近一萬年來——自從文明曙光和全新世時代以來——我們的世界似乎大得難以想象。廣闊的陸地和海洋邊疆提供了無限的資源。人類可以隨意汙染，他們可以透過遷徙到其他地方來避免任何地方性的影響。人們建立起整個帝國和經濟體系，依靠的是他們利用看似取之不盡的財富的能力，卻從未意識到這種特權會走向終結。
但由於公共衛生、工業革命以及後來的綠色革命的進步，人口從1800年的約10億激增到今天的近70億。僅在過去50年中，我們的人口就增加了一倍以上。在富裕的推動下，我們對資源的使用也達到了驚人的水平；50年來，全球食物和淡水消耗量增加了兩倍多，化石燃料的使用量增加了四倍。我們現在共同佔用了地球上所有光合作用的三分之一到二分之一。
這種肆無忌憚的增長也使汙染從區域性問題擴大到全球性衝擊。平流層臭氧消耗和溫室氣體濃度是明顯的複雜因素，但許多其他有害影響也在上升。
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人口增長、資源消耗和環境破壞的突然加速改變了地球。我們現在生活在一個“滿負荷”運轉的世界中，資源和吸收廢物的能力有限。在這種世界中生存的規則也不同了。最根本的是，我們必須採取措施，確保我們在環境系統的“安全操作空間”內運作。如果我們不改變我們的方式，我們將造成災難性的變化，可能會給人類帶來災難性的後果。
什麼會導致這些變化？我們如何避免它們？一個由世界各地的科學家組成的團隊——由瑞典斯德哥爾摩韌性中心的約翰·羅克斯特羅姆領導，成員來自歐洲、美國（包括我）和澳大利亞——最近透過一個更大、相關的問題尋求答案：我們是否正在接近行星“臨界點”，這將把全球環境推向危險的新領域，超出人類歷史上所見的任何情況？
在檢查了大量關於物理和生物系統的跨學科研究後，我們的團隊確定了九個環境過程可能會破壞地球支援人類生命的能力。然後，我們為這些過程設定了邊界——人類可以在其中安全運作的限制。七個過程有明確的邊界，由一個數字科學定義（當然，這其中存在一些不確定性）。其中三個邊界——氣候變化、海洋酸化和平流層臭氧消耗——代表臨界點，而另外四個則標誌著不可逆轉的退化的開始。其餘兩個過程——大氣氣溶膠汙染和全球化學汙染——尚未得到廣泛研究，因此尚未設定限制。
我們小組的分析表明，三個過程已經超出其邊界：生物多樣性喪失、氮汙染和氣候變化。所有其他過程都在朝著閾值移動。個別限制可能會進行微調，未來可能會增加其他限制，但該集合代表了世界最危險環境狀況的“首要”總結，併為思考如何管理威脅提供了框架。
化石燃料的複雜性
瞭解我們最緊迫的環境問題的原因，為解決這些問題提供了線索。在氣候變化和海洋酸化這兩個案例中，罪魁禍首都太熟悉了：人類對化石燃料的使用，這會將二氧化碳 (CO2) 釋放到大氣中。
氣候變化。儘管我們的星球已經經歷了顯著的人為變暖，並將經歷更多變暖，但科學家和政策制定者正在尋求方法來避免最嚴重的後果——包括極地冰蓋的喪失、淡水供應的崩潰以及區域天氣系統的紊亂。目前，CO2 濃度為 387 ppm（按體積計算，常用計量單位），關於所有溫室氣體的哪個水平會導致危險的氣候變化，爭論仍在繼續；建議值範圍為 350 至 550 ppm 的 CO2。在我們的分析中，我們建議將保守的長期目標定為 350 ppm，以使地球遠離氣候臨界點。為了實現該目標，世界必須立即採取行動，穩定溫室氣體排放，並在未來幾十年內將其大幅降低到當前水平以下。
海洋酸化。正在進行的海洋酸化是鮮為人知但與氣候變化相關的現象。隨著大氣 CO2 濃度的升高，溶解在水中形成碳酸的 CO2 量也會增加，這使得表層海洋更具酸性。海洋天然呈鹼性，pH 值約為 8.2，但資料顯示 pH 值已降至接近 8.0 並持續下降。我們小組用於量化此類變化造成的損害的指標是表層水中產生的文石（碳酸鈣的一種形式）水平的下降。從珊瑚到構成海洋食物鏈基礎的眾多浮游植物，許多生物都依賴文石來構建骨骼或外殼。酸度的增加可能會嚴重削弱海洋生態系統和食物網，這為各國轉向低碳能源未來提供了另一個令人信服的理由。
