全 文 ：中国生态农业学报 2010年 9月 第 18卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Sept. 2010, 18(5): 1081−1086


* 中国科学院西部计划项目(KZCX2-XB2-03-03)和中国科学院西部博士计划项目(XBBS200803)资助
** 通讯作者: 杨德刚(1962~), 男, 博士生导师, 主要从事区域发展与城乡协调可持续发展研究。E-mail: dgyang@ms.xjb.ac.cn
王国刚(1984~), 男, 硕士研究生, 主要从事区域可持续发展研究。E-mail: wangguogang066@163.com
收稿日期: 2009-10-22 接受日期: 2010-01-13
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.01081
生态足迹模型及其改进模型在耕地评价中的应用*
王国刚 1,2 杨德刚 1** 苏 芮 1,2 唐 宏 1,2
(1. 中国科学院新疆生态与地理研究所 乌鲁木齐 830011; 2. 中国科学院研究生院 北京 100049)
摘 要 耕地是一种公众资源, 承载着保证粮食安全、满足工业化和城市化用地需求, 以及生态建设退耕还林
还草要求等功能。运用传统生态足迹模型及区域能值足迹模型、耕地能值足迹模型两种能值改进模型, 从时
间序列上(1978~2007年)对新疆耕地资源利用进行了评价, 并分析了 3种模型的优缺点。结果表明: 1978~2007
年间, 新疆人均耕地生态足迹不断上升, 而人均生态承载力呈无规律变化, 但变化幅度较小; 新疆耕地生态可
持续发展指数不断下降。耕地能值足迹模型显示, 新疆耕地可持续发展指数由 1978 年的 5.63 下降到 2007 年
的 0.60, 新疆耕地利用逐步由可持续状态(1978~2000年)恶化为不可持续状态(2001~2007年)。3种模型的对比
研究表明: 区域能值足迹模型不适合对耕地利用进行评价, 只能从总体上分析一个区域的可持续状况; 耕地
能值足迹模型评价效果最好, 能更客观地反映出耕地利用的可持续状态及其变化, 在一定程度上克服了传统
生态足迹模型的不足和缺陷。
关键词 生态足迹模型 区域能值足迹模型 耕地能值足迹模型 能值分析 可持续发展指数 耕地 新疆
中图分类号: P967 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)05-1081-06
Application of traditional ecological footprint and its derivatives in
evaluating utilization of croplands
WANG Guo-Gang1,2, YANG De-Gang1, SU Rui1,2, TANG Hong1,2
(1. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China;
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract Cropland is a public resource with important functions such as ensuring food security, offsetting the demands of industri-
alization and urbanization and balancing ecological requirements by returning farmlands to forests and grasslands. Based on emergy
theory analysis, two modified ecological footprint accounting models [regional emergetic ecological footprint (REMF) and cropland
emergetic ecological footprint (EMEF)] and the traditional ecological footprint model were used to evaluate utilization of croplands
in Xinjiang. The merits and demerits of the three models were also determined. The study shows rising ecological footprint of crop-
land for per-capita in Xinjiang in 1978~2007. Per-capita ecological capacity in the study area is stable, indicating a marked decline in
sustainable ecological development index (ESI) in the region. EMEF also shows an unsustainable use of croplands in Xinjiang for
2001~2007, following a sustainable use in 1978~2000, with ESI dropping from 5.63 in 1978 to 0.60 in 2007. Comparative studies of
the three methods show that the regional emergy ecological footprint model (which is only a general analysis of regional sustainabil-
ity) is not suitable for evaluating use of croplands. Cropland emergy ecological footprint model is the best as it takes into account of
sustainability of croplands and to some extent overcomes the shortcomings of traditional ecological footprint model.
Key words Ecological footprint model, Regional emergetic ecological footprint model, Cropland emergetic ecological foot-
print model, Emergy analysis, Sustainable development index, Cropland, Xinjiang
(Received Oct. 22, 2009; accepted Jan. 13, 2010)
由于社会的快速发展和人口的迅猛增长, 人类
活动对生态系统的影响越来越大, 经济发展与资源
枯竭、环境恶化、生态破坏之间的矛盾也日益突出[1]。
为正确评价人与自然、环境与经济的关系, 实现社
1082 中国生态农业学报 2010 第 18卷


