方 愷

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

足跡家族：概念、類型、理論框架與整合模式

方 愷*

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

足跡研究是當前生態(tài)經(jīng)濟學(xué)和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的熱點與前沿課題。探討了足跡類指標的內(nèi)涵，將其定義為一類評估人類資源消費和廢棄物排放等活動環(huán)境影響的指標；介紹了生態(tài)足跡、碳足跡、水足跡、能源足跡、化學(xué)足跡、氮足跡和生物多樣性足跡7類典型足跡指標的概念與研究進展；在此基礎(chǔ)上提出了普適性的足跡家族概念，總結(jié)了足跡家族的選擇性、開放性、系統(tǒng)性和不確定性特征，并根據(jù)足跡類指標的一般運算流程構(gòu)建了足跡家族的理論框架；基于大量文獻成果系統(tǒng)比較了生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡3類關(guān)鍵足跡的特征差異，提出了在足跡家族層面增強指標兼容性的措施；通過逐一測試各關(guān)鍵足跡與27項環(huán)境問題的相關(guān)程度，從決策相關(guān)性的角度初步探索了該足跡家族的整合模式；展望了未來足跡(家族)研究的重點方向。

足跡家族; 生態(tài)足跡; 碳足跡; 水足跡; 整合; 決策相關(guān)性

現(xiàn)代工業(yè)文明帶給人類物質(zhì)極大豐富的同時，產(chǎn)生的資源環(huán)境問題正日益成為制約社會發(fā)展的“短板”。以往局部性、單一性的環(huán)境問題逐漸向全球性、復(fù)合性轉(zhuǎn)變，生態(tài)破壞、能源污染、氣候變暖和水資源短缺等事件在大尺度范圍內(nèi)頻發(fā)，嚴重威脅著自然生態(tài)系統(tǒng)的功能與穩(wěn)定。截至2010年，人類的資源占用和廢棄物排放強度已經(jīng)超出地球自身可承載能力約50%[1-2]；預(yù)計到2050年時，至少需要2.6個地球才能持續(xù)支撐全球人口的資源消費量[3]。在如此嚴峻的背景下，人類對自身行為及其與自然界關(guān)系的反思也在不斷深化。其中一個標志性事件是可持續(xù)發(fā)展理論的提出：自1987年《我們共同的未來》發(fā)表以來[4]，可持續(xù)發(fā)展作為新的發(fā)展理念與模式已逐漸成為世界各國的共識[5]。

對人類活動現(xiàn)狀的客觀評估是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的第一步。足跡正是這樣一類評估指標，其概念最早源自生態(tài)足跡分析法[6-7]。該方法以簡便、直觀的優(yōu)點，為定量評估自然資源的利用狀況提供了新的途徑，被生態(tài)經(jīng)濟學(xué)界譽為可持續(xù)發(fā)展量化領(lǐng)域最重要的成果之一[8-10]。在生態(tài)足跡創(chuàng)立至今的20年間，能源足跡[11]、碳足跡[12]、水足跡[13]、化學(xué)足跡[14]、氮足跡[15]、生物多樣性足跡[16]等一系列新的足跡類型被相繼提出，大大豐富了足跡概念的內(nèi)涵和外延，同時也為開展不同足跡類型間的整合研究奠定了基礎(chǔ)。但總的來說，足跡家族研究還處于起步階段，鮮有系統(tǒng)論述其基本理論框架的文獻報道，而國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究更幾近空白。有鑒于此，本文首先明確足跡的定義并介紹幾種典型的足跡類型，在此基礎(chǔ)上闡述足跡家族的基本概念、特征和理論框架，然后在該框架下對生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡3類最常用指標進行系統(tǒng)比較，最后從決策相關(guān)性的角度初步探索其整合模式。

1 足跡的定義與類型

1.1 定義

在研究足跡家族之前，首先有必要對足跡類指標的基本概念有一個較為全面的理解。廣義上的足跡包含理論、方法、模型、指標、術(shù)語、數(shù)據(jù)等不同層次，但本文主要從指標層面進行研究。圍繞足跡指標定義的爭論始終存在，綜合相關(guān)文獻，大體上可分為4類：①足跡是以面積為計量單位的空間性指標[17]；②足跡是表征資源消費水平的指標[18-19]；③足跡是表征人類活動的環(huán)境影響的指標[15,20-22]；④足跡只是某些指標的一種稱謂，并不具有明確的定義[23]。

