方愷

荷蘭萊頓大學(xué)環(huán)境科學(xué)系，荷蘭 萊頓 2333CC

基于足跡家族和行星邊界的主要國(guó)家環(huán)境可持續(xù)性多維評(píng)價(jià)

方愷

荷蘭萊頓大學(xué)環(huán)境科學(xué)系，荷蘭 萊頓 2333CC

足跡家族和行星邊界都是國(guó)際可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域新近出現(xiàn)的熱點(diǎn)概念。系統(tǒng)回顧了足跡家族和行星邊界的概念緣起，首次提出了基于足跡家族和行星邊界的環(huán)境可持續(xù)性概念及其評(píng)價(jià)框架。其中，足跡家族定義為：人類在自然資源消費(fèi)和廢棄物排放過(guò)程中占用的地球生態(tài)系統(tǒng)的再生和消納能力；行星邊界定義為：可供人類安全占用的地球生態(tài)系統(tǒng)的最大再生和消納能力。由此，將環(huán)境可持續(xù)性定量描述為人類環(huán)境足跡小于或等于對(duì)應(yīng)行星邊界的情形，反之則為環(huán)境不可持續(xù)性。分析了該環(huán)境可持續(xù)性概念的6項(xiàng)基本特征：系統(tǒng)性、選擇性、交互性、不確定性、尺度依賴性、赤字可權(quán)衡性。在此基礎(chǔ)上，以全球30個(gè)主要國(guó)家為例，對(duì)提出的足跡家族-行星邊界整合框架進(jìn)行了實(shí)證應(yīng)用。從與人類社會(huì)關(guān)系重大的環(huán)境問(wèn)題入手，對(duì)各國(guó)在氣候變化（碳排放）、水資源利用和土地利用3方面的環(huán)境可持續(xù)性進(jìn)行了多維測(cè)度。結(jié)果顯示：22國(guó)的碳排放呈現(xiàn)不可持續(xù)性，人均碳赤字最高為美國(guó)的26.1 t·a-1（以CO2當(dāng)量計(jì)）；17國(guó)的水資源利用呈現(xiàn)不可持續(xù)性，人均水赤字最高為西班牙的1497.8 m3·a-1；15國(guó)的土地利用呈現(xiàn)不可持續(xù)性，人均土地赤字最高為荷蘭的2.3 hm2·a-1。研究表明，碳排放的可持續(xù)性與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平關(guān)系密切，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)明顯大于發(fā)展中國(guó)家；水資源利用和土地利用的可持續(xù)性則更多地受各國(guó)人均資源稟賦制約。本研究對(duì)科學(xué)量化和比較不同國(guó)家的環(huán)境可持續(xù)性具有參考價(jià)值，該評(píng)價(jià)方法也適用于其他環(huán)境問(wèn)題或國(guó)家以下尺度的核算分析。

環(huán)境可持續(xù)性；足跡家族；行星邊界；整合；環(huán)境赤字（盈余）；多維

可持續(xù)發(fā)展是現(xiàn)代社會(huì)的永恒目標(biāo)，也是當(dāng)今人類面臨的最大挑戰(zhàn)（鄔建國(guó)等，2014）。評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家或區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展水平，一般要從環(huán)境可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性和社會(huì)可持續(xù)性3方面進(jìn)行綜合考量。其中，環(huán)境可持續(xù)性既是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)性的前提與基礎(chǔ)，同時(shí)也是最難以實(shí)現(xiàn)的瓶頸因素（Heijungs等，2010）。因此，環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)一直被視為可持續(xù)發(fā)展研究領(lǐng)域的重要課題（Moldan等，2012；黃寶榮等，2008）。當(dāng)前國(guó)際上較為通行的環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)工具主要包括：①環(huán)境可持續(xù)性指數(shù)；②環(huán)境績(jī)效指數(shù)；③環(huán)境脆弱性指數(shù)；④環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；⑤生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)；⑥凈初級(jí)生產(chǎn)力的人類占用；⑦生態(tài)足跡和生物承載力。其中，①～⑤均為復(fù)雜指標(biāo)體系整合而成的綜合指數(shù)，信息覆蓋面較廣、量化過(guò)程相對(duì)規(guī)范，但也存在著變量選擇不透明、數(shù)據(jù)收集困難等局限（Siche等，2008；Singh等，2009）；⑥為單一指標(biāo)，易于理解和量化，缺點(diǎn)是指標(biāo)的信息量不夠，難以及時(shí)反映人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域環(huán)境的復(fù)雜影響（Erb K-H等，2012；Haberl，1997）；⑦是迄今影響最大、應(yīng)用最廣的一對(duì)指標(biāo)，通過(guò)比較生態(tài)足跡和生物承載力的大小關(guān)系，可以清楚地指示人類在食物消費(fèi)和能源碳排放方面的生態(tài)超載程度，缺點(diǎn)在于計(jì)算誤差較大、一些重要環(huán)境問(wèn)題被遺漏等（van den Bergh和Grazi，2014；Wackernagel和Rees，1996）。

