引言

人类对地球系统的影响如此巨大，以至于一个新的地质时代“人类世”已经开始了。我们现在生活在一个“充满人类影响的世界”。在这个世界里，经济发展对支持生命的生态系统的影响越来越复杂和深远。与此同时，为了提高人类的生活水平，我们对地球的生命维持功能也提出了越来越多的要求。在这个世界里，研究、教育和政策的重点需要从孤立的问题转移到整体、复杂、相互关联的系统，并研究各个部分之间的动态相互作用，比如，对生态系统和能源系统的动态相互作用进行研究。

经济发展和全球问题的复杂性意味着科技应参与解决几乎所有重大挑战。比如，对抗贫穷和饥饿、提供可再生和可持续的能源、保护全球环境和自然资源、获得干净的水和肥沃的土地、防止传染病的传播和生物恐怖主义、保持经济发展等。鉴于能源科学的前沿和生态技术的颠覆性创新，我们认识到有必要建立一种工作机制，以明确对未来可持续发展至关重要的问题，向不同社会部门（公共和私人）的决策者提供建议，以确保通过国际交流和合作，实现人类的共同繁荣和共同利益。因此，我们受中国科学技术协会（CAST）邀请，组织了“生态与能源：挑战与机遇”前沿圆桌会议（2018年6月12—13日，中国北京）。

本次会议的目标是：①与决策者交流生态科学和能源技术领域的先进知识，为我们的地球创造一个更美好、可持续和繁荣的未来；②通过跨学科交流，为我们在生态和能源领域面临的挑战和机遇提供战略咨询和解决方案，以及多学科和跨学科的研究方法；③识别影响人类福利的挑战和科学问题，并为科学界、行业和社会提供应对方案；④分享在生态和能源领域的前沿思想、发展趋势、风险、危机、机遇、挑战，以服务科学界、政府、行业和公众。尽管在生态与能源前沿论坛上的讨论主要集中在中国作为世界上最大的新兴经济体的发展上，但所确定的趋势和要求具有更广泛的代表性，并为解决与其他新兴经济体和发达的工业化经济体有关的问题提供了可行性方案。

生态系统健康是改善可持续的“生活质量”的基础。生态问题的挑战包括流域生态系统恢复与水资源管理、雾霾污染与产业转型、优化并行开采与资源利用、土壤重金属污染与食品安全、生态毒理学研究与环境保护、绿色发展与生态安全、生态技术与生态创新、生态资源与生态经济等。

为实现联合国可持续发展目标，我们必须全力应对能源危机、环境污染、自然资源过度使用、水资源短缺、全球气候变暖和生态系统恶化等重大挑战。据联合国称，全球仍有很大一部分废水未经收集或处理而排放到环境中，在低收入经济体中尤其如此，低收入经济体平均仅处理8%的生活和工业废水，而高收入经济体仅处理70%（Alvaredo et al., 2018）。因此，在世界许多地区，污水被排入河流和湖泊，造成水系严重污染和水生态系统的严重破坏。这些水最终流入海洋，对海洋环境和公共卫生的负面影响将从根本上改变地球生态系统的健康与安全，以至危害人类的福祉。

根据中国国家统计数据，中国城市每年排放约778.2亿t废水，处理率为80.3%，同时还有197亿t未经处理的农村废水。如果按照中水水质为一级A（国际排放标准），可以估计，每年约有4 128 t总磷和82 560 t总氮排入流域。中国雨季的总径流量可能为22 505亿m ³ /a，而旱季的总径流量仅为4 610亿m ³ /a（Wang et al.，2016a）。在不考虑地表径流和农业污染的情况下，持续的污水排放和旱季径流量的减少，将使所有流域在旱季受到更为严重的污染。这些污染水系也将进一步污染土壤，影响食品安全。由于未来20年对食品的需求预计将增加50%，氮肥的使用将增加200%，磷的使用将增加80%（Tilman et al.，2002），因此，中国必须努力提高污水处理标准，实现中水水质达到地表水Ⅳ类水水质标准，才能从根本上保证水系的水质和水生态系统的安全。同时，还应该按照海绵城市建设的理念，保护水资源，并采取科学措施减少农业和面源污染。这将形成一个容量超过1 000亿元人民币的新市场（Wang et al.，2016b）。

除了水污染，固体废物污染和土壤污染也是人类面临的巨大挑战。中国的快速城市化（城市化率从1980年的22%到2016年的58%）每天产生360万t固体废物和大约90万t有毒垃圾填埋场渗滤液。城市化通过废物处理和水污染增加了土壤污染的风险。超过16%的中国农业用地面临着严重的重金属污染（Bai et al.，2014），36.3%的中国农业用地土壤被列为“不安全”，这对中国的粮食和食品安全构成了严重的威胁（Stephens et al.，2018）。

