地铁生命周期各阶段碳排放主导权的转变：一个更精细的子系统交互评估

《Environmental Impact Assessment Review》：Shifting carbon emission dominance across subway lifecycle phases: A refined subsystem-interaction assessment

　　普靖|蔡晨|陈世军|郭茹|林如敏|丁星宇|刘佳|彭凯明|黄向峰
同济大学环境科学与工程学院，上海200092，中国

**摘要**
由于地铁系统具有高强度、长周期的碳排放特点，其脱碳是实现城市碳中和的关键瓶颈。现有的评估方法往往忽视了不同子系统及其生命周期阶段之间的相互作用，从而限制了减缓策略的准确性。本研究开发了一个精细的评估框架，整合了列车、车站、隧道和车辆段四个功能子系统，并涵盖了整个生命周期阶段。以福州的一条地铁线路（长度30.6公里，设16个车站）为例，我们建立了全面的生命周期清单，以量化碳排放并识别排放热点。结果显示，该线路在其整个生命周期中产生了约517.6万吨二氧化碳当量（CO2e）。从双重角度来看，运营阶段是碳排放的主要阶段（占64.8%），而车站成为碳排放最密集的子系统（占55.6%），这凸显了运营管理和结构管理的必要性。值得注意的是，碳排放的重点会随生命周期阶段的变化而变化：在建设阶段，车站是主要排放源（占68.4%），而在运营阶段，车站（52.3%）和列车（33.3%）是主要排放源。敏感性分析表明，电网排放因子是最关键的参数（±0.6495），这表明子系统层面的技术升级效果在很大程度上取决于能源结构的转型。虽然针对性技术可以减少35%的排放，但将其与低碳电网结合使用，可以将减排潜力提高到75%。这些发现揭示了针对不同阶段的干预措施的必要性，并为利益相关者提供了在复杂的地铁项目中实施有针对性的脱碳的基于证据的框架。

**引言**
快速的城市化加剧了对城市空间资源的压力，导致交通拥堵问题日益严重（Karimi等人，2022；Piccialli等人，2025；Ríos-Ocampo和Gary，2025）。地铁系统的发展为缓解城市交通压力和提高出行效率提供了关键解决方案（Awad等人，2023；Le等人，2022；Prieto-Curiel，2025）。自1863年伦敦开通世界上第一条地铁以来，仅在20世纪70年代，全球就新建了约1600公里的地铁线路（Roope，2022）。进入21世纪后，中国的地铁建设迅速扩张（Chen等人，2021）。截至2024年底，全球79个国家和地区的562个城市都运营着城市轨道交通（URT）系统（Han等人，2024）。其中，中国的地铁线路总长度居全球首位，超过一半的地铁系统位于中国。

尽管地铁系统的快速扩张在满足城市出行需求和促进可持续发展方面发挥了重要作用，但其高能源强度和长周期碳排放问题日益受到关注（Chen等人，2025a；Liu等人，2023a；Yuan等人，2023；Zhang等人，2019）。在生产和建设阶段，地铁系统需要大量建筑材料和复杂的施工过程，依赖于大型施工机械，从而导致大量资源消耗和隐含碳排放（Hong等人，2024；Huang等人，2022；Zhao等人，2024）。以隧道为例，郭等人（2025）发现地铁隧道建设产生的温室气体排放量为627,807吨，其中建筑材料生产阶段的排放量占总量的约79%。此外，刘等人（2020）报告称，典型明挖地铁车站的建设产生的温室气体排放量可能超过50,000吨二氧化碳当量（CO2e）。如果采用地下开挖方法，单位面积的温室气体排放量可达到6.27吨CO2e，远高于明挖车站（Liu等人，2021）。从更广泛的角度来看，毛等人（2021）基于全球地铁数据的研究表明，每公里地铁线路产生的建筑材料库存约为152,000吨，相当于约34,000吨CO2e的隐含排放。在运营阶段，地铁系统高度依赖各种能源密集型的电气系统，特别是车站的暖通空调（HVAC）系统和列车牵引系统，其能源消耗水平一直很高（Kong等人，2023；Su和Li，2022；Xing等人，2023）。王等人（2025b）根据北京地铁的运营数据报告称，2022年每公里线路的平均年电量为1,421,508千瓦时。2015年至2022年间，中国城市轨道交通系统的运营碳排放量呈快速增长趋势，总排放量增加了约217%，年增长率介于5%至34%之间（Pu等人，2024）。根据中国城市轨道交通协会（2024）发布的数据，2024年全国城市轨道交通系统的总运营二氧化碳排放量为14,500,285吨。因此，了解和量化整个生命周期阶段的排放量对于制定有效的气候变化缓解策略至关重要。

