论地球能源演化与人类发展及碳中和战略

邹才能，马锋，潘松圻，林敏捷，张国生，熊波，王影，梁英波，杨智

（中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

0 引言

目前人类对能源的定义，约有20余种，但本质都是围绕着“能量”和“资源”进行不同角度的阐述[1-4]。首先是提供能量的形式，包括光能、热能、机械能、电能等；其次是提供能量的载体资源，包括煤炭、石油、天然气、流水、阳光、风等。能源之所以被人类认识并利用，与人类社会的进步密不可分。伴随着社会革命、科技革命、工业革命的发展，可利用的优质能源形态和先进能源技术也不断演化发展，自旧石器时代远古人类发现和使用火开始，历经薪柴、煤炭、油气三次用能转换，从低能量密度、低端技术开采、低效率应用、高碳排放的“三低一高”，向高能量密度、高端技术开采、高效率利用、低碳排放的“三高一低”转换，推动人类文明从原始文明、农业文明、工业文明逐步向绿色生态文明转型，也使人类活动从认识自然、改造自然逐步向保护自然发展。

化石能源作为自工业革命以来的主体能源，助力人类完成了工业化和现代化进程，但传统用能方式与人类社会的快速发展，逐渐改变了地球原有的自然环境，引发以气候变化为代表的全球生态危机，成为全世界共同关心的首要问题。在全球应对气候变化推进实现碳中和背景下，以化石能源为主体的传统高碳能源体系，正向以可再生能源为主体的新型绿色低碳能源体系转型[5]，多能互补、多能融合、多能转化的“大能源”时代正在开启。面向未来，能源技术革新和能源转型将深刻改变人类的生活方式和观念，而对地球系统、人类发展和能源演化的历史研究，将有助于鉴往知今，开启未来。

1 能源分类及供能机理

1.1 地球上“能”的来“源”

地球上“能”主要有3个“源”，包括来自地球外部天体能、地球自身能、与其他天体相互作用能。外部天体能主要是太阳能，除了直接辐射外，太阳能还为风能、水能、生物质能和矿物能提供产能基础，植物通过光合作用把太阳能转变成化学能存储下来，煤炭、石油、天然气等则是古代植物、动物固定下来的太阳能。地球自身能包括地壳中储存的原子能、地热能等，原子能包括核裂变能和核聚变能，地热能主要以地下热水、地下蒸汽、干热岩体等形式表现。与其他天体相互作用能主要为潮汐能，由于月球引力变化导致海平面周期性升降而产生能量（见图1）。

图1 地球能源来源示意图（地壳厚度未按真实比例示意）

1.2 能源分类及供能机理

有关能源的分类，除了按上述来源进行粗分外，更多是根据能量被存储的载体性质进行分类。按照能量守恒定律，能量能够从一种形式转变成另外一种或多种形式，或者从一个载体或系统转移到另外一个载体或系统，但是它不能够被创造也不能够被消灭；日常提及的节约能源，严格意义上讲，应该节约的是能量载体资源，而不是能量本身，众多的石油公司在“生产”石油，也是能量的“转运工”。依据载体资源的类型，通常将能源划分为化石能源和非化石能源，根据短期内是否可以重复再生利用，进一步划分为再生能源和不可再生能源（见表1）。

表1 地球上能源的种类、规模与特点[6-9]

1.2.1 化石能源及其供能机理

化石能源主要包括煤炭、石油和天然气，它们储存的化学能来源于几亿年前地球上古植物光合作用捕获的古太阳能。古植物将CO2和H2O转化成更高能量（还原态）的碳，为生物提供能量并通过化学重组成为生物的结构材料，随后经过漫长的生物化学和地质演化过程，这些生物原料转化形成了化石能源，它们中的能量主要以化学键的形式存在于C、C原子和C、H原子之间[6]。以天然气为例，其主要由CH4组成，C原子和H原子之间的组合方式比较“松散”，如果它们与氧混合或与含氧量 20%的空气混合，H原子将脱离出来与O原子结合形成稳定的H2O分子[5]，而C原子则与O原子结合形成稳定的CO2分子，H2O和CO2与结合前的烃类分子相比，具有较低的势能，更多的能量以热的形式释放出来，在这个天然气燃烧的过程中，处于还原态、高能量的C变成氧化态、低能量的C，同时也使数亿年前被沉积物掩埋的C重新回到了大气圈中[7]。化石能源的形成与人类历史相比，短期内无法恢复再生，属于不可再生能源。

1.2.2 非化石能源及其供能机理

非化石能源主要包括原子能、地热能、风能、水能、太阳能、生物质能、潮汐能等，因其能量来源的不同，其供能机理也存在差异。

原子能即核能，是由原子结构发生变化而释放的能量，重原子核裂变的过程称为核裂变，轻原子核相结合的过程称作核聚变。通常意义的化学反应，仅涉及原子与原子之间相互结合关系的变化，原子核不发生变化。但在核反应中，原子核的中子和质子相互关系发生了变化，在核力作用下质子和中子聚集在一起拥有势能，当新形成的原子核的质量小于构成它所有原子核的质量之和时，根据爱因斯坦质能方程，损失的质量将变成热量，由于光速的平方是个巨大的数字，微小的质量变化导致的能量变化将释放出比化学反应大几百万倍的能量。作为原子能量载体的核矿石属于不可再生的矿产资源，故原子能属于不可再生能源。目前人类发电以核裂变为主，主要利用铀原子，单个U235原子裂变释放的能量，比单个 CH4分子燃烧释放的能量高1.2×108倍；可控核聚变技术目前仍处在实验室初级阶段[6]。

