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作者：方愷HeijungsReinout單位：荷蘭萊頓大學環境科學系吉林大學環境與資源學院

生態足跡方法應用于自然資本核算的研究回顧

1國外研究

為了克服傳統經濟學的弊端，在借鑒世界資源動態模型、凈初級生產力的人類占用、人類承載力和能值分析理論等20世紀70-80年代生態經濟學領域研究成果的基礎上，Rees于1992年首次提出了生態足跡的概念，并與Wackernagel等一起將其發展成為生態足跡經典模型。該模型的基本思路是：采用生態足跡表征一定經濟或人口規模下的自然資本需求，采用生物承載力表征該區域所能提供的自然資本收益，通過兩者的對比來判斷人類對自然資本的占用是否具有可持續性。這樣既可以避免貨幣化評估對自然資本存量減少速度的低估，又能體現出自然資本的不可替代性。Wackernagel等最早將生態足跡方法應用于全球和國家層面的自然資本研究，并歸納出抑制自然資本存量持續減少的主要措施：控制人口增長、限制高消費、提升技術水平和效率、促進貿易公平、規范商業活動和資本流動，以及開征自然資本消耗稅等；Monfreda等通過綜合考慮原材料、生產、制成品等環節，改進了區域等國家以下層面的基于生態足跡的自然資本核算方法；Bastianoni等實證分析了意大利典型建筑的生態足跡，并評估了自然資本占用的經濟價值及優化途徑；Hoekstra對比了生態足跡和水足跡在分析自然資本的人類占用方面的異同點，認為二者對可持續性評價具有很好的互補性；Burkhard等將生態足跡與生態系統服務相結合，借助GIS刻畫了土地利用變化下的自然資本供需變化；Malghan通過定義存量—流量和資金—通量兩個無量綱量，對生態足跡的耦合機制進行了探討，認為生物物理評價方法的關鍵在于保持度量尺度(特別是資金—通量方面)一致性。

2國內研究

國內生態足跡研究起步較晚，由徐中民等于2000年率先開展。經過眾多學者的努力，近年來我國在該領域的研究進度明顯加快，取得了一批具有國際影響力的原創成果。如圖1所示，在WebofScience系統中以“ecologicalfootprint”為主題詞進行文獻檢索，過去20年中全球載文量從1992年的0篇上升到2011年的71篇。其中，作者系中國科研單位(包括港澳臺)的載文量在前9年一直為0，從2001年起才有，后逐漸增加到2011年的27篇，占同期全球載文量的比例也顯著提高(圖1)。但總的來看，目前國內生態足跡研究仍集中在區域可持續性的案例分析，關于自然資本核算方面的成果報道相對較少，主要有：魯春霞等估算了青藏高原的自然資本空間占用程度；劉航等對武漢市在特定年份的自然資本供需情況進行了量化比較；劉建興等比較了中國與其他一些主要國家自然資本的占用水平；熊娜采用生產性生態足跡檢驗了水、化石能源、土地等3類關鍵自然資本對中國省域及南水北調工程相關區域的影響。

最新進展——生態足跡三維模型評述

1模型介紹

生態足跡三維模型是生態足跡分析與自然資本核算交叉領域的國際最新進展。以往的生態足跡經典模型及其后來的一系列改進模型，盡管均承認自然資本在可持續發展中的重要性，但關注點主要在流量而非存量，無法體現自然資本存量恒定對維持全球生態系統平衡所起的關鍵性作用。為明確區分存量資本和流量資本，Niccolucci等[31-32]最近嘗試構建了生態足跡三維模型，通過引入兩項新指標——足跡深度和足跡廣度，來分別表征人類對自然資本存量和流量的利用水平。

