第三節 生態系統服務及其價值

生態系統 ( ecosystem) 這一概念最早是由Tansley (1935) 提出的，后來這一概念得到了廣泛的應用，隨之，生態系統的研究對象也不斷發生改變。在20世紀50年代后，生態系統研究從宏觀粗放研究轉變到精確定量研究上來，數學、系統科學等學科理論廣泛應用于生態系統的研究，特別是耗散結構理論和協同論的應用，不僅改進了生態系統研究的方法和手段，同時提高了該領域的研究水平。20世紀60年代后，生態系統研究發生了深刻變化，傳統生態系統研究主要是以生物為中心，但是在60年代后，隨著社會經濟的發展，人類生產生活方式的改變，人類的活動對生態環境造成了嚴重的破壞，有些破壞是不可逆的，這樣生態系統的研究就轉變到以人類活動為核心的研究。

一 生態系統服務的概念

生態系統服務 ( Ecosystem service) 一詞，自20世紀70年代以來開始成為一個科學術語，并成為生態學、生態經濟學等學科的研究分支，但是在早期沒有對生態系統服務做明確的定義，最早是在1997年，Gretchen Daily的著作Nature's service: Societal Dependence on Natural Ecosystem中提出了生態系統服務的概念：生態系統服務是指生態系統與生態過程所形成幾所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用，即它不僅為人類提供了食物、醫藥及其他工農業生產的原料，而且維持了人類賴以生存和發展的生態支持系統。在1997年，Robert Costanza等將生態系統服務定義為：生態系統和服務，代表人類直接或者間接從生態系統的功能中獲得的各種收益。2003年，由聯合國組織的“千年生態系統評估”項目，在該項目中將生態系統服務定義為：人類從生態系統中獲得的各種收益。從以上的定義中可以看出，對生態系統服務的定義可以分為三個方面，第一，生態系統服務是生態系統本身的存在及其過程對人類社會產生的影響，這種影響是間接的，但是對人類社會的影響是非常重要的；第二，生態系統服務是生態系統維持人類生存的過程，這種影響是直接的影響，生態系統作為主體為人類提供服務，而人類作為客體從生態系統中得到服務，這種關系是一種復雜的系統關系，當前生態環境的惡化主要是這種關系的處理過程中出現了問題；第三是生態系統服務與人類社會的福祉密切相關，人類要從生態系統中得到各種收益，這些收益是影響人類社會福祉的重要因素，生態系統能否提供保持人類社會福祉的服務這將影響到整個人類社會的發展。

生態系統服務又叫生態系統服務功能，是指生態系統與生態系統存在過程中所形成的并以此維持人類社會生存、發展的自然環境條件。生態系統服務中的生態系統既包括自然生態系統也包括經過人類的活動所改造過的生態系統，自然生態系統所提供的是基礎的、傳統的服務，但是隨著人類社會的發展，自然生態系統提供的服務難以滿足人類社會的要求，必然將自然生態系統進行改造，經過改造過的自然生態系統對人類社會提供的服務更加能促進人類社會的發展。生態系統提供的服務又有直接的服務和間接的服務的區分，直接的生態系統服務是人類在生存過程中，依靠生態系統提供各種食物、住所等生存條件，同時生態系統在人類的生產生活過程中還創造和維持了地球生命支持系統，形成了人類生存所必需的環境條件，這些就是生態系統提供的直接服務；間接的生態系統服務是人類在生存過程中從生態系統中獲得生態系統產品，或者通過改造生態系統而生產自己所需要的產品，這種利用生態系統維持人類自身的生產和發展過程就是生態系統所提供的間接服務。

