地球生态系统正在逼近9大极限 - 电工杂谈 - 电子工程师俱

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对人类而言，地球迄今仍然是个得天独厚的乐园。过去一万年以来，人类在农业、工业、科技以及文化上所取得的绝大多数成就都发生在一个十分温和的时期。在地球自然系统的调节下，这个时期的地质、气温以及环境都维持在一个相对平稳的范围内，没有太大的波动。较之此前的“更新世”和“上新世”，这一万年的“平静”实属难得，因此，学者们将其称为地球的“全新世”。
　　
自18世纪末人类进入工业化时代起，人类又进入了一个被称为“人类世”的新时期。在这个时期，人类逐渐从大自然手中夺过了“船舵”，成为了这个星球的新主人：地球上所有的系统由人定义、受人统治。但当人类雄心勃勃“向大自然宣战”、渴望“战胜自然，征服世界”的时候却发现其实一开始我们就错了——人与自然间本是共生共赢的手足，而非你死我活的仇敌。
　　
可惜的是，至今还有不少人没有意识到这一点，他们仍旧沉迷在“与天斗其乐无穷”的自我膨胀当中。近年来，能源告急、资源告急、环境告急……全球近70亿人的需求几乎要把地球推向崩溃的边缘。
　　
通过直观感受，一部分人逐渐意识到了气候变化所带来的严峻威胁，但这远远不够：环境污染、海洋酸化、物种灭绝等其他问题的严重程度丝毫不逊于此。在这样的情况下，不少人都发出了“照这样下去地球到底还能持续多久？”“地球的承载能力有无极限？”“人类还有多大回旋余地？”这样的疑问。
　　
2009年，瑞典斯德哥尔摩环境研究所所长约翰罗克斯特伦与来自环境、地球系统领域的28位国际专家组成了一个研究小组，对上述问题作出了回答。该团队的成员包括1995年诺贝尔化学奖得主保罗克鲁岑、美国宇航局气候学家詹姆斯汉森、盖亚学研究员和“临界点”专家蒂姆莱顿以及德国总理首席环境顾问汉斯乔吉姆舍伦伯等。
　　
根据对地球系统的科学认识，研究小组确定了9个对人类生存至关重要的“地球生命支持系统”，并对目前人类的消耗水平和系统的“临界点”进行了量化和评估。研究人员警告称，一旦9个临界点全部或者大部分被突破，人类生存环境将面临“不可逆转的变化”，此后的地球将不再像今天这样的“和蔼可亲”。
　　
罗克斯特伦称，由于认知水平的限制和大量不确定因素的存在，这些“临界点”目前还只是一种“粗略的估计”。但相对警示而言，我们更应将其看作是一个喘息的时机，一个改变的机会。因此他更愿意将这些“临界点”定义为“人类生存发展的安全空间”。
　　
<strong>1.海洋酸化</strong>
　　
指标：全球文石(也称霰石，是一种亚稳态的碳酸钙)饱和度比率　　
临界点：2.75∶1　　
工业化前水平：3.44∶1　　
当前值：2.9∶1　　
评估：本世纪中叶将有部分海洋超出警戒线
　　
直到10年前，海洋酸化还是个很少有人提及的新鲜话题。但随着大气中二氧化碳的日渐增多，海洋酸化和气候变化一样也成了我们不得不面对的难题。数据显示，自工业革命以来，全球海洋浅层海水的pH值已由8.16下降到了8.05。其实，酸化本身并不是主要问题，真正严重的是由其引起的连锁反应。
　　
浅层海水中碳酸钙饱和度的降低便是其中最让人担心的一点。虽然就目前而言还不是特别严重，但一旦其低于某一阀值，像海螺、珊瑚这样以碳酸钙为主要发育条件的外骨骼海洋生物就将面临被海水溶解的风险。
　　
至今为止，全球海洋文石饱和率已经从工业化前的3.44∶1下降到了现在的2.9∶1。这意味着目前仍有3倍于极限值的文石能抵消海洋酸化对外骨骼类海洋生物的影响，但前提是不考虑地域差异因素。最近的研究表明，位于地球两极的海洋文石饱和率极有可能在2050年左右下降到1∶1以下。
　　
没有人知道在这之后会发生什么。目前能想到的情况是：珊瑚等生物大面积灭绝；没有生命的海洋从大气中吸收二氧化碳的能力大幅下降，地球也将变得更热。为了预防这种情况的发生，临界点研究小组将海洋酸化的安全下限确定为2.75∶1。


