方 恺

(荷兰莱顿大学环境科学系，莱顿 2333CC)

自然资本是影响人类福祉与可持续性水平的关键因素［1-2］。相对缓慢的资源更新速度越来越无法满足人类不断膨胀的物质需求［3］，这一矛盾成为阻碍社会可持续发展的现实威胁。因此，如何量化人类对自然资本的需求以及自然资本的供给能力，是可持续发展研究领域的优先课题［4］。在此背景下，生态足迹作为一种评价可持续发展的生物物理方法应运而生［5-6］。该方法从土地的生物生产功能入手，用面积大小直观地表征人类资源消费和废弃物排放过程中对生态环境的占用程度，视角新颖，思路清晰，方法简便可行，得到了学界的积极响应与普遍认同［7-8］。

近年来，随着相关研究的深入，生态足迹模型中的一些局限也逐渐显现［8-10］，很多学者尝试引入新的分析方法或指标加以改进和完善，取得了长足的进步。例如，针对静态性评估不能预测生态足迹变化趋势的问题，Wackernagel等［11］提出通过长时间序列计算加以克服;针对均衡因子和产量因子难以反映区域实际特征的缺陷，Haberl等［12］利用研究区监测数据取代全球均值，以准确测度人类活动对区域生态环境的影响程度;针对生产力概念界定模糊的不足，Kitzes等［8］建议根据生态系统的实际生产力而非潜在生产力进行计算，这样会更精确地反映人类活动的生态累积效应;针对贸易调整中存在的不确定性，Kissinger等［13］通过追踪商品特性将生态足迹落实到具体的货源地上。最近，Niccolucci和Wackernagel等［14-15］通过引入两个新指标——生态足迹深度和生态足迹广度(以下分别简称足迹深度和足迹广度)，将原来的二维模型增加到三维，使生态足迹研究向纵深拓展。本文重点阐述生态足迹三维模型的基本概念和计算方法，总结模型的主要优势，并以中国为例进行实证分析，以期推动该方向研究在我国尽快展开。

1 生态足迹三维模型

1.1 理论基础

与传统经济学不同，生态经济学认为市场仅对特定属性的商品和服务有效，而非确定经济最优性的主要工具，从存量和流量的维度研究自然资本的属性非常必要［16］。经典的生态足迹二维模型虽然承认自然资本在可持续发展中的重要性［17］，但并未对存量和流量作实质性区分，无法体现资本存量恒定对全球生态系统平衡所起的不可替代的作用。生态经济学家Daly［18］借鉴热力学熵定律，提出了可持续发展需要遵循的三项基本准则:(1)可再生资源(如生物资源)的占用速度不应快于其再生速度;(2)不可再生资源(如化石燃料)的消耗速度不应快于相应可再生资源的替代速度;(3)污染和废弃物的排放速度不应快于生态系统无害化处理的速度。简言之，只要自然资本存量不减少，即使资本流量被完全占用，仍符合可持续发展的最低限度。Daly准则的关键，在于如何追踪被人类利用的自然资本存量和流量。三维模型基于该准则，将资本存量是否减少及减少的程度作为判断可持续性强弱的基本依据，由此提出足迹深度和足迹广度两个指标，以分别表征人类消耗自然资本存量和占用自然资本流量的程度。

1.2 概念与计算

经典的二维模型将生态足迹视为一条封闭曲线(圆)，由内圆(生物承载力)和圆环(生态赤字)相加得到(图1a);而三维模型将生态足迹视为一个圆柱体，由底面(生物承载力)与柱高(足迹深度)相乘得到(图1b)。

因此，存在以下恒等关系［14］:

式中，EF为生态足迹(ghm2);BC为生物承载力(ghm2);ED为生态赤字(ghm2);EFdepth为足迹深度(无量纲);EFsize为足迹广度(ghm2)。

下面分别阐述足迹深度和足迹广度的概念、性质和计算方法:

(1)足迹深度

足迹深度代表了人类对自然资本存量的消耗程度，具体可表述为等价的两层含义:(1)需要多少公顷土地才能提供人类在1 ghm2土地上所消费的资源量(或者说需要多少个地球才能支撑当前全球人口的资源消费量);(2)需要多少年才能再生人类在1 a中所消费的资源量。

根据式(1)，足迹深度的计算公式为［14］:

图1 生态足迹模型由二维向三维的演变［14］Fig.1 Development of the ecological footprint models from 2D to 3D

进一步地，足迹深度可分为自然深度和附加深度两部分:

由式(3)知，EFdepth≥1:(1)当EF≤BC时，仅有自然深度，EFdepth=1，此时人类占用自然资本流量(EFsize)即可满足自身需求;(2)当EF＞BC时，EFdepth＞1，表明自然资本流量已无法完全满足人类需求，需要动用存量资本。EFdepth越大，表明消耗的自然资本存量越多，发展越不可持续。

(2)足迹广度

足迹广度代表了人类对自然资本流量的占用大小。根据Hicks经济学理论［19］，资本流动不会减少财富总量，对生态系统而言即意味着可持续性。生物圈可提供的自然资本流量上限为生物承载力，故足迹广度取值范围为［14］:

1.3 主要优势

1.3.1 区分自然资本存量和流量

区分并追踪自然资本存量的消耗与流量的占用是可持续发展的核心议题。三维模型以Daly准则为理论基础，改变了以往生态足迹研究中不区分自然资本存量和流量的做法，以存量资本减少与否作为可持续性的基本判据，丰富了生态足迹理论的经济学内涵。

1.3.2 引入足迹深度和足迹广度

足迹深度表征了人类对超出生物承载力部分资源的累积需求，具有时间属性;足迹广度表征了人类对生物生产土地的年际需求，具有空间属性(土地是最具表现力和权威性的空间概念［20］)。因此，三维模型是一个时空模型，它既强调空间(土地)资源的稀缺性，又关注资源消费与资源再生之间的不同步性。

1.3.3 模型维度由二维增至三维

引入足迹深度后，生态足迹模型由二维变成三维，它不再是表征面积的物理量，而是表征体积的物理量(尽管仍保留ghm2作单位)，其计算公式为［15］:需要指出的是，三维模型在数值上仍与经典模型一致［15］:

1.3.4 强调代内公平和代际公平

不再以生态足迹或生态赤字的绝对数值作为区域间可持续性比较的唯一依据，因为较大的生态足迹或生态赤字往往并不代表发展的不可持续性，相反却表明经济开放程度较高［21］。三维模型中，足迹广度可表征同一时期不同区域间资源消费和生态服务的公平性差异，足迹深度则能表征同一区域不同时期间资源消费和生态服务的公平性差异，从而使生态足迹在不同区域、不同时期之间的可比性得到增强。

1.4 模型补充

1.4.1 引入资本流量占用率

当资本流量未被完全占用时，足迹深度处于自然原长，无法表征人类对资本流量的实际占用程度。为此，引入资本流量占用率指标，其计算公式为:

1.4.2 引入存量流量利用比

当资本流量被完全占用时，存量资本也开始消耗。为此，引入存量流量利用比指标，以表征实际所利用自然资本中存量与流量之间的大小关系，其计算公式为:

2 基于三维模型的中国生态足迹分析

2.1 生态足迹和生物承载力

1961—2006 年，中国人均生态足迹①本文所需的生态足迹和生物承载力基础数据源自文献［22-23］在波动中迅速上升，从1961年的0.76 ghm2增加到2006年的1.94 ghm2，年均递增2.10%;与此相反，同期人均生物承载力缓慢下降，从1.43 ghm2减少到0.67 ghm2，年均递减1.67%。总体上，两者呈反向变化趋势(图2)，生态足迹的波动相对剧烈，这是因为生态足迹对人为因素较敏感，而生物承载力主要受自然资源禀赋支配。1961年，生态足迹仅占生物承载力的一半左右;而到2006年时，生态足迹已反超生物承载力近1倍，人均生态赤字高达1.27 ghm2。1999年，无论生态足迹还是生物承载力均有明显减少，很可能与金融危机和洪灾的影响有关，这也与CCICED-WWF［24］的计算结果基本一致。

