材 料

我们能够可靠地计划更有效的能源、脱碳和有效的无土农业。那么，一种节省材料的运动其前景又将如何呢？我把节省材料定义为主要是不断减轻为实现某种特定的经济功能所采用的材料的重量。

节省材料对环境至关重要。减轻经济中的材料强度可以保护地貌和自然资源，减少垃圾和减轻人类遭受有害材料的损伤。

新材料逐渐取代老材料。成功的新材料往往表现出得到改善的每吨材料的性能，从而导致为完成某种给定的任务更低的材料使用强度。这种概念老得就像是从石头到青铜再到铁的划时代的演化潜代。我们的世纪已目睹了木材和传统金属用量的相对减少和铝，而尤其是塑料用量的增加。

节省材料的近代例子很多。自从19世纪初以来，在工业锅炉中的功率重量比已经降低了近100倍。在钢铁工业中，粉末冶金、薄层铸造、离子注入和定向固化以及模锻和冷锻，使能够做到在几十年中节省50%的材料投入。在70年代，一项平凡的发明——径向轮胎，比被它所取代的偏线网层 :轮胎直接减轻了1/4的重量和材料，由于径向技术的采用使轮胎寿命翻倍，从而引起一种出乎意料的更大的效率提高，使材料的用量减半。导电能力和抗电磁干扰性为常用电线的30~40倍的重量轻的光学纤维，正在许多电信基础设施部门取代铜线。在60年代发展起来的高-果糖米玉糖浆（HFCS），排挤掉了糖在美国工业中的应用。单位重量的HFCS的变甜能力为一般糖的5倍，并且对农田的利用起相称的影响。

肯定说，许多产品如象汽车、计算机和容器已变得更轻而且更小。目前售价不到100美元的光盘可容纳9000万个美国家庭的电话号码，相当于曾经价值6万美元、重5吨的电话簿的容量。在本世纪中期，玻璃瓶占优势。在1953年，第一个铁制软饮料罐头上市。仅为钢的密度的1/3的铝制罐头，在此10年后登场，而且在1986年赢得了90%以上的软饮料市场。在1973至1992年间，铝罐头本身的重量减轻了25%。1976年，聚乙烯对酞酸盐树脂占领了很大的市场份额，尤其是在过去用玻璃作的大型容器方面。

回收当然可以减少对初级材料的需要，并因此而被看成是节省材料的一种形式。已不再限于资源缺乏的个别地方和地区，在过去几十年中，在美国和其他一些具有很高的物质欲望的社会中，回收作为一种普遍的社会实践而重新获得它的地位。

在那些附加价值的取得系依靠尖端材料及其应用的更复杂的“新材料社会”里，产生了一些困扰。具有很大的吸引力的结构性能的合金和复合材料，难于分离和回收。通用的材料可能较轻，但体积较大或毒性较大。塑料的再利用比起它们作燃料烧掉或从其中提取出化学能来更不经济。最重要的是，经济和人口的增长，已经使产品和工程项目的总量成倍地增加。在每单位经济活动产生的废弃物减少的同时，废弃物的总量都呈上升之势。

按重量而论，结构材料占美国人消耗的材料总量的40%，因此它构成一种重要的量度标准。虽然实际的结构材料的绝对应用按重量计增减不定，但自1970年以来每单位经济活动的材料消耗都呈下降趋势。因为能源材料如石油构成了我们的材料用量的另一个40%，所以能量效率的提高也可以明显地降低经济发展的材料用量。

迄今为止，在降低材料消耗方面的发展趋势不明朗。还需要对美国和世界上其他国家在长期内的物质化和降低材料消耗方面的更好的和更完整的数据进行汇集和分析。而且，由于使用材料的目的不同，因此决不能将材料部门的功能归结成像“千瓦”那样简单，而“碳”却能概括能量，每公顷生产谷物的吨数可以概括土地。不能把1公斤铁同1公斤砷相比拟。被Robert Frosch以及我和我的同事们称之为一种高级的“工业生态”的前景是明显存在的。在这种情况下，经济所需的材料强度下降，废弃物减少，而且产生的废弃物可以变成新的工业食物网中的养料。

水

我们能从每一单位的能源、土地和材料得到更多的价值。那么，我们能否从一滴水中索取更多的东西呢？

在美国，总的人均用水排放量在1900至1970年间增长了3倍；1960年至70年代初之间，总的个人水消费量就增长了1/3。但是，自1975年以来，人均用水量已明显下降，年下降率为1.3%。在1980年前后，绝对用水排放量曾达到最高值。