通過(guò)對(duì)上述幾種評(píng)價(jià)工具的分析，可以看出它們?cè)谥笜?biāo)構(gòu)成方面存在共性特征：既有反映人為壓力及其環(huán)境影響的現(xiàn)狀指標(biāo)，又有體現(xiàn)環(huán)境系統(tǒng)自然稟賦或承載能力的臨界指標(biāo)。例如，在生態(tài)足跡評(píng)價(jià)中，生態(tài)足跡、生物承載力分別代表了現(xiàn)狀指標(biāo)和臨界指標(biāo)；在凈初級(jí)生產(chǎn)力的人類占用評(píng)價(jià)中，這2項(xiàng)指標(biāo)分別被實(shí)際可用生物量、無(wú)人類干擾的生物生產(chǎn)力所代替。而對(duì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)而言，除了包含大量現(xiàn)狀指標(biāo)外，臨界指標(biāo)往往以百分比的形式與前者一同出現(xiàn)。以環(huán)境可持續(xù)性指數(shù)為例（杜斌等，2006），其下設(shè)的“受威脅鳥類種群比”、“超出酸雨負(fù)荷的國(guó)土面積比”、“處于重度缺水壓力下的國(guó)土面積比”均屬于此類指標(biāo)。總之，將現(xiàn)狀指標(biāo)和臨界指標(biāo)進(jìn)行定量比較，是多數(shù)環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)研究遵循的基本思路。

國(guó)際可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域新近出現(xiàn)的2個(gè)熱點(diǎn)概念——足跡家族（footprint family）和行星邊界（planetary boundaries），恰分屬于現(xiàn)狀指標(biāo)和臨界指標(biāo)的范疇。然而國(guó)內(nèi)迄今對(duì)此鮮有報(bào)道，將兩者進(jìn)行整合研究在國(guó)內(nèi)外都尚屬空白。為此，本文通過(guò)引入足跡家族和行星邊界，對(duì)環(huán)境可持續(xù)性的概念作重新定義，并以氣候變化、水資源利用和土地利用3項(xiàng)環(huán)境問(wèn)題為例，嘗試性地評(píng)價(jià)全球30個(gè)主要國(guó)家的環(huán)境可持續(xù)性，以期為推動(dòng)制定國(guó)際可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)。

1 基于足跡家族和行星邊界的環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)框架

1.1 足跡家族與行星邊界的概念緣起

出于對(duì)代際公平和自然資本稀缺性的關(guān)注，Goodland和Daly（1996）從物質(zhì)輸入、輸出的角度首次定義了環(huán)境可持續(xù)性的“三原則”：①?gòu)U棄物的排放不應(yīng)超出自然消納能力；②可再生資源消費(fèi)不應(yīng)超出其再生能力；③不可再生資源消費(fèi)不應(yīng)超出可再生資源的替代能力。從生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，環(huán)境可持續(xù)性的關(guān)鍵是要將人類的自然資本需求控制在地球生態(tài)系統(tǒng)的承載力范圍之內(nèi)。Wackernagel和Rees（1996）正是基于該理念提出了著名的生態(tài)足跡和生物承載力概念，并將前者小于或等于后者作為判定環(huán)境可持續(xù)性的依據(jù)。生態(tài)足跡的成功極大地帶動(dòng)了環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)領(lǐng)域指標(biāo)的發(fā)展，水足跡、碳足跡、氮足跡、磷足跡、土地足跡、化學(xué)足跡、生物多樣性足跡等一系列指標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生，豐富和擴(kuò)展了足跡家族的內(nèi)涵與外延（Fang等，2014；Galli等，2012）。

