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        生態(tài)足跡深度和廣度:構(gòu)建三維模型的新指標

        2013-08-02 07:31:26
        生態(tài)學報 2013年1期
        關(guān)鍵詞:廣度存量足跡

        方 愷

        (荷蘭萊頓大學環(huán)境科學系,萊頓 2333CC)

        自然資本是影響人類福祉與可持續(xù)性水平的關(guān)鍵因素[1-2]。相對緩慢的資源更新速度越來越無法滿足人類不斷膨脹的物質(zhì)需求[3],這一矛盾成為阻礙社會可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實威脅。因此,如何量化人類對自然資本的需求以及自然資本的供給能力,是可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域的優(yōu)先課題[4]。在此背景下,生態(tài)足跡作為一種評價可持續(xù)發(fā)展的生物物理方法應運而生[5-6]。該方法從土地的生物生產(chǎn)功能入手,用面積大小直觀地表征人類資源消費和廢棄物排放過程中對生態(tài)環(huán)境的占用程度,視角新穎,思路清晰,方法簡便可行,得到了學界的積極響應與普遍認同[7-8]。

        近年來,隨著相關(guān)研究的深入,生態(tài)足跡模型中的一些局限也逐漸顯現(xiàn)[8-10],很多學者嘗試引入新的分析方法或指標加以改進和完善,取得了長足的進步。例如,針對靜態(tài)性評估不能預測生態(tài)足跡變化趨勢的問題,Wackernagel等[11]提出通過長時間序列計算加以克服;針對均衡因子和產(chǎn)量因子難以反映區(qū)域?qū)嶋H特征的缺陷,Haberl等[12]利用研究區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)取代全球均值,以準確測度人類活動對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響程度;針對生產(chǎn)力概念界定模糊的不足,Kitzes等[8]建議根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的實際生產(chǎn)力而非潛在生產(chǎn)力進行計算,這樣會更精確地反映人類活動的生態(tài)累積效應;針對貿(mào)易調(diào)整中存在的不確定性,Kissinger等[13]通過追蹤商品特性將生態(tài)足跡落實到具體的貨源地上。最近,Niccolucci和Wackernagel等[14-15]通過引入兩個新指標——生態(tài)足跡深度和生態(tài)足跡廣度(以下分別簡稱足跡深度和足跡廣度),將原來的二維模型增加到三維,使生態(tài)足跡研究向縱深拓展。本文重點闡述生態(tài)足跡三維模型的基本概念和計算方法,總結(jié)模型的主要優(yōu)勢,并以中國為例進行實證分析,以期推動該方向研究在我國盡快展開。

        1 生態(tài)足跡三維模型

        1.1 理論基礎(chǔ)

        與傳統(tǒng)經(jīng)濟學不同,生態(tài)經(jīng)濟學認為市場僅對特定屬性的商品和服務有效,而非確定經(jīng)濟最優(yōu)性的主要工具,從存量和流量的維度研究自然資本的屬性非常必要[16]。經(jīng)典的生態(tài)足跡二維模型雖然承認自然資本在可持續(xù)發(fā)展中的重要性[17],但并未對存量和流量作實質(zhì)性區(qū)分,無法體現(xiàn)資本存量恒定對全球生態(tài)系統(tǒng)平衡所起的不可替代的作用。生態(tài)經(jīng)濟學家Daly[18]借鑒熱力學熵定律,提出了可持續(xù)發(fā)展需要遵循的三項基本準則:(1)可再生資源(如生物資源)的占用速度不應快于其再生速度;(2)不可再生資源(如化石燃料)的消耗速度不應快于相應可再生資源的替代速度;(3)污染和廢棄物的排放速度不應快于生態(tài)系統(tǒng)無害化處理的速度。簡言之,只要自然資本存量不減少,即使資本流量被完全占用,仍符合可持續(xù)發(fā)展的最低限度。Daly準則的關(guān)鍵,在于如何追蹤被人類利用的自然資本存量和流量。三維模型基于該準則,將資本存量是否減少及減少的程度作為判斷可持續(xù)性強弱的基本依據(jù),由此提出足跡深度和足跡廣度兩個指標,以分別表征人類消耗自然資本存量和占用自然資本流量的程度。

