互动科普

能源、水和食物的短缺，都是我们正在面对的问题。许多国家和地区试图将这三者分开来解决，但是，面对这样的难题，整合资源与产业或许才是更好的出路。

更糟糕的是，在2012年年初，印度曾发生过一次洪灾，洪水冲过农田时，带走了一些泥土，这些泥土随后被洪水带入水库，堆积起来，进一步削弱了水库的蓄水能力。

就这样，人们在突然之间陷入了黑暗。此次事故中，受影响人数超过了整个欧洲的人口总数，是美国人口的两倍。

令人惊讶的是，美国加利福尼亚州也面临着相似的困境：能源、水和食品的问题纠缠不清。积雪量缩减、降水量达到历史低点，科罗拉多河流域持续不断地开发，使得加利福尼亚州中部的河水量减少了1/3。加利福尼亚州为全美提供了1/2的水果、坚果和蔬菜产量，以及近1/4的奶产量，现在，农场主们却像发疯一般地抽取地下水。2014年夏天，一些地区的灌溉用地下水抽取量比2013年翻了一番。由于地下水减少，600多千米长的中央山谷正在发生沉降。而当人们对电力的需求越来越大时，南加利福尼亚州爱迪生电力公司却不得不关闭两座大型核反应堆，原因是缺少冷却水。圣迭哥市原本计划在沿海地区修建一座海水淡化厂，但遭到了一些激进分子的反对，理由是该项目会耗费过多的电力。

能源、水和食品是这个世界上最关键的三种资源。尽管这一事实已在政策圈中达成共识，但这三种资源之间的依赖关系却被严重忽视。其中任何一种资源的紧缺都会影响另外两种。这使得真实社会要比我们想象的脆弱得多。潜在的灾难正等待着我们，而我们尚未做好准备。

然而，我们已经做了一些重大决定——修建某些发电站、水利设施和农田，这些设施一旦建成，影响会持续多年，还有可能把我们困在一个脆弱的系统中。根据国际能源署（International Energy Agency）2014年的一份报告，从现在起到2035年，仅仅满足全球的能源需求就需要48万亿美元的投资。国际能源署的执行主任说，确实存在“投资方向不当”的风险，因为（能源事业可能遭受的）一些负面影响并没有得到恰当的评估。

要解决这些大问题，目前迫切需要的是一种整合各方因素的综合性思路，而不是将这三个问题拆开来解决。在这个星球上，很多人口集中点都受到了旱灾的袭击；能源系统火力全开的同时，却不得不面对环境的限制和成本的飙升；粮食系统也得艰难挣扎，以期跟上不断增长的需求。放眼全球问题最大的地区，你会发现食品、水和能源的关系问题往往是冲突上演的背景。干旱、食品价格过高和岌岌可危的政权激起了利比亚和叙利亚的动荡。我们只有解决了这个内部相互勾连的难题，才可能创造一个更和谐、更有复原能力的社会，但我们该从何处下手呢？

连锁反应

莱斯大学的已故诺贝尔奖得主理查德·斯莫利（Richard Smalley）在2003年的一次演讲中给了我们一个提示。演讲的主题是“未来50年人类的十大难题”。按照重要性由高到低，他列出了一个清单：能源、水、食品、环境、贫穷、恐怖主义和战争、疾病、教育、民主以及人口。能源、水和食品位列前三，因为这三个问题与其他问题都有错综复杂的关系，解决了它们，剩下的问题就迎刃而解。例如，只要拥有足够清洁、可靠、成本低廉的能源，就能大量生产清洁的淡水。有了大量清洁的淡水和能源（来制造化肥、驱动拖拉机），就能保障粮食生产。以此类推。

斯莫利的清单列得很精彩，但他忽略了两个微妙却很重要的因素。其一，能源、水和食品是相互关联的；其二，虽然一种资源的丰富可以保障其他资源，但一种资源的短缺也能造成其他资源的短缺。

如果能源是无限的，我们想要多少水都行——我们可以把整个海洋都淡化，可以挖非常深的水井，还可以跨大陆输水。如果水是无限的，那能源也取之不竭——我们可以到处建造水电站，可以灌溉无穷尽的能源作物。如果水和能源是无限的，我们可以让沙漠遍地鲜花，可以建造高产的室内农场，一年四季都生产粮食。

但是，我们并没有生活在一个有无限资源的世界中。我们的世界充满了限制。人口在增长、平均寿命在延长、消费需求在变大，在这样的压力下，资源限制导致连锁事故的可能性越来越高。

例如，科罗拉多河流入拉斯维加斯市外的米德湖，而米德湖的水位现在已降至历史最低线。城市将两根大型管道插入湖水中获取饮用水。如果水位持续下降，就可能降得比这两根管道的取水位还低，下游的大型农业社区或许会面临干涸的窘境，米德湖胡佛水坝中的巨型水力发电涡轮机的供电量也可能会降低甚至停转。拉斯维加斯的解决方案是花将近十亿美元建造第三根大型水管，从米德湖的更深处取水。这么做没什么好处。美国斯克里普斯海洋研究所的科学家发现，如果气候变化和预计的情况一样，并且科罗拉多河流域的城市和农场不减少用水量的话，米德湖将在2021 年干涸。

