互动科普

食物和能源一直密不可分，生产能提供1单位能量的食物要消耗10单位的能量。农业、政策和个人行为方面的改变可实现节能减排。

撰文 迈克尔·E·韦伯（Michael E. Webber）

翻译 戴瀚程

虽然各国都提出了很多政策和措施，来减少运输、电厂、建筑等方面的能源消耗，但食品供应这个环节，经常被忽视。在美国，约有10％的能源用于生产、配送、加工和储存动植物原料，这些原料将会被加工成食品。对于整个能源消耗而言，这是一个相当大的比例。

从能源利用的角度审视食品供应，有助于制定合理的政策，促进技术创新，帮助人们养成新的饮食习惯，从而一并解决食品和能源问题，这也能让人们的身体和生态系统更健康。

低效的粮食生产

简单的数字就可以表明，粮食生产是一个很低效的过程。植物生长时，能源利用率一直不高：光合作用通常只能将不到2％的太阳能转换成化学能储存起来；而植物原料又只有5％～10%转换成牛肉，或者10％～15%转换成鸡肉。然后，我们吃下食物，把它们转化成肌糖原和脂肪储存起来——这些脂肪常常会出现在人们的小腹上。

鉴于每天有难以计量的光子到达地球，这种低效似乎无关紧要。然而在土地、淡水、化肥流失、化石燃料供应和排放等各种因素限制下，这种低效则不可等闲视之。食物生产所消耗的能量，比人们最终从食物中获取的能量大得多。在美国，每生产一单位的食物能源，就要消耗10单位的化石能源。

考虑到地球的人口数量，能源消耗量是惊人的。一名健康、活跃的成年男子每天消耗的能量，如果以功率计，大约为125瓦，即每天约消耗2 500卡路里或10 000英热单位（Btu）的能量。美国有3.12亿人，每年大概需要1 000万亿Btu（1Btu≈252卡路里）的食物能量。由于每生产一单位的食物能源就要消耗10单位的化石能源，填饱所有人肚子需要10 000万亿Btu，占美国每年100夸德（quad，1夸德等于1015Btu）总能耗的10%。如果全社会要降低食物能量消耗，就必须设法减少从能量输入到食物产出这个10：1的比例。

全世界有70亿人，每年所需要的食物能量大约是25夸德，只占全世界总能耗（500夸德）的5％。这并不是因为在世界其他地区，食物生产的效率比美国高，而是因为有10亿人还在挨饿，另有10亿人挣扎在饥饿边缘，还有更多的人仅仅只是没吃那么多而已。

能源的广泛使用，使粮食产量大幅增加。自20世纪中叶以来，柴油拖拉机、电动水泵、以天然气和石油为原料制造的农药化肥等新技术、新设备，这次绿色革命（green revolution）使作物的产量达到了顶峰。沙漠也被改造，比如美国加利福尼亚州的中央谷地，已成为世界的“水果篮”。同时，农业生产对劳动力的需求也在迅速下降。

石油等能源因为够廉价，还促进了交通运输网络的建设，显著改善了粮食的运送过程，让人们尝到了意想不到的甜头，比如在冬季，我们仍然可以吃到从其他地区运来的新鲜苹果和梨子。这样，我们就消耗了更多能源在保存和准备食物上。

当化石燃料价格较低，人们也不太关心污染或碳排放时，我们并不会对能源浪费感到担心。但目前，能源价格居高不下，环境影响也广受关注，因此10：1这个比例就必须要有所改变。而随着更多的人享用越来越便宜的空调，移居到人口不断增加、本地食物只能满足小部分人需求的地区时，低能效问题还会更严重。在这些地区，为了弥补粮食缺口，要么得使用更多化肥，改善灌溉体系，使劣质耕地变得肥沃，生产更多粮食，要么就得从外地调配更多的粮食过来，但不论哪种方式，都需要消耗更多能源。

