基于生态系统服务的生态足迹模型构建与应用_焦雯珺
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第 36 卷 第 11 期 2014 年 11 月
2014，36（11）：2392-2400
Resources Science
Vol.36，No.11 Nov.，2014
文章编号：1007-7588（2014）11-2392-09
基于生态系统服务的生态足迹模型构建与应用
焦雯珺，闵庆文，李文华，Anthony M. FULLER
系统面积。RSF 不仅考虑了粮食、薪柴等生活资料
2394
资源科学
第 36 卷 第 11 期
图 1 ESEF 模型分类
Fig.1 Classification of ESEF models
以及橡胶、纤维等生产资料，还考虑了淡水，即通常
所说的水资源。
RSF 对于人类利用生产生活资料的衡量，实际
关键词：基于生态系统服务的生态足迹（ESEF）；生态足迹（EF）；生态系统服务；拓展模型；基于废弃物吸纳的 生态足迹；水污染；太湖流域
1 引言
生态足迹（Ecological Footprint，EF）被定义为生 产一定人口消费的资源以及吸纳其所产生的废弃 物所需要的生物生产性土地面积 。 [1] EF 具有易理 解、易计算、易与其它指标相结合等特点，自提出以 来得到了世界各国学者的广泛关注。大量不同时 空尺度的实证研究[2-7]相继涌现，足迹模型也得到不 断的修正与改进。单一时间尺度的静态模型发展 出长时间序列的动态模型[4，8]，综合足迹模型发展出 基于组分[9]、基于投入产出[10，11]、基于能值的足迹模 型[12，13]等等。尽管如此，最初困扰 EF 的一些难题至 今仍未得到有效的解决，例如核算内容的不完整， 这导致其无法全面衡量人类活动对生态系统造成 的各种影响。
（中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101）
摘 要：生态足迹（EF）自提出以来得到了世界各国学者的广泛关注。然而，核算内容的不完整导致其无法全 面衡量人类活动对生态系统造成的各种影响。本文完善了基于生态系统服务的生态足迹（ESEF）概念与通用模型， 并拓展出基于资源供给和废弃物吸纳两大类服务的足迹模型。案例研究则利用基于废弃物吸纳的足迹模型，对太 湖流域上游常州市和湖州市水污染物排放的环境影响进行评估。研究表明，就水污染物吸纳而言，当地水环境处 于不可持续状态；氮磷营养盐的累积对当地水环境造成的压力远远大于有机物。这些信息能够为当地水环境管理 政策的制定提供参考。ESEF 概念的提出与模型的建立，有助于实现足迹方法对人类活动影响的全面衡量，并推动 足迹理论的进一步发展与完善。
ESEF 通用模型可以根据生态系统服务的类型
进一步拓展（图 1）。根据生态系统服务分类研究结
果[16-18]以及传统 EF 的最初设想，ESEF 通用模型可
以首先拓展出基于资源供给、废弃物吸纳等服务的
足迹模型。根据资源的类型，基于资源供给的足迹
模型可以进一步拓展为基于生物生产的足迹模型、
基于水资源供给的足迹模型等。根据废弃物的类
些无法被自然生态系统吸收、分解或去除的废弃物
不 在 研 究 范 畴 ，如 重 金 属 及 其 化 合 物 等 。 此 外 ，
能力之上。
ESEF 概念就是在这种背景下提出的，是指为
提供一定人口或一定经济规模消费的生态系统服
务所需要的生态系统面积。ESEF 方法以生态系统
提供多种生态系统服务的能力为基础，衡量人类社
会经济系统利用生态系统服务的水平以及对生态
系统产生的影响。就某一生态系统类型、某一生态
系统服务类型而言，国家尺度的 ESEF 通用模型（以
全球公顷为单位）可表示为：
ESEF = E GS∙EQF = E NS∙SF∙EQF
（1）
式中 ESEF 为基于该种生态系统服务的生态足迹；E
为该种生态系统服务的消费量；GS 为该种生态系统
服务的世界平均供给能力；EQF 为该种生态系统服
