生态足迹论文：生态足迹资本计算评估探索范文
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作者：方恺HeijungsReinout单位：荷兰莱顿大学环境科学系吉林大学环境与资源学院
1国外研究
为了克服传统经济学的弊端，在借鉴世界资源动态模型、净初级生产力的人类占用、人类承载力和能值分析理论等20世纪70-80年代生态经济学领域研究成果的基础上，Rees于1992年首次提出了生态足迹的概念，并与Wackernagel等一起将其发展成为生态足迹经典模型。该模型的基本思路是：采用生态足迹表征一定经济或人口规模下的自然资本需求，采用生物承载力表征该区域所能提供的自然资本收益，通过两者的对比来判断人类对自然资本的占用是否具有可持续性。这样既可以避免货币化评估对自然资本存量减少速度的低估，又能体现出自然资本的不可替代性。Wackernagel等最早将生态足迹方法应用于全球和国家层面的自然资本研究，并归纳出抑制自然资本存量持续减少的主要措施：控制人口增长、限制高消费、提升技术水平和效率、促进贸易公平、规范商业活动和资本流动，以及开征自然资本消耗税等；Monfreda等通过综合考虑原材料、生产、制成品等环节，改进了区域等国家以下层面的基于生态足迹的自然资本核算方法；Bastianoni等实证分析了意大利典型建筑的生态足迹，并评估了自然资本占用的经济价值及优化途径；Hoekstra对比了生态足迹和水足迹在分析自然资本的人类占用方面的异同点，认为二者对可持续性评价具有很好的互补性；Burkhard等将生态足迹与生态系统服务相结合，借助GIS刻画了土地利用变化下的自然资本供需变化；Malghan通过定义存量—流量和资金—通量两个无量纲量，对生态足迹的耦合机制进行了探讨，认为生物物理评价方法的关键在于保持度量尺度(特别是资金—通量方面)一致性。
2国内研究
国内生态足迹研究起步较晚，由徐中民等于2000年率先开展。经过众多学者的努力，近年来我国在该领域的研究进度明显加快，取得了一批具有国际影响力的原创成果。如图1所示，在WebofScience系统中以“ecologicalfootprint”为主题词进行文献检索，过去20年中全球载文量从1992年的0篇上升到2011年的71篇。其中，作者系中国科研单位(包括港澳台)的载文量在前9年一直为0，从2001年起才有，后逐渐增加到2011年的27篇，占同期全球载文量的比例也显著提高(图1)。但总的来看，目前国内生态足迹研究仍集中在区域可持续性的案例分析，关于自然资本核算方面的成果报道相对较少，主要有：鲁春霞等估算了青藏高原的自然资本空间占用程度；刘航等对武汉市在特定年份的自然资本供需情况进行了量化比较；刘建兴等比较了中国与其他一些主要国家自然资本的占用水平；熊娜采用生产性生态足迹检验了水、化石能源、土地等3类关键自然资本对中国省域及南水北调工程相关区域的影响。
最新进展——生态足迹三维模型评述
1模型介绍
生态足迹三维模型是生态足迹分析与自然资本核算交叉领域的国际最新进展。以往的生态足迹经典模型及其后来的一系列改进模型，尽管均承认自然资本在可持续发展中的重要性，但关注点主要在流量而非存量，无法体现自然资本存量恒定对维持全球生态系统平衡所起的关键性作用。为明确区分存量资本和流量资本，Niccolucci等[31-32]最近尝试构建了生态足迹三维模型，通过引入两项新指标——足迹深度和足迹广度，来分别表征人类对自然资本存量和流量的利用水平。
