地球系统安全评估新工具：R语言开源软件包boundaries助力行星边界量化研究

本文介绍了一款基于R语言的开源软件包boundaries，用于量化评估陆地行星边界（PBs）的时空状态。该工具整合生物圈模型LPJmL输出数据，实现了对土地系统变化、生物圈完整性、生物地球化学流和淡水变化等关键边界（PB）的透明化计算与可视化，填补了行星边界评估领域通用计算工具的空白，为全球可持续性研究提供了标准化分析框架。

　　

地球系统安全评估新工具：boundaries软件包的科学突破与应用前景

引言
在人类世（Anthropocene）背景下，地球系统正面临多重加速变化压力。行星边界（PBs）框架提出九大关键地球过程的定量界限，其中六项已被突破。然而，缺乏通用计算工具阻碍了PB时空轨迹的系统评估。boundaries软件包的开发正是为了解决这一瓶颈问题。

方法创新
boundaries作为R语言开源工具，通过处理动态全球植被模型LPJmL的输出数据，实现四大陆地PB的标准化计算：

1. 土地系统变化：基于森林生物群落剩余面积（热带/寒带85%，温带50%）
2. 生物圈完整性：采用人类净初级生产占用率（HANPP>10%触发PB）
3. 生物地球化学流：聚焦氮循环（地表径流N浓度>2 mg N L^-1
   ）
4. 淡水变化：结合蓝水（径流）与绿水（土壤湿度）的统计异常阈值（超越前工业期5th/95th百分位）

技术验证显示，该软件能精准再现LPJmL模拟的全球PB相关变量（如耕地面积1556 Mha，灌溉用水量2273 km³
yr^-1
），与独立研究数据误差<10%。

关键发现
时空分析揭示：

• 土地系统：1930年代即突破PB（全球森林覆盖率降至69%），温带生物群落受损最剧
• 生物圈完整性：HANPP早于百年前突破警戒线，当前达18.4%（远超10%安全阈值）
• 氮循环：1960年代后持续恶化，欧洲/中国等地农业区进入高风险区（N盈余79 Tg yr^-1
  ）
• 淡水系统：蓝绿水PB双重突破，31%陆地面积土壤湿度异常（较前工业期增长2倍）

技术优势
boundaries的创新性体现在：

1. 多尺度兼容：支持网格（0.5°）、流域和全球三级分析
2. 动态可视化：首创"楔形时序图"呈现PB演变轨迹（图2）
3. 模块化设计：可通过lpjmlkit包兼容ISIMIP等模型输出格式

应用前景
该工具为以下研究开辟新径：

• PB互作机制：如气候变暖与土地系统变化的反馈循环
• 政策评估：量化各国对全球PB的贡献度
• 情景分析：模拟"安全操作空间"回归路径（如EAT-Lancet膳食方案）

发展路线
未来升级将聚焦：

1. 扩展至大气/海洋PB（如CO₂
   浓度、海洋酸化）
2. 整合磷循环等缺失要素
3. 开发色盲友好型可视化方案

boundaries的诞生标志着PB研究进入标准化、可重复的新阶段，为构建地球系统治理科学基础提供了关键技术支持。正如作者强调，该工具需通过多模型比较（如CMIP6）进一步验证，但其开源特性已为全球学者参与完善创造了条件——这正是应对行星尺度挑战所需的协作精神体现。