地球界限概念框架及其研究进展Review on the Conceptual Framework of Planetary Boundaries and the Development of Its Research 张军泽/王帅/赵文武/刘颁序/傅伯杰作者简介：张军泽（1993-），男，黑龙江七台河人，博士生，主要从 事人地关系耦合与可持续开展研究，E-mail: zhangjunze427126. com,北京师范大学地理科学学 部地表过程与资源生态国家重点实验室。北京100875；王 帅，赵文武，刘，炎序，北京师范大学地理科学学部地表过 程与资源生态国家重点实验室。北京100875；傅伯杰，通 信作者（1958-），男，中国科学院院士，研究员，博士生 导师，主要从事地理学综合研究，E-mail :bfurcees. ac. cn,北京师范大学地理科学学部地表 过程与资源生态国家重点实验室。北京100875；中国科学 院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室。北 京 100085原发信息：地理科学进展（京）2019年第20194期 第465-476页内容提要：“地球界限（Planetary Boundaries） n是指用于界定“安 全运行空间（safe operating space）”的边界值，是Johan K9AD477. jpg等近年来提出的旨在保障人类生存和开展的 重要概念框架。该框架一经提出就引起了广泛关注，一方 面质疑者对这一概念框架的科学意义以及评估方法提出批 评；另一方面支持者那么对其评估方法、研究内容和研究尺 度进行了完善和扩展，并取得了重要的成果。为了促进国 内学者对该领域的了解和应用，论文在回顾相关文献的基 础上，首先介绍了 “地球界限”的概念内涵，并将其与中 国学者所熟知的环境承载力等概念进行了比拟分析；随后 人工添加氮素到土壤中可以促进粮食生产，但如果过度使用可能会污染地 下水和造成淡水水体或者沿海海域出现死亡区(Dead Zones)。局部地 区的氮素使用严重超标，因此有必要减少氮素的使用量。但同时也有其他 地区，特别是非洲的许多地区，增加农田中氮肥的使用可以显著提高当地 的粮食产量。此外，限制非洲地区氮素的使用并不会缓解其他过量使用氮 素地区所造成的负面影响。因此，对于那些未充分利用氮肥的地区和过量 使用氮肥的地区的政策制定者而言，全球界限的设置并无实际意义。(2)除气候条件以外，无证据说明全新世的其他环境特征有助于人类 福祉的提高。当前地球界限”的评估是以全新世环境特征为参考的，然 而，虽然全新世时期稳定的气候条件是人类生存和开展的基础，但无法证 明当时的土地利用结构、氮含量、生物多样性水平以及其他环境特征可以 维持当前人类的开展(Nordhaus et al , 2012)o持质疑态度的学者认为， 当前的人口数量和福利水平从根本上取决于人类对全新世资源环境的利用 和改造，因此，尽管全新世的环境特征是人类生存的理想环境，但是以此 为基础来设置地球界限可能会限制人们对自然资源或生态系统服务的 获取，从而降低人类福祉(Defies et al , 2012)o(3)从全球尺度来看，生态变化与人类福祉之间的关系并不明确。地球界限”框架建立在环境变量与人类福利密切相关的假设之上，即生态系统服务或自然资本的丧失意味着人类福祉的下降 et al, 2009b)o然而，质疑者认为这TE员设过于片面。千年生态系统评估将人类福祉概括为以下5种要素，包括维持人类高质量生活的基本物质条 件、自然环境方面的健康条件、良好的社会关系、应对自然和人为灾害的 平安条件以及个人选择与行动的自由(MA , 2005)。质疑者指出尽管当前 普遍认为生态系统退化会威胁人类福祉，但是纵观人类开展历史，全球大 局部地区人类福祉的提高均是以消耗自然资源、破坏原始生态环境为代价 的(Castree , 2016)o例如通过扩大农田面积、施用化肥农药来提高粮食 产量的同时往往会造成生物多样性降低和水体富营养化等生态问题。此 外，同一类型的生态系统变化可能会对一个地区的人类福祉带来净收益， 而对另一个地区造成净损失，这通常取决于当地的自然条件、社会经济条 件以及其他人文因素。因此，质疑者们认为假设基于人类福祉的提高来设定 全球尺度的地球界限可能会取得与预期相反的结果，即“地球界限可能 会诱导人们在平安运行空间继续破坏自然生态系统来满足人类需求 (Castree,2016; Montoya et al,2018)o(4)生态系统服务权衡要比地球界限”更好地表达人类福祉与生态 系统之间的关系。生态系统服务权衡是指一种服务的增加而造成另外一种 服务减少的相互作用关系，是近年来生态系统服务研究的热点话题(TEEB , 2010)。通过比拟2种服务的本钱效益以及人类的需求，可以有效 地反映人与自然系统的动态关系，对相关决策的制定有较高的参考价值。 Nordhaus等(2012)指出当前并没有关于生态系统功能方面或者环境变化InI I 即与人类福祉之间关系的证据可以支撑地球界限框架，例如II等 (2009a)给出的淡水利用的地球界限仅是通过全球的水库库容量和河川径流量估算出来的，并没有考虑其他生态过程。止匕外，Defries等(2012)也指出人类活动对环境产生的影响存在着不同的本钱与效益，但是 如何权衡这些本钱效益实质上是政治问题而非科学本身能够解决的，因 此，地球界限”被认为是对人类活动不可协商(non-negotia-ble) 的限制，即不会考虑由政治和社会经济因素的不同而造成的人们的偏好或 价值观的差异，也就无法反映人类福祉与生态系统之间的关系。(5)尽管有学者认可地球界限的科学意义以及当前设定的值，但 对不同地球系统过程是否超过了 “地球界限”也存在不同的看法。