定義①單純沿用生態(tài)足跡的標準，將碳足跡、水足跡等大部分新興足跡類型排除在足跡范疇之外，顯然具有片面性；定義④雖然承認存在不同足跡類型，但沒有揭示其內(nèi)在聯(lián)系，只看作一種稱謂，也是有失偏頗的。鑒于目前已有的足跡指標類型還主要局限在環(huán)境領(lǐng)域，所涉及的環(huán)境影響來源一般包括資源消費(如生態(tài)足跡、綠水和藍水足跡)和廢棄物排放(如碳足跡、氮足跡、硫足跡、灰水足跡)兩大類，將②與③相結(jié)合的定義較為合理：足跡是一類評估人類資源消費和廢棄物排放等活動的環(huán)境影響的指標。同時也應(yīng)看到，足跡類指標的發(fā)展是一個漸進的動態(tài)過程，隨著新指標(如社會足跡、經(jīng)濟足跡[23])不斷地出現(xiàn)，人們對足跡內(nèi)涵與外延的認識也將進一步深化和豐富。

1.2 主要類型

足跡類指標一般按環(huán)境影響類型進行劃分，包括生態(tài)足跡、碳足跡、水足跡、能源足跡、化學(xué)足跡、氮足跡和生物多樣性足跡等；但也可按研究尺度劃分，如產(chǎn)品足跡、個人足跡、家庭足跡、部門足跡、區(qū)域足跡、國家足跡、全球足跡等；還有少數(shù)按研究方法或模型劃分，如能值足跡[24]、放射能足跡[25]、三維足跡[26]等。下面以較為常見的影響類型為劃分原則，從概念緣起、研究進展及改進方向等方面簡要介紹7種較為重要的足跡類型。

1.2.1 生態(tài)足跡

生態(tài)足跡是足跡家族最早的成員，自Rees[6]于1992年首次提出已有逾20年的歷史。其概念源于對人類承載力定義[27]的倒置，旨在定量測度特定人口的資源消費需求?；舅悸肥菍⒛骋粎^(qū)域的消費資源和排放廢棄物的環(huán)境影響，量化為這些活動所需要占用的耕地、草地、林地、水域、建設(shè)地、碳吸收地6類生物生產(chǎn)性土地面積。根據(jù)全球足跡網(wǎng)絡(luò)(GFN)的最新解釋[28]，生態(tài)足跡被定義為：在現(xiàn)有技術(shù)和資源管理水平下，人類活動對生物圈需求的度量；對應(yīng)的生物承載力被定義為：為人類提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)消費的生物生產(chǎn)性土地和海洋面積的度量。經(jīng)典的生態(tài)足跡模型已被成功應(yīng)用于大中尺度的實證研究[7,29,30]，并逐漸發(fā)展成較為規(guī)范的方法學(xué)體系：國家足跡核算(NFA)[28,31]。與此同時，以投入產(chǎn)出分析(IOA)、生命周期評價(LCA)、新千年生態(tài)系統(tǒng)服評估(MEA)、凈初級生產(chǎn)力(NPP)、土地利用/覆被變化(LUCC)、能值分析、放射能分析、情景分析、非線性科學(xué)理論、生態(tài)補償?shù)确椒ɑ蚣夹g(shù)為支撐的改進成果的發(fā)表，進一步推動了生態(tài)足跡方法學(xué)的發(fā)展與完善[32]。盡管爭論與質(zhì)疑一直存在[8,18,33-37]，但生態(tài)足跡仍是最受學(xué)界、政府和公眾推崇的環(huán)境指標之一[9]，其聯(lián)合創(chuàng)始人Rees和Wackernagel也在2012年共同獲得了環(huán)境保護領(lǐng)域的殊榮——藍色星球獎[38]。