地热能主要来自地球内部放射性元素的衰变和地幔、地核的热对流与热传导，目前主要用来产生热蒸汽驱动涡轮机发电，热能资源只分布于构造活动区域，仅占地热能源潜在可用总量的一小部分。下一步将探索增强型地热系统（EGS），该系统将热介质注入地下，通过与高温岩石接触获取能量来进行发电，传统油气形成过程中的热水资源和油气井设施，使其与EGS具有天然融合的发展优势。此外，利用超临界 CO2替代水作为传热介质，实现 CO2封存与地热发电也将是一个重要方向[10-11]。

潮汐能是由地球、太阳、月球三者之间的万有引力所产生的能量。月球引力场使得距离月球最近和最远区域的海平面上升和下降，引发潮汐运动，涨潮和退潮产生的动能推动水下涡轮机叶片运转进行电力生产。潮汐能属于可再生资源，但只局限在潮汐资源丰富的地区。

太阳能是直接将太阳的电磁辐射能转化成电能、热能或化学能等，主要以光伏发电和光热发电转化成电能为主，前者利用半导体界面的光电效应将光能直接转化为电能，后者则使用大型反射镜阵列聚焦太阳光获得热能，利用热能产生蒸汽驱动涡轮机发电。光伏发电技术成熟，但电池生产过程高能耗、高污染，且受日光照射强度影响较大，与传统电池并网难度大；光热发电生产过程清洁，能将太阳能以热能形式存储起来延迟发电时间，实现连续供电，还可通过增加储热单元或补燃与常规火电联合运行，但该技术目前仍处于创新与改进完善阶段。

水能是由太阳辐射能产生的一种间接能源，地球所截获的太阳能中，约 50%被地表吸收，其中约一半的能量用于水的蒸发过程[6]，主要是海水蒸发，但大气层保留水蒸汽的能力有限，当水蒸汽以雨水的方式降落到高于海平面的地表，水就被赋予了势能，在向下流回海洋的过程中势能转化为动能，人类在水流动的路径上引导动能来做有用功，目前主要用来发电，是一种可再生清洁能源。公元前 200年左右，人类已经开始建造水磨利用水能[12]，1878年法国建成世界第一座水电站，随后在 20世纪水电得到快速发展，2020年世界水力发电量占全球发电量16%左右。

风能是太阳能产生的另一种间接能源。太阳辐射热使地表空气不均匀受热膨胀流动而产生两种方式动能，一种是空气从高空下沉到低处，重力推动空气做功，另一种是空气从高压区移动到低压区，压力梯度做功。利用动能驱动风力涡轮机叶片旋转发电，但转化效率存在绝对上限59.3%，又称贝茨极限，现代风力涡轮机的效率已经达到贝茨极限的 80%，但也只利用了48%动能。公元前2 000年，人类已开始建造帆船和风磨，1887年，Charles F. Brush建造了世界第一台风机用来产生电力[5]。2020年世界风力发电量约占全球发电量的6%左右。

生物质能是指蕴藏在生物质中的太阳能，大部分生物质能都来源于绿色植物通过光合作用生产的有机物，广义的生物质包括一切有生命可以生长的有机物（植物、动物和微生物），狭义的生物质包括人类种植、养殖的各种农牧产品以及人和家畜产生的粪便与有机垃圾等。生物质能的利用实质就是如何把生物质中储存的能量释放出来，主要包括薪柴直接燃烧（热能）、生物质化和液化（热化学转换）、沼气发酵（生物化学转换）等方式，人类历史上最早使用的能源就是生物质能，也是唯一一种可再生的碳源。

2 地球、能源演化与人类发展

宇宙与地球的演化为人类的出现提供了包括能源在内的诸多物质前提和全球环境条件[13]，人类的发展改造地球演化进程。在此过程中，对于能源的开发利用驱动人类文明阶梯式上升，但文明进步反过来又加速了能源利用类型的演化和利用技术的发展，并带来全球化石能源危机和气候变化问题，进而影响人类文明的升级（见图2）。剖析地球、人类、能源三者的关系，需要从 3个尺度论述：①从宇宙演化的超长时间尺度，分析日-地-月系统来揭示地球的演化史；②从地球系统的长时间尺度，分析地球各圈层关系和人地关系来揭示生命的起源和人类的发展史；③从人类社会发展的短时间尺度，结合人类社会形态与文明的发展来揭示能源的演化史。

