《科學大家》專欄|第51個世界地球日：復原我們的地球

2009年，時任Stockholm Resilience Centre主任的Johan Rockström和Australian National University的Will Steffen教授提出了著名的“行星邊界”（Planetary Boundaries）概念，定義了維護地球系統安全運行的九大空間，也展示了人類世以來地球系統所承受的多重壓力。2015年，Johan Rockström在他的書《大世界小星球》（Big World Small Planet）中，再次展現了人類發展與地球系統生態極限的重要關係。如書中所言，我們曾經是一羣小小的人類，生活在大大的地球上。30萬年之後，我們成長爲大大的羣族，而那地球，竟顯得如此渺小。人類發展是基本權利，然而它所帶來的對自然資源的過度開發、不當利用、和隨意棄置，觸目驚心：20世紀中葉，全世界的碳排放約爲50億噸；短短50年後，全世界的碳排放足足翻了4倍；而今天，全球每年的碳排放約爲360億噸。同時，全球每年產生的垃圾約有20億噸。氣候變化的挑戰已經愈發明顯，從北極冰川的消融，到海平面上升，到頻繁發生的極地漩渦，和愈演愈烈的各種極端天氣災難，9個氣候引爆點，危在旦夕。在越來越多人心中，敲起了警鐘：一個地球，對我們，對我們的子孫後代，還夠嗎？

終於，2015年12月12日，在巴黎召開的氣候大會（COP21）190個締約方簽訂了有史以來首個具普遍性和法律約束力的全球氣候變化協定--《巴黎協定》，商定並規劃了主要通過減排來實現的本世紀末氣候目標。雖然2020年初的一場疫情，對全球氣候行動帶來了不小的挑戰，但自2020年開始，已經有124個國家相繼承諾將於2050-2060年，實現淨零排放。這些國家代表了全球59%的人口，68%的GDP，以及61%的碳排放。顯然，人類已經開啓了零排放競賽。而這場競賽的終極目標只有一個：爲現世，也爲子孫萬代，保護這顆珍貴的地球。

2021年4月22日將迎來第51個世界地球日（Earth Day），今年的主題亦是“復原我們的地球”（Restore Our Earth）。我們的地球經受了哪些挑戰，又需要什麼樣的修復？

民以食爲天

飽腹，是人類生存的第一要素。但如何用有限的土地，養活不斷增加的人，在1908年之前，是一個巨大挑戰。曾經，許多科學家試圖將空氣中的氮提供給植物，但結果多是徒勞的，直到德國化學家弗裏茨·哈伯（Fritz Haber）發現了一種合成氨的方法。基於這一開創性的發現，弗裏茨·哈伯（Fritz Haber）和卡爾·博世（Carl Bosch）聯合開發了被諾貝爾獎肯定並最終改變了歷史的哈伯·博世氨生產工藝。它帶來了前所未有的農業生產革命。從此，農業生產進入嶄新的篇章。通過使用廉價的氮肥，農業生產力大幅提高，所產生的糧食產量，能夠供給人類歷史上前所未有的人口增長，而糧食的價格，也不斷降低，使得更多的人可以負擔的起。

然而，幫助糧食產量提升的氮肥，卻無形中成爲了溫室氣體的主要貢獻者。目前，農業佔全球約15%的溫室氣體排放，其主要的源頭來自於農業施肥。此外，哈伯·博世氨生產工藝過程也製造巨大的二氧化碳排放。誠然，如Smith和Torrente-Murciano1在其文章中所建議的，使用風力和水力能源將使哈伯·博世氨生產工藝近零排放，但施肥所產生的氮污染，是目前缺乏解決方面的人類所面臨的巨大環境挑戰。如Sutton et al.2的Commentary所述，雖然氮污染和衆多可持續發展目標相關，並終於2020年制定了2030年氮排放減半的宏偉目標，目前，仍缺乏對氮污染的全球治理。此時，學界應該起到先鋒作用，爲政策制定者提供基於科學的建議，並幫助他們制定符合實際且切實有效的氮治理體系。

