足迹家族:概念、类型、理论框架与整合模式

足迹研究是当前生态经济学和可持续发展领域的热点与前沿课题。探讨了足迹类指标的内涵,将其定义为一类评估人类资源消费和废弃物排放等活动环境影响的指标;介绍了生态足迹、碳足迹、水足迹、能源足迹、化学足迹、氮足迹和生物多样性足迹7类典型足迹指标的概念与研究进展;在此基础上提出了普适性的足迹家族概念,总结了足迹家族的选择性、开放性、系统性和不确定性特征,并根据足迹类指标的一般运算流程构建了足迹家族的理论框架;基于大量文献成果系统比较了生态足迹、碳足迹和水足迹3类关键足迹的特征差异,提出了在足迹家族层面增强指标兼容性的措施;通过逐一测试各关键足迹与27项环境问题的相关程度,从决策相关性的角度初步探索了该足迹家族的整合模式;展望了未来足迹(家族)研究的重点方向。     

基于足迹家族的青海省资源环境压力定量评估

为了系统评估人类活动对环境的影响,基于足迹家族构建了资源环境压力评价体系,对青海省的生态足迹、碳足迹、水足迹及资源环境压力作了测评.结果表明: 1990—2013年,青海省人均生态足迹由1.32 hm²增为3.32 hm²,人均生物承载力由2.33 hm²降至2.07 hm²,2006年后出现生态赤字且不断增高,但1990年以来始终存在生物质盈余;人均碳足迹由5.82 t增至15.85 t,目前已超过应对气候变化目标的7.93倍;人均水足迹从967.67 m³降低到732.05 m³.1990年以来生态压力一直较低(Ⅰ_b),温室气体(GHG)排放压力由较低(Ⅰ_b)升高到中上(Ⅱ_b),水资源压力很低(Ⅰ_a),资源环境压力由很低(Ⅰ_a)升高为较低(Ⅰ_b).生态压力和水资源压力对资源环境压力的贡献率逐渐降低,GHG排放压力的影响明显增大.资源环境压力的空间差异较大,2013年西宁市很高(Ⅲ_b)、海东市中上(Ⅱ_b)、海西州中下(Ⅱ_a),其他各市州很低(Ⅰ_a),主要压力源也具有明显的空间异质性.今后发展中,各市州应采取差异化减压策略.     

杭州西湖风景名胜区园林废弃物生产生物能源潜力

在当前我国景区节能减排目标难以达到的情况下,发展生物能源将为此提供一个途径.本文以杭州西湖风景名胜区为案例,分析园林管理所获得的可用生物量及其生产生物能源的潜力.通过实地测定和问卷调查,研究表明:单位绿地面积园林废弃生物量为(4.60±3.12)t·hm-2·a-1;道路区域绿地的单位面积废弃物产量最高,干重平均值为5.96t·hm-2·a-1;产生绿化废弃物的主要植物种类有香樟(Cinnamomum camphora)、桂(Osmanthus fragrans)、杜鹃(Rhododendron simsii)等;园林废弃物总量干重为3402 t·a-1,可产生能量6.3×1010 kJ·a-1,理论上可以抵消景区40％的电能消耗;园林废弃物转化为生物能源适宜采用固体成型生物燃料技术;利用园林废弃物生产生物能源替代化石燃料每年可减排CO2 4177 t.开发利用景区园林废弃物生产生物能源,可实现减轻环境压力和增加生物能源供应的双赢.     

基于改进三维生态足迹的沈阳市自然资本动态

利用改进后的三维生态足迹模型,对沈阳市1995—2014年自然资本动态变化趋势进行分析.结果表明: 1995—2014年,沈阳市人均生态承载力整体呈小幅波动,人均生态足迹、人均生态赤字、人均足迹广度和足迹深度整体上呈波动式增加;足迹广度和足迹深度的变化率逐渐趋向稳定;耕地自然资本利用从2004年开始由资本流量过渡为资本存量,资本存量取代资本流量成为区域耕地自然资源需要的来源,且存量流量利用比逐渐增大;林地一直在利用资本流量,资本流量占用率基本保持不变;草地和水域一直在利用资本存量,且存量流量利用比逐渐增大;沈阳市的发展处于不可持续状态.协调好自然资本存量消耗与存量流量利用之间的关系是实现沈阳市可持续发展的关键途径之一.可通过开发新能源、合理规划土地和提高土地利用率来减少对自然资本的消耗,同时加强对生态环境的保护,以实现沈阳市的可持续发展.     

