軌道環線對重慶市空氣污染的凈化效果評估

張秋萍，楊煒明

(重慶工商大學 數學與統計學院，重慶 400067)

1 引言

空氣污染是我國目前面臨的重要環境問題之一，據《2018重慶市生態環境狀況公報》顯示，2018年重慶市空氣質量優良天數為316 d，空氣質量超標天數為49 d。環境空氣中，PM10、SO2和CO濃度達到標準，PM2.5、NO2和O3濃度分別超標0.14倍、0.10倍和0.04倍?？諝馕廴静粌H危害居民健康，也是建設宜居重慶的阻礙。

重慶作為中國的四大直轄市之一，經濟在近些年來呈穩步發展的趨勢。同時，由于山多坡高的環境特點以及錯綜復雜的道路狀況，重慶交通備受關注。近些年，隨著客運交通使用量的增加，重慶“霧霾”天氣以及道路擁堵問題也日漸嚴重?？瓦\交通是中國空氣污染的主要原因之一，軌道交通以其容量大、實惠便利、低碳節能等特性,成為有效緩解城市交通路面壓力和空氣污染的重要交通出行方式[1]。

眾多學者研究發現斷點回歸設計是除工具變量和隨機變量外，可控制未觀察混雜因素影響的唯一方法，而這使得斷點回歸成為學者應用于評估政策效應的主要原因。在空氣污染方面，袁韻等以日間和夜間為斷點，發現網約車運行規模的增加會加劇城市的空氣污染[2]。李婧薇以地鐵開通時間為斷點，研究發現不同常住人口城市,地鐵開通的替代效應與創造效應關系不同，城市空氣質量對應上升下降情況不同[3]。梁若冰等基于斷點回歸研究發現，軌道交通的開通顯著改善城市空氣質量[4]。楊小聰等以南京地鐵3號線開通時間為斷點，研究發現南京地鐵3號線的開通顯著降低了城市污染指數以及部分空氣污染物的污染濃度[5]。曹靜等以限行政策日期為斷點研究了限行政策與北京空氣質量之間的關系，研究發現北京的空氣質量因尾號限行政策實施得到顯著改善[6]。周葉峰考察G20大氣防治計劃綜合效應，發現環境規制政策對空氣質量直接效應顯著[7]。Fu等以國慶節假期為斷點，考察了取消高速公路收費對空氣污染的凈化效果[8]。秦志龍等以北京和上海之間高鐵開通時間為斷點，探索北京與上海之間高鐵開通對沿途城市空氣質量的影響，研究發現沿途城市空氣質量因高鐵開通替代私家車出行等方式得到顯著改善[9]。

重慶軌道交通環線(Chongqing Rail Transit Loop Line)開通于2018年12月28日，作為途經重慶沙坪壩區等五區，重慶大學、四公里、重慶北站南廣場等重要商圈的重慶軌道交通唯一閉合環線，同時還承擔“重慶文化宣傳者”的工作。

雖然關于重慶空氣質量的研究已有一定結論，但是絕大部分文獻基于月度、年度數據進行研究，本文基于更加微觀的日值數據分析了重慶軌道交通政策與重慶空氣質量的影響，可填補這部分文獻空白。因此，本文的主要研究創新和貢獻有以下兩個方面：一方面，填補了重慶軌道交通環線對重慶空氣質量影響的文獻空白；另一方面，基于更加微觀的日值數據和斷點回歸方法研究重慶軌道交通環線開通對重慶空氣質量的影響。

2 斷點回歸簡述

斷點回歸在1960年首次使用，目前，關于斷點回歸的研究已集腋成裘，其闡述的是虛擬變量也就是處理效應與結果變量之間的因果效應。

為準確識別與測量地鐵開通對重慶空氣質量的影響效應，本文選擇斷點回歸為研究方法。該方法是準實驗計量方法中的一種，將同一樣本視為處理組與控制組，估計的是局部平均處理效應(LATE)，當兩組樣本在斷點處無限接近時，可以避免因遺漏變量和樣本選擇非隨機性而造成的估計偏誤[10]。重慶環線開通時間可以被視為一項政策性變量，在開通前后較短時間內，重慶的產業結構、經濟發展水平等處于平滑連續狀態，若空氣質量在地鐵開通前后有跳躍式變化，那么環線的開通可以歸結為造成這種差異的原因。參考王學淵等[11]的模型設定，本文斷點回歸模型的設定如下：

