摘要: 能源对全世界非常重要，它是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位。能源相当于城市的血液，它驱动着城市的运转。中国是能源消耗大国，主要依赖于不可再生能源包括煤炭、石油、天然气等化石燃料，这些能源的消耗伴随着温室气体的产生，对生态环境产生了非常严重的危害，例如CO
2的排放会造成全球变暖，海平面上升、冰川与冻土的消融、威胁人类的食物供应和居住环境等一系列危害。为了避免这些灾害的发生，本文从生活中力所能及的节能减排小事入手，依据蝴蝶效应的概念，推算出这些小事对减少灾害发生的贡献，提出可行的人们生活中的节能减排方案，结合中国国情分析节能减排的措施：从个人及行业的角度出发，找出存在的问题，并总结解决方法以及可以减少CO
2排放的量。根据全球碳排放及气候变化的影响，分析节约这些能源消耗产生的CO
2对缓解温室效应的贡献以及对生态的影响，将每个人力所能及的贡献与减少可能产生的自然灾害/生态破坏紧密关联，以物种灭绝为例定量分析出我们每个人力所能及的事情减少的CO
2排放量对物种的影响，提高每个人节能减排的意识，最后总结可行的节能减排的具体方式方法。
Abstract:
Energy is extremely important to the world. It serves as the material foundation for the survival and development of human society and holds a particularly strategic position in the national economy. Energy is like the blood of cities, driving their operations. China, as a major consumer of energy, relies heavily on non-renewable energy sources such as coal, oil, and natural gas. The consumption of these energy sources leads to the generation of greenhouse gases, posing significant threats to the ecological environment. For example, CO2 emissions contribute to global warming, rising sea levels, melting glaciers and permafrost, and endangering food supplies and living environments. To prevent these disasters, this article starts with small energy-saving and emission reduction actions that can be taken in daily life and calculates the contributions of these actions to disaster reduction based on the concept of the butterfly effect. Feasible energy-saving and emission reduction plans are proposed for people’s daily lives, taking into account the Chinese context. Measures for energy conservation and emission reduction are analyzed from both personal and industrial perspectives, identifying existing problems and summarizing solutions and methods to reduce CO2 emissions. Based on the global carbon emissions and the impacts of climate change, the contribution of saving energy and reducing CO2 emissions to mitigating the greenhouse effect