近一万年来——自从文明曙光和全新世时代以来——我们的世界似乎大得难以想象。广阔的陆地和海洋边疆提供了无限的资源。人类可以随意污染，他们可以通过迁徙到其他地方来避免任何地方性的影响。人们建立起整个帝国和经济体系，依靠的是他们利用看似取之不尽的财富的能力，却从未意识到这种特权会走向终结。
但由于公共卫生、工业革命以及后来的绿色革命的进步，人口从1800年的约10亿激增到今天的近70亿。仅在过去50年中，我们的人口就增加了一倍以上。在富裕的推动下，我们对资源的使用也达到了惊人的水平；50年来，全球食物和淡水消耗量增加了两倍多，化石燃料的使用量增加了四倍。我们现在共同占用了地球上所有光合作用的三分之一到二分之一。
这种肆无忌惮的增长也使污染从局部问题扩大到全球性冲击。平流层臭氧消耗和温室气体浓度是明显的复杂因素，但许多其他有害影响也在上升。
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人口增长、资源消耗和环境破坏的突然加速改变了地球。我们现在生活在一个“满负荷”运转的世界中，资源和吸收废物的能力有限。在这种世界中生存的规则也不同了。最根本的是，我们必须采取措施，确保我们在环境系统的“安全操作空间”内运作。如果我们不改变我们的方式，我们将造成灾难性的变化，可能会给人类带来灾难性的后果。
什么会导致这些变化？我们如何避免它们？一个由世界各地的科学家组成的团队——由瑞典斯德哥尔摩韧性中心的约翰·罗克斯特罗姆领导，成员来自欧洲、美国（包括我）和澳大利亚——最近通过一个更大、相关的问题寻求答案：我们是否正在接近行星“临界点”，这将把全球环境推向危险的新领域，超出人类历史上所见的任何情况？
在检查了大量关于物理和生物系统的跨学科研究后，我们的团队确定了九个环境过程可能会破坏地球支持人类生命的能力。然后，我们为这些过程设定了边界——人类可以在其中安全运作的限制。七个过程有明确的边界，由一个数字科学定义（当然，这其中存在一些不确定性）。其中三个边界——气候变化、海洋酸化和平流层臭氧消耗——代表临界点，而另外四个则标志着不可逆转的退化的开始。其余两个过程——大气气溶胶污染和全球化学污染——尚未得到广泛研究，因此尚未设定限制。
我们小组的分析表明，三个过程已经超出其边界：生物多样性丧失、氮污染和气候变化。所有其他过程都在朝着阈值移动。个别限制可能会进行微调，未来可能会增加其他限制，但该集合代表了世界最危险环境状况的“首要”总结，并为思考如何管理威胁提供了框架。
化石燃料的复杂性
了解我们最紧迫的环境问题的原因，为解决这些问题提供了线索。在气候变化和海洋酸化这两个案例中，罪魁祸首都太熟悉了：人类对化石燃料的使用，这会将二氧化碳 (CO2) 释放到大气中。
气候变化。尽管我们的星球已经经历了显著的人为变暖，并将经历更多变暖，但科学家和政策制定者正在寻求方法来避免最严重的后果——包括极地冰盖的丧失、淡水供应的崩溃以及区域天气系统的紊乱。目前，CO2 浓度为 387 ppm（按体积计算，常用计量单位），关于所有温室气体的哪个水平会导致危险的气候变化，争论仍在继续；建议值范围为 350 至 550 ppm 的 CO2。在我们的分析中，我们建议将保守的长期目标定为 350 ppm，以使地球远离气候临界点。为了实现该目标，世界必须立即采取行动，稳定温室气体排放，并在未来几十年内将其大幅降低到当前水平以下。
海洋酸化。正在进行的海洋酸化是鲜为人知但与气候变化相关的现象。随着大气 CO2 浓度的升高，溶解在水中形成碳酸的 CO2 量也会增加，这使得表层海洋更具酸性。海洋天然呈碱性，pH 值约为 8.2，但数据显示 pH 值已降至接近 8.0 并持续下降。我们小组用于量化此类变化造成的损害的指标是表层水中产生的文石（碳酸钙的一种形式）水平的下降。从珊瑚到构成海洋食物链基础的众多浮游植物，许多生物都依赖文石来构建骨骼或外壳。酸度的增加可能会严重削弱海洋生态系统和食物网，这为各国转向低碳能源未来提供了另一个令人信服的理由。