糧食生產的影響
人類已經佔用了地球陸地表面的 35% 用於種植農作物和牧場，而擴大農業是清理新土地的主要動機，從而破壞了自然生態系統。由於人類的土地利用方式，幾個行星邊界正處於被突破的危險之中
生物多樣性喪失。土地開發正在造成地球歷史上最偉大的滅絕事件之一。我們物種的喪失速度比地質記錄中看到的自然背景速度快 100 到 1000 倍。這種喪失速度遍佈全球陸地和海洋生態系統，並可能破壞區域和全球範圍內的生態過程。保護生物多樣性的努力，特別是在敏感的熱帶森林中，需要更多關注。諸如聯合國減少毀林和森林退化排放計劃（稱為 REDD）之類的倡議，該計劃開發資金以減緩熱帶森林的清理，可以同時解決生物多樣性下降和碳排放問題，並且可能非常有效。
氮和磷汙染。工業化肥的廣泛施用擾亂了地球的化學平衡。化肥的使用使氮和磷在環境中的流動量增加了一倍以上，每年氮的流動量為 1.33 億噸，磷的流動量為 1000 萬噸。這兩種流動都造成了廣泛的水汙染，破壞了許多湖泊和河流，並透過造成大型缺氧“死亡區”破壞了沿海海洋。我們需要新的農業實踐，既能提高糧食產量，又能維持環境。
淡水枯竭。在全球範圍內，我們每年從河流、湖泊和含水層中提取驚人的 2600 立方千米的水，用於灌溉（70%）、工業（20%）和家庭使用（10%）。結果，許多大型河流流量減少，有些甚至完全乾涸。標誌性的例子包括不再流入海洋的科羅拉多河，以及中亞的鹹海，現在基本上是沙漠。未來的需求可能非常巨大。大幅提高全球用水效率，特別是灌溉用水效率，將有助於避免更嚴重的下降。
遠離
我們小組最初在自然雜誌上發表的論文幾個月前引起了健康的科學辯論。在很大程度上，這項工作受到了好評，並被視為一項思想實驗，旨在為世界定義危險的“不可逾越”的界線。然而，我們甚至試圖設定邊界也受到了某些科學家的嚴厲批評；其他人則不同意我們設定的數字。
也許最重要的評論是，透過設定閾值，我們可能會鼓勵人們認為，只要環境破壞保持在限度之內，就是可以接受的。鄭重宣告，這絕不是我們提出的！社會不應允許世界在採取行動之前漂移到邊界。例如，從離邊界三分之一的路程推進到三分之二的路程仍然會造成嚴重損害。我們敦促人們足夠聰明和無私（對後代而言），儘可能遠離極限，因為每個極限都代表著一場環境危機。
大多數批評都是合理的，我們小組也預料到了其中許多批評。我們知道，邊界的概念需要更多的研究——特別是在完善數字方面，我們仍在繼續努力。但我們認為這個概念是強大的，將有助於構建關於人類生存環境限制的集體思考。我們希望這些結果能夠激發科學界的討論；看來我們已經如願以償了。
解決方案的開始
在世界解決全球可持續發展的經濟、社會和環境要求時，應尊重一套全面的行星邊界。社會已經開始應對一些挑戰，但只是以零敲碎打的方式，獨立地考慮每個邊界。但是這些限制是緊密相連的。當一個閾值被突破時，它會對其他閾值施加壓力，增加突破它們的風險。例如，超過氣候變化限制可能會推高物種滅絕率。同樣，氮和磷汙染可能會破壞水生生態系統的恢復能力，大大加速其生物多樣性的喪失。儘管我們的補救措施是出於好意，但試圖一次解決一個因素很可能會失敗。
在這個關鍵時刻，科學家僅僅定義問題然後回家是不夠的。我們還必須開始提出解決方案。以下是一些初步的想法
向高效、低碳能源系統轉型。氣候變化和海洋酸化等緊迫問題要求我們儘快穩定大氣 CO2 濃度，最好低於 350 ppm。轉型將需要大規模提高能源效率，然後迅速擴大低碳能源來源的規模。
大幅減少土地清理和退化，特別是熱帶森林砍伐。許多行星限制，特別是生物多樣性喪失，都受到人類住區無情擴張的損害。
投資於革命性的農業實踐。包括與養分汙染和用水量相關的幾個邊界都受到我們工業化農業系統的影響。新的方法是可能的，包括新品種和精準農業技術，以及更有效率地利用水和肥料。
