耕地缺乏導致人們在盧旺達維龍加（Virunga）山脈的山坡地開闢梯田種植糧食。（c George Steinmetz ）
「世界上最富裕的國家」，《國家地理》（National Geographic ）1976年的一篇文章如此描述瑙魯。瑙魯是太平洋中的一個島國，位於夏威夷與澳大利亞中間的位置上。瑙魯現今是一片荒原，它的荒蕪不毛和不適宜居住的景觀完全可以創作一部科幻小說。1976年至今, 瑙魯一種有價值的自然資源——蘊藏了數百萬年的高品質磷酸鹽——幾乎被採掘殆盡，以致島嶼的大部分不再適合人類居住。
緊鄰赤道南部的小國瑙魯面積只有21平方千米。一條狹窄的海岸帶環繞著一座海拔65米的中央高原。高原覆蓋了80%的陸地面積，卻蘊藏著寶貴的磷酸鹽礦。只有一條鋪築的道路，圓環般地圍繞著這個小島。
數千年來，雖然旱災頻發，但瑙魯人還是生活在島嶼範圍以內。大約1000人的人口依賴於從海洋和熱帶植物中獲得的食物。1888年瑙魯變成德國的殖民地，這個小島從此遭到掠奪。在第一次世界大戰結束時，國際聯盟賦予英國、澳大利亞和新西蘭對該島的管理權，建立了英國磷酸鹽委員會（British Phosphate Commission），經營磷酸鹽工業。大部分磷酸鹽被船運到澳大利亞製作肥料。在1968年獲得獨立時，瑙魯人選擇繼續開採磷酸鹽，這為該國每年帶來數千萬美元的收入，使瑙魯成為世界上人均收入最高的國家。
然而，如今大部分磷酸鹽礦已被開採，預計礦產將在幾年內被采光。除了某些熱帶水果之外，這裡沒有其他資源。1.3萬名居民所需的每一樣東西：食品，燃料，製成品，機器，建築材料等幾乎都要進口。當海水淡化廠發生故障時，甚至要進口淡水。投資欠缺和對一筆10億美元的信託基金管理不善使國家債務纏身。露天開採的採礦方式對環境的破壞達到極致。為了便於採礦而砍伐了茂密的森林，數千年來，這些森林曾經是當地鳥類和外來候鳥的庇護所。現在，高原變成了一片嶙峋的荒地，其上聳立著高峻的礁石塔。它們全都是位於其間的磷酸鹽礦被開採後遺留下來的（圖5.1）。
圖 5.1 環境的破壞.深度開採磷酸鹽礦使瑙魯的大部分地方成為了一片荒地。那些高峻的珊瑚尖石同一度生長在它們上面的熱帶森林形成明顯的對照。（cDon Brice Photography ）
瑙魯的實例說明了一個可持續社會與一個掠奪積累了數百萬年資源的社會之間的差別。人口數量和經濟發展擴大了人類消耗地球財富的規模和強度。土地資源、礦產資源和大部分形式的能源是有限的，但是人口的無限增長和經濟發展擴大了資源需求。對資源存儲量和利用之間不平衡的擔心，已有一個多世紀，至少從馬爾薩斯和達爾文時代就已經存在。但是直到20世紀70年代，資源消耗速率與相伴而生的環境退化才變成爭論的重大問題。
資源的分佈在種類、數量和質量上是不均衡的，而且人口的分佈和需求也是不均衡的。在這一章，我們將考察社會所依賴的自然資源，它們生產與消費的格局，以及表現在需求不斷增長和儲量不斷減少方面出現的資源管理問題。
我們首先從一些通常使用的術語的定義開始討論。
5.1 資源術語
資源 （resource）是天然形成的，可開發的，社會上認為在經濟上可利用和作為物質福利的物質。願意工作的、健康的和有技能的工人構成了有價值的資源，但是如果沒有機會取得某些物質——例如肥沃的土壤或石油，人力資源的有效性也是有限的。在這一章，我們集中注意力於自然形成的資源，或者通常所稱的自然資源 （natural resource）。
自然資源的有效性是兩種事物的函數：資源本身的自然特徵和人類的經濟與技術條件。控制著自然資源的形成、分佈和產狀的自然過程取決於人類不能直接控制的自然法則。我們所取得的是自然給予我們的。但是，要將某種物質用作資源，就必須先意識到它是一種資源。這是一種文化上的，而不是純粹的自然狀況。美洲原住民可能將賓夕法尼亞州的資源基礎視為由作為庇護所和燃料的森林，以及賴以餬口的狩獵動物的生境（另一種資源）所組成。歐洲移民將森林視為不需要的覆蓋物，因為他們認為對農業有價值的土壤才是資源。再後來，工業家將較早時期的居住者所忽略或未認識到是資源的、地下的煤礦評價為有開發價值的對象（圖5.2）。
圖 5.2 覆蓋在弗吉尼亞州丘陵上的原始硬木森林被早期移民砍伐，他們認為森林下面的土壤有較大的資源價值。為了開採下部更有價值的煤礦, 又轉而剝去了土壤。有些資源是因一種文化對其的認知才成為資源，雖然開採會將其消耗，並損毀一個地區交替使用的潛力。（c Corbis /Royalty Free ）
自然資源通常被歸入為可再生資源和非可再生資源這兩大類中的一類 。
可再生資源
可再生資源 （renewable resource）是由自然過程所更新或補償的物質，能被重複利用，取之不盡。然而，可再生資源可以分為兩類：永恆的資源和只有謹慎管理才能再生的資源（圖5.3）。永久資源 （perpetual resource）來自於幾乎耗之不盡的來源，例如太陽，風，波浪，潮汐和地熱。
圖 5.3 自然資源分類。如果使用率超過再生率，可再生資源可被耗盡。
潛在的可再生資源 （potentially renewable resource）可以自然再生，但是如果被人類不謹慎利用就可能遭破壞。這類資源包括地下水、土壤、植物和動物。如果開發速率超過再生速率，這類可再生資源就會被耗盡。乾旱區的地下水抽取超過補給，如果沒有可再生的水源就可能被徹底耗盡。土壤可能完全被侵蝕掉，而某種動物可能完全消失。森林是一種可再生資源，只要人們的種植量至少同砍伐量一樣多。
非可再生資源
非可再生資源 （nonrenewable resource）存在的數量有限，或者在自然界中生成極其緩慢，以致實際上只能有限被開採。此類資源包括化石燃料（煤、原油、天然氣、油頁岩和油砂）、核燃料（鈾和釷）和多種非燃料的金屬與非金屬礦物。雖然組成資源的元素不可能被破壞，但它們能變化成不太有用或者較難利用的形式，然後就被消耗盡。蘊藏在單位體積中的化石燃料可能經過極長的時間才聚集為可用的形式，而一瞬間就轉變成熱量，完全被耗盡。
幸運的是，有許多礦物可被再利用，即便它們不能被代替。如果它們在化學上沒有被破壞——就是說，如果它們維持著原始的化學成分——就有再利用的可能。鋁、鉛、鋅和其他金屬資源，加上許多非金屬——例如金剛石和石油的副產品，能被反覆使用。但是，這類物質中的許多種在任何特定對像中被使用的數量都很小，以致考慮到經濟因素還無法回收它們。此外，許多物質已被用到製成品中，無法被回收，除非將產品破壞。因此，「可重複利用資源」這個術語必須小心使用。現今，對所有礦物資源的開採都比回收快得多。
資源儲量
有些地區蘊藏很多資源，而其他地區相對較少。然而，沒有哪個工業化國家擁有支持它所需的所有資源。美國有豐富的礦藏，但是有些礦產——例如錫和錳——要依賴其他國家。對實際上稀缺或可能稀缺的關鍵性非可再生資源，最好進行未來可用性的預測。例如，我們需要知道，地球上還剩下多少石油，我們能繼續使用多久。
任何回答只能是一種估計。而且由於各種理由，這種估計是難以做出的。開採揭示了某種礦產的存在，但是我們沒有可靠的方法知道，還有多少未被發現。再者，我們對構成一種有用資源的組成的定義，依賴於當今的經濟和技術條件。如果這些條件變化了——例如，提取和加工礦產有可能變得更有效——我們對儲量的估計也將變化。最終，答案部分地依賴於資源被利用的速率。但是，想要比較確切地預測被利用的速率是不可能的。如果發現了成問題的資源有代用品，現有的利用速率可能下降；如果人口增長或者工業化對資源的需求增大，利用速率就有可能上升。
圖5.4舉例說明一種估算儲量的有用方法。設想大長方形包含著一種資源的總儲量，即存在於地球內或地球表面的全部資源。該資源的某些礦床已被發現，在方框中表示為「已鑒定儲量」；尚未探明的礦床，稱為「尚未探明的儲量」；應用現今技術在經濟上可采的礦產標記為「經濟儲量」；而「次經濟儲量」是由於種種理由（品位不夠高，開採後處理費用高，開採不到等）而沒有吸引力的已鑒定儲量。
圖 5.4 可變的儲量定義。已證實或可用的儲量，由已被鑒定的以及在現有價格和技術下可開採的數量構成。X表示經濟上有吸引力，但尚未被發現的數量。Y表示已鑒定，但經濟上尚無吸引力的數量。Z表示尚未發現，即便現在被發現也無吸引力的數量。
資料來源：General classification of resources by the U.S. Geological Survey.
