生態(tài)足跡的模型修正與方法改進(jìn)

周 濤, 王云鵬, 龔健周, 王 芳, 馮艷芬

1 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所, 廣州 510640 2 廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 廣州 510006 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生院, 北京 100049

生態(tài)足跡的模型修正與方法改進(jìn)

周 濤1,2,3, 王云鵬1,*, 龔健周2, 王 芳2, 馮艷芬2

1 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所, 廣州 510640 2 廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 廣州 510006 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生院, 北京 100049

生態(tài)足跡是測(cè)定人類(lèi)活動(dòng)的資源消費(fèi)需求，判明自然資產(chǎn)是否被過(guò)度利用的有效工具。介紹了生態(tài)足跡的基本概念和模型，簡(jiǎn)單分析基本模型存在的主要缺陷和爭(zhēng)論，重點(diǎn)解析了近年來(lái)生態(tài)足跡模型在參數(shù)調(diào)整、項(xiàng)目計(jì)算、賬戶(hù)擴(kuò)展等方面的演變和修正。介紹生態(tài)足跡研究的傳統(tǒng)方法：綜合法和組分法，評(píng)述了生命周期評(píng)價(jià)，基于投入產(chǎn)出分析，三維模型，凈初級(jí)生產(chǎn)力，能值理論，時(shí)序分析等的方法改進(jìn)。對(duì)未來(lái)的研究方向提出自己的看法，期望對(duì)我國(guó)的生態(tài)足跡研究有一定的啟示作用。

生態(tài)足跡; 生態(tài)承載力; 模型修正; 方法改進(jìn)

生態(tài)足跡(EF)的概念是1992年William Rees提出并主要由他的學(xué)生Wackernagel逐漸完善的[1]。生態(tài)足跡方法通過(guò)比較人類(lèi)活動(dòng)消耗的自然資源與自然生態(tài)系統(tǒng)所提供的生態(tài)承載力(BC)，定量的判斷研究區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)[2]。生態(tài)足跡概念提出后，由于其概念清晰，計(jì)算方便，分析結(jié)果直觀且具有可比性，很快受到了各研究機(jī)構(gòu)、國(guó)際組織、政府部門(mén)乃至社會(huì)公眾的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展研究中的熱門(mén)領(lǐng)域。本文將回顧生態(tài)足跡研究的基本模型，簡(jiǎn)單分析基本模型存在的主要缺陷和爭(zhēng)論，重點(diǎn)解析模型的改進(jìn)和方法的修正，最后展望未來(lái)的研究方向，以期對(duì)我國(guó)的生態(tài)足跡研究起到一定的啟示作用。

1 生態(tài)足跡基本模型的修正

生態(tài)足跡的基本模型包括三個(gè)方面：一是生態(tài)足跡的計(jì)算；其次是生態(tài)承載力的計(jì)算；最后是生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的比較。就全球尺度而言，當(dāng)EF>BC時(shí)，意味著人類(lèi)對(duì)自然資源的過(guò)度利用，產(chǎn)生了生態(tài)透支，是一種不可持續(xù)的資源消費(fèi)，反之，則表明對(duì)自然資源的利用程度沒(méi)有超出其更新速率，處于生態(tài)盈余中[3-6]。

生態(tài)足跡基本模型將人類(lèi)對(duì)各種自然資源的需求量及自然界相應(yīng)的供應(yīng)能力通過(guò)引入均衡因子和產(chǎn)量因子統(tǒng)一量化為“全球公頃”為單位的“生物生產(chǎn)性土地”，提供了全球可比的、簡(jiǎn)單有用的資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)手段。但是在研究和應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)基本模型存在一些缺陷或者具有爭(zhēng)議的地方[7-11]，如假設(shè)各類(lèi)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(hù)涵蓋不全面，沒(méi)有把自然系統(tǒng)提供資源、消納廢棄物的功能描述完全；將各區(qū)域產(chǎn)量調(diào)整為世界平均產(chǎn)量掩蓋了不同區(qū)域的特殊性；過(guò)于強(qiáng)調(diào)土地的生產(chǎn)性及其數(shù)量，缺乏對(duì)土地生態(tài)功能與質(zhì)量的關(guān)注；歸一化的單個(gè)指標(biāo)不能全面度量和評(píng)價(jià)復(fù)雜的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境-生態(tài)系統(tǒng)。

針對(duì)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(jí)生產(chǎn)力(NPP)設(shè)定均衡因子，以體現(xiàn)土地的生態(tài)功能；根據(jù)區(qū)域特征調(diào)整產(chǎn)量因子，解決區(qū)域信息丟失的問(wèn)題；提出水足跡，污染足跡等新的足跡項(xiàng)目，克服基本模型中計(jì)算項(xiàng)目的偏頗性；與其他指標(biāo)相結(jié)合，綜合評(píng)價(jià)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。

1.1 均衡因子

在基本模型中[5-6]，均衡因子基于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織開(kāi)發(fā)的AEZ模型中采用的適宜性指數(shù)。該指數(shù)代表不同土地類(lèi)型在現(xiàn)有社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下的進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的適應(yīng)能力，在此基礎(chǔ)上的均衡因子著眼于土地的潛在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力而非現(xiàn)實(shí)產(chǎn)量，忽視其多功能性，特別是未能體現(xiàn)林地，草地等的生態(tài)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(wèn)題[12]，反映了不同生態(tài)系統(tǒng)在自然或人為干擾條件下的現(xiàn)實(shí)生物量，更體現(xiàn)了它們?cè)跐M(mǎn)足食物生產(chǎn)和原料供給之外的生態(tài)價(jià)值，如：氣候調(diào)節(jié)，水土涵養(yǎng)，生物多樣性保護(hù)，養(yǎng)分循環(huán)，廢物吸收等。