在我們實施解決方案時，我們應該認識到，沒有實現更可持續未來的簡單規則手冊。我們將隨著經濟系統、政治制度和社會行動的推進而制定新的工作原則，始終敏銳地意識到我們對環境和人類過程的有限理解。任何基準或創新實踐都應使我們能夠對不斷變化的環境健康和社會需求指標做出反應，同時幫助我們增強自然和人類系統的韌性，使其更具穩健性，更能抵抗極有可能發生的意外衝擊。為了最大限度地提高這種韌性，我們將不得不盡最大努力在日益縮小的地球的邊界內生活。
環境威脅的解決方案
專家告訴大眾科學哪些行動將使關鍵過程保持在界限內
生物多樣性喪失 格雷琴·C·戴利，斯坦福大學環境科學教授
現在是時候面對殘酷的現實了，即僅靠傳統的保護方法註定要失敗。自然保護區太小、太少、太孤立且太容易發生變化，無法支援地球生物多樣性的極小一部分。挑戰在於使保護具有吸引力——從經濟和文化的角度來看。我們不能繼續像對待自助餐一樣對待自然。
我們依賴自然獲得糧食安全、清潔的水、氣候穩定、海產品、木材以及其他生物和物理服務。為了維持這些益處，我們不僅需要偏遠的保護區，還需要無處不在的地方——更像是“生態系統服務站”。
一些先驅者正在將保護與人類發展相結合。哥斯大黎加政府正在為熱帶森林的生態系統服務向土地所有者付款，包括碳補償、水力發電、生物多樣性保護和風景美景。中國正在投資 1000 億美元用於“生態補償”，包括獎勵保護和恢復的創新政策和金融機制。該國還在建立“生態系統功能保護區”，佔其陸地面積的 18%。哥倫比亞和南非也進行了戲劇性的政策變革。
三項進展將有助於世界其他地區推廣此類成功模式。一：新的科學和工具，以生物物理、經濟和其他術語評估和核算自然資本。例如，自然資本專案開發了 InVEST 軟體，該軟體將生態系統服務的評估與權衡相結合，政府和企業可以在規劃土地和資源利用以及基礎設施開發時使用。二：在資源政策中令人信服地展示此類工具。三：政府、發展組織、企業和社群之間的合作，以幫助各國建立更持久的經濟，同時維持關鍵的生態系統服務。
氮迴圈 羅伯特·豪沃思，康奈爾大學生態學和環境生物學教授
人類活動極大地改變了全球氮的流動。最大的單一貢獻者是化肥的使用。但化石燃料的燃燒實際上在某些地區，例如美國東北部，主導著這個問題。在那種情況下，解決方案是節約能源並更有效率地使用能源。混合動力汽車是另一種極好的解決方案；它們的氮排放量明顯低於傳統汽車，因為它們的發動機在車輛停止時會關閉。（傳統汽車的排放量實際上在發動機怠速運轉時會上升。）如果要求早於《清潔空氣法》及其修正案的發電廠遵守規定，美國發電廠的氮排放量也可以大大減少；這些發電廠的汙染遠遠不成比例於它們產生的電量。
在農業方面，許多農民可以少用肥料，作物產量的減少將是微乎其微的，甚至不存在。玉米田的徑流尤其可以避免，因為玉米的根系僅滲透到土壤的表層幾英寸，並且僅在一年中的兩個月內吸收養分。此外，如果農民種植冬季覆蓋作物，如黑麥或小麥，氮的流失可以減少 30% 或更多，這可以幫助土壤保持氮。這些作物還可以增加土壤中的碳固存，從而減緩氣候變化。更好的是種植多年生植物，如草，而不是玉米；氮的流失量要低得多。
來自集中動物飼養場 (CAFO) 的氮汙染是一個巨大的問題。早在 20 世紀 70 年代，大多數動物都以當地作物為食，動物的糞便被送回田地作為肥料。今天，美國大多數動物都以數百英里外種植的作物為食，這使得歸還糞便“不經濟”。解決方案是什麼？要求 CAFO 所有者處理他們的廢物，就像市政當局必須處理人類廢物一樣。此外，如果我們少吃肉，產生的廢物就會減少，種植動物飼料所需的合成肥料也會減少。食用在多年生草地上放養的動物的肉將是理想的選擇。
