綜合測度人類社會的可持續發展狀態是生態經濟學者追求的重要目標。環境足跡由生態足跡、碳足跡和水足跡等一系列足跡類指標整合而成，旨在為決策者系統評估與權衡人類活動的環境影響提供理論和技術支持。本文從理論探索、整合實踐和分類比較等3方面對環境足跡的研究現狀進行了綜述；在此基礎上圍繞極具爭議的足跡定義、計算方法和加權方式等問題，深入分析了阻礙當前研究進一步推進的關鍵性因素；指出未來應從建立足跡類型學、完善跨區域投入產出模型、細化產品和機構環境足跡標準等方面入手，推動實現環境足跡的量化整合；並首次提出了環境足跡與行星邊界耦合的構想，以期為監測和預警人類活動的生態閾值、促進環境影響評價向可持續性評價轉變提供科學依據。
1. 研究現狀與進展
環境足跡理論探索
國際上的足跡研究由3大學術群體共同主導：全球足跡網絡(GlobalFootprint Network, GFN)主導生態足跡；水足跡網絡(WaterFootprint Network, WFN)主導水足跡；生命周期評價(LifeCycle Assessment, LCA)主導碳足跡。足跡家族概念的提出，是一次將系統論觀點引入生態經濟學理論的有益嘗試，有助於打破目前這種單打獨鬥、各自為戰的局面，加強學術群體之間的溝通與交流。
「足跡家族」一詞最早由Giljum與Stoeglehner在2008年同時提出，旨在發揮其他足跡指標對生態足跡的補充作用。直到2012年，Galli才首次將足跡家族作為獨立的概念進行了詳細論述，並賦予其特定的含義：由生態足跡、碳足跡和水足跡組成的指標集合，用於評估人類的生物資源和水資源消費及溫室氣體排放行為對地球環境系統的影響。此後，少量圍繞足跡家族理論進行探索的論文陸續發表：Čuček全面回顧了各類足跡指標的定義、方法及計量單位，針對足跡家族研究限定於環境可持續性的情況，提出了一系列社會和經濟類足跡指標；Fang從足跡家族的角度系統比較了生態足跡、碳足跡、水足跡與能源足跡的概念和方法學異同，並分析了四種足跡整合的潛在優勢及障礙；Hoekstra提出了最大可持續足跡的概念，為科學評估人類活動的環境可持續性提供了參考依據；Ridoutt提出一個基於LCA的足跡家族構想，認為普適性的足跡概念必須能夠支撐以單一數值為結果表徵的環境影響評價。
環境足跡整合實踐
足跡整合是環境足跡研究的重點與難點。國際上一些學者以此為切入點進行了有益的嘗試，歸納起來主要包括以下幾方面：
(1) 組成多樣化：理論上，任何2類及以上的足跡指標都可以組成特定的足跡家族[6]。在整合實踐中，足跡家族研究大多包含了碳足跡和水足跡，以及生態足跡、能源足跡和土地足跡等足跡中的一種或幾種類型。
(2) 模型規範化：多數研究基於LCA或一系列MRIO模型，對不同足跡指標的計算過程進行規範化、可視化操作，以便實現足跡類指標的方法學融合，從而保證計算結果的一致性與可比性。
(3) 結果標準化：Cagiao、Čuček、Shepon分別將各類足跡結果折算為碳足跡、歐元和時間，目的是為了使最終的計算結果有統一的參照物；de Benedetto採用DDT以及Ridoutt將各類足跡分別除以相應的全球人均值，也同樣意在消除單位和量綱的差異。
(4) 數據網絡化：在Ewing、Galli等一批國際學者研究的基礎上，歐盟建立起EUREAPA在線資料庫，完成了全球45個國家和地區及其57個產業部門的生態足跡、碳足跡和水足跡計算，所有數據均免費下載並可模擬不同情景下的足跡變化趨勢。
足跡指標比較與分類
正如家庭成員存在角色分工一樣，不同足跡指標在足跡家族中的地位與作用也有顯著差異。綜合當前足跡比較研究的主要成果，可以得出以下結論：①每類足跡指標都只能反映環境影響的一個方面，故不宜單純依靠某類指標進行決策；②足跡指標往往具有此消彼長的關係，降低某一足跡可能導致其他足跡指標的增高，因此需要權衡不同減排方案的潛在影響；③足跡指標在決策支持方面具有互補性，通盤考量才能較為全面、客觀地評估人類活動的環境影響；④隨著LCA廣泛應用於足跡指標的量化，有必要系統分析基於LCA方法的足跡指標與基於非LCA方法的足跡指標在清單分析、環境影響評價等方面的方法學差異，辯證看待LCA與足跡研究之間的關係。
