城市交通基础设施投资与空气污染*——基于中国城市的理论分析和实证研究

李 娟

(安徽科技学院 财经学院,安徽 蚌埠 233030)

随着我国城市规模的不断扩大,汽车数量也在快速增长。但我国城市道路基础设施增长率严重滞后于汽车数量的增长,导致车速缓慢甚至出现道路拥堵状况。道路拥堵会导致汽车发动机内燃料燃烧不充分,汽车尾气中含有的污染物质比以经济车速行驶时高出数倍①,从而使城市空气污染加重[1]。除了提高汽车尾气的排放标准以外,地方政府采取有效措施改善道路通畅程度可能是改善城市空气质量的一个有效途径。通常从供给和需求两个角度寻找提高道路通畅程度的办法。从需求角度,通过实施交通管制、限号和限购等政策,减少城市车辆出行频率和汽车保有量。然而从长远角度看,城市化的目的是在环境可持续发展的同时使公众效用最大化。这种限制车辆数量的方法会使居民行车需求受到不同程度的抑制,导致社会福利下降。所以,在中国人均汽车保有量相对较低的情况下,采用抑制车辆需求来提高城市空气质量也许不是最好的选择。从供给角度,加大城市道路投资能够增加城市道路面积,缓解交通拥堵,可以减轻由于车速缓慢带来的尾气污染[2,3]。此外,增加轨道交通投资,形成多元化的交通模式,可以使空气污染下降[4,5]。也有人认为轨道交通建设对改善空气质量的净作用不明显[6]。为此,对中国现阶段的城市道路投资与改善空气质量之间的关系进行理论与实证研究,旨在对中国城市化过程中的城市道路建设与空气污染问题提供有益信息与决策参考。

一、理论模型分析

参考Grossman[7]的理论模型②,用居民在单位路程的实际驾车时间表示道路通畅程度。假设单个居民在各个时期的效用函数是:

(1)

(2)

(3)

其中,cari,t表示i城市的汽车保有量,URIIi,t表示道路投资存量。剔除其他因素的影响,居民开车时间主要与汽车保有量和道路投资存量相关,所以假设居民在t时间的实际驾车时间与潜在驾车时间的差额主要由汽车保有量和道路投资存量决定。由(2)和(3)可得:

Ci,t=C(cari,t,URIIi,t)

(4)

而空气质量不仅与居民驾车出行时间有关,还与其他城市交通基础设施完善程度(城市绿化水平和人行道面积)、公共交通系统建设水平(公共交通和轨道交通)、经济发展水平、产业结构、人口密度、技术水平、外商直接投资水平、城市化率、政府官员特性以及自然原因等因素息息相关。所以,空气质量的函数表达式为:

(5)

其中,cari,t表示汽车保有量,URIIi,t表示道路投资存量,Xi,t包括如下控制变量以及固定效应。

以上理论分析基本理清了空气质量与道路投资和汽车保有量等因素之间的关系。具体效用函数形式如下:

α>0,β>0,δ>0

(6)

(7)

根据(6)的函数表达式,效用函数应该满足以下约束条件:α>0,β>0,δ>0;由于潜在行车时间与道路通畅水平相关,道路投资力度越大、汽车保有量越低,道路越畅通,潜在行车时间越短,所以κ>0,φ<0。由(5)可知:

(8)

(9)

再由(7)、(8)和(9)式可得:

(10)

对上述(10)取对数,进一步化简可得:

lnAi,t=κηln(cari,t)+φηln(URIIi,t)+

ln(Xi,t)+constant

(11)

其中,lnAi,t表示i城市在t年的空气质量指数,lnURIIi,t表示i城市在t年的道路投资存量,Xi,t表示控制变量组,constant是常数项。

由函数的定义和条件约束可得:κ>0,φ<0,η>0。η指居民的实际行车时间对空气质量影响的系数;κ和φ分别指城市汽车保有量和城市公路投资存量对空气质量的影响系数。由于实际行车时间由城市的汽车保有量和道路投资存量决定,汽车保有量越大、城市公路投资存量越小,则单位路程的实际行车时间越长。用道路投资存量和汽车保有量表示单位路程的实际行车时间对空气质量的影响,公式(11)得以成立。由于汽车保有量对空气污染指数的影响系数为κη>0,说明汽车保有量对空气质量有负效应。汽车保有量增加,不仅在总量上使汽车尾气排放增加,也使得车速变慢,单位路程的行车时间变长,进一步加剧空气污染。而道路投资对空气的影响系数φη<0,可得道路投资对空气污染有抑制作用。还可以通过对比系数κη和φη得到道路投资和汽车保有量对空气质量的作用效果的显著性。如果κη的绝对值大于φη,那么,道路投资的增长率要大于汽车保有量增长率才能够改善空气质量。

二、实证模型构建与数据选择

(一)变量选取

1.空气污染变量

空气污染指数(AQI)反映空气质量的实际情况[8]。由于原环保部在2000年以后才开始监测空气污染指数,所以所选取的86个城市中只有47个地级市在2000年开始公布API③的数据,其余39个地级市在2004年以后开始公布API数据,所以样本从2004年开始到2019年结束。2013年以前选用API数据,2013年后选用AQI数据④。

