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摘要
中国耗费大量建筑材料构建了最长的高速铁路系统。不过，对于 HSR 系统中物质代谢的特征，目前仍较少进行探索。我们开展了自下而上的物质代谢研究，从而揭示了 2008 年到 2035 年期间中国高铁的物质存量、流动以及温室气体排放情况。我们发现，材料库存在 2010 年是 0.6 Gt，到 2020 年变为 3.7 Gt，且以骨料和水泥为主。从空间方面来看，中国各省份的物资存量分布差距在逐渐变小。从材料流动这一角度来讲，不断提升的高铁速度使得资源需求增加，然而建筑技术的进步以及材料生产的提升能够抵消这些增加。我们的结果显示，在 2020 年这个时间点，碳替代的价值达到了 1008 兆吨。同时，每年的运营排放量为 31 兆吨。相较于公路和航空客运，我们着重突出了高铁所具有的环境效益，以此为绿色转型提供相关信息。
引言
高速铁路（HSR）是重要的城市间交通基础设施，在现代社会能提供高效的流动性。中国作为全球基础设施建设的活实验室，建成了最大的高铁系统。这一发展既提供了基本的通勤服务，又增强了国民经济，同时也加速了材料消耗并导致了温室气体（GHG）排放。铁路（包含普通铁路与高铁）的环境分析，在传统方面侧重于降低运营排放。它通过承载 8%的全球乘客以及 7%的货运，来对运输效益进行验证。然而，其仅占运输能源需求的 2%。实际上，在使用前的排放与使用中的排放之间存在着一种权衡关系。正因如此，提高高铁速度或许就需要更多能源密集型的建筑材料。所以，全面了解高铁的物质代谢以及温室气体排放是极为重要的。
特别是对于物质代谢的隐含排放方面。这些趋势给全面了解高铁材料代谢以及温室气体排放带来了重大挑战，目的是要实现 2030 年前二氧化碳达到峰值以及 2060 年前实现碳中和的目标。
物质代谢提供了关于物质流动（物质流入和流出有确定系统边界的情况）的系统视图，也提供了关于物质存量（在一定时期内停留在系统内的物质）的系统视图，还提供了关于城市建筑环境整体发展模式的系统视图。这些研究对建筑物和建筑材料（像钢铁和水泥等）进行了评估，然而对高铁系统上的物质研究在很大程度上是缺失的。目前对 HSR 物质代谢的描述存在两种情况，一是针对单一的 HSR 线，且在全国范围内只有少数样本；二是对种群估计进行了限制，这导致在国家层面和跨线对物质代谢的全面理解缺少讨论。高铁线路之间的历史模式和库存差异一直未得到充分研究，主要原因是材料成分指标和空间分布的数据不足。因此，对未来高铁材料消耗和可持续资源利用战略的见解未能得到丰富。在运营阶段，人们被鼓励将高铁当作绿色客运模式。然而，对于高铁碳重置值（CRV），即使用当前技术和材料建设高铁所需要的温室气体排放，却讨论得比较少。城市科学中新兴的大数据技术为弥补这些差距提供了机会，但在高铁研究中还没有充分利用这项技术。为了解决在中国高铁快速发展的背景下所存在的这些差距，我们的分析提出了如下研究问题：其一，中国高铁的发展模式是怎样的？其二，中国高铁的物质代谢特征是什么？其三，温室气体排放对中国高铁建设会产生怎样的环境影响？
研究方法
此外，我们观察到了中国各省之间在物质分布方面的空间平衡情况，以及高铁代谢过程中的物质流特征。第三，在温室气体排放方面，我们将高铁建设中的碳替代值以及高铁运营中的运营温室气体排放量进行了揭示。我们通过对比高铁基础设施与公路和航空系统，展示出了高铁的减排机会。同时，我们对中国客运基础设施进行了全面的排放评估，并概述了绿色交通发展的转型效应。
1.自下而上估算高铁存量和流量
我们采用自下而上的高铁库存核算方法，用于计算跨高铁组件所储存的不同类型的建筑材料。我们将每种类型高铁的物理尺寸（比如桥梁、路基、隧道、轨道、涵洞以及 EPCS 系统的长度，还有站房的建筑面积等）与材料成分指标（MCI）进行整合，从而得到材料库存。
利用物料流分析质量平衡原理，将连续两年预估的高铁物料库存进行比较，以此来确定物料的流入量（即针对新建高铁建筑的物料需求）以及流出量（也就是作为建筑垃圾的部分）。
2.高铁存量空间分析
