生态足迹模型的争论与发展

生态足迹模型自William Rees1992年提出、Mathis Wackemagel 1996年推广应用以来，在众多研究者的质疑和争论中不断发展、完善。目前，国内已有许多综述文章详细介绍了其理论假设、基本概念、计算方法、实证应用、一些缺陷改进等。在这些综述成果基础上，结合近2～3年的研究新进展，概括了10a来对其理论假设、均衡因子、产量因子、计算方法、过于静态性、缺乏预测性、结论单一性等方面存在的主要争论，聚焦了在概念发展、计算方法、均衡因子、产量因子、应用领域、时间序列、非线性科学研究方法、与其他社会经济指标相结合等方面进行的改进及发展，并指出今后生态足迹模型研究将要在计算方法改进、加强实践操作及市场化运作、与可持续发展政策的有机联系、与非线性科学研究方法相结合、长时间序列动态评估、单项指标等方面取得重要进展。这些争论、改进的综述及发展方向的提出，目的在于引发国内对生态足迹模型研究的新思考，推动生态足迹模型理论的进一步完善和发展。     

人类最大可持续海洋足迹的模拟

在William Rees ＆ Mathis Wackernagel最初提出的生态足迹模型理论所划分的六类基本生态生产性土地面积中,海洋以其能为人类提供鱼类等海产品而被单独列为水域一项。海洋生物资源是一种典型的可再生资源,人类只有采取合理的开发策略方可保证海洋生物资源最大的可持续生产量。借用生态足迹、生物承载力概念的内涵,提出海洋足迹、海洋承载力两个新概念;运用非线性科学理论在海洋足迹与海洋承载力呈二次非线性关系的假设下,建立海洋承载力二次非线性开发的动力模式,并运用稳定性分析理论对其求解、分析。结果表明：（1）海洋承载力与其增长率呈正相关关系,与海洋足迹增长率呈负相关关系;（2）为保证海洋生物资源的可持续利用,人类必须控制最大海洋足迹增长率为r/xm（r为海洋承载力增长率,xm为最大海洋承载力）,方可获得可持续的最大海洋足迹为rxm/4,此时海洋承载力可以维持在稳定的平衡态（为其最大承载力的一半）。     

中国人均生态足迹与生物承载力变化的EMD分析及情景预测

利用经验模态分解(EMD)方法分解并提取1961～2001年中国人均生态足迹与生物承载力变化的波动周期,建立具有周期性波动的非线性动力学预测模型,提出未来50a中国人均生态足迹和生物承载力变化的3种预测情景。结果表明:(1)40a来,中国人均生态足迹在波动中不断增加,具有明显的3.5a和8a两个波动周期;中国人均生物承载力在波动中不断减少,具有明显的2.7a和28a两个周期。(2)若一切照旧,即未来50a中国人均生态足迹与生物承载力保持过去40a的年均变化率不变,则人均生态足迹会持续上升,2050年达到3.391g.hm2;人均生物承载力持续下降,2050年降为0.490g.hm2;而人均生态赤字急剧拉大,2050年为3.024g.hm2,可持续发展形势非常严峻。(3)若缓慢变化,即未来20a中国人均生态足迹保持年均增长率1.195%、人均生物承载力年均减少率0.614%不变,则2025年人均生态足迹为1.849g.hm2、人均生物承载力为0.860g.hm2、人均赤字0.989g.hm2。(4)若人均生态足迹快速减少,即2025～2050年中国人均生态足迹年均减少率为0.996%、人均生物承载力年均减少率为0.614%不变,则2050年人均生态足迹为1.381g.hm2、人均生物承载力0.739g.hm2、人均生态赤字0.641g.hm2,但这需要中国经济发展和技术水平的极大提高、能源消费结构的多元化、居民消费意识和消费模式的快速转变、人民生活质量的极大改善。这样,中国的生态发展才有助于实现全球水平的生态可持续发展,在促进世界可持续发展的道路上起到积极的推动作用。     