and ecological impacts are analyzed. The paper establishes a close relationship between the individual contributions within reducing the possibility of the impending natural disasters/ecological destruction. Quantitative analysis is conducted, using species extinction as an example, to assess the impact of each person’s achievable reduction in CO2 emissions on species. The awareness of energy conservation and emission reduction for individuals is raised, and finally, feasible methods for energy conservation and emission reduction are summarized.
1. 引言
能源对全世界非常重要，它是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位。能源相当于城市的血液，它驱动着城市的运转。主要的能源类型有一次能源和二次能源。前者即天然能源，指在自然界现成存在的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。后者指由一次能源加工转换而成的能源产品，如电力、煤气、蒸汽及各种石油制品等。一次能源又分为可再生能源(水能、风能及生物质能)和非再生能源(煤炭、石油、天然气等)，其中煤炭、石油和天然气三种能源是一次能源的核心，它们成为全球能源的基础；除此以外，太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能等可再生能源也被包括在一次能源的范围内；二次能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，例如：电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源都属于二次能源。温室气体排放一般用碳排放来代指，学术界也往往用碳排放来代指二氧化碳排放。二氧化碳是全球温室气体排放中占比最高的气体，更是引起全球气候变暖最主要的原因 [1] 。因此本文仅以CO2为研究对象，下文中的碳排放也仅代表CO2的排放。中国是能源消耗大国，如图1所示，从1990年至今中国主要的能源来源是石油、煤炭以及天然气。其中石油及煤炭等化石燃料是CO2排放的主要贡献之一。虽然石油及煤炭的能源来源占比预测在接下来的30年内会持续下降，其对中国CO2排放的影响依旧不可忽视 [2] 。作为世界第二大经济体和全球第一大碳排放国，中国在2020年9月郑重宣布，将力争在2030年前碳达峰，2060年前实现碳中和 [3] 。这就意味着中国将完成全球最高碳排放强度降幅，用全球历史上最短的时间(30年)实现从碳达峰到碳中和的过渡 [4] 。图2统计及预测了1990年至2050年中国CO2排放量，证明的中国在2030年碳达峰及2060年碳中和的可实现性是非常强的。
据张抗等的统计，2020年，全球一次能源消费中煤炭、石油、天然气的比例依次为27.2%、31.2%和24.7% [5] 。总体来说，以全球均值计，现在仍处在石油时期，但以占全球一次能源消费量的26%的中国计，2020年三者的比例依次为56.8%、18.9%和8.3%，相应的CO2排放量占比为67.4%、22.4%和5.4%，可以说仍处在煤炭时期，处于高碳排放量的背景下 [5] 。为实现碳达峰、碳中和，积极推进节能减排相关政策，完成由高碳高污染的化石能源为主向低碳/零碳的非化石能源为主的转变。能源(结构)转型，成为人类无法回避的共同课题。
Figure 1. Statistics and projections of China’s energy consumption by type from 1990 to 2050 [6]
图1. 中国1990年至2050年各类型能源消耗统计及预测 [6]
Figure 2. China’s CO2 emission statistics and projections from 1990 to 2050 [6]