1.2 產(chǎn)量因子

產(chǎn)量因子主要通過(guò)比較同類(lèi)生物生產(chǎn)性土地的本地平均產(chǎn)量與全球平均產(chǎn)量而得到。這種方法以當(dāng)前實(shí)際產(chǎn)量來(lái)計(jì)算產(chǎn)量因子，忽略了不同耕種方式對(duì)環(huán)境影響的差異，比如精細(xì)農(nóng)業(yè)相對(duì)于粗放農(nóng)業(yè)，可能在某段時(shí)期內(nèi)獲得更高的產(chǎn)量，但這需要投入更多的化肥，農(nóng)藥，除草劑等損害耕地未來(lái)生產(chǎn)力的物質(zhì)。因此，Mózner等建議在計(jì)算產(chǎn)量因子時(shí)排除因化肥等帶來(lái)的邊際生產(chǎn)力[13]，以可持續(xù)產(chǎn)量作為農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的指導(dǎo)，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的不利影響。

另一方面，采用世界平均產(chǎn)量的產(chǎn)量因子雖然便于國(guó)際間比較，卻無(wú)法反映區(qū)域生態(tài)承載力的真實(shí)情況和變化。有人主張用國(guó)家公頃[14]，省公頃[15-16]，本地公頃[17]代替全球公頃，通過(guò)產(chǎn)量因子本地化來(lái)更好地反映國(guó)家、省內(nèi)不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境壓力現(xiàn)狀。還有學(xué)者提出“實(shí)際土地需求”[18-19]，不再利用均衡因子和產(chǎn)量因子轉(zhuǎn)為全球公頃，而是直接計(jì)算區(qū)域內(nèi)各類(lèi)土地的實(shí)際需求和供應(yīng)情況。

此外，在時(shí)序生態(tài)足跡研究中，由于本地單位產(chǎn)量和全球單位產(chǎn)量均存在年度波動(dòng)，很難厘清這兩種變動(dòng)對(duì)產(chǎn)量因子的具體貢獻(xiàn)，可能導(dǎo)致某些“生態(tài)足跡幻覺(jué)”，如因世界平均產(chǎn)量下降而相對(duì)地增加本地生態(tài)承載力，難以正確評(píng)價(jià)生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的趨勢(shì)。Ewing等在計(jì)算國(guó)家生態(tài)足跡時(shí)提出時(shí)際產(chǎn)量因子的概念，以多年平均產(chǎn)量得到固定的產(chǎn)量因子[5]，從而更清楚的解釋了生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的時(shí)序變化，反映了其長(zhǎng)期發(fā)展?fàn)顩r。

以生物資源的產(chǎn)量來(lái)推導(dǎo)產(chǎn)量因子還存在計(jì)算項(xiàng)目繁多，作物品種選擇缺乏規(guī)范的問(wèn)題，影響了計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性。同時(shí)，這種方法不太適合林地，草地，水域這些土地類(lèi)型，例如某些地區(qū)限制林木開(kāi)采，這時(shí)根據(jù)原木產(chǎn)量所得到產(chǎn)量因子，難以反映自然生長(zhǎng)情況，也導(dǎo)致計(jì)算出的林地生態(tài)承載力偏小。Ewing等建議采用NPP方法來(lái)計(jì)算草地，水域產(chǎn)量因子[5]。劉某承等則基于NPP法計(jì)算了中國(guó)各類(lèi)土地的產(chǎn)量因子[20]，修正后的產(chǎn)量因子使生態(tài)足跡的計(jì)算結(jié)果更真實(shí)的反映人類(lèi)消費(fèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)供給能力的占用。

1.3 能源生態(tài)足跡項(xiàng)目

1.3.1 化石能源足跡

目前化石能源用地計(jì)算主要采用吸碳法，該方法依據(jù)CO2等溫室氣體導(dǎo)致的全球變暖已成為人類(lèi)面臨的最大環(huán)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(jù)IPCC的數(shù)據(jù)，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(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)，計(jì)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(tǒng)的吸碳法來(lái)計(jì)算化石能源足跡還存在如下不足：首先，它只考慮了森林對(duì)CO2的吸收。實(shí)際上，其他的土地類(lèi)型如草地、水體等也具有一定的吸碳能力，如果以各類(lèi)生物生產(chǎn)性土地的平均吸碳速率計(jì)算生態(tài)足跡應(yīng)該更符合實(shí)際情況。其次，不同成長(zhǎng)階段不同氣候條件下的生態(tài)系統(tǒng)，其吸碳能力有很大差異。如當(dāng)林地步入成熟期時(shí)，其CO2的吸收率會(huì)下降，因此在時(shí)間序列研究時(shí)應(yīng)注意參數(shù)調(diào)整，同時(shí)需要處理全球變暖與生物圈固碳能力的復(fù)雜關(guān)系。再次，CO2的排放也不僅僅來(lái)自化石燃料燃燒。研究發(fā)現(xiàn)，土地利用變化所產(chǎn)生的CO2約等于30%的化石燃料排放[23]，反芻類(lèi)牲畜排放的廢氣也是CO2的重要來(lái)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(jì)算的生態(tài)足跡實(shí)際上是吸收廢氣所需土地面積，這與其他生態(tài)足跡項(xiàng)目計(jì)算資源消耗所需生產(chǎn)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(bǔ)充，而僅消除資源消耗所排放廢物對(duì)環(huán)境的不利影響(主要是溫室氣體)，屬于弱可持續(xù)觀點(diǎn)；后者則希望維持資源存量，其消費(fèi)速率不超出生產(chǎn)速率，屬于強(qiáng)可持續(xù)觀點(diǎn)，這種不一致削弱了生態(tài)足跡的應(yīng)用價(jià)值。最后，對(duì)于溫室氣體，吸碳法只計(jì)算了CO2，其他如CH4、N2O、HFCs等則沒(méi)有考慮。IPCC的報(bào)告指出，這些氣體對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率達(dá)到25%以上[23]。利用各種溫室氣體的全球增溫潛勢(shì)(GWP)可將它們都納入生態(tài)足跡中[25]，將這些氣體的排放量轉(zhuǎn)為對(duì)應(yīng)輻射的CO2排放量。另外，Walsh等提出應(yīng)當(dāng)分析溫室氣體生命周期以及生物降解途徑，如CH4如何轉(zhuǎn)化為CO2，土壤、灌木對(duì)CH4的吸收等[26]，但目前人們對(duì)其他溫室氣體的物理化學(xué)過(guò)程和生物吸收機(jī)制仍所知甚少。

