1.生态包袱及其相关概念
(1)生态包袱(ecologicalrucksack)。生态包袱的概念是由德国乌柏达研究所(WuppertalInstitute)魏兹舍克(Weizsaecker)最先提出的，也被称为物质隐藏流(hiddenflows)。它反映了在获得有用物质的过程中动用的没有直接进入交易和生产过程中的物质量，从输入端全面揭示产品生产过程对自然资源的消耗和对生态环境的冲击，描述了生产活动对生态环境造成的“无形”压力。
生态包袱是物质流分析中的一个重要指标。在经济系统物质流分析框架中，输入经济系统的物质中最主要的一部分是本国自然环境中开采出来的各种原材料(domesticextraction)，包括化石燃料、矿物质和生物三类，以及在原材料开采过程中产生的未进入经济系统，没有经济价值，一经产生即输出到自然环境中的隐藏流。
在开放经济中，输入经济系统的物质还包括从其他国家和地区进口的成品、半成品和原材料，以及与这些物质有关的隐藏流。输入经济系统的物质一部分成为该系统内部的物质储存;另一部分经过单位统计时段的消费，成为通过系统边界返回到自然环境中的废物和排放物;还有一部分物质通过系统边界出口到其他国家和地区。输出到自然环境中的废物，有一部分成为耗散流，即在产品使用过程中不可避免产生的废物。具体输入指标见表2—4。
表2—4 输入物质分类指标
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资料来源:鞠美婷，盛连喜等.产业生态学［M］.高等教育出版社，2008.
输入的物质通过经济系统处理后，主要以三种主要形式:①以存储的形式，形成生命周期较长的耐用物质，以及基础设施等留在经济系统中;②以固体废弃物、大气污染物、水污染物或耗散流等形式输出到环境中;③以农矿产品、半成品、最终产品输出至其他的地区或国家。具体的输出指标见表2—5。
表2—5 输出物质分类指标
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资料来源:鞠美婷，盛连喜等.产业生态学［M］.高等教育出版社，2008.
由此可见，区域内生态包袱主要包括四部分:开采化石燃料、工业原材料时产生的生态包袱、未被使用的生物质及基础设施建设的挖方量。
(2)单位服务的物质投入(MaterialInputPerServiceUnit，MIPS)。是为了估算产品生产或服务的投入对环境产生的影响，是指某产品或服务所消耗的资源数量，其倒数为资源生产率。单位服务的物质投入对资源使用的统计是以它们从自然界获取的那一刻开始计算的，包括所有从自然界获取物质的相应数据:所有生物质或可再生原材料、非生物质或不可再生原材料、水、空气以及农业和林业中的地表移动量，资源使用包括所有生产、使用、循环和处置过程中的物质消费量。
所有的物质投入都会成为产出，因此可以通过投入的测算来估计潜在环境影响。目前许多测算生态质量的方法都通过对多种相互关系已经完全或部分明确的多种产出(排放)的计算来完成，但由于排放物质种类繁多，通常会多达成千上百万种，而相对排放，彻底完全产生作用的投入物质就显得很小，只有上百种，统计起来也容易很多。经过一系列的过程，投入转化为产出，但不幸的是只有很少一部分产出是可用的或者说是期望的。通过测量投入可以得到一件产品或服务的潜在环境影响的有效指标，即单位服务的物质投入，它是环境保护与预防的一类指标，填补了其他生态测算系统对生态环境潜在压力测算的缺失。
单位服务的物质投入不同于生命周期评价，关键在于生命周期评价需要确切地了解产品或服务的生产过程(包括原材料的采掘、预获产品的生产、运输和销售过程)、使用过程(包括所有消费、运输及维修)、循环利用以及处置过程，而要完整评价这些过程成本过高且耗费时间长，相比而言单位服务的物质投入仅从投入角度来衡量产品生产对环境带来的影响，反映了产品生产所造成的无形的生态包袱。
(3)单位服务(ServiceUnit)。作为计量单位，单位服务可以是物质的，例如1吨货物、1件产品、1焦耳热量、1千瓦·时电力等;单位服务也可以是非物质的，比如，衡量乘坐火车及乘坐汽车从A地到B地所需要的物质投入量，那么“乘客从A到B”就成为了单位服务，这样不同的方式的运输方式之间便可以进行比较。我们可以根据自己的需要和偏好来选择合适的单位服务。
(4)物质投入量(MaterialInput，MI)与物质强度(MaterialIntensity，MIT)。物质投入量是包括所有产品生产或服务供给所必需的物质投入量的总和，计量单位为千克或吨。物质强度是单位重量的物质使用量(MI)，其计算公式为:物质强度=物质投入量/重量，计量单位为千克/千克或吨/吨等。但在实际运用中，也可以衡量没有重量的物质，如能量载体、电力及运输距离等的物质强度，只是此时的计量单位会变为千克/(千瓦·时)、千克/千米。单位服务的物质投入(MIPS)、物质投入量(MI)与物质强度(MIT)之间的区别，主要在于其计量单位的不同。