务的均衡因子；NS 为该种生态系统服务的国家平均
供给能力；SF 为该种生态系统服务的供给因子。
务的能力与所有生态系统类型提供该种生态系统
服务的平均能力的比值[14]。
除了有代表人类需求的足迹以外，ESEF 也包
括代表生态系统供给能力的承载力。基于生态系
统 服 务 的 生 态 承 载 力（Ecosystem- Service- based
Ecological Capacity，ESEC）是指区域能够给人类提
收稿日期：2014-03-20；修订日期：2014-08-20 基金项目：中国科学院地理科学与资源研究所“一三五”战略科技计划项目（编号：2012ZD007）；中国博士后科学基金（编号：2013M530710）； 中国科学院外国专家特聘研究员计划（编号：2013T2Z0011）。 作者简介：焦雯珺，女，山东青岛人，博士后，研究方向为资源生态承载力与区域可持续发展。E-mail：jiaowj1022@ 通讯作者：闵庆文，E-mail：minqw@
ESEC 可以相互比较，从而得到人类需求和自然承
载力之间的差距。ESEF 可以在不同生态系统类型
之间进行比较，同时由于不同生态系统服务之间相
互独立，基于其的生态足迹之间以及与相应的生态
承载力之间均具有可比性。与传统 EF 相比，ESEF
能够更加全面地反映出人类社会经济系统利用生
态系统服务的水平及其对生态系统产生的影响。
建 基 于 水 资 源 供 给 的 生 态 足 迹（Water Supply
Footprint，WSF）。
尽管 RSF 分别构建足迹模型来衡量人类对初
级产品和水资源的消费，一定人口或一定经济规模
对资源供给服务的需求，一般来说可以通过将资源
消费总量除以单位面积供给能力计算得到。与之
相 应 ，基 于 资 源 供 给 的 生 态 承 载 力（Resource
型，基于废弃物吸纳的足迹模型也可以进一步细
化，如基于碳固定的足迹模型、基于多余养分去除
的足迹模型等。
2.2 拓展模型
2.2.1 基于资源供给的足迹模型 基于资源供给的
生态足迹（Resource Supply Footprint，RSF）继承了传
统 EF 对人类资源消费活动的衡量，是指为满足一
定人口或一定经济规模消费的资源所需要的生态
2014 年 11 月
焦雯珺等：基于生态系统服务的生态足迹模型构建与应用
2393
地水环境的影响。在案例研究的基础上，本文对拓
展模型的内部逻辑关系以及 ESEF 与其它足迹类型
的关系进行了讨论，以期推动足迹理论的不断发展
与完善。
2 ESEF 模型
2.1 通用模型
EF 试图利用生物生产性土地面积度量人类利 用生态系统服务活动对地球产生的各种影响，但是 事实上其并没有将生态系统服务真正纳入进来，只 是涵盖了其中一小部分。从资源消费的角度来看，
EF 只考虑了生态系统的初级产品供给服务，没有考 虑其它供给服务，例如淡水供给；从废弃物排放的 角度来看，EF 考虑了森林生态系统对 CO2 的吸纳， 没有考虑人类活动产生的其它废弃物以及生态系 统对其的吸纳；就 CO2足迹本身而言，其理论构建、 计算方法与参数选择也都颇具争议性[14，15]。核算内 容的不完整导致 EF 很难像最初定义的那样，对人 类活动所产生的生态环境影响进行全面衡量。即 使不断提高计算数据的精度，EF 对于人类活动的衡 量也只能是窥其一斑，难以全览一身。
Supply Capacity，RSC），可以通过计算区域内能够给
人类提供资源供给服务的生态系统总面积得到。
就 某 一 生 态 系 统 类 型 、某 一 资 源 供 给 服 务 而
言，国家尺度的 RSF 模型（以全球公顷为单位）可以
表示为：
RSF = R GSr∙EQFr = R NSr∙SFr∙EQFr
供给赤字，说明该区域生态系统的资源供给能力无
法支撑该地区的消费水平，区域发展模式处于一种
不可持续的状态。与之相反，如果一个区域的 RSF
小于其所提供的 RSC，则表现为资源供给盈余，说
明该地区的资源供给能力足以支持其资源消费水
