高速铁路扩张对不同行业脱碳的具体影响

《Energy Economics》：Sector-specific decarbonization effects of high-speed rails expansions

日本高铁网络扩张通过提升市场接入降低碳排放，制造业和第三产业分别减少85.886万吨和11.417万吨，总减排9837.3万吨，对应社会效益51亿美元。机制分析表明技术效率主导减排，系统效应优于局部站点效应。

　　

尹孙斌（Sunbin Yoo）|熊谷淳也（Junya Kumagai）|林宏贵（Hung-Jui Lin）|中石智明（Tomoaki Nakaishi）|谢依云（I-Yun Lisa Hsieh）

韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University, SKKU）能源系

摘要

我们利用2000年至2020年的城市-年份面板数据，估算了日本高铁扩张对碳排放的影响。我们没有仅依赖车站的开通情况，而是通过“市场准入”（Market Access, MA）模型来模拟网络连接的连续性，并采用了两种互补的设计方法：一种是围绕车站开通时间的分阶段差异法（differences-in-differences），考虑空间溢出效应；另一种是通过两阶段最小二乘法（two-stage least squares）确定的MA模型。所使用的工具变量是一个基于地理信息的最低成本路径网络（least-cost-path network），有助于消除基础设施布局的内生性问题。在二十年间，制造业、建筑业和第三产业部门的二氧化碳（CO₂）排放量减少了9837.3万吨，约占这些部门全国总排放量的0.203%。具体而言，制造业减少了8588.6万吨，第三产业减少了1141.7万吨，建筑业减少了107万吨。按每吨51美元计算，由此带来的社会效益为50.17亿美元。大部分减排效果与整个网络连通性的提升有关，而不仅仅是单个车站的开通。

引言

高铁（HSR）系统通过将出行方式从私家车转向铁路，已知可以减少碳排放（Yoo等人，2025b）。除了这种直接的交通模式替代效应外，高铁的引入和扩张还可能引发更广泛的社会经济调整，包括可达性的变化、产业结构的调整（Bernard等人，2019年）、以及技术采纳的变化（Lin，2017年），这些变化可能通过非交通模式转换的途径降低排放。然而，这些机制也可能因经济活动的扩大而增加总体能源消耗，因此影响的总体方向是不确定的。因此，我们探讨了高铁带来的连通性提升及相关经济活动重组是否以及能在多大程度上进一步减少碳排放。

从空间一般均衡的角度来看，高铁降低了贸易和通勤成本，并提高了市场准入度（Market Access, MA），即人们到达其他地方的便利程度（Donaldson和Hornbeck，2016年；Donaldson，2018年）。可达性的变化通过三个主要途径体现：随着成本下降，活动规模扩大（规模效应）；活动向能源密集度较低的行业和技术转移（结构效应）；企业采用更高效的生产流程（技术效应）。在高铁环境下，更短的有效距离扩大了劳动力市场，吸引了人口聚集在交通枢纽地区，促进了产业集聚（Bernard等人，2019年；Okamoto和Sato，2021年；Koster等人，2021年）。然而，理论并不能预先确定这些变化对碳排放的净效应是正还是负。

实证研究中，关于高铁与碳排放关系的证据大多基于车站开通前的局部数据，例如利用回归不连续性或差异法（differences-in-differences）比较处理组与对照组（例如，Li等人，2019年；Sun和Li，2021年；Lin等人，2021年）。这些方法对于短期因果推断很有价值，但由于它们忽略了多个地点同时重新连接时发生的变化，因此可能低估了网络均衡和溢出效应。在高铁系统成熟的国家，这种局限性尤为明显，因为合适的对照组位置稀缺，政策影响也具有时间和空间上的复杂性，包括服务频率、可靠性和整合程度，而不仅仅是简单的空间差异。

为了解决这一局限，我们选择了日本作为研究对象——该国拥有世界上最发达的高铁系统之一，且政策环境持续推动以高铁为中心的脱碳进程。我们没有将基础设施的增加视为二元事件，而是使用MA框架来衡量可达性的连续性和累积变化，该框架能够反映网络层面的改善，即具有空间扩散性和时间持久性的连通性提升，并将这些变化与整个经济的能源结果联系起来。

