轨道环线对重庆市空气污染的净化效果评估

张秋萍，杨炜明

(重庆工商大学 数学与统计学院，重庆 400067)

1 引言

空气污染是我国目前面临的重要环境问题之一，据《2018重庆市生态环境状况公报》显示，2018年重庆市空气质量优良天数为316 d，空气质量超标天数为49 d。环境空气中，PM10、SO2和CO浓度达到标准，PM2.5、NO2和O3浓度分别超标0.14倍、0.10倍和0.04倍。空气污染不仅危害居民健康，也是建设宜居重庆的阻碍。

重庆作为中国的四大直辖市之一，经济在近些年来呈稳步发展的趋势。同时，由于山多坡高的环境特点以及错综复杂的道路状况，重庆交通备受关注。近些年，随着客运交通使用量的增加，重庆“雾霾”天气以及道路拥堵问题也日渐严重。客运交通是中国空气污染的主要原因之一，轨道交通以其容量大、实惠便利、低碳节能等特性,成为有效缓解城市交通路面压力和空气污染的重要交通出行方式[1]。

众多学者研究发现断点回归设计是除工具变量和随机变量外，可控制未观察混杂因素影响的唯一方法，而这使得断点回归成为学者应用于评估政策效应的主要原因。在空气污染方面，袁韵等以日间和夜间为断点，发现网约车运行规模的增加会加剧城市的空气污染[2]。李婧薇以地铁开通时间为断点，研究发现不同常住人口城市,地铁开通的替代效应与创造效应关系不同，城市空气质量对应上升下降情况不同[3]。梁若冰等基于断点回归研究发现，轨道交通的开通显著改善城市空气质量[4]。杨小聪等以南京地铁3号线开通时间为断点，研究发现南京地铁3号线的开通显著降低了城市污染指数以及部分空气污染物的污染浓度[5]。曹静等以限行政策日期为断点研究了限行政策与北京空气质量之间的关系，研究发现北京的空气质量因尾号限行政策实施得到显著改善[6]。周叶峰考察G20大气防治计划综合效应，发现环境规制政策对空气质量直接效应显著[7]。Fu等以国庆节假期为断点，考察了取消高速公路收费对空气污染的净化效果[8]。秦志龙等以北京和上海之间高铁开通时间为断点，探索北京与上海之间高铁开通对沿途城市空气质量的影响，研究发现沿途城市空气质量因高铁开通替代私家车出行等方式得到显著改善[9]。

重庆轨道交通环线(Chongqing Rail Transit Loop Line)开通于2018年12月28日，作为途经重庆沙坪坝区等五区，重庆大学、四公里、重庆北站南广场等重要商圈的重庆轨道交通唯一闭合环线，同时还承担“重庆文化宣传者”的工作。

虽然关于重庆空气质量的研究已有一定结论，但是绝大部分文献基于月度、年度数据进行研究，本文基于更加微观的日值数据分析了重庆轨道交通政策与重庆空气质量的影响，可填补这部分文献空白。因此，本文的主要研究创新和贡献有以下两个方面：一方面，填补了重庆轨道交通环线对重庆空气质量影响的文献空白；另一方面，基于更加微观的日值数据和断点回归方法研究重庆轨道交通环线开通对重庆空气质量的影响。

2 断点回归简述

断点回归在1960年首次使用，目前，关于断点回归的研究已集腋成裘，其阐述的是虚拟变量也就是处理效应与结果变量之间的因果效应。

为准确识别与测量地铁开通对重庆空气质量的影响效应，本文选择断点回归为研究方法。该方法是准实验计量方法中的一种，将同一样本视为处理组与控制组，估计的是局部平均处理效应(LATE)，当两组样本在断点处无限接近时，可以避免因遗漏变量和样本选择非随机性而造成的估计偏误[10]。重庆环线开通时间可以被视为一项政策性变量，在开通前后较短时间内，重庆的产业结构、经济发展水平等处于平滑连续状态，若空气质量在地铁开通前后有跳跃式变化，那么环线的开通可以归结为造成这种差异的原因。参考王学渊等[11]的模型设定，本文断点回归模型的设定如下：