在新的國(guó)家生態(tài)足跡框架中，一些吸碳法的改進(jìn)已采納，例如：在全球生態(tài)足跡中加入了全球土地覆蓋變化所產(chǎn)生的CO2；調(diào)整海洋吸收CO2的速率，更改后的速率更為穩(wěn)定；將油氣逸出，水泥生產(chǎn)，森林火災(zāi)，生物燃料等更多的CO2來(lái)源納入到足跡賬戶(hù)中[5-6]，這些改進(jìn)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(tài)足跡賬戶(hù)并不包括核能，Wackernagel等后來(lái)在完善國(guó)家生態(tài)足跡框架時(shí)將其作為可選項(xiàng)納入進(jìn)來(lái)[2]，采用替代法思路，計(jì)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(xué)者認(rèn)為，替代法不能反映真實(shí)的土地需求，主張以成分法研究核能足跡，分析在核電生產(chǎn)過(guò)程中所消耗的各種資源的足跡[27]，例如：基礎(chǔ)設(shè)施所需的木材，工廠占據(jù)的建筑空間，吸收CO2的林地，乃至因污染喪失生產(chǎn)力的土地等。Stoeglehner等則考慮到核泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)核事故的歷史記錄和發(fā)生概率，量化在核能生產(chǎn)的鈾礦開(kāi)采，核燃料運(yùn)輸，工廠運(yùn)作，廢料處理等環(huán)節(jié)中有可能受影響的土地面積[28]?；陲L(fēng)險(xiǎn)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(duì)比，有利于人們對(duì)核能利用的短期環(huán)境影響和未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估。

另外，可更新能源生態(tài)足跡的研究也取得一定進(jìn)展。通常將水電的生態(tài)足跡歸于水電站蓄水發(fā)電所淹沒(méi)的土地面積，其他可更新能源如風(fēng)電、光電等也采用類(lèi)似方法[29]，以電站基礎(chǔ)設(shè)施占用的土地面積來(lái)計(jì)算生態(tài)足跡。

1.4 其他生態(tài)足跡項(xiàng)目

1.4.1 耕地

耕地足跡研究主要問(wèn)題是如何衡量耕地的生態(tài)透支。對(duì)林地、草地、水域等土地類(lèi)型來(lái)說(shuō)，生物收割量有可能小于生物生產(chǎn)量，形成生物資源積累；同時(shí)收割量也可能大于產(chǎn)量，形成存量透支。耕地則與之不同，耕地上不存在農(nóng)作物存量，即不可能存量透支。Haberl等主張將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的能源消耗(如農(nóng)業(yè)機(jī)械燃料，化肥，農(nóng)藥等)加入耕地足跡[30]；還有學(xué)者提出當(dāng)耕地生產(chǎn)造成養(yǎng)分流失、水質(zhì)污染、土壤退化等環(huán)境影響時(shí)即可認(rèn)為是生態(tài)透支[8]，但農(nóng)耕不一定是這些環(huán)境變化的唯一因素，如何量化這些影響、擴(kuò)展耕地足跡等仍待研究。

1.4.2 水域

通常，以漁產(chǎn)品產(chǎn)量來(lái)計(jì)算水域足跡。漁業(yè)生產(chǎn)有兩種方式：養(yǎng)殖和捕獲，表面上看，養(yǎng)殖漁業(yè)屬于密集型生產(chǎn)，單位產(chǎn)量的水域面積遠(yuǎn)小于捕獲方式，但如果將養(yǎng)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(yè)足跡方法，將公海面積按人口權(quán)重分配到各國(guó)，納入到地球表面所有生產(chǎn)性水域計(jì)算，以初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)量代替漁產(chǎn)品原始噸位產(chǎn)量，確定可持續(xù)產(chǎn)量的閾值，當(dāng)實(shí)際產(chǎn)量高于閾值時(shí)，意味著生態(tài)透支[31]。但這種方法把初級(jí)生產(chǎn)作為水產(chǎn)品生長(zhǎng)的唯一要素，忽略了魚(yú)類(lèi)資源存量對(duì)其再生產(chǎn)的也同樣重要，可行的改善方向是在模型中添加魚(yú)類(lèi)的存量信息，特別是有關(guān)產(chǎn)卵場(chǎng)的信息。

1.4.3 建筑用地

基本模型假設(shè)所有的建筑用地都是占用的耕地，計(jì)算時(shí)直接乘以農(nóng)作物產(chǎn)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(chǎn)力很低的灘涂、荒漠等轉(zhuǎn)化而來(lái)的，如果把它們都作為生產(chǎn)力最高的耕地，明顯會(huì)高估該地的生態(tài)承載力。改進(jìn)的辦法是利用遙感影像數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)土地利用變化，明確建筑用地的具體來(lái)源，或者是計(jì)算各建筑用地轉(zhuǎn)化前后的凈初級(jí)生產(chǎn)力，以此確定它的實(shí)際足跡和承載力[12]。還有學(xué)者主張將建筑用地從生態(tài)足跡賬戶(hù)中取消，理由是耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地后，基本已不再具備生產(chǎn)能力，但總的生態(tài)承載力卻依然保持不變，這是不合理的[27]。事實(shí)上，基本模型中，建筑用地的生態(tài)足跡總是等于其生態(tài)承載力，因?yàn)楸举|(zhì)上，兩者都同指建筑設(shè)施已實(shí)際占用的生物生產(chǎn)性土地。因此，建筑用地足跡的增加必然使相應(yīng)的承載力也隨之增加，而這會(huì)擠占耕地生態(tài)承載力，從而增大(縮小)總的生態(tài)赤字(盈余)。從這個(gè)角度看，建筑用地應(yīng)當(dāng)保留在足跡項(xiàng)目中。

