劉 鈺, 馬延吉**

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農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡研究進(jìn)展與展望*

劉 鈺1,2, 馬延吉1,2**

(1. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 長(zhǎng)春 130102; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100049)

農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡作為一種有效衡量農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r的計(jì)量工具, 具有模型可操作性和結(jié)果可比性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。本文從農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的概念內(nèi)涵出發(fā), 對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的算法、參數(shù)調(diào)整及農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的應(yīng)用等方面的國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述。算法上, 介紹了農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的4種計(jì)算思路, 包括只考慮農(nóng)業(yè)生物資源消耗、同時(shí)考慮農(nóng)業(yè)生物資源消耗和能源消耗、考慮農(nóng)業(yè)廢棄物及污染物以及結(jié)合其他計(jì)量方法, 并分別闡述了其具體算法, 且總結(jié)了農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡參數(shù)調(diào)整的一般方法; 應(yīng)用上, 梳理了不同農(nóng)業(yè)技術(shù)及生產(chǎn)方式的合理性分析及農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性分析。綜述發(fā)現(xiàn), 算法方面, 已有研究從農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的傳統(tǒng)模型出發(fā), 依據(jù)不同研究目的設(shè)計(jì)計(jì)算思路, 近幾年, 與其他計(jì)量方法的結(jié)合應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注; 參數(shù)方面, 從直接采用“全球公頃”方法中的均衡因子和產(chǎn)量因子, 到依據(jù)研究區(qū)域修改兩個(gè)因子參數(shù), 再到結(jié)合能值理論、凈初級(jí)生產(chǎn)力等其他計(jì)量方法中相對(duì)穩(wěn)定的參數(shù), 使得計(jì)算結(jié)果更加精確; 應(yīng)用方面, 逐漸以農(nóng)業(yè)生態(tài)為研究主線, 結(jié)合農(nóng)業(yè)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科技等維度綜合探究農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。

農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡; 算法; 參數(shù)調(diào)整; 農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展

自生態(tài)足跡提出以來(lái), 國(guó)內(nèi)外已有許多研究詳細(xì)介紹了其概念[1-2]、理論假設(shè)[1,3]、核算方法及計(jì)算公式[1,4]、模型局限性及其改進(jìn)方法[5-6]、實(shí)踐應(yīng)用[7-9]等。近幾年, 生態(tài)足跡的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從宏觀層面向中、微觀層面拓展。其中, 歸屬于產(chǎn)業(yè)生態(tài)足跡的旅游業(yè)生態(tài)足跡[10-11]、工業(yè)生態(tài)足跡[12]、交通生態(tài)足跡[13]等均是比較熱門(mén)的研究領(lǐng)域, 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡也是產(chǎn)業(yè)生態(tài)足跡的一個(gè)分支領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾已得到眾多研究學(xué)者的關(guān)注, 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡作為一種有效衡量農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r的計(jì)量工具, 其模型可操作性和結(jié)果可比性較強(qiáng), 被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛采用。例如, Moghaddam等[14]采用基于投入產(chǎn)出法的生態(tài)足跡模型核算了伊朗農(nóng)業(yè)部門(mén)的生態(tài)足跡, 將生態(tài)影響指標(biāo)納入其經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整決策中。Viglizzo等[15]利用農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡模型評(píng)估農(nóng)業(yè)土地利用以及農(nóng)業(yè)技術(shù)和管理變化對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響, 認(rèn)為集約化農(nóng)業(yè)使生產(chǎn)力顯著提高的同時(shí)也為農(nóng)業(yè)環(huán)境帶來(lái)了負(fù)面影響, 但耕作方式和殺蟲(chóng)劑的改進(jìn)又降低了這一影響。Van der Werf等[16]采用包括生態(tài)足跡模型在內(nèi)的5種定量方法計(jì)算分析了3種農(nóng)場(chǎng)情景的環(huán)境影響。焦雯珺等[17-18]對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)地區(qū)的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力展開(kāi)計(jì)算分析, 認(rèn)為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相較于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)區(qū)域的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及文化可持續(xù)發(fā)展更具重要意義。畢安平等[19]核算了福建省農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡, 認(rèn)為福建省農(nóng)業(yè)的需求供給比例極不協(xié)調(diào), 并通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡各組分進(jìn)行分析提出了相應(yīng)的對(duì)策與建議。邊淑娟等[20]計(jì)算了福建省農(nóng)業(yè)廢棄物生態(tài)足跡, 并評(píng)估了農(nóng)業(yè)廢棄物再利用方式, 指出合理地、可持續(xù)地利用農(nóng)業(yè)廢棄物有利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境效益達(dá)到雙贏局面。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者不僅對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡進(jìn)行整體核算分析, 還對(duì)農(nóng)作物生態(tài)足跡[21-22]、畜牧業(yè)生態(tài)足跡[23-24]、林業(yè)生態(tài)足跡[25-26]、漁業(yè)生態(tài)足跡[27-28]、農(nóng)業(yè)碳足跡[29-30]、農(nóng)業(yè)水足跡[31-32]以及農(nóng)業(yè)廢棄物生態(tài)足跡[33]等農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡分支進(jìn)行研究。