Ydmy=α0+β1opendmy+β2f(x)+Zγ+μd+σi

+εdmy

(1)

式(1)中，Ydmy代表重庆在第y年m月d天的空气污染情况，以AQI、PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO以及O3的自然对数来衡量。opendmy为虚拟变量，在重庆轨道交通环线(2018年12月28日)前设置为0，开通后设置为1；x是断点回归模型中的执行变量，表示距离环线开通的天数，开通之前记作-x，开通当日记作0，开通后记作+x；f(x)是x的多项式函数；Z代表影响城市空气质量的控制变量；γ为待估参数向量。μh，σi代表节假日效应和固定效应，εdmy代表随机扰动项。模型中，用β1的估计值来反映地铁开通前后空气质量的变动。

此外，Imbens等指出使用断点回归进行政策评价需要满足两项前提条件，才能保证其内部有效性[12]。

2.1 执行变量操纵检验

断点回归方法有效性的核心前提是断点附近近似于完全随机化，若提前知晓分组规制，研究对象可能会通过自身努力使自己到另一个分组去，这可能会导致断点附近“内生分组”，从而断点回归失去有效性。

因此，一种非参数的密度函数检验方法由McCrary提出并用于检验以下原假设[13]：

(2)

2.2 控制变量连续性检验

控制变量首先需要确保在断点附近是平滑的，且加入的控制变量应为非内生性变量，若控制变量在断点附近有跳跃式变化则会影响估计结果的准确性。本文将一系列天气变量作为被解释变量与重庆轨道交通环线开通进行断点回归，检验温度、风速等一系列变量在断点处是否连续。

2.3 时间多项式阶次的选择

学者研究发现检验时间窗口以及时间多项式阶次结果的稳健性是断点回归检验中不可或缺的一步。在现有的断点回归文献中，学者们建议使用线性或二次多项式，Gelman等指出若使用高阶(三级以上)的时间多项式可能会导致过度拟合情况的发生[14]。

3 实证结果

3.1 变量说明与数据来源

本文使用的空气污染数据来源于国家环监局。AQI的测算主要依据6种污染物(PM2.5、PM10、O3、NO2、CO、SO2)浓度如表1所示。天气数据来自于美国国家海洋和大气管理局(NOAA)，变量包括：温度、气压、相对湿度、相对风速，具体数值见表1。根据2018～2019年节假日安排通知，本文创建节假日变量(工作日=0，节假日=1)。由于本文研究的重庆轨道交通环线开通于2018年12月28日，参考已有文献，选取开通日期前后各50 d作为观察窗口，即(2018年11月8日至2019年2月16日)。

由表1可知，重庆轨道环线开通后AQI指数、PM2.5、PM10、NO2、CO及O3排放浓度在5%的水平上显著下降。在主要控制变量中，地铁平均温度以及平均相对湿度在5%的水平上显著增加，平均气压增加，平均风速降低。

3.2 总体样本估计结果

表2报告了以AQI、PM2.5、PM10、NO2、CO、O3为被解释变量，并加入所有控制变量的断点回归基准结果，结果表明环线的开通在10%的水平下显著降低了20.7%的AQI浓度、22.5%的PM2.5、23.3%的PM10、13%的SO2、4.7%的CO。因此，重庆轨道环线的开通显著改善了重庆地区的空气质量。

通过查询资料可知，PM2.5气体污染物通常是人为对垃圾和化石燃料的燃烧造成；PM10来自水泥路面上行驶的机动车以及被风扬起的尘土；SO2作为酸雨的主要成分，它主要是通过煤和石油燃烧而形成；CO主要来自内燃机排气。这些空气中污染物浓度的降低主要归结为化石燃料燃烧和地面尘土污染减少，因此，重庆轨道环线开通增大居民出行便利度，从而增大客流量，减少私家车出行。

