Nature经典 | 人类在地球上的安全操作空间

题目：A safe operating space for humanity

期刊：Nature

日期：09/23/2009

DOI：10.1038/461472a

被引：1.4万余次（谷歌学术数据）

一作：Johan Rockström

写在前面

人类在地球上并不能为所欲为。瑞典斯德哥尔摩大学Johan Rockström等人在这篇经典的论文中，以“安全操作空间”为概念，探讨了如何识别和量化人类行为不应该逾越的一些“边界”（或者说是阈值）。守住这些边界（本文定义了9大边界）不逾矩，人类才有可能安全可持续地存在和发展。然而，很不幸，目前人类至少已经越过其中的3个。未来，人类会有所收敛吗？

文章简介

虽然历史上地球曾经经历了多次重大的环境变化时期，但在过去的一万年里，地球环境异常稳定（这段时期被地质学家称为全新世）。人类文明在该时期出现、发展和繁荣。自工业革命以来，人类世腾空而出，人类活动成为全球环境变化的主要驱动力。人类活动可能会将地球系统推离全新世稳定的环境状态，并给全球大部分地区带来不利甚至灾难性的后果。

全新世时期的环境变化是自然发生的，地球的自我调控能力保障了人类有序发展所必须的条件：正常的温度、淡水储量以及生物地化循环都保持在一个相对狭窄的范围内。由于对化石燃料和工业化农业的过度依赖，现在人类活动已经达到了可能会破坏地球理想系统的程度。

行星边界

为应对挑战，本文提出了基于“行星边界（planetary boundaries）”的一个框架。这些边界定义了人类在地球系统的安全操作空间，并与行星的生物物理子系统或过程相关联。虽然复杂系统有时会对变化的压力做出平滑响应，但这似乎只是例外而不是定律。更多的地球子系统以非线性甚至是突然的方式响应变化，并在某些关键变量的阈值附近尤为敏感。一旦越过阈值，重要的子系统（例如季风系统）可能转换到新状态——一些可能给人类带来有害甚至是灾难性后果的状态。

大多数阈值可通过一个或多个控制变量的临界值来定义，例如CO2浓度。虽然并非所有过程或子系统都有明确的阈值，但人类行为（如土地和水资源的退化）确实可能会削弱过程或子系统的韧性/恢复力，从而增加了阈值在其他过程（如气候系统）中被越过的风险。

本文统共找到了九个有必要予以定义行星边界的过程，分别是：气候变化，生物多样性丧失速率（陆地和海洋），对氮/磷循环的干扰，平流层臭氧消耗，海洋酸化，全球淡水利用，土地利用变化，化学污染以及大气气溶胶载荷变化（图1和表1）。

图1. 本文定义的9个边界。

表1. 本文定义的9个边界。

总之，行星边界是控制变量的“值”：要么与阈值保持“安全”距离（对于存在阈值行为证据的过程），要么达到危险水平（对于没有阈值证据的过程）。确定安全距离涉及到对社会如何处理风险和不确定性的规范性判断。考虑到许多阈值在真实位置附近存在巨大的不确定性，本文在量化时采取了保守的、风险规避的方法。

人类或将很快接近如下过程的边界：全球淡水利用、土地利用变化、海洋酸化和对磷循环的干扰（见图1）。而对于另外三个过程——气候变化、生物多样性丧失速率和对氮循环的干扰——人类已经越过了它们的边界。对于后两者，其控制变量分别是物种丧失的速度和将N2从大气中去除并转化为可供人类使用的还原性氮的速率。

气候变化

人类活动导致的气候变化已无可争议。在今年12月哥本哈根气候谈判即将举行之际，国际上对气候减缓目标的讨论越发激烈。人们越来越趋向于采取“2°C防护栏”的方法，即将全球平均升温控制在比工业革命前的水平不高于2°C的范围内。

本文提出的气候边界基于两个关键阈值，其可将气候系统量化为不同的状态。涉及两个参数：大气CO2浓度和辐射强迫。本文建议，人类对大气CO2浓度的改变不应超过350ppm，辐射强迫不应高于工业化前水平1瓦特/平方米。越过这些边界将增加不可逆转的气候变化风险，例如重要冰盖消失、海平面加速上升以及森林和农业系统的突变。当前CO2为387 ppm，辐射强迫的变化为1.5瓦特/平方米。