图2 地球、人类、能源关系图

2.1 超长时间尺度上的日-地-月系统演化

按照宇宙大爆炸理论，大约138×108年前，宇宙由密度极大且温度极高的奇点爆炸、膨胀而成[14]。在这一过程中直接产生了氢和氦。约50×108年前，以氢分子为主的气体-尘埃旋涡收缩形成“太阳星云”，受自转离心力扁平化的影响，在收缩快、密度高的中心区形成了原始的太阳，其余部分则围绕太阳，沿赤道方向逐渐扩展形成“星云盘”；太阳由于物质的收缩动能转化为热能而持续升温，氢发生核聚变反应变为氦，逐渐进入“主序星”阶段（青壮年时期）。星云中尘埃颗粒相互碰撞和黏合，形成较大的物质团块，在引力、离心力、摩擦力作用下，这些物质团块再碰撞形成包括地球在内的八大行星[15-16]，由于太阳质量占太阳系质量的 99%以上，故将行星吸引在自己周围。在太阳系形成后不到1×108年，月球星胚撞击地球产生巨大能量，使地球处于熔融状态，地球表面的硅酸盐与月球星胚的物质共同形成了围绕地球的物质，这些物质中重物质冷却返回地球，一部分则消失在太空，其余部分就形成了月球[17-18]。月球的出现改造了地球的重力场，在地球表层形成了潮汐，并改变了两者的距离和转速，影响地球轨道运动周期，还通过平衡地球的倾斜度而影响地球的气候。（46～45）×108年前，日-地-月系统形成，太阳系的行星在各自轨道上运行，为地球的演化提供了安全的宇宙环境；太阳自身逐渐稳定和逐步升温，为地球提供光和热，维持着地球地表的温度。地球自身适中的质量（占太阳系质量的0.000 3%）使其与太阳保持距离适中[16-17]，并使地球地表温度适中，为液态水和大气层的存在提供了条件，进而为生命的存在提供了物质和能量前提。

2.2 长时间尺度上的地球系统演化

关于长时间尺度的起点，即地球的天文年龄，由于早期的星子碰撞事件造成地球可能存在多次“岩浆海”，完全抹杀了最初大陆的地质记录，组成地球原始地壳的岩石和矿物并没有被完整保存下来，目前可以追踪年代的最古老矿物是在澳大利亚西部发现的约44×108年前的锆石[19]；采用铅-铅测定年代法，测算地球南极上最原始的球粒陨石中铅同位素的比率，间接推断地球形成时间在 45.5×108年以前；而地球上最早的生命记录来自格陵兰西部Isua火山与沉积岩[15]。据此，将地球系统的演化按照“天文阶段”、“生物圈演化阶段”、“人类圈演化阶段”3个部分进行阐述。

2.2.1 地球形成的天文阶段（138×108年前—38×108年前）

由于缺乏直接的证据和地质记录，基于人类目前的认知和科学界的普遍共识，来阐述此阶段的演化特征[14-20]。原始地球在增大成长过程中，受微行星的碰撞或内部长寿命放射性物质的衰变及引力位能的释放，发生增温过程，使地球上部处于熔融状态（岩浆海），铁、镍、钴、锰等亲铁元素与硅、铝、镁、钙等亲石元素发生重力分异，形成地核和地幔，地幔的表层又逐渐分异出薄薄的地壳，地球的分层结构由此逐渐形成。（44～38）×108年前的“晚期大爆炸”阶段，微行星碰撞引发地球表面发生碰撞放气过程，释放大量水分子和其他挥发性化合物，形成原始的大气圈，以气态硅酸盐为主，伴随着地球表面冷却，大量硅酸盐迅速凝固，留下CO2和H2O组成浓厚大气层，随后大气温度继续急剧下降，水分凝结产生降水，形成了地球上的水圈。

2.2.2 生物圈演化阶段（38×108年前至今）

在38×108年前，逐渐降温的地球原始大气中没有氧气，也就没有臭氧层来吸收太阳光中的紫外线，生命很难存活；但水圈的形成为生命的产生提供了条件，原始生态系统开始逐步形成[14-15]。大约在27×108年前，蓝细菌以微生物席形式进行有氧光合作用，开启了地球大气聚氧过程，早期的氧气基本被生物呼吸作用、还原性物质风化作用、火山喷发气体中的H2和H2S与O2相互作用消耗掉；直到25×108年前的“大氧化事件”，Fe2+被氧化为Fe3+在海底广泛沉淀，在全球范围内发育条带状含铁建造，形成了全世界 70%的铁矿，同时造成了早期的海洋“硫化氢化”，延迟了地球生物的大发展；元古宙真核细胞生物逐渐出现，地球的氧气和臭氧浓度逐渐上升，有效的紫外线屏障形成，海底条带状含铁建造结束，板块活动使海底水层彻底摆脱硫化物的困扰[14]；（7.5～6.0）×108年前，地球再次发生氧化事件后，大量有机碳被埋藏，从而使得无机碳δ13C变重，地幔释放到表层的碳被还原为有机碳，释放出自由氧，形成氧化大气，为约5.4×108年前寒武纪生命大爆发提供了条件；伴随着大陆地壳增厚、氧气含量的不断升高、多次大冰期的出现，地球生物圈开启了从微生物、植物、动物到人类的演化，地球系统也开始从原始岩石圈演变为岩石圈、大气圈、水圈、生物圈多圈层协同发展系统[21-22]。此外，在奥陶纪末、晚泥盆世、二叠纪末、白垩纪末发生了 5次生物大灭绝重大生物事件[23-24]，产生了大量的有机质并为其保存提供了适宜的条件，为化石能源的形成提供了物质基础。煤炭的形成主要集中在 3大聚煤期[25]：晚石炭世—二叠纪的孢子植物成煤，以烟煤和无烟煤为主；侏罗纪和早白垩世的裸子植物成煤，以褐煤和烟煤为主；晚白垩世—新近纪的被子植物等高等植物成煤，以褐煤为主。石油与天然气的形成主要集中在寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪—早石炭世、晚石炭世—中二叠世、侏罗纪、白垩纪、古近纪—新近纪 8大时期，早期的烃源岩演化程度较高，以生成天然气为主，中晚期的烃源岩则以生油为主[26]（见图3）。