但這絕不意味着，人類必須停止現代農業的生產方式。我們必須意識到，截至目前，全球仍有6億9千萬人，在飢餓中度過每一天，而這一數字，在10年後，可能上升至8億4千萬。正如《巴黎協定》所明確指出的，我們要提高適應氣候變化不利影響的能力並以不威脅糧食生產的方式增強氣候復原力和開展溫室氣體低排放發展。也如One Earth2020年1月刊Voices3中11位專家所言，解決農業相關的溫室氣體問題，是整體性問題，通過世界糧食系統的革新性改變，在爲更多的人提供營養、健康和足夠的糧食的同時，務必要走向低碳、綠色、和可持續的道路。

2019年，由EAT 和《柳葉刀》集結37位來自多領域的世界頂尖科學家打造了著名的EAT-Lancet4報告，探討了如何在不破壞地球安全運行空間的情況下，爲100億人提供足夠的、健康的、有營養的食物，並提出了具有開創性意義的《星球健康營養餐》（The Planetary Health Diet），推動以人爲本的糧食系統的可持續轉型。

能源與未來

有如糧食爲個人的成長提供能源，社會和人類的發展，也從來沒有獨立於能源而存在過。從火的發現，到電的使用，能源始終作爲一種重要的生產生活要素，伴隨左右。從煤、石油，到天然氣，大自然饋贈予人類的自然資源，無一不被用來推動人類世的進步。

但這進步的背後，也揹負着巨大的代價。現時經濟體系的運作，嚴重依賴於化石能源。除了燃燒化石能源以提供電力和其它動力，用於生產生活交通運輸，化石能源也以多種形式存在於日常的各種經濟行爲，作爲基礎設施建設必需品 – 如鋼、鐵等，以及日常生活消費品 – 如塑料，衣服等多種產品的投入要素。其結果是，我們對化石能源的使用，貢獻了超過2/3的全球溫室氣體排放。除了對環境健康的破壞，被污染的空氣、水、甚至糧食，也損害了人類健康。能源系統的清潔轉型，迫在眉睫。

值得稱讚的是，目前，全球能源體系統中可再生能源的份額已經提升至將近20%。回顧剛剛過去的2020年，雖然新冠疫情橫掃全球每個角落，並對世界經濟的穩健造成了巨大的挑戰，但與2019年相比，可再生能源使用的比例仍然上升了一個百分點，而使用可再生能源發電的比例也持續上升了五個百分點，其中，光伏能源上升的比例最大。當然，這離實現2050零排放目標所需要的60%的份額仍有不少的差距。隨着疫情的逐步緩解，以及越來越多的國家對近零排放目標的承諾，可再生能源的比例需要在後疫情重建時期得到大幅提升。如Jacobson et al。（2019）5 的文章中所展望的，佔全球99.7%GDP 的143個國家有相當大的潛力可以實現大幅度的清潔能源轉型，而該轉型所帶來的的效益，可以使碳排放在2030年減少約80%，降低能源成本約61%，創造2860個工作職位，並大幅改善環境水平。

當然，我們必須看到，不是所有的國家和地區都具備能夠徹底轉型至可再生能源的條件，比如缺少良好的光照或者不具備提供足夠風力發電的動能。而且，由於可再生能源本身的間歇性，以及目前仍需繼續提升的儲能潛力，在很多國家，如俄羅斯，美國，日本，法國，中國等，使用核能發電成爲了能源系統低碳轉型的重要途徑。

然而，核反應過程會產生多種放射性物質，無論對環境，還是人類，如果處置不當，都會造成嚴重的傷害。對於核廢物的安全處理與處置，需要制定和執行與核燃料循環、廢物管理和研究堆相關的各種策略和技術，但目前仍是一個難題。10年前的福島核電站事故引發了後續關於核廢水排放的爭論，但更令人震驚和擔憂的是，10年後，日方在未窮盡安全處置數段的情況下，一意孤行的單方面決定以排海的方式處置福島核電站事故核廢水，不僅將嚴重損害國際公共健康安全和周邊國家人民切身利益，並將對全球的海洋安全造成無法彌補的重創。

