常文娟,马海波

(河海大学 a.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室;b.水文水资源学院,南京 210098)

可持续发展是一种全新的发展战略,将这种发展理念变成可操作的发展模式,必须定量测度发展的可持续状态[1]。围绕如何定量描述可持续发展状态,国内外已取得了大量研究成果。纵观国际上现有的3种主要的可持续发展指标体系及其定量评价方法[2](系统理论和方法指导构建的指标体系,如“可持续性的晴雨表”模型;基于环境货币化估值的指标体系,如“可持续经济福利指数”[3];生物物理量衡量指标,以生态足迹为代表[4]),生态足迹分析法较好地弥补了其它两种指标体系过于庞大、定量评价难度较大等缺陷,因其独特的指标体系,新颖的分析思路,简便的计算方法,较为完善的理论得到了广泛的应用,已成为国内外研究的前沿和热点。

生态足迹(Ecological Footprint,简称EF)由加拿大生态经济学家Willam教授于1992年提出,并由其博士生Wakernagel进一步完善,从一个全新的角度定量测度区域的可持续发展状况。随着研究的不断深入,该方法本身及模型计算和指标选取上还有不少值得进一步探讨之处。

本文从生态足迹的理论研究和应用研究两方面,综述了近年来生态足迹国内外研究的最新进展,并针对我国模型应用的不足,提出了相应的建议,以使生态足迹理论更加合理、有效地用于我国区域可持续发展评价。

1 生态足迹简介

生态足迹理论是一种定量评价可持续发展程度的方法。该方法将区域的资源和能源消费折算为提供这些消费所需的原始物质与能量的一种虚拟土地(生物生产性土地)的面积,并与给定人口区域的生物承载力进行比较,定量衡量区域的可持续发展状况。

生态足迹理论认为,人类的所有消费理论上都可以折算成相应的生物生产性土地面积。生态足迹是指在一定技术条件和消费水平下,某个国家(地区、个人)持续发展或生存所必需的生物生产性土地面积;生物承载力则指某个国家(地区)所能提供给的生物生产性土地面积的总和,表征该地区的生态容量。

1.1 理论假设

Wackernagel等于2002年明确了计算全球生态足迹的6个假设[5]:①人类可以确定自身消费的绝大多数资源及其产生的废弃物的数量;②这些资源和废弃物流量的大部分可以转换成相应的生物生产性土地面积;③各类生物生产能力不同的土地可以折算成标准公顷—全球公顷;④各类土地在空间上是互斥的,如一块土地当被用来修建公路时,它就不能同时被用作可耕地、牧草地等;⑤自然的生态服务的供应可以用全球公顷表示的生物生产空间表达;⑥生态足迹可以超越生物承载力。

根据上述假设,人类对生态系统的影响就可以用提供消费所需的资源和消纳废弃物的生物生产性土地的面积定量测度。

1.2 模型计算

生物生产性土地是生态足迹理论为确定消费的各类自然资本提供的统一度量基础,指生物从外界环境中吸收物质和能量并转化为新的物质,从而实现物质和能量的积累。生态足迹理论所有指标都是基于生物生产性土地这一概念而定义的。生态足迹模型从需求面计算生态足迹的大小,从供给面计算生物承载力的大小[6]。

根据各类土地生产力大小的不同,生物生产性土地可分为化石能源用地、可耕地、牧草地、森林、建筑用地、水域6大类。由于同类生物生产性土地的生产力在不同国家和地区之间存在差异,为了使各国各地区同类生物生产性土地面积可进行对比,需要将其面积乘以一个相应的产量因子;又由于每一类土地类型的生产力不同,为了将不同生物生产性土地类型的空间汇总为区域的生物生产力和生态足迹,需要将各种类型的生物生产性土地面积乘以一个相应的均衡因子[7]。

根据上述理论和概念,生态足迹理论的计算模型如下:

1)生态足迹的计算模型为:

式中j=1,2,…,6分别代表化石能源用地、可耕地、牧草地、森林、建筑用地、水域;i为消费项目的类型;EF为总的生态足迹,hm2;ef为人均生态足迹,hm2/cap;γj为均衡因子;Ci为第i种消费项目的年消费量,t;Yi为生物生产性土地生产第i种消费项目的全球年均产量,t/hm2;Pi为年生产量;Ii为第i种消费项目的年进口量;Ei为第i种消费项目的年出口量;N为人口总数。

2)生物承载力的计算模型为:

