足迹家族:概念、类型、理论框架与整合模式
Footprint family: concept, classification, theoretical framework and integrated pattern
生态学报, 2015, 35(6): 1647-1659
Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(6): 1647-1659
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201305211128
摘要
：足迹研究是当前生态经济学和可持续发展领域的热点与前沿课题。探讨了足迹类指标的内涵,将其定义为一类评估人类资源消费和废弃物排放等活动环境影响的指标;介绍了生态足迹、碳足迹、水足迹、能源足迹、化学足迹、氮足迹和生物多样性足迹7类典型足迹指标的概念与研究进展;在此基础上提出了普适性的足迹家族概念,总结了足迹家族的选择性、开放性、系统性和不确定性特征,并根据足迹类指标的一般运算流程构建了足迹家族的理论框架;基于大量文献成果系统比较了生态足迹、碳足迹和水足迹3类关键足迹的特征差异,提出了在足迹家族层面增强指标兼容性的措施;通过逐一测试各关键足迹与27项环境问题的相关程度,从决策相关性的角度初步探索了该足迹家族的整合模式;展望了未来足迹(家族)研究的重点方向。
关键词
：
足迹家族
生态足迹
碳足迹
水足迹
整合
决策相关性
Abstract
: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.
Key words
:
footprint family
ecological footprint
carbon footprint
water footprint
integration
policy relevance
现代工业文明带给人类物质极大丰富的同时，产生的资源环境问题正日益成为制约社会发展的“短板”。以往局部性、单一性的环境问题逐渐向全球性、复合性转变，生态破坏、能源污染、气候变暖和水资源短缺等事件在大尺度范围内频发，严重威胁着自然生态系统的功能与稳定。截至2010年，人类的资源占用和废弃物排放强度已经超出地球自身可承载能力约50%
[
1
,
2
]
；预计到2050年时，至少需要2.6个地球才能持续支撑全球人口的资源消费量
[
3
]
。在如此严峻的背景下，人类对自身行为及其与自然界关系的反思也在不断深化。其中一个标志性事件是可持续发展理论的提出：自1987年《我们共同的未来》发表以来
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4
]
，可持续发展作为新的发展理念与模式已逐渐成为世界各国的共识
[
5
]
。
对人类活动现状的客观评估是实现可持续发展的第一步。足迹正是这样一类评估指标，其概念最早源自生态足迹分析法
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7
]
。该方法以简便、直观的优点，为定量评估自然资源的利用状况提供了新的途径，被生态经济学界誉为可持续发展量化领域最重要的成果之一
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。在生态足迹创立至今的20年间，能源足迹
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、碳足迹
[
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、水足迹
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]
、化学足迹
[
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]
、氮足迹
[
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]
、生物多样性足迹
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]
等一系列新的足迹类型被相继提出，大大丰富了足迹概念的内涵和外延，同时也为开展不同足迹类型间的整合研究奠定了基础。但总的来说，足迹家族研究还处于起步阶段，鲜有系统论述其基本理论框架的文献报道，而国内在该领域的研究更几近空白。有鉴于此，本文首先明确足迹的定义并介绍几种典型的足迹类型，在此基础上阐述足迹家族的基本概念、特征和理论框架，然后在该框架下对生态足迹、碳足迹和水足迹3类最常用指标进行系统比较，最后从决策相关性的角度初步探索其整合模式。
定义①单纯沿用生态足迹的标准，将碳足迹、水足迹等大部分新兴足迹类型排除在足迹范畴之外，显然具有片面性；定义④虽然承认存在不同足迹类型，但没有揭示其内在联系，只看作一种称谓，也是有失偏颇的。鉴于目前已有的足迹指标类型还主要局限在环境领域，所涉及的环境影响来源一般包括资源消费(如生态足迹、绿水和蓝水足迹)和废弃物排放(如碳足迹、氮足迹、硫足迹、灰水足迹)两大类，将②与③相结合的定义较为合理：足迹是一类评估人类资源消费和废弃物排放等活动的环境影响的指标。同时也应看到，足迹类指标的发展是一个渐进的动态过程，随着新指标(如社会足迹、经济足迹
[
23
]
)不断地出现，人们对足迹内涵与外延的认识也将进一步深化和丰富。
生态足迹是足迹家族最早的成员，自Rees
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6