從模型維度看，以往的生態足跡模型多數屬于二維模型，由生物承載力(內圓)和生態赤字(圓環)相加得到(圖2a)；而三維模型視生態足跡為一個圓柱體，由足跡廣度(底面)和足跡深度(柱高)相乘得到(圖2b)。由此，以下等式成立：式中：EF為生態足跡(hm2)；BC為生物承載力(hm2)；ED為生態赤字(hm2)；EFdepth為足跡深度(無量綱)；EFsize為足跡廣度(hm2)。足跡廣度和足跡深度的引入，實現了對生態足跡二維模型的增維，但由于足跡廣度在單位上仍采用hm2，所以根據公式(1)，足跡深度在量綱上是0次冪形式，即無量綱量。足跡深度是指為維持區域現有資源消費水平，理論上所需占用的區域土地面積的倍數，它表征了人類消耗自然資本存量的程度，其計算公式為：足跡廣度是指在區域生物承載力限度內，實際所占用的生物生產性土地的面積，它表征了人類占用自然資本流量的水平，其取值范圍為：生態足跡三維模型相比于一般的二維模型具有顯著的優勢：

①明確將自然資本存量減少與否作為可持續性的基本判據，通過模型增維實現了對自然資本存量和流量的分類測度，豐富了生態足跡方法的經濟學內涵；

②不僅強調土地資源的空間稀缺性(代內公平)，更關注資源消費與資源再生之間的不同步性(代際公平)，使其真正成為一個時空模型；

③克服了單純以生態足跡或生態赤字比較區域之間可持續性的局限，增強了不同區域、不同時期之間的結果可比性。但正如創立者Niccolucci等所言，生態足跡三維模型作為一項嘗試性的研究，在理論和方法上還存在一些不足或局限，影響了所得結果的科學性與準確性。筆者結合前期的實證研究及思考，試圍繞以下幾個問題對三維模型進行改進和補充。

2模型改進

2.1如何計算某一區域的足跡深度

式(2)表明，準確的生態赤字結果是計算足跡深度的前提和關鍵。對單一地類(如耕地)而言，生態赤字的確等于該地類的生態足跡與生物承載力的差值。但一個區域通常包含多種地類，如果仍由各地類生態足跡之和與生物承載力之和相減得到區域生態赤字，可能會在一定程度上低估生態赤字的真實狀況。其原因在于：一些地類(如耕地)的生態赤字，存在部分被其他地類(如草地)的生態盈余所抵消的情況，從而導致所得的區域生態赤字和區域足跡深度偏小。從自然資本的性質看，生態赤字代表了具有虛擬屬性的存量資本負債，而生態盈余則代表了具有物質屬性的流量資本收益(土地面積)，兩者因性質不同而不符合線性加和的原則。因此，區域生態赤字的計算需要基于詳細的各地類生態赤字數據，而非只是基于最終的區域累加數據。區域生態赤字的計算公式為：式中：EDregion為區域生態赤字；EDi為i地類的生態赤字；n為地類數；EFi為i地類的生態足跡(已均衡化，下同)；BCi為i地類的生物承載力(已均衡化，下同)。由此，區域足跡深度(EFdepth,region)的計算公式為：

2.2如何計算某一區域的足跡廣度

生態足跡三維模型并未給出明確的足跡廣度計算方法。但根據定義，足跡廣度實際取生態足跡和生物承載力中的較小值，其計算公式為：式中：EFsize,i為i地類的足跡廣度。

區域足跡廣度所表征的自然資本流量是空間的函數，同樣需要基于詳細的各地類足跡廣度數據。公式(7)表明，由不同地類累加得到的足跡廣度小于或等于由各地類生態足跡之和與生物承載力之和相比得到的足跡廣度。由此，區域足跡廣度。

2.3三維模型改進前后在生態足跡結果計算方面的差異

生態足跡三維模型通過足跡深度和足跡廣度將生態足跡分解為z軸和xoy平面兩個方向的分量(圖2b)，而這兩項指標的計算均需要基于生態足跡和生物承載力數據，所以生態足跡三維模型與二維模型并不對立，前者是后者的延伸，后者是前者的基礎。理論上，基于三維模型的生態足跡是表征體積而非面積的物理量，但其數值大小和單位實際仍與二維模型一致：式中：EF3D為基于三維模型(改進前)的生態足跡(即各地類生態足跡之和)；EF2D為基于二維模型的生態足跡。三維模型改進前后在生態足跡計算方面存在差異：前者與經典的二維模型一致，認為一個區域的生態足跡等于各地類生態足跡之和；而后者則需要基于詳細的各地類生態足跡和生物承載力數據，其計算公式為：式(9)~(13)表明：