提出气候边界的原因至少有三个。首先，当前的气候模型可能显著低估了特定温室气体浓度下长期气候变化的严重程度。大多数模型认为，大气CO2浓度翻倍，将导致全球温度升高约3°C（可能的不确定性范围为2-4.5°C），此时气候会重新恢复平衡。但是，这些模型并未包括将会加剧气候变暖的长期反馈过程，例如冰盖覆盖面积的减少或植被分布的变化。如果将这些缓慢的反馈包括进来，CO2浓度翻倍最终将导致温度增加6°C（可能的不确定性范围为4-8°C）。这将威胁到在更新世晚期环境中形成的生态生命支持系统，并严重挑战现代人类社会的可持续性。

第二重考虑是极地大型冰盖的稳定性。过去1亿年的古气候数据显示，CO2浓度是过去5000万年地球保持冷却的主要因素。此外，在CO2浓度降至450ppm（±100ppm）以下之前，地球基本上没有冰盖，这表明在350和550ppm之间存在一个关键阈值。本文提出的350ppm边界旨在确保极地大型冰盖的持续存在。

第三，已有证据表明，地球的一些子系统已经开始偏离稳定的全新世状态。这包括北极海冰的迅速退缩、全球各地山地冰川的退缩、格陵兰和西南极冰盖质量的减少以及过去10-15年间海平面的加速上升。

生物多样性丧失速率

物种灭绝是一种自然过程，即使没有人类干预也会发生。然而，人类世的生物多样性丧失显著加速了。物种正在以前所未有的速度灭绝。

化石记录显示，海洋生物的背景灭绝速率为0.1-1个物种/百万物种/年，哺乳动物为0.2-0.5个物种/百万物种/年。如今，物种灭绝的速度可能比自然灭绝率高100到1000倍。与气候变化一样，人类活动是这一加速过程的主要原因。土地利用变化的影响最大。这些变化包括将自然生态系统转变为农业或城市用地；野火和类似干扰的频率、持续时间或强度的变化；以及将新物种引入陆地和淡水环境。本世纪，气候变化的速度将成为推动生物多样性变化的更重要因素，并导致物种灭绝的加速。多达30%的哺乳动物、鸟类和两栖动物物种将在本世纪面临灭绝的威胁。

生物多样性丧失发生在局域到区域水平，但其对地球系统的功能产生了普遍影响，并与其他几个行星边界相互作用。例如，生物多样性的丧失可能增加陆地和水生态系统对气候变化和海洋酸化等的脆弱性，从而降低了这些过程的安全边界水平。人们已经越来越认识到，在阻止受扰动的生态系统转变到不良状态上，功能性生物多样性非常重要。因此，为了维持生态系统的韧性，需要具有明显的冗余性。依赖少数或单一物种来承担重要功能的生态系统，面对干扰时更脆弱，更容易转变到不良状态。

从地球系统的角度来看，为生物多样性确定边界绝非易事。虽然现在普遍认可物种的丰富组合支撑着生态系统的韧性，但是对于失去多少和哪些物种会导致这种任性的削弱，目前还缺乏量化性的认知。尤其是在，当需要将地球视为一个整体来考虑时。理想情况下，行星边界应该能够捕捉到生物多样性在调节地球系统韧性方面的作用。鉴于目前科学尚无法在总体水平上提供这样的信息，本文提出以灭绝率作为替代（但较弱）指标。据此，本文建议行星边界为背景灭绝率的十倍，但这只是一个非常初步的估计。需要更多的、更确定性的研究来夯实这一边界。不过，可以相对确信地说，如果不采取重大措施，地球将无法承受目前的物种灭绝速度，生态系统的韧性也将会受到严重侵蚀。

氮磷循环

现代农业是环境污染的主要原因，其中包括大规模的氮和磷引起的环境变化。从全球尺度来看，人类活动导致的额外的氮和磷增量如此之大，其已经显著扰乱了这两个重要元素的全球循环。