粮食生产的影响
人类已经占用了地球陆地表面的 35% 用于种植农作物和牧场，而扩大农业是清理新土地的主要动机，从而破坏了自然生态系统。由于人类的土地利用方式，几个行星边界正处于被突破的危险之中
生物多样性丧失。土地开发正在造成地球历史上最伟大的灭绝事件之一。我们物种的丧失速度比地质记录中看到的自然背景速度快 100 到 1000 倍。这种丧失速度遍布全球陆地和海洋生态系统，并可能破坏区域和全球范围内的生态过程。保护生物多样性的努力，特别是在敏感的热带森林中，需要更多关注。诸如联合国减少毁林和森林退化排放计划（称为 REDD）之类的倡议，该计划开发资金以减缓热带森林的清理，可以同时解决生物多样性下降和碳排放问题，并且可能非常有效。
氮和磷污染。工业化肥的广泛施用扰乱了地球的化学平衡。化肥的使用使氮和磷在环境中的流动量增加了一倍以上，每年氮的流动量为 1.33 亿吨，磷的流动量为 1000 万吨。这两种流动都造成了广泛的水污染，破坏了许多湖泊和河流，并通过造成大型缺氧“死亡区”破坏了沿海海洋。我们需要新的农业实践，既能提高粮食产量，又能维持环境。
淡水枯竭。在全球范围内，我们每年从河流、湖泊和含水层中提取惊人的 2600 立方千米的水，用于灌溉（70%）、工业（20%）和家庭使用（10%）。结果，许多大型河流流量减少，有些甚至完全干涸。标志性的例子包括不再流入海洋的科罗拉多河，以及中亚的咸海，现在基本上是沙漠。未来的需求可能非常巨大。大幅提高全球用水效率，特别是灌溉用水效率，将有助于避免更严重的下降。
远离
我们小组最初在自然杂志上发表的论文几个月前引起了健康的科学辩论。在很大程度上，这项工作受到了好评，并被视为一项思想实验，旨在为世界定义危险的“不可逾越”的界线。然而，我们甚至试图设定边界也受到了某些科学家的严厉批评；其他人则不同意我们设定的数字。
也许最重要的评论是，通过设定阈值，我们可能会鼓励人们认为，只要环境破坏保持在限度之内，就是可以接受的。郑重声明，这绝不是我们提出的！社会不应允许世界在采取行动之前漂移到边界。例如，从离边界三分之一的路程推进到三分之二的路程仍然会造成严重损害。我们敦促人们足够聪明和无私（对后代而言），尽可能远离极限，因为每个极限都代表着一场环境危机。
大多数批评都是合理的，我们小组也预料到了其中许多批评。我们知道，边界的概念需要更多的研究——特别是在完善数字方面，我们仍在继续努力。但我们认为这个概念是强大的，将有助于构建关于人类生存环境限制的集体思考。我们希望这些结果能够激发科学界的讨论；看来我们已经如愿以偿了。
解决方案的开始
在世界解决全球可持续发展的经济、社会和环境要求时，应尊重一套全面的行星边界。社会已经开始应对一些挑战，但只是以零敲碎打的方式，独立地考虑每个边界。但是这些限制是紧密相连的。当一个阈值被突破时，它会对其他阈值施加压力，增加突破它们的风险。例如，超过气候变化限制可能会推高物种灭绝率。同样，氮和磷污染可能会破坏水生生态系统的恢复能力，大大加速其生物多样性的丧失。尽管我们的补救措施是出于好意，但试图一次解决一个因素很可能会失败。
在这个关键时刻，科学家仅仅定义问题然后回家是不够的。我们还必须开始提出解决方案。以下是一些初步的想法
向高效、低碳能源系统转型。气候变化和海洋酸化等紧迫问题要求我们尽快稳定大气 CO2 浓度，最好低于 350 ppm。转型将需要大规模提高能源效率，然后迅速扩大低碳能源来源的规模。
大幅减少土地清理和退化，特别是热带森林砍伐。许多行星限制，特别是生物多样性丧失，都受到人类住区无情扩张的损害。
投资于革命性的农业实践。包括与养分污染和用水量相关的几个边界都受到我们工业化农业系统的影响。新的方法是可能的，包括新品种和精准农业技术，以及更有效率地利用水和肥料。