Ydmy=α0+β1opendmy+β2f(x)+Zγ+μd+σi

+εdmy

(1)

式(1)中，Ydmy代表重慶在第y年m月d天的空氣污染情況，以AQI、PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO以及O3的自然對數來衡量。opendmy為虛擬變量，在重慶軌道交通環線(2018年12月28日)前設置為0，開通后設置為1；x是斷點回歸模型中的執行變量，表示距離環線開通的天數，開通之前記作-x，開通當日記作0，開通后記作+x；f(x)是x的多項式函數；Z代表影響城市空氣質量的控制變量；γ為待估參數向量。μh，σi代表節假日效應和固定效應，εdmy代表隨機擾動項。模型中，用β1的估計值來反映地鐵開通前后空氣質量的變動。

此外，Imbens等指出使用斷點回歸進行政策評價需要滿足兩項前提條件，才能保證其內部有效性[12]。

2.1 執行變量操縱檢驗

斷點回歸方法有效性的核心前提是斷點附近近似于完全隨機化，若提前知曉分組規制，研究對象可能會通過自身努力使自己到另一個分組去，這可能會導致斷點附近“內生分組”，從而斷點回歸失去有效性。

因此，一種非參數的密度函數檢驗方法由McCrary提出并用于檢驗以下原假設[13]：

(2)

2.2 控制變量連續性檢驗

控制變量首先需要確保在斷點附近是平滑的，且加入的控制變量應為非內生性變量，若控制變量在斷點附近有跳躍式變化則會影響估計結果的準確性。本文將一系列天氣變量作為被解釋變量與重慶軌道交通環線開通進行斷點回歸，檢驗溫度、風速等一系列變量在斷點處是否連續。

2.3 時間多項式階次的選擇

學者研究發現檢驗時間窗口以及時間多項式階次結果的穩健性是斷點回歸檢驗中不可或缺的一步。在現有的斷點回歸文獻中，學者們建議使用線性或二次多項式，Gelman等指出若使用高階(三級以上)的時間多項式可能會導致過度擬合情況的發生[14]。

3 實證結果

3.1 變量說明與數據來源

本文使用的空氣污染數據來源于國家環監局。AQI的測算主要依據6種污染物(PM2.5、PM10、O3、NO2、CO、SO2)濃度如表1所示。天氣數據來自于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)，變量包括：溫度、氣壓、相對濕度、相對風速，具體數值見表1。根據2018～2019年節假日安排通知，本文創建節假日變量(工作日=0，節假日=1)。由于本文研究的重慶軌道交通環線開通于2018年12月28日，參考已有文獻，選取開通日期前后各50 d作為觀察窗口，即(2018年11月8日至2019年2月16日)。

由表1可知，重慶軌道環線開通后AQI指數、PM2.5、PM10、NO2、CO及O3排放濃度在5%的水平上顯著下降。在主要控制變量中，地鐵平均溫度以及平均相對濕度在5%的水平上顯著增加，平均氣壓增加，平均風速降低。

3.2 總體樣本估計結果

表2報告了以AQI、PM2.5、PM10、NO2、CO、O3為被解釋變量，并加入所有控制變量的斷點回歸基準結果，結果表明環線的開通在10%的水平下顯著降低了20.7%的AQI濃度、22.5%的PM2.5、23.3%的PM10、13%的SO2、4.7%的CO。因此，重慶軌道環線的開通顯著改善了重慶地區的空氣質量。

通過查詢資料可知，PM2.5氣體污染物通常是人為對垃圾和化石燃料的燃燒造成；PM10來自水泥路面上行駛的機動車以及被風揚起的塵土；SO2作為酸雨的主要成分，它主要是通過煤和石油燃燒而形成；CO主要來自內燃機排氣。這些空氣中污染物濃度的降低主要歸結為化石燃料燃燒和地面塵土污染減少，因此，重慶軌道環線開通增大居民出行便利度，從而增大客流量，減少私家車出行。