]
于1992年首次提出已有逾20年的历史。其概念源于对人类承载力定义
[
27
]
的倒置，旨在定量测度特定人口的资源消费需求。基本思路是将某一区域的消费资源和排放废弃物的环境影响，量化为这些活动所需要占用的耕地、草地、林地、水域、建设地、碳吸收地6类生物生产性土地面积。根据全球足迹网络(GFN)的最新解释
[
28
]
，生态足迹被定义为：在现有技术和资源管理水平下，人类活动对生物圈需求的度量；对应的生物承载力被定义为：为人类提供生态系统服务消费的生物生产性土地和海洋面积的度量。经典的生态足迹模型已被成功应用于大中尺度的实证研究
[
7
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,
30
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，并逐渐发展成较为规范的方法学体系：国家足迹核算(NFA)
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28
,
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。与此同时，以投入产出分析(IOA)、生命周期评价(LCA)、新千年生态系统服评估(MEA)、净初级生产力(NPP)、土地利用/覆被变化(LUCC)、能值分析、放射能分析、情景分析、非线性科学理论、生态补偿等方法或技术为支撑的改进成果的发表，进一步推动了生态足迹方法学的发展与完善
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。尽管争论与质疑一直存在
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36
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，但生态足迹仍是最受学界、政府和公众推崇的环境指标之一
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9
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，其联合创始人Rees和Wackernagel也在2012年共同获得了环境保护领域的殊荣——蓝色星球奖
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38
]
。
随着公众对全球气候变暖关注度的提高，碳足迹正日益成为足迹研究领域的新热点。虽然碳足迹的命名受到生态足迹思想的影响，但其实质是以全球暖化潜势
[
39
]
为基础进行CO
2
与其他温室气体(如CH
4
、N
2
O、CF
4
)之间的碳当量转换。尽管缺乏统一、明确的定义
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40
]
，但通过综合Wiedmann等
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和BSI
[
41
]
的研究，可以将其定义为：人类活动过程中直接和间接的温室气体排放量。LCA是应用最广的碳足迹分析方法，尤其适用于产品、部门等中小尺度的研究
[
42
,
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]
，其优势在于破除“有烟囱才有污染”的观念
[
44
]
，变末端静态评估为生命周期动态评估，真正实现“从摇篮到坟墓”的过程全覆盖。此外，IOA、混合方法也是碳足迹重要的计算方法
[
45
,
46
]
，还有各种网络版本的碳足迹计算器。尽管碳足迹已成为十分普及的碳排放指标，但其理论框架和核算方法仍有待进一步完善。有研究认为碳足迹应从质量单位向面积单位转换，以弥补自身环境信息不足的缺陷，更好地为制定气候政策的提供依据
[
40
,
47
,
48
]
。但也有学者认为这样势必会增加评估结果的不确定性和误差，因为一些温室效应显著的有机污染物(如氟氯烃)很难被生物圈自然吸收，难以将其排放量折算成相应的土地吸收面积
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21
,
49
,
50
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。
水足迹是近些年来又一颇受关注的足迹类指标，自下而上的LCA和自上而下的IOA都是常见的计算方法
[
13
,
1
,
20
,
50
]
。创立者Hoekstra等
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13
]
将其定义为：一定区域内所有产品和服务所需要消费的累计虚拟水含量。虚拟水的概念最早由Allan
[
51
]
提出，初衷是为了引导缺水国家和地区通过水资源密集型的农产品贸易来减少水赤字
[
52
]
。水足迹对这一概念进行了拓展，并派生出若干相关的子概念，包括蓝水足迹、绿水足迹、灰水足迹等
[
53
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]
。水足迹与生态足迹分别对应水资源消费和生物资源消费，二者无论在指标性能还是在研究方法上都有一些可比之处
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43
