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徐明:守護人類美好家園
——記清華大學環境學院教授徐明

作者:李文博  來源:科學中國人  發布時間:2023-03-13

導讀:  從清華大學到美國亞利桑那州立大學、佐治亞理工學院、密西根大學,20年來,徐明深耕環境科學領域,永葆科研初心,收獲了累累碩果。

航天員劉啟在妻子和父親逝世后,帶領人類離開地球,開始尋找新家園。這是2019年上映的科幻電影《流浪地球》中的一幕場景,相信很多人到現在還記憶猶新。對于人類來說,如果沒有生態宜居的環境,任何星球都不能稱為家園;而對清華大學環境學院教授徐明來說,人類生存環境質量研究及保護與改善是他畢生追尋的事業。

從清華大學到美國亞利桑那州立大學、佐治亞理工學院、密西根大學,20年來,徐明深耕環境科學領域,永葆科研初心,收獲了累累碩果。2015年,由于在產業生態領域作出的杰出貢獻,他被授予國際產業生態學會青年科學家獎(Robert A. Laudise Medal),是首位華人獲獎者;2016年,他獲得美國國家科學基金獎勵青年教師的最高獎(Career Award);2021年,他獲美國土木工程師協會針對職業生涯中期科學家的最高獎(Walter L.Huber Civil Engineering Research Prize)。如今,帶著多年的科研積淀,他全職回歸母校清華大學,肩負起了更大的責任。

 

在國際舞臺發出“中國聲音”

 

2015年,當年輕的徐明走上國際產業生態學會年會的舞臺時,全場掌聲雷動。在此之前他沒想到,自己能成為第一位獲得國際產業生態學會青年科學家獎的中國科學家。這個獎項旨在獎勵在這一領域取得突出科研成就的科學家,兩年頒發一次,每次評選1人(極特殊情況下有2位獲獎者)。過去,這一獎項均由歐美科學家包攬?!斑@個獎項采用提名制,提名人需要找到其他專家向學會一同撰寫候選人推薦信,后經相關委員會遴選后評出?!毙烀髟陂_會前知道,他在密西根大學的同事給他提名了,但卻沒想到這項榮譽會頒發給自己?!爱敃r我挺驚喜的,因為我所知道的當年的候選人中,有幾位專家都很有實力?!痹讷@獎后他提到,“我要感謝團隊的所有成員,如果沒有他們做的一些基礎工作,也不會有我后來取得的成果?!?span lang="EN-US">

除了感恩,徐明更感到自豪。從世界范圍來說,發端于現代環境科學與工程中的產業生態和環境系統工程,正式成為一門綜合性學科還是近二三十年的事情,并且長期以來一直是由歐美科學家主導的。近十年來,隨著越來越多中國科學家的身影出現在國際舞臺上并不斷地成長,這一領域發出了更多的“中國聲音”。

雖是新興學科,但是對環境問題的探究和處理自古已有,到如今,只是看問題的角度不同了。徐明所在的環境系統工程屬于環境工程領域的一個分支(方向),就很好地詮釋了“角度”的意義?!碍h境系統概念提出的意義是把人類環境作為一個統一的整體看待,避免人為地把環境分割為互不相關的支離破碎的各個組成部分?!?span lang="EN-US">

徐明舉例說,環境工程中,人們會研究怎么處理污染物、廢物,但是后來大家發現,污染問題實際上是一個社會性問題,并不只是和環境有關而已,而是涉及社會經濟系統的方方面面?!安荒芤恢敝蛔分廴九?,哪里有污染就去處理哪里的問題。這是‘頭痛醫頭、腳痛醫腳’的做法?!?span lang="EN-US">

傳統環境工程是研究物質(污染物)在自然介質(水、土、氣等)中的流動,環境系統工程雖然也是研究物質(資源和污染物)的流動,但不同之處在于,后者研究的是物質在社會經濟系統中流動。如果把傳統的環境工程比作“實踐表”或“路線圖”,那環境系統工程更像是“工具”和“思路”,“我們要為即將付諸實踐的行動起到決策支撐的作用”。

