耕地缺乏导致人们在卢旺达维龙加（Virunga）山脉的山坡地开辟梯田种植粮食。（© George Steinmetz ）
“世界上最富裕的国家”，《国家地理》（National Geographic ）1976年的一篇文章如此描述瑙鲁。瑙鲁是太平洋中的一个岛国，位于夏威夷与澳大利亚中间的位置上。瑙鲁现今是一片荒原，它的荒芜不毛和不适宜居住的景观完全可以创作一部科幻小说。1976年至今, 瑙鲁一种有价值的自然资源——蕴藏了数百万年的高品质磷酸盐——几乎被采掘殆尽，以致岛屿的大部分不再适合人类居住。
紧邻赤道南部的小国瑙鲁面积只有21平方千米。一条狭窄的海岸带环绕着一座海拔65米的中央高原。高原覆盖了80%的陆地面积，却蕴藏着宝贵的磷酸盐矿。只有一条铺筑的道路，圆环般地围绕着这个小岛。
数千年来，虽然旱灾频发，但瑙鲁人还是生活在岛屿范围以内。大约1000人的人口依赖于从海洋和热带植物中获得的食物。1888年瑙鲁变成德国的殖民地，这个小岛从此遭到掠夺。在第一次世界大战结束时，国际联盟赋予英国、澳大利亚和新西兰对该岛的管理权，建立了英国磷酸盐委员会（British Phosphate Commission），经营磷酸盐工业。大部分磷酸盐被船运到澳大利亚制作肥料。在1968年获得独立时，瑙鲁人选择继续开采磷酸盐，这为该国每年带来数千万美元的收入，使瑙鲁成为世界上人均收入最高的国家。
然而，如今大部分磷酸盐矿已被开采，预计矿产将在几年内被采光。除了某些热带水果之外，这里没有其他资源。1.3万名居民所需的每一样东西：食品，燃料，制成品，机器，建筑材料等几乎都要进口。当海水淡化厂发生故障时，甚至要进口淡水。投资欠缺和对一笔10亿美元的信托基金管理不善使国家债务缠身。露天开采的采矿方式对环境的破坏达到极致。为了便于采矿而砍伐了茂密的森林，数千年来，这些森林曾经是当地鸟类和外来候鸟的庇护所。现在，高原变成了一片嶙峋的荒地，其上耸立着高峻的礁石塔。它们全都是位于其间的磷酸盐矿被开采后遗留下来的（图5.1）。
图 5.1 环境的破坏.深度开采磷酸盐矿使瑙鲁的大部分地方成为了一片荒地。那些高峻的珊瑚尖石同一度生长在它们上面的热带森林形成明显的对照。（©Don Brice Photography ）
瑙鲁的实例说明了一个可持续社会与一个掠夺积累了数百万年资源的社会之间的差别。人口数量和经济发展扩大了人类消耗地球财富的规模和强度。土地资源、矿产资源和大部分形式的能源是有限的，但是人口的无限增长和经济发展扩大了资源需求。对资源存储量和利用之间不平衡的担心，已有一个多世纪，至少从马尔萨斯和达尔文时代就已经存在。但是直到20世纪70年代，资源消耗速率与相伴而生的环境退化才变成争论的重大问题。
资源的分布在种类、数量和质量上是不均衡的，而且人口的分布和需求也是不均衡的。在这一章，我们将考察社会所依赖的自然资源，它们生产与消费的格局，以及表现在需求不断增长和储量不断减少方面出现的资源管理问题。
我们首先从一些通常使用的术语的定义开始讨论。
5.1 资源术语
资源 （resource）是天然形成的，可开发的，社会上认为在经济上可利用和作为物质福利的物质。愿意工作的、健康的和有技能的工人构成了有价值的资源，但是如果没有机会取得某些物质——例如肥沃的土壤或石油，人力资源的有效性也是有限的。在这一章，我们集中注意力于自然形成的资源，或者通常所称的自然资源 （natural resource）。
自然资源的有效性是两种事物的函数：资源本身的自然特征和人类的经济与技术条件。控制着自然资源的形成、分布和产状的自然过程取决于人类不能直接控制的自然法则。我们所取得的是自然给予我们的。但是，要将某种物质用作资源，就必须先意识到它是一种资源。这是一种文化上的，而不是纯粹的自然状况。美洲原住民可能将宾夕法尼亚州的资源基础视为由作为庇护所和燃料的森林，以及赖以糊口的狩猎动物的生境（另一种资源）所组成。欧洲移民将森林视为不需要的覆盖物，因为他们认为对农业有价值的土壤才是资源。再后来，工业家将较早时期的居住者所忽略或未认识到是资源的、地下的煤矿评价为有开发价值的对象（图5.2）。
图 5.2 覆盖在弗吉尼亚州丘陵上的原始硬木森林被早期移民砍伐，他们认为森林下面的土壤有较大的资源价值。为了开采下部更有价值的煤矿, 又转而剥去了土壤。有些资源是因一种文化对其的认知才成为资源，虽然开采会将其消耗，并损毁一个地区交替使用的潜力。（© Corbis /Royalty Free ）
自然资源通常被归入为可再生资源和非可再生资源这两大类中的一类 。
可再生资源
可再生资源 （renewable resource）是由自然过程所更新或补偿的物质，能被重复利用，取之不尽。然而，可再生资源可以分为两类：永恒的资源和只有谨慎管理才能再生的资源（图5.3）。永久资源 （perpetual resource）来自于几乎耗之不尽的来源，例如太阳，风，波浪，潮汐和地热。
图 5.3 自然资源分类。如果使用率超过再生率，可再生资源可被耗尽。
潜在的可再生资源 （potentially renewable resource）可以自然再生，但是如果被人类不谨慎利用就可能遭破坏。这类资源包括地下水、土壤、植物和动物。如果开发速率超过再生速率，这类可再生资源就会被耗尽。干旱区的地下水抽取超过补给，如果没有可再生的水源就可能被彻底耗尽。土壤可能完全被侵蚀掉，而某种动物可能完全消失。森林是一种可再生资源，只要人们的种植量至少同砍伐量一样多。
非可再生资源
非可再生资源 （nonrenewable resource）存在的数量有限，或者在自然界中生成极其缓慢，以致实际上只能有限被开采。此类资源包括化石燃料（煤、原油、天然气、油页岩和油砂）、核燃料（铀和钍）和多种非燃料的金属与非金属矿物。虽然组成资源的元素不可能被破坏，但它们能变化成不太有用或者较难利用的形式，然后就被消耗尽。蕴藏在单位体积中的化石燃料可能经过极长的时间才聚集为可用的形式，而一瞬间就转变成热量，完全被耗尽。
幸运的是，有许多矿物可被再利用，即便它们不能被代替。如果它们在化学上没有被破坏——就是说，如果它们维持着原始的化学成分——就有再利用的可能。铝、铅、锌和其他金属资源，加上许多非金属——例如金刚石和石油的副产品，能被反复使用。但是，这类物质中的许多种在任何特定对象中被使用的数量都很小，以致考虑到经济因素还无法回收它们。此外，许多物质已被用到制成品中，无法被回收，除非将产品破坏。因此，“可重复利用资源”这个术语必须小心使用。现今，对所有矿物资源的开采都比回收快得多。
资源储量
有些地区蕴藏很多资源，而其他地区相对较少。然而，没有哪个工业化国家拥有支持它所需的所有资源。美国有丰富的矿藏，但是有些矿产——例如锡和锰——要依赖其他国家。对实际上稀缺或可能稀缺的关键性非可再生资源，最好进行未来可用性的预测。例如，我们需要知道，地球上还剩下多少石油，我们能继续使用多久。
任何回答只能是一种估计。而且由于各种理由，这种估计是难以做出的。开采揭示了某种矿产的存在，但是我们没有可靠的方法知道，还有多少未被发现。再者，我们对构成一种有用资源的组成的定义，依赖于当今的经济和技术条件。如果这些条件变化了——例如，提取和加工矿产有可能变得更有效——我们对储量的估计也将变化。最终，答案部分地依赖于资源被利用的速率。但是，想要比较确切地预测被利用的速率是不可能的。如果发现了成问题的资源有代用品，现有的利用速率可能下降；如果人口增长或者工业化对资源的需求增大，利用速率就有可能上升。
图5.4举例说明一种估算储量的有用方法。设想大长方形包含着一种资源的总储量，即存在于地球内或地球表面的全部资源。该资源的某些矿床已被发现，在方框中表示为“已鉴定储量”；尚未探明的矿床，称为“尚未探明的储量”；应用现今技术在经济上可采的矿产标记为“经济储量”；而“次经济储量”是由于种种理由（品位不够高，开采后处理费用高，开采不到等）而没有吸引力的已鉴定储量。
图 5.4 可变的储量定义。已证实或可用的储量，由已被鉴定的以及在现有价格和技术下可开采的数量构成。X表示经济上有吸引力，但尚未被发现的数量。Y表示已鉴定，但经济上尚无吸引力的数量。Z表示尚未发现，即便现在被发现也无吸引力的数量。
资料来源：General classification of resources by the U.S. Geological Survey.
