城市轨道交通减排治污效应评估

冯国强?李菁

摘要 兴建轨道交通成为城市扩张过程中减排治污的重要举措。由于缺乏系统数据以及样本选择导致的内生性偏误，使得系统的跨城市估计轨道交通减排治污效应的文献相对匮乏。而系统评估轨道交通的外部性，对改进和优化线路规划、站点设置以及网络布局，具有重要意义。本文利用断点回归（RD）评估了从2015年10月到2018年9月期间，全国省会城市新增线路对空气污染的治理效应，以此检验轨道交通的减排治污效果。回归结果表明：①新增轨道交通对空气质量（AQI）的治理并不显著，但却能使PM2.5降低20.03%，PM10降低20.46%。②人口规模会对轨道交通的减排效果产生异质性影响，常驻人口不足600万时，新增轨道交通能减少17%～29%的机动车尾气污染;人口规模在1 200～1 500万时，对机动车尾气的减排治污效果在24%～77%之间不等，减排效果最明显。③随着线路数量的增加，轨道交通减排的规模效应递减。城市新增至第三条轨道交通线路时，减排治污效应最为明显;超过第7条之后，新增线路不再存在减排治污的规模效应，治理作用难以奏效。④减排治污的规模效应集中在累积里程数达到50～100 km以及每百万常住人口累积通车里程达到3～5 km，其余累积里程难以实现减排治污的项目初衷。⑤进一步分析表明，交通创造效应和交通分流效应是新增轨道交通减排效应呈现异质性的原因，也是导致减排治污规模效应递减的原因。本文的政策启示是，利用兴建轨道交通来实现减排治污效果须因地制宜，并非规划和开通越多线路，就越有利于改善城市空气质量，要以提升交通的分流效应为前提。

关键词 轨道交通;减排;空气污染;污染治理

中图分类号 X506  文献标识码 A  文章编号 1002-2104（2019）10-0143-09   DOI：10.12062/cpre.20190609

兴建轨道交通成为各大城市治理拥堵和空气污染的举措之一。截至2018年底，全国32个城市共开通运营156条轨道交通线路（含直辖市4个、省会城市19个、计划单列市5个、一般地级市4个），通车运营里程达5 066.76 km，覆盖196个区（县）。北京、上海等一线城市的轨道交通覆盖程度已经超越伦敦、纽约等国际大都市，成为全球轨道交通网络最大的城市。理论上，轨道交通的通车运营一定程度上能够替代私家车出行，进而减少机动车尾气排放带来的空气污染问题，然而由于缺乏系统的数据以及样本选择存在的内生性偏误，导致系统估计轨道交通对空气污染治理效应的研究相对匮乏。而实证评估轨道交通的减排效应，对改进和优化轨道交通线路规划、站点设置以及网络布局，具有重要的实践价值和指导意义。

1 文献综述

空气污染已经成为全球性的难题。WHO提供的最新数据显示，每年大约有700万人因接触到污染空气中可渗透到肺部和心血管系统的细微颗粒而死亡。根据世界银行2016年数据，作为全球最大的发展中国家，中国每年近200万人死亡于空气污染，每年因空气污染带来的福利损失接近经济总量的10%。机动车尾气是被公认的重要污染源之一[1-2]。在中国，机动车的尾气排放贡献了城市空气当中74%的碳氢化合物、63%的CO和37%的NO2，同时也是PM2.5的重要来源[3]。尽管各大城市通过错峰限行、尾号限行等方式来减少道路上行驶的机动车数量，借此缓和尾气排放对空气质量造成的影响，但大量研究表明该举措治理空气污染的收效甚微[4-6]。除利用行政限行这类“堵”的策略来减少私家车出行频次，进而改善空气质量以外，地方政府还采取兴建轨道交通这类“疏”的办法，来替代私家车出行，以此实现减排治污[7-8]。

从国外利用轨道交通治理空气污染的经验来看，文献当中呈现出截然不同的观点。一部分研究为轨道交通减排治污效应找到了直接或间接证据，认为开通轨道交通有效减少了城市主要的尾气污染物[9-11]。但也有文献表明新增轨道交通并不存在显著的治污效果[12-13]，甚至还会带来空气质量的恶化[14] 。还有研究揭示，轨道交通的减排治污效果和站点设置有关系，通常情况下地下站点的悬浮颗粒和碳氧化合物的浓度远高于地面站点[13-15]。