        1.2 概念與計算

        經(jīng)典的二維模型將生態(tài)足跡視為一條封閉曲線(圓),由內(nèi)圓(生物承載力)和圓環(huán)(生態(tài)赤字)相加得到(圖1a);而三維模型將生態(tài)足跡視為一個圓柱體,由底面(生物承載力)與柱高(足跡深度)相乘得到(圖1b)。

        因此,存在以下恒等關(guān)系[14]:

        式中,EF為生態(tài)足跡(ghm2);BC為生物承載力(ghm2);ED為生態(tài)赤字(ghm2);EFdepth為足跡深度(無量綱);EFsize為足跡廣度(ghm2)。

        下面分別闡述足跡深度和足跡廣度的概念、性質(zhì)和計算方法:

        (1)足跡深度

        足跡深度代表了人類對自然資本存量的消耗程度,具體可表述為等價的兩層含義:(1)需要多少公頃土地才能提供人類在1 ghm2土地上所消費的資源量(或者說需要多少個地球才能支撐當前全球人口的資源消費量);(2)需要多少年才能再生人類在1 a中所消費的資源量。

        根據(jù)式(1),足跡深度的計算公式為[14]:

        圖1 生態(tài)足跡模型由二維向三維的演變[14]Fig.1 Development of the ecological footprint models from 2D to 3D

        進一步地,足跡深度可分為自然深度和附加深度兩部分:

        由式(3)知,EFdepth≥1:(1)當EF≤BC時,僅有自然深度,EFdepth=1,此時人類占用自然資本流量(EFsize)即可滿足自身需求;(2)當EF>BC時,EFdepth>1,表明自然資本流量已無法完全滿足人類需求,需要動用存量資本。EFdepth越大,表明消耗的自然資本存量越多,發(fā)展越不可持續(xù)。

        (2)足跡廣度

        足跡廣度代表了人類對自然資本流量的占用大小。根據(jù)Hicks經(jīng)濟學理論[19],資本流動不會減少財富總量,對生態(tài)系統(tǒng)而言即意味著可持續(xù)性。生物圈可提供的自然資本流量上限為生物承載力,故足跡廣度取值范圍為[14]:

        1.3 主要優(yōu)勢

        1.3.1 區(qū)分自然資本存量和流量

        區(qū)分并追蹤自然資本存量的消耗與流量的占用是可持續(xù)發(fā)展的核心議題。三維模型以Daly準則為理論基礎(chǔ),改變了以往生態(tài)足跡研究中不區(qū)分自然資本存量和流量的做法,以存量資本減少與否作為可持續(xù)性的基本判據(jù),豐富了生態(tài)足跡理論的經(jīng)濟學內(nèi)涵。

        1.3.2 引入足跡深度和足跡廣度

        足跡深度表征了人類對超出生物承載力部分資源的累積需求,具有時間屬性;足跡廣度表征了人類對生物生產(chǎn)土地的年際需求,具有空間屬性(土地是最具表現(xiàn)力和權(quán)威性的空間概念[20])。因此,三維模型是一個時空模型,它既強調(diào)空間(土地)資源的稀缺性,又關(guān)注資源消費與資源再生之間的不同步性。

        1.3.3 模型維度由二維增至三維

        引入足跡深度后,生態(tài)足跡模型由二維變成三維,它不再是表征面積的物理量,而是表征體積的物理量(盡管仍保留ghm2作單位),其計算公式為[15]:需要指出的是,三維模型在數(shù)值上仍與經(jīng)典模型一致[15]:

        1.3.4 強調(diào)代內(nèi)公平和代際公平

        不再以生態(tài)足跡或生態(tài)赤字的絕對數(shù)值作為區(qū)域間可持續(xù)性比較的唯一依據(jù),因為較大的生態(tài)足跡或生態(tài)赤字往往并不代表發(fā)展的不可持續(xù)性,相反卻表明經(jīng)濟開放程度較高[21]。三維模型中,足跡廣度可表征同一時期不同區(qū)域間資源消費和生態(tài)服務的公平性差異,足跡深度則能表征同一區(qū)域不同時期間資源消費和生態(tài)服務的公平性差異,從而使生態(tài)足跡在不同區(qū)域、不同時期之間的可比性得到增強。

