何吉成

交通運輸部規(guī)劃研究院環(huán)境資源所, 北京 100028

50多年來中國民航飛機能耗的生態(tài)足跡變化

何吉成

交通運輸部規(guī)劃研究院環(huán)境資源所, 北京 100028

民航是我國重要的交通運輸方式之一, 但我國至今尚無民航運輸行業(yè)能耗生態(tài)足跡的研究報道?；谖覈窈斤w機能耗統(tǒng)計資料, 計算了 1960—2013年我國民航飛機能耗的生態(tài)足跡及其強度變化, 并與鐵路機車和道路機動車能耗生態(tài)足跡進(jìn)行了比較。結(jié)果表明： (1)從1960年至2013年, 我國民航飛機能耗生態(tài)足跡連年增加, 其值由1960年的0.86萬hm2增加到2013年的450.97萬hm2, 年均增加8.5萬hm2。(2)從1960到2013年, 我國民航飛機能耗的生態(tài)足跡強度呈逐年降低態(tài)勢, 其值從1960年的2.09 m2·換算噸公里-1降至2013年的0.66 m2·換算噸公里-1, 年均降低0.027 m2·換算噸公里-1。(3)我國民航飛機能耗的生態(tài)足跡遠(yuǎn)低于機動車能耗的生態(tài)足跡, 但逐漸接近并超過鐵路機車的能耗生態(tài)足跡。

中國民航; 飛機能耗; CO2排放量; 生態(tài)足跡

1 前言

民航是我國交通運輸體系的重要組成部分, 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 近20年來我國民航運輸業(yè)以每年20%左右的速度遞增[1], 我國民航運輸總周轉(zhuǎn)量已連續(xù)數(shù)年位居世界第二位[2], 成為名副其實的航空大國。在民航運輸中, 飛機發(fā)動機耗用燃油會直接將 CO2排放在萬米左右的平流層, 所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)要比地面排放大 4倍左右, 對全球變暖的影響更直接、更明顯[3], 因此, 其碳排放問題日益受到關(guān)注。生態(tài)足跡(Ecological Footprint)是指能夠持續(xù)地提供資源或吸納廢物的、具有生物生產(chǎn)力的土地面積。生物生產(chǎn)力土地包括化石能源用地、耕地、森林、草地、建筑用地和水域 6種類型[4]。在生態(tài)足跡分析模型中[4], 可以以吸收化石能源燃燒排放的溫室氣體CO2所需要的森林來定量表征化石能源的使用對生態(tài)環(huán)境造成的影響[5]。本研究基于我國民航飛機的飛行燃油消耗等統(tǒng)計數(shù)據(jù), 分析50多年來我國民航飛機能耗的生態(tài)足跡及其強度變化特點,為我國民航運輸業(yè)節(jié)能降耗工作提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與說明

本研究中民航飛機逐年各種燃油消耗量、貨郵周轉(zhuǎn)量和旅客周轉(zhuǎn)量等數(shù)據(jù)來自我國民航統(tǒng)計部門的年鑒類統(tǒng)計資料[6]。航空燃油分為航空汽油(aviation gasoline)、噴氣機汽油(jet gasoline)和噴氣機煤油(jet kerosene), 在上世紀(jì)60年代我國航空汽油使用較廣, 70年代初期以后噴氣機煤油大幅使用并取代航空汽油, 80年代初期以后航空汽油僅用于小型飛機并且份額不足航空燃料消耗的 5%, 目前我國航空公司飛機廣泛使用的燃料是噴氣機煤油,因此我國民航飛機燃油排放CO2包括消耗航空汽油和噴氣機煤油導(dǎo)致的CO2排放。

2.2 能耗生態(tài)足跡的計算方法

我國民航飛機的能耗生態(tài)足跡計算公式如下：

公式(1)中： Ei為i年民航飛機飛行耗用化石能源產(chǎn)生的生態(tài)足跡(104hm2), Mi為i年民航飛機消耗的噴氣機煤油總量(104t), Qi為i年民航飛機消耗的航空汽油總量(104t), Nm和Nq分別是噴氣機煤油和航空汽油的凈發(fā)熱值(TJ·Gg-1), Fm和Fq分別是噴氣機煤油和航空汽油的排放因子(kg·TJ-1)。Nm、Nq、Fm和Fq采用《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》[7]中給出的缺省參數(shù), 其值分別為44.1 TJ·Gg-1、44.3 TJ·Gg-1、71500 kg·TJ-1和70000 kg·TJ-1。B為森林CO2平均吸收因子(t CO2·hm-2·a-1), 通過森林的 NEP(生態(tài)系統(tǒng)碳凈積累量)可以算得B值。NEP表征的是單位面積植被1年所固定的碳的數(shù)量, 根據(jù)謝鴻宇等人的研究[8], 世界森林NEP均值為3.81 t·hm-2, 即森林CO2吸收能力為13.97 t CO2·hm-2·a-1。

