交通领域碳足迹研究综述

许伦辉 魏艳楠

（华南理工大学土木与交通学院 广州 510640）

0 引言

19世纪工业革命以来，世界逐渐面临着各种环境问题：环境污染，生态破坏，能源短缺，全球气候变化等，其中尤以全球气候变化最为严峻。碳足迹［1－3］的研究就是在全球气候变暖的背景下提出，它是节能减排的基本量化参数，主要用来评价人类活动产生的温室气体对环境的影响，并且已成为目前各国公认的度量碳排放的有力依据。

美国《国家科学院学报》指出，过去10年全球CO2排放总量增加了12%，而交通工具的碳排放增长率已达25%［4］。国际能源机构（IEA）的统计数据表明，交通领域的石油消耗占全球石油消费的57%，预计在2020年，将达到62%以上［5－6］。我国是世界能源消耗大国，交通领域的能耗占全社会消耗总量的18%，每年递增趋势明显，交通温室气体的排放逐年攀高，交通尾气排放也已成为我国城市空气污染的一大污染源，低碳交通也成为各国广泛关注的主题。在碳足迹研究的基础上，对交通领域碳足迹进行专项研究，了解交通领域实现低碳化的潜力和主要影响因素，是社会可持续发展和交通低碳发展重要的环节，有利于提高交通运输效率、实现交通领域的节能减排，促进交通与环境的和谐。国外关于碳足迹研究开展较早，并涉及多领域，研究视角广，而我国对此研究仍处于初始阶段，研究较少，研究视角比较单一，为此开展交通方面碳足迹研究综述，对比分析国内外研究成果，寻求我国目前研究方面的不足，从而为我国交通领域碳足迹研究的进一步发展奠定理论基础。

1 碳足迹的定义

碳足迹的概念起源于生态足迹，生态足迹是由加拿大生态经济学家William Rees等在1992年提出，在1996年由Wackernagel博士完善的1种衡量人类对自然资源利用程度以及自然界为人类提供的生命支持服务功能的方法，并将其定义为要维持特定人口生存和经济发展所需要的能够吸纳人类所排放的废物的、具有生物生产力的土地面积［7－8］。碳足迹是对人类活动产生的具有全球变暖潜能的温室气体的排放量的表征。但对其定义还存在异议：①研究对象就只是CO2还是所有的温室气体；②是用质量单位还是用土地面积单位来表示。

德拉克曼［9］将碳足迹定义为是由某一活动直接及间接引起的CO2排放总量，或是某一产品在整个生命周期内累积的CO2排放总量。Wiedmann等［10］提出碳足迹为1项活动中直接和间接产生的CO2排放量，或者产品在整个生命周期累积的CO2排放量。而马修斯和赫特威希等［11］都将其定义为某一商品或服务在整个生命周期内排放的温室气体总量。笔者在综合各学者定义的基础上，将碳足迹定义为1项活动在整个生命周期直接或间接产生的CO2总量，用质量来表征。

2 碳足迹的分类和主要测算方法

碳足迹的分类方法多样，根据碳足迹的应用对象不同，可分为个人碳足迹、产品服务碳足迹、企业碳足迹和国家／城市碳足迹4类。按照计算边界和范围不同碳足迹又可分为：直接碳足迹和间接碳足迹；也可以按照国际气候变化专门委员会（IPCC）的分类方法，按部门不同将碳足迹分为：能源部门碳足迹、工业过程和产品使用部门碳足迹、农林和土地利用变化部门碳足迹、废弃物部门碳足迹等。

碳足迹的计算方法大致可以分为4种：投入产出法（IO）、生命周期评估法（LCA）、IPCC 碳排放计算法以及碳足迹计算器［12］。

1）投入产出法（IO）。投入产出法最早由美国经济学家华西里·列昂惕夫（Wassily Leontief）提出，主要通过投入产出表的编制，建立相宜的数学平衡方程，来计算各部门在整个产业链中生产产品或提供服务而引起的温室气体量，主要反映了经济系统中产业间各部门以及各生产活动之间投入产出的相互依存关系［13］。