图3 地球系统演化阶段与特征（据文献[14-18, 20-28]修改；图中百分数为该层富集的煤炭和油气资源占全球煤炭和油气资源的比例）

2.2.3 人类圈演化与人类文明发展（250×104年前至今）

人类圈又称人类社会圈、智慧圈，用来标志现代地球系统中人类作用的介入。上述讨论的岩石圈、大气圈、水圈、生物圈是人类圈的环境，又具全球规模，因此称之为全球环境，现代地球系统是由人类圈和全球环境构成的系统。关于人类圈与生物圈概念的区别、形成的时间（地理大发现时间）以及人类世地质学概念的提出，目前有不同的看法[27-29]。但人类历经漫长的演化，在认识自然的基础上，通过主观能动地开展社会性物质生产和消费过程，显著改造了自然，已经成为地球系统变化的驱动力之一。人类活动范围内至地表以下12.5 km的岩石圈深部[30]，外至太阳系空间，已经超出了传统生物圈的概念，因此借用人类圈的概念，来阐述人类文明的发展对地球系统其他圈层的影响；同时结合1964年俄罗斯天体物理学家尼古拉·卡尔达舍夫基于能源利用率提出的宇宙文明卡尔达舍夫等级设想[31]，从人类对能源的利用方法和效率的角度，来阐述人类圈的演化（见图4）。在人类出现之前的近45×108年里，地球系统处于原始自然演化阶段，先后形成了岩石圈、大气圈、水圈、生物圈。在约250×104年前人类出现后，文字的形成标志着原始文明的开端，按照尼古拉·卡尔达舍夫提出的三级文明构想框架，人类文明历经原始文明、农业文明、工业文明的发展，目前已达到0.73级[32]，人类圈的演化也从早期作为生物圈的物种之一，逐渐演化扩张到目前的全球化圈层[33]，并显著影响到地球系统其他圈层的自然演化，正从依靠自然、适应自然、认识自然、改造自然的低端形式，向共享自然、呵护自然的高端生态文明阶段发展，突出的标志可能是人类掌握可控核聚变技术，建造“人造太阳”，人类也将在一级文明中成为地球的主人，不会因为地球进入下一次冰期，或者气温不断升高等地球环境变化而带来物种灭绝。对于二级文明和三级文明，目前仍处于科学假说阶段，虽然人类圈层的影响已经突破了地球系统，发展了空间站和航天技术，但人类利用化学类能源的潜力已达极限，深地和深空探索仍处于初级阶段，可持续发展受材料技术、电池技术、基因技术、可控核聚变技术等限制[34-35]，尚未突破无限能源、可持续生命、高性能材料、高级人工智能等人类圈实现一级行星文明跨越的关键科学问题。受现代地球系统阶梯式上升演化的控制，工业文明已发展到分岔点，进入阶梯式上升的突变期，转变人类的需求与生存模式，推动能源利用转型发展，将是人类社会发展尺度上，从工业文明发展到生态文明的主要途径。

图4 地球系统、人类圈与文明演化的阶段与特征

2.3 短时间尺度的能源演化与人类社会发展

能源是人类文明进步的基础和动力，关系人类生存和发展[36]，通过追溯人类社会的发展史和能源的演化史，可以为人类应对地球环境变化的挑战提供借鉴和参考。人类社会发展可划分为生存阶段（人类出现—工业文明之前）、发展阶段（工业革命—21世纪早期）、可持续发展阶段（21世纪中期—未来）。与这3个阶段相对应，能源利用的演化经历了薪柴时代、煤炭时代、油气时代，正在向新能源时代转型发展。

2.3.1 薪柴时代（170×104年前—18世纪中期）

自170×104年前元谋猿人开始使用火到1.8×104年前山顶洞人掌握人工取火技术，开启了最早也是至今最漫长的一次“技术革命”，推动人类社会从旧石器时代进入农业文明时代，先后历经了3次农业技术革命[37]，薪柴在这一时期成为人类社会发展的主体能源，推动人类的进化和社会技术的发展，使社会生产动力从人力为主向畜力、风力、水力发展（见图5）。

图5 人类社会发展与能源演化（薪柴时代与煤炭时代）

2.3.2 煤炭时代（18世纪中期—20世纪中期）

欧洲在历经黑暗时代的发展后，伴随着蒸汽机的发明，蒸汽动力开始大规模代替人力和畜力，人类社会首次真正意义上具有了超越生物圈的内在强大驱动力，相继发生了2次科技革命和1次工业革命，并带动冶金业、制造业、开采业、运输业等工业的快速发展，加快了世界工业化进程。

2.3.3 油气时代（20世纪中期—现代）

自1859年，美国人首先在宾夕法尼亚钻探第1口商业油井，开启了近代石油工业，伴随着大功率发电机和内燃机的发明，石油以其更高热值、更易运输的特点，逐渐取代煤炭成为第 3代主体能源。人类社会进入了工业和科技快速发展阶段，发生了 4次科技革命、3次工业革命、1次农业革命和4次管理革命[38]，推动全球相继进入电气时代、信息时代，并向智能时代发展，社会生产也从蒸汽动力向燃气动力、电动力、风力、水力、核动力等多元供能体系发展（见图6）。

图6 人类社会发展与能源演化（油气时代）

2.3.4 新能源时代（21世纪中期—未来）

新能源一般指传统能源之外的利用新技术加以开发利用的可再生能源，人类对于新能源的利用贯穿人类社会发展的生存阶段和发展阶段（见图7），在 17世纪以前，主要以原始直接利用新能源产生机械力为特点；到了18世纪—20世纪早中期，人类开始了新能源供能机理与利用技术的探索；21世纪早期，受化石能源危机的刺激，新能源利用进入规模化发展阶段；面向未来，伴随着人类社会进入智慧时代和原子时代，人类将逐渐突破新能源高效、低成本、规模利用技术及储能技术，建立起全球智慧能源网络；预计在23世纪或之前，人类很可能最终掌握可控核聚变技术，彻底摆脱以利用化学能为主的能源利用模式，开启直接利用核能和生物质能的高级能源利用模式，传统的化石燃料也将回归其物质原料属性[35,39]。

