如何在保障区域资源利用生态安全的前提下来实现宜居环境及绿色发展？这一直是全球变化学科所关注的前沿科学问题。人口快速增长、化石燃料大量燃烧所导致的环境快速退化与突变风险日益凸显，并影响着联合国可持续发展目标 (SDGs)的实现。此类环境变化具有响应非线性、尺度差异大及反馈机制复杂等显著特征，需从长期的、跨尺度和杜绝短板的视角加以防控。当前主流的环境安全及可持续发展研究主要基于指标评估、动态模拟、格局优化以及政策制定等方面的工作，但能兼顾上述视角的研究案例尚为少见。
董旭辉教授团队基于目前国际学界新出现的地球界限（Planetary Boundary）及区域生态环境-社会福祉发展的安全公正空间（Safe and Just Operating Space, SJOS）等前沿理论，针对如何将全球尺度的SJOS框架模式降维到区域尺度、如何定量要素间的交互作用、又如何确定关键环境阈值等技术难点，进行了重点突破，并将多源数据（包括湖泊沉积演化序列、历史文献记载、社会公报等）同地球界限、区域环境过程、社会福祉进行耦合。在多个时空尺度上（从子流域、流域尺度、区域尺度到全球尺度）的典型社会-生态系统上开展了长期自然环境的地球界限（年-百年尺度）及联合国SDGs达成度、要素间交互关系、区域环境管理政策的制定等研究。取得了如下重要研究进展：
1) 子流域尺度上自然-社会复合生态系统可持续发展的安全公正空间
我国湖泊众多，湖泊生态系统为保障流域周边城市的正常运行提供必要的保障，但有效的区域环境管理往往得基于强有力的当地政策。如何制定子流域尺度的环境管理政策，实现小尺度上社会-生态系统的可持续发展评估，对于可持续发展目标SDGs的实现至关重要。研究基于多源数据构建子流域尺度的“安全公正空间”框架，梳理了流域生态系统近百年来的环境演化过程，揭示了整个巢湖流域社会-生态系统相互作用，提出了流域生态系统的优先级管理指标及相关管理政策（图1a）。此研究首次将“安全公正空间”从全球尺度降维到子流域尺度，开展“安全公正空间”和SDGs的降尺度研究，提出了区域尺度环境边界确定的三种方法，为区域尺度环境管理目标设定提供了新的思路，为实现可持续发展精细化管理提供基础。成果以题目“Optimizing safe and just operating spaces at sub-watershed scales to guide local environmental management”发表在国际期刊Journal of Cleaner Production上。
2) 流域尺度自然-社会复合生态系统可持续发展的安全公正空间
湖泊流域系统是研究复杂自然-社会生态系统动态规律的理想场所。湖泊沉积记录能提供湖泊及其流域生态环境历史变化的数据。本项目充分利用这一优势，利用湖泊沉积记录的高分辨率、连续性好和敏感性强的优势，基于长期视角来界定长江中下游地区的典型湖泊流域的环境安全边界并构建“安全公正空间”，研究结果表明片面追求社会发展目标的实现往往会对环境造成较大负面效应（图1b）。长时间序列数据在“安全公正空间”的可持续发展评估中具有无可比拟的优势，多源记录为研究社会-经济-自然复杂系统提供了丰富的数据，从而解决普遍存在的长期记录缺乏的研究困境。相关成果发表在《应用生态学报》、《水生生物学报》和《地球环境学报》等多个学术期刊上。
图1巢湖不同子流域区域环境发展及社会福祉达成度的安全公正空间（左，图a）；梁子湖流域的环境库兹涅兹曲线（右，图b）。（更多信息参见原文）
3) “一带一路”沿线国家地球界限内可持续发展的评估及政策制定
全球化带来了不同空间尺度上环境的退化。我们以“一带一路”的66个主要国家和地区为例，研究了全球化程度与关键地球环境要素间的关系。在地球界限的安全操作空间内，研究调查了六种生物物理资源使用情况作为环境状态的替代指标（表1），以及KOF全球化指数的四个主指数和五个子指数之间的耦合关系。运用多种数理统计方法，对现有趋势、环境与全球化之间的相互作用、预测未来以及与安全运行空间的耦合等方面进行了推断。研究结果揭示了变量之间长期的非线性关系，全球化导致众多的环境要素超越安全操作空间，而且经济、贸易和金融全球化与生物物理资源利用的关系非常关键，例如：氮的使用和物质足迹是各种全球化指数的重要驱动因素。至少40%的国家高于全球平均资源使用量，50%的国家超过了所有安全操作限值。按照目前的速度，到2030年，近51%的国家可能会跨越所有安全操作空间。在实现更多全球化的竞赛中，超过30%的国家可能会跨越6个星球边界中的5个。基于此，我们建议各国政府和政策制定者将更多精力投入到重构和重新设计全球化，使其更有利于环境的保护，以实现长期可持续发展目标。成果以题目“Understanding the relationship between globalization and biophysical resource consumption within safe operating limits for major Belt and Road Initiative countries”发表在国际期刊Environmental Science and Pollution Research上。
表1与地球边界相关的生物物理资源性指标及其边界定义
4) 全球尺度上气候变化与粮食安全可持续性综合评估与分区管控
