原創(chuàng) Will Steffen等 集智俱樂部

導(dǎo)語

今天，地球系統(tǒng)正處于由人類排放的溫室氣體和生物圈退化驅(qū)動的溫室地球路徑上，朝著比工業(yè)化前溫度高大約2℃的行星閾值前進。這篇發(fā)表于PNAS的文章認為，超過這個閾值，有可能激活其他臨界級聯(lián)要素，形成多米諾骨效應(yīng)，使地球系統(tǒng)不可逆轉(zhuǎn)地達到更高溫度，對生態(tài)系統(tǒng)、社會和經(jīng)濟造成嚴重破壞。人類需要采取集體行動來引導(dǎo)地球系統(tǒng)遠離潛在的閾值，穩(wěn)定在一個類似間冰期的宜居狀態(tài)。這種行動需要對整個地球系統(tǒng)（生物圈、氣候和社會）進行管理，其中可能包括全球經(jīng)濟的去碳化、加強生物圈碳匯、行為改變、技術(shù)創(chuàng)新、新的治理安排和社會價值觀的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：全球氣候變化，行星閾值，吸引子，生物地球物理反饋，臨界級聯(lián)，生態(tài)系統(tǒng)韌性

Will Steffen、Johan Rockstr?m、Katherine Richardson等 | 作者

劉志航 | 譯者

劉培源 | 審校

論文題目：Trajectories of the Earth System in the Anthropocene

論文來源：PNAS

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1810141115

目錄

1. 溫室地球路徑的風險

2. 替代的穩(wěn)定地球路徑

3. 結(jié)論

“人類世”是一個正在被倡議的新地質(zhì)時代概念[1]，其依據(jù)是觀察到人類對基本地球過程的影響已經(jīng)變得如此深刻[2]，以至于它們將地球駛出“全新世”時期。在全新世時期，出現(xiàn)了農(nóng)業(yè)、定居社區(qū)以及最終發(fā)展出在社會和技術(shù)層面都相當復(fù)雜的人類社會。地質(zhì)學(xué)界正在考慮將“人類世”正式確定為一個新的地質(zhì)時代[3]，但無論這一過程的結(jié)果如何，人類世的條件在幾個方面都明顯超越了全新世的條件[2]。在影響地球系統(tǒng)軌跡方面，人類活動現(xiàn)在可以與地質(zhì)力量相媲美，這種認識對地球系統(tǒng)科學(xué)和社會決策都有重要意義。雖然世界上不同的社會對地球系統(tǒng)的壓力有不同和不平等的貢獻，并將有不同的能力來改變未來的軌跡[4]，但在分析地球系統(tǒng)的未來軌跡時，需要考慮到人類對系統(tǒng)影響的總和。

這篇文章通過解決以下問題來探索地球系統(tǒng)未來的潛在軌跡或發(fā)展路徑：

在地球系統(tǒng)的軌跡中，是否有一個行星閾值（planetary threshold），如果它被突破，可能地球再也無法穩(wěn)定在中等溫度上升區(qū)間內(nèi)？

考慮到我們對地球系統(tǒng)內(nèi)在的地球物理和生物圈反饋的理解，這樣一個閾值可能在哪里？

如果這個閾值被跨越，會有什么影響，特別是對人類社會的福祉？

人類的哪些行動可以創(chuàng)造出一條路徑，使地球系統(tǒng)遠離潛在的閾值，并朝著維持類似間冰期（interglacial）的條件發(fā)展？

解決這些問題需要將地球系統(tǒng)的生物地球物理學(xué)知識與人類社會發(fā)展運作的社會科學(xué)和人文學(xué)科的知識進行深度整合[5]。整合必要的知識可能是困難的，特別是考慮到所涉及的巨大的時間尺度范圍。復(fù)雜系統(tǒng)分析的概念越來越多地提供了一個框架，將與人類世相關(guān)的不同領(lǐng)域的研究結(jié)合起來[6]?？梢杂糜煞蔷€性過程、相互作用和反饋控制的閾值所分隔的交替狀態(tài)之間的軌跡來描述、研究和理解地球系統(tǒng)的動力學(xué)。基于這個框架，我們認為，未來十年或二十年發(fā)生的社會和技術(shù)趨勢及其決策，可能會極大地影響地球系統(tǒng)在數(shù)萬至數(shù)十萬年內(nèi)的軌跡，并可能導(dǎo)致地球出現(xiàn)類似于幾百萬年前狀態(tài)——那時的環(huán)境對當前的人類社會和許多其他物種來說是不宜生存的。