对技术和成本都十分注意的工业，是这种进步的明证，尽管它消耗的水只占整个水用量的一小部分。整个工业用水的排放量比美国总的用水排放量早10年进入稳定期，而且下降了1/3，比美国总的用水排放量下降的速度快。更有趣的是，每单位国民生产总值的工业用水排放量自1940年以来已稳步降低。当时有14加仑的水流进每一美元的产出，而今每一美元产出只需用3加仑水。在许多工业部门，用水量都快速下降，这些部门包括：化工、造纸、石油精炼、钢铁和食品加工。对生产水平进行调整之后，不仅每单位生产的用水量，而且排水量也许会降低到50年前的1/5。

在制造业中，技术以及法律和经济学都有利于节约用水。更有效的利用热能和用水通常是联系在一起的，这是通过采用更好的热交换器和冷却水循环使用来实现的。立法，如象美国1972年的《清洁水条例》，就鼓励减少排水量和采用循环水。虽然水处理的成本仅约占整个生产成本的5%，但废水处理系统却需要昂贵的投资。

虽然取得了一些成绩，但美国离最有效的实践尚相距甚远。对“经济合作和发展组织”各成员国的所有用户而言，它们的排水量之间差距在10倍范围内，而以美国和加拿大最高。虽然允许在主要的用水部门（灌溉、电冷却、工业、民用自来水供应）之间有所区别，但降低用水量的机会依然存在。在80年代末期，测量到的美国有害废弃物中，90%以上仍旧是废水。

从长远来看，对所有的过程用更高的热动力效率去除流进循环水中的杂质，只需要少量的能源。渗析膜技术为这种有效的水净化系统开辟了道路。因为带电的氢气将成为主要的能量载体。它的燃烧（如果氢取自海水）可能最终会提供另一种重要的新鲜水源，也许能为每人每天提供200公升水（最终消费者水平），这大约为用水精打细算的国家如象丹麦目前的排水量的1/4。最重要的是，当农业空间缩小，灌溉更加节约时，它对水的需要将会减少。

人 口

我已经论述了无论是在能源、土地、材料或水方面的要素生产率发生的一场革命。付出少而得益多，是一种古老的游戏。在能源方面，全球性的进步已有几百年的文献记载。在土地方面，中国人在很久以前就开始了，而世界上大多数国家只是在1940年前后才开始，1940年对新材料来说，看来像是一个交叉点。在用水方面，美国工业大约在1940年参与了调研；而到1970年前后，人口问题才引起了更普遍的关注。

我们的技术不仅能节约资源，而且还能够扩大我们的生态位。通过延长寿命和降低死亡率，技术可以使人口增加。虽然生殖力已大大下降，但新的控制生育的技术对减少人口所起的作用甚微。在人口与人口密度同发明与创新之间也存在着一种很好的反馈关系。

人口起了一种增殖器作用。它决定了总的消费。迄今，我强调的是比率而并非是绝对值。

看看日本的人口发展历史，就可以看出技术如何能改变人口容纳量。从大约1600年德川幕府建立时起，日本就将自己同外界技术隔绝开来，直到美国商船以Matthew Perry重新打开贸易之门为止。在1868年，明治维新削弱了从前的皇党的孤立主义政策，日本从而进入了一个大力向西方国家借鉴的时期。自1100年以来的日本人口增长曲线完全可以分类成两次高峰时期。德川幕府的技术（和文化）以及它的一些比较原始的做法，在大约5个世纪中使日本人口在较早时期大约500万的基础上再逐渐增加了2800万。明治维新和西方的技术为日本在一个世纪中人口再增加差不多1亿创造了条件。

Perrin Meyer和我推测过美国人口增长的情况。我们假设集中在经济快速增长时期——推测确定在经济增长的50年长波的中点，有一连串的人口增长的重叠高峰期。影响资源、工艺技术和产品的技术创新在经济增长波中层出不穷，并且使人口容纳量扩大。人口增长的第一次高潮与木材、铁、蒸汽、运河以及羊毛和棉纺织业有关；第二次高峰期与煤、钢、铁路、电极和初期电气化有关；第三次高潮与石油、塑料、汽车、广泛的电气化、电话、计算机和药品有关；正在兴起的第四次高潮是环绕天然气、航空以及大量的信息和分子技术而产生的。将这种关系大胆地加以外推，我们发现到2100年美国人口将增加到4亿左右，达到饱和。

很明显，对人口增长的制约因素也在不断起变化。在任何情况下，对历史上的人口数据的分析表明：全球每年人口的增长率在1970年前后达到峰值一一2.1%。生育率这个重要因素在大多数国家已在不断下降，在欧洲和日本已经下降到低于替换现有人口所需的水平。困难在于，我们还找不到适当的推理方法来预测未来的生育率。就全球而言，信息革命造成的普遍的经济和社会影响，能允许人口数量增加到150亿，500亿或1，000亿。