图7 新能源发展历程及新能源时代预测

3 碳循环与全球气候变化

从人类社会发展的生态学角度看，人类的生物属性决定了相关的生态学规律将同样作用于人类，人类社会的高速发展将带来全球性环境变化。1844、1845年皮埃尔·弗朗索瓦·韦吕勒提出，在地球上环境资源有限、种群起始数量小于环境最大容纳量的假设下，种群数量与环境之间遵循 Logistic曲线 3阶段增长方式[33,40]：第1阶段，充足的环境容量驱动系统得以快速发展；第2阶段，随着人系统规模的增长，环境条件的限制会明显阻碍系统增长率的提高；第3阶段，当系统规模发展接近环境容量的时候，系统增长率趋近于零。Logistic曲线增长方式表示环境对于物种数量的制约是即时的，但由于人类的主观能动作用，环境资源变化对于人类社会发展的影响相对滞后。从地球系统的角度看，所谓全球变化就是人类活动改变了地球表层系统的自然运行，具有智能的人类已经成为地球系统前所未有的一种营力，正在改变地球系统自然演化的运行轨迹，尤其是人类通过大量使用化石能源，改变地球系统的自然碳循环路径，严重影响到人类社会的可持续发展。

3.1 碳的循环

宇宙中本没有碳元素，借助恒星的氦聚变反应，将3个氦原子核聚在一起，生成了1个碳原子，由此诞生了碳元素。当恒星演化终结爆发成为星云时，其内部的各种元素向宇宙弥散，以尘埃、颗粒、天体的形式被地球捕捉，由此开启了碳在地球上的循环过程。碳原子通过+4、+2、0、-4等多种化合价参与化学反应[14-15]，具有多种多样的成键方式，而且C—C键强度极大。碳不仅能形成无机化合物，还可以通过原子间共用电子的共价键形成有机化合物，是地球上存在形式最复杂的元素，正是由于碳极高的成键能力和独特的性能，成为太阳能的主要化学能载体和构成地球上各种生命体的骨架元素，也是温室气体的主要成分。碳循环可分为无机碳循环、短期有机碳循环、长期有机碳循环3种过程，这3种过程相互交叉同时进行[41]（见图8）。

图8 地球上碳循环简图

3.1.1 无机碳循环

无机碳循环主要是无机碳在大气圈碳库、海洋圈碳库和岩石圈碳库的闭环循环过程，一个循环经历时间跨度在百万年至数千万年，使地球维持在一个较为稳定的温度区间。大气中的 CO2溶于雨水，通过化学风化侵蚀陆地岩石或被海洋直接吸收，在海底形成碳酸盐沉积物，历经沉积成岩作用，形成碳酸盐岩。洋壳与陆壳的俯冲碰撞，使碳酸盐岩被融化为岩浆，发生脱气作用，再次转化为CO2回到大气圈（见图8a）。

3.1.2 短期有机碳循环

短期有机碳循环是主要发生在大气圈碳库和生物圈碳库之间的闭环循环过程，一个循环时间跨度在数十年至数百年；植物作为初级生产者，通过光合作用，借助叶绿素吸收太阳能使低能量的 CO2和水转化为高化学能的糖类，无机碳也首次以有机碳的形式，进入生物圈；而作为消费者的生物，通过食物链来获得能量维持生命，动植物的遗体和排出物被微生物分解，并释放出CO2（见图8b）。

3.1.3 长期有机碳循环

长期有机碳循环是主要发生在大气圈碳库、生物圈碳库和岩石圈碳库之间的闭环循环过程，一个循环时间跨度在数千万年以上；初期的过程与短期有机碳循环类似，但动植物的遗体在被微生物分解之前，被掩埋至地层深处，历经漫长的物理化学过程，转变为煤炭、石油和天然气等化石燃料，然后在经历板块运动被燃烧，释放出CO2（见图8c）。

3.1.4 人类活动对地球碳循环的影响

碳是人类最早利用的元素之一，对碳的利用将人类带进了文明时代。但人类文明反过来成为地球碳循环的新要素，改变了地球碳循环的闭环路径（见图9）。原始文明时代的人类仍属于生物圈的一员，受限于人类数量和用火规模，额外排出的 CO2很快被地球碳循环调节了。但进入农业文明时代，农耕技术的发展、人口的增加，一方面对薪柴的使用，使本该在生物圈存留数百年的碳被提前终止循环，排放到大气圈；另一方面人类砍伐树木造成森林面积的减少，使森林碳库的储碳能力减弱，导致自7 000年前起，大气圈中的CO2浓度开始上升，但速度非常缓慢，并没有彻底改变地球碳循环；自18世纪开始，人类进入工业文明时代，化石能源的大量使用加速了地层深部有机碳的释放，大量被提前释放的 CO2进入地球系统，但森林的储碳效率下降，只能吸收人类排放的CO2的30%左右，而海洋由于过量 CO2的吸收导致海水酸化，进而限制海洋碳库的储碳效率，也只能吸收人类排放的 CO2的30%左右，剩余 40%左右的 CO2进入大气，短期内不参与碳循环，导致大气圈层中 CO2体积分数从工业革命前（1760 年）的 280×10-6上升到 2015 年的 400×10-6，2019年突破 410×10-6，2021年达到 415×10-6，过去 70年，大气中CO2浓度的增长率是末次冰期结束时的100倍左右[42-43]，成为影响全球温度和气候变化等连锁反应的直接因素。

