生态足迹的理论、方法与实践.doc

生态足迹的理论、方法与实践一、“生态足迹”模型提出的时代背景二战结束以来,人类对自然的开发在强大科技手段的支持下愈演愈烈,迅速增长的需求和过度利用使自然资源面临耗竭。不但如此,大规模的贸易还加剧了发达国家与发展中国家间的公平问题。自1987年世界环境与发展委员会（WCED）提出可持续发展的概念以来，可持续发展已经从理论走向实践，成为各国各级政府制定政策的基本出发点和一种普遍的政策目标。要实现可持续发展目标，实施可持续发展管理，需要定量测度全球与区域发展的可持续性状态。为此，一些国际组织及有关研究人员从20世纪80年代就开始探讨定量测度全球与区域发展的可持续性状态的指标，如联合国开发计划署（1990）提出的“人文发展指数（HDI）”、绿色GDP，Daly和Cobb(1999)提出的“可持续经济福利指数（ISEW）”、Cobb等提出的“真实发展指标（GPI）”以及Prescott Allen提出的“可持续晴雨表”模型等，这些指标在定量测度全球与区域发展的可持续性状态中各有侧重。人类又逐渐认识到，自然资源对人类生存和发展的重要性，人类社会必须生存于生态系统的承载力范围内。一方面，发展的可持续性主要取决于人类利用与消耗生态系统资源的状况以及生态系统资源的生命支撑能力；另一方面，地球上人人享有同等利用生态系统资源的权利，定量测度区域发展的可持续性并进行比较，明确全球生态责任的承担，有利于促进生态伦理公平的实现。在这样的背景下,加拿大生态经济学家W.Rees提出并由其博士生M.Wackernagel加以完善的“生态足迹” 模型较好的回答了这个问题。二、生态足迹的地理学视角地理学的研究核心为人地关系地域系统，人地关系包括协调的和不协调的，而人地关系的和谐是可持续发展的本质要求，那么如何从地理学的视角来研究生态足迹或如何将生态足迹理论运用到地理学的研究中呢？我们可以从以下的分析中得到答案。人地关系地域系统涉及到某一区域的“人的活动程度”与这个区域的“地的承载能力”两个方面及其之间关系。从生态足迹理论看：（）这里的“人的活动程度”可以用“生态足迹（EF）”来度量；（）这里的“地的承载能力”可以用“生态承载力（EC）”来度量；人地关系（生态盈余，ER）或（生态赤字，ED）人：人的活动程度（生态足迹，EF）地：地的承载能力（生态承载力，EC）（）这里的“人地关系”可以用“生态盈余（ER）”或“生态赤字（ED）”来度量。三、生态足迹及其相关概念（一）生态足迹概念的由来由加拿大学者William Rees 1992年提出并由其博士生Wackernagel 1996年完善的生态足迹模型,它考虑了自然资源的再生与替代能力、生命支持系统的循环与净化能力,以及生物多样性保护等方面,计算结果直观明了,具有区域可比性,因此,很快成为度量人地关系中的“人”的一个重要方法。（二）生态足迹及其相关概念1、生态足迹（ecological footprint）生态足迹又叫生态占用、生态痕迹、生态脚印等。其定义是：任何已知人口（某个人、一个城市或一个国家）的生态足迹是生产这些人口所消费的所有资源和吸纳这些人口所产生的所有废弃物所需要的生物生产面积（包括陆地和水域）。将一个地区或国家的资源、能源消费同自己所拥有的生态承载力进行比较，能判断一个国家或地区的发展是否处于生态承载力范围内，是否具有安全性。2、生态生产性土地（ecological footprint area）生态生产性土地是生态足迹分析法为各类自然资本提供的统一度量基础。生态生产也称生物生产，是指生态系统中的生物从外界环境中吸收生命过程所必需的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。生态生产是自然资本产生自然收入的原因。自然资本产生自然收入的能力由生态生产力衡量。在生态足迹理论中自然环境消纳污染物的作用（如林地对二氧化碳的吸收）也作为生态生产力的一种，其大小表达了自然资本的生命支撑能力。自然资本总是与一定的地球表面相联系，因此生态足迹理论用生态生产性土地来代表自然资本。