图中只有深色表示的部分可以恰当地被称为已证实储量 （proved reserve），或者可用储量 （usable reserve），即从已知矿床中能够被有利可图地开采的资源数量。这些都是已被鉴定以及在现有经济和运作条件下可开采的数量。如果资源中有新的矿产被发现，储量的等级将向右方移动；随着技术改进或者产品价格上升，储量边界可下移。例如，如果发现了经济的开采方法，那么在1950年没有被考虑为储量的矿产在2010年可以变成储量。
5.2 能源资源与工业化
虽然人们依赖蕴藏在生物圈里各种各样的资源，但能源却是“主导资源”。我们利用能源使所有其他资源为人类所用（见“什么是能量？”专栏）。没有能源，所有其他资源将存留在原地，不可能被开采、加工和分配。当水变得稀缺时，我们利用能源从较大深度处抽取地下水或者从江河引水和建造渡槽。同样的，在面对贫瘠土壤管理的情况下，我们投入化肥、农药和农具等能源来增加产量。通过能源的使用，把原材料转化为商品以及服务的绩效都远远超过任何个人所能做到的水平。而且，应用能源可克服人类开发的物质世界的不足。高质量的铁矿可能被耗尽，但是通过广泛应用能源，可以将岩石中含量极低的铁提炼、富集以供工业利用。
专栏 5-1 什么是能量？
人们借助非生物能源建立了发达社会。能量 （energy）——做功的能力——不是势能 （potential energy）就是动能 （kinetic energy）。势能是被储藏的能量，当被释放出来时，处于一种能被利用做功的形式；动能是运动能，所有运动中的物体都具有动能。
设想一座水库蓄满了大量的水，水就是势能的储藏库。当水库大坝蓄水的闸门打开时，水汹涌流出，势能就变成了动能。它能被利用做功，例如驱动发电机。能量没有消失，只是从一种形式转变为另一种形式。
遗憾的是，能量的转变并不是完全的。并非水的全部势能都能转变成电能。有些势能常常转变成热量然后消失到周围环境中。能源效率就是我们如何能很好地将能量从一种形式转变成另一种形式而没有浪费——即生产出来的能量与生产过程中所消耗的能量之比。
能源可以用多种方法提取。人类本身就是能量的转换者，从蕴藏在食物中的能量获取燃料。我们的食物来源于植物通过光合作用而储存的太阳能。实际上，几乎所有能源都是当初太阳产生的能量的储存库。其中有木材、水、风和化石燃料等。人类已经不同程度地利用了其中的每一种。农业社会之前，人们主要将储藏在野生植物和动物中的能量作为食物，不过也开发了某些工具（如矛）和养成了开拓能源基地的习惯。例如，人们通过火来取暖、做饭和清理林地从而增加自己的能源。
定居性的农业社会发展了技术以利用越来越多的能源。动植物的驯化 （domestication），利用风力 （wind power）推动船只和风磨，利用水转动水轮，这些都扩大了能源的基础。在人类的大部分历史中，木材是主要的燃料来源。甚至在今天，世界上至少还有一半的人将木材作为燃料烹饪和取暖。
然而，正是在从可再生资源到非可再生矿物的过渡期中，主要的化石燃料激发了工业革命，使得第6章所讨论的人口增长成为可能，并且给予一些地区远超过其未使用非生物能源时所能达到的人口承载力。在工业化国家，个人和国家财富的大量增加，在很大程度上是建立在煤、石油和天然气的经济基础上的。这些能源被用于供热、发电和开动机器。
能源的消耗与工业化生产和个人财富的增加密切相关。一般来说，能源消费水平越高，人均国民总收入就越高。能源消耗与经济发展的这种相互关系表明了各社会之间的基本差异。能承受大量能源消耗的国家，就可以继续扩张他们的经济和提升人民的生活水平。那些无法获得能源、或者承受不起能源消费的国家，他们的经济发展远景与那些发达国家的差距日益加大。
5.3 非再生能源
原油 （crude oil）、天然气和煤构成了工业化的基础。图5.5表明了美国过去的能源消费格局。大约1885年之前，燃烧木材提供了大部分的能源需求。从1885年起，煤炭上升到主要地位。由燃煤满足的能源需求所占比例大约在1910年达到顶峰。之后，石油和天然气逐渐取代了煤炭。如图所示，化石燃料作为能源在最近100年占据绝对优势，2005年占美国全国能源消费的90%左右。
图 5.6 （a）石油主要生产国。2004年这8个国家生产了世界石油的56%。石油输出国组织成员国以星号标注，共占2004年石油生产量的41%。（b）石油主要消费国。这里只表示了6个国家。每国在2004年消费了世界石油的3%或更多。
资料来源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
原油
今天，原油及其副产品几乎占全世界所有商业能源消费的40%（木材和其他传统燃料未计在内）。世界上有些地区和工业化国家对原油的依赖远高于此数。图5.6表明了原油（也称石油）的主要生产国和消费国。
图 5.5 1850—2004年美国的能源。2004年化石燃料提供大约90%的能源。
原油被从地下开采出来以后，必须精炼。碳氢化合物被分离出来，蒸馏出蜡和焦油（制取润滑油、沥青和许多其他产品），以及各种燃料。石油由于可燃烧并且是一种浓缩的能源适合于驱动车辆，因而跃升至重要地位。虽然以石油为基础的产品有数千种，但家用燃料油、柴油、喷气机燃油和汽油等燃油是精炼厂的主要产品。在美国，运输用燃油占所有石油消费的2/3。
如图5.7所示，原油主要靠水路从许多生产中心运往工业先进国家。请注意，美国从许多地区进口原油。其他的主要进口商——西欧和日本主要是从中东进口原油。
图 5.7 2004年国际原油的海路运输方向。注意中东在石油出口方面的主导地位。箭头指示来源地和目的地，不是具体路线。线条的宽度与运输量成正比。2004年，美国进口了国内使用原油的3/5。
资料来源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
输油管、超级油轮以及其他运输方式的高效率和低廉的原油价格，助长了世界对燃油的依赖，尽管煤炭仍是普遍使用和廉价易得的。美国对于外国石油的依赖很贴切地说明了这种格局。许多年来，美国的原油生产始终处于同样的水平——每天800万—900万桶。但是在1970—1977年间，由于国内供应的原油比开采出来的贵得多，因此对外国来源的原油消费急剧增加，全国消费的原油几乎一半是进口的。美国和其他工业先进国家的经济对于进口原油的依赖，使得原油输出国拥有强大的力量，这反映在20世纪70年代原油价格的暴涨上。在这10年中，油价剧烈上升大部分是由于石油输出国组织（Organization of Petroleum Exporting Countries, OPEC）强大的市场地位。
1973—1974年和1979—1980年石油危机的副作用有世界性经济衰退、石油进口国巨大的纯贸易逆差、世界资本流向的转向，以及美元相对于许多其他货币的贬值。在积极方面，20世纪70年代的油价暴涨激发了非石油输出国的石油开采、石油钻探技术的改进和对替代能源的搜寻。也许，最重要的是在许多年中，部分由于衰退，部分由于价格高涨促成对资源的保护，这些副作用减少了能源的总需求量。工业化国家学会利用少得多的石油取得单位产量。一般来说，汽车、飞机和其他机器的能源效率已经比20世纪70年代高得多，工业和建筑业在近年来也是如此。
然而，自1985年以来，无论是石油的全球生产或是消费都已稳步地增长。而美国，其国内生产的石油在1982—1986年间满足了每年需求的69%，之后美国对进口石油的依赖不断增大，至2005年，对外国石油资源的依赖已经占到年消费量的60%（见“燃油经济性与平均燃油经济性标准”专栏）。
地理学＆公共政策 燃油经济性① 与平均燃油经济性标准
美国是一个石油“瘾君子”，依赖于每天注射一定剂量的石油。美国人平均每天消费大约2000万桶石油，相当于每人每天将近3升，或每人每年大约3800升。这种依赖性意味着什么？
请考虑下列表中的数据。
国家
2004年已证实储量
（百万桶）
2004年年产量
（百万桶）
2004年年消费量
（百万桶）
美国
29.4
2.6
7.5
加拿大
16.8
1.1
0.8
墨西哥
14.8
1.4
0.7
