生態足跡研究的時空分布與演進分析

郭金玲，王寧,2,3*

(1.北京信息科技大學經濟管理學院，北京 100192; 2.綠色發展大數據決策北京市重點實驗室，北京 100192; 3.北京市知識管理研究基地，北京 100192)

在全球范圍內，人類活動不斷對生態系統施加壓力，資源能源約束、氣候變化等日益加劇，威脅到人類社會可持續發展。世界自然基金會(World Wide Fund for nature，WWF)發布《地球生命力報告2018》[1]指出，過去50年里經濟發展推動生態足跡增加了約190%，生態足跡增長速度已遠遠超出地球的可再生能力。在中國，人們消耗著自身生物承載力2.2倍的資源，經濟發展特別是城鎮化進程導致生態足跡的加速攀升，生態赤字正帶來一系列生態環境問題，將直接影響國家和民族的可持續發展進程。

20世紀90年代初，加拿大生態經濟學家William E Rees提出生態足跡概念，其意義在于探討人類在依賴自然資源滿足自身發展的同時如何維持生態系統的可持續性。生態足跡思想將生態經濟過程轉化為生態生產性空間的供需平衡問題，使學者和管理者可以更加宏觀地審視生態安全問題[2]。經過20多年發展，學者對生態足跡研究不斷深入且形成不同的研究方向。實證研究方面，Zambrano-Monserrate等[3]分析比較了158個國家的生態足跡空間關聯性以及它們的決定因素；溫飛等[4]采用改進三維生態足跡法核算渭河干流甘肅段2009—2019年生態足跡和承載力，研究社會經濟活動對流域生態環境的影響。隨著生態足跡研究的不斷深入，衍生出水足跡、碳足跡、能源生態足跡、旅游生態足跡等足跡家族的相關內容[5]。

系統總結國內外生態足跡研究現狀及對比熱點演變有助于把握發展方向。已有的關于生態足跡文獻綜述研究數量并不多，且多為文字主導型文獻綜述[6-7]，也有借助Citespace對比了國內外生態足跡研究現狀[8]，但總體上可視化分析、熱點及演進趨勢分析不足。因此，現借助科學計量分析軟件對生態足跡的研究現狀和脈絡演進可視化展示，對國內外生態足跡研究的共現網絡、熱點異同等內容進行分析。

1 研究方法與數據來源

1.1 方法及工具選擇

科學知識圖譜是一種以知識域為對象，體現科學知識在一段時間跨度內的發展進程及知識結構關系的圖像，具有“圖”與“譜”的雙重性質[9]。采用關鍵詞并綜合運用Citespace和VOSviewer兩個可視化分析軟件，首先進行數據清洗，修改提取數據中的錯誤，主要包括修改關鍵詞英文縮寫、合并同義詞；進而將其導入軟件經參數修改繪制關鍵詞聚類視圖、演進趨勢圖等知識圖譜。

1.2 數據來源

研究數據分為中文數據和外文數據，中文數據來源于中國引文數據庫(CNKI)，期刊類別為CSSCI，外文數據來自Web of Science(WoS)核心合集。通過設置檢索條件，經判讀刪除簡訊、說明、無作者及與主題無關等無效論文，得到中文有效論文909篇，外文有效論文1 951篇。具體數據來源如表1所示。

表1 研究數據來源

2 研究的時空分布特征

2.1 時間分布特征

通過對國際發文量與國內發文量(圖1)統計可以發現，國際上生態足跡論文發文量總體呈上升趨勢，擬合趨勢線為y=0.652 1x2-5.349x+15.01，其中R2=0.981 8，可靠性較高；中國發文量呈倒“U”形曲線，在2010年達到最大發文量，擬合趨勢線為y=-0.042 5x3+1.204 8x2-3.054 6x-12.734，其中R2=0.892 2。在時間分布上，國際上針對生態足跡的研究開始時間較早，第一篇出現在1996年，且近十年來一直保持較高的研究熱度，尤其在2016—2019年發文量呈指數級趨勢增加。國內最早是由徐中民等[10]于2000年引進生態足跡概念模型，2000—2010年生態足跡研究在國內掀起高潮，發文量逐年增加。但是，從2010年開始，中文發文量總體呈下降趨勢，且與國際論文發表數量逐漸拉開差距。