水足迹研究进展

水为生命之源,水资源的合理分配与科学管理是区域可持续发展与流域综合管理的核心环节;水足迹作为一种全面核算人类活动对水资源真实占用的综合指标,将人类消费终端与水资源利用密切关联,为维护流域水资源安全、提高区域水资源利用效率提供了重要的科学依据,已成为当前国际水资源管理的前沿研究领域。在明确水足迹及水资源生态足迹相关概念的基础上,对比分析了水足迹与生态足迹、水资源生态足迹模型的异同,明晰了过程、产品及区域等不同研究对象的水足迹核算方法,系统梳理了产品和区域水足迹评价、基于水足迹的区域水资源安全研究、区域水足迹可持续性分析等水足迹主要研究内容的近今进展,并展望了进一步的重点研究方向,即水足迹综合研究、水足迹评价不确定性分析、水足迹与物质流核算的关联研究,以及基于足迹整合的可持续发展多维测度等。     

生态足迹深度和广度:构建三维模型的新指标

追踪自然资本存量消耗与流量占用是当前可持续发展研究的核心议题.系统阐述了国际上新近提出的生态足迹三维模型的概念与计算方法,重点对足迹深度和足迹广度两个指标进行了探讨,总结了模型的主要优势,并通过引入资本流量占用率和存量流量利用比两个新指标对模型作进一步完善,在此基础上实证分析了1961-2006年的中国生态足迹.结果表明,中国自 1978年步人生态赤字时代以来,足迹深度增长了近2倍,足迹广度减少了11.84％,因自然资本流量不足导致资本存量大幅肖耗已成为社会发展常态.到2006年时,中国需要2.9倍的国土才能持续支撑其资源消费量.研究表明,三维模型分别从时空两方面表征了人类对资本存量的消耗(足迹深度)和对流量的占用(足迹广度),增强了生态足迹在不同区域、不同时期之间的可比性,并在一定程度上克服了经典模型的评估缺陷.最后指出了三维模型今后发展的主要方向.     

中国34个省级行政区三维生态足迹动态研究

当前中国正处于生态文明建设的关键时期,东西部环境资源不均衡的格局日益加剧,限制了区域社会经济的可持续发展。基于资源、社会经济统计数据,利用三维生态足迹模型对中国34个省级行政区进行动态研究,细化不同类型土地的均衡因子与产量因子,刻画2009—2016年人均生态足迹广度、生态足迹深度的时空特征,并探讨分析省域间的资本利用格局及其社会经济影响因素。主要结论如下：人均生态足迹广度在省域间差异较大,且生态足迹深度均已超过自然原长1.00;足迹广度在研究期间呈先降后升趋势,最高值为西藏的10.87—12.35 hm2/cap,最小值为澳门的0.02 hm2/cap;且资本流量占用率并不充足,广西与上海分别仅为47.68%—67.34%、66.31%—68.88%。香港、澳门、宁夏的足迹深度远高于中国均值,分别为19.24—26.02、8.60—10.88、4.60—7.46,最小值为西藏（1.64—1.79）,其中耕地、化石能源用地的生态赤字贡献率最高,而林地则为生态盈余状态。将各省自然资本利用格局聚类分为4类并通过ArcGIS进行空间分析。基于改进的三维生态足迹模型并系统性地应用于中国34个省域,本研究定量化各省的自然资本利用格局,可为中国区域间资源配置、政策制定提供基础数据支撑及环境决策参考。     