二 生態系統服務的特征

生態系統服務對人類社會的生存與發展具有重要的意義，但是各地的生態系統服務又不完全相同，這主要是因為生態系統服務具有其自身的特征，這些特征主要體現在以下幾個方面。

(一) 空間差異性

由于各地在氣候、地形、地貌、資源等自然條件方面存在的差異，使生態系統也呈現明顯的差異性，這種差異決定了生態系統服務的差異，在生態系統服務的種類、數量、時間等各個方面都會有明顯的差異。由于各地的社會經濟條件的差異，人們對生態系統服務的利用方式、強度等方面也存在明顯的差異，這也決定了生態系統服務的差異。因此，對生態系統服務的研究，必須建立在生態系統服務空間差異的基礎上，然后選擇不同的區域對生態系統服務進行研究。

(二) 動態性

生態系統服務具有動態性，即生態系統服務是隨時間的變化而發展變化的。生態系統具有明顯的自然演替過程，在自然環境和人類活動的雙重影響下演替，特別是在人類活動干擾下，生態系統會出現相應的變化，如亂砍亂伐、過度放牧等人類活動行為，導致生態環境的退化。由于生態系統的這種變化，那么生態系統服務也會相應地變化。

(三) 整體性

生態系統服務具有整體性，這是建立在生態系統的整體性基礎上的。生態系統具有整體性，當一個生態系統的某一部分發生退化時，那么整體的生態系統也會相應地改變。建立在生態系統的整體性基礎上的生態系統服務的整體性必然受其影響，因此，在利用生態系統服務的時候應該注意其整體性，不能單純利用某一方面的服務而影響其他服務作用的發揮，由此導致整個生態系統服務的退化。

(四) 持續性

雖然生態系統服務是隨著生態系統的自然演替而變化的，但是，這種變化是緩慢的變化過程，在不受外界干擾或者外界干擾較弱的情況下，生態系統服務是可以長期持續利用的。當然，要保持生態系統服務的長期持續利用必須保持生態系統的可持續發展，否則，生態系統服務就會加速退化。

(五) 多樣性

生態系統服務具有多樣性，即一個生態系統所提供的服務不是一種，而是多種，多種生態系統服務又是一個有機整體，這些服務功能是密切相關的。這決定了在利用生態系統服務的時候要服從它的多樣性，不能過度利用某一方面的服務而影響其他服務作用的發揮。

三 生態系統服務的種類

生態系統服務是生態系統給整個人類社會提供的各種服務的總稱，這些服務種類繁多，功能各異。Costanza等 (1997) 將生態系統服務分為17個類型 (見表2-1)，這是目前對生態系統服務類型種類劃分影響較為廣泛的劃分方法。

根據表2—1，可將生態系統服務分為以下四個類型。

(一) 調節服務

生態系統的調節服務是保持地球生態過程和生命支持的過程，地球上各種生命的持續發展主要依靠生態系統的調節。生態系統通過將能量轉化為生物物質、食物鏈中能量與物質的轉移、土壤中有機質的礦化與沉積、氣候調節等，維持整個生態系統的發展。在調節服務中，主要包含以下幾個方面：氣體調節，地球上生命的生存與發展對氣體的要求非常嚴格，這些氣體是來自大氣與海洋中，氣體發生輕微變化就會影響整個生態系統，進而影響整個人類。生態系統通過氣體調節功能保持地球生物化學過程保持氣體適應人類社會的需求；氣候調節，氣候對人類社會的生存發展有著重要的影響作用，生態系統對區域性氣候具有重要的調節作用，例如植物通過根系從地下吸收水分，再通過葉片蒸發，將水分返回大氣，形成降水，通過降水降低氣溫、減少水土流失、補充水分等。水調節，生態系統通過對江、河、湖、海等陸地水環境的調節，維持生態系統中的徑流狀態和河流之間的水交換，保持人類社會健康可持續發展所需的水服務；水供應，生態系統通過對水的過濾、保持、儲存等活動，保持人類社會活動和生態系統維持所需的水供應，在水供應中，主要的還是儲存，只有合適的水儲存才能保障整個人類社會的發展需求；土壤保持，生態系統通過樹木等植物的根系穩定土壤，落葉可以截留降水，防止水土流失，通過土壤保持，可以為植物生產提供合適的土壤環境；廢棄物處理，生態系統能夠儲存、分解、循環一定數量的廢棄物，人類在生產生活過程中產生的各種有機或無機廢棄物，生態系統通過吸收有害微粒物、處理有機廢水、分解有機廢棄物等，處理人類產生的廢棄物，為人類提供良好的生態環境；營養物質循環，生命的維持不僅依靠能量的供應，更重要的是營養物質的供應，生態系統通過光合作用等，可以將各種營養物質在區域范圍內循環，為生命的維持與延續提供營養物質；授粉與種子傳播，生態系統中很多通過野生動物授粉和種子傳播物種，如通過昆蟲、鳥類等授粉和種子傳播，這種授粉維持了生態系統的健康發展，如果沒有這種授粉與種子傳播，那么生態系統就會出現不平衡；生物控制，生態系統中各種物種間是互相制約、互相協調的，通過物種間的這種相互制衡、相互促進的關系，保持了生態系統的平衡。

