生態足跡的模型修正與方法改進

周 濤, 王云鵬, 龔健周, 王 芳, 馮艷芬

1 中國科學院廣州地球化學研究所, 廣州 510640 2 廣州大學地理科學學院, 廣州 510006 3 中國科學院大學研究生院, 北京 100049

生態足跡的模型修正與方法改進

周 濤1,2,3, 王云鵬1,*, 龔健周2, 王 芳2, 馮艷芬2

1 中國科學院廣州地球化學研究所, 廣州 510640 2 廣州大學地理科學學院, 廣州 510006 3 中國科學院大學研究生院, 北京 100049

生態足跡是測定人類活動的資源消費需求，判明自然資產是否被過度利用的有效工具。介紹了生態足跡的基本概念和模型，簡單分析基本模型存在的主要缺陷和爭論，重點解析了近年來生態足跡模型在參數調整、項目計算、賬戶擴展等方面的演變和修正。介紹生態足跡研究的傳統方法：綜合法和組分法，評述了生命周期評價，基于投入產出分析，三維模型，凈初級生產力，能值理論，時序分析等的方法改進。對未來的研究方向提出自己的看法，期望對我國的生態足跡研究有一定的啟示作用。

生態足跡; 生態承載力; 模型修正; 方法改進

生態足跡(EF)的概念是1992年William Rees提出并主要由他的學生Wackernagel逐漸完善的[1]。生態足跡方法通過比較人類活動消耗的自然資源與自然生態系統所提供的生態承載力(BC)，定量的判斷研究區域的可持續發展狀態[2]。生態足跡概念提出后，由于其概念清晰，計算方便，分析結果直觀且具有可比性，很快受到了各研究機構、國際組織、政府部門乃至社會公眾的廣泛關注，成為當今可持續發展研究中的熱門領域。本文將回顧生態足跡研究的基本模型，簡單分析基本模型存在的主要缺陷和爭論，重點解析模型的改進和方法的修正，最后展望未來的研究方向，以期對我國的生態足跡研究起到一定的啟示作用。

1 生態足跡基本模型的修正

生態足跡的基本模型包括三個方面：一是生態足跡的計算；其次是生態承載力的計算；最后是生態足跡與生態承載力的比較。就全球尺度而言，當EF>BC時，意味著人類對自然資源的過度利用，產生了生態透支，是一種不可持續的資源消費，反之，則表明對自然資源的利用程度沒有超出其更新速率，處于生態盈余中[3-6]。

生態足跡基本模型將人類對各種自然資源的需求量及自然界相應的供應能力通過引入均衡因子和產量因子統一量化為“全球公頃”為單位的“生物生產性土地”，提供了全球可比的、簡單有用的資源可持續利用評價手段。但是在研究和應用過程中，發現基本模型存在一些缺陷或者具有爭議的地方[7-11]，如假設各類土地在空間上是互斥的，忽略土地功能的多樣性和一定程度上的功能替代性；賬戶涵蓋不全面，沒有把自然系統提供資源、消納廢棄物的功能描述完全；將各區域產量調整為世界平均產量掩蓋了不同區域的特殊性；過于強調土地的生產性及其數量，缺乏對土地生態功能與質量的關注；歸一化的單個指標不能全面度量和評價復雜的社會-經濟-環境-生態系統。

針對基本模型的缺陷，研究者們從不同角度提出了解決方法，例如：基于凈初級生產力(NPP)設定均衡因子，以體現土地的生態功能；根據區域特征調整產量因子，解決區域信息丟失的問題；提出水足跡，污染足跡等新的足跡項目，克服基本模型中計算項目的偏頗性；與其他指標相結合，綜合評價可持續發展狀況。

1.1 均衡因子

在基本模型中[5-6]，均衡因子基于聯合國糧農組織開發的AEZ模型中采用的適宜性指數。該指數代表不同土地類型在現有社會經濟條件下的進行農業生產的適應能力，在此基礎上的均衡因子著眼于土地的潛在農業生產力而非現實產量，忽視其多功能性，特別是未能體現林地，草地等的生態重要性。Venetoulis等所提出的基于NPP的均衡因子在一定程度上解決了上述問題[12]，反映了不同生態系統在自然或人為干擾條件下的現實生物量，更體現了它們在滿足食物生產和原料供給之外的生態價值，如：氣候調節，水土涵養，生物多樣性保護，養分循環，廢物吸收等。

1.2 產量因子

產量因子主要通過比較同類生物生產性土地的本地平均產量與全球平均產量而得到。這種方法以當前實際產量來計算產量因子，忽略了不同耕種方式對環境影響的差異，比如精細農業相對于粗放農業，可能在某段時期內獲得更高的產量，但這需要投入更多的化肥，農藥，除草劑等損害耕地未來生產力的物質。因此，Mózner等建議在計算產量因子時排除因化肥等帶來的邊際生產力[13]，以可持續產量作為農業開發強度的指導，減少對生態環境系統的不利影響。