本文系統(tǒng)梳理了農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的概念及內(nèi)涵, 并從農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的算法、參數(shù)調(diào)整、農(nóng)業(yè)技術(shù)與生產(chǎn)方式對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的影響以及農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡研究進(jìn)展進(jìn)行綜述, 為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展評(píng)估提供科學(xué)參考。

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的概念與內(nèi)涵

農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的概念與內(nèi)涵源于生態(tài)足跡。但農(nóng)業(yè)相對(duì)于其他產(chǎn)業(yè)具有一定特殊性: 一方面農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)既消費(fèi)原料、能源等資源, 另一方面又產(chǎn)出農(nóng)產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)廢棄物、污染物等, 且不同的農(nóng)業(yè)區(qū)域各具生產(chǎn)特點(diǎn)。因此, 在生態(tài)足跡的研究基礎(chǔ)上, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在闡述農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的概念與內(nèi)涵時(shí)各有看法。

唐沖等[34]、靳之更[35]認(rèn)為是農(nóng)產(chǎn)品的生態(tài)足跡, 只考慮農(nóng)業(yè)生物資源產(chǎn)生的生態(tài)占用, 并借用生態(tài)足跡的原理及內(nèi)涵計(jì)算了研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡。孫維等[36]認(rèn)為是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消費(fèi)產(chǎn)生的生態(tài)占用, 將農(nóng)業(yè)廢棄物和污染物產(chǎn)生的生態(tài)足跡也考慮在內(nèi), 更加符合農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡內(nèi)涵, 但將農(nóng)村居民的生活消費(fèi)計(jì)算在內(nèi)則需進(jìn)一步改進(jìn)。畢安平等[19]明確給出了農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的定義: 在一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下, 為支撐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)所需要的資源消費(fèi)與廢物消納的生態(tài)生產(chǎn)土地面積。這一概念正好體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)相對(duì)其他產(chǎn)業(yè)的特殊性, 既消耗農(nóng)業(yè)活動(dòng)投入品, 也產(chǎn)出農(nóng)業(yè)廢棄物及污染物, 完善了農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的內(nèi)涵。Passeri等[37]以及Blasi等[38]均將農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡解釋為農(nóng)場(chǎng)生態(tài)足跡和生產(chǎn)過(guò)剩生態(tài)足跡的總和, 即作物從播種到收獲，農(nóng)業(yè)活動(dòng)所需投入的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積與盲目提高產(chǎn)量而導(dǎo)致的過(guò)度生產(chǎn)所占用的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積之和。這一概念從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)角度入手, 考慮了土地過(guò)度利用導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)剩所產(chǎn)生的生態(tài)占用, 豐富了農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的內(nèi)涵, 為農(nóng)業(yè)可持續(xù)性分析提供新的切入點(diǎn)。

