用跨学科网络研究框架解释食物-能源-水的关系.docx
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1、一、引言就气候变化和人口动态引发的问题、趋势进行探讨交流,特别是从在环境、社会经济方面探讨其对全球可持续性的影响,是联合国可持续发展目标的主要目标之一。这种沟通的有效性依赖于强大的跨学科研究协调网络。为此,研窕者已经提出了几种概念框架用于跨学科指导,还开发了用于评估食物-能源-水(FEW)三者间关系的分析工具,自下而上(即从结果到机制)的方法是主要研究方法,因为经济、环境和社会(EES)问题造成的影响还没有得到充分或明确的定义。自下而上的方法固然非常重要,但对于发展跨学科的研究协调网络,有效促进经济、环境和社会系统(EES系统)与FEW系统间的双赢互动,采用自上而下的方法(即从机制到结果)研究
2、FEW纽带关系(FEWneXUS)也是非常必要的。自上而下的思维可以促进从地方到全球相互关联的研究机会,在日益严峻的气候变化和人口急剧增长的双重压力之下,确保FEW的可持续性。在全球尺度中,此类跨学科网络应当把初始阶段的重点放在对全球FEW系统有巨大影响且在FEW实践、需求和挑战方面存在差异的国家。这些国家拥有独特的地位,可以通过国家内部和国家之间的跨学科对话来确定问题、提出解决方案。例如,有些人口密度较低但FEW资源丰富的国家(如美国、澳大利亚)接受并率先应用新型技术(如人工智能),在最大化粮食生产效率的同时把环境足迹降到最低。上述做法有可能为地方或区域提供通用的FEW资源保护方案。然而,一
3、些人口密度高且FEW资源有限的国家(如中国和印度)仍在奋力设计FEW资源安全方案,并且面临着更多的FEW资源纠纷。这种地区和国家之间的FEW资源供应和消费的不平等分配,最终会破坏全球FEW系统的稳定,导致联合国可持续发展目标无法全部实现。FEW资源供应链有利有弊,而规模可扩展的跨学科网络可以加快对其进行评估、协调和平衡,缩小地区和国家间FEW资源生产和消费不平等的差距。该网络如果足够稳固,应该在识别风险、推荐解决方案、培养利益相关者了解国际间的FEW交换对相关地区和国家EES可持续性的长期影响方面发挥关键作用。新机制具备的预测能力得益于跨学科方法的两个优势。首先,跨学科性打破了学科之间的界限,
4、使人们能够自上而下地看待无序的问题。这种方法有利于系统地识别冲突的阈值障碍(如城市化与生态系统的恢复、食物需求与水资源、能源供应与社会福利)。其次,跨学科研究方法把孤立的理论和技术连接或合并起来,开发出具有跨学科性、创新性的解决方案。这些解决方案可以加强不同系统之间的机制互动,同时处理多个问题(例如,农业废物用于能源生产,富营养水用于作物灌溉)。然而,目前尚未形成可以指导跨学科网络发展的理论框架,因此无法对FEW系统和EES系统间的嵌入式关系进行更深入的了解,更无法认识到子系统应用新办法时会引发何种动态反馈效应。本文提出的框架将FEW系统研究看作一个集合了代表EES系统大部分研究人员、利益相关
5、者(包括政策制定者)和公众的联合事业。二、研究纽带关系的跨学科网络(一)研究框架跨学科研究工作应当精准识别研究的对象系统,探讨当前己开发出来和投入实施的模型,从不同规模(地方、区域和全球)描述该系统。在更广阔的研究环境中,例如,涉及社会经济系统,并在一个以解决现实世界问题为目标的启发式基础研究框架下,识别FEW系统的组成部分以及潜在的相互作用。例如,系统级别的研究问题如何为单个研究人员提供调查途径?这类研究是如何帮助人们对FEW纽带关系形成总体愿景和理解?提出的科技努力是如何帮助研究界和利益相关者加深对问题、潜在解决方案的理解,以及对不同规模和不同背景下实施的新技术方法的理解?为了回答这些问题
6、,我们需要建立一个网络视角,可以直观地认识到FEW系统在生产到消费过程中的相互关系并对其进行优先排序。帮助建立关系模型的7个指导性问题是非常有用的,它遵照利益相关者的需求和利益,帮助定制模型、分析各种FEW情景。权衡分析依赖于对整个系统的完整或平衡的理解。本文提到的研究框架涉及的是一项大规模、协调性的工作,旨在利用跨学科整合方法把研究活动融合到一个涉及利益相关者、政策制定者和非研窕组织的集中化商业模式中。图1展示的复杂系统网络,突出了环境对FEW系统各个组成部分的关键影响,以及系统的反馈对环境、社会(即人类)行为、政策和技术的影响。这些组成部分与驱动生态系统变化的全球性因素(如温室气体排放)和
