CFV碳足迹认证----全球主要国家环境可持续性综合评估——基于碳、水、土地的足迹-边界整合分析
CFV碳足迹认证
近年来, 随着地球生态系统的交互性、复杂性与整体性特征日益显现, 人们逐渐意识到以往单一的足迹指标远远无法满足环境评估和决策的需要[1]。在此背景下, 足迹家族的概念应运而生[2, 3], 标志着足迹研究开始向系统性和综合性发展。当前, 指标整合已成为国际足迹研究的热点和前沿领域, 涌现出一批重要研究成果。例如, Ridoutt等[4]将肉牛生产系统所产生的碳足迹、水足迹和土地利用足迹分别除以全球人均值, 得到标准化的足迹指数用以横向比较; Shepon等[5]将全球人均碳足迹、水足迹和生态足迹分别除以相应的可更新资源配额, 统一转换为无量纲的生态时间; de Benedetto等[6]则通过对一个化肥农药厂的碳足迹、水足迹、能源足迹等先标准化再等权加和, 得到综合的可持续过程指数; Čuček等[7]基于利润最大化原则, 采用相似方法将生物能源供应链所产生的碳足迹、水足迹、土地足迹和能源足迹转换为一个总足迹指标。总之, 以上研究为探索足迹家族的整合路径提供了有益的经验。
与此同时, 针对足迹指标大多基于生命周期理念设计、缺乏考量对应承载力等问题[8], 国内外学者纷纷仿效生态足迹中的生物承载力概念, 对现有足迹指标进行补充。例如, 谢高地等[9]、方恺等[10]、焦雯珺等[11]、封志明等[12]、Hoekstra等[13]、曹智等[14]相继研究了土地资源承载力、碳排放承载力、污染承载力、水资源承载力、最大可持续足迹、基于生态系统服务的生态承载力等概念和指标。Rockströ m等[15]于2009年提出的行星边界概念尤为值得一提。该概念首次明确给出了地球生态系统在气候变化、水资源消费、土地利用、氮磷循环、生物多样性丧失等一系列环境问题中的最大安全阈值, 引发了学术界的极大关注与热烈讨论, 成为近年来承载力量化领域最具代表性的成果[16, 17, 18]。不过国内迄今未见有关行星边界的专门研究报道。
鉴于足迹家族和行星边界在概念上具有很强的互补性, 笔者于前期提出了整合两者的概念框架：将表征人类影响的环境足迹与其对应的区域环境边界阈值进行比较, 根据它们的差值（环境赤字或盈余）可定量判断该区域环境可持续性的超载程度[19, 20], 并据此构建了基于足迹-边界指标的环境可持续性评估模型, 将其用于国家尺度的环境赤字核算[21], 为多维度评估一国的环境可持续性提供了科学依据。本文在现有研究的基础上, 通过引入极差法和目标距离法, 进一步对主要国家的环境赤字作标准化和权重化处理, 整合得到一个复合的环境可持续性压力指数, 并据此进行国家尺度的聚类分析, 以期为国家环境可持续性综合评估提供方法参考。
1 方法与数据
1.1 研究方法
1.1.1 国家环境足迹的选择
本研究选择碳足迹、水足迹和土地足迹作为表征一国环境影响现状的指标, 主要有以下几点理由：①影响典型性。碳足迹反映了人为温室气体排放（CO2、CH4、N2O等）对气候变化的贡献; 水足迹反映了人类的水资源消费（蓝水、绿水）, 以及稀释水体污染物（氮、磷、有机物等）所需占用的水资源（灰水）; 土地足迹反映了人类通过土地利用（耕地、草地、林地、渔业用地等）对生物资源的占用。②账户互斥性。土地足迹由生态足迹扣除能源碳吸收部分得到[22], 在清单分析阶段与碳足迹、水足迹三者之间不存在明显的信息重复[2, 3, 22], 而水足迹与氮足迹和磷足迹之间则不具有互斥性, 因为氮、磷导致的水体富营养化是灰水足迹核算的重要项目[23]。③数据可得性。关于碳足迹、水足迹和土地足迹的研究及应用均十分广泛, 特别是由全球足迹网络和水足迹网络发布的各国土地足迹和水足迹数据, 不仅可得性强, 且具有较高的权威性。④结果可比性。碳足迹、水足迹和土地足迹大多基于消费者负责和生命周期理念进行核算, 不仅考虑人类活动直接产生的温室气体排放、水资源消费和土地利用, 还考虑产品进出口过程中携带的隐含碳、虚拟水和虚拟土地。
1.1.2 国家环境边界的设定
