失衡的環境:地球限度和大加速研究

地球限度:環境超出負荷,岌岌可危

地球環境受到人類活動的破壞程度到底有多嚴重?2015 年發表在《科學》(Science) 期刊上的重量級研究〈地球限度:變動地球上的人類發展指引〉(Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet) 指出,維持地球系統運作的九大項面向中,已經有四項超過地球可承載的臨界點。

在一般人主觀的風險認知裡,很可能將氣候變遷所造成的極端氣候及天然災害視為對人類存續最大的威脅。不過「地球限度」的研究結果則顯示,情況更嚴峻的還包含:土地用途改變、生物圈健全、以及生物化學循環(例如:氮、磷元素的分佈)等。尤其後兩個面向已達到高風險值,將可能對地球系統的運作造成不可逆的變化。

圖1:四個面向已超出可承載的臨界點(循環台灣基金會,翻譯自 Steffen, W., Richardson, K., Rockström, J., et al. (2015), Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet, Science 347: 6219.)

地球系統運作的九大面向

已超過不確定範圍(高風險)

1. 生物圈健全性 (Biosphere integrity)

人類對糧食、飲水以及天然資源的需求是影響生物多樣性最主要的驅動力。以糧食系統為例,為因應越發高漲的全球人口數,農民使用更多的肥料、殺蟲劑來提高生產力。同時,也使用了更多的能源、土地及水資源。這些活動都嚴重影響當地的生態系統,加劇生物多樣性的流失。

英國智庫 2021 年的報告指出,在已知 28,000 萬項瀕臨絕種物種中,就有 24,000 項(86%)與農業系統有關。

2. 生物化學循環 (Biogeochemical flows)

現代農法為滿足更多的糧食需求,將農地擴展到更多原本不適合耕種的地方,或是施用大量的化學肥料,破壞既有土壤中氮和磷的平衡。氮肥暴露在空氣中會釋放一氧化二氮,加劇溫室效應;而過多的氮肥和磷肥則會流入地下水和河川造成優養化、讓魚群等水中生物因缺氧死亡。

相比於 2009 年發表的〈地球限度〉版本僅標定出氮循環、磷循環失衡的問題,2015 年學者們指出應該關注更多元素的失衡對於生物圈的影響,例如:矽循環。

在不確定範圍內(風險增加中)

3. 氣候變遷 (Climate change)

溫室氣體(包含:二氧化碳、甲烷、一氧化二氮等)會吸收地表反射的長波輻射,將宇宙進入地球的大部分熱能都保留在地球內。自 18 世紀工業革命後,人類快速將封存在地底的石化燃料,藉由燃燒釋放進大氣中,造成大氣的溫室氣體比例增加,破壞了地球環境既有的氣候變遷進程。此外,人類因農業與居住需求,大量砍伐森林、降低全球的碳匯,同樣加劇了氣候變遷。

大氣中二氧化碳濃度的限度約在 350–450 ppm。目前濃度已超過 400ppm,若不加以限制將可能造成全球生態與自然環境發生不可逆的改變。

4. 土地用途改變 (Land-system change)

全球人口增加導致越來越多原本為森林、濕地、草地的土地被轉為農地和居住地使用,這些土地用途的改變將影響固碳作用、水流、生物多樣性、以及生態系的平衡。

學者們認為土地用途的重點不在於比例數值,而應著重在土地的功能、品質以及空間分佈。舉例而言,同樣是 15% 的土地面積為農地,以更永續的方式耕作(例如:保育農法、農林混牧等)所帶來的環境影響,就會比集約方式耕作來得更少。

在地球可承受範圍內(安全)

5. 淡水使用 (Freshwater use)

目前有超過 20 億人居住在受到水資源壓力的國家,無法獲得足夠的乾淨水源。世界氣象組織 (World Meteorological Organization) 的報告指出,2018年至少有 1 個月無法獲得足夠水源的人口約有 36 億人,這個數字將在 2050 年增加到 50 億人以上。

水資源的壓力主要來自於工業的過度使用;此外,都市化、現代化同樣改變了地貌及河川流向,直接影響全球尺度下的水循環動向。

6. 臭氧層損害 (Stratospheric ozone depletion)

位於平流層中臭氧濃度較高的部分(俗稱「臭氧層」)能隔離絕大多數對生物體有害的紫外線進入大氣層,然而過多的氟氯碳化物溢散到空氣中便會催化臭氧的分解,致使地表生物受到更高程度的紫外線危害。

1987 年起的《蒙特婁議定書》 (Montreal Protocol) 及後續的調整案和修正案已針對工業品(例如:冷媒、滅火器、發泡劑、噴霧劑等)中的氟氯碳化物進行嚴格管制。在各國協力下,臭氧層破洞自 2000 年起以每十年 1-3% 的速率持續縮小中,不過世界氣象組織預計至少得等到 2050 年才可能完全修復。

7. 海洋酸化 (Ocean acidification)