圖1 生態足跡發文量統計

2.2 空間分布特征

從核心作者及作者之間的合作、國家分布、期刊分布三方面剖析國內外生態足跡研究的空間分布特征。

2.2.1 國內外作者分布

核心作者主要指某一領域內具有較大影響力的科研人員，其研究方向代表該領域的研究熱點和未來發展趨勢。一般情況下，多數論文要通過作者之間的相互合作完成，因此，研究核心作者及其合作網絡是必要的。

運用VOSviewer繪制外文作者合作分布圖譜(圖2)，圖中節點大小表示發文數量，節點之間連線代表連接強度。可以看出，以Wackernagel Mathis、Galli Alessandro等學者形成了國外該領域內最大的研究團體，節點之間聯系緊密，群體之間合作關系較強。同樣，Kissinger Meidad、Rees William E等人之間也存在較強的合作關系。總體上國外生態足跡研究一共形成了17個合作群體(人數不少于3人稱為1個合作群體)，可以發現群體內合作較多，但群體之間的合作偏少。

圖2 外文作者合作分布情況

(2)國內作者群分布。發文量最多的為成升魁，共發表19篇。根據普萊斯定律可得到核心作者最少論文數量為3.26篇，即發文數為4篇及以上的作者為該研究領域的核心作者。統計結果顯示，核心作者有38位，共發文231篇，占文獻總數的25.41%，說明生態足跡領域沒有形成核心研究學者群體。其中，發文量多于5篇的作者列表如表2所示。

表2 國內外代表性核心作者

分析中文作者合作圖譜(圖3)可以發現，國內作者群合作分布較為分散，發文量大于5篇的核心作者之間交流合作關系較弱。目前國內生態足跡研究形成了以成升魁、閔慶文、謝高地等為核心的最大作者群體，一共形成了6個合作群體，呈“大分散，小聚集”分布，群體內合作較多，但群體之間的合作交流較少。

圖3 中文作者合作分布情況

國內外生態足跡文獻作者分布對比發現，國內外均未形成集中的核心作者群。國外生態足跡領域作者Wackernagel Mathis發文量最多，在該領域有一定帶動作用，國內核心作者發文量相對較少，表明在生態文明建設的大背景下，相關的研究存在不足。在作者合作分布圖譜中，與國外相比，國內有較為密切的局部合作群體，但群體之間的合作不多。

2.2.2 研究所屬國分布

分析國家之間的合作可以剖析某一領域內研究力量分布和國家之間的研究差距。1 951篇外文文獻共由102個國家的學者完成，選取發文量大于等于3的國家繪制如圖4所示的分布圖譜。其中，節點大小代表國家發文數量，連線表示國家之間的具有合作關系，線的粗細表示連接強度。可以看出，美國發文量最大，中國、美國、澳大利亞和英國之間具有較多的合作研究。

圖4 論文發表國家分布情況

中介中心性(centrality)是衡量節點在整個網絡中個體地位的指標，一個節點的中介中心性越高，說明其在網絡中的連接程度就越強，從而影響力也就越大[11]。一般來說，如果節點的中介中心性≥0.1，說明此節點是關鍵節點。借助Citespace軟件計算節點中介中心性，選取中介中心性位于前十位的國家(表3)，共有7個關鍵節點。其中，美國發文量占比21.42%，中介中心性達到0.33，可見美國在生態足跡研究領域的影響力最大，屬于關鍵節點；其次為英國，發文量占比7.02%，中介中心性為0.18。盡管中國發文量僅次于美國，但中介中心性僅為0.08，不屬于關鍵節點，說明中國在生態足跡領域國際影響力還有提高的余地。