就国内利用轨道交通来减排治污的经验而言，Huang等利用问卷数据，揭示了西安地铁开通显著减少了附近居民的汽车和电动自行车的拥有数量，进而起到减排效果[16]。一系列研究利用北京的数据也得到相似的结论[7、17]。在具体的减排证据上，Chen and Whalley揭示了台北市在轨道交通开通前后，CO、NO2的浓度下降了5%～15%，但其他尾气污染物不受影响[18]。Zheng et al发现轨道交通显著降低了长沙市区的CO浓度，但对悬浮颗粒物、O3的浓度没有影响[19]。梁若冰、席鹏辉发现新增轨道交通对SO2、NO2、CO和悬浮颗粒物均有遏制作用[7]。

无论是国际上利用轨道交通治理空气污染的实证研究，还是国内的经验研究，都无法得到一致的结论，很大程度上和样本选择与估计方法有关。利用单一城市样本的研究虽能揭示轨道交通对该城市空气污染的治理机制，但未必能典型地代替其他城市的治理机制;而利用跨城市样本的研究而言，很大程度上会受到样本的选择偏误和估计方法的影响，从而难以克服内生性问题。

2 模型与数据

2.1 计量方程

断点回归是以某一事件作为断点，考察因变量在这一断点前后是否发生突变。若协变量在断点前后保持連续变化，那么就有理由相信因变量在断点处的突变是由该事件所致。相比差分模型，断点回归能够剥离样本自带的固有趋势，同时还可以有效识别其他政策措施与政策冲击的作用。本文利用断点回归来评估新增轨道交通的减排效果。 回归方程如下：

Airid=α0+α1 Did+α2 f（x）+α3 f（x）Did+Xidγ+

σi+μt+εit

（1）

其中，Airid为城市i在日期d的空气污染程度，回归时分别包括衡量城市的空气质量指数（AQI）和PM2.5、PM10、SO2、CO、 NO2、O3单项污染物浓度。Did是新增轨道交通线路的虚拟变量，新线路开通运营日期之后为1，之前为0。x是执行变量，用来表示距离新线路开通的天数，开通运营当日为0，之前为负，之后为正。f（x）是以x为自变量的多项式函数;引入Did与f（x）的交互项是为了允许断点两侧的斜率不同。Xid为控制变量，包括当天的最高温度、最低温度、是否有雨（含雾）、是否有雪、风力大小等天气变量。σi为城市固定效应。μt为时间固定效应，本文分别控制了年份、月份、法定节假日、以及一个星期中第几天等，用来控制季节性因素以及工作时间安排带来的影响。εit为随机扰动项。在上述回归方程中， α1是断点处局部平均效应（LATE）的估计量，捕获了新增轨道交通线路前后城市减排效果的变化。

2.2 样本数据与描述性统计

本文利用中国空气质量在线监测平台提供的空气质量指数及单项污染物的历史数据，作为被解释变量。中国空气质量在线监测平台提供的空气质量指数是六项污染物单项指数的总和，指数越高，表明空气污染越严重;单项污染物指数是污染物日均浓度与日均（24小时）二级浓度限值的比值，比值越大，污染物的排放量就越大。城市新增轨道交通线路的数据是从城市轨道交通网（www.cnsubway.com）以及搜索引擎中检索，然后手工整理获得，时间跨度是从2015年10月1日至2018年9月30日。样本期间新增线路44条，回归当中我们剔除掉新增里程数不足10 km的线路样本。控制变量中，气象数据来自“2345天气网”，法定假日以及是否调休等，根据国务院办公厅每年发布的节假日安排通知整理得到。

我们以新线路开通前后30天作为时间窗口来观察轨道交通的减排治污效应。变量的统计性描述见表1。平均而言，开通轨道交通后PM10、SO2、CO、O3浓度分别下降1.95%、1.72%、0.64%、4.72%，AQI以及PM2.5、NO2浓度在开通轨道交通之后反而上升。这说明总体而言，轨道交通对治污效果并不明显，并且在污染物之间存在异质性影响。当然，上述统计的初步结论能否通过显著性检验，以及是否稳健需要进一步的实证分析来验证。