2.2 足迹深度和足迹广度

2.2.1 足迹深度如图3所示，1961—1977年，足迹深度一直处于自然原长，此时中国处于生态盈余状态，依靠自然资本流量完全可以满足自身的资源和生态服务需求;1978年，足迹深度首次突破1，标志着中国生态赤字时代到来，自然资本流量不足以支撑日益膨胀的消费需求，需要消耗资本存量以维持自身发展;1979—2002年，足迹深度除在个别年份(1993、1996年)短暂减少外，总体呈明显上升趋势;2003—2005年，足迹深度增速进一步加快，年均递增6.79%，表明资源消费的生态压力持续增大;到2006年时，足迹深度高达2.90(即需要近3倍的国土面积才能持续支撑当前中国的资源消费量)，较1977年增长了近2倍，表明资源消费与再生之间的速度差已相当大。

图2 1961—2006年中国人均生态足迹和生物承载力变化趋势Fig.2 Trends of ecological footprint and biocapacity per capita in China from 1961 to 2006

图3 1961—2006年中国足迹深度和人均足迹广度Fig.3 Footprint depth and footprint size per capita in China from 1961 to 2006

进一步分析，若视生物承载力为自然资本的年际收益，生态足迹为年际支出，则生态赤字类似于一种生态债务［25］。尽管生物承载力与生态赤字的量纲相同(ghm2)，但两者有本质性的差异:生物承载力是真实存在的土地面积，无法逐年累加;而生态赤字是具有虚拟属性的土地面积，可以逐年累加。根据“分母不变分子相加”的同分母分数相加法则，若忽略生物承载力的微小变化，则生态赤字与生物承载力的比值也应具有累加功能，由式(2)知，即足迹深度也可随时间推移不断累加。也就是说，虽然中国先前连续17 a保持了生态盈余，但自然资本流量一旦无法及时替代所消费的资源，就会立即引起资本存量减少，从而导致生态赤字。此外，随着足迹深度逐渐增大，资本存量消耗加快，还会反作用于生物承载力导致其下降。

2.2.2 足迹广度

比较图3与图2发现，1961—1972年，人均足迹广度与生态足迹处于同步变化阶段，在0.8 ghm2左右小幅震荡;1973—1979年，人均足迹广度迅速增加，最终达到0.95 ghm2的历史高位，此时对自然资本流量的实际占用量也达到最大。这一时期，由于生物承载力被反超，足迹广度与生态足迹脱钩并与生物承载力挂钩［26］，生物生产土地开始成为中国经济社会发展的限制性因子;1980—1989年，受人口持续增长等因素影响，足迹广度随生物承载力呈波动下降趋势但降幅趋缓，尽管该时期自然资本流量的占用率均达到100%，但实际占用量已有所减少;1990—1998年，人均足迹广度基本稳定在0.9 ghm2左右;1999年，人均足迹广度骤降到0.68 ghm2，除数据来源不同导致的结果误差外，如前所述，很可能与金融危机和洪灾导致自然资本流量减少有关;2000—2006年，足迹广度基本保持稳定。

内蒙古大学马克思主义学院副院长傅锁根说，《必由之路》是一部非常鲜活的教科书，展现出中国人从昨天怎样走到今天，怎样从站起来到富起来再到强起来的过程。

2.2.3 比较分析

(1)变化率

比较足迹深度和足迹广度的历年变化率(图4):1961—2006年，足迹深度从1.00增加到2.90，年均递增2.39%(实际上直到1978年才开始增长，故实际增速为3.84%);同期人均足迹广度从0.76 ghm2减少到0.67 ghm2，年均递减0.28%(实际上总体呈先升后降趋势)。可见，足迹深度的增幅明显大于足迹广度的降幅，由式(5)知，这是生态足迹不断增加的结果。从图5也可看出，若将中国生态足迹视为一个体积逐渐增大的圆柱，其底面积和柱高呈非等比例变化:1961—1977年，柱高始终未变，仅有底面积在扩大;1978—2006年，柱高迅速增加，而底面积却缓慢缩小。这也从一个侧面反映出生态环境所承受的压力和压强都在迅速增大。

