自生态足迹提出以来, 国内外已有许多研究详细介绍了其概念^[1-2]、理论假设^{[1, 3]}、核算方法及计算公式^{[1, 4]}、模型局限性及其改进方法^[5-6]、实践应用^[7-9]等。近几年, 生态足迹的应用领域逐渐从宏观层面向中、微观层面拓展。其中, 归属于产业生态足迹的旅游业生态足迹^[10-11]、工业生态足迹^[12]、交通生态足迹^[13]等均是比较热门的研究领域, 农业生态足迹也是产业生态足迹的一个分支领域。农业生态环境与经济发展之间的矛盾已得到众多研究学者的关注, 农业生态足迹作为一种有效衡量农业可持续发展状况的计量工具, 其模型可操作性和结果可比性较强, 被国内外学者广泛采用。例如, Moghaddam等^[14]采用基于投入产出法的生态足迹模型核算了伊朗农业部门的生态足迹, 将生态影响指标纳入其经济结构调整决策中。Viglizzo等^[15]利用农业生态足迹模型评估农业土地利用以及农业技术和管理变化对农业生态环境的影响, 认为集约化农业使生产力显著提高的同时也为农业环境带来了负面影响, 但耕作方式和杀虫剂的改进又降低了这一影响。Van der Werf等^[16]采用包括生态足迹模型在内的5种定量方法计算分析了3种农场情景的环境影响。焦雯珺等^[17-18]对传统农业地区的生态足迹和生态承载力展开计算分析, 认为传统农业相较于现代农业对区域的社会、经济以及文化可持续发展更具重要意义。毕安平等^[19]核算了福建省农业生态足迹, 认为福建省农业的需求供给比例极不协调, 并通过对农业生态足迹各组分进行分析提出了相应的对策与建议。边淑娟等^[20]计算了福建省农业废弃物生态足迹, 并评估了农业废弃物再利用方式, 指出合理地、可持续地利用农业废弃物有利于社会经济效益和农业生态环境效益达到双赢局面。国内外研究学者不仅对农业生态足迹进行整体核算分析, 还对农作物生态足迹^[21-22]、畜牧业生态足迹^[23-24]、林业生态足迹^[25-26]、渔业生态足迹^[27-28]、农业碳足迹^[29-30]、农业水足迹^[31-32]以及农业废弃物生态足迹^[33]等农业生态足迹分支进行研究。

本文系统梳理了农业生态足迹的概念及内涵, 并从农业生态足迹的算法、参数调整、农业技术与生产方式对农业生态足迹的影响以及农业生态足迹与农业可持续发展等方面对农业生态足迹研究进展进行综述, 为农业可持续发展评估提供科学参考。

1 农业生态足迹的概念与内涵

农业生态足迹的概念与内涵源于生态足迹。但农业相对于其他产业具有一定特殊性:一方面农业生产活动既消费原料、能源等资源, 另一方面又产出农产品和农业废弃物、污染物等, 且不同的农业区域各具生产特点。因此, 在生态足迹的研究基础上, 国内外学者在阐述农业生态足迹的概念与内涵时各有看法。

唐冲等^[34]、靳之更^[35]认为是农产品的生态足迹, 只考虑农业生物资源产生的生态占用, 并借用生态足迹的原理及内涵计算了研究区域的农业生态足迹。孙维等^[36]认为是农业生产消费产生的生态占用, 将农业废弃物和污染物产生的生态足迹也考虑在内, 更加符合农业生态足迹内涵, 但将农村居民的生活消费计算在内则需进一步改进。毕安平等^[19]明确给出了农业生态足迹的定义:在一定技术经济条件下, 为支撑农业生产活动所需要的资源消费与废物消纳的生态生产土地面积。这一概念正好体现了农业相对其他产业的特殊性, 既消耗农业活动投入品, 也产出农业废弃物及污染物, 完善了农业生态足迹的内涵。Passeri等^[37]以及Blasi等^[38]均将农业生态足迹解释为农场生态足迹和生产过剩生态足迹的总和, 即作物从播种到收获，农业活动所需投入的生态生产性土地面积与盲目提高产量而导致的过度生产所占用的生态生产性土地面积之和。这一概念从农业生产角度入手, 考虑了土地过度利用导致生产过剩所产生的生态占用, 丰富了农业生态足迹的内涵, 为农业可持续性分析提供新的切入点。