1. 溫室地球路徑的風險

極限環(huán)和行星閾值

地球系統(tǒng)在第四紀晚期，特別是全新世的發(fā)展軌跡，為探索人類世的人類驅(qū)動變化和系統(tǒng)的未來軌跡提供了背景。圖1顯示了復(fù)雜的地球系統(tǒng)動力學(xué)的簡化表示，其中物理氣候系統(tǒng)受到了地球軌道和傾角緩慢變化的影響。在第四紀晚期（過去120萬年），該系統(tǒng)一直保持在冰川期和間冰期的兩個極端之間。在過去的一百萬年里，并不是每一個冰川-間冰期都遵循精確的軌跡[7]，但這些周期遵循相同的“總體路徑”（我們用這個詞來指代大體相似的軌跡集合）。完整的冰川期和間冰期狀態(tài)以及約10萬年的振蕩，松散地構(gòu)成了極限環(huán)，即冰期的漸進動力學(xué)被模擬為非自主動力學(xué)系統(tǒng)中的拉回吸引子（pullback attractor）。圖1左下角以溫度和海平面為軸，用藍色顯示了這個極限環(huán)的示意圖。全新世是由極限環(huán)的頂部靠近標簽A的地方表示。

圖1. 在典型的冰川-間冰期的背景下，未來可能的氣候路徑示意圖（左下）。地球系統(tǒng)的間冰期狀態(tài)處于冰川-間冰期的頂部，而冰川期狀態(tài)則處于底部。海平面通過熱膨脹以及冰川和冰蓋的融化，相對緩慢地跟隨溫度變化。圖中的橫線代表工業(yè)化前的溫度水平，地球系統(tǒng)目前的位置由紅線上靠近穩(wěn)定地球和溫室地球路徑之間的小球體顯示。圖中還顯示了比工業(yè)化前水平高出2℃的行星閾值。沿著穩(wěn)定地球/溫室地球路徑的字母代表了地球近期的四個時期，這些時期可能有助于了解這些路徑的位置。A：中新世；B：始新世；C：中上新世；D：中中新世。它們在路徑上的位置只是近似的

在圖1中，地球系統(tǒng)在“人類世”中的當前位置由右上角的小球表示，它位于遠離冰川-間冰期極限環(huán)的路徑上。在圖2的穩(wěn)定性景觀中，地球系統(tǒng)的當前位置由加深的人類世吸引盆（basin of attraction，吸引到某個吸引子的點集）中實心箭頭末端的球體表示。

圖2. 穩(wěn)定性景觀顯示了地球系統(tǒng)走出全新世，從而走出冰川-間冰期極限環(huán)，進入溫度更高的“人類世”中的路徑。圖1中的分岔在這里被顯示為地球系統(tǒng)在未來的兩條不同的路徑（分裂的箭頭）。目前，地球系統(tǒng)正處于由人類排放的溫室氣體和生物圈退化驅(qū)動的溫室地球路徑上，朝著～2℃的行星閾值前進（圖1中2℃的水平斷線），超過這個閾值，系統(tǒng)就會在內(nèi)在的生物地球物理反饋的驅(qū)動下走上一條基本上不可逆轉(zhuǎn)的路徑。另一條路徑是通往穩(wěn)定地球，這是一條由人類創(chuàng)造的反饋引導(dǎo)的地球系統(tǒng)管理的路徑，是一個穩(wěn)定的、由人類維護的吸引盆?！胺€(wěn)定性”（縱軸）在這里被定義為系統(tǒng)的勢能的倒數(shù)。處于高度穩(wěn)定狀態(tài)（深谷）的系統(tǒng)具有較低的勢能，將其移出這種穩(wěn)定狀態(tài)需要相當?shù)哪芰?。處于不穩(wěn)定狀態(tài)（山頂）的系統(tǒng)有很高的勢能，它們只需要一點額外的能量就可以把它們從山上推下來，推向勢能較低的谷地。

人類世代表著地球系統(tǒng)在人類的推動下，開始脫離冰川-間冰期的極限環(huán)，走向新的、更熱的氣候條件和一個完全不同的生物圈[2, 8, 9]。目前的情況是，地球溫度比工業(yè)化前的基線高出1℃以上[10]，接近過去120萬年間冰期條件的上限。更重要的是，過去半個世紀氣候系統(tǒng)的快速發(fā)展，以及人類系統(tǒng)的技術(shù)鎖定和社會經(jīng)濟慣性，使氣候系統(tǒng)處于過去間冰期條件范圍之外。因此，我們認為，地球系統(tǒng)可能已經(jīng)通過了潛在路徑中的一個“岔路口”（圖1中的A點附近），很可能使地球系統(tǒng)脫離下一個冰川周期[11]。