另一方面，采用世界平均產量的產量因子雖然便于國際間比較，卻無法反映區域生態承載力的真實情況和變化。有人主張用國家公頃[14]，省公頃[15-16]，本地公頃[17]代替全球公頃，通過產量因子本地化來更好地反映國家、省內不同區域生態環境壓力現狀。還有學者提出“實際土地需求”[18-19]，不再利用均衡因子和產量因子轉為全球公頃，而是直接計算區域內各類土地的實際需求和供應情況。

此外，在時序生態足跡研究中，由于本地單位產量和全球單位產量均存在年度波動，很難厘清這兩種變動對產量因子的具體貢獻，可能導致某些“生態足跡幻覺”，如因世界平均產量下降而相對地增加本地生態承載力，難以正確評價生態足跡和生態承載力的趨勢。Ewing等在計算國家生態足跡時提出時際產量因子的概念，以多年平均產量得到固定的產量因子[5]，從而更清楚的解釋了生態足跡和生態承載力的時序變化，反映了其長期發展狀況。

以生物資源的產量來推導產量因子還存在計算項目繁多，作物品種選擇缺乏規范的問題，影響了計算結果的科學性。同時，這種方法不太適合林地，草地，水域這些土地類型，例如某些地區限制林木開采，這時根據原木產量所得到產量因子，難以反映自然生長情況，也導致計算出的林地生態承載力偏小。Ewing等建議采用NPP方法來計算草地，水域產量因子[5]。劉某承等則基于NPP法計算了中國各類土地的產量因子[20]，修正后的產量因子使生態足跡的計算結果更真實的反映人類消費對生態系統供給能力的占用。

1.3 能源生態足跡項目

1.3.1 化石能源足跡

目前化石能源用地計算主要采用吸碳法，該方法依據CO2等溫室氣體導致的全球變暖已成為人類面臨的最大環境威脅，以化石能源燃燒排放的CO2除以全球森林的平均吸碳速率得到化石能源足跡。根據IPCC的數據，全球森林單位面積的碳吸收量為1.42tC hm-2a-1[21]。而謝鴻宇等基于陸地生態系統碳循環，計算出全球平均森林吸碳速率為3.80tC hm-2a-1[22]。從中可以看出，基于不同研究得到的吸碳速率有很大的差異，降低了吸碳法的可靠性。

此外，傳統的吸碳法來計算化石能源足跡還存在如下不足：首先，它只考慮了森林對CO2的吸收。實際上，其他的土地類型如草地、水體等也具有一定的吸碳能力，如果以各類生物生產性土地的平均吸碳速率計算生態足跡應該更符合實際情況。其次，不同成長階段不同氣候條件下的生態系統，其吸碳能力有很大差異。如當林地步入成熟期時，其CO2的吸收率會下降，因此在時間序列研究時應注意參數調整，同時需要處理全球變暖與生物圈固碳能力的復雜關系。再次，CO2的排放也不僅僅來自化石燃料燃燒。研究發現，土地利用變化所產生的CO2約等于30%的化石燃料排放[23]，反芻類牲畜排放的廢氣也是CO2的重要來源，占全球溫室氣體總排放量的18%[24]。顯然，將全球生物圈的碳吸收量全部分配給化石能源燃燒是不合適的。第四，吸碳法所計算的生態足跡實際上是吸收廢氣所需土地面積，這與其他生態足跡項目計算資源消耗所需生產性土地的邏輯是不一致的。前者允許資源存量的消耗不被補充，而僅消除資源消耗所排放廢物對環境的不利影響(主要是溫室氣體)，屬于弱可持續觀點；后者則希望維持資源存量，其消費速率不超出生產速率，屬于強可持續觀點，這種不一致削弱了生態足跡的應用價值。最后，對于溫室氣體，吸碳法只計算了CO2，其他如CH4、N2O、HFCs等則沒有考慮。IPCC的報告指出，這些氣體對全球變暖的貢獻率達到25%以上[23]。利用各種溫室氣體的全球增溫潛勢(GWP)可將它們都納入生態足跡中[25]，將這些氣體的排放量轉為對應輻射的CO2排放量。另外，Walsh等提出應當分析溫室氣體生命周期以及生物降解途徑，如CH4如何轉化為CO2，土壤、灌木對CH4的吸收等[26]，但目前人們對其他溫室氣體的物理化學過程和生物吸收機制仍所知甚少。

在新的國家生態足跡框架中，一些吸碳法的改進已采納，例如：在全球生態足跡中加入了全球土地覆蓋變化所產生的CO2；調整海洋吸收CO2的速率，更改后的速率更為穩定；將油氣逸出，水泥生產，森林火災，生物燃料等更多的CO2來源納入到足跡賬戶中[5-6]，這些改進一定程度上改善了吸碳法的不足。