根据中国高铁的存量进行估算，同时结合线路和车站的地理高铁存量，从而进一步对省级累计存量和存量密度进行了估算。通过自下而上的储量估算方式，把 152 条高铁线路的折线数据以及 1064 个高铁站的多边形数据与存量属性进行图形方面的变换。将中国 32 个具有社会经济性质的省级的高铁存量进行拆分处理并进行绘制，以此来确定空间存量以及密度方面的特征。评估了 32 省份的高铁总库存和库存密度的基尼系数，目的是量化地区之间在用库存的不平等。将所有 HSR 地理空间数据都用 10.2 来进行处理与分析。
3.客运基础设施环境影响的估算
高铁材料库存的 CRV 指的是用当前技术建造特定高铁库存所需要的温室气体排放量，它是依据材料和 HSR 库存的排放因子来计算的。具体而言，计算高铁库存的 CRV 需具备两种类型的数据，一是高铁组件中库存的建筑材料的具体数量，二是建筑材料的隐含碳排放系数。并且是通过构建自上而下的模型来进行估算的。
结果与讨论
1. 发展模式和累积材料库存。
图 1a 展示了中国高铁发展的时空轨迹。高铁实现了快速增长，2008 年时为 1039 公里且有 24 个车站，到 2020 年已达到 38914 公里、1064 个车站以及 150 条线路。发展热潮在 2010 年到 2015 年期间出现，此期间高铁长度每年增长 39%，而在随后的过去五年，增长率为 11%。目前中国高铁的长度在全球高铁长度中所占比例为 60%。中国高铁的长度是第二大国家（西班牙）高铁长度的十倍。按照国家交通规划，到 2035 年要达成“八纵八横”网络，这种快速增长的态势将会持续数十年。
图1.中国高铁网络和物资储备的发展
从种群类型来看，2008年累计数量为0.13 Gt。这一质量增加了 28 倍，到 2020 年总计达到 3.65 Gt，其平均值为 3.60 Gt，最大值为 3.71 Gt（见图 1b），此质量大于 2020 年全球地铁的存量 2.5 Gt 以及 2014 年全球在用塑料的库存量 3.2 Gt。中国物资库存的扩张可以归因于以下几点：一是高铁系统为满足急剧飙升的通勤需求提供了有效的解决办法；二是高铁建设的技术创新促进了施工速度，像连续无缝轨道、无道砟轨道、大跨度隧道以及桥梁和安全监控系统等；三是中国以基础设施为基础的发展战略加快了高铁建设。
材料类型方面，非金属矿物如砾石、沙子和水泥在 88 年高铁总使用量中占比 2020%。从最终用途部件来看，桥梁和路基贡献最大，其中桥梁为 37.2%（1.36 Gt），路基为 34.4%（1.26 Gt）（图 1b）。所以，我们对高铁桥梁和路基中储存的建筑材料特征，也就是桥梁库存和路基库存，进行了进一步调查。我们发现大部分桥梁库存存在于箱梁中，其占比为 39%。护坡的占比为 50%，铁路路基的占比为 33%，在路基存量中它们占主导地位（图 1c）。在 HSR 生产线中，确定了最终用途组件的库存分布具有不同特征。比如，在京沪高铁线路上建造了 1120 公里长的桥梁，而该线路总长 1318 公里，这使得桥梁存量很大，占比达到 70%。海南东线建在平坦的岛上。海南东线的桥隧比为 9%，路基存量占 56%。在中国西南部山区，重庆 - 利川线的隧道储量占 52%（图 1b）。
2.高速铁路股票的演变与速度的飙升和技术进步
我们发现，建筑技术创新能够抵消高铁速度大幅提升所带来的材料需求增加。在中国，高铁的库存密度，也就是高铁一米长度内建筑材料的堆积量，在 2008 年平均为 240 公里/小时的速度下，是 110 吨/米；而到了 2020 年，随着高铁速度的增加，其库存密度下降到了 92 吨/米。2008 年的时速为 276 公里/小时，2020 年也是 276 公里/小时（见图 2）。2008 年高铁列车材料库存为 9%，到 2011 年增加到 50%。2011 年发生温州高铁相撞事件，这使得中国政府放缓了高铁运营速度，350 公里/小时线路物资库存随后波动到 30%。2020 年，高铁速度有 200 公里/小时、250 公里/小时、300 公里/小时和 350 公里/小时这几种。其对应的库存量分别为 871 公吨、1320 公吨、253 公吨和 1127 公吨。按照国家高铁设计规范，需要明确不同运行速度下的相关内容，如最小半径曲线、至少路基表面宽度以及最小隧道净空截面积。因此，350 公里/小时的高铁速度比 200 公里/小时的线路速度快。这种速度导致钢轨的材料消耗增加了 17%，铁路路基的材料消耗增加了 3%，隧道的材料消耗增加了 5%（如图 2 所示）。