图4 1962—2006年中国足迹深度和足迹广度的变化率Fig.4 Change rate of footprint depth and footprint size in China from 1962 to 2006

(2)资本流量占用率和存量流量利用比

资本流量占用率和存量流量利用比的计算结果见表1。1961—1977年，资本流量占用率从53.1%倍增到95.8%，表明在占用水平大幅提高的同时，供给也接近饱和;1978—1998年，存量流量利用比从0.01增加到0.64，表明中国所利用自然资本的近40%由存量资本提供;1999年，存量流量利用比骤增62.5%，首次突破1，资本存量取代流量成为中国自然资本供给的主要来源;2000—2006年，随着生态足迹与生物承载力的差距

图5 特征年份的中国三维生态足迹Fig.5 3D ecological footprint in China in specific years

表1 1961—2006年中国资本流量占用率和存量流量利用比Table 1 Appropriation rate of capital flows and use ratio of stocks to flows in China from 1961 to 2006

(3)剪刀差①剪刀差可以表征某时刻两种变化趋势之间的差异程度，其计算公式为［27］:式中，α为剪刀差(α越大表明两者变化差异越大);y'1(t0)，y'2(t0)分别为t0时刻两种指标的变化率

通过计算剪刀差分析中国足迹深度与足迹广度变化趋势的差异性。如图6所示，足迹深度与足迹广度的变化差异不断扩大。1961—1977年，两者的反向趋势相对较弱，主要是因为足迹深度一直保持不变;1978—1998年，两者的反向趋势逐步显现;1999年，剪刀差骤升到3.06，两者的拮抗作用十分明显，表明在自然资本流量急剧减少的背景下，越来越多的存量资本被动用以维持自身发展;2000—2006年，两者的反向趋势进一步显现。此外，足迹深度与足迹广度的剪刀差总体大于生态足迹与生物承载力的剪刀差，意味着资源消费供需矛盾在三维模型上得到更明显的反映，有助于克服经典模型对人类环境影响估计不足的局限［28］。

3 结论与讨论

本文系统阐述了生态足迹三维模型的概念和计算方法，重点对足迹深度和足迹广度两个指标进行了探讨，总结了模型的主要优势，并通过引入资本流量占用率和存量流量利用比两个新指标对模型作进一步完善。三维模型以Daly准则为理论基础，不仅考虑人类资源消费对生物生产土地的年际占用(足迹广度)，还考虑其在时间上的累积效应(足迹深度)，在区分自然资本存量与流量的同时，保持了经典模型的基本框架和优势，在可再生资源和生态服务供给不足、需要动用存量资本时十分有效。此外，作为一个时空模型，它非常关注资源消费与生态服务的代内和代际公平，增强了生态足迹在不同区域、不同时期之间的可比性。

图6 1962—2006年中国足迹深度和足迹广度的剪刀差Fig.6 Scissors difference between footprint depth and footprint size in China from 1962 to 2006

对中国的实证分析表明，1961—2006年，人均生态足迹倍增有余，反超生物承载力近1倍。1978年，尽管足迹广度达到0.95 ghm2的历史高位，但足迹深度也首次突破原长，中国步入生态赤字时代，由于自然资本流量不足导致资本存量消耗成为社会发展常态。在随后的28 a中，足迹深度增长近2倍，足迹广度波动下降，两者的反向趋势不断强化，生态环境压力迅速增大。到2006年时，中国需要近3倍的国土才能持续支撑其资源消费量。结果表明，资源消费供需矛盾在三维模型上反映得更为显著，一定程度上克服了经典模型的评估缺陷。