请注意美国年产量和消费量之间的不平衡。与同一半球的邻居加拿大和墨西哥相比，美国的石油消费量远超过其产量。以目前的消费率，并假定没有进口，已证实储量仅能满足国内4年的需求。美国人能够继续开车，工厂里能够继续生产各种基于石油的产品，是由于国家每天进口近1300万吨石油。就是说，美国依赖外国资源满足其60%以上的原油需求。
美国大约有44%的石油用作私家车、越野车和轻型卡车的燃油。20世纪70年代中期石油价格增至3倍时，国会设立了燃料效率的新标准，美国人开始购置较小的汽车，降低了人均石油消费量。1973—1987年，美国新汽车的平均燃料效率从每加仑21.1千米增加到35.6千米。仅此一项每年就削减汽油消费7500万升，每天减少进口石油130万桶。
然而，到了20世纪90年代，随着汽油价格下降，美国人又恢复了过去的做法，购买燃油效率低的大型汽车，例如运动型多用途车（越野车）、箱式旅行车和两排座椅的家用小货车等。这些车型在美国大受欢迎，目前占全国客车的半壁江山以上。大型越野车是汽油饕餮，这种车的流行压低了在美国行驶的汽车的平均油耗（燃油经济性）的等级。尽管在节油技术上有所进展，但是目前新车的平均燃油经济性还不如1988年。
汽车的燃油效率差别很大，效率最高的汽车每升汽油行驶20千米，而效率最低者平均不到1千米。高油耗的大型越野车不仅加剧了美国对外国石油资源的依赖，而且还带来负面的环境影响。全国汽车的平均燃油效率只要提高1.3千米/升，美国每天就可从进口的约1000万桶石油中节省100万桶。全国二氧化碳排放量中汽车占大约20%。一辆每升11.1千米的汽车，其排放量仅为平均每升5.5千米汽车的一半。每燃烧1升汽油，就向大气层排放1.6千克二氧化碳，进而起到增加温室效应和全球变暖的作用。汽车排放的氮氧化物和碳氢化合物还分别造成酸雨和臭氧烟雾（第12章讨论的话题）。
针对这些环境问题，同时减少美国对进口石油依赖的方法之一应该是提高能量效率 （energy efficiency）。目前联邦平均燃油经济性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）标准要求每个汽车制造商的新客车要达到平均每升11.7千米，轻型卡车（家用客货两用车、越野车和箱式旅行车）达到每升9千米的标准。对轻型卡车较宽的燃油经济性标准原本是想避免处罚建筑工人、农民和其他依靠客货两用车工作的人，但却为汽车制造商利用符合轻型卡车定义的汽车（越野车和箱式旅行车）替代小旅行车和箱式轿车开了绿灯。
提高平均燃油经济性标准的支持者注意到，已经有既显著提升汽车效率又不牺牲安全性的种种技术。他们指出，日本标准执行每升12.9千米；欧洲法规甚至更高，达每升14千米。他们力主提高能量效率是减少燃料消费和让世界更洁净、更健康的最快、最便宜的途径。此外，他们还断言越野车对其他驾车人构成威胁，因为越野车限制了能见度，并且碰撞时会造成更大伤害。
但是，汽车工业的官员指出，他们提供了各式各样的汽车，燃油效率有高有低，人们可以自由选择其喜爱的车型。他们说，大多数美国人更关心汽车的安全、舒适和性能而不是耗油量。有些买主赞扬越野车的安全性。一位越野车主说：“这是一种十分安全的车辆，之所以买它，是因为它是一个宁折不弯的钢铁坦克手。无论你撞上什么东西上都会毫无感觉。”其他人则重视箱式旅行车或越野车提供的空间，他们说：“如果要拖拽一艘小船或者全家出游，你别无选择，你需要大容量。”
思考题
你是否同意下列说法？为什么？
“美国自由市场制度无法满足美国的能源需求。不能相信汽车工业会自律。除非政府强制，否则汽车制造商不会改善汽车的燃油经济性。”
“政府法规不是正途，可能每升0.8美元的汽油会堵住越野车和箱式旅行车里程数的漏洞。”
“我们不能强迫人们购买高效率车辆。我们必须权衡环境问题和消费者的欲望，许多消费者喜爱大发动机和大车辆而不是燃油效率。”
你认为国会应该提高平均燃油经济性标准、要求汽车制造商改善行车里程吗？
越野车和箱式旅行车是否应该继续享受比其他客车宽松的法规吗？为什么？
像悍马H2, 福特远足和雪佛兰巨无霸这些自重3856—4536千克的大型越野车无须遵守平均燃油经济性标准，因为该标准制定时这种重量的车辆被认为主要供商业使用。但是，现在这种车辆主要用作客车。你认为这些车辆是否应该免受燃油标准的管理？为什么？
© J. Crawford / Image Works
估算石油储量的大小尤其困难。储量的估算由于石油的开采和新储量的圈定而不断被修改。但是，许多政府主张对储量的大小保密，少报国家的官方储量。尽管如此，明显的是，石油是一种有限的资源，石油的储量在世界各国的分布很不均匀（图5.8）。截至2005年，已证实的储量确定为略小于1.2万亿桶。另外，认为尚未发现的储量有9000亿桶。即使所有已知的储量能开采出来，且现今的生产速率一直维持着，已证实的石油储量也只够开采大约40年。不过，一些中东国家生产量占储量的比例较低，在他们的油田枯竭以前，能以现今的速率抽取一个多世纪。
图 5.8 各地区已证实石油储量所占的份额，单位：10亿桶，2003年1月1日。石油的供应是有限的，有些国家在可预见的将来可能耗尽它们的储量。美国大约消费了世界石油供应的1/4, 但只拥有世界储量的2.5%。中东国家大约蕴藏着已证实储量的3/5（沙特阿拉伯一国就占了世界石油储量的22%）。2005年初，世界已证实的储量估计为11,890亿桶。由于采用石油矿藏圈定和开采的新方法、提取石油储量，以及价格的变化，这个数字趋向于随时间而增大。2005年，全球的石油消费大约是每年290亿桶。
资料来源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
关于世界上的石油将被耗尽的预测，已经存在了40多年。悲观主义者仍然相信全球的石油生产将在2010年以前达到顶峰，而乐观主义者认为，本世纪大部分（如果不是全部）时间内我们还将会依赖石油。他们争辩说，开采和生产的技术进步——例如深井注水提高回收率，将会显著增加从地下开采的石油的数量，我们不必担心加油站里没有油。
人们一度认为浅海油田只存在于浅水区，而现今的认识是，巨量的石油蕴藏在墨西哥湾、巴西和西非沿海海平面下数千米处。现在，许多石油公司从墨西哥湾超过1000米深度处抽取石油已经好几年。
从现有的储积区开采更多石油甚至更有希望。当前，一个储积区平均只有30%—35%的石油被开采到地面，大部分石油依然留在原地。石油工业的乐观主义者认为，强化了的开采技术（向油井中注入水、气体或化学物质使更多的石油被开采）能开采出一个储积区里60%—70%的石油。
最后，虽然大多数地质学家同意，已经没有多少大油田有待发现，其中有些新发现的油田还是已经被大量开采，但工业分析家认为，产量的显著增加可能来自俄罗斯和许多原苏联国家（哈萨克斯坦、塔吉克斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦、吉尔吉斯斯坦和阿塞拜疆）。例如，哈萨克斯坦正在开发新的大油田，铺设延伸到里海盆地以外的新油管。而俄罗斯已开始在其远东的鄂霍次克海和库页岛附近，开发巨大的浅海油田。
煤炭
煤是工业革命的燃料基础。1850—1910年，美国由煤供应的能量比例从10%上升到大约80%。虽然煤的消费由于对石油利用的扩大而降低，但是直到1950年（图5.5），煤仍然是美国最重要的国内能源。
煤虽然是非可再生资源，但是它的世界供应量如此巨大，以致煤的预期资源寿命可能要以世纪来量计，不会是通常量计石油和天然气那样短得多的寿命。单美国就拥有2500亿吨以上的煤，这被认为是在现今技术下可开采的潜在经济基础。依现今的生产水平，这些已展现的储量将足够满足另外两个半世纪美国国内对煤的需求。
就全世界而言，蕴藏量最大的煤矿，集中在北半球的中纬度地带，如图5.9所示。中国和美国这两个国家，最近许多年来在煤的生产中处于主导地位，占有世界一半以上的煤产量。自1990年以来，世界上对煤的利用处于比较稳定的状态，但是煤的使用有明显的地区性变化。煤的产量在美国有轻微上升，但在欧洲和原苏联各国，煤产量由于政府停止了对工业的补贴而下降。煤的使用在许多亚洲国家与地区继续增长（印度、印尼、韩国、中国台湾和日本）。中国的煤产量与消费自2000年以来由于经济快速增长而翻了一番。在美国和其他工业化国家，煤主要用于发电和炼制生产钢铁的焦炭。在欠发达国家，煤广泛用于家庭取暖和烹饪，以及用于发电和作为工厂的燃料。