        1.4 模型補充

        1.4.1 引入資本流量占用率

        當資本流量未被完全占用時,足跡深度處于自然原長,無法表征人類對資本流量的實際占用程度。為此,引入資本流量占用率指標,其計算公式為:

        1.4.2 引入存量流量利用比

        當資本流量被完全占用時,存量資本也開始消耗。為此,引入存量流量利用比指標,以表征實際所利用自然資本中存量與流量之間的大小關(guān)系,其計算公式為:

        2 基于三維模型的中國生態(tài)足跡分析

        2.1 生態(tài)足跡和生物承載力

        1961—2006 年,中國人均生態(tài)足跡①本文所需的生態(tài)足跡和生物承載力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源自文獻[22-23]在波動中迅速上升,從1961年的0.76 ghm2增加到2006年的1.94 ghm2,年均遞增2.10%;與此相反,同期人均生物承載力緩慢下降,從1.43 ghm2減少到0.67 ghm2,年均遞減1.67%??傮w上,兩者呈反向變化趨勢(圖2),生態(tài)足跡的波動相對劇烈,這是因為生態(tài)足跡對人為因素較敏感,而生物承載力主要受自然資源稟賦支配。1961年,生態(tài)足跡僅占生物承載力的一半左右;而到2006年時,生態(tài)足跡已反超生物承載力近1倍,人均生態(tài)赤字高達1.27 ghm2。1999年,無論生態(tài)足跡還是生物承載力均有明顯減少,很可能與金融危機和洪災的影響有關(guān),這也與CCICED-WWF[24]的計算結(jié)果基本一致。

        2.2 足跡深度和足跡廣度

        2.2.1 足跡深度如圖3所示,1961—1977年,足跡深度一直處于自然原長,此時中國處于生態(tài)盈余狀態(tài),依靠自然資本流量完全可以滿足自身的資源和生態(tài)服務需求;1978年,足跡深度首次突破1,標志著中國生態(tài)赤字時代到來,自然資本流量不足以支撐日益膨脹的消費需求,需要消耗資本存量以維持自身發(fā)展;1979—2002年,足跡深度除在個別年份(1993、1996年)短暫減少外,總體呈明顯上升趨勢;2003—2005年,足跡深度增速進一步加快,年均遞增6.79%,表明資源消費的生態(tài)壓力持續(xù)增大;到2006年時,足跡深度高達2.90(即需要近3倍的國土面積才能持續(xù)支撐當前中國的資源消費量),較1977年增長了近2倍,表明資源消費與再生之間的速度差已相當大。

        圖2 1961—2006年中國人均生態(tài)足跡和生物承載力變化趨勢Fig.2 Trends of ecological footprint and biocapacity per capita in China from 1961 to 2006

        圖3 1961—2006年中國足跡深度和人均足跡廣度Fig.3 Footprint depth and footprint size per capita in China from 1961 to 2006

        進一步分析,若視生物承載力為自然資本的年際收益,生態(tài)足跡為年際支出,則生態(tài)赤字類似于一種生態(tài)債務[25]。盡管生物承載力與生態(tài)赤字的量綱相同(ghm2),但兩者有本質(zhì)性的差異:生物承載力是真實存在的土地面積,無法逐年累加;而生態(tài)赤字是具有虛擬屬性的土地面積,可以逐年累加。根據(jù)“分母不變分子相加”的同分母分數(shù)相加法則,若忽略生物承載力的微小變化,則生態(tài)赤字與生物承載力的比值也應具有累加功能,由式(2)知,即足跡深度也可隨時間推移不斷累加。也就是說,雖然中國先前連續(xù)17 a保持了生態(tài)盈余,但自然資本流量一旦無法及時替代所消費的資源,就會立即引起資本存量減少,從而導致生態(tài)赤字。此外,隨著足跡深度逐漸增大,資本存量消耗加快,還會反作用于生物承載力導致其下降。

