生态承载力的概念从自然生态系统的种群承载力到资源承载力、环境承载力，又发展到生态系统承载力。他的概念在不断发生演变。城市生态系统承载力可以这样定义：在正常情况下，城市生态系统维系其自身健康、稳定发展的潜在能力，主要表现为城市生态系统对可能影响甚至破坏其健康状态的压力产生的防御能力、在压力消失后的恢复能力以及为达到某一适宜目标的发展能力。
这个定义非常抽象，在实际工作中，往往使用人口等城市生态系统承载力的外在表征来进行量化。目前，国内外学者普遍使用的生态承载力的量化方法为生态足方法，即以可利用的土地面积为单位对城市生态系统承载力进行表征。关于生态承载力的其它度量和表达方法我会在之后的文章中涉及到，这里主要讨论常用的生态承载力分析评价方法，即生态足迹。简单的理解，生态足迹是生态系统的需求，生态承载力是生态系统的供给，二者比较可以计算出生态赤字或是生态盈余。这就是生态足迹法在生态承载力研究方面的应用。生态足迹法多用于城市生态系统的现状评价中，分析出该区域人口对自然资源的利用状况和计算时刻该区域的可持续性。
这篇文章中的内容主要参考杜斌、张坤民的《城市生态足迹计算方法的设计与案例》和郭秀锐、杨居荣的《城市生态足迹计算与分析——以广州为例》。
生态足迹EF (eco logical foo tp rin t) 是20 世纪90 年代初提出的一种从生态学角度来衡量可持续发展程度的方法[ 1 ]。生态足迹衡量在一定的人口与经济规模条件下, 人类消耗了多少用于延续其发展的自然资源, 并将人类活动对生物圈的影响归纳成一个数字, 即人类活动排他性占有的生物生产土地。一个已知人口(个人、城市或国家) 的生态足迹, 即是生产相应人口所消费的所有资源和消纳这些人口产生的所有废物所需要的生物生产面积(包括陆地和水域)。将生态足迹同国家或区域范围内所能提供的生物生产面积相比较, 能够判断一个国家或区域的生产消费活动是否处于当地的生态系统承载力范围之内。
生态足迹对于可持续性的衡量是一种“强”可持续性的测量手段。当一个地区的生态承载力小于生态足迹时, 即出现“生态赤字”; 当其大于生态足迹时, 则产生“生态盈余”。生态赤字表明该地区的人类负荷超过了其生态容量, 要满足现有水平的消费需求, 该地区要么从地区之外进口所欠缺的资源以平衡生态足迹, 要么通过消耗自身的自然资本来弥补收入供给流量的不足[ 3 ]。
根据生产力大小的差异, 生态足迹分析法将地球表面的生物生产性土地分为6 大类进行核算: 1)化石能源用地, 用来补偿因化石能源消耗而损失的自然资本存量而应储备的土地; 2) 耕地, 生物生产性土地中的生产力最大的一类土地; 3) 牧草地, 即适于发展畜牧业的土地; 4) 林地, 指可产出木材产品的人造林或天然林; 5) 建筑用地, 包括各类人居设施及道路所占用的土地; 6) 水域, 包括可以提供生物产出的淡水水域和海洋。
生态足迹的计算步骤如下:
1) 计算各种消费项目的人均生态足迹
人均生态足迹分量A i 的计算公式为
A i = C i/Y
i = (P i + I i - E i) / (Y i ×N ) ,
式中: i 为消费项目的类型, A i 为第i 种消费项目折算的人均生态足迹分量(hm2 /人) ，C i 为第i 种消费项目的人均消费量, Y i 为生物生产土地生产第i种消费项目的世界年均产量(kg /hm 2 ) , P i、I i、E i分别为第i 种消费项目的年生产量、年进口量和年出口量, N 为人口数。
2) 计算人均生态足迹
人均生态足迹E f 的计算公式为
E f = ∑ei = ∑rjA i =∑rj (P i + I i - E i) / (Y i ×N ) ,
式中: E f 为人均生态足迹(hm 2/人) , ei 为人均生态足迹分量, rj 为均衡因子。
3) 计算生态承载力
不同国家或地区的某类生物生产面积所代表的平均产量同世界平均产量的差异可用“产量因子”(yield facto r) 表示。某类土地的产量因子是其平均生产力与世界同类土地的平均生产力的比率。将现有不同的土地类型乘以相应的均衡因子和当地的产量因子, 就可得到某个国家或地区的生态承载力。
人均生态承载力的计算公式为
E c = ∑cj = ∑aj × rj × y j,
式中: E c 为人均生态承载力(hm2/人) , cj 为人均生态承载力分量, aj 为人均生物生产面积, rj 为均衡因子, y j 为产量因子。
生态足迹随总人口规模、人均消费水平、技术使用的资源密度等的变化而变化。技术能够改变土地的生产力水平, 或者资源用于产生商品和服务的效率。而生态承载力受到生产性土地面积以及单位土地生产能力的影响。技术、人口和消费的变化会减小或增大生态承载力和生态足迹之间的差距。
附：关于生态足迹中的产量因子和均衡因子
任何已知人口的区域生态足迹是这些人口所消费的资源和吸纳这些人口所产废弃物需要的生物生产面积，在生态足迹帐户核算中，生物生产面积主要考虑耕地、草地、林地、建筑用地、化石能源土地和水域6 种生物生产面积类型。由于这6 类生物生产面积的生态生产力不同，要将这些具有不同生态生产力的生物生产面积转化为具有相同生态生产力的面积，以计算生态足迹和生态承载力，需要对计算得到的各类生物生产面积乘以一个均衡因子。均衡因子是一个不同类型的生态生产性土地转化为在生态生产力上等价的系数，反映的是不同土地类型的平均生态生产力的差异，在此我们采用的均衡因子分别为：耕地、建筑用地为2.8，森林、化石能源土地为1.1，草地为0.5，水域为0.2，均衡处理后的6 类生物生产面积即为具有全球平均生态生产力、可以相加的世界平均生物生产面积。由于同类生态生产性土地的生产力在不同国家和地区之间是存在差异的，因而各国各地区同类生态生产性土地的实际面积是不能直接进行对比的，产量因子就是一个将各国各地区同类生态生产性土地转化为可比面积的参数，是一个国家或地区某类土地的平均生产力与世界同类平均生产力的比率，这样不同区域的计算结果才具有可比性。我国目前采用的产量因子分别为：耕地、建筑用地为1.66，林地为0.91，草地为0.19，水域为1.00，化石原料用地为0。
下面是使用生态足迹进行生态承载力分析的实例（来自郭秀锐、杨居荣的《城市生态足迹计算与分析——以广州为例》）：