在未來，地球系統(tǒng)有可能遵循許多軌跡[12, 13]，通常由氣候模型模擬的全球溫度上升的大范圍表示[14]。在大多數(shù)分析中，假定累積的二氧化碳排放和全球溫度上升之間存在著準線性關(guān)系，這些軌跡主要是由人類活動已經(jīng)排放并將在本世紀剩余時間里繼續(xù)排放的溫室氣體數(shù)量驅(qū)動的[14]。然而，我們在此提出，地球系統(tǒng)內(nèi)的生物地球物理反饋過程加上人類對生物圈的直接退化作用，可能會發(fā)揮比假設(shè)更嚴重的影響，限制了未來潛在軌跡的范圍，并可能消除了中間軌跡的可能性。我們認為，這些系統(tǒng)內(nèi)部動力學(xué)，特別是反饋過程中的強非線性，可能成為引導(dǎo)地球系統(tǒng)在未來幾個世紀中實際遵循的軌跡的一個重要因素，甚至是主導(dǎo)因素，這是一個很大的風險。

這種風險在圖1和圖2中用一個行星閾值表示（圖1中溫室地球路徑上的水平線，大約比工業(yè)化前溫度高2℃）。超過這個閾值，地球系統(tǒng)中固有的生物地球物理反饋，可能成為控制系統(tǒng)軌跡的主導(dǎo)過程。準確地說，潛在的行星閾值可能在哪里還不確定[15, 16]。研究人員建議這個閾值為 2℃，因為2℃的變暖有可能激活重要的臨界要素[12, 17]，進一步提高溫度，激活其他臨界級聯(lián)要素，形成多米諾骨效應(yīng)，使地球系統(tǒng)達到更高的溫度（臨界級聯(lián)）。這種級聯(lián)實質(zhì)上包括導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)中閾值的動力學(xué)過程（參考文獻18的4.2節(jié)）。

這一分析意味著，即使《巴黎氣候協(xié)定》中1.5°C至2.0°C的溫升目標得以實現(xiàn)，我們也不能排除一連串的反饋可能將地球系統(tǒng)不可逆轉(zhuǎn)地推向“溫室地球”路徑。人類面臨的挑戰(zhàn)是創(chuàng)造一個“穩(wěn)定地球”路徑，使地球系統(tǒng)脫離目前的軌道，轉(zhuǎn)向低于溫室地球的閾值（圖2）。人類創(chuàng)造的穩(wěn)定地球路徑通向一個吸引盆，如果沒有人類的管理來創(chuàng)造和維護，這樣一個吸引盆就不可能存在于地球系統(tǒng)的穩(wěn)定景觀中。創(chuàng)造這樣的路徑和吸引盆需要從根本上改變?nèi)祟愒诘厍蛏系慕巧?。這種管理角色需要有意識的、持續(xù)的行動，成為地球系統(tǒng)動力學(xué)的一個組成部分，創(chuàng)造反饋，使系統(tǒng)保持在穩(wěn)定地球路徑上。

我們現(xiàn)在通過考慮相關(guān)的生物地球物理反饋（Biogeophysical Feedbacks）和臨界級聯(lián)（Tipping Cascades）的風險，更詳細地探討這個關(guān)鍵問題。

生物地球物理反饋

地球系統(tǒng)的軌跡受到系統(tǒng)內(nèi)生物地球物理反饋的影響，這些反饋可以將系統(tǒng)維持在一個特定的狀態(tài)（負反饋），也可以放大擾動并推動向不同狀態(tài)轉(zhuǎn)變（正反饋）。一些可以將地球系統(tǒng)維持在類似于全新世的條件下的關(guān)鍵負反饋，特別是陸地和海洋系統(tǒng)的碳吸收，相對于人類的強迫作用正在減弱[19]，增加了正反饋在主導(dǎo)地球系統(tǒng)的軌跡中發(fā)揮重要作用的風險。表1總結(jié)了可能加速變暖的碳循環(huán)反饋，而SI附錄中的表S2則詳細描述了一套更完整的生物地球物理反饋，這些反饋可由本世紀剩余時間內(nèi)可能達到的強迫水平觸發(fā)。

表1. 地球系統(tǒng)中可能加速全球變暖的碳循環(huán)反饋作用

預(yù)估的反饋強度是根據(jù)2100年時～ 2 °C 的升溫。
*由反饋引起的到2100年時的額外溫升。

大多數(shù)反饋可以顯示連續(xù)響應(yīng)和臨界點行為，其中反饋過程在越過一個關(guān)鍵閾值后變得自我延續(xù)；表現(xiàn)出這種行為的子系統(tǒng)通常被稱為“臨界要素”（tipping elements)[17]。行為的類型（連續(xù)響應(yīng)或臨界點/破壞性變化）可能取決于強制力的大小或速率，或兩者都是。在達到臨界點之前，許多反饋將顯示出一些漸進的變化。