2.3 能耗生態(tài)足跡強度的計算方法

在民航年度數(shù)據(jù)統(tǒng)計中, 對旅客周轉(zhuǎn)量(單位：人公里)和貨郵周轉(zhuǎn)量(單位： 噸公里)分別進(jìn)行了統(tǒng)計, 但二者的能耗沒能分開進(jìn)行統(tǒng)計。一般采用運輸總周轉(zhuǎn)量來作為反映每年實際完成的旅客、貨物周轉(zhuǎn)量的綜合指標(biāo), 并采用換算噸公里作為計量運輸總周轉(zhuǎn)量的單位。過去每位旅客按75 kg來折算,從2001年開始, 采用國際通行的統(tǒng)計口徑, 每位旅客按90 kg來折算[6], 為了便于比較, 本研究統(tǒng)一采用90 kg來折算旅客周轉(zhuǎn)量。由于民航飛機能耗統(tǒng)計沒有將貨運能耗和客運能耗分開進(jìn)行統(tǒng)計, 在這里, 我們設(shè)定民航飛機能耗生態(tài)足跡強度為單位運輸總周轉(zhuǎn)量的生態(tài)足跡。其計算公式為：

公式(2)中： Ii為i年民航飛機能耗的生態(tài)足跡強度(m2·換算噸公里-1); Ei為i年民航飛機能耗的生態(tài)足跡(104hm2); Ti為i年民航飛機完成的運輸總周轉(zhuǎn)量(億換算噸公里)。

3 我國民航飛機能耗的生態(tài)足跡及強度

3.1 能耗生態(tài)足跡及強度變化

從1960年到2013年, 我國民航飛機生態(tài)足跡不斷增長(圖1), 由1960年的0.86萬hm2增至2013年的450.97萬hm2, 年均增長8.5萬hm2。我國民航飛機生態(tài)足跡變化特征較為明顯, 其變化可分為 2個階段(圖 1), 其中 1960—1989年期間的生態(tài)足跡一直較小, 年均生態(tài)足跡僅為6.5萬hm2, 此階段屬于緩慢增長期, 生態(tài)足跡年均增長僅有0.76萬hm2; 1990—2013年屬于快速增長期, 其生態(tài)足跡逐年大幅增長, 年均生態(tài)足跡達(dá)到169.4萬hm2, 年均增長高達(dá)18.4萬hm2, 其中2000年超過100萬hm2, 2006年超過200萬hm2, 2009年接近300萬hm2, 2012年超過400萬hm2。從不同年代比較上看(表1), 上世紀(jì)60年代年均生態(tài)足跡最低, 不到1萬hm2, 年均增長也只有0.04萬hm2, 本世紀(jì)前10年年均生態(tài)足跡最高, 達(dá)到192.31萬hm2, 年均增長20.57萬hm2。

圖1 民航飛機能耗的生態(tài)足跡總量及其強度化Fig. 1 The ecological footprint and its intensity of aircraft of China’s Civil Aviation

表1 不同年代的能耗生態(tài)足跡及強度比較Tab. 1 Comparison of the ecological footprints and their intensities of aircrafts in different decades