此外，足跡指標的分類研究也是近年來的熱點之一。常見的生態足跡、碳足跡、水足跡、能源足跡、生物多樣性足跡、化學足跡、氮足跡和磷足跡均旨在評估由資源消費或廢料排放導致的某一類具體環境影響，可視為影響導向型足跡；而如產品足跡、部門足跡、國家足跡則致力於研究特定尺度對象的局部或全局環境影響，屬於對象導向型足跡。從嚴格意義上來說，任何足跡應用研究均需要同時指明所屬的對象類型和影響類型，如某一產品的碳足跡、部門的水足跡、國家的生態足跡等。
2 主要問題與爭論
足跡概念的定義
圍繞如何定義「足跡」概念而展開的爭論由來已久。起初，人們習慣將其等同於Wackernagel所定義的生態足跡，即人類的生物資源消費和化石能源碳排放所需佔用的生態生產性土地和水域面積。Hammond據此斷言足跡必須以空間物理量為單位，並改稱碳足跡為碳質量。而隨著碳足跡和水足跡等指標的引入，足跡概念的外延日趨寬泛和多樣化，很多學者將其視為表徵資源消費水平或環境影響強度的指標。近年來，一系列經濟社會領域足跡指標的興起，如經濟足跡、社會足跡、天堂足跡、僱傭足跡等，使得上述定義的合理性再次遭受質疑。為此，UNEP/SETAC、Peters、Steen-Olsen分別從全球可持續性和消費者負責等視角重新審視足跡概念。可以預見，隨著足跡家族成員陣容的擴大，足跡概念的內涵與外延也將繼續深化和擴展，體現可持續發展環境、經濟、社會三重支柱的廣義足跡概念更能反映該領域發展的實際趨勢。
計算方法的選取
足跡類指標的計算方法雖然眾多，但均有一定的適用條件。因此，找尋規範化的計算路徑頗有意義。目前，有關足跡計算的方法學討論主要集中在生態足跡、碳足跡和水足跡，以這3類足跡指標為例，同時適用的量化方法主要包括以下幾種：
(1) LCA：產業生態學的重要分析方法，用於評估產品系統物質流輸入、輸出的一系列潛在環境影響。由於LCA覆蓋「從搖籃到墳墓」的產品全生命周期，有助於破除「有煙囪才有汙染」的末端治理觀念，加之技術框架成熟、分析過程規範、定量結果可靠，目前已成為足跡類指標特別是碳足跡計算的常規方法。基於過程的LCA是一種自下而上的(bottom-up)分析方法，在確定系統邊界的過程中不可避免地存在截斷誤差，對數據精度的要求也較高，因此基本不適用於區域及以上尺度足跡研究。
(2) IOA：與LCA相反，是一種典型的自上而下(top-down)分析方法，由Leontief提出並用於國民經濟核算。該方法通過編制投入產出表，運用線性代數構建數學模型，既清晰地揭示了社會最終需求與各生產和再生產部門之間投入產出的複雜聯繫，又節省了大量的人力物力成本。不過該方法只能反映部門平均水平，難以針對具體產品。隨著人類產業活動引發的生態環境問題日益嚴重，IOA也被用於研究溫室氣體排放和自然資源(水、土地、原材料等)利用的結構與數量等環境問題，相繼與生態足跡、碳足跡和水足跡等足跡指標結合，成為部門、區域和國家尺度上足跡計算的主要方法。
(3) 混合方法(hybridmethod)：兼具LCA和IOA的優勢，既能保證研究精度又能節省人力物力，因而有著更為廣泛的適用範圍。值得注意的是，表1所謂的方法學大類「自下而上」和「自上而下」，儘管理論上計算過程完全相反，但實際界定並不十分清晰。以生態足跡的經典計算方法NFA為例，GFN原先認為其屬於IOA(自上而下)的一個特例，後又將其歸入過程分析(自下而上)的範疇，可見自下而上與自上而下兩種方法之間存在交叉重疊，這一部分不妨也視為混合方法。
表1 生態足跡、碳足跡和水足跡在不同尺度研究中的方法歸納
上述3類方法的適用範圍如圖1所示。儘管各尺度上的足跡指標均有對應的計算方法，但仍然缺乏一個橫跨材料尺度到全球尺度的普適性方法。如何破解尺度轉換性障礙是環境足跡研究面臨的重大挑戰。
圖1 不同尺度生態足跡、碳足跡和水足跡的適用方法
權重係數的確定
權重賦值始終是指標整合研究中一個極具爭議的話題。環境足跡力圖揭示可持續發展複雜系統的運行機制，不可避免地需要通過指標加權來綜合評估和權衡人類活動的影響。表2對比了7類足跡指標內部各自的加權方式，發現均採用的是線性加權聚合，遵循「總體等於部分之和」的思想，這顯然與系統論的核心理念「總體不等於部分之和」相牴觸。此外，由於權重的確定多少會帶有一些主觀性，所以無論是生態足跡的均衡因子加權，還是水足跡的等量加權，都存在質疑和批評聲。但碳足跡是一個例外，其權重賦值基於反映環境機理的GWP特徵化模型，能夠客觀地描述不同溫室氣體對氣候變化的潛在影響，因而具有廣泛的科學共識。
