生态足迹模型的缺陷及改进研究进展

普连仙,吴学灿

(1.云南大学生命科学学院,云南昆明 650091;2.云南省环境科学研究院,云南昆明,650034)

生态足迹模型的缺陷及改进研究进展

普连仙1,吴学灿2

(1.云南大学生命科学学院,云南昆明 650091;2.云南省环境科学研究院,云南昆明,650034)

从生态足迹的基本理论出发,总结概括了生态足迹假设条件及模型的缺陷:生态偏向性;估算遗漏性;分析静态性;土地“质”的不均衡性。综述了生态足迹分析模型相关问题改进的国内外研究进展,并对今后研究中应加强的几个方面进行了总结。

生态足迹;缺陷;改进;研究进展

可持续发展是一种全新的发展理念和模式,对世界各国可持续发展程度进行度量,一方面是世界性可持续发展合作的重要基础,另一方面是诊断区域开发及其是否健康运行的标准[1]。

20世纪 90年代以来,国际上相继提出了一些直观的、较易于定量评价的方法及模型,如 Daly和Cobb提出的“可持续经济福利指数” (ISE W)[2],cobb等提出的“真实发展指标” (GPI)[3],Prescott-Allen的“可持续性的晴雨表”(Barometer of Sustainability)模型[3]等,生态足迹模型就是其中最具代表性的一种。

1 生态足迹相关理论

1.1 生态足迹的概念

国际上关于生态足迹的研究可以追溯到 20世纪 70年代,Odum E P讨论了在能量意义上被一个城市所要求的额外的 “影子面积”(shadow areas)[4,5],Jasson A M等分析了波罗的海哥特兰岛海岸渔业所要求的海洋生态系统面积[6]。在此基础之上,加拿大生态经济学家 ReesW E于 1992年提出生态足迹概念[7],之后在Wackernagel的协助下将其完善和发展为生态足迹模型。

生态足迹是指在一定的技术条件下,能够持续地提供资源或消纳废物的、具有生物生产力的地域空间[8]。生态足迹理论是建立在能值分析、生命周期评估、全球资源动态模型、世界生态系统的净初级生产力计算等理论基础上,它用一种生态学的方法将人类活动影响表达为各种生态空间的面积,进而判断人类的发展是否出于生态承载力的范围内[9],它从具体的生物物理量角度研究自然资本消费的空间测度问题。Wackernagel于 1996年提出的生态足迹 (ecological footprint)的概念是:任何已知人口 (某个个人、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性土地的总面积。它既是既定技术条件和消费水平下特定人口对环境的影响规模,也代表既定技术条件和消费水平下特定人口持续生存下去对环境提出的需求。

1.2生态足迹模型的基本假设

生态足迹模型所有指标的定义都是基于生物生产性土地的概念,所谓生物生产性土地是指具有生物 (态)生产能力的土地或水体。地球表面的生物生产性土地可具体分为 6类,即耕地、牧草地、林地、水域、建筑用地和化石能源地[10]。

为了对人类自然资源的需求和自然资源的再生能力进行数量分析,Rees和Wackergenal等提出生态足迹理论基于如下几个解释[11]:

(1)人类要维持生存,必须消耗自然界提供的各种资源 (各种自然产品和服务),人类消费的绝大多数资源、能源及其所产生的废弃物的数量是可确定的。

(2)应用于人类消费的生物资源数量的多少直接与能够产生这些资源和吸纳人类排放废物的生态生产性土地面积有关系。

(3)将不同类型的生态生产性土地面积 (耕地、林地、草地、化石能源地、建筑用地、水域)按照其生产力折算之后,可以用同一单位,即全球公顷 (或英亩)表示。

(4)各种土地的作用 (提供资源、消纳废物)是单一的、相互排斥的,标准化后可以相加。

(5)人类需求的总土地面积 (总生态足迹)可以与环境提供的土地面积 (生态承载力或生态容量)直接相比较,两者都使用标准化的公顷——全球公顷。

(6)如果生态足迹超过生态容量,表明需求超过了现存的自然资本的再生产能力。超过的部分就是“生态赤字”。生态赤字的出现,意味着要么是通过进口得以补偿,这会导致生态贸易赤字;要么是过度使用当地资源,这将导致自然资本的耗竭,即生态耗损 (ecological overshoot)。因此,生态足迹指标可以检验供给的可持续性。