图9 人类活动对碳循环影响示意图

3.2 全球气候变化及影响

全球气候变化已成为21世纪人类的严重威胁。人口规模的持续增长和社会的高速发展，使人类圈规模已逐渐接近地球环境容量。截至2022年1月，全球230个国家人口总数为75.97×108人[44]，其中发展中国家人口约占 80%，未来数十年，人口持续增长和更多发展中国家人口转向现代化生活方式，世界温室气体排放将在510×108t/a的基础上持续增长，导致地球系统能量收支不平衡，极端天气事件和流行疾病日趋频繁，人类的可持续发展面临前所未有的挑战[45]。

3.2.1 全球地表温度升幅逼近1.5 ℃

CO2等温室气体浓度持续升高使地球的净能量吸收不断增加，导致地球圈层的持续升温。2012年Hansen和Sato基于过去80×104年的气候数据模拟揭示，当大气中的 CO2浓度当量加倍时，全球平均地表温度年平均值的平衡变化为（0.75±0.15）℃，由此计算出全球平均地表温度将上升2.5～3.5 ℃[5-6]。1880年以来全球平均气温观测数据揭示，1880—1930年，全球平均气温变化值平稳，在0 ℃上下浮动；1930—1980年，全球平均气温变化值缓慢上升，浮动值为0.1～0.5 ℃；1980—2020年，全球平均气温上升速率加大，浮动值为0.5～1.2 ℃，意味着70%的温度增长发生在过去的40年，地球地表温度比过去140年内任何时候都要高，不可逆转的气候变化风险也日益加大[46]（见图10）。1977年，美国经济学家威廉·诺德豪斯最先提出全球2 ℃的温升控制目标，2015年，《巴黎协定》正式提出到本世纪末将全球平均温升控制在工业化前水平（2 ℃）以内。但2018年，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）历时2年完成的《全球温升1.5 ℃特别报告》指出，将全球温升控制在 1.5 ℃比控制在2 ℃更能够有效降低地球气候风险[47]，2021年，联合国气候变化大会达成决议将“控制全球温升 1.5 ℃”作为确保人类能够在地球上永续生存的目标之一[46-47]。

图10 1880—2020年全球温度距平值[46]

3.2.2 全球极端天气增多增强

根据IPCC评估[47]，过去40年里，极端低温、极端高温、极端干旱、极端降水、火山喷发等极端事件呈现增多增强的趋势[48]（见图11），2021年全球爆发了约190次极端天气事件，“地球之肺”亚马逊雨林已逼近生态崩溃的临界点，正从碳汇转变成了碳源；北极海冰面积持续下降，将面临夏季无冰的现象；海水热膨胀和陆地冰融化造成全球海平面快速上升，1993—2002年全球平均海平面每年上升 2.1 mm，2013—2021年全球平均海平面每年上升4.4 mm，增加了1倍多；全球开阔海洋表面pH值下降为26 000年以来最低值，海洋碳库吸收 CO2能力随之降低；截至目前，全球15个“气候临界点”已被激活了9个，极端天气有可能加速并引发地球系统的“多米诺骨牌”效应，从而以自然灾害、疾病等直接或者间接形式影响人类的生存与可持续发展。目前人类已爆发了16次大的疫情，累计造成了超过 10×108人口的死亡。2002—2003年间爆发的SARS疫情，在短时期内造成919人死亡，病死率达11%；2019年爆发至今的新型冠状病毒疫情已造成全球死亡人口突破 600×104人（见表2），人类面临自二战以来最严峻的考验，全球气候变化带来的环境危机不断发展，未来强度更大、影响更广的极端天气将给地球系统各圈层带来更多不确定性的风险因素。世界各国已普遍认识到：为避免全球极端天气带来的威胁，人类不仅需要关掉持续排放温室气体的“水龙头”，将每年向全球大气排放510×108t CO2当量的温室气体在本世纪末实现“净零”排放，人类还需要打开清除历史累积温室气体的“排水阀”，消除人类历史已排放的CO2，实现“净负排放”[49]。

图11 1980—2021年人类经历的极端天气灾害[48]

表2 全球爆发16次大疫情统计表

4 碳中和下能源发展战略

碳中和目标下，碳基能源向非碳基能源跨越，能源体系将加速向低碳化、零碳化转型[50-51]，化石能源将从主体能源逐步转变为保障性能源，新能源将逐步成为主体清洁能源[52-53]；能源技术将实现变革性突破，CCUS（碳捕获、利用与封存）/CCS（碳捕获与封存）、氢能与燃料电池、生物光伏发电、太阳能发电、光储智能微网、超级储能、可控核聚变、智慧能源互联网等颠覆性技术将逐渐被攻克。能源理念将发生转变，从单一满足人类自身用能需求向呵护与共享地球的绿色用能转变，构建绿色能源命运共同体将成为打造人类命运共同体的重要组成部分，追求绿色创新、奉献绿色能源、建设绿色家园将成为新型能源科技创新体系的“三绿”目标。

4.1 世界能源转型战略举措

4.1.1 更新能源理念，发展“能源学”与“碳中和学”