(二) 棲息服務

生態系統為地球上各類生物提供了生存空間，同時也為各類生物提供了棲息服務，生態系統為各類生物提供的棲息服務主要有兩大類，一類是避難所；一類是物種保育。避難所，生態系統為各類生物提供了繁衍生息的空間，同時也為各種生物的進化、發展創造了條件，生態系統通過這種服務，使各類生物有了相對安全的生存環境，保持了生物的多樣性；物種保育，生態系統為許多生物提供了育種和保育功能，這對生物多樣性的保持、發展具有重要的意義。

(三) 生產服務

人類社會的生存與發展要從生態系統中得到各種的生產、生活資料，這些都依靠生態系統所提供的生產服務，生態系統所提供的這些生產服務根據其特性又可分為可再生資源和不可再生資源兩大類，可再生資源是指能夠不斷繁衍生長的各種資源，如太陽能、風能、空氣等資源；不可再生資源是指形成時間較長、儲量有限的資源，主要有煤炭、天然氣、石油等資源。具體來說，生態系統所提供的生產服務主要有以下幾類：食物，人類生存的食物主要來源于生態系統，雖然很多食物來自于農作物、家養動物等，但是這些動植物也是生態系統中重要的組成部分；原材料，人類社會在社會生產過程中要依靠生態系統提供各種原材料，如木材、橡膠、樹脂、煤炭、石油等，離開這些原材料人類社會就無法生存、發展；遺傳資源，現在各種人工種植的植物和人工養育的動物是人類社會發展的重要資源，但是這些動植物很多是原來的野生動植物，通過馴化、培育等才發展到現在的，如果沒有原有遺傳基因的存在，也不會有現在的家養動物和種植的各種植物；藥用資源，生態系統能保證人類健康，其中重要的途徑就是為人類提供了藥用資源，特別是中醫，各種藥物都來自于自然環境，通過不同的組合可以為人類社會的健康提供保障；觀賞資源，各種動植物為人類提供了廣泛的觀賞服務，各種自然旅游景點、動物園等，這些給人類提供了了解自然、了解生命的重要條件。

(四) 休閑服務

生態系統除了為人類社會提供生產、生活服務之外，對人的精神、心靈發展等也提供了重要的服務。生態系統中的自然景觀等為人類提供了科學文藝、藝術、科學研究等條件。休閑娛樂，人類在繁忙的工作之余，可以進行生態旅游等休閑活動，不僅能放松心情，更重要的是可以領略大自然的風光，增強對自然的認識；文化藝術，生態系統為人類提供了文化藝術服務，生態資源的區域差異性，使不同的人在不同的環境中形成了不同的人類文化，這種文化反映了當地人口與生態系統的關系，同時也形成了具有地域特色的民族文化，人類的文化藝術都是從生態系統中孕育出來的；科學服務，生態系統為科學研究提供了基礎條件，各種科學研究總的來說離不開生態系統，生態系統的發展變化為科學研究提供了條件，同時也提出了挑戰，正是生態系統的復雜性才促進了科學研究的不斷發展。

