的角度来看

地球工程、治理和社会-生态系统:关键问题和联合研究需求

• 摘要
• 简介
• 定义地球工程技术
• 关键问题和联合研究需求
  • 地球工程和行星边界
  • 地球工程治理和地球管理
  • 地球工程现场实验和地球管理
  • 框架创新还是监管创新?
• 总结评论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

人类试图改变气候并不是什么新鲜事。相反，历史为我们提供了许多人工影响天气方案的例子，以及如何重塑全球气候动态的更大规模的建议(Fleming 2010)。然而，关于工程地球可能性的争论在过去几年发生了巨大的变化。用大规模的技术干预来对抗气候变化的建议，在十年前会被科幻小说抛弃，现在正慢慢走向国际气候变化讨论、科学和政治的中心。beplay竞技

最近的一些事件是这种发展的关键例证。其中之一就是美国众议院和英国下议院科学技术委员会对地球工程的联合调查(House of Commons 2010)。第二个是联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)最近的一项倡议，将对地球工程技术的评估纳入其未来的第五份评估报告(AR5，见beplay竞技www.ipcc.ch pdf / ar5 / ar5-outline-compilation.pdf)．第三个例子是2010年《生物多样性公约》(CBD)缔约方的决定，即围绕地球工程活动(包括实验和部署)制定规范。该决定(CBD 2010:5)“邀请”各国政府“在缺乏基于科学、全球、透明和有效的地球工程控制和监管机制的情况下[……]，除非有充分的科学依据证明此类活动的合理性，并适当考虑到相关的风险，否则不会进行可能影响生物多样性的与气候有关的地球工程活动，[…]，但在受控环境下进行的小规模科学研究除外[……]。”该决定的法律实际影响目前正由《生物多样性公约》及其相关专家加以阐述。

弹性思维在这一新兴讨论中的作用是什么?这似乎是一个不必要的问题，因为地球工程方法(例如注入平流层气溶胶)和基于生态系统的解决方案(例如通过陆地生态系统进行碳封存)乍一看可能有很大的不同。

然而，两族也有一些重要的相似之处和共同关心的问题。在本文中，我确定了这些问题，并简要讨论了弹性思维(Folke et al. 2010)如何有助于这场辩论。这里的综合远远不是一个完整的分析，而是应该被视为一篇旨在促进辩论和进一步讨论的思考文章。

本文的结构如下。第一部分简要地总结了一系列被称为“地球工程”的技术，并提出了一些重要的定义上的矛盾。第二部分分为三个部分，从弹性的角度确定了三个应该特别感兴趣的关键问题:地球工程和行星边界、地球管理和社会生态创新。

定义地球工程技术

定义“地球工程”及其相关技术远非一项简单的任务。事实上，在文献中可以找到几个不同重点的定义(例如，英国皇家学会2009年，美国众议院科学技术委员会2009年，美国政府问责局2010年，两党政策中心2011年)。我把地球工程定义为对气候系统进行有意的、技术性的大规模干预，以减轻人为气候变化的影响。beplay竞技

应该指出的是，这一定义包括了一套地球工程建议，这些建议在实验规模和部署方面都有很大差异。例如，它包括:(1)太阳辐射管理技术，如平流层气溶胶或低层大气中的增白云的部署;以及(2)去除二氧化碳的建议，如海洋铁施肥、碳捕获和储存、造林和再造林，以及提高土壤碳(更详细的介绍，见英国皇家学会2009年，GAO 2011年)。

因此，应该注意的是，目前关于地球工程的讨论不仅包括旨在通过调节太阳辐射来抵消变暖的技术，如注入平流层气溶胶、云层增亮、增加地表反照率，而且还包括一系列建立在基于生态系统的方法上的建议，如碳捕获和储存生物能源(BECCS)、在土壤中长期储存炭(生物炭)以及再造林和植树造林。

“有意的”一词很重要，因为该定义排除了人类世特有的几个全球环境变化现象(Steffen et al. 2004)。例如，尽管全球水蒸气的改变(Dessler et al. 2008)和发电厂的粒子排放(Wild et al. 2007)对气候有明显的影响，但这些现象通常不被认为是地球工程，因为它们缺乏干预气候系统的明确意图。