<strong>2.臭氧浓度</strong>
　　
指标：平流层臭氧浓度　　
临界点：276个多布森单位　　
当前值：283个多布森单位　　
评估：安全但亟待改善
　　
即便在今天看来，上世纪70年代开始的臭氧层空洞研究仍是环境科普的一个典型案例。早在上世纪70年代，包括保罗克鲁岑在内的3位科学家就提出了全氯氟烃会严重损害地球臭氧层的问题。1985年，英国南极探险队队长法曼更是以亲身经历证明了南极上空每年9月—11月都会出现“臭氧空洞”这一事实。1987年9月16日，24个主要工业国签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，要求逐步停止使用危害臭氧层的化学物质。随后在媒体的大声疾呼和政府的高度关注下，拒绝全氯氟烃类产品、保护臭氧层逐渐成了人们的共识。1995年，提出这一问题的3位科学家也被授予了诺贝尔化学奖。
　　
时至今日，臭名昭著的氟利昂等化学物质已被禁用，危机似乎已经过去。取而代之的是今天人所共知的全球变暖问题。但近几年的研究发现，臭氧层变薄与气候变化间可能也存在着某种关联。研究称，随着大气中二氧化碳浓度和地表温度的增高，接近地表对流层的温度也会随之上升。对流层温度的升高又会导致平流层温度的下降，这一系列连锁反应最终会导致破坏臭氧层的化学反应加速。因此，虽然目前臭氧层的厚度还在安全范围之内，但我们仍不可掉以轻心。


<strong>3.淡水消耗量</strong>
　　
标准：淡水年消耗量　　
临界点：4000立方公里　　
当前值：2600立方公里　　
评估：本世纪中叶将达极限
　　
通过筑坝等水利工程，人类目前已成功控制了世界上大多数河流，但不幸的是，在此之后其中有近3成已不能到达海洋，成为了时涝时枯的季节河。水资源匮乏已开始成为我们不得不面对的全球性问题。
　　
位于哈萨克斯坦与乌兹别克斯坦交界的咸海就是一个典型的例子。1960年时的咸海曾是世界第四大内陆湖，面积68000平方公里、水量1100立方公里。但在那之后，随着工业和农业用水的急剧增加，咸海水位不断降低、面积持续缩小。1998年，咸海面积下降至28687平方公里，排名下降为第八，含盐量从10克/升增至45克/升；2004年，排名降至第15位的咸海水量不足200立方公里，面积只剩下原本的四分之一；2007年，咸海的萎缩仍在继续，面积只剩下了最初的10%。随着水面面积的不断缩小，降水也随之减少，咸海的含盐量逐渐增多，大批鱼类死亡，以渔业为生的渔民们也不得不纷纷改行。
　　
临界点研究小组建议将人类每年淡水消费量的上限设定在4000立方公里。虽然目前2600立方公里的用水量离该上限还有相当大的距离，但考虑到世界日益增多的人口和农作物灌溉需求，罗克斯特伦认为，从现在起就应大幅减少非粮食作物的灌溉用水，以缓解人畜用水短缺。

　　
<strong>4.生物多样性</strong>
　　
指标：百万物种年灭绝数量
临界点：10
当前值：100
评估：严重超标
　　
人类在地球上的大肆扩张使不少物种都走到了绝境。对野生动物栖息地的开发阻断了动物的迁徙路线，带来了老鼠、杂草等外来物种；工业污染让原本平静的自然环境不堪重负；捕猎使野生动物的数量急剧减少；人类活动所导致的气候变化让野生动物成为了无辜的受害者。
　　
2009年底，国际自然保护联盟的报告显示，其评估的44838个物种中，有16928种达到了濒临灭绝的状态，其中包括八分之一的鸟类、五分之一的哺乳动物、四分之一的珊瑚和三分之一的两栖类动物。世界自然基金会发布的地球生命指数评估结果也同样让人痛心：1686种脊椎动物的种群数量，仅在从1970年到2005年这30多年间就下滑了30%。
　　
仅就单个物种而言，其作用或许不值一提，但若将其放置在整个生态系统中观察，你就会发现每个物种都是自然界独特、不可或缺的一个重要组成部分。如有的回收废物，有的清洁水源，有的吸收二氧化碳，有的则保证海洋的化学平衡。
　　
虽然我们知道生物多样性对健康的生态环境而言至关重要，但到现在为止，科学家们尚不清楚物种数量低至何种程度才会导致生态灾难，也不清楚哪一种物种在其中起着关键作用。因此，研究小组将生物的自然灭绝率——10作为这一子系统的临界点。显然，现在我们已经严重超标。
　　