生命周期评估（LCA）是一种标准化方法，用于量化产品在其整个生命周期内的环境影响（Tukker，2000）。LCA的一个关键优势在于其全面性，它不仅涵盖了原材料提取、生产、使用阶段以及生命周期结束后的处置和废物处理等所有阶段，还考虑了多种环境影响类别（Pennington等人，2004；Rebitzer等人，2004）。通过同时考虑所有生命周期阶段和多种环境影响维度，LCA有助于避免忽略关键阶段或环境问题，从而提供对系统环境绩效的全面评估（Nassar等人，2024）。因此，LCA通过识别对环境影响最大的阶段或过程，为决策提供了科学依据，促进了更可持续的选择（Alissa等人，2025；Machala等人，2025）。目前，LCA已广泛应用于各种场景和行业，包括建筑（De Wolf等人，2023）、能源（Nassar等人，2024）、交通（Cabrera-Jimenez等人，2025）和制造业（Kokare等人，2023），为环境管理和低碳决策提供了定量基础。

现有的研究为地铁系统的生命周期评估奠定了坚实基础。一些研究主要关注系统的个别组成部分，分别对列车（Del Pero等人，2015）、车站（Liu等人，2021）和隧道（Wang等人，2025a；Wu等人，2024）进行了生命周期评估。在系统层面，一些研究以地铁线路作为分析单元。例如，对里约热内卢地铁系统的生命周期评估显示，每名乘客每行驶一公里产生的二氧化碳当量约为14克，并且非运营阶段的排放可以在系统投入运营后大约14年内得到抵消（de Andrade和Márcio de Almeida，2016）。Saxe等人（2017）进一步将地铁出行相关的温室气体减排纳入分析框架，并评估了Sheppard地铁线的净生命周期温室气体影响。随后，Shinde等人（2024）对孟买大都会区的第一条地铁线路进行了生命周期评估，而Aryan等人（2025）则扩展了这项研究，评估了同一地区高架地铁线的生命周期环境影响。他们的结果表明，轨道板的建设是高架地铁基础设施全球变暖潜力（GWP）的主要贡献因素。此外，对伯南布哥地铁系统（Da Fonseca-Soares等人，2023）和维也纳地铁U2线（Lederer等人，2016）的生命周期评估也提供了宝贵的见解。相比之下，针对中国地铁系统的生命周期评估研究相对较少。李等人（2018）对上海地铁进行了生命周期碳排放评估，发现其总生命周期温室气体排放量为109,643吨CO2e，其中运营阶段占排放总量的约92%。

尽管LCA在地铁领域的应用越来越广泛，但目前文献中仍存在一些局限性。首先，在系统层面，大多数研究主要关注具有最大环境影响的生命周期阶段，如运营阶段（Li等人，2018）。相比之下，很少有研究系统地考虑多个子系统及其各自生命周期阶段之间的相互作用。仅关注单一阶段或子系统的生命周期评估在全面描述地铁系统的复杂碳排放源方面存在局限性，可能导致无法准确支持系统的碳减排决策，甚至可能低估或忽略排放热点。虽然一些研究指出，地下车站的建设是地铁基础设施整体生命周期环境影响的主要来源（Shinde等人，2024），但在统一的生命周期框架内对不同子系统及其阶段特定贡献的全面比较仍然有限。其次，中国地铁系统的全面生命周期评估也相对较少。鉴于中国目前运营着世界上最大的城市轨道交通网络，其地铁系统在建设实践、运营模式和能源系统方面可能存在显著差异，因此需要更多针对中国实际情况的全面生命周期评估研究。