会经济生态环境的可持续发展, 可持续发展的研究
逐步由定性化分析发展为定量测度和评估, 并成为
当前研究的前沿和重点 [2−3], 其核心是正确判断人
类发展是否处于生态系统承载力范围之内[4]。20 世
纪 90年代, 由加拿大生态经济学家Rees和其博士生
Wackernagel共同发展完善的生态足迹模型, 是一种
衡量自然资本可持续状况的定量方法[5−6]。生态足迹
模型考虑了自然资源的再生与替代能力、生命支持
系统的循环与净化能力以及生物多样性保护等方
面, 将人类消耗的自然资源换算成生产性土地面积,
与现存的土地面积进行比较, 以此衡量人类社会的
可持续发展状况[7]。因其指标指示意义明确、模型
简便、可操作性强、资料易获取以及评价结果全球
可比性强等优点[6]而被广泛应用于区域可持续发展
的生态评估[8−10]。
随着研究的深入, 生态足迹模型的缺陷逐渐暴
露, 如较少考虑人类活动对生态系统的影响, 生态
偏向性强 ; 计算中采用全球生物产量 , 误差较大
等[11]。为此, 许多学者对生态足迹模型进行了改进
和完善。其中, 基于能值理论对传统生态足迹模型
的改进较为成功[12−13], 提出了能值足迹、区域能值
足迹等概念。能值分析(Emergy analysis)是 20 世纪
80 年代后期由美国著名生态学家 Odum 在系统生
态、能量生态、生态经济理论基础上创立的生态−
经济系统研究方法[14−15]。它把各种资源、产品或劳
务转化为形成所需的直接或间接应用的太阳能量 ,
从而得到统一的单位——太阳能焦耳(Solar emergy
joules, sej); 采用一致的能值标准 , 使系统的能量
流、物质流和货币流都具有可比性和可加性, 从而
架起了定量分析自然和人类社会经济系统、资源与
环境的真实价值以及它们之间关系的桥梁[16]。本文
将传统生态足迹模型及其能值改进模型运用于新疆
耕地利用(1978~2007年)评价中, 引入生态可持续指
数等指标, 对新疆耕地资源利用的可持续性进行评
价, 并探讨了几种模型的差异。
1 传统生态足迹模型
1.1 生态足迹计算
生态足迹是在一定的经济规模条件下, 维持特
定人口的资源消费和废弃物消纳所必需的生物生产
土地面积[4]。生物生产土地主要包括化石能源地、
耕地、牧草地、林地、建设用地和水域 6种类型[17]。
生态足迹的一个基本假设是各类土地在空间上是互
斥的, 可以对各类生物生产性土地进行加总[3]。生态
足迹的数学模型如下[18]:
1 1 ( / )j i iEF N ef N r c p= ⋅ = ⋅ ⋅∑ (1)