四 生態系統服務價值評價

(一) 生態系統服務價值評價的發展

對生態服務價值的評價可以追溯到19世紀下半葉，但是當時的評價不管是從思想上還是從方式上都不完善，只是給了一種思維方式。直到1997年Daily對生態系統服務功能的概念、研究歷史、不同生態系統的服務功能等進行了系統的研究，進而對各類生態系統服務功能價值進行了專項研究；Costanza等人將生態系統服務功能價值估算的原理和方法更加完善；2002年聯合國發起的千年生態系統評估項目，對生態系統服務功能的變化對人類福祉的影響作為評估的重要部分，并以人類的自由選擇作為社會福利的終極目標，評估了全球生態系統服務功能變化對人類福利的歷史影響和可能變化，推動了生態服務價值評估從學術性研究向應用性研究的轉變。此外，不同的學者也對生態系統進行了價值評估的嘗試，形成了相對完善的理論體系。

(二) 生態系統服務價值評價的意義

生態系統服務價值評價對正確處理人與自然的關系具有多方面的意義。首先，生態系統服務價值評價可以為人類提供有關生態系統結構和功能的信息。人類依靠生態系統維持生存，那么生態系統的結構和功能變化會影響人類社會的福祉，通過對生態系統服務價值的評價，可以提供多樣復雜的信息，幫助人們進行決策。其次，生態系統服務價值評估有利于建立科學的環境保護措施。當前生態環境的惡化嚴重影響了人們的生產生活，各地都在進行環境保護建設，但是對建設成果的評價缺乏科學合理的方法，生態系統服務價值評價為這一問題提供了條件，通過生態系統服務價值評價，可以正確地對環境保護建設進行評價。再次，生態系統服務價值評價有利于可持續發展的實現。可持續發展實際上就是要處理好生態系統的利用和保育的關系，維持生態系統的服務功能的可持續是可持續發展的基礎，這就要求合理地評價生態系統服務價值，只有合理地評價了生態系統的服務功能價值，才能制定科學的生態系統利用方式，促進人類對生態系統的可持續利用，進而實現可持續發展。

(三) 生態系統服務價值評價的方法

目前，對生態系統服務價值的評價方法有很多，每一種方法都有自己的優點，同時也存在一定的缺陷，本書將眾多的評估分為三類：一是經濟價值評價法，這種方法是采用經濟學的方法將生態系統服務價值進行貨幣化，以此來評價生態系統服務價值；二是能值評價法，這種方法是利用能值理論，以生態系統中的能量流動為基礎，把生態系統服務價值量化，以此來評價生態系統服務價值；三是生態足跡法，這種方法是以生態系統中的物質流為基礎，研究生態系統的實物價值，對生態系統服務的實物價值進行量化，以此來評價生態系統服務價值。

1．經濟價值評價法

第一，市場價值法。市場價值法是最常用的評價方法，這種評價方法所需數據較少，數據容易獲得，但是它適合于沒有費用支出但有市場價格的生態系統服務的價值評價。市場價值法又有兩種評價過程：一是理論效果評價法，這種方法有三個步驟：首先計算某種生態系統服務的定量值，然后研究生態系統服務的價格或“影子價格”，最后計算其總經濟價值；二是環境損失評價法 (生產率法)，這種方法是把生態系統服務看作生產過程中的一個要素，其質量的變化將導致生產率和生產成本的變化，進而影響產量的變化或者預期收益的變化。市場價值法雖然評價方法簡單，數據容易獲得，但是生態系統服務種類繁多，很多服務是無法定量的，因此用這種方法對生態系統服務評價實際上仍有很多困難。