2 农业生态足迹的计算方法 2.1 计算思路

农业生态足迹的各种计算思路主要看对其内涵的不同理解, 有以下4个方面: 1)只考虑农业生物资源消耗。唐冲等^[34]结合尚义县的农业生产情况, 仅计算了包含可用耕地和牧草地的农业生态足迹; 靳之更^[35]、杨平^[39]、张立志等^[40]以及蒋缠文^[41]通过建立农业生物资源消耗账户计算农业生态足迹。2)同时考虑农业生物资源消耗和能源消耗。焦雯珺等^[17-18]通过建立食物/商品账户和住房/交通账户计算农业生态足迹; 林永钦等^[42]将化石能源土地作为体现农业能源消耗所产生的生态足迹的载体; 杨秋^[43]利用能值理论, 通过能值转换率和能值密度计算能源消费足迹, 与生物生产足迹共同构成农业生态足迹。3)考虑农业废弃物、污染物。孙维等^[36]、毕安平等^[19]将农业生产污染物生态足迹划入农业生态足迹的计算范围, 体现了农业土地的多重生态功能, 这一计算思路更加贴近土地利用的现实情况; 边淑娟等^[20]、Liu等^[44]对农业废弃物的生态足迹进行测算, 以选择合理的循环利用方式。4)与其他计量方法结合。为弥补基础模型的计算缺陷, 学者们将农业生态足迹模型与生命周期理论、能值理论以及净初级生产力等计量方法相结合, 构建改进的计算模型。上述内容为简单叙述, 下面将以时间为主线对相应的具体算法进行阐释。

2.2 具体算法 2.2.1 只考虑农业生物资源消耗的算法

在建立农业生物资源消耗账户, 划分相应的农地类型的基础上, 计算各类生物资源的消费量或生产量, 然后根据均衡因子折算为各农地类型的生态足迹, 加总即为农业生态足迹, 在计算农业生态承载力时考虑到生物多样性保护扣除12%的面积, 最后计算研究区域的生态盈余情况。唐冲等^[34]采用种植业与畜牧业产品的消费量折算生物资源的生产面积, 并划分到相应的可耕地和草地2类生态生产性土地中; 靳之更^[35]、杨平^[39]、蒋缠文^[41]应用联合国粮农组织1993年世界平均产量折算; 张立志等^[40]则采用了统计年鉴中人均年消耗量平均值进行折算, 并划分到相应的耕地、草地、林地以及水域4类生态生产性土地中。其中, 唐冲等^[34]、张立志等^[40]计算了研究区域的多年农业生态足迹, 并进行动态分析。该算法计算规范, 数据可获取性强。但也有一些明显的缺点:第一, 计算过程仅考虑农业活动过程中农产品的产出, 忽略了农业生产中能源的消耗以及农业废弃物和污染物产生的生态占用, 导致计算结果失真; 第二, 均衡因子及产量因子的采用没有依据研究区域进行调整, 导致农业生态承载力的计算偏小。

2.2.2 同时考虑农业生物资源消耗和能源消耗的算法

焦雯珺等^[17-18]、林永钦等^[42]、杨秋^[43]均同时考虑了农业生物资源消耗和能源消耗产生的生态占用。依据研究区域的农业发展情况, 农业生态足迹账户的分类有所不同。焦雯珺等^[17-18]建立食物/商品账户和住房/交通账户, 应用人均消费量和世界平均生产能力折算农业生物资源的生产面积, 通过能源折算系数和全球平均能源足迹计算农业能源消费足迹, 并相应地划分到耕地、草地、林地、水域、化石能源地以及建设用地6类生态生产性土地中, 利用均衡因子调整后加总; 林永钦等^[42]应用研究区域各类农业产品的总产出量折算生产面积, 并划分到耕地、草场、林地和水域, 同时以化石能源地作为农业能源消耗足迹的载体, 利用均衡因子调整后加总; 杨秋^[43]将农业生态足迹账户分为生物资源消费账户和能源消费账户, 采用联合国粮农组织1993年的全球平均产量折算生产面积, 并结合能值理论利用能值转换率和能值密度计算生产足迹和能源足迹。以上研究依据当地农业发展情况进行了生态生产性土地类型的项目调整, 更加贴合当地农业生态足迹现状。但其部分缺点有待解决:第一, 模型分析还未形成统一标准, 诸多因素的可变性较大; 第二, 农业账户受研究区域统计资料的限制具有一定的局限性, 不能完全涵盖农业生产活动的所有消费品, 会导致最终计算结果偏小。