这个定义并不完美，但包含了一系列技术和对气候系统的干预措施，这些措施包括从大气中去除二氧化碳，或试图调节太阳辐射。正如2010年在日本名古屋举行的《生物多样性公约》(CBD)缔约方会议所见证的那样，仍存在几个关键的定义问题。一个是碳捕获和存储技术是否应该包括在地球工程的定义中(Sugiyama and Sugiyama 2010)。第二个问题与是否应列入大规模造林和再造林项目有关。在这种情况下，关键的定义挑战是“规模”，即重新造林/植树造林项目必须有多大规模才能被定义为“地球工程”?正如2010年在名古屋举行的上一届《生物多样性公约》缔约方大会所经历的那样，国家利益在这场正在进行的定义之战中扮演着明确的角色(见地球谈判公报第9号[544])。http://www.iisd.ca/download/pdf/enb09544e.pdf；Sugiyama and Sugiyama 2010详细讨论)。

一些报告和文章已经阐述了与部署地球工程技术相关的机遇和风险(Lenton and Vaughan 2009，皇家学会2009,GAO 2011)。然而，还需要详细阐述与弹性科学和社会生态系统研究有明确联系的其他问题。

关键问题和联合研究需求

地球工程和行星边界

最近对地球工程建议的综合越来越多地考虑其部署的潜力和可能的负面环境副作用(例如，皇家学会2009,GAO 2011, Russell et al. 2012)。例如，研究范围包括探索注入的气溶胶颗粒对全球降水模式的可能影响(Ricke et al. 2010);海洋施肥对生态系统的影响(Wallace et al. 2010);以及“生物炭”等技术可能增加的土地需求(Fargione et al. 2008)。

然而，应该指出的是，没有一项主要的地球工程综合研究在“行星边界”这个更普遍的框架内探讨这些技术的可能影响(Rockström等，2009年)a、b)．更准确地说，目前还没有对地球工程技术单独或联合使用(例如，平流层气溶胶和海洋铁施肥项目的联合部署)如何影响我们停留在Rockström及其同事(2009年)确定的“安全操作空间”内的能力的评估a、b)．考虑到几乎所有建议的地球工程技术都可能通过社会-生态交互作用(例如，Walker et al. 2009)对已确定的“边界”(如淡水使用、生物多样性和土地使用变化)产生直接或间接影响，这是令人担忧的。

一种可能的情况是，全面部署一些地球工程技术可以帮助我们保持在一个边界内，例如气候变化，但以牺牲其他几个边界为代价，例如土地利用变化。beplay竞技短期适应破坏长期社会生态弹性的可能性一直存在(Adger et al. 2011)，地球工程技术不能被认为是例外。

然而，与此同时，有人认为，部署地球工程技术反而可能帮助我们保持在几个行星边界内，如气候、水和生物多样性(例如，Victor 2010, Lynas 2011)。大规模的再造林和造林项目以及改善农业用地管理有可能抵消全球化石燃料排放，并增强额外的生态系统服务(Trumper等，2009年)。平流层气溶胶的注入可以迅速降低全球平均温度，并有助于保护无法适应快速气候变化的物种和生态系统(生物多样性公约2009年秘书处)。beplay竞技

随着实现将全球气温上升限制在比工业革命前平均气温高2摄氏度的目标的机会逐年减少(例如，Olivier et al. 2011)，这类争论将变得越来越普遍。毋庸置疑，有意地对气候进行地球工程所涉及的不确定性和权衡是巨大的，即使不是不可能，也很难量化。

至少，在地球边界框架内对地球工程技术进行全面分析的初步尝试，将对这场只关注气候变化的辩论大有裨益。beplay竞技然而，地球边界科学和地球工程之间的融合远非一帆风顺。行星边界的量化仍然是初步的，并且对其中几个边界存在争议(例如，见自然气候变化博客，beplay竞技 http://blogs.nature.com/climatefeedback/2009/09/planetary_boundaries_1.html)．这种不确定性对于行星边界之间可能的相互作用尤其重要，这显然是地球系统复杂性的结果。

