总结

  • 提出了定义人类发展先决条件的新方法

  • 跨越某些生物物理阈值可能会给人类带来灾难性的后果

  • 九个相互关联的行星边界中有三个已经被超越

尽管地球经历了许多重大的环境变化时期，但在过去的一万年里，地球的环境一直异常稳定1，2，3.．这段稳定时期——地质学家称之为全新世——见证了人类文明的兴起、发展和繁荣。这种稳定现在可能受到威胁。自工业革命以来，一个新的时代出现了，人类世4，人类活动已成为全球环境变化的主要驱动力5．这可能会看到人类活动将地球系统推到全新世的稳定环境状态之外，其后果对世界大部分地区来说是有害的，甚至是灾难性的。

全新世期间，环境发生了自然变化，地球的调节能力维持了人类发展的条件。常规温度、淡水可用性和生物地球化学流量都保持在相对狭窄的范围内。现在，主要由于对化石燃料和工业化农业形式的依赖迅速增长，人类活动已经达到了可能破坏保持地球处于理想全新世状态的系统的水平。其结果可能是不可逆转的，在某些情况下，可能是突然的环境变化，导致一种更不利于人类发展的状态6．如果没有人类的压力，全新世预计将持续至少几千年7．

行星的界限

为了应对维持全新世状态的挑战，我们提出了一个基于“行星边界”的框架。这些界限界定了人类相对于地球系统的安全操作空间，并与地球的生物物理子系统或过程相关联。尽管地球上复杂的系统有时会对不断变化的压力做出平稳的反应，但这似乎将被证明是例外而不是规律。地球上的许多子系统的反应都是非线性的，通常是突然的，并且对某些关键变量的阈值水平特别敏感。如果超过这些阈值，那么重要的子系统，如季风系统，可能会转变为一种新的状态，通常会给人类带来有害的甚至可能是灾难性的后果8，9．

大多数阈值可以通过一个或多个控制变量(如二氧化碳浓度)的临界值来定义。并非地球上的所有过程或子系统都有明确定义的阈值，尽管破坏这些过程或子系统恢复力的人类行为(例如土地和水的退化)会增加在其他过程(如气候系统)中也会超过阈值的风险。

我们试图确定地球系统的过程和相关的阈值，如果超过这些过程和阈值，就会产生不可接受的环境变化。我们发现了9个这样的过程，我们认为有必要定义地球边界:气候变化;生物多样性丧失率(陆地和海洋);干扰氮磷循环;平流层臭氧消耗;海洋酸化;全球淡水利用;土地用途的变化;化学污染;和大气气溶胶负荷(见图1而且表格)．

图1:超越边界。
图1

内部的绿色阴影代表九个行星系统的安全运行空间。红色的楔形表示每个变量当前位置的估计。三个系统的边界(生物多样性丧失的速度、气候变化和人类对氮循环的干扰)已经被超越。

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表1行星边界
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一般来说，行星边界是控制变量的值，这些控制变量要么与阈值处于“安全”距离(对于有阈值行为证据的过程)，要么处于危险水平(对于没有阈值行为证据的过程)。确定安全距离涉及到社会如何选择应对风险和不确定性的规范性判断。考虑到围绕许多阈值真实位置的巨大不确定性，我们采取了保守的、规避风险的方法来量化我们的地球边界。(关于边界的详细描述及其背后的分析见参考文献。10．）

人类可能很快就会接近全球淡水利用、土地利用变化、海洋酸化和全球磷循环干扰的边界图1)．我们的分析表明，地球系统的三个过程——气候变化、生物多样性丧失速度和对氮循环的干扰——已经超出了它们的界限。对于后两者，控制变量是物种损失率和N2从大气中分离出来，分别转化为供人类使用的活性氮。这样的变化速度不可能持续下去，否则地球系统功能的主要组成部分的恢复力将受到严重侵蚀。这里我们描述这三个过程。

气候变化

人为造成的气候变化现在已无可争议，在今年12月哥本哈根气候谈判的准备阶段，关于减缓气候变化目标的国际讨论已经加强。越来越多的人倾向于采用“2°C护栏”方法，即控制全球平均温度的上升不超过工业化前水平的2°C。

我们提出的气候边界是基于两个临界阈值，这两个阈值在性质上区分了不同的气候系统状态。它有两个参数:大气中二氧化碳的浓度和辐射强迫(在大气顶部测量的地球单位面积的能量变化率)。我们认为人类活动改变了大气CO2按体积计算，浓度不应超过350ppm，辐射强迫不应超过工业化前水平的每平方米1瓦。越过这些界限将增加不可逆转的气候变化的风险，例如主要冰盖的消失、海平面加速上升以及森林和农业系统的突然变化。目前的公司2浓度为387 p.p.m.v.，辐射强迫变化为1.5 W m−2(ref。11)．