(5)系统边界与截止条件(Systemboundariesandcut-offcriteria)。当利用单位服务的物质投入概念来进行问题分析时，无论以任何方式从生态圈获取的所有物质都必须考虑在内，因此在对生态环境进行分析之前，需解决两个问题。第一个是系统边界的确定。由于人工圈与生态圈是相互依存紧密不可分的，这样就有必要划分生态圈(自然环境)与人工圈(包括所有人类活动)之间的系统边界:一方面资源流入人工圈，构成人类赖以生存的物质基础，我们称之为投入;另一方面，这些资源最终会以相同的方式或者以废弃物、排放物、废水回归自然界。生态圈与人工圈间的系统边界在理论上与生命周期评价中的一致，所有从生态圈到人工圈的物质流动都在分析范围之内。第二个是截止条件的区分。由于单位服务的物质投入分析涉及所有从自然界获取的资源投入，产品或服务的生产工序长且范围广，因此在实际问题分析中，在充分考虑具体生产过程的所有重要资源投入的基础上，通过确定截止条件，某些对最终结果影响微不足道的程序就可以忽略不计。
(6)物质投入种类(MaterialInputCategories，MICategories)。单位服务物质投入分析中，物质的投入被划分为5种不同类型:非生物质原材料、生物质原材料、农业及林业中的地表移动量(包括机械移动量及侵蚀量)、水和空气。具体物质投入种类如下表2—6。
表2—6 物质投入种类分类
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资料来源:KlausWiesen，MathieuSaurat，etal.CalculatingtheMaterialInputperServiceUnitusingtheEcoinventdatabase［EB/OL］.http://epub.wupperinst.org/frontdoor/index/index/docId/5363.
(7)物质投入因子(MaterialInputFactors，MIFactors)。是指某特定物质或模块的物质强度值，计量单位为千克/千克或千克/千焦等，主要应用于单位服务物质投入量的计算。自MIPS方法发展以来，许多科学家、科研组织及学者都对物质投入因子进行了大量的计算。德国乌柏塔研究所(WuppertalInstitute)经过计算证实并公布(参见:http://wupperinst.org/uploads/tx_wupperinst/MIT_2014.pdf)物质投入因子表，其MIT表格自1990年以来不断更新，目前已经拥有包括原料、能源、交通及食物在内的众多物质的400多个生态包袱系数数据，同时还在不断采用新的计算方法对其进行扩充。
物质投入因子的计算方法与单位服务物质投入量大致相同，唯一的区别在于两者的计量单位由重量、体积或热值换成了单位服务。事实上，我们可以计算无数物质或模块的物质投入因子并整理成表，而每个单位服务物质投入量分析又包含了众多物质投入因子的应用及计算。(www.xing528.com)
(8)资源生产率(ResourceProductivity)。资源生产率又称资源生产力，类似于劳动生产率和资本生产率，是单位服务物质投入(MIPS)的倒数，一般用经济社会发展的价值量和资源环境消耗的实物量之间的比值来表示，是衡量经济发展与生态环境压力之间关系的重要指标。资源生产力的高低意味着经济系统与生态系统协调度的高低，即越高的资源生产力代表着，在同样生态环境下，同样的投入能够得到更多产出;或者在该生态环境下，能够以更少的投入得到同样多的产出。因此，在一定程度上资源生产力的提高能够带来经济的增长，也为社会可持续发展提供坚实动力。
2.生态包袱计算方法
目前有两种方法可以计算生态包袱。第一种是按照单位服务的物质投入分析，分七个步骤逐步计算，另一种是利用已经计算的生态包袱系数，直接计算。
(1)MIPS分析法
MIPS分析法以国外学者研究较多。如MichaelRithoff，HolgerRohn，et al(2002)利用单位服务的物质投入方法，对包括原料、能源、交通及食物在内的众多物质的五种生态包袱系数:非生物质原材料系数、生物质原材料系数、农业及林业中的土壤移动及流失系数、水和空气系数进行了计算。KlausWiesen，MathieuSaurat，etal(2014)采用单位物质投入方法，运用Ecoinvent数据库，重新对物质隐藏流系数进行了计算。此外SchützH.(2004)，GiljumS.(2004)，OECD(2008)等都对生态包袱的相关问题进行了研究。