图2. 中国1990年至2050年CO2排放统计及预测图 [6]
化石燃料的消耗伴随着温室气体的产生，对生态环境的危害非常严重，例如CO2的过度排放会造成全球变暖，海平面上升、冰川与冻土的消融、海水酸化，威胁人类的食物供应和居住环境等一系列危害。以非洲最高峰乞力马扎罗山为例，2022年世界地球日展示了乞力马扎罗山从1984年到2020年山顶冰盖消融的照片(如图3)，随着时间的推移，冰盖面积肉眼可见的减少，让我们更加直观的感受到温室气体导致全球变暖对环境的影响 [7] 。2012年，美国国家航空航天局的一份报告指出，乞力马扎罗山顶的融化的积雪85%是在过去100年(1912年到2011年)融化的，科学家预测这些积雪将在2060年消失 [8] 。当然这个现象只是CO2过度排放影响的冰山一角。
Figure 3. Map of ice sheet changes at the summit of Mount Kilimanjaro [8]
图3. 乞力马扎罗山顶冰盖变化图 [8]
温室气体的过度排放使过去三十年气候产生了极大的变化，已经使大量物种的丰富性和分布区发生了较大改变，并且预测在中等气候变化情景下，到2050年墨西哥至澳大利亚广大区域中，15%~37%的物种将灭绝，最小升温情景(0.8℃~1.7℃)将使18%的物种灭绝，中等升温情景(1.8℃~2.0℃)将使24%的物种灭绝，最高升温情景(大于2.0℃)将使35%的物种灭绝 [9] 。以墨西哥至澳大利亚地区为例，那么我们可以推断出该地区20%的物种将会在气温提升1.5℃下灭绝，由于该地区数据的完整性所以我们可以将该结论运用到整个大的生态环境中用以表示出由于过度碳排放致使的气候变化对生物的影响。目前我们在世界物种保护联盟公布的“2000濒临灭绝物种红色名单”中发现：地球上大约有11,046种动植物面临永久性从地球上消失的危险，包括1/4的哺乳类、1/8的鸟类、1/4的爬行类、1/5的两栖类和近1/3的鱼类。而另外全球有1.6万多个生物物种有灭绝危险，其中动物在这份红色名单中占据多数，北极熊、河马、鲨鱼、猿、珊瑚、海豚等人们非常熟悉的动物物种都存在灭绝危险。有41,415个物种面临生存威胁。其中，有16,306个物种有灭绝危险，比去年增加了188种。近500年来，全球已有785个已知物种灭绝，另有65个物种通过圈养或人工培育存活 [10] 。近300年来物种灭绝速度加快。600年全世界哺乳动物有4,226种，至1970年至少已灭绝了36种，另有120种濒于灭绝；1600年有鸟类8,684种，至1970年至少灭绝了94种，还有187种濒于灭绝。近2000年来所灭绝的110种兽类和139种鸟类中，有1/3是近50年灭绝的，约1/3是上世纪灭绝的，其余约1/3是19世纪以前有历史记录的时期内绝迹的 [10] 。
显然，人类已经意识到这一点并做出了相应的措施。随着大气中温室气体浓度的上升，气候变化已成为超越国界的全球紧急情况。为了应对气候变化及其负面影响，大约200个国家签署了《巴黎协定》，将本世纪全球气温上升限制在2摄氏度以内，同时努力将气温上升幅度进一步限制在1.5摄氏度以内 [11] 。而中国基于基本国情，根据自己从高速发展转变为高质量发展的内在需要，本着对人类命运共同体的负责态度，于2020年提出了力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的两大重大决策，并采取了一系列相对应措施，例如：城市限号出行并且加大公共交通的建设来减少私家车的使用率从而达到节能减排的目的；国家倡导“光盘行动”，反对过度食品消费和浪费；大力推进生活垃圾分类及资源回收利用(如上海的垃圾分类政策)；加强新能源技术的革新，新能源汽车的政策帮扶以及国人购买新能源汽车免购置税等等措施。而达到的成效也是极大的，以大气环境的治理成效为例，如图4所示，2000年以来，全国及重点区域平均霾日数长期变化趋势均呈现先上升后下降态势。自2016年以来，全国平均霾日数明显下降。2021年，京津冀、汾渭平原、长三角和珠三角地区的平均霾日数较峰值分别下降53.9、87.5、82.2和75.0天 [12] 。
但是还是存在着不足之处，比如根据中国官方数字汇总的最新数据分析显示，中国的CO2排放量以十多年来最快的速度增长，2021年第一季度同比增长15%。2020年4月至2021年3月，中国的CO2排放量创下了近120亿吨的历史新高，比2019年的排放总量高出约6亿吨(5%) [13] 。而2021的碳排放也对十四五规划中提出的在2025年能源强度和非化石燃料的目标产生了一定的挑战。