1.5 項(xiàng)目擴(kuò)展

1.5.1 碳足跡與能源足跡

碳足跡(Carbon Footprint)這一源于生態(tài)足跡的概念，提出后就很快成為足跡家族中最受關(guān)注的焦點(diǎn)。碳足跡可定義為一項(xiàng)活動(dòng)，一種產(chǎn)品的整個(gè)生命活動(dòng)周期所直接或間接產(chǎn)生的CO2(或CO2當(dāng)量)排放量[32]。大部分學(xué)者認(rèn)同碳足跡除CO2外，還應(yīng)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(shì)(GWP)因子，即得到相應(yīng)的CO2當(dāng)量，使各種溫室氣體的增溫效應(yīng)可以比較和匯總[33]。

能源足跡與碳足跡非常類(lèi)似，都用于度量人類(lèi)活動(dòng)的溫室氣體排放，但兩者仍存在明顯區(qū)別。能源足跡是吸收化石燃料，水電，核電等各種能源消耗過(guò)程中產(chǎn)生的CO2所需的森林面積，可看作獨(dú)立出來(lái)的生態(tài)足跡中能源生態(tài)足跡項(xiàng)目；碳足跡則是對(duì)碳排放量的表征，以類(lèi)似于質(zhì)量單位的千克CO2當(dāng)量(kg CO2e)來(lái)表示而無(wú)須轉(zhuǎn)化為土地面積，其好處在于避免了轉(zhuǎn)化過(guò)程因各種假設(shè)而帶來(lái)的不確定性和錯(cuò)誤[34-35]。碳足跡概念清晰，目標(biāo)明確，計(jì)算方法爭(zhēng)議相對(duì)較少，一些相關(guān)的評(píng)估規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也已推出，如英國(guó)的PAS 2050和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO 14067，這些標(biāo)準(zhǔn)主要基于生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法，可操作性較強(qiáng)，進(jìn)一步推動(dòng)了碳足跡的應(yīng)用。

1.5.2 水生態(tài)足跡與水足跡

基本模型中的水域足跡項(xiàng)目主要是漁業(yè)生態(tài)足跡，即生產(chǎn)漁產(chǎn)品的水域面積，不能完全反映人類(lèi)所需的各種產(chǎn)品和服務(wù)所消耗的水資源。有研究者對(duì)基本模型進(jìn)行了擴(kuò)展，提出水生態(tài)足跡，意指一定人口所占用的滿(mǎn)足其用水消耗的產(chǎn)水面積[36]。同一水域可能有多種生態(tài)系統(tǒng)功能，這與生態(tài)足跡的土地功能互斥性假設(shè)相違背，張義等提出承認(rèn)水域功能多樣性的事實(shí)[37]，將水生態(tài)足跡分為水域-漁業(yè)、水資源和水環(huán)境三類(lèi)獨(dú)立賬戶(hù)，從而全面衡量人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的各種影響。

Hoekstra等將“虛擬水”理論和生態(tài)足跡方法結(jié)合起來(lái)評(píng)價(jià)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(chǎn)或消耗產(chǎn)品和服務(wù)時(shí)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(lán)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(jiàn)水足跡是指生產(chǎn)產(chǎn)品中包含的“虛擬水”[40]。與生態(tài)足跡不同的是，水足跡的衡量標(biāo)準(zhǔn)是用水量(m3)。同時(shí)，水足跡采用均等權(quán)重，基于本地生產(chǎn)力計(jì)算，表達(dá)的是真實(shí)的需水量，比較全面的包納了用水類(lèi)型，揭示了人類(lèi)的消費(fèi)活動(dòng)對(duì)水資源的全球占用，有利于擴(kuò)展水資源管理的范圍和深度。水足跡評(píng)價(jià)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(qiáng)，僅體現(xiàn)了水污染的綜合嚴(yán)重程度，缺少具體污染物的分析；數(shù)據(jù)收集困難；以及缺少對(duì)計(jì)算過(guò)程中的不確定性進(jìn)行分析。

1.5.3 污染足跡

現(xiàn)有的生態(tài)足跡框架主要考慮生物生產(chǎn)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(zhì)的作用，不能完全反映人類(lèi)活動(dòng)與自然環(huán)境的關(guān)系。因此，有必要擴(kuò)展基本模型，設(shè)置污染足跡，以更全面的反映各類(lèi)污染物的排放及其環(huán)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(guò)程中所需的設(shè)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(shù)處理危險(xiǎn)廢棄物過(guò)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(jié)省的足跡等[42]；計(jì)算垃圾堆放或填埋所占據(jù)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(zhì)所需的土地面積，其吸納過(guò)程包括生物的、物理的、化學(xué)的降解和轉(zhuǎn)化(如森林對(duì)SO2的吸附，土壤污染的地球化學(xué)過(guò)程等)[43]；核算因污染所造成的生物生產(chǎn)力損失，以減少的生態(tài)承載力間接推導(dǎo)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(tài)足跡評(píng)估中。