同样的不确定性也适用于地球工程技术的试验和应用所涉及的估计潜在风险和社会-生态风险。所有这些研究领域的巨大不确定性，即行星边界、它们的相互作用和地球工程的影响，肯定会阻碍行星边界研究者和地球工程学者之间有效的跨学科科学讨论。但是，这并不排除需要对地球工程建议及其与地球边界和社会-生态恢复力的联系进行更综合的评估。从长远来看，这种整合是否会取得成效，值得进一步讨论。

地球工程治理和地球管理

另一个关键问题涉及全球环境治理。如果要试验或大规模部署地球工程技术，需要建立哪些主要治理机制，例如参与、合法性、透明度和责任?关于这一问题的学术辩论正在发展(Barrett 2008, Lin 2009, Blackstock和Long 2010, GAO 2010, Long和Winnickoff 2010, Victor 2010, Reynolds 2011)。但是，重点完全在于在国际一级建立适当的管理机制。这是一个合乎逻辑的重点，因为部署突出的地球工程技术，例如向平流层注入气溶胶，具有明显的国际影响。

但是，还应该清楚的是，所有其他地球工程技术的试验和部署都可能影响地方和区域规模的生态系统;这些系统往往是由自然资源使用者通过地方机构、社区管理计划或跨界伙伴关系(如支持海洋空间规划的伙伴关系)来管理的。

例如，一些地球工程工具箱(例如，英国皇家学会2009年)中包括的大规模造林和再造林项目，以及陆地上的二氧化碳去除，如BECCS和木炭生产和储存，都远非易于实施的技术。相反，除非国家或地方机构明确解决土地使用问题，否则就可能发生冲突。生态系统及其相关生态系统服务的弱势用户在自然资源冲突中也经常面临失败的风险，因为他们在各级决策中往往没有多少发言权，而且可能对支持其利益的法规和政策了解较少(Trumper et al. 2009)。

这里的问题既涉及物质资源，也涉及与生态系统及其管理相关的文化联系和世界观，通常指的是传统的生态知识，如马达加斯加的森林禁忌系统(Tengö et al. 2007)，巴厘岛水庙的文化特征(Lansing 2006)，或亚洲沿海社区当地生态知识的文化内涵(Kurien 1998)。将这种“知识、实践和信念的累积体”(Berkes et al. 2000:1252)视为与地球工程治理讨论无关是错误的。原因不仅在于功能，还因为这些知识已被证明对适应性生态系统管理至关重要(Berkes et al. 2000, Berkes et al. 2003, Folke et al. 2005)。它的作用也体现在一些国际协议中，如《生物多样性公约》(见Mauro和Hardison 2000)。

同样的论点是否也适用于海洋地球工程干预，如海洋云层增亮、用铁或尿素给海洋施肥以及海洋CO₂存储就不那么直接了。以海洋施肥为例，现场实验可能会对海洋生态系统产生影响，这取决于物理和生物条件，其中一些可能“在空间和时间上很远”(Wallace等人2010:1，另见grept等人2008,Russell等人2012)。

这方面的重要工作是根据《伦敦议定书》和《伦敦公约》进行的，但目前尚不清楚这些技术的试验或部署将如何包括民族国家以外的一系列广泛海洋治理倡议的参与。其中包括各种类型的管理计划，从当地沿海以社区为基础的管理系统，到跨界海洋治理倡议，例如多国的珊瑚三角倡议。民族国家只是众多行为体之一的这种嵌套治理结构，已被证明在所谓的“规模匹配”中发挥着根本作用:即海洋治理机构最大限度地提高生态投入的能力;确保生态信息在各级机构之间流动;内部化成本和收益(Costanza et al. 1998)。然而，这些基于生态系统的治理模式在当前关于地球工程治理的争论中一直被忽视。

因此，一个关键问题似乎是，未来地球工程实验和部署的国际机构框架如何有效地(1)与当地生态系统和跨国管理安排相结合;(2)通过管理安排和社会学习过程，在相当长时间内形成的当地生态知识基础上发展;(3)通过实施对当地社会生态环境缺乏了解的自上而下的法规，避免破坏上述嵌套生态系统治理结构的有效性(Ostrom 2007)。

这些问题意味着治理的方法与当前将国际机构的讨论与公众对地球工程技术的看法的研究相结合的尝试截然不同(NERC 2010, Parkhill和Pidgeon 2011, Poumadère等人2011)。它的不同之处在于，它承认社区和多中心安排在塑造社会生态系统的变化和惊喜方面所发挥的关键作用。