在我们实施解决方案时，我们应该认识到，没有实现更可持续未来的简单规则手册。我们将随着经济系统、政治制度和社会行动的推进而制定新的工作原则，始终敏锐地意识到我们对环境和人类过程的有限理解。任何基准或创新实践都应使我们能够对不断变化的环境健康和社会需求指标做出反应，同时帮助我们增强自然和人类系统的韧性，使其更具稳健性，更能抵抗极有可能发生的意外冲击。为了最大限度地提高这种韧性，我们将不得不尽最大努力在日益缩小的地球的边界内生活。
环境威胁的解决方案
专家告诉大众科学哪些行动将使关键过程保持在界限内
生物多样性丧失 格雷琴·C·戴利，斯坦福大学环境科学教授
现在是时候面对残酷的现实了，即仅靠传统的保护方法注定要失败。自然保护区太小、太少、太孤立且太容易发生变化，无法支持地球生物多样性的极小一部分。挑战在于使保护具有吸引力——从经济和文化的角度来看。我们不能继续像对待自助餐一样对待自然。
我们依赖自然获得粮食安全、清洁的水、气候稳定、海产品、木材以及其他生物和物理服务。为了维持这些益处，我们不仅需要偏远的保护区，还需要无处不在的地方——更像是“生态系统服务站”。
一些先驱者正在将保护与人类发展相结合。哥斯达黎加政府正在为热带森林的生态系统服务向土地所有者付款，包括碳补偿、水力发电、生物多样性保护和风景美景。中国正在投资 1000 亿美元用于“生态补偿”，包括奖励保护和恢复的创新政策和金融机制。该国还在创建“生态系统功能保护区”，占其陆地面积的 18%。哥伦比亚和南非也进行了戏剧性的政策变革。
三项进展将有助于世界其他地区推广此类成功模式。一：新的科学和工具，以生物物理、经济和其他术语评估和核算自然资本。例如，自然资本项目开发了 InVEST 软件，该软件将生态系统服务的评估与权衡相结合，政府和企业可以在规划土地和资源利用以及基础设施开发时使用。二：在资源政策中令人信服地展示此类工具。三：政府、发展组织、企业和社区之间的合作，以帮助各国建立更持久的经济，同时维持关键的生态系统服务。
氮循环 罗伯特·豪沃思，康奈尔大学生态学和环境生物学教授
人类活动极大地改变了全球氮的流动。最大的单一贡献者是化肥的使用。但化石燃料的燃烧实际上在某些地区，例如美国东北部，主导着这个问题。在那种情况下，解决方案是节约能源并更有效率地使用能源。混合动力汽车是另一种极好的解决方案；它们的氮排放量明显低于传统汽车，因为它们的发动机在车辆停止时会关闭。（传统汽车的排放量实际上在发动机怠速运转时会上升。）如果要求早于《清洁空气法》及其修正案的发电厂遵守规定，美国发电厂的氮排放量也可以大大减少；这些发电厂的污染远远不成比例于它们产生的电量。
在农业方面，许多农民可以少用肥料，作物产量的减少将是微乎其微的，甚至不存在。玉米田的径流尤其可以避免，因为玉米的根系仅渗透到土壤的表层几英寸，并且仅在一年中的两个月内吸收养分。此外，如果农民种植冬季覆盖作物，如黑麦或小麦，氮的流失可以减少 30% 或更多，这可以帮助土壤保持氮。这些作物还可以增加土壤中的碳固存，从而减缓气候变化。更好的是种植多年生植物，如草，而不是玉米；氮的流失量要低得多。
来自集中动物饲养场 (CAFO) 的氮污染是一个巨大的问题。早在 20 世纪 70 年代，大多数动物都以当地作物为食，动物的粪便被送回田地作为肥料。今天，美国大多数动物都以数百英里外种植的作物为食，这使得归还粪便“不经济”。解决方案是什么？要求 CAFO 所有者处理他们的废物，就像市政当局必须处理人类废物一样。此外，如果我们少吃肉，产生的废物就会减少，种植动物饲料所需的合成肥料也会减少。食用在多年生草地上放养的动物的肉将是理想的选择。