投入产出法是自上而下的计算方法，具有综合性和鲁棒性，适用于宏观分析。西方国家于20世纪50年代初就开始利用投入产出法分析解决经济问题，1968年联合国建议将投入产出法也作为各国国民经济核算的组成部分，而中国的应用却较晚，1974～1976年尝试编制第一张投入产出表，1987年将编制工作制度化。方法如下：

式中：B为温室气体排放量；b为直接排放系数矩阵；I为单位矩阵；A为直接消耗系数矩阵；Y为最终需求向量。

Bicknell［14］在生态足迹研究中提出了投入产出分析模型，此模型弥补了EF 基本模型在识别环境影响的真实发生位置、组分构成及其在产业间的相互联系等不足的问题。孙建卫等［15］在Bicknell的投入产出产出模型的基础上，主要从区域投入产出分析出发，来核算生产满足国民经济最终消费的产品（服务）量所需要的碳排放量，从而对我国的碳足迹进行1个全面系统的分析，并借鉴复合土地利用乘数的概念，区分了各产业部门的碳排放情况，最后通过足迹影响力和感应力分析，对各部门间的碳关联进行了分析，并在实证分析结果的基础上提出实现碳减排的对策。文章作者是在原有投入产出模型基础上，并根据中国的实际情况对原有模型加以改进后应用于中国碳足迹研究中，更加符合我国的实际需求，但是其核算碳排放的相关数据均来自于相关年的国家统计年鉴，并根据IPCC 提供的温室气体清单的相关参数进行，所以其碳排放因子的选取以及相关数据的准确性方面还有待考量。

2）生命周期评估法（LCA）。生命周期法是评价1项活动或者产品从“摇篮到坟墓”的整个生命周期内所有阶段的投入与产出各对环境造成的影响，是1种自下而上的计算方法，主要使用于微观系统的碳排放测算。主要有4个步骤：目的与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释。

刘韵等［16］探讨了国内外企业碳足迹生命周期评估的研究现状与主要进展，并根据电力企业的具体情况、工艺流程以及碳排放特点，分析电力企业碳足迹的生命周期核算，建立1个可供参考的碳足迹核算技术体系，但是这个体系的实用效果并没有得到进一步论证。

另外有学者结合生命周期法和投入产出法二者的优缺点，提出了混合生命周期评价法。虽然混合生命周期法结合了二者的优点，并且避免二者的缺点，但由于应用难度较大，几乎还没有应用于碳足迹研究。

3）IPCC碳足迹计算法。IPCC 法主要通过由国际气候变化专门委员会编写的国家温室气体清单指南，统筹考虑了几乎所有温室气体排放源，并给出具体详细的温室气体排放量的计算方法。IPCC法在应用时，不同部门的碳足迹计算方法不尽相同，但大体可表示为：碳排放量＝活动数据×CO2排放因子，活动数据主要指燃料消耗量。这种方法简单易行，是1种自上而下的计算方法，已被国际社会广泛认可。

交通系统复杂多变，影响因素涉及面广，所以造就了交通碳排放问题研究的复杂性，交通碳排放主要是由各种交通工具的尾气排放产生。据IPCC研究说明，交通尾气排放中碳排放的主要方是由CO2的形式排出，燃料中部分碳会以CO，甲烷以及非甲院挥发性有机化合物而排放，但最终会在大气中形成CO2。因此在进行城市交通碳足迹研究时主要考虑对城市交通CO2排放进行测算。

交通碳足迹测算模型研究主要涉及4个重要影响因素因素。

燃料中的含碳量（carbon content of fuel）：单位燃料被消耗，会有多少CO2被排出。

车辆类型清单（vehicle inventory）。不同车辆类型的车其消耗的燃料不同。

燃料效率（fuel efficiency）。每百公里的燃料消耗。

活动量（activity level）。车辆累计行驶的路程。

在进行交通碳足迹测算时考虑选择IPCC 提供的计算方法，交通部门碳排放计算公式如下。

式中：QC为CO2的排放量；i为车辆类型（例如小汽车，摩托车，公共汽车等）；j为燃料种类；k为道路类型（如城市道路、农村道路）；Qijt为化石燃料消耗的实物量；Dijk为车辆的出行距离；Nijk为车辆i的数量；Bijk为燃料j的CO2排放系数。