Steffen 等(2015)的评估结果显示，当前全球每年的淡水利用量约为26OoLI,I黄芦125由4 I远低于地球界限值(4oodI),但Jaramillo等(2015)指出Steffen等(2015)的评估中仅考虑了灌溉农业用水量而未考虑非灌溉农业用水量， 同时也认为其水库外表蒸发量的估值偏低，未考虑水库对其邻近区域 (100km左右的距离)的水文影响。据此，Jaramillo等(2015)的评估结果II认为目前全球每年的淡水利用量约为466JI,已经超过了 地球界 限。针对关于“地球界限”的批评和质疑，II的研究团队也作出了相 应的回应。Galaz(2012)指出，尽管当前没有足够的数据来比拟评估从区 域尺度到全球尺度上9种地球系统过程的关键阈值，但是由于不同过程之 间存在相互作用，例如氮磷的污染往往是由全球贸易决定的，因此不能将 其与气候变化和区域的土地利用变化脱离关系；此外，氮磷污染也会破坏淡水和海洋生态系统的恢复力，从而降低其吸收一的能力，最终影响气 候变化。因此，从全球的尺度上设定不同过程的“地球界限”有助于综合 管理。Barnosky等(2012)和Cardinale等(2012)的综述性论文均指出生 物多样性无论是在区域尺度还是在全球尺度均存在阈值。Barnosky等 (2012)认为假设持续破坏生物多样性将会增加人类生存的风险。Cardinale 等(2012)那么对生物多样性与人类福祉的关系，以及失去生物多样性所造成 的风险作了具体的总结。Gerten等(2015)指出不同学者对同一个地球系统过程的评估结果存 在差异的主要原因是对同一概念的幽华存在差异。例如Jaramillo等人的 评估结果中考虑了植物的蒸腾耗水量，但是这局部水属于绿水的范畴，而 Steffen等(2015)那么强调以蓝水为主。II等(2018)也进一步强调指出，地球界限框架的初衷并不是为了政策的调整与制定，而仅限于分析哪些环 境过程决定着地球系统的稳定性，以及这些过程具有什么样的界限位置； 并且这些界限确实定更多地取决于社会选择，即人们对风险的感知，需要 充分考虑不同利益相关者的参与。因此，地球界限”概念框架的最终目 的是希望能够综合当前的研究手段和方法而不是取代它们，例如生态足 迹、生态系统服务或环境承载力等等，从而可以得出一个更全面合理的评 估结果。一旦地球界限被确定和接受，其自然可以为决策提供依据I飞送窈就4(et al z 2018)o地球界限的研究进展3.1 不同地球系统过程地球界限的评估尽管“地球界限”概念框架存在些许缺乏，但是也有许多学者以某一过程为研究对象，完善了 地球界限的评估方法，并取得了很多有意义 的成果。Sverdrup等(2011)应用系统动力模型评估了当前人类社会对磷 利用效率的“地球界限，研究结果指出在当前的利用效率下，磷资源还 可以维持100a左右的时间，而后将会变成非常稀缺且昂贵的资源。Gerten等(2013)依“自下而上”的原那么，重新评估了淡水利用的地球界限，结果显示当前全年淡水利用的界限为280d1(不确定性范围为1100-4500I),明显低/I等(2009a)的评估结果。de Vries等(2013)认为II等(2009a)给出的固氮地球界限”偏低，并指出该界限 应考虑活性氮的效益、危害及其空间变异性。该研究通过评估活性氮在粮 食生产中的需求和对水资源、温室气体和土壤等造成的不利影响，得出当前每年固氮的界限应在60loJI之间,与Steffen等(2015)的研究结果较为接近。3.2 地球界限”概念框架的扩展虽然地球界限”这一概念框架对于自然资源的可持续利用有着重要 的指导作用，但是仅仅关注环境保护可能会忽视极端贫困以及其他社会不 公平的现象(Raworth , 2012)o正如可持续开展所强调的人类对自然资源 的利用既要防止对地球系统的关键过程造成压力，也要确保所有人能够获 得所需的资源(Barbier et al , 2017)o因此，这意味着除了考虑自然过程的界限外，也需要将社会基础纳入地球界限的制定过程中(Raworth ,2012)o在Rio+20峰会中，各国政府强调了 11项关键的社会剥夺 (social deprivation),即阻碍或减少个体与社会其他人之间在文化层次 上的交流或互动的影响因素，包括粮食平安、人均收入、水资源及卫生、 医疗保健、教育、能源、性别平等、社会公平、发言权、就业和恢复力等 社会基础指标(表2)(Raworth , 2012)o Raworth(2012)同时考虑了 9种 地球系统过程以及11种社会基础指标，构建了被称为“圆环 (doughnut)的概念框架，旨在为创造一个平安公正空间(safe and just space)提供决策依据，从而真正实现可持续开展(图3)。由图3所示，在这个平安公正空间”的框架中包含了 2个界限，分别是环境界限和社会界限。其中环境界限I等(2009a)提出的地 球界限内涵相同，其构成了 “圆环的外部界限，表示各种关键的地球 系统过程或者环境变量是否超过了设定的界限；而社会界限那么是指各项社 会基础指标必须要到达的临界值，表征各种权利是否得到保障。在2种界 限之间那么是人类生存的平安公正空间，在这个范围内既可以使自然资源可 持续利用，又可以保障人类福祉(Raworth , 2012)o 平安公正空间”的 理念进一步明确了实现可持续开展需要完成的目标，但是由于社会生态系 统的复杂性，如何完成这些目标可能存在不同的路径，这主要受到社会价 值观、风险意识以及不同社会群体之间权力和利益分配的影响(图3)0有效地结合社会和环境界限，需要找到两者之间内在的关联性或相似 性。总体来看，跨越任何一个界限都可能引发社会和生态危机，只有同时实现消除贫困和保障