生態足跡研究現狀及基于凈初級生產力的計算方法初探

摘要 生態足跡是一種有效的再生資源更新能力的定量測度方法，其主要用于評估給定年、 給定技術條件下生物圈的再生能力能否滿足人類消費需求。本研究對國內外生態足跡模型的 理論假設、生態足跡、生物承載力、生態盈余、生態赤字進行了簡要介紹；在對國際組織發 布的生態足跡報告以及生態足跡文獻發表情況進行統計的基礎上，回顧了國內外的生態足跡 理論以及應用在空間尺度、時間序列、消費分類、產量因子及方法標準化等方面的最新進展 ；詳細介紹了一種較新的生態足跡計算方法——基于凈初級生產力的計算方法，并與現有的 基于全球農業生態區的計算方法進行了比較，探討了兩種方法的優缺點；最后對生態足跡今 后的研究重點提出了一些看法和展望。 關鍵詞 生態足跡；研究進展；均衡因子；產量因子；凈初級生產力；

中圖分類號 Q149；X22 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104（2008）04-0178-06

自從1987年可持續發展的概念明確提出以來，可持續發展作為人類理想的發展理念和發 展模 式在世界范圍內迅速傳播。可持續發展的定量測度和評價是可持續發展從一個抽象的理念進 入可操作實踐階段的關鍵環節之一。William和Wackernagel提出的生態足跡成為應用最廣泛 的可持續發展定量評價方法之一。本文簡要評述生態足跡的研究現狀，著重對基于凈初級生 產力的生態足跡計算方法(EF-NPP)進行介紹，并與常規的基于全球農業生態區的生態足跡方 法(EF-GAEZ)進行對比。

1 生態足跡

1.1 理論基礎

隨著研究的不斷深入，科學家和學者逐漸認識到可持續發展的實現依賴于自然資本的維持［1］，自然資本的利用和管理是可持續發展的核心問題，而自然資本的有效管理則 依賴于自然 資本的可靠度量［2］。生態系統功能的發揮大多數都是在光合作用的發生場所—— 地球表面 進行的，自然資本又總是與一定的地球表面相聯系［3］，因此生態足跡模型用生物 生產性土 地來衡量自然資本。生態足跡模型的所有指標都是基于生物生產性土地這一概念而定義的［4］。

為了能夠定量描述可再生資源，生態足跡進行了一定的理論假設，包括可以追蹤每年消耗的 資源及產生的廢棄物、資源流和廢棄物流可以轉換為生物生產性土地面積、統一采用標準化 的面積度量單位、各類生物生產性土地空間互斥、需求和供給可以直接對比、需求可以超過 供給六個方面［3］。

1.2 計算結果的涵義

生態足跡代表研究區域居民消費對生態系統的基本需求。生物承載力是指現有的各類型土地 和水體所能提供的生物生產力之和。生態盈虧是指生物承載力與生態足跡之差。若一個地區 的生物承載力大于生態足跡，出現生態盈余；反之則呈現生態赤字。

生態赤字的解決方案有進口和耗竭資源兩種，某種意義上這兩種方法都是不可持續的：從理 論上講，進口相當于占用了研究區以外的生態供給，不符合可持續發展代內公平、地域公平 的原則；掠奪式過度開發資源，將造成某些不可再生資源的漸趨消亡，剝奪了后代人平等擁 有、使用該種資源的能力，違反了可持續發展代際公平的原則。

生態足跡的假設條件比較保守，多半高估了生物承載力，低估了生態足跡，導致判斷生態盈 余的可靠性降低［5］。

2 EF-GAEZ國內外研究進展

2000年起，世界自然基金會（WWF）、環球足跡網絡（GFN）聯合其他國際組織，在每兩年發 布一次的《生命行星報告》中，用大量篇幅介紹生態足跡的研究成果；2005年，GFN開展了 “Ten-in-Ten”計劃，即10年內至少有十個重要國家將生態足跡指標制度化，使其像GDP一 樣得到廣泛應用。瑞士和日本已經在2006年完成了國家生態足跡賬戶的檢查，將生態足跡作 為國家環境或可持續發展規劃的重要指標，還有近30個國家表示對此感興趣［6］。