而在计算城市交通碳足迹时，主要利用如下公式求得：

式中：CF为碳 足迹，g／人；Qi为化 石燃料消耗的实物量；i为燃料种类；NCVi为燃料的净发热值，kJ／kg或kJ／m3，净发热值尽量采用国内数据；αi为缺省碳含量；βi为碳氧化率；44／12为碳转化为CO2的系数；P为客运量，人。

另外，在交通碳排放的核算方法除了常用的IPCC法，还有回归分析、蒙特卡洛法等，从协调城市形态、城市土地利用、城市交通和城市环境四者关系出发，模拟和调控交通碳排放的典型模型有ILUMASS，TC－ SIM，ITLUP，MEPLAN，MUSSA，FEE－MAS等。

碳足迹计算模型发展迅速，但现有模型还存在一些不足和缺陷，反映在碳足迹计算边界的确定、各种碳排因子的选取、数据收集的准确性等方面。由于碳足迹测算可以促进公众对其个人行为所排放的CO2的环境影响意识，所以如何提高碳足迹计算模型的准确度和透明度，并对模型进行改进和完善将成为今后碳足迹理论研究的重点和难点之一。

3 交通领域碳足迹应用研究

交通运输作为能源消耗性行业，尤其是1次性能源消耗大户备受世界各界关注，交通碳足迹研究逐渐升温，并取得诸多富有成效的研究和探索，为我们今后的研究提供了很好的借鉴和参考。

3.1 国外研究现状

国外关于交通领域的碳足迹应用研究成果较多，研究视角、研究对象和研究方法多样，笔者主要从航空和公路运输等方面进行阐述分析。

在航空领域，Sgouris Sgouridis［17］等人对航空运输碳排放进行评估研究，提出随着全球航空运输需求的增加和边际燃料效率的改进效果降低，预计在未来航空对气候变化的贡献相对于其他行业将增加，因此应降低航空运输温室气体排放量，采用系统动力学建模方法来评估5种降低航空碳排放的政策对总排放量、航空运输的机动性、机票和航空专业稳定性的影响。通过情景模拟，测试全球航空业动态模型捕获在空中交通系统中系统的相互作用和延迟反馈，仿真结果表明，这些政策相互结合产生的结果更接近的弱可持续发展的定义。

Conway就航空货运业在供应链中的碳排放进行的研究，结果表明航空货运业中消除因空管延误而产生的碳排放约占12%，用新机型替代老机型，并使用合成燃料，改进飞机的设计，比如使用后置、开式转子发动机可以大幅度提高飞机的燃油效率。上述研究表明，在航空领域可通过改进飞机相关技术提高运行效率，以及使用清洁能源来降低碳排放。

在公路运输领域，Piecyk等［18］为了研究预测2020年物流、供应链以及相关的环境影响变化的基本发展趋势，通过大规模德尔菲调查和分组讨论进行研究来增加预测的可信性和精确性，进而根据德菲尔调查研究结果，建立了3种情景模式来评估2020年公路货物运输的碳排放：在原有模式下，如果物流、燃油效率和碳排放强度向积极方向发展，公路运输的CO2排放量将会减少10%；在乐观模式下，假设燃油效率提高10%，碳排放强度下降10%，CO2排放量将会比目前低47%；在消极模式下，假设燃油效率和碳排放强度并没有变化，CO2排放量将比目前高56%。但笔者只是从主观决策角度进行分析，并没有提出碳足迹计算的量化指标并进行说明。

Stokenberga等［19］对墨西哥的碳足迹进行研究，研究表明交通运输行业是墨西哥的碳足迹的逐渐增加的1重要因素。他们研究了交通运输活动，能源的使用以及排放数据，以确定在墨西哥市的碳足迹发展趋势。研究表明这些变量随着时间逐渐增长，上升趋势伴随着燃油和运输乘客的增加，并通过研究近期墨西哥市OD 调查数据，预测了排放的几种场景。研究表明燃油水平不变，运输活性增长50%，公共交通份额达到70%才能保证维持2007年的排放水平，而如果以私人交通来增加运输活力，则交通排放量将翻倍。所以我们可以通过加大公交投入来降低碳排放。