2 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的計(jì)算方法

2.1 計(jì)算思路

農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的各種計(jì)算思路主要看對(duì)其內(nèi)涵的不同理解, 有以下4個(gè)方面: 1)只考慮農(nóng)業(yè)生物資源消耗。唐沖等[34]結(jié)合尚義縣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況, 僅計(jì)算了包含可用耕地和牧草地的農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡; 靳之更[35]、楊平[39]、張立志等[40]以及蔣纏文[41]通過(guò)建立農(nóng)業(yè)生物資源消耗賬戶計(jì)算農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡。2)同時(shí)考慮農(nóng)業(yè)生物資源消耗和能源消耗。焦雯珺等[17-18]通過(guò)建立食物/商品賬戶和住房/交通賬戶計(jì)算農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡; 林永欽等[42]將化石能源土地作為體現(xiàn)農(nóng)業(yè)能源消耗所產(chǎn)生的生態(tài)足跡的載體; 楊秋[43]利用能值理論, 通過(guò)能值轉(zhuǎn)換率和能值密度計(jì)算能源消費(fèi)足跡, 與生物生產(chǎn)足跡共同構(gòu)成農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡。3)考慮農(nóng)業(yè)廢棄物、污染物。孫維等[36]、畢安平等[19]將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染物生態(tài)足跡劃入農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的計(jì)算范圍, 體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)土地的多重生態(tài)功能, 這一計(jì)算思路更加貼近土地利用的現(xiàn)實(shí)情況; 邊淑娟等[20]、Liu等[44]對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物的生態(tài)足跡進(jìn)行測(cè)算, 以選擇合理的循環(huán)利用方式。4)與其他計(jì)量方法結(jié)合。為彌補(bǔ)基礎(chǔ)模型的計(jì)算缺陷, 學(xué)者們將農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡模型與生命周期理論、能值理論以及凈初級(jí)生產(chǎn)力等計(jì)量方法相結(jié)合, 構(gòu)建改進(jìn)的計(jì)算模型。上述內(nèi)容為簡(jiǎn)單敘述, 下面將以時(shí)間為主線對(duì)相應(yīng)的具體算法進(jìn)行闡釋。

2.2 具體算法

2.2.1 只考慮農(nóng)業(yè)生物資源消耗的算法

在建立農(nóng)業(yè)生物資源消耗賬戶, 劃分相應(yīng)的農(nóng)地類(lèi)型的基礎(chǔ)上, 計(jì)算各類(lèi)生物資源的消費(fèi)量或生產(chǎn)量, 然后根據(jù)均衡因子折算為各農(nóng)地類(lèi)型的生態(tài)足跡, 加總即為農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡, 在計(jì)算農(nóng)業(yè)生態(tài)承載力時(shí)考慮到生物多樣性保護(hù)扣除12%的面積, 最后計(jì)算研究區(qū)域的生態(tài)盈余情況。唐沖等[34]采用種植業(yè)與畜牧業(yè)產(chǎn)品的消費(fèi)量折算生物資源的生產(chǎn)面積, 并劃分到相應(yīng)的可耕地和草地2類(lèi)生態(tài)生產(chǎn)性土地中; 靳之更[35]、楊平[39]、蔣纏文[41]應(yīng)用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織1993年世界平均產(chǎn)量折算; 張立志等[40]則采用了統(tǒng)計(jì)年鑒中人均年消耗量平均值進(jìn)行折算, 并劃分到相應(yīng)的耕地、草地、林地以及水域4類(lèi)生態(tài)生產(chǎn)性土地中。其中, 唐沖等[34]、張立志等[40]計(jì)算了研究區(qū)域的多年農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡, 并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。該算法計(jì)算規(guī)范, 數(shù)據(jù)可獲取性強(qiáng)。但也有一些明顯的缺點(diǎn): 第一, 計(jì)算過(guò)程僅考慮農(nóng)業(yè)活動(dòng)過(guò)程中農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)出, 忽略了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能源的消耗以及農(nóng)業(yè)廢棄物和污染物產(chǎn)生的生態(tài)占用, 導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真; 第二, 均衡因子及產(chǎn)量因子的采用沒(méi)有依據(jù)研究區(qū)域進(jìn)行調(diào)整, 導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)承載力的計(jì)算偏小。