图 5.9 2005年1月各地区已证实的煤储量所占份额。主要含煤盆地集中在北半球。尽管这些含煤盆地面积很大，但是非洲和南美洲的煤却很少。2004年，中国是世界上最大的煤生产国和消费国，其次是美国。在“亚太地区”，几乎所有的煤储量都位于中国（12.6%），印度（10.2%）和澳大利亚（8.6%）三个国家。
资料来源：Reserve data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
煤并不是一种质量稳定的资源。它从褐煤（由原生的泥炭轻微压实而成），经由沥青质煤（软煤）到无烟煤（硬煤），每一级都反映有机质转变的程度。无烟煤有固定的含碳量，约在90%左右，水分很少。相反，褐煤水分含量最高，而碳元素含量最低，因而热量值也最低。在美国，大约有一半已探明的储量是沥青质煤，主要集中在密西西比河以东各州。
煤除了分级以外，还分等，等取决于杂质（尤其是灰分和硫）的含量，这有助于确定煤的质量。优质沥青煤因其所含热量和物理性质适合于生产炼钢工业所需的焦炭。这种煤越来越少，价格越来越高。无烟煤从前是家庭取暖的主要燃料，但其现今的开采费用昂贵得多，且没有稳定的工业市场。东宾夕法尼亚州产无烟煤的斯库尔基尔（Schuylkill）已在第13章作为独特类型的资源区来探讨。
煤矿的价值不仅取决于煤的分级和分等，还取决于它的可达性。后者依赖于煤层的厚度、深度和煤层的连续性，以及煤层相对地面的倾斜度。有许多煤可以通过露天开采技术比较便宜地被开采。由巨大的挖土机在矿坑中剥除地表沙石，采掘暴露出的煤层。但是，也有许多煤只能通过昂贵且比较危险的矿井开采，例如在阿巴拉契亚山脉和欧洲大部分地区。尽管美国西部煤的热量值普遍较低，但由于其含硫量低，所以现在仍具有吸引力。但是，那里的煤需要花费昂贵的运输费用才能被运到市场，如果要用于发电以供应遥远的消费者，也需要成本很高的输电线路（图5.10）。
图 5.10 长距离运输显著增大了美国西部低硫煤的成本，因为它距离美国东部市场遥远。为使成本最低化，专门的运煤列车需要在西部的煤矿带与东部的公用事业公司之间保持连续的穿梭运输。（© Craig Nelson / Index Stock Imagery ）
与煤的开采和燃烧有关的生态、卫生和安全问题也必须列入煤的成本。由于露天采煤和燃煤而使原始地面支离破碎和河湖遭受酸污染，这些情况虽然部分地受到环境保护法的约束，但是相关的措施增大了成本。美国东部的煤含硫量较高，现今大多数工业化国家，包括美国，需要应用费用高昂的技术从烟道气中去除硫和其他杂质。
煤的运输成本影响着煤的生产和消费格局。煤炭体积庞大，不像非固体的燃料那样容易运输。通常，煤在煤矿附近消费。煤的高运输成本使主要的重工业中心直接在煤田发展，例如匹兹堡、鲁尔、英格兰中部地区，以及顿涅茨克。
天然气
煤是最丰富的化石燃料，而天然气则被称为近乎完美的能源。它效率高、用途广、无须加工又对环境无害。在化石燃料中，天然气的主要成分是甲烷，对环境的影响最小。它燃烧清洁，燃烧后的化学产物是二氧化碳和水蒸气，虽然它们是温室气体，但这两者都不是污染物。
如图5.5所示，20世纪见证了天然气在美国能源供应份额中的可观增长。在1900年以前，天然气约占全国能源供应的3%, 到1980年，天然气供应量已上升到30%，但是到2005年又下降到25%。世界其他地区的天然气供应量则呈相反的趋势。全球的天然气生产和消费在1973—1974年石油危机以后显著增加，在2005年增长了将近一倍，大约占全球能源消费的25%。
大部分天然气直接用于工业和居民采暖。实际上，天然气作为室内取暖燃料，其用量已经超过煤和石油。而在美国，现在已经有超过一半的家庭利用天然气取暖。一部分天然气还用于发电厂。有些天然气生产品种多样的化工产品，例如汽车燃油、塑料、合成纤维和杀虫剂。
早在1916年，得克萨斯州和路易斯安那州就已发现非常巨大的天然气田，而后又在堪萨斯-俄克拉何马-新墨西哥州地区发现了大天然气田。在那个时期，美国中南部人口稀少，以致未利用天然气。但无论怎样，当时在寻找的是石油，而不是天然气。许多只产出天然气的井被加盖封存。与石油共生而产出的天然气，被当作石油工业上不需要的副产物而从井口排放或者燃烧掉。这种情况直到20世纪30年代才发生改变，那时铺设了输送管道，将南方的天然气输送至芝加哥、明尼阿波利斯，以及其他北方城市消费。
天然气同石油一样，很容易用管道输送而且价格低。但是与石油不同，在国际贸易中天然气不能自由地由海路输送（图5.11）。穿越海洋的船运涉及到将天然气冷却到-126℃、使其液化的昂贵装备，因为船只需要在适当的温度条件下装载这种液体，而在目的港要有再将其气化的装备，并将气体注入当地的管道系统。液化天然气 （liquefied natural gas，LNG）危险性极大，因为甲烷和空气的混合物具有爆炸性。虽然美国主要从特立尼达和多巴哥进口一些液化天然气，但大部分天然气用管道输送。在美国，管道系统的长度在160万千米以上。
图 5.11 天然气的世界贸易路线，2004年。俄罗斯向20多个欧洲国家出口天然气，占世界贸易量的30%。荷兰和挪威的出口量占另外的25%。大部分天然气经由管道输送，但是天然气在发达国家的供应量日渐减少。大储量天然气在遥远地区的发现和伴随着液化天然气贸易成本的降低使得液化天然气更有吸引力。在2004年，只有4个国家——日本、韩国、西班牙和美国进口大量的液化天然气，占世界燃料贸易的80%。但是这种格局在下一个10年将会变动。
资料来源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
同其他化石燃料一样，天然气是不可再生的，它的供应量有限。天然气的储量难以估计，因为这取决于顾客愿意为这种燃料花多少钱，而随着天然气价格上升，对储量的估计也增加了。使天然气供应量的估计进一步复杂化的是，潜在的天然气资源在非常规地层类型中发育的不确定性。这包括致密的砂岩地层、盆地深层（埋深在6000米以下），以及页岩和煤层。
全世界仅两个国家和地区就蕴藏了已证实天然气储量的2/3——俄罗斯（27%）和中东（41%），见图5.12。其余32%的储量大致平均地分布在北美、西欧、非洲、亚洲和拉丁美洲。其中每一处拥有总量的4%—8%。按现有的生产率，已证实储量的天然气大约可供开采65年以上。但是发展中国家，特别是南亚和东南亚国家很可能有尚未发现的天然气田，如果加以开发，可使世界天然气储量的预期寿命显著延长。
图 5.12 已证实的天然气储量，2005年1月。俄罗斯在单个国家中拥有的天然气储量最大，约占世界总储量的27%（为美国储量的9倍以上）。大量的储量也分布于中东国家。
资料来源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
在美国，得克萨斯-路易斯安那州和堪萨斯-俄克拉何马-新墨西哥州地区大约占有国内天然气产量的90%。但是，据说几乎所有州的地下都蕴藏有天然气。此外，许多岸外浅海区已知发育有天然气。阿拉斯加的潜在储量很大，估计至少两倍于美国其他地区现今已证实的储量，其所蕴藏的天然气足够美国全部房屋取暖10年。如果能够开发非传统资源区生产天然气所必需的技术，天然气储量可能足够另一个世纪之需。当然，这些不易取得的供应开发成本较高，因此费用昂贵。
油页岩和沥青砂
相似的情况影响着用油页岩 （oil shale）提炼石油的前景，油页岩就是富含被称为干酪根 （kerogen）② 的有机物的细粒岩石，这是一种潜力异常巨大的碳氢化合物储藏。所包括的岩石不只是页岩，还有更像石灰岩而不像页岩的以碳酸钙和碳酸镁为主要成分的岩石。而且干酪根这种碳氢化合物不是石油而是一种蜡，一种沥青状物粘附在碳酸盐颗粒上。把岩石碾碎加热到足够高的温度（480℃以上）以分解干酪根，释放出液态石油产物——页岩油 （shale oil）。
全世界油页岩储量非常巨大。美国、巴西、俄罗斯、中国和澳大利亚均已发现估计储量数十亿桶页岩油含量的矿藏（图5.13）。美国最大的矿藏是科罗拉多州、犹他州和怀俄明州接壤处的绿河组（Green River Formation）。这几个州拥有的石油足以供应美国另一个世纪的需求，且在20世纪70年代被认为是国家能源自给的答案。美国在科罗拉多州大章克申（Grand Junction）附近的皮申斯盆地（Piceance Basin）投资了几十亿美元进行油页岩的研发工作，但是到了20世纪80年代，由于油价下跌，对该项目的兴趣也消失了。1991年位于科罗拉多州帕拉楚特溪（Parachute Creek）的最后一家炼油厂也被废弃了。