施工技术创新为降低高铁材料密度作出了重要贡献。中国高铁桥梁所采用的箱梁，多年来跨度从 24 米（重量 600 吨）逐步发展到 32 米（900 吨）以及 40 米（1000 吨）。相较于 32 米跨度和 24 米跨度，40 米箱梁的运用能够节省 20%至 39%的材料投入。40 米跨度箱梁若能升级为国家高铁桥梁建设，就能避免 292 吨自然资源，这凸显了大跨度箱梁创新具有重要性。轨道方式的无碴轨道，像 CRTS I、II 和 III 板式固定轨以及 CRTS I 双块固定轨，能提供更平稳的行驶，能提供更高的安全性，还能提供更长的服务时间。与有碴轨道相比，它减少了 26%的材料，即从 4.7 吨/米减少到 3.5 吨/米。因此，升级无砟轨道可以减少高铁建设中的总消耗（图 2）。高铁速度更快，采用大跨桥梁和无碴轨道后，材料依赖性降低。300 公里/小时和 350 公里/小时速度线，其平均为 88 节/米，与 250 公里/小时（93 节/米）之间的密度在不断降低，同时 200 公里/小时（96 节/米）速度线也存在。然而，速度更快的高铁线路排放的碳比 250 公里/小时的高速列车多 10%至 50%。速度更快的高铁线路排放的碳比 200 公里/小时的高速列车也多 10%至 50%。因此，调查高铁运营对环境的影响是至关重要的。
图 2 显示，高铁速度在提高，技术在发展，同时高铁材料坯料密度也在演变。
3.中国各省的库存缺口
据称，高铁对区域经济有着很大的影响。中国进行高铁建设，让城市和地区的距离拉近了，运输成本也降低了。在空间方面，中国各省之间在材料分布上的差距正在逐渐缩小。2010 年，种群分布最广泛的地区是东部，占比 39.6%，中部占比 21.5%，而中国西部地区的数量相对较少，西南地区占 4.3%，西北地区占 2.8%。政府启动了西部大开发，目的是突破东西部分布不均的局面。于是，西部地区的累计高铁库存量有了大幅增加。
图3.各省地区高铁材料库存的演变
从高铁的可达性方面来看，西部地区处于明显落后的状态。（图 3 可作参考）比如，宁夏省由于缺乏高铁基础设施，使得人均存量有所下降。在上海，人均存量较低的原因是人口数量众多。所以铁路钢材水泥发展趋势，优化高铁时刻表以及设计大空间的高铁站，对于避免上海这类特大城市出现过度拥挤的情况是非常重要的。
高铁存量具备这些特征，并且有其发展轨迹，比如增长速度和空间加速度等。将这些与国家的社会经济、规划策略以及建筑技术进步相结合，就能够用来预测高铁的发展，从而长期为绿色政策提供支持。我们不用依据设计规范去预测高铁建设中的未来资源需求，而是能够考虑那些具有相似条件的情况，比如线路长度、桥梁和隧道比率、地理位置以及施工方法等，然后参考工业线路和车站建筑已被识别的库存结果。通过空间分辨率详细描述历史高铁存量的增长，能够帮助城市规划者和政策制定者明确需要更多高铁线路和车站的地区与城市，从而解决不平等问题并避免社会经济困难。最后，各个国家的高铁结果为政府、研究人员和公众等多方利益相关者提供了一个平台，可将资源考虑因素纳入高铁规划，尤其要考虑到中国的快速发展速度。
图4.到2020年中国高铁的材料周期
图 5 展示了高铁、公路和航空在材料库存、碳重置价值、运营排放以及相关客运量效率方面的比较
3.5.中国高铁中嵌入的物料流