徐明舉例說,某行業用了多少鋼材,這些鋼材又變成了多少產品,這些產品最后變成多少廢物,這些都是環境系統工程研究的主要范疇?!拔覀儗嶋H最終的目的,是為解決環境問題提供一些社會經濟角度、產業角度的政策建議,而非傳統環境工程研究那樣提供技術解決方案?!?span lang="EN-US">

在清華大學打下堅實基礎的徐明,在國外學習工作多年后,對此有著更深的體悟。他所從教的美國密西根大學,位于底特律都市圈,是美國乃至全世界最大的汽車工業中心,被譽為“世界汽車之都”。2010年,圍繞“清潔能源汽車”,中美清潔能源研究中心聯合項目啟動開展。項目為期5年,集結了包括密西根大學和清華大學在內的中美多所高校、研究機構。項目希望通過兩國科研工作者在清潔能源汽車技術、基礎設施和政策等方面的共同努力,在全世界范圍內推動清潔能源汽車的發展。徐明有幸參與其中,并收獲滿滿。

在徐明看來,國內的研究更偏應用,更傾向解決實際的問題;而在國外,則更關注從理念或理論方法上進行改進和突破。在隨后由他主導的另一項研究中,他更是取得了突破性的成果,并由此獲得美國國家科學基金獎勵青年教師的最高獎。再次回憶起當時的情景,徐明談到讓他印象特別深刻的“數據驅動”:“當人們去描述工業生產過程中一個單元過程所產生的污染物排放及資源能源消耗時,需要用數據來說話。但此時數據缺失或不完全,后面的工作就沒法進行。換一種思路,我們從數據中找到了規律,用這個規律去生產未知的數據,甚至都不需要知道這些過程背后的機理?!边@是一個神奇的過程,并且很有意義,“過去很多研究中需要的數據,都是通過調查、統計分析而來,耗時耗力甚至無法完成。但在這個項目中,我們突破了‘尋找規律’的難題,通過訓練模型做到了‘用數據來生產數據’?!彼寡?,這是一種“非常有潛力的方法”,“是一種研究范式的改變”,對自己啟發很大。

雖然自2006年開始一直在國外讀書、工作,但徐明的目光始終沒有離開過自己的祖國,立志在環境領域有所作為,回國就是最好的機會?;貒坏桨肽?,為了更好地理解當下的政策環境并找到未來的發力點,他會重點關注國家在生態文明的戰略部署。他提到,習近平總書記在黨的二十大報告中指出,要推動綠色發展,促進人與自然和諧共生。尊重自然、順應自然、保護自然,是全面建設社會主義現代化國家的內在要求?!斑@次會議對推動綠色發展、促進人與自然和諧共生作出重大安排部署,為推進美麗中國建設指明了前進方向?!?span lang="EN-US">

 

在“生命周期”中追尋“碳足跡”

 

氣候變化是當前突出的全球性挑戰之一,事關國際社會共同利益,在很多國際會議上經常被提及,徐明對此深有體會,他提到,地球氣候惡化已久。對此,科學家早已基本達成共識——人類自工業革命開始以來的活動,改變了氣候并且開始導致地球升溫,原因主要集中于人類對地球碳循環的干擾上。     

2020922日,我國提出力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的“雙碳”目標,這是中國在氣候變化方面的莊嚴承諾。習近平總書記也曾多次強調,“應對氣候變化不是別人要我們做,而是我們自己要做”,是我國可持續發展的內在要求,是推動構建人類命運共同體的責任擔當。黨的二十大報告明確提出,要統籌產業結構調整、污染治理、生態保護、應對氣候變化;積極穩妥推進碳達峰、碳中和。

“中國作為世界上最大的發展中國家,將完成全球最高碳排放強度降幅,用全球歷史上最短的時間實現從碳達峰到碳中和,充分體現了負責任大國的擔當?!毙烀髟缭诿绹x書和工作期間就一直密切關注于此,并且這也成為他回國后主攻的方向之一。

在國家積極穩妥推進碳達峰、碳中和的道路上,徐明也有著自己的見解,“實現碳中和主要有兩個抓手:從生產端著手采取自上而下的政策驅動方式,從消費端著手采取自下而上的市場驅動方式?!睘榇?,他建議采用生命周期的思想(Life Cycle Thinking)來量化和評估各種產品及技術在生命周期全過程的資源環境影響。在他看來,這對于實現碳中和有3個方面的重大意義:一是“算無遺策”,識別系統排放,避免資源環境問題在其他產品和環節的污染轉移;二是“敲山震虎”,從消費端通過供應鏈倒逼生產端減排;三是“有的放矢”,識別影響大、減排空間大的工藝過程。