第二，費用支出法。費用支出法是從消費者的角度出發來評價生態系統服務價值的一種方法，它的核心是以人們消費某種生態系統服務的支出費用來表示其經濟價值，通過費用支出來評價生態系統服務的價值。這種評價方法通常用于對旅游地的評價，它又有三種形式：總支出法，即以游客到某一地區旅游休閑的費用總支出作為該地的生態服務價值；區內價值法，即以游客在旅游地區內支出的費用作為該地的生態服務價值；部分費用法，即以游客到旅游地旅游整個費用支出的部分費用作為該地的生態服務價值，通常包括交通費、餐飲費、住宿費和門票四項。

第三，機會成本法。機會成本是指在其他條件相同時，把一定的資源用于某種產品的生產時所放棄的生產其他產品的最大價值；或者利用一定的資源獲得某種收入時所放棄的另一種最大收入。其數學表達式如下：

式中，Ck為k方案的機會成本；A1,A2,A3,…,Ai為k方案以外的其他方案的效益。

機會成本法主要用于社會凈效益不能直接估算的情形，特別使用于自然保護區或者是具有唯一特性的自然資源開發項目的評估。

第四，影子工程法。影子工程法又稱替代工程法，是指當生態系統提供的服務難以用貨幣量化的時候，用其他可以替代該生態系統提供的服務的替代工程或影子工程的價格來替代，這樣將無法量化的服務轉變為可以量化。如評價草原涵養水源的服務價值，這個價值無法直接評價，這可以通過評價修建一個貯存與該草原涵養水源量同樣的水庫的價值，這個價值就可以替代草原的涵養水源服務價值。

第五，人力資本法。也稱工資損失法，是指通過市場價格和工資多少來確定個人對社會的潛在貢獻，并以此來估算生態環境變化對人體健康影響的損益。美國經濟學家R. G. Ridker建立了最早的人力資本評價模型，該模型為生命價值評估提供了思路，但是它自身的不足也制約了其發展，該模型主要反映人們對避免疾病引起的痛苦等所具有的支付意愿。1982年，美國疾病控制中心提出了潛在壽命損失年法 ( YPLL: Year of Potential Life Lost)，是用期望壽命年齡與死亡實際年齡之差來表示。用公式表示為：

其中，YPLL為潛在壽命損失年，EY為期望壽命年齡，DY為死亡時的實際年齡。通過疾病監測統計資料，可以計算分死因的潛在壽命損失年的總值和每例死亡的平均潛在壽命損失年值。計算公式為：

其中，Y為環境污染造成的健康損失，Y1為因污染導致死亡的健康損失，Y2為因污染導致發病增加的健康損失，M1為因污染導致過早死亡的人數；M2為因污染所增加的發病人數；R1為涉及地區的總死亡人數，R2為涉及地區的總發病率，A1為污染導致死亡的系數，A2為污染導致發病的系數，YPLLa為死亡者的平均潛在壽命損失年，P1為社會平均工資水平，P2為患者平均每天的工資、醫療費和陪護費之和，T為每例患者平均誤工天數。

這種方法數據容易獲得，在一定程度上可以評價環境污染對人的生命價值的影響，但是，這種評價方法的缺陷是把未來生命價值等同于現在生命價值，這是不合理的。

2．能值評價法

能值是美國生態學家H. T. Odum在綜合系統生態學、能量生態學和生態經濟學的理論基礎上創立的一個度量標準，它表示在時間和空間上進入產品的所有能量，它不僅包括能量的質和量，還包含能量的歷史積累，即產品或勞務形成過程中直接或間接投入應用的一種有效能的總量。這個概念提供了衡量和比較各種能量的共同尺度，對不同的能量可以進行比較或相加，以此可以對生態系統進行分析和評價，定量分析資源環境和經濟活動的價值。

能值分析是以能值為基準，把不同種類、不可比較的能量轉換成標準的能值，通過定量分析評價其在系統中的作用。由于地球上所能利用的各種能量均始于太陽，因此通常用太陽能值為標準來衡量某一能量的能值。能值分析不但可以分析系統內各組分之間的能量流，而且可以分析系統內與系統外的能值交流，還可以分析系統的結構功能變化。