1.2.2 碳足跡

隨著公眾對全球氣候變暖關(guān)注度的提高，碳足跡正日益成為足跡研究領(lǐng)域的新熱點。雖然碳足跡的命名受到生態(tài)足跡思想的影響，但其實質(zhì)是以全球暖化潛勢[39]為基礎(chǔ)進行CO2與其他溫室氣體(如CH4、N2O、CF4)之間的碳當量轉(zhuǎn)換。盡管缺乏統(tǒng)一、明確的定義[40]，但通過綜合Wiedmann等[12]和BSI[41]的研究，可以將其定義為：人類活動過程中直接和間接的溫室氣體排放量。LCA是應(yīng)用最廣的碳足跡分析方法，尤其適用于產(chǎn)品、部門等中小尺度的研究[42-43]，其優(yōu)勢在于破除“有煙囪才有污染”的觀念[44]，變末端靜態(tài)評估為生命周期動態(tài)評估，真正實現(xiàn)“從搖籃到墳?zāi)埂钡倪^程全覆蓋。此外，IOA、混合方法也是碳足跡重要的計算方法[45-46]，還有各種網(wǎng)絡(luò)版本的碳足跡計算器。盡管碳足跡已成為十分普及的碳排放指標，但其理論框架和核算方法仍有待進一步完善。有研究認為碳足跡應(yīng)從質(zhì)量單位向面積單位轉(zhuǎn)換，以彌補自身環(huán)境信息不足的缺陷，更好地為制定氣候政策的提供依據(jù)[40,47-48]。但也有學(xué)者認為這樣勢必會增加評估結(jié)果的不確定性和誤差，因為一些溫室效應(yīng)顯著的有機污染物(如氟氯烴)很難被生物圈自然吸收，難以將其排放量折算成相應(yīng)的土地吸收面積[21,49-50]。

1.2.3 水足跡

水足跡是近些年來又一頗受關(guān)注的足跡類指標，自下而上的LCA和自上而下的IOA都是常見的計算方法[13,1,20,50]。創(chuàng)立者Hoekstra等[13]將其定義為：一定區(qū)域內(nèi)所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要消費的累計虛擬水含量。虛擬水的概念最早由Allan[51]提出，初衷是為了引導(dǎo)缺水國家和地區(qū)通過水資源密集型的農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易來減少水赤字[52]。水足跡對這一概念進行了拓展，并派生出若干相關(guān)的子概念，包括藍水足跡、綠水足跡、灰水足跡等[53-54]。水足跡與生態(tài)足跡分別對應(yīng)水資源消費和生物資源消費，二者無論在指標性能還是在研究方法上都有一些可比之處[43,55-56],①全球可比性：水足跡<生態(tài)足跡，因為水足跡基于本地生產(chǎn)力因子進行計算，而生態(tài)足跡則是基于全球海洋平均生產(chǎn)力因子進行計算；②地理定位性：水足跡>生態(tài)足跡，因為全球大部分的水資源消費都以虛擬水的形式進行，水足跡不僅計算水資源消費的數(shù)量，還要追蹤其來源；③側(cè)重點不同：水足跡關(guān)注的是人類活動對水量的需求(體積單位)，而生態(tài)足跡賬戶下的漁業(yè)足跡則關(guān)注水產(chǎn)品消費對水域面積的占用(面積單位)，并不存在賬戶重疊。

1.2.4 能源足跡

能源足跡(又稱碳吸收地足跡)是由生態(tài)足跡直接衍生出來的概念，旨在量化人類能源碳排放的環(huán)境影響。Wackernagel等[7]最初將其定義為：在全球林地平均碳吸收速率下，消納化石燃料消費和電力生產(chǎn)所排放CO2需要占用的林地面積。后來由于考慮到海洋的碳吸收貢獻而在計算中扣除了約30%的碳排放量[28,57]，并調(diào)整了核電部分的計算方法[31]。盡管如此，能源足跡仍是生態(tài)足跡賬戶中最具爭議的部分[58]：①碳排放端核算僅基于終端能源消費數(shù)據(jù)，未考慮其他環(huán)節(jié)的碳排放；②碳吸收端核算僅基于林地抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)，無法真實反映全球生態(tài)系統(tǒng)的平均碳吸收水平[31,58-59]；③能源足跡對應(yīng)的碳吸收地具有虛擬性質(zhì)，與生態(tài)足跡賬戶中的其他5類生物生產(chǎn)性土地存在本質(zhì)區(qū)別[60]；④缺乏相應(yīng)的承載力計算方法[61]，從而導(dǎo)致奇高的區(qū)域生態(tài)赤字貢獻率[62]。因此，不少學(xué)者嘗試將能源足跡從生態(tài)足跡賬戶中剝離出來單獨加以研究[11,58,63-66]。圍繞能源足跡目前還有一些問題亟待解決：①如何將CO2外的其他能源廢棄物也納入核算；②如何確定不同能源類型(如化石燃料、核電、水電)的累加權(quán)重；③如何準確測算碳吸收速率這一關(guān)鍵因子；④如何有效區(qū)別于碳足跡。