2 生态足迹分析模型的缺陷

生态足迹概念于 1999年由张志强引入国内后[12,13],由于其理论概念新颖、概念形象、内涵丰富、综合性强、可操作性强、具有政策含义、测算中采用的生物生产性土地面积方法容易理解和进行重复性研究等[14,15]优点被广泛应用于城市可持续发展分析[16]、土地利用及规划可持续发展分析[17]、旅游业可持续发展分析[18]以及规划持续性评价[19]等多个领域中。但通过生态足迹分析法的理论研究和实践证明,生态足迹模型就本身而言仍然存在一些不足,主要表现在以下几个方面[20,21,15]:

(1)具有生态偏向性。生态足迹分析法,准确地说,是一种生态可持续性的分析方法。它强调的是人类发展对环境系统的影响及其可持续性,没有涉及经济、社会、技术方面的可持续性,并不考虑人类对现有消费模式的满意程度。

(2)估算的遗漏性。生态足迹分析没有把自然系统提供资源、消纳废弃物的功能描述完全,忽视了地下资源和水资源的估算;另外,现有的生态足迹分析中有关污染的生态影响这一点墨迹寥寥。在区域生态承载力的计算中忽略了化石能源等地下资源,这是生态赤字的一个重要原因。

(3)分析的静态性。不能预测未来的可持续趋势,也不能提供改进目前不可持续状况的方法,不足以监测变化过程。

(4)土地 “质”的不均衡性。生态足迹方法只注意土地的量而忽视了土地的质。各种土地的折算标准 (均衡因子)不统一,缺乏透明度,无法回答农业生产率不仅与管理有关,还与自然条件有关的事实。没有区分资源利用是否可持续性。忽略不同土地生物生产性的复杂特征而将不同类型的土地汇总,可能会掩盖生态足迹与生态供给力之间不协调的矛盾。

3 生态足迹分析模型假设的缺陷

一种理论模型的假设条件十分重要,是决定结果是否科学、是否合理的关键。生态足迹分析方法这种新的分析工具为研究、衡量可持续发展提供了新的审视角度,但这种方法也并不是完美无暇。李明月、江华研究了生态足迹分析模型的假设条件,并把假设条件的缺陷归纳为两点[22]:

(1)土地“空间互斥性”假设完全忽略了各类土地功能的多样性和一定程度的功能替代性,造成生态足迹供给计算结果偏低的系统误差。

(2)基于全球平均产量为 1基础上计算出的生物资源消费生态足迹完全忽视了生物生产过程中人类对环境的巨大破坏和掠夺,抹杀了科技进步对承载更多人口的支撑作用,掩盖了某种消费商品的世界平均产量下降导致的全球生态足迹供给的实际下降,并造成类似“货币幻觉”的 “生态足迹幻觉”。

4 生态足迹相关问题改进的国内外研究前沿

生态足迹方法模型直观、综合、可操作性好及可以进行全球性比较等优点,促进了生态足迹方法在可持续发展中的迅速传播及广泛关注。可以说,也正是由于生态足迹方法模型的诸多优点以及目前还存在的种种不足,不同的声音共同促进了生态足迹的进一步深入研究。