从模型维度看，以往的生态足迹模型多数属于二维模型，由生物承载力(内圆)和生态赤字(圆环)相加得到(图2a)；而三维模型视生态足迹为一个圆柱体，由足迹广度(底面)和足迹深度(柱高)相乘得到(图2b)。由此，以下等式成立：式中：EF为生态足迹(hm2)；BC为生物承载力(hm2)；ED为生态赤字(hm2)；EFdepth为足迹深度(无量纲)；EFsize为足迹广度(hm2)。足迹广度和足迹深度的引入，实现了对生态足迹二维模型的增维，但由于足迹广度在单位上仍采用hm2，所以根据公式(1)，足迹深度在量纲上是0次幂形式，即无量纲量。足迹深度是指为维持区域现有资源消费水平，理论上所需占用的区域土地面积的倍数，它表征了人类消耗自然资本存量的程度，其计算公式为：足迹广度是指在区域生物承载力限度内，实际所占用的生物生产性土地的面积，它表征了人类占用自然资本流量的水平，其取值范围为：生态足迹三维模型相比于一般的二维模型具有显著的优势：
①明确将自然资本存量减少与否作为可持续性的基本判据，通过模型增维实现了对自然资本存量和流量的分类测度，丰富了生态足迹方法的经济学内涵；
②不仅强调土地资源的空间稀缺性(代内公平)，更关注资源消费与资源再生之间的不同步性(代际公平)，使其真正成为一个时空模型；
③克服了单纯以生态足迹或生态赤字比较区域之间可持续性的局限，增强了不同区域、不同时期之间的结果可比性。但正如创立者Niccolucci等所言，生态足迹三维模型作为一项尝试性的研究，在理论和方法上还存在一些不足或局限，影响了所得结果的科学性与准确性。笔者结合前期的实证研究及思考，试围绕以下几个问题对三维模型进行改进和补充。
2模型改进
2.1如何计算某一区域的足迹深度
式(2)表明，准确的生态赤字结果是计算足迹深度的前提和关键。对单一地类(如耕地)而言，生态赤字的确等于该地类的生态足迹与生物承载力的差值。但一个区域通常包含多种地类，如果仍由各地类生态足迹之和与生物承载力之和相减得到区域生态赤字，可能会在一定程度上低估生态赤字的真实状况。其原因在于：一些地类(如耕地)的生态赤字，存在部分被其他地类(如草地)的生态盈余所抵消的情况，从而导致所得的区域生态赤字和区域足迹深度偏小。从自然资本的性质看，生态赤字代表了具有虚拟属性的存量资本负债，而生态盈余则代表了具有物质属性的流量资本收益(土地面积)，两者因性质不同而不符合线性加和的原则。因此，区域生态赤字的计算需要基于详细的各地类生态赤字数据，而非只是基于最终的区域累加数据。区域生态赤字的计算公式为：式中：EDregion为区域生态赤字；EDi为i地类的生态赤字；n为地类数；EFi为i地类的生态足迹(已均衡化，下同)；BCi为i地类的生物承载力(已均衡化，下同)。由此，区域足迹深度(EFdepth,region)的计算公式为：
2.2如何计算某一区域的足迹广度
生态足迹三维模型并未给出明确的足迹广度计算方法。但根据定义，足迹广度实际取生态足迹和生物承载力中的较小值，其计算公式为：式中：EFsize,i为i地类的足迹广度。
区域足迹广度所表征的自然资本流量是空间的函数，同样需要基于详细的各地类足迹广度数据。公式(7)表明，由不同地类累加得到的足迹广度小于或等于由各地类生态足迹之和与生物承载力之和相比得到的足迹广度。由此，区域足迹广度。
2.3三维模型改进前后在生态足迹结果计算方面的差异
生态足迹三维模型通过足迹深度和足迹广度将生态足迹分解为z轴和xoy平面两个方向的分量(图2b)，而这两项指标的计算均需要基于生态足迹和生物承载力数据，所以生态足迹三维模型与二维模型并不对立，前者是后者的延伸，后者是前者的基础。理论上，基于三维模型的生态足迹是表征体积而非面积的物理量，但其数值大小和单位实际仍与二维模型一致：式中：EF3D为基于三维模型(改进前)的生态足迹(即各地类生态足迹之和)；EF2D为基于二维模型的生态足迹。三维模型改进前后在生态足迹计算方面存在差异：前者与经典的二维模型一致，认为一个区域的生态足迹等于各地类生态足迹之和；而后者则需要基于详细的各地类生态足迹和生物承载力数据，其计算公式为：式(9)~(13)表明：