①區域生態足跡大于或等于各地類生態足跡之和，且僅當區域所有地類均為生態赤字時才取等號；

②不論三維模型改進與否，區域生物承載力始終等于各地類生物承載力之和；

③區域足跡深度與區域足跡廣度之積小于或等于區域生態足跡，且僅當區域所有地類均為生態赤字時才取等號；

④區域足跡深度大于或等于改進前的足跡深度，區域足跡廣度小于或等于改進前的足跡廣度，且僅當區域所有地類均為生態赤字或均為生態盈余時才取等號。與改進前相比，生態足跡三維模型在改進后對自然資本流動路徑的追蹤更為細致，將存量資本和流量資本的分類測度擴展到區域以下具體的地類層面，從而避免了可能存在的生態赤字與生態盈余錯誤抵消的情況，這是生態足跡計算結果較改進前有所差異的根本原因。

3模型補充

3.1如何基于歷史責任測度各國的自然資本流量占用水平

根據可持續發展公平性原則，人類對全球自然資源和生態服務擁有同等享用權，人均歷史累積指標最能體現這種“共同但有區別”的責任原則。足跡廣度作為表征自然資本流量占用水平的指標，在一定程度上反映了區域實際可利用的自然資源稟賦。借鑒氣候變化領域的相關研究，提出“人均歷史累積足跡廣度”指標，從歷史責任的角度表征各國人均自然資本流量的累積占用水平，其計算公式如下：式中：efsize,region為人均歷史累積足跡廣度；EFj為j年的生態足跡；Ni為j年的人口數；m為生態盈余的年數；y為總年數；BCj為j年的生物承載力。

指標計算起始年份(基年)的選擇，既要綜合考慮各國統計數據的可得性和有效性，又不能距離現在太近，否則有違縮小發達國家與發展中國家歷史不公平程度的初衷，建議在1950-1990年之間視具體情況而定。

在量化各國歷史責任的基礎上，可以采取以下兩項措施促進自然資本流量在全球范圍內的配置均等化：①高人均足跡廣度國家根據其與低人均足跡廣度國家之間的累積差異，以經濟或技術形式給予后者一定的配額補償；②確定未來若干年內的全球足跡廣度總量限額，并分配各國的足跡廣度額度，允許國家間按照一定的規范進行配額交易。

3.2如何反映區域內部自然資本流量占用的不公平程度

借鑒經濟學中基尼系數的內涵，提出“足跡廣度基尼系數”指標，以表征區域內部人均自然資本流量占用的不公平程度。當某項指標呈離散型分布，且參照指標(如人口數)在各組近似等分時，可以采用梯形面積法計算其基尼系數(即Lorenz曲線與橫坐標軸所夾面積)，其計算公式為：式中：G為某項指標的基尼系數；x為參照指標(如人口數、GDP)的累積比例；y為該指標的累積比例；n為次區域數；i為按該指標高低排列的次區域序號，當i=1時，xi-1=yi-1=0。

目前多數資源環境類研究采用式(16)計算基尼系數，但由于次區域之間的人口數和GDP等參照指標存在顯著差異，難以保證Lorenz曲線的相鄰各點等距，本文根據矩形面積法得到了更為一般化的足跡廣度基尼系數計算公式：數的累積比例。當考察全球層面時，次區域以國為單位進行劃分；當考察國家層面時，次區域以省為單位進行劃分……以此類推。足跡廣度基尼系數的劃分標準可以近似參照經濟學中的基尼系數等級，即G0.2表示高度均衡；0.2<G0.3表示較為均衡；0.3<G0.4表示相對合理；0.4<G0.5表示較為不均衡；G>0.5表示高度不均衡。3.3.3如何量化自然資本存量減少對自然資本流量的潛在影響如果生態系統在供給社會經濟系統的過程中消耗了自然資本存量，應考慮在計算下一年的自然資本流量供給時，扣除該年存量資本減少所對應的生物生產性土地。由此提出“理論足跡廣度”指標，以表征自然資本存量持續減少對自然資本流量的潛在制約作用，其計算公式為：式(18)進一步反映了生態赤字與生態盈余之間的性質差異：生態赤字可以逐年累加，對生態系統的負向影響具有累積性；而生態盈余則無法逐年累加，對生態系統的正向影響也不具有累積性。這可以從生態學的角度加以解釋：一個長期生態盈余的生態系統，一旦無法滿足人類資源消費和廢棄物排放所需的自然資本流量，就會立即消耗自然資本存量以維持自身穩定，存量資本的減少反過來又會抑制生態系統的生產力，削弱下一年的自然資本流動性，從而對生態系統服務的功能性狀產生持續負向影響；反之，一個長期生態赤字的生態系統，并不會因為暫時的生態盈余而改變不可更新資源嚴重消耗的現狀，即新增自然資本流量無法彌補上一年損失的自然資本存量。