关于资源枯竭和环境污染问题，对关键金属资源可用性和潜在瓶颈的分析表明，世界上锂离子电池供应链的钴开采量已从2002年的5万t增加到2016年的12.5万t（Olivetti et al.，2017）。钴的地缘政治集中存在风险，这可能会影响其他行业，资源的地理分布不均是影响能源生产的一个问题，贫困是造成二氧化碳排放差距的另一个问题，因此，重要的问题不是人口数量而是收入水平（Chiang et al.，2017）。基于Hubacek等人（2017a，2017b）的研究数据，日收入超过23美元（占全球总人口的10%）的人贡献了43%的二氧化碳排放量，而日收入低于1.25美元（占全球总人口的18%）的人仅贡献了3%的二氧化碳排放量。

能源是世界经济的引擎，是生态系统安全的关键，能源对生态系统、对全球气候变暖问题有很大影响。根据联合国的数据，到2030年，由于经济和人口增长，世界能源需求将增长60%。而根据对昆虫、脊椎动物和植物的预期影响，科学家敦促将全球变暖限制在1.5℃而不是2℃（Warren et al.，2018）。面对全球变暖，“可再生能源”成为一个可持续的长期能源战略。因此，可持续能源战略已成为政治目标。例如，在德国，可再生能源的产量从1990年的10 TW·h增加到2017年的218.3 TW·h，核能已从150 TW·h降至76.3 TW·h，煤炭能源已从310 TW·h降至240.1 TW·h（SBA，2019）。尽管如此，在全球范围内，城市化对能源消耗仍将产生巨大影响，这可能会导致过度补偿可再生能源项目，也会刺激雄心勃勃的可再生能源引进计划。随着中国城镇化水平的提高，10%的城市化造成的能耗增长高达83%，能源消费总量将增长8%（Wang，2014），即能耗的增长将大大超过城市化的增长，这是个严峻的问题。

全球能源供应和能源需求趋势（IEA，2017a）可以概括如下：

（1）向新兴经济体转移：2040年的电力装机容量将超过目前的装机容量，97%的增长将来自非经合组织国家。

（2）关注可再生能源：从现在起到2040年，60%的新电厂投资将用于可再生能源，50%以上的新能源发电将来自可再生能源。

（3）注重效率：2018—2030年，全球经济增长对能源的需求预计将增长三分之一，而能源总量可能增长150%。

（4）城市智能能源网络：世界三分之二的能源正在被城市消费，这一事实为“智能化”提供了巨大的机会。

（5）智能能源数字化转型：2014—2016年，以数字电力为基础的设施和软件投资每年增长20%以上，超过全球燃气发电总投资。

另外一个发展趋势是全球信息和通信技术（ICT）在整个经济，包括能源系统中的连通性正在迅速增长，特别是在发展中国家（IEA，2017b）。尽管在地方、区域甚至全球范围内，每一项挑战都是独一无二的，但全球和区域合作将支持、补充、加强和促进国家制定落实符合联合国可持续发展目标的能源政策。然而，由于能源问题涉及生物物理学和社会动力学的交错，“极其复杂”，因此，任何一个学科都不可能仅在本学科范围内解决能源问题。我们目前正在超越地球生物物理边界的安全阈值（Rockström et al.，2009），虽然国内生产总值（GDP）正在增长，但反倒会不断加剧收入的不平等、自然资本的损失和生态系统服务的减少，最终导致总体生活质量改善的停滞和可持续性风险的增加（Costanza et al.，2014）。这些问题是众所周知的，但我们关注的是解决这些问题所需要的新方法和方案。

我们建议，应该通过将未来发展重点放在为全球所有公民提供可持续繁荣的联合国可持续发展目标（Sustainable Development Goals，简称SDGs）上，来应对这些生态和能源的复杂挑战。SDGs提供了17个总目标、169个分目标，以及300多个指标的详细列表。SDGs进程提供了一个触发系统性变革的机会，以在一个日益相互关联的世界中构建一个可持续发展的未来。然而，SDGs本身最多只能提供宽松的指导方针，我们仍然需要做很多额外的工作来阐述目标之间的复杂性、动态性、相互关联性，采用各种措施和手段，使之朝着SDGs的总体目标发展（Lu et al.，2015）。

为了实现可持续发展目标，我们需要从对GDP增长的狭隘关注转向更广泛地理解和衡量人类和大自然系统的整体健康、福祉和安全。为加速这一进程，造福全世界，我们建议采取以下措施：

（1）关注人类和生态系统福祉的最终目标是“生活质量”的可持续改善。这需要更好地了解所有17个可持续发展目标之间的权衡和协同作用，以及它们如何促进整体福祉。例如，减少城乡不平等以改善农村地区的生活，消灭贫困，确保普遍获得城乡协同的可持续发展目标。发展可再生能源，提高能源利用效率，同时权衡各种能源对环境的影响（Sovacool，2014）等（SDG 1、2、3、7）。

（2）制定和采取更好的福利措施来指导各级决策者。这些措施可以建立在之前建议采用的真实进度指标（GPI）、生活满意度调查和生态系统服务评估的基础上（Costanza et al.，2016），最终创建一个新的综合生态文明指数（ECI），并适用于多种发展规模、发展模式，还可以利用于新兴的“大数据”、社会调查和政绩评审（SDG 4、5、6、17）。