1.2.5 化學(xué)足跡

化學(xué)足跡的概念最早見于大氣環(huán)境領(lǐng)域研究，被用于測度城市大氣化學(xué)成分的不成比例程度[67-68]。直至Panko等[14]才利用化學(xué)足跡評估消費者或生產(chǎn)者的化學(xué)制品使用情況及其環(huán)境特征，并從產(chǎn)品尺度給出了相對完善的定義：產(chǎn)品由于其化學(xué)成分而對人類和生態(tài)可能造成的潛在風(fēng)險危害?；瘜W(xué)足跡的研究范圍取決于所定義的系統(tǒng)邊界，最廣可延伸至整個生命周期，從而為全面評估產(chǎn)品和服務(wù)的可持續(xù)性與社會責任提供依據(jù)[69]。有學(xué)者建議基于共識驅(qū)動模型計算化學(xué)足跡，以保證化學(xué)排放可以完整地納入LCA框架[70]。當前化學(xué)足跡研究的局限性主要在于參數(shù)選取的不確定和暴露風(fēng)險評估的缺乏，從而阻礙了消費者根據(jù)評估結(jié)果客觀判斷不同產(chǎn)品的優(yōu)劣[69]。迄今為止，國內(nèi)未見以化學(xué)足跡為主題的研究報道，與國外先進水平差距明顯。

1.2.6 氮足跡

1.2.7 生物多樣性足跡

生物多樣性足跡的概念最早由Smith等[16]提出，旨在測度由LUCC、自然資源開采及外來物種入侵等過程引發(fā)的生物多樣性損失，通常采用受脅迫物種數(shù)量表征[75]，也有的用受影響的土地面積或生物形態(tài)來表征[23,76]。在為數(shù)不多的實證研究中，最具代表性的成果當屬Lenzen等[77]基于一個高性能的跨區(qū)域投入產(chǎn)出(MRIO)數(shù)據(jù)庫，分析了國際貿(mào)易對發(fā)展中國家生物多樣性的損害，發(fā)現(xiàn)高收入國家在對外出口中往往具有相對較小的生物多樣性足跡輸出，這得益于高收入國家掌握較為先進的清潔生產(chǎn)技術(shù)或已經(jīng)實現(xiàn)了集約型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移[75]。與化學(xué)足跡一樣，生物多樣性足跡研究在國內(nèi)也尚屬空白領(lǐng)域。

2 足跡家族的基本概念、特征與理論框架

2.1 概念與特征

綜合相關(guān)研究，本文將足跡家族的概念定義為：足跡家族是由若干足跡類型整合而成的指標系統(tǒng)，用于評估資源消費和廢棄物排放等人類活動的環(huán)境影響。其主要特征如下：

(1) 選擇性 足跡家族通常由2種及以上足跡類指標組成，足跡類型的選擇視具體研究需要而定。已有研究的足跡組合形式主要有：生態(tài)足跡與碳足跡[80]；生態(tài)足跡與水足跡[55]；碳足跡與能源足跡[40]；生態(tài)足跡、碳足跡、水足跡與氮足跡[23]等。

(2) 開放性 理論上，所有足跡類型都可以納入足跡家族的研究范疇。不過，目前一些足跡類型由于缺乏明確的概念和方法支撐，在實際操作中似還不足以納入足跡家族研究。

(3) 系統(tǒng)性 足跡家族的功能在于對若干特定足跡類型進行系統(tǒng)研究，為多角度、多層次評估人類活動的綜合環(huán)境影響提供科學(xué)依據(jù)。不同足跡具有共性是足跡家族得以建立的必要條件，而保持各類足跡的特性則是足跡家族相對于單一足跡的優(yōu)勢所在。

(4) 不確定性 由于不同足跡要求的數(shù)據(jù)來源和精度不同，同一足跡在不同尺度的分析方法也有很大差異，從而導(dǎo)致不同足跡之間可能不兼容，加之組合形式的多樣化，最終的評估結(jié)果存在一些不確定性。

事實上，正如家庭成員存在角色分工一樣，各類足跡指標在足跡家族中的地位和影響也有顯著差異。在此提出典型足跡、關(guān)鍵足跡、衍生足跡和新興足跡4種概念：

(1) 典型足跡 指具有較為清晰的理論緣起、較為明確的研究方法、較為廣泛的應(yīng)用范圍的足跡類型。上面介紹的生態(tài)足跡、碳足跡、水足跡、能源足跡、化學(xué)足跡、氮足跡和生物多樣性足跡均應(yīng)屬于典型足跡范疇。