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,①全球可比性：水足迹<生态足迹，因为水足迹基于本地生产力因子进行计算，而生态足迹则是基于全球海洋平均生产力因子进行计算；②地理定位性：水足迹>生态足迹，因为全球大部分的水资源消费都以虚拟水的形式进行，水足迹不仅计算水资源消费的数量，还要追踪其来源；③侧重点不同：水足迹关注的是人类活动对水量的需求(体积单位)，而生态足迹账户下的渔业足迹则关注水产品消费对水域面积的占用(面积单位)，并不存在账户重叠。
能源足迹(又称碳吸收地足迹)是由生态足迹直接衍生出来的概念，旨在量化人类能源碳排放的环境影响。Wackernagel等
[
7
]
最初将其定义为：在全球林地平均碳吸收速率下，消纳化石燃料消费和电力生产所排放CO
2
需要占用的林地面积。后来由于考虑到海洋的碳吸收贡献而在计算中扣除了约30%的碳排放量
[
28
,
57
]
，并调整了核电部分的计算方法
[
31
]
。尽管如此，能源足迹仍是生态足迹账户中最具争议的部分
[
58
]
：①碳排放端核算仅基于终端能源消费数据，未考虑其他环节的碳排放；②碳吸收端核算仅基于林地抽样调查数据，无法真实反映全球生态系统的平均碳吸收水平
[
31
,
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,
59
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；③能源足迹对应的碳吸收地具有虚拟性质，与生态足迹账户中的其他5类生物生产性土地存在本质区别
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60
]
；④缺乏相应的承载力计算方法
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，从而导致奇高的区域生态赤字贡献率
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。因此，不少学者尝试将能源足迹从生态足迹账户中剥离出来单独加以研究
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,
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,
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,
65
,
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]
。围绕能源足迹目前还有一些问题亟待解决：①如何将CO
2
外的其他能源废弃物也纳入核算；②如何确定不同能源类型(如化石燃料、核电、水电)的累加权重；③如何准确测算碳吸收速率这一关键因子；④如何有效区别于碳足迹。
化学足迹的概念最早见于大气环境领域研究，被用于测度城市大气化学成分的不成比例程度
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67
,
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]
。直至Panko等
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14
]
才利用化学足迹评估消费者或生产者的化学制品使用情况及其环境特征，并从产品尺度给出了相对完善的定义：产品由于其化学成分而对人类和生态可能造成的潜在风险危害。化学足迹的研究范围取决于所定义的系统边界，最广可延伸至整个生命周期，从而为全面评估产品和服务的可持续性与社会责任提供依据
[
69
]
。有学者建议基于共识驱动模型计算化学足迹，以保证化学排放可以完整地纳入LCA框架
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]
。当前化学足迹研究的局限性主要在于参数选取的不确定和暴露风险评估的缺乏，从而阻碍了消费者根据评估结果客观判断不同产品的优劣
[
69
]
。迄今为止，国内未见以化学足迹为主题的研究报道，与国外先进水平差距明显。
氮足迹是为了定量评价人类活动对活性氮排放的影响而提出的。Leach等
[
15
]
将其定义为：个人食物和能源消费所造成的活性氮的环境损失；秦树平等
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71
]
的定义则更显合理：某种产品或服务在其生产、运输、储存以及消费过程中直接和间接排放的活性氮(如NO
x
、N
2
O、NO
-
3
、NH
3
)总和。尽管基于LCA的氮足迹计算器可以计算从个人到全球各尺度的氮足迹
[
72
]
，但其应用范围仍远远不及具有类似思路的碳足迹，主要制约因素包括概念不清、系统边界模糊、数据可得性欠佳等
[
15
,
23
]
。因此，与碳足迹的比较研究可以作为氮足迹未来发展的优先方向
[
23
]
。此外，与之类似的硫足迹也尚处于研究起步阶段
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73
,
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]
。
生物多样性足迹的概念最早由Smith等
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]
提出，旨在测度由LUCC、自然资源开采及外来物种入侵等过程引发的生物多样性损失，通常采用受胁迫物种数量表征