1.3.2 非化石能源足跡

最初的生態足跡賬戶并不包括核能，Wackernagel等后來在完善國家生態足跡框架時將其作為可選項納入進來[2]，采用替代法思路，計算同等能值的化石燃料排放CO2所需的土地面積作為核能足跡。有學者認為，替代法不能反映真實的土地需求，主張以成分法研究核能足跡，分析在核電生產過程中所消耗的各種資源的足跡[27]，例如：基礎設施所需的木材，工廠占據的建筑空間，吸收CO2的林地，乃至因污染喪失生產力的土地等。Stoeglehner等則考慮到核泄漏的風險，根據核事故的歷史記錄和發生概率，量化在核能生產的鈾礦開采，核燃料運輸，工廠運作，廢料處理等環節中有可能受影響的土地面積[28]。基于風險分析的核能足跡往往比采用替代法核算的足跡有顯著增高，兩者的對比，有利于人們對核能利用的短期環境影響和未來風險進行綜合評估。

另外，可更新能源生態足跡的研究也取得一定進展。通常將水電的生態足跡歸于水電站蓄水發電所淹沒的土地面積，其他可更新能源如風電、光電等也采用類似方法[29]，以電站基礎設施占用的土地面積來計算生態足跡。

1.4 其他生態足跡項目

1.4.1 耕地

耕地足跡研究主要問題是如何衡量耕地的生態透支。對林地、草地、水域等土地類型來說，生物收割量有可能小于生物生產量，形成生物資源積累；同時收割量也可能大于產量，形成存量透支。耕地則與之不同，耕地上不存在農作物存量，即不可能存量透支。Haberl等主張將現代農業生產中的能源消耗(如農業機械燃料，化肥，農藥等)加入耕地足跡[30]；還有學者提出當耕地生產造成養分流失、水質污染、土壤退化等環境影響時即可認為是生態透支[8]，但農耕不一定是這些環境變化的唯一因素，如何量化這些影響、擴展耕地足跡等仍待研究。

1.4.2 水域

通常，以漁產品產量來計算水域足跡。漁業生產有兩種方式：養殖和捕獲，表面上看，養殖漁業屬于密集型生產，單位產量的水域面積遠小于捕獲方式，但如果將養殖消耗的飼料，能源等足跡并入，總足跡可能有很大的提高。

Talberth 等較大程度地修正了漁業足跡方法，將公海面積按人口權重分配到各國，納入到地球表面所有生產性水域計算，以初級生產力產量代替漁產品原始噸位產量，確定可持續產量的閾值，當實際產量高于閾值時，意味著生態透支[31]。但這種方法把初級生產作為水產品生長的唯一要素，忽略了魚類資源存量對其再生產的也同樣重要，可行的改善方向是在模型中添加魚類的存量信息，特別是有關產卵場的信息。

1.4.3 建筑用地

基本模型假設所有的建筑用地都是占用的耕地，計算時直接乘以農作物產量因子和耕地的均衡因子。然而，很多地方的建筑用地是由森林、草地乃至生產力很低的灘涂、荒漠等轉化而來的，如果把它們都作為生產力最高的耕地，明顯會高估該地的生態承載力。改進的辦法是利用遙感影像數據監測土地利用變化，明確建筑用地的具體來源，或者是計算各建筑用地轉化前后的凈初級生產力，以此確定它的實際足跡和承載力[12]。還有學者主張將建筑用地從生態足跡賬戶中取消，理由是耕地轉為建設用地后，基本已不再具備生產能力，但總的生態承載力卻依然保持不變，這是不合理的[27]。事實上，基本模型中，建筑用地的生態足跡總是等于其生態承載力，因為本質上，兩者都同指建筑設施已實際占用的生物生產性土地。因此，建筑用地足跡的增加必然使相應的承載力也隨之增加，而這會擠占耕地生態承載力，從而增大(縮小)總的生態赤字(盈余)。從這個角度看，建筑用地應當保留在足跡項目中。

1.5 項目擴展

1.5.1 碳足跡與能源足跡

碳足跡(Carbon Footprint)這一源于生態足跡的概念，提出后就很快成為足跡家族中最受關注的焦點。碳足跡可定義為一項活動，一種產品的整個生命活動周期所直接或間接產生的CO2(或CO2當量)排放量[32]。大部分學者認同碳足跡除CO2外，還應包括其他所有重要的溫室氣體，這些氣體的排放量乘以它們的全球增溫潛勢(GWP)因子，即得到相應的CO2當量，使各種溫室氣體的增溫效應可以比較和匯總[33]。

能源足跡與碳足跡非常類似，都用于度量人類活動的溫室氣體排放，但兩者仍存在明顯區別。能源足跡是吸收化石燃料，水電，核電等各種能源消耗過程中產生的CO2所需的森林面積，可看作獨立出來的生態足跡中能源生態足跡項目；碳足跡則是對碳排放量的表征，以類似于質量單位的千克CO2當量(kg CO2e)來表示而無須轉化為土地面積，其好處在于避免了轉化過程因各種假設而帶來的不確定性和錯誤[34-35]。碳足跡概念清晰，目標明確，計算方法爭議相對較少，一些相關的評估規范和標準也已推出，如英國的PAS 2050和國際標準化組織的ISO 14067，這些標準主要基于生命周期評價(LCA)方法，可操作性較強，進一步推動了碳足跡的應用。