一些全球性的趋势也使问题越来越严重。到2050年，世界人口预计超过90亿，人均食品和能源消耗量亦将上升——随着人们越来越富裕，将消耗更多的肉类食物，而这些食物的生产，比其他食物更消耗能源。而且，气候变化意味着粮食生产将受诸多因素影响，如旱灾和水灾、盐水侵入含水层、高温（在很多地区，高温会降低光合作用效率）、生物燃料生产等。因此，专家预测，到2050年，粮食产量必须增加一倍才能满足需求。

本地食品不低碳

不幸的是，从能源消耗的角度来看，某些较受欢迎的食品生产“解决方案”不一定能带来好处。例如，很多人都提倡本地食品运动，标榜自己是“土食者”（locavore），鼓励人们从当地人或附近的社区支持型农场那里购买食品，抵制长途运输而来、或是大型高能耗农场生产的农产品。

购买本地而非外地食品有助于促进本地的经济发展，而且建立一个健康的本地粮食系统，当发生战争或干旱之类的意外事件时，也有助于尽快恢复本地的粮食供应。然而,本地农场有时是利用贫瘠的土地去种植非本地作物，这需要更多化肥，消耗更多能源来灌溉，但产量却不高。或许会让你感到不可思议的是，从千里之外运输粮食有时反而更节省能源，碳排放更少，对环境的损害也更小。

以新西兰为例。这里的草地靠雨水浇灌，几乎不须施肥或灌溉。比起在英国那种高能耗的养羊方式，将新西兰羊用船舶运送至英国会更低碳、更环保。而且，大型工业化农场有更大面积的土地（减少水资源浪费和化肥流失），配备了GPS拖拉机（优化燃料使用和作物密度），种植的是节水转基因作物，比起离市场更近但不节水节能的农场，大型农场在资源利用效率上，显然要高得多。美国斯坦福大学的一项研究表明，大型农场的生产率更高且有规模经济效应，大幅减少了碳排放。

目前处于实验阶段的城市垂直农场或海藻饲料生产基地，每单位面积的生产潜力，也要比本地农场高。

一些流行的可再生能源解决方案，实际上让粮食能源问题更复杂了。生物质燃料目前主要由玉米、大豆、糖等粮食生产，因而会占用耕地和淡水资源。2010年，美国将121 400多平方千米的耕地生产的粮食，用于生产0.48亿立方米的生物乙醇。这些粮食的数量，超过美国玉米总产量的1/4。而且，美国还在努力实现一个联邦法案所规定的目标：在2022年前，20%的液体交通燃料必须来自生物燃料。因此，生物燃料占用耕地的份额，必然还会继续上升。

废物利用

尽管食品与能源的紧张关系让人们忧心忡忡，但也有一些令人欣慰的地方。通过不断创新，制定不同的政策，优化市场，培养减少浪费，提高能效的文化氛围，我们应该可以降低能源投入和食物产出10：1的比例，减少对环境的损害。

第一步是停止使用玉米等来源的淀粉为原料生产乙醇——这正是当前美国的做法。让我们把这些粮食留给人和牲畜食用吧，只用纤维素（秸秆和植物叶子）为原料生产乙醇或合成燃料。美国能源政策已经在推动这一方案。2007年，美国的《能源独立安全法》提出了可再生燃料标准：到2022年，每年消耗的1.36亿立方米生物燃料中，有0.6亿立方米必须以纤维素为原料生产。这说明，美国政府也承认，玉米可能解决不了所有能源问题。专家预测，考虑到耕地面积和粮食需求，每年以玉米为原料生产乙醇的上限是150亿加仑。

然而，美国的生物燃料的突进，使得以粮食为原料的生物燃料发展最快，而以纤维素为原料的生物燃料因为难以生产，发展较慢，已经落后前者很多年。由于自身的天然分子结构，纤维素很难分解。将纤维素分解为乙醇，意味着要逆转自然过程，因此这需要酶的帮助，而大规模生产酶，需要高昂的成本。不过，我们可以克服技术障碍，坚定地朝着这个方向前进。使用纤维素而非粮食来生产生物燃料，将能确保能源供应，同时节省数百万英亩（1英亩约4 047平方米）耕地用于食品生产。