[
75
]
，也有的用受影响的土地面积或生物形态来表征
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23
,
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]
。在为数不多的实证研究中，最具代表性的成果当属Lenzen等
[
77
]
基于一个高性能的跨区域投入产出(MRIO)数据库，分析了国际贸易对发展中国家生物多样性的损害，发现高收入国家在对外出口中往往具有相对较小的生物多样性足迹输出，这得益于高收入国家掌握较为先进的清洁生产技术或已经实现了集约型产业的转移
[
75
]
。与化学足迹一样，生物多样性足迹研究在国内也尚属空白领域。
足迹家族一词最早见于Giljum等
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78
]
，旨在发挥其他足迹类型对生态足迹的补充作用。值得一提的是，中国学者吴燕
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79
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率先对生态足迹、碳足迹和水足迹进行了实证研究，基于改进的模型测算了北京市居民日用品中的这3类足迹。此后，Hoekstra
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55
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、Curry等
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、Page等
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81
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、Hammond等
[
40
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、Xue等
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分别详细比较了生态足迹与水足迹、生态足迹与碳足迹、碳足迹与水足迹、碳足迹与能源足迹、碳足迹与氮足迹之间的异同；C ˇ u c ˇ ek等
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]
系统回顾了不同足迹的定义、计量单位及应用实例；Lenzen 等
[
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采用
MRIO模型，分析了全球187个国家超过15 000个工业部门的生态足迹、碳足迹和水足迹；Steen-Olsen等
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利用相似的模型比较了欧盟27国的生态足迹、碳足迹和水足迹，并计算了各成员国之间的足迹净转移；Galli等
[
21
,
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]
首次明确地将足迹家族定义为：含有生态足迹、碳足迹和水足迹的指标集合，用于评估人类的生物资源和水资源消费及温室气体排放行为对地球环境系统的影响；Fang等
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50
]
将不同足迹之间的相互作用关系归纳为3类：互补、重叠、拮抗，并全面评估了由生态足迹、能源足迹、碳足迹和水足迹组成的足迹家族的性能；Ridoutt等
[
85
]
建议以LCA为方法学基础开展足迹家族标准化研究。
综合相关研究，本文将足迹家族的概念定义为：足迹家族是由若干足迹类型整合而成的指标系统，用于评估资源消费和废弃物排放等人类活动的环境影响。其主要特征如下：
足迹类指标的量化方法主要包括：①NFA，适用性最广的生态足迹经典方法，GFN利用其定期评估全球各国的生态足迹，并对计算方法进行修正
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28
,
31
]
；②IOA，近年来应用日趋广泛，由其衍生的MRIO模型更成为足迹家族研究的重要技术手段
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20
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75
,
84
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；③LCA，普遍运用于产品和部门尺度的各类足迹特别是碳足迹研究
[
42
,
83
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；④混合方法，兼具LCA和IOA的优势，对中小尺度的碳足迹计算十分有效
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；⑤能值分析，现已成为生态足迹计算的一项重要方法
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；⑥放射能分析，尤其适用于测算贸易过程中的隐性生态足迹