三江平原粮食作物生产水足迹时空特征及影响因素

水足迹是评价人类活动对水资源开采和水环境污染程度的重要方法,对农作物生长过程的绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹进行量化和分析,可以为农业用水综合评价和用水管理提供指导。以三江平原为研究区域量化粮食作物生产水足迹的时空特征,揭示粮食生产对区域水资源的占用情况,并分析水足迹的影响因素。结果表明:(1)三江平原粮食生产水足迹总量在2005-2018年间呈显著增加趋势,其中绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹在水足迹总量中的占比历年平均为28%、8%和64%;(2)粮食生产水足迹空间差异明显,在地市尺度,佳木斯市水足迹最高,占三江平原总量的47%,在县区尺度,富锦市、依兰县和桦南县是水足迹热点地区;(3)只考虑蓝水足迹,粮食生产给三江平原水资源造成轻度压力,而同时考虑蓝水和灰水足迹,粮食生产给三江平原水资源造成重度压力;各地市间水资源压力有较大差异,其中佳木斯市负担了该区域将近一半的粮食产量,水资源压力最高,鹤岗市则水资源压力最低;(4)降雨量、灌溉水利用效率、化肥施用量、粮食种植结构和作物单产水平等都会影响粮食作物生产水足迹,其中蓝水足迹响应种植结构的变化最敏感,灰水足迹响应化肥施用量的变化最敏感,而水足迹总量响应作物单产水平的变化最敏感。因此,建议减少化肥施用量、提高作物单产水平和优化作物种植结构纳入区域水资源可持续管理之中。     

中国省际碳足迹广度、深度评价及时空格局

借鉴三维生态足迹方法构建了碳足迹广度、深度测算模型,对吸纳碳排放所占用的自然资本流量、存量进行区分,核算了2000—2016年中国30个省(市、自治区)碳足迹广度和碳足迹深度,并对其进行空间关联性分析。结果显示:①中国碳足迹广度受碳足迹和碳生态承载力的综合影响,由0.173 hm~2/人升至0.329 hm~2/人又降至0.301 hm~2/人;碳足迹广度高值区集中于东北、西北和西南地区,其自然资本流量尚未完全占用,低值区集中于东部沿海和中部,其自然资本流量已不足以补偿碳排放。②2008年起中国碳足迹深度突破自然原长1,数值由1.04升至1.42又降至1.31;研究期内碳足迹深度始终处于自然原长1的有10个地区,高值区集中于东部沿海和中部,尤其是上海可达298.83,以存量资本耗竭为主且生态持续性弱。吸纳碳排放所占用的流量资本和存量资本存在地域互补性。③中国碳足迹广度、深度呈显著的空间正相关。碳足迹广度H-H集聚区分布于东北和西北,该类集聚有减弱趋势;碳足迹深度H-H集聚区主要分布于东部沿海且向中部扩散,该类集聚有增强趋势。通过引入碳足迹广度、深度两项指标对碳足迹的研究方法进行了深化和完善,在碳排放对生态环境影响规模的刻画和表达上取得了较优于传统碳足迹的评价结果。     

基于GTWR模型的浙江省海岸带三维生态足迹动态变化及其影响因素

厘清海岸带自然资本存量消耗和自然资本流量占用情况及其影响因素,能有效缓解海岸带社会经济发展与自然资源、生态环境之间的矛盾,促进区域协调可持续发展。本研究基于二维和三维生态足迹评价模型,分析浙江省海岸带2006—2016年生态足迹时空变化特征,基于足迹深度和足迹广度探究了区域自然资本存量和资本流量占用情况,并利用时空地理加权模型分析其影响因素的时空异质性。结果表明: 研究期间,浙江省海岸带生态危机加深,人均生态赤字平均值为3.5 hm²·cap^-1,人均生态赤字上升了15.5%,其中,能源消耗账户对人均生态足迹的贡献率大于生物资源账户;各县区人均生态足迹呈增长趋势,且空间分异显著。浙江省海岸带以消耗自然资本存量为主,且对自然资本流量更新起到较大的抑制作用;2016年,自然资本存量的消耗量是资本流量占有量的14.87倍。城市规模和经济发展水平、人民收入水平对浙江省海岸带各县区生态足迹以正向促进作用为主,渔业生产对生态足迹为负向影响,并有向正向影响作用转换的趋势,3个影响因子的影响机制时空分异性显著。     

中国水生态足迹广度、深度评价及空间格局

运用生态足迹方法对水资源进行流量资本和存量资本区分,测算分析了中国31个省市1997—2014年的水生态足迹广度与深度。结果显示:(1)中国的水生态足迹广度受年际水资源量丰枯影响,总体呈波动趋势;各省市的水生态足迹广度存在着明显差异,南方地区水生态足迹广度普遍大于北方地区;(2)研究期内,中国的水生态足迹深度只有1998年为1,其余年份的水资源流量资本已不能满足人类生产生活的需求,需要消耗水资源存量资本;各省市之间水生态足迹深度相差较大,整体上北方高南方低,其中14个省份18年的平均水生态足迹深度为1,平均水生态足迹深度最高的地区是宁夏的308.12;(3)运用空间自相关方法对31个省市的水生态足迹广度和深度进行分析得出,中国省际水生态足迹广度与深度均存在明显的空间集聚现象。水生态足迹广度H-H集聚地区主要集中在中国南方地区,水生态足迹深度H-H集聚地区主要集中在中国北方地区。通过对全国水生态足迹广度与深度的测度分析为水生态足迹分析提供新的研究方法,同时也为区域水资源可持续利用提供理论依据。     