就生態(tài)足跡強度而言, 從1960年到2013年, 我國民航客貨運輸量不斷增大, 但生態(tài)足跡強度卻呈降低態(tài)勢(圖1), 其值由1960年的2.09 m2·換算噸公里-1降至 2013年的 0.66 m2·換算噸公里-1, 年均降低0.027 m2·換算噸公里-1。我國民航飛機生態(tài)足跡強度變化可分為3個階段(圖1), 1960-1972年處于波動上升期, 其值由2.09 m2·換算噸公里-1增至3.16 m2·換算噸公里-1, 年均增長0.089 m2·換算噸公里·1; 1973-1985年屬于快速下降期, 其值由3.08 m2·換算噸公里-1降至1.02 m2·換算噸公里-1, 年均降低0.17 m2·換算噸公里-1; 1986-2013年則屬于緩慢下降期, 其值由1.02 m2·換算噸公里-1降至0.66 m2·換算噸公里-1, 年均降低 0.013 m2·換算噸公里-1。從不同年代比較上看(表1), 上世紀(jì)60年代年均生態(tài)足跡強度較高, 為 2.28 m2·換算噸公里-1, 年均增長0.058 m2·換算噸公里-1; 70年代年均生態(tài)足跡強度最高, 但年均降低0.13 m2·換算噸公里-1; 本世紀(jì)前10年年均生態(tài)足跡強度最低, 僅有 0.76 m2·換算噸公里-1, 年均降低0.01 m2·換算噸公里-1。

3.2 與全國機動車的比較

國家環(huán)保部對我國機動車部分年份的汽油和柴油消耗量進(jìn)行了統(tǒng)計[9], 根據(jù)汽油和柴油各自的CO2排放因子[10], 可以估算出相應(yīng)年份的全國機動車能耗生態(tài)足跡。結(jié)合本文的計算結(jié)果可看出(圖2),我國民航飛機能耗生態(tài)足跡占全國機動車能耗生態(tài)足跡的比重較低, 平均比重僅有后者的 4.35%, 但其比重呈上升之勢, 由 1980年的 1.13%升至 2008年的5.88%。

圖2 民航飛機與機動車的生態(tài)足跡比較Fig. 2 Comparison of ecological footprint of aircraft with that of vehicles in China

3.3 與鐵路機車的比較

我國鐵路機車和民航飛機由國家相應(yīng)部門統(tǒng)一管理, 其能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)完整規(guī)范。何吉成[11]基于鐵路部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)估算了 1975—2007年中國鐵路機車牽引能耗的生態(tài)足跡變化, 通過比較可以看出(圖 3), 與鐵路機車相比, 1991年以前, 民航飛機生態(tài)足跡均不到鐵路機車的10%, 1975—1990年的平均比例僅有4.3%。隨著上世紀(jì)90年代民航的快速發(fā)展, 民航飛機能耗生態(tài)足跡快速增長, 導(dǎo)致民航飛機的生態(tài)足跡逐步接近鐵路機車, 1999年前者占后者的比例已超過 50%, 2007年是后者的 1.04倍,生態(tài)足跡比后者多9.07萬hm2。

圖3 民航飛機與機動車的生態(tài)足跡比較Fig. 3 Comparison of ecological footprint of aircraft with that of vehicles in China

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

根據(jù)我國民航“十二五”規(guī)劃[12], 到 2015 年,我國民航運輸總周轉(zhuǎn)量將達(dá)到 990 億噸公里, 如果按照2013年的生態(tài)足跡強度(0.66 m2·換算噸公里-1)來估算的話, 2015年我國民航飛機總生態(tài)足跡將達(dá)到653.4萬hm2, 是2013年的1.4倍左右?？紤]到生物燃料的可能使用和能源利用效率的不斷提高, 屆時生態(tài)足跡強度應(yīng)該有一定程度的降低, 因此, 總生態(tài)足跡應(yīng)該要低于653.4萬hm2。根據(jù)中國民航確定的行業(yè)節(jié)能減排工作指導(dǎo)思想[13], 我國民航提出到2020年, 單位噸公里二氧化碳排放要比2005年下降22%, 這也表明生態(tài)足跡強度要比2005年下降22%, 據(jù)此推測, 2020年我國民航飛機的生態(tài)足跡強度只有0.59 m2·換算噸公里-1, 目前生態(tài)足跡強度已經(jīng)處于較低水平, 因而此項任務(wù)十分艱巨。因此,我國民航運營部門必須從減少燃油消耗和提高燃油效率方面著手, 包括飛行過程和保障環(huán)節(jié)的節(jié)油節(jié)能、更新機型和選配能耗更低的新型發(fā)動機等措施,并且在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)手段成熟后要逐步推廣使用生物燃料。