圖中只有深色表示的部分可以恰當地被稱為已證實儲量 （proved reserve），或者可用儲量 （usable reserve），即從已知礦床中能夠被有利可圖地開採的資源數量。這些都是已被鑒定以及在現有經濟和運作條件下可開採的數量。如果資源中有新的礦產被發現，儲量的等級將向右方移動；隨著技術改進或者產品價格上升，儲量邊界可下移。例如，如果發現了經濟的開採方法，那麼在1950年沒有被考慮為儲量的礦產在2010年可以變成儲量。
5.2 能源資源與工業化
雖然人們依賴蘊藏在生物圈裡各種各樣的資源，但能源卻是「主導資源」。我們利用能源使所有其他資源為人類所用（見「什麼是能量？」專欄）。沒有能源，所有其他資源將存留在原地，不可能被開採、加工和分配。當水變得稀缺時，我們利用能源從較大深度處抽取地下水或者從江河引水和建造渡槽。同樣的，在面對貧瘠土壤管理的情況下，我們投入化肥、農藥和農具等能源來增加產量。通過能源的使用，把原材料轉化為商品以及服務的績效都遠遠超過任何個人所能做到的水平。而且，應用能源可克服人類開發的物質世界的不足。高質量的鐵礦可能被耗盡，但是通過廣泛應用能源，可以將岩石中含量極低的鐵提煉、富集以供工業利用。
專欄 5-1 什麼是能量？
人們借助非生物能源建立了發達社會。能量 （energy）——做功的能力——不是勢能 （potential energy）就是動能 （kinetic energy）。勢能是被儲藏的能量，當被釋放出來時，處於一種能被利用做功的形式；動能是運動能，所有運動中的物體都具有動能。
設想一座水庫蓄滿了大量的水，水就是勢能的儲藏庫。當水庫大壩蓄水的閘門打開時，水洶湧流出，勢能就變成了動能。它能被利用做功，例如驅動發電機。能量沒有消失，只是從一種形式轉變為另一種形式。
遺憾的是，能量的轉變並不是完全的。並非水的全部勢能都能轉變成電能。有些勢能常常轉變成熱量然後消失到周圍環境中。能源效率就是我們如何能很好地將能量從一種形式轉變成另一種形式而沒有浪費——即生產出來的能量與生產過程中所消耗的能量之比。
能源可以用多種方法提取。人類本身就是能量的轉換者，從蘊藏在食物中的能量獲取燃料。我們的食物來源於植物通過光合作用而儲存的太陽能。實際上，幾乎所有能源都是當初太陽產生的能量的儲存庫。其中有木材、水、風和化石燃料等。人類已經不同程度地利用了其中的每一種。農業社會之前，人們主要將儲藏在野生植物和動物中的能量作為食物，不過也開發了某些工具（如矛）和養成了開拓能源基地的習慣。例如，人們通過火來取暖、做飯和清理林地從而增加自己的能源。
定居性的農業社會發展了技術以利用越來越多的能源。動植物的馴化 （domestication），利用風力 （wind power）推動船隻和風磨，利用水轉動水輪，這些都擴大了能源的基礎。在人類的大部分歷史中，木材是主要的燃料來源。甚至在今天，世界上至少還有一半的人將木材作為燃料烹飪和取暖。
然而，正是在從可再生資源到非可再生礦物的過渡期中，主要的化石燃料激發了工業革命，使得第6章所討論的人口增長成為可能，並且給予一些地區遠超過其未使用非生物能源時所能達到的人口承載力。在工業化國家，個人和國家財富的大量增加，在很大程度上是建立在煤、石油和天然氣的經濟基礎上的。這些能源被用於供熱、發電和開動機器。
能源的消耗與工業化生產和個人財富的增加密切相關。一般來說，能源消費水平越高，人均國民總收入就越高。能源消耗與經濟發展的這種相互關係表明了各社會之間的基本差異。能承受大量能源消耗的國家，就可以繼續擴張他們的經濟和提升人民的生活水平。那些無法獲得能源、或者承受不起能源消費的國家，他們的經濟發展遠景與那些發達國家的差距日益加大。
5.3 非再生能源
原油 （crude oil）、天然氣和煤構成了工業化的基礎。圖5.5表明了美國過去的能源消費格局。大約1885年之前，燃燒木材提供了大部分的能源需求。從1885年起，煤炭上升到主要地位。由燃煤滿足的能源需求所佔比例大約在1910年達到頂峰。之後，石油和天然氣逐漸取代了煤炭。如圖所示，化石燃料作為能源在最近100年佔據絕對優勢，2005年占美國全國能源消費的90%左右。
圖 5.6 （a）石油主要生產國。2004年這8個國家生產了世界石油的56%。石油輸出國組織成員國以星號標注，共佔2004年石油生產量的41%。（b）石油主要消費國。這裡只表示了6個國家。每國在2004年消費了世界石油的3%或更多。
資料來源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
原油
今天，原油及其副產品幾乎佔全世界所有商業能源消費的40%（木材和其他傳統燃料未計在內）。世界上有些地區和工業化國家對原油的依賴遠高於此數。圖5.6表明了原油（也稱石油）的主要生產國和消費國。
圖 5.5 1850—2004年美國的能源。2004年化石燃料提供大約90%的能源。
原油被從地下開採出來以後，必須精煉。碳氫化合物被分離出來，蒸餾出蠟和焦油（制取潤滑油、瀝青和許多其他產品），以及各種燃料。石油由於可燃燒並且是一種濃縮的能源適合於驅動車輛，因而躍升至重要地位。雖然以石油為基礎的產品有數千種，但家用燃料油、柴油、噴氣機燃油和汽油等燃油是精煉廠的主要產品。在美國，運輸用燃油占所有石油消費的2/3。
如圖5.7所示，原油主要靠水路從許多生產中心運往工業先進國家。請注意，美國從許多地區進口原油。其他的主要進口商——西歐和日本主要是從中東進口原油。
圖 5.7 2004年國際原油的海路運輸方向。注意中東在石油出口方面的主導地位。箭頭指示來源地和目的地，不是具體路線。線條的寬度與運輸量成正比。2004年，美國進口了國內使用原油的3/5。
資料來源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
輸油管、超級油輪以及其他運輸方式的高效率和低廉的原油價格，助長了世界對燃油的依賴，儘管煤炭仍是普遍使用和廉價易得的。美國對於外國石油的依賴很貼切地說明了這種格局。許多年來，美國的原油生產始終處於同樣的水平——每天800萬—900萬桶。但是在1970—1977年間，由於國內供應的原油比開採出來的貴得多，因此對外國來源的原油消費急劇增加，全國消費的原油幾乎一半是進口的。美國和其他工業先進國家的經濟對於進口原油的依賴，使得原油輸出國擁有強大的力量，這反映在20世紀70年代原油價格的暴漲上。在這10年中，油價劇烈上升大部分是由於石油輸出國組織（Organization of Petroleum Exporting Countries, OPEC）強大的市場地位。
1973—1974年和1979—1980年石油危機的副作用有世界性經濟衰退、石油進口國巨大的純貿易逆差、世界資本流向的轉向，以及美元相對於許多其他貨幣的貶值。在積極方面，20世紀70年代的油價暴漲激發了非石油輸出國的石油開採、石油鑽探技術的改進和對替代能源的搜尋。也許，最重要的是在許多年中，部分由於衰退，部分由於價格高漲促成對資源的保護，這些副作用減少了能源的總需求量。工業化國家學會利用少得多的石油取得單位產量。一般來說，汽車、飛機和其他機器的能源效率已經比20世紀70年代高得多，工業和建築業在近年來也是如此。
然而，自1985年以來，無論是石油的全球生產或是消費都已穩步地增長。而美國，其國內生產的石油在1982—1986年間滿足了每年需求的69%，之後美國對進口石油的依賴不斷增大，至2005年，對外國石油資源的依賴已經佔到年消費量的60%（見「燃油經濟性與平均燃油經濟性標準」專欄）。
地理學＆公共政策 燃油經濟性１ 與平均燃油經濟性標準
美國是一個石油「癮君子」，依賴於每天注射一定劑量的石油。美國人平均每天消費大約2000萬桶石油，相當於每人每天將近3升，或每人每年大約3800升。這種依賴性意味著什麼？
請考慮下列表中的數據。
國家
2004年已證實儲量
（百萬桶）
2004年年產量
（百萬桶）
2004年年消費量
（百萬桶）
美國
29.4
2.6
7.5
加拿大
16.8
1.1
0.8
墨西哥
14.8
1.4
0.7