我们提出的气候边界至少有三个原因。首先，当前的气候模型可能严重低估了特定温室气体浓度下长期气候变化的严重程度12．大多数模型11表明大气中的CO增加了一倍2一旦气候恢复平衡，高浓度将导致全球气温上升约3°C(可能的不确定范围为2-4.5°C)。但这些模型不包括进一步使气候变暖的长期强化反馈过程，例如冰盖表面积的减少或植被分布的变化。如果包括这些慢反馈，CO加倍2level给出了最终温度升高6°C(可能的不确定范围为4-8°C)。这将威胁到在第四纪晚期环境中形成的生态生命支持系统，并将严重挑战当代人类社会的生存能力。

第二个需要考虑的问题是极地大冰原的稳定性。过去1亿年的古气候数据表明CO2浓度是过去5000万年长期变冷的一个主要因素。此外，在CO之前，地球基本上是无冰的2浓度下降到450 P.P.M.V.(±100 P.P.M.V.)以下，表明在350和550 P.P.M.V.之间存在临界阈值(参考文献)。12)．我们350 p.m.v.的边界旨在确保大型极地冰盖的继续存在。

第三，我们开始看到有证据表明，地球的一些子系统已经脱离了全新世的稳定状态。这包括北冰洋夏季海冰的迅速消退13世界各地的高山冰川都在退缩11格陵兰岛和南极西部冰盖的质量损失14以及过去10-15年间海平面上升的加速速度15．

生物多样性丧失速度

物种灭绝是一个自然过程，没有人类活动也会发生。然而，生物多样性的丧失在人类世大幅加速。物种正在以自上次全球大规模灭绝事件以来从未见过的速度灭绝16．

化石记录显示，海洋生物的背景灭绝率为每年每百万物种灭绝0.1-1次;哺乳动物每年每百万物种灭绝0.2-0.5个16．今天，物种灭绝的速度估计是自然灭绝速度的100到1000倍。与气候变化一样，人类活动是加速的主要原因。土地利用变化的影响最为显著。这些变化包括将自然生态系统转变为农业或城市地区;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17．气候变化的速度将成为本世纪生物多样性变化的一个更重要的驱动因素，导致物种损失的速度加快18．本世纪，多达30%的哺乳动物、鸟类和两栖动物物种将面临灭绝的威胁19．

生物多样性丧失发生在地方到区域一级，但它可以对地球系统的功能产生普遍影响，并与其他几个行星边界相互作用。例如，生物多样性的丧失会增加陆地和水生生态系统对气候和海洋酸度变化的脆弱性，从而降低这些过程的安全边界水平。人们越来越认识到功能性生物多样性在防止生态系统受到干扰时陷入不希望的状态方面的重要性20.．这意味着，为了维持生态系统的恢复力，表面上的冗余是必需的。依赖少数或单一物种发挥关键功能的生态系统很容易受到疾病等干扰，并有更大的风险陷入不希望出现的状态8，21．

从地球系统的角度来看，为生物多样性设定界限是困难的。尽管现在人们已经接受了丰富的物种组合支撑着生态系统的恢复力20.，21在美国，人们很少从数量上知道在这种恢复力被侵蚀之前，生物多样性会损失多少，以及会损失什么样的生物多样性22．在整个地球的尺度上，或者对婆罗洲雨林或亚马逊盆地等主要子系统来说，这尤其正确。理想情况下，行星边界应该体现生物多样性在调节地球系统恢复力方面的作用。由于科学还不能在总体水平上提供这样的信息，我们建议将灭绝率作为一个替代(但较弱的)指标。因此，我们提出的生物多样性的地球边界是背景灭绝率的10倍，这只是一个非常初步的估计。需要更多的研究才能更确切地确定这个界限。然而，我们可以有信心地说，如果不严重侵蚀生态系统的恢复力，地球无法维持目前的损失速度。

氮磷循环

现代农业是造成环境污染的主要原因，包括大规模氮磷引起的环境变化23．在行星尺度上，人类激活的氮和磷的额外数量现在是如此之大，它们极大地扰乱了这两种重要元素的全球循环24，25．

人类生产过程——主要是为粮食生产制造化肥和种植豆科作物——转化了约1.2亿吨氮2每年从大气中转化为反应形式——这比地球上所有陆地过程的影响加起来还要多。这些新的活性氮大部分最终进入了环境，污染了水道和沿海地区，在陆地系统中积聚，并向大气中添加了一些气体。它会慢慢侵蚀地球重要子系统的恢复能力。例如，一氧化二氮是最重要的非co气体之一2温室气体，从而直接增加辐射强迫。