平，区域发展模式具有相对可持续性。
2.2.2 基于废弃物吸纳的足迹模型 基于废弃物吸
本文进一步完善了基于生态系统服务的生态 足迹（Ecosystem-Service-based Ecological Footprint， ESEF）概念，即将足迹构建于生态系统提供多种生 态系统服务的能力之上。在 ESEF 理论框架下，本 文构建了 ESEF 通用模型，并提出了基于生态系统 服务分类的拓展模型。选择单一生态系统类型、单 一生态系统服务类型为突破点，本文以太湖流域上 游常州市和湖州市为例，评估了水污染物排放对当
上就是传统 EF 衡量人类消费食物和原材料的部
分，建立在生态系统的生物生产功能之上，即基于
生 物 生 产 的 生 态 足 迹（Bio- product Provision
Footprint，BPF）。与人类消费的粮食、薪柴等资源不
同，淡水并不是一种生物生产性产品或服务，因此
以淡水生态系统的水资源供给能力为基础，另外构
供生态系统服务的生态系统面积总和。就某一生
态系统类型、某一生态系统服务类型而言，国家尺
度的 ESEC 通用模型（以全球公顷为单位）可以表
示为：
ESEC = A∙SF∙EQF
（2）
式中 ESEC 为基于该种生态系统服务的生态承载
力；A 为提供该种生态系统服务的该种生态系统类
型的面积。
供 给 因 子 和 均 衡 因 子 的 引 入 ，使 得 ESEF 和
纳的生态足迹（Waste Absorption Footprint，WAF）被
定义为吸纳一定人口或一定经济规模所排放的废
弃物所需要的生态系统面积 。 [15] WAF 的研究对象
并不局限于某一种废弃物，不仅包括化石燃料燃烧
所产生的 CO2，而且包括人类活动所产生的其它废 弃物，如过量施用化肥所产生的多余 N、P 养分。那
EF 核算内容不完整的根源在于它的土地功能
排他性假设，即每一类土地只具有唯一的生态服务
功能，不重复计算同时提供多种生态系统服务的土
地面积。由于该假设的存在，EF 实际上只考虑了土
地的生物生产功能，对生态系统服务的衡量也主要
集中在初级产品供给服务上，体现在食物生产和原
材料供给两个方面。这样一来，EF 很难将非生物生
表示为：
RSC = Ar∙SFr∙EQFr
（4）
式中 RSC 为基于该种资源供给服务的生态承载力；
Ar为提供该种资源供给服务的该种生态系统类型的
面积。
RSF 和 RSC 的计算结果均以生态系统面积为
度量单位，均可以利用资源供给服务的均衡因子和
供给因子转化成全球平国家的某一类生态系统对某种资源
产性的产品和服务纳入核算体系中，如淡水供给服
务；当 EF 试图将某些非生物生产性产品和服务纳
入进来时，如 CO2固定服务，又难免会与其理论基础 产生逻辑矛盾[14]。因此，要全面衡量人类活动对生
态系统产生的各种影响，就必须克服 EF 的这一理
论局限性，在承认生态系统功能多样性的基础上，
将足迹构建于生态系统提供多种生态系统服务的
的供给能力与该类生态系统的世界平均水平的差
异，而均衡因子代表的是某一类生态系统对某种资
源的世界平均供给能力与世界上所有生态系统对
该种资源的平均供给能力的差异。
由于 RSF 和 RSC 的表征单位相同，因此可以在
地方、国家、全球等不同尺度上进行比较。当一个
区域的 RSF 超过其所能提供的 RSC 时，表现为资源
ESEF 方法主要考虑具有生态系统服务供给能
力的自然或半自然生态系统，包括森林生态系统、
草原生态系统、农田生态系统、淡水生态系统等。
在 ESEF 方法里，供给因子是指给定区域某一生态
系统类型提供某种生态系统服务的能力与该类生
态系统的世界平均水平的比值；均衡因子则是指世
界水平上某一生态系统类型提供某种生态系统服
（3）
式中 RSF 为基于该种资源供给服务的生态足迹；R
为该种资源的消费量；GSr为该种资源的世界平均供
给能力；EQFr 为该种资源供给服务的均衡因子；NSr
为该种资源的国家平均供给能力；SFr为该种资源供
给服务的供给因子。