請注意美國年產量和消費量之間的不平衡。與同一半球的鄰居加拿大和墨西哥相比，美國的石油消費量遠超過其產量。以目前的消費率，並假定沒有進口，已證實儲量僅能滿足國內4年的需求。美國人能夠繼續開車，工廠裡能夠繼續生產各種基於石油的產品，是由於國家每天進口近1300萬噸石油。就是說，美國依賴外國資源滿足其60%以上的原油需求。
美國大約有44%的石油用作私家車、越野車和輕型卡車的燃油。20世紀70年代中期石油價格增至3倍時，國會設立了燃料效率的新標準，美國人開始購置較小的汽車，降低了人均石油消費量。1973—1987年，美國新汽車的平均燃料效率從每加侖21.1千米增加到35.6千米。僅此一項每年就削減汽油消費7500萬升，每天減少進口石油130萬桶。
然而，到了20世紀90年代，隨著汽油價格下降，美國人又恢復了過去的做法，購買燃油效率低的大型汽車，例如運動型多用途車（越野車）、箱式旅行車和兩排座椅的家用小貨車等。這些車型在美國大受歡迎，目前佔全國客車的半壁江山以上。大型越野車是汽油饕餮，這種車的流行壓低了在美國行駛的汽車的平均油耗（燃油經濟性）的等級。儘管在節油技術上有所進展，但是目前新車的平均燃油經濟性還不如1988年。
汽車的燃油效率差別很大，效率最高的汽車每升汽油行駛20千米，而效率最低者平均不到1千米。高油耗的大型越野車不僅加劇了美國對外國石油資源的依賴，而且還帶來負面的環境影響。全國汽車的平均燃油效率只要提高1.3千米/升，美國每天就可從進口的約1000萬桶石油中節省100萬桶。全國二氧化碳排放量中汽車佔大約20%。一輛每升11.1千米的汽車，其排放量僅為平均每升5.5千米汽車的一半。每燃燒1升汽油，就向大氣層排放1.6千克二氧化碳，進而起到增加溫室效應和全球變暖的作用。汽車排放的氮氧化物和碳氫化合物還分別造成酸雨和臭氧煙霧（第12章討論的話題）。
針對這些環境問題，同時減少美國對進口石油依賴的方法之一應該是提高能量效率 （energy efficiency）。目前聯邦平均燃油經濟性（Corporate Average Fuel Economy，CAFE）標準要求每個汽車製造商的新客車要達到平均每升11.7千米，輕型卡車（家用客貨兩用車、越野車和箱式旅行車）達到每升9千米的標準。對輕型卡車較寬的燃油經濟性標準原本是想避免處罰建築工人、農民和其他依靠客貨兩用車工作的人，但卻為汽車製造商利用符合輕型卡車定義的汽車（越野車和箱式旅行車）替代小旅行車和箱式轎車開了綠燈。
提高平均燃油經濟性標準的支持者注意到，已經有既顯著提升汽車效率又不犧牲安全性的種種技術。他們指出，日本標準執行每升12.9千米；歐洲法規甚至更高，達每升14千米。他們力主提高能量效率是減少燃料消費和讓世界更潔淨、更健康的最快、最便宜的途徑。此外，他們還斷言越野車對其他駕車人構成威脅，因為越野車限制了能見度，並且碰撞時會造成更大傷害。
但是，汽車工業的官員指出，他們提供了各式各樣的汽車，燃油效率有高有低，人們可以自由選擇其喜愛的車型。他們說，大多數美國人更關心汽車的安全、舒適和性能而不是耗油量。有些買主讚揚越野車的安全性。一位越野車主說：「這是一種十分安全的車輛，之所以買它，是因為它是一個寧折不彎的鋼鐵坦克手。無論你撞上什麼東西上都會毫無感覺。」其他人則重視箱式旅行車或越野車提供的空間，他們說：「如果要拖拽一艘小船或者全家出遊，你別無選擇，你需要大容量。」
思考題
你是否同意下列說法？為什麼？
「美國自由市場制度無法滿足美國的能源需求。不能相信汽車工業會自律。除非政府強制，否則汽車製造商不會改善汽車的燃油經濟性。」
「政府法規不是正途，可能每升0.8美元的汽油會堵住越野車和箱式旅行車里程數的漏洞。」
「我們不能強迫人們購買高效率車輛。我們必須權衡環境問題和消費者的慾望，許多消費者喜愛大發動機和大車輛而不是燃油效率。」
你認為國會應該提高平均燃油經濟性標準、要求汽車製造商改善行車里程嗎？
越野車和箱式旅行車是否應該繼續享受比其他客車寬鬆的法規嗎？為什麼？
像悍馬H2, 福特遠足和雪佛蘭巨無霸這些自重3856—4536千克的大型越野車無須遵守平均燃油經濟性標準，因為該標準制定時這種重量的車輛被認為主要供商業使用。但是，現在這種車輛主要用作客車。你認為這些車輛是否應該免受燃油標準的管理？為什麼？
c J. Crawford / Image Works
估算石油儲量的大小尤其困難。儲量的估算由於石油的開採和新儲量的圈定而不斷被修改。但是，許多政府主張對儲量的大小保密，少報國家的官方儲量。儘管如此，明顯的是，石油是一種有限的資源，石油的儲量在世界各國的分佈很不均勻（圖5.8）。截至2005年，已證實的儲量確定為略小於1.2萬億桶。另外，認為尚未發現的儲量有9000億桶。即使所有已知的儲量能開採出來，且現今的生產速率一直維持著，已證實的石油儲量也只夠開採大約40年。不過，一些中東國家生產量占儲量的比例較低，在他們的油田枯竭以前，能以現今的速率抽取一個多世紀。
圖 5.8 各地區已證實石油儲量所佔的份額，單位：10億桶，2003年1月1日。石油的供應是有限的，有些國家在可預見的將來可能耗盡它們的儲量。美國大約消費了世界石油供應的1/4, 但只擁有世界儲量的2.5%。中東國家大約蘊藏著已證實儲量的3/5（沙特阿拉伯一國就佔了世界石油儲量的22%）。2005年初，世界已證實的儲量估計為11,890億桶。由於採用石油礦藏圈定和開採的新方法、提取石油儲量，以及價格的變化，這個數字趨向於隨時間而增大。2005年，全球的石油消費大約是每年290億桶。
資料來源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
關於世界上的石油將被耗盡的預測，已經存在了40多年。悲觀主義者仍然相信全球的石油生產將在2010年以前達到頂峰，而樂觀主義者認為，本世紀大部分（如果不是全部）時間內我們還將會依賴石油。他們爭辯說，開採和生產的技術進步——例如深井注水提高回收率，將會顯著增加從地下開採的石油的數量，我們不必擔心加油站裡沒有油。
人們一度認為淺海油田只存在於淺水區，而現今的認識是，巨量的石油蘊藏在墨西哥灣、巴西和西非沿海海平面下數千米處。現在，許多石油公司從墨西哥灣超過1000米深度處抽取石油已經好幾年。
從現有的儲積區開採更多石油甚至更有希望。當前，一個儲積區平均只有30%—35%的石油被開採到地面，大部分石油依然留在原地。石油工業的樂觀主義者認為，強化了的開採技術（向油井中注入水、氣體或化學物質使更多的石油被開採）能開採出一個儲積區裡60%—70%的石油。
最後，雖然大多數地質學家同意，已經沒有多少大油田有待發現，其中有些新發現的油田還是已經被大量開採，但工業分析家認為，產量的顯著增加可能來自俄羅斯和許多原蘇聯國家（哈薩克斯坦、塔吉克斯坦、烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦、吉爾吉斯斯坦和阿塞拜疆）。例如，哈薩克斯坦正在開發新的大油田，鋪設延伸到裡海盆地以外的新油管。而俄羅斯已開始在其遠東的鄂霍次克海和庫頁島附近，開發巨大的淺海油田。
煤炭
煤是工業革命的燃料基礎。1850—1910年，美國由煤供應的能量比例從10%上升到大約80%。雖然煤的消費由於對石油利用的擴大而降低，但是直到1950年（圖5.5），煤仍然是美國最重要的國內能源。
煤雖然是非可再生資源，但是它的世界供應量如此巨大，以致煤的預期資源壽命可能要以世紀來量計，不會是通常量計石油和天然氣那樣短得多的壽命。單美國就擁有2500億噸以上的煤，這被認為是在現今技術下可開採的潛在經濟基礎。依現今的生產水平，這些已展現的儲量將足夠滿足另外兩個半世紀美國國內對煤的需求。
就全世界而言，蘊藏量最大的煤礦，集中在北半球的中緯度地帶，如圖5.9所示。中國和美國這兩個國家，最近許多年來在煤的生產中處於主導地位，佔有世界一半以上的煤產量。自1990年以來，世界上對煤的利用處於比較穩定的狀態，但是煤的使用有明顯的地區性變化。煤的產量在美國有輕微上升，但在歐洲和原蘇聯各國，煤產量由於政府停止了對工業的補貼而下降。煤的使用在許多亞洲國家與地區繼續增長（印度、印尼、韓國、中國台灣和日本）。中國的煤產量與消費自2000年以來由於經濟快速增長而翻了一番。在美國和其他工業化國家，煤主要用於發電和煉製生產鋼鐵的焦炭。在欠發達國家，煤廣泛用於家庭取暖和烹飪，以及用於發電和作為工廠的燃料。
