方恺

荷兰莱顿大学环境科学系，荷兰 莱顿 2333CC

基于足迹家族和行星边界的主要国家环境可持续性多维评价

方恺

荷兰莱顿大学环境科学系，荷兰 莱顿 2333CC

足迹家族和行星边界都是国际可持续发展研究领域新近出现的热点概念。系统回顾了足迹家族和行星边界的概念缘起，首次提出了基于足迹家族和行星边界的环境可持续性概念及其评价框架。其中，足迹家族定义为：人类在自然资源消费和废弃物排放过程中占用的地球生态系统的再生和消纳能力；行星边界定义为：可供人类安全占用的地球生态系统的最大再生和消纳能力。由此，将环境可持续性定量描述为人类环境足迹小于或等于对应行星边界的情形，反之则为环境不可持续性。分析了该环境可持续性概念的6项基本特征：系统性、选择性、交互性、不确定性、尺度依赖性、赤字可权衡性。在此基础上，以全球30个主要国家为例，对提出的足迹家族-行星边界整合框架进行了实证应用。从与人类社会关系重大的环境问题入手，对各国在气候变化（碳排放）、水资源利用和土地利用3方面的环境可持续性进行了多维测度。结果显示：22国的碳排放呈现不可持续性，人均碳赤字最高为美国的26.1 t·a-1（以CO2当量计）；17国的水资源利用呈现不可持续性，人均水赤字最高为西班牙的1497.8 m3·a-1；15国的土地利用呈现不可持续性，人均土地赤字最高为荷兰的2.3 hm2·a-1。研究表明，碳排放的可持续性与社会经济发展水平关系密切，发达国家对气候变化的贡献明显大于发展中国家；水资源利用和土地利用的可持续性则更多地受各国人均资源禀赋制约。本研究对科学量化和比较不同国家的环境可持续性具有参考价值，该评价方法也适用于其他环境问题或国家以下尺度的核算分析。

环境可持续性；足迹家族；行星边界；整合；环境赤字（盈余）；多维

可持续发展是现代社会的永恒目标，也是当今人类面临的最大挑战（邬建国等，2014）。评价一个国家或区域的可持续发展水平，一般要从环境可持续性、经济可持续性和社会可持续性3方面进行综合考量。其中，环境可持续性既是经济和社会可持续性的前提与基础，同时也是最难以实现的瓶颈因素（Heijungs等，2010）。因此，环境可持续性评价一直被视为可持续发展研究领域的重要课题（Moldan等，2012；黄宝荣等，2008）。当前国际上较为通行的环境可持续性评价工具主要包括：①环境可持续性指数；②环境绩效指数；③环境脆弱性指数；④环境质量指数；⑤生态系统健康指数；⑥净初级生产力的人类占用；⑦生态足迹和生物承载力。其中，①～⑤均为复杂指标体系整合而成的综合指数，信息覆盖面较广、量化过程相对规范，但也存在着变量选择不透明、数据收集困难等局限（Siche等，2008；Singh等，2009）；⑥为单一指标，易于理解和量化，缺点是指标的信息量不够，难以及时反映人类活动对区域环境的复杂影响（Erb K-H等，2012；Haberl，1997）；⑦是迄今影响最大、应用最广的一对指标，通过比较生态足迹和生物承载力的大小关系，可以清楚地指示人类在食物消费和能源碳排放方面的生态超载程度，缺点在于计算误差较大、一些重要环境问题被遗漏等（van den Bergh和Grazi，2014；Wackernagel和Rees，1996）。

通过对上述几种评价工具的分析，可以看出它们在指标构成方面存在共性特征：既有反映人为压力及其环境影响的现状指标，又有体现环境系统自然禀赋或承载能力的临界指标。例如，在生态足迹评价中，生态足迹、生物承载力分别代表了现状指标和临界指标；在净初级生产力的人类占用评价中，这2项指标分别被实际可用生物量、无人类干扰的生物生产力所代替。而对综合评价指数而言，除了包含大量现状指标外，临界指标往往以百分比的形式与前者一同出现。以环境可持续性指数为例（杜斌等，2006），其下设的“受威胁鸟类种群比”、“超出酸雨负荷的国土面积比”、“处于重度缺水压力下的国土面积比”均属于此类指标。总之，将现状指标和临界指标进行定量比较，是多数环境可持续性评价研究遵循的基本思路。