2.2.2 同時(shí)考慮農(nóng)業(yè)生物資源消耗和能源消耗的算法

焦雯珺等[17-18]、林永欽等[42]、楊秋[43]均同時(shí)考慮了農(nóng)業(yè)生物資源消耗和能源消耗產(chǎn)生的生態(tài)占用。依據(jù)研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展情況, 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡賬戶的分類(lèi)有所不同。焦雯珺等[17-18]建立食物/商品賬戶和住房/交通賬戶, 應(yīng)用人均消費(fèi)量和世界平均生產(chǎn)能力折算農(nóng)業(yè)生物資源的生產(chǎn)面積, 通過(guò)能源折算系數(shù)和全球平均能源足跡計(jì)算農(nóng)業(yè)能源消費(fèi)足跡, 并相應(yīng)地劃分到耕地、草地、林地、水域、化石能源地以及建設(shè)用地6類(lèi)生態(tài)生產(chǎn)性土地中, 利用均衡因子調(diào)整后加總; 林永欽等[42]應(yīng)用研究區(qū)域各類(lèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的總產(chǎn)出量折算生產(chǎn)面積, 并劃分到耕地、草場(chǎng)、林地和水域, 同時(shí)以化石能源地作為農(nóng)業(yè)能源消耗足跡的載體, 利用均衡因子調(diào)整后加總; 楊秋[43]將農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡賬戶分為生物資源消費(fèi)賬戶和能源消費(fèi)賬戶, 采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織1993年的全球平均產(chǎn)量折算生產(chǎn)面積, 并結(jié)合能值理論利用能值轉(zhuǎn)換率和能值密度計(jì)算生產(chǎn)足跡和能源足跡。以上研究依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展情況進(jìn)行了生態(tài)生產(chǎn)性土地類(lèi)型的項(xiàng)目調(diào)整, 更加貼合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)足跡現(xiàn)狀。但其部分缺點(diǎn)有待解決: 第一, 模型分析還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn), 諸多因素的可變性較大; 第二, 農(nóng)業(yè)賬戶受研究區(qū)域統(tǒng)計(jì)資料的限制具有一定的局限性, 不能完全涵蓋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的所有消費(fèi)品, 會(huì)導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果偏小。

2.2.3 考慮農(nóng)業(yè)廢棄物、污染物的算法

孫維等[36]根據(jù)研究區(qū)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的消費(fèi)特征增加了“水資源供給地”, 并引入了對(duì)應(yīng)的“水資源足跡”, 又依據(jù)農(nóng)業(yè)活動(dòng)性質(zhì)劃分了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)足跡和消費(fèi)足跡, 將農(nóng)業(yè)污染物產(chǎn)生的生態(tài)占用考慮在內(nèi), 利用生態(tài)足跡的原理核算農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡, 同時(shí)采用資源產(chǎn)量法計(jì)算農(nóng)業(yè)生態(tài)承載力, 強(qiáng)調(diào)土地的多重生態(tài)功能, 避免了重復(fù)計(jì)算。畢安平等[19]將農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡分為農(nóng)業(yè)投入品生態(tài)足跡、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力消費(fèi)生態(tài)足跡以及農(nóng)業(yè)污染物生態(tài)足跡3個(gè)組分, 將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入賬戶分別劃分到3個(gè)子項(xiàng)目中并計(jì)算其足跡, 應(yīng)用研究區(qū)域的多年平均產(chǎn)量替代全球平均產(chǎn)量, 考慮到土地的復(fù)合生態(tài)功能未使用均衡因子加總計(jì)算, 只進(jìn)行分類(lèi)比較, 且研究只考慮農(nóng)業(yè)而不是所有產(chǎn)業(yè), 所以在農(nóng)業(yè)生態(tài)承載力計(jì)算中沒(méi)有劃出12%的生物多樣性保護(hù)面積。該算法強(qiáng)調(diào)了農(nóng)業(yè)廢棄物、污染物所產(chǎn)生的生態(tài)占用的占比不可忽略不計(jì)。農(nóng)業(yè)廢棄物利用不當(dāng)一方面會(huì)帶來(lái)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染, 甚至造成惡性循環(huán); 另一方面會(huì)造成資源的浪費(fèi)。邊淑娟等[20]、Liu等[44]結(jié)合能值理論, 采用能值轉(zhuǎn)換率和能值密度替代均衡因子的調(diào)整作用, 對(duì)農(nóng)業(yè)秸稈和畜禽糞便的人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力進(jìn)行了核算分析。這一研究角度闡釋了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系, 并提出了農(nóng)業(yè)廢棄物合理利用的解決方案, 對(duì)于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)管理具有重要意義。

考慮農(nóng)業(yè)廢棄物、污染物的計(jì)算過(guò)程中對(duì)產(chǎn)量因子進(jìn)行了修正, 解決區(qū)域信息丟失的問(wèn)題, 使模型在中等尺度的應(yīng)用更加準(zhǔn)確; 該計(jì)算方式將農(nóng)業(yè)地區(qū)的土地利用作為一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行核算, 反映了土地的復(fù)合生態(tài)功能, 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型土地利用功能互斥的假設(shè), 是近幾年農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡研究中相對(duì)完善的算法。

2.2.4 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡與其他計(jì)量方法結(jié)合的算法