生命之洋

從新冠病毒伊始，很多人對2020開啓的未來提問：這是舊事物的終結還是新事物的開始？從環境和可持續發展角度而言，它既是重新作出氣候承諾的十年的開始（儘管COP26被推遲到了2021年），也是聯合國生態系統恢復十年的重要籌備年。在所有議題中，我們不難發現，由2020開啓的新十載，也是對海洋健康至關重要的時代。

可能很對人還沒有意識到的是，是海洋定義了地球。大量液態水的存在使這個世界適於居住。海洋孕育並維持着生命。它鼓勵和促進了人類文明的發展和壯大。它是我們尋求征服的地平線，也是我們賴以生存的資源。地球上的人都受益於海洋提供的服務：我們呼吸的氧氣有一半是由海洋中的生命產生的，它強大的洋流在地球周圍傳遞熱量，它吸收二氧化碳的能力緩衝了氣候變化的最壞影響，還有無數的生命在它的深處提供了大約20%的動物蛋白質。除漁業外，海洋在運輸、能源和旅遊部門支撐着全球經濟，因此全球30多億人的生計依賴於海洋資源。顯然，海洋的健康對地球及其子民都至關重要。

但藍色巨人的能力並不是無限的。幾十年來，我們對海洋的需求和利用海洋資源的技術能力不斷提高，目前世界上近90%的海洋魚類資源已被充分甚至過渡開發。工業化、管理不當、糟糕的政策和不適當的補貼鼓勵了這些不可持續的行爲，其速度與海洋補充庫存的能力不一致。不斷增加的碳、營養和塑料污染水平正在使海洋酸化、缺氧和亂扔垃圾，以至於海洋的恢復能力現在受到質疑。最重要的是，被氣候變化所籠罩的陰影越來越大：氣溫上升，海洋熱浪的頻率和強度增加，正在導致大規模死亡和生態系統退化。海洋的健康狀況正在惡化，而且正在以超過大多數預測的速度惡化。

認識到這些挑戰，聯合國宣佈了海洋科學促進可持續發展十年，將於2021年至2030年執行（http://www.oceandecade.org/）。該十年旨在發展必要的科學知識、基礎設施和關係，以確保海洋可持續發展，造福海洋生態系統和社會。這十年的願景是宏偉的、鼓舞人心的，但時間是關鍵。聯合國稱這是一個“千載難逢的機會”，2020年是規劃其發展的關鍵。Claudet 等人6也提出了以科學爲基礎的未來十年海洋可持續發展的道路。

然而我們爲維護海洋健康所作出的努力，在日本政府缺乏科學依據，缺少國際信條的核廢水肆意傾倒的行爲下，很有可能付之一炬。

未來之路

2021年是聯合國氣候變化行動十年項目的開年。同時，它也開啓了實現聯合國2030可持續發展目標的關鍵衝刺階段。人與自然的和諧相處，也必須以命運共同體作爲考量基礎，在不斷發展社會、經濟、科技的同時，也必須兼顧到我們與地球母親之間的可持續且長久的關係。如果沿用當下普遍採用的線性經濟模式，如最新的Circularity Gap Report7所述，將導致3-6度的氣溫升高，而要實現《巴黎協定》所定義的1.5-2度氣溫升高目標，我們需要加速轉型到循環經濟模式，並將全球的循環性從現在的8.6%提升到17%。

未來屬於我們的青年朋友，但未來也必定將由歷史定義。實現可持續發展，絕非易事，它需要大局性、系統性、以及開創性的基於科學的策略和行動。這需要自然科學、應用科學、和社會科學之間更多的交叉互融，也需要學界、商界、與政界之間更多的緊密合作。如霍金在他最後一本書中所言，塑造美好未來的一個關鍵因素是普及科學。讓更多的人，尤其是青年人，受到良好的教育，接觸到各類科學知識，更好的認識世界。有如《科學大家》提供的這樣一個平臺，可以讓科學通過降維的模式更廣泛的被更多的人所瞭解，產生關注，逐步學習。我們可以做到的是對未知的不斷探索，對關乎人類、自然、社會發展重大挑戰不斷尋求解決方案的實際行動。無論是否有存在於地球之外的第二個人類得以安身立命的星球，此刻，我們能夠做的，是珍愛和呵護我們已經擁有的無價地球。

（Cell Press旗下期刊 One Earth 科學編輯：張珊珊）