1、ISSN 1000-0054CN 11-2223/ N清华大学学报(自然科学版)J Tsinghua Univ ( Sci 2.中国人民大学环境学院,北京100872)收稿日期:2003-09-20作者简介:杜斌( 1979-) ,男(汉) ,四川,博士研究生。通讯联系人:张坤民,教授,E-mail: zhangkunmin hotmail. com摘 要:生态足迹是从生态学科角度衡量区域可持续发展的一种方法。阐述了生态足迹的概念和计算模型,设计了城市生态足迹计算方法。通过对城市物质和能源消费的分析,按照耕地、牧地、林地、化石能源用地、建筑用地和水域等土地类型以及食物、住宅、交通、商品、服务和
2、废物等消费类型进行核算,建立了生态足迹计算矩阵,并同城市生态承载力进行比较。选取了广州、宁波、苏州和扬州4个城市进行案例研究。结果表明:案例城市处于生态不可持续状态,其人均生态赤字达2hm2以上;生态足迹分析有助于分析城市可持续发展进程,为决策提供参考。关键词:生态足迹;可持续发展;生态承载力;生态赤字中图分类号: X 1文献标识码: A文章编号:1000-0054( 2004) 09-1171-05Urban ecological footprint method forevaluating sustainable developmentDU Bin1, ZHANG Kunmin1, WEN
3、 Zongguo1, SONG Guojun2( 1. Department of Environmental Science and Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Environmental Institute, Renmin University of China,Beijing 100872, China)Abstract:The ecological footprint ( EF)method is a new method formeasuring sustainable development i
4、n forms of the ecologicalimpact. This paper describes the methodology for predicting urbanecological footprints. The urban energy use and natural resourceconsumption w as analyzed to calculate EF based on the land types( arable land,pasture,forest,fossil energy land,built-up area andw ater area) and
5、 the consumption types ( food, housing,transportation,goods,services and waste) . The result was thencompared with the local ecological carrying capacity to developcateria for sustainable ecological footprints. Case studies of 4 citiesin China ( Guangzhou,Ningbo,Suzhou and Yangzhou)illustrate theurb
6、an EF approach. The results show that these cities areecologically unsustainable,with average ecological conflicts percapita of more than 2 hectares. The urban ecological footprintmethod is helpful to urban sustainable development and provideuseful policy proposals for decision-making.Key words:ecol