與反饋有關(guān)的少數(shù)變化在50-100年的短時期內(nèi)是可逆的（例如，北極海冰范圍隨著氣候變暖或變冷而變化；南極海冰可能不太可逆，因為南大洋的熱量積累），但大多數(shù)變化在對當代社會重要的時間范圍內(nèi)基本上是不可逆轉(zhuǎn)的（例如，永凍土中的碳流失）。少數(shù)反饋沒有明顯的閾值（例如，陸地和海洋生態(tài)碳匯的變化，如因二氧化碳施肥效應(yīng)而增加碳吸收量或因降雨量減少而減少吸收量）。對于某些臨界要素，跨越臨界點可能會引發(fā)突然的非線性反應(yīng)（例如，亞馬遜雨林的大片區(qū)域轉(zhuǎn)化為熱帶草原或季節(jié)性干旱森林），而對于其他要素，跨越臨界點將導(dǎo)致更徹底的影響（如，永久凍土的大規(guī)模喪失）。在跨越臨界點之后，也可能存在相當大的滯后期，特別是對于那些涉及大量冰塊融化的臨界要素。然而，在某些情況下，當發(fā)生大規(guī)模冰山爆發(fā)時，冰的損失可能非常迅速（例如，海因里希事件）。

對于一些反饋過程，其大小，甚至方向都取決于氣候變化的速度。如果氣候變化的速度較慢，生物群落的轉(zhuǎn)變可以跟蹤溫度/濕度的變化，生物群落可能會逐漸變化，隨著氣候變暖和大氣中二氧化碳濃度的增加，可能會從大氣中吸收碳。然而，如果氣候變化的速度過快，就會越過一個臨界點，通過廣泛的干擾（如山火、昆蟲襲擊、干旱）可能會發(fā)生快速的生物群落轉(zhuǎn)變，從而現(xiàn)有的生物群落會突然消失。在一些陸地情況下，如大范圍的山火，可能會有大量的碳進入大氣，從而影響地球系統(tǒng)的軌跡[29]。

對不斷變化的氣候的不同反應(yīng)率可能導(dǎo)致復(fù)雜的生物圈系統(tǒng)動力學(xué)，對反饋過程產(chǎn)生影響。例如，永久凍土融化的延遲很可能會推遲北方森林的預(yù)計北移[30]，而這些森林南部地區(qū)的變暖可能會導(dǎo)致它們轉(zhuǎn)化為碳儲存能力低得多的草原。總體結(jié)果將是對氣候系統(tǒng)的正反饋。

所謂的地球“綠化”，是由于大氣中二氧化碳濃度增加導(dǎo)致的植物生長增強[31]，近幾十年來增加了土地碳匯[32]。然而，大氣中二氧化碳的增加提高了溫度，更熱的葉子光合作用的效果就會降低。還涉及其他反饋——例如，土壤變暖增加了微生物呼吸，將二氧化碳釋放回大氣中。

我們的分析集中在從現(xiàn)在到2100年的反饋強度上。然而，到2100年顯示出可忽略不計或非常小的幅度的幾個反饋，仍然可能在那之前被觸發(fā)，它們最終可能在更長的時間范圍內(nèi)——幾個世紀甚至幾千年——產(chǎn)生顯著的反饋強度，從而影響地球系統(tǒng)的長期軌跡。這些反饋過程包括永久凍土融化、海洋甲烷水合物的分解、海洋細菌呼吸的增加、極地冰蓋的喪失，同時伴隨著海平面的上升和通過海洋環(huán)流的變化對溫度上升的潛在放大[33]。

臨界級聯(lián)

臨界要素根據(jù)其估計的閾值溫度分為三個群組[12, 17, 39]。當全球溫度的上升達到較低溫度群組的水平時，可能會形成級聯(lián)，激活臨界要素，如格陵蘭冰原或北極海冰的損失。這些臨界要素，加上一些非臨界要素的反饋（如陸地和海洋生理碳匯的逐漸減弱），可以將全球平均溫度推得更高，誘發(fā)中溫和高溫群的臨界。例如，格陵蘭冰蓋的臨界（損失）可能引發(fā)大西洋經(jīng)向洋環(huán)流（AMOC）的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變，通過引起海平面上升和南大洋熱量積累，共同加速東南極冰蓋[32, 40]的冰損，時間尺度為數(shù)百年[41]。

對過去行為的觀察支持海洋環(huán)流的變化對這種反饋級聯(lián)的重要貢獻。在以前的冰川時期，氣候系統(tǒng)在兩種狀態(tài)之間搖擺不定，這似乎反映了北歐海域?qū)α骰顒拥淖兓虯MOC活動的變化。這些變化造成了典型的溫度反應(yīng)模式，稱為“兩極蹺蹺板”[42-44]。在北方極度寒冷的情況下，熱量在南大洋積累，南極洲變暖。最終，熱量向北移動，并產(chǎn)生了地表下的升溫，這可能有助于破壞北半球冰蓋邊緣的穩(wěn)定[45]。