表3 排名前十位的國家發文量及中介中心性

2.2.3 國內外期刊分布

(1)國外期刊分布。統計外文文獻所屬期刊，1 951篇文獻由773個期刊發表，載文量超過5篇的期刊有57種期刊，占據總期刊數目的7.37%，另有537種期刊僅發表一篇與生態足跡相關的論文。載文量20篇以上期刊名稱如表4所示，其中，EcologicalIndicators載文量最大，共計133篇，其影響因子為4.490，期刊國際影響力較高。

表4 發文量20篇以上的國外期刊

采用期刊雙圖疊加的方式了解刊載生態足跡的相關期刊在整個科學地圖上的宏觀分布，有助于了解知識的來源和知識之間的相互影響。利用軟件分析研究領域內的期刊引證關系，圖5中左側區域表示施引期刊，右側表示被引期刊。由左側期刊類團位置來看，有關生態足跡的外文文獻(施引期刊)所在領域主要有三類：地球，海洋；獸醫，動物；經濟，政治。這三大分類中的代表期刊有InternationalJournalofSustainableDevelopmentandWorldEcology、EcologicalIndicators等。結合引證軌跡可以得到，外文文獻所引用期刊(被引期刊)主要來源于三類期刊：植物學，生態學，動物學；環境，毒理學，營養學；經濟學，政治。這三大類期刊中的代表性期刊有EcologicalModelling、Renewable&SustainableEnergyReviews等，這些期刊涉及生態領域的研究具有較高價值。

圖5 外文期刊引用疊加圖

(2)國內期刊分布。909篇中文文獻共由192個期刊發表，載文量超過5篇的期刊有28個，另有107個期刊僅發表1篇相關論文，發文量大于20篇期刊名稱如表5所示。可以看出，《中國人口·資源與環境》《資源科學》等是國內生態足跡論文發表的主要期刊，累計占比25.52%，其中，《中國人口·資源與環境》發文量達到86篇。通過CNKI數據庫獲取這些期刊復合影響因子和學科領域，進一步分析發現生態足跡研究領域發文量較高的期刊大多來自環境與資源科學、經濟管理與可持續發展等方向。

表5 發文量20篇以上的國內期刊

3 研究熱點與演進趨勢

3.1 研究熱點分析

3.1.1 國外生態足跡熱點聚類

1 951篇文獻共包含5 211個關鍵詞，選擇關鍵詞最少出現頻數為5，共計169個關鍵詞符合條件。設定聚類成員最少數目為1，選用LinLog/modularity方式，使用VOSviewer的模塊化聚類算法對這169個關鍵詞進行共現分析，形成生態足跡領域關鍵詞共現知識圖譜如圖6所示。由生態足跡熱點分析(表6)可知，共形成5種聚類：可持續發展評估，足跡家族與模型，農業、食物、環境及能源產業分析，經濟、能源與環境關系，生物多樣性研究。

圖6 外文文獻關鍵詞共現網絡可視化圖譜

表6 外文文獻生態足跡研究熱點

3.1.2 國內生態足跡熱點聚類

國內909篇中文文獻共有1 699個關鍵詞，選擇關鍵詞最少出現頻數為5，共計90個關鍵詞符合條件，共現知識圖譜如圖7所示。國內最早出現生態足跡的文章在2000年，經過20年的持續研究，生態足跡研究形成了4大研究熱點(表7)，分別是可持續發展與生態評估、足跡家族與分析方法、生態經濟政策分析模型、中國生態壓力與效率。其中，可持續發展評估是最大的聚類群組，共有31個節點。