①区域生态足迹大于或等于各地类生态足迹之和，且仅当区域所有地类均为生态赤字时才取等号；
②不论三维模型改进与否，区域生物承载力始终等于各地类生物承载力之和；
③区域足迹深度与区域足迹广度之积小于或等于区域生态足迹，且仅当区域所有地类均为生态赤字时才取等号；
④区域足迹深度大于或等于改进前的足迹深度，区域足迹广度小于或等于改进前的足迹广度，且仅当区域所有地类均为生态赤字或均为生态盈余时才取等号。与改进前相比，生态足迹三维模型在改进后对自然资本流动路径的追踪更为细致，将存量资本和流量资本的分类测度扩展到区域以下具体的地类层面，从而避免了可能存在的生态赤字与生态盈余错误抵消的情况，这是生态足迹计算结果较改进前有所差异的根本原因。
3模型补充
3.1如何基于历史责任测度各国的自然资本流量占用水平
根据可持续发展公平性原则，人类对全球自然资源和生态服务拥有同等享用权，人均历史累积指标最能体现这种“共同但有区别”的责任原则。足迹广度作为表征自然资本流量占用水平的指标，在一定程度上反映了区域实际可利用的自然资源禀赋。借鉴气候变化领域的相关研究，提出“人均历史累积足迹广度”指标，从历史责任的角度表征各国人均自然资本流量的累积占用水平，其计算公式如下：式中：efsize,region为人均历史累积足迹广度；EFj为j年的生态足迹；Ni为j年的人口数；m为生态盈余的年数；y为总年数；BCj为j年的生物承载力。
指标计算起始年份(基年)的选择，既要综合考虑各国统计数据的可得性和有效性，又不能距离现在太近，否则有违缩小发达国家与发展中国家历史不公平程度的初衷，建议在1950-1990年之间视具体情况而定。
在量化各国历史责任的基础上，可以采取以下两项措施促进自然资本流量在全球范围内的配置均等化：①高人均足迹广度国家根据其与低人均足迹广度国家之间的累积差异，以经济或技术形式给予后者一定的配额补偿；②确定未来若干年内的全球足迹广度总量限额，并分配各国的足迹广度额度，允许国家间按照一定的规范进行配额交易。
3.2如何反映区域内部自然资本流量占用的不公平程度
借鉴经济学中基尼系数的内涵，提出“足迹广度基尼系数”指标，以表征区域内部人均自然资本流量占用的不公平程度。当某项指标呈离散型分布，且参照指标(如人口数)在各组近似等分时，可以采用梯形面积法计算其基尼系数(即Lorenz曲线与横坐标轴所夹面积)，其计算公式为：式中：G为某项指标的基尼系数；x为参照指标(如人口数、GDP)的累积比例；y为该指标的累积比例；n为次区域数；i为按该指标高低排列的次区域序号，当i=1时，xi-1=yi-1=0。
目前多数资源环境类研究采用式(16)计算基尼系数，但由于次区域之间的人口数和GDP等参照指标存在显著差异，难以保证Lorenz曲线的相邻各点等距，本文根据矩形面积法得到了更为一般化的足迹广度基尼系数计算公式：数的累积比例。当考察全球层面时，次区域以国为单位进行划分；当考察国家层面时，次区域以省为单位进行划分……以此类推。足迹广度基尼系数的划分标准可以近似参照经济学中的基尼系数等级，即G0.2表示高度均衡；0.2<G0.3表示较为均衡；0.3<G0.4表示相对合理；0.4<G0.5表示较为不均衡；G>0.5表示高度不均衡。3.3.3如何量化自然资本存量减少对自然资本流量的潜在影响如果生态系统在供给社会经济系统的过程中消耗了自然资本存量，应考虑在计算下一年的自然资本流量供给时，扣除该年存量资本减少所对应的生物生产性土地。