如果格陵蘭島和西南極冰蓋在未來融化，附近表層水的清新和冷卻將對海洋環(huán)流產(chǎn)生重大影響。雖然重大環(huán)流變化的概率難以量化，但氣候模型模擬表明，與目前格陵蘭島融化速度相適應(yīng)的淡水輸入足以對海洋溫度和環(huán)流產(chǎn)生可測量的影響[46, 47]。這一過程導(dǎo)致的北部高緯度地區(qū)的持續(xù)變暖可能會加速該地區(qū)的反饋或激活臨界要素，如永久凍土的退化、北極海冰的損失和北方森林的枯萎。

雖然這似乎是一個極端的情況，但它說明，即使是溫度較低的群組（即巴黎目標）的升溫范圍，也可能通過級聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致中溫和高溫群組的臨界?；趯εR界級聯(lián)的分析，并采取規(guī)避風險的方法，我們認為潛在的地球閾值可能發(fā)生在比工業(yè)化前低2.0℃的溫度上升（圖1）。

2. 替代的穩(wěn)定地球路徑

如果當今社會想要避免跨越那個潛在閾值，將地球系統(tǒng)鎖定在溫室地球路徑上，那么他們就必須做出慎重的決定，以避免這種風險，并將地球系統(tǒng)維持在類似于全新世的條件。這種人類創(chuàng)造的路徑在圖1和圖2中被我們稱為 “穩(wěn)定地球”（圖1右上方底部的小環(huán)），在這種情況下，地球系統(tǒng)被維持在溫度上升不超過工業(yè)化前2℃的狀態(tài)（一種“超新世”狀態(tài)）[11]。穩(wěn)定地球?qū)⑿枰蠓鳒p溫室氣體排放，保護和加強生物圈碳匯，努力從大氣中清除二氧化碳，可能還要進行太陽輻射管理，以及適應(yīng)已經(jīng)發(fā)生的變暖的不可避免的影響[48]。圖1右上角穩(wěn)定地球以外的短斷紅線代表了在較長時期內(nèi)可能回到類似冰川期的條件。

從本質(zhì)上講，穩(wěn)定地球路徑可以被概念化為地球系統(tǒng)的一個制度，在這個制度中，人類發(fā)揮著積極的地球管理作用，維持著介于晚第四紀的冰川-間冰期極限循環(huán)和溫室地球之間的狀態(tài)（圖2）。我們強調(diào)，穩(wěn)定地球不是地球系統(tǒng)的固有狀態(tài)，而是人類致力于持續(xù)管理其與地球系統(tǒng)其他部分的關(guān)系的路徑。

一個關(guān)鍵的問題是，如果地球的行星閾值被越過，走向溫室地球路徑，無論人類社會采取什么行動，進入穩(wěn)定地球路徑都會變得非常困難。在閾值之外，地球系統(tǒng)內(nèi)部的正向（強化）反饋——不受人類影響或控制——可能成為系統(tǒng)路徑的主要驅(qū)動力，因為個別的臨界要素隨著時間的推移和溫度的上升而產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的級聯(lián)（圖3）。換句話說，在地球系統(tǒng)走上溫室地球路徑后，如圖2所示，替代的穩(wěn)定地球路徑將很可能變得不可用。

有什么利害關(guān)系？

溫室地球?qū)υS多人來說可能是無法控制和危險的，特別是如果我們在短短一兩個世紀內(nèi)過渡到溫室地球，它對健康、經(jīng)濟、政治穩(wěn)定[12, 39, 49, 50]（特別是對氣候最脆弱的人），以及最終對人類的可居住性構(gòu)成嚴重風險。

對“人類世”中出現(xiàn)的快速氣候變化所帶來的風險的洞察，不僅可以從當代的觀察中獲得[51-55]，而且可以從過去人類社會與區(qū)域和季節(jié)性水文氣候變異之間的互動中獲得。這種變異性往往比全球、長期的全新世變異性要明顯得多（SI附錄）。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水供應(yīng)特別容易受到水文氣候變化的影響，導(dǎo)致熱/干或冷/濕的極端情況。社會的衰落、崩潰、遷移/重新定居、重組和文化變化往往與嚴重的區(qū)域性干旱和距今4.2-3.9萬年的全球大干旱有關(guān)，所有這些都發(fā)生在相對穩(wěn)定的全球全新世約±1℃的狹窄溫度范圍內(nèi)[56]。