7、ogical footprint; sustainable development;ecological carrying capacity;ecological conflict生态足迹EF( ecological footprint)是20世纪90年代初提出的一种从生态学角度来衡量可持续发展程度的方法 1。生态足迹衡量在一定的人口与经济规模条件下,人类消耗了多少用于延续其发展的自然资源,并将人类活动对生物圈的影响归纳成一个数字,即人类活动排他性占有的生物生产土地。一个已知人口(个人、城市或国家)的生态足迹,即是生产相应人口所消费的所有资源和消纳这些人口产生的所有废物所需要的生物生产面积(包
8、括陆地和水域) 。将生态足迹同国家或区域范围内所能提供的生物生产面积相比较,能够判断一个国家或区域的生产消费活动是否处于当地的生态系统承载力范围之内 2。生态足迹对于可持续性的衡量是一种“强”可持续性的测量手段。当一个地区的生态承载力小于生态足迹时,即出现“生态赤字” ;当其大于生态足迹时,则产生“生态盈余” 。生态赤字表明该地区的人类负荷超过了其生态容量,要满足现有水平的消费需求,该地区要么从地区之外进口所欠缺的资源以平衡生态足迹,要么通过消耗自身的自然资本来弥补收入供给流量的不足 3。生态足迹的理论目前已经发展得较为成熟,特别是对国家生态足迹的研究比较充分,国际互联网上已经有较多专业网站提
9、供生态足迹的相关信息 46。“重定义发展组织”核算出世界1999年全球生态足迹为137亿hm2,或人均2. 3 hm2,而全球生态承载力只有114亿hm2;全球人均承载力为1. 9 hm2,过载约20%7 。当前,地区和城市生态足迹理论正处于发展之中,有待完善,且各地区计算方法有所差异。地区生态足迹测算的工作,在国际上也开展较多 8, 9,如:美国加州索诺马郡( Sonoma County)等。中国学者也对中国部分地区的生态足迹进行了计算。本文系统阐述了生态足迹的概念和计算模型,并将其运用到城市尺度的研究。在对案例城市进行研究的基础上,设计了城市生态足迹的计算方法,讨论了生态足迹理论和方法的局
10、限性、应用条件和适用性,可为识别和衡量城市可持续发展,以及制定相应对策提供参考。1 生态足迹的计算理论生态足迹是基于如下基本假设来进行计算的:1)人类可确定自身消费的绝大多数资源及其产生废物的数量;2)这些资源和废物流能转换成相应的生物生产面积;3)采用生物生产力来衡量土地,不同地域间的土地能转化为全球均衡面积,用相同的单位(如hm2)来表示;4 )各类土地在空间上是互斥的。每单位的全球均衡面积代表着相同的生物生产力。根据生产力大小的差异,生态足迹分析法将地球表面的生物生产性土地分为6大类进行核算:1)化石能源用地,用来补偿因化石能源消耗而损失的自然资本存量而应储备的土地;2 )耕地,生物生产
11、性土地中的生产力最大的一类土地;3)牧草地,即适于发展畜牧业的土地;4)林地,指可产出木材产品的人造林或天然林;5 )建筑用地,包括各类人居设施及道路所占用的土地;6)水域,包括可以提供生物产出的淡水水域和海洋 10。生态足迹的计算步骤如下:1)计算各种消费项目的人均生态足迹人均生态足迹分量Ai的计算公式为Ai = Ci /Yi =(P i + I i - E i) / ( Yi N ) ,式中: i为消费项目的类型, Ai为第i种消费项目折算的人均生态足迹分量( hm2/人) , Ci为第i种消费项目的人均消费量, Yi为生物生产土地生产第i种消费项目的世界年均产量( kg/ hm2) ,
12、P i、 I i 、 Ei分别为第i种消费项目的年生产量、年进口量和年出口量, N为人口数。2)计算人均生态足迹人均生态足迹E f的计算公式为Ef =ei =rjAi =rj( P i + I i - Ei ) / ( Yi N ) ,式中: E f为人均生态足迹( hm2/人) , ei为人均生态足迹分量, rj为均衡因子。3)计算生态承载力不同国家或地区的某类生物生产面积所代表的平均产量同世界平均产量的差异可用“产量因子”( yield factor)表示。某类土地的产量因子是其平均生产力与世界同类土地的平均生产力的比率。将现有不同的土地类型乘以相应的均衡因子和当地的产量因子,就可得到某个
