中國綜合交通運輸體系碳排放影響因素研究

（武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430000）

1 引言

近年來全球氣候變暖已經成為廣泛共識，氣候變暖會給人類的生存帶來嚴重影響，空氣中二氧化碳排放的增加是氣候變暖的根本原因，而交通運輸業的發展則帶來了大量的二氧化碳排放。在此背景下，對我國綜合交通運輸體系碳排放（碳排放即為CO2排放，下同）影響因素進行研究，可以為制定我國綜合交通運輸體系碳減排的政策措施提供依據，從而為推進我國交通運輸碳減排和緩解全球氣候變暖作出貢獻。

國內外對交通運輸碳排放影響因素進行了一系列研究。在研究的方法學方面：Forrester J W提出系統動力學模型，并對模型進行了描述[1]；Dietz T等提出隨機的IPAT（environmental Impacts equal the multiplicative product of Population,Affluence,and Technology）模型，并通過實例對模型進行了驗證[2]；York R等對IPAT模型進行了改進，提出STIRPAT（Sto-chastic Impacts by Regression on Population,Affluence,and Technology）模型，并利用實例對模型的應用效果進行了驗證[3]；Tapio P在前人研究的基礎上提出了新型脫鉤模型，新模型對脫鉤指標體系進行了完善，并利用新模型對歐盟15國1970-2001年間交通運輸碳排放、交通量和交通運輸業GDP三者的關系進行了脫鉤分析[4]；Ang B W等對傳統的迪式因素分解算法進行了改進，提出LMDI II（Log-Mean Divisia Index Method II）分解算法，后又針對LMDI II算法缺乏聚集一致性的缺點提出了LMDI I算法，LMDI I算法可以完全分解殘差，且具有聚集一致性[5-6]。

在交通運輸碳排放影響因素研究方法的應用方面：焦萍等基于系統動力學理論及演變情景分析研究了交通運輸碳排放轉移對碳排放長期演變的影響[7]；唐麗敏等利用系統動力學對我國交通運輸業節能減排路徑進行了研究，得出改善交通運輸結構是最有效的路徑的結論[8]；龐琳基于STIRPAT模型建立面板數據模型，對我國分區域交通運輸碳排放變化影響因素進行了分析[9]；柴建等通過構建基于多國的面板數據模型得出交通運輸結構調整對碳排放的定量影響[10]；楊琦等構造了中國交通運輸業碳排放的因果鏈，基于彈性脫鉤模型進行了中國交通運輸業碳排放與GDP彈性脫鉤分析[11]；楊良杰等利用Tapio脫鉤模型研究了江蘇省交通運輸碳排放與交通運輸業經濟發展的脫鉤關系，發現兩者的主要脫鉤關系為擴張負連接、擴張負脫鉤和弱脫鉤[12]；Papagiannaki K等采用LMDI I算法對丹麥和希臘1990-2005年客運CO2排放變化影響因素進行了分解分析[13]；白娟基于Kaya恒等式建立了LMDI I因素分解算法模型，運用IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）測算體系測算了我國1995-2004年交通運輸業的碳排放量，并據此對我國交通運輸碳排放變化影響因素進行了分解分析[14]；何彩虹以上海市為例，基于人口、人均交通運輸業產值、單位交通運輸業產值能耗、交通運輸能耗結構、交通運輸能源碳排放強度五個因素建立交通運輸碳排放變化的LMDI I影響因素分解算法模型[15]；喻潔等運用LMDI I因素分解算法對我國2005-2011年間交通運輸業碳排放變化影響因素進行分解分析，分別得出對我國交通運輸業碳排放具有促進作用和抑制作用的影響因素及其影響程度[16]；張宏鈞等基于Laspeyres指數分解方法，建立公路與鐵路CO2排放的二次分解模型，對中國和其他6個國家公路與鐵路交通碳排放影響因素進行了研究[17]；袁鳳麗從客貨運兩個方面研究了我國交通運輸碳排放變化影響因素[18]。