人类活动（主要是包括制造化肥和种植豆科作物），每年将大约1.2亿吨空气中的N2转化为还原性氮——这超过了地球所有陆地过程的综合影响。大部分还原性氮会进入环境中，污染水道和沿海区域，积累在土地系统中，并向大气中释放多种气体。这逐渐侵蚀了重要的地球子系统的恢复力。例如，N2O是最重要的非CO2温室气体之一，因此直接增加了辐射强迫。

人类对氮循环和磷流的人为扭曲已经将湖泊系统从从清水态转变为浊水态。海洋生态系统也遭受类似转变。这些和其他由营养物引起的影响证明了制定氮流和磷流的行星边界的必要性。鉴于它们与其他地球系统过程有密切的相互作用，本文建议二者应该放在一起作为一个界限。

设定氮循环的行星边界并不简单。将来自大气中的N2的人为固定作为一个巨大的“阀门”，来控制大量新的还原性氮流入地球——基于上述考虑来定义了这个边界。作为第一个猜测，本文建议这个阀门应该将新的还原性氮的流量控制在其当前值的25％左右，即每年约3500万吨氮。鉴于该目标影响很大，需要更多的研究和信息整合，以确定一个更明确的界限。

与氮不同，磷是一种由地质过程积累而成的矿物。它从岩石中被开采，用途覆盖了从肥料到牙膏等各种领域。每年约2千万吨磷被开采，其中约850万-950万吨最终进入海洋。据估计，这大约是自然背景下磷入海率的八倍。

地球历史记录显示，当磷进入海洋的关键阈值被突破时，就会发生大规模的海洋低氧事件。这可能解释了过去海洋生物的大规模灭绝。模型研究表明，更多的磷持续进入海洋，并超过自然背景值20%时，就足以引发历史上的海洋低氧事件。

初步的模型估计表明，与工业前水平相比，进入海洋的磷增量超过十倍，那么在1,000年内发生低氧海洋事件的可能性将增加。尽管存在很大的不确定性，但目前科学状况和对突发的由磷引起的区域性低氧事件的观察表明，每年流入海洋的磷量不应该超过1.1亿——这是自然背景速率的十倍。本文估计，这个边界水平将使人类在1000年内都能够安全地远离海洋低氧事件。但是，也要认识到，当前水平已经超过许多河口和淡水系统的关键阈值。

微妙的平衡

尽管行星边界是以个别数量和分离的过程描述的，但这些边界是紧密相连的。不能只关注其中一个，而对其他边界视而不见。如果一个边界被越界，那么其他边界也面临严重风险。例如，亚马逊地区重大的土地利用变化可能影响到遥远的西藏的水资源。气候变化边界依赖于保持在淡水、土地、气溶胶、氮-磷、海洋和平流层边界的安全范围内。越过氮-磷边界可能削弱一些海洋生态系统的弹性，潜在地减少它们吸收二氧化碳的能力，从而影响气候边界。

本文提出的边界代表了定义人类发展的生物物理前提的一种新方法。这是第一次试图量化这些范围，超出这些范围，地球系统将无法继续保持稳定的全新世状态。

这种方法基于科学探究的三个分支。第一个分支涉及人类行动的规模与地球维持能力之间的关系。这是生态经济学研究议程的重要特点，借鉴了环境对人类福祉的生命支持特性和经济增长的生物物理限制的知识。第二个分支是理解关键地球过程的工作，集结在全球变化研究和可持续发展科学领域。第三是关于弹性和其与复杂动力学以及生命系统的自我调节的研究，强调阈值和状态之间的转变。

尽管本文提出了三个边界已被超越的证据，但仍存在许多知识鸿沟。本文暂时量化了七个边界，但其中一些数字只是初步估计。此外，由于许多边界是相关的，越过一个边界，将以人类尚未完全理解的方式对其他边界产生影响。需要多久会导致危险的环境变化或触发其他反馈并严重降低地球的恢复能力，目前还存在着显著的不确定性。

转自：“再建巴别塔”微信公众号

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