能值分析過程中要用能值轉換率，因為不同類型的能量具有不同的能級和能質，能量從低等級轉化為高等級，各類能量之間有特定的轉換關系，即能值轉換率。能值轉換率是生產單位某種能量所需要的直接或間接耗費的其他能量的總量。能值轉換率越高，說明該種能量的能質越高，在能量系統中的等級也越高；反之，能值轉換率越低，說明該種能量的能質越低，在能量系統中的等級也越低。在實際應用中，通常用太陽能值轉換率，即將每單位某種能量或物質的能值轉換為太陽能焦耳。

能值評價的基本步驟有以下幾個步驟。第一，確定研究系統的邊界。要明確分析研究系統的空間尺度、生態類型等，據此客觀全面地收集研究所需的資料；第二，繪制能量系統圖，根據Odum所提出的能量符號及生態系統圖解方法繪制系統能量圖解；第三，編制能值分析表，通過對系統內的主要能量流、物質流和經濟流的計算，并將其轉換成能值單位，編制能值分析評價表；第四，構建系統的能值綜合結構圖，對研究系統的總系統和子系統生態流進行集結和綜合，構建綜合系統圖，以此來體現資源能值結構及其產出；第五，建立能值指標體系，通過能值分析表及系統能值綜合結構圖計算出反映生態與經濟效率的能值指標體系；第六，系統模擬，通過計算機技術運用動態系統建模原理，對所研究對象進行動態系統模擬，為制定方案和決策提供依據；第七，系統的評價和策略分析，通過對模擬結果的分析，對研究系統進行科學的評價，并制定合理的系統管理措施和經濟發展策略。

3．生態足跡法

生態足跡法是由加拿大生態經濟學家William在20世紀90年代初提出的一種度量可持續發展能力的方法，后經其博士生Wackernagel進一步完善，目前在可持續發展評價方面得到了廣泛的應用。

第一，生態足跡的概念。

William指出生態足跡是：“一只負載著人類與人類所創造的城市、工廠……的巨腳踏在地球上留下的腳印”其給出的定義是：任何已知人口(某個個人、一個城市或一個國家) 的生態足跡是生產這些人口所消費的所有資源和吸納這些人口所產生的所有廢棄物所需要的生物生產土地面積和水資源量。生態足跡的計算基于以下兩個基本事實：(1) 人類可以確定自身消費的絕大多數資源及其所產生廢棄物的數量；(2) 這些資源和廢棄物流能轉換成相應的生物生產面積。

生態足跡法認為自然資本可以用土地面積來代表，因為人類要維持生存、發展就必須消費各種資源、產品和服務，而這些資源、產品和服務的最終消費的量都可以追溯到提供生產該消費所需的原始物質和能量的生態生產性土地的面積。所以，人類社會的所有消費都可以折算成相應的生態生產性土地的面積。生態足跡是既定技術水平和消費水平下特定人口對環境的影響規模和特定人口持續生存對生態環境資源提出的需求。第二，生態足跡的理論假設。

理論假設是生態足跡法科學分析的前提，Wackernagel等在2002年提出了計算全球生態足跡的6個假設：①人類可以確定自身消費的絕大多數資源及其產生的廢棄物的數量；②這些資源和廢棄物流量的大部分可以轉換成相應的生物生產性土地面積；③各類生物生產能力不同的土地可以折算成標準公頃—全球公頃；④各類土地在空間上是互斥的，如一塊土地當被用來修建公路時，它就不能同時被用作可耕地、牧草地等；⑤自然的生態服務的供應可以用全球公頃表示的生物生產空間表達；⑥ 生態足跡可以超越生物承載力。

第三，生態足跡計算方法。

生態足跡計算是根據生態生產力的不同將生態生產土地劃分為6種類型：化石能源地、耕地、林地、牧草地、建筑用地和水域，這6種類型的生態生產面積具有不同的生態生產力，但是他們可以通過“均衡因子”這個共同度量單位，將所有國家、地區和個人的生態足跡計算、比較。生態足跡的計算方法主要有以下三種。

