推荐文献：安全公正的地球系统边界

(2023年12月28日)

本文首先确定了要进行安全公正边界评估的5个地球系统领域（Earth system domain）下的8个地球系统边界。分别是气候（climate）、生物圈（biosphere）、淡水（fresh water）、养分（nutrients）和气溶胶（aerosols）5个地球系统领域，以及较工业化前的全球地表平均温度（global mean surface temperature change since pre-industrial (1850–1900)）、自然生态系统面积（natural ecosystem area）、功能完整性（functional integrity）、地表水流量（surface water flows）、地下水位（groundwater levels）、氮（nitrogen）、磷（phosphorus）和气溶胶浓度（aerosol loading）8个地球系统边界（图1）。

图1 5个地球系统领域下的8个地球系统边界

在此基础上，先在全球和亚全球尺度上确定了这8个地球系统边界的“安全”边界。安全边界确保了地球系统的稳定和弹性。研究采用了两大类方法来设置安全的地球系统边界：“多要素”方法（multiple elements）和“空间聚合”方法（spatial aggregation）。对于气候和生物圈这两个领域，主要就是采用多要素方法。具体就是通过文献回顾和建模的方式，评估与每个地球系统领域相关的一系列“要素”的临界阈值，以此来判断对应系统领域的安全边界。对于水和养分这两个领域，主要采用的是空间聚合的方法。先确定与这些系统领域相关的局地尺度的安全边界，然后使用模型或简单聚合的方法，将它们转换成全球边界。对于气溶胶领域，既没有采用“多要素”的方法，也没有采用“空间聚合”的方法。而是对应局地尺度和全球尺度，采用了不同的边界。在全球尺度，采用了半球间的气溶胶光学厚度差作为全球边界的关键指标。在区域尺度，采用常规的气溶胶光学厚度作为关键指标。

通过“3I”标准对上述设定的安全边界进行评估，判断安全边界是否已满足公正的要求。“3I”标准包括：物种间（Interspecies）的公正与地球系统稳定性（I1）；代际公正（Intergenerational），即过去和现在（I2a），以及现在和未来（I2b）；代内公正（Intragenerational），反映国家、社区和个人之间的关系（I3）。倘若设定的安全边界已经满足了“3I”标准，这个安全边界就可以作为公正边界。如若不满足，就要进一步设定对应地球系统领域的公正边界。将这些公正标准与历史分析、国际卫生标准、地球系统建模和专家判断相结合，主要原则就是能够最大限度地减少了人类遭受重大伤害的风险。在分别确定了安全边界和公正边界后，按照两个量化水平中较为严格的那一个来确定安全公正的地球系统边界。

研究结果

表1 提议的安全公正的地球系统边界

对于生物圈，文章确定了生物多样性的两种互补措施的安全公正地球系统边界：1）基本完整的自然生态系统面积以及2）包括城市和农业生态系统在内的所有生态系统的功能完整性（表1）。基于气候、水和物种保护模型的结果，地球上50%-60%的土地需要拥有基本完整的自然生态系统，以维持地球系统对人类的贡献（图2，表1）。功能完整性是城市、农业或其他人类改造生态系统在景观尺度上为人类提供生态功能及其贡献的能力。从生态系统功能完整性的地球系统边界来看，在人类主导的土地中，每平方公里土地（农场、城镇、城市或其他人类主导的生态系统）至少需要包含20%-25%的区域可以容纳基本完整的自然生态系统的半自然栖息地（图2，表1）。

对于淡水，研究提出了两个基于亚全球边界的空间定义的安全地球系统边界，可以聚合到全球尺度：地表水的流量变化和地下水位（表1）。地表水的安全地球系统边界是通过将世界上所有河流的月流量变化限制在20%内。这个地球系统边界保留了80%的地表水流量不变以满足环境需求。20%以内的流量改变也不会显著影响生物多样性和生态系统结构和功能。汇总到全球，每年的地表水流量变化预算约为7,630立方公里（图2，表1）。对于地下水，设定所有含水层的年地下水抽取量的安全边界需要小于年平均补给量（图2）。如果抽水量小于补给量，则认为地下水是安全的。当当地抽水量不超过平均年补给量时，给定含水层的亚全球安全地球系统边界即达到。汇总到全球，全球年平均抽水总总量约为16,000立方公里（表1）。研究对地表水和地下水安全地球系统边界的公正分析强调了多级分配、水危机以及水质的挑战。最大限度地减少对当代人的重大伤害还需要以下几点：（1）考虑多级分配是指允许直接或间接通过虚拟水在共享水体的社区、部门或国家之间进行水资源分配。（2）最大限度地减少遭受重大损害的风险，应考虑到世界不同地区的水危机问题。（3）最大限度地减少暴露于重大危害意味着解决供人类使用的地表水质问题，而不仅仅是水量的分配。

