中国高速铁路运营的减碳及经济环境互馈影响研究

王成新+苗毅+吴莹+姬宇+徐鹤

摘要 二氧化碳等温室气体排放备受世界关注，新形势下低碳发展成为中国发展路径的新选择，而高速铁路是长距离运输低碳化的具体体现。基于运营阶段的行车碳排放换算，综合考虑多种交通工具的实际运载能力、标准运行速度等指标，分析中国高速铁路行车运营的减碳效果及经济环境互馈影响。研究发现：①以单位运输能耗量及该能源的碳排放系数计算，中国高速铁路行车与其余交通运输方式相比具有显著减碳效果，其百公里人均碳排放量约为航空运输的1/5和高速公路运输的1/3，且随着中国能源结构的逐步优化，减碳效果将会愈发凸显。②结合中国旅客周转量比例进行折算，自2008年至2015年高速铁路运输累计减碳2 610万t，从空间上看，省域差距明显，高速铁路运输繁忙的京沪线及京广线沿线地区，成为2015年高速铁路行车运营减碳效果的高值区，亦由此呈现出带状聚邻的正空间自相关性。③高速铁路运营产生经济环境的良性互馈影响，一方面环境优化具有潜在经济效益，2008—2015年的减碳效果相当于降低碳交易成本逾10亿元，其绿色设计及应用也益于区域经济发展；另一方面高速铁路运营经济收益具有潜在环境补偿能力，2008—2015年累计对区域节能环保支出贡献逾30亿元，其中高值区以中国中部地区为主，空间分布呈斜T字型结构，其成因与地区节能环保支出占比、出行结构等因素相关。基于上述分析并结合中国发展的客观实际，提出合理增强高速铁路运输效能、继续优化能源供给结构等优化对策，以期从出行视角为中国低碳发展提供交通领域的理论支撑。

关键词 高速铁路；碳排放；行车换算；经济环境互馈影响

中图分类号 K901

文献标识码 A文章编号 1002-2104（2017）09-0171-07DOI：10.12062/cpre.20170605

气候变化已经成为世界各国发展都需应对的宏观议题。2016年11月《巴黎协定》的正式生效也标志着低碳发展成为全球性共识。作为温室气体主体，二氧化碳的排放间接导致地表升温[1]，中国近年来也依据现实国情提出减碳承诺[2]。据世界银行及全球碳项目（GCP）预算报告数据，2005年中国碳排放总量超过美国、人均碳排放超世界平均，2011年中国人均碳排放超过欧盟，虽然2014—2015年中国碳排放总量增速明显放缓，且2015年人均碳排放7.5 t也明显低于美国、日本、韩国等，但体量大依然使中国在世界减碳领域压力巨大。实际上，长期高能耗、高污染的生产生活方式仍是中国科学发展的阻力源，既要绿色也要发展，就要将生态文明融入于发展中[3]，以低碳经济作为新形势、新常态背景下发展的必由之路[4]。

高速铁路是交通运输业低碳化的具体体现，但是关于高速铁路运输生态环境响应方面的研究却相对较少，为此，本文以碳排放分析为切入点，重点分析中国高速铁路运输发展是否符合低碳发展需求及其实际效果，并立足空间加以探讨，以期对相关研究提供有益补充，对绿色发展及环境经济视角下高速铁路的优化布局形成理论支撑。

1 交通运输碳排放及中国高速铁路的相关研究

交通运输业是能源消耗总量中的重要组成，其在促进区域联系、提供出行便利的同时，亦形成大量碳排放。以标准煤折算，1995年中国交通运输行业能源消耗占全国总量的4.47%，至2005年提升为7.32%，2015年达到8.91%。同时，现有研究多认为中国交通运输能耗及其碳排放仍将持续增长[5]，并可能快于行业经济增速，故应以优化能源结构、发展公共交通作为对策选择[6-7]。从空间视角看，中国交通碳排放具有东部高、中西部低的地域分异特征[8-9]，也具有省域非均衡化特点[10]。不同交通工具中，公路被认为是现阶段碳排放总量最大的方式，故有必要增加铁路和公共交通供给[11]。此外，不同学者还提出技术进步在铁路及航空等交通运输减排方面发挥了重要的积极作用[12-13]。

在低碳需求趋紧、能源安全严峻的背景下，绿色出行理念深入人心，新能源公交与共享单车等广为关注。但长距离出行需兼顾出行低碳化和时间经济效率需求。在此，全电力牵引且便捷高效的高速铁路运输成为重要突破口。