1.5.4 礦石資源足跡

Nguyen等以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，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(rèn)為資源的消耗過(guò)程同時(shí)也是其可利用的潛在功能()的喪失過(guò)程。計(jì)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(shè)這種損值由生物性土地所吸收的太陽(yáng)輻射能來(lái)彌補(bǔ)，從而轉(zhuǎn)化為生物性生產(chǎn)土地面積。這種方法從能量轉(zhuǎn)化和流轉(zhuǎn)角度探索了將礦石資源的消耗合并到已有的生態(tài)足跡中，增強(qiáng)了生態(tài)足跡作為資源利用評(píng)價(jià)工具的全面性。但這種轉(zhuǎn)換，違背了這類(lèi)資源的不可再生的本質(zhì)特性，轉(zhuǎn)換過(guò)程比較牽強(qiáng)。未來(lái)，從資源循環(huán)利用的角度出發(fā)，建立類(lèi)似于水足跡的以消耗量為計(jì)量的獨(dú)立的礦石資源足跡，應(yīng)當(dāng)是解決問(wèn)題的方向。

2 生態(tài)足跡研究方法改進(jìn)

根據(jù)消費(fèi)數(shù)據(jù)解析的過(guò)程，傳統(tǒng)生態(tài)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(jí)產(chǎn)品，自上而下的利用整體數(shù)據(jù)，后者著眼于終端消費(fèi)項(xiàng)目和個(gè)人消費(fèi)行為的組分劃分，自下而上的匯總數(shù)據(jù)。

綜合法在計(jì)算全球和國(guó)家生態(tài)足跡時(shí)被大量采用，如世界自然基金會(huì)等機(jī)構(gòu)每隔兩年發(fā)布的《地球生命力報(bào)告》即使用此方法。綜合法要求有完整可靠的產(chǎn)品生產(chǎn)和貿(mào)易數(shù)據(jù)，使得綜合法很難直接應(yīng)用于地方、城市、企業(yè)或個(gè)人的生態(tài)足跡計(jì)算。

組分法由Simmons等提出[48]，組分法能獲取某種消費(fèi)品或消費(fèi)行為的生態(tài)足跡信息[49]，克服了綜合法的所面臨的數(shù)據(jù)獲取和貿(mào)易調(diào)整難點(diǎn)。組分法存在的問(wèn)題：一是它的計(jì)算準(zhǔn)確度依賴(lài)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(fèi)品，在不同生產(chǎn)過(guò)程中所需的自然資源、能源及排放的廢物的結(jié)構(gòu)和數(shù)量有可能存在很大差異。

2.1 基于生命周期評(píng)價(jià)的生態(tài)足跡方法

生命周期評(píng)價(jià)是一種廣泛使用的用于評(píng)價(jià)特定產(chǎn)品或服務(wù)從獲取原材料、生產(chǎn)、使用直至最終處置的整個(gè)生命過(guò)程的環(huán)境影響的工具[50]，通常包括4個(gè)階段：目標(biāo)與范圍的確定，清單分析，影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋。LCA能較全面的跟蹤產(chǎn)品全過(guò)程，其計(jì)算過(guò)程詳細(xì)，有相關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 14040)和規(guī)范文件供參考，比較適合產(chǎn)品或服務(wù)的生態(tài)足跡研究。

LCA法的主要缺陷是邊界確定和數(shù)據(jù)選擇比較復(fù)雜，有時(shí)存在一定的主觀成分，因此，應(yīng)用LCA法進(jìn)行生態(tài)足跡計(jì)算應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：所采用的方法和數(shù)據(jù)應(yīng)符合ISO14040和14044標(biāo)準(zhǔn)[51]；初級(jí)產(chǎn)品的生態(tài)足跡核算應(yīng)盡量使用國(guó)家生態(tài)足跡中相關(guān)的產(chǎn)量因子；應(yīng)評(píng)估影響結(jié)果精度的問(wèn)題，如截面誤差和重復(fù)計(jì)算。

2.2 基于投入產(chǎn)出分析的生態(tài)足跡方法

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

EF-IO已在國(guó)家、區(qū)域、社會(huì)經(jīng)濟(jì)組織、公司等生態(tài)足跡中廣泛應(yīng)用，特別是在因缺少貿(mào)易數(shù)據(jù)而難于使用綜合法的研究場(chǎng)景中。EF-IO所依據(jù)的環(huán)境經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出表編制方法成熟規(guī)范，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)核算體系的常規(guī)部分，數(shù)據(jù)充分可靠，能夠全面提供明確、一致的從生產(chǎn)到消費(fèi)的足跡賬戶(hù)，能反映不同的產(chǎn)業(yè)部門(mén)、消費(fèi)類(lèi)別、區(qū)域、組織間的生態(tài)足跡需求及流動(dòng)，增強(qiáng)了生態(tài)足跡模型的結(jié)構(gòu)性和可比性。基于MRIO的EF-IO能進(jìn)一步分析國(guó)際商品貿(mào)易中隱含的資源，能源和污染足跡的流向，確定來(lái)自不同國(guó)家、不同部門(mén)的進(jìn)口足跡的產(chǎn)量因子，追蹤某種產(chǎn)品或服務(wù)國(guó)際供應(yīng)鏈的環(huán)境影響，為制定國(guó)際環(huán)境政策提供依據(jù)。編制與聯(lián)合國(guó)環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合核算框架準(zhǔn)則一致的MRIO，有利于提高足跡計(jì)算的可比性和準(zhǔn)確性，是國(guó)家生態(tài)足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)化的理想選擇。EF-IO方法也存在一些不足，從資源利用和環(huán)境影響來(lái)看,實(shí)物投入產(chǎn)出表比貨幣投入產(chǎn)出表更適合生態(tài)足跡計(jì)算，但面臨如重復(fù)計(jì)算、廢物處理、數(shù)據(jù)獲取等難點(diǎn)；因數(shù)據(jù)分辨率問(wèn)題，在微觀尺度[9]，如計(jì)算個(gè)人、具體產(chǎn)品的生態(tài)足跡時(shí)，不能直接應(yīng)用EF-IO，需要尋找與其他方法的結(jié)合，如與LCA法相結(jié)合，融合二者的長(zhǎng)處彌補(bǔ)其缺陷。