(2) 關(guān)鍵足跡 指具有顯著環(huán)境影響、且為人類生存所必需的活動所產(chǎn)生的足跡類型。包括生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡，分別對應(yīng)人類的生物資源、礦物能源和水資源3類關(guān)鍵自然資本[86]消費(嚴格來說，生態(tài)足跡還對應(yīng)化石燃料、碳足跡還對應(yīng)其他有機物、水足跡還對應(yīng)水體污染物)。

(3) 衍生足跡 由某類足跡直接衍生出來的、在研究內(nèi)容或研究方法上存在高度相似性的足跡類型。如能源足跡是生態(tài)足跡的衍生足跡，氮足跡、磷足跡和硫足跡均是碳足跡和化學(xué)足跡的衍生足跡。

(4) 新興足跡 已被文獻提出、但尚缺乏較為明確的理論和方法支撐的足跡類型。如材料足跡[75]、NPP的人類占用足跡[75]、土地足跡[87]等。

2.2 理論框架

從足跡類指標的一般運算流程出發(fā)，可以將足跡家族的理論框架分為3部分：輸入端、處理系統(tǒng)、輸出端。其中，輸入端負責原始數(shù)據(jù)的輸入；輸出端負責評估結(jié)果的輸出；處理系統(tǒng)是保證足跡家族發(fā)揮作用的核心部分，又可分為3個子系統(tǒng)：環(huán)境影響子系統(tǒng)、分析方法子系統(tǒng)、足跡指標子系統(tǒng)(圖1)。下面簡要介紹處理系統(tǒng)下的各子系統(tǒng)。

圖1 足跡家族的理論框架Fig.1 The theoretical framework for the generalized footprint family

(1) 環(huán)境影響子系統(tǒng)

所涉及的人類活動大體可分為2類：①資源消費，如生態(tài)足跡以占用土地的大小來反映生物資源和化石燃料消費的環(huán)境影響[7]，水足跡以水資源消費量來反映產(chǎn)品或服務(wù)的環(huán)境影響[13]，生物多樣性足跡以受脅迫物種的數(shù)量變化來反映特定產(chǎn)品消費的環(huán)境影響[75]；②廢棄物排放，如碳足跡、氮足跡和硫足跡分別以含碳、氮和硫氣體的排放量來反映產(chǎn)品或服務(wù)的環(huán)境影響[12,15,74]。

(2) 分析方法子系統(tǒng)

足跡類指標的量化方法主要包括：①NFA，適用性最廣的生態(tài)足跡經(jīng)典方法，GFN利用其定期評估全球各國的生態(tài)足跡，并對計算方法進行修正[28,31]；②IOA，近年來應(yīng)用日趨廣泛，由其衍生的MRIO模型更成為足跡家族研究的重要技術(shù)手段[20,75,84]；③LCA，普遍運用于產(chǎn)品和部門尺度的各類足跡特別是碳足跡研究[42,83]；④混合方法，兼具LCA和IOA的優(yōu)勢，對中小尺度的碳足跡計算十分有效[46,88]；⑤能值分析，現(xiàn)已成為生態(tài)足跡計算的一項重要方法[24,89]；⑥放射能分析，尤其適用于測算貿(mào)易過程中的隱性生態(tài)足跡[25]；⑦NPP，應(yīng)用于生態(tài)足跡和能源足跡的模型改進[58-59]，被認為是有望重構(gòu)生物生產(chǎn)力計算的潛在方法[90]；⑧MEA，結(jié)合生態(tài)足跡以刻畫LUCC下的自然資本供需變化[91]。

(3) 足跡指標子系統(tǒng)