生命周期理論在國(guó)外應(yīng)用和發(fā)展已有近40年歷史, 成為許多產(chǎn)業(yè)目前最有效的環(huán)境管理工具之一[45]。生命周期法與農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的結(jié)合, 更新了傳統(tǒng)模型的計(jì)算方式, 強(qiáng)調(diào)各類(lèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的生態(tài)占用。Silalertruksa等[46]結(jié)合生命周期法計(jì)算農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的生態(tài)足跡、碳足跡、缺水足跡和能源足跡。應(yīng)用農(nóng)業(yè)活動(dòng)中化石能源使用產(chǎn)生的二氧化碳排放直接土地占用面積和間接土地占用面積之和表示農(nóng)產(chǎn)品的生態(tài)足跡, 能源足跡的計(jì)算包含在農(nóng)產(chǎn)品生態(tài)足跡中; 碳足跡的計(jì)算對(duì)象為農(nóng)產(chǎn)品整個(gè)生命周期的溫室氣體排放總量; 缺水足跡通過(guò)水分脅迫指數(shù)計(jì)算得出。

能值理論利用能值轉(zhuǎn)換率、能值密度等參數(shù)將農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中不可比較的能量轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的能值, 相比于傳統(tǒng)模型的均衡因子和產(chǎn)量因子, 其參數(shù)更加穩(wěn)定。趙桂慎等[47]利用能值-農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡模型, 同時(shí)選取了資源負(fù)載指數(shù)、環(huán)境負(fù)載指數(shù)、可持續(xù)發(fā)展指數(shù)和系統(tǒng)外部性構(gòu)建能值農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡指標(biāo)體系, 評(píng)價(jià)集約化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r; Bai等[48]結(jié)合能值理論, 通過(guò)納入土壤損失、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力以及農(nóng)業(yè)廢棄物等項(xiàng)目, 利用能值轉(zhuǎn)換率和能值密度折算成生態(tài)生產(chǎn)性土地面積。然而, 該算法中能值密度的測(cè)量具有一定難度, 且不同農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的轉(zhuǎn)換各具特性, 能量流的分析也相對(duì)復(fù)雜。

基于凈初級(jí)生產(chǎn)力的農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡計(jì)算方法(EF-NPP)利用遙感和地理信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取土地利用數(shù)據(jù), 并基于NPP重新測(cè)算均衡因子。王琦等[49]通過(guò)修正產(chǎn)量因子和均衡因子, 并將遙感因子引入了傳統(tǒng)計(jì)算模型, 計(jì)算耕地生態(tài)足跡及其生態(tài)承載力, 耕地生態(tài)足跡是農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的一項(xiàng)單項(xiàng)研究, 所以耕地生態(tài)承載力中生物多樣性保護(hù)面積的占比是依據(jù)耕地占總用地的面積比計(jì)算得出。但是, 基于NPP計(jì)算的均衡因子不穩(wěn)定以及遙感和地理信息系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的精度欠佳等缺點(diǎn)還有待解決。

與其他計(jì)量方法的結(jié)合是農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡方法改進(jìn)的最佳選擇, 研究者可以依據(jù)研究角度自行斟酌, 選擇最佳的算法核算農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡, 達(dá)到改進(jìn)傳統(tǒng)模型, 彌補(bǔ)缺陷以及精確計(jì)算結(jié)果的研究要求。

2.3 參數(shù)調(diào)整

參數(shù)的調(diào)整對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性有較大影響, 其中, 產(chǎn)量因子的修正對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的影響最為顯著。研究中最常采用基于“全球公頃”計(jì)算得出的參數(shù), 由此計(jì)算的結(jié)果便于國(guó)家之間進(jìn)行比較, 但是忽略了國(guó)與國(guó)的生產(chǎn)力差異, 沒(méi)能體現(xiàn)出農(nóng)業(yè)地區(qū)之間的差異性。隨著研究的深入, 吳開(kāi)亞等[50]將“國(guó)家公頃”引入計(jì)算模型, 該類(lèi)計(jì)算方法在“全球公頃”的基礎(chǔ)上將各計(jì)算項(xiàng)目做了尺度降維, 重新計(jì)算研究區(qū)域的產(chǎn)量因子和均衡因子, 增強(qiáng)了農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡結(jié)果的準(zhǔn)確性與真實(shí)性。但是, 產(chǎn)量因子和均衡因子的穩(wěn)定性較差, 仍存在一定缺陷。趙桂慎等[47]結(jié)合能值理論, 借助能值轉(zhuǎn)換率和能值密度參數(shù)計(jì)算農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡, 其參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定, 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型數(shù)據(jù)失真的缺陷。王琦等[49]利用遙感數(shù)據(jù)NPP測(cè)算產(chǎn)量因子和均衡因子, 使計(jì)算結(jié)果更精確。不過(guò), 國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)于參數(shù)的采用還是以產(chǎn)量因子和均衡因子為主, 下面是學(xué)者們針對(duì)產(chǎn)量因子(表1)及均衡因子(表2)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整所采用的一般方法。