通過分析足跡指標內部的加權方式，對足跡間權重賦值的啟示有以下幾點：①目前的線性加權特別是等量加權，具有很大的主觀性和不確定性，故很難反映複雜環境系統的客觀實際；②部分足跡指標的核算帳戶有重疊(如碳足跡與能源足跡)，進一步限制了足跡間加和的可能性；③解決各類足跡指標的計量單位不一致問題(如生態足跡基於面積、碳足跡基於質量、水足跡基於體積)，一個可行的途徑是結果標準化，對應的參考系既可以是特定的產品系統，也可以是某一區域乃至全球；④為降低二次加權(足跡內部和足跡之間)的不確定性，在採用如DDT等方法進行足跡間加權之前，在各類足跡內部的清單物質（如生態足跡中的土地類型、碳足跡中的溫室氣體）的分析及加和過程中，最好用科學的特徵化因子取代人為權重係數。
表2 各類足跡指標的加權方式
*碳足跡的組成採用京都議定書所推薦的6大類溫室氣體，GWP(Global Warming Potential)—全球暖化潛值，這裡取100年時間跨度，其單位為碳質量當量(kg CO2-eq.)；**等量加權(equal weighting)即指所有組分的權重係數均為1，此時權重係數略去不寫；***能源足跡的權重係數是指每1 000 kg不同類型燃料折算成足跡時需要乘以的係數；****非生物資源足跡主要考慮金屬和礦物等的稀缺性，ADP(Abiotic Depletion Potential)—非生物消耗潛值，根據1999年主要非生物資源的全球儲量及當年開採速度進行計算，其單位為銻質量當量(kg Sb-eq.)；*****由於相關資料缺乏，生物多樣性足跡等量加權所有可能威脅物種數量的因素。
3 研究展望
足跡類型學研究
隨著新興足跡的不斷湧現(圖2)，足跡類型學研究顯得愈加重要。值得一提的是，我國學者近年來在海洋足跡、化工足跡、汙染足跡以及基於生態系統服務的生態足跡等方面做了大量有益的探索，豐富和擴大了環境足跡的內涵與外延。有必要全面分析和歸納現有的足跡指標，考察其特性與共性，對某些有鮮明共性的指標進行歸類，從而建立一批具有特定功能指向的足跡家族，以適應多角度、多層次評估人類活動影響的需要。例如，碳足跡雖然標榜指示氣候變化，但事實上溫室效應僅是氣候變化的一個重要部分，其他如土地利用變化引發的碳源/匯改變，臭氧層空洞導致的紫外線輻射增加，硫化物、氮氧化物以及其他顆粒物對大氣理化性質的影響等，長期而言均會對氣候造成一定影響。因此，由這些對應環境足跡組成的足跡家族將比單單碳足跡更好地反映人為氣候變化效應。
此外，足跡類型學研究也將為探尋更加科學、合理和有針對性的足跡概念奠定基礎。任何定義都有其適用的邊界條件，即便是同一名稱的足跡指標，也應根據採用的具體方法界定其所屬類型。這無疑有賴於對足跡指標背後方法學異同的精準辨析。以水足跡為例，除了常規的WFN水足跡外，Pfister、Ridoutt提出基於水稀缺性指數(Water Scarcity Index, WSI)計算本地水足跡。WSI可以視為類似於GWP的特徵化因子，所以基於WSI的水足跡應與碳足跡、而不是WFN水足跡歸為一類。當然，足跡分類並非一成不變，應該根據研究需要靈活進行。有理由相信，通過推進足跡類型學，整個環境足跡研究的深度和廣度都將得到拓展。
圖2 足跡指標發展的時間軸
基於MRIO模型的足跡指標量化研究
IOA自創立以來，在定量研究區域經濟及其環境問題方面發揮了主導作用。在此基礎上，區域間投入產出(Interregional Input-Output, IRIO)和MRIO等IOA擴展模型相繼提出，旨在精準描繪部門間和區域間的全部投入產出關係。與IRIO相比，MRIO對數據資料要求較少，計算區域內技術係數和區域間貿易係數的過程也大幅簡化。作為經濟學原理成功應用於環境研究的範例，MRIO模型能夠清晰追蹤環境影響的地理空間分布信息，從而為量化廢料排放或資源消費的跨區域轉移與分布提供了一條切實可行的途徑。總之，MRIO模型已成為中、宏觀尺度上足跡類指標計算的重要方法。
採用文獻計量學手段，對基於標準MRIO、環境擴展MRIO(EE-MRIO)或混合環境擴展MRIO(hybrid EE-MRIO)模型的多足跡指標(≥2)研究論文進行全面分析，發現當前MRIO足跡研究呈現碳足跡與水足跡雙核驅動的指標分布網絡，且此2節點間的聯繫也最為緊密(圖3)。這也基本上反映了不同足跡指標在足跡家族中的地位差異。總之，開展基於MRIO模型的足跡指標量化研究，既可以保證計算方法的一致性與兼容性，又能為指標結果的標準化和權重化奠定基礎，是目前中、宏觀尺度環境足跡量化整合的首選模型。