與此同時(shí)，針對(duì)承載力的量化研究也從未停止。大批學(xué)者嘗試從容量、極限、閾值等不同角度定義承載力，在一定程度上彌補(bǔ)了生物承載力指標(biāo)信息不夠全面的缺陷（Fang和Heijungs，2014；Giljum等，2011；方愷等，2011；顧康康，2012）。特別是由Rockstr?m等（2009）提出的行星邊界概念，首次明確了全球多項(xiàng)環(huán)境問(wèn)題的生物物理臨界閾值，從而引發(fā)了學(xué)界的空前關(guān)注和討論，Science、Nature均進(jìn)行了跟蹤報(bào)道（Erb K-H等，2012；Lewis，2012）。行星邊界采用一系列控制變量來(lái)表征不同環(huán)境問(wèn)題，例如CO2體積分?jǐn)?shù)、淡水消耗量、人工固氮量、海水磷輸入量、耕地占比、海水飽和度、O3含量、物種滅絕速度分別表征氣候變化、水資源利用、氮排放、磷排放、土地利用、海洋酸化、平流層臭氧消耗、生物多樣性喪失。

此外，足跡家族和行星邊界的研究者還分別從各自的學(xué)科出發(fā)，嘗試從全球尺度對(duì)主要環(huán)境問(wèn)題的可持續(xù)性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。前者如Hoekstra和Wiedmann（2014）在Science上提出了最大可持續(xù)足跡的概念，與各項(xiàng)環(huán)境足跡相比較即可判斷環(huán)境可持續(xù)性（圖1左）。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于足跡指標(biāo)的環(huán)境關(guān)聯(lián)性高，例如碳足跡綜合考慮了CO2、CH4、N2O等不同溫室氣體的排放量及其相應(yīng)的全球暖化潛值，較之大氣CO2體積分?jǐn)?shù)更能全面反映氣候變化的趨勢(shì)；不足之處在于未能給出全部環(huán)境問(wèn)題對(duì)應(yīng)的最大可持續(xù)足跡，已給出的數(shù)值也遠(yuǎn)沒有行星邊界的共識(shí)度高。后者如Rockstr?m等（2009）在Nature上將行星邊界和現(xiàn)狀值進(jìn)行比較，以判斷不同環(huán)境問(wèn)題的越界程度（圖1右）。雖然行星邊界較為完整地設(shè)定了各項(xiàng)環(huán)境問(wèn)題的臨界閾值，但現(xiàn)狀評(píng)價(jià)完全基于專家知識(shí)而非計(jì)量模型，結(jié)果的真實(shí)性和可信度存在較大爭(zhēng)議（de Vries等，2013；Lewis，2012）。

圖1 足跡家族研究者（左）和行星邊界研究者（右）分別評(píng)價(jià)全球環(huán)境可持續(xù)性Fig. 1 Global environmental sustainability assessed by footprint family users (left) and planetary boundaries users (right)

1.2 基于足跡家族和行星邊界的環(huán)境可持續(xù)性概念

上述分析表明，足跡家族概念和行星邊界概念各有優(yōu)勢(shì)，并且具備很強(qiáng)的互補(bǔ)性。一方面，足跡家族業(yè)已形成了一套規(guī)范化的指標(biāo)核算方法，可以為行星邊界提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)方法，克服專家知識(shí)可能導(dǎo)致的主觀性、模糊性和不確定性；另一方面，行星邊界有助于克服一些環(huán)境足跡缺乏相應(yīng)承載力（如碳足跡）或承載力指標(biāo)權(quán)威性不足（如水足跡）的問(wèn)題。此外，它們兩者關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題也高度相似，均包括氣候變化、水資源利用、土地利用等。

因此，將足跡家族與行星邊界結(jié)合起來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境可持續(xù)性合理且可行。參考相關(guān)研究，本文將足跡家族定義為：人類在自然資源消費(fèi)和廢棄物排放過(guò)程中占用的地球生態(tài)系統(tǒng)的再生和消納能力；將行星邊界定義為：可供人類安全占用的地球生態(tài)系統(tǒng)的最大再生和消納能力，是維持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能基本穩(wěn)定的臨界閾值。由此，環(huán)境可持續(xù)性即指人類的環(huán)境足跡小于或等于對(duì)應(yīng)的行星邊界的情形，反之則為環(huán)境不可持續(xù)性（圖2）。