表1 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡產(chǎn)量因子參數(shù)調(diào)整的一般方法

表2 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡均衡因子參數(shù)調(diào)整的一般方法

3 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的應(yīng)用

3.1 不同農(nóng)業(yè)技術(shù)及生產(chǎn)方式的合理性分析

不同的農(nóng)業(yè)技術(shù)會(huì)導(dǎo)致有差異的農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡組分核算值。化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、畜力等外部投入品的不合理使用可能導(dǎo)致對(duì)自然生態(tài)及自然資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)。Passeri等[37]探討農(nóng)業(yè)技術(shù)對(duì)農(nóng)田生態(tài)占用的影響, 首先將農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡劃分為農(nóng)場(chǎng)足跡和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)剩足跡兩個(gè)子項(xiàng)目, 在計(jì)算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)剩足跡時(shí)通過(guò)創(chuàng)建Farm Source分析模型及特定作物過(guò)度生產(chǎn)的比例因子(), 界定最小投入產(chǎn)量的農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡; 然后依據(jù)農(nóng)業(yè)管理技術(shù)的不同將農(nóng)業(yè)分為低投入農(nóng)業(yè)、中等投入農(nóng)業(yè)以及高投入農(nóng)業(yè), 評(píng)估3種農(nóng)業(yè)技術(shù)下的生態(tài)足跡, 以此反映土地過(guò)度利用情況以及不同農(nóng)業(yè)管理技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的影響。研究表明, 不同的農(nóng)業(yè)技術(shù)對(duì)不同類(lèi)型的農(nóng)業(yè)資源消耗有顯著差異, 在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的背景下, 農(nóng)業(yè)機(jī)械和化學(xué)物質(zhì)的投入正在對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)造成進(jìn)一步壓力, 對(duì)此, 農(nóng)民對(duì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的合理選擇至關(guān)重要, 因?yàn)檗r(nóng)業(yè)管理技能要素可能成為對(duì)自然資源施加壓力的決定性因素。

Mózner等[54]的研究討論了粗放式、集約型兩種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的影響。粗放式農(nóng)業(yè)活動(dòng)具有低投入、低產(chǎn)出、低效益的特征, 若想產(chǎn)出與集約型農(nóng)業(yè)相同的作物產(chǎn)量, 就必須耗費(fèi)更多的耕地面積、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力以及畜力, 那么作物生態(tài)足跡、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力消費(fèi)生態(tài)足跡和牧業(yè)生態(tài)足跡則會(huì)相對(duì)較大; 而集約型農(nóng)業(yè)活動(dòng)的耕作與收獲過(guò)程則需要較高的機(jī)械化投入, 且化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)化學(xué)品的投入也較多, 因此其農(nóng)業(yè)污染物生態(tài)足跡、能源生態(tài)足跡較大?？梢钥闯? 粗放式農(nóng)業(yè)和集約型農(nóng)業(yè)所造成的生態(tài)占用組分具有顯著差別。Blasi等[38]對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行環(huán)境經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià), 認(rèn)為農(nóng)業(yè)活動(dòng)的生產(chǎn)方式改變了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)承載力, 同時(shí)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境狀態(tài)也會(huì)影響農(nóng)作物的生產(chǎn), 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡模型可以通過(guò)計(jì)算資源需求(即農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡)和供給能力(即農(nóng)業(yè)生態(tài)承載力)來(lái)確定這兩種影響的相互作用程度。研究表明, 合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)可以平衡農(nóng)業(yè)生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的相互影響, 且農(nóng)民作為自然資源管理者和使用者應(yīng)該被予以重視。