氮循环和磷流动的人为扭曲已经将湖泊系统的状态从清澈的水转变为浑浊的水26．海洋生态系统也发生过类似的变化，例如，在波罗的海因营养过剩而导致的缺氧时期27．这些和其他营养物质产生的影响证明了氮和磷流动的行星边界的制定是合理的，我们建议，考虑到它们与地球系统其他过程的密切相互作用，它们应该作为一个边界保持在一起。

为人类对氮循环的改造设定一个行星边界并非易事。我们通过考虑人类对N的固定来定义边界2从大气中作为一个巨大的“阀门”，控制着大量新的活性氮流入地球。作为第一个猜测，我们建议这个阀门应该包含新的活性氮流量到其当前值的25%，或每年约3500万吨氮。鉴于努力达到这一目标所涉的问题，需要进行更多的研究和综合资料，以确定更明智的边界。

与氮不同，磷是一种由于地质过程而积累起来的矿物。它是从岩石中开采出来的，用途广泛，从化肥到牙膏。每年大约有2000万吨磷被开采出来，其中850万到950万吨进入了海洋25，28．据估计，这大约是自然本底流入率的8倍。

地球历史记录表明，当磷流入海洋的临界阈值超过时，就会发生大规模的海洋缺氧事件。这可能解释了过去海洋生物的大规模灭绝。模拟表明，流入海洋的磷的持续增加超过了自然背景风化作用的20%，足以引发过去的海洋缺氧事件29．

我们初步的模型估计表明，如果流入海洋的磷增加了十倍以上(与工业化前的水平相比)，那么在1000年内，海洋缺氧事件就更有可能发生。尽管存在很大的不确定性，但目前的科学状况和目前对磷引起的突然区域缺氧事件的观察表明，每年流入海洋的磷不应超过1100万吨，这是自然背景率的10倍。我们估计，这一边界水平将使人类在1000多年内安全地避开海洋缺氧事件的风险，承认目前的水平已经超过了许多河口和淡水系统的临界阈值。

微妙的平衡

尽管行星边界是根据单个数量和单独过程来描述的，但边界是紧密耦合的。我们没有办法把我们的努力集中在其中任何一个方面而不与其他方面联系起来。如果一个边界被侵犯了，那么其他边界也会面临严重的风险。例如，亚马逊地区土地利用的重大变化可能会影响远至西藏的水资源30.．气候变化边界取决于保持在淡水、陆地、气溶胶、氮磷、海洋和平流层边界的安全一侧。越过氮磷边界会侵蚀一些海洋生态系统的恢复力，可能会降低它们吸收CO的能力2从而影响气候边界。

我们提出的界限代表了一种定义人类发展的生物物理先决条件的新方法。这是我们第一次试图量化安全极限，超出这个安全极限，地球系统就不能继续以稳定的全新世状态运行。

这种方法基于科学研究的三个分支。第一个是人类活动的规模与地球维持人类活动的能力之间的关系。这是生态经济学研究议程的一个显著特征31，利用有关环境维持生命特性对人类福祉的基本作用的知识32，33以及经济增长的生物物理限制34，35．第二是对地球基本过程的理解6，36，37包括人类行为23，38，在全球变化研究和可持续发展科学领域聚集在一起39．第三个探索领域是对弹性的研究40，41，42以及它与复杂动力学的联系43，44以及生命系统的自我调节45，46，强调阈值和状态之间的转换8．

虽然我们提供的证据表明，三个界限已经被超越，但我们的知识仍然有许多空白。我们初步量化了7个边界，但其中一些数字只是我们最初的最佳猜测。此外，由于许多边界是相互关联的，超过一个边界将以我们尚未完全理解的方式对其他边界产生影响。对于造成危险的环境变化或引发其他反馈，从而大幅降低地球系统或重要子系统恢复安全水平的能力，需要多长时间，也存在很大的不确定性。

迄今为止的证据表明，只要不越过门槛，人类就有追求长期社会和经济发展的自由。

编者按本专题是一篇较长论文的编辑摘要，可在斯德哥尔摩复原中心(http://www.stockholmresilience.org/planetary-boundaries)．为了促进辩论和讨论，我们同时发表了一些由行星边界概念所涵盖的某些学科的独立专家撰写的相关评论。请注意，本专题和评论不是同行评议的研究。本专题，全文和专家评论都可以从http://tinyurl.com/planetboundaries．

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