        2.2.2 足跡廣度

        比較圖3與圖2發(fā)現(xiàn),1961—1972年,人均足跡廣度與生態(tài)足跡處于同步變化階段,在0.8 ghm2左右小幅震蕩;1973—1979年,人均足跡廣度迅速增加,最終達到0.95 ghm2的歷史高位,此時對自然資本流量的實際占用量也達到最大。這一時期,由于生物承載力被反超,足跡廣度與生態(tài)足跡脫鉤并與生物承載力掛鉤[26],生物生產(chǎn)土地開始成為中國經(jīng)濟社會發(fā)展的限制性因子;1980—1989年,受人口持續(xù)增長等因素影響,足跡廣度隨生物承載力呈波動下降趨勢但降幅趨緩,盡管該時期自然資本流量的占用率均達到100%,但實際占用量已有所減少;1990—1998年,人均足跡廣度基本穩(wěn)定在0.9 ghm2左右;1999年,人均足跡廣度驟降到0.68 ghm2,除數(shù)據(jù)來源不同導致的結(jié)果誤差外,如前所述,很可能與金融危機和洪災導致自然資本流量減少有關(guān);2000—2006年,足跡廣度基本保持穩(wěn)定。

        內(nèi)蒙古大學馬克思主義學院副院長傅鎖根說,《必由之路》是一部非常鮮活的教科書,展現(xiàn)出中國人從昨天怎樣走到今天,怎樣從站起來到富起來再到強起來的過程。

        2.2.3 比較分析

        (1)變化率

        比較足跡深度和足跡廣度的歷年變化率(圖4):1961—2006年,足跡深度從1.00增加到2.90,年均遞增2.39%(實際上直到1978年才開始增長,故實際增速為3.84%);同期人均足跡廣度從0.76 ghm2減少到0.67 ghm2,年均遞減0.28%(實際上總體呈先升后降趨勢)??梢?,足跡深度的增幅明顯大于足跡廣度的降幅,由式(5)知,這是生態(tài)足跡不斷增加的結(jié)果。從圖5也可看出,若將中國生態(tài)足跡視為一個體積逐漸增大的圓柱,其底面積和柱高呈非等比例變化:1961—1977年,柱高始終未變,僅有底面積在擴大;1978—2006年,柱高迅速增加,而底面積卻緩慢縮小。這也從一個側(cè)面反映出生態(tài)環(huán)境所承受的壓力和壓強都在迅速增大。

        圖4 1962—2006年中國足跡深度和足跡廣度的變化率Fig.4 Change rate of footprint depth and footprint size in China from 1962 to 2006

        (2)資本流量占用率和存量流量利用比

        資本流量占用率和存量流量利用比的計算結(jié)果見表1。1961—1977年,資本流量占用率從53.1%倍增到95.8%,表明在占用水平大幅提高的同時,供給也接近飽和;1978—1998年,存量流量利用比從0.01增加到0.64,表明中國所利用自然資本的近40%由存量資本提供;1999年,存量流量利用比驟增62.5%,首次突破1,資本存量取代流量成為中國自然資本供給的主要來源;2000—2006年,隨著生態(tài)足跡與生物承載力的差距

        圖5 特征年份的中國三維生態(tài)足跡Fig.5 3D ecological footprint in China in specific years

        表1 1961—2006年中國資本流量占用率和存量流量利用比Table 1 Appropriation rate of capital flows and use ratio of stocks to flows in China from 1961 to 2006

        (3)剪刀差①剪刀差可以表征某時刻兩種變化趨勢之間的差異程度,其計算公式為[27]:式中,α為剪刀差(α越大表明兩者變化差異越大);y'1(t0),y'2(t0)分別為t0時刻兩種指標的變化率