3.2 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性分析

采用農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡進(jìn)行農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)性分析的實(shí)踐應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)領(lǐng)域: 1)評(píng)估特定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式下農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的能力。例如, Viglizzo等[15]從農(nóng)業(yè)土地利用的角度出發(fā), 通過(guò)農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡模型評(píng)估土地利用的影響、技術(shù)和管理變化, 并以此分析農(nóng)業(yè)擴(kuò)張對(duì)可持續(xù)發(fā)展的影響。2)評(píng)估農(nóng)業(yè)地區(qū)耕地資源的可持續(xù)利用。例如, 施開(kāi)放等[55]計(jì)算評(píng)估重慶市的耕地資源狀況, 引入了耕地生態(tài)承載力供需平衡分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn), 研究表明重慶市的耕地資源可持續(xù)性存在明顯的空間差異, 有利于政府了解農(nóng)業(yè)政策的實(shí)施效果并進(jìn)一步規(guī)劃布局。3)評(píng)估農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)利用方式。例如, Maier等[62]將碳足跡與農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡結(jié)合, 共同評(píng)估傳統(tǒng)耕作方式向有機(jī)農(nóng)業(yè)和使用可再生能源的轉(zhuǎn)變是否有利于農(nóng)業(yè)發(fā)展; Budreski等[63]結(jié)合農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡與作物足跡對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估等。4)評(píng)估農(nóng)業(yè)廢棄物的循環(huán)利用。例如, 邊淑娟等[20]、Liu等[44]均利用能值-農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡模型對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物的利用方式進(jìn)行評(píng)估, 研究得出農(nóng)業(yè)廢棄物的合理利用可以減少農(nóng)業(yè)生態(tài)占用, 促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的改善, 有效提高農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力。近幾年, 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步拓展: 第一, 從農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境角度出發(fā), 測(cè)算農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡并評(píng)估當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展情況, 觀察研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展困難、問(wèn)題與政策實(shí)施效果, 從而結(jié)合當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)給出可持續(xù)發(fā)展與管理的建議; 第二, 在評(píng)估影響農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡關(guān)鍵組分的同時(shí), 研究者開(kāi)始關(guān)注到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化、科技等外部因素對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的影響。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了一系列實(shí)證探索, 取得了較為明顯的進(jìn)展。在計(jì)算思路方面, 研究者們從不同的角度進(jìn)行構(gòu)思, 逐漸由只考慮農(nóng)業(yè)生物資源消耗到同時(shí)考慮農(nóng)業(yè)生物資源消耗與能源消耗, 再到將農(nóng)業(yè)廢棄物、污染物的生態(tài)占用考慮在內(nèi), 尤其是近5年, 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡結(jié)合其他計(jì)量方法綜合應(yīng)用的計(jì)算思路被廣泛采納,使農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的算法得到進(jìn)一步改進(jìn)。在參數(shù)調(diào)整方面, 產(chǎn)量因子與均衡因子的計(jì)算從以“全球公頃”為標(biāo)準(zhǔn)到以表現(xiàn)研究區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的“國(guó)家公頃”為標(biāo)準(zhǔn), 再到結(jié)合能值理論以能值轉(zhuǎn)換率和能值密度作為轉(zhuǎn)換參數(shù)等, 已有研究以生態(tài)足跡的參數(shù)為研究基礎(chǔ), 逐漸將研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)特點(diǎn)考慮在內(nèi), 重新進(jìn)行參數(shù)調(diào)整, 提高了計(jì)算結(jié)果的精確性。在實(shí)證研究方面, 第一, 以往研究大多以農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的整體測(cè)算分析為主, 主要為研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)生態(tài)盈虧狀況做評(píng)價(jià)服務(wù); 第二, 近幾年, 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的單項(xiàng)研究逐漸得到關(guān)注, 例如, 漁業(yè)生態(tài)足跡、畜牧業(yè)生態(tài)足跡等研究相繼發(fā)表; 第三, 應(yīng)用農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡與其他指標(biāo)結(jié)合用以綜合衡量農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的研究嶄露頭角, 且對(duì)于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性綜合分析也逐漸深入。隨著研究者對(duì)不同農(nóng)業(yè)問(wèn)題的深入探究, 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的應(yīng)用范圍得到拓展。