中国新陈代谢数据库对七种主要材料生产类型、六种建筑工艺和九种最终用途部门进行了区分。所以，它把物质流映射到了 7 乘以 6 乘以 9 等于 378 的双边关系中（见图 4）。在高铁快速发展的作用下，生产出了 1744 公吨的砾石、896 公吨的沙子以及 561 公吨的水泥。混凝土工程需要大量材料，总计有 1413 公吨的砾石、沙子、水泥、钢材、粉煤灰和水。钢轨仅使用 54 吨钢材。中国在不断向其他国家推广国家高铁并进行出口。所以，物料流结果能够预测中国以及全球建设新高铁系统所需要的具体资源。高铁施工流程以及最终用途部门的流入（资源需求）、流出（废物产生）和材料库存的估计数据，能够直接被应用于原材料供应、建筑垃圾和城市采矿活动的智能资源管理。比如，材料的循环利用可以通过提供关于次生资源的位置、类型、数量以及质量等方面的信息，来推动高效的高铁资源开采。此外，高铁地图进行了空间细化，同时有新陈代谢结果。这些可以为相关利益相关者进一步开发物流优化，从而最大限度地降低材料供应和建筑废物管理的运输成本。
4.中国客运温室气体排放与脱碳战略
我们为了知晓中国客运资源需求以及温室气体排放对环境所产生的综合影响，对中国客运基础设施（包含高铁、公路和航空）的材料存量、碳重置值（CRV）和运营温室气体排放量进行了比较。在 2020 年，整体交通基础设施的存量总计达到 85Gt，几乎达成了 2017 年的全球资源开采量（92 Gt）。同样，过去十年中道路和机场的交通基础设施有了大幅增长。道路从 3 万公里增加到 4.9 万公里，机场从 173 个增加到 241 个。值得注意的是，2020 年道路材料库存达到 81Gt，其比高铁库存大 20 倍，比航空库存大 150 倍以上。
我们用 CRV 去估算当前技术和材料取代现有基础设施时所产生的温室气体排放量。在 2020 年，我们估计交通基础设施的 CRV 排放量为 2.5 Gt。我们察觉到从 2010 年到 2020 年，存在着极为巨大的库存缺口，并且 CRV 的差异在逐渐缩小。这种差异或许是因为使用了能源密集型材料，像钢铁和水泥，这些材料在 HSR、CRV 中占比达 96%（图 5b）。在旅客周转方面，从 2010 年到 2020 年，高铁的周转量增长约七倍，航空的周转量增长约两倍。与此同时，公路运输的周转量减少了五倍。所以，我们看到了高铁和航空的运营排放呈上升趋势，以及道路的排放量呈下降趋势（图 5c）。
交通基础设施为乘客提供通勤服务，所以我们进一步对道路、高铁和航空系统之间客运周转量对环境的影响进行了比较。到 2020 年，道路基础设施每乘客公里所需的建筑材料比高铁和航空多很多。图 5d 展示了这一情况。同时，对于 CRV，高铁要求从 2008 年的每位乘客公里 19 公斤降低到 2020 年的每名乘客公里 2 公斤。图 5e 也体现了这一变化。每位乘客的运营排放量方面，航空的每名乘客*公里排放量为 112 克铁路钢材水泥发展趋势，公路的每名乘客*公里排放量为 87 克，高铁的每名乘客*公里排放量为 65 克（如图 5f 所示）。需要注意的是，在 COVID-19 大流行期间，我国的航空运输旅客周转量和公路运输旅客周转量都出现了两次下降的情况，而高铁的旅客周转量只是略有下降。因此，在公路和航空领域，人均运营排放量的增长趋势更为明显。
高铁发展的浪潮会给环境带来越来越大的影响。与之相应的是，我们的研究结果能够帮助确定关键的社会经济、技术和规划策略，以此来支持相关行业的利益相关者以及政策制定者减少温室气体的排放和资源的消耗。首先，在高铁建设中，能源密集型材料面临着巨大的环境挑战。水泥和钢铁在 2020 年在用高铁库存总量中仅占 19%，然而在 CRV 总量中却占 96%，其中水泥占 49%，钢铁占 47%。所以，在钢铁生产中运用新兴的低碳技术（例如氢基和电解基选择）是一种有效的方式。同时，在水泥方面以及碳捕集与封存（CCS）技术和碳吸收效应上应该予以强调。此外，确定了高铁骨料利用在减少资源消耗的情况下缓解砂石危机的潜力。
首先，了解高铁新陈代谢的演变能够有助于对气候变化在其整个生命周期中的影响进行量化。其次，本研究将全国 152 条高铁线路的温室气体排放结果相结合，既可以为从更整体的角度制定城市气候战略提供全面视角，又能够量身定制减排方向。此外，将 CRV 与国家高铁进行比较，以及对道路和航空基础设施的运营排放进行比较后，我们得出结论：减少运营运输排放有助于促进高铁更清洁的电力生产，能推动公路运输电气化，还能促进航空中的电力 - 液体燃料利用。最后，浮动价格和智能物流系统是提高高铁乘客量以及提高能源效率的必要条件，尤其在淡季和大流行期间出行时。