对于营养，研究为农业氮和磷盈余设定了安全公正的地球系统边界，以最大限度地减少由于径流、淋溶和大气中氮沉降通过氨和氮氧化物排放而导致的地表水和陆地生态系统的富营养化。研究将农业氮盈余的安全地球系统边界设定为每年61（35-84）Tg N，农田土壤磷盈余为每年4.5-9.0 Tg P（图2，表1）。氮和磷浓度升高通过富营养化对生态系统及其服务造成危害，例如渔业崩溃、藻类大量繁殖释放的有毒化合物以及氨衍生气溶胶造成的空气污染对健康的影响。因此，研究将亚全球尺度的氮和磷和全球尺度的磷的公正地球系统边界与其安全边界保持一致。考虑到地下水硝酸盐的重大危害，全球尺度氮边界略微收紧至每年57（34-74）Tg N（表1）。

对于气溶胶，文章提出了一个由半球间气溶胶光学厚度（AOD）差异定义的安全地球系统边界（表1）。因为已有研究表明，南北半球间AOD差异的上升可触发区域尺度的气候临界点，并对区域水文循环造成重大不利影响。当南北半球间的AOD差异达到0.15，就可能对天气系统造成严重破坏。因此，全球尺度的气溶胶的安全地球系统边界设定为半球间AOD差异不超过0.15（表1）。在亚全球尺度，则参考已有研究，设定为区域AOD不超过0.25，以避免扰乱风场和季风（表1）。目前，世界上85%的人口都暴露在危险水平（每立方米空气大于15微克）的PM2.5污染中，每年造成约420万人死亡。因此必须将其减少到更安全的水平，即每立方米空气低于15微克（表1）。

目前，在量化的八个全球安全和公正的地球系统边界中，有七个都已经被超过（图2）。在全球一半以上的陆地面积中，至少有两个区域的安全和公正的地球系统边界已经被超过，影响了全球86%的人口（图4）。要确保人类的福祉，就必须对所有地球系统边界进行公正的全球转型。这种转变必须在能源、粮食、城市和其他部门进行系统性转变，解决地球系统变化的经济、技术、政治和其他驱动因素，并通过减少和重新分配资源使用来确保穷人获得资源。所有证据都表明，这将不会是一个线性的旅程；它需要我们对如何促进正义、经济、技术和全球合作以服务于一个安全和公正的未来的理解上有一个飞跃的提升。

个人评价

这项新研究为全球和亚全球尺度的气候、生物圈、水和养分循环以及气溶胶确定了安全和公正的地球系统边界。安全的边界可确保地球条件的稳定和弹性，而公正的边界则可最大限度地减少人类受到的重大伤害。研究发现在量化的八个全球安全和公正的地球系统边界中，有七个都已经被超过。在全球一半以上的陆地面积中，至少有两个区域的安全和公正的地球系统边界已经被超过，影响了全球86%的人口。该项研究开创性地提出并评估了地球系统的安全和公正边界，这将有助于维持地球系统的稳定并保护人类免受重大伤害。研究中提出的安全公正的地球系统边界，补充和拓展了我们对可持续发展的新的认识。同时，该项研究界定了区域尺度的安全边界和公正边界，有助于我们在局地尺度开展类似的评估研究。然而，值得注意的是，本研究仍有一些不足：一方面，选取5个地球系统领域以及对应的8个地球系统边界时存在一定的主观性。另一方面，确定不同地球系统领域的安全公正边界时也存在一定的不确定性和主观性。如何在安全公正的集成框架下，更加行之有效以及合理地确定对应的地球系统边界，值得更进一步的探讨。

原文

Title:

Safe and just Earth system boundaries

Citation：

Rockström, J., Gupta, J., Qin, D., Lade, S. J., Abrams, J. F., Andersen, L. S., . . ., Zhang, X., 2023. Safe and just Earth system boundaries. Nature, 619(7968), 102-111.

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