另一个缓解食物与能源关系的方法是，将农业废弃物转换成电力。畜禽粪便是一个丰富的资源。过去，小型农场饲养的动物和种植的作物同处一地，以粪便为肥料，而非使用化肥。而如今，大型农场只会大规模种植少数几种作物，集中饲养牲畜，以往的农业循环已不适用。规模化饲养动物所产生的大量粪便远远超过当地需求，而将这些粪便远距离运送到大型农场也过于昂贵。粪便如何处理，还涉及一些环境问题，比如很多粪便是堆积在蓄粪池中，这会产生大量温室气体和有毒废物。但实际上，很多蓄粪池都蕴藏着大量的能量，而美国农场每年可产生10亿多吨粪便。

厌氧发酵池和微型涡轮机所产生的可再生低碳沼气可用于发电，发电量能满足美国2.5％的用电需求，同时减少温室气体排放。这种做法也可让农民增收。在一些知名农业院校，如得克萨斯州A＆M大学和康奈尔大学农业与生命科学学院，研究人员正在寻找新的方式将粪便厌氧消化纳入农场经营体系。郡德是德国一个小镇，正与加利福尼亚大学戴维斯分校的弗朗克·米特莱那（Frank Mitloehner）合作，生产出足够的沼气用于取暖和做饭。现在，该镇已不再依赖国家天然气网。决策者可用各种方式鼓励安装沼气池和涡轮机，如让农民获得低成本设备，并减免设备财产税；提供信息咨询和培训课程，帮助用户掌握操作方法；建立计量系统，以便农民将多生产的电并入网，减少公用事业开支。

另一个可以减少食物能源消耗量的方法是，将燃煤电厂排放的二氧化碳用于藻类养殖。藻类可用作人类食品、动物饲料和燃料，这样就可以替代农业生产上的一些能源投入。有些人已经将藻类当作营养品直接摄入，一些全国性连锁餐厅将藻类用作稠化剂。藻类脂质亦可转化成生物柴油，提供低碳的、非粮食来源的可再生燃料。藻类残留物通常由蛋白质和碳水化合物构成，可以取代以玉米为主的饲料，使更多的玉米能被用作食品，缓解食品和能源的紧张关系。某些藻类能在半咸水或咸水中生长，减少淡水需求。私营企业（如Solazyme之类的初创企业）、国立实验室（如美国国家可再生能源实验室）、大学（如得克萨斯大学奥斯汀分校和加利福尼亚大学圣迭戈分校）都进行过尝试。藻类解决方案离大规模实施还有几十年的差距，真实前景也需更多研究论证，因此，政策制定者应该继续资助研发。

水资源利用

大力推广在试点项目上业已成熟的农业技术，也可降低能源投入与食品产出的比例。例如，滴灌能提高每滴水的作物生产量，节约淡水和抽水所用的能量。常规灌溉技术，比如在棕色的沙漠中造出绿色“麦田怪圈”的中心支点喷头（从航拍中很容易看见）非常浪费水资源和能源，喷洒到空气中的大部分水分都蒸发了。滴到作物上的水可能滴在叶或茎上，而不是根部，造成更多的蒸发损失。典型的滴灌装置将狭长小管铺设在植物根部，直接灌溉到根部。美国艾奥瓦州立大学的研究人员估计，在该州种植玉米的农民如果使用滴灌技术，将减少40％的用水量，降低15%的能源开支。好几个大型农场设备供应商提供该系统，如果得以广泛使用，美国每年可节省数千兆瓦时的电力。鼓励各个农场转用滴灌模式，同时对浪费水资源的做法进行处罚，可加速滴灌技术的推广。