2.3 基于凈初級(jí)生產(chǎn)力的生態(tài)足跡方法

凈初級(jí)生產(chǎn)力是指綠色植物在太陽(yáng)能光合作用下生物物質(zhì)的年生產(chǎn)量，是地球上所有消費(fèi)者和分解者生存、生長(zhǎng)、繁殖的基礎(chǔ)。Venetoulis等提出了基于凈初級(jí)生產(chǎn)力的生態(tài)足跡計(jì)算方法(EF-NPP)[12]。相對(duì)于傳統(tǒng)EF計(jì)算方法，該方法有較大變化：在生態(tài)承載力計(jì)算中包含了所有的水面和陸地，認(rèn)為低生產(chǎn)力土地和海洋對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也起著重要作用；承認(rèn)土地功能的多樣性；改變碳吸收的土地類(lèi)型和速率；基于NPP重設(shè)均衡因子；保留更多的生物多樣性保護(hù)用地。

以上改進(jìn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)EF方法的某些缺陷，如土地功能互斥假設(shè)，均衡因子失真，忽略生態(tài)功能等，更清楚的揭示人類(lèi)活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系。其內(nèi)含的凈初級(jí)生產(chǎn)力的人類(lèi)占用(HANPP)從生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)視角更深入的了解生物生產(chǎn)和消費(fèi)鏈，反映了區(qū)域間貿(mào)易的生物量交流。在技術(shù)上，利用遙感和地理信息系統(tǒng)(GIS)可快速獲取實(shí)時(shí)NPP信息。但其計(jì)算方法和模型尚不完善和規(guī)范;NPP獲取精度欠佳;基于NPP的均衡因子不穩(wěn)定等缺點(diǎn)也有待解決。同時(shí)，明確可持續(xù)的NPP消耗以及利用 HANPP與生物多樣性的內(nèi)在聯(lián)系，探索生態(tài)足跡中增加生物多樣性的評(píng)價(jià)方法[9]，也是EF-NPP的研究潛力。

2.4 基于能值的生態(tài)足跡方法

能值的概念是由Odum提出用以評(píng)估自然資產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)功能的工具。生態(tài)足跡的能值分析就是以能值為基準(zhǔn)，把生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中不同種類(lèi)、不可比較的能量轉(zhuǎn)換成同一標(biāo)準(zhǔn)的能值來(lái)衡量和分析。

Zhao等[59]最先把能值分析引入到生態(tài)足跡中，利用能值轉(zhuǎn)換率，計(jì)算區(qū)域各消費(fèi)項(xiàng)目的人均太陽(yáng)能值，再轉(zhuǎn)化為能值足跡。其他一些改進(jìn)的研究如：Chen等[60]基于全球能值密度來(lái)計(jì)算生態(tài)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(jì)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(hù)用地;Pereira等[63]以各生態(tài)群落的能值而不是平均值來(lái)計(jì)算林地生態(tài)承載力。

與傳統(tǒng)EF模型所采用的均衡因子、產(chǎn)量因子等爭(zhēng)議較大的等量化參數(shù)相比，基于能值的EF方法所采用的能值轉(zhuǎn)換率、能值密度等參數(shù)更加穩(wěn)定，更具實(shí)際意義。能值轉(zhuǎn)換率還反映了一定的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)水平。但是，能值密度的測(cè)量比較困難，精度較低，沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范；不同產(chǎn)品或過(guò)程的能值到足跡的轉(zhuǎn)換具有不同的特性，分析復(fù)雜；能值足跡是基于能量流分析的，不能反映生物物質(zhì)的投入產(chǎn)出與流轉(zhuǎn)情況，也缺少判明資源利用可持續(xù)性的指標(biāo)，因此，應(yīng)當(dāng)與基于生物生產(chǎn)的生態(tài)足跡相互補(bǔ)充從不同側(cè)面評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)功能。

2.5 基于三維模型的生態(tài)足跡方法

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

三維生態(tài)足跡模型在保持生態(tài)足跡基本框架和計(jì)算結(jié)果不變的基礎(chǔ)上，豐富其內(nèi)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(fèi)與生態(tài)服務(wù)的代內(nèi)和代際分配，同時(shí)，公眾和企業(yè)也能更直觀地認(rèn)識(shí)他們的行為可能造成的環(huán)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(qū)域尺度，區(qū)間貿(mào)易的存在使生態(tài)透支難以識(shí)別，從而基于生態(tài)透支來(lái)計(jì)算足跡深度變得困難；模型中生態(tài)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(lái)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(duì)生物承載力和生態(tài)環(huán)境的具體影響，缺少存量資源總量分析，無(wú)法估算存量枯竭的閾值。

2.6 基于時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)生態(tài)足跡方法

傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型是一個(gè)靜態(tài)指標(biāo)，它得出的結(jié)論都是瞬時(shí)性的。近年來(lái)生態(tài)足跡研究試圖通過(guò)計(jì)算各指標(biāo)的時(shí)間序列值來(lái)追蹤各個(gè)時(shí)點(diǎn)的自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)變化，以彌補(bǔ)指標(biāo)靜態(tài)性的缺陷，如《地球生命力報(bào)告》中對(duì)1961年以來(lái)全球生態(tài)足跡的變化分析[68]。長(zhǎng)時(shí)序研究中需要解決的重要問(wèn)題是產(chǎn)量因子是否需要建立在當(dāng)?shù)貪撛诘纳a(chǎn)力基礎(chǔ)上，生產(chǎn)力因子可能比產(chǎn)量因子更容易解釋生態(tài)足跡和生物生產(chǎn)力在長(zhǎng)時(shí)間序列上的變化原因。