图 5.13 油页岩矿床。美国最丰富的油页岩矿床蕴藏于绿河组，拥有世界已知油页岩储量的大约2/3。在找到经济地进行加工、解决废弃物处理和修复采矿点土地的方法之前，油页岩不大可能成为主要的资源。
另一种潜在的石油液体资源是沥青砂 （tar sand），被一种叫作沥青（bitumen）的黏稠的、高碳石油饱和的砂岩。人们认为全球沥青砂的储量比常规的石油储量大许多倍——含有几万亿桶沥青，大部分在加拿大。据估计，艾伯塔省4处大矿床就拥有相当于1.6万亿桶的石油。阿萨巴斯卡（Athabasca）矿床是其中最大的，供应加拿大每年石油需求量的约10%（图5.14）。委内瑞拉、特立尼达岛、俄罗斯和美国犹他州也发现了沥青砂矿床。
图 5.14 （a）加拿大艾伯塔省的沥青砂矿床。（b）从沥青砂生产合成油有4个步骤：（1）去除覆盖层；（2）开采和运送沥青砂到提炼单位；（3）注入蒸汽和热水把沥青和尾矿残渣分离；（4）沥青提纯为焦炭和各种馏分。大约要用两吨沥青砂生产一桶油。（Courtesy of Suncor Energy, Inc ）
无论从油页岩还是从沥青砂中生产石油都需要高额资本支出和承担重大的环境代价。要破坏大面积的土地并产生极大量的废弃物。虽然如此，由于油页岩和沥青砂储量巨大，此类物质有可能是丰富的气态和液态燃料资源。这些矿物不同于核能或大多数可再生能源（如太阳能或水电），它们可以提供工业社会所依赖的汽油、喷气机用油和其他燃料。20世纪80年代油气价格下降，加上政府支持力度减弱，使替代燃料在经济上与石油竞争的努力暂告一段落。然而，随着油气储量渐趋耗竭，总有一天其价格必然上升。出现这种情况的时候，各国就很可能转向这些非常规的燃料资源。与此同时，采用核能作为非燃料动力的技术将被开发。
核能
核能的支持者认为核动力是长远解决能源短缺问题的主要办法。他们主张，假如技术问题能够解决，核燃料将提供几乎取之不尽的能源。其他评论者指出，任何依靠放射性燃料的系统都有固有的危险，核动力会引起技术上、政治上和环境方面的问题，而社会尚无解决办法。产生核能主要有两个途径：核裂变和核聚变。
核裂变
核裂变 （nuclear fission）发电的传统方式涉及铀-235（U-235，自然界存在的唯一可分裂的同位素）原子核的“分裂”。U-235分裂时，约有千分之一的原始质量转化为热。释放的热通过热交换器产生蒸汽，驱动汽轮机发电。
1千克U-235蕴含的能量相当于近12125桶石油。全世界400多个商业核反应堆开发核能，大约生产世界电力的16%（图5.15）。其中大约1/4核电站在美国。
图 5.15 2004年核能的主要生产国和消费国。这8国生产和使用的核能占全世界近3/4。图中标明了每个国家所占全世界核能消费的百分数。发展中国家的核电站很少。
资料来源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
有些国家比其他国家更依赖核动力。两个欧洲国家——法国和比利时，核动力提供超过65%的电力。不过这仅等于或少于美、加两国电力的20%。有几个国家完全反对核方案。丹麦、意大利、希腊、澳大利亚和新西兰属于此类国家，它们决定保持“无核化”状态，永不建核电站。还有几个国家，包括德国、瑞典和菲律宾，计划逐步停止开发核能直至反应堆被拆除。
但是，很多国家最近对核动力的兴趣复苏，部分是由于相信核能是减少碳排放和减缓气候变化的最佳途径。在世界范围内，有10个国家的25座反应堆在建设中，另有112座已列入计划或在拟议中。核动力工业位居世界第三（次于美国和法国）的日本，依靠52座核电站生产近1/3的电力，而政府计划要求修建11座新的核电站。在中国，电力需求的迅猛增长和减少对进口石油、天然气以及减少污染严重的燃煤火电站的愿望，促使政府继续修建新的反应堆。其他兴建新的核电站的国家和地区有韩国、中国台湾和俄罗斯，共有6座新核电站在兴建中，另有19座列入计划。③
美国核动力扩展的情况尚未确定。由于种种原因，自1979年以来尚未安排新的计划（图5.16）。核电站建设、审批和运行的高额费用使它比其他能源更加昂贵。1979年宾夕法尼亚三里岛部分反应堆熔毁和1986年乌克兰核电站爆炸加重了人们对核安全的担心。缺乏安全储存放射性废物的地点也减弱了公众对核能的支持。最后，尤其是2001年9月11日以后，许多人把核电站视为引诱恐怖袭击的目标。
图 5.16 2005年美国在运营的核电站。103座核电站集中在密西西比河以东，生产全国大约20%的电力。
资料来源：Data from U.S. Nuclear Regulatory Commission.
尽管有这些担心，但是美国的核动力可能处在回归的边缘。由于许多旧反应堆的蒸汽发生器被腐蚀，钢铁压力容器变脆而不能安全运转，所以这些反应堆将在若干年内被关闭。有几家公司已经向核管理委员会申请替换其反应堆，或者表明他们想替换反应堆的意图。2005年国会通过的能源法案把几亿美元纳入奖励措施——包括税收抵免、补贴、贷款担保和联邦保险——来鼓励核能生产。
核聚变
核聚变不同于把原子裂解的核裂变，核聚变 （nuclear fusion）反应是强行把叫作氘和氚的氢原子结合起来形成氦，释放出极其巨大的能量。聚变是使太阳和其他恒星燃烧的过程；也是氢弹的基本原理，氢弹使用的是一种短暂的不受控的热核聚变。
核聚变比裂变更困难，需要把原子加热到极高的温度，直到原子核发生碰撞而融合。聚变研究者面临的一个技术问题是寻找制造反应堆安全壳的物质，其要能耐受辐射和1亿摄氏度以上的温度。2005年6月，美国、欧盟、俄罗斯、中国、韩国和日本组成的六方联盟，选择法国作为世界第一个大规模核聚变反应堆的地点。“国际热核聚变实验堆计划”（ITER）企图成为一个示范电厂，以此证明核聚变能够被驾驭并成为经济上可行的能源。建设这个电厂至少需要10年。
如果与核聚变相关的开发问题得以解决，大概能满足全世界数百万年的电力需求。海水是氘原子的来源，1立方千米海水就含有和全世界已知石油储量同样多的潜能。核聚变的拥护者还引证了其他有利之处。聚变的辐射过程是短暂的，废物可以忽略不计。核聚变反应堆不同于核裂变反应堆，它不使用U-235这种紧缺的原料；它也不像传统电站那样排放二氧化碳、二氧化硫或氮氧化物等。
怀疑主义者指出，尽管进行了50年的研究，科学家还是没有解决控制核聚变以使其释放的能量能被利用的问题。他们坚称聚变电站的成本会异常巨大，而常规方法能供应价廉得多的电力。最后，他们说，聚变能量可能带来我们想象不到的健康与环境问题。
5.4 可再生能源
核能提出的种种问题，加上一些有限的化石燃料将要耗竭的威胁，以及希望减少对外国能源的依赖，使许多工业国增加了对可再生能源的兴趣。这类能源的优点之一是无所不在，地球上大部分地区都充满阳光、繁茂的植物、强风，或者大雨；另一优点是容易被利用。无需先进技术就能利用许多可再生能源，这是发展中国家普遍使用这些能源的原因。最普通的可再生能源是植物。
生物质燃料
世界上超过一半人依靠木材和其他形式的生物质 （biomass）满足对日常能源的需求。生物质燃料 （biomass fuel）是指动植物或微生物生产的、能直接燃烧作为热源或转化为液体或气体的任何有机物质。除了木材以外，生物质燃料包括树叶、农作物残茬、泥炭、畜粪，以及其他动植物材料。在埃塞俄比亚和孟加拉国，生物质燃料提供能量消费总量的90%以上；在印度和巴基斯坦，也占40%左右。相反，发达国家从草木和其他有机物质转化而来的能量微不足道。
生物质能源有两大类：一类为树木、谷物和糖料作物，以及含油植物——如向日葵等；另一类为废料，包括农作物残茬、动物粪便和垃圾。把生物质转化为燃料的方法很多，包括直接焚烧、气化和厌氧消化 （anaerobic digestion）等。而且，除了发电以外，还能在转化过程中生产固体（木材和木炭）、液体（油类和酒精）和气体（甲烷和氢气）燃料，以便储存和运输。
木材