式中, EF1为总生态足迹, N为人口数, ef1为人均生
态足迹, i为消费品和投入的类型, ci为 i种商品的人
均消费量, pi为 i种消费商品的全球平均产量, j为生
物生产性土地类型, rj为均衡因子。
1.2 生态承载力计算
生态承载力是指区域所能够提供给人类的生态
生产性土地总和[19], 为使不同国家或地区同类型生
物生产性土地的实际面积可以直接比较, 用产量因
子进行调整[19], 将不同土地类型面积乘以相应的均
衡因子和产量因子, 就可以得出生态承载力。计算
公式如下[20]:
1 1 ( )j j jEC N ec N a r y= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅∑ (2)
式中, EC1为总生态承载力, N为人口数, ec1为人均
生态承载力, j为生物生产性土地类型, aj为人均生物
生产性土地面积, rj为均衡因子, yj为产量因子。
2 基于能值理论改进的生态足迹模型
2.1 能值理论改进生态足迹模型的原理
能值分析是以能值为基准, 把研究区域的生态
系统或生态经济系统中不同种类、不可比较的能量
转换成同一标准的能值来衡量和分析, 以评价其在
系统中的作用和功能[21]。由于任何形式的能量均源
于太阳能, 因此, 在实际应用中以“太阳能值”来衡
量各种能量的能值, 即任何资源、产品或劳务形成
过程中直接或间接消耗的太阳能之量, 就是其所具
有的太阳能值 , 单位为太阳能焦耳 (Solar emergy
joules, sej)[15]。
基于能值理论改进的生态足迹模型是将能值分
析方法与生态足迹理论框架相结合, 首先把各种不
同类型、不同等级的能量流通过能值转换率, 换算
成可以直接进行加减的太阳能值, 然后引入能值密
度, 将各消费项目的太阳能值换算成相对应的生物
生产性土地面积 [1], 即生态足迹 ; 区域生态承载力
首先计算地表的主要可再生资源——太阳辐射能、降
水化学能和表层土壤能的能值, 同样通过全球能值
密度, 换算成生物生产性土地面积。然后将生态足
迹和生态承载力进行比较, 确定区域可持续发展状
况[22]。
2.2 区域能值足迹模型
2.2.1 区域能值生态承载力
自然资源可分为可更新资源和不可更新资源。
随着资源的不断消耗和利用, 不可更新资源日益枯
竭, 可更新资源消耗速度远远快于再生速度, 因此
只有可更新资源的生态承载力才具有可持续性[1]。
本研究计算生态承载力时 , 只考虑能够支持某一
第 5期 王国刚等: 生态足迹模型及其改进模型在耕地评价中的应用 1083