高速铁路指新建设计开行250 km/h（含预留）及以上、初期运营速度不小于200 km/h的客运专线铁路。20世纪中后期，新干线（日本）与TGV（法国）等的运营开世界高速铁路运输先河，为中长距离出行提供新选择[14]，有效调整了交通运输结构[15]。2008年京津城铁的运营拉开了中国真正意义上高铁时代的序幕。“十二五”期间“四纵四横”的高速铁路网有序贯通。至2015年，中国高速铁路里程达1.9万km，占全国铁路总里程的16.4%，其旅客周转量达3 863.4亿人km，占全国铁路旅客周转量的32.3%（图1）。当前中国高速铁路运输及相关技术已具备较强国际竞争力，有效推动了新一轮经济增长，备受大众欢迎及学者关注，相关研究快速进入繁荣阶段。关于其区域可达范围延展[16]、出行便利提升[17]、空间结构优化[18]、发展提升效应[19]等研究涌现，现有研究也对高铁的减碳效果持乐观态度[20]，但相关研究及减碳与经济环境互馈方面的研究还较少。

2 研究方法及数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 碳排放测算

碳排放计算有赖于能源消耗及其碳排放因子，后者主要参考《2006年IPCC国家温室气体清单指南》、国家气候战略中心的《低碳发展及省级温室气体清单培训教材》、国家发改委应对气候变化司《2016年中国区域电网基准线排放因子》，本文所需能源的碳排放系数如表1，其中电力二氧化碳排放系数与区域能源结构有关。

高速铁路行车运营阶段碳排放占其生命周期碳排放的84.97%[21]，本文亦主要考虑本阶段碳排放CE。CE以百公里能耗En及该能源碳排放系数Ca求得，旅客人均碳排放pCE结合定员载客量P。负责高速铁路运输的动车组为电力機车，其百公里能源消耗En为功率W与百公里通行时间t乘积，v为运行速度，上述计算如式（1）。由此endprint

结合pCE结果，按不同交通运输方式进行换算，判定高速铁路运输是否具有减碳能力及其效果如何。

2.1.2 经济收益的潜在环境补偿

高速铁路运输逐步成为时间经济密集化背景下中长距离商务及旅行的出行首选，产生大量直接、间接经济收益，进而按比例贡献于地区节能环保支出，形成潜在环境补偿B，计算如式（2）。其中F为地区节能环保支出与GDP之比，D、I分别为直接间接经济收益。Z为旅客周转

量，f为每公里运费，R为旅客周转量占比，g与r分别为高速铁路运输及其他方式运输，如式（3）。实际测算中，r取1，2，3分别代表其他铁路运输、公路运输和航空运输。此外部分区域数据缺失，以铁路旅客周转量Z与高速铁路车次占比β乘得，并以其余省份结果加以修正。间接经济收益I主要考虑高速铁路运输的时间节省作用及其创造的价值，以各地旅客时间价值[22]与时间节省量得到。

2.2 数据来源

碳排放计算中的能源数据及相关参数来源于《中国能源统计年鉴2016》与《省级温室气体清单编制指南》；交通数据主要来源于《中国统计年鉴2016》及相关年份中国交通运输行业发展统计公报，另有部分地区指标以《中国铁道年鉴2015》中2014年数据为基准插值得到，其余数据于12306、车辆装备制造商网站等获得。

基于高速铁路服务对象实际，选取旅客周转量指标进行结构性替代，作为碳排放与环境经济效益的换算基础。运输方式包括高速铁路运输（包括D字头一般型动车组与G字头高速型动车组，电力机车）、其他铁路运输（普速列车，以内燃机车计）、小型汽车与客车两类公路运输及民航客运。为保证可比性，公路运输等考虑跨市以上距离出行；此外，西藏等尚无高速铁路通行的省份得分记为0，而限于数据可得性亦不包含港澳台地区。

3 高速铁路运营的减碳效果分析

3.1 高速铁路等运输方式的碳排放对比

中国高速铁路运输主体是时速不低于160 km的CRH中国高速列车，不同系列车型参数差异也对应区别化的碳排放实际。在此选择8类高速列车，其中CRH1A等普通动车组运行时速约为200 km/h，百公里用时以1/2 h计，高速动车组列车运行百公里以1/3 h计。据此高速列车百公里碳排放及百公里人均碳排放结果如表2，其百公里人均耗电度数区间为[3.12， 4.86]，折合标准煤区间为[0.38， 0.60]，百公里人均碳排放介于[1.56， 2.47]。其中因不同运行速度下的功率差异，高速动车组耗电量略高于普通动车组。