2.2.3 考虑农业废弃物、污染物的算法

孙维等^[36]根据研究区当地农民的消费特征增加了“水资源供给地”, 并引入了对应的“水资源足迹”, 又依据农业活动性质划分了农业生产足迹和消费足迹, 将农业污染物产生的生态占用考虑在内, 利用生态足迹的原理核算农业生态足迹, 同时采用资源产量法计算农业生态承载力, 强调土地的多重生态功能, 避免了重复计算。毕安平等^[19]将农业生态足迹分为农业投入品生态足迹、农业劳动力消费生态足迹以及农业污染物生态足迹3个组分, 将农业生产投入账户分别划分到3个子项目中并计算其足迹, 应用研究区域的多年平均产量替代全球平均产量, 考虑到土地的复合生态功能未使用均衡因子加总计算, 只进行分类比较, 且研究只考虑农业而不是所有产业, 所以在农业生态承载力计算中没有划出12%的生物多样性保护面积。该算法强调了农业废弃物、污染物所产生的生态占用的占比不可忽略不计。农业废弃物利用不当一方面会带来农业生态环境污染, 甚至造成恶性循环; 另一方面会造成资源的浪费。边淑娟等^[20]、Liu等^[44]结合能值理论, 采用能值转换率和能值密度替代均衡因子的调整作用, 对农业秸秆和畜禽粪便的人均生态足迹和人均生态承载力进行了核算分析。这一研究角度阐释了农业生态环境和农业经济发展的关系, 并提出了农业废弃物合理利用的解决方案, 对于农业的可持续管理具有重要意义。

考虑农业废弃物、污染物的计算过程中对产量因子进行了修正, 解决区域信息丢失的问题, 使模型在中等尺度的应用更加准确; 该计算方式将农业地区的土地利用作为一个复杂的生态系统进行核算, 反映了土地的复合生态功能, 弥补了传统模型土地利用功能互斥的假设, 是近几年农业生态足迹研究中相对完善的算法。

2.2.4 农业生态足迹与其他计量方法结合的算法

生命周期理论在国外应用和发展已有近40年历史, 成为许多产业目前最有效的环境管理工具之一^[45]。生命周期法与农业生态足迹的结合, 更新了传统模型的计算方式, 强调各类农业产品在整个生产过程中所产生的生态占用。Silalertruksa等^[46]结合生命周期法计算农产品生产过程中的生态足迹、碳足迹、缺水足迹和能源足迹。应用农业活动中化石能源使用产生的二氧化碳排放直接土地占用面积和间接土地占用面积之和表示农产品的生态足迹, 能源足迹的计算包含在农产品生态足迹中; 碳足迹的计算对象为农产品整个生命周期的温室气体排放总量; 缺水足迹通过水分胁迫指数计算得出。

能值理论利用能值转换率、能值密度等参数将农业生态系统中不可比较的能量转换成统一标准的能值, 相比于传统模型的均衡因子和产量因子, 其参数更加稳定。赵桂慎等^[47]利用能值-农业生态足迹模型, 同时选取了资源负载指数、环境负载指数、可持续发展指数和系统外部性构建能值农业生态足迹指标体系, 评价集约化农田生态系统的可持续发展状况; Bai等^[48]结合能值理论, 通过纳入土壤损失、农业劳动力以及农业废弃物等项目, 利用能值转换率和能值密度折算成生态生产性土地面积。然而, 该算法中能值密度的测量具有一定难度, 且不同农业项目的转换各具特性, 能量流的分析也相对复杂。

基于净初级生产力的农业生态足迹计算方法(EF-NPP)利用遥感和地理信息系统实时获取土地利用数据, 并基于NPP重新测算均衡因子。王琦等^[49]通过修正产量因子和均衡因子, 并将遥感因子引入了传统计算模型, 计算耕地生态足迹及其生态承载力, 耕地生态足迹是农业生态足迹的一项单项研究, 所以耕地生态承载力中生物多样性保护面积的占比是依据耕地占总用地的面积比计算得出。但是, 基于NPP计算的均衡因子不稳定以及遥感和地理信息系统获取数据的精度欠佳等缺点还有待解决。