4.2 展望

農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡自提出以來(lái)已經(jīng)逐漸得到廣泛的應(yīng)用和不斷的完善。但是, 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的計(jì)算思路和模型參數(shù)仍處于不斷發(fā)展的階段, 還有許多有待探索的領(lǐng)域和亟待解決的問(wèn)題。第一, 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡的標(biāo)準(zhǔn)化研究。結(jié)合以往研究的缺陷, 其標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集、計(jì)算思路、關(guān)鍵參數(shù)、結(jié)果評(píng)價(jià)等方面。標(biāo)準(zhǔn)化能夠鼓勵(lì)更廣泛、更規(guī)范的采用農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡, 提高其促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性分析的影響力。第二, 構(gòu)建完善的農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡指標(biāo)體系?，F(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡指標(biāo)雖然具有普遍適用性, 但考慮到農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)具有一定的地域特征, 其指標(biāo)對(duì)研究區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展情況的描述還不夠全面且存在一定缺陷。因此, 與其他足跡相結(jié)合或者完善內(nèi)在的農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡研究, 以多個(gè)不同的側(cè)面, 將農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡融入到衡量農(nóng)業(yè)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的指標(biāo)體系框架中是未來(lái)需要深入研究的問(wèn)題。第三, 農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)時(shí)序分析。農(nóng)業(yè)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)部門(mén), 界定農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的邊界并梳理其發(fā)展與管理的時(shí)間路線, 為不同農(nóng)業(yè)區(qū)域的未來(lái)發(fā)展選擇合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和農(nóng)業(yè)技術(shù), 同時(shí)為國(guó)家的農(nóng)業(yè)政策制定提供科學(xué)支撐服務(wù), 并形成一套科學(xué)可行的農(nóng)業(yè)支撐服務(wù)體系是未來(lái)的研究重點(diǎn)之一。

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Progress and outlook of agricultural ecological footprints*

LIU Yu1,2, MA Yanji1,2**

(1. Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130102, China; 2. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

As an effective metrology tool to assess the sustainable development of agriculture, the agricultural ecological footprint has been widely adopted by scholars worldwide due to the model’s high operability and result comparability. In the process of its development, the combination of the agricultural ecological footprint with other measurement methods, such as the energy theory, life cycle theory, input-output method, scenario simulation, etc., has provided an effective approach for sustainable agricultural development. In recent years, the contribution of agriculture to the GDP in China has been declining. Sustainable agricultural development and management are very important aspects for China to solve the “Three Rural Issues”, which have already become extremely worthy of attention and research. Agriculture has its peculiarities. On the one hand, agricultural activities consume raw materials and energy resources. On the other hand, agriculture also yields products in addition to agricultural wastes and pollutants. Therefore, the agricultural ecological footprints are different from the ecological footprints of other industries. Based on the concept of agricultural ecological footprints, this article reviewed the domestic and international researches on the algorithm for agricultural ecological footprints, parameter adjustments, and application of agricultural ecological footprints for assessing sustainable agricultural development. In terms of the algorithm, this paper summed up four perspectives: 1) only considering the agricultural consumption of biological resources, 2) simultaneously considering the agricultural consumption of both biological resources and energy, 3) considering agricultural waste and pollutants, and 4) combining other measurement methods. We also summarized the general methods for adjusting the parameters of agricultural ecological footprints. The paper also discussed the general methods for adjusting the parameters of agricultural ecological footprints, including the general methods for the adjustment of the yield (YF) and equivalence factors (EQF). In addition, this paper reviewed the impact of different agricultural technologies and modes of agricultural production on agricultural ecological footprints, as well as the application of agricultural ecological footprints for the sustainable development of agriculture. This research showed that scholars worldwide had made a series of empirical explorations in the fields related to agricultural ecological footprints, thus making significant progress. In terms of the algorithm, researchers had begun to improve the original algorithm from the traditional model of agricultural ecological footprints. In terms of parameter adjustments, scholars had constantly adjusted the YF and EQF to make the results closer to the reality of local agricultural development. In terms of the application, scholars had taken agroecology as the main line and combined social, economic, and technological dimensions to comprehensively study agricultural sustainable development.

Agricultural ecological footprint; Algorithm; Parameter adjustment; Agricultural sustainable development

, E-mail: mayanji@iga.ac.cn

Nov. 14, 2018;

F129.9

Apr. 2, 2019

2096-6237(2019)07-1115-09

10.13930/j.cnki.cjea.180998

劉鈺, 馬延吉. 農(nóng)業(yè)生態(tài)足跡研究進(jìn)展與展望[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(7): 1115-1123

LIU Y, MA Y J. Progress and outlook of agricultural ecological footprints[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(7): 1115-1123

* 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(A類(lèi))(XDA19040500)資助

馬延吉, 主要研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)地理與可持續(xù)發(fā)展。E-mail: mayanji@iga.ac.cn

劉鈺, 主要研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)地理與可持續(xù)發(fā)展。E-mail: liuyu@iga.ac.cn

2018-11-14

2019-04-02

* This study was supported by the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19040500).