<strong>5.氮磷循环</strong>
　　
指标1：大气年固氮量
临界点：350万吨
当前值：1210万吨
评估：严重超标

指标2：海洋中所检测到的年均磷流失量
临界点：1100万吨
当前值：90万吨
诊断：尚未超过
　　
氮是生命体不可或缺的重要组成元素，存在于每个活细胞当中，是构成DNA的4种基本元素之一。大气中的氮经微生物的作用进入土壤，为动植物所用，最终又在微生物的参与下返回大气，如此循环往复，以至无穷——氮的循环保证了地球生物圈最基本的一项物质平衡。
　　
虽然地球大气中氮的含量占到近80%，但可供人类直接使用的却少之又少。19世纪以前，农业所需的氮肥主要来自于畜粪和绿肥，人们在氮循环上还遵循着大自然原有的规律。1909年，这种天然的平衡终于被一位名为弗里茨哈伯的德国化学家所打破。这一年，他发现了从空气中制备出氮的方法，合成氨成了把“空气变成面包”的“神奇药粉”。
　　
时至今日，人类每年通过这种方法固氮的数量已超过了800万吨。但由于农作物的吸收率极为有限，其中的绝大部分都会随着地下水和河流进入海洋。加上汽车等交通工具以及热电站所释放的含氮污染成分，人类每年向生物圈所排放的氮元素早已超出了地球处理能力的极限，达到了1210万吨。
　　
多余的氮会导致土壤酸化，破坏土壤和微生物原先的氮循环能力。与此同时，湿地以及湖泊中高度饱和的氮还会产生富营养效应，使水生生物、植物异常繁殖、大量消耗氧气，其所在水体会迅速成为“死亡区”。目前全球海洋中像这样的区域已超过400处，墨西哥湾地区、波罗的海以及日本和韩国之间的水域都在其中，总面积近25万平方公里。
　　
与氮相似的问题也同样出现在磷上。目前，人类每年开采的磷矿有200万吨，其中有一半以上最终会进入海洋，是自然循环量的8倍以上，这同样会带来水体的富营养化。
　　

<strong>6.土地使用率</strong>
　　
指标：用于耕种的非冻土比例
临界点：15%
当前值：12%
评估：本世纪中叶将达极限
　　
农业向自然生态系统尤其是热带雨林扩张的速度也同样惊人。全球一半的热带雨林到目前已经消失，野生动物原先栖息的草原如今变成了带有围栏的现代化牧场。临界点研究小组认为，农牧业的盲目扩张和城市化进程的加速是生态系统遭到破坏的另一大“元凶”，气候变化以及水循环的破坏都与此相关。
　　
虽然研究小组制定了用于耕种的非冻土比例不超过15%的标准，但专家们认为，人类土地安全同时还取决于一系列综合衡量指标的执行程度，如生物多样性与水文生态系统是否得到了合理的保护；农业生产在灌溉以及氮肥的使用上是否合理；城市的污染是否得到了无公害化处理等。