時(shí)序研究的重要目的是進(jìn)行趨勢(shì)模擬和預(yù)測(cè)。例如Vuuren等[69]利用IMAGE 2.2模型進(jìn)行因子模擬。也有研究者直接根據(jù)生態(tài)足跡序列值，嘗試引入非線(xiàn)性的預(yù)測(cè)模型，如綜合自回歸移動(dòng)平均模型[70-71]、集對(duì)分析[72]、灰色預(yù)測(cè)模型[73]、動(dòng)力趨勢(shì)模型[74]、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD方法[75-76]等。還有研究通過(guò)分析生態(tài)足跡與其驅(qū)動(dòng)因素的定量關(guān)系, 建立動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)行生態(tài)足跡預(yù)測(cè)。主要采用的方法包括多元線(xiàn)性回歸、偏最小二乘回歸、遞階偏最小二乘回歸[77]、庫(kù)茲涅茨曲線(xiàn)分析[78]，環(huán)境壓力隨機(jī)模型[79]，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[80-81]等。另外，有學(xué)者采用了基于土地利用和土地覆蓋變化的生態(tài)足跡預(yù)測(cè)方法，如Wood[82], Chang等[83]進(jìn)行的相關(guān)研究。上述方法處理了生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的變化復(fù)雜性，給出了具有指導(dǎo)意義的對(duì)生態(tài)系統(tǒng)總體趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，但缺少在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行模擬和仿真，很少涉及生態(tài)承載力的變化。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，人類(lèi)活動(dòng)的影響如土地利用與土地覆蓋變化、氣候變暖會(huì)危害生態(tài)系統(tǒng)功能，進(jìn)而損害人們所能獲取的生態(tài)服務(wù)。因此，理想的生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)模擬應(yīng)當(dāng)包括影響人類(lèi)活動(dòng)與生物生產(chǎn)力關(guān)系的所有自然，經(jīng)濟(jì)，政策，技術(shù)因素，以結(jié)構(gòu)解析的方式來(lái)建模。Lenzen等提出的動(dòng)態(tài)生態(tài)足跡(DEF)模型沿此方向做了有益的嘗試[84]，基于人類(lèi)消費(fèi)活動(dòng)，生產(chǎn)活動(dòng)，土地利用，溫室氣體排放，生物多樣性，生物生產(chǎn)力等的相互影響和趨勢(shì)進(jìn)行了國(guó)家生態(tài)足跡的時(shí)序分析。

3 展望

生態(tài)足跡自提出以來(lái)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用和不斷的完善。但是，生態(tài)足跡模型和方法仍處于不斷發(fā)展的階段，綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究，未來(lái)生態(tài)足跡方法研究的重點(diǎn)如下：

(1) 生態(tài)足跡核算方法的標(biāo)準(zhǔn)化研究

生態(tài)足跡已越來(lái)越多的應(yīng)用于人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然資源(主要是生物資源)消耗的可持續(xù)性的評(píng)價(jià)。在此背景下，加強(qiáng)生態(tài)足跡標(biāo)準(zhǔn)的研究，確保計(jì)算方法、過(guò)程和結(jié)果的透明性、一致性、可靠性和可比性，變得十分重要。標(biāo)準(zhǔn)化能鼓勵(lì)更廣泛、更規(guī)范采用生態(tài)足跡，提高其促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的效率和影響力。生態(tài)足跡標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容應(yīng)包括：源數(shù)據(jù)采集、計(jì)算過(guò)程、關(guān)鍵參數(shù)、邊界確定、結(jié)果評(píng)價(jià)等方面。標(biāo)準(zhǔn)的制定需要政府機(jī)構(gòu)，國(guó)際組織，學(xué)術(shù)團(tuán)體等的共同參與，近年來(lái)，全球足跡網(wǎng)絡(luò)(GFN)已做了大量的相關(guān)工作，也推出了一些指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)，但除國(guó)家生態(tài)足跡較完善外，地方層面和產(chǎn)品的生態(tài)足跡核算還缺少統(tǒng)一的、詳細(xì)的約定，需要進(jìn)一步的推進(jìn)。

(2)生態(tài)足跡評(píng)價(jià)的不確定性和敏感性分析

生態(tài)足跡評(píng)價(jià)中存在著廣泛的不確定性，影響了研究結(jié)果的可信度。不確定性來(lái)源于多個(gè)方面：1)數(shù)據(jù)質(zhì)量的不確定，如數(shù)據(jù)收集過(guò)程所傳遞的誤差，數(shù)據(jù)缺乏，數(shù)據(jù)代表性不足，對(duì)數(shù)據(jù)選取不當(dāng)。2)關(guān)鍵參數(shù)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(chǎn)量因子中草地，水域NPP的估算，全球平均 CO2吸收速率的設(shè)定，畜牧業(yè)單位產(chǎn)品食物消耗的計(jì)算等。都有可能會(huì)因缺少資料信息，而只能簡(jiǎn)化、粗估或代替，也可能引入錯(cuò)誤的知識(shí)和方法，或者計(jì)算中的誤差，從而產(chǎn)生不確定性。3)因模型固有缺陷引起的不確定性，如沒(méi)有考慮不同類(lèi)型土地功能的多樣性和相互影響，對(duì)地球碳循環(huán)復(fù)雜機(jī)理的簡(jiǎn)化，地區(qū)間貿(mào)易平衡的錯(cuò)綜與難以跟蹤等。因此，識(shí)別生態(tài)足跡評(píng)價(jià)中不確定性的產(chǎn)生路徑和敏感性因素，提高核算結(jié)果的可靠性和公信力，為環(huán)境管理者或決策者提供相對(duì)準(zhǔn)確的信息是非常必要的。未來(lái)，從數(shù)據(jù)的可信度、時(shí)間、來(lái)源、地理覆蓋面、技術(shù)水平等方面來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估，應(yīng)用OAT、蒙特卡洛法、拉丁超立方取樣等方法進(jìn)行不確定性定量與敏感性分析，是生態(tài)足跡研究的重要方向。