圖 5.9 2005年1月各地區已證實的煤儲量所佔份額。主要含煤盆地集中在北半球。儘管這些含煤盆地面積很大，但是非洲和南美洲的煤卻很少。2004年，中國是世界上最大的煤生產國和消費國，其次是美國。在「亞太地區」，幾乎所有的煤儲量都位於中國（12.6%），印度（10.2%）和澳大利亞（8.6%）三個國家。
資料來源：Reserve data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
煤並不是一種質量穩定的資源。它從褐煤（由原生的泥炭輕微壓實而成），經由瀝青質煤（軟煤）到無煙煤（硬煤），每一級都反映有機質轉變的程度。無煙煤有固定的含碳量，約在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，因而熱量值也最低。在美國，大約有一半已探明的儲量是瀝青質煤，主要集中在密西西比河以東各州。
煤除了分級以外，還分等，等取決於雜質（尤其是灰分和硫）的含量，這有助於確定煤的質量。優質瀝青煤因其所含熱量和物理性質適合於生產煉鋼工業所需的焦炭。這種煤越來越少，價格越來越高。無煙煤從前是家庭取暖的主要燃料，但其現今的開採費用昂貴得多，且沒有穩定的工業市場。東賓夕法尼亞州產無煙煤的斯庫爾基爾（Schuylkill）已在第13章作為獨特類型的資源區來探討。
煤礦的價值不僅取決於煤的分級和分等，還取決於它的可達性。後者依賴於煤層的厚度、深度和煤層的連續性，以及煤層相對地面的傾斜度。有許多煤可以通過露天開採技術比較便宜地被開採。由巨大的挖土機在礦坑中剝除地表沙石，採掘暴露出的煤層。但是，也有許多煤只能通過昂貴且比較危險的礦井開採，例如在阿巴拉契亞山脈和歐洲大部分地區。儘管美國西部煤的熱量值普遍較低，但由於其含硫量低，所以現在仍具有吸引力。但是，那裡的煤需要花費昂貴的運輸費用才能被運到市場，如果要用於發電以供應遙遠的消費者，也需要成本很高的輸電線路（圖5.10）。
圖 5.10 長距離運輸顯著增大了美國西部低硫煤的成本，因為它距離美國東部市場遙遠。為使成本最低化，專門的運煤列車需要在西部的煤礦帶與東部的公用事業公司之間保持連續的穿梭運輸。（c Craig Nelson / Index Stock Imagery ）
與煤的開採和燃燒有關的生態、衛生和安全問題也必須列入煤的成本。由於露天采煤和燃煤而使原始地面支離破碎和河湖遭受酸污染，這些情況雖然部分地受到環境保護法的約束，但是相關的措施增大了成本。美國東部的煤含硫量較高，現今大多數工業化國家，包括美國，需要應用費用高昂的技術從煙道氣中去除硫和其他雜質。
煤的運輸成本影響著煤的生產和消費格局。煤炭體積龐大，不像非固體的燃料那樣容易運輸。通常，煤在煤礦附近消費。煤的高運輸成本使主要的重工業中心直接在煤田發展，例如匹茲堡、魯爾、英格蘭中部地區，以及頓涅茨克。
天然氣
煤是最豐富的化石燃料，而天然氣則被稱為近乎完美的能源。它效率高、用途廣、無須加工又對環境無害。在化石燃料中，天然氣的主要成分是甲烷，對環境的影響最小。它燃燒清潔，燃燒後的化學產物是二氧化碳和水蒸氣，雖然它們是溫室氣體，但這兩者都不是污染物。
如圖5.5所示，20世紀見證了天然氣在美國能源供應份額中的可觀增長。在1900年以前，天然氣約佔全國能源供應的3%, 到1980年，天然氣供應量已上升到30%，但是到2005年又下降到25%。世界其他地區的天然氣供應量則呈相反的趨勢。全球的天然氣生產和消費在1973—1974年石油危機以後顯著增加，在2005年增長了將近一倍，大約佔全球能源消費的25%。
大部分天然氣直接用於工業和居民采暖。實際上，天然氣作為室內取暖燃料，其用量已經超過煤和石油。而在美國，現在已經有超過一半的家庭利用天然氣取暖。一部分天然氣還用於發電廠。有些天然氣生產品種多樣的化工產品，例如汽車燃油、塑料、合成纖維和殺蟲劑。
早在1916年，得克薩斯州和路易斯安那州就已發現非常巨大的天然氣田，而後又在堪薩斯-俄克拉何馬-新墨西哥州地區發現了大天然氣田。在那個時期，美國中南部人口稀少，以致未利用天然氣。但無論怎樣，當時在尋找的是石油，而不是天然氣。許多只產出天然氣的井被加蓋封存。與石油共生而產出的天然氣，被當作石油工業上不需要的副產物而從井口排放或者燃燒掉。這種情況直到20世紀30年代才發生改變，那時鋪設了輸送管道，將南方的天然氣輸送至芝加哥、明尼阿波利斯，以及其他北方城市消費。
天然氣同石油一樣，很容易用管道輸送而且價格低。但是與石油不同，在國際貿易中天然氣不能自由地由海路輸送（圖5.11）。穿越海洋的船運涉及到將天然氣冷卻到-126℃、使其液化的昂貴裝備，因為船隻需要在適當的溫度條件下裝載這種液體，而在目的港要有再將其氣化的裝備，並將氣體注入當地的管道系統。液化天然氣 （liquefied natural gas，LNG）危險性極大，因為甲烷和空氣的混合物具有爆炸性。雖然美國主要從特立尼達和多巴哥進口一些液化天然氣，但大部分天然氣用管道輸送。在美國，管道系統的長度在160萬千米以上。
圖 5.11 天然氣的世界貿易路線，2004年。俄羅斯向20多個歐洲國家出口天然氣，占世界貿易量的30%。荷蘭和挪威的出口量占另外的25%。大部分天然氣經由管道輸送，但是天然氣在發達國家的供應量日漸減少。大儲量天然氣在遙遠地區的發現和伴隨著液化天然氣貿易成本的降低使得液化天然氣更有吸引力。在2004年，只有4個國家——日本、韓國、西班牙和美國進口大量的液化天然氣，占世界燃料貿易的80%。但是這種格局在下一個10年將會變動。
資料來源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
同其他化石燃料一樣，天然氣是不可再生的，它的供應量有限。天然氣的儲量難以估計，因為這取決於顧客願意為這種燃料花多少錢，而隨著天然氣價格上升，對儲量的估計也增加了。使天然氣供應量的估計進一步複雜化的是，潛在的天然氣資源在非常規地層類型中發育的不確定性。這包括緻密的砂岩地層、盆地深層（埋深在6000米以下），以及頁岩和煤層。
全世界僅兩個國家和地區就蘊藏了已證實天然氣儲量的2/3——俄羅斯（27%）和中東（41%），見圖5.12。其餘32%的儲量大致平均地分佈在北美、西歐、非洲、亞洲和拉丁美洲。其中每一處擁有總量的4%—8%。按現有的生產率，已證實儲量的天然氣大約可供開採65年以上。但是發展中國家，特別是南亞和東南亞國家很可能有尚未發現的天然氣田，如果加以開發，可使世界天然氣儲量的預期壽命顯著延長。
圖 5.12 已證實的天然氣儲量，2005年1月。俄羅斯在單個國家中擁有的天然氣儲量最大，約占世界總儲量的27%（為美國儲量的9倍以上）。大量的儲量也分佈於中東國家。
資料來源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
在美國，得克薩斯-路易斯安那州和堪薩斯-俄克拉何馬-新墨西哥州地區大約佔有國內天然氣產量的90%。但是，據說幾乎所有州的地下都蘊藏有天然氣。此外，許多岸外淺海區已知發育有天然氣。阿拉斯加的潛在儲量很大，估計至少兩倍於美國其他地區現今已證實的儲量，其所蘊藏的天然氣足夠美國全部房屋取暖10年。如果能夠開發非傳統資源區生產天然氣所必需的技術，天然氣儲量可能足夠另一個世紀之需。當然，這些不易取得的供應開發成本較高，因此費用昂貴。
油頁岩和瀝青砂
相似的情況影響著用油頁岩 （oil shale）提煉石油的前景，油頁岩就是富含被稱為乾酪根 （kerogen）２ 的有機物的細粒岩石，這是一種潛力異常巨大的碳氫化合物儲藏。所包括的岩石不只是頁岩，還有更像石灰岩而不像頁岩的以碳酸鈣和碳酸鎂為主要成分的岩石。而且乾酪根這種碳氫化合物不是石油而是一種蠟，一種瀝青狀物粘附在碳酸鹽顆粒上。把岩石碾碎加熱到足夠高的溫度（480℃以上）以分解乾酪根，釋放出液態石油產物——頁岩油 （shale oil）。