地球工程现场实验和地球管理

关于“地球管理”的新兴文献(Chapin et al. 2010, 2011)为地球系统科学、生态科学和当地生态知识之间的合作提供了模型，在这种背景下将被证明是必不可少的。有人认为，地球工程和生态系统管理是相互冲突的方法，因为前者处理的是“症状治疗”，而不是减少地球上的人为压力(Steffen et al. 2011:752)。

然而，这种观点忽略了将地球管理员和地球工程研究人员聚集在一起，探索进行局部到区域故障安全试验的前景的可能性，也就是说，“覆盖范围的创造性实验，当新的可能性被创造和测试时，可以安全地失败”(Holling 2004)。地球管家可以在地球工程研究的各个阶段发挥关键作用，从理论和建模，到技术开发和小规模现场测试。再次强调，这是否可能在很大程度上取决于特定的地球工程技术，实验过程如何设计，规模如何，以及实验的精确位置。将这些实验扩大到全球规模显然会带来困难的管理挑战，正如地球工程技术一般所讨论的那样。

有两个问题至关重要。一是确保地球工程实验探索的技术不仅能应对气候压力，还能给社区带来多种社会生态效益。以生态系统为基础的碳去除地球工程方法尤其如此，例如造林和再造林、碳捕获和储存的生物能源以及在土壤中长期储存木炭。然而，这也可能与通过改变土地利用、海洋施肥或增强海洋碱度(“使海洋变灰”)来改变表面反照率等建议相关，因为它们对当地和区域生态系统动态有直接影响。然而，应该强调的是，生态系统的影响严重依赖于部署的形式和位置(详见Russell et al. 2012)。这就提出了一个问题:如何设计参与过程，既要足够包容，能够产生对收益和成本的共同预期(Mauro和Hardison 2000)，又要足够灵活，能够应对意外的社会或生态影响(例如，Barreteau et al. 2010)。

第二，参与性和管理过程总是在制度背景下进行。因此，在国家或国际一级建立支持协商、公开资料、提供监察员职能和核可社会-生态方面综合评价的体制机制将为参与进程提供重要的基础。世界银行(Dani et al. 2011)和《生物多样性公约》目前正在为发展项目制定和评估这些所谓的“保障”政策的例子Akwé: Kon文化、环境和社会影响评估自愿指南(《生物多样性公约》秘书处2004)，并可为讨论如何支持地球管理员和地球工程研究人员之间的未来对话提供良好的基础。

框架创新还是监管创新?

更新和新奇一直是弹性思维的核心元素(Folke et al. 2010)。创新作为一个研究课题也越来越突出，因为它涉及社会生态系统、行星边界和生态系统服务(Homer-Dixon 2000, Biggs et al. 2010, Olsson and Galaz 2011, Westley et al. 2011)。Westley及其同事(2011)指出，尽管人类社会的创新能力给我们带来了可观的利益，但也迫切需要在生物圈的边界内框定这些利益。更准确地说，“这意味着我们要从为创新而创新的沉迷中摆脱出来，或者至少要找到激励创新的制度框架，这些创新可以解决而不是增加我们的环境挑战”(Westley et al. 2011:4-5)。

然而，创建一个适当的“制度框架”来指导创新远非一项简单的任务。创新动力本质上是复杂的，设计不良的创新政策很容易导致不正当的激励和不想要的结果(阿维利诺2009)。这通常导致对创新治理的适应性模式或法律的反思性模式的呼吁(如Westley等人2011年所建议的)，因为它可能允许在所谓的“利基”中对自下而上的实验进行谨慎的适应性指导(Loorbach 2010)。

然而，与Biggs等人(2010)、Olsson和Galaz(2011)和Westley等人(2011)所描述的创新相比，地球工程技术带来了根本不同的转向挑战，原因至少有两个。第一个是生物地球物理，因为许多拟议技术的试验或部署，从平流层气溶胶的注入到铁施肥和云播，如果大规模部署，可能会产生意想不到的负面生态系统副作用。第二个原因与地球工程的社会政治争议性质有关。地球工程实验，如英国平流层粒子注入气候工程(SPICE);铁海洋施肥实验，如2009年印度-德国LOHAFEX实验(Naqvi和Smetacek 2011年);和碳储存在世界上一些地方都引起了其他方面的强烈反对，包括民间社会组织，就碳储存而言，也引起了当地社区的强烈反对，有时被称为“不在我家后院”(NUMBY)。尽管碳捕获和储存通常不被视为地球工程，公众的反对明确地关注碳储存的泄漏。然而，被提议的环境空气捕捉或“人造树”将需要同样的存储方式，因此很可能引发类似的NUMBY辩论。