由此提出“理论足迹广度”指标，以表征自然资本存量持续减少对自然资本流量的潜在制约作用，其计算公式为：式(18)进一步反映了生态赤字与生态盈余之间的性质差异：生态赤字可以逐年累加，对生态系统的负向影响具有累积性；而生态盈余则无法逐年累加，对生态系统的正向影响也不具有累积性。这可以从生态学的角度加以解释：一个长期生态盈余的生态系统，一旦无法满足人类资源消费和废弃物排放所需的自然资本流量，就会立即消耗自然资本存量以维持自身稳定，存量资本的减少反过来又会抑制生态系统的生产力，削弱下一年的自然资本流动性，从而对生态系统服务的功能性状产生持续负向影响；反之，一个长期生态赤字的生态系统，并不会因为暂时的生态盈余而改变不可更新资源严重消耗的现状，即新增自然资本流量无法弥补上一年损失的自然资本存量。
结论
本文简要回顾了国内外将生态足迹方法应用于自然资本核算的研究成果，系统评述了生态足迹三维模型的概念、计算方法及主要优势，并围绕其存在的问题对模型进行了改进和补充：
①改进了现有指标的计算方法，从自然资本的角度明确了生态赤字与生态盈余的性质差异，在此基础上重新推导了足迹深度、足迹广度和生态足迹3项指标在区域尺度上的计算公式，避免了可能存在的低估区域足迹深度和区域生态足迹、高估区域足迹广度的缺陷，更为准确地揭示了自然资本所面临的严峻形势；
②借鉴气候变化、经济学和生态学等领域的研究成果，构建了人均历史累积足迹广度、足迹广度基尼系数和理论足迹广度3项新指标，以分别表征人均自然资本占用的历史累积水平、区域自然资本占用的不公平程度和自然资本存量持续减少对自然资本流量的潜在影响，丰富了模型的理论内涵和指标体系。总之，经本文改进和补充的生态足迹三维模型，能较为全面地揭示自然资本存量与流量之间的内在关系，以及存量资本恒定对维持生态系统平衡的重要性，为深化自然资本核算研究提供了一定的理论依据。
同时也必须指出，由于篇幅所限，本文对模型的改进和补充还缺乏具体案例验证，特别是上述3项新增指标仍存在一些需要完善之处：
①人均历史累积足迹广度只是基于公平性原则来考虑自然资本流量占用的历史责任，而未考虑各国经济社会发展水平的差异和对未来自然资本需求的变化趋势，历史累积计算的时段选择及所需统计数据的来源等也存在较大的不确定性；
②足迹广度基尼系数只能从总体上比较区域之间自然资本占用的相对差异及不公平程度，却无法反映区域之间的绝对差异及区域的实际状况，且几何法(包括梯形法和矩形法)求解基尼系数始终存在结果偏低的情况(因为近似积分面积必然小于实际面积)，从而影响到决策制定的科学性；
③理论足迹广度尝试性地对自然资本存量持续减少的潜在生态影响进行量化，其结果本身反映生态系统负债所造成的资本收益折损，是一个理论值而非真实值，特别是在长期生态赤字背景下，理论足迹广度与实际足迹广度将明显背离。前期实证研究表明，在进行自然资本利用的空间尺度比较时，不能仅仅根据生态足迹或生态赤字的数值大小进行简单排序，而应结合各区域的实际特点，重点分析资源消费的代际公平性(区域足迹深度)和代内公平性(区域足迹广度)特征，比较生态赤字(或生态盈余)在地类分布和产生原因等方面的差异。此外，还有一些自然资本存量方面的关键性问题有待进一步探讨：自然资本存量减少对生态系统服务功能的具体影响是什么，自然资本存量耗竭的生态阈值又是多少。正如宏观经济学中采用永续盘存法估算物质资本存量一样，生态经济学者也应积极探索构建普适性的自然资本存量测度方法，这对于深化自然资本核算研究，促进生态学与经济学的进一步交叉与融合，都将具有十分重要的意义。