所谓生态生产性土地，是指具有生态生产能力的土地或水域。生态足迹理论所有指标都是基于生态生产性土地这一概念而定义的。根据生产力大小的差异，地球表面的生态生产性土地可以分为可耕地、草地、森林、建筑用地、水域和化石能源用地6大类。各类土地提供的项目如表1所示。表1 六类生态生产性土地的消费和吸纳项目生态生产性土地消费和吸纳项目耕地稻谷、小麦、玉米、高梁、豆类、薯类、油料、棉花、麻类、甘蔗、甜菜、烟叶、蔬菜、瓜类、茶叶猪肉、牛肉（86）、羊肉（57）、牛奶（72）、禽蛋水力发电量林地苹果、梨、柑桔、香蕉、菠萝、荔枝、龙眼、桃猕猴、桃、葡萄、红枣、柿子草地牛肉（14）、羊肉（43）、牛奶（28）水域水产品建设用地竣工面积化石能源用地煤炭、原油、天然气、火力发电量3、均衡因子（equivalence factor）由于上述6类生物生产面积的生态生产力不同，要将这些具有不同生态生产力的生物生产面积转化为具有相同生态生产力的面积，以加总计算生态足迹，需要对计算得到的各类生物生产面积乘以一个均衡因子。均衡处理后的6类生态系统的面积即为具有全球平均生态生产力的、可以相加的世界平均生物生产面积（生态足迹）。某类生物生产面积的均衡因子 给定年份的全球该类生物生产面积的平均生态生产力全球所有各类生物生产面积的平均生态生产力其中，全球所有各类生物生产面积的平均生态生产力取值为1。均衡因子反映的是各类土地的潜在生产能力，而不考虑因耕作技术和管理水平而产生的实际土地生产力差异。六类土地的均衡因子如表2所示。表2 六类生态生产性土地的均衡因子 单位：全球性公顷/公顷生态生产性土地可耕地林地草地水域建设用地化石能源用地Wackernagel(1993)2.831.140.540.222.831.14EU（2002）3.331.660.370.063.331.66WWF(2002)2.111.350.470.352.111.35WWF(2004)2.191.480.480.362.191.48WWF(2005)2.171.370.480.352.171.37WWF(2006)2.211.340.490.362.211.344、产量因子或单产因子（yield factor）在不同的国家和地区，单位面积同类型的生物生产性面积的生态生产力也存在很大差异。因此，不同国家和地区的同类生物生产土地的实际面积是不能直接进行对比的，需要用产量因子（或单产因子）对不同类型的面积进行调整。某个国家或地区某类土地的产量因子是其平均生产力与世界同类土地的平均生产力的比率，将各类生态生产性面积乘以相应的均衡因子和产量因子就可以得到带有世界平均产量意义的世界平均生态空间面积生态承载力。5、生态承载力(ecological capacity)与生态容量传统研究中所采用的生态承载力以人口计量为基础，它反映了在不损害区域生产力的前提下，一个区域有限的资源能供养的最大人口数。然而，在现实世界中，贸易、技术进步、地区之间迥异的消费模式等因素不断地向这个基于人口的“生态承载力”指标功能发出挑战。人们认识到人类对环境的影响不仅取决于人口本身的规模，而且也取决于人类对环境的影响规模，因此单从其中一个方面来衡量生态容量是不准确的。Hardin在1991年从生态系统本身的角度定义了生态容量的概念，即生态容量是指在不损坏有关生态系统的生产力和功能完整的前提下，可持续利用的最大资源量和废物产生率。生态足迹研究者接受了Hardin的思想，并将一个地区所能提供给人类的生态生产性土地的面积总和定义为该地区的生态承载力，以表征该地区的生态容量。6、生态赤字与生态盈余（ecological deficit/ecological remainder）一个地区的生态承载力小于生态足迹时, 出现生态赤字, 其大小等于生态承载力减去生态足迹的差数；生态承载力大于生态足迹时, 则产生生态盈余, 其大小等于生态承载力减去生态足迹的余数。生态赤字表明该地区的人类负荷超过了其生态容量,要满足其人口在现有生活水平下的消费需求，该地区要么从地区之外进口欠缺的资源以平衡生态足迹, 要么通过消耗自然资本来弥补收入供给流量的不足。