4.1 分析静态性的改进,大跨度时间序列的动态研究加强

近年来,研究者试图通过计算连续时间序列值来追踪各个时间点的可持续程度,来弥补指标静态性的缺憾。目前研究序列最长的是 2001年 Helmut Haberl等对奥地利 1926～1995年长达 70a生态足迹的度量[23]。Kraus mann等[24]2001年应用生态足迹方法对奥地利在 1830～1995年间土地利用和工业现代化对生态足迹系统的影响进行了研究;Erb[25]2004年对生态足迹方法进行调整计算了奥地利 1926～2000年的生态足迹 “实际土地面积需求”;Wackernagel等[26]2004年对菲律宾、韩国、奥地利三国 1961～1999年传统生态足迹和 “实际土地面积需求”进行了计算,并对两种方法的计算结果进行了比较。此外,我国学者蔺海明等[27]对甘肃河西绿洲农业区 1949～2000年生态足迹的动态变化进行了分析,结果表明:河西全区的人均生态足迹 1949～2000年呈递增趋势,河西区域发展正朝离可持续的方向延展。陈成忠、林振山[28]对中国 1961～2005年人均生态足迹波动的突变时间及影响因素进行了多时间尺度分析。研究结果表明 44a来,中国人均生态足迹波动具有明显的 3a、7a和 23a的特征时间尺度和相应的周期性振荡特征,其中 23a周期尤为显著,中国人均生态足迹在未来几年会有所下降,可持续发展形势会有所好转。罗汉红、李碧方等[29]对澳门 1977～2004年的生态足迹和生态承载力进行计算和动态分析,探寻影响澳门可持续发展的关键因子。张绪良等[30]分析了青岛近 20a的生态足迹动态变化,结果表明近20a青岛市生态足迹增加,生态承载力则明显下降,生态足迹和承载力的变化造成生态赤字进一步加大,同时生态效率也呈增加趋势。此外,对于生态足迹的时间序列动态研究还有很多[31～33],研究地点包括河北省、重庆市、沈阳市、湖北省等多个地区。

4.2 估算遗漏性的改进,水资源、地下资源污染及生态破坏足迹纳入研究估算行列

传统生态足迹能源的计算方法有替代法、自然资本存量法、碳吸收法[22]。Stoglehner认为以上 3种方法都不能满足化石燃料足迹供应的复杂评估[34]。Stoglehner[34]提出新的调整计算方法,新的计算方法能让我们评估能源节省的潜力和可再生能源替代化石能源的潜能。调整的能源足迹计算方法采用了 Krotscheck[35]的判断可持续性的可持续过程指数 (sustainable process index,SPI),这种方法建立起了可再生能源与化石能源携带者之间相比较的桥梁。调整的计算方法基于下面假设:岩石圈的碳存储保持不下降,也不转到生物圈中;可再生和不可再生的能源用不同的方法处理。调整的生态足迹能源计算方法指数包括两部分:①化石燃料指数:生产化石能源的土地面积;②可再生资源指数:生产可再生资源的土地面积。可再生资源能量生产面积的计算采用 Wackernagel[36]和 Stoglehner[34]计算结果。化石燃料能量生产面积采用Krotscheck的计算结果[35]。Manfred L以澳大利亚为例,不仅考虑 CO2,而且计算了其他气体如CH4、N2O、CF4、C2F6等的生态足迹[37]。Jansson等[38]将成分法生态足迹分析用于人类和生态系统淡水资源需求研究。我国学者对水资源、地下资源的生态足迹也展开了一些研究,洪辉等[39]根据生态足迹分析方法,建立了水资源生态足迹概念模型,并计算了西安市 2005年水资源生态足迹和生态承载力,为地区水资源的可持续利用与管理提供了科学的依据,同时提出了在不降低人们生活水平的前提下减少水资源赤字应采取的方法。薛桂芳[40]在分析前人研究成果的基础上,阐述了水资源生态足迹的计算方法:①水资源账户:通过全球水资源平均产量、均衡因子等一些参数的确定来计算水资源的生态足迹;②成分法:从水资源的抽取、供应、废水排放、处理等过程中的能量消耗来换算其足迹指标。刘鑫等[41]计算了基于生态环境需水量的郑州市 1994～2005年水生态足迹,并对未来规划水平年 (2010年、2015年、2020年)进行了预测。结果表明:1994～2005年水生态足迹高于 1.0,郑州市水资源利用是不可持续的。4.3 平衡土地“质”,采用多种计算方法

