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光合作用是地球上最重要的轉變。所有植物——從單細胞藻類到高聳的紅杉——都利用陽光中的能量，將二氧化碳和水結合成食物，並釋放氧氣作為副產品。每年，人類大約消耗地球上40%的光合作用產物，用於我們自己的目的——從養活不斷增長的人口到生物燃料。鑑於不斷增長的人口，我們能夠支配的世界光合作用量是否有一個極限？
衛星測量現在可以精確測量地球七大洲和零星島嶼上正在發生的光合作用量——或者科學家稱之為“淨初級生產力”的量。這些測量是基於植物覆蓋的地面面積、生長的密度以及對溫度、陽光和可用水的觀測。蒙大拿大學的生態建模師史蒂文·跑步利用這些測量結果得出結論，植物每年產生近 540 億公噸的碳水化合物——其中大部分是纖維素和木質素的複雜有機鏈。
跑步還回顧了過去 30 年，發現光合作用的總量出奇地穩定。儘管當地天氣從乾旱到洪水不等，但植物仍然堅持生產大致相同數量的食物，每年的變化不到 2%。這可能是因為光合作用的輸入量變化也很小——陽光強度波動不大，全球範圍內的降水量也是如此。跑步認為，這一發現表明，植物的“淨初級生產力”可以被有效地認為是行星邊界，即人類對自然系統影響的閾值或安全限制，或者正如他在 9 月 20 日在《科學》雜誌上所論證的那樣。
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10 個這樣的行星邊界套件已於 2009 年提出，範圍從氣候變化到化學汙染。但跑步指出，這種光合作用的測量至少涉及其中五個已提出的邊界——土地利用變化、淡水使用、生物多樣性喪失、氮和磷迴圈——並且還受到至少一個邊界的影響：氣候變化。毫無疑問，陸地上的光合作用確實有一個行星極限——植物可以生長的土地面積是有限的。
此外，我們的人口估計將膨脹到 2050 年的 90 億。植物能夠跟上嗎？
目前，農業覆蓋了地球 38% 的土地，並且進一步增長的空間很小，儘管東歐曾經高產的土地可以恢復，並且更好的管理措施可以提高其他地方的產量。正如其他行星邊界所暗示的那樣，我們可能正在接近或已經超過美國或中國等地農田施用化肥的地球物理極限，以及增加灌溉土地面積以促進作物生長的潛力。最後，我們已經將越來越多的農業生產從胃轉移到燃料箱，美國用玉米制造乙醇的做法就是例證。
人類未利用的剩餘生產力的大部分目前是我們無法獲得的，無論是作為根系的一部分還是受保護的國家公園的一部分。但這並不是說人類不會繼續嘗試擴大這些邊界，無論是透過殖民公園、分解以前難以獲得的纖維素來製造生物燃料，還是以藻類養殖場的形式將農業擴充套件到海洋。
但跑步認為，只有大約 50 億公噸的碳水化合物可以轉移到人類用途，這意味著“淨初級生產力”邊界約為 256 億公噸。我們正在迅速逼近這個數字。“因此，問題不在於人類是否會達到全球[光合作用]邊界，而在於我們何時會這樣做，”他寫道。“顯而易見的政策問題必須是生物圈是否能夠支援預計到 2050 年及以後全球人口增長 40%。”
圖片來源：美國國家航空航天局