註：節點間的緊密度隨實線、長虛線和短虛線遞減。土地足跡和能源足跡分別對應生態足跡中的生物生產性土地和碳吸收地部分。
圖3 基於MRIO系列模型的多足跡量化研究指標網絡
產品和機構環境足跡標準研究
歐盟於近期發布了產品環境足跡(Product Environmental Footprint, PEF)和機構環境足跡(Organization Environmental Footprint, OEF)標準方法導則，首次提出從生命周期的角度規範化地評估產品和機構的整體環境影響。無論是OEF還是PEF都與環境足跡的概念緊密相連：PEF可以有效避免因依賴單一指標(如碳足跡)而導致的環境負擔轉嫁問題，未來還可能以標籤的形式貼在每件出廠產品上，從環保角度為消費者選購商品提供參考；OEF由於涉及對所研究機構(工廠、企業、學校、社區等)生命周期系統邊界的明確定義，並以此為基礎分析整個系統內部及其與外部的複雜物質流動和交換，因而較之PEF更具挑戰性。
值得注意的是，上述兩份導則乍一發布就引發了兩種截然不同的看法：支持者認為相較於現有LCA方法優勢明顯；反對者則認為與目前的LCA標準相牴觸，不僅無益於方法統一，反而會加深學科內部的分歧與對立。筆者認為，若要真正實踐PEF和OEF，在影響類型的選取、權重係數的確定等問題上都需要更加詳盡的操作細則。此外，釐清PEF與現有產品LCA等領域的關係將會對合理界定足跡概念起到借鑑作用，比如不少關於產品貿易隱含碳、虛擬水、虛擬土地的研究儘管沒有採用「足跡」式稱謂，但基本思路與碳足跡、水足跡、生態足跡相似甚至完全一致，是否一併納入足跡研究範疇值得思考。
環境足跡與行星邊界耦合研究
環境足跡表徵人類活動作用於地球環境系統的影響，屬於靜態的回顧性評估，缺乏實際的決策諮詢價值，無法回答產生影響的壓力源是否可控。鑑於此，可以考慮將承載力的研究成果引入目前研究。行星邊界(planetary boundaries)是近年來承載力領域最重要的一項成果，由Rockström於2009年提出，旨在為全球尺度的重要環境問題劃定「生態紅線」。如表3所示，行星邊界共設置了10項地球環境系統過程的生物物理參數閾值，並對工業革命以前和現在的水平進行估算，據此判斷人類活動的「越界」程度。由於行星邊界實現了對地球拐點的定量預測預警，Nature及其子刊曾闢專欄加以評論。國內迄今未見相關的文獻報導，令人遺憾。
表3 行星邊界概念框架
當然，與很多生態環境領域研究成果一樣，行星邊界理論也招致了激烈的抨擊和質疑。一個關鍵性的問題在於其對現狀參數的估計全部基於專家知識，因而帶有較大的主觀成分，而現狀影響評估恰恰是足跡類指標的強項。因此，將環境足跡與行星邊界結合起來，有望真正實現由環境影響評價向可持續性評價的轉變：一方面，足跡研究相對成熟的量化手段能夠為行星邊界提供更加客觀、準確的現狀評估結果作參照；另一方面，行星邊界又為環境足跡預測人類活動的臨界值、劃定剩餘的安全操作空間提供了可能。環境足跡與行星邊界耦合研究亟需一批不同專業知識背景(如生態學、環境科學、資源科學、地球科學、系統科學、社會科學等)的專家學者廣泛參與，跨學科、跨團隊的國際學術合作勢在必行。
本文最初以「足跡家族研究綜述」為題發表在《生態學報》2015年35卷24期上，本文略有改動。
作者簡介：方愷，1986年生，荷蘭萊頓大學環境科學學院博士，客座研究員，浙江大學公共管理學院研究員（百人計劃），博士生導師，在國內外學術刊物上發表論文30餘篇。
封面圖片：Kai Fang , Reinout Heijungs, Geert R. De Snoo，Understanding the complementary linkages between environmentalfootprints and planetary boundaries in a footprint–boundaryenvironmental sustainability assessment framework. Ecological Economics, 114 (2015) 218–226.
*編輯：董亮
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