7、全球人口的迅速增长(即到2050年人口将增加约20亿)有着不可分割的联系。图1描述的框架和下文的细节解释对不可预见的特性和事件提出了预测,这需要全球共同努力。了解FEW系统关系对可持续发展的影响,重点是基于实验人员、技术人员和行为科学家的各种投入和付出,开发系统化建模和计算技术。Environmental outcomes 仆Environmental consequences图L优先考虑FEW系统与环境(绿色)、经济(黄色)和社会(灰色)间互动关系的研究框架。矢 量代表可量化的物质、信息和能量流。经济系统中的三色图形说明了与供应链各个阶段相关的FEW关系的 差异。号 d0 WqBUESnSS
8、gCwnuu 二 E-UaUJUoju 山 Xj 三 qew2SnS -epos(二)经济制度FEW纽带关系嵌入了经济系统中,涉及从生产、加工、运输、储存到消费的各个环节。生产不局限在食物生产这一方面,它实际上代表了所有FEW元素。大约30%的能源和70%的淡水用于食物生产,至少有40%的能源用于水的提取、输送和处理,25%45%的水用于能源生产。在这种情况下,食物要素主要代表商品农业、畜牧业生产、奶牛养殖、地被植物栽培、水产养殖和渔业等,既包括人类消费,也包括非人类消费。事实上,食物不仅限于生物量来源中的可食用部分,它还包括用于能源生产的生物质和生产商用化学品的生物原料。能源生产包括化石能源
9、和核能、从废物流中获得的可再生能源以及从人类和动物劳动中获取的能源。在能源和水消耗方面,每一类能源都有其生产成本负担。FEW系统里的水要素代表了所有水源,包括地表水、地下水、土壤水、再生水、海水以及食物和能源生产过程中产生的废水。这些水的来源和用途可以相互关联,而最重要的是根据当地、区域和国家的需求,找到平衡方法。食物加工的形式和相关的水消耗的形式是多种多样的,从农产品清洗到更复杂的碾磨、酿造、烘焙和屠宰加工。加工处理可以在现场或非现场(如家庭)进行,并可能会产生能源成本。几乎所有的能源类型,包括电力,都需要一定程度的处理加工,这可能涉及升压和降压变压器、光伏整流器、石油精炼及气体净化等。能源
10、加工处理包括本地加工或远程加工。根据最终用途的不同,水源通常需要经过处理才能达到特定用途的质量标准。例如,半导体制造商和巧克力糖果行业需要无颗粒或无菌工艺用水。然而,灌溉和畜牧用水不受监管,导致水源质量参差不齐、质量低下。为了匹配供需时空分布不均的情况,需要大规模、长期储存原料。为了保障产品质量,通常需要进行湿度控制和熏蒸。常规办法有:建设青贮壕储存未加工的原料(如谷物)或已加工的材料,建设配送中心冷藏、冷冻储存库。将空气控制技术应用于水果、蔬菜的长期储存或者定向成熟。短期零售储存使用添加剂(如抗氧化剂和催熟剂)也是常见的做法。根据冷臧条件和食物类型,消费者存储食物的时间范围可从几个小时到几周
11、、几个月不等。运输贯穿了FEW产品供应链的所有阶段。在美国,食物从农场到达餐桌要经过大约2400km。长途运输中每IkCal(1kcal=4.184103J)食物能量要消耗大约IokCal化石燃料能源。因此,通过增加本地食物供应,缩短食物里程,对于减少食物系统的碳足迹非常重要。2020年,美国运输人员与货物消耗的能源约占全国能源消耗总量的26%,其中石油约占美国运输部门能源消耗总量的90%o严重依赖化石燃料导致温室气体排放量大幅上升,同时,也刺激了人们发展和采用环保交通方式。例如,2020年,90%的国际贸易由水路运输,二氧化碳排放量是空运的1/50。近年来,随着越来越多的国家制定了更严格的空
12、气质量标准和减排目标,电动汽车的需求迅速增加。然而,FEW供应链未来可能会受到快速发展的电动汽车市场的冲击。消费,包括人类消费和动物消费,代表了FEW产品的最终用途。动物消费包括牲畜、家禽、水产养殖饲料和宠物食品。FEW产品的消费还包括如工业原料和生物燃料等相互竞争的非人类需求。然而,在工业化国家(如美国)供人类消费的食物中,有三分之一被浪费。消费在FEW流量中占有很大足迹,也是导致区域和全球层面EES发展失衡的主要力量。例如,19952015年期间,亚太国家内部的区域贸易加剧了该地区的经济和环境的不平等。高收入国家把环境负担(如用水量)转移到低收入国家的同时获取了经济利益。(三)环境系统FE
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