生物质产生的能量很大一部分来自木材。1850年，美国能源的90%来自木材。虽然目前木材只提供全国各种能源的3%，但是各地区的百分数差别很大，缅因州和佛蒙特州木材燃料就提供两个地区使用能源的15%。在发展中国家，木材是一种关键的能源，用以取暖、烹饪、烧水和照明。对木材的这种依赖造成有些地方森林严重损耗，这是本章后面讨论的主题（见“森林资源”）。
生物质对能源的第二个贡献是乙醇，它能用各种各样的植物制造。20世纪70年代石油短缺以后，化石燃料贫乏的巴西开始着手开发本国的能源，以减少对进口石油的依赖。巴西所出售的汽油都含有25%用甘蔗制造的乙醇，常规汽车发动机无须改造就能使用这种混合燃料。2003年，“混合燃料”（flex-fuel）④ 汽车在巴西登场。这种汽车的发动机经改造被设计为用汽油、乙醇或二者按任何比例的混合物都能驱动；油箱的体积不大于装雨刷液体的容器。买家被乙醇的低价和全国几乎所有加油站都出售这种燃料的事实所吸引。采用这种汽车和燃油两年后，这种混合动力汽车占巴西新车销售额的一半以上。
废弃物
废弃物包括农作物残茬、动物粪便和人类的垃圾，代表第二大类有机燃料。特别是在乡村地区，可以用此类废弃物通过叫作厌氧消化的过程发酵产生的甲烷（亦称沼气）作为能源（图5.17）。包括印度、韩国和泰国在内的许多国家有全国性沼气项目，但是为农村家庭产生大量沼气做了最大努力的是中国。他们用农家后院的发酵罐（沼气池）里产生的沼气，为多达3500万人提供做饭、照明和取暖的燃料。沼气技术被有意做得很简单：石头砌成的发酵池内装了废弃物——除人畜粪尿外还有秸秆和其他农作物残茬，在压力之下任其发酵产生甲烷，然后用软管通入农家厨房。沼气用完后，剩余废物可抽出用作田地里的肥料。
图 5.17 尼泊尔的沼气发生器。动物粪便和植物废料是尼泊尔、巴基斯坦、印度和中国等国家重要的燃料来源。加进前院发酵罐中的废料和水与有机物混合。随着废料的分解，沼气逸出。图上的装置是集气罐，导管把沼气引入各家厨房。（© Sean Sprague / Panos Pictures ）
水能
生物质，特别是木材，是最常用的可再生能源。其次最常用的是水力发电 （hydropower）——从下降的流水中开发的能量。水能是水流从一个基准面落下到另一个基准面时——无论自然下落还是经水坝下落——产生的。下落的水流被用来推动水车，像古埃及人所做的那样；或者推动现代的涡轮叶片，驱动发电机发电。水能是一种清洁能源。虽然干旱区水库中有些水分可能经蒸发而损失，但是发电过程中水分既不受污染也没有消耗。一般而言，只要流水不断，水能就可再生。
由于水能是系于水的一种资源，水力发电只能受制于特定的位置。在美国，47个州的1900多个地点有水力发电。尽管水电站分布如此广泛，但是全国60%以上的水电开发能力仅集中于3个地区：太平洋沿岸各州（华盛顿州、俄勒冈州和加利福尼亚州）、东南部田纳西河流域和东北部各州（图5.18）。形成这种格局的原因，一方面是由于资源基地的位置，另一方面是由于水电开发中田纳西河流域管理局（Tennessee Valley Authority，TVA）等机构所起的作用。
图 5.18 2002年美国各州水力资源发电占全部电力的百分比。美国已开发了约一半的水电潜力。
资料来源：Energy Information Administration, State Electricity Profiles 2002.
水电的长途输送代价很高，因此水电通常都在当地消费。这个事实有助于说明某些地区使用混合能源的格局。因此，虽然美国水力发电只占全国电力供应的1/10，但是爱达荷州的全部电力、俄勒冈州和华盛顿州约90%的电力是由水电供应的。
图5.19表示全世界能源消费的格局。水电对各国能源的贡献差异很大。挪威、阿尔巴尼亚、埃塞俄比亚、赞比亚和巴拉圭水电占电力的97%以上。加拿大是全球领先的电力生产者，其中大约有70%来自水电，其份额堪与巴西、瑞士和新西兰相比。亚洲、非洲和南美洲将近40个国家从水电获得一半以上的电力。南美洲巴拉那河（Parana River）伊泰普（Itaipu）水电站是目前世界上最大的此类设施，为巴拉圭提供几乎全部的电力，并为巴西提供20%的电力。
图 5.19 2004年按地区统计的水电消费。图中表明各地区水电消费的百分比。水电对电力供应的贡献并非只限于工业化国家。例如，南美洲水电供给75%的电力；发展中国家作为一个整体，供给44%。
资料来源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
水库大坝除了供发电外，还可用于防洪和灌溉。尽管具有这些和其他种种优势，但是水电开发也有值得注意的环境与社会代价（见“筑坝的烦恼”专栏）。水库蓄水淹没河谷中的森林、农田和村庄，有时造成数以万计的移民。水库淹没天然湿地和河流生境，改变水流模式，拦截本来流向下游沉积在农田上的泥沙，导致土壤肥力长期下降。河流下游利用不时发生的洪水发育起来的生态系统被破坏，减少了水生物种的多样性。
地理学＆公共政策 筑坝的烦恼
筑坝目的有三：发电、防洪和为农业与城镇提供可靠水源。水坝具有许多优势：开发了一种免费又无尽的可再生能源——水；初期投资以后，运行费用相对较低；许多合适的坝址在欠发达国家。水坝让许多人居住和垦殖于干旱区——使荒漠繁荣；有些水坝开通了原是荒凉河流的航道，例如，哥伦比亚河和斯内克河（Snake River）下游的水坝使驳船上溯近800千米，爱达荷州刘易斯顿成为西海岸最深入内陆的海港。
20世纪30年代和20世纪40年代美国修建了一些大型水坝，田纳西河、科罗拉多河、哥伦比亚河和其他一些河流都修建了水坝。一方面，那时环保人士的影响还不大，而且大部分筑坝的负面后果尚未被认识。另一方面，种种利益却显而易见。民谣歌手伍迪·格思里（Woody Guthrie）颂扬科罗拉多河大坝的部分歌词如下：
大古力坝（Grand Coulee Dam）耸立在河上。
这是男子汉最伟大的杰作，运转大工厂，浇灌农田。
滚滚向前，哥伦比亚河，滚滚向前！⑤
美国最适宜水电开发的地点都已被开发，但是世界上其他地方并非如此。许多地方都在筑坝，如印度的讷尔默达河（Narmada River）以及土耳其的底格里斯河和幼发拉底河。1994年第一斗混凝土倒入将要成为世界最大水电工程的地方——三峡大坝。这个巨无霸建筑物将在画家和诗人所崇敬的惊涛拍岸的三峡风景区拦断长江。虽然大坝本身并不是世界之冠，但是其水电输出将超过1.8万兆瓦（相当于18座大型燃煤电站或核电站），遥遥领先于世界。
虽然任何一座水坝的具体效应取决于如区域地貌、水坝大小、被水坝拦断的河流的性质、气候，以及当地动植物区系等因素，但是水力发电的社会与环境代价是有代表性的。
水库蓄水淹没河谷时，居民和野生动物要迁徙，森林被毁。600千米长的超大型水库高踞三峡大坝后面，大约相当于苏必利尔湖的长度，正在淹没房舍、农田和曾居住190万人的无数村庄。对这项工程持批评态度的人坚称，要成功地重新安置这么多人是不可能的。把他们迁徙到周围山坡上是不现实的，山坡无法支持新的耕作。其他地区把移民安置在远离故土的地方并不成功。许多人回流到他们的出生地，还有些人成为贫困的难民、失业者和无地劳动者。
虽然建坝的拥护者坚信水电是一种清洁能源，但是大水坝常常淹没大片森林。植被腐烂，释放出甲烷，这是一种强有力的促使地球变暖的温室气体。
水坝上游水流变缓，在库底留下大量泥沙；水库充满泥沙后，上游就可能发生洪水。
几十年内泥沙淤积可能减少水坝原来发电量的70%；长此以往，水库会被泥沙填满，河流就会越坝而下。
由于被拦截在大坝和涡轮机后面的泥沙中含有滋养下游食物链的有机物质，因此会使河流生物缺乏营养。
虽然水库提供农作物的灌溉用水，但是也将盐分浓集到表土上，尤其是在干旱区。像尼罗河和科罗拉多河等荒漠长河尤其含有盐分，灌溉1万平方米农田会留下数吨盐分散布到土壤中。
许多地方建库以后，水库、灌渠和河流中水传疾病发生率增加了。埃及阿斯旺大坝扩大了钉螺的繁殖区域，而钉螺传播血吸虫病——一种几乎不能被治愈的令人衰弱的疾病。热带地区的大坝建成后，疟疾会显著增加，因为数百平方千米的理想蚊虫繁殖区会在水位下降时期暴露出来。
旱季水流减少会搅乱长江口的状况，导致海水上溯。由于不再有洪水带来泥沙，海岸线可能受侵蚀。随着河口湾、海滩和湿地缩小，野生生物的栖息地也将缩小。