Figure 4. Number of hazy days in China and key regions from 2000 to 2021 [12] .
图4. 2000年至2021年全国及重点区域霾日数 [12]
“蝴蝶效应”是连锁效应的其中一种，其意思即一件表面上看来毫无关系、非常微小的事情，可能带来巨大的改变。1963年，罗伦兹发表论文《决定性的非周期流》(Deterministic Nonperiodic Flow)，分析了这个效应。这篇论文后来被广泛引用。其最常见的阐述是“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可以导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风。”从当你听到气温又上升了十分之一度，海平面又上升了一厘米，可能觉得变化很小。然而，看似微小的变化可能会对我们周围的世界产生巨大的影响，尤其是地区性的影响。这些微小的变化累积起来已经导致了近年来不可忽视的破坏性热浪、干旱和极端降雨。正如蝴蝶效应般，初始条件下一个微小的变化也能带动整个系统产生长期的巨大的连锁反应。同样，本文从节能减排的角度出发，分析节约能源，减少碳排放对整个地球生态环境的蝴蝶效应。本文从个人生活及典型制造业的节能减排方式入手，提出可行的人们生活中的节能减排方案，结合中国国情分析节能减排的措施。根据世界主要依赖的能源类型，分析节约这些能源消耗产生的CO2对缓解温室效应的贡献以及对生态的影响，将每个人力所能及的贡献与减少可能产生的自然灾害/生态破坏紧密关联，提高每个人对节能减排的意识，总结可行的节能减排的具体方式方法。
2. 方法
本文通过调研各类数据库，查找相关数据，首先对个人日常生活中及中国典型制造业的能源消耗进行统计，用统计学中相关数学运用，分析每一种人类活动过程中，用条件加以限制得到能源消耗的CO2量。接着根据温室效应对自然环境的各种各样的危害，总结出在人类活动中若我们能够尽可能减少能源消耗，从而达到碳减排的目的与生态灾害缓和的相关性。最后通过查找资料找出权威的温度与物种灭绝的关系得到，以50%概率全球上升1.5摄氏度的碳排放为标准，分析各类相对应的节能减排方式与该标准碳排放的关系，将人类生活与生态影响建立关联，从而致力于以提高每个人的节能减排意识。(图5)
3. 生活中的能源消耗及碳排放
根据调研发现，碳排放其实存在个人生活中的方方面面，小到吃外卖用的一次性餐具或者包装袋，大到国家的制造业，发电厂，都有涉及。个人日常生活中各种的各种用电，以及出行时乘坐的小轿车排放的尾气等等都有CO2的身影。而制造业则是因为制造物品时，需要进行加工处理等等，这些加工时机
器的使用都需要电能来提供，甚至有时加工过程中也会排放废气，其中也会有CO2的产生。供能上，中国目前主要还是由煤和传统化石能源燃烧进行发电功能，这才是CO2排放的大头。
人类的普遍认知是自己生活中的一些CO2排放都是微不足道的，CO2的排放基本是企业，工厂等生产过程中所导致的。但是根据相关研究表明，我们日常生活所占整体碳排放的百分之四十，以及接近一半之多。日常生活中能有碳排放的行为覆盖的区域更多。下表就是关于我们日常生活中的一些节能小事可以减少的碳排放(表1)。据表1可知，在照明方面，如果家庭照明改用节能灯那么每支灯泡将减少0.0686吨CO2排放，养成随手关灯的习惯将每4小时减少0.0048吨CO2排放。在出行中，若减少私家车的使用率及轮胎充气降低油耗，那么将每公里减少0.00045吨的CO2排放。在使用家用电器及电子设备的过程中，若将电能供热改为使用太阳能供热，每年将会减少2.041吨的CO2排放；小的方面例如减少电子设备开机时间，调低亮度每年也可以减少0.1753吨CO2排放。
Table 1. Relationship between anthropogenic CO2 emissions and species extinction by conditions
表1. 人类活动的CO2排放与各条件下物种灭绝关系表
4. 制造业的能源消耗及碳排放
制造业作为中国工业经济增长的主要驱动力，是国民经济中的支柱产业，它在为国家创造财富方面有着不可替代的地位，但同时它也导致了能源和资源方面巨大的消耗和碳排放，也对环境产生了强负反馈 [14] ，在2000年以来，中国制造业碳排放占工业总体碳排放比重已超过66.7% [15] 。此外，2020年9月22日，习近平总书记在联合国大会一般性辩论上向全世界宣布，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。” [16] 而制造业作为碳排放大户，对“双碳”目标的实现造成了较大压力。