乙醇作为生物燃料的爆炸性增长极大地加剧了氮污染。一些研究表明，如果达到美国强制性乙醇目标，流入密西西比河并为墨西哥湾死亡区提供燃料的氮量可能会增加 30% 到 40%。最好的替代方案是放弃玉米生产乙醇。如果该国想要依赖生物燃料，它应该转而种植草和树木并燃烧这些草和树木来热电联产；氮污染和温室气体排放将低得多。
磷循环 大卫·A·瓦卡里，史蒂文斯理工学院土木、环境和海洋工程主任
由于生活水平的提高，磷的需求增长速度快于人口增长速度。按照目前的速度，易于获取的储量将在不到一个世纪的时间内耗尽。因此，我们的两个目标是节约磷作为一种资源，并减少磷的径流，后者会破坏沿海生态系统。
通过环境的最可持续的磷流量将是自然通量：每年 700 万公吨 (Mt/yr)。为了达到这个标记，同时满足我们每年 22 Mt/yr 的用量，我们将不得不回收或再利用 72% 的磷，如果需求进一步上升，将不得不进行更多的回收。
通过现有技术可以减少流量。免耕耕作和梯田等保护性农业技术可以将进入河流的流量减少 7.2 Mt/yr。大部分未回收的农场动物磷废物——约 5.5 Mt/yr 流入大海——基本上可以通过将其运送到农业地区并在那里使用来消除。对于人类废物，技术可以将回收率从 50% 提高到约 85%，从而节省 1.05 Mt/yr。
这些行动是“唾手可得的果实”，基于可行的措施，而不是避免危险情景所需的措施。然而，它们会将流入水道的损失从 22 Mt/yr 降低到 8.25 Mt/yr，略高于自然通量。
气候变化 阿黛尔·C·莫里斯，布鲁金斯学会气候与能源经济项目政策主任
选择一个大气浓度来稳定温室气体，虽然表面上是一个科学决定，但需要权衡实现不同目标的收益和成本，并确定谁来支付。鉴于这有多么困难，我们应该采取能够最大限度降低成本并为多年的行动保持共识的政策。
第一步是不要在摇篮里扼杀共识，不要提出短期的雄心壮志，因为愤怒的选民会要求否决他们认为成本过高的计划。
基于价格的气候政策可以避免此类经济和政治阈值。在国内，一种选择是不断上涨但合理的全国性温室气体税。另一种选择是碳排放与交易系统，其中排放许可证以随时间推移而上涨的预设范围内的价格进行交易。受监管的价格范围将使排放成本保持在足够高的水平，以促使雄心勃勃的减排，但如果上限被证明是不经意间过于严格，则将限制对经济（以及计划本身）的风险。
国际协议也应允许基于价格的承诺，以此作为可能被证明不可行的严格排放限制的替代方案。气候条约可以允许各国承诺缴纳商定水平的税款。这种灵活性可以缓解发展中国家对上限可能会扼杀减贫的担忧。要保持在“安全操作空间”内，就需要保持在所有相关边界内，包括选民的支付意愿。
土地利用 埃里克·F·兰宾，斯坦福大学和鲁汶大学地球系统教授
为了控制土地利用的影响，我们应该关注全球耕地的分布。集约化农业应集中在具有高产作物最佳潜力的土地上。但是，很大一部分优质土地正在流失。我们有可能达到这样一个临界点，即任何粮食（更不用说生物燃料）产量的增加都会促使热带森林和其他生态系统的快速清理，以及耕地向产量较低的边际地带扩张。
我们可以通过控制土地退化、淡水枯竭和城市扩张来避免失去最好的农业用地。这一步将需要分区和采用更高效的农业实践，尤其是在发展中国家。通过减少粮食分配链中的浪费、鼓励较慢的人口增长、确保更公平的全球粮食分配以及大幅减少富裕国家的肉类消费，也可以减少对农田的需求。
通过制定强有力的休耕政策，也可以为自然腾出更多土地，欧盟已经这样做了。一些发展中国家（中国、越南、哥斯达黎加）由于更好的环境治理、现代化土地利用的强烈政治意愿、文化变革以及依赖土地利用法规和激励措施来维持生态系统服务的政策，已成功地从森林砍伐转向森林恢复。这些国家的挑战在于继续执行此类政策，而无需进口更多粮食。
海洋酸化 斯科特·C·多尼，伍兹霍尔海洋研究所高级科学家
由于全球二氧化碳排放，海洋正在变得更酸，但全球、区域和地方解决方案是可能的。在全球范围内，我们需要停止向大气排放 CO2，并可能最终将浓度降低到工业化前水平。主要策略是提高能源效率、转向可再生能源和核能、保护森林以及探索碳封存技术。