1.3 環(huán)境可持續(xù)性概念的基本特征

以上定義的環(huán)境可持續(xù)性概念兼具足跡家族和行星邊界的基本特征：①系統(tǒng)性，以地球生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，多維評(píng)價(jià)人類活動(dòng)的環(huán)境可持續(xù)性；②選擇性，環(huán)境問(wèn)題的選擇視研究需要而定，一般優(yōu)先考慮人為因素占主導(dǎo)、關(guān)系人類福祉的環(huán)境問(wèn)題，如氣候變化、水資源利用、土地利用等；③交互性，不同環(huán)境問(wèn)題之間相互聯(lián)系、影響和制約，例如大規(guī)模毀林伐木不僅改變地表的土地利用格局，還會(huì)因涵養(yǎng)水源、固碳釋氧等功能的退化而加劇水資源短缺和氣候變暖；④不確定性，環(huán)境足跡大于行星邊界即意味著地球生態(tài)系統(tǒng)將發(fā)生不可逆突變，不過(guò)這種突變是否及何時(shí)會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果仍有很大的不確定性；⑤尺度依賴性，既可以基于全球尺度進(jìn)行評(píng)價(jià)，也可以基于國(guó)家、區(qū)域等較小的尺度進(jìn)行評(píng)價(jià)，相應(yīng)地，環(huán)境足跡和環(huán)境邊界也應(yīng)有全球、國(guó)家、區(qū)域等不同尺度之分，這是環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)可以在國(guó)家、區(qū)域等不同尺度開展的前提；⑥赤字可權(quán)衡性，雖然理論上所有環(huán)境問(wèn)題都盈余的情況稱為強(qiáng)環(huán)境可持續(xù)性，但事實(shí)上全球多數(shù)國(guó)家和區(qū)域都呈現(xiàn)弱可持續(xù)性甚至不可持續(xù)性，這就要求人們對(duì)各項(xiàng)環(huán)境赤字進(jìn)行綜合權(quán)衡，優(yōu)先關(guān)注亟待治理的重大環(huán)境問(wèn)題，從而最大限度地減少環(huán)境不可持續(xù)性給人類社會(huì)帶來(lái)的負(fù)面影響。

1.4 環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)方法

為了定量比較不同國(guó)家的環(huán)境可持續(xù)性，提出環(huán)境赤字和環(huán)境盈余的概念，即當(dāng)人類的環(huán)境足跡大于對(duì)應(yīng)環(huán)境邊界時(shí)，產(chǎn)生環(huán)境赤字，環(huán)境赤字越大，表明環(huán)境越不可持續(xù)；當(dāng)環(huán)境足跡小于環(huán)境邊界時(shí)，產(chǎn)生環(huán)境盈余，環(huán)境赤字越大，表明環(huán)境可持續(xù)性越強(qiáng)；當(dāng)環(huán)境足跡等于環(huán)境邊界時(shí)，既不產(chǎn)生環(huán)境赤字也不產(chǎn)生環(huán)境盈余，處于臨界平衡狀態(tài)。環(huán)境赤字和環(huán)境盈余的計(jì)算公式分別為：

式（1）中：EDi,j為第i國(guó)j項(xiàng)環(huán)境赤字；ERi,j為第i國(guó)j項(xiàng)環(huán)境盈余；EFi,j為第i國(guó)j項(xiàng)環(huán)境足跡；EBi,j為第i國(guó)j項(xiàng)環(huán)境邊界。

2 全球主要國(guó)家環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)

2.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來(lái)源

圖2 基于足跡家族和行星邊界的環(huán)境可持續(xù)性概念框架Fig. 2 Conceptual framework for environmental sustainability assessment based on footprint family and planetary boundaries