1.5.2 水生態足跡與水足跡

基本模型中的水域足跡項目主要是漁業生態足跡，即生產漁產品的水域面積，不能完全反映人類所需的各種產品和服務所消耗的水資源。有研究者對基本模型進行了擴展，提出水生態足跡，意指一定人口所占用的滿足其用水消耗的產水面積[36]。同一水域可能有多種生態系統功能，這與生態足跡的土地功能互斥性假設相違背，張義等提出承認水域功能多樣性的事實[37]，將水生態足跡分為水域-漁業、水資源和水環境三類獨立賬戶，從而全面衡量人類活動對水生態系統產生的各種影響。

Hoekstra等將“虛擬水”理論和生態足跡方法結合起來評價水資源利用，提出水足跡(Water Footprint)概念[38]。水足跡被定義為：特定人群生產或消耗產品和服務時所需的用水量(主要指淡水)[39]，包括可直接利用的地面水和地下水(藍水足跡);源于降水，存于土壤，被植被蒸散的水(綠水足跡);廢水排放(灰水足跡)。可見水足跡是指生產產品中包含的“虛擬水”[40]。與生態足跡不同的是，水足跡的衡量標準是用水量(m3)。同時，水足跡采用均等權重，基于本地生產力計算，表達的是真實的需水量，比較全面的包納了用水類型，揭示了人類的消費活動對水資源的全球占用，有利于擴展水資源管理的范圍和深度。水足跡評價也具有局限性，如：可利用綠水資源量難以估算；灰水足跡的估算主觀性強，僅體現了水污染的綜合嚴重程度，缺少具體污染物的分析；數據收集困難；以及缺少對計算過程中的不確定性進行分析。

1.5.3 污染足跡

現有的生態足跡框架主要考慮生物生產性土地所能吸納的污染部分(如溫室氣體CO2)，忽略了其他污染物質的作用，不能完全反映人類活動與自然環境的關系。因此，有必要擴展基本模型，設置污染足跡，以更全面的反映各類污染物的排放及其環境影響。

污染足跡的研究還比較少，已提出的主要方法有：以排污凈化或廢棄物處理過程中所需的設施占地和能源用地等作為污染足跡[41]，如Herva等分析了熱等離子技術處理危險廢棄物過程中的足跡組成，包括電能消耗的能源足跡，廢物熔融、氣化后尾氣排放中的碳足跡，需扣除的因廢渣回收而節省的足跡等[42]；計算垃圾堆放或填埋所占據的耕地足跡或建筑用地足跡；將污染足跡定義為吸納污染物質所需的土地面積，其吸納過程包括生物的、物理的、化學的降解和轉化(如森林對SO2的吸附，土壤污染的地球化學過程等)[43]；核算因污染所造成的生物生產力損失，以減少的生態承載力間接推導污染足跡[44]。盡管這些方法還不成熟，但指出了研究方向及可借鑒的思路，有助于最終將污染足跡納入到生態足跡評估中。

1.5.4 礦石資源足跡

Nguyen等以熱力學理論為基礎，提出了不可更新資源(主要是礦石資源)足跡[47]。他們引入了(exergy)的概念，認為資源的消耗過程同時也是其可利用的潛在功能()的喪失過程。計算礦石資源足跡是將資源的消耗量化為所損失的值，然后假設這種損值由生物性土地所吸收的太陽輻射能來彌補，從而轉化為生物性生產土地面積。這種方法從能量轉化和流轉角度探索了將礦石資源的消耗合并到已有的生態足跡中，增強了生態足跡作為資源利用評價工具的全面性。但這種轉換，違背了這類資源的不可再生的本質特性，轉換過程比較牽強。未來，從資源循環利用的角度出發，建立類似于水足跡的以消耗量為計量的獨立的礦石資源足跡，應當是解決問題的方向。

2 生態足跡研究方法改進

根據消費數據解析的過程，傳統生態足跡研究形成了兩種基本方法體系：綜合法和組分法。前者著眼于初級產品，自上而下的利用整體數據，后者著眼于終端消費項目和個人消費行為的組分劃分，自下而上的匯總數據。

綜合法在計算全球和國家生態足跡時被大量采用，如世界自然基金會等機構每隔兩年發布的《地球生命力報告》即使用此方法。綜合法要求有完整可靠的產品生產和貿易數據，使得綜合法很難直接應用于地方、城市、企業或個人的生態足跡計算。

組分法由Simmons等提出[48]，組分法能獲取某種消費品或消費行為的生態足跡信息[49]，克服了綜合法的所面臨的數據獲取和貿易調整難點。組分法存在的問題：一是它的計算準確度依賴于組分劃分的徹底性和生命周期分析的可靠性。二是即使同一種消費品，在不同生產過程中所需的自然資源、能源及排放的廢物的結構和數量有可能存在很大差異。