        通過計算剪刀差分析中國足跡深度與足跡廣度變化趨勢的差異性。如圖6所示,足跡深度與足跡廣度的變化差異不斷擴大。1961—1977年,兩者的反向趨勢相對較弱,主要是因為足跡深度一直保持不變;1978—1998年,兩者的反向趨勢逐步顯現(xiàn);1999年,剪刀差驟升到3.06,兩者的拮抗作用十分明顯,表明在自然資本流量急劇減少的背景下,越來越多的存量資本被動用以維持自身發(fā)展;2000—2006年,兩者的反向趨勢進一步顯現(xiàn)。此外,足跡深度與足跡廣度的剪刀差總體大于生態(tài)足跡與生物承載力的剪刀差,意味著資源消費供需矛盾在三維模型上得到更明顯的反映,有助于克服經(jīng)典模型對人類環(huán)境影響估計不足的局限[28]。

        3 結(jié)論與討論

        本文系統(tǒng)闡述了生態(tài)足跡三維模型的概念和計算方法,重點對足跡深度和足跡廣度兩個指標進行了探討,總結(jié)了模型的主要優(yōu)勢,并通過引入資本流量占用率和存量流量利用比兩個新指標對模型作進一步完善。三維模型以Daly準則為理論基礎(chǔ),不僅考慮人類資源消費對生物生產(chǎn)土地的年際占用(足跡廣度),還考慮其在時間上的累積效應(足跡深度),在區(qū)分自然資本存量與流量的同時,保持了經(jīng)典模型的基本框架和優(yōu)勢,在可再生資源和生態(tài)服務供給不足、需要動用存量資本時十分有效。此外,作為一個時空模型,它非常關(guān)注資源消費與生態(tài)服務的代內(nèi)和代際公平,增強了生態(tài)足跡在不同區(qū)域、不同時期之間的可比性。

        圖6 1962—2006年中國足跡深度和足跡廣度的剪刀差Fig.6 Scissors difference between footprint depth and footprint size in China from 1962 to 2006

        對中國的實證分析表明,1961—2006年,人均生態(tài)足跡倍增有余,反超生物承載力近1倍。1978年,盡管足跡廣度達到0.95 ghm2的歷史高位,但足跡深度也首次突破原長,中國步入生態(tài)赤字時代,由于自然資本流量不足導致資本存量消耗成為社會發(fā)展常態(tài)。在隨后的28 a中,足跡深度增長近2倍,足跡廣度波動下降,兩者的反向趨勢不斷強化,生態(tài)環(huán)境壓力迅速增大。到2006年時,中國需要近3倍的國土才能持續(xù)支撐其資源消費量。結(jié)果表明,資源消費供需矛盾在三維模型上反映得更為顯著,一定程度上克服了經(jīng)典模型的評估缺陷。

        近年來,模型改進及性能測試已成為生態(tài)足跡研究的重中之重。成分法與物質(zhì)流分析、投入產(chǎn)出分析、生命周期評價、能值分析、凈初級生產(chǎn)力、情景分析、非線性科學理論、3S、土地利用/覆被變化、生態(tài)系統(tǒng)服務評估、生態(tài)補償?shù)确椒ê图夹g(shù)相繼參與其中,在促進生態(tài)足跡理論發(fā)展與深化的同時,并未從根本上改變模型的二維尺度。三維模型的提出,為生態(tài)足跡改進研究提供了新的視角。誠然,該模型仍存在一定的局限性,主要表現(xiàn)為:(1)未分析自然資本在不同類型生物生產(chǎn)土地上的供需關(guān)系;(2)未測算存量資本消耗對生物承載力和土地生產(chǎn)力的具體影響;(3)未考慮跨區(qū)貿(mào)易對自然資本的轉(zhuǎn)移作用,這些均有待于今后研究解決。此外,本文所采用的數(shù)據(jù)來源雖然存在一定差異,但均基于相同的計算方法,數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性也較強,所以對研究結(jié)果的影響并不明顯。最后還需指出的是,本文僅分析了自然資本存量相較于以往年份的消耗程度,如能建立一個廣為接受的自然資本存量測度方法(類似于經(jīng)濟學中估算物質(zhì)資本存量的永續(xù)盤存法[29]),則將進一步推動可持續(xù)發(fā)展研究的定量化進程。

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