地球面临九大危机

　　Earth faces nine crises

　　文/易家康

　　一个由各学科专家组成的研究小组为地球做了一次“全身”检查。研究小组的成员包括瑞典斯德哥尔摩环境研究所所长乔恩·罗克斯特罗姆、德国波茨坦气候影响研究所保罗·克鲁岑、美国国家航空航天局气候科学家詹姆斯·汉森等。

　　他们发现，由于人类活动，地球正面临9大危机。通过分析大量数据，他们极尽全力为地球设定所能承受的这9大危机的安全界限。那么，这9大危机的现状如何？是否已经达到无法挽回的地步？我们接下来一一诊断。

　　海洋酸化

　　安全界限：全球海洋的平均碳酸钙饱和度≥2.75∶1。

　　工业时代前期水平：3.44∶1。

　　目前水平：2.90∶1。

　　科学诊断：目前在安全界限内。不过，部分海洋的碳酸钙饱和度到21世纪中期将超过临界值。

　　当大气中的二氧化碳含量增多时，海洋吸收的二氧化碳相应增加。这些二氧化碳溶解在海水中，形成碳酸。从工业时代开始至今，海洋表层海水的pH(酸碱度)从8.16 下降到8.05。

　　目前，海洋酸化尚未对人类构成威胁，不过它已经对海洋的一些化学结构造成严重影响。其中，最重要的影响是它降低了溶解在表层海水中的碳酸钙含量。如果海洋中的碳酸钙含量过低，海洋中用碳酸钙构建外壳的生物就遭殃了。比如，珊瑚。当海洋中碳酸钙含量低于临界值时，珊瑚的碳酸钙外壳会溶解在海水中。

　　目前，全球海洋的平均碳酸钙饱和度已经从工业时代前期的3.44∶1下降到2.90∶1。而碳酸钙含量在不同海域中存在极大差异。据近期的统计数字估计，北冰洋等部分海域的碳酸钙饱和度可能降至1∶1。届时，珊瑚等海洋中的一些物种将在酸性海水中灭亡。此外，海洋吸收二氧化碳的能力降低，这将加剧全球气候变暖。

　　臭氧层空洞

　　安全界限：臭氧层平均厚度≥276个多布森单位。

　　目前水平：283个多布森单位。

　　科学诊断：目前处于安全水平。

　　臭氧层厚度用“多布森单位”表示。零摄氏度、标准海平面压力下，10-5米厚的臭氧层定义为1个多布森单位。当臭氧层厚度低于220个多布森单位时，臭氧层便出现空洞。20世纪70年代，南极上空的臭氧层空洞向人类发出警告。世界各国迅速采取行动弥补臭氧层空洞。随着导致臭氧层空洞的化学物质的禁用，臭氧层已经渡过了难关。

　　然而，噩梦还未完全结束。其中一个担忧是全球气候变暖带来的影响。当全球气候变暖后，更多的热量聚集在地表，致使臭氧层更加寒冷，很有可能促使滞留在大气层中的吞噬臭氧的化学物质把臭氧层“凿开”一个空洞。

　　克鲁岑曾因揭示臭氧化学现象而荣获诺贝尔化学奖。他建议，臭氧层的平均厚度不得低于276个多布森单位。随着吞噬臭氧的化学物质的浓度不断下降，我们有信心将臭氧层厚度维持在安全界限内。

　　淡水枯竭

　　安全界限：每年消耗淡水≤4000立方千米。

　　目前水平：每年消耗淡水2600立方千米。

　　科学诊断：到21世纪中期接近安全界限。

　　人类操控世界上的多条河流。因为修筑大坝，许多条河流终结了生命。人类行为已经导致许多湿地干涸。

　　另外，水资源的过度消耗还在威胁人类的生存。比如，饮用水短缺、农业灌溉缺水以及全球气候变化。50年来，中亚地区河流上的大坝已使咸海干涸。没有了咸海对气候的调节作用，整个中亚地区夏季更加炎热，冬季更加寒冷，土地一年四季面临干旱。

　　因为河流干涸，人们不得不抽取宝贵的地下水。一些人还在毁灭森林，破坏自然界的水循环。比如，亚马孙热带雨林的减少，将降低南美洲热带地区水的蒸发速度，有可能改变包括亚洲季风在内的北半球气候模式。