2.1 基于生命周期評價的生態足跡方法

生命周期評價是一種廣泛使用的用于評價特定產品或服務從獲取原材料、生產、使用直至最終處置的整個生命過程的環境影響的工具[50]，通常包括4個階段：目標與范圍的確定，清單分析，影響評價和結果解釋。LCA能較全面的跟蹤產品全過程，其計算過程詳細，有相關的國際標準(ISO 14040)和規范文件供參考，比較適合產品或服務的生態足跡研究。

LCA法的主要缺陷是邊界確定和數據選擇比較復雜，有時存在一定的主觀成分，因此，應用LCA法進行生態足跡計算應注意以下幾點：所采用的方法和數據應符合ISO14040和14044標準[51]；初級產品的生態足跡核算應盡量使用國家生態足跡中相關的產量因子；應評估影響結果精度的問題，如截面誤差和重復計算。

2.2 基于投入產出分析的生態足跡方法

環境的投入產出分析(IOA)是由Leontief提出的包括貨幣與實物流動，資源輸入和環境污染輸出等信息的分析方法。1998年, Bicknell等研究新西蘭生態足跡時，將投入產出分析法引入生態足跡的計算(EF-IO)[52]。此后，相關研究大量開展起來，并在方法上有所更新，較新的進展如： Turner等[53]結合多區域投入產出表(MRIO)，研究了國際貿易間的資源和污染分配；Wiedmann等[54]提出投入產出分析和國家生態足跡帳戶(NFA)相結合；Kratena等[55]基于投入產出模型計算消除生態赤字所需的成本；Galli[56]，Ewing[57]，Zhao[58]等人嘗試了將投入產出分析應用在碳足跡，水足跡的研究中。

EF-IO已在國家、區域、社會經濟組織、公司等生態足跡中廣泛應用，特別是在因缺少貿易數據而難于使用綜合法的研究場景中。EF-IO所依據的環境經濟投入產出表編制方法成熟規范，是國民經濟核算體系的常規部分，數據充分可靠，能夠全面提供明確、一致的從生產到消費的足跡賬戶，能反映不同的產業部門、消費類別、區域、組織間的生態足跡需求及流動，增強了生態足跡模型的結構性和可比性。基于MRIO的EF-IO能進一步分析國際商品貿易中隱含的資源，能源和污染足跡的流向，確定來自不同國家、不同部門的進口足跡的產量因子，追蹤某種產品或服務國際供應鏈的環境影響，為制定國際環境政策提供依據。編制與聯合國環境經濟綜合核算框架準則一致的MRIO，有利于提高足跡計算的可比性和準確性，是國家生態足跡評價標準化的理想選擇。EF-IO方法也存在一些不足，從資源利用和環境影響來看,實物投入產出表比貨幣投入產出表更適合生態足跡計算，但面臨如重復計算、廢物處理、數據獲取等難點；因數據分辨率問題，在微觀尺度[9]，如計算個人、具體產品的生態足跡時，不能直接應用EF-IO，需要尋找與其他方法的結合，如與LCA法相結合，融合二者的長處彌補其缺陷。

2.3 基于凈初級生產力的生態足跡方法

凈初級生產力是指綠色植物在太陽能光合作用下生物物質的年生產量，是地球上所有消費者和分解者生存、生長、繁殖的基礎。Venetoulis等提出了基于凈初級生產力的生態足跡計算方法(EF-NPP)[12]。相對于傳統EF計算方法，該方法有較大變化：在生態承載力計算中包含了所有的水面和陸地，認為低生產力土地和海洋對生態系統服務也起著重要作用；承認土地功能的多樣性；改變碳吸收的土地類型和速率；基于NPP重設均衡因子；保留更多的生物多樣性保護用地。

以上改進彌補了傳統EF方法的某些缺陷，如土地功能互斥假設，均衡因子失真，忽略生態功能等，更清楚的揭示人類活動與生態系統服務的關系。其內含的凈初級生產力的人類占用(HANPP)從生態系統動力學視角更深入的了解生物生產和消費鏈，反映了區域間貿易的生物量交流。在技術上，利用遙感和地理信息系統(GIS)可快速獲取實時NPP信息。但其計算方法和模型尚不完善和規范;NPP獲取精度欠佳;基于NPP的均衡因子不穩定等缺點也有待解決。同時，明確可持續的NPP消耗以及利用 HANPP與生物多樣性的內在聯系，探索生態足跡中增加生物多樣性的評價方法[9]，也是EF-NPP的研究潛力。

2.4 基于能值的生態足跡方法

能值的概念是由Odum提出用以評估自然資產和生態系統功能的工具。生態足跡的能值分析就是以能值為基準，把生態經濟系統中不同種類、不可比較的能量轉換成同一標準的能值來衡量和分析。