4 穩健性檢驗

4.1 識別性假設的有效性檢驗

描述性統計表1表明：重慶軌道環線開通后空氣質量發生顯著的改善，表現為AQI指數、PM2.5、PM10、NO2、CO、O3濃度的降低，并且只有溫度和濕度變量在開通前后存在明顯的變化。Dell等指出，在使用RD進行實證分析時，當某一變量變化的絕對值與均值相比較小時，盡管這一變量在統計上存在顯著變化，RD分析結果并不會受該變量變化的影響[15]?？紤]改變開通前后統計意義上差異顯著的天氣變量，即溫度及濕度條件進行檢驗。檢驗分為3個方案，Panel A代表不加入溫度控制變量的二價斷點回歸，Panel B代表不加入溫度和濕度兩個變量的斷點回歸，Panel C表示排除所有天氣變量后的斷點回歸，將這3個方案結果與基準結果進行對比。

表1 重慶市空氣質量和天氣變量的描述性統計

表2 重慶軌道環線開通對空氣質量影響基準斷點回歸

表3是調整了天氣控制變量后的二階斷點回歸估計結果。Panel A的結果顯示，與基準結果相比略微差異；Panel B結果與基準估計結果大致相同。排除所有天氣變量后的Panel C，結果表明重慶軌道環線的開通導致AQI及在10%的水平下顯著下降?？偠灾懦刑鞖饪刂谱兞坑绊懞螅貞c軌道環線開通顯著改善了重慶空氣質量。

表3 重慶軌道環線開通對空氣質量的影響(天氣變量的調整)

4.2 考慮高階時間多項式的RD回歸

在改變時間窗口大小及時間多項式階次后，結果顯示線性與三次時間趨勢的估計結果與基準結果相差較小(表4)。

4.3 安慰劑檢驗和敏感性檢驗

4.3.1 執行變量檢驗

執行變量操作檢驗以執行變量在斷點處連續為原假設。如圖1所示執行變量在斷點處基本連續，結果顯示，小于1.96，其標準誤差為0.949，在95%的置信水平上接受原假設，在重慶軌道環線開通日期斷點附近不存在操縱執行變量的情況，即重慶軌道環線開通這個斷點回歸是有效的。

4.3.2 控制變量連續性檢驗

由表5知，本文4個控制變量作為被解釋變量的回歸結果均不顯著，表明重慶軌道環線開通對這4個天氣變量沒有顯著影響，在斷點處曲線平滑，即斷點回歸有效。

表4 重慶軌道環線開通對空氣質量的影響(調整時間趨勢和時間窗口)

圖1 執行變量檢驗

表5 重慶軌道環線開通對天氣變量的影響

5 研究結論

本文基于更加微觀的日值數據聚焦重慶地區空氣和重慶軌道交通環線之間關系，應用斷點回歸研究并進行渠道探索。斷點回歸的研究結果表明，重慶軌道環線的開通顯著地改善了重慶市的空氣質量，重慶軌道環線開通后重慶市的AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、O3濃度分別下降20.7%、22.5%、23.3%、13%和4.7%，在改變斷點回歸的多項式階次和時間窗口后，重慶軌道環線開通對空氣質量的改善作用仍然穩健。通過查閱文獻發現，PM2.5以及SO2都是由燃燒化石燃料造成，而PM10主要是由機動車和揚起的塵土造成的，重慶軌道環線改善重慶市空氣質量的途徑，主要是通過增加公共運輸客運量，減少機動車排放量來實現的。

本文的啟示有以下幾點:①倡導低碳環保，市民出行優先考慮軌道交通。軌道環線的開通可以替代部分高能耗的私家車和機動車，因此改善空氣質量可以倡導市民低碳綠色出行；②國家穩步推進軌道交通發展具有一定成效。國家發展軌道交通一方面是緩解路面壓力，另一方面是治理空氣污染。根據國家近幾年發布的“藍天行動”等，軌道交通的開通有助于節能減排的實施，國家空氣污染治理具有一定成效。