表7 中文文獻生態足跡研究熱點

圖7 中文文獻關鍵詞共現網絡可視化圖譜

3.1.3 生態足跡研究熱點分析

對比國內外生態足跡研究的熱點聚類，熱點領域相同的地方集中體現在可持續發展評估、足跡家族分析、生態環境與經濟關系研究3個方面。

1)相同研究熱點對比

(1)可持續發展評估：國際生態足跡研究中，不僅出現對某一國家或地區[12-14]的研究，還出現了對工業園區生態足跡的探究，例如，Fan等[15]采用改進的生態足跡核算模型對工業園區進行環境影響評價。Rashid等[16]將生態足跡與城市化進程結合，對Rawalpindi城市化地區的生活標準評估，并衡量其生態足跡。徐中民等[10]將生態足跡引入國內后，學者借助生態足跡模型對中國省、市及區域進行生態足跡核算。在近5年的高被引文獻中，不再局限于對某一地區靜態可持續發展做定量研究，而是對其做動態分析及影響因素識別。生態足跡的影響因素主要有經濟發展、產業結構、社會消費、人口規模、城鎮化率等因素，程鈺等[17]運用三維生態足跡模型分析“黃河三角洲”自然資本的動態演變特征以及生態足跡影響因素，結果表明產業結構是影響生態足跡的重要因素；楊屹等[18]以足跡深度和廣度描述了自然資本存量消耗與流量占用的變化關系，并認為經濟增長和社會消費是影響生態足跡的最顯著因素。

(2)足跡家族分析：自生態足跡提出以來，水足跡、碳足跡、能源足跡、能值足跡等隨之出現。許多文獻通常是對單一足跡的評估，有的學者將足跡系統化，提出足跡家族概念。Vanham等[19]認為足跡家族是一個靈活的框架，并對足跡家族在衡量可持續發展目標(sustainable development goals，SDGs)進展方面的表現進行評估，考慮其量化供應鏈上的環境壓力，并將其與水、能源、糧食、生態系統關系和生態系統服務聯系起來的能力。碳足跡研究起源晚于水足跡，但其發展速度快于水足跡。自2007年起，出現關于碳足跡研究，此時全球對于氣候變化的關注度較高，大量文獻關注點聚集在溫室氣體排放、可持續發展等方面。國內外關于水足跡在農業[20-21](糧食、農業生產)、工業生產[22-23](印染、紡織、建材業)、虛擬水貿易[24-25]等方面有較多研究成果，而國外還出現了將水足跡評估用于水力發電的研究[26]。對于水足跡、碳足跡研究使用的方式多數為生命周期評價(life cycle assessment，LCA)[27]及投入產出法(input-output，IO)[28]。能源生態足跡本質為對能源消費過程中生態足跡的核算，國內學者的研究內容多為能源利用的碳排放測算。能值足跡是將能值理論與生態足跡相結合，可解決傳統生態足跡模型測算生態足跡、生態承載力結果較生態系統理想容量偏小的問題[29-30]。

(3)經濟環境關系：探尋經濟發展與環境之間的關系成為國內外學者的熱點研究，但國內外研究的側重點不同。中國已將生態文明建設作為實現可持續發展的重要手段[31]，尋求經濟發展與生態環境之間的協調發展是生態文明建設的目標之一。因此，國內學者多運用生態足跡探究生態足跡與經濟增長之間的關系[32]、結合“脫鉤理論”探究生態足跡與經濟增長的脫鉤狀態[33]。國外學者多采用生態足跡、經濟增長、能源消耗等因素的關聯以驗證環境庫茲涅茨曲線假說的有效性，以及通過計算生態足跡分析環境退化的因素。

2)不同研究熱點對比

國外學者對農業、食品、環境、能源等產業分析、生物多樣性的研究與聯合國可持續發展目標(SDGs)中的6個密切相關(經濟適用的清潔能源、負責任消費和生產、氣候行動、水下生物、陸地生物、零饑餓)。在農業、環境、能源等產業分析方面，將食物消費量化為水足跡、碳足跡和生態足跡，有助于了解國家糧食安全和資源承載力，對農業和食品行業分析可以把握它們與氣候變化、水足跡、土地足跡之間的關系[34]。能源消耗是社會經濟活動的主要驅動力，能源使用會造成生態環境質量的變化，可再生能源的使用對于減緩生態足跡增長有著重要作用[35]，同時對環境質量改善、減緩氣候變化和實現可持續發展有著積極貢獻。此外，生態足跡在追蹤人類活動對生物多樣性造成壓力方面展現了價值[36-37]。