Footprints of carbon and nitrogen: Revisiting the paradigm and exploring their nexus for decision making

Paradigms used for developing footprint metrics define the efficacy of these metrics for guiding decisions in the correct direction. Several metrics in use are developed from a narrow viewpoint of only looking at the output side impact of human activities on natural systems. This underestimates or overlooks other impacts on natural systems that occur due to input side interaction of human systems with natural systems. We revisit the paradigms used for development of footprint metrics and analyze the carbon and nitrogen footprints from these perspectives. Based on our analysis, utilizing both input and output side footprint measures is suggested such that heterogeneity of the nature of impact on both sides is not ignored. Utilizing these viewpoints, updated carbon and nitrogen footprints are proposed. Eco-LCA data for 2002 US economy is used to study the effect on decisions if these updated metrics are used. We also highlight the importance of understanding the multidimensional nature of environmental impacts that does not get captured by a single footprint, thus necessitating attention to the nexus of various footprints in decision making. Thus, the nexus between the updated carbon and nitrogen metrics is studied to show the shift in decisions resulting from looking at multidimensional impacts. Results for the US economy show that revisiting the paradigm for development of footprint metrics is a crucial step to avoid pushing decisions in incorrect directions due to use of narrowly focused footprint measures.     

Carbon and nitrogen footprint of double rice production in Southern China

Agriculture plays an important role in greenhouse gases (GHGs) emissions and reactive nitrogen (Nr) loss. Therefore, carbon (C) and nitrogen (N) footprint reductions in agro-ecosystem have become an increasingly hot topic in global climate change and agricultural adaptation. The objective of this study was to assess the C footprint (CF) and N footprint (NF) of double rice (Oryza sativa L.) production using life cycle assessment method in Southern China. The results showed that fertilizer application and farm machinery operation contributed the most to both GHGs and Nr emissions from agricultural inputs in the double rice production process. The CF for the early, late, and double rice was 0.86, 0.83, and 0.85 kg CO₂-eq kg⁻¹ year⁻¹ at yield-scale, respectively. In addition, the NF was 10.47, 10.89, and 10.68 g N-eq kg⁻¹ year⁻¹ at yield-scale for the early, late and double rice, respectively. The largest fraction of CF and NF of double rice was the share of CH₄ emission and NH₃ volatilization from the paddy field, respectively. Higher CF and NF at yield-scale for Guangdong, Guangxi, and Hainan provinces were presented, compared to the average level in double rice cropping for the region, while smaller than those of Jiangxi, Hubei, and Hunan provinces. Some effective solutions would be favorable toward mitigating climate change and eutrophication of the double rice cropping region in Southern China, including reduction of fertilizer application rates, improvements in farm machinery operation efficiencies, and changes in regional allocation of double rice cropping areas.     

能值生态足迹模型的改进——以海南为例

通过对比总结现有能值生态足迹模型研究成果,从能值密度、能值生态承载力、能值生态指标分类和整合等方面分析了模型存在的问题,在此基础上,构建了消费端和供给端构建足迹账户体系,并提出能值生态足迹和能值生态承载力模型的改进和优化。利用改进模型,实证分析了2000—2016年海南生态经济系统的变化特征。结果表明:(1)能源账户和生物产品账户足迹大幅增加。污染账户和建设用地账户足迹状态稳定。(2)生产承载力随着技术进步不断提高,而环境承载力随着人类对环境资源的占用强度增加不断下降。(3)海南生态环境整体表现为生态盈余,但污染账户、能源账户盈余缩减,2011年能源账户开始出现生态赤字。通过足迹账户的构建,能够更清晰地追踪各账户和各类土地能值生态足迹、能值生态承载力以及能值生态盈余/赤字产生的变化,能值生态足迹模型改进之后能够更客观反映区域生态经济系统状况,为地区有针对性开展环境管理和保护提供依据。     