足跡類指標的特性主要由其環(huán)境影響類型與分析方法共同決定，下文將通過實證分析加以說明，此不贅述。此外，分析發(fā)現(xiàn)多數(shù)足跡類指標在本質(zhì)上還具有一定的共性，主要表現(xiàn)為：①轉(zhuǎn)化考量。多數(shù)環(huán)境影響難以直接表征，因而足跡類指標大多通過生物物理當量的轉(zhuǎn)化而達到量化環(huán)境影響的目的，如碳足跡將產(chǎn)品的溫室效應(yīng)，通過全球暖化潛勢轉(zhuǎn)化為碳質(zhì)量當量；②商除計算。簡而言之，足跡=代表某類環(huán)境影響的指標總量÷該類指標的單位強度，如生態(tài)足跡將人類消費的生物資源量除以單位面積的生物產(chǎn)量，得到相應(yīng)的土地面積當量；③虛擬性質(zhì)。正是由于前面兩點因素，足跡計算結(jié)果往往具有一些虛擬性，不同于通過實測得到的物理量。需要指出的是，有學(xué)者據(jù)此認為生態(tài)足跡錯誤、無效[33]，其實是對足跡類指標功能的誤解。事實上，類似的虛擬化處理方式在GDP等很多指標中也廣泛存在[92]。

3 足跡家族的整合模式：以生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡為例

生態(tài)整合有利于促進生態(tài)學(xué)研究從單尺度、描述性向多尺度、前瞻性、機理性和信息化的智能集成轉(zhuǎn)變[93]。為探索足跡類指標的整合模式，下面以生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡3類關(guān)鍵足跡組成的特定足跡家族為例，從決策相關(guān)性[21,33]的角度進行初步的實證分析。根據(jù)Web of Science的檢索結(jié)果，生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡是最受學(xué)者關(guān)注的足跡指標類型。1992—2012年，以“生態(tài)足跡”、“碳足跡”和“水足跡”為關(guān)鍵詞的文獻出現(xiàn)頻次分別高達598、839、172篇，其中過去5 a更是分別增長了1倍、12倍、9倍，無論是載文量還是絕對增量均遠遠超過其他足跡類型。表1系統(tǒng)比較了3類關(guān)鍵足跡在概念緣起、研究問題、分析方法、計量單位等方面的特征及優(yōu)勢和劣勢。

可見，這3類關(guān)鍵足跡在諸多方面存在明顯差異，主要表現(xiàn)為：①理論基礎(chǔ)不一致，生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡分別緣起于承載力、全球暖化潛勢和虛擬水，而且三者的假設(shè)前提也有所不同；②分析方法不統(tǒng)一，各類足跡指標均未形成有權(quán)威公信力的計算標準規(guī)范，幾種常用方法之間也很難具有可比性；③核算賬戶有重疊，主要是碳足跡與生態(tài)足跡在碳排放方面存在重復(fù)計算；④測度結(jié)果不可比，3類足跡分別采用面積、質(zhì)量和體積單位，從而導(dǎo)致結(jié)果間不具有可比性和加和性；⑤政策指向有差異，最明顯的例子是，生態(tài)足跡通過對比生物承載力可以量化生態(tài)赤字，但碳足跡則沒有此功能。

表1 生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡的特征比較Table 1 Comparison of characteristics of the ecological, carbon and water footprints

資料部分源于文獻[43,50]

三類足跡在各方面的差異最終都將影響到其實際的決策支持能力。因此，本文嘗試通過測試生態(tài)足跡、碳足跡、水足跡在重要環(huán)境領(lǐng)域的決策相關(guān)程度來評估該足跡家族的指標整合潛力?？紤]到環(huán)境問題本身的復(fù)雜性和不確定性，對環(huán)境指標的政策效用評估應(yīng)遵循全面性、多樣化的原則[94]。為此，本文廣泛選取了環(huán)境領(lǐng)域的27項熱點問題進行評估(圖2)。這些環(huán)境問題均與國計民生息息相關(guān)，部分源自歐盟委員會關(guān)于自然資源消費及其環(huán)境影響評估的若干戰(zhàn)略項目報告[21]，當然其中一些問題不可避免地存在交叉。

如圖2所示，三類關(guān)鍵足跡指標及其足跡家族在所涉及環(huán)境問題的范圍及對政府決策的影響程度上存在一定差異：①生態(tài)足跡主要集中在自然資源管理和公共政策領(lǐng)域；②碳足跡主要集中在氣候變化和大氣污染控制領(lǐng)域；③水足跡主要集中在水資源管理和水污染監(jiān)測領(lǐng)域；④足跡家族整合了三類關(guān)鍵足跡指標的決策相關(guān)性，可以為評估溫室氣體排放、氣候變化兩個領(lǐng)域的環(huán)境問題提供充分信息，為水污染、水資源利用和生產(chǎn)力兩個領(lǐng)域的環(huán)境問題提供較為充分的信息；為生物多樣性保護、可持續(xù)消費、清潔生產(chǎn)、自然資源開發(fā)和管理、環(huán)境健康與人類生存、資源利用的不均衡分布、固體廢棄物管理、大氣污染8個領(lǐng)域提供部分信息；為化學(xué)毒物排放、不可再生資源保護、城鄉(xiāng)環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境公平、棲息地監(jiān)測、公共農(nóng)業(yè)政策、公共漁業(yè)政策7個領(lǐng)域間接提供少量信息。