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25
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；⑦NPP，应用于生态足迹和能源足迹的模型改进
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59
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，被认为是有望重构生物生产力计算的潜在方法
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90
]
；⑧MEA，结合生态足迹以刻画LUCC下的自然资本供需变化
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91
]
。
足迹类指标的特性主要由其环境影响类型与分析方法共同决定，下文将通过实证分析加以说明，此不赘述。此外，分析发现多数足迹类指标在本质上还具有一定的共性，主要表现为：①转化考量。多数环境影响难以直接表征，因而足迹类指标大多通过生物物理当量的转化而达到量化环境影响的目的，如碳足迹将产品的温室效应，通过全球暖化潜势转化为碳质量当量；②商除计算。简而言之，足迹=代表某类环境影响的指标总量÷该类指标的单位强度，如生态足迹将人类消费的生物资源量除以单位面积的生物产量，得到相应的土地面积当量；③虚拟性质。正是由于前面两点因素，足迹计算结果往往具有一些虚拟性，不同于通过实测得到的物理量。需要指出的是，有学者据此认为生态足迹错误、无效
[
33
]
，其实是对足迹类指标功能的误解。事实上，类似的虚拟化处理方式在GDP等很多指标中也广泛存在
[
92
]
。
生态整合有利于促进生态学研究从单尺度、描述性向多尺度、前瞻性、机理性和信息化的智能集成转变
[
93
]
。为探索足迹类指标的整合模式，下面以生态足迹、碳足迹和水足迹3类关键足迹组成的特定足迹家族为例，从决策相关性
[
21
,
33
]
的角度进行初步的实证分析。根据Web of Science的检索结果，生态足迹、碳足迹和水足迹是最受学者关注的足迹指标类型。1992—2012年，以“生态足迹”、“碳足迹”和“水足迹”为关键词的文献出现频次分别高达598、839、172篇，其中过去5 a更是分别增长了1倍、12倍、9倍，无论是载文量还是绝对增量均远远超过其他足迹类型。
表 1
系统比较了3类关键足迹在概念缘起、研究问题、分析方法、计量单位等方面的特征及优势和劣势。
Research question由生物资源消费和废弃物排放引起的生物生产性土地占用量由产品或活动引起的碳排放量由产品或活动引起的水资源消费量
Analysis approachesNFA、IOA、LCA、NPP、MEA、能值分析、放射能分析IOA、LCA、混合方法IOA、LCA
Measurement units面积(hm
2
、m
2
等)质量(CO
2
-eq kg、t等)体积(m
3
、L等)
Indicator components耕地足迹、草地足迹、林地足迹、渔业足迹、建设地足迹、碳吸收地足迹CO
2
碳足迹、CH
4
碳足迹、N
2
O碳足迹蓝水足迹、绿水足迹、灰水足迹
Policy relevance结合生物承载力测度生态超载状况，从消费者责任的角度判断人类活动的可持续性从碳排放的角度测度产品或活动对温室效应的贡献程度从追溯来源的角度测度水资源的跨区依赖程度及分布状况
优势 Strengths普及性、全球可比性、易于理解和计算、指标复合性、与生物承载力对应、部分标准化普及性、涵盖全面、易于理解、部分标准化涵盖全面、地理定位性、指标复合性
劣势Weaknesses假设欠妥、可重复性弱、生态偏向性概念模糊、数据可得性弱、计算复杂、环境信息缺失计算复杂、数据可得性弱、环境信息缺失、缺乏规范化
如
图 2
所示，三类关键足迹指标及其足迹家族在所涉及环境问题的范围及对政府决策的影响程度上存在一定差异：①生态足迹主要集中在自然资源管理和公共政策领域；②碳足迹主要集中在气候变化和大气污染控制领域；③水足迹主要集中在水资源管理和水污染监测领域；④足迹家族整合了三类关键足迹指标的决策相关性，可以为评估温室气体排放、气候变化两个领域的环境问题提供充分信息，为水污染、水资源利用和生产力两个领域的环境问题提供较为充分的信息；为生物多样性保护、可持续消费、清洁生产、自然资源开发和管理、环境健康与人类生存、资源利用的不均衡分布、固体废弃物管理、大气污染8个领域提供部分信息；为化学毒物排放、不可再生资源保护、城乡环境规划、环境公平、栖息地监测、公共农业政策、公共渔业政策7个领域间接提供少量信息。
(3) 注意将具备整合条件的新兴足迹纳入研究范畴，逐步规范研究思路、完善学科体系，为最终建立足迹科学奠定基础。探索不同组合形式的足迹家族，并注意在科学性、稳定性、连续性、兼容性、尺度转换性等因素之间寻求平衡
[
31
]
，以期为足迹科学研究提供范式。此外，与其他指标类型的结合能够更好地为经济和社会维度的可持续发展评价提供依据。目前已有的结合包括：生态足迹与真实储蓄
[
98
]
、GDP
[
99
]
、可持续经济福利指标
[
100
]
、可持续发展指标
[
101
]
、人类发展指数
[
102
]
、恩格尔系数
[
103
]
等；碳足迹与累计能源需求
[
104
]
、人体毒性
[
48
]
等；水足迹与锡尔指数、基尼系数
[
105
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