3 实证结果与分析

3.1 基准回归结果

表2显示了对模型（1）进行非参数断点估计的结果。其中，PM2.5、PM10、CO、 NO2的系数为负，O3的系数为正，说明新增轨道交通减少了悬浮颗粒和CO、 NO2的排放量，增加了O3的排放量（O3增加与O3的二次污染物属性有关）。但是，只在一半带宽和最优带宽时，新增轨道交通才显著减少悬浮颗粒（PM2.5、PM10）的排放量，对CO、 NO2、O3这几种尾气污染物的减排效应统计上不显著。其中，新增轨道交通导致PM2.5减少20.03%（11.68/58.298），PM10减少20.46%（18.91/92.405）。当带宽增加到最优带宽的二倍时，新增轨道交通对所有的污染物不再具有显著的减排治污效应，这说明新增轨道交通的效果难以持续。因此，总体而言，利用兴建轨道交通来改善城区空气质量，实现减排治污，效果并不理想。

3.2 异质性影响

当然，根据表2得到的总体结论，不能推断轨道交通对全部城市，以及新增的全部线路，都不存在减排治污效应，需进一步检验其中的异质性影响。最大的异质性源自两个方面，一为出行总需求，二为供给水平。前者与常驻人口的规模有关，后者与轨道交通的网络规模有关，为此，我们根据人口规模和样本期间新增的线路条数，来检验其对减排效应产生的异质性影响。

3.2.1 人口规模的异质性影响

新增轨道交通能否减排治污，关键在于其能否消化一部分城镇人口的出行需求，通过减少私家车出行频次来达到减排。理论上，城市的出行总需求和常住人口规模有关，为此我们按照新线路开通当年年初的常驻人口数量，以地铁项目获批的硬性条件之一——300万人口规模为区间，将城市划分成以下五组，分别为常驻人口在600万人以下、600～900万人、900～1 200万人、1 200～1 500万人以及1 500万人以上城市，以此检验人口规模对轨道交通减排效应产生的异质性影响。回归结果见表3。

当常住人口不足600万或在1 200～1 500万时，新增轨道交通能够减少机动车尾气排放造成的污染物数量（PM2.5、CO、NO2），进而显著提高城市空气质量。其中，常住人口在1 200～1 500万之间时，新增轨道交通不但减少了机动车尾气的排放量，对PM10、SO2也有减排效应，但却会提高O3的污染浓度。在其他人口规模的城市，新增轨道交通没有治理效果。

根据回归结果，我们进一步测算新增线路的治理效果，从中比较轨道交通减排治污效应有效性的大小，测算结果见表4。常住人口在1 200万～1 500万时，除O3外，新增线路对各项污染物存在24%～77%的减排治污效应，整体减排治污的效果达到48.3%。不足600万时，对PM2.5、CO、NO2存在17%～29%不等的减排治污效应，总体减排效应为24.65%，显然低于1 200～1 500的城市。从中能够推断，常住人口在1 200～1 500万的城市，新增轨道交通发挥的减排治污效应最明显。

3.2.2 新增线路条数的异质性影响

对多数城市而言，越早开通的线路往往以连接城市中心区域为主，而越是伴随着城市扩張新开通的线路，更多地连接着中心区域与城郊，承担着聚集和疏散的作用。因此，新增线路的次序一定程度上体现了线路规划的功能差异，进而会影响减排治污效应的发挥。我们按照城市新增线路的次序，分别检验城市在样本期间开通的首条线路（Line1）、第二条线路（Line2）、第三条线路（Line2）、一直到第十条线路（Line10）产生的治理效果，按新增线路条数进行分组回归，回归结果见表5。

结果显示，城市在样本期间开通第三条线路时，产生的减排治污效应最大，此时无论是总体的空气污染的程度，还是几种主要的机动车尾气污染物，都得到了显著治理。但是，城市在样本期间开通第7条以上线路时，治理效果不再有效。这其中的原因在于，越往后规划的线路，更多为拓展城市的发展空间，从而带来更高的交通创造效应[22]，削弱了轨道交通的减排效果。