可見，較之單一的足跡指標，由生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡整合而成的足跡家族具有如下優(yōu)勢：①廣泛性。涉及上述27項環(huán)境問題的大部分(70%)；②互補性。從不同角度評估某一生態(tài)系統(tǒng)所受的人類壓力，如對水域生態(tài)系統(tǒng)而言，既可利用水足跡分析其水資源消費情況，又可利用生態(tài)足跡分析其漁業(yè)資源消費情況；③綜合性。涵蓋生物圈(生態(tài)足跡)、大氣圈(碳足跡)、水圈(水足跡)，有助于揭示三大圈層要素在陸地表層界面的相互作用機制，深化對人地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜關(guān)系的認識。

圖2 生態(tài)足跡、碳足跡、水足跡及其足跡家族的決策適用范圍與強度評估Fig.2 The width and depth of the policy usefulness for each of the footprints and their footprint family

4 研究展望

圖3 足跡研究的4個發(fā)展階段Fig.3 Four steps in the development of footprint studies

足跡研究是當前生態(tài)經(jīng)濟學(xué)和可持續(xù)發(fā)展量化領(lǐng)域的熱點與前沿課題。如果分別以最具代表性的3類關(guān)鍵足跡(生態(tài)足跡、水足跡、碳足跡)和足跡家族概念的正式創(chuàng)立為標志，可將過去20年足跡研究的發(fā)展歷程劃分為4個階段(圖3)。研究重點逐步從單尺度、描述性的足跡類型研究向多尺度、集成化的足跡整合研究轉(zhuǎn)變。在肯定長足進步的同時，還應(yīng)看到仍有大量尚待解決的問題，特別是足跡家族研究尚處于起步階段，本文提出的僅是初步的理論框架，遠未形成一套完備的基礎(chǔ)理論、指標體系、評價原則和方法規(guī)范。未來應(yīng)從如下幾個方面進一步改進和完善足跡(家族)研究。

(1) 對生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡三類關(guān)鍵足跡的實證研究表明，現(xiàn)階段可采取如下措施增強三者在足跡家族框架內(nèi)的兼容性：①設(shè)定明確的系統(tǒng)邊界(如工廠、城市、國家)，以統(tǒng)一足跡家族的研究范圍；②采用經(jīng)過驗證的模型計算3類足跡，以保證分析方法的一致性；③將碳吸收地足跡從生態(tài)足跡賬戶中移除，以避免與碳足跡重復(fù)計算；④對計算結(jié)果可以分類討論，但在取得共識前不建議盲目進行加權(quán)；⑤承認足跡家族的決策支持局限性，即目前只能評估人類活動對生物圈、大氣圈和水圈的某些環(huán)境影響，但還缺乏對應(yīng)的行星邊界閾值[95]來共同判斷這些活動的可持續(xù)性強弱。

(2) 建立足跡類指標信息庫，通過文獻查新等手段，及時收集各類足跡在基本概念、研究方法、實證應(yīng)用等方面的研究進展。以信息庫的大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推動足跡分析方法的標準化、規(guī)范化建設(shè)[34]。碳足跡和水足跡在方法標準化方面已取得一些進展，前者有PAS2050[41]、ISO14067[96]等，后者有ISO14046[97]等。同時應(yīng)繼續(xù)擴大足跡類指標的對比研究，評估不同足跡之間在替代性、互補性、兼容性等方面的特點，為開展定量化的足跡家族整合研究提供理論支撐。