綜合法。綜合法是由Wackernagel博士提出的，它廣泛適用于全球、國家、區域等層次的生態足跡研究。這種方法是根據統計資料獲取地區生產總量、出口總量、進口總量和年終庫存總量，自上而下利用國家級的數據歸納得到地區消費總量的數據，計算出總的生態足跡，然后用總的生態足跡除以地區總人口，得到人均生態足跡。

成分法。成分法是Simposon等人于2000年提出的。這種方法是以人類的衣食住行為出發點，通過物質流分析得到主要消費品消費量及廢棄物生產情況，通過生態足跡核算物流帶來的環境壓力。這種方法主要用于省市、企業、學校、家庭、個人等小尺度生態足跡的核算。成分法仍然以生態足跡計算的原有體系為基礎，將土地占用分為可耕地、牧草地、建設用地、林地、化石能源間接用地及近海域六類，采用產品生命周期法，核算不同的生產、消費以及從原材料獲取產品最終處置的全過程對生態環境的影響。具體算法是首先通過社會調查等方式得到當地居民主要消費品類型的人均消費數量，再乘以總人口，從而得到研究區域的各類消費品數量，即自下而上利用當地數據。

投入產出法。投入產出法是由美國經濟學家Leontief于1931年提出的，20世紀60年代后期開始廣泛應用于生態經濟學。20世紀60年代Leontief等將這一方法進一步改進，特別是將自然資源利用和環境污染輸出等生物物質信息也納入到投入產出表框架中。投入產出表記錄了生產產品所耗資源的價值流，以此追蹤國內的最終消費。這種方法可以方便地利用投入產出表提供的信息，計算經濟變化對環境產生的直接和間接影響，具體計算方法是首先利用Leontief逆矩陣得到產品和服務與其物質投入之間的物理轉換關系；然后利用直接土地消耗系數和完全土地消耗系統，分析不同部門、企業和地區等的經濟聯系，以及不同產品和服務的供給和需求之間的相互聯系。

第四，生態足跡計算模型。

生態足跡計算模型分為三部分，即生態足跡模型、生態承載力模型和生態盈余 (赤字) 計算。

生態足跡模型。

其數學表達式為：

式中，EF為總的生態足跡；N為人口數；ef為人均生態足跡。

式中，aai代表人均i種交易產品折算的生態生產面積；pi代表i種消費產品的平均生產能力；ci代表i種產品的人均消費量。

各類消費項目庫的人均生態足跡的計算公式如下：

其中，i為消費項目的類型，Ai代表第i種消費項目折算的人均占有的生態生產面積；Ci代表第i種消費項目的人均消費量；Yi代表生態生產土地生產第i種消費項目的世界平均產量；Ii代表第i種消費項目年進口量；Ei代表第i種消費項目的年出口量；N代表總人口。

作均衡處理的人均生態足跡為：

式中，rj為均衡因子。

第五，生態承載力模型。

根據Wackernagel等人的計算方法，不同國家或地區的某類生態生產面積所代表的局地產量與世界平均產量之間的差可以用產量因子來表示。將生態生產土地類型面積乘以相應的均衡因子和當地的產量因子得到以世界平均產量表達的生態承載力。

生態承載力的公式為：

式中，EC代表區域總人口的生態承載力；ec代表人均生態承載力；aj代表人均生態生產面積；rj代表均衡因子；yj代表產量因子。

生態赤字或生態盈余。

生態赤字或生態盈余是生態足跡與生態承載力之差，其數學表達式為：

如果A大于零，表示生態赤字，說明生態資源的更新難以滿足人類的利用，可持續發展難以繼續；如果A小于零，表示生態盈余，說明生態資源的更新可以滿足人類的利用，可持續發展可以實現。