与其他计量方法的结合是农业生态足迹方法改进的最佳选择, 研究者可以依据研究角度自行斟酌, 选择最佳的算法核算农业生态足迹, 达到改进传统模型, 弥补缺陷以及精确计算结果的研究要求。

2.3 参数调整

参数的调整对农业生态足迹计算结果的真实性有较大影响, 其中, 产量因子的修正对农业生态足迹的影响最为显著。研究中最常采用基于“全球公顷”计算得出的参数, 由此计算的结果便于国家之间进行比较, 但是忽略了国与国的生产力差异, 没能体现出农业地区之间的差异性。随着研究的深入, 吴开亚等^[50]将“国家公顷”引入计算模型, 该类计算方法在“全球公顷”的基础上将各计算项目做了尺度降维, 重新计算研究区域的产量因子和均衡因子, 增强了农业生态足迹结果的准确性与真实性。但是, 产量因子和均衡因子的稳定性较差, 仍存在一定缺陷。赵桂慎等^[47]结合能值理论, 借助能值转换率和能值密度参数计算农业生态足迹, 其参数相对稳定, 弥补了传统模型数据失真的缺陷。王琦等^[49]利用遥感数据NPP测算产量因子和均衡因子, 使计算结果更精确。不过, 国内外研究学者对于参数的采用还是以产量因子和均衡因子为主, 下面是学者们针对产量因子(表 1)及均衡因子(表 2)两个参数进行调整所采用的一般方法。

3 农业生态足迹的应用 3.1 不同农业技术及生产方式的合理性分析

不同的农业技术会导致有差异的农业生态足迹组分核算值。化肥、农药、农膜、畜力等外部投入品的不合理使用可能导致对自然生态及自然资源的过度开发。Passeri等^[37]探讨农业技术对农田生态占用的影响, 首先将农业生态足迹划分为农场足迹和农业生产过剩足迹两个子项目, 在计算农业生产过剩足迹时通过创建Farm Source分析模型及特定作物过度生产的比例因子(α), 界定最小投入产量的农业生态足迹; 然后依据农业管理技术的不同将农业分为低投入农业、中等投入农业以及高投入农业, 评估3种农业技术下的生态足迹, 以此反映土地过度利用情况以及不同农业管理技术对农业生态足迹的影响。研究表明, 不同的农业技术对不同类型的农业资源消耗有显著差异, 在农业可持续发展的背景下, 农业机械和化学物质的投入正在对农业生态造成进一步压力, 对此, 农民对农业技术的合理选择至关重要, 因为农业管理技能要素可能成为对自然资源施加压力的决定性因素。

Mózner等^[54]的研究讨论了粗放式、集约型两种农业生产方式对农业环境的影响。粗放式农业活动具有低投入、低产出、低效益的特征, 若想产出与集约型农业相同的作物产量, 就必须耗费更多的耕地面积、农业劳动力以及畜力, 那么作物生态足迹、农业劳动力消费生态足迹和牧业生态足迹则会相对较大; 而集约型农业活动的耕作与收获过程则需要较高的机械化投入, 且化肥、农药等农业化学品的投入也较多, 因此其农业污染物生态足迹、能源生态足迹较大。可以看出, 粗放式农业和集约型农业所造成的生态占用组分具有显著差别。Blasi等^[38]对农业生产进行环境经济评价, 认为农业活动的生产方式改变了农业生态系统的生态承载力, 同时农业生态系统的环境状态也会影响农作物的生产, 农业生态足迹模型可以通过计算资源需求(即农业生态足迹)和供给能力(即农业生态承载力)来确定这两种影响的相互作用程度。研究表明, 合理的农业生产方式和农作物种植结构可以平衡农业生态和经济的相互影响, 且农民作为自然资源管理者和使用者应该被予以重视。