无论采用哪种统计口径，制造也都是碳排放“大户”。在制造业领域中，黑色金属加工业、非金属矿物制品业、石油冶炼加工业、化学原料制品业以及有色金属冶炼加工业碳排放在占整个制造业的累计比重在2000年到2016年间由81.59%上升至89.65% [17] 。同时，制造业在全国能耗、国内生产总值(GDP)、CO2排放中的占比长期处于稳定位置，见图6，图7，图8 [18] 。而在CO2排放方面，2019年制造业占全社会总排放量的35.8%，是继电力、热力供应部门外的第二大碳排放部门，但制造业总能耗却高于电力、热力供应部门，说明制造业单位能耗的碳排放强度低于电力、热力供应部门。无论是在全国单位GDP能源消耗方面还是在单位GDP CO2排放方面，制造业都属于问题行业。因此，在制造业方减少能源消耗，实现节能减排刻不容缓 [19] 。
Figure 6. The proportion of CO2 emissions from the manufacturing industry in China
图6. 制造业CO2排放量在全国占比
Figure 7. Proportion of gross domestic product of manufacturing industry in China
图7. 制造业生产总值在全国占比
Figure 8. Standard coal consumption per unit of GDP
图8. 单位生产总值的标准煤消耗量
炼油厂的碳排放是制造业中最主要的碳排放之一。据查阅资料，炼油行业仍然是世界第三大固定温室气体排放行业，2018年炼油行业的CO2排放量约为1.3亿吨(Gt)，占总量的4%。如果目前的技术规范继续下去，全球炼油厂将在2020~2030年期间累计排放16.5 Gt的CO2 [20] 。以中国为例，如果炼油厂提升炼油效率，那么在2020~2030这十年将会减少0.193 Gt CO2的排放，根据换算也将会减少570种物种的灭绝，可见其影响之大。在世界范围内，因为炼油厂的运营年限、炼油配置结构和地理位置各不相同，这就导致需要特定的缓解策略，例如提高炼油厂效率和升级重油加工技术来减少CO2的排放 [19] 。据表1，飞利浦公司2018年引用低碳电力，相当于减少了0.00057 Gt CO2的排放，据此换算相当于减少了2种物种灭绝的可能性。因此，不仅是整个行业还是单个公司的制造业，提升生产技术的同时注重环保行为，就会对整个生态环境带来非常良好的影响。
5. 生态问题及其与CO2排放的联系
根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告指出，全球的CO2排放若超过580 Gt将有50%的概率提高全球气温1.5℃，若CO2排放小于420Gt，那么全球温度上升1.5℃的概率将降低到33% [21] 。本文以50%概率全球上升1.5℃的碳排放为标准，分析节能减排方式与该标准碳排放的关系，以及结合碳排放对生态的影响，将每个人力所能及的行为与生态影响建立关联，以提高每个人的节能减排意识。
根据温室效应对自然环境的各种各样的危害的分析总结，当全球气温上升1.5℃时，会引发一些由于全球变暖而引发的灾害及连锁反应包括且不限于以下四点：1) 与1995~2014年相比，2100年全球平均海平面在中排放情景和高排放情景(SSP5-8.5)下分别上升0.44~0.76 m、0.63~1.01 m [22] ，届时会严重影响依靠冰河取洁净用水的数亿人。北极这世纪末会出现夏季无冰的情况，80%的珊瑚礁将会消失，北极熊面临灭绝危机2) 病虫害的增加让占据99%市场份额的香蕉品种香芽蕉的根部受到攻击 [23] ，70%的阿拉伯咖啡树的野生林正面临灭绝 [24] ，人类的健康受到严重威胁；3) 地球将近20%的物种灭绝，严重影响生态系统平衡； [25] 4) 气候带北移，动植物的生存受到威胁。笔者通过查找资料发现，曾经有人搜集大量的民间记录，范围涵盖了1598种生物，通过对其“元分析”，发现地球温度的变化已经开始对全球生态系统产生了影响，当温度提升1.5℃时，气候向极地的移动将会达到200 km，而计算出物种栖息地每10年向极地方向移动6.1 km，向高山移动6.1 m(海拔)。由此可见的温度正在不断的改变着动物的合适居住地 [26] 。这些数据说明了全球气温上升1.5℃对地球的危害已经严重影响到环境的平衡与物种的生存。其中大家在新闻中最常见的且最直观的就是物种灭绝问题。当全球CO2排放达到580 GT时，有50%的概率导致20% (约170万种)的物种的灭绝。