全世界油頁岩儲量非常巨大。美國、巴西、俄羅斯、中國和澳大利亞均已發現估計儲量數十億桶頁岩油含量的礦藏（圖5.13）。美國最大的礦藏是科羅拉多州、猶他州和懷俄明州接壤處的綠河組（Green River Formation）。這幾個州擁有的石油足以供應美國另一個世紀的需求，且在20世紀70年代被認為是國家能源自給的答案。美國在科羅拉多州大章克申（Grand Junction）附近的皮申斯盆地（Piceance Basin）投資了幾十億美元進行油頁岩的研發工作，但是到了20世紀80年代，由於油價下跌，對該項目的興趣也消失了。1991年位於科羅拉多州帕拉楚特溪（Parachute Creek）的最後一家煉油廠也被廢棄了。
圖 5.13 油頁岩礦床。美國最豐富的油頁岩礦床蘊藏於綠河組，擁有世界已知油頁岩儲量的大約2/3。在找到經濟地進行加工、解決廢棄物處理和修復採礦點土地的方法之前，油頁岩不大可能成為主要的資源。
另一種潛在的石油液體資源是瀝青砂 （tar sand），被一種叫作瀝青（bitumen）的黏稠的、高碳石油飽和的砂岩。人們認為全球瀝青砂的儲量比常規的石油儲量大許多倍——含有幾萬億桶瀝青，大部分在加拿大。據估計，艾伯塔省4處大礦床就擁有相當於1.6萬億桶的石油。阿薩巴斯卡（Athabasca）礦床是其中最大的，供應加拿大每年石油需求量的約10%（圖5.14）。委內瑞拉、特立尼達島、俄羅斯和美國猶他州也發現了瀝青砂礦床。
圖 5.14 （a）加拿大艾伯塔省的瀝青砂礦床。（b）從瀝青砂生產合成油有4個步驟：（1）去除覆蓋層；（2）開採和運送瀝青砂到提煉單位；（3）注入蒸汽和熱水把瀝青和尾礦殘渣分離；（4）瀝青提純為焦炭和各種餾分。大約要用兩噸瀝青砂生產一桶油。（Courtesy of Suncor Energy, Inc ）
無論從油頁岩還是從瀝青砂中生產石油都需要高額資本支出和承擔重大的環境代價。要破壞大面積的土地並產生極大量的廢棄物。雖然如此，由於油頁岩和瀝青砂儲量巨大，此類物質有可能是豐富的氣態和液態燃料資源。這些礦物不同於核能或大多數可再生能源（如太陽能或水電），它們可以提供工業社會所依賴的汽油、噴氣機用油和其他燃料。20世紀80年代油氣價格下降，加上政府支持力度減弱，使替代燃料在經濟上與石油競爭的努力暫告一段落。然而，隨著油氣儲量漸趨耗竭，總有一天其價格必然上升。出現這種情況的時候，各國就很可能轉向這些非常規的燃料資源。與此同時，採用核能作為非燃料動力的技術將被開發。
核能
核能的支持者認為核動力是長遠解決能源短缺問題的主要辦法。他們主張，假如技術問題能夠解決，核燃料將提供幾乎取之不盡的能源。其他評論者指出，任何依靠放射性燃料的系統都有固有的危險，核動力會引起技術上、政治上和環境方面的問題，而社會尚無解決辦法。產生核能主要有兩個途徑：核裂變和核聚變。
核裂變
核裂變 （nuclear fission）發電的傳統方式涉及鈾-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分裂時，約有千分之一的原始質量轉化為熱。釋放的熱通過熱交換器產生蒸汽，驅動汽輪機發電。
1千克U-235蘊含的能量相當於近12125桶石油。全世界400多個商業核反應堆開發核能，大約生產世界電力的16%（圖5.15）。其中大約1/4核電站在美國。
圖 5.15 2004年核能的主要生產國和消費國。這8國生產和使用的核能佔全世界近3/4。圖中標明了每個國家所佔全世界核能消費的百分數。發展中國家的核電站很少。
資料來源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
有些國家比其他國家更依賴核動力。兩個歐洲國家——法國和比利時，核動力提供超過65%的電力。不過這僅等於或少於美、加兩國電力的20%。有幾個國家完全反對核方案。丹麥、意大利、希臘、澳大利亞和新西蘭屬於此類國家，它們決定保持「無核化」狀態，永不建核電站。還有幾個國家，包括德國、瑞典和菲律賓，計劃逐步停止開發核能直至反應堆被拆除。
但是，很多國家最近對核動力的興趣復甦，部分是由於相信核能是減少碳排放和減緩氣候變化的最佳途徑。在世界範圍內，有10個國家的25座反應堆在建設中，另有112座已列入計劃或在擬議中。核動力工業位居世界第三（次於美國和法國）的日本，依靠52座核電站生產近1/3的電力，而政府計劃要求修建11座新的核電站。在中國，電力需求的迅猛增長和減少對進口石油、天然氣以及減少污染嚴重的燃煤火電站的願望，促使政府繼續修建新的反應堆。其他興建新的核電站的國家和地區有韓國、中國台灣和俄羅斯，共有6座新核電站在興建中，另有19座列入計劃。３
美國核動力擴展的情況尚未確定。由於種種原因，自1979年以來尚未安排新的計劃（圖5.16）。核電站建設、審批和運行的高額費用使它比其他能源更加昂貴。1979年賓夕法尼亞三里島部分反應堆熔毀和1986年烏克蘭核電站爆炸加重了人們對核安全的擔心。缺乏安全儲存放射性廢物的地點也減弱了公眾對核能的支持。最後，尤其是2001年9月11日以後，許多人把核電站視為引誘恐怖襲擊的目標。
圖 5.16 2005年美國在運營的核電站。103座核電站集中在密西西比河以東，生產全國大約20%的電力。
資料來源：Data from U.S. Nuclear Regulatory Commission.
儘管有這些擔心，但是美國的核動力可能處在回歸的邊緣。由於許多舊反應堆的蒸汽發生器被腐蝕，鋼鐵壓力容器變脆而不能安全運轉，所以這些反應堆將在若干年內被關閉。有幾家公司已經向核管理委員會申請替換其反應堆，或者表明他們想替換反應堆的意圖。2005年國會通過的能源法案把幾億美元納入獎勵措施——包括稅收抵免、補貼、貸款擔保和聯邦保險——來鼓勵核能生產。
核聚變
核聚變不同於把原子裂解的核裂變，核聚變 （nuclear fusion）反應是強行把叫作氘和氚的氫原子結合起來形成氦，釋放出極其巨大的能量。聚變是使太陽和其他恆星燃燒的過程；也是氫彈的基本原理，氫彈使用的是一種短暫的不受控的熱核聚變。
核聚變比裂變更困難，需要把原子加熱到極高的溫度，直到原子核發生碰撞而融合。聚變研究者面臨的一個技術問題是尋找製造反應堆安全殼的物質，其要能耐受輻射和1億攝氏度以上的溫度。2005年6月，美國、歐盟、俄羅斯、中國、韓國和日本組成的六方聯盟，選擇法國作為世界第一個大規模核聚變反應堆的地點。「國際熱核聚變實驗堆計劃」（ITER）企圖成為一個示範電廠，以此證明核聚變能夠被駕馭並成為經濟上可行的能源。建設這個電廠至少需要10年。
如果與核聚變相關的開發問題得以解決，大概能滿足全世界數百萬年的電力需求。海水是氘原子的來源，1立方千米海水就含有和全世界已知石油儲量同樣多的潛能。核聚變的擁護者還引證了其他有利之處。聚變的輻射過程是短暫的，廢物可以忽略不計。核聚變反應堆不同於核裂變反應堆，它不使用U-235這種緊缺的原料；它也不像傳統電站那樣排放二氧化碳、二氧化硫或氮氧化物等。
懷疑主義者指出，儘管進行了50年的研究，科學家還是沒有解決控制核聚變以使其釋放的能量能被利用的問題。他們堅稱聚變電站的成本會異常巨大，而常規方法能供應價廉得多的電力。最後，他們說，聚變能量可能帶來我們想像不到的健康與環境問題。
5.4 可再生能源
核能提出的種種問題，加上一些有限的化石燃料將要耗竭的威脅，以及希望減少對外國能源的依賴，使許多工業國增加了對可再生能源的興趣。這類能源的優點之一是無所不在，地球上大部分地區都充滿陽光、繁茂的植物、強風，或者大雨；另一優點是容易被利用。無需先進技術就能利用許多可再生能源，這是發展中國家普遍使用這些能源的原因。最普通的可再生能源是植物。
生物質燃料
世界上超過一半人依靠木材和其他形式的生物質 （biomass）滿足對日常能源的需求。生物質燃料 （biomass fuel）是指動植物或微生物生產的、能直接燃燒作為熱源或轉化為液體或氣體的任何有機物質。除了木材以外，生物質燃料包括樹葉、農作物殘茬、泥炭、畜糞，以及其他動植物材料。在埃塞俄比亞和孟加拉國，生物質燃料提供能量消費總量的90%以上；在印度和巴基斯坦，也占40%左右。相反，發達國家從草木和其他有機物質轉化而來的能量微不足道。
生物質能源有兩大類：一類為樹木、穀物和糖料作物，以及含油植物——如向日葵等；另一類為廢料，包括農作物殘茬、動物糞便和垃圾。把生物質轉化為燃料的方法很多，包括直接焚燒、氣化和厭氧消化 （anaerobic digestion）等。而且，除了發電以外，還能在轉化過程中生產固體（木材和木炭）、液體（油類和酒精）和氣體（甲烷和氫氣）燃料，以便儲存和運輸。