地区人口消费可以再生、可持续利用的自然资源总
量[20]。计算公式为:
2 2
1
eEC N ec N
p
= ⋅ = ⋅ (3)
式中, 2EC 、 2ec 分别表示区域总能值生态承载力和
区域内人均能值生态承载力, e表示可更新资源的
人均太阳能值, N 为区域人口数, 1p 表示全球平均
能值密度。全球总能值基准值采用 1.583×1025 sej[15],
全球总面积为 5.1×1010 hm2, 因此 1p 为 3.104×1014
sej ⋅ hm−2。
为避免重复计算, 取可更新资源能值中最大值
折算出的生物生产性土地面积, 作为研究区域的生
态承载力值。
2.2.2 区域能值足迹
首先计算区域能值密度( 2p ), 计算公式如下:
2p =区域总能值/区域土地面积 (4)
在计算区域总能值时, 主要考虑 5 种可更新资
源的能值: 太阳辐射能、风能、雨水化学能、雨水
势能及地球旋转能, 为避免重复计算, 以其中最大
能值作为区域总能值。然后将消费项目的能值换算
成对应的生物生产性土地面积。消费项目主要分为
生物资源消费和能源资源消费。本文主要考察耕地
的生态足迹, 因此只分析农产品的消费。
区域能值足迹的计算公式如下:
2
2
i
i
c
EF N a N
p
= ⋅ = ⋅∑ ∑ (5)
式中, EF2表示区域能值足迹, ai为第 i种资源的人均
能值足迹, ci为第 i种消费项目的人均能值, p2为区域
能值密度。
2.3 耕地能值足迹模型
2.3.1 耕地生态承载力
耕地所产农产品的基本能源来自于太阳辐射
能、雨水化学能和土壤储能。因此耕地生态承载力
(EC3)的计算主要包括上述可更新资源的能值, 计算
公式如下[22]:
3 3
2
EEC N ec N Y
p
= ⋅ = ⋅ ⋅ (6)
式中, E为研究区域地表可更新资源的能值, N为区
域人口数, Y 为产量因子(研究区产品产量与全球平
均产量的比率, 反映不同区域的土地利用效率), p2
同上。
2.3.2 耕地生态足迹
首先计算区域内农产品消费的总能值, 再除以
全球地表能值密度(D), 耕地生态足迹( 3EF )计算公
式为:
3 3 =
mim EEEF N ef N N
D D
= ⋅ ⋅ = ⋅∑ (7)
式中, Em为区域人均消费总能值, Emi为第 i种消费项
目的能值, N为区域人口数。
全球地表能值密度( D )的计算公式为:
1 2
0.03e eD
A
+= (8)
式中, e1为地表生物圈可再生资源的主要能值[15]; e2
为全球表土层的能值[22], 取 7.96×1026 sej·a−1; A
为地表生物圈的面积, 取 1.278×1010 hm2。经计算
得出 D =3.1×1015 sej·hm−2。
2.4 生态可持续指数(ESI)
生态可持续指数是指一定区域的生态可持续供
给满足人类生态需要的程度, 它能够正确地反映一
个地区的生态可持续发展状况, 弥补生态赤字等指
标的不足。计算公式如下:
ECESI
EF
= (9)
式中, 当 ESI=1 时, 说明生态承载力和生态足迹相
等, 二者处于平衡状态, 是可持续发展和不可持续
发展的临界点; 当 ESI >1 时, 说明生态承载力超越
生态足迹 , 即区域处于可持续状态 ; 当 ESI <1 时 ,
说明生态赤字超过生态承载力, 即区域处于不可持
续状态。
3 案例研究: 新疆耕地资源可持续利用程度
评估
3.1 研究区概况
新疆维吾尔自治区地处中国西北边陲, 亚欧大
陆腹地, 73°40′~96°23′E, 34°25′~49°10′N, 2007年区
内总人口 2 095.19万, 总面积 166.49万 km2, 其中耕
地 411.42 万 hm2, 是我国棉花和粮食生产基地。新
疆远离海洋, 东、南、北三面环山, 属典型的大陆性
干旱气候, 夏季炎热, 冬季寒冷, 干燥少雨, 日照时
间长, 太阳能、地热、风能等资源丰富, 是中国日照
最多的省区之一。全区全年日照时间平均 2 600~3
500 h, 居全国第 2位。2007年平均气温 10.9 ℃, 年
均天然降水量 165.6 mm, 但蒸发量年均 1 000~4 500
mm, 是我国干旱区的主体。新疆面积广阔, 山地、
荒漠和绿洲交错, 是典型的山地−绿洲−荒漠生态系
统, 生态系统极为脆弱。
3.2 数据收集与整理
本文研究时段为 1978~2007 年, 数据主要来源
于新疆维吾尔自治区统计局编的《新疆五十年
(1955—2005)》、《新疆维吾尔自治区统计年鉴
(2006)》、《新疆维吾尔自治区统计年鉴(2007)》, 以
及各地州的统计年鉴、县志等。文章通过引入能值
1084 中国生态农业学报 2010 第 18卷