生态足迹计算中,6类基本生态生产性土地中除海洋外,其他 5类均属于土地类型。1998年,Bicknell等[42]尝试采用新的方法来计算区域的生态足迹问题。他们建议使用修正的投入产出分析来计算生态足迹。运用投入产出框架计算生态足迹可以提供一个可以不断更新的标准方法,并采用统一的格式应用到特定人群的生态足迹分析中。事实上在大多数发达国家中,采用投入产出方法计算生态足迹所需的数据在国家层次的账户机制中都已具备。同时,Bicknell等在研究中首次提出并运用了土地乘子 (land multiplier)的概念及计算方法计算生态足迹,为衡量真实土地需求迈出了重要的一步。我国台湾学者 Ferng[43]紧跟 Bicknell和 Ball等的步伐,提出了土地乘子成分 (composition of land multiplier)概念及计算方法,并在台湾进行了应用,取得了较好的效果。Manfred L[37]以澳大利亚为例,发展并改进了生态足迹分析法,针对生态足迹的全球公顷的弱点,采用了地区土地利用数据。2004年,Karl-Heinz提出了一个评价“真实土地利用需求”的计算方程,并对奥地利 1926～1995年长达 70a的实际土地需求进行了衡量分析后认为,真实的土地需求取决于消费水平和单位土地面积的产出[24]。

为进行国际比较,在最初的生态足迹计算中,引入了“全球公顷 (global hectare)”和 “全球产量 (global yields)”的概念,使用了 “均衡因子”、“产量因子”等公度系数,为度量全球不同国家的可持续程度提供了一杆 “公平秤”,因此生态足迹在进行国家间的比较时十分有用[15]。

4.4 生态偏向性改进,生态足迹指标与其它指标结合的研究加强

尽管生态足迹分析法在度量和评价生态可持续性方面是比较有效的,但是单用生态足迹分析法来评价可持续发展程度是不全面的。为了弥补这个不足,人们试图将该方法及其指标体系与其它能反映社会经济方面的可持续度量指标结合起来,使两者互相补充,以全面反映可持续发展程度。如与传统的 GDP结合来表示资源的利用效率。此外,国际上一批可持续发展研究者们也正试图将生态足迹指标体系与衡量人们对生活质量满意程度的指标“满意度晴雨表 (satisfaction barometer)”结合起来度量可持续性发展。Monfreda等[44]2004年提出能源足迹计算过程中海洋吸收人类排放 CO2的 1/3。当前生态足迹常与其它社会经济或自然指数结合应用,如与研究区初级生产力或净初级生产力进行比较分析;与 GDP或万元 GDP所需生态足迹结合进行分析[45],建立能源物质流账户等。

5 总结

(1)为克服生态足迹模型的静态性,应加强大跨度时间序列的动态过程研究,使其能够预测未来的发展趋势;

(2)为克服生态偏向性,应在研究应用中加强生态足迹指标与其它度量指标的结合,以全面反映各方面的可持续发展程度;

(3)为克服生态足迹模型本身的不足,应在以后的研究中不断修正、完善生态足迹的计算方法;

(4)应加强城市、产业和家庭或个人水平的生态足迹分析。将以往大尺度的分析应用到流域和更小的家庭、个人水平上,将有利于制定局部可持续发展规划;

(5)加强 3S技术在生态足迹研究中的应用研究,突破陈旧的数据获取与分析手段,提高研究结果的准确性。

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Study on Defects and Improvement of Ecological Footprint Model

PU Lian-xian1,WU Xue-can2
(1.School of Life Sciences of Yunnan Universtiy,Kunming Yunnan 650091 China)

The defects of ecological footprint model are summarized based on the basic theory of ecological footprint.The defects include the ecological discrimination and leak of evaluation and static analyze and inequality of quality of land.The improvements on ecological footprintmodel are put forward.

ecological footprint;defects;improvement;research;advance

X24

A

1673-9655(2010)01-0015-05

2009-10-15

普连仙 (1986-),女,彝族,硕士,专业方向:生态学。