生态足迹：碳足迹计算的改进外文翻译资料

 2022-08-13 16:11:56

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生态足迹：碳足迹计算的改进

Maria Serena Mancini a,b , Alessandro Galli b,lowast; ,Valentina Niccolucci a , David Lin c ,Simone Bastianoni a , Mathis Wackernagel c , Nadia Marchettini a

a锡耶纳大学 地球、环境与物理科学生态动力学小组，意大利锡耶纳 潘德·曼特里尼44号，53100; b全球足迹网络，国际环境研究所2号楼，7-9巴莱克施特化学公司，瑞士，日内瓦，1219; c全球足迹网络，美国加利福尼亚州，奥克兰，克莱街312号300室，94607-3510

摘要：在生态足迹法中，碳足迹成分定义为：消纳未被海洋吸收的人为排放的二氧化碳所需的可再生森林容量。碳足迹的关键参数是平均森林碳固存（AFCS），它是根据森林生态系统的净碳固存能力计算得出的。

本文的研究目的是通过回顾碳足迹组成部分背后的原理和方法，以及更新其计算的关键因素AFCS，来提高生态足迹的清晰度和透明度。根据人类对三种类型的森林（原始森林，其他自然再生森林和人工林）的管理程度，设定了多种计算方案，以获取不同的碳固存速率。在此次AFCS计算方法更新过程中，首次包括了与森林野火、土壤以及伐木产品有关的碳排放量。总体而言，已经确定了AFCS值的范围为0.73plusmn;0.37 t C ha-1 yr-1。然后根据该值范围评估所得的碳足迹和生态足迹值。结果证明，人类对生态系统服务的需求超出了生物圈提供这些服务的自然能力。

关键词：关键字：生态足迹；碳足迹；碳固存；森林生态系统；碳循环

前言

地球的生物物理极限代表了可持续性的一个重要方面。地球是一个有限的、物质上封闭的系统，因此，它受热力学定律约束，热力学定律规定了自然资源生产和废物吸收的限制（Ehrlich，1982；Georgescu-Roegen，1971；Meadows等，1972；Pulselli等.，2008；Tiezzi，1984）。然而，在过去的半个世纪里，人类经历了显著的经济增长，从“空虚的世界经济”变成了“全世界经济”，自然资源变得越来越有限（Daly，1990），自然生态系统和生物多样性正在受到损害（Lenzen等，2012；LPR，2012；Butchart等，2010；Ellis等，2010；MEA，2005）。

许多科学家认为，在关键的行星系统中，人类的行为有可能已经超越了安全操作极限（如Bradshaw and Brook，2014；Crutzen，2002；Rockstroacute;m等，2009），星球尺度的临界转变可能已经离我们不远了（如Barnosky 等，2012；Steffen等），而全球经济可能已经超过了“可持续福祉”的界限（Kitzes等人，2008a；Max Neef，1995；Niccolucci等人，2007，2012）。因此，需要有工具来确定人类的需求在多大程度上仍处于或已超过地球自然资本所能提供的限度，同时探测预警信号，并有可能预测人为压力对生态系统的影响（Bauler，2012；Moldan等，2012）。

上世纪90年代，Mathis Wackernagel和William Rees（Wackernagel，1994；Wackernagel和Rees，1996）提出，生态足迹是一个指标，可用于跟踪过去和现在的对生物圈提供生命支持和调节生态系统产品和服务的能力的人为压力（Galli等，2014；Wackernagel等，1999年；Monfreda等，2004年）。因此，它可用于对Daly（1990）定义的两个可持续性原则进行第一次定量评估：人类收获率不应超过地球对自然资源的再生能力，废物排放率不应超过自然同化能力（Goldfinger等，2014年；Galli，2015年）。

根据国家足迹账户（以下简称NFA）2014版，即世界和国家层面的官方生态足迹评估，2010年人类需要1.5个星球的资源和服务（WWF等，2014）。在该核算工具所考虑的六种土地类型中（见第2.1节），碳足迹部分（即消纳人为二氧化碳排放所需的生物生产用地。见2.1节）是最大的一个部分，约占人类总生态足迹的54%。由于其显著的贡献，人们对生态足迹的这一组成部分的审查和批判性回顾已经越来越多（Ayres，2000；Kitzes等，2009；Neumayer，2013；Wackernagel和Silverstein，2000；Wiedmann和Barrett，2010）；（van den Bergh和Verbruggen，1999；van den Bergh和Grazi，2013；Giampitro和Saltelli，2014年；Blomqvist等，2013年）。