能源理念的更新转变需要对能源科学理论的再认识和再发展。碳中和目标下，绿色能源体系建立是关键。能源学的提出[24]打破了传统单一类型的能源研究范式，第一次以系统观的视角探究地球、能源、人类三者相互影响与协同演化这一科学问题，在时间和空间尺度，研究各类能源形成分布、评价选区、开发利用、有序替代、发展前景等内容，揭示地球系统中各种能量载体的共生分布关系及发展规律，对完善能源研究学科体系具有重要意义。碳中和学拓展了能源学的研究范畴，以人类活动引起的碳排放与地球碳循环系统之间的动态平衡为目标，以无碳新能源有序替代化石能源为途径，以经济产业政策、能源技术等为内容，探究人类活动足迹对自然环境影响最小化的科学规律，是能源科学与社会科学的交叉学科[54-55]。创新发展能源学与碳中和学，培养人才、创新技术与管理，将为可持续开发利用地球能源、清洁绿色发展、建设宜居地球提供理论指导。

4.1.2 创新能源技术，发展“三碳”技术

科学创新无尽前沿，技术发展无穷力量，科学技术的创新是实现碳中和目标的主要驱动力。低碳化和生态化成为新一轮科技革命的显著特征，绿色、智慧、可持续发展成为重大主题。发展“三碳”（碳减排、碳零排、碳负排）核心技术成为能源转型中科技创新的重要方向和关键目标。通过清洁替代、跨界融合、绿色接替三大路径，来推动化石能源碳中和发展，通过发展碳工业体系与氢工业体系，来构建以清洁、无碳、智能、高效为核心的“新能源”+“智能源”体系。

4.1.3 打造绿色能源命运共同体，共建宜居绿色地球

绿色发展承载人类同呼吸共命运的价值追求，成为全球的共同关切和期望目标，蕴含世界协同合作的融合与交汇。从能源利益共同体向绿色能源命运共同体发展，需要人类在“地球村”理念的框架上，建立以共赢、互信、协同、参与、分享为基础的能源科技创新与能源合作发展新模式，共同应对气候变化等挑战，尊重自然、顺应自然、呵护自然，积极促进全球可持续发展目标的实现，助力推动人类命运共同体的构建，共建生态宜居的绿色地球。

4.2 中国从“能源大国”向“能源强国”的战略跃升

中国从 1949年能源总产量为 0.2×108t标准煤的“能源小国”，发展为2021年能源总产量为41.7×108t标准煤的“能源大国”。未来，向“能源强国”跨越，逐步实现“能源独立”，就必须牢牢端稳能源的饭碗。加快能源革命，建设能源强国，需遵循“科学无尽前沿、技术无穷力量”的宗旨，根植“只有枯竭的思想、没有枯竭的能源”的精神，秉承“绿色创新、绿色能源、绿色家园”的理念，打破固化传统观念的“封脑子”理论禁区，突破束缚产业升级的“卡脖子”技术，练就科技“杀手锏”绝招，依靠高水平科技自立自强，实现高质量的能源自主自强。既要一手端稳端牢化石能源的饭碗，筑牢筑强化石能源安全供给的“压舱石”，又要一手端起端好新能源的饭碗，筑高筑大新能源绿色可持续发展的“增长极”。能源发展具有化石能源低碳化、新能源规模化、能源系统智慧化三大趋势，分“三步走”构建高质量的“清洁低碳、安全高效、独立自主”绿色能源体系，实现中国能源生产与消费结构从以化石能源为主的“一大三小”向以新能源为主的“三小一大”战略性转型。

4.2.1 构建“清洁低碳、安全高效、独立自主”的绿色能源体系

分“三步走”构建新型绿色能源体系。①2021—2035年，化石能源清洁化为主并提速新能源发展，依靠煤炭清洁利用产业化、页岩油气开采工业化、可再生及核能规模化，提升新能源占比、保障油气供给；②2036—2050年，化石能源与新能源并重发展，提升新能源规模，减量煤炭利用，力争页岩油与富油煤原位开采工业化释放大量资源潜力，储能、可控核聚变等关键技术取得颠覆性突破，“氢能中国”社会基本建成；③2051年之后，新能源生产消费占主体地位，全面低廉化、规模化应用，智慧能源体系全面建成，实现能源生产与消费结构从煤炭占比最大，石油、天然气、新能源占比小的“一大三小”，向煤炭、石油、天然气占比小、新能源占比最大的“三小一大”革命性转型，化石能源与新能源二者地位历史性转换。

4.2.2 能源生产领域要高碳能源低碳化、零碳新能源规模化

端稳化石能源饭碗，煤炭需要实现高效清洁利用和超低排放，发挥保障国家能源长远战略安全“储备”与“兜底”作用；石油需要实现稳产，以非常规石油战略接替为主，回归原料属性，发挥保障国家能源安全“急需”与民生原料用品“基石”的作用；天然气实现增产，常规天然气与非常规天然气并重发展，发挥保障国家能源安全与新能源最佳“伙伴”作用；端稳新能源饭碗，需要实现多能源协调发展，实施集中与分布式并重的布局，发挥保障国家能源战略“接替”与“主力”的作用。

4.2.3 能源消费领域多能互补、智慧调控

构建灵活稳定的智慧能源系统，充分应用新一代数字、智能化信息技术，加快构建源、网、荷、储智慧协同，煤、油、气、电、氢多能互补，电网、热网、燃料网多网融合，产消双向灵活响应的智慧能源体系，实现多种能源系统在能源供给侧、输配侧、需求侧互联互通深度融合。依靠智慧“大能源”管理，大幅提升能源利用效率，支持和鼓励各类能源主体自主接入能源系统、双向参与能源市场交易，促进能源利用效率和服务水平大幅提升。