结合上述分析，假定普通动车组和高速动车组运行速度、定员数、百公里能耗分别为200 km/h和300 km/h、600人、2 400 kW·h和3 000 kW·h，以此与普通铁路、公路（参考高速公路运输）及航空运输相比较，结果如表3。其中两类铁路运输的百公里人均能耗、碳排放均较低。高速铁路行车以200 km/h、300 km/h速度运行时，按定员数产生的百公里人均碳排放分别为1.57 kg和1.91 kg。按人均碳排放看，高速公路运输中小汽车为其3.8和3.1倍、中型客车为其2.1和1.7倍、中型客机为其5.8和4.7倍。值得一提的是，高速铁路列车以电力驱动，运行直接产生的碳排放少，主要源于电力生产环节，即同中国电力碳排放系数与能源结构相关，而随光伏、风能、核电等扩大化应用，电力的碳排放系数将进一步降低，高速铁路运输减碳效益亦会更为明显。

3.2 中国高速铁路运输减碳量

按高速铁路旅客周转量换算，得到高速铁路运输对其他几类交通方式的减碳量。中国高速铁路旅客周转量全部转换为航空运输将累计增加碳排放0.79亿—1.30亿t，相当于2015年中国碳排放总量的1%；全部转化为高速公路运输也将增加碳排放0.22亿—0.55亿t。

以各类交通运输旅客周转量占比作为选择概率，假定高速铁路运输旅客周转量按该比例折算为其他交通方式，则高速铁路运输碳排放与其他交通运输折算碳排放量（包括其他铁路、航空、公路运输三类）之差即为高速铁路减碳量，由此得到2008—2015年的积累减碳量（见图2）。高速铁路运营阶段碳排放量自2008年的2.11万t提升至2015年的521.56万t，但其减碳量自2008年的2.92万t提升至2015年的883.23万t，累计减碳2 610.36万t。高速铁路运输按比例折算碳排放后，航空运输与公路运输成为碳增量的主要来源。尤其是高速铁路运输主要在400—1 000 km区间内对航空运输形成较大竞争[23]，而航空运输单位距离能耗及碳排放较高，

且航空运输不同于地面运输方式，其碳排放一般不经过地表植被的生态吸纳，

故实际减碳效果或更显著。

3.3 中国高速铁路运输减碳的空间格局

高铁建设的非均衡特征导致其环境经济效益具有空间差异性。在此以旅客周转量及分项占比以省域为基本单元进行换算，得到分省高速铁路运营阶段减碳效果，如图3。据此，广东、山东、江苏、浙江、河南、湖南等人口较多、旅客运输需求大、经济发展实力强、经济联系活跃且高速铁路运输发展较好的省份减碳效果显著，其中广东与山东高速铁路运输减碳效益突出，减碳量逾百万吨；北京、上海限于区域面积较小、高速铁路总里程较短，旅客周转量低于上述省份，但依然凭借其发达的高速铁路网而具备较明显的减碳效益，减碳量与湖北、四川、辽宁等省份相当；河北、陕西、江西、天津、安徽、吉林、甘肃、福建、贵州等减碳效果处于中等，而重庆、云南、黑龙江、山西、海南等省份减碳量较低；广西、西藏、内蒙古、新疆、宁夏、青海等高速铁路建设发展相对滞后故减碳量为0。

以空间邻接性确定空间权重关系，得到全局Morans I为0.145，表明整体上存在空间正相关，即各子区域与邻近区域得分相似性大于差异性，呈现出空间集聚特征。结合具体实际看，高值区主要为京沪线和京广线的沿线省份，表现出带状聚邻性，得益于上述地区高速铁路发展运营相对成熟，且社会经济发展活跃、客运需求量大。此外依托哈大客运专线的东北三省减碳效果呈現自南向北形成梯次递减，四川、陕西、甘肃等在中西部省份中也表现出相对较高的高速铁路运营减碳效果。endprint

4 高速铁路运营的经济环境互馈影响分析

4.1 环境优化具有潜在经济效益

首先，高速铁路的环境优化作用体现于运输方式替代后，高速铁路运输减少了能源消耗与碳排放，这一作用实际上也具有经济效益。结合前文分析，并据《2015中国碳价调查》中40元/t二氧化碳的碳交易市场均价可知，2008—2015年中国高速铁路累积减碳超过2 610万 t，相当于节省逾10亿元的碳交易成本。减少单位能耗也意味着资源利用效率的提升及能源结构的改善，也会增加运输成本降低的空间。高速铁路纯电力驱动也基本上消除了粉尘、煤烟和其他废气污染，亦是从源头有效降低了后期环境治理成本。