材料及方法

生态足迹法（Wackernagel等，2002）是一个会计系统，它可以跟踪地球上人类生产资源和消纳废物的所需的再生能力，并将其与地球现有的再生能力进行比较。由于难以将其他废物影响转化为生物表面的任何再生能力，化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放是生态足迹直接跟踪的唯一废物流，这在Kitzes和Wackernagel（2009年）以及Kitzes等人（2009年）的文章中已有详细讨论。

会计框架由两个指标组成：生态足迹——人类对生物生产区的需求，以及生物容量——自然界提供的每年被人类消耗的资源和生态系统服务（Borucke等，2013年）。这两个指标都是以可比的等效土地单位表示的，即全球公顷（gha），其中土地或水的公顷数标准化为在给定年份内所有生物生产性土地和水的世界平均生产力（Galli等，2007年；Galli，2015年）。

每个国家的生物容量（BC）按式（1）计算：

式中，Ai代表在国家一级可用于产品i的估计生物生产面积；

YFi是生产产品i的国家特定产量因子；

EQFi是生产每种流量i的土地的当量因子。

另一方面，每个国家的生态足迹按式（2）计算：

式中：Ti是该国消费（或释放）的每个产品（或废物）流量i的年吨数（T yr-1）；

Yw是每个流量i生产（或消纳）的年世界平均产量[1]（t wha-1 yr-1）。

EQFi是每个流量i生产土地的等效因子。

使用产量因子（YFs）和等效因子（EQFs）可以将实际公顷数转换为全球公顷数（gha）。YFs捕捉给定土地利用类别内的国家和世界平均生产力之间的差异，EQFs根据其内在能力对不同土地类型进行加权，以产生与所有土地类型的全球平均生产力相关的人类有用生物资源。权重基于全球农业生态区（GAEZ）模型（FAO和IIASA，2000）中的农业适宜性指数。见Borucke等（2013）和Galli等（2007）关于生态足迹和生物容量计算方法的详细说明。

根据世界保护联盟分类（世界保护联盟等，1991），可用于维持人类生活的生物生产区可分为五大类，分别包括：农田、牧场、渔场，以生产植物、动物和鱼类产品；森林，用于木材产品和二氧化碳的固存；以及建筑区、避难所和其他基础设施，这些基础设施竞争着生物生产空间。

在其核心，生物容量反映了自养组织通过光合作用从太阳获取能量的能力，并利用这种能量将物质浓缩和结构化成每年可供人类使用的资源。虽然生物容量说明了自然界再生生态产品和服务的能力，但生态足迹的核心目标是说明人类对生态产品和服务的需求（Galli，2015）。在这里，我们主要关注碳足迹的组成部分。

2.1碳足迹组成的计算方法

在生态足迹法中，碳足迹是指以世界平均封存率封存人为二氧化碳排放，以避免二氧化碳在大气中积聚所需的生物生产性林地数量[2]。这不应与“碳足迹”这一术语混淆，后者是最新流行的用于评估以吨二氧化碳当量（t二氧化碳当量）表示的人为温室气体排放量的方法（见EPLCA，2007；Wiedmann和Minx，2008）。然而，以吨为单位的碳足迹可以很容易地利用固存率转化为基于区域的碳足迹。更多细节见Galli等（2012）。

根据Lazarus等（2014年）的资料，NFA考虑了来自国际能源署（IEA，2010）的三种人为活动产生的二氧化碳排放源：（i）国家和经济部门化石燃料燃烧产生的排放；（ii）非化石燃料来源（天然气燃烧、人为森林火灾）产生的排放，水泥生产和不可持续的生物燃料生产[3]）；（iii）国际海运和航空运输产生的排放，称为“船用燃料”，根据其进口份额重新分配给各国。2010年，这三个来源分别占人为二氧化碳排放总量的78%、19%和3%，即38.7Gt二氧化碳（国际能源署，2010）。

碳足迹成分（碳EF）的计算基于式（3）（另见Borucke等，2013）：

式中：PC是以Mt CO2为单位测量的全球人为二氧化碳年排放量；

SOCEAN是给定年份海洋消纳的人为CO 2排放量的分数。数据来自Khatiwala等人（2009）。该数据目前用于NFA，2010年的海洋吸收分数为28%（Lazarus等，2014年；Borucke等，2013年）。