結論

本文簡要回顧了國內外將生態足跡方法應用于自然資本核算的研究成果，系統評述了生態足跡三維模型的概念、計算方法及主要優勢，并圍繞其存在的問題對模型進行了改進和補充：

①改進了現有指標的計算方法，從自然資本的角度明確了生態赤字與生態盈余的性質差異，在此基礎上重新推導了足跡深度、足跡廣度和生態足跡3項指標在區域尺度上的計算公式，避免了可能存在的低估區域足跡深度和區域生態足跡、高估區域足跡廣度的缺陷，更為準確地揭示了自然資本所面臨的嚴峻形勢；

②借鑒氣候變化、經濟學和生態學等領域的研究成果，構建了人均歷史累積足跡廣度、足跡廣度基尼系數和理論足跡廣度3項新指標，以分別表征人均自然資本占用的歷史累積水平、區域自然資本占用的不公平程度和自然資本存量持續減少對自然資本流量的潛在影響，豐富了模型的理論內涵和指標體系。總之，經本文改進和補充的生態足跡三維模型，能較為全面地揭示自然資本存量與流量之間的內在關系，以及存量資本恒定對維持生態系統平衡的重要性，為深化自然資本核算研究提供了一定的理論依據。

同時也必須指出，由于篇幅所限，本文對模型的改進和補充還缺乏具體案例驗證，特別是上述3項新增指標仍存在一些需要完善之處：

①人均歷史累積足跡廣度只是基于公平性原則來考慮自然資本流量占用的歷史責任，而未考慮各國經濟社會發展水平的差異和對未來自然資本需求的變化趨勢，歷史累積計算的時段選擇及所需統計數據的來源等也存在較大的不確定性；

②足跡廣度基尼系數只能從總體上比較區域之間自然資本占用的相對差異及不公平程度，卻無法反映區域之間的絕對差異及區域的實際狀況，且幾何法(包括梯形法和矩形法)求解基尼系數始終存在結果偏低的情況(因為近似積分面積必然小于實際面積)，從而影響到決策制定的科學性；

③理論足跡廣度嘗試性地對自然資本存量持續減少的潛在生態影響進行量化，其結果本身反映生態系統負債所造成的資本收益折損，是一個理論值而非真實值，特別是在長期生態赤字背景下，理論足跡廣度與實際足跡廣度將明顯背離。前期實證研究表明，在進行自然資本利用的空間尺度比較時，不能僅僅根據生態足跡或生態赤字的數值大小進行簡單排序，而應結合各區域的實際特點，重點分析資源消費的代際公平性(區域足跡深度)和代內公平性(區域足跡廣度)特征，比較生態赤字(或生態盈余)在地類分布和產生原因等方面的差異。此外，還有一些自然資本存量方面的關鍵性問題有待進一步探討：自然資本存量減少對生態系統服務功能的具體影響是什么，自然資本存量耗竭的生態閾值又是多少。正如宏觀經濟學中采用永續盤存法估算物質資本存量一樣，生態經濟學者也應積極探索構建普適性的自然資本存量測度方法，這對于深化自然資本核算研究，促進生態學與經濟學的進一步交叉與融合，都將具有十分重要的意義。