乙醇作為生物燃料的爆炸性增長極大地加劇了氮汙染。一些研究表明，如果達到美國強制性乙醇目標，流入密西西比河併為墨西哥灣死亡區提供燃料的氮量可能會增加 30% 到 40%。最好的替代方案是放棄玉米生產乙醇。如果該國想要依賴生物燃料，它應該轉而種植草和樹木並燃燒這些草和樹木來熱電聯產；氮汙染和溫室氣體排放將低得多。
磷迴圈 大衛·A·瓦卡里，史蒂文斯理工學院土木、環境和海洋工程主任
由於生活水平的提高，磷的需求增長速度快於人口增長速度。按照目前的速度，易於獲取的儲量將在不到一個世紀的時間內耗盡。因此，我們的兩個目標是節約磷作為一種資源，並減少磷的徑流，後者會破壞沿海生態系統。
透過環境的最可持續的磷流量將是自然通量：每年 700 萬公噸 (Mt/yr)。為了達到這個標記，同時滿足我們每年 22 Mt/yr 的用量，我們將不得不回收或再利用 72% 的磷，如果需求進一步上升，將不得不進行更多的回收。
透過現有技術可以減少流量。免耕耕作和梯田等保護性農業技術可以將進入河流的流量減少 7.2 Mt/yr。大部分未回收的農場動物磷廢物——約 5.5 Mt/yr 流入大海——基本上可以透過將其運送到農業地區並在那裡使用來消除。對於人類廢物，技術可以將回收率從 50% 提高到約 85%，從而節省 1.05 Mt/yr。
這些行動是“唾手可得的果實”，基於可行的措施，而不是避免危險情景所需的措施。然而，它們會將流入水道的損失從 22 Mt/yr 降低到 8.25 Mt/yr，略高於自然通量。
氣候變化 阿黛爾·C·莫里斯，布魯金斯學會氣候與能源經濟專案政策主任
選擇一個大氣濃度來穩定溫室氣體，雖然表面上是一個科學決定，但需要權衡實現不同目標的收益和成本，並確定誰來支付。鑑於這有多麼困難，我們應該採取能夠最大限度降低成本併為多年的行動保持共識的政策。
第一步是不要在搖籃裡扼殺共識，不要提出短期的雄心壯志，因為憤怒的選民會要求否決他們認為成本過高的計劃。
基於價格的氣候政策可以避免此類經濟和政治閾值。在國內，一種選擇是不斷上漲但合理的全國性溫室氣體稅。另一種選擇是碳排放與交易系統，其中排放許可證以隨時間推移而上漲的預設範圍內的價格進行交易。受監管的價格範圍將使排放成本保持在足夠高的水平，以促使雄心勃勃的減排，但如果上限被證明是不經意間過於嚴格，則將限制對經濟（以及計劃本身）的風險。
國際協議也應允許基於價格的承諾，以此作為可能被證明不可行的嚴格排放限制的替代方案。氣候條約可以允許各國承諾繳納商定水平的稅款。這種靈活性可以緩解發展中國家對上限可能會扼殺減貧的擔憂。要保持在“安全操作空間”內，就需要保持在所有相關邊界內，包括選民的支付意願。
土地利用 埃裡克·F·蘭賓，斯坦福大學和魯汶大學地球系統教授
為了控制土地利用的影響，我們應該關注全球耕地的分佈。集約化農業應集中在具有高產作物最佳潛力的土地上。但是，很大一部分優質土地正在流失。我們有可能達到這樣一個臨界點，即任何糧食（更不用說生物燃料）產量的增加都會促使熱帶森林和其他生態系統的快速清理，以及耕地向產量較低的邊際地帶擴張。
我們可以透過控制土地退化、淡水枯竭和城市擴張來避免失去最好的農業用地。這一步將需要分割槽和採用更高效的農業實踐，尤其是在發展中國家。透過減少糧食分配鏈中的浪費、鼓勵較慢的人口增長、確保更公平的全球糧食分配以及大幅減少富裕國家的肉類消費，也可以減少對農田的需求。
透過制定強有力的休耕政策，也可以為自然騰出更多土地，歐盟已經這樣做了。一些發展中國家（中國、越南、哥斯大黎加）由於更好的環境治理、現代化土地利用的強烈政治意願、文化變革以及依賴土地利用法規和激勵措施來維持生態系統服務的政策，已成功地從森林砍伐轉向森林恢復。這些國家的挑戰在於繼續執行此類政策，而無需進口更多糧食。
海洋酸化 斯科特·C·多尼，伍茲霍爾海洋研究所高階科學家
由於全球二氧化碳排放，海洋正在變得更酸，但全球、區域和地方解決方案是可能的。在全球範圍內，我們需要停止向大氣排放 CO2，並可能最終將濃度降低到工業化前水平。主要策略是提高能源效率、轉向可再生能源和核能、保護森林以及探索碳封存技術。