基于樣本代表性和數(shù)據(jù)可得性的考慮，選取了以下30個(gè)國(guó)家作為研究區(qū)域：阿根廷、澳大利亞、孟加拉國(guó)、巴西、加拿大、智利、中國(guó)、哥倫比亞、法國(guó)、德國(guó)、印度、印尼、意大利、日本、韓國(guó)、馬來(lái)西亞、墨西哥、荷蘭、菲律賓、俄羅斯、南非、西班牙、瑞典、泰國(guó)、土耳其、烏干達(dá)、英國(guó)、美國(guó)、越南、津巴布韋；選取了3項(xiàng)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià)：氣候變化（碳排放）、水資源利用和土地利用，據(jù)此核算各國(guó)在每一項(xiàng)問(wèn)題上的環(huán)境赤字（或盈余）。需要指出，本文重點(diǎn)在于探索行星邊界概念在國(guó)家尺度的應(yīng)用及其與環(huán)境足跡的整合路徑，因此環(huán)境足跡數(shù)據(jù)以收集和處理已有文獻(xiàn)資料為主。其中，各國(guó)的碳足跡、水足跡數(shù)據(jù)分別來(lái)源于Hertwich和Peters（2009）、Mekonnen和Hoekstra（2011）；土地足跡由GFN（2012）公布的生態(tài)足跡數(shù)據(jù)扣除能源碳排放部分得到。碳邊界、水邊界、土地邊界的核算方法及所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)詳見下文。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 氣候變化

碳足跡從消費(fèi)者負(fù)責(zé)的觀點(diǎn)出發(fā)，不僅核算居民消費(fèi)活動(dòng)導(dǎo)致的直接溫室氣體排放和隱含在商品貿(mào)易中的間接溫室氣體排放，而且考慮了不同氣體單位排放量的溫室效應(yīng)差異，是一個(gè)被人們廣泛接受的氣候變化綜合指標(biāo)（Wiedmann和Minx，2007）。30國(guó)中，發(fā)達(dá)國(guó)家的人均碳足跡（本文計(jì)算的均為人均指標(biāo)）普遍高于10.0 t·a-1（以CO2當(dāng)量計(jì)，下同），明顯超出發(fā)展中國(guó)家1.1～6.0 t·a-1的水平。值得注意的是，中國(guó)的碳排放總量雖然已躍居世界首位，但其中有相當(dāng)一部分被用于承載其他國(guó)家的碳轉(zhuǎn)移。剔除這部分碳排放，中國(guó)的實(shí)際碳足跡只有3.1 t·a-1，在30國(guó)中居倒數(shù)第9位。

碳邊界的確定有賴于對(duì)未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)期全球氣溫變化和人口增長(zhǎng)趨勢(shì)的科學(xué)預(yù)測(cè)。目前國(guó)際上普遍認(rèn)為2050年的全球氣溫增幅（較工業(yè)化前）應(yīng)控制在2 ℃以內(nèi)（IPCC，2007）。Rockstr?m等（2009）正是基于該閾值提出大氣CO2體積分?jǐn)?shù)需要長(zhǎng)期穩(wěn)定在350×10-6水平的觀點(diǎn)，相當(dāng)于人類的年碳排放量不應(yīng)超過(guò)17×109～23×109t·a-1（UNEP，2013），這與Hoekstra和Wiedmann（2014）估算的18×109～25×109t·a-1相當(dāng)接近?？紤]到全球人口可能從現(xiàn)在的70億增長(zhǎng)到2050年的近100億（DESA，2013），因此將國(guó)家碳邊界設(shè)定為2.5 t·a-1較為合理。

按碳赤字由高到低對(duì)30國(guó)在氣候變化方面的環(huán)境可持續(xù)性進(jìn)行定量排序（圖3）。結(jié)果表明，22國(guó)的碳排放呈現(xiàn)不可持續(xù)性，碳赤字最高為美國(guó)的26.1 t·a-1，最低為中國(guó)的0.6 t·a-1；7國(guó)的碳排放呈現(xiàn)可持續(xù)性，孟加拉國(guó)和烏干達(dá)的碳盈余并列最高，均為1.4 t·a-1；1國(guó)（阿根廷）的碳足跡和碳邊界恰好相抵。可見，發(fā)達(dá)國(guó)家的碳足跡數(shù)倍于碳邊界，而發(fā)展中國(guó)家的越界程度相對(duì)較小或者根本未越界，前者對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)明顯大于后者。