大坝影响下游水体的温度和含氧量，改变水生物种的组合。河流变得不适合于一些物种，而更适于另一些物种。有些分析家预言，由于水温降低和春汛缩短影响产卵，所以长江鱼类数量会显著减少。业已证明美国太平洋地区西北部的一些大坝对该地区的大马哈鱼是致命的。大马哈鱼需要从河流迁移到太平洋，然后再返回其出生地产卵。工程兵团为了找到大马哈鱼与水坝共存的方法奋斗了25年，但几乎毫无进展。
最后，由于使用年限、设计与建筑不良或发生地震，存在着灾难性溃坝的可能性。
建设超大型水坝的选择确实存在。例如可以提高现有水坝效率，用高效率的新发电机置换低效率的旧发电机就能将大坝发电量提高3倍，用远低于大坝的成本修建小水坝就能提供许多利益而且无须移民。许多发展中国家正在建筑小水坝，安装小发电机组，为远离电力网的地区提供电力。
思考题
水力的利益是多方面的，但是有观察家指责水电开发实际上是在人类与自然界之间进行浮士德交易⑥ 。他所指的是什么？
如果你是水利部长，你会建议修建大坝吗？为了评估大坝可能带来的利弊，你要考虑什么问题？如果有人主张中国在长江及其支流加固堤坝并修建较小的水坝能更快、更节省地满足中国的能源与防洪需求，你会怎样回应？
美国正在出现一种信念，超期服役的老水坝和那些环境代价超过其效益的水坝应予拆除，恢复河流健康良好的状态及其自由流动的本性。到2005年为止，缅因、佛蒙特、北卡罗来纳、威斯康星、加利福尼亚等州已经有500多座水坝停止工作和被拆除。美国水坝大约有1/4至少已使用了50年，许多水坝亟待修护。你是否赞同拆除这些水坝？为什么？
大约有10万座水坝调控着美国的河流，但是根据美国地质调查局的资料，洪水仍是美国最具破坏性和代价最高的自然灾害，每年因洪水死亡的平均人数并无降低，即使按通货膨胀进行调整，自1951年以来，洪水造成的财产损失仍然增加了近2倍。你能想出这是什么原因造成的吗？
太阳能
地球每年接受的太阳能是人类目前使用能量的数千倍。取之不尽又无污染的太阳能 （solar energy），是我们使用的大多数能量形式——化石燃料与植物、水能与风能——的根本来源。无论如何，许多人都把直接捕获的太阳能看作满足未来大部分能量需求而对地球环境损害最小、对地球资源保护最大的希望所在。太阳能的主要缺点是其具有分散与断续的性质。由于其分散，所以必须在大面积上收集才能确保实际可用，而由于其间断性，又需要某些储存方法。
将太阳能用以烧水和取暖之类的居家使用技术已众所周知。在美国，被动式和主动式利用太阳能供暖技术已在市场上站稳了脚跟。超过50万家庭使用太阳辐射烧水和取暖。据报道日本有大约400万套太阳能热水装置，而以色列2/3以上的家庭用太阳能烧水。在温暖、阳光充足、云量不大且冬季（这时能量需求最高）黑夜时间较短的条件下，独立的房屋使用太阳能电池板是最好的。
太阳能利用的第二种类型是把聚集的太阳能转化为热能来发电。研究工作集中于各种热电转化系统，包括发电塔、抛物线型槽和太阳能池等。多数研究专注于收集系统上聚集的太阳光线。在抛物线型槽系统中，用计算机引导曲面镜长槽追踪太阳，把太阳能聚焦到充满合成油的钢管上（图5.20）。将油加热到390℃，进而把水加热产生水蒸气来驱动发电机。莫哈维沙漠（Mojave Desert）中有几座这样的发电站在运行，产生的电力足够27万居民的需要。
图 5.20 加利福尼亚州达盖特（Daggett）附近莫哈维沙漠太阳能热电厂的抛物线型槽反光片。该设备利用太阳能生产水蒸气发电。抛物线反光片由计算机引导追踪日光，把太阳能聚焦到充满换热液体的钢管上。（© Cameramann International ）
上述发电厂先把光转化成热间接发电，但是也能够通过光伏电池 （photovoltaic [PV] cell，也叫作“太阳能电池”）——用硅制造的半导体器件——用阳光直接发电。在北美洲，这样的太阳能电池用于各种特殊目的，首先用于那些不受成本因素限制的地方，例如航天器、山顶通讯中继站、导航浮标和雾号⑦ 等。随着价格的下降，光伏电池找到了新的市场：为公路信号灯、移动通信信号塔以及计算机和收音机等小型设备提供动力。发展中国家还用光伏电池驱动灌溉水泵，为偏远地方的卫生所的冰箱供电并给电池充电。太阳能技术最新成果是光伏屋顶材料，这种材料把太阳能电池连成一体，实际上把屋顶变成该楼的发电站。日本和法国许多新房舍都在安装含光伏电池的屋顶系统。
到2005年为止，日本因为政府资助太阳能消费，所以安装的太阳能动力 （solar power）容量最大，紧随其后的是德国和美国。尽管制造工艺的改进导致光伏太阳能动力系统成本明显下降，但要使其对国家电力供应做出更大贡献，仍须进行大量的研究。
其他可再生能源
除了生物质、水能和太阳能以外，还有许多可再生能源可供开发。其中两种就是地热能和风能。虽然二者都好像能为世界能量需求做出重大贡献，但是二者的潜力是有限的，而且是区域性的。
地热能
（a）
（b）
图 5.21 （a）全世界的地热电站。地热开发的大多数地区都沿着或接近板块的边缘分布。由于适合地热发电的地点有限，大多数地热电站都远离电力需求很大的大城市，因此地热能对世界能源的贡献可能依然较小。（b）一座世界大型湿蒸汽地热电站位于新西兰怀拉基（Wairakei）。岩浆辐射的热量通过其上面的岩石加热地下含水层中的水。钻井把蒸汽引到地面，使其经管道通向发电厂。如照片所示，地热电站的缺点之一是把气体释放到大气层，虽然烟囱中所用的气体净化器能把气体的逸出量降低到可接受的水平。（［a ］Carla Montgomery, Environmental Geology, 6e, Figure 14.22, p. 353. McGraw-Hill: Boston, 2003; ［b ］© Nicholas DeVore / Getty Images. ）
人们总是被火山、间歇泉和温泉深深吸引，这些都是地热能 （geothermal energy）的证明。地热是被封存在地表下几千米的热水或蒸汽中的热量，有几种方法可以从中获取能量。开发地热能的常规方法取决于地下热水储藏的可利用程度。只要深井钻入这些储藏中就可以利用热能发电或者直接用其加热各种设备，例如房屋取暖或烘干农作物。
地热田通常都与岩浆附近的地方相关联，也就是俯冲带上面现代火山活动的区域。因此，冰岛、墨西哥、美国、菲律宾、日本和新西兰等国都是生产地热能的国家（图5.21）。冰岛有一半地热能用于发电，另一半用于取暖。首都雷克雅未克几乎所有住宅和商业楼都用地热蒸汽取暖。
虽然能够开采地热蒸汽用以发电的地方不多，但是地热能也可以直接用于取暖和制冷。地热泵（亦称地源热泵）利用土壤中冻结线以下的恒温，将地热能泵到建筑物中取暖或制冷。把环形管道系统埋入地下，电动压缩机使制冷剂在管道中循环，把分送到建筑物中的空气冷却或加热。由于能效高而且洁净无污染，近年来美国地热取暖系统大受欢迎，尤其是用于新建筑物。
风能
虽然美国几百年来就利用风能抽水、磨谷和驱动机械，但是风能对能源的贡献在100多年前几乎完全消失了，因为那时风车先后被蒸汽与化石燃料取代了。利用风车作为电力的能源有很多优点。风车能不用任何燃料直接驱动发电机，又能被较快地建造和安装，只需强劲稳定的风来运转，而且许多地点都具有这些条件。此外，风力发电机不污染大气和水体，也不消耗自然资源。设计技术的进步降低了使用风力发电机发电的成本，因此对传统发电厂越来越具有竞争力。目前风电成本每千瓦时3—6美分，大约与化石燃料的火电同价。
20世纪80年代，受前几年汽油短缺的刺激以及联邦和州政府的税收鼓励，加上长期公用事业合约的优惠，加利福尼亚州在风能开发中独步天下。到1987年，该州在3个地方安装了大约1.5万座风力发电机，占全世界风电容量的90%（图5.22）。20世纪90年代，随着美国各州和许多欧洲国家开始投资风电场 （wind farm），风力发电机群生产商业用电，这个百分比稳步下降。到2005年，美国只占全世界运营风电容量的14%。
（a）
（b）