就 某 一 生 态 系 统 类 型 、某 一 资 源 供 给 服 务 而
言，国家尺度的 RSC 模型（以全球公顷为单位）可以
2014，36（11）：2392-2400
Resources Science
Vol.36，No.11 Nov.，2014
文章编号：1007-7588（2014）11-2392-09
基于生态系统服务的生态足迹模型构建与应用
焦雯珺，闵庆文，李文华，Anthony M. FULLER
系统面积。RSF 不仅考虑了粮食、薪柴等生活资料
2394
资源科学
第 36 卷 第 11 期
图 1 ESEF 模型分类
Fig.1 Classification of ESEF models
以及橡胶、纤维等生产资料，还考虑了淡水，即通常
所说的水资源。
RSF 对于人类利用生产生活资料的衡量，实际
关键词：基于生态系统服务的生态足迹（ESEF）；生态足迹（EF）；生态系统服务；拓展模型；基于废弃物吸纳的 生态足迹；水污染；太湖流域
1 引言
生态足迹（Ecological Footprint，EF）被定义为生 产一定人口消费的资源以及吸纳其所产生的废弃 物所需要的生物生产性土地面积 。 [1] EF 具有易理 解、易计算、易与其它指标相结合等特点，自提出以 来得到了世界各国学者的广泛关注。大量不同时 空尺度的实证研究[2-7]相继涌现，足迹模型也得到不 断的修正与改进。单一时间尺度的静态模型发展 出长时间序列的动态模型[4，8]，综合足迹模型发展出 基于组分[9]、基于投入产出[10，11]、基于能值的足迹模 型[12，13]等等。尽管如此，最初困扰 EF 的一些难题至 今仍未得到有效的解决，例如核算内容的不完整， 这导致其无法全面衡量人类活动对生态系统造成 的各种影响。
（中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101）
摘 要：生态足迹（EF）自提出以来得到了世界各国学者的广泛关注。然而，核算内容的不完整导致其无法全 面衡量人类活动对生态系统造成的各种影响。本文完善了基于生态系统服务的生态足迹（ESEF）概念与通用模型， 并拓展出基于资源供给和废弃物吸纳两大类服务的足迹模型。案例研究则利用基于废弃物吸纳的足迹模型，对太 湖流域上游常州市和湖州市水污染物排放的环境影响进行评估。研究表明，就水污染物吸纳而言，当地水环境处 于不可持续状态；氮磷营养盐的累积对当地水环境造成的压力远远大于有机物。这些信息能够为当地水环境管理 政策的制定提供参考。ESEF 概念的提出与模型的建立，有助于实现足迹方法对人类活动影响的全面衡量，并推动 足迹理论的进一步发展与完善。
ESEF 通用模型可以根据生态系统服务的类型
进一步拓展（图 1）。根据生态系统服务分类研究结
果[16-18]以及传统 EF 的最初设想，ESEF 通用模型可
以首先拓展出基于资源供给、废弃物吸纳等服务的
足迹模型。根据资源的类型，基于资源供给的足迹
模型可以进一步拓展为基于生物生产的足迹模型、
基于水资源供给的足迹模型等。根据废弃物的类
些无法被自然生态系统吸收、分解或去除的废弃物
不 在 研 究 范 畴 ，如 重 金 属 及 其 化 合 物 等 。 此 外 ，
能力之上。
ESEF 概念就是在这种背景下提出的，是指为
提供一定人口或一定经济规模消费的生态系统服
务所需要的生态系统面积。ESEF 方法以生态系统
提供多种生态系统服务的能力为基础，衡量人类社
会经济系统利用生态系统服务的水平以及对生态
系统产生的影响。就某一生态系统类型、某一生态
系统服务类型而言，国家尺度的 ESEF 通用模型（以
全球公顷为单位）可表示为：
ESEF = E GS∙EQF = E NS∙SF∙EQF
（1）
式中 ESEF 为基于该种生态系统服务的生态足迹；E
为该种生态系统服务的消费量；GS 为该种生态系统
服务的世界平均供给能力；EQF 为该种生态系统服
务的均衡因子；NS 为该种生态系统服务的国家平均
供给能力；SF 为该种生态系统服务的供给因子。