理论, 对传统生态足迹模型进行修改, 并运用于新
疆耕地利用(1978~2007年)评价中, 通过计算新疆耕
地的生态可持续指数等指标, 对新疆耕地资源利用
的可持续性进行了评价。
3.3 结果与分析
1978~2007 年新疆地区可再生资源平均总能值
为 1.164×1023 sej(表 1), 通过公式(4)计算得出新疆
区域能值密度 2p 为 6.99×1014 sej·hm−2, 全球平均
能值密度 1p 和全球地表能值密度 D已知。

表 1 1978~2007 年新疆可再生资源平均能值
Tab. 1 Renewable resources emergy of Xinjiang area from
1978 to 2007
资源类型
Resource type
原始数据
Original
data (J)
能值转换率
Emergy trans-
formity (sej·J−1)
太阳能值
Solar emergy
(sej)
太阳辐射能
Solar radiation energy
1.640×1022 1 1.640×1022
风能 Wind energy 7.200×1018 1 496 1.077×1022
雨水化学能
Rain chemical energy
1.430×1018 18 199 2.602×1022
雨水势能
Rain potential energy
1.419×1018 10 488 1.488×1022
地球旋转能
Geo- potential energy
1.665×1018 29 000 4.829×1022

3.3.1 耕地足迹分析
根据公式(1)、(5)、(7), 采用传统生态足迹模型、
区域能值足迹模型和耕地能值足迹模型 3 种方法分
别计算了新疆耕地的人均生态足迹(图 1)。计算结果
显示: 1978~2007年间新疆人均耕地生态足迹呈上升
趋势。 其中, 区域能值足迹模型计算的人均耕地生
态足迹上升趋势明显, 且幅度较大; 传统生态足迹
模型与耕地能值足迹模型两者趋势基本吻合, 耕地
能值足迹模型数值略小于传统生态足迹模型。传统


图 1 1978~2007 年新疆人均耕地生态足迹变化
Fig. 1 Ecological footprint of cropland in Xinjiang from 1978
to 2007 calculated with three methods
EF: Traditional ecological footprint; REMF: Regional emergetic
ecological footprint; EMEF: Cropland emergetic ecological footprint. 下
同 The same below.
生态足迹模型显示, 新疆人均耕地生态足迹由 1978
年的 0.38 hm2上升到 2007的 1.99 hm2, 增长 4.2倍;
耕地能值足迹计算结果表明, 2007 年人均耕地生态
足迹(1.71 hm2)是 1978年(0.16 hm2)的 10.7倍。说明
随着社会经济的发展和人口的增长, 耕地所承受的
压力越来越大。
与耕地能值足迹计算结果相比, 区域能值足迹
较大且上升速度快, 主要原因是区域能值密度 p2远
远小于全球地表能值密度 D; 区域能值足迹在定量
化研究耕地足迹时, 忽视了耕地特有的生物生产性
土地的性质, 导致计算结果与另外两种模型计算值
相差较大。耕地能值足迹与传统生态足迹上升趋势
和上升幅度相近, 这主要是因为两种模型在计算耕
地生态足迹时, 都体现了耕地这一特殊生物生产性
土地的性质。如耕地能值足迹模型把土壤肥力作为
可再生资源, 通过全球地表能值密度计算人均耕地
生态足迹, 而传统生态足迹模型通过引入均衡因子
计算耕地生态足迹。因此, 传统生态足迹模型和耕
地能值模型可更客观准确地反映耕地足迹的变化。
3.3.2 耕地生态承载力分析
由于区域能值生态足迹模型只能从整体上对一
个区域的生态承载力进行评价和分析, 无法对单一
性土地, 如耕地生态承载力进行单独评价。因此, 通
过公式(2)、(6), 仅计算了基于传统生态足迹模型和
耕地能值足迹模型的新疆人均耕地生态承载力变化
(图 2)。在研究时段内, 新疆人均耕地生态承载力呈
不规则变化趋势, 但变化幅度小, 基本呈稳定态势。
经传统生态足迹模型计算, 1980~2000年时段内, 耕
地生态承载力呈现曲折上升趋势, 由 1980年的 0.75
hm2上升到 1992年的 1.03 hm2, 2000年达到最大值,
为 1.11 hm2; 2000年之后, 新疆耕地生态承载力呈现
下降趋势, 2007年生态承载力为 0.95 hm2。


图 2 1978~2007 年新疆人均耕地生态承载力变化
Fig. 2 Ecological capacity of cropland in Xinjiang from 1978
to 2007 calculated with two methods
第 5期 王国刚等: 生态足迹模型及其改进模型在耕地评价中的应用 1085