我们的评估不仅涵盖了交通部门的排放，还包括制造业、建筑业和第三产业部门的响应——这超出了大多数仅关注交通部门或交通模式转换的高铁研究（例如，Dalkic等人，2017年；Tang等人，2023年）。这种更广泛的视角符合经济地理学理论：可达性的变化可以重新配置活动的空间分布、投入产出关系和能源需求，从而在一般均衡层面带来调整（Redding和Turner，2015年）。特别是高铁与传统铁路的结合，可以促进服务行业的发展，减少物流摩擦，并支持更加密集的、以公共交通为导向的土地利用方式，即使在总活动增加的情况下也能降低排放强度（Tian等人，2021年；Wang等人，2019年；Lawrence和Bullock，2022年）。这些机制激发了我们采用跨部门研究的方法，并解释了为什么连通性的提升能够带来超出单一车站效应的脱碳效果。

我们的贡献有三个方面：首先，我们提出了一种以连通性为中心的视角，将铁路对碳排放的混合影响进行了统一解释；其次，我们针对成熟的高铁系统设计了实证策略，通过城市-年份数据构建了市场准入度指标，并将其效果与车站开通方案进行了对比，从而揭示了局部方法所遗漏的网络效应；第三，利用行业细分的结果和中介效应框架，我们分解了连通性变化对二氧化碳排放的影响途径——区分了规模效应（经济活动的集聚效应）、结构效应（产业GDP份额的变化）和技术效应（行业内部碳排放强度的改善），并表明技术效应占主导地位，而结构效应在统计上并不显著；这些机制基于经济地理学和城市经济学关于可达性变化下经济结构和技术效应的理论。我们的研究结果为协调交通、能源和产业政策提供了依据，指出了何时何地投资于连通性才能带来最大的脱碳效益。

日本的交通政策致力于多方面的基础设施扩张，以增强国民经济、促进区域发展并推动碳中和的移动方式（日本国土交通省，2020年）。脱碳是一个明确的目标，而铁路网络的扩展是实现这一目标的核心手段。政策重点关注东京都市区的升级，以维持集聚效应，并在各地扩展高铁和普通铁路线路，以提高城市间的连通性。同时，还采取了一系列措施鼓励人们从公路转向铁路出行，减少对公路的依赖，促进长途铁路的使用，并缓解交通拥堵。

图1展示了截至2020年日本的高铁网络。蓝线表示2000年已投入运营的高铁线路，红线表示2000年至2020年间新开通的线路。截至2000年，日本的高铁网络已从东京延伸至东部的盛冈和西部的福冈（博多），覆盖了东京、名古屋和大阪等主要都市区。2000年后，网络继续扩展，将现有线路延伸至更多农村地区。东北新干线于2010年延伸，九州新干线于2011年延伸，北陆新干线于2015年延伸，北海道新干线于2016年延伸。如今，日本的高铁系统形成了一个覆盖全国各地区的全国性网络，东京是其核心枢纽。

目前仍在继续投资新的高铁线路和普通铁路线路的扩展项目。

尽管投入巨大，但对实现碳中和进展的评估仍然不足。以往的研究主要集中在经济或可达性成果上，而对网络扩张的碳影响量化较少。同时评估这两个方面对于设计既能促进增长又能实现环境绩效的交通系统至关重要。本研究通过估算铁路扩张的净二氧化碳（CO₂）影响及其相关的货币化效益，同时考虑了人口动态，填补了这一空白。

文献回顾与假设

大量研究探讨了交通基础设施（包括铁路和公路）在塑造区域经济结果中的作用。研究表明，铁路网络显著提升了市场准入度并促进了经济增长（Donaldson，2018年；Donaldson和Hornbeck，2016年；Herzog，2021年），尤其是高铁通过改善城市间连通性增强了集聚效应（Ahlfeldt和Feddersen，2017年）。

数据

我们的分析考察了高铁车站开通和网络扩张对各部门二氧化碳（CO₂）排放的影响。数据来源于多个渠道：环境部的二氧化碳排放数据；国土交通省提供的数字国家土地信息（DNLI）中的高铁网络数据；以及内务省统计局发布的社会人口统计系统（SSDS）中的社会经济变量。

平行趋势检验

我们的差异法（DID）分析假设高铁建设前的各时期趋势是平行的。因此，我们采用了事件研究设计，将车站开通前的时间窗口分为开通前（开通前1-5年）和开通后（开通后5年以内）两个阶段（参考先前的研究，Donaldson，2018年；Wang等人，2020年；Chen和Haynes，2017年）。

为此，我们使用以下公式进行了一系列事件研究：