木材
生物質產生的能量很大一部分來自木材。1850年，美國能源的90%來自木材。雖然目前木材只提供全國各種能源的3%，但是各地區的百分數差別很大，緬因州和佛蒙特州木材燃料就提供兩個地區使用能源的15%。在發展中國家，木材是一種關鍵的能源，用以取暖、烹飪、燒水和照明。對木材的這種依賴造成有些地方森林嚴重損耗，這是本章後面討論的主題（見「森林資源」）。
生物質對能源的第二個貢獻是乙醇，它能用各種各樣的植物製造。20世紀70年代石油短缺以後，化石燃料貧乏的巴西開始著手開發本國的能源，以減少對進口石油的依賴。巴西所出售的汽油都含有25%用甘蔗製造的乙醇，常規汽車發動機無須改造就能使用這種混合燃料。2003年，「混合燃料」（flex-fuel）４ 汽車在巴西登場。這種汽車的發動機經改造被設計為用汽油、乙醇或二者按任何比例的混合物都能驅動；油箱的體積不大於裝雨刷液體的容器。買家被乙醇的低價和全國幾乎所有加油站都出售這種燃料的事實所吸引。採用這種汽車和燃油兩年後，這種混合動力汽車占巴西新車銷售額的一半以上。
廢棄物
廢棄物包括農作物殘茬、動物糞便和人類的垃圾，代表第二大類有機燃料。特別是在鄉村地區，可以用此類廢棄物通過叫作厭氧消化的過程發酵產生的甲烷（亦稱沼氣）作為能源（圖5.17）。包括印度、韓國和泰國在內的許多國家有全國性沼氣項目，但是為農村家庭產生大量沼氣做了最大努力的是中國。他們用農家後院的發酵罐（沼氣池）裡產生的沼氣，為多達3500萬人提供做飯、照明和取暖的燃料。沼氣技術被有意做得很簡單：石頭砌成的發酵池內裝了廢棄物——除人畜糞尿外還有秸稈和其他農作物殘茬，在壓力之下任其發酵產生甲烷，然後用軟管通入農家廚房。沼氣用完後，剩餘廢物可抽出用作田地裡的肥料。
圖 5.17 尼泊爾的沼氣發生器。動物糞便和植物廢料是尼泊爾、巴基斯坦、印度和中國等國家重要的燃料來源。加進前院發酵罐中的廢料和水與有機物混合。隨著廢料的分解，沼氣逸出。圖上的裝置是集氣罐，導管把沼氣引入各家廚房。（c Sean Sprague / Panos Pictures ）
水能
生物質，特別是木材，是最常用的可再生能源。其次最常用的是水力發電 （hydropower）——從下降的流水中開發的能量。水能是水流從一個基準面落下到另一個基準面時——無論自然下落還是經水壩下落——產生的。下落的水流被用來推動水車，像古埃及人所做的那樣；或者推動現代的渦輪葉片，驅動發電機發電。水能是一種清潔能源。雖然乾旱區水庫中有些水分可能經蒸發而損失，但是發電過程中水分既不受污染也沒有消耗。一般而言，只要流水不斷，水能就可再生。
由於水能是繫於水的一種資源，水力發電只能受制於特定的位置。在美國，47個州的1900多個地點有水力發電。儘管水電站分佈如此廣泛，但是全國60%以上的水電開發能力僅集中於3個地區：太平洋沿岸各州（華盛頓州、俄勒岡州和加利福尼亞州）、東南部田納西河流域和東北部各州（圖5.18）。形成這種格局的原因，一方面是由於資源基地的位置，另一方面是由於水電開發中田納西河流域管理局（Tennessee Valley Authority，TVA）等機構所起的作用。
圖 5.18 2002年美國各州水力資源發電佔全部電力的百分比。美國已開發了約一半的水電潛力。
資料來源：Energy Information Administration, State Electricity Profiles 2002.
水電的長途輸送代價很高，因此水電通常都在當地消費。這個事實有助於說明某些地區使用混合能源的格局。因此，雖然美國水力發電只佔全國電力供應的1/10，但是愛達荷州的全部電力、俄勒岡州和華盛頓州約90%的電力是由水電供應的。
圖5.19表示全世界能源消費的格局。水電對各國能源的貢獻差異很大。挪威、阿爾巴尼亞、埃塞俄比亞、贊比亞和巴拉圭水電占電力的97%以上。加拿大是全球領先的電力生產者，其中大約有70%來自水電，其份額堪與巴西、瑞士和新西蘭相比。亞洲、非洲和南美洲將近40個國家從水電獲得一半以上的電力。南美洲巴拉那河（Parana River）伊泰普（Itaipu）水電站是目前世界上最大的此類設施，為巴拉圭提供幾乎全部的電力，並為巴西提供20%的電力。
圖 5.19 2004年按地區統計的水電消費。圖中表明各地區水電消費的百分比。水電對電力供應的貢獻並非只限於工業化國家。例如，南美洲水電供給75%的電力；發展中國家作為一個整體，供給44%。
資料來源：Data from The BP Statistical Review of World Energy, June 2005.
水庫大壩除了供發電外，還可用於防洪和灌溉。儘管具有這些和其他種種優勢，但是水電開發也有值得注意的環境與社會代價（見「築壩的煩惱」專欄）。水庫蓄水淹沒河谷中的森林、農田和村莊，有時造成數以萬計的移民。水庫淹沒天然濕地和河流生境，改變水流模式，攔截本來流向下游沉積在農田上的泥沙，導致土壤肥力長期下降。河流下游利用不時發生的洪水發育起來的生態系統被破壞，減少了水生物種的多樣性。
地理學＆公共政策 築壩的煩惱
築壩目的有三：發電、防洪和為農業與城鎮提供可靠水源。水壩具有許多優勢：開發了一種免費又無盡的可再生能源——水；初期投資以後，運行費用相對較低；許多合適的壩址在欠發達國家。水壩讓許多人居住和墾殖於乾旱區——使荒漠繁榮；有些水壩開通了原是荒涼河流的航道，例如，哥倫比亞河和斯內克河（Snake River）下游的水壩使駁船上溯近800千米，愛達荷州劉易斯頓成為西海岸最深入內陸的海港。
20世紀30年代和20世紀40年代美國修建了一些大型水壩，田納西河、科羅拉多河、哥倫比亞河和其他一些河流都修建了水壩。一方面，那時環保人士的影響還不大，而且大部分築壩的負面後果尚未被認識。另一方面，種種利益卻顯而易見。民謠歌手伍迪·格思裡（Woody Guthrie）頌揚科羅拉多河大壩的部分歌詞如下：
大古力壩（Grand Coulee Dam）聳立在河上。
這是男子漢最偉大的傑作，運轉大工廠，澆灌農田。
滾滾向前，哥倫比亞河，滾滾向前！５
美國最適宜水電開發的地點都已被開發，但是世界上其他地方並非如此。許多地方都在築壩，如印度的訥爾默達河（Narmada River）以及土耳其的底格里斯河和幼發拉底河。1994年第一斗混凝土倒入將要成為世界最大水電工程的地方——三峽大壩。這個巨無霸建築物將在畫家和詩人所崇敬的驚濤拍岸的三峽風景區攔斷長江。雖然大壩本身並不是世界之冠，但是其水電輸出將超過1.8萬兆瓦（相當於18座大型燃煤電站或核電站），遙遙領先於世界。
雖然任何一座水壩的具體效應取決於如區域地貌、水壩大小、被水壩攔斷的河流的性質、氣候，以及當地動植物區系等因素，但是水力發電的社會與環境代價是有代表性的。
水庫蓄水淹沒河谷時，居民和野生動物要遷徙，森林被毀。600千米長的超大型水庫高踞三峽大壩後面，大約相當於蘇必利爾湖的長度，正在淹沒房舍、農田和曾居住190萬人的無數村莊。對這項工程持批評態度的人堅稱，要成功地重新安置這麼多人是不可能的。把他們遷徙到周圍山坡上是不現實的，山坡無法支持新的耕作。其他地區把移民安置在遠離故土的地方並不成功。許多人回流到他們的出生地，還有些人成為貧困的難民、失業者和無地勞動者。
雖然建壩的擁護者堅信水電是一種清潔能源，但是大水壩常常淹沒大片森林。植被腐爛，釋放出甲烷，這是一種強有力的促使地球變暖的溫室氣體。
水壩上游水流變緩，在庫底留下大量泥沙；水庫充滿泥沙後，上游就可能發生洪水。
幾十年內泥沙淤積可能減少水壩原來發電量的70%；長此以往，水庫會被泥沙填滿，河流就會越壩而下。
由於被攔截在大壩和渦輪機後面的泥沙中含有滋養下游食物鏈的有機物質，因此會使河流生物缺乏營養。
雖然水庫提供農作物的灌溉用水，但是也將鹽分濃集到表土上，尤其是在乾旱區。像尼羅河和科羅拉多河等荒漠長河尤其含有鹽分，灌溉1萬平方米農田會留下數噸鹽分散佈到土壤中。
許多地方建庫以後，水庫、灌渠和河流中水傳疾病發生率增加了。埃及阿斯旺大壩擴大了釘螺的繁殖區域，而釘螺傳播血吸蟲病——一種幾乎不能被治癒的令人衰弱的疾病。熱帶地區的大壩建成後，瘧疾會顯著增加，因為數百平方千米的理想蚊蟲繁殖區會在水位下降時期暴露出來。