航空生物燃料在一些性能和指標(biāo)上甚至要優(yōu)于傳統(tǒng)化石燃料, 從國外試飛數(shù)據(jù)來看, 對比傳統(tǒng)化石航空燃料, 航空生物燃料硫和顆粒物的減排效果基本可以達(dá)到100%, 碳排放可以減少60%－80%[13]。中國國際航空公司在2011年10月10日正式加入可持續(xù)航空生物燃油用戶組(SAFUG), 作為我國首個加入該組織的新成員, 國航承諾支持并推進(jìn)生物燃油的商業(yè)化使用, 以降低所使用燃油的總體碳強度[14], 并于2011年10月28日在北京首都國際機場實施了首次可持續(xù)航空生物燃油驗證飛行, 這也是全球首次在一個國家內(nèi)完成生物燃油的原料種植、提煉、驗證飛行以及相關(guān)評估[14]。但當(dāng)前航空生物燃料進(jìn)入大規(guī)模的商業(yè)使用還有很長的路要走,面臨的主要問題是成本太高和統(tǒng)一適航標(biāo)準(zhǔn), 降低原料成本是在未來的一段時間內(nèi), 航空生物燃料實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)。

4.2 結(jié)論

本研究根據(jù)我國民航部門多年的統(tǒng)計數(shù)據(jù), 計算了 1960—2013年我國民航飛機逐年能耗生態(tài)足跡, 并分析了我國民航飛機能耗生態(tài)足跡強度及其變化特點。獲得的主要結(jié)論有：

(1) 1960年至2013年, 我國民航飛機能耗生態(tài)足跡不斷增長, 由1960年的0.86萬hm2增至2013年的450.97萬hm2, 年均增長8.5萬hm2。其中1960—1989年生態(tài)足跡年均增長僅有0.76萬hm2, 1990—2013年年均增長高達(dá)18.4萬hm2。

(2) 從1960到2013年, 我國民航飛機能耗的生態(tài)足跡強度呈逐年降低態(tài)勢, 其值由1960年的2.09 m2·換算噸公里-1降至2013年的0.66 m2·換算噸公里-1,年均降低0.027 m2·換算噸公里-1。其中1960—1972年年均增長0.089 m2·換算噸公里-1, 1973—1985年年均降低0.17 m2·換算噸公里-1, 1986—2013年年均降低0.013 m2·換算噸公里-1。

(3)與機動車能耗生態(tài)足跡相比, 民航飛機能耗生態(tài)足跡較小, 平均比重僅有前者的4.35%。與鐵路機車相比, 伴隨著民航飛機能耗生態(tài)足跡的快速增長, 其能耗生態(tài)足跡逐步接近并超過鐵路機車。

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Dynamic change in ecological footprint of energy consumption for aircraft in China during in recent 50 years

HE Jicheng
Division of Environment and Resources Research, Transport Planning and Research Institute, Ministry of Transport, Beijing 100028, China

Although aircrafts have played a great role in transportation in China, there has been no study on ecological footprint of aircrafts of China’s Civil Aviation until now. In this study, the ecological footprint of energy consumption of aircrafts during 1960—2013 was calculated and its intensity and dynamic characteristics were analyzed for the first time, based on the annual aircrafts energy consumption data. The results are as follows. (1) The ecological footprint of energy consumption of aircrafts of China’s Civil Aviation increased from 86 km2in 1960 to 45097 km2in 2013, indicating an increase of 850 km2per year. (2) The intensity of ecological footprint of energy consumption of aircrafts of China’s Civil Aviation decreased from 2.09 m2per converted ton-km in 1960 to 0.66 m2per converted ton-km in 2013, indicating a decrease of 0.027 m2per converted ton-km per year. (3) The ecological footprint of energy consumption of aircrafts of China’s Civil Aviation was far less than that of vehicles, but was close to and exceeded that of locomotives for traction in China railways.

civil aviation of China; energy consumption of aircraft; CO2emission; ecological footprint

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.01.029

X24

A

1008-8873(2016)01-189-05

2015-01-20;

2015-02-14

何吉成(1976—), 男, 湖北十堰人, 副研究員, 研究方向為交通運輸行業(yè)環(huán)境、能源、自然災(zāi)害、溫室氣體和大氣污染物排放等, E-mail：jichenghe@189.cn

何吉成. 50多年來中國民航飛機能耗的生態(tài)足跡變化[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(1)： 189-193.

HE Jicheng. Dynamic change in ecological footprint of energy consumption for aircraft in China during in recent 50 years[J]. Ecological Science, 2016, 35(1)： 189-193.