下面，我们将介绍MIPS具体计算方法。按照单位服务物质投入分析，生态包袱的计算分为七个步骤。
第一步，明确研究的目标、对象及单位服务。因为不同的目的、对象及单位服务将在很大程度上影响研究系统边界的选择，而且也决定着研究执行时的经济支出及人力资源的使用。例如以优化生产为目的的分析区别于对产品使用的分析;一个对象不同用途的分析将不同于多个对象比较分析。不同单位服务也决定着研究结果的不同，如以运输系统为研究对象，当选择旅客周转量作为不同交通工具的计量单位时，小汽车的单位旅客周转量比卡车的便宜，但是当将计量单位设定为吨公里，卡车却比小汽车便宜。单位服务的确定必须满足两个条件:①单位服务必须能确保许多产品及相关替代产品进行比较，也就是它应尽可能地按照一定条款来制定;②单位服务必须反映产品所有重要用途的各个方面(由于即使是一件简单的产品，它都包含着众多复杂的生产过程，所以这里并没有指定为产品所有用途的各个方面)。
第二步，绘制详细的工序链图。一件产品的工序链的绘制，应从产品原材料从自然界获取的那一刻开始，且应包括产品生产、使用及处置过程所必需的所有工序。以生铁为例，其大致工序链图如下图2—5。
图2—5 生铁工序链图
资料来源:KlausWiesen，MathieuSaurat，etal.CalculatingtheMaterialInputper ServiceUnitusingtheEcoinventdatabase［EB/OL］.http://epub.wupperinst.org/frontdoor/index/index/docId/5363.
第三步，收集数据。数据收集是最重要也是最耗时耗力的一步，它需要收集第二步中所有被识别工序的数据，包括数据的来源、参考年份、数量、单位及相关备注。按照实际物质输入、输出种类以及相关工序，填写数据收集表。MIPS计算一般数据表格如表2—7。
表2—7 MIPS计算数据录入表
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资料来源:KlausWiesen，MathieuSaurat，etal.CalculatingtheMaterialInputperServiceUnitusingtheEcoinventdatabase［EB/OL］.http://epub.wupperinst.org/frontdoor/index/index/docId/5363.
第四步，计算从摇篮到产品阶段的物质投入量。物质投入量=投入量×物质强度，即MI=投入量×MIT，单位为kg=kg×kg/kg或kg=MJ×kg/MJ或kg=Pkm×kg/Pkm。对应物质的MIT可参考目前已经计算出的通用数值(参见:www.mips-online.info)。产品原料投入、相关模块及中间产品的物质投入量计算方法类似，一般借助物质投入量计算表进行计算，简表如表2—8。
表2—8 物质投入量计算表
资料来源:KlausWiesen，MathieuSaurat，etal.CalculatingtheMaterialInputperServiceUnitusingtheEcoinventdatabase［EB/OL］.http://epub.wupperinst.org/frontdoor/index/index/docId/5363.
第五步，计算从摇篮到坟墓阶段的物质投入量。许多产品不仅在生产时存在资源支出，其在使用和处置过程中也不可避免地有资源消耗，只是这种消耗主要取决于使用者，或者是由某种具体的用途或功能决定。如，因此根据实际使用及处置情况，按照与生产过程中物质投入量计算方法，计算产品整个生命周期，即从摇篮到坟墓的物质投入量。
第六步，物质投入量到单位服务物质投入量转换。根据第一步确定的单位服务(ServiceUnit)及第五步计算出的物质投入量(MaterialInput)，计算单位服务物质投入量(MaterialInputPerServiceUnit)，转换公式为:MIPS=MI/S。
第七步，结果的解释。按照物质投入的五种类，分别解释分析对象的生物质原材料、非生物质原材料、水、空气、侵蚀等五类单位服务物质投入量。
(2)利用生态包袱定义计算
按照定义，生态包袱是以产品的自身重量乘以产品生产的平均生态包袱系数来表示，其具体计算公式为:
其中R为产品的生态包袱;m为该件产品的自身质量;mi表示一件产品生产中投入各种物质的质量;γi为投入所有物质各自的生态包袱系数。生态包袱系数公式表示为:
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