国际可持续发展领域新近出现的2个热点概念——足迹家族（footprint family）和行星边界（planetary boundaries），恰分属于现状指标和临界指标的范畴。然而国内迄今对此鲜有报道，将两者进行整合研究在国内外都尚属空白。为此，本文通过引入足迹家族和行星边界，对环境可持续性的概念作重新定义，并以气候变化、水资源利用和土地利用3项环境问题为例，尝试性地评价全球30个主要国家的环境可持续性，以期为推动制定国际可持续发展战略提供科学依据。

1 基于足迹家族和行星边界的环境可持续性评价框架

1.1 足迹家族与行星边界的概念缘起

出于对代际公平和自然资本稀缺性的关注，Goodland和Daly（1996）从物质输入、输出的角度首次定义了环境可持续性的“三原则”：①废弃物的排放不应超出自然消纳能力；②可再生资源消费不应超出其再生能力；③不可再生资源消费不应超出可再生资源的替代能力。从生态经济学的观点来看，环境可持续性的关键是要将人类的自然资本需求控制在地球生态系统的承载力范围之内。Wackernagel和Rees（1996）正是基于该理念提出了著名的生态足迹和生物承载力概念，并将前者小于或等于后者作为判定环境可持续性的依据。生态足迹的成功极大地带动了环境现状评价领域指标的发展，水足迹、碳足迹、氮足迹、磷足迹、土地足迹、化学足迹、生物多样性足迹等一系列指标应运而生，丰富和扩展了足迹家族的内涵与外延（Fang等，2014；Galli等，2012）。

与此同时，针对承载力的量化研究也从未停止。大批学者尝试从容量、极限、阈值等不同角度定义承载力，在一定程度上弥补了生物承载力指标信息不够全面的缺陷（Fang和Heijungs，2014；Giljum等，2011；方恺等，2011；顾康康，2012）。特别是由Rockström等（2009）提出的行星边界概念，首次明确了全球多项环境问题的生物物理临界阈值，从而引发了学界的空前关注和讨论，Science、Nature均进行了跟踪报道（Erb K-H等，2012；Lewis，2012）。行星边界采用一系列控制变量来表征不同环境问题，例如CO2体积分数、淡水消耗量、人工固氮量、海水磷输入量、耕地占比、海水饱和度、O3含量、物种灭绝速度分别表征气候变化、水资源利用、氮排放、磷排放、土地利用、海洋酸化、平流层臭氧消耗、生物多样性丧失。

此外，足迹家族和行星边界的研究者还分别从各自的学科出发，尝试从全球尺度对主要环境问题的可持续性进行定量评价。前者如Hoekstra和Wiedmann（2014）在Science上提出了最大可持续足迹的概念，与各项环境足迹相比较即可判断环境可持续性（图1左）。这样做的优势在于足迹指标的环境关联性高，例如碳足迹综合考虑了CO2、CH4、N2O等不同温室气体的排放量及其相应的全球暖化潜值，较之大气CO2体积分数更能全面反映气候变化的趋势；不足之处在于未能给出全部环境问题对应的最大可持续足迹，已给出的数值也远没有行星边界的共识度高。后者如Rockström等（2009）在Nature上将行星边界和现状值进行比较，以判断不同环境问题的越界程度（图1右）。虽然行星边界较为完整地设定了各项环境问题的临界阈值，但现状评价完全基于专家知识而非计量模型，结果的真实性和可信度存在较大争议（de Vries等，2013；Lewis，2012）。

图1 足迹家族研究者（左）和行星边界研究者（右）分别评价全球环境可持续性Fig. 1 Global environmental sustainability assessed by footprint family users (left) and planetary boundaries users (right)

1.2 基于足迹家族和行星边界的环境可持续性概念

上述分析表明，足迹家族概念和行星边界概念各有优势，并且具备很强的互补性。一方面，足迹家族业已形成了一套规范化的指标核算方法，可以为行星边界提供更加科学、准确的环境现状评价方法，克服专家知识可能导致的主观性、模糊性和不确定性；另一方面，行星边界有助于克服一些环境足迹缺乏相应承载力（如碳足迹）或承载力指标权威性不足（如水足迹）的问题。此外，它们两者关注的环境问题也高度相似，均包括气候变化、水资源利用、土地利用等。