旱季水流減少會攪亂長江口的狀況，導致海水上溯。由於不再有洪水帶來泥沙，海岸線可能受侵蝕。隨著河口灣、海灘和濕地縮小，野生生物的棲息地也將縮小。
大壩影響下游水體的溫度和含氧量，改變水生物種的組合。河流變得不適合於一些物種，而更適於另一些物種。有些分析家預言，由於水溫降低和春汛縮短影響產卵，所以長江魚類數量會顯著減少。業已證明美國太平洋地區西北部的一些大壩對該地區的大馬哈魚是致命的。大馬哈魚需要從河流遷移到太平洋，然後再返回其出生地產卵。工程兵團為了找到大馬哈魚與水壩共存的方法奮鬥了25年，但幾乎毫無進展。
最後，由於使用年限、設計與建築不良或發生地震，存在著災難性潰壩的可能性。
建設超大型水壩的選擇確實存在。例如可以提高現有水壩效率，用高效率的新發電機置換低效率的舊發電機就能將大壩發電量提高3倍，用遠低於大壩的成本修建小水壩就能提供許多利益而且無須移民。許多發展中國家正在建築小水壩，安裝小發電機組，為遠離電力網的地區提供電力。
思考題
水力的利益是多方面的，但是有觀察家指責水電開發實際上是在人類與自然界之間進行浮士德交易６ 。他所指的是什麼？
如果你是水利部長，你會建議修建大壩嗎？為了評估大壩可能帶來的利弊，你要考慮什麼問題？如果有人主張中國在長江及其支流加固堤壩並修建較小的水壩能更快、更節省地滿足中國的能源與防洪需求，你會怎樣回應？
美國正在出現一種信念，超期服役的老水壩和那些環境代價超過其效益的水壩應予拆除，恢復河流健康良好的狀態及其自由流動的本性。到2005年為止，緬因、佛蒙特、北卡羅來納、威斯康星、加利福尼亞等州已經有500多座水壩停止工作和被拆除。美國水壩大約有1/4至少已使用了50年，許多水壩亟待修護。你是否贊同拆除這些水壩？為什麼？
大約有10萬座水壩調控著美國的河流，但是根據美國地質調查局的資料，洪水仍是美國最具破壞性和代價最高的自然災害，每年因洪水死亡的平均人數並無降低，即使按通貨膨脹進行調整，自1951年以來，洪水造成的財產損失仍然增加了近2倍。你能想出這是什麼原因造成的嗎？
太陽能
地球每年接受的太陽能是人類目前使用能量的數千倍。取之不盡又無污染的太陽能 （solar energy），是我們使用的大多數能量形式——化石燃料與植物、水能與風能——的根本來源。無論如何，許多人都把直接捕獲的太陽能看作滿足未來大部分能量需求而對地球環境損害最小、對地球資源保護最大的希望所在。太陽能的主要缺點是其具有分散與斷續的性質。由於其分散，所以必須在大面積上收集才能確保實際可用，而由於其間斷性，又需要某些儲存方法。
將太陽能用以燒水和取暖之類的居家使用技術已眾所周知。在美國，被動式和主動式利用太陽能供暖技術已在市場上站穩了腳跟。超過50萬家庭使用太陽輻射燒水和取暖。據報道日本有大約400萬套太陽能熱水裝置，而以色列2/3以上的家庭用太陽能燒水。在溫暖、陽光充足、雲量不大且冬季（這時能量需求最高）黑夜時間較短的條件下，獨立的房屋使用太陽能電池板是最好的。
太陽能利用的第二種類型是把聚集的太陽能轉化為熱能來發電。研究工作集中於各種熱電轉化系統，包括發電塔、拋物線型槽和太陽能池等。多數研究專注於收集系統上聚集的太陽光線。在拋物線型槽系統中，用計算機引導曲面鏡長槽追蹤太陽，把太陽能聚焦到充滿合成油的鋼管上（圖5.20）。將油加熱到390℃，進而把水加熱產生水蒸氣來驅動發電機。莫哈維沙漠（Mojave Desert）中有幾座這樣的發電站在運行，產生的電力足夠27萬居民的需要。
圖 5.20 加利福尼亞州達蓋特（Daggett）附近莫哈維沙漠太陽能熱電廠的拋物線型槽反光片。該設備利用太陽能生產水蒸氣發電。拋物線反光片由計算機引導追蹤日光，把太陽能聚焦到充滿換熱液體的鋼管上。（c Cameramann International ）
上述發電廠先把光轉化成熱間接發電，但是也能夠通過光伏電池 （photovoltaic [PV] cell，也叫作「太陽能電池」）——用硅製造的半導體器件——用陽光直接發電。在北美洲，這樣的太陽能電池用於各種特殊目的，首先用於那些不受成本因素限制的地方，例如航天器、山頂通訊中繼站、導航浮標和霧號７ 等。隨著價格的下降，光伏電池找到了新的市場：為公路信號燈、移動通信信號塔以及計算機和收音機等小型設備提供動力。發展中國家還用光伏電池驅動灌溉水泵，為偏遠地方的衛生所的冰箱供電並給電池充電。太陽能技術最新成果是光伏屋頂材料，這種材料把太陽能電池連成一體，實際上把屋頂變成該樓的發電站。日本和法國許多新房舍都在安裝含光伏電池的屋頂系統。
到2005年為止，日本因為政府資助太陽能消費，所以安裝的太陽能動力 （solar power）容量最大，緊隨其後的是德國和美國。儘管製造工藝的改進導致光伏太陽能動力系統成本明顯下降，但要使其對國家電力供應做出更大貢獻，仍須進行大量的研究。
其他可再生能源
除了生物質、水能和太陽能以外，還有許多可再生能源可供開發。其中兩種就是地熱能和風能。雖然二者都好像能為世界能量需求做出重大貢獻，但是二者的潛力是有限的，而且是區域性的。
地熱能
（a）
（b）
圖 5.21 （a）全世界的地熱電站。地熱開發的大多數地區都沿著或接近板塊的邊緣分佈。由於適合地熱發電的地點有限，大多數地熱電站都遠離電力需求很大的大城市，因此地熱能對世界能源的貢獻可能依然較小。（b）一座世界大型濕蒸汽地熱電站位於新西蘭懷拉基（Wairakei）。岩漿輻射的熱量通過其上面的岩石加熱地下含水層中的水。鑽井把蒸汽引到地面，使其經管道通向發電廠。如照片所示，地熱電站的缺點之一是把氣體釋放到大氣層，雖然煙囪中所用的氣體淨化器能把氣體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 〕c Nicholas DeVore / Getty Images. ）
人們總是被火山、間歇泉和溫泉深深吸引，這些都是地熱能 （geothermal energy）的證明。地熱是被封存在地表下幾千米的熱水或蒸汽中的熱量，有幾種方法可以從中獲取能量。開發地熱能的常規方法取決於地下熱水儲藏的可利用程度。只要深井鑽入這些儲藏中就可以利用熱能發電或者直接用其加熱各種設備，例如房屋取暖或烘乾農作物。
地熱田通常都與岩漿附近的地方相關聯，也就是俯衝帶上面現代火山活動的區域。因此，冰島、墨西哥、美國、菲律賓、日本和新西蘭等國都是生產地熱能的國家（圖5.21）。冰島有一半地熱能用於發電，另一半用於取暖。首都雷克雅未克幾乎所有住宅和商業樓都用地熱蒸汽取暖。
雖然能夠開採地熱蒸汽用以發電的地方不多，但是地熱能也可以直接用於取暖和製冷。地熱泵（亦稱地源熱泵）利用土壤中凍結線以下的恆溫，將地熱能泵到建築物中取暖或製冷。把環形管道系統埋入地下，電動壓縮機使製冷劑在管道中循環，把分送到建築物中的空氣冷卻或加熱。由於能效高而且潔淨無污染，近年來美國地熱取暖系統大受歡迎，尤其是用於新建築物。
風能
雖然美國幾百年來就利用風能抽水、磨谷和驅動機械，但是風能對能源的貢獻在100多年前幾乎完全消失了，因為那時風車先後被蒸汽與化石燃料取代了。利用風車作為電力的能源有很多優點。風車能不用任何燃料直接驅動發電機，又能被較快地建造和安裝，只需強勁穩定的風來運轉，而且許多地點都具有這些條件。此外，風力發電機不污染大氣和水體，也不消耗自然資源。設計技術的進步降低了使用風力發電機發電的成本，因此對傳統發電廠越來越具有競爭力。目前風電成本每千瓦時3—6美分，大約與化石燃料的火電同價。
20世紀80年代，受前幾年汽油短缺的刺激以及聯邦和州政府的稅收鼓勵，加上長期公用事業合約的優惠，加利福尼亞州在風能開發中獨步天下。到1987年，該州在3個地方安裝了大約1.5萬座風力發電機，佔全世界風電容量的90%（圖5.22）。20世紀90年代，隨著美國各州和許多歐洲國家開始投資風電場 （wind farm），風力發電機群生產商業用電，這個百分比穩步下降。到2005年，美國只佔全世界運營風電容量的14%。
（a）
（b）
圖 5.22 （a）加利福尼亞州棕櫚泉附近聖戈爾戈尼奧山口（San Gorgonio pass）的風電場。風力發電機利用風力發電。（b）2004年按州統計的風電容量，單位：兆瓦。1000兆瓦能滿足大約30萬美國家庭的能量需求。雖然美國風能潛力只有一小部分被利用，但是許多州都有新的風電項目正在進行。20世紀90年代風力發電機技術進展顯著，新式發電機比先前更強大、更可靠。近年來無論在美國還是全世界，風能是電力生產中增長最快的能源。（〔a 〕c Roger Scott. 〔b 〕Source of data: American Wind Energy Association .）