4 稳健性检验

4.1 识别性假设的有效性检验

描述性统计表1表明：重庆轨道环线开通后空气质量发生显著的改善，表现为AQI指数、PM2.5、PM10、NO2、CO、O3浓度的降低，并且只有温度和湿度变量在开通前后存在明显的变化。Dell等指出，在使用RD进行实证分析时，当某一变量变化的绝对值与均值相比较小时，尽管这一变量在统计上存在显著变化，RD分析结果并不会受该变量变化的影响[15]。考虑改变开通前后统计意义上差异显著的天气变量，即温度及湿度条件进行检验。检验分为3个方案，Panel A代表不加入温度控制变量的二价断点回归，Panel B代表不加入温度和湿度两个变量的断点回归，Panel C表示排除所有天气变量后的断点回归，将这3个方案结果与基准结果进行对比。

表1 重庆市空气质量和天气变量的描述性统计

表2 重庆轨道环线开通对空气质量影响基准断点回归

表3是调整了天气控制变量后的二阶断点回归估计结果。Panel A的结果显示，与基准结果相比略微差异；Panel B结果与基准估计结果大致相同。排除所有天气变量后的Panel C，结果表明重庆轨道环线的开通导致AQI及在10%的水平下显著下降。总而言之，排除所有天气控制变量影响后，重庆轨道环线开通显著改善了重庆空气质量。

表3 重庆轨道环线开通对空气质量的影响(天气变量的调整)

4.2 考虑高阶时间多项式的RD回归

在改变时间窗口大小及时间多项式阶次后，结果显示线性与三次时间趋势的估计结果与基准结果相差较小(表4)。

4.3 安慰剂检验和敏感性检验

4.3.1 执行变量检验

执行变量操作检验以执行变量在断点处连续为原假设。如图1所示执行变量在断点处基本连续，结果显示，小于1.96，其标准误差为0.949，在95%的置信水平上接受原假设，在重庆轨道环线开通日期断点附近不存在操纵执行变量的情况，即重庆轨道环线开通这个断点回归是有效的。

4.3.2 控制变量连续性检验

由表5知，本文4个控制变量作为被解释变量的回归结果均不显著，表明重庆轨道环线开通对这4个天气变量没有显著影响，在断点处曲线平滑，即断点回归有效。

表4 重庆轨道环线开通对空气质量的影响(调整时间趋势和时间窗口)

图1 执行变量检验

表5 重庆轨道环线开通对天气变量的影响

5 研究结论

本文基于更加微观的日值数据聚焦重庆地区空气和重庆轨道交通环线之间关系，应用断点回归研究并进行渠道探索。断点回归的研究结果表明，重庆轨道环线的开通显著地改善了重庆市的空气质量，重庆轨道环线开通后重庆市的AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、O3浓度分别下降20.7%、22.5%、23.3%、13%和4.7%，在改变断点回归的多项式阶次和时间窗口后，重庆轨道环线开通对空气质量的改善作用仍然稳健。通过查阅文献发现，PM2.5以及SO2都是由燃烧化石燃料造成，而PM10主要是由机动车和扬起的尘土造成的，重庆轨道环线改善重庆市空气质量的途径，主要是通过增加公共运输客运量，减少机动车排放量来实现的。

本文的启示有以下几点:①倡导低碳环保，市民出行优先考虑轨道交通。轨道环线的开通可以替代部分高能耗的私家车和机动车，因此改善空气质量可以倡导市民低碳绿色出行；②国家稳步推进轨道交通发展具有一定成效。国家发展轨道交通一方面是缓解路面压力，另一方面是治理空气污染。根据国家近几年发布的“蓝天行动”等，轨道交通的开通有助于节能减排的实施，国家空气污染治理具有一定成效。