13、国家或地区的生态承载力。人均生态承载力的计算公式为E c =cj =aj r j yj,式中: E c为人均生态承载力( hm2/人) , cj为人均生态承载力分量, aj为人均生物生产面积, r j为均衡因子, yj为产量因子。生态足迹随总人口规模、人均消费水平、技术使用的资源密度等的变化而变化。技术能够改变土地的生产力水平,或者资源用于产生商品和服务的效率。而生态承载力受到生产性土地面积以及单位土地生产能力的影响。技术、人口和消费的变化会减小或增大生态承载力和生态足迹之间的差距。2 城市生态足迹计算设计2. 1 计算方法和参数选取清华大学与中国人民大学生态城市课题组在对城市可持续发展进程的
14、评估研究中,选取4个城市(广州、宁波、苏州和扬州)进行城市生态足迹案例研究 11。在参考国际生态足迹的最新技术框架下,结合案例城市的统计数据和市情,在方法学上做了进一步的完善,设计了城市生态足迹计算方法,建立了生态足迹计算矩阵,即给出了按不同土地类型和不同消费类型的全部生态足迹计算结果。生态足迹的土地类型包括6类,即化石燃料用地、耕地、林地、牧地、建筑用地和水域;消费类型分为如下6个账户:食物账户;住宅账户;交通账户;商品账户;服务账户;废物账户。按照土地类型计算生态足迹,有利于衡量国家和地区的物质能量流动;而按照消费类型计算,则有利于体现个人消费对生物物质资源的消耗。本研究在计算生态足迹中的
15、耕地、牧地、林地和水域面积时,采用FAO (世界粮农组织)公布的每公顷相应类型土地关于各种作物、牲畜、木材以及水产品的全球均衡产量;在计算煤、焦炭、燃料和电力等能源的化石燃料用地足迹时,采用Wackernagel等确定的全球平均土地产出率 1;产出因子和均衡因子的数据来源于“重定义发展组织”于2000年对国家生态足迹的核算。2711清华大学学报(自然科学版) 2004, 44( 9)2. 2 各消费类型账户的计算1)食物账户 主要包括植物品消费和动物食品消费。研究根据城市统计年鉴的相应分类,调整成如下17个类别:谷类、豆类、薯类、植物油、油类、糖料作物、蔬菜和瓜类、水果、茶叶、禽蛋、猪肉、牛肉
16、、羊肉、家禽、牛奶、淡水产品和海产品。食物账户生态足迹包括化石能源用地、耕地、牧地和水域这4种类型土地。2)住宅账户 主要衡量家居和住户对物质和能量的消费。住宅账户包括住房、绿化用地,用电量,天然气和煤气,液化石油气,秸秆,薪柴和木材等栏目。住房足迹需要化石能源土地和建筑用地来提供。本账户的能源消耗还包括居民用电、液化石油气和薪材,这几类栏目均需要转换为化石能源土地足迹。同时,还需将薪材消耗转化为林地足迹,将秸秆和木材消耗分别转化为耕地和林地足迹。3)交通账户 主要反映在化石能源土地和建筑用地足迹上。其化石能源土地足迹是按照每种交通工具的人均里程数计算的,通过每人每公里能耗数进行折算,并按照交
17、通工具类别分成如下几类:公路交通、火车、水路交通、航空,以及其他。4)商品账户 主要衡量城市地区对商品的消费情况。包括2个栏目:工业企业商品生产和进出口贸易调整。主要转化为化石能源用地足迹。同时,将多种类型足迹的商品单列出来加以计算,如:棉织品、羊毛和皮革、纸张类,对人均消费量分别折算为耕地、牧草地和林地。工业企业商品生产能耗采用化石能源消耗量来进行计算。化石能源的类型共7种:煤、原油、燃料油、汽油、柴油、焦炭和煤油,均有其各自的平均能源足迹和折算系数。进出口贸易调整足迹是参照城市统计年鉴中各类商品的进出口数量,将其折算成质量,并根据商品所含的能源密度,折算为所消耗的化石能源,再进行计算。每一
18、种商品均有各自的能源密度(来源于“重定义发展组织” , 2002) 。5)服务账户 服务包括给水排水、垃圾废物、远程通讯、教育、医疗健康、财政服务、休闲娱乐、旅游、军事和其他政府服务等。此账户为粗略估算值。参照Wackernagel的各类服务细目(邮政、电话、医疗保健、娱乐教育文化开支以及政府开支等)中单位货币的化石能源足迹来进行计算。该账户计算值相对很小。6)废物账户 估算为消纳消费产生的废物所需的化石能源用地。考虑到数据可得性,采用城市年生活垃圾产生量进行计算,并认为该值已扣除了对于纸张、金属、塑料等物资的回收。所得计算值也很小。2. 3 生态足迹平衡表和生态足迹矩阵的计算生态足迹平衡表用