SI附錄，表S4總結(jié)了對人類福祉至關(guān)重要的生物群落和區(qū)域生物圈-物理氣候子系統(tǒng)，以及如果地球系統(tǒng)遵循溫室地球路徑所帶來的風險。雖然這些生物群落或區(qū)域系統(tǒng)在穩(wěn)定地球路徑中可能被保留，但在溫室地球路徑中，大多數(shù)或所有的生物群落或區(qū)域系統(tǒng)可能會發(fā)生重大變化或退化，對人類社會的生存能力帶來嚴重挑戰(zhàn)。

例如，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)特別脆弱，因為它們在空間上是圍繞著相對穩(wěn)定的全新世陸地初級生產(chǎn)力模式組織的，這取決于與肥沃土壤位置有關(guān)的溫度和降水的既定和可預(yù)測的空間分布，也取決于特定的大氣二氧化碳濃度。目前的理解表明，雖然穩(wěn)定地球路徑可能導(dǎo)致人類系統(tǒng)適應(yīng)區(qū)域生產(chǎn)的增加和減少之間的大致平衡，但溫室地球路徑可能會超過適應(yīng)的極限，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體大幅下降，價格上漲，甚至富國和窮國之間的差距更大[57]。

世界上的沿海地區(qū)，特別是低洼三角洲和鄰近的沿海海洋和生態(tài)系統(tǒng)，對人類的福祉特別重要。這些地區(qū)是世界上大部分人口、大多數(shù)新興大城市以及對國家經(jīng)濟和國際貿(mào)易都至關(guān)重要的大量基礎(chǔ)設(shè)施的所在地。溫室地球的軌跡幾乎肯定會淹沒三角洲環(huán)境，增加沿海風暴的破壞風險，并在本世紀末或更早的時候消滅珊瑚礁（以及它們?yōu)樯鐣峁┑乃泻锰帲58]。

地球系統(tǒng)中的人類反饋

在主流的氣候變化敘述中，人類是一種外部力量，以一種大體上線性的、決定性的方式推動著地球系統(tǒng)的變化；人為溫室氣體排放的強迫性越高，全球平均溫度就越高。然而，我們的分析認為，人類社會和我們的活動需要被重新描述為一個復(fù)雜的、適應(yīng)性強的地球系統(tǒng)的一個不可分割的、相互作用的組成部分。這種框架不僅將重點放在減少溫室氣體排放的人類系統(tǒng)動力學(xué)上，而且還放在那些創(chuàng)造或加強負反饋的動力學(xué)上，以減少地球系統(tǒng)跨越行星閾值并鎖定在溫室地球路徑上的風險。

因此，人類的挑戰(zhàn)是影響地球系統(tǒng)的動力學(xué)特性，使全新世和極熱狀態(tài)之間的不穩(wěn)定條件成為事實上的穩(wěn)定的中間狀態(tài)（穩(wěn)定地球）（圖2）。這就要求人類采取審慎的、整體的和適應(yīng)性的步驟，減少對地球系統(tǒng)的危險影響，有效地監(jiān)測和改變行為，形成反饋回路，穩(wěn)定這種中間狀態(tài)。

關(guān)于如何做到這一點——在技術(shù)上、道德上、公平上和經(jīng)濟上——有很多不確定性和爭論，毫無疑問，規(guī)范、政策和制度方面都有很大的挑戰(zhàn)性。然而，社會可以采取一系列構(gòu)成負反饋的行動，總結(jié)在SI附錄的表S5中，以引導(dǎo)地球系統(tǒng)走向穩(wěn)定地球。其中一些行動已經(jīng)在改變排放軌跡。負反饋行動分為三大類：(i) 減少溫室氣體排放，(ii) 增強或創(chuàng)造碳匯（例如，保護和增強生物圈碳匯和創(chuàng)造新型碳匯）[59]，以及(iii) 改變地球的能量平衡（例如，通過太陽輻射管理，盡管這種特殊的反饋帶來了地球系統(tǒng)中幾個關(guān)鍵過程的不穩(wěn)定或退化的巨大風險）[60, 61]。雖然減少排放是一個優(yōu)先事項，但在減少人類對關(guān)鍵生物群落的直接壓力方面可以做得更多，這些生物群落通過碳匯和水分反饋對地球系統(tǒng)的狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，如亞馬遜和北方森林（表1），并對整個海洋和陸地生物圈進行更有效的管理。

然而，目前占主導(dǎo)地位的社會經(jīng)濟體系是建立在高碳經(jīng)濟增長和資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)上的[9]。改變這個系統(tǒng)的嘗試在當?shù)厝〉昧艘恍┏晒?，但在全球范圍?nèi)，在減少溫室氣體排放或建立更有效的生物圈管理方面幾乎沒有成功。對目前社會經(jīng)濟系統(tǒng)的漸進式線性改變不足以穩(wěn)定地球系統(tǒng)。可能需要廣泛的、快速的和根本性的轉(zhuǎn)變，以減少跨越閾值和鎖定溫室地球路徑的風險；這些包括行為、技術(shù)和創(chuàng)新、治理和價值觀的變化[48, 62, 63]。