海洋是全球最大的碳匯來源,約有四分之一人為排放到大氣中的二氧化碳被海洋所吸收。然而大氣中過多的二氧化碳與水結合成碳酸,將導致海洋酸化,其中一項危害是影響到多種以碳酸鈣為重要基礎生物的生長,例如:珊瑚、貝殼生物。尤其珊瑚礁是熱帶魚群最重要的棲息地,受到嚴重損害的珊瑚礁將直接影響海洋生態系,繼而減少遠洋漁獲。

目前尚未被量化的面向

8. 新物質引進 (Novel entities)

氟氯碳化物、塑膠、奈米材料等這些人類引進的新化學物或既有物質的新形式,都可能對生物體或自然環境造成不可逆的影響。即使目前仍無法量化單一項新物質的限度,科學家仍會持續評估其對生物體和環境的風險。

以海洋塑料為例,據研究估計,全球約有 5 兆片塑料漂浮在海中,且已知有超過 800 項物種受到海洋塑料的危害。近期有越來越充分的證據顯示,塑膠微粒藉由食物鏈進到人體,將會構成一定程度的危害。

9. 大氣氣膠負載 (Atmospheric aerosol loading)

氣膠是指存在於大氣中、顆粒直徑約在 0.01-10 微米間的固體或液體懸浮物。這些氣膠可能是自然形成(例如:火山爆發、森林大火),也可能藉由人類行為所排放的空氣污染(例如:交通載具、能源使用、烹煮等)。

根據世界衛生組織統計,2016 年全球約有 700 萬人因家庭和周遭環境的空氣污染而喪生,由此顯見氣膠對於人體的長期威脅。不過氣膠被標定為地球限度之一的原因,主要在於其對全球氣候系統的影響。氣膠會與水蒸氣交互作用形成雨雲,一方面會阻擋大部分的太陽輻射進入地表,使得地表氣溫下降;另一方面則會改變水循環,影響大範圍的氣候系統,尤其是熱帶地區的季風系統。然而,氣膠在大氣中的行為很複雜,取決於其化學組成、地理位置以及於大氣中的高度,因此氣膠與氣候和生態系之間的影響關係目前仍未被完整確立。

面向之間的連動性

失衡的「大氣氣膠負載」影響大範圍區域的季風氣候,改變降雨分佈,最終將影響「淡水使用」。當森林變成草地、草地變成農耕地,這些「土地用途改變」將會降低地球的碳匯能力,加劇「氣候變遷」。而「新物質引進」、「海洋酸化」、「臭氧層損害」、「土地用途改變」等諸多面向最終也都將會影響「生物圈健全」。

由此顯見人類活動對地球系統的影響是多面向的,且面向之間會互相牽引連動。


循環經濟探索工作坊」思考圖版本

工作坊中介紹的九大項面向,採用《甜甜圈經濟學》一書中使用的翻譯版本,用意是讓一般參與者都可以用科普常識來做討論和思考。 



指數成長的大加速曲線

前述的〈地球限度〉研究顯示,生物圈健全、生物化學循環、氣候變遷、及土地用途改變等地球系統運作程序都已超出承載界線。如果情況持續惡化,地球將變得愈來愈不宜居,嚴重影響我們以及後代子孫的生存環境。

究其根本,促成這些面向超載的成因都與人類的經濟活動息息相關。

2015 年一項著名的研究〈人類世的軌跡:大加速〉(The trajectory of the Anthropocene: The Great Acceleration),整理自 1750-2010 年全球尺度下 12 項「社會經濟趨勢」及 12 項「地球系統趨勢」變化的數據並進行分析比較。他們驚訝地發現這兩組數據變化的曲線十分相似。

這項研究證實:地球環境的劇烈變化與全球蓬勃的社會經濟活動,兩者之間有緊密的關聯性。

圖2:「大加速」顯示社會經濟活動與地球環境變化趨勢息息相關(循環台灣基金會,改匯自 Steffen, W., Broadgate, W., Deutsch, L., et al. (2015), The trajectory of the Anthropocene: The Great Acceleration, The Anthropocene Review 2: 81–98. 本圖僅呈現部分數據內容)

自 1950 年以來全球的總人口數增加了 2.7 倍,經濟規模則成長了 9 倍。持續成長中的經濟活動伴隨著大量的資源開採與使用,讓初級能源使用量增加 4.7 倍,肥料使用量增加了 12 倍。

而經濟活絡則產生大量的交通需求,讓交通載具的數量增加 6 倍以上。然而,全球人口增長、區域的經濟繁榮度提高,都增加了對糧食、飲水和居住地等需求,導致同期間地球系統中二氧化碳濃度、地表溫度增幅、沿岸氮流量的年均公噸數、以及生態多樣性的減少比例等同樣呈現顯著向上的趨勢。

2020 年全球資源使用量已達到 920 億噸,卻只有 8.6% 的資源是來自於循環資源。換言之,人類所使用的資源有高達九成以上都是初次從地球系統中被開採出來的。天然資源開發活動經常伴隨著棲地破壞,而從加工、運輸到使用等過程則排放出大量的溫室氣體或對生物體有害的物質。

當前的經濟發展模式與地球環境的惡化具有高度連結性,人類需要反思的是當「大加速」的指數型成長情況若持續下去,會發生什麼情況?

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