在区域范围内，营养物质径流到沿海水域不仅会造成死亡区，还会加剧酸化。过量的营养物质会导致更多的浮游植物生长，并且当它们死亡时，它们腐烂产生的额外 CO2 会使水酸化。我们必须更明智地对待田地和草坪施肥以及处理牲畜粪便和污水。另一项措施是减少酸雨，酸雨主要由发电厂和工业排放引起；当雨水到达海岸线时，它不会停止。
在当地，酸性水可以用石灰石或通过电化学方法从海水和岩石中产生的化学碱来缓冲。更实际的方法可能是保护特定的贝类床和水产养殖渔场。蛤蜊和牡蛎等幼虫软体动物似乎比成虫更容易受到酸化的影响，将旧的贝壳回收利用到泥土中可能有助于缓冲 pH 值，并为幼虫附着提供更好的基质。贝类孵化场可以控制水化学并转向更强壮的物种。
预计海洋 pH 值下降将在未来几十年加速，因此海洋生态系统将不得不适应。我们可以通过减少其他损害（如水污染和过度捕捞）来提高它们成功的机会，使它们能够更好地承受一些酸化，同时我们逐步摆脱化石燃料能源经济。
淡水利用 彼得·H·格莱克，太平洋研究所所长
很少有理性的观察家否认需要限制淡水使用。更有争议的是定义这些限制在哪里，或者采取哪些步骤来约束我们自己。
描述这些边界的另一种方式是峰值水资源的概念。三个不同的想法很有用。“峰值可再生”水资源限制是流域内的总可再生流量。世界上许多主要河流已经接近这个阈值——当蒸发和消耗超过来自降水和其他来源的自然补给时。“峰值不可再生”限制适用于人类用水量远远超过自然补给率的情况，例如大平原、利比亚、印度、中国北方和加利福尼亚中央山谷部分地区的化石地下水盆地。在这些盆地中，提取量的增加之后是趋于平稳，然后是减少，因为获取日益减少的资源所需的成本和工作量增加——这与峰值石油的概念相似。
“峰值生态”水资源是指对于任何水文系统，增加取水量最终都会达到这样一个临界点，即取水带来的任何额外经济效益都会被由此造成的额外生态破坏所抵消。尽管很难准确量化这个临界点，但我们显然已经超过了世界各地许多盆地的峰值生态水资源临界点，这些盆地已经发生了巨大的破坏，包括咸海、大沼泽地、萨克拉门托-圣华金谷以及中国的许多流域。
好消息是，在不损害人类健康或经济生产力的情况下，节约的潜力巨大。在每个部门都可以提高用水效率。通过将传统的漫灌改为滴灌和精准喷灌，以及更准确地监测和管理土壤水分，可以用更少的水（和更少的水污染）种植更多的食物。传统发电厂可以将水冷改为干冷，而更多能源可以通过极少用水的来源产生，例如光伏和风能。在家庭中，数百万人可以用高效的设备取代低效的设备，特别是洗衣机、马桶和淋浴喷头。
臭氧消耗 大卫·W·费希，美国国家海洋和大气管理局物理学家
根据《维也纳保护臭氧层公约》制定的《蒙特利尔议定书》在二十年中将消耗臭氧物质——主要是氯氟烃 (CFC) 和哈龙——的使用量减少了 95%。截至 1 月 1 日，签署该议定书的 195 个国家不再进行生产。因此，平流层臭氧消耗将在 2100 年前基本逆转。这一成果部分依赖于中间替代品，特别是氢氯氟烃 (HCFC)，以及越来越多地使用不造成消耗的化合物，例如氢氟烃 (HFC)。
持续成功取决于以下几个步骤
继续观测臭氧层，及时揭示意外变化。确保各国遵守法规；例如，HCFC 淘汰工作要到 2030 年才能完成。
维持议定书下的科学评估小组。它确定臭氧层变化的原因，并评估新化学品破坏臭氧和加剧气候变化的潜力。
维持技术和经济评估小组。它提供有关技术和替代化合物的信息，帮助各国评估如何在满足制冷、空调和泡沫绝缘等应用需求的同时保护臭氧层。
这两个小组还将不得不共同评估气候变化和臭氧恢复。气候变化通过改变平流层的化学成分和动力学来影响臭氧丰度，而 HCFC 和 HFC 等化合物是温室气体。例如，预计对 HFC 的巨大需求可能会显著加剧气候变化。