因此，将足迹家族与行星边界结合起来评价环境可持续性合理且可行。参考相关研究，本文将足迹家族定义为：人类在自然资源消费和废弃物排放过程中占用的地球生态系统的再生和消纳能力；将行星边界定义为：可供人类安全占用的地球生态系统的最大再生和消纳能力，是维持系统结构与功能基本稳定的临界阈值。由此，环境可持续性即指人类的环境足迹小于或等于对应的行星边界的情形，反之则为环境不可持续性（图2）。

1.3 环境可持续性概念的基本特征

以上定义的环境可持续性概念兼具足迹家族和行星边界的基本特征：①系统性，以地球生态系统为研究对象，多维评价人类活动的环境可持续性；②选择性，环境问题的选择视研究需要而定，一般优先考虑人为因素占主导、关系人类福祉的环境问题，如气候变化、水资源利用、土地利用等；③交互性，不同环境问题之间相互联系、影响和制约，例如大规模毁林伐木不仅改变地表的土地利用格局，还会因涵养水源、固碳释氧等功能的退化而加剧水资源短缺和气候变暖；④不确定性，环境足迹大于行星边界即意味着地球生态系统将发生不可逆突变，不过这种突变是否及何时会给人类社会带来灾难性的后果仍有很大的不确定性；⑤尺度依赖性，既可以基于全球尺度进行评价，也可以基于国家、区域等较小的尺度进行评价，相应地，环境足迹和环境边界也应有全球、国家、区域等不同尺度之分，这是环境可持续性评价可以在国家、区域等不同尺度开展的前提；⑥赤字可权衡性，虽然理论上所有环境问题都盈余的情况称为强环境可持续性，但事实上全球多数国家和区域都呈现弱可持续性甚至不可持续性，这就要求人们对各项环境赤字进行综合权衡，优先关注亟待治理的重大环境问题，从而最大限度地减少环境不可持续性给人类社会带来的负面影响。

1.4 环境可持续性评价方法

为了定量比较不同国家的环境可持续性，提出环境赤字和环境盈余的概念，即当人类的环境足迹大于对应环境边界时，产生环境赤字，环境赤字越大，表明环境越不可持续；当环境足迹小于环境边界时，产生环境盈余，环境赤字越大，表明环境可持续性越强；当环境足迹等于环境边界时，既不产生环境赤字也不产生环境盈余，处于临界平衡状态。环境赤字和环境盈余的计算公式分别为：

式（1）中：EDi,j为第i国j项环境赤字；ERi,j为第i国j项环境盈余；EFi,j为第i国j项环境足迹；EBi,j为第i国j项环境边界。

2 全球主要国家环境可持续性评价

2.1 研究区域和数据来源

图2 基于足迹家族和行星边界的环境可持续性概念框架Fig. 2 Conceptual framework for environmental sustainability assessment based on footprint family and planetary boundaries

基于样本代表性和数据可得性的考虑，选取了以下30个国家作为研究区域：阿根廷、澳大利亚、孟加拉国、巴西、加拿大、智利、中国、哥伦比亚、法国、德国、印度、印尼、意大利、日本、韩国、马来西亚、墨西哥、荷兰、菲律宾、俄罗斯、南非、西班牙、瑞典、泰国、土耳其、乌干达、英国、美国、越南、津巴布韦；选取了3项环境问题进行评价：气候变化（碳排放）、水资源利用和土地利用，据此核算各国在每一项问题上的环境赤字（或盈余）。需要指出，本文重点在于探索行星边界概念在国家尺度的应用及其与环境足迹的整合路径，因此环境足迹数据以收集和处理已有文献资料为主。其中，各国的碳足迹、水足迹数据分别来源于Hertwich和Peters（2009）、Mekonnen和Hoekstra（2011）；土地足迹由GFN（2012）公布的生态足迹数据扣除能源碳排放部分得到。碳边界、水边界、土地边界的核算方法及所需基础数据详见下文。