免耕农业是另一种有前景的方法。它使用特殊的种植设备，将种子通过狭窄插槽植入未翻耕的土壤，而不是生硬地将土壤翻开，这样可以避免土壤结构遭到破坏，减少劳动力需求、灌溉用水量、能耗、土壤侵蚀和碳排放量。在这方面，阿根廷算是前行者，该国一半以上的农场使用这种先进技术。通过全国性的农业推广服务，可以对农民进行培训，让他们知道免耕技术的好处。

用激光水准仪平整过的土地，可以最大限度地减少水土流失、灌溉用水和肥料流失。大多数土地有缓坡，这将导致水量分布和雨水汇集不均匀。农民往往会对整块田地进行过量灌溉，以避免田地的某些部分缺水，而过量的水会溢出，汇入当地溪流。土地平整之后，农民可节约抽水所用的能量，同时因为流失较少，也可少施化肥。

目前，由美国约翰·迪尔公司（John Deere）等制造商推出的配备GPS模块的拖拉机、联合收割机等机器，催生了“精准农业”（precision farming）的概念，在提高生产率的同时减少了能源使用。理论上，利用GPS定位，农民在耕地和种植作物时，能精确到英寸（1英寸约为2.54厘米），从而减少空间、时间和燃料的使用，甚至无须手动操作机器。虽然一个中等规模的农场要升级到“精准农业”花费10 000美元，但美国珀杜大学的研究人员已经证明，其收益大于成本。首先，“精准农业”能降低成本。有了GPS，农民对土地会更加了解，能根据土壤的情况，精确调整经费的使用，因为不同的土地，肯定会有不同的施肥方式。这样一来，就可以通过合理使用化肥，逐渐减少使用量；其次，在GPS的协助下，即使在夜间、雨雾天等能见度不佳的条件下，农民也能进行耕作，从而提高生产力。

更好的习惯

减少食物浪费也可降低食物生产的能耗。全球每年会浪费25％的粮食，而要生产这么多粮食，耗费的能源相当于美国每年能源消耗量的2.5%，比2011年美国生产的乙醇总量还多。现在外大陆架钻探受到限制，到2030年这个限制会被解除，但全球每年浪费的粮食需要的能源也仍然比2030年解除限制的那部分石油产量多。目前提议的一些节能政策，或代价昂贵，或富有争议，在未来一二十年，只要减少浪费的食物量，就可能比目前提议这些政策更能节能减排。

减少粮食浪费的许多方法可以即日开始。我们可以开发一种先进技术，用于监控食品是否变质，而非继续使用已实行了几十年的、基于日期的标签制度。例如，在食品包装上使用会随温度和时间变化的油墨，如果食品在不当温度下暴露太久，标签就会变色。一些新兴公司正在制造这些标签，它们的广泛使用，可以避免很多本没有变质的食物被扔掉，同时也可以防止大量变质的食物被人们误食，引起疾病。除了包装时间，还应该要求企业跟踪食物的保存温度，这能让零售商和消费者更好地了解食物质量。

不同的态度和饮食选择也有助于控制能耗。餐厅应停止供应大分量食物，消费者也不应以在自助餐厅吃到撑为荣。剩菜剩饭下一顿也能吃。改变饮食习惯，以水果、坚果、蔬菜、豆类和谷物，至少取代一部分高能耗的肉类。这些行为并不需要全新发明，只需要新观念。而且，很多人最后会发现，自己的做法节省了很多开支。人们可从无荤周五或素食周一开始做起。

绿色革命一开始就表明，大规模变革相对较快，可在短短几十年内发生。变革也可能是戏剧性的，取得比预期好得多的效果。当然也可能有意外：多年来，粮食供应充足，导致肥胖率上升和严重的气候变化。技术本身是不够的，即使有了最初的农业革命，饥饿也还未根除。为减少食物能源浪费，一个包含新的习惯、态度和政策的全球性解决方案将是取得成功的关键。我们有理由认为，新一轮的农业革命也将和绿色革命一样，带来巨大改变。

本文译者 戴瀚程是日本国立环境研究所助理研究员，目前在东京工业大学社会工学系攻读博士学位，研究方向是低碳经济、可再生能源及应对气候变化。