在乌拉圭，政治家们必须做出决断，到底如何使用水库中的水，饮用、灌溉还是发电？2008年，萨尔托大坝上游的乌拉圭河水位严重下降，大坝的总装机容量和胡佛水坝几乎相同，但14组涡轮机中仅有3组运转发电，因为本地居民希望把水存起来用于灌溉或其他方面。当时，沿河居民和他们的政治领袖不得不有所取舍，看他们究竟是要电力、食品还是饮用水。一个环节受限就会导致另外两个环节也受限。尽管这场危机早已离开乌拉圭，但它仍在世界其他地区反复上演。比如，在得克萨斯州和新墨西哥州这些受旱灾侵扰的地区，最近政府已经限制，甚至禁止了水力压裂法开采石油和天然气，以便节省更多的水资源用于农业生产。

在我们消耗的水资源中，有大约80%用于农业——也就是食品生产。将近13%的发电量用于水资源的获取、净化、运输、加热、冷却和排放。我们用天然气制造化肥，用石油制造农药，用柴油驱动拖拉机和收割机，这些都抬高了食品生产对能源的需求。食品厂的制冷过程极为耗电，食品类产品包装在用石化原料制成的塑料之中，我们从商店购买食物回家烹饪也都需要能源。三种资源之间的相互关联是一道混乱的难题，任何一部分发生扰动，整个系统都将变得脆弱不堪。

是时候巧妙应对了

我们不能再愚蠢地用旧的设计方案建造更多的发电站、供水和水处理设施了，也不能再用过时的方法种庄稼，不能再无视各种因素间的相互影响而榨取更多的石油和天然气。要知道，我们能够用可持续的方式将这些生产活动整合起来。

最显而易见的办法是减少浪费。在美国，超过25%的食物都进了垃圾桶。我们花了大量的能源和水来生产食品，如果能减少浪费的比例，立马就能节约好几种资源。减少食品浪费的途径有很多，最简单的是减少每一份菜的份量以及少吃肉——生产肉类的能耗是谷物的4倍。我们还可以把丢弃的食品和粪便等农业废弃物放置在厌氧消化池中，将之转化为天然气。厌氧消化池有一些金属球体，看起来像闪亮的泡泡。消化池中的微生物可以分解有机物，并在这个过程中制造甲烷。如果把这种技术广泛地运用于家庭、餐馆和农场等中心位置，那么我们一方面可以创造新的能源和收益，另一方面还可以减少处理垃圾用的能源和水资源。

废水是另一种可以转化为资源的副产物。在加利福尼亚州，圣迭戈市和圣克拉拉市已经在使用经过处理的废水灌溉农田。经过处理之后，水质甚至已经干净到可以饮用了，如果监管机构允许，这种水就能辅助市政供水。

哥伦比亚大学的迪克森·德斯波米尔（Dickson Despommier）是城市农场的倡导者，他提出了“垂直农场”的概念，这种农场可以安置在玻璃摩天楼的内部。例如，纽约市民每天制造出46亿升的废水，市政机构要花费大量的资金净化这些污水，然后将之排进哈德孙河。但是，这些处理后的废水可以用于灌溉垂直农场中的作物，这样既可以生产粮食又可以减少农场的供水需求。从废水中提取的固态物质一般都烧掉了事，其实焚化过程可以给大型建筑供电，减少大型建筑对能源的需求。另一方面，新鲜食品就在消费者生活和工作的地方被生产出来，在减少食品运输距离的同时，也就潜在地节约了能源，减少了碳排放。

一些初创公司正尝试利用发电站排出的废水和二氧化碳，在电站旁边养殖藻类。藻类以气体和水为食，供人收获动物饲料和生物燃料。藻类养殖可以从废水中移除化合物，从大气中吸收二氧化碳，这同时也在应对斯莫利清单上的第四个难题——改善环境。

我们还可以收集电站排放的二氧化碳创造能源。我在得克萨斯州大学奥斯汀分校的同事们就设计了一个系统：将电站的二氧化碳废气注入深埋于地下的卤水矿中。二氧化碳始终浸入水中，不进入大气，它将热甲烷推挤出来，使之冲出地表。甲烷可以当作能源出售，而热能可以用于工业生产。

明智的节能理念也能帮助我们同时节约不同资源。其实，使用电灯和电源插座等电力设施要比使用水龙头、淋浴喷头更费水，因为电站需要消耗大量冷却水，这些看不见的水力开销，自然不会纳入我们思考的问题中。同样，加热、处理和抽取水资源也比照明更费电。关掉电灯和电器能节约大量的水，而关掉水龙头能节约大量的能源。