2.2 结果与分析

2.2.1 气候变化

碳足迹从消费者负责的观点出发，不仅核算居民消费活动导致的直接温室气体排放和隐含在商品贸易中的间接温室气体排放，而且考虑了不同气体单位排放量的温室效应差异，是一个被人们广泛接受的气候变化综合指标（Wiedmann和Minx，2007）。30国中，发达国家的人均碳足迹（本文计算的均为人均指标）普遍高于10.0 t·a-1（以CO2当量计，下同），明显超出发展中国家1.1～6.0 t·a-1的水平。值得注意的是，中国的碳排放总量虽然已跃居世界首位，但其中有相当一部分被用于承载其他国家的碳转移。剔除这部分碳排放，中国的实际碳足迹只有3.1 t·a-1，在30国中居倒数第9位。

碳边界的确定有赖于对未来较长一段时期全球气温变化和人口增长趋势的科学预测。目前国际上普遍认为2050年的全球气温增幅（较工业化前）应控制在2 ℃以内（IPCC，2007）。Rockström等（2009）正是基于该阈值提出大气CO2体积分数需要长期稳定在350×10-6水平的观点，相当于人类的年碳排放量不应超过17×109～23×109t·a-1（UNEP，2013），这与Hoekstra和Wiedmann（2014）估算的18×109～25×109t·a-1相当接近。考虑到全球人口可能从现在的70亿增长到2050年的近100亿（DESA，2013），因此将国家碳边界设定为2.5 t·a-1较为合理。

按碳赤字由高到低对30国在气候变化方面的环境可持续性进行定量排序（图3）。结果表明，22国的碳排放呈现不可持续性，碳赤字最高为美国的26.1 t·a-1，最低为中国的0.6 t·a-1；7国的碳排放呈现可持续性，孟加拉国和乌干达的碳盈余并列最高，均为1.4 t·a-1；1国（阿根廷）的碳足迹和碳边界恰好相抵。可见，发达国家的碳足迹数倍于碳边界，而发展中国家的越界程度相对较小或者根本未越界，前者对气候变化的贡献明显大于后者。

必须指出，本文核算的碳盈余（或赤字）旨在反映当前气候变化趋势下国家碳消费的环境可持续性，并不等同于碳的排放空间或减排责任，因为如果要对排放权进行分配，则“人均累计排放指标”更能体现共同而有区别责任的公平原则（丁仲礼等，2009）。但行星边界指标目前还缺乏考查历史累积效应的功能，而且多数国家的碳足迹数据也由于统计资料的限制只能上溯10～20 a左右，显然无法满足碳排放权分配的需要。即便如此，鉴于碳足迹指标和“2 °C阈值”均有很高的国际认可度，将两者结合起来评价国家环境可持续性仍不失为一条有益的思路。

图3 基于碳足迹和碳边界的国家环境可持续性评价Fig. 3 Assessing the environmental sustainability of major nations based on national carbon footprint and boundary

2.2.2 水资源利用

水足迹包括了植物蒸发蒸腾的绿水足迹、消耗地表水和地下水的蓝水足迹、以及消纳氮磷等水体污染物的灰水足迹，是表征人类水资源利用的综合指标（Hoekstra和Wiedmann，2014）。与碳足迹一样，水足迹核算也考虑国际贸易所隐含的虚拟水。30国中，水足迹最高为西班牙的2842 m3·a-1，最低为孟加拉国的769 m3·a-1；超过2000 m3·a-1的还有加拿大、意大利、澳大利亚、马来西亚、巴西5国；越南和中国居倒数第2、3位，分别为1058、1071 m3·a-1，均明显低于全球1385 m3·a-1的平均水平。

不同于碳排放的全球属性（无论碳排放在何处发生，均对全球气候产生影响），水资源利用的环境可持续性不仅与消耗量有关，还受到所在区域自然条件的制约，具有高度的空间异质性特征。因此，不能仿照碳边界从上至下的分配方法按人口比例划分国家水边界，而应根据区域实际的水资源可用量进行核算（马晶和彭建，2013）。各国的可更新水资源量分配严重不均，最高为加拿大的82647 m3·a-1，最低为荷兰的659 m3·a-1，两者相差124倍之多（WDI，2013）。鉴于Rockström等（2009）将地球可更新水资源总量的40%（4000×109m3·a-1）设定为水边界，本文将国家水边界设定为各国更新水资源量的40%。