EQF是用于衡量林地占比的等效因子。现行的基于GAEZ的方法（见第2节）将林地的价值定为1.26（表明世界平均每公顷森林的生产力是世界平均每公顷土地生产力的1.26倍）。（表明一公顷世界平均森林的生产力是世界平均公顷土地的1.26倍）。

YW是世界平均林地每公顷二氧化碳的年吸收率。

AFCS是平均森林固碳量，用t C ha-1 yr-1表示；

0.27 t C（t CO2）–1表示二氧化碳分子中的碳份额，用于将吨碳转换成吨二氧化碳。

AFCS代表了一公顷世界平均森林生态系统通过光合作用吸收大气二氧化碳的长期能力。它以吨碳/世界平均每年森林公顷（t C wha-1 yr-1）表示，与Kitzes等人的研究结果一致（2008b）。计算式为：

式中：NFP（净森林产量）是森林生物量的年总产量，单位为吨碳/年（t C yr-1）。根据正在研究的系统边界，NFP可定义为总初级生产（GPP）、净初级生产（NPP）、净生态系统生产（NEP）和净生物群落生产（NBP）（见第2.1.2节）。

AF表示地球上的森林总面积，单位为公顷（ha）。

虽然所有的生态系统都有通过光合作用长期或短期储存二氧化碳的能力，但生态足迹法是根据森林生态系统的固碳能力保守计算的，森林生态系统是主要的陆地生态系统，具有显著的固碳和长期储存能力（例如Pan等，2011；Pregizer和Euskirchen，2004）。生态足迹方法学的保守假设是，当人类需要固碳时，可以使用最有效的土地类型：林地来实现。（Borucke等，2013；Kitzes等，2009）。

历史上，生态足迹账户（包括最新的NFA 2014版）中使用的平均森林固存容量值为0.97 t C wha-1 yr-1（Kitzes等，2008b；Lazarus等，2014）。然而，可用于此计算的全球数据集现在已经有了很大的改进，并且有必要按照Kitzes等人的建议来修改这一项关键因素（2009）。此外，这一历史价值是以净初级生产力（NPP）作为计算NFP的基础，因此不考虑森林生态系统中其他类型的碳交换。

如以下各节所述，在此使用更新的数据集同时根据气专委的方法（气专委，2006a）计算新的AFCS值，以跟踪森林生态系统与大气之间的温室气体通量（排放量和存量变化）。在改进之前评估（Kitzes等，2008b；Lazarus等，2014）的基础上，这里将NFP计算为所有重要森林生态系统池中的净碳消纳量，因此近似为净生态系统生产（NEP）（见第2.1.2节）。

2.1.1森林面积（AF）

根据《2010年全球森林资源评估报告》（粮农组织，2010年），森林被定义为“土地面积超过0.5公顷，树木高度超过5米，树冠覆盖率超过10%，或者树木能够在原地达到这些阈值。不包括主要处于农业或城市用地之下的土地”。粮农组织（2010）根据其反映人类管理程度的“自然性”将其分为三大类：

bull;原始森林：自然再生的原生物种森林，没有明显可见的人类活动迹象，其中生态过程没有受到明显干扰。地球上的原始森林面积约为13.6亿公顷，占全球森林面积的36%（粮农组织，2010）。原始森林相当于气专委的“天然森林”类别（气专委，2006b）。

bull;其他自然再生森林：自然再生森林，有明显的人类活动迹象。这一类的面积为21.8亿公顷，占总面积的57%（粮农组织，2010）。IPCC没有区分这种特殊的土地类型；因此，我们这里假设它等同于IPCC的“自然森林”类别（IPCC，2006b）。

bull;人工林：主要由通过种植和/或故意播种而形成的树木组成的森林。人工林占地2.6亿公顷（占全球森林面积的7%），其中24%用于保护，其余76%用于生产（粮农组织，2010），相当于IPCC的“种植园”类别（IPCC，2006b）。

这三类森林的固碳能力因其地理位置和生态带的不同而不同。2000年全球森林资源评估（粮农组织，2000）提供了各陆地（非洲、亚洲、欧洲、北美和中美洲

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