Zhao等[59]最先把能值分析引入到生態足跡中，利用能值轉換率，計算區域各消費項目的人均太陽能值，再轉化為能值足跡。其他一些改進的研究如：Chen等[60]基于全球能值密度來計算生態承載力和足跡，使兩者可以比較；Liu等[61]在年度全球能值總量中納入了表層土壤能值；Siche等[62]在足跡計算中考慮了土壤流失和水資源消耗因素，并保留了14.2%的生物多樣性保護用地;Pereira等[63]以各生態群落的能值而不是平均值來計算林地生態承載力。

與傳統EF模型所采用的均衡因子、產量因子等爭議較大的等量化參數相比，基于能值的EF方法所采用的能值轉換率、能值密度等參數更加穩定，更具實際意義。能值轉換率還反映了一定的經濟發展狀況和技術水平。但是，能值密度的測量比較困難，精度較低，沒有統一的規范；不同產品或過程的能值到足跡的轉換具有不同的特性，分析復雜；能值足跡是基于能量流分析的，不能反映生物物質的投入產出與流轉情況，也缺少判明資源利用可持續性的指標，因此，應當與基于生物生產的生態足跡相互補充從不同側面評價生態系統功能。

2.5 基于三維模型的生態足跡方法

傳統生態足跡模型是基于生物生產性土地面積的二維模型，無法區分自然資本利息和存量的關系，也未能體現生態透支在時間維度上的積累和不可持續狀況。Niccolucci等[64-65]提出把基于面積的二維模型發展為具有體積的三維時空模型，以表征自然資源的過度利用。該模型有兩個維度：足跡面積(EFsize)和足跡深度(EFdepth)。足跡面積是指在區域生態承載力限度內，實際所占用的生物生產性土地的面積；足跡深度則是為維持自然資產的消耗所需的生態承載力面積的倍數，又可以區分為自然深度和附加深度。自然深度取值為1，代表生態系統的年度自然資本利息，但如果自然資本利息不能滿足消耗需求，需要生態透支存量資源時，就額外產生了附加深度。方愷等運用上述原理方法，對中國生態足跡的深度和廣度進行了研究[66-67]，并提出了改進指標，如：人均歷史累積足跡廣度、足跡廣度基尼系數和理論足跡廣度。

三維生態足跡模型在保持生態足跡基本框架和計算結果不變的基礎上，豐富其內涵，增加了新的足跡深度維度，更加明確地衡量和跟蹤自然資本存量的消耗程度。深度的積累和變化反映了資源消費與生態服務的代內和代際分配，同時，公眾和企業也能更直觀地認識他們的行為可能造成的環境影響。作為新提出的方法，該模型還有很多需要完善的地方，如：在區域尺度，區間貿易的存在使生態透支難以識別，從而基于生態透支來計算足跡深度變得困難；模型中生態足跡被視為圓柱體，但體積仍以全球公頃這樣的面積單位來度量，缺少明確的物理意義；指出了資源枯竭的速度，但未能明確其對生物承載力和生態環境的具體影響，缺少存量資源總量分析，無法估算存量枯竭的閾值。

2.6 基于時間序列的動態生態足跡方法

傳統生態足跡模型是一個靜態指標，它得出的結論都是瞬時性的。近年來生態足跡研究試圖通過計算各指標的時間序列值來追蹤各個時點的自然、社會、經濟變化，以彌補指標靜態性的缺陷，如《地球生命力報告》中對1961年以來全球生態足跡的變化分析[68]。長時序研究中需要解決的重要問題是產量因子是否需要建立在當地潛在的生產力基礎上，生產力因子可能比產量因子更容易解釋生態足跡和生物生產力在長時間序列上的變化原因。

時序研究的重要目的是進行趨勢模擬和預測。例如Vuuren等[69]利用IMAGE 2.2模型進行因子模擬。也有研究者直接根據生態足跡序列值，嘗試引入非線性的預測模型，如綜合自回歸移動平均模型[70-71]、集對分析[72]、灰色預測模型[73]、動力趨勢模型[74]、經驗模態分解EMD方法[75-76]等。還有研究通過分析生態足跡與其驅動因素的定量關系, 建立動態模型，進行生態足跡預測。主要采用的方法包括多元線性回歸、偏最小二乘回歸、遞階偏最小二乘回歸[77]、庫茲涅茨曲線分析[78]，環境壓力隨機模型[79]，人工神經網絡[80-81]等。另外，有學者采用了基于土地利用和土地覆蓋變化的生態足跡預測方法，如Wood[82], Chang等[83]進行的相關研究。上述方法處理了生態環境系統的變化復雜性，給出了具有指導意義的對生態系統總體趨勢的預測，但缺少在生態系統結構上進行模擬和仿真，很少涉及生態承載力的變化。

長遠來看，人類活動的影響如土地利用與土地覆蓋變化、氣候變暖會危害生態系統功能，進而損害人們所能獲取的生態服務。因此，理想的生態足跡動態模擬應當包括影響人類活動與生物生產力關系的所有自然，經濟，政策，技術因素，以結構解析的方式來建模。Lenzen等提出的動態生態足跡(DEF)模型沿此方向做了有益的嘗試[84]，基于人類消費活動，生產活動，土地利用，溫室氣體排放，生物多樣性，生物生產力等的相互影響和趨勢進行了國家生態足跡的時序分析。