4.2.4 能源储备领域要多能联动、备足“粮仓”

做稳能源“粮仓”，强化天然气储备，发挥支撑可再生能源大规模开发利用的“稳定器”作用，形成战略储备与商业储备相结合、地下储库与地上储罐相结合的储备系统。构建“保底+调节”特征的石油储备体系，实施“探而不采、产能储备”战略，建立10×108t探明地质储量规模的石油资源战略储备。推动多能联储，由常规储油、储气为主，向机械储能、电磁储能、电化学储能等拓展，依据不同能源特点和经济社会常态与非常态下的能源需求差异，建立集中式与分布式协同的多种储能联动保障系统。

4.2.5 能源新产业领域要创新技术引领、构建新的能源

工业体系

依托新能源发展与储能“粮仓”建设，构建“绿电、绿氢、绿热、绿碳”产业体系。从以火电为主体的“灰电”，向以新能源发电为主体的“绿电”产业发展；从以化石能源为主的“灰氢”，向新能源为主的“绿氢”产业发展，在大西北规模化发展风光热能与新型储能技术，实施“西氢东送”工程；在大东南利用海洋能并发展海水制氢技术，实施“氢化东南”。利用地热与石油工业融合发展的先天优势，发展油气田地热能利用，构建供暖制冷一体化智能保民生“冷暖”的地热产业。提高“灰碳”的利用率，发展以CCUS/CCS为核心，涵盖碳捕集、碳运输、碳驱油、碳封存、碳产品、碳金融等一体化业务的全链条碳产业。

5 未来10大科学之问的思考

从宇宙演化、地球系统演化、人类社会发展与能源演化3个尺度来思考未来，需要研究关注10个方面问题：①在太阳56×108年后成为红巨星之前，人类如何通过成千上万代努力来维持日-地-月系统？②人类如何避免可能周期发生的第 6次生物大灭绝而导致文明的瓦解？③如何利用当前地球的环境与剩余资源来支撑人类由工业文明发展到生态文明阶段？④全球气候变化对人类威胁日益加大，需要什么样的绿色“地球科学”与“地球工程”？⑤人类发展过程就是打破时间与空间限制的过程，走向太空需要优先突破哪些技术？⑥随着人类社会进步与能源转型，除了“碳中和”外，还需其他元素“中和”或“补偿”吗？⑦未来的终极能源，除了掌握可控核聚变技术，还有其他更高能量密度的绿色能源选项吗？⑧人工光合作用技术利用“人工树叶”制造“超级燃料”并固定 CO2，未来会被广泛使用吗？⑨人类可以逐步替代化石燃料的能源属性，但用什么替代其物质属性来维持人类发展？⑩新能源利用历经千年，从原始利用、规模化利用，向智慧高效利用的时间依然会很长吗？

6 结论

生命起源与能源形成与地球系统密切相关，具有3个尺度的协同演化关系。超长时间尺度上，日-地-月系统演化为地球系统的形成提供了能量来源和地外环境条件。以地球天文年龄为起始的长时间尺度上，地球系统演化经历了天文阶段、生物圈演化和人类圈演化3个阶段，为生命的诞生和人类的发展提供了能源资源等物质前提和适宜的圈层环境。以人类诞生为起点的短时间尺度上，人类文明建立以煤炭、油气、新能源为代表的能源时代，利用能源推动社会进步，使人类圈层突破了地球系统，向地外文明拓展，推动地球文明从行星文明向恒星文明跨越。

地球系统碳循环存在无机碳循环、短期有机碳循环、长期有机碳循环 3种形式，记录了地球、能源演化与人类发展协同演进的过程。人类的生物属性决定人类营力改造地球的后果将同样作用于人类，人类对化石能源的无节制利用和全球化圈层改造活动打破了地球系统碳循环自然平衡和闭环路径，导致温室气体增加和全球气候变化，严重影响人类可持续发展。地球地表温度已升至140年来的最高，“控制温升1.5 ℃”已成为保障人类可持续发展的全球目标，能源转型势在必行，碳中和愿景必将实现。

谋划构建世界“绿色能源命运共同体”，中国深入推动能源革命，加快建设能源强国，是碳中和目标下构建新型能源体系的根本举措。建设能源强国，需筑牢筑强化石能源安全供给“压舱石”，筑高筑大新能源绿色可持续发展“增长极”，依靠高水平科技自立自强，构建高质量的“清洁低碳、安全高效、独立自主”的绿色能源体系，实现中国能源生产与消费结构从以化石能源为主的“一大三小”，向以新能源为主的“三小一大”革命性转型。

碳中和战略目标加速了新能源时代的到来。石器时代的终结不是因为缺少石头，化石能源时代的缩短也不是因为短缺资源。从传统化石能源向非化石新能源转型，是能源发展的必然趋势和必然选择。能源发展具有化石能源低碳化、新能源规模化、能源系统智慧化三大趋势，遵循“科学无尽前沿、技术无穷力量”的宗旨，根植“只有枯竭的思想、没有枯竭的能源”的精神，通过绿色创新，贡献绿色能源，共建绿色家园，力争实现“能源独立”，共享“美美与共，天下大同”的愿景世界。

由于作者水平有限，文章难免有不妥之处，敬请读者指正。