L.Hillsman等［20］在佛罗里达运输部的资助下，研究佛罗里达州的公共运输机构的碳足迹，并根据该州31个公共交通运输机构的数据对排放量进行了计算，发现收费车辆的CO2排放量占了部门总量的82.5%，，研究表明佛罗里达州的运输机构可通过鼓励人们乘坐公共交通工具来减少国家的交通运输的碳足迹。Huang等［21］根据生命周期评价法建立了道路修建和维护评价模型，并对英国A34道路重建过程中的能量消耗和温室气体排放进行计算。但他们只计算了道路的原料（沥青、乳胶）生产、运输、处置过程中碳排放量，而没有涉及道路的使用、破坏拆除以及循环处理过程中的碳排放，所以从严格意义来讲只计算了道路的部分碳足迹。

国外学者在碳足迹实际应用方面也取得了相应的成 果，Farzana Rahman 等［22］研究开发了1种导航应用，为出行者提供更加低碳的出行路线和方式。他们提出个人交通出行对CO2排放量的贡献最大，而移动设备可以对不同交通行为进行计算反馈。他们根据IPCC 法并加以改进确保更加准确的反应使用者的碳排放，并将此模型写入手机内，利用手机根据出行者选择的不同交通方式来反馈他们的碳足迹，从而提出了1个移动GPS应用——EcoDrive来为使用者提供燃料效率路线，同时提供可到达相应目的地的公共交通，可提醒使用者绿色出行。Chen Rong－Chang等［23］在基于CO2排放下提出了1种优化的游客的旅行路线，并开发了1个遗传算法的程序来解决低碳旅游路线问题，在台湾市中心著名的风景名胜区采用遗传算法进行路线优化实验，结果表明所提出的方法是有效的低碳旅游路线规划。Suvish Melanta［24］在IPCC 提供的计算方法及相关数据的基础上提出了1 种碳足迹评估工具（CFET），对道路和交通基础设施相关的建设项目排放的温室气体（GHG）和其他空气污染物进行评估。该工具提供工程项目排放量估计的1个全面的方法，并考虑建设项目的所有阶段的影响，包括造林产生的偏移，以及近期和未来的温室气体排放政策。

3.2 国内研究现状

国外碳足迹研究起步较早，研究成果较多，但是在国内，碳足迹研究刚刚起步，还处于初级阶段，研究大多集中于对城市内部交通碳足迹的应用研究。其中，苏城元等［25］人以上海市为例对城市交通碳排放以及城市交通发展模式进行分析。作者运用IPCC2006提供的碳排放计算公式，采用基于我国燃烧热值的CO2排放因子，研究分析城市交通CO2排放现状，并结合城市交通结构进行分析，提出了以慢行交通、公共交通替代私家车出行的减排途径，并利用情景分析评估不同减排策略的效果，为发展以公共交通为主导的交通模式以及节能减排的实施提供了理论依据。但是作者并没有提出3种情景产生的依据，以及并没有提出具体的碳足迹计算结果来进一步论证减排效果。

胡莹菲等［5］对厦门城市交通系统碳足迹进行评估研究，研究表明按照同样的能源需求增长率，优化交通模式可获得较优的减排效果。其通过调查研究厦门市快速公交系统BRT 的发展情况，运用IPCC法计算比较了不同公交出行方式的碳排放情况，结果表明乘坐快速公交出行的乘客所产生的碳足迹明显低于乘坐普通公交出行的乘客。文章还指出在城市公交系统建设中，推广快速公交系统是发展低碳交通的有效手段。

罗希等［26］通过构建交通运输业碳足迹测算模型，利用能源消费量、运输周转量等数据对2004～2008年我国交通运输业能源消费碳足迹进行测算，结果表明：我国交通运输业能源消费碳足迹总量呈持续增长趋势，不同能源消费碳足迹中柴油消费碳足迹所占比例最大，其次是汽油消费碳足迹。作者在进行交通运输业碳足迹测算之前首先对测算范围进行定界，使计算更加具有针对性。