式中BC为各类生物生产性土地的生物承载力,hm2;bc为人均生物承载力,hm2/cap;aj为各类生物生产性土地面积,hm2;γj为均衡因子;yj为产量因子。

分别比较EF与BC,ef与bc,评价区域的可持续发展状况。

区域生态足迹模型的技术路线流程见图1。

图1 区域生态足迹模型技术路线流程图Fig.1 Ecological footprint models studying flow chart

1.3 评价指标

基于生物生产性土地的概念,生态足迹研究者建立了一系列指标定量评价人地系统间自然资本的供需情况和可持续发展程度。

1.3.1 生态赤字/盈余

将某个国家(地区)的生态足迹同该国家(地区)所拥有的生物承载力相比较,就会产生生态赤字(EF＞BC)或生态盈余(EF＜BC)。

生态赤字表明该地区的人类负荷超过了其生物承载力,要满足该地区人口在现有生活水平下的消费需求,必须从地区之外进口欠缺的资源或通过消耗自然资本来弥补供给的不足。该地区发展模式处于相对不可持续状态,其不可持续程度用生态赤字衡量。

相反,生态盈余表明该地区的生物承载力足以支持其人口负荷,表明该地区自然资本的收入大于其人口消费的需求。该地区的消费模式处于相对可持续状态,其可持续程度用生态盈余衡量[8]。

1.3.2 全球生态赤字/盈余

如果一个地区人均生态足迹高于全球生态标杆(也即全球人均生物承载力,用以衡量全球人均生态容量),表明该地区对环境的影响规模超过其按照公平原则所分摊的可利用的生态容量,因而产生赤字。这种赤字称为该地区的全球生态赤字(即该地区在全球意义上是不可持续的)。

相反,如果一个地区的人均生态足迹低于全球生态标杆,表明该地区对环境的影响规模低于其按照公平原则所分摊的可利用的生态容量,因而产生盈余。这种盈余称为全球生态盈余(即该地区在全球意义上是可持续的)[9]。

2 生态足迹的理论研究

生态足迹的理论目前发展已较为成熟,对于国家账户的生态足迹,研究结果比较充分。在Wackernagel等人的倡导下,建立了全球生态足迹网站(http://www.footprintnetwork.org)。近年来,生态足迹模型已广泛应用于不同区域尺度可持续发展状况(从全球、国家、地区和区域、城市、县域乡镇水平不断拓展到个人水平)的静态测度及长时间序列动态分析与预测。生态足迹逐渐成为各国政府和学术界普遍接受的可持续发展指标,为辅助政府战略决策提供了强有力的分析评价工具。

2.1 国外理论研究

自Willam提出生态足迹概念[10],其学生Wackernagel将其发展并进一步完善为生态足迹模型[11-14],之后一些学者对模型进行了以下几方面的修正。

2.1.1 静态分析模型修正

针对生态足迹模型静态测度这一缺陷,国外学者通过计算各指标的时间序列值追踪各个时点的可持续性。Haberl等[15](2001)基于实际土地需求方法对奥地利1926～1995年近70 a的生态足迹进行了量化分析。van Vuuren等[16](2005)应用时间序列法研究了世界上17个国家和地区1995～2050年的生态足迹,并与传统方法进行了比较。

上述大多数时间序列生态足迹的研究都集中于探讨产量因子、均衡因子以及全球平均生产力对足迹核算的影响,预测模型采用趋势外推型(通过分析过去的足迹变化,对未来足迹趋势做历史性动态分析),缺乏针对社会经济发展动态性特征的预测功能。

为克服上述研究的不足,一些学者提出了生态足迹能值分析法,采用能值转换率、能值密度等参数避免了对生产力与生物产量的探讨,增强了EF核算的准确性,真实地反映了区域的环境特征[17]。另有学者将经济学模型的情景假设引入生态足迹,通过对一些兼具合理性和不确定性的生态足迹影响因子在未来一段时间内可能呈现的发展态势的假定和描述,预测足迹的发展态势,并比较可能产生的影响[18]。

2.1.2 生态偏向性修正

由于生态足迹模型主要强调人类发展对环境资源系统的可持续性,忽视了不同区域发展的差异性,人类消费模式的演变以及人类对现有消费质量的满意程度的考虑,具有指标选择的生态偏向性。为此,Hanley等[19](1999)应用生态足迹模型配合绿色净国内生产、环境空间、净主要生产力、持续经济福利指数、真实储蓄等指标,测度与评价了苏格兰发展的可持续性。Kurt[20](2004)把生态足迹与生态系统服务功能价值结合起来,从全球碳循环系统与能量价值角度出发,构建了生态价值附加的生态系统—经济投入产出复合模型。