这两种情况都说明地区发展模式处于相对不可持续状态, 其不可持续的程度用生态赤字来衡量。相反, 生态盈余表明该地区的生态容足以支持其人类负荷, 地区内自然资本的收入流大于人口消费的需求流, 地区自然资本总量有可能得到增加, 地区的生态容量有望扩大, 该地区消费模式具相对可持续性, 可持续程度用生态盈余来衡量。四、生态足迹的计算（一）理论假设关于生态足迹的计算是否具有科学性、可靠性，是众多学者在研究中思考过并提出过质疑的问题。后来，Wackernagel等人也认真思考了这个问题。经过不断研究, Wackernagel等(2002)明确了生态足迹理论中的六个基本假设，即:1、人们有可能计算人类社会在生产和消费过程中消耗的大部分自然资源和产生的废弃物；2、这些资源或废物流可以转换为生产或消纳它们的生态生产性面积；3、六种具有生物质生产能力的土地（可耕地、草地、森林、建筑用地、水域和化石能源用地），可以根据各自产量的大小,换算成标准单位“全球公顷”(ghm2), 1全球公顷的生物生产力相当于当年全球土地平均生物产量；4、各种土地类型在空间上是互斥的,加权(分别乘以等效因子)后得到人类需要的生态生产性土地；5、自然的生态服务的供应也可以用以全球公顷表示的生态生产面积表达；6、生态足迹可以超过生态承载力,生态赤字是由从其他地区输入资源、在其他区域处置废弃物或耗竭区域内部的自然资本存量等产生的。 我们暂且不讨论以上假设是否合理，但生态足迹的计算是在以上假设的基础上进行，也就说，通过以上假设，才使得生态足迹的计算具有合理性。（二）生态足迹的计算1、生态足迹的计算公式其中为区域内生态足迹(ghm2), 为人口数量, 为人均生态足迹, 为各个消费项所需的生态生产力面积，为第i种消费品的人均年消费量(t/a), 为生态生产性土地的产量因子(t/hm2), 为生产该种消费品对应的土地类型的等效因子（或均衡因子）(ghm2/ hm2)。 2、具体的计算步骤根据上述公式,生态足迹的计算按照以下三个步骤:（1）划分消费项,获得人均年消费量；（2）计算生产各个消费项所需的生态生产力面积 (不同消费项由不同类型的土地生产出来),等于人均消费量除以产量因子；（3）由于六种土地类型的生态生产力明显不同, 要分别乘以它们等效因子(Equivalence Factor) 以化为等价生产力的土地面积,并把六项加和来计算人均生态足迹再乘以总人口就是区域总生态足迹。（三）生态承载力（EC）与生态盈亏（ED）的计算其中，EC为生态承载力（ghm2），Ai为当地各类型土地的面积，Yi为当地产量因子(无单位)，ED为生态赤字(ghm2)。由于资源禀赋不同会造成同类型土地生产力的差异，各类型土地面积Ai必须首先除以当地产量因子(Yield Factor) Yi，再乘以各种土地类型等效因子eq，来计算出区域内生态承载力EC；当ED为正时，说明区域生态足迹超过了生态承载力，出现生态亏损；当ED为负时，说明区域生态足迹小于了生态承载力，出现生态盈余。五、生态足迹方法的优缺点（一）优点具有形象直观、数据易于获取、可操作性和可重复性强、有利于开展环境教育等优点,而受到了普遍关注。1、理论思想的角度新颖。过去土地承载力研究多是强调一定技术水平条件下，一个区域的资源或生态环境能够承载的、一定生活质量的人口和社会经济规模.而生态足迹则是反其道而行之，一方面,它从供给面对区域的实际生态承载力进行测算，作为可持续发展程度衡量的标杆；更为重要的是它还从需求面试图估计要承载一定生活质量的人口，需要多大的生态空间,即计算生态足迹的大小。以此二者的比较来确定特定区域的生态赤字或生态盈余。该理论从一个全新的角度来考虑人类社会经济发展与生态环境的关系,可能是全面分析人类对自然影响并用简单术语表示这种影响的最有效的工具之一。2、实现了对生态目标的定量测度。生态足迹分析方法通过引入生态生产性土地概念实现了对各种自然资源的统一描述，通过引入等价因子和生产力系数进一步实现了各国各地区各类生态生产性土地的可加性和可比性。