3 展望

生態足跡自提出以來已經得到了廣泛的應用和不斷的完善。但是，生態足跡模型和方法仍處于不斷發展的階段，綜合國內外學者研究，未來生態足跡方法研究的重點如下：

(1) 生態足跡核算方法的標準化研究

生態足跡已越來越多的應用于人類活動對自然資源(主要是生物資源)消耗的可持續性的評價。在此背景下，加強生態足跡標準的研究，確保計算方法、過程和結果的透明性、一致性、可靠性和可比性，變得十分重要。標準化能鼓勵更廣泛、更規范采用生態足跡，提高其促進可持續發展的效率和影響力。生態足跡標準的內容應包括：源數據采集、計算過程、關鍵參數、邊界確定、結果評價等方面。標準的制定需要政府機構，國際組織，學術團體等的共同參與，近年來，全球足跡網絡(GFN)已做了大量的相關工作，也推出了一些指導性標準，但除國家生態足跡較完善外，地方層面和產品的生態足跡核算還缺少統一的、詳細的約定，需要進一步的推進。

(2)生態足跡評價的不確定性和敏感性分析

生態足跡評價中存在著廣泛的不確定性，影響了研究結果的可信度。不確定性來源于多個方面：1)數據質量的不確定，如數據收集過程所傳遞的誤差，數據缺乏，數據代表性不足，對數據選取不當。2)關鍵參數的不確定。如基于AEZ模型的平衡因子所涉及的土壤、氣溫、坡度、降水等各種因素的量度，產量因子中草地，水域NPP的估算，全球平均 CO2吸收速率的設定，畜牧業單位產品食物消耗的計算等。都有可能會因缺少資料信息，而只能簡化、粗估或代替，也可能引入錯誤的知識和方法，或者計算中的誤差，從而產生不確定性。3)因模型固有缺陷引起的不確定性，如沒有考慮不同類型土地功能的多樣性和相互影響，對地球碳循環復雜機理的簡化，地區間貿易平衡的錯綜與難以跟蹤等。因此，識別生態足跡評價中不確定性的產生路徑和敏感性因素，提高核算結果的可靠性和公信力，為環境管理者或決策者提供相對準確的信息是非常必要的。未來，從數據的可信度、時間、來源、地理覆蓋面、技術水平等方面來進行數據質量評估，應用OAT、蒙特卡洛法、拉丁超立方取樣等方法進行不確定性定量與敏感性分析，是生態足跡研究的重要方向。

(3)構建全面的生態足跡指標體系

現有的生態足跡模型指標存在種種缺陷，沒能完整描述自然系統的生態功能，忽略了不可更新資源、水資源的作用，對污染物的生態環境影響沒有完全考慮。雖然一些學者提出了改進方法，但大多數建議仍不成熟，缺乏有效性驗證。因此，希望依靠生態足跡單一指標來描繪人類所面臨的環境和可持續發展問題顯然是不現實的，建立能夠全面衡量人類活動對自然資源需求及環境壓力的指標體系，以多個不同側面，相互補充的指標來代替單一指標成為必然選擇。相對于其他資源環境指標，生態足跡的優勢是計算方法易操作，計算結果可比和簡明易懂。目前，借鑒生態足跡思想的碳足跡，水足跡已廣為接受，分別成為評估溫室氣體排放和水資源利用的有力工具，相同思路的能源足跡，氮足跡，磷足跡，污染足跡，生物多樣化足跡等[85]也已提出但還不成熟。未來，需要對這些足跡指標和方法的進一步完善，以及提出更多類似的指標，如：荒漠足跡，濕地足跡，氣溶膠足跡，臭氧足跡，重金屬足跡，硫足跡等，乃至社會經濟足跡，如：食物足跡，工作機會足跡，教育足跡，健康足跡，人權足跡，產業足跡，投資足跡等，使足跡家族不斷發展壯大 。更為挑戰的是，對這些指標進行代表性篩選，納入統一的研究框架，采用標準的研究方法，如LCA法和IO分析法，構建全面涵蓋可持續發展的評價體系。