總的來看，目前的研究熱點是利用各種模型與方法研究交通運輸碳排放影響因素，但在研究特定區域或國家交通運輸碳排放影響因素時，未對航空運輸中的國際航空和國內航空加以區分，導致交通運輸碳排放未在區域或國家間得到合理分擔，從而與所研究的特定區域或國家的實際情況有所出入，再就是對近幾年的交通運輸量和交通運輸能耗等數據利用較少，不能較好地反映近幾年和未來的交通運輸碳排放及其影響因素的變化趨勢。為此，本文在研究我國綜合交通運輸體系碳排放影響因素時，將我國綜合交通運輸體系劃分為公路、鐵路、國內水運和國內民航四種方式，在此基礎上，構建我國綜合交通運輸體系碳排放影響因素分解模型和我國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素分解分析算法，利用我國2003-2015年相關數據對我國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素進行分解分析，以期為制定我國綜合交通運輸體系碳減排的政策措施提供依據，進而為緩解全球氣候變暖作出貢獻。

2 模型建立

在建模之前，首先對所研究的中國綜合交通運輸體系碳排放進行界定。

在中國綜合交通運輸體系劃分上，由于管道運輸僅運輸特定貨物，如石油和天然氣，本文中不作分析，將中國綜合交通運輸體系分為四種方式：公路、鐵路、國內水運、國內民航，其中，公路方式不包括城市道路交通，國內水運指內河和沿海水運，且四種方式運輸活動范圍僅限于中國大陸（不包括港澳臺地區）內。

交通運輸能耗方面，因生物能源中的碳來自于植物生長過程中吸收的空氣中的碳，故空氣和生物能源之間的碳循環是平衡的，等效認為生物能源碳排放因子為0，同時電力一次消耗無直接碳排放，從而生物能源和電能不參與到中國綜合交通運輸體系碳排放的計算中，然而其消耗量算入各交通運輸方式總運輸能耗中。

中國綜合交通運輸體系碳排放是指以上四種交通運輸方式在前述運輸范圍內由運輸活動產生的能源消耗（不包括生物能源和電能消耗）引起的碳排放。在此基礎上，選取對應的各交通運輸方式運輸能耗和周轉量等數據進行研究。

2.1 中國綜合交通運輸體系碳排放測算模型

綜觀國際上主流的交通運輸碳排放測算方法，如IPCC方法和EMEP（European Monitoring and Evaluation Programme）方法等，可以分為兩種：一種是“自上而下”的方法，它僅僅基于燃料消耗量來進行計算，以燃料消耗量和相應類型燃料的碳排放因子相乘得到交通運輸碳排放量；另一種是“自下而上”的方法，它是根據發動機類型、運輸工具運行狀態等影響燃料消耗狀態的因素，確定對應燃料消耗狀態下的碳排放因子，再由行駛距離、行駛時間等確定燃料消耗量，最后以燃料消耗量乘以對應的碳排放因子得出交通運輸碳排放量。但不論是哪一種方法，交通運輸碳排放量最終是由燃料的含碳量決定，且燃料中的碳最后幾乎完全被氧化為CO2[19-20]。同時，本文研究考慮到相關數據和資料的可得性和不確定性，故采用“自上而下”的方法來計算中國綜合交通運輸體系碳排放量，計算模型為：

式中:E為CO2排放量（t）；I為燃料消耗量（PJ）；K為碳排放因子（t·PJ-1）；a為燃料類型。

2.2 中國綜合交通運輸體系碳排放影響因素分解模型

根據2.1中所選中國綜合交通運輸體系碳排放測算模型，結合國內外在交通運輸碳排放影響因素分解領域的觀點[21-22]以及前文對中國綜合交通運輸體系的方式劃分，將式（1）擴展成如下中國綜合交通運輸體系碳排放影響因素分解模型：

式中：C表示交通運輸碳排放量（t）；D表示交通運輸周轉量（億t·km）；F表示交通運輸能耗量（PJ）；P表示人口總量（億人）；i表示交通運輸方式種類；j表示能源種類。