19、于计算地区最终生态足迹和生态承载力。它将各个账户计算所得的土地面积通过均衡因子和产出因子的处理,转化为全球可比较的生物生产面积。它分为需求和供给两个子表,其中,需求子表反映所消耗的生态足迹,供给子表反映本地能够提供的生态承载力。以广州2001年的平衡表计算为例(表1) ,将需求子表中的各生态足迹分量加和,可得到总人均生态足迹,为3. 79 hm2;将供给子表中的各生态承载力分量加和,可得到总人均生态承载力,为0. 33 hm2,若扣除12%用于保护生物多样性后,人均生态承载力为0. 29 hm2。表1 广州市2001年生态足迹平衡表项目需求Ai / ( hm2人-1) rj ei/ ( hm2
20、人-1)项目供给yj aj/ ( hm2人-1) cj/ ( hm2人-1)化石能源用地2.31 1. 1 2.55二氧化碳吸收用地0. 61 0. 00 0. 000耕地0.25 2. 9 0.73建筑用地1. 82 0. 02 0. 097牧地0.22 0. 6 0.12耕地1. 82 0. 039 0. 206林地0.23 1. 1 0.25牧草地0. 94 0. 000 03 0. 000建筑用地0.01 2. 9 0.02林地0. 61 0. 035 0. 024水域0.56 0. 2 0.12水域1. 00 0. 01 0.002总生态足迹3. 79总生态承载力0.333711杜
21、斌,等: 城市生态足迹计算方法的设计与案例生态足迹矩阵反映了生态足迹对应于不同项目分类的构成情况。通过此矩阵,可得出不同土地利用类型和不同消费账户对应的生态足迹分量。表2列出了反映广州2001年生态足迹构成的生态足迹矩阵。表2 广州市2001年生态足迹矩阵项目化石能源耕地牧地林地建筑用地水域合计食物0.21 0. 57 0. 02 0. 00 0. 00 0.12 0. 92住宅0.15 0. 12 0. 00 0. 09 0. 01 0.00 0. 37交通0.13 0. 00 0. 00 0. 00 0. 01 0.00 0. 14商品1.90 0. 05 0. 10 0. 16 0. 0
22、0 0.00 2. 21服务0.06 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0.00 0. 06废物0.09 0. 00 0. 00 0. 00 0. 00 0.00 0. 09合计2.55 0. 73 0. 12 0. 25 0. 02 0.12 3.793 案例研究分析从案例城市生态足迹的测试,可得出如下分析:1)城市生态足迹增长很快。近10余年来,由于案例城市对物质和资源的大量消耗,其人均生态足迹增加较快(见图1) 。生态足迹的增长大都体现在商品账户和化石能源用地上。图1 案例城市人均生态足迹变化趋势各案例城市的人均生态足迹均高于全国平均水平( 1. 8 hm2) ;虽与发达国
23、家的水平有一定差距(如:美国为12. 3 hm2) ,但明显高于发展中国家的水平(如:印度为1. 1 hm2) ,同其经济发展水平相比,生态足迹偏高。2)案例城市地少人多,人均生态承载力很小,从而生态赤字较大。宁波、苏州、扬州和广州的人均生态承载力分别为0. 40、0. 38、0. 35和0. 29 hm2。与此对比, “重定义发展组织”对中国1996年计算值为0. 89 hm2;另外,美国为5. 6 hm2,印度为0. 7 hm2。可见,案例城市生态承载力低于全国平均水平,远低于世界平均水平。宁波、广州、扬州和苏州2000年人均生态赤字分别达到了4. 5、3. 3、2. 0和2.0hm2,表