我认为，这迫使顺应力学界的创新学者们不仅认真探索自下而上创新的适应性“框架”，如小规模集水技术、创新经济生态系统付费方案或新的生态系统管理方法(见Olsson和Galaz 2011)，而且要对潜在高风险和潜在高效益的建议，如太阳辐射管理技术，采取更强有力的监管形式。

一个特别关键的问题似乎是，如何创建一个足够强大的制度环境，以剔除那些具有相当大生态风险的地球工程建议，但仍然允许新奇、无故障的试验(Holling 2004)和持续的生态识字学习。创新的扩散动力及其潜在的正面和负面外部性，突出了在制度碎片化的环境中解决冲突和促进协调的总体治理原则的必要性(Galaz等，2012年)。

这一问题似乎对太阳辐射管理最为关键，特别是注入平流层气溶胶，因为在这种情况下不可能进行故障安全的大规模现场试验。同时，新技术的潜在风险只能通过实际的研究和开发来证明，这一论点通常被称为“控制困境”(英国皇家学会2009:37,Bracmort et al. 2011:4)。太阳辐射管理管治计划(www.srmgi.org/)将是至关重要的。

总而言之，对如此广泛的技术多样性的监管是通过多边条约制定、多中心自我监管方法还是通过软法方法来最有效地实现的，这是地球工程研究界中一个备受争议的问题(例如，Victor 2010, Reynolds 2011)。恢复力学者可以通过引入对保持多样性的必要性的理解，以及对创新在建设社会生态恢复力中的作用的理解，为这场辩论做出宝贵贡献。

应该指出的是，这是一个超出地球工程技术的问题。技术变革不仅将人类推向了人类世，而且远远超越了地球工程技术。信息技术、生物技术、人工智能、合成生物学和机器人等新领域为人类福祉带来了巨大的希望，但也可能带来风险。此外，真正的颠覆性技术往往是现有技术意外重组的结果(Arthur 2009, Kelly 2010)。

众所周知，这些重组很难预测(Kelly 2010)，但有可能对生态系统产生重要影响。地球工程技术也不例外，但包括向平流层注入纳米粒子的建议(Keith 2010)，以及设计生物技术改良作物以增强其反照率特性的建议(Rigwell等，2009)。Brian Arthur观察到技术的成熟、多样化和规模在加速增长(Arthur 2009)，这不仅是乐观的理由，也是认真探索能够在地球边界内保持创新的国际和国家制度框架的理由。

总结评论

我们是否可以对地球进行地质工程，使人类能够保持在关键的行星边界内?在当前国际上管理地球工程建议和技术的努力中，承认地球管理员所发挥的根本作用的最佳方法是什么?我们如何在新的技术重组中保持领先，这些技术重组可以帮助我们避开毁灭性的非线性环境变化，但也可能造成新的、大规模的生态风险?这些问题都是关于地球工程的机会和风险的日益激烈的辩论的结果，大规模的技术干预气候系统。

表1总结了几种著名的地球工程方法，包括与当前社会生态系统及其治理工作相关的关键问题。

认识到人类已经进入人类世具有重要的影响，不仅因为它迫使我们在全球范围内考虑复原力(Rockström et al. 2009a、b)，还因为它迫使我们讨论，从对地球系统的无意修改和试验，转向一种有意地试图修改气候和相关的生物地球物理系统，以造福人类的方法，是否可取。

我们如何处理地球系统治理和管理的这种潜在转变涉及到冲突的权衡，以及以前所未有的规模管理风险和不确定性。此外，这一问题的伦理和社会政治特点严重挑战从全球环境机构到社区管理系统的各级机构能力。韧性社区可以从根本上为这一有争议和关键的新兴辩论做出贡献。这篇文章应该被看作仅仅是一个开始。

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