我们也可以重新思考如何更好地利用能源和水，用它们在预想之外的地方种粮食。在美国西南部的沙漠地区，含盐浅层地下水的储量十分丰富。这里的风能和太阳能也很丰富，但这些能源利用起来难度很大，因为夜间没有太阳，而风吹得断断续续。但这种能源状况对水的淡化过程却无大碍，因为干净的水很容易储存，以备未来使用。海水淡化会耗费大量的能源，但含盐地下水的盐度并没有海水那么高。我们在得克萨斯州大学的研究表明，用间歇性风力淡化含盐地下水要比用风力来发电更有经济价值。而且，处理过的水还可以灌溉作物。这种资源间的联结关系是对我们有利的。

同样的思维可以应用于改良开采石油和天然气的水力压裂法。水压法有一个令人烦心的副作用：喷出井口的废气（主要是甲烷）在空气中明亮地燃烧，那火焰非常壮观，夜间从太空中都能看到。水井还会排出很多废水——数百万升的淡水注入井中用以压裂，再次流出时，水中包含了盐和化学物质。

如果运营者够聪明，他们可以用这些甲烷来驱动蒸馏器或其他热能机器，然后清洁废水，使其可以就地循环使用。这么做可以节约淡水，同时也能避免能源浪费，消除废气排放时的燃烧现象。

在为家庭和企业提供水时，我们也可以变得更智能。智能电网中嵌入的传感器有助于提高配电效率，而目前供水系统的性能甚至比电力系统更差。使用了上百年的、早已过时的计量器常常无法准确记录用水量。专家说，在老旧的输水管道中，有10%到40%的已处理的水都渗漏了。在供水系统中嵌入无线数据传感器将为公用事业提供更多的管理手段，以减少管道渗漏和随之失去的财政收入。智能供水也有助于消费者管理自己的用水量。

我们也可以生产智能食品。通常，很多食物会被浪费，因为食品店、餐馆和消费者都依赖“保质期”来粗略估计食物是否已经变质。过期的食品就不再出售或食用，尽管食物可能并没有变质——如果温度和储存条件管理得当的话。更智能的办法是直接用传感器来评估食品质量。例如，我们可以在食品包装上使用热敏油墨，如果食品暴露在不当的温度下，或者不良微生物开始增长，那油墨就会改变颜色，提示我们食品已腐败。我们还可以沿着供应链安装传感器，测量腐烂的水果和蔬菜释放的示踪气体。这些传感器可以使制冷控制变得更严格，防止产品损失。

塑造新未来

尽管许多技术方案可以改善能源、水和食品间的关系，但我们并没有好好利用这些方法，因为在意识形态和政治层面，美国并没有完全理解这三种资源之间的相互关系。政策制定者、企业主和工程师通常各自为政，孤立地在某一个问题上努力。

遗憾的是，政策、监督和资金分配决策是由独立的机构分别做出的，这一点使问题变得更加复杂。能源规划者认为，他们能够得到所需的水；水资源规划者认为他们能得到所需的能量；食品资源规划者认识到了干旱的问题，但他们的对策却是开足马力抽取更深的地下水。我们目前所需的最重要的创新，就是从整体上考虑资源间的相互联系。

这种思维方式将带来更明智的决策。例如，政策可以资助研发耗水少的能源技术、耗能低的水利技术，还有可以防止损失并且省水省电的食品生产、存储和监控技术。设置跨资源的效率标准可以一举两得。推广新的建筑规范也是一种减少浪费和提高性能的强大手段。在批准新能源站点投产时应当进行水足迹评估，反之亦然。另外，对于整合了这些技术方案的机构，政策制定者可以为之设立循环贷款基金，进行直接投资或提供税收优惠。

我们也看到了鼓舞人心的新气象。在北卡罗来纳州教堂山举行的“联结2014：水、食品、气候和能源”会议上，来自33个国家的300名代表发布了一份声明。政界代表和来自世界银行、世界企业永续发展委员会的代表在声明中表示，“世界是一个复杂的系统”以及“应该寻求有利于系统整体的解决方案和政策干预”。正如斯莫利指出的，能源是驱动力，我们必须考虑利用能源这一环节来同时解决多重挑战。例如，一些政策偏执地要求降低大气中的二氧化碳水平，这可能推动我们去选择非常耗水的低碳电力，比如核电站或配备碳捕获技术的火电站。

个人责任感也参与其中。如果我们非要在寒冬吃上新鲜沙拉，要从数千千米之外调运新鲜蔬菜，这就需要一个分布广泛的、高耗能的食品配送系统。总之，不管什么我们都想要多来一点儿，这种个人欲望把资源问题推向了奔溃边缘。能源、水和食品的关系问题是我们的星球目前面对的最棘手的问题。已故的乔治•米切尔（George Mitchell）是现代水力压裂法之父，也是可持续发展倡导者，用他的话说“如果连70亿人的问题都无法解决，那面对90亿人之时，我们又该如何是好？”