(4)基于生態透支界限的動態生態足跡研究

2009年，Rockstr?m領導的研究小組，提出了9種對人類生存至關重要的地球生命支持系統的過程，并確定了這些過程的生物物理安全值，稱之為行星界限(Planetary boundaries)[86]。這些界限如果被突破，地球系統不能以穩定的狀態運行，會給人類造成無法承受的環境變化。行星邊界的提出，為動態生態足跡的研究提供了新的啟示。根據生態足跡理論，在全球范圍內，如果人類的資源消耗超出同期(通常為年)地球所能更新的生物生產力，即生態足跡高于生態承載力時，意味著自然資本存量的消耗和污染物質的累積，顯然，這種生態赤字狀況是不可持續的。但是，不可持續的臨界點在哪里，生態透支是否存在一個類似行星界限的閾值，超出后會導致生態系統的突變，生態功能和生物生產力發生不可逆轉的退化，現有的生態足跡方法很少關注這一問題。實際上，生態足跡直接涉及Rockstr?m等提出的關鍵性地球過程中的兩項：土地利用變化和氣候變化，它們的行星界限指標分別是用于耕種的非凍土比例和大氣中CO2濃度。因此，是否可利用這兩個指標來確定全球生態透支界限，或者是否通過生態透支對食物生產，水土流失，生物多樣性減少，氣候變化等產生不可恢復影響作為界限，以及通過預測資源和能源消費的發展趨勢與生態承載力的變化，判斷是否達到生態透支界限與時點，乃至如何將生態透支界限應用于局部區域中，都是值得探討而又十分復雜的問題。

(5)多學科多方法交叉融合，引入新的方法技術手段

生態足跡研究涉及資源、環境與社會經濟等領域，應當集合生態學，資源學，地理學，經濟學，數學等多學科的學者進行交叉研究，充分吸收各學科的最新研究成果，發展基礎理論方法，要重視現有方法如：LCA，IOA，能值分析，動態模型等的融合使用，例如：LCA與IOA方法結合，既能較好的覆蓋全過程，又能減少截斷誤差和重合，還能簡化計算項目；能值分析與NPP方法結合，發揮能值參數穩定的優勢，也可利用NPP反映不同土地類型的能值生物生產力差異。此外，還要不斷更新研究手段，如建立生態足跡和生態承載力變化的監測網絡，建設全球共享的資源環境數據庫，引入各種非線性研究模型，利用RS-GIS等快速實時獲取和評價資源利用情況等，以推動生態足跡研究的進一步深入和發展。

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Ecological footprint model modification and method improvement

ZHOU Tao1,2,3, WANG Yunpeng1,*, GONG Jianzhou2, WANG Fang2, FENG Yanfen2

1GuangzhouInstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510640,China2SchoolofGeographicalScience,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China3GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

The Ecological Footprint (EF) method, originally developed by Wackernagel and Rees in the mid 1990s, is a useful approach to determine human sustainability. EF can measure human demand on bioproductive land area that is required to support resource demands of a given population or specific activities, and identify whether natural assets have been overly exploited. The aim of this paper is to elaborate and analyze the progress of EF modeling and methods in recent research. First, we explain the basic EF model and the concepts of ecological footprint, biological capacity, ecological remainder and ecological deficit. Second, we comment on major defects and controversies of the basic model. One example of this is the assumption that biologically productive land use types are a mutually exclusive, partial index of the ecological accounting, which overlooks the complexity of land quality or ecological function and ignores the influence of socioeconomic factors on the productivity of land. More importantly, we discuss evolution and modification of the EF model in recent years, which includes three aspects: parameter adjustment (equivalence factor and yield factor), item calculation (energy land, cropland, fishing ground, and built-up land), and accounting extension (carbon footprint, water footprint, pollution footprint, and ore resource footprint). Third, after introducing the two main conventional EF methods (the compound and component-based approaches), we comment on EF methodology improvement based on life cycle assessment (LCA), input-output analysis, three-dimensional modeling, net primary productivity, emergy theory, time series analysis, and others. Key issues from the method review are as follows. (1) The LCA method can be applied to the EF of a final product. LCA-EF has the advantage of detail, as individual product types and even brands can be analyzed, with the general disadvantage of lacking complete upstream coverage of the production chain. (2) The main advantage of input-output based EF analysis lies in its unambiguous and consistent accounting of all upstream life-cycle impacts and good availability of expenditure data that permit fine spatial, temporal and socioeconomic breakdown of consumption footprints. (3) The 3D EF model can help distinguish between the use of natural capital flows and the depletion of natural capital stocks, while maintaining the structure and advantages of the classical EF formulation. (4) Basing bioproductivity calculations on Net Primary Production (NPP) is a promising approach that provides an explicit link between human consumption and ecosystem services. EF-NPP relates land overuse to land productivity, whereas the overshoot measured by the EF alone results in essence from a translation of carbon dioxide emissions into virtual land. (5) The EF approach based on energy provides a method by which it is not necessary to consider equivalence factors that are controversial in the accounting of conventional EF. However, the transformity for products or processes is difficult and uncertain because of the complexity of ecosystems, which affects the reliability of conclusions at high levels of detail. (6) Time-series footprint studies can show the benefits and pitfalls of previous practices and illuminate the effects of economic/demographic growth on EFs via historical analysis. Finally, future research directions are presented, with an aim to inform EF research in China.

ecological footprint (EF); biological capacity (BC); model modification; method improvement

國家自然科學基金項目(41001048)

2013-11-18;

2014-09-09

10.5846/stxb201311182756

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangyp@gig.ac.cn

周濤, 王云鵬, 龔健周, 王芳, 馮艷芬.生態足跡的模型修正與方法改進.生態學報,2015,35(14):4592-4603.

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