国家环境边界的设定要综合考虑所涉及环境问题的系统行为（尺度依赖、临界特性等）[15, 19, 24]。以碳边界为例, 由于温室气体排放无论发生在何地, 均作用于全球的气候变化, 属于系统性的环境问题, 具有明确的全球阈值[15, 19], 因此可通过划分行星碳边界来确定各国的碳边界。目前国际上一致认为, 2050年时的全球气温增幅必须控制在2 ℃以内[25], Rockströ m等[15]基于该阈值提出了行星碳边界的两项控制变量：大气CO2浓度≤ 350× 10-6, 辐射强迫值≤ 1 W/m2。这相当于人类在未来几十年中的年均温室气体排放量（以CO2当量计）不应超过17× 109~23× 109 tCO2-eq/a[26]。本文按人口比例划分碳边界, 考虑到全球人口可能从现在的70× 108人增长到2050年的近100× 108人[27], 因此将各国的人均碳边界统一设定为2.5 tCO2-eq/a[21]。
相比之下, 水资源消费和土地利用均属于复合型的环境问题, 其影响范围以局部区域为主。自然资源分布具有高度的空间异质性, 明确的全球阈值实际可能并不存在[15, 19], 因此不能像碳边界一样自上而下进行划分。考虑生态需水等因素, Rockströ m等[15]将地球可更新水资源总量的40%设定为行星水边界。在缺乏国家尺度实际数据的情况下, 本文权且遵循这一思路, 将各国的可更新水资源量乘以40%得到国家水边界。国家土地边界直接采用生物承载力代替, 这是因为后者是一个公认的表征生物生产性土地承载力的指标[3, 28], 较之目前以耕地占比为控制变量的行星土地边界更全面、客观。
1.1.3 国家环境可持续性压力指数的构建
1）环境赤字标准化
通过比较3项环境足迹及其对应环境边界, 得到各国在温室气体排放、水资源消费和土地利用方面的环境赤字。标准化的目的在于消除量纲和单位的差异, 使不同环境赤字在相对大小方面具有可比性。指标标准化的方法有极差法、偏差法、比例变换法、归一化法等。本文采用极差法对环境赤字进行标准化, 计算公式为：
NEDij=EDij-EDminEDmax-EDmin（1）
其中：NEDij为标准化的i国j项人均环境赤字（以下简称标准赤字）; EDmax、EDmin分别为j项人均环境赤字的最大值和最小值; EDij为i国j项人均环境赤字。
2）环境赤字权重化和环境可持续压力指数
将3项环境赤字合并为复合指标的过程中, 需要加权评估指标的重要性。指标权重化的方法有目标距离法、层次分析法、主成分分析法、专家打分法等。本文采用生命周期评价中常用的目标距离法进行权重化[29], 此处权重系数即为现状值（环境足迹）与目标值（环境边界）的比值（以下简称足迹-边界比）, 计算公式为：
ESPIi=∑i(NEDij×wij)=∑iNEDij×EFijEBij（2）
其中：ESPIi为i国的环境可持续性压力指数; wij为i国j项环境问题的权重系数; EFij为i国j项人均环境足迹; EBij为i国j项人均环境边界。
1.2 数据来源
基于样本代表性和数据可得性的考虑, 选取以下30个国家进行研究：阿根廷、澳大利亚、孟加拉国、巴西、加拿大、智利、中国、哥伦比亚、法国、德国、印度、印尼、意大利、日本、韩国、马来西亚、墨西哥、荷兰、菲律宾、俄罗斯、南非、西班牙、瑞典、泰国、土耳其、乌干达、英国、美国、越南、津巴布韦。本文所需的基础数据主要来自文献[21], 包括以上30个国家及全球的3项人均环境足迹、边界和赤字。
2 结果与分析
2.1 标准赤字的国际比较
根据式（1）计算各国的碳、水和土地标准赤字, 并以相应的全球均值（0.228、0.921、0.799）为界限, 理论上可将整个三维散点图划分为8个空间区域, 分别指示某项标准赤字高于或低于全球水平的情况（图1）。30个国家实际分处于其中的6个区域：①碳赤字高-水赤字高-土地赤字高（CH-WH-LH）, 包括德国、意大利、日本、韩国、荷兰、西班牙、英国7个发达国家, 可见社会经济发展水平是决定一国环境赤字规模的重要因素; ②碳赤字高-水赤字高-土地赤字低（CH-WH-LL）, 包括法国、美国, 它们相较于前一类国家拥有