气候变化和粮食安全一直是国际关注的热点问题。全球气候变化危机在很大程度上是由全球粮食体系造成的，但粮食体系对于维护人类生命健康安全至关重要，如何均衡气候变率及提供足够的粮食产量是一项重要科学议题。本研究提出了一种新的方法，通过在“共同但有区别的责任”的气候变化控制原则和地球边界内，通过评估国家和地区粮食系统的温室气体(GHG)排放总量，明确各国家和地区应承担气候变化的责任（图3）。研究为评估由粮食系统温室气体排放引起的气候变化的国家和区域尺度问责提供了可靠的方法。成果以题目“An Equality-Based Approach to Analysing the Global Food System’s Fair Share, Overshoot, and Responsibility for Exceeding the Climate Change Planetary Boundary”发表在国际期刊Foods上。
图3 28年(1990-2018年)间粮食系统安全气候空间超额分配的国家层面责任等级图
5）提出基于“地球界限”评估人类社会发展的新指数
人类发展指数(HDI)是一项“以人为本”的社会经济繁荣度评估的重要参数。然而，在人类世开始之际，可持续发展的环境就是人类社会发展的重要支柱。这项工作旨在通过使用地球界限参数及国家间发展的不平等性来进行加权调整，分别得到PHDI及PIHDI等指数来理解人类发展及其环境成本或压力的难题。例如PHDI结合了两种生物物理方法，以消费为基础的指标(CO2排放和材料足迹，MF)作为环境压力的代理指标。这项工作对164个国家过去27年的(1990-2016)社会发展及环境要素数据进行分析，研究发现：从2016年起直至2030年分别在气候变化、物质消耗的安全界限空间内，人类发展指数得分可分别提高55-63%或30-46%；反之，如果不重视环境的保护而仅仅在PHDI和PIHDI中追求更高的分数的情况下，则可能会导致43-58%和57-58%(材料足迹)的国家分别在二氧化碳排放、和物质足迹中突破地球界限。本项工作把新兴的“地球界限”与传统的人类发展指数(HDI)结合起来，提出了评估人类社会发展的新指数，突出了环境维度在评估人类社会发展水平中的重要性。成果以题目“Human development at the cost of the environment?—an application of planetary pressures–adjusted human development index in the lens of planetary boundaries”发表在国际期刊Environmental Science and Pollution Research上。
上述研究得到国家自然科学基金等项目（42171149、41901222、41772372）及银河官网7163的联合资助，相关论文信息如下：
(1) Yanyu Su, Xuhui Dong, Yan Li, Quan Hong, Roger Flower. Optimizing safe and just operating spaces at sub-watershed scales to guide local environmental management. Journal of Cleaner Production, 2023: 136530.（IF= 11.072）
(2) Ajishnu Roy, Yan Li, Tusheema Dutta, Aman Basu & Xuhui Dong. Understanding the relationship between globalization and biophysical resource consumption within safe operating limits for major Belt and Road Initiative countries. Environmental Science and Pollution Research, 2022, 29(27): 40654-40673. （IF= 5.19）
(3) Yan Li, Ajishnu Roy & Xuhui Dong. An Equality-Based Approach to Analysing the Global Food System’s Fair Share, Overshoot, and Responsibility for Exceeding the Climate Change Planetary Boundary. Foods, 2022, 11(21): 3459. （IF= 5.561）
(4) Ajishnu Roy, Tusheema Dutta, Yan Li & Xuhui Dong. Human development at the cost of the environment?—an application of planetary pressures–adjusted human development index in the lens of planetary boundaries. Environmental Science and Pollution Research, 2022: 1-23. （IF=5.19）
(5) 苏彦瑜,李燕,董旭辉.湖北梁子湖流域社会生态系统可持续发展的“安全公正空间”.应用生态学报,2020,31(12):4206-4214.
(6) 苏彦瑜,李春华,廖粤军,李燕,董旭辉.基于多源数据的“安全公正空间”在大通湖流域环境管理中的应用.水生生物学报,2021,45(01):197-205.
(7) 苏彦瑜,董旭辉.“安全公正空间”框架在区域环境管理中的应用——以太白湖流域为例.地球环境学报,2020,11(05):562-573.