按水盈余由低到高对各国在水资源利用方面的环境可持续性进行定量排序（图4）。结果表明，13国的水资源利用呈现可持续性，水盈余最高为加拿大的30725.8 m3·a-1，最低为越南的578.8 m3·a-1；17国的水资源利用呈现不可持续性，水赤字最高为西班牙的1497.8 m3·a-1，最低为日本的33.0 m3·a-1。总体上，环境可持续国家的水盈余均值（8418.2 m3·a-1）远远大于环境不可持续国家的水赤字均值（678.7 m3·a-1）。因此，尽管水赤字国家的数量不在少数，但在全球尺度上仍实现水盈余。该结论与已有研究相吻合（Hoekstra和Wiedmann，2014；Rockström等，2009），从而在一定程度上验证了本文国家环境边界核算方法的合理性。同时也说明，仅基于全球尺度分析水资源利用的环境可持续性是不够的，很可能会掩盖一些区域水资源短缺的严峻现实。

2.2.3 土地利用

在行星边界理论中，将耕地占比作为土地边界指标的做法饱受争议（Bass，2009；Brook等，2013），其缺陷在于：①未考虑耕地以外其他的土地利用类型；②将限制耕地作为地球生态系统稳定的必要条件，忽视了耕地对维系人类福祉至关重要的事实；③土地利用与水资源利用类似，主要对局部区域的环境可持续性产生影响，只设定全球阈值意义不大。相比之下，前文述及的生物承载力指标，既能全面考查一个区域的所有土地利用类型，又可保证与土地足迹的兼容性，因此更适合表征土地边界。

图4 基于水足迹和水边界的国家环境可持续性评价Fig. 4 Assessing the environmental sustainability of major nations based on national water footprint and boundary

30国中，土地边界最高为加拿大的14.7hm2·a-1，其次分别为澳大利亚、瑞典和巴西；最低为孟加拉国的0.4 hm2·a-1，其次分别为印度、日本和菲律宾（GFN，2012）。各国的土地足迹（考虑国际贸易所隐含的虚拟土地）排序有所不同，最高为荷兰的3.6 hm2·a-1，最低为孟加拉国的0.5 hm2·a-1；发达国家的土地足迹普遍大于2 hm2·a-1，而多数发展中国家则不足1.5 hm2·a-1。可见，土地足迹与社会经济发展水平关系密切，而土地边界则主要由人均土地资源禀赋决定。

按土地盈余由低到高对各国在土地利用方面的环境可持续性进行定量排序（图5）。结果表明，土地利用可持续和不可持续的国家各有15国，但前者的土地盈余平均高达3.6 hm2·a-1，而后者的土地赤字平均仅为0.5 hm2·a-1。从全球尺度来看，土地足迹约为土地边界的2/3，即土地利用的生态足迹并没有超出其生物承载力，与Rockström等（2009）“未越界”的结论相一致。还要强调的是，越来越多的学者注意到生态足迹方法的最大缺陷在于其能源碳排放核算部分（方恺等，2010；van den Bergh和Grazi，2014）。本文将这部分虚拟土地剥离出去，既提高了生态足迹指标内部的兼容性，又可保证与生物承载力各组分严格对应。

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）足迹家族和行星边界都是近年来可持续发展领域的新概念。本文对两者的互补性进行了探讨：足迹家族可以为行星边界提供更加科学、准确的环境现状评价方法，行星边界则有助于弥补一些足迹指标缺乏对应承载力（如碳足迹）或承载力评价缺乏权威性（如水足迹）的不足。据此提出了基于足迹指标和边界指标的环境可持续性概念。该概念将人类对自然资源再生和废弃物消纳能力的占用与地球生态系统的临界阈值相比较，为量化环境问题的越界程度或安全占用空间提供了一条可行的途径。

（2）对全球30个主要国家环境可持续性的测度表明：①气候变化方面，阿根廷的碳足迹和碳边界恰好相抵，22国的碳排放呈现不可持续性，碳赤字在0.6～26.1 t·a-1，其余7国呈现可持续性，碳盈余在0.5～1.4 t·a-1；②水资源利用方面，17国呈现不可持续性，水赤字在33.4～1497.8 m3·a-1，13国呈现可持续性，水盈余在578.8～30725.8 m3·a-1；③土地利用方面，呈现不可持续性和可持续性的国家各有15个，前者的土地赤字在0.1～2.3 hm2·a-1，后者的土地盈余在0.1～12.1 hm2·a-1。