必須指出，本文核算的碳盈余（或赤字）旨在反映當(dāng)前氣候變化趨勢(shì)下國(guó)家碳消費(fèi)的環(huán)境可持續(xù)性，并不等同于碳的排放空間或減排責(zé)任，因?yàn)槿绻獙?duì)排放權(quán)進(jìn)行分配，則“人均累計(jì)排放指標(biāo)”更能體現(xiàn)共同而有區(qū)別責(zé)任的公平原則（丁仲禮等，2009）。但行星邊界指標(biāo)目前還缺乏考查歷史累積效應(yīng)的功能，而且多數(shù)國(guó)家的碳足跡數(shù)據(jù)也由于統(tǒng)計(jì)資料的限制只能上溯10～20 a左右，顯然無(wú)法滿足碳排放權(quán)分配的需要。即便如此，鑒于碳足跡指標(biāo)和“2 °C閾值”均有很高的國(guó)際認(rèn)可度，將兩者結(jié)合起來(lái)評(píng)價(jià)國(guó)家環(huán)境可持續(xù)性仍不失為一條有益的思路。

圖3 基于碳足跡和碳邊界的國(guó)家環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)Fig. 3 Assessing the environmental sustainability of major nations based on national carbon footprint and boundary

2.2.2 水資源利用

水足跡包括了植物蒸發(fā)蒸騰的綠水足跡、消耗地表水和地下水的藍(lán)水足跡、以及消納氮磷等水體污染物的灰水足跡，是表征人類水資源利用的綜合指標(biāo)（Hoekstra和Wiedmann，2014）。與碳足跡一樣，水足跡核算也考慮國(guó)際貿(mào)易所隱含的虛擬水。30國(guó)中，水足跡最高為西班牙的2842 m3·a-1，最低為孟加拉國(guó)的769 m3·a-1；超過(guò)2000 m3·a-1的還有加拿大、意大利、澳大利亞、馬來(lái)西亞、巴西5國(guó)；越南和中國(guó)居倒數(shù)第2、3位，分別為1058、1071 m3·a-1，均明顯低于全球1385 m3·a-1的平均水平。

不同于碳排放的全球?qū)傩裕o(wú)論碳排放在何處發(fā)生，均對(duì)全球氣候產(chǎn)生影響），水資源利用的環(huán)境可持續(xù)性不僅與消耗量有關(guān)，還受到所在區(qū)域自然條件的制約，具有高度的空間異質(zhì)性特征。因此，不能仿照碳邊界從上至下的分配方法按人口比例劃分國(guó)家水邊界，而應(yīng)根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H的水資源可用量進(jìn)行核算（馬晶和彭建，2013）。各國(guó)的可更新水資源量分配嚴(yán)重不均，最高為加拿大的82647 m3·a-1，最低為荷蘭的659 m3·a-1，兩者相差124倍之多（WDI，2013）。鑒于Rockstr?m等（2009）將地球可更新水資源總量的40%（4000×109m3·a-1）設(shè)定為水邊界，本文將國(guó)家水邊界設(shè)定為各國(guó)更新水資源量的40%。

按水盈余由低到高對(duì)各國(guó)在水資源利用方面的環(huán)境可持續(xù)性進(jìn)行定量排序（圖4）。結(jié)果表明，13國(guó)的水資源利用呈現(xiàn)可持續(xù)性，水盈余最高為加拿大的30725.8 m3·a-1，最低為越南的578.8 m3·a-1；17國(guó)的水資源利用呈現(xiàn)不可持續(xù)性，水赤字最高為西班牙的1497.8 m3·a-1，最低為日本的33.0 m3·a-1?？傮w上，環(huán)境可持續(xù)國(guó)家的水盈余均值（8418.2 m3·a-1）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境不可持續(xù)國(guó)家的水赤字均值（678.7 m3·a-1）。因此，盡管水赤字國(guó)家的數(shù)量不在少數(shù)，但在全球尺度上仍實(shí)現(xiàn)水盈余。該結(jié)論與已有研究相吻合（Hoekstra和Wiedmann，2014；Rockstr?m等，2009），從而在一定程度上驗(yàn)證了本文國(guó)家環(huán)境邊界核算方法的合理性。同時(shí)也說(shuō)明，僅基于全球尺度分析水資源利用的環(huán)境可持續(xù)性是不夠的，很可能會(huì)掩蓋一些區(qū)域水資源短缺的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)。