<strong>7.二氧化碳浓度</strong>
　　
指标：大气中二氧化碳浓度
临界点：350ppm(百万分比浓度)
工业化前水平：280ppm
当前值：387ppm
评估：超出极限
　　
大量的历史数据表明，大气中的二氧化碳是地球升温的罪魁祸首。通过燃烧化石燃料，我们已经让大气中的二氧化碳浓度由工业化前的280ppm增加到了现在的387ppm。
　　
当政客们还在为地球到底能容纳多少二氧化碳而争论不休时，世界顶级气候科学家之一、美国宇航局戈达德空间研究所主任詹姆斯汉森却发出了“我们的排放水平早在20年前就已经超标”的惊人言论。那时，地球大气中二氧化碳浓度为350ppm。
　　
有人会说，既然临界点早已超过，为什么我们还好好的活着？
　　
临界点研究小组给出的答案是，从长期来看，二氧化碳浓度的变化是一个逐渐积累的过程，其具体结果也会通过间接的形式显现。超过临界点并不意味着一定会发生重大的灾难，但它意味着一种从“可能”到“必然”的转变。
　　
不少人认为地球的平均气温只有在升高5摄氏度或6摄氏度时才会发生生态危机，而现在只上升了不到2摄氏度，还有4摄氏度到5摄氏度的空间。而实际的情况是，2摄氏度可能就是我们最后的机会，一旦超过2摄氏度，情况极有可能无法挽回。因为冰层的融化将使海洋和陆地具有更强的吸热能力，最终使永冻层融化，从而释放更多的、比二氧化碳更强的温室气体——甲烷。因此，全球变暖的形势比原先预计的更加紧迫，目前大气二氧化碳的浓度已经达到危险值，应采取必要行动使之回到350ppm或更低水平。
　　

<strong>8.气溶胶浓度</strong>
　　
指标：尚无
临界点：未知

人类通过燃烧煤炭、畜粪、木材和作物秸秆制造了大量的粉尘，这些固态或液态的颗粒物在气流运动的作用下会悬浮在大气当中，科学家把这种烟雾状物质称为气溶胶。除人类活动外，自然活动也会产生气溶胶。据测算，目前地球大气中气溶胶的浓度已比前工业化时代多出了一倍以上。

气溶胶粒子具有分布不均匀、变化尺度小等特点，多集中于大气的底层，对降水的形成起重要作用。有研究已经证实气溶胶甚至能对东南亚的季风和雨量产生影响。此外，包含大量化学成分的气溶胶还能对植物和人类的健康产生直接影响，从而造成作物减产和人类呼吸系统疾病，严重时甚至能直接导致死亡。
　　
研究小组称，气溶胶的化学组成十分复杂：微量金属、无机氧化物、硫酸盐、硝酸盐甚至微生物或生物大分子都有可能包含其中。因为来源不同、形成过程不同，对环境的影响也很难准确评估。例如，主体成分为硫酸盐的气溶胶会具有反射太阳辐射的作用，从而产生制冷效应；主体成分为烟尘的气溶胶则会吸收太阳辐射，导致温室效应。因此，就全球范围而言，这些微粒的综合作用目前还无法判断，也无法给出临界点。


<strong>9.化学污染</strong>
　　
指标：尚无
临界点：未知
　　
今天，全球已有近10万种各不相同的人工化合物，数以百万计的化合物产品和数不清的化工副产品。
　　
我们都知道化学品尤其是重金属类有机化合物和放射性化合物会对人类和其他生物的健康造成严重危害。但目前的实际情况是，只有少数化学品得到了严格控制[《斯德哥尔摩公约》就对DDT、狄氏剂等农药以及六氯苯(HCB)和多环芳烃(PCBs)等工业化学品的排放和使用进行了严格限定]，更多的人工化合物的有害性尚不明了，在使用上也未加任何限制。此外，一些在个体上已被证实了无毒无害的化合物，经过相互反应后也同样可能产生毒副作用。
　　
临界点研究小组发现，儿童自闭症和多动症极有可能是在大范围接触过各种低浓度的化学物品后所产生的一种“鸡尾酒效应”。他们称其为“一种在无声中流行的神经系统紊乱症，极有可能在全球范围内普遍存在”。
　　
虽然一个包罗万象的“化学品临界点”极有价值，但研究小组认为，就人类目前的科学和认识水平来说，现在对此加以设置还为时过早。
　　
经过上述列举，我们能很清楚地发现：9个临界点中有3个已被严重超出、3个正在迅速接近，其余3个中的2个由于认识程度的限制目前还无法评估。这样一来，我们手中就只剩下了臭氧层这一张底牌。虽然臭氧空洞还仍旧存在，但同时应该看到的是：在经过一番努力之后，我们已从悬崖边成功地后退了几步。这至少说明了这样一个问题：只要肯抛弃分歧、团结一致，我们就还有挽回的余地。


作者：王小龙  来源：科技日报