2.1.3 计算项目的偏颇性修正

生态足迹模型没能把自然生态系统提供资源和吸纳废弃物的功能描述完全,忽略了地下资源和水资源的估算,也没有考虑污染的生态影响与污染生态足迹。Manfred等[21](2001)以澳大利亚为例,不仅考虑了CO2,而且计算了其它气体如CH4,N2O,CF4,C2F6等的生态足迹。Hoekstra[22](2003)借鉴生态足迹的理念,在虚拟水理论的基础上提出了水足迹概念,并开展了水资源足迹评价研究。

此外,Manfred等[21](2001)改进了生态足迹分析法,采用地区土地利用数据弥补了全球公顷应用于区域研究的不足,运用投入—产出分析模型对澳大利亚 1994年的生态足迹进行了计算。Beynon等[23](2008)研究了考虑不确定性的投入—产出模型的生态足迹分析法,为生态足迹的理论创新开辟了一条新的途径。

上述成果表明,国外生态足迹模型不断修正,理论研究渐趋完善。然而,目前国际上尚无一套标准化的生态足迹核算方法,考虑社会要素的变化(诸如消费水平、经济增长等)对生态足迹的影响,对生态足迹做敏感性分析也很少见。生态足迹理论仍需进一步修正,以期形成一套完善的生态足迹理论体系。

2.2 国内理论研究

我国对生态足迹的理论研究处于起步阶段,1999年国内引入生态足迹概念,该理论的研究在国内迅速展开。通过对生态足迹理论及其应用成果的研究,国内学者认识到该理论在应用中的不足,并探讨其改进方法[7,9,24-25]。主要的研究有:熊德国等在文献[6]中指出该理论对区域可持续发展的评价结果与可持续发展理论所阐述的基本原则相悖(评价结果表明,地区越不发达,人们生活水平越低,可持续性越强,如文献[26]中对云南和西藏的可持续性评价。而可持续发展理论认为,贫穷是最大的不可持续,可持续发展首先是“发展”),并将生态足迹分为消费性生态足迹和生产性生态足迹,提出以生产性生态足迹评价区域生态系统的可持续性,以消费性生态足迹评价区域发展的公平性,对传统的生态足迹理论进行了改进。

熊德国等在文献[6]中指出,将该理论原封不动的用于区域生态系统可持续性评价,得出的结论并不能真实地反映所研究区域资源环境的持续性。蔡依依等[27](2005)指出采用全球平均生产力计算生态足迹,抹杀了研究对象的区域特征,地方生产力指标对计算区域生态足迹更有参考价值。基于此,顾晓薇等[28](2005)提出了基于“国家公顷”为计量单位计算城市生态足迹的新方法,并进行了实证计算,表明了采用“国家公顷”进行城市生态足迹研究的应用价值。之后,冯娟等[29](2008)提出以“省公顷”为计量单位计算小城镇生态足迹的模型,并将其应用于山东省晏城镇2004年的生态足迹计算。

此外,一些学者还对生态足迹的指标进行了研究探讨,提出了生态足迹指数[30]、区域经济生态效率[31]、综合发展度[32]和生态承载度[33]等指标,对区域可持续发展状况进行横向比较。如温杰[34](2007)引入生态足迹多样性指数、生态均衡参数和万元GDP生态足迹3个指标,增加生态足迹评价可持续发展程度的全面性和对比性。

近几年,一些学者还对生态足迹进行了时间序列的测度,并运用预测模型对其进行了预测研究,如李湘梅等[35](2007)鉴于BP神经网络,构建了生态足迹预测模型,并以武汉为例进行了预测。张衍广等[36](2008)利用 mathcad2001和metlab6.5软件,运用经验模态分解方法建立了一个带有周期波动的动力学预测模型。蔡珍珍等[37](2009)运用灰色预测模型对重庆市2008～2012年的生态足迹做出了预测。

综上可知,国外生态足迹的理论研究较为成熟,国内的研究大部分仍处于介绍引进的层次,在理论研究上取得了一定的进步。作为一种新的评价方法,其方法本身和指标的选取还有待深入研究,一些理论的创新(如不同尺度区域生态足迹计算中提出的“国家公顷”“省公顷”)还需要进一步探讨。

3 生态足迹的应用研究

生态足迹模型已广泛应用于区域可持续发展度量、环境影响评价、区域生态安全评价等领域。

3.1 国外应用研究

在国外,生态足迹模型被广泛应用于不同尺度的区域可持续发展度量和生态经济中的多个领域。具有代表性的研究有:

Wackernagel领导的“加拿大生态足迹小组”首先应用生态足迹分析法在全球、国家和城市(区域)3个层面上进行了较为成功的可持续发展程度分析,应用生态足迹指标对52个国家和地区1997年的生态足迹进行了实证计算研究[38]。Ferng[39](2002)就能量足迹进行了认真地研究,细化了能量组分,提出了能量足迹的改进计算模型,并以台湾作为实证进行了分析。

应用生态足迹研究方法确定特定人类(群)的土地需求研究越来越多[40]。另外,还有一些研究考虑了污染(酸雨、工业废水等)这一生态因素对生态足迹的影响,如“加拿大生态研究小组”目前正在研究如何将环境污染的生态影响纳入生态足迹的计算表格中[21]。Patterson等[41](2007)对意大利Val di Merse景点旅游足迹进行计算。Moran等[42](2009)利用生态足迹来衡量生物物理价值的国际贸易流动。

目前,国外学者已在不同食物消费模式[40]、不同家庭收入与消费支出[21]、国际贸易与生态不平等交换[43]等前沿领域展开了广泛深入的生态足迹实证分析。

3.2 国内应用研究

生态足迹概念的提出及计算自1999年被引入到国内以来,已取得用于区域可持续评价的研究成果,比较有影响的研究有:

徐中民等[44](2000)应用生态足迹模型对甘肃省1998年的生态足迹进行了实证计算研究,表明1998年甘肃省的人均生态足迹(2.19 hm2)大于生物承载力(1.626 hm2),存在生态赤字,其发展模式处于不可持续状态。

张志强等[26](2001)依据西部12省(区市)2000年统计年鉴的数据,对中国西部地区12省1999年的生态足迹进行了计算和分析,结果表明,除云南、西藏2省(区)生态盈余,其余10省(区市)均为生态赤字。

徐中民等[45](2003)对中国和部分省(区市)1999年的生态足迹进行了计算,表明中国1999年人均生态赤字0.645 hm2,大部分省(区市)都表现为生态赤字,区域的经济社会发展处于不可持续状态。此外,还将计算得到的各类生物生产性土地面积作为测算生态经济系统多样性的指标,测算了中国及部分省(区市)1999年生态足迹的多样性,进而分析了生态足迹多样性与资源利用效益的关系。

此外,国内学者还将该理论用于不同地区的可持续发展评价,取得了一系列的成果。

除上述静态研究外,在生态足迹的长时间序列动态测度方面,我国也有相当多的研究成果,主要成果有:刘宇辉[46](2005)运用生态足迹模型及已有的相关研究成果,对我国1961～2001年的生态足迹进行了计算,分析表明,1961～1977年,生物承载力大于生态足迹,处于可持续发展状态;1978～2001年,生物承载力小于生态足迹,处于不可持续发展状态。李智等[47](2007)运用生态足迹模型,将我国近10 a化石能源消费的生态足迹进行了时间序列预测,对能源足迹产值、强度及其带来的生态压力进行了分析,提出了我国未来能源可持续发展的新途径。童亿勤等[48](2009)应用调整的生态足迹模型对浙江省1991～2006年的生态足迹进行了计算,从时间序列上研究并分析了该省近16 a受到的环境压力。

近年来,生态足迹理论已被推广应用于环境影响评价[49]、区域生态安全评价[50]、土地结构优化[51]、旅游环境研究[52]等领域。

综上所述,国外有关生态足迹的应用已经很充分,国内对生态足迹的应用研究也取得了很大的进步,但较多地应用于我国西部和地区级尺度,城市尺度的研究也仅停留在生活消费生态足迹的测算,更小尺度(如,流域尺度)的研究尚未可见。

4 问题与展望

国外生态足迹的理论发展较为成熟,研究结果比较充分,而我国的研究仍处于国际研究的初级阶段。到目前为止,国际上尚未形成一套标准化的生态足迹核算方法,国内,模型计算和指标的选取还在不断探讨,需要在如下方面加强研究:

1)加强对长时间跨度的时间序列动态分析。考虑社会经济要素(消费水平、经济增长、人口规模等)的变化对生态足迹的影响,分析经济发展的驱动因子以及生态足迹对它的敏感性。建议相关领域的研究人员结合不确定理论与生态足迹理论,对生态足迹进行动态分析与预测。

2)扩大研究领域,加强对流域层面的生态足迹分析。鉴于流域资料难以获取,未见我国对流域尺度的生态足迹的研究。建议流域管理部门建立流域层面的信息平台,方便学者对流域可持续发展状况进行研究,开发可用于指导解决实际问题的应用系统。

3)完善生态足迹指标体系。加强生态足迹指标与“满意程度”、发展能力指标等其它可持续发展指标体系的结合,使其评价结果更加合理、可靠。

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