為減少人類對地球系統(tǒng)的影響，同時改善福祉，國際上的努力包括聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標和巴黎協(xié)議中關(guān)于將升溫控制在2℃以下的承諾。與這些國際治理舉措相匹配的是國家、城市、企業(yè)和個人的碳減排承諾[64-66]，但迄今為止，這些還不足以實現(xiàn)巴黎的目標。加強雄心將需要新的集體共享的價值觀、原則和框架，以及教育來支持這種變化[67, 68]。從本質(zhì)上講，有效的地球系統(tǒng)管理是人類社會在穩(wěn)定地球路徑上繁榮發(fā)展的一個重要前提[69, 70]。

除了全球治理層面的制度和社會創(chuàng)新外，人口、消費、行為、態(tài)度、教育、機構(gòu)和社會嵌入技術(shù)的變化，對于實現(xiàn)穩(wěn)定地球路徑的機會最大化都很重要[71]。許多所需的轉(zhuǎn)變可能需要幾十年的時間才能產(chǎn)生全球性的綜合影響（SI附錄，表S5），但有跡象表明，社會可能正在達到一些重要的社會臨界點。例如，在減緩或扭轉(zhuǎn)人口增長方面取得了相對快速的進展，這是因為婦女獲得了權(quán)力，獲得了節(jié)育技術(shù)，擴大了教育機會，提高了收入水平[72, 73]，導(dǎo)致生育率下降。這些人口變化必須輔之以可持續(xù)的人均消費模式，特別是在人均消費水平較高的人群中。已經(jīng)觀察到消費者行為的一些變化[74, 75]，隨之而來的社會規(guī)范的大范圍轉(zhuǎn)變的機會可能出現(xiàn)[76]。技術(shù)創(chuàng)新有助于更快速的去碳化，并有可能從大氣中去除二氧化碳[48]。

最終，實現(xiàn)穩(wěn)定地球路徑所需的變革要求國家和國際機構(gòu)進行根本性的調(diào)整和重組，以便在地球系統(tǒng)層面進行更有效的治理[77]，在經(jīng)濟治理、全球貿(mào)易、投資和金融以及技術(shù)發(fā)展方面更加強調(diào)地球問題[78]。

在快速變化的地球系統(tǒng)中建立韌性

即使實現(xiàn)了穩(wěn)定地球路徑，人類在通往穩(wěn)定地球路徑上也將面臨快速而深刻的變化和不確定性，在政治、社會和環(huán)境方面，人類社會的韌性面臨挑戰(zhàn)[79-82]。穩(wěn)定后的地球?qū)⒖赡鼙冗^去80萬年中的任何時候都要溫暖[83]（也就是說，比完全現(xiàn)代的人類存在的任何其他時間都要溫暖）。

此外，穩(wěn)定地球路徑幾乎肯定會有一些臨界要素的激活（臨界級聯(lián)和圖3），以及支持人類的關(guān)鍵生物群落層面的非線性動力學(xué)和突然轉(zhuǎn)變（SI附錄，表S4）。目前地球系統(tǒng)重要特征的變化率已經(jīng)達到或超過了過去突發(fā)地球物理事件的變化率（SI附錄）。由于這些趨勢可能至少在未來幾十年內(nèi)持續(xù)下去，當代以漸進或增量變化的理論、工具和信念為基礎(chǔ)的指導(dǎo)發(fā)展方式，以及對經(jīng)濟效率的關(guān)注，可能不足以應(yīng)對這一軌跡。因此，除了適應(yīng)之外，提高韌性將成為駕馭未來的一個關(guān)鍵戰(zhàn)略。

通用的韌性建設(shè)戰(zhàn)略包括發(fā)展保險、緩沖、冗余、多樣性以及韌性的其他特征，這些特征對于人類系統(tǒng)在面對變暖和與臨界點相關(guān)的可能驚喜時的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要[84]。這種戰(zhàn)略的特點包括：(i) 保持多樣性、模塊化和冗余；(ii) 管理連通性、開放性、緩慢變量和反饋；(iii) 將社會生態(tài)系統(tǒng)理解為復(fù)雜的適應(yīng)性系統(tǒng)，特別是在整個地球系統(tǒng)層面[85]；(iv) 鼓勵學(xué)習(xí)和實驗；以及(v) 擴大參與和建立信任，促進多中心治理系統(tǒng)[86, 87]。

3. 結(jié)論

我們的系統(tǒng)方法側(cè)重于反饋、臨界點和非線性動力學(xué)，已經(jīng)解決了開篇中提出的四個問題。

我們的分析表明，地球系統(tǒng)可能正在接近一個行星臨界點，它可能鎖定一個持續(xù)快速的路徑，走向更熱的條件——溫室地球。這條路徑將被強大的、內(nèi)在的、難以被人類行為影響的生物地球物理反饋所推動，這條路徑不能被逆轉(zhuǎn)、引導(dǎo)或大幅放緩。