　　身为水利学家的罗克斯特罗姆把每年淡水消耗量的安全界限定在4000立方千米范围内。这个消耗量大致相当于世界三分之一的河流径流量，不包括雨林中和北极地区尚未开发的河流。我们离抵达上述安全极限还有一定距离。目前，每年淡水消耗量大约为2600立方千米。但是，我们不能掉以轻心，挥霍水资源。随着人口的增加，水资源只会越来越匮乏。为此，我们必须节约地球上的每一滴水。

　　物种灭绝

　　安全界限：每年物种灭绝率≤百万分之十。

　　目前水平：每年物种灭绝率至少百万分之一百。

　　科学诊断：远远超过安全界限。

　　人类的多种生产方式使地球上的许多物种灭绝。比如，在它们的栖息地上开垦农田或者铺路，引进与本地物种无法共存的外来物种，用污染物毒杀它们，猎食它们，以及改变全球气候，等等。尽管每个物种都是独立个体，但是对于地球这个大的生态系统而言，每个物种都有自身的价值。所以，物种的灭绝将破坏地球一系列生态系统，诸如回收废物、清洁污水、保持海洋化学结构。

　　生物多样性是健康生态系统的重要指标。目前，我们还不能确定究竟要损失多少物种、哪些物种，才会导致生态系统崩溃。当然，我们也不希望这一天到来。据统计，目前每年的生物灭绝率为百万分之一百。这一灭绝率堪比地球历史上经历的大规模灭绝事件，包括恐龙灭绝。

　　为了避免重现历史悲剧，研究小组把安全界限设定为每年生物灭绝率低于百万分之十。他们坦言，如果我们不控制物种的灭绝率，不给其他物种生存的空间，人类最终将把自己逼近险境。

　　氮循环失衡

　　安全界限：每年固氮量≤3500万吨。

　　目前水平：每年固氮量1.21亿吨。

　　科学诊断：远远超过安全界限。

　　氮是构成生命的基本元素。然而，地球库存的氮气不能被生物直接吸收，需要通过固氮作用成为氨，才能被生物吸收利用。自然界中存在一些固氮和脱氮的微生物。正是借助这些微生物，地球上的氮循环才能得以维持。

　　不过，人类的种植行为干预了氮循环。为了增加土壤中可吸收的氮，德国化学家弗里茨·哈勃于20世纪初发明了工业固氮方法，从大气中制取氮肥，从而改变了自然界原来的氮循环。如今，采用这种方法每年能从大气中固氮8000万吨，并将固态氮撒播到世界各地的农田里。此外，燃烧化石燃料、木材和农作物等方法也能固氮。目前每年人工固氮量达1.21亿吨，远远超出了地球所能承受的范围。

　　过量的氮正在酸化土壤，破坏许多物种。大量的氮注入周边的湖泊和海洋，导致多处水域富营养化。富营养化的水域滋生了大量水生生物，这些生物的生存又耗尽了水域中的氧气，致使许多水域成为一滩死水。

　　罗克斯特罗姆尝试着把人为固氮的安全水平设定在每年3500万吨，约占目前人工固氮总量的四分之一。这是一项艰难的任务。

　　田地匮乏

　　安全界限：≤15%的无结冰土地被用于农业种植。

　　目前水平：12%的无结冰土地被用于农业种植。

　　科学诊断：21世纪中期将达到安全界限。

　　农业的拓展速度继续加快，人们已经开始征用热带雨林作为农业用地。目前，世界上过半的热带雨林已经消失。草原原本是野生动物活动的天堂，现在却被人类圈养的牲畜占据。罗克斯特罗姆分析认为，农业扩张使地球生态系统丧失服务功能，加剧气候变化，并改变淡水循环。

　　目前，人们已经把大约12%的无结冰土地转变为农田，共计大约1600万平方公里。罗克斯特罗姆把土地利用的安全界限设定在全球15%无结冰土地转变为农田。不过，他坦言，更为关键的是我们不仅要限制农田数量，更要讲究如何使用农田。为了避免超过安全界限，我们应该提高农业种植率，充分发挥高产土地的价值。

　　气候变暖

　　安全界限：大气中的二氧化碳浓度≤350×10-6。

　　工业革命前期水平：280×10-6。

　　目前水平：387×10-6。

　　科学诊断：已经超过安全界限。

　　全球气候变暖是近年来讨论最多的话题。大量历史证据显示，大气中不断增多的二氧化碳温暖了地球。我们燃烧化石燃料，使得大气中的二氧化碳含量从工业化前期的280×10-6飙升到目前的387×10-6。研究小组则把安全界限设定为350×10-6。事实上，早在20年前，大气中的二氧化碳含量就已经超过了安全界限。