务的能力与所有生态系统类型提供该种生态系统
服务的平均能力的比值[14]。
除了有代表人类需求的足迹以外，ESEF 也包
括代表生态系统供给能力的承载力。基于生态系
统 服 务 的 生 态 承 载 力（Ecosystem- Service- based
Ecological Capacity，ESEC）是指区域能够给人类提
收稿日期：2014-03-20；修订日期：2014-08-20 基金项目：中国科学院地理科学与资源研究所“一三五”战略科技计划项目（编号：2012ZD007）；中国博士后科学基金（编号：2013M530710）； 中国科学院外国专家特聘研究员计划（编号：2013T2Z0011）。 作者简介：焦雯珺，女，山东青岛人，博士后，研究方向为资源生态承载力与区域可持续发展。E-mail：jiaowj1022@ 通讯作者：闵庆文，E-mail：minqw@
ESEC 可以相互比较，从而得到人类需求和自然承
载力之间的差距。ESEF 可以在不同生态系统类型
之间进行比较，同时由于不同生态系统服务之间相
互独立，基于其的生态足迹之间以及与相应的生态
承载力之间均具有可比性。与传统 EF 相比，ESEF
能够更加全面地反映出人类社会经济系统利用生
态系统服务的水平及其对生态系统产生的影响。
建 基 于 水 资 源 供 给 的 生 态 足 迹（Water Supply
Footprint，WSF）。
尽管 RSF 分别构建足迹模型来衡量人类对初
级产品和水资源的消费，一定人口或一定经济规模
对资源供给服务的需求，一般来说可以通过将资源
消费总量除以单位面积供给能力计算得到。与之
相 应 ，基 于 资 源 供 给 的 生 态 承 载 力（Resource
型，基于废弃物吸纳的足迹模型也可以进一步细
化，如基于碳固定的足迹模型、基于多余养分去除
的足迹模型等。
2.2 拓展模型
2.2.1 基于资源供给的足迹模型 基于资源供给的
生态足迹（Resource Supply Footprint，RSF）继承了传
统 EF 对人类资源消费活动的衡量，是指为满足一
定人口或一定经济规模消费的资源所需要的生态
2014 年 11 月
焦雯珺等：基于生态系统服务的生态足迹模型构建与应用
2393
地水环境的影响。在案例研究的基础上，本文对拓
展模型的内部逻辑关系以及 ESEF 与其它足迹类型
的关系进行了讨论，以期推动足迹理论的不断发展
与完善。
2 ESEF 模型
2.1 通用模型
EF 试图利用生物生产性土地面积度量人类利 用生态系统服务活动对地球产生的各种影响，但是 事实上其并没有将生态系统服务真正纳入进来，只 是涵盖了其中一小部分。从资源消费的角度来看，
EF 只考虑了生态系统的初级产品供给服务，没有考 虑其它供给服务，例如淡水供给；从废弃物排放的 角度来看，EF 考虑了森林生态系统对 CO2 的吸纳， 没有考虑人类活动产生的其它废弃物以及生态系 统对其的吸纳；就 CO2足迹本身而言，其理论构建、 计算方法与参数选择也都颇具争议性[14，15]。核算内 容的不完整导致 EF 很难像最初定义的那样，对人 类活动所产生的生态环境影响进行全面衡量。即 使不断提高计算数据的精度，EF 对于人类活动的衡 量也只能是窥其一斑，难以全览一身。
Supply Capacity，RSC），可以通过计算区域内能够给
人类提供资源供给服务的生态系统总面积得到。
就 某 一 生 态 系 统 类 型 、某 一 资 源 供 给 服 务 而
言，国家尺度的 RSF 模型（以全球公顷为单位）可以
表示为：
RSF = R GSr∙EQFr = R NSr∙SFr∙EQFr
供给赤字，说明该区域生态系统的资源供给能力无
法支撑该地区的消费水平，区域发展模式处于一种
不可持续的状态。与之相反，如果一个区域的 RSF
小于其所提供的 RSC，则表现为资源供给盈余，说
明该地区的资源供给能力足以支持其资源消费水
平，区域发展模式具有相对可持续性。
2.2.2 基于废弃物吸纳的足迹模型 基于废弃物吸