(3)構(gòu)建全面的生態(tài)足跡指標(biāo)體系

現(xiàn)有的生態(tài)足跡模型指標(biāo)存在種種缺陷，沒(méi)能完整描述自然系統(tǒng)的生態(tài)功能，忽略了不可更新資源、水資源的作用，對(duì)污染物的生態(tài)環(huán)境影響沒(méi)有完全考慮。雖然一些學(xué)者提出了改進(jìn)方法，但大多數(shù)建議仍不成熟，缺乏有效性驗(yàn)證。因此，希望依靠生態(tài)足跡單一指標(biāo)來(lái)描繪人類(lèi)所面臨的環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題顯然是不現(xiàn)實(shí)的，建立能夠全面衡量人類(lèi)活動(dòng)對(duì)自然資源需求及環(huán)境壓力的指標(biāo)體系，以多個(gè)不同側(cè)面，相互補(bǔ)充的指標(biāo)來(lái)代替單一指標(biāo)成為必然選擇。相對(duì)于其他資源環(huán)境指標(biāo)，生態(tài)足跡的優(yōu)勢(shì)是計(jì)算方法易操作，計(jì)算結(jié)果可比和簡(jiǎn)明易懂。目前，借鑒生態(tài)足跡思想的碳足跡，水足跡已廣為接受，分別成為評(píng)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(lái)，需要對(duì)這些足跡指標(biāo)和方法的進(jìn)一步完善，以及提出更多類(lèi)似的指標(biāo)，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(huì)經(jīng)濟(jì)足跡，如：食物足跡，工作機(jī)會(huì)足跡，教育足跡，健康足跡，人權(quán)足跡，產(chǎn)業(yè)足跡，投資足跡等，使足跡家族不斷發(fā)展壯大 。更為挑戰(zhàn)的是，對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行代表性篩選，納入統(tǒng)一的研究框架，采用標(biāo)準(zhǔn)的研究方法，如LCA法和IO分析法，構(gòu)建全面涵蓋可持續(xù)發(fā)展的評(píng)價(jià)體系。

(4)基于生態(tài)透支界限的動(dòng)態(tài)生態(tài)足跡研究

2009年，Rockstr?m領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，提出了9種對(duì)人類(lèi)生存至關(guān)重要的地球生命支持系統(tǒng)的過(guò)程，并確定了這些過(guò)程的生物物理安全值，稱(chēng)之為行星界限(Planetary boundaries)[86]。這些界限如果被突破，地球系統(tǒng)不能以穩(wěn)定的狀態(tài)運(yùn)行，會(huì)給人類(lèi)造成無(wú)法承受的環(huán)境變化。行星邊界的提出，為動(dòng)態(tài)生態(tài)足跡的研究提供了新的啟示。根據(jù)生態(tài)足跡理論，在全球范圍內(nèi)，如果人類(lèi)的資源消耗超出同期(通常為年)地球所能更新的生物生產(chǎn)力，即生態(tài)足跡高于生態(tài)承載力時(shí)，意味著自然資本存量的消耗和污染物質(zhì)的累積，顯然，這種生態(tài)赤字狀況是不可持續(xù)的。但是，不可持續(xù)的臨界點(diǎn)在哪里，生態(tài)透支是否存在一個(gè)類(lèi)似行星界限的閾值，超出后會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的突變，生態(tài)功能和生物生產(chǎn)力發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的退化，現(xiàn)有的生態(tài)足跡方法很少關(guān)注這一問(wèn)題。實(shí)際上，生態(tài)足跡直接涉及Rockstr?m等提出的關(guān)鍵性地球過(guò)程中的兩項(xiàng)：土地利用變化和氣候變化，它們的行星界限指標(biāo)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(gè)指標(biāo)來(lái)確定全球生態(tài)透支界限，或者是否通過(guò)生態(tài)透支對(duì)食物生產(chǎn)，水土流失，生物多樣性減少，氣候變化等產(chǎn)生不可恢復(fù)影響作為界限，以及通過(guò)預(yù)測(cè)資源和能源消費(fèi)的發(fā)展趨勢(shì)與生態(tài)承載力的變化，判斷是否達(dá)到生態(tài)透支界限與時(shí)點(diǎn)，乃至如何將生態(tài)透支界限應(yīng)用于局部區(qū)域中，都是值得探討而又十分復(fù)雜的問(wèn)題。

(5)多學(xué)科多方法交叉融合，引入新的方法技術(shù)手段

生態(tài)足跡研究涉及資源、環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域，應(yīng)當(dāng)集合生態(tài)學(xué)，資源學(xué)，地理學(xué)，經(jīng)濟(jì)學(xué)，數(shù)學(xué)等多學(xué)科的學(xué)者進(jìn)行交叉研究，充分吸收各學(xué)科的最新研究成果，發(fā)展基礎(chǔ)理論方法，要重視現(xiàn)有方法如：LCA，IOA，能值分析，動(dòng)態(tài)模型等的融合使用，例如：LCA與IOA方法結(jié)合，既能較好的覆蓋全過(guò)程，又能減少截?cái)嗾`差和重合，還能簡(jiǎn)化計(jì)算項(xiàng)目；能值分析與NPP方法結(jié)合，發(fā)揮能值參數(shù)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，也可利用NPP反映不同土地類(lèi)型的能值生物生產(chǎn)力差異。此外，還要不斷更新研究手段，如建立生態(tài)足跡和生態(tài)承載力變化的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)全球共享的資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，引入各種非線(xiàn)性研究模型，利用RS-GIS等快速實(shí)時(shí)獲取和評(píng)價(jià)資源利用情況等，以推動(dòng)生態(tài)足跡研究的進(jìn)一步深入和發(fā)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(tài)足跡的模型修正與方法改進(jìn).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(14):4592-4603.

Zhou T, Wang Y P, Gong J Z, Wang F, Feng Y F. Ecological footprint model modification and method improvement.Acta Ecologica Sinica,2015,35(14):4592-4603.