24、明它们均处于生态不可持续状态。与此对比, “重定义发展组织”对中国人均生态赤字1996年计算值为1.2hm2;国际上发达国家一般均存在生态赤字,如:美国为8. 4 hm2,日本为5.8hm2等。而一些地广人稀的国家,如新西兰和巴布亚新几内亚,反而存在生态盈余,分别为5. 0和30. 0 hm2。3)生态足迹反映城市的产业结构。这可从各账户在生态足迹中所占的比例上看出来。宁波重工业较多,能源主要依赖进口,能源足迹很高且增长很快,其水产业特别是海洋捕捞和海水养殖较为发达,从而水域足迹也较高。虽然广州经济发展水平最高,但其第三产业比重较高,商品和能源足迹反不如宁波大。扬州的经济水平相对较低,其商品和
25、能源足迹所占的比例较小,而耕地和食物所占的比重很高。此外,各城市万元GDP生态足迹值逐年降低,反映其粗放型、消耗型的资源利用模式有逐步向集约型、节约型转变的趋势。4 结果与讨论4. 1 生态足迹理论的局限当前对于生态足迹理论的合理性有些争议,原因在于它存在一些局限。1)计算理论尚有待完善。如:假设太多,影响其合理性;对生态系统的考虑不完整,人类中心制,忽略了其他物种的存在和影响;未考虑生态产品和生态服务功能的消费;模型计算仅反映经济决策对环境的影响,而忽略了土地利用中其他的重要影响因素,如由于污染、侵蚀等造成的土地退化情况。2)对数据的要求较高。生态足迹的计算涉及到几十个栏目,数据缺乏会导致结
26、果偏保守。3)信息偏悲观化。由于计算理论本身的局限,目前大多数的测算结果,除少部分资源丰富的国家和地区,均存在生态赤字。4)对某些微小变化的反应不敏感。例如,不买新车,不养孩子,骑车上班等个人尺度上消减生态足迹的做法对计算账户的数值影响小,不容易在结果中得到体现。5)政策分析。难以制定社会总体目标,难以把握时间变化尺度上对消费和增长的影响。4. 2 城市生态足迹分析的功能生态足迹计算也有明显的优点,如:概念清楚,实用易懂,反映的信息量大等等,不失为衡量国家和地区可持续发展的一种方法。城市生态足迹分析有助于为城市和区域发展实现如下功能:1)分析可持续发展进程。通过分析一个地区的4711清华大学学
27、报(自然科学版) 2004, 44( 9)生态足迹,同生态承载力作比较,能判断是否超出了可持续发展的范围。2)为当地规划和决策提供信息。通过制定可持续性目标,增加使用重要资源的合理性,如:在交通、环境规划、空地保存等方面。3)为可持续进程提供战略选择。生态足迹分析可提供在小范围内促进生活质量改进的手段,有助于推进地区制定生态足迹消减政策,减少对自然界的负面影响。4)便于公众交流。它为目前的地区指标体系项目、绿色计划和其他环境报告框架拓宽了广度,提高了深度。4. 3 测试结果对城市决策者的启示按照案例城市生态足迹测试结果,需要城市决策者认真考虑以下几个方面:1)如何研究改变资源消耗型的经济增长模
28、式,提高资源利用效率。2)如何调整产业结构,在已明确的城市定位条件下,适当地将能源密度较低的初级加工品产业向高产高效的高能源密度工业转换。3)如何合理调整农业种植结构,保证农业的高产增收,提高土地创造财富的能力。5 结 论生态足迹方法概念清楚,反映的信息量大,能从生态学角度来衡量区域可持续发展程度。将其计算框架拓展到城市尺度上,通过分析城市的物质和能量消费,可判断城市的生产消费活动是否处于生态承载力范围之内。生态足迹方法还有助于分析城市可持续发展进程,识别城市可持续发展存在的问题并为制定相应对策提供参考。但其计算理论还需进一步完善。案例研究的结果表明:各案例城市地少人多,人均生态承载力很小,而
29、生态足迹水平较高,且增长很快;案例城市均处于生态不可持续状态,其人均生态赤字达2hm2以上。改善案例城市生态不可持续状况,应从调整农业种植结构、调整产业结构,以及提高资源利用效率等方面加以综合考虑。参考文献 (References) 1 Wackernagel M ,William R. Our Ecological Footprint M.Philadelphia,Pennsylvania:New Society Publishers,1997. 2杨开忠,杨咏,陈洁.生态足迹分析理论与方法 J .地球科学进展,2000, 15( 6) :630 636.YANG Kaizhong, YAN
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