图 5.22 （a）加利福尼亚州棕榈泉附近圣戈尔戈尼奥山口（San Gorgonio pass）的风电场。风力发电机利用风力发电。（b）2004年按州统计的风电容量，单位：兆瓦。1000兆瓦能满足大约30万美国家庭的能量需求。虽然美国风能潜力只有一小部分被利用，但是许多州都有新的风电项目正在进行。20世纪90年代风力发电机技术进展显著，新式发电机比先前更强大、更可靠。近年来无论在美国还是全世界，风能是电力生产中增长最快的能源。（［a ］© Roger Scott. ［b ］Source of data: American Wind Energy Association .）
20世纪90年代，减少对化石燃料的依赖并承诺发展可再生能源，促使数个欧洲国家发展风电装置，尤其是德国、西班牙和丹麦。德国在世界风电生产中居领先地位⑧ ，2004年占世界风电容量的38%，而丹麦则是人均风电产量最高的国家。亚洲国家中除印度外，都在某种程度上减缓了风电场的建设，但是中国和日本仍然有大量在建项目。
未来几年内近海风电装置有望较大增长，尤其是在北欧。世界最大的近海风力发电场位于哥本哈根港入口处，该处和其他地方的装置提供大约全国电力的20%。荷兰和瑞典也有近海风电场，英国、爱尔兰、比利时、德国和西班牙也有计划或正在兴建近海风电场。
风能的短处是不可靠性和间歇性，风能不易存储，需要备用系统。此外，有些国家在偏远地区才有丰富的风力资源，这些地区远离现有电力网，因而必须建立昂贵的输电线路给消费者供电。批评者指出，要几千个风力发电机才能生产与一座核电站等量的电力。环境方面的顾虑包括风电场的美学影响（它们非常显眼，常常覆盖整个山坡，占据景观的主要地位），以及对候鸟的伤害。
非燃料矿物资源
上文所讨论的矿物资源提供使人类能够做功的能量。对我们的经济福祉同样重要的是非燃料矿物，因为这些矿物能加工成钢铁、铝和其他金属，加工成玻璃、水泥和其他产品。我们的建筑物、工具和武器主要来自矿物。
事实上我们认为必不可少的资源，包括金属、非金属矿物、岩石和燃料，均蕴藏在地壳薄薄的表皮——地壳中。92种天然元素中，仅8种就占地壳质量的98%以上（图5.23）。我们可以认为这几种元素是地质上丰富的，而所有其他元素则是地质上稀有的。在大多数地方，矿物富集程度太低以致开采无利可图。如果富集程度足够高，使开采可行，那么这种矿床开采出来的矿物就叫作矿石 （ore）。因此，是或不是矿石及能否开采取决于需求、价格与技术，而且因时而异。
图 5.23 地壳中按重量计相对丰富的元素。只有4种经济上重要的元素——图中以深色表示——在地质上是丰富的，共占地壳重量1%以上。幸而，这些元素和其他有商业价值的矿物集中在地壳的特殊区域。如果均匀分布在地壳中，这些元素和矿物的开采就不具备可行性。
矿物资源的开采一般有6个步骤：
（1）勘探（寻找物料富集的矿床）；
（2）开采（从地层中取出）；
（3）选矿（从矿石中分离出所需的物料）；
（4）冶炼和（或）精炼（把矿物分解为所需的纯物质）；
（5）将矿石运输到要使用的地方；
（6）把矿石加工为成品。
上述每一步都需要能量和物料的输入。
决定某种矿床开采的可行性和收益有5个因素：矿物的价值、可采量、特定矿床中矿石的丰度、与市场的距离，以及征地费用和专利使用费。即使这些因素都有利，但如果有更廉价的竞争性资源可用，那么可能还是不会开发这些矿山，甚至留其待日后进行投机交易。20世纪80年代美国和加拿大共有产量超过2500万吨的铁矿被永久关闭。北美的铜、镍、锌、铅和钼矿因市场价格下降到低于国内生产的成本，也出现同样的衰退。从20世纪90年代初开始，由于资源耗竭与低价进口两方面的原因，美国首次成为非燃料矿物净进口国。虽然矿物价格上升可能导致开采或重新开采矿石被认为无利可图，但是市场经济发达的工业国发现自己在和具有廉价劳动力与丰富国有矿山的发展中国家生产者的竞争中处于不利地位。
自然过程生成矿物如此缓慢，以致我们将矿物列入存量有限的非可再生资源的范畴。不过，其中有些资源储备很丰富，在长远的未来仍有现成的储备。此类资源包括煤炭、砂石和钾盐。其他矿物，如锡和汞之类储备量很少，而且因工业社会对其与日俱增的需求而日益减少。表5.1给出一些重要金属“剩余年限”的估计数。由于矿物资源难以估算，因此表上数据应看作是提示性的而不是确切的。化石燃料的情况也是如此，这样的估计是基于经济与技术状况，而我们既不能预知未来的矿物价格，也不能预知技术上的改进。对一种有价值矿物，现已探明可用储量的耗竭将提升这种矿物的价格，使得现在划归亚经济等级的矿山有利可图（图5.4）。然后那些矿床就被重新归入已证实储量中。新矿床的发现和（或）矿物加工技术的改善也会增加储量数字，因此也延长了储量预期寿命。
表5.1 若干种已证实储量矿物的预期寿命 证实资源的剩余年限
矿物
世界
美国
银
14
21
铅
21
18
锌
24
39
铜
32
30
锡
24
0
镍
44
0
磷酸盐
130
38
锰
35
0
钴
149
0
铝土矿
147
0
铬
48
0
钾盐
277
75
注释：这些数字所反映的，是基于目前生产与消费速率预测的若干种矿物已证实储量能持续年限的近似值。由于总储量和消费速率随时间波动，这些数字仅是提示性的。开采成本降低、矿物价值提高，和（或）新矿床的发现都会延长表中所示的寿命。
资料来源：Mineral Commodities Summaries 2004, U.S. Geological Survey.
虽然人类社会早在公元前3500年就开始使用金属，但直到工业革命之前，全世界对金属的需求仍旧很小。直到第二次世界大战以后，资源的日益短缺和价格的上升（加上美国日益依赖外国资源），才让大众意识到金属资源问题的严重性。世界范围内的技术进步造成人们的生活离不开矿物。工业化进行得如此迅速又如此廉价，是早期所需要的物料储量丰富又唾手可得的直接结果。经济体因撇取蛋糕上的奶油而获益匪浅。迄今尚未有答案的问题是：稀缺矿物余下的储备量是否会限制工业化和发达经济体的扩展，或者人们是否能够找到和如何找到应对短缺的出路。
非燃料矿物的分布
由于矿物资源的分布是长期地质过程中某些元素富集成有商业价值的矿床的结果，由此推断，国家越大就越可能拥有此类矿床。事实上，俄罗斯、中国、加拿大、美国、巴西和澳大利亚都拥有丰富多样的矿物资源。如图5.24表明，这些国家都是领先的矿业国。它们拥有近一半的非燃料矿物资源 （nonfuel mineral resource），并且出产金属（例如铁、锰和镍）和大部分非金属（例如钾盐和硫）。
图 5.24 几种矿物的主要生产国。图中所示的国家不一定是储量最大的国家。例如，印度有铝矾土、中国有锰、南非有磷酸盐，但它们都不是这些矿物的主要生产国。（Data from World Resources Institute ）
很多种非金属只集中于少数国家，而且有些稀缺元素只存在于世界上几个地区。例如，大量的钴和钻石矿床局限于俄罗斯和非洲中南部。南非拥有世界近一半的金矿、3/4以上的铬与铂族金属。有些国家和地区只有一两种可开采的矿物——如摩洛哥的磷酸盐，新喀里多尼亚的镍。有些人口大国在矿物储藏方面处于不利地位，其中包括法国和日本等工业化国家，它们能够进口资源；也包括一些发展中国家，如尼日利亚和孟加拉国，它们不大可能负担得起进口费用。
认识到这点非常重要，即没有任何国家拥有经济上重要的所有矿物资源。有些国家，如美国，曾经得到大自然慷慨的供应，但现在他们已经耗费了这些“资产”，要依靠外国的资源。虽然20世纪40年代和20世纪50年代美国在矿物供应方面几乎能够自给，但现在已不是这样。由于美国长期使用国内资源而且经济持续扩张，现在许多重要矿物的供应对其他国家的依赖程度超过50%，其中一些矿物列于表5.2中。金属成本的增加和可用性的下降促进了对替代品的研究。工业化学家和冶金学家在探索替代传统资源的新材料方面做得非常成功，这使得对资源可能耗竭的担心有所减轻。但也必须了解，某些矿物（例如钴和铬）还未找到合适的替代品。其他替代品常常是合成材料，在其生产过程中往往使用日益稀缺而且昂贵的烃类化合物。其中许多合成材料在使用或弃置时，会造成环境危害，并且所有这些替代品标价很高，而且日益增高。
表5.2 2004年美国几种非燃料矿物供应对外国的依赖 矿物
进口（%）
主要来源
主要用途
铝土矿和铝
100
澳大利亚、牙买加、几内亚
铝的生产
铌
100
巴西、加拿大、爱沙尼亚
炼钢和超合金的添加剂
锰
100
南非、加蓬、澳大利亚
炼钢、电池、农业化学品
云母
100
印度、比利时、中国
电子和电气设备
石英晶体
100
巴西、德国、马达加斯加