上式可簡化為：

式中：Hij表示交通運輸方式i下能源j的碳排放強度（t·PJ-1），即式（1）中用以計算能源碳排放量的對應能源碳排放因子；Gij表示交通運輸方式i消耗的能源中能源j的密度（%）；Ri表示交通運輸方式i的能耗強度（PJ·（億t·km）-1）；Si表示交通運輸方式i周轉量占總的交通運輸周轉量的比重（%）；Y表示運輸強度（（t·km）·人-1）。

2.3 中國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素分解分析算法

根據Ang B W等的觀點，LMDI I算法可以完全分解殘差，且具有聚集一致性，在理論基礎、適用性、使用的便利性以及結果的解釋性等方面相對其他因素分解分析算法較好[23-24]。因此，本文選取LMDI I算法作為中國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素分解分析算法。

2.3.1 LMDI I算法。根據Ang B W對LMDI I算法應用的介紹[25]，設V表示一個總和，有：

式中：x1,x2,…,xn為n個變量，表示n個會對V隨時間的變化起作用的因素，下標i表示V中的一個子類別，Vi=x1,i,x2,i,...xn,i。

式（5）中：下標t0t表示時間0到時間T的變化，ΔVx1,ΔVx2,…,ΔVxn為加法分解項。

下面給出方程（4）中的各因素對V從時間0到時間T的變化的影響效應，其中，第k個因素的影響效應可表示為：的加法分解形式可表示為：

其中，對于正數a，b，有方程：

2.3.2 基于中國綜合交通運輸體系碳排放影響因素分解模型的LMDI I算法。結合2.2和2.3.1中的介紹，建立如下基于中國綜合交通運輸體系碳排放影響因素分解模型的LMDI I算法，即中國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素分解分析算法：

3 變量選取和數據說明

本文研究對象的時間范圍為2003年至2015年，選取間隔期為3年，即分為2003-2006年、2006-2009年、2009-2012年、2012-2015年四個階段進行研究。

3.1 人口與交通運輸周轉量數據

中國歷年人口數據來自國家統計局《中國統計年鑒》，交通運輸周轉量數據來自國家統計局《中國統計年鑒》、交通運輸部《公路水路交通運輸業發展統計公報》和《2015年交通運輸行業發展統計公報》、中國民航局月度《中國民航主要生產指標統計》。

由于IEA（International Energy Agency）的中國民航和水運的能耗數據僅限于國內民航和國內水運部分，即不包括國際航空和遠洋海運，所以對應地，民航和水運周轉量數據僅統計國內民航和國內水運部分。

3.2 交通運輸能耗數據

中國歷年交通運輸能耗數據來源于IEA《能源統計與平衡表》，并根據前文對交通運輸能耗的界定，確定各交通運輸方式歷年運輸能耗。

3.3 碳排放因子

因我國的特定國家燃料碳含量數據獲取有一定困難，且考慮到本文研究時間跨度不大，根據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[20]對不同交通運輸方式能源碳排放測算方法的選擇方法，本文不同交通運輸方式的能源碳排放因子采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中不同交通運輸方式的缺省碳排放因子數據，結合中國實際，確定如下各交通運輸方式能源碳排放因子，見表1。

表1 各交通運輸方式能源碳排放因子（t·PJ-1）

（1）因公路運輸成品油消耗基本以汽油和柴油為主，故取《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中公路運輸汽油和柴油的缺省碳排放因子作為公路運輸成品油碳排放因子。（2）由于柴油是目前我國各類船舶的主要能源，取《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中水運柴油的缺省碳排放因子作為國內水運成品油碳排放因子。（3）近些年隨著航空工業和民航事業的發展，民航的大型客機的動力裝置主要是渦輪噴氣發動機，這種發動機耗油類型為航空煤油，目前航空活塞式發動機只用于一些輔助機種，如直升機、通訊機、氣象機等，這種發動機耗油類型為航空汽油。又因國內民航運輸能耗以大型客機為主，故國內民航運輸成品油消耗基本為航空煤油，取《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中民航運輸航空煤油的缺省碳排放因子作為國內民航運輸成品油碳排放因子。