其次，高速铁路自其建设阶段到投入使用，融入了诸多环境友好型设计，例如高速铁路大量使用“以桥代路”的方法，能够最大化保护沿线水土及生物资源；高速铁路沿线绿化水平的不断提升及立体绿廊的建设，能够构成生态屏障，有效吸纳高速铁路行车过程中产生的噪音污染问题，亦助于改善沿线生产生活环境；大量绿色环保材料也在高速铁路站、线路中广泛应用。这些设计不但进一步优化了高速铁路运营的环境影响，也为区域基础设施建设的更新及行业发展提供机遇及直接借鉴；同时在其生产等环节中，能够通过前向、后向、旁侧关联效应等将其作用放大化，诱增相关产品生产与消费，将产业经济效益放大化，与区域经济发展深度融合并施加重要影响，有助于促进产业结构的优化升级，激励协同创新与绿色发展。

4.2 经济收益具有潜在环境补偿

运营阶段中，高速铁路会带来大量经济收益，既包括票务等直接收益，也包括节省时间带来的间接收益等，贡献区域发展的同时也间接反馈于区域节能环保支出，形成经济收益的潜在环境补偿。同样以旅客周转量换算，得到中国高速铁路运输的时间节省量（见图4）。据此可见，高速铁路运输时间节省量由2008年的0.09亿h提升至2015年的13.83亿h，由此间接经济收益也从2008年的0.93亿元提升为2015年的288.08亿元。直接经济收益方面则参考相关定价标准，将高速铁路、其他铁路、公路与航空运输的公里人均定价设为0.5元、0.12元、0.25元和0.75元，由此结合旅客周转量得到2008年增收结果为3.6亿元，此后不断提升，至2015年达到1 461亿元。2008—2015年中国节能环保支出与GDP之比保持在[0.43%，0.65%]区间内，由此计算可知高速铁路运输引发的客流替代，额外对中国节能环保支出增加贡献，从2008年的0.02亿元提升至2015年的11.28亿元。

环境补偿结果与区域高速铁路运输发展水平、节能环保支出、旅客周转量结构等均具有相关性。据图5可见，河北、湖南表现为高值区，表明高速铁路建设与投入运营为区域生态环境健康化提供了有效支撑；甘肃、河南、安徽、湖北、江西、江苏等潜在环境补偿结果也较高，其余省份则相对较低，北京、上海、海南及无高速铁路运营的省份不具有正向环境补偿作用，原因在于单从单位运价和时间节省效果上讲，航空运输对高速铁路运输仍然具有比较优势，北京、上海等航空运输旅客周转量占比较高的地区，潜在环境补偿效果受到影响，许多东部沿海经济大省得分亦不突出，原因与之相同。全局Morans I为0.026，同样表现为空间正相关但不够显著，其Z值仅为0.505小于1.96的临界值。结合具体实际可见，环境经济效益高值区的线路依赖性不强，表现为以京广线中段地区为中心，同陕西、甘肃等省份构成斜T字型的高值区分布格局。

5 结 论

综上而言，与其他铁路、公路、航空运输相比，高速铁路行车具有明显的减碳及环境经济效益。结果显示：铁路运输单位能耗及单位碳排放为各类交通运输方式最低，其中高速铁路运输对普通铁路运输并不具有明显的比较优势，但其运输效率及潜在环境补偿显然更高，是兼备的效率与减碳环保、最能够满足现代出行需求的交通方式。其减碳效益具有时间累积性和空间分异性，具体表现在自2008—2015年累计减碳2 610万t，并呈现出高值沿京沪线、京广线分布的带状聚邻的正空间自相关性。此外，高速铁路运输的直接间接经济收益亦会按比例转换为节能环保支出，其潜在环境补偿自2008—2015年累计贡献超过26亿元，在空间格局上高值区呈现以京广线中段为主的斜T字空间结构。

总的来看，高速铁路行车满足减碳降耗与促进环保的交通发展诉求，以交通工具替代和交通能源替代直接形成减碳效益，且形成经济与环境间的良性互馈影响关系，是对综合运输体系结构的有益调整，符合可持续发展诉求，对中国低碳交通体系的优化构建具有重要的现实意义和长远的战略意义[24]。

低碳发展是应对全球气候变化的积极响应，而交通低碳化是长期、渐进的复杂过程。其关联广泛，难于一蹴而就，需要从一点一滴的结构调整、技术创新做起。基于中国交通运输发展的客观情况，今后应继续稳定高速铁路运输价格以提高其出行选择意愿，在其运输各侧面都体现绿色化、新技术。同时要注重增加多种低碳出行方式供给能力，发展新能源、优化能源结构以及保持并增加森林碳汇亦是低碳发展的重中之重。

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