时，有关能源战略专家表现了极大的忧虑，他们认为中国要满足可持续的能源供应正面临巨大挑战。未来20年，由于工业化和城市化的驱动，中国的电力需求增长200%，大约要占到全球的13%，相当于整个西欧在2020年的发电总量。中国在石油方面的需求已经占到了全球的6.3%，到2020年需求量将达到4.3亿吨，占全球需求量的8.5%。

2005年《中国能源发展报告》指出，我国目前的能源结构是：电力为中心，煤炭是基础，石油、天然气为重点，核能为辅助。其中电力70%左右是以煤炭为原料的火力发电。

我国能源资源少、结构不合理、利用效率低和环境污染重等问题仍然非常突出。到2020年，要实现国内生产总值翻两番，即使能源消费仅仅再翻一番，一次能源消费总量也要达到30亿吨标准煤，需要新增煤炭生产能力约10亿吨。未来我国将承受能源资源耗竭、环境污染和生态破坏的沉重压力。

10年以后我国将成为世界第一矿产资源消费大国，到2050年我国将成为世界第一能源消费大国，但按现有的能源、资源使用模式，伴随的是严重生态破坏、环境污染。我国已经成为世界水土流失最为严重的国家，水土流失面积已达国土面积的40%以上，沙漠化面积已占国土面积的1/3，草地、耕地退化现象严重，森林覆盖面积远远低于世界平均水平的1/2，并且还在迅速减少。依靠消耗如此巨大的能源资源来支撑我国未来经济增长，是中国现有石化资源无法满足的，也是中国已经极为脆弱的环境无法承受的。

西方发达国家，以不超过10亿的人口总数，依靠占据、掠夺世界90%的能源资源，耗时两个世纪完成了现代化的进程，而我国现有13亿人口，仅仅拥有世界不足10%的能源资源，需要在数十年时间内基本实现现代化，这是一个极为艰巨、复杂的任务。

简单的数学计算和遍地污染的严酷现实，国外势力利用能源供应作为不断要挟、干扰、破坏我国经济发展和社会稳定的恶劣手段，都已证明我国现有的能源使用模式已经亮起红灯。对于某些国家而言，选择使用新的能源是审时度势，可迟可早的事，而对于中国，采用新的能源是迫在眉睫的唯一出路。

世界能源结构的演变进入一个过渡时期，能源革命的主要特征是用可再生的、储量丰富的、无污染的、无公害的太阳能和其他再生能源逐步代替趋于枯竭的、非再生的、在消费过程中产生污染的化石能源。这个转变时间，需要持续几十年到100年。这段时间正是我国现代化进程的关键时期。摆在我们这代中国人面前的重大课题，是坚持以人为本，坚持经济社会协调发展，大力开发、推广太阳能等新型能源，保护环境，实施阳光经济，缓解我国能源资源危机，进而实现中国现代化的宏伟目标。