3.4 周轉量換算

由于IEA《能源統計與平衡表》中沒有區分客運和貨運能耗，故對客貨運周轉量進行換算，統一換算為貨運周轉量單位：億t·km。目前我國統計制度規定的客貨換算系數為：按鋪位折算，鐵路、遠洋、沿海、內河運輸系數為1；按座位折算，內河為0.33、公路為0.1、國內航空為0.072、國際航空為0.075。這些系數主要是依據目前我國運輸1人·km旅客和1t·km貨物的能耗確定的。本文據此并結合國內實際和所研究對象的范圍確定如下換算系數，見表2。

表2 客貨周轉量換算系數

4 結果與討論

利用中國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素分解分析算法及其輸入數據，得到中國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素分解分析結果，見表3。

表3 2003-2015年中國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素分解分析結果（104t）

綜合分析表3和中國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素分解分析算法相關輸入數據，可以發現，在研究區間內，中國綜合交通運輸體系碳排放變化主要影響因素是運輸強度Y、交通運輸能耗強度R和交通運輸結構S，影響程度由大到小依次為Y、R、S。其中，Y和S為主要的碳排放促進因素，且Y為對碳排放變化影響最大的因素，R為主要的碳排放抑制因素。交通運輸結構S方面，在四種交通運輸方式中，由于公路運輸能耗強度較大，公路運輸的比重對碳排放變化影響也較大，公路運輸比重增加會顯著促進碳排放，而其下降也會有效抑制碳排放。可以說，通過優化交通運輸結構實現綜合交通運輸體系碳減排的空間是很大的，效果也較為明顯，優化交通運輸結構勢在必行，而自2006年以來，S的優化也導致其對碳排放變化的影響有從促進轉為抑制的趨勢。Y主要受經濟、政策和管理的影響，運輸強度的增加會促進碳排放，而自2006年以來，Y對碳排放的促進效應是下降的，Y對碳排放變化的影響有從促進轉為抑制的趨勢。R主要受技術的影響，R的增加會促進綜合交通運輸體系碳排放，而載運技術的進步則會促進R對綜合交通運輸體系的碳減排作用，在四種交通運輸方式中，因公路運輸周轉量比重較大，公路運輸能耗強度的增加對碳排放的促進作用較為明顯，自2006年以來，R對碳排放變化的影響有從抑制轉為促進的趨勢。

5 結論

（1）在對中國綜合交通運輸體系碳排放概念界定的基礎上，建立基于中國綜合交通運輸體系碳排放影響因素分解模型的LMDI I算法，利用我國2003-2015年公路、鐵路、國內水運、國內民航四種運輸方式客貨周轉量和運輸能耗以及總人口數量等數據，對中國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素進行了分解分析。

（2）通過對中國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素的分解分析，可以得出，在研究區間內，運輸強度Y和交通運輸結構S為主要的綜合交通運輸體系碳排放促進因素，其中，Y對碳排放變化影響最大，交通運輸能耗強度R為主要的碳排放抑制因素；自2006年以來，交通運輸結構的優化和經濟、政策、管理的調整分別導致S和Y對綜合交通運輸體系碳排放變化的影響有從促進轉為抑制的趨勢，而R對碳排放變化的影響有從抑制轉為促進的趨勢。

（3）對中國綜合交通運輸體系碳排放變化影響因素的分解分析，為我國交通運輸業供給側結構性改革與行業節能減排政策的制定提供了依據，指明了方向。現有如下建議：①大力發展鐵路、水運和鐵水聯運等高效綠色交通運輸方式，注重減少公路和民航特別是公路的運輸比重，優化交通運輸結構；②大力實施交通需求管理，從需求源頭進行引導；③重點開發新載運技術，特別是公路運輸領域的新載運技術，如新能源汽車和新發動機燃燒技術等，以遏制交通運輸能耗強度R的增排勢頭。

（4）本文運輸周轉量數據主要來源于國家統計局，而國家統計局的歷年運輸周轉量數據范疇不包括城市交通。因此，對我國整體交通運輸業碳排放變化影響因素的研究是不全面的。未來的工作和研究重點將是相關資料數據的完善和城市低碳交通。