3.3 稳健性检验

3.3.1 模型设定检验

断点回归的结果揭示了结果变量在断点处存在跳跃，但这个结果若能稳健，前提是控制变量在断点处能够连续，否则结果变量在断点处的跳跃可能是控制变量的跳跃所致，从而影响回归的解释力。解决的办法是将结果变量替换为控制变量，带入原模型进行回归，若回归结果显示断点前后并未显著发生变化，则说明控制变量未发生跳跃，模型设定无误。模型设定检验的结果见表6。当控制变量作为结果变量带入模型，回归结果皆不显著。这说明，控制变量在断点前后均能保持连续，前文利用断点回归得到的回归结果稳健。

3.3.2 反事实检验

模型设定没有问题，那么断点的设置是否合理仍然需要进一步讨论。我们将断点向前移动5天、15天和20天，以构造反事实进行安慰剂检验，从中验证上文断点选择的合理性及其推断的稳健性。如果安慰剂检验的结果与前文的结论相反，则说明断点选择合理、回归结果稳健。回归结果见表7。当断点前移之后，PM2.5、PM10不再受影响，而前移5天导致对空气质量指数（AQI）的影响显著为正。反事实分析中加权LATE（最优带宽）的估计量和基准回归也截然相反，由此验证了断点的合理性。因此，基准回归中断点的影响仍然存在，前文的结论稳健。

4 进一步讨论

4.1 轨道交通减排治污的机制分析

轨道交通能否有效减排治污，取决于轨道交通能否有效替代汽车出行，从而减少机动车尾气排放。因此，新增线路的减排治污效应，一定程度上也体现在治堵效应上。新增轨道交通对道路拥堵程度的影响存在创造效应和分流效应[20-21]，两种效应同时体现在减排治污上，对减排治污的作用截然相反。只有当分流效应大于创造效应时，新增线路才表现出明显的减排治污效果。

为直观新增线路如何影响道路拥堵情况，进而起到减排治污的效果，我们以高德地图（Amap）发布的高峰时段城市交通拥堵延时指数（RCDI=高峰时段的旅行时间/自由流旅行时间，数值越大则道路越拥堵）作为因变量，通过断点回归来检验新增线路能否缓解道路拥堵程度，以揭示其中的减排治污机制。回归中，分别控制了影响机动车出行能见度的雾霾天气和天气变量，结果见表8。

表8分别显示了人口规模和新增线路条数对拥堵程度产生的异质性影响。从结果上看，当人口不足1 500万时的回归系数为负，创造效应小于分流效应，不足900万时才作用显著。结合前文的分析可以推断，当人口不足600万时，新增线路的减排效应很大程度上是通过分流效应所致，一旦常住人口超过600万，新线路的减排治污效果还需配合其他分流举措，包括限行、燃油提价、提高机动车排放标准等，才能起到减排治污的效果。即便如此，通过治堵来实现减排治污仍然是轨道交通发挥治理效果的主要途径。

对新增线路条数的回归结果显示，线路新增至第三条的城市分流效果凸显，再增加线路时分流效果不如创造效果。结合前文分析减排效果的结论，能够推断，至开通第三条轨道交通线路时，能够有效化解拥堵来降低机动车尾气排放数量，进而起到治污效果，但继续增加线路，减排效果未必有效。上述结论与城市在早期与晚期设计轨道交通线路时，其承载的规划功能是相匹配的。

4.2 轨道交通减排治污的规模效应

轨道交通具有网络经济特性，会影响正外部性的发挥。我们将轨道交通累积里程数按0～50 km、50～100 km、100～200 km、200～300 km以及300 km以上，來检验减排治污的规模效果，回归结果见表9的第一栏。当轨道交通累积里程数在50～100 km之间时，新增线路能有效减排，但主要体现在PM2.5、PM10上，对其他污染物排放影响不大。不足50 km和超过100 km时不存在治理效果，增加到200 km后治理效应系数变为正数。这其中的潜在因素是增加到200 km之后，拓展城市边界成为主要的线路规划功能，导致创造效应远高于分流效应。

当然规模效应的发挥还与人口规模有关。为此，我们引入每百万常住人口累积通车的里程数，将样本分成每百万人口通车里程数在3 km以内，3～5 km和5 km以上进行回归，回归结果见表9第二栏。当每百万常住人口累积通车里程数在3～5 km时，新增线路的减排效应明显，不足3 km和超过5 km时总体不显著。