2.2.3 土地利用

在行星邊界理論中，將耕地占比作為土地邊界指標(biāo)的做法飽受爭(zhēng)議（Bass，2009；Brook等，2013），其缺陷在于：①未考慮耕地以外其他的土地利用類型；②將限制耕地作為地球生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件，忽視了耕地對(duì)維系人類福祉至關(guān)重要的事實(shí)；③土地利用與水資源利用類似，主要對(duì)局部區(qū)域的環(huán)境可持續(xù)性產(chǎn)生影響，只設(shè)定全球閾值意義不大。相比之下，前文述及的生物承載力指標(biāo)，既能全面考查一個(gè)區(qū)域的所有土地利用類型，又可保證與土地足跡的兼容性，因此更適合表征土地邊界。

圖4 基于水足跡和水邊界的國(guó)家環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)Fig. 4 Assessing the environmental sustainability of major nations based on national water footprint and boundary

30國(guó)中，土地邊界最高為加拿大的14.7hm2·a-1，其次分別為澳大利亞、瑞典和巴西；最低為孟加拉國(guó)的0.4 hm2·a-1，其次分別為印度、日本和菲律賓（GFN，2012）。各國(guó)的土地足跡（考慮國(guó)際貿(mào)易所隱含的虛擬土地）排序有所不同，最高為荷蘭的3.6 hm2·a-1，最低為孟加拉國(guó)的0.5 hm2·a-1；發(fā)達(dá)國(guó)家的土地足跡普遍大于2 hm2·a-1，而多數(shù)發(fā)展中國(guó)家則不足1.5 hm2·a-1。可見，土地足跡與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平關(guān)系密切，而土地邊界則主要由人均土地資源稟賦決定。

按土地盈余由低到高對(duì)各國(guó)在土地利用方面的環(huán)境可持續(xù)性進(jìn)行定量排序（圖5）。結(jié)果表明，土地利用可持續(xù)和不可持續(xù)的國(guó)家各有15國(guó)，但前者的土地盈余平均高達(dá)3.6 hm2·a-1，而后者的土地赤字平均僅為0.5 hm2·a-1。從全球尺度來(lái)看，土地足跡約為土地邊界的2/3，即土地利用的生態(tài)足跡并沒有超出其生物承載力，與Rockstr?m等（2009）“未越界”的結(jié)論相一致。還要強(qiáng)調(diào)的是，越來(lái)越多的學(xué)者注意到生態(tài)足跡方法的最大缺陷在于其能源碳排放核算部分（方愷等，2010；van den Bergh和Grazi，2014）。本文將這部分虛擬土地剝離出去，既提高了生態(tài)足跡指標(biāo)內(nèi)部的兼容性，又可保證與生物承載力各組分嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）足跡家族和行星邊界都是近年來(lái)可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的新概念。本文對(duì)兩者的互補(bǔ)性進(jìn)行了探討：足跡家族可以為行星邊界提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)方法，行星邊界則有助于彌補(bǔ)一些足跡指標(biāo)缺乏對(duì)應(yīng)承載力（如碳足跡）或承載力評(píng)價(jià)缺乏權(quán)威性（如水足跡）的不足。據(jù)此提出了基于足跡指標(biāo)和邊界指標(biāo)的環(huán)境可持續(xù)性概念。該概念將人類對(duì)自然資源再生和廢棄物消納能力的占用與地球生態(tài)系統(tǒng)的臨界閾值相比較，為量化環(huán)境問(wèn)題的越界程度或安全占用空間提供了一條可行的途徑。

（2）對(duì)全球30個(gè)主要國(guó)家環(huán)境可持續(xù)性的測(cè)度表明：①氣候變化方面，阿根廷的碳足跡和碳邊界恰好相抵，22國(guó)的碳排放呈現(xiàn)不可持續(xù)性，碳赤字在0.6～26.1 t·a-1，其余7國(guó)呈現(xiàn)可持續(xù)性，碳盈余在0.5～1.4 t·a-1；②水資源利用方面，17國(guó)呈現(xiàn)不可持續(xù)性，水赤字在33.4～1497.8 m3·a-1，13國(guó)呈現(xiàn)可持續(xù)性，水盈余在578.8～30725.8 m3·a-1；③土地利用方面，呈現(xiàn)不可持續(xù)性和可持續(xù)性的國(guó)家各有15個(gè)，前者的土地赤字在0.1～2.3 hm2·a-1，后者的土地盈余在0.1～12.1 hm2·a-1。