隨著主要工業國家考慮把生態足跡納入官方指標體系，其經驗也在逐步向發展中國家推廣［7］。國內對生態足跡的研究非常豐富，通過關鍵詞搜索，截止2006年年底，僅CNKI 全文期刊 數據庫收錄的有關生態足跡的相關論文已超過500篇。根據對CNKI學位論文全文數據庫的檢 索，以生態足跡為題的學位論文的數量也在逐年增加。

杜加強等：生態足跡研究現狀及基于凈初級生產力的計算方法初探中國人口#8226;資源與環境 2008年 第4期2.1 研究進展

2.1.1 不同空間尺度研究現狀

根據《生命行星報告2006》［8］，2003年全球生態足跡為2.2ghm²/人，生物承載 力為1.8ghm² /人，生態赤字為0.4ghm²/人。國家尺度上，《生命行星報告2006》對150多個國家的 生態足 跡進行了計算。國外學者對荷蘭、奧地利、瑞典、澳大利亞、韓國等國家也進行了研究 ［9～11］，我國學者則從各個角度對我國的生態足跡進行了詳細計算［5，12，13 ］。

除上述全球和國家尺度外，地區、城市、特殊行業及更小尺度上的研究也比較豐富。研究的 尺度也在逐漸縮小，對校園、家庭等小尺度的生態足跡也進行了研究［14～16］。RP 等網站推出了個人生態足跡的測試軟件。

2.1.2 時間序列研究現狀

《生命行星報告2006》顯示，40多年間，人類的生態足跡呈現持續增長，生態盈虧從1961年 的生態盈余變為2003年的生態赤字，從僅需要0.5個地球到使用著1.2個地球。Wackernagel 等專門分析了進行時間序列生態足跡計算時遇到的概念上和方法上的挑戰，給出了解決方案 ［2］，并分別應用了全球公頃和“實際公頃”，動態的均衡因子和產量因子等不 同方法進行 對比［9］；國內許多學者都開展了我國生態足跡的時間序列研究這里不再一一贅述 。

2.1.3 消費分類研究現狀

生態足跡考慮的消費項目從最初的食物、消費性能源，發展到木材、日用品等越來越多的類 別［8］。土地利用類型也增加了水電用地、核電用地等新的用地類型。Hong X. Ngy yen等提 出運用熱力學方法將重金屬等不可再生資源納入到生態足跡的消費項目中，并進行了實例研 究［17］。

2.1.4 全球產量、區域產量和不變產量研究現狀

研究表明，采用不同類型的產量數據計算得到的生態足跡結果相差較大［11］；Wack ernagel 認為使用三種產量分別回答不同的問題。全球產量回答了給定區域占用了多少全球生物圈再 生能力，需求和供給相對于全球需求和供給占有的份額等問題。區域產量回答了給定人口的 經濟活動占用了多少實際的土地面積，土地的配置以及哪種土地利用類型對生態系統的壓力 最大等問題。不變產量主要為了固定均衡因子和產量因子，用以辨識人口、消費和資源利用 效益等因素對生態足跡的貢獻［2］。

2.1.5 計算方法標準化研究現狀

隨著生態足跡應用案例的增多，相同以及不同空間尺度生態足跡的計算方法出現了較大分歧 ，降低了計算結果的可比性。為此，GFN于2005年成立了生態足跡標準委員會，旨在建立科 學一致的生態足跡方法和應用標準［18］。2006年6月GFN標準委員會發布了第一套有 關生態足 跡模型的標準——《生態足跡標準2006》［19］，對于研究區域生態足跡具有重要指 導意義。