结 论

人口构成了对绿色工程技术专家的挑战。为了在人口增长50%的情况下仍能保持现行的清洁程度，我认为就美国和目前的经济活动水平和类型而言，每单位活动引起的散发可能需要减少1/3。这是一个容易达到的目标。只要每年有1.5%的改善，到2020年就能达到这个目标。

如果考虑消费的增长，这种挑战就会更难于对付。如果大约每隔30年人均经济活动增倍，就像自1800年以来在工业化国家中发生过的情况那样，到2010年结果就会比现在增长7倍。美国在人口增倍的情况下，就会出现12倍于今日之发射和对资源的需求，其他的要素也一样。这样一种“12倍污染”情况的出现，要求每单位经济活动产生的发射很少或者为零，以保持和提高环境质量。换言之，美国人需要在清洁环境方面做出比现在高一个数量级的努力。

在欧洲和日本，人口保持稳定，甚至还在减少，从而减轻了它们受到的环境的挑战。在世界上多数人生活的其他国家，面临经济增长和人口增长双重压力。因此，从绝对意义上讲，技术带来的益处必须是巨大的。

但是，我们已经看见了如何才能得到这些益处的轮廓。从长远看，我们需要一个从生产者到消费者都是高效率的生产氢气和电力的无烟系统；食物生产从土地中解脱出来；根据它们的用途对材料进行精心设计和选择并加以回收；并细致地使供水管道化。

事实上，我夸大了这种挑战。就消费而言，成倍增长的收入并不意味着美国人到2020年时要吃两倍于今天的食物，或者说到2100年吃8倍于今天的食物。在生产方面，历史说明：从一个时代到另一个时代的经济增长只能遵循一种新的工业模式，而不是靠旧工业模式的扩张。高的环境特性构成整个质量的现代范例的一个整体部分。过去的半个世纪，显示出了优先选择的方向：从石油向可燃气的转变；限制作物生产以利土地回归自然；发展一种在工业中应用的材料的新生态和使农民、居民以及工业更有效地用水得到普及。

经济学家总担心有人会用牺牲某一方面的利益为代价来换取另一方面的利益。令人振奋的是，我们已经看到：就总体而言，能量方面的效率有利于材料方面的效率；材料的效率有利于土地的效率；土地效率有利于水的效率；而水的效率又有利于能量的效率。将来会兴旺起来的某些技术（如像在电力部门），会带来更高的资源生产率。

某些人担心，第五种重要的资源——独创性的来源会枯竭。但是，一般水平哪儿也不会出现在目前最好的实践的前沿附近。只要将我们现在已经了解的东西加以推广，就会得益几十年。而且，科学和技术仍然年青。逐步组织起来的研究和发展，是过去50年中的另一创新。许多工业部门已将它们为得到更好的实践而进行的研究工作系统化起来，而且用生产率的提高来证明它所起的促进作用。其他的产业部门，包括目前构成了现代经济的主体的许多服务性行业，和正在扩大的公营的和非盈利的部门已逐渐得到改善。

总之，社会很难瞥见各种行为的理论极限。各个部门和社会终将不可避免地以不同的步伐向

前迈进。我们还会看到落伍者和具有开拓创新精神的人，还会遇到各式各样的问题。但晕，技术发展的历史长河和它在近几十年中进入更多部门这一事实，是令人鼓舞的。也许1970年的第一个地球日（Earth Day）是一个转折点。

政策可能会破坏性地干扰一些本来是很好的事情。例如，脱碳的指令在今后数十年中可能会在全世界范围内引起煤炭工业被逐步淘汰；政治体系可能会小心翼翼地支持那些失去生计的人，但却不会给他们钱去买煤。在谈及不公平性、不安全性和为抗灾提供保险的时候，我想说：明智的政策会对科学、试验和流动性（fluidity）产生有利的作用。

过去我们的国家住满了名叫Smith，Cooper和Miller的家庭，因为直到不久以前我们中的大多数人从事锻打金属，箍桶和种植谷物等职业。而今，却很少有人从事这些职业了。但是，迄今除了在电视上看到的而外，还没有人以Programmer（程序编制者）、Sub-Micro（亚微米）或Genesplicer（基因拚接者）取名。我们容易忘记现代世界发生了多大的变化，我们今天还处于多么初期的阶段。我们忽视了综合利用我们的技术进步哪怕每年只有1%或2%的进步会带来的力量。知识的增长可能比人口的增长更快，而且可以提供丰富的绿色食品和服务。历史信息表明：明智地采用技术能够拯救地球。你们一定会达到目的！

[American Scientist，1996年3~4月］