　　那么，既然已经超过了，为什么还要将350×10-6作为安全界限呢？如果这个安全界限属实的话，为什么在超过之后，我们仍然健在。研究小组给出的答案是，过量二氧化碳带来的影响不是瞬间的，而是长远的。它的影响就像滚雪球一样，越积越多，直至给人类带来毁灭性的灾难。我们之所以现在还健在，是因为这个雪球还在壮大中。

　　研究小组解释说，由二氧化碳直接造成的每1摄氏度升温都被其他反馈作用所增强。海冰消融后暴露出深色海洋，这意味着地球将吸收更多的太阳热量。温度越高，水蒸发越快，因此大气中的水蒸气含量增加，这是另一种潜在的大气保温气体。这些反馈作用带来的负面效应正是研究人员最为担心的。他们警戒世人，由二氧化碳造成气温上升1摄氏度，会通过反馈作用最终使气温升高约3摄氏度。

　　另外，地球升温可能带来更恶劣的影响。一些气候学家强调还有其他缓慢的反馈作用。例如，暖和的大气最终会打破二氧化碳和甲烷固有的稳定状态。据此推理，假如二氧化碳造成气温上升1摄氏度，则最终的结果是气温升高6摄氏度。

　　这实在是一件棘手的事情。不过，值得庆幸的是，我们还有补救的时间，因为那些缓慢的反馈作用可能需要花费一定时间。但是，这个补救的时间并不长。我们一定要牢牢把握住。

　　气溶胶“超载”

　　安全界限：尚未认定。

　　科学诊断：未知。

　　人类活动搅乱了地球的生态平衡，在燃烧煤炭、粪肥、森林和废弃农作物时产生灰尘，使得大气中的烟尘、硫酸和其他微粒含量增加。自工业革命以来，地球上的气溶胶浓度已经增加了两倍以上。这些气溶胶不仅影响气候，还对人类健康构成威胁。

　　但是，这些气溶胶的影响多变。比如，一些硫酸盐之类的气溶胶反射阳光，造成大气降温；一些烟灰之类的气溶胶吸收阳光和再辐射热量，造成大气升温。地球如何平衡这些变数，目前尚未明朗。气溶胶还在其他方面影响气候。例如，横贯南亚和东亚上空的几乎永恒不散的褐色烟霾是一个迫切需要研究的课题。因为科学家发现，它可能影响季风到来的时间和地点。同时，气溶胶落在农田上，减少农作物产量，而且还会导致数百万人死于肺病和心脏病。

　　气溶胶造成的威胁是巨大的。不过，有关气溶胶的许多未知因素使得罗克斯特罗姆研究小组无法用数字界定安全界限。

　　化学污染

　　安全界限：尚未认定。

　　科学诊断：未知。

　　目前，地球上人造的化学物质接近10万种。我们用这些人造的化学物质生产上百万种产品。在生产的同时，我们又会得到一些额外的副产品。界定化学物质的安全界限意义重大。但是，如何界定还是个难题。

　　人们对化学物质的主要担忧源自它们对人体和野生动物健康的影响。其中人们最为关注的是那些诸如铅之类的有毒重金属、积累在人体组织中的有机污染物以及放射性化合物。

　　目前，有些有毒化学物质已经得到控制。例如，双对氯苯基三氯乙烷(DDT)、多氯联苯(PCB)和二 英。但是，其他大部分化学物质的影响尚未得到评估。而且，一些温和的化学物质也可能组合起来产生大于其单独使用时的毒性。罗克斯特罗姆研究小组猜测，孤独症和儿童多动症的诱因可能源自多种低浓度温和化学物质的共同作用。

　　根据以上诊断结果，我们不难看出，地球目前的状态不佳。其中，全球气候变暖、物种灭绝和氮循环失衡等危机最为严重，已经超出了安全界限。另外，淡水枯竭和田地匮乏等危机正逼近临界值，而不断酸化的海洋上空也笼罩着阴霾。剩余3个危机中的2个我们尚未获得科学的诊断方法，也就无法为其设定安全界限。

　　不过，这里有一条好消息。面对臭氧层空洞，人类积极补救，臭氧层空洞正在逐步愈合。人们拯救臭氧层的同时，也拯救了自己。这至少给人们一个信心，采取行动是必要的，而且也能取得最终成功。看来，地球一直在眷顾人类，关键就看人类能否把握机会。

　　(本文选自《科学画报》2010年6月号)