2.1.6 其他方面的改進

Bicknell以新西蘭為例，將投入產出分析引入生態足跡計算［20］；Thomas等綜合前 人的研究 ，在分解消費種類和擴展應用家庭消費數據時用投入產出分析法重新分配已有的生態足跡帳 戶［21］；徐中民等將生態足跡與信息熵相結合，提出“生態足跡多樣性”的概念［12］；尤飛 等用冪指數模型建立了GDP和生態足跡的函數關系［22］；趙衛等通過構建預測模型 ，結合情景分析法對吉林省生態足跡進行了預測［23］。

2.2 EF-GAEZ的優缺點

生態足跡提出后，有關生態足跡的優缺點得到了廣泛的討論和質疑，國際生態經濟學會會刊 Ecological Economics 在2000年第3期還以專刊形式集中討論了生態足跡 研究的理論基礎和應用價值，促進了生態足跡模型的不斷完善與改進。

EF-GAEZ的主要優點包括概念的形象性［24，25］、方法的可行性［7］和結果 具有一定的政策含 義［7，12］，主要不足表現在生態足跡作為可持續發展的評價指標具有生態 偏向性［4，7，24，26，27］、生態盈虧判斷可持續發展具有尺度性［5，12，13，28］、沒有把生態系統提供的產品與功 能描述完全［13，26，27］以及均衡因子、產量因子和能源計算過程中計 算因子取值爭議較大［9，26，27，29］等幾個方面。

3 基于凈初級生產力的生態足跡計算

RP的Jason和John及其團隊在2004-2005年對生態足跡的理論和方法進行了較大幅度的修改， 首次提出了基于凈初級生產力的生態足跡計算方法［30，31］。

凈初級生產力（NPP）是指綠色植物在太陽能光合作用下生物物質的年生產量。NPP是地球上 所有消費者和分解者生存、生長、繁殖的基礎。人類通過消費活動占用NPP，同時這些活動 反過來影響NPP，因此NPP與可持續發展顯著相關。生態足跡側重于評價人類社會對生物生產 性土地的利用，而人類的凈初級生產力占用（HANPP）側重于測量人類對生態系統壓力的強 度，兩種方法都有一定的局限性［18，32］。目前常用的生態足跡計算方法 包括Wackernagel提 出的經典方法和利用投入產出分析的方法，這兩種方法都是基于全球農業生態區（GAEZ）的 。而EF-NPP方法則是剛剛提出的，對于促進生態足跡方法的完善與改進具有重要意義，國內 尚未見到較詳細的介紹。

3.1 EF-NPP對EF-GAEZ的主要改動

EF-NPP主要對從EF-GAEZ受到批評較多的四個方面進行了修改。

3.1.1 在生物承載力計算中包括了整個地球表面

EF-GAEZ方法在計算生物承載力時，未包括那些具有較低或沒有潛在生產力的地球表面，比 如高山、沙漠、海洋、苔原帶等，忽視了這些區域在生物承載力再生、為關鍵生態系統提供 服務等方面的功能。而EF-NPP方法認為地球整個表面都是互相聯系的，全球的大部分表面都 參與了CO2的吸收與循環，因此方法上的第一個改動即在生物承載力計算中包含了所有的 水面和陸地，土地利用類型中增加了低生產力土地和遠海。

3.1.2 為其他物種的生存預留了較大空間

EF-GAEZ在生物承載力計算中扣除12%的生物生產性土地面積來保護生物多樣性，但12%這一 數值并非科學研究的結果，而是聯合國考慮各國政府可以接受的水平所采納的比例。EF-NPP 認為EF-GAEZ以人為中心的痕跡過重，未充分考慮其他生物。根據現有的生物多樣性研究成 果，若13.4%的陸地面積得到有效保護，則55%的瀕危物種得以存活。EF-NPP在計算生物承載 力時采用扣除保守的13.4%的方法用于生物多樣性保護。

3.1.3 改變CO2的吸收速率的假設

EF-NPP在此方面主要做了兩點改動：一是將僅由林地吸收CO2的假設擴展到整個地球表面 ； 二是改變了碳吸收的速率。EF-GAEZ有關一塊土地只能提供一種功能的假設是學術界批評的 焦點之一，特別是在CO2吸收方面，用于提供木材的林地就沒有吸收CO2的功能，而世界 各國 又均未留出用于吸收CO2的土地。EF-NPP根據碳循環是全球性的事實，認為全球表面都有 吸 收CO2的功能。因此，EF-NPP在生物承載力計算中考慮了地球表面的兩種功能：第一位功 能和CO2吸收功能。