这使得生态足迹分析具有广泛的应用范围，既可以计算个人、家庭、城市、地区、国家乃至整个世界这些不同对象的生态足迹，对它们的足迹进行纵向的、横向的比较分析。3、生态足迹计算具有很强的可操作性和可复制性。这使得将生态足迹计算过程制作成一个软件包成为可能，从而可以推动该指标及方法的普及化。（二）局限性1、与其他方法存在一定程度上的不协调。Hig-gins、Costanza等(1997)的研究表明,湿地的生态服务价值为$36340/hm2,耕地仅为$1080/hm2；而在生态足迹法中,水域的等效因子仅为0.2ghm2/hm2,耕地的等效因子为2.8ghm2/hm2。这是由于后者仅考虑了湿地等水域在生产生物质产品方面的价值,而忽略了在保护生物多样性、提供水资源方面的价值。按照现行的算法,则不利于保护因为开发而日益减少的湿地。2、土地互斥性假设存在一定的问题。这一假设受到了国内外学者的广泛批评,原因是这使土地功能的多样性和一定的可替代性被完全忽略,如“化石能源用地”被完全假设为林地,“林地”则只表示生产林产品的土地。而实际上,林地、牧草地和耕地中的绿色植物都具有吸收CO2的功能,不考虑这一点,这些土地的生态承载力将被严重低估。3、对生态系统消纳污染物的功能关注不够。4、对化石燃料的不可持续性估计不足。5、等效因子和产量因子难以协调可比性和现实性。基于全球公顷的地方生态足迹分析并进行国际比较的意义非常有限;相反,有的学者提出的基于“当地公顷”( local hectares)计算地方生态足迹的方法,对国家内可持续发展状况进行比较则更有意义。另外,需要特别指出的是,建筑用地往往占据的是原来的耕地,因而在计算生态足迹的时候,它的等效因子与耕地的相等；但是,建筑用地的生态生产力几乎为0,即没有自然资本是从建筑用地中生产出来的,因此,尽管建筑用地和人们生活联系最为密切,但是在计算生态承载力的时候,它的等效因子不应该简单地与耕地等同。在具体计算的时候,这一点被大多数学者忽略了,这会使结果的生态承载力偏大。6、研究尺度较大,不足以作为行之有效的政策的制定依据。六、生态足迹今后的发展方向 生态足迹模型尽管应用很广，但也有许多不足之处，它的缺陷势必要求人们在以后的研究中加以改进和完善，从国内学者研究的情况来看，生态足迹方法在未来时期应从以下几方面发展：1、生态足迹法自身的修正和完善。改变“土地互斥性”假设,把“化石燃料用地”的功能分配到林地、耕地、牧草地上,转而使用“当量化石燃料用地”;使“生态生产性面积”的意义广泛化,把涵养水源、维持生物多样性等功能考虑进来;考虑污染物的环境影响,增设“当量环境容量用地”(与“化石燃料用地”相似,土地的环境容量功能是与其他功能兼容的,因此要考虑它的当量,而不能单独列出)。生态足迹模型未能完整描述自然系统提供的生态功能,忽略了矿产资源、水资源的作用。同时未完全考虑污染的生态影响。因此,针对研究对象特征,有针对性地补充完善生态足迹的指标体系是今后应用研究中重点强调的方面。2、生态足迹法与其他可持续发展指标的融合。生态足迹法之所以与生态服务价值法有出入,是因为仅考虑了土地生产生物质产品、满足人们消费需求的功能。相比之下,生态服务价值法的估价更具科学意义和现实意义,应据此来调整生态足迹法中等效因子的赋值。3、加强对特定领域的生态足迹研究。研究特定领域或产业的环境影响,对制定产业政策,增强国际竞争力有很大帮助。国外有很多对国际贸易、能源交通、旅游、饮食结构等领域的生态足迹研究,而国内有关旅游足迹的研究较多,其他方面还有待加强。4、加强在消费阶层尺度上的生态足迹研究。将以往大尺度的分析应用到更小的消费阶层上,将有利于制定局部可持续发展规划。消费阶层尺度特别适合于进行特定消费类别的研究,其尺度小得足以使人们将它与自己的日常生活联系起来。因此,这类局部的生态足迹评价,将有助于关于城市发展战略的讨论,有助于替代性解决方案的设计,以及有利于在可持续发展的未来加以实施。5、加强生态足迹模型的时间序列分析以及预测性研究。