對比國外生態足跡相同的研究熱點，國內學者對生態環境壓力的研究主要聚焦于生態關聯的綜合評價與影響因素識別。國外對該領域的研究更具多樣性，應用場景更為廣闊，這種差異可能存在于兩個方面：一是國內引入生態足跡較晚，相關研究根據中國的經濟發展階段特點和近年來生態文明建設密切相關；二是國外發達國家多已越過了環境庫茲涅茲曲線(environmental Kuznets curve，EKC)的頂點，中國可能處于“EKC隧道化”的過程中，這個過程更多的是應對環境壓力、污染物排放以及相關的政策評價等。

3.2 生態足跡演進趨勢分析

選取關鍵詞閾值20以上的高頻詞，以時間序列為橫軸，繪制基于國內外生態足跡演進趨勢的知識圖譜，如圖8和圖9所示，關鍵詞之間的連線代表時間演進趨勢。由圖8可見，國外生態足跡研究大致可以分為3個階段：第一階段為1996—2002年，其關鍵詞有ecological footprint、sustainability等，這一時期關注點在于評估某一地區是否處于可持續發展狀態；第二階段為2003—2013年，其關鍵詞主要有life cycle assessment、carbon footprint、water footprint等，屬于生態足跡研究快速發展時期，研究成果較豐富且針對足跡家族的研究更為深入。值得注意的是，2006年開始，China、carbon emission等關鍵詞研究增多，越來越多中國學者將成果發表在國際期刊上；第三階段為2014—2019年，這一時期關鍵詞renewable energy出現次數最多，對于可再生能源的關注度明顯提高。

圖8 國外生態足跡熱點詞演進

圖9 國內生態足跡熱點詞演進

自2000年生態足跡概念引入中國后，在2000—2004年，國內學者對可持續發展、生態承載力、生態赤字等研究較多。2005—2012年，出現的旅游生態足跡(2007年)、水足跡(2009年)、碳足跡(2010年)、能源足跡(2011年)成為該時期新的研究熱點，此外，這一時期對于海南省、北京市等區域案例的研究較多，到2018年出現了對長江經濟帶的研究。基于國家相關政策的推動，近幾年，國內學者集中于研究資源環境承載力等，原因可能是2017年原環境保護部提出“三線一單”(生態保護紅線、環境質量底線、資源利用上線和環境準入負面清單)成為加強生態文明建設和生態環境保護的重要工作，對應的基礎性研究成果逐漸增多。

通過對國內外生態足跡研究熱點演進趨勢的分析，發現國外生態足跡研究起步較早且具有較多研究成果，而國內由于起步較晚，相關研究側重于可持續發展、體制機制研究等方面。綜合國內外生態足跡演進趨勢分析，預計未來生態足跡的研究可能會側重于生態足跡與氣候變化耦合、行業或地區的生態承載力/壓力、可再生能源的生態效應等方面，也會有更多國內學者將中國生態文明建設的經驗和成果在國際上分享，這對聯合國可持續發展目標的推進和中國生態文明建設進程都有重要意義。

4 結語

生態足跡研究經過二十多年的發展，國內外都獲得了大量研究成果。基于生態足跡的相關文獻，從學術研究角度對國內外相關文獻時空分布特征、研究熱點和演進趨勢進行對比分析，系統回顧了生態足跡的研究成果，結果表明：首先，全球發文量處于上升趨勢，國內發文量呈倒“U”形曲線，美國是發文量最大的國家，中國是唯一進入前十名的發展中國家，國內外均未形成穩定的核心作者群體，國際生態足跡的研究中，被引用期刊主要涉及植物、環境、生態學、毒理學、經濟學等領域，這些領域和期刊對生態足跡研究具有重要借鑒價值。其次，國內外在可持續發展評估、足跡家族研究、經濟環境關系方面的研究具有相似性，但國外研究更具多樣性，應用場景更為廣泛，國內由于起步較晚，相關研究具有區域和政策特性。最后，生態足跡作為表征可持續發展的重要指標，隨著聯合國可持續發展目標的推進，以及生態足跡評估模型和探索領域的不斷深入，生態足跡會被運用到更多的應用場景中，未來生態足跡的研究可能會側重于生態足跡與氣候變化耦合、行業或地區的生態承載力、可再生能源的生態效應等方面。