3.1.4 利用凈初級生產力計算均衡因子

EF-NPP中均衡因子是用NPP方法測得的不同土地類型的生產力與平均水平之比，其1998年的 計算結果如表1所示。

與EF-GAEZ相比，EF-NPP的結果與各類土地生態價值的理解更接近，林地、草地和水域等生 物量較大且物種豐富的用地具有較高的均衡因子，而建筑用地具有較低的均衡因子。解決了 EF-GAEZ中建筑用地和耕地均衡因子相等，易造成兩者對環境的影響相同的錯覺的不足。

3.2 EF-GAEZ和EF-NPP計算結果對比

3.2.1 全球尺度靜態結果對比

EF-GAEZ和EF-NPP方法計算得到的2001年全球生態足跡見表2。

兩種方法的計算結果有較大差異。EF-GAEZ中，主要是能源用地呈現生態赤字，而EF-NP P所 計算的八類土地類型中，耕地、建筑、水產品和能源四種用地類型均呈現生態赤字。這是在 全球生態足跡分析中耕地、建筑用地和水產品用地三種用地類型首次出現生態赤字，修正了 EF-GAEZ在計算全球尺度的生態足跡時，上述三種用地不可能出現生態赤字的不足［ 30，33］。 均衡因子和保護生物多樣性預留土地比例的變化可以解釋這種差異。EF-NPP得到的能源消費 生態足跡是EF-GAEZ的17倍，這主要是由于EF-NPP在生物承載力計算中包括了整個地球表面 使得碳吸收速率由0.95tC/hm²減少到0.06tC/hm²的原因。根據EF-GAEZ的計算結果，200 1年 人類的消費需要同等生產力水平下1.18個地球，而EF-NPP的計算結果需要1.39個地球，情況 比EF-GAEZ更為嚴重。

3.2.2 全球尺度動態結果對比

兩種方法計算結果顯示，全球生物承載力總量在40年間沒有明顯變化，EF-GAEZ方法得出的 生物承載力約為1000億ghm²，EF-NPP方法得出的生物承載力約為110億ghm²左右。兩種 方法 得到的全球生態足跡總量在40年間穩定上升，EF-NPP方法上升速度更快，上個世紀七十年代 后開始出現生態赤字。

3.2.3 區域和國家尺度靜態計算結果對比

根據EF-NPP的計算結果，非洲、亞太地區、拉丁美洲和加勒比海地區呈現生態盈余狀態，生 態盈余的數值大于EF-GAEZ的結果。中東地區、中亞、北美和歐洲地區均傾向于出現生態赤 字，且生態赤字較EF-GAEZ方法的結果更為嚴重。與EF-GAEZ相比，EF-NPP的計算結果中75個 國家的生態盈虧計算結果更大，63個國家更小。

EF-NPP計算結果顯示，能源消耗相對較低、土地面積大，草地、林地和水產品用地所占份額 較大的區域或國家，很可能生態足跡較小，處于生態盈余的狀態；而能源消耗相對較高、建 筑用地占據份額較大且土地面積較小的區域或國家，則有可能生態足跡較大，處于生態超載 狀態。這主要是與EF-NPP對碳排放較敏感，更強調草地、林地和水產品用地的生態價值，而 降低建筑用地的生態價值等因素有關。

在138個國家中，24個國家兩種方法得到的生態盈虧方向不同，其中有20個國家采用EF-GAEZ 時為生態赤字，而采用EF-NPP時為生態盈余，另外4個國家恰好相反。對兩種方法得到的138 個國家的生態盈虧值進行相關分析可知，兩者具有較高的相關性，相關系數達到了0.8 。由 此可知，盡管兩種方法在理論、計算模型上不盡相同，但總體評價結果基本一致，能夠反映 一定國家或地區的消費是否超過了資源再生能力。