定量分析评价以及监测研究对象在发展过程中的可持续发展变化将是今后值得进一步探讨的课题。 另外，也有人提出生态足迹还要从以下方面加以改进，比如对产量因子进行调整；考虑生态多样性的影响；与投入产出法相结合；应用到产品生命周期评价中；考察生态足迹的影响因素；通过能值变换的方法计算不可再生资源的生态足迹。七、生态足迹方法的计算实例【问题】具体某一区域、某一时期的生态足迹的计算。已知：云南省2005年的该省的人对各类消费品的使用情况为：见表4求：云南省2005年的生态足迹。解：（1）耕地的生态足迹的计算 因为云南省2005年吃掉的稻谷为646.3万吨（即C稻谷646.3万吨），世界稻谷的单产因子为3985 kg/hm2（即P稻谷3985 kg/hm2）,所以云南省2005年吃掉的稻谷所占用的耕地面积为6463000000/3985=1621832 hm2 因为云南省2005年吃掉的小麦为106.9万吨（即C小麦106.9万吨），世界小麦的单产因子为2803 kg/hm2（即P小麦2803 kg/hm2）,所以云南省2005年吃掉的小麦所占用的耕地面积为1069000000/2803=381377 hm2其他的算法同稻谷和小麦的算法。把以上算出的结果相加，可以得到云南省2005年耕地的生物面积为8167852 hm2 ，然后再用这个数据乘以耕地的均衡因子2.17，就可以得到云南省2005年的生态足迹。（2）林地的生态足迹的计算（3）草地的生态足迹的计算（4）水域的生态足迹的计算（5）建设用地的生态足迹的计算（6）化石能源用地的生态足迹的计算林地、草地、水域、建设用地以及化石能源用地的算法都与耕地的算法相同。 （7）云南省2005年总的生态足迹的计算把前六项算出的结果相加，就可以得到云南省2005年的生态足迹。【问题】具体计算同一时期两个区域的生态足迹并进行比较。已知：2005年云南省各类消费品的使用情况为：见表4；该年，贵州省各类消费品的使用情况为：见表5。求：（）2005年云南省的生态足迹（）2005年贵州省的生态足迹（）2005年云南省和贵州省的生态足迹的比较解：算法同【问题】的算法【问题3】具体计算同一区域两个时段的生态足迹并进行比较。已知：2005年云南省各类消费品的使用情况为：见表4；2004年云南省各类消费品的使用情况为：见表6。求：（）2005年云南省的生态足迹（）2004年云南省的生态足迹（）云南省2004年和2005年的生态足迹的比较解：算法同【问题】的算法表3 各项消费品的世界单产因子稻谷(kg/hm2)小麦(kg/hm2)玉米(kg/hm2)高梁(kg/hm2)豆类(kg/hm2)39852803465013582291薯 类(kg/hm2)油料(kg/hm2)棉花(kg/hm2)麻类(kg/hm2)甘蔗(kg/hm2)116221640115763664872甜 菜(kg/hm2)烟叶(kg/hm2)蔬菜(kg/hm2)瓜类(kg/hm2)茶叶(kg/hm2)42466154816290241101484苹果(kg/hm2)梨(kg/hm2)柑桔类(kg/hm2)香蕉(kg/hm2)菠萝(kg/hm2)1205311053124121626019645荔枝(kg/hm2)龙眼(kg/hm2)桃(kg/hm2)猕猴桃(kg/hm2)葡萄(kg/hm2)6384638411323169888627红枣(kg/hm2)柿子(kg/hm2)猪肉(kg/hm2)牛肉(kg/hm2)羊肉(kg/hm2)584863841031 9091/35.712500/21.3牛奶(kg/hm2)禽蛋(kg/hm2)水产品(kg/hm2)竣工面积(hm2)煤炭(kg/hm2)16667/1222778147114407原油(kg/hm2)天然气(kg/hm2)火力发电量(kw.h/hm2)水力发电量(kw.h/hm2)299453138390485437表3 云南省2005年各项消费情况稻谷(万吨)小麦(万吨)玉米(万吨)高梁(万吨)豆类(万吨)646.3106.9449.30.577.2薯 类(万吨