本文进一步完善了基于生态系统服务的生态 足迹（Ecosystem-Service-based Ecological Footprint， ESEF）概念，即将足迹构建于生态系统提供多种生 态系统服务的能力之上。在 ESEF 理论框架下，本 文构建了 ESEF 通用模型，并提出了基于生态系统 服务分类的拓展模型。选择单一生态系统类型、单 一生态系统服务类型为突破点，本文以太湖流域上 游常州市和湖州市为例，评估了水污染物排放对当
上就是传统 EF 衡量人类消费食物和原材料的部
分，建立在生态系统的生物生产功能之上，即基于
生 物 生 产 的 生 态 足 迹（Bio- product Provision
Footprint，BPF）。与人类消费的粮食、薪柴等资源不
同，淡水并不是一种生物生产性产品或服务，因此
以淡水生态系统的水资源供给能力为基础，另外构
供生态系统服务的生态系统面积总和。就某一生
态系统类型、某一生态系统服务类型而言，国家尺
度的 ESEC 通用模型（以全球公顷为单位）可以表
示为：
ESEC = A∙SF∙EQF
（2）
式中 ESEC 为基于该种生态系统服务的生态承载
力；A 为提供该种生态系统服务的该种生态系统类
型的面积。
供 给 因 子 和 均 衡 因 子 的 引 入 ，使 得 ESEF 和
纳的生态足迹（Waste Absorption Footprint，WAF）被
定义为吸纳一定人口或一定经济规模所排放的废
弃物所需要的生态系统面积 。 [15] WAF 的研究对象
并不局限于某一种废弃物，不仅包括化石燃料燃烧
所产生的 CO2，而且包括人类活动所产生的其它废 弃物，如过量施用化肥所产生的多余 N、P 养分。那
EF 核算内容不完整的根源在于它的土地功能
排他性假设，即每一类土地只具有唯一的生态服务
功能，不重复计算同时提供多种生态系统服务的土
地面积。由于该假设的存在，EF 实际上只考虑了土
地的生物生产功能，对生态系统服务的衡量也主要
集中在初级产品供给服务上，体现在食物生产和原
材料供给两个方面。这样一来，EF 很难将非生物生
表示为：
RSC = Ar∙SFr∙EQFr
（4）
式中 RSC 为基于该种资源供给服务的生态承载力；
Ar为提供该种资源供给服务的该种生态系统类型的
面积。
RSF 和 RSC 的计算结果均以生态系统面积为
度量单位，均可以利用资源供给服务的均衡因子和
供给因子转化成全球平国家的某一类生态系统对某种资源
产性的产品和服务纳入核算体系中，如淡水供给服
务；当 EF 试图将某些非生物生产性产品和服务纳
入进来时，如 CO2固定服务，又难免会与其理论基础 产生逻辑矛盾[14]。因此，要全面衡量人类活动对生
态系统产生的各种影响，就必须克服 EF 的这一理
论局限性，在承认生态系统功能多样性的基础上，
将足迹构建于生态系统提供多种生态系统服务的
的供给能力与该类生态系统的世界平均水平的差
异，而均衡因子代表的是某一类生态系统对某种资
源的世界平均供给能力与世界上所有生态系统对
该种资源的平均供给能力的差异。
由于 RSF 和 RSC 的表征单位相同，因此可以在
地方、国家、全球等不同尺度上进行比较。当一个
区域的 RSF 超过其所能提供的 RSC 时，表现为资源
ESEF 方法主要考虑具有生态系统服务供给能
力的自然或半自然生态系统，包括森林生态系统、
草原生态系统、农田生态系统、淡水生态系统等。
在 ESEF 方法里，供给因子是指给定区域某一生态
系统类型提供某种生态系统服务的能力与该类生
态系统的世界平均水平的比值；均衡因子则是指世
界水平上某一生态系统类型提供某种生态系统服
（3）
式中 RSF 为基于该种资源供给服务的生态足迹；R
为该种资源的消费量；GSr为该种资源的世界平均供
给能力；EQFr 为该种资源供给服务的均衡因子；NSr
为该种资源的国家平均供给能力；SFr为该种资源供
给服务的供给因子。
就 某 一 生 态 系 统 类 型 、某 一 资 源 供 给 服 务 而
言，国家尺度的 RSC 模型（以全球公顷为单位）可以