（3）鼓励和展望未来的生态文明建设。通过公众调查、社会舆论和创意媒体，让公众参与建立可持续性未来，使公众了解城市可持续性面临的挑战，如资源短缺（水、土壤、能源）及发展制约、气候变化及其负面影响、环境污染及栖息地和物种损失、生态系统服务和功能退化及景观同质化，以及土壤荒漠化、污染和农业用地损失等（SDG 7、11、13）。

（4）实施系统思考和集成的工作模式。包括综合建模、生命周期评估（LCA）和跨学科合作。将科学技术、环境和社会经济方面（包括能源、资源、水、食品、土地利用、社区和道德方面）结合起来，以了解可持续发展目标之间的权衡和协同作用（SDG 7、8、10、13）。

（5）加快引进可再生能源和储能技术。考虑可能的副作用、与生态系统的协调，以及允许平稳过渡，并最终实现提高可再生能源的商业模式，包括储能和不同能源的选择模式（SDG 7、11、13）。

（6）为所有人提供智能、清洁和可再生的能源。通过利用数字化转型和对智慧能源系统（包括智能电网）的投资，可以提高能源效率，减少温室气体排放，实现并加强供需侧管理，消除能源贫困和资源浪费（SDG 7、11、13）。

（7）为所有人提供具有吸引力、方便、经济和高效的能源移动系统。例如，在中国，纯电池电力是市场增长的主要动力，约占电力市场份额的80%。利用其他新兴技术，中国可以使交通更加可持续、更加环保（SDG 11、12）。

（8）加大对突破性的生态能源技术和创新研究的投资，以实现产业化和可持续发展目标。包括组织创新中心，建立激励制度、鼓励社会捐赠、建立种子基金和激励小企业研究计划，以支持新兴的区块链技术、物联网技术、智能能源存储技术，并鼓励开发新的可重复使用和可回收材料、生物仿像、智能分布式能源和微电网，以及可更新的、节能的、环保的绿色建筑（SDG 9）。

（9）极力促进基于自然的解决方案和环境保护项目的投资。包括对大气和水质、固体废物管理、填埋场渗滤液处理、土壤复垦和粮食安全、生态系统服务维持和修复、海绵城市、矿山复垦、海岸风暴预防、防洪等项目的大力投资建设（SDG 13、14、15）。

（10）确保农业生态系统和粮食安全。包括利用现代数字管理技术提高小规模农业生产的效率，在保护农村社区的同时提高农业的可持续性，以及根据气候条件智能选择控制的农业生产管理体系；保障食品安全，实施食品的可追溯、可跟踪；对环境影响实施可标记、可标签；还包括对农田水利资源的保护和用水效率的提高等（SDG 2、3）。

（11）通过公共教育鼓励促进可持续的生活方式。包括利用一系列印刷品、电影、电视、广告、自媒体等媒介来传播可持续的生活方式，并为可持续消费和公共行为制定指导政策、法规和指南（SDG 4、12、16）

（12）实施全成本核算和审计。碳交易、污染费用、生命全周期评估、生态风险评估、生态补偿支付等，将这些外部因素包含到内部成本核算中（SDG 13、14、15）。

尽管每一项挑战都是独一无二的，但全球和区域合作将支持、补充、促进制定强有力的国家决策，以实现联合国的可持续发展目标。因此，我们希望与世界各国的学术界合作，对生态与能源系统进行综合评估。本书的目标是：①沟通生态科学和能源技术的前沿，为制定更可实施的、可持续的、更繁荣的未来的政策提供科学支持；②分享先进的科学思想和理念，分析未来发展趋势、模式、风险、危机、机遇和挑战；③针对所面临的挑战和机遇提供战略建议和解决方案，通过跨学科和多学科方法，搭建一个生态与能源科学技术的合作交流平台和机制；④意识到生态与能源问题和挑战将会影响人类的福祉，提高科学的预见性，为生态与能源的可持续发展提供科学指导和可行性方案。

生态与能源问题交错关联，“非常复杂”，不可能在任何单一学科范围内解决，我们目前正在超越学科的边缘、生态系统的极限。随着GDP的增长，不平等和不平衡在加剧，自然资本流失和生态系统服务减少，使生活质量的改善停滞不前，可持续的生存风险也在不断增加。中国正在面临这些复杂的挑战，我们已经意识到必须把未来的发展重点放在建设“生态文明”的目标上，为所有的公民提供可持续的繁荣。这一愿景与联合国可持续发展目标（SDGs）是一致。在这个日益相互联系的世界中，要实现SDGs，必须触发系统性变革，以构建可持续的未来。然而，要实现可持续发展目标，我们需要从狭隘的GDP增长转向更广泛地理解与衡量幸福——人类和自然的整体福祉。

愿我们集体创作的这本书，能给同行们带来一丝新的希望、理念、信心，并进而与我们一道探索可持续的未来。