(3) 注意將具備整合條件的新興足跡納入研究范疇，逐步規(guī)范研究思路、完善學(xué)科體系，為最終建立足跡科學(xué)奠定基礎(chǔ)。探索不同組合形式的足跡家族，并注意在科學(xué)性、穩(wěn)定性、連續(xù)性、兼容性、尺度轉(zhuǎn)換性等因素之間尋求平衡[31]，以期為足跡科學(xué)研究提供范式。此外，與其他指標類型的結(jié)合能夠更好地為經(jīng)濟和社會維度的可持續(xù)發(fā)展評價提供依據(jù)。目前已有的結(jié)合包括：生態(tài)足跡與真實儲蓄[98]、GDP[99]、可持續(xù)經(jīng)濟福利指標[100]、可持續(xù)發(fā)展指標[101]、人類發(fā)展指數(shù)[102]、恩格爾系數(shù)[103]等；碳足跡與累計能源需求[104]、人體毒性[48]等；水足跡與錫爾指數(shù)、基尼系數(shù)[105]等。

近年來，國際足跡研究呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢：研究熱點由單一足跡的模型改進逐漸向多重足跡的方法融合過渡，研究中心也由美國GFN逐漸向瑞典、英國、荷蘭、意大利等歐洲國家分散轉(zhuǎn)移，國際合作日益廣泛而密切。歐盟委員會資助下的“一個星球經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)(OPEN: EU)”項目，歷時2年完成了對包括中國在內(nèi)的45個國家或地區(qū)57個部門的生態(tài)足跡、碳足跡和水足跡的測算工作，詳細數(shù)據(jù)可以從在線資料庫(https://www.eureapa.net/)下載。

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Footprint family: concept, classification, theoretical framework and integrated pattern

FANG Kai*

InstituteofEnvironmentalSciences(CML),LeidenUniversity,Leiden2333CC,Netherlands

Footprints are one of the topics and frontiers which have gained tremendous popularity in sustainability science and ecological economics. The year of 2012 marked the 20th anniversary since the concept of ecological footprint was introduced to the global community for the first time. A suite of indicators analogous to the ecological footprint has been developed, which could serve as the basis for approaching an integrated family of footprint indicators. Our paper started from the idea of providing clarity on the common ground behind different footprints, where footprints are defined as a suite of indicators that measure the environmental impacts associated with resources consumed and waste discharged. A relatively comprehensive description of the concepts and research progresses was given for seven typical footprint indicators, namely the ecological footprint, the carbon footprint, the water footprint, the energy footprint, the chemical footprint, the nitrogen footprint, and the biodiversity footprint. Conceived in simple terms, footprint family is a form of indicator systems integrated by certain footprint indicators, in which the impacts of human activities in terms of resource consumption and waste emissions on the environment are to be estimated. The principal features of footprint family exist in its selective, open, systematic, and uncertain attributions. This paper made an attempt at establishing a theoretical framework for the generalized footprint family where it allowed for tracking the calculating process of footprint-style indicators in a common way. Based on a review of a large amount of original literature on footprint methodologies and applications over the past two decades, we evaluated the pros and cons of each of three key footprints, namely the ecological, carbon and water footprints, in a comparative sense by listing their characteristics in terms of conceptual origins, research questions, supporting methods, metric units, indicator components and policy relevance from the perspective of footprint family. Potential solutions were proposed to enhance the transparency, consistency and compatibility among the ecological, carbon and water footprints within the footprint family. In a policy context, the integrated pattern of the footprint family was explored on the policy relevance of the three footprints at a preliminary stage. More specifically, by testing each of the footprint indicators in correlation to twenty-seven environmental issues, the footprint family has been found able to offer policy makers a more complete picture of human pressure on the planet′s environment. The remainder of this paper proposed some priorities for further improvement to develop more rigorous and scientific footprint studies. Depending on the diversity and complexity of environmental issues, the ongoing development of the footprint family should proceed with the recognition that the combination of footprint indicators is a systematic project that requires multidisciplinary perspectives and approaches as complementary. To that end, we argue for extensive communication and collaboration between communities of a variety of footprint indicators. Even though the footprint family concept suffers from limitations, we still believe that in the near future it will play an important role in guiding individuals towards more responsible behaviors, and in providing useful suggestions for environmental decision-making.

footprint family; ecological footprint; carbon footprint; water footprint; integration; policy relevance

國家公派留學(xué)基金項目(20113005)

2013-05-21;

日期:2014-04-25

10.5846/stxb201305211128

*通訊作者Corresponding author.E-mail: fang@cml.leidenuniv.nl

方愷.足跡家族：概念、類型、理論框架與整合模式.生態(tài)學(xué)報,2015,35(6):1647-1659.

Fang K.Footprint family: concept, classification, theoretical framework and integrated pattern.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):1647-1659.