3.3 EF-NPP方法的不足

EF-NPP是針對EF-GAEZ的不足建立的，改動之處即為EF-NPP與EF-GAEZ相比的優勢之處。但EF -NPP方法也存在著明顯的不足，主要表現在以下幾個方面。

NPP的計算尚有不完善之處。EF-NPP方法是以NPP的計算為基礎，而目前NPP的計算方法 和模型尚無統一標準，結果的準確性和可比性得不到保證。

遠海和低生產力土地類型尚沒有生態足跡計算公式。在目前的EF-NPP方法中，生態足 跡計算部分沒有涉及到遠海和低生產力土地類型，即這兩種生物生產性土地僅提供生物承載 力而人類沒有相應的消費，這顯然不符合需求-供應的對應關系，尚需要從理論、方法上進 行完善。

水資源、其他溫室氣體和有毒物質的生態足跡沒有包含在生態足跡計算之中。EF-NPP 與EF-GAEZ相同，沒有把人類的消費描述完全。

沒有合理解釋不同土地利用類型之間不可替代的質疑。生態足跡和生物承載力計算中 將不同生物生產性土地面積直接相加，暗示著各類土地之間可以互相替換，沒有反映各類土 地不可或缺的特點。

土地具有多重功能的特點未得到全面體現。盡管EF-NPP將土地面積加和兩次，體現了 全球碳循環和土地的第一位功能，但土地的其它重要功能尚未得到有效體現。

3.4 小 結

綜上可知，兩種方法各有優劣。EF-GAEZ得到了較為廣泛的認同和應用，EF-NPP則從理論和 方法上解決了EF-GAEZ中的某些缺陷，對完善生態足跡理論及方法具有重要意義。但EF-NPP 的新理論和新方法也帶來了一些新的問題，且NPP的計算方法比較復雜，數據獲取有一定難 度，增加了研究成本，因此EF-NPP方法廣泛應用到實際工作中還需要更深入的研究。

4 研究展望

生態足跡盡管得到了大力發展和廣泛應用，但由于理論與方法并不是十分成熟，因此尚有較 大研究空間。國外學者一般較關注理論基礎、計算方法上的研究和改進，并積極研究如何逐 步建立標準化的生態足跡計算方法。國內研究偏重于應用，對理論、方法的研究不多，尚需 要進一步加強。

生態足跡模型的理論假設是備受質疑的部分之一，應深入探討假設的合理性及其與實際的差 距；進一步加強消費分類以及其他廢棄物的吸收研究，盡可能地完善消費分類，使生態足跡 描述的生態功能盡量完全；細化消費分類的覆蓋面和層次性，避免重復計算某些消費；明確 生態盈余和生態赤字所代表的含義，提供更豐富的政策內涵。

方法上，鑒于生態足跡作為單一指標意義有限，應深入探討EF與NPP或HANPP、投入產出表以 及其他指標結合、組合使用的研究，使得EF不僅能夠反映人類活動對生物生產性土地利用影 響的數量關系，而且能夠反映影響的強度。生態足跡能夠定量描述區域人類活動對生態系統 影響的特點，使得其在成為規劃環境影響評價的有效方法、指標方面，具有明顯的優勢，特 別是城市土地利用規劃、區域發展規劃等邊界與生態足跡法吻合的規劃環評，生態足跡是對 規劃方案進行檢驗的有效方法之一，開展生態足跡與現有的規劃環評方法相結合的研究具有 重要價值。

長時間的序列研究以及區域產量、不變產量的應用，可以揭示人口、技術進步以及社會經濟 發展對生態足跡的影響，為生態足跡的趨勢預測提供理論基礎。加強生態足跡的預測研究、 多情景的預測分析，延伸生態足跡的時間尺度，監測發展過程中的生態需求與生態供給的變 化，是值得今后進一步深入探討的課題，以便為規劃編制、政策制定等提供相關技術支持。 (編輯：溫武軍)

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