为了解决这些局限，本研究选择了中国福州的一条具有代表性的地铁线路作为案例研究，并考虑了子系统及其生命周期阶段之间的相互作用，进行了精细的生命周期碳评估。首先，基于权威可靠的数据来源，选择了福州的一条代表性地铁线路作为案例研究，并为列车、车站、隧道和车辆段四个功能子系统建立了较为全面的生命周期清单。该清单详细记录了它们在生产和建设阶段的特征，从而提高了评估结果的可信度和可重复性。其次，量化并分析了该地铁线路的总体生命周期碳排放，并系统地识别了每个生命周期阶段的排放热点，指出了该阶段碳排放最多的子系统。此外，还进一步研究了关键建筑材料和施工机械的贡献，并进行了比较分析，以揭示不同车站和隧道之间的碳排放结构和强度差异。为了评估评估结果的稳健性，还进行了参数敏感性分析和基于蒙特卡洛的不确定性分析。最后，基于识别的高排放环节，研究了在结合针对性技术和低碳电力供应的情景下，该地铁线路的生命周期碳减排效率，从而为复杂地铁系统的脱碳策略提供了定量支持。

本研究旨在对地铁线路的生命周期碳排放进行系统和全面的评估，并确定关键的减排策略。本研究的主要贡献是从两个互补的角度对地铁线路的生命周期碳排放进行了全面评估：子系统组成和生命周期阶段。与以往的传统地铁线路生命周期评估相比，本研究不仅识别了碳排放贡献最大的生命周期阶段，还指出了关键子系统及其在生命周期各阶段的综合排放特征。该评估框架提供了对地铁系统碳排放结构的更详细见解。此外，本研究填补了现有文献中的空白，为中国的一条地铁线路提供了详细的生命周期清单，而该线路的RTU生命周期排放数据较为稀缺。此外，本研究评估了应用低碳技术和可再生能源电力供应的潜在碳减排效率，并量化了这些措施对线路生命周期碳排放的影响。这些发现为利益相关者提供了在复杂地铁项目中实施有针对性的脱碳的基于证据的框架。

**研究结构**：第2节概述了研究方法，包括LCA框架和案例研究线路的描述。第3节从功能子系统和生命周期阶段两个角度展示了对该线路的生命周期碳排放评估结果。第4节讨论了研究结果，包括与以往研究的比较、技术减排潜力的分析以及低碳电网的效果，并探讨了政策含义。第5节总结了本研究的主要发现，并指出了其局限性。

**研究框架**
本研究的研究框架如图1所示。为了全面评估地铁线的生命周期碳排放，该研究采用了一个综合评估框架，涵盖了所有生命周期阶段的四个功能子系统——列车、车站、隧道和车辆段。分析遵循了国际标准ISO 14040和ISO 14044中规定的LCA方法论框架（Finkbeiner等人，2006年）。该框架包括四个关键步骤：

**生命周期碳排放的全面概述**
图4展示了该案例地铁线的生命周期碳排放特征，总碳排放量为517.6万吨（Mt CO2e），相当于每公里约0.169 Mt CO2e。分析显示，碳排放在生命周期阶段和功能子系统之间有明显的分布差异。如图5(a)所示，生命周期阶段的碳排放主要由运营阶段（336 Mt CO2e）主导，占总排放量的65%。

**与其他地铁系统的比较**
为了提升本研究的重要性并增强结果的可比性，进行了跨城市地铁系统生命周期碳排放的比较。鉴于现有关于地铁生命周期评估的研究较少，以及不同城市在统计定义和数据可用性方面的差异，选择了孟买地铁、上海地铁和福州地铁进行比较（表9）。这项比较重点关注每公里的生命周期碳排放量。

**结论**
通过将功能子系统与生命周期阶段相结合，本研究系统地量化了福州地铁系统的517.6万吨CO2e生命周期碳排放，并且更重要的是，揭示了碳排放主导方式的显著变化——从车站（生产阶段）转移到隧道（施工阶段），然后再回到车站（运营阶段）。这一变化特征表明，地铁线的碳分布是一个动态的演变过程，而不是静态的。

**作者贡献声明**
蒲静：撰写——原始草稿、方法论、可视化、调查、形式分析。
蔡晨：概念化、监督、撰写——审阅与编辑。
陈世君：概念化、资源、软件。
郭茹：资金获取、调查、验证。
林瑞敏：方法论、验证。
丁星宇：项目管理、资源。
刘佳：数据管理、形式分析。
彭凯明：监督、验证。
黄向锋：监督、撰写——审阅与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能会影响本文所报告的工作。

**致谢**
本研究得到了上海市科学技术委员会项目（19511132101）和上海市重大科技项目（2021SHZDZX0100）的支持。