物种对资源竞争的动力机制及数值模拟

建立了集合种群物种在两个斑块中对资源竞争的数学模型,并进行了数值模拟实验,结果表明：（1）通过R^＊来预测竞争物种的结局,存在几种可能性：一是具有低R^＊值的物种竞争取代高R^＊值的物种;二是具有不同R^＊值的物种,甚至是具有相同R^＊值的物种也存在共存的可能性;三是具有高R^＊值的物种也可以竞争排斥低R^＊值的物种,结论存在不确定性。（2）竞争物种的随机迁移形成了源一汇结构,对物种竞争共存具有促进作用,但弱的资源利用者（较高的R^＊）的迁移率不宜过高。（3）在种群统计率相同的条件下,资源增长率差异越大,越不利于消费者物种的共存;若种群统计率不相同,在资源增长率相同的情况下,物种共存又是不可能的,在自然界中,物种共存需要资源增长率的差异。（4）不同类型的资源增长对竞争物种的稳定性的影响是不同的。     

中国能源足迹增长波动的驱动因子分析

基于生态足迹方法计算了中国1953～2006年的人均能源足迹,利用经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)方法提取其增长的波动周期,利用因子分析方法探讨了不同时间尺度下驱动中国人均能源足迹增长的主要因子.结果发现:(1)53a来,中国人均能源足迹在波动中不断增长,人均能源足迹年增长率存在准4a、准13a、准17a和准27a 4个主要波动周期;(2)对与中国能源足迹波动高度相关的37个影响因子在IMF1、IMF2、IMF3 3个主要尺度下的因子分析发现,人均GDP增长率、轻工业产值增长率、第二产业增长率、工业增长率、工业总产值增长率、社会消费品零售增长率、资本形成总额增长率、重工业产值增长率、第三产业增长率、建筑业增长率、交通运输仓储增长率等是3个尺度下共同的第1影响因子.据此,建议中国的能源政策制定者更应关注稳定经济增长、优化产业结构、调整国内石油开采、提高交通运输效益等.     

中国1961~2005年人均生态足迹变化

以小波变换技术为基础,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:(1)44a来,中国人均生态足迹波动具有明显的3、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;(2)比较3种尺度下的突变点发现,1966年、1979年、1988年、1996年、2000年和2004年为共同的突变点,说明这5a突变强烈,反映了波动的主要特征;(3)对主要突变点的成因分析发现,中国人均生态足迹的波动主要由于政策因素和经济因素驱动所致,科技因素和自然因素也有影响;(4)综合3、7a和23a 3个时间尺度上小波系数的演变趋势发现,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.     

追踪物种丧失•聚焦生态超载•共享一个地球——《2006地球生命力报告》解读

世界自然基金会和环球足迹网络等2006年10月在中国北京联合发布《2006地球生命力报告》,用生命地球指数和生态足迹两个主要指标描绘了全球生物多样性的变化状态和人类所面临的环境压力。报告显示：生命地球指数1970~2003年总体下降约三分之一,其中陆栖指数减少约31％、海洋指数减少约27％、淡水指数减少约30％,生物多样性正快速持续地遭到损失;自1961年人类的生态足迹不断增加,1987年转入生态赤字下运行,此后生态超载不断加剧,2003年生态赤字达25.28％;化石燃料足迹增长最快,2003年几乎占到一半,达到48%;阿联酋、美国、加拿大等国家人均足迹最大,阿富汗最小,中国排名69位;北美、欧盟、中东和中亚、亚太区处于生态超载状态,非欧联盟、拉丁美洲和加勒比海地区、非洲处于生态盈余;过去40多年,人均足迹高收入国家增长2倍多,2003年达6.5 gha,低收入国家一直在0.8 gha以下徘徊,中收入国家也从未超过2.0 gha。地球的经济怎样才可能在过度消耗中持续发展？3种预测情景也许会让我们走出生态超载的困境、走向可持续发展,共享“一个地球生活”的美好未来。整篇报告可以概括为4个主题：追踪物种丧失、聚焦生态超载、3种情景预测、一个地球生活。     