以引起1.5℃全球温度变化的580 Gt的CO2排放量为标准，170万种物种的生死存亡到底与我们生活多大联系呢？表1个人日常生活中的环保习惯及其对减少碳排放的贡献，部分数字看起来非常小，但当落实在每个人身上将产生不可估量的效果。以整个成都市的人口作为基数(实为2119.2万，以2000万为例)，倘若三口之家庭平均更换三支节能照明灯，可减少0.0014 Gt的CO2排放，同理成都市每人养成随手关灯的习惯累计时间一年将会减少0.021 GT的CO2排放。值得注意的是，这仅仅是一个成都市的人口仅占全中国人口的约1.5%，占世界人口的0.26%。再以外卖为例，往往每份外卖都会赠送至少2双一次性餐具，以成都市人口每日1餐的平均点外卖频率计算，不点外卖或选择不使用外卖一次性餐具将会降低餐具的需求量，同时每年节约大约0.03 Gt的CO2排放量。以同样的方式，我们计算了其中的人类活动在不同情景下与物种的直观关系如表1所示，证明我们通过日常习惯以及制造业中的改变是完全有能力避免成为物种的“刽子手”的。
根据表1所示，我们可以看出私家车的使用率是我们日常生活中的主要的碳排放。根据查阅相关资料发现每减少开车1.6公里，就能节省0.00045吨的CO2，若每人每周自愿少开一天车，则可带来周减排量100余万吨，这相当于100余万亩的人工造林 [27] 。减少私家车使用率及轮胎充气降低油耗，以成都市人均10,000公里为条件，整个成都市一年可以减少0.09 Gt的CO2排放，根据当全球CO2排放达到580 GT时，有50%的概率导致20% (约170万种)的物种灭绝来换算，将会减少264种物种灭绝。所以我们要鼓励人们少开车，会开车，提倡实施车辆限行，机动车限行的减排效果比较明显，这不仅包括单双号限行，也包含对大货车、渣土车等重型柴油车的管控措施。评估结果表明，在几次重大活动期间，机动车限行措施对减排的贡献可达40%；在两次红色预警期间，减排贡献平均也在20%左右 [28] 。所以我们可以降低公交与地铁的费用，吸引人们乘坐公共交通，减少使用汽车的次数。据表1，减少电子设备开机时间，调低亮度所减少的CO2排放量最少，但是以成都市人口为基数，此行为一年将会减少0.004 Gt CO2的排放，再根据上文方法进行换算将会减少12种物种灭绝的可能性。如图9所示，个人日常生活中的环保习惯所减少的能耗及CO2的排放很少，但是在全球约70亿人的日积月累下，节能减排将带来巨大的“蝴蝶效应”，会导致全球升温减缓，温室效应减弱，将会减少生态灾害，从而减少生物灭绝的可能性，而我们人类作为生物的一种，这也是在减少人类灭绝的可能性。
Figure 9. Butterfly effect diagram of individual environmental behavior
图9. 个人环保行为蝴蝶效应图
6. 结论
1. 人类日常生活中的不环保行为以及我国制造业中的能源的消耗产生了大量的CO2排放，对生态环境产生了非常严重的危害，例如：造成全球变暖，海平面上升、冰川与冻土的消融、威胁人类的食物供应和居住环境等一系列生态问题。
2. 当全球CO2排放达到580 Gt时，有50%的概率导致20% (约170万种)的物种的灭绝。个人日常生活中私家车的使用造成的CO2的排放量最大，以成都市人均10000公里为条件，将会排放0.09 Gt的CO2，将有可能导致264中物种的灭绝。制造业中炼油厂的CO2排放量最大，以中国2020~2030为条件，如果不提升炼油效率将会导致0.193 Gt的碳排放，将有可能导致570种物种灭绝。
3. 前人论文中对于CO2排放的仅仅只关注于企业，工厂等生产过程中带来的大量CO2，忽视了几十亿人在日常生活中所产生的CO2，由于能源浪费产生的CO2所引起的温室效应危害是骇人听闻的，如每周自愿少开一天车，则可带来周减排量100余万吨，这相当于100余万亩的人工造林，以及减少电子设备开机时间，调低亮度所减少的CO2排放量最少，但是以成都市人口为基数，此行为一年将会减少0.004 Gt CO2的排放，再根据上文方法进行换算将会减少12种物种灭绝的可能性。所以我们应该重视日常的能源浪费。
4. 在个人层面来说，可以在日常生活中的不起眼小事里面改变习惯从而减少CO2的排放。例如：绿色出行，减少私家车的使用率；垃圾分类；家庭使用节能灯；养成随手关灯的习惯；支持绿化，种植树木等等。也许个人所做出的贡献是很小，但全中国十四亿国人积累起来的贡献是巨大的，所引起的蝴蝶效应也是毋庸置疑的。
5. 对于制造业，首先要提高生产技术水平，例如炼油厂这类碳排放大户需要提升炼油效率；其次企业要制定低碳技术创新发展战略，例如飞利浦公司引用低碳电力进行生产，减少CO2的排放等等。
参考文献