徐明介紹:“沿著生命周期的思路,我們就可以評價產品真正的環境影響,識別產品生命周期中造成環境影響較大的環節,指導消費者做出環境友好的采購決策。這實際就落到了大家都熟悉的碳足跡上?!?span lang="EN-US">

目前,對于碳足跡的系統邊界并沒有統一的標準,實際上根據不同應用場景也不需要有一個統一的標準。一般而言,碳足跡是指個人及其他實體(企業機構、活動、建筑物、產品等)所有活動引起的溫室氣體或二氧化碳排放量,既包括制造、供暖和運輸過程中化石燃料燃燒產生的直接排放,也包括產生與消費的商品和服務所造成的間接碳排放。

總的來說,“碳”主要分為兩塊:一塊是“算”,一塊是“減”。碳足跡正是“算”的基礎,“算”清楚了才能“減”明白。把碳足跡核算清楚,是國內綠色發展的需求,其中需要大量數據做支撐,而我國目前在這一方面還處于起步階段。

徐明告訴筆者,不同的國家有各自的數據庫,如果我們國家沒有自己的碳核算基礎數據來支撐,完全依賴其他國家的數據做核算,首先不夠準確,其次“標準”會永遠掌握在他國手上。

歐盟目前正在提出新的“電池法案”,計劃未來只有已建立碳足跡聲明的可充電工業和電動汽車電池才能進入歐盟市場。不只是電池行業,韓國、法國、意大利、瑞典等國家都對其他新能源產品(如光伏產品)的碳足跡提出要求。所以,“碳壁壘”正在成為國際貿易中的新技術壁壘?!爱攧罩?,是要建立中國自己的碳足跡、環境足跡核算的可信基礎數據庫”,這也是徐明回國后正在著手推進的工作。

碳足跡核算會面臨較大的數據挑戰,基于這一挑戰,徐明向大家介紹了鏈接預測方法,這一方法基于數據科學的研究范式,根據已有數據對缺失數據進行預測,可以滿足碳足跡核算對于數據完整性的需求。

萬事開頭難,這句話用在數據庫建設的開始再形象不過。徐明說:“首先,獲取的數據來源多種多樣,格式、定義標準不一,需要做大量的基礎工作讓它們標準化、統一化。其次,缺乏可靠、穩定的數據來源是一個更大的難題。很多數據中隱含著企業的工藝流程、產品配方等商業機密,還沒有成熟的數據開放與共享機制?!被谠诿绹瓿傻捻椖?,徐明有自己的經驗?!耙环矫?,我們前期拿到足夠的數據后,可以通過模型訓練來填補缺失數據。如果未來有更好的第一手數據,我們再加以反饋驗證;另一方面,可研發接入可信數據空間等新一代數據流通基礎設施,打造碳足跡核算的‘數據支付寶’,攻克數據開放共享過程中普遍存在的數據確權、隱私泄露、存證溯源等關鍵痛點?!?span lang="EN-US">

在搭建數據庫的同時,徐明還在做另外一件事,那就是對工業基因組進行分析,“這也是一件長遠的事情”。類比生物基因組學的研究,他認為工業系統中存在“工業基因組”——單元過程是工業基因,產品和技術的生命周期是工業基因組,產品和技術就像生物物種一樣。做工業基因組研究的環境的意義在于,可以清查工業體系中的產品技術和過程,實現科學的分類,進而對不同行業的技術產品進行基因測序,明確所涉及的工業過程,然后形成工業基因組的圖譜,以找到解決工業環境問題的基因密碼,最終有望逐步建立起工業基因組學。

 

在清華收獲欣慰和滿足

 

“(20世紀)50年代淘米洗菜,60年代洗衣灌溉,70年代水質變壞,80年代魚蝦絕代?!币欢蚊裰{真實刻畫了淮河飽經滄桑的歷史,淮河和沿岸人民在經濟快速發展和城市化進程中經歷著切膚之痛。199588日,我國治污史上的第一個重大工程——淮河污染治理啟動。那時起,《新聞聯播》里就會常常播放淮河治污的新聞。未承想,環境保護也在徐明這位出生在甘肅的少年心里播下了一顆種子。