3.2 讨论

通过整合足迹指标与边界指标，将环境可持续性评价扩展到国家尺度，是对现有足迹家族概念和行星边界概念的补充与实践。一个重要启示是：国家环境边界的确定要考虑所研究环境问题的影响范围，像气候变化这样的全球性问题，可以从上至下分解行星边界；而像水资源利用和土地利用等以区域影响为主的空间异质性问题，则需根据当地资源承载力的实际进行核算。本文的主要不足之处在于仅考虑了涉及关键自然资本的3项环境问题，在今后的研究中，还应对氮排放、磷排放、生物多样性丧失等一并加以分析，同时探索综合评价一国环境可持续性的方法，以实现各项评价结果的集成整合。这必然会涉及到对环境赤字或盈余的权衡和取舍，意味着环境可持续性评价将向强、弱等级细分的方向进一步深化。

图5 基于土地足迹和土地边界的国家环境可持续性评价Fig. 5 Assessing the environmental sustainability of major nations based on national land footprint and boundary

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Multidimensional Assessment of National Environmental Sustainability Based on Footprint Family and Planetary Boundaries

FANG Kai

Institute of Environmental Sciences (CML), Leiden University, Leiden 2333CC, Holland

In recent years, the concepts of footprint family and planetary boundaries have both received considerable popularity in the field of sustainability science. By reviewing the conceptual roots of these two concepts, we argue that they are complements to each other and thus should be used collectively in assessing the environmental sustainability of the planet, nations, regions, etc. Building on the complementary nature of the footprint and boundary indicators, this paper proposes, for the first time, a framework for defining and assessing environmental sustainability from a novel point of view, in which the footprints and boundaries are measured and compared in a coherent manner. The footprint family is defined as a measure of the regenerative and absorptive capacity of the Earth’s ecosystems to satisfy mankind’s demand for natural resources and waste emissions. The planetary boundaries are defined as a measure of the Earth’s maximum regenerative and absorptive capacity that allows to define a safe operating space for humanity. As such, environmental sustainability can be simply defined as a safe state in which man’s environmental footprints are kept within the related planetary boundaries; otherwise it refers to environmental unsustainability. The environmental sustainability concept is featured by completeness, selectivity, interactivity, uncertainty, scale-dependence, and the negotiability of environmental deficit. The implications of the footprint-boundary integrated framework are illustrated by reference to the assessment and ranking of 30 major nations’ environmental sustainability with regard to carbon emissions (climate change), water use and land use. The results show that, in the case of carbon emissions, 22 nations are found to be unsustainable, of which the United States of America has the highest carbon deficit per capita of 26.1 t·a-1(in CO2equivalent). In the case of water use, Spain, which has a water deficit per capita of 1497.8 m3·a-1, ranks the highest among the 17 nations that are found to be unsustainable. In the case of land use, the Dutch land deficit per capita (2.3 hm2·a-1) is significantly larger than that of other 14 nations which are classified as unsustainable. Our findings suggest that the sustainability of carbon emissions is in close relation to the nation’s level of social and economic development. The contribution of developed countries to global climate change, therefore, appears to be much higher than that of developing countries. The sustainability of water and land use is often driven by the average amount of water and land resource within the border of the nation that can be appropriated by an individual citizen. This paper provides a reference for quantifying and ranking the national performance on environmental sustainability. The framework established can also be applied to other environmental issues or at sub-national scales.

environmental sustainability; footprint family; planetary boundaries; integration; environmental deficit (reserve); multi-dimension

X24

A

1674-5906（2014）11-1868-08

方恺. 基于足迹家族和行星边界的主要国家环境可持续性多维评价[J]. 生态环境学报, 2014, 23(11): 1868-1875.

FANG Kai. Multidimensional Assessment of National Environmental Sustainability Based on Footprint Family and Planetary Boundaries [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(11): 1868-1875.

国家公派留学基金项目（20113005）

方恺（1986年生），男，博士研究生，主要从事生态经济与可持续发展研究，E-mail：fang@cml.leidenuniv.nl

2014-09-30