马静等［27］在基于居民出行行为的基础上对北京市交通碳排放的影响机理进行研究。作者利用北京市居民活动日志调查获取数据，并基于居民日常出行行为计算城市交通碳排放，并采用结构方程模型深入挖掘个体行为、居住空间以及交通碳排放三者之间的内在关系，结果表明出行距离以及机动车出行频率对碳排放有正效应，且出行结构对碳排放的影响大大超过出行总量的影响。

龙江英［28］从低碳交通理念出发对城市交通体系碳排放测评模型进行研究，并对城市客运交通结构进行优化。作者主要对城市交通系统整个生命周期内的碳排放模型进行深入研究，模型不仅考虑了城市交通路网建设过程中的碳排放，而且研究了城市客运交通体系运行时的碳排放，从而构建了城市交通基础设施建设阶段的碳排放模型和城市客运交通碳排放模型。并在碳排放模型的基础上，构建了城市客运交通结构优化模型。

苏涛永等［29］基于京津泸渝地区的相关数据，对城市交通碳排放的影响因子进行实证研究。研究中城市交通碳排放的测算方法主要选择采用自上而下的测算方法，并且根据城市交通的相关特征建立了城市交通碳排放影响因素面板模型进行实证分析，研究表明，城市人口、机动车拥有量以及客货运周转量的增长对城市交通碳排放起促进作用，而公交车比重的增加可以抑制城市交通碳排放。

从国内外学者的研究成果来看，国外学者的研究相对成熟，研究角度多样，既有国家和区域尺度的研究，也有针对相应部门的研究以及不同交通运输方式的研究；既从宏观层面研究，提出影响足迹的主要影响因素，为主管部门提出合理建议及主要解决措施来降低碳排放，又将碳足迹研究与实际需要相结合，研究出实用性成果，更加直观地使人们了解碳足迹，关注碳足迹，引导并促使人们低碳生活。然而，国内学者更多的是对交通碳排放的测算，大多选用IPCC 法进行测算，研究方法和研究视角较为单一，有待于进一步的完善和发展，另外在测算交通领域碳足迹时应注重研究解决以下问题，从而更好地推动我国低碳经济的发展和减排目标的实现。

1）如何基于碳足迹理论，并结合交通运输业的资源消耗特征和主要污染物的环境影响，构建1套可操作的道路交通碳排放测算方法。

2）如何采集和获取碳排放因子，周转量及客货换算系数等模型需要的各个参数，测算道路交通的碳排放量。

3）如何在分析碳排放主要特征的基础上，系统地分析道路交通结构、交通出行方式和交通出行需求等各个方面与碳排放之间的关系，进而进行低碳道路交通发展模式的研究。

4 研究展望

目前国内外关于交通领域的碳足迹研究都只是关注交通活动的某一方面，如道路基础设施建设、车辆能耗以及综合分析交通活动对环境的影响等，但还缺乏对交通系统“从生到死”的碳足迹研究，即包括道路施工、使用、破坏拆除以及循环处理，还有车辆的生产、运行、报废、再循环过程的整个生命周期的碳足迹。在对碳足迹研究时，应扩大研究范围，从多个角度进行研究，开拓新的研究方向。通过对现有相关研究的分析总结，我们认为交通领域碳足迹研究有待在以下几个方面开展：

1）交通领域碳足迹研究方法及模型的建立或选用。应根据研究的目的和预期功能效果选择适当的模型，并且在改进和修正现有碳足迹的分析方法和模型的同时，还应继续开展新的计算方法如混合算法的研究。

2）交通领域碳排放因子区域化。IPCC 作为国际上普遍认可的方法，已经给出了能源以及相应排放因子的相关数据，但是在进行相关区域研究时，由于各地区的路网条件机动化水平以及气候的不同，相关的影响因子也不甚相同。应当对具体问题具体分析，并进一步对影响碳排放的相关因素进行分析求证，从而更好的完善和修正该区域的碳排放因子的相关数据，对以后的研究评估做出借鉴。

3）边界以及相应核算标准的确定。碳足迹作为一个新概念，其评估方法和边界界定还比较模糊，迫切需要统一、规范化的标准来约束。边界的界定随研究对象和研究视角不同存在很大差异，对计算结果起着决定性作用，合理的边界确定可以有效避免重复计算，从而更有针对性地提出减排措施和建议。

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