3.2 討論

通過(guò)整合足跡指標(biāo)與邊界指標(biāo)，將環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)擴(kuò)展到國(guó)家尺度，是對(duì)現(xiàn)有足跡家族概念和行星邊界概念的補(bǔ)充與實(shí)踐。一個(gè)重要啟示是：國(guó)家環(huán)境邊界的確定要考慮所研究環(huán)境問(wèn)題的影響范圍，像氣候變化這樣的全球性問(wèn)題，可以從上至下分解行星邊界；而像水資源利用和土地利用等以區(qū)域影響為主的空間異質(zhì)性問(wèn)題，則需根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源承載力的實(shí)際進(jìn)行核算。本文的主要不足之處在于僅考慮了涉及關(guān)鍵自然資本的3項(xiàng)環(huán)境問(wèn)題，在今后的研究中，還應(yīng)對(duì)氮排放、磷排放、生物多樣性喪失等一并加以分析，同時(shí)探索綜合評(píng)價(jià)一國(guó)環(huán)境可持續(xù)性的方法，以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果的集成整合。這必然會(huì)涉及到對(duì)環(huán)境赤字或盈余的權(quán)衡和取舍，意味著環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)將向強(qiáng)、弱等級(jí)細(xì)分的方向進(jìn)一步深化。

圖5 基于土地足跡和土地邊界的國(guó)家環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)Fig. 5 Assessing the environmental sustainability of major nations based on national land footprint and boundary

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Multidimensional Assessment of National Environmental Sustainability Based on Footprint Family and Planetary Boundaries

FANG Kai

Institute of Environmental Sciences (CML), Leiden University, Leiden 2333CC, Holland

In recent years, the concepts of footprint family and planetary boundaries have both received considerable popularity in the field of sustainability science. By reviewing the conceptual roots of these two concepts, we argue that they are complements to each other and thus should be used collectively in assessing the environmental sustainability of the planet, nations, regions, etc. Building on the complementary nature of the footprint and boundary indicators, this paper proposes, for the first time, a framework for defining and assessing environmental sustainability from a novel point of view, in which the footprints and boundaries are measured and compared in a coherent manner. The footprint family is defined as a measure of the regenerative and absorptive capacity of the Earth’s ecosystems to satisfy mankind’s demand for natural resources and waste emissions. The planetary boundaries are defined as a measure of the Earth’s maximum regenerative and absorptive capacity that allows to define a safe operating space for humanity. As such, environmental sustainability can be simply defined as a safe state in which man’s environmental footprints are kept within the related planetary boundaries; otherwise it refers to environmental unsustainability. The environmental sustainability concept is featured by completeness, selectivity, interactivity, uncertainty, scale-dependence, and the negotiability of environmental deficit. The implications of the footprint-boundary integrated framework are illustrated by reference to the assessment and ranking of 30 major nations’ environmental sustainability with regard to carbon emissions (climate change), water use and land use. The results show that, in the case of carbon emissions, 22 nations are found to be unsustainable, of which the United States of America has the highest carbon deficit per capita of 26.1 t·a-1(in CO2equivalent). In the case of water use, Spain, which has a water deficit per capita of 1497.8 m3·a-1, ranks the highest among the 17 nations that are found to be unsustainable. In the case of land use, the Dutch land deficit per capita (2.3 hm2·a-1) is significantly larger than that of other 14 nations which are classified as unsustainable. Our findings suggest that the sustainability of carbon emissions is in close relation to the nation’s level of social and economic development. The contribution of developed countries to global climate change, therefore, appears to be much higher than that of developing countries. The sustainability of water and land use is often driven by the average amount of water and land resource within the border of the nation that can be appropriated by an individual citizen. This paper provides a reference for quantifying and ranking the national performance on environmental sustainability. The framework established can also be applied to other environmental issues or at sub-national scales.

environmental sustainability; footprint family; planetary boundaries; integration; environmental deficit (reserve); multi-dimension

X24

A

1674-5906（2014）11-1868-08

方愷. 基于足跡家族和行星邊界的主要國(guó)家環(huán)境可持續(xù)性多維評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(11): 1868-1875.

FANG Kai. Multidimensional Assessment of National Environmental Sustainability Based on Footprint Family and Planetary Boundaries [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(11): 1868-1875.

國(guó)家公派留學(xué)基金項(xiàng)目（20113005）

方愷（1986年生），男，博士研究生，主要從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展研究，E-mail：fang@cml.leidenuniv.nl

2014-09-30