生态足迹方法及研究进展

本文介绍了生态足迹的计算方法,回顾了国内外的研究进展,重点介绍了生态足迹计算中能源足迹算法的研究进展。目前,国外对生态足迹的研究集中在对长时间序列计算分析和计算方法的改进上,提出了改进的生态足迹方法“实际土地需求”法;国内研究还多限于生态足迹实例计算分析。探讨了生态足迹方法的优缺点,同时就生态足迹今后的研究重点提出一些看法和展望。     

基于宏观贸易调整方法的国家生态足迹模型

针对生态足迹分析模型传统贸易调整方法中仅仅考虑生物产品和能源直接贸易而没有涵盖各类产品间接贸易所产生的贸易足迹的缺陷,分别提出了包含两类贸易足迹核算在内的生物产品贸易调整系数和能源贸易调整系数,并在此基础上构建了基于宏观贸易调整方法的国家生态足迹分析模型.将该模型用于中国1986～2005年的实证研究表明,模型结果虽然没有对中国生态超载形势逐渐恶化的结论形成颠覆性影响,但却揭示了人均生态足迹具有间隔为5a左右的周期性下降现象.生物产品的贸易足迹变化趋势与我国目前面临的农业乃至粮食生产形式较为一致;能源贸易足迹变化趋势则真实地反映了我国现行经济发展模式、产业结构乃至国际贸易发展的特点.实证研究成果还充分证明,加工产品的贸易对国家生态足迹的影响不容忽略,特别是能源贸易足迹的合理估算,可以作为国家层面全球环境责任分工的依据之一.     

基于全球净初级生产力的能源足迹计算方法

净初级生产力是当前生态足迹改进研究的重要突破口。针对传统能源足迹存在着忽略多数土地的碳吸收贡献、碳吸收能力界定不清等不足,提出了基于全球平均净初级生产力的能源足迹计算方法。结果表明:单位质量能源的生态足迹空间构成中,前3位依次为海洋、林地和草地,分别占28.32%、27.25%、21.77%。单位空间占用面积的能源热值由高至低依次为电力、气态、液态和固态能源,分别达2.11×106—9.76×107、108—116、88—99、68—72 GJ/hm2。对各类能源生态影响的判断均较传统方法乐观,这是综合考虑全球各类土地和水体碳吸收贡献的结果。基于全球净初级生产力的能源足迹反映了能源消费的空间占用平均水平,有助于提高评价结果的真实性与准确性。     

基于旅游生态足迹模型的西安市旅游可持续发展评估

基于生态足迹模型、结合旅游者的生态消费及结构特征,将旅游生态足迹引入区域旅游可持续发展评估,阐述了旅游生态足迹的概念,并构建了旅游交通、住宿、餐饮、购物、游览等旅游生态足迹计算子模型。以西安市作为实证研究对象,计算分析了2004年西安市游客的旅游生态足迹。研究结果表明:2004年西安市游客的人均旅游生态足迹为0.1194hm2,人均旅游生态承载力为0.0198hm2,人均旅游生态赤字达0.0996hm2,反映出西安市的旅游业处于"不可持续发展状态",因此必须采取有效措施,合理利用生态资源,才能保证旅游业持续发展。     

中国省际灰水足迹测度及荷载系数的空间关联分析

借鉴Hoekstra等提出的灰水足迹计算公式,从农业、工业及生活三方面计算了1998—2012年中国31个省市(自治区)的灰水足迹及其灰水足迹荷载系数。结果表明:1研究期间全国灰水足迹呈现波动趋势,1998年至2006年的灰水足迹呈现波动上升趋势;2007年开始,全国灰水足迹呈现下降趋势;农业在总灰水足迹的贡献率最高、工业最低;231个省市(自治区)15a灰水足迹荷载系数整体呈现小幅波动趋势。在全国内部也存在着明显的地区差异,大体分为5类,分别为高荷载地区、较高荷载区、中度荷载区、较低荷载区、低荷载区。3借助全局与局部空间自相关对全国31个省市(自治区)灰水足迹荷载系数进行空间关联格局分析可知,中国省级灰水足迹存在空间集聚现象且集聚现象逐渐减弱,其中H-H集聚区主要集中在华北地区,L-L集聚区主要集中在南方与青藏地区。通过全国灰水足迹测度与灰水足迹荷载系数空间关联格局分析为灰水足迹分析提供新的研究思路同时为区域可持续发展提供理论支持。     

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）。