5 结论与政策建议

受样本选择偏误和内生性处理难题的限制，文献当中对于城市轨道交通对空气污染的治理效应并没有得到一致的结论。本文利用断点回归系统评估了2015年10月至2018年9月省会城市新增轨道线路的减排治污效应。回归结果表明：①此段时间新增线路对空气质量的综合治理（AQI）并不显著，但却使PM2.5降低20.03%，PM10降低20.46%。②新增线路的减排治污效应对于不同人口规模存有异质性影响。不足600万时，新增线路能够减少17%～29%的机动车尾气污染物排放量;人口在1 200～1 500万时，减排治污效应在24%至77%之间不等，其作用最明显。③新增到第三条轨道交通时到减排治污效应最明显，超过第7条之后，治理效果难以有效。④交通创造效应和分流效应是轨道交通减排效应呈现异质性的原因，并且其减排治污的规模效应集中体现在累积里程数在50～100 km以及每百万常住人口累积通车里程在3～5 km的城市，其余里程难以实现减排治污的项目初衷。

当然，受样本选择的局限，结论仅适用于推断第二轮轨道交通建设浪潮，即在城市扩张过程中新建轨道交通的减排治污效应。这种扩张需求一定程度上导致新增线路对空气质量的改善作用有限，其规划目的着重在于提高地方的经济产出。基于实证结论，地方政府若需要通过发展轨道交通来提高减排治污效果，需要注意以下几点：第一，兴建轨道交通来减排治污须因地制宜，并非规划和开通越多线路，就越有利于改善城市空气质量。第二，实现减排治污的关键在于增加轨道交通的分流效应，化解道路压力。具体举措包括增加宣传力度，提高民众对轨道交通站点设置、出口情况、运行方向、可换乘站点与线路、接驳路线以及安全出行与防护等信息的知晓程度。另外提高轨道交通的公共服务质量，增加民众选择搭乘轨道交通出行的便捷程度也能提升分流效应。第三，必要时需要采取其他措施，包括限行、提高机动车排放标准等，配合轨道交通提升分流效应，实现减排治污。

（編辑：刘照胜）

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Assessment of emission reduction effect of urban rail transit

FENG Guoqiang LI Jing

（School of Economics， Lanzhou University， Lanzhou Gansu 730000，China）

Abstract The construction of rail transit has become an important measure to reduce pollution in the process of urban expansion. Due to the lack of systematic data and endogenous errors in sample selection， there is a relative lack of systematic and crosscity literature on estimating the emission reduction and pollution control effects of rail transit， while systematic investigating externalities of the rail transit system is of great significance for improving and optimizing the route planning， site setting and network layout. The aim of this paper is to investigate the impact of openings of rail transit lines on air pollution reduction in the provincial capital cities from October 2015 to September 2018， by employing the regression discontinuity analysis（RD）.Our results show that： ①openings of the new rail transit lines in this period does not significantly improve air quality， but it makes PM2.5 of the city reduce by 20.03 percent， and PM10 reduce by 20.46 percent. ②The emission reduction and pollutants control effects of new lines have heterogeneous effects among cities with different resident size. When the size is less than 6 million， openings of the new rail transit can reduce the emission of motor vehicle exhaust pollutants by 17 percent to 29 percent. While the size is between 12 million and 15 million， the emission reduction effects vary from 24 percent to 77 percent. ③With the increase of the number of lines， the scale benefit of the emission reduction effect of rail transit decreases. When the new rail transit line is added to the third line， the effect of pollution reduction and pollution control is the most obvious. After exceeding the 7th line， there is no scale effect anymore， and the effect of pollution reduction and pollution control is difficult to be effective in statistics. ④the scale effect concentrates on the aggregate mileage of 50～100 km and 3 to 5 km per million residents， elsewise it is difficult to achieve the original intention of emission reduction and pollution control targets. ⑤Further analysis shows that traffic creation effect and traffic diversion effect are the causes of heterogeneity of emission reduction effect of new lines， and also the causes of decreasing scale effect of emission reduction and pollution control. The policy enlightenment of this paper is that the use of rail transit to achieve emission reduction and pollution control targets must be adapted to local conditions， not planning and opening more lines， the more conducive to improving urban air quality. It is necessary to enhance the traffic diversion effect as the premise for achieving emission reduction targets.

Key words rail transit; emission reduction; air pollution; pollutants control