這樣的閾值在哪里還不確定，但它可能只在溫度比工業(yè)化前上升2.0℃時提前幾十年，因此，它可能在《巴黎協(xié)定》的溫度目標范圍內(nèi)。

溫室地球路徑對人類社會的影響可能是巨大的，有時是突然的，而且無疑是破壞性的。

通過創(chuàng)造一個穩(wěn)定地球路徑來避免這個行星閾值，只能通過人類社會協(xié)調(diào)的、有意識的努力來管理我們與地球系統(tǒng)其他部分的關(guān)系，認識到人類是這個系統(tǒng)不可分割的、相互作用的組成部分，才能實現(xiàn)和維持。人類現(xiàn)在正面臨著需要做出關(guān)鍵的決定和行動，這些決定和行動可能會影響我們幾個世紀，甚至幾千年的未來[88]。

這種分析的可信度如何？來自許多方面的重要證據(jù)表明，應(yīng)該認真對待地球閾值的風險，因此，需要創(chuàng)建一個分岔的路徑。

首先，地球系統(tǒng)在第四紀晚期的復(fù)雜系統(tǒng)行為是有據(jù)可查的，也是被理解的。系統(tǒng)的兩個邊界狀態(tài)——冰川期和間冰期——被合理地定義，大約10萬年的周期。極限周期的10萬年周期已經(jīng)確定，內(nèi)部（碳循環(huán)和冰反照率反饋）和外部（由地球軌道參數(shù)變化引起的日照變化）驅(qū)動過程普遍為人所知。此外，我們非常有把握地知道，在達到臨界變暖水平后，冰原的逐步解體和其他臨界要素的越界是難以逆轉(zhuǎn)的。

第二，從地球最近的地質(zhì)歷史來看，與溫室地球路徑相一致的條件是可以獲得的，而大氣中的二氧化碳濃度和溫度上升水平已經(jīng)實現(xiàn)或預(yù)計在本世紀實現(xiàn)。

第三，在第四紀冰川-間冰川周期中運行的臨界要素和反饋過程與那些被認為對地球系統(tǒng)的未來軌跡至關(guān)重要的要素相同（生物地球物理反饋，臨界級聯(lián)，圖3，表1，和SI附錄，表S2）。

第四，當代觀察到的[29, 38]在觀察到的溫度異常比工業(yè)化前高1℃時的臨界要素行為表明，其中一些要素在全球溫度僅增加1℃至3℃時就容易臨界，其中更多的要素在更高的溫度下容易臨界（生物地球物理學(xué)反饋和臨界級聯(lián)）[12, 17, 39]。這表明，在溫度上升2℃時，臨界級聯(lián)的風險可能很大，超過該點后可能急劇增加。我們認為，在溫度上升到比工業(yè)化前低2℃時，地球系統(tǒng)中可能存在一個行星閾值。

如果世界要避免跨越地球閾值，“穩(wěn)定地球路徑”需要有意識地管理人類與地球系統(tǒng)其他部分的關(guān)系。我們認為，在對人類價值觀、公平、行為、機構(gòu)、經(jīng)濟和技術(shù)進行根本性調(diào)整的基礎(chǔ)上，需要進行深刻的轉(zhuǎn)變。即便如此，通往穩(wěn)定地球路徑將涉及到地球系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的巨大變化，這表明在決策中應(yīng)給予韌性建設(shè)戰(zhàn)略比現(xiàn)在更多的優(yōu)先權(quán)。一些跡象表明，社會正在開始進行一些必要的轉(zhuǎn)變。然而，這些轉(zhuǎn)變?nèi)蕴幱诔跏茧A段，使目前的軌道遠離溫室地球的社會/政治臨界點尚未被跨越，而通往穩(wěn)定地球的大門可能正在迅速關(guān)閉。

我們在這里的初步分析需要得到更深入的、定量的地球系統(tǒng)分析和建模研究的支持，以解決三個關(guān)鍵問題。(i) 人類是否有可能將地球系統(tǒng)推過行星閾值，并不可逆轉(zhuǎn)地進入溫室地球路徑？(ii) 在地球系統(tǒng)復(fù)雜的穩(wěn)定格局中，還有哪些路徑是可能的，以及它們可能帶來的風險？(iii) 需要什么樣的行星管理戰(zhàn)略來保持地球系統(tǒng)處于可管理的穩(wěn)定地球狀態(tài)？

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原標題：《地球復(fù)雜系統(tǒng)在人類世的多米諾過程：從臨界級聯(lián)到建立韌性》

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