在區域範圍內，營養物質徑流到沿海水域不僅會造成死亡區，還會加劇酸化。過量的營養物質會導致更多的浮游植物生長，並且當它們死亡時，它們腐爛產生的額外 CO2 會使水酸化。我們必須更明智地對待田地和草坪施肥以及處理牲畜糞便和汙水。另一項措施是減少酸雨，酸雨主要由發電廠和工業排放引起；當雨水到達海岸線時，它不會停止。
在當地，酸性水可以用石灰石或透過電化學方法從海水和岩石中產生的化學鹼來緩衝。更實際的方法可能是保護特定的貝類床和水產養殖漁場。蛤蜊和牡蠣等幼蟲軟體動物似乎比成蟲更容易受到酸化的影響，將舊的貝殼回收利用到泥土中可能有助於緩衝 pH 值，併為幼蟲附著提供更好的基質。貝類孵化場可以控制水化學並轉向更強壯的物種。
預計海洋 pH 值下降將在未來幾十年加速，因此海洋生態系統將不得不適應。我們可以透過減少其他損害（如水汙染和過度捕撈）來提高它們成功的機會，使它們能夠更好地承受一些酸化，同時我們逐步擺脫化石燃料能源經濟。
淡水利用 彼得·H·格萊克，太平洋研究所所長
很少有理性的觀察家否認需要限制淡水使用。更有爭議的是定義這些限制在哪裡，或者採取哪些步驟來約束我們自己。
描述這些邊界的另一種方式是峰值水資源的概念。三個不同的想法很有用。“峰值可再生”水資源限制是流域內的總可再生流量。世界上許多主要河流已經接近這個閾值——當蒸發和消耗超過來自降水和其他來源的自然補給時。“峰值不可再生”限制適用於人類用水量遠遠超過自然補給率的情況，例如大平原、利比亞、印度、中國北方和加利福尼亞中央山谷部分地區的化石地下水盆地。在這些盆地中，提取量的增加之後是趨於平穩，然後是減少，因為獲取日益減少的資源所需的成本和工作量增加——這與峰值石油的概念相似。
“峰值生態”水資源是指對於任何水文系統，增加取水量最終都會達到這樣一個臨界點，即取水帶來的任何額外經濟效益都會被由此造成的額外生態破壞所抵消。儘管很難準確量化這個臨界點，但我們顯然已經超過了世界各地許多盆地的峰值生態水資源臨界點，這些盆地已經發生了巨大的破壞，包括鹹海、大沼澤地、薩克拉門託-聖華金谷以及中國的許多流域。
好訊息是，在不損害人類健康或經濟生產力的情況下，節約的潛力巨大。在每個部門都可以提高用水效率。透過將傳統的漫灌改為滴灌和精準噴灌，以及更準確地監測和管理土壤水分，可以用更少的水（和更少的水汙染）種植更多的食物。傳統發電廠可以將水冷改為乾冷，而更多能源可以透過極少用水的來源產生，例如光伏和風能。在家庭中，數百萬人可以用高效的裝置取代低效的裝置，特別是洗衣機、馬桶和淋浴噴頭。
臭氧消耗 大衛·W·費希，美國國家海洋和大氣管理局物理學家
根據《維也納保護臭氧層公約》制定的《蒙特利爾議定書》在二十年中將消耗臭氧物質——主要是氯氟烴 (CFC) 和哈龍——的使用量減少了 95%。截至 1 月 1 日，簽署該議定書的 195 個國家不再進行生產。因此，平流層臭氧消耗將在 2100 年前基本逆轉。這一成果部分依賴於中間替代品，特別是氫氯氟烴 (HCFC)，以及越來越多地使用不造成消耗的化合物，例如氫氟烴 (HFC)。
持續成功取決於以下幾個步驟
繼續觀測臭氧層，及時揭示意外變化。確保各國遵守法規；例如，HCFC 淘汰工作要到 2030 年才能完成。
維持議定書下的科學評估小組。它確定臭氧層變化的原因，並評估新化學品破壞臭氧和加劇氣候變化的潛力。
維持技術和經濟評估小組。它提供有關技術和替代化合物的資訊，幫助各國評估如何在滿足製冷、空調和泡沫絕緣等應用需求的同時保護臭氧層。
這兩個小組還將不得不共同評估氣候變化和臭氧恢復。氣候變化透過改變平流層的化學成分和動力學來影響臭氧丰度，而 HCFC 和 HFC 等化合物是溫室氣體。例如，預計對 HFC 的巨大需求可能會顯著加劇氣候變化。