1999年,天資聰穎的徐明參加高考,以全省第二的好成績被清華大學錄取。以當時的高分,他可以選擇任何一個專業就讀,懵懵懂懂的他憑借腦海里“環境保護好像還挺有意思”的記憶,誤打誤撞選擇環境工程專業,走進了環境科學的大門。到如今22年過去了,他從未改變方向,依然在這條路上腳踏實地地做研究,用他的話說“可能是一種路徑依賴”。

“我剛進清華時,這里還叫環境科學與工程系,后來才改為環境學院?!睆谋究频窖芯可?span lang="EN-US">7年里,徐明忘不了自己初入清華園的激動,忘不了勤學苦讀時的堅持,忘不了清華學子眼里閃耀的光芒。而最讓他難以忘懷的,是清華大學“行勝于言”的校風?!斑@4個字對我來說幫助非常大,不光是在清華大學的那7年,包括我后來在國外讀書工作期間,它都是支撐我前行的精神?!痹谶@種精神的影響下,“什么事情先去做,少去說”成為他的行事風格。

時隔多年,徐明仍然記得研究生導師張天柱教授對自己的“放縱”?!把芯可话愣紩趯煹膸ьI下完成一些課題研究,但是張老師卻對我說,有一些項目可能科學價值并不是那么高,你要覺得不喜歡可以不去做,去做你感興趣的課題吧?!毖卸悄?,導師破例給了他一個博士生才可能獲得的出國開會的機會,讓他去瑞典參加行業的學術會議,領略國際領域的前沿。在那里,他也見到了只在領域學術文章中出現名字的“大咖”?;貋砗?,徐明的內心不再平靜了,他體會到不一樣的學術氛圍,“我想出去看看,多學一些新的東西”,導師張天柱也對他的想法十分支持。

申博的過程仿佛順理成章,也異常順利。就這樣,2006年,徐明前往美國亞利桑那州立大學攻讀博士學位,博士畢業后在佐治亞理工學院進行了短暫的博士后研究,之后在密西根大學環境與可持續發展學院工作,在海外一待就是16年。

優秀的學生在精進學業、發展的路上都有著相似的天賦?;蛟S,徐明的經歷是許多留學生在國外從事學術研究的一個縮影,成功并不容易,甚至可以說是艱辛萬分,他通過努力獲得了豐碩成果,雖然在采訪中他對這些過往艱辛只字不提。

關于回國,很多人都問徐明,是不是因為疫情才會選擇回來。他說:“我的本科、碩士都是在國內讀的,是國家培養了我。這些年,國家加大力度對待環境問題,在國內我也有可以發揮所長的陣地,而且是為我們自己做的。不管有沒有疫情,這些(回國)都是在我的計劃之內的?!?span lang="EN-US">

千帆不墜青云,歸來仍是少年。徐明猶記清華環境學院錢易院士在給全校大一新生上的第一堂課上說:“一個人終身為之奮斗的事業,應該是利在天下、利在萬世。我這一生,不求金錢,不求地位,但是每次一想到,自己為之努力的這兩項事業:教育和環保,都是利在天下、利在萬世的,我就感到非常欣慰滿足了?!泵慨敾叵肫疬@番話,徐明的內心都會無比崇敬,“錢先生是我的榜樣”。

如今,清華大學環境學院本科生大一新生“環境與地球科學概論”的課堂上,又多了一位春風化雨的老師;我國環境科學研究領域里,又多了一位腳踏實地的年輕科學家。

(責編:袁園)

 

專家簡介

 

徐明,清華大學環境學院碳中和講席教授,研究領域涉及環境系統工程和產業生態。2003年與2006年分別獲清華大學環境工程學士、環境科學與工程碩士學位,2009年獲美國亞利桑那州立大學土木與環境工程博士學位。

曾任美國密西根大學環境與可持續發展學院教授和土木與環境工程系教授,同時兼任環境領域國際知名期刊《資源節約與循環利用》(Resources, Conservation & Recycling)主編(2021年影響因子:13.716),并當選國際產業生態學會主席(任期20232024年)。


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