传统生态足迹模型与耕地能值足迹模型对比研
究发现 : 两种模型在计算新疆耕地生态承载力时 ,
传统生态足迹模型计算的结果是耕地能值足迹模型
计算结果的 0.93 倍, 因此得到的新疆耕地生态承载
力变化趋势相同。耕地能值足迹模型计算的耕地生
态承载力大于传统生态足迹计算的结果, 主要原因
是耕地能值足迹模型从能量的角度计算了 3%的地
表能, 更加准确地衡量了耕地在区域生态承载力所
占的份额, 传统生态足迹模型所赋予耕地的均衡因
子和产量因子只是一个相对值, 并没有从客观角度
真实地反映出耕地生态承载力。
3.3.3 耕地可持续发展指数(ESI )分析
根据公式(9), 计算了新疆 ESI(图 3)。研究时段
内, 新疆 ESI 下降趋势明显; 耕地利用逐步由生态
可持续状态转向不可持续状态; 耕地 ESI 与人口增
长呈反比。新疆耕地 ESI 指数计算结果表明: 传统
生态足迹模型和耕地能值足迹模型 ESI分别由 1978
年的 2.17、5.63 下降到 2007 年的 0.48、0.60, 耕地
ESI 变化幅度较大; 1978~2000 年新疆耕地一直处
于可持续状态, 2001~2007年新疆耕地利用处于不可
持续状态, 这与现实情况比较符合。2001~2005年间
新疆耕地面积有所减少, 而人口增长速度较快, 使
得人均耕地生态承载力、耕地生态可持续指数不断
下降, 耕地利用处于不可持续状态。


图 3 1978~2007 年新疆耕地的生态可持续发展指数变化
Fig. 3 ESI of cropland in Xinjiang from 1978 to 2007

4 结论与讨论
本文运用传统生态足迹模型及其基于能值理论
改进的模型——区域能值足迹模型和耕地能值足迹
模型等方法, 对比研究了 1978~2007 年间新疆耕地
资源利用的生态足迹、生态承载力及其可持续性变
化, 并探讨了 3 种模型在评价耕地可持续利用时的
优缺点。结果表明:
(1) 区域能值足迹模型在评价耕地足迹时 , 弊
端较多。①该模型没有考虑耕地的特殊生物生产性
土地性质, 导致计算结果误差较大。②该模型只能
从总体上评价一个区域的生态承载力, 因此难以细
化到耕地生态承载力的计算。
(2) 基于能值理论的耕地能值足迹模型与传统
生态足迹模型相比, 优点较多。①具体计算过程中,
耕地能值足迹模型直接使用较准确的能量折算系数
和能值转换率等参数, 而传统生态足迹模型中的全
球平均产量等参数往往来源于统计数字, 准确度低,
且很难客观反映出区域耕地特性。②传统生态足迹
模型计算的结果虽然具有全球可比性, 但掩盖了区
域耕地生产能力的差异; 耕地能值足迹模型通过能
值密度概念将区域耕地生产能力体现出来, 能够更
加准确地反映区域耕地特性。
(3) 随着经济的发展和人口的增加 , 耕地资源
承受的压力越来越大。3 种方法计算的结果都显示,
新疆人均耕地生态足迹不断上升, 而人均耕地生态
承载力呈无规律变化, 但基本上趋于稳定。人均耕
地生态承载力之所以趋于稳定, 一方面是因为新疆
耕地资源略有增加, 另一方面源自耕地生产能力的
增强, 使得在人口不断增加的情况下, 人均耕地生
态承载力变化幅度较小。
(4) 在研究时段内 , 新疆耕地资源的利用逐步
由可持续状态转向不可持续状态, 耕地生态可持续
发展指数下降趋势明显。尤其是 2001年以后, 传统
生态足迹模型和耕地能值足迹模型都显示新疆耕地
资源利用由可持续状态转向不可持续状态。
虽然能值理论和生态足迹模型已经比较成熟 ,
但要准确地实现对耕地生态足迹与生态承载力的定
量化研究还有待深入探讨。把两种模型进行综合研
究, 其改进的模型本身就存在一些问题, 需要进一
步的研究和完善。此外, 数据的获取和准确性也是
科学研究的一个限制因素, 使得理论上和现实情况
出入较大, 造成较大的偏差。
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