追踪物种丧失•聚焦生态超载•共享一个地球——《2006地球生命力报告》解读

世界自然基金会和环球足迹网络等2006年10月在中国北京联合发布《2006地球生命力报告》,用生命地球指数和生态足迹两个主要指标描绘了全球生物多样性的变化状态和人类所面临的环境压力。报告显示:生命地球指数1970～2003年总体下降约三分之一,其中陆栖指数减少约31%、海洋指数减少约27%、淡水指数减少约30%,生物多样性正快速持续地遭到损失;自1961年人类的生态足迹不断增加,1987年转入生态赤字下运行,此后生态超载不断加剧,2003年生态赤字达25.28%;化石燃料足迹增长最快,2003年几乎占到一半,达到48%;阿联酋、美国、加拿大等国家人均足迹最大,阿富汗最小,中国排名69位;北美、欧盟、中东和中亚、亚太区处于生态超载状态,非欧联盟、拉丁美洲和加勒比海地区、非洲处于生态盈余;过去40多年,人均足迹高收入国家增长2倍多,2003年达6.5gha,低收入国家一直在0.8gha以下徘徊,中收入国家也从未超过2.0gha。地球的经济怎样才可能在过度消耗中持续发展?3种预测情景也许会让我们走出生态超载的困境、走向可持续发展,共享"一个地球生活"的美好未来。整篇报告可以概括为4个主题:追踪物种丧失、聚焦生态超载、3种情景预测、一个地球生活。     

苦草生长对沉积物中磷迁移转化的影响

构建了不同营养盐负荷的沉积物环境"水-苦草-沉积物"生态系统,监测分析了沉积物中总磷(TP)、生物可获得磷及其环境因子的垂直分布及变化,以苦草为例,研究了沉水植物生长对沉积物中磷迁移转化的影响,结果表明:生长期的苦草通过改变沉积物环境因子或自身的生理活动,直接或间接地对沉积物中不同形态磷的迁移转化产生了影响,并随着深度的增加而出现不同的变化。具体表现在,低(L)、中(M)、高(H)营养负荷的沉积物总磷(TP),相对于初始值均有不同程度的下降,但苦草组下降的幅度大,分别比对照组多下降了11.63、18.50和46.25 mg/kg;在垂直方向上均表现出随深度的增加TP呈减少趋势,苦草对沉积物影响的深度随根系的活动范围变化而变化,根系增长最长(比试验初始增加了9.2 cm)的低营养负荷苦草组(LV),可影响到6 cm以下的沉积物;中营养负荷苦草组(MV)、高营养负荷苦草组(HV)根系增加不明显(分别为2.60和2.10 cm),影响深度主要在6 cm以内;检验发现,苦草组与对照组差异显著(P0.05)。交换态磷(Ex-P)、铝磷(Al-P)随深度增加而升高,苦草组小于对照组;铁磷(Fe-P),随深度的增加而降低,苦草组大于对照组,其中,在L、M、H中,苦草组的Ex-P分别比对照组下降了0.065、0.215和1.483 mg/kg,Al-P分别为1.198、2.040和2.390 mg/kg;LV中苦草的影响深度可达到10 cm的深,而MV、HV中主要集中在6 cm以内;苦草组中的Fe-P分别比对照组高8.135、16.689和8.598 mg/kg,在垂直方向上的变化幅度亦大于对照组。检验发现,L中苦草组Ex-P与对照组有极显著差异(P0.01),M、H苦草组与对照组无显著差异(P0.05);L、M、H中Al-P、FeP苦草组与对照组均无显著差异(P0.05)。     

似Allee效应对2-物种集合种群竞争动态的影响

集合种群具有与局域种群Allee效应相似的现象被称为似Allee效应.将似Allee效应引入2-竞争物种集合种群系统,建立了具有似Allee效应的2-物种集合种群演化动态模型.大量的数值模拟表明:(1)似Allee效应导致集合种群水平上两竞争物种构成的系统具有多个平衡态;(2)似Allee效应使竞争共存物种无法续存甚至全部灭绝,即使种群具有很高的初始斑块占有率,并且最终平衡态随初始斑块占有率变化而改变;(3)似Allee效应可能使竞争排斥物种共同灭绝,且效应越强,物种存活时间越短;但似Allee效应不会增强强物种对弱物种的排斥强度,反而可能使强物种变为弱物种,弱物种变为强物种,其具有与栖息地毁坏类似的影响种群竞争等级排序的作用;(4)似Allee效应对竞争集合种群续存是一个不稳定的干扰因素,微小的变化都将引起系统平衡态的剧变.但对于已经达到平衡态的集合种群系统,似Allee效应对强弱种群多度起到调节与制约的作用,有助于平衡态集合种群的稳定与共存,这一结论更完整的揭示了似Allee效应在竞争集合种群系统发展的不同阶段所起的不同作用.以上这些结论对物种保护及集合群落的管理具有重要的指导意义.