3.2 农业系统的可持续性分析

采用农业生态足迹进行农业系统可持续性分析的实践应用主要集中在以下几个领域: 1)评估特定农业生产方式下农业可持续发展的能力。例如, Viglizzo等^[15]从农业土地利用的角度出发, 通过农业生态足迹模型评估土地利用的影响、技术和管理变化, 并以此分析农业扩张对可持续发展的影响。2)评估农业地区耕地资源的可持续利用。例如, 施开放等^[55]计算评估重庆市的耕地资源状况, 引入了耕地生态承载力供需平衡分级评价标准, 研究表明重庆市的耕地资源可持续性存在明显的空间差异, 有利于政府了解农业政策的实施效果并进一步规划布局。3)评估农业资源的可持续利用方式。例如, Maier等^[62]将碳足迹与农业生态足迹结合, 共同评估传统耕作方式向有机农业和使用可再生能源的转变是否有利于农业发展; Budreski等^[63]结合农业生态足迹与作物足迹对农业生态风险进行评估等。4)评估农业废弃物的循环利用。例如, 边淑娟等^[20]、Liu等^[44]均利用能值-农业生态足迹模型对农业废弃物的利用方式进行评估, 研究得出农业废弃物的合理利用可以减少农业生态占用, 促进农业生态环境的改善, 有效提高农业可持续发展能力。近几年, 农业生态足迹的应用领域得到进一步拓展:第一, 从农业生态环境角度出发, 测算农业生态足迹并评估当地农业生态系统发展情况, 观察研究区域的农业发展困难、问题与政策实施效果, 从而结合当地的农业发展特点给出可持续发展与管理的建议; 第二, 在评估影响农业生态足迹关键组分的同时, 研究者开始关注到经济、社会、文化、科技等外部因素对农业可持续发展的影响。

4 结论与展望 4.1 结论

国内外学者围绕农业生态足迹相关领域进行了一系列实证探索, 取得了较为明显的进展。在计算思路方面, 研究者们从不同的角度进行构思, 逐渐由只考虑农业生物资源消耗到同时考虑农业生物资源消耗与能源消耗, 再到将农业废弃物、污染物的生态占用考虑在内, 尤其是近5年, 农业生态足迹结合其他计量方法综合应用的计算思路被广泛采纳, 使农业生态足迹的算法得到进一步改进。在参数调整方

面, 产量因子与均衡因子的计算从以“全球公顷”为标准到以表现研究区域农业生产力的“国家公顷”为标准, 再到结合能值理论以能值转换率和能值密度作为转换参数等, 已有研究以生态足迹的参数为研究基础, 逐渐将研究区域的农业特点考虑在内, 重新进行参数调整, 提高了计算结果的精确性。在实证研究方面, 第一, 以往研究大多以农业生态足迹的整体测算分析为主, 主要为研究区域的农业生态盈亏状况做评价服务; 第二, 近几年, 农业生态足迹的单项研究逐渐得到关注, 例如, 渔业生态足迹、畜牧业生态足迹等研究相继发表; 第三, 应用农业生态足迹与其他指标结合用以综合衡量农业生态环境与农业经济协调发展的研究崭露头角, 且对于农业系统的可持续性综合分析也逐渐深入。随着研究者对不同农业问题的深入探究, 农业生态足迹的应用范围得到拓展。

4.2 展望

农业生态足迹自提出以来已经逐渐得到广泛的应用和不断的完善。但是, 农业生态足迹的计算思路和模型参数仍处于不断发展的阶段, 还有许多有待探索的领域和亟待解决的问题。第一, 农业生态足迹的标准化研究。结合以往研究的缺陷, 其标准化内容应包括数据采集、计算思路、关键参数、结果评价等方面。标准化能够鼓励更广泛、更规范的采用农业生态足迹, 提高其促进农业可持续性分析的影响力。第二, 构建完善的农业生态足迹指标体系。现有的农业生态足迹指标虽然具有普遍适用性, 但考虑到农业产业具有一定的地域特征, 其指标对研究区域农业发展情况的描述还不够全面且存在一定缺陷。因此, 与其他足迹相结合或者完善内在的农业生态足迹研究, 以多个不同的侧面, 将农业生态足迹融入到衡量农业社会、经济和生态的指标体系框架中是未来需要深入研究的问题。第三, 农业可持续发展的长时序分析。农业是一个国家经济发展的基础部门, 界定农业可持续发展的边界并梳理其发展与管理的时间路线, 为不同农业区域的未来发展选择合理的农业生产方式和农业技术, 同时为国家的农业政策制定提供科学支撑服务, 并形成一套科学可行的农业支撑服务体系是未来的研究重点之一。