近年来，模型改进及性能测试已成为生态足迹研究的重中之重。成分法与物质流分析、投入产出分析、生命周期评价、能值分析、净初级生产力、情景分析、非线性科学理论、3S、土地利用/覆被变化、生态系统服务评估、生态补偿等方法和技术相继参与其中，在促进生态足迹理论发展与深化的同时，并未从根本上改变模型的二维尺度。三维模型的提出，为生态足迹改进研究提供了新的视角。诚然，该模型仍存在一定的局限性，主要表现为:(1)未分析自然资本在不同类型生物生产土地上的供需关系;(2)未测算存量资本消耗对生物承载力和土地生产力的具体影响;(3)未考虑跨区贸易对自然资本的转移作用，这些均有待于今后研究解决。此外，本文所采用的数据来源虽然存在一定差异，但均基于相同的计算方法，数据之间的相关性也较强，所以对研究结果的影响并不明显。最后还需指出的是，本文仅分析了自然资本存量相较于以往年份的消耗程度，如能建立一个广为接受的自然资本存量测度方法(类似于经济学中估算物质资本存量的永续盘存法［29］)，则将进一步推动可持续发展研究的定量化进程。

［1］Costanza R，Daly H E.Natural capital and sustainable development.Conservation Biology，1992，6(1):37-46.

［2］Farley J，Daly H.Natural capital:the limiting factor:a reply to Aronson，Blignaut，Milton and Clewell.Ecological Engineering，2006，28(1):6-10.

［3］Tiezzi E.The End of Time.Southampton:Wit Press，2002:200.

［4］Wackernagel M，White S，Moran D.Using Ecological Footprint accounts:from analysis to applications.International Journal of Environment and Sustainable Development，2004，3(3/4):293-315.

［5］Rees W E.Ecological footprints and appropriated carrying capacity:what urban economics leaves out.Environment and Urbanization，1992，4(2):121-130.

［6］Wackernagel M，Rees W E.Our Ecological Footprint:Reducing Human Impact on the Earth.Gabriola Island:New Society Publishers，1996:160.

［7］Xu Z M，Cheng G D，Zhang Z Q.Measuring sustainable development with the ecological footprint method— take Zhangye prefecture as an example.Acta Ecologica Sinica，2001，21(9):1484-1493.

［8］Kitzes J，Galli A，Bagliani M，Barrett J，Dige G，Ede S，Erb K，Giljum S，Haberl H，Hails C，Jolia-Ferrier L，Jungwirth S，Lenzen M，Lewis K，Loh J，Marchettini N，Messinger H，Milne K，Moles R，Monfreda C，Moran D，Nakano K，Pyhälä A，Rees W，Simmons C，Wackernagel M，Wada Y，Walsh C，Wiedmann T.A research agenda for improving national Ecological Footprint accounts.Ecological Economics，2009，68(7):1991-2007.

［9］Fiala N.Measuring sustainability:why the ecological footprint is bad economics and bad environmental science.Ecological Economics，2008，67(4):519-525.

［10］van den Bergh J C J M，Grazi F.On the policy relevance of ecological footprints.Environmental Science and technology，2010，44(13):4843-4844.

［11］Wackernagel M，Monfreda C，Schulz N B，Erb K H，Haberl H，Krausmann F.Calculating national and global ecological footprint time series:resolving conceptual challenges.Land Use Policy，2004，21(3):271-278.

［12］Haberl H，Erb K H，Krausmann F.How to calculate and interpret ecological footprints for long periods of time:the case of Austria 1926—1995.Ecological Economics，2001，38(1):25-45.

［13］Kissinger M，Gottlieb D.Place oriented ecological footprint analysis— the case of Israel's grain supply.Ecological Economics，2010，69(8):1639-1645.

［14］Niccolucci V，Bastianoni S，Tiezzi E B P，Wackernagel M，Marchettini N.How deep is the footprint?A 3D representation.Ecological Modelling，2009，220(20):2819-2823.

［15］Niccolucci V，Galli A，Reed A，Neri E，Wackernagel M，Bastianoni S.Towards a 3D national ecological footprint geography.Ecological Modelling，2011，222(16):2939-2944.

［16］Zhong F L，Xu Z M，Zhang Z Q.Identifying key differences between ecological economics and conventional economics.Advances in Earth Science，2008，23(4):401-407.