20世紀90年代，減少對化石燃料的依賴並承諾發展可再生能源，促使數個歐洲國家發展風電裝置，尤其是德國、西班牙和丹麥。德國在世界風電生產中居領先地位８ ，2004年占世界風電容量的38%，而丹麥則是人均風電產量最高的國家。亞洲國家中除印度外，都在某種程度上減緩了風電場的建設，但是中國和日本仍然有大量在建項目。
未來幾年內近海風電裝置有望較大增長，尤其是在北歐。世界最大的近海風力發電場位於哥本哈根港入口處，該處和其他地方的裝置提供大約全國電力的20%。荷蘭和瑞典也有近海風電場，英國、愛爾蘭、比利時、德國和西班牙也有計劃或正在興建近海風電場。
風能的短處是不可靠性和間歇性，風能不易存儲，需要備用系統。此外，有些國家在偏遠地區才有豐富的風力資源，這些地區遠離現有電力網，因而必須建立昂貴的輸電線路給消費者供電。批評者指出，要幾千個風力發電機才能生產與一座核電站等量的電力。環境方面的顧慮包括風電場的美學影響（它們非常顯眼，常常覆蓋整個山坡，佔據景觀的主要地位），以及對候鳥的傷害。
非燃料礦物資源
上文所討論的礦物資源提供使人類能夠做功的能量。對我們的經濟福祉同樣重要的是非燃料礦物，因為這些礦物能加工成鋼鐵、鋁和其他金屬，加工成玻璃、水泥和其他產品。我們的建築物、工具和武器主要來自礦物。
事實上我們認為必不可少的資源，包括金屬、非金屬礦物、岩石和燃料，均蘊藏在地殼薄薄的表皮——地殼中。92種天然元素中，僅8種就佔地殼質量的98%以上（圖5.23）。我們可以認為這幾種元素是地質上豐富的，而所有其他元素則是地質上稀有的。在大多數地方，礦物富集程度太低以致開採無利可圖。如果富集程度足夠高，使開採可行，那麼這種礦床開採出來的礦物就叫作礦石 （ore）。因此，是或不是礦石及能否開採取決於需求、價格與技術，而且因時而異。
圖 5.23 地殼中按重量計相對豐富的元素。只有4種經濟上重要的元素——圖中以深色表示——在地質上是豐富的，共佔地殼重量1%以上。幸而，這些元素和其他有商業價值的礦物集中在地殼的特殊區域。如果均勻分佈在地殼中，這些元素和礦物的開採就不具備可行性。
礦物資源的開採一般有6個步驟：
（1）勘探（尋找物料富集的礦床）；
（2）開採（從地層中取出）；
（3）選礦（從礦石中分離出所需的物料）；
（4）冶煉和（或）精煉（把礦物分解為所需的純物質）；
（5）將礦石運輸到要使用的地方；
（6）把礦石加工為成品。
上述每一步都需要能量和物料的輸入。
決定某種礦床開採的可行性和收益有5個因素：礦物的價值、可采量、特定礦床中礦石的丰度、與市場的距離，以及征地費用和專利使用費。即使這些因素都有利，但如果有更廉價的競爭性資源可用，那麼可能還是不會開發這些礦山，甚至留其待日後進行投機交易。20世紀80年代美國和加拿大共有產量超過2500萬噸的鐵礦被永久關閉。北美的銅、鎳、鋅、鉛和鉬礦因市場價格下降到低於國內生產的成本，也出現同樣的衰退。從20世紀90年代初開始，由於資源耗竭與低價進口兩方面的原因，美國首次成為非燃料礦物淨進口國。雖然礦物價格上升可能導致開採或重新開採礦石被認為無利可圖，但是市場經濟發達的工業國發現自己在和具有廉價勞動力與豐富國有礦山的發展中國家生產者的競爭中處於不利地位。
自然過程生成礦物如此緩慢，以致我們將礦物列入存量有限的非可再生資源的範疇。不過，其中有些資源儲備很豐富，在長遠的未來仍有現成的儲備。此類資源包括煤炭、砂石和鉀鹽。其他礦物，如錫和汞之類儲備量很少，而且因工業社會對其與日俱增的需求而日益減少。表5.1給出一些重要金屬「剩餘年限」的估計數。由於礦物資源難以估算，因此表上數據應看作是提示性的而不是確切的。化石燃料的情況也是如此，這樣的估計是基於經濟與技術狀況，而我們既不能預知未來的礦物價格，也不能預知技術上的改進。對一種有價值礦物，現已探明可用儲量的耗竭將提升這種礦物的價格，使得現在劃歸亞經濟等級的礦山有利可圖（圖5.4）。然後那些礦床就被重新歸入已證實儲量中。新礦床的發現和（或）礦物加工技術的改善也會增加儲量數字，因此也延長了儲量預期壽命。
表5.1 若干種已證實儲量礦物的預期壽命 證實資源的剩餘年限
礦物
世界
美國
銀
14
21
鉛
21
18
鋅
24
39
銅
32
30
錫
24
0
鎳
44
0
磷酸鹽
130
38
錳
35
0
鈷
149
0
鋁土礦
147
0
鉻
48
0
鉀鹽
277
75
註釋：這些數字所反映的，是基於目前生產與消費速率預測的若干種礦物已證實儲量能持續年限的近似值。由於總儲量和消費速率隨時間波動，這些數字僅是提示性的。開採成本降低、礦物價值提高，和（或）新礦床的發現都會延長表中所示的壽命。
資料來源：Mineral Commodities Summaries 2004, U.S. Geological Survey.
雖然人類社會早在公元前3500年就開始使用金屬，但直到工業革命之前，全世界對金屬的需求仍舊很小。直到第二次世界大戰以後，資源的日益短缺和價格的上升（加上美國日益依賴外國資源），才讓大眾意識到金屬資源問題的嚴重性。世界範圍內的技術進步造成人們的生活離不開礦物。工業化進行得如此迅速又如此廉價，是早期所需要的物料儲量豐富又唾手可得的直接結果。經濟體因撇取蛋糕上的奶油而獲益匪淺。迄今尚未有答案的問題是：稀缺礦物餘下的儲備量是否會限制工業化和發達經濟體的擴展，或者人們是否能夠找到和如何找到應對短缺的出路。
非燃料礦物的分佈
由於礦物資源的分佈是長期地質過程中某些元素富集成有商業價值的礦床的結果，由此推斷，國家越大就越可能擁有此類礦床。事實上，俄羅斯、中國、加拿大、美國、巴西和澳大利亞都擁有豐富多樣的礦物資源。如圖5.24表明，這些國家都是領先的礦業國。它們擁有近一半的非燃料礦物資源 （nonfuel mineral resource），並且出產金屬（例如鐵、錳和鎳）和大部分非金屬（例如鉀鹽和硫）。
圖 5.24 幾種礦物的主要生產國。圖中所示的國家不一定是儲量最大的國家。例如，印度有鋁礬土、中國有錳、南非有磷酸鹽，但它們都不是這些礦物的主要生產國。（Data from World Resources Institute ）
很多種非金屬只集中於少數國家，而且有些稀缺元素只存在於世界上幾個地區。例如，大量的鈷和鑽石礦床局限於俄羅斯和非洲中南部。南非擁有世界近一半的金礦、3/4以上的鉻與鉑族金屬。有些國家和地區只有一兩種可開採的礦物——如摩洛哥的磷酸鹽，新喀裡多尼亞的鎳。有些人口大國在礦物儲藏方面處於不利地位，其中包括法國和日本等工業化國家，它們能夠進口資源；也包括一些發展中國家，如尼日利亞和孟加拉國，它們不大可能負擔得起進口費用。
認識到這點非常重要，即沒有任何國家擁有經濟上重要的所有礦物資源。有些國家，如美國，曾經得到大自然慷慨的供應，但現在他們已經耗費了這些「資產」，要依靠外國的資源。雖然20世紀40年代和20世紀50年代美國在礦物供應方面幾乎能夠自給，但現在已不是這樣。由於美國長期使用國內資源而且經濟持續擴張，現在許多重要礦物的供應對其他國家的依賴程度超過50%，其中一些礦物列於表5.2中。金屬成本的增加和可用性的下降促進了對替代品的研究。工業化學家和冶金學家在探索替代傳統資源的新材料方面做得非常成功，這使得對資源可能耗竭的擔心有所減輕。但也必須瞭解，某些礦物（例如鈷和鉻）還未找到合適的替代品。其他替代品常常是合成材料，在其生產過程中往往使用日益稀缺而且昂貴的烴類化合物。其中許多合成材料在使用或棄置時，會造成環境危害，並且所有這些替代品標價很高，而且日益增高。
表5.2 2004年美國幾種非燃料礦物供應對外國的依賴 礦物
進口（%）
主要來源
主要用途
鋁土礦和鋁
100
澳大利亞、牙買加、幾內亞
鋁的生產
鈮
100
巴西、加拿大、愛沙尼亞
煉鋼和超合金的添加劑
錳
100
南非、加蓬、澳大利亞
煉鋼、電池、農業化學品
雲母
100
印度、比利時、中國
電子和電氣設備
石英晶體
100
巴西、德國、馬達加斯加