［17］Rees W E.Ecological Footprints and biocapacity:essential elements in sustainability assessment//Dewulf J，van Langenhove H，eds.Renewables-Based Technology:Sustainability Assessment.Chichester:John Wiley and Sons，2006:143-158.

［18］Daly H E，Farley J.Ecological Economics:Principles and Applications.Washington:Island Press，2004:29-36.

［19］Hicks J R.Value and Capital:An Inquiry into Some Fundamental Principles of Economic Theory.Oxford:Oxford University Press，1946.

［20］Zhang L.A resource-environmental foundation for modern urbanization.Journal of Natural Resources，2010，25(4):696-704.

［21］Chen C Z，Lin Z S.Wavelet analysis of China's per capita ecological footprint from 1961 to 2005.Acta Ecologica Sinica，2008，28(1):338-344.

［22］Liu Y H.The analysis of China's human-environment relationship fluctuations between 1961—2001:Study based on the EF(ecological footprint)model.Economic Geography，2005，25(2):219-222.

［23］Ma C，Meng W Q，Ju M T，Li H Y，Zhang X C，Hao C.Dynamic assessment of China's sustainable development possibility based on the ecoenvironmental footprint during the period of 1997—2006.Journal of Safety and Environment，2008，8(6):75-80.

［24］Cheng S K，Xie G D，Cao S Y，Kitzes J，Buchan S，Goldfinger S.Report on Ecological Footprint in China.CCICED-WWF，2008:13-13.

［25］Xie G D，Cao S Y，Lu C X，Xiao Y，Zhang Y S.Human's consumption of ecosystem services and ecological debt in China.Journal of Natural Resources，2010，25(1):43-51.

［26］Lu Z W，Wang H M，Yue Q.Decoupling indicators:quantitative relationships between resource use，waste emission and economic growth.Resources Science，2011，30(1):2-9.

［27］Yue D X，Xu X F，Li Z Z，Hui C，Li W L，Yang H Q，Ge J P.Spatiotemporal analysis of ecological footprint and biological capacity of Gansu，China 1991—2015:down from the environmental cliff.Ecological Economics，2006，58(2):393-406.

［28］Wackernagel M，Moran D，White S，Murray M.Ecological footprint accounts for advancing sustainability:measuring human demands on nature//Lawn P，eds.Sustainable Development Indicators in Ecological Economics.Cheltenham:Edward Elgar Publishing Limited，2006:247-267.

［29］Goldsmith R W.A perpetual inventory of national wealth//Goldsmith R W，eds.Studies in Income and Wealth.New York:National Bureau of Economic Research，1951，14:5-74.

参考文献:

［7］徐中民，程国栋，张志强.生态足迹方法:可持续性定量研究的新方法——以张掖地区1995年的生态足迹计算为例.生态学报，2001，21(9):1484-1493.

［16］钟方雷，徐中民，张志强.生态经济学与传统经济学差异辨析.地球科学进展，2008，23(4):401-407.

［20］张雷.现代城镇化的资源环境基础.自然资源学报，2010，25(4):696-704.

［21］陈成忠，林振山.中国1961—2005年人均生态足迹变化.生态学报，2008，28(1):338-344.

［22］刘宇辉.中国1961—2001年人地协调度演变分析——基于生态足迹模型的研究.经济地理，2005，25(2):219-222.

［23］马春，孟伟庆，鞠美庭，李洪远，张晓春，郝翠.中国1997—2006年可持续发展动态测度分析.安全与环境学报，2008，8(6):75-80.

［24］成升魁，谢高地，曹淑艳，Kitzes J，Buchan S，Goldfinger S.中国生态足迹报告.中国环境与发展国际合作委员会，世界自然基金会，2008:13-13.

［25］谢高地，曹淑艳，鲁春霞，肖玉，章予舒.中国的生态服务消费与生态债务研究.自然资源学报，2010，25(1):43-51.

［26］陆钟武，王鹤鸣，岳强.脱钩指数:资源消耗、废物排放与经济增长的定量表达.资源科学，2011，30(1):2-9.