2．城市交通变量

选用道路面积(squ)、道路长度(longth)和道路宽度(width)作为重要解释变量。道路投资变量主要有道路投资年度完成额和道路存量。由于道路投资存量能够直观反映道路投资的实际情况,所以作为道路投资的测度变量更为合理。实证分析中先使用城市道路面积代表道路存量研究其与空气质量的关系,然后分解道路面积,进一步深入研究和比较道路的加长与拓宽分别对空气质量的影响。

3.控制变量的选取及数据处理

选取的控制变量有:一是汽车保有量(car)。城市机动车尾气排放是空气污染的重要来源之一,由于难以获取车流量数据,因此具体测度用汽车保有量替代城市车流量,控制了汽车尾气排放对空气质量的影响。二是产业结构指数(second),具体测度为第二产业生产总值占该城市年度生产总值的比重,但是工业废气污染具有明显的空间溢出效应,一个地区的空气如果污染很严重,邻近城市即使工业基础很薄弱空气质量也会被污染,为此,采用临近城市的加权产业结构指数来控制产业结构对空气质量的影响。三是技术进步(RD)。具体用科研经费投入量占GDP的比重来测度。四是对外开放程度(FDI),具体用外商直接投资占GDP的比重来测度。其他控制变量有人口密度(pdensity)、经济增长(pGDP)、城市化率(cpratio)、人均绿地面积(pcgrea)和人行道面积(peosqu)等。

(二)数据说明和样本描述

使用我国86个地级市2004—2019年的面板数据进行实证研究。空气污染指数来源于中国环境保护部监测数据;道路投资存量数据来源于交通统计年鉴和CEIC中国经济数据库,轨道交通数据由笔者整理而得,其余数据均来源于CEIC中国经济数据库。同时根据人均GDP的大小和科技的发达程度,将86个城市分为Ⅰ类城市和Ⅱ类城市⑤两类,其中,Ⅰ类城市39个,Ⅱ类城市47个。样本变量的描述性统计如表1所示。

表 1 变量的描述性统计量

(三)实证模型

为控制无法观测的个体异质性和时间异质性,选用固定效应模型对面板数据进行实证分析。根据第二部分的理论推导结论,由公式(11)构建如下模型:

lnAQIi,t=α1lnsqui,t+α2Zi,t+μi+εi,t

(12)

其中,lnsqui,t表示城市i在t年的道路面积存量,Zi,t表示控制变量,μj代表个体异质性的截距项,εj,t是误差项。

由公式(12)进行实证分析可以判断城市道路投资能否影响空气质量。而城市道路投资对空气质量的影响可能由道路加长或者拓宽而产生,但是我们并不能判断这种影响效果的具体来源,为此,将道路面积分解为长度和宽度进一步实证研究,并构造如下固定效应模型:

lnAQIi,t=β1lnlongthi,t+β2lnwidthi,t+

β3Zi,t+μi+εi,t

(13)

其中,longthi,t表示城市i在t年的道路长度,widthi,t表示道路宽度,其余变量与上述相同。

为研究空气污染的滞后性,采用动态系统GMM模型进行实证分析:

lnAQIi,t=γ1logAQIi,t-1+γ2lnlongthi,t+

γ3lnwidthi,t+γ4Zi,t+μi+εi,t

(14)

三、实证分析

(一)道路面积与空气污染

采用豪斯曼检验方法对样本数据进行检验,P值为0.000 0,使用固定效应模型进行实证分析效果较好。考虑到研究的86个地级市的个体效应以及时间效应,对计量方程(12)分别用不同方法进行估计,实证结果如表2所示。

表2 道路面积对空气质量影响的实证结果

在固定效应模型的结果中,道路面积的系数为-0.061 6,在1%的置信水平下通过检验,说明现阶段城市道路投资对空气质量的改善起到很大的促进作用。一方面,道路面积的增大使道路拥堵程度降低,汽车减少不必要的停车、启动和加速等加大尾气排放的举动,能够有效改善空气质量;另一方面,随着经济增长,汽车保有量逐年增长,道路面积增长能够满足交通需求,使道路通畅程度保持平衡,空气质量不会进一步恶化。

汽车保有量的系数为0.032 5,显著为正,说明汽车保有量的增加会使空气质量变差。如果道路投资增长率跟不上汽车保有量增长步伐,会导致交通通畅程度降低,使空气恶化。对比城市道路面积和汽车保有量的系数可以发现:城市道路面积的系数远远大于汽车保有量系数的绝对值,并且在1%的显著性水平下通过Wald检验,即道路面积和汽车保有量增长率相同时,空气质量将得到改善。这主要是由于道路投资对改善交通通畅程度的效果是边际递增的,道路投资增大,道路之间的交叉程度增加,车辆在道路之间的切换更容易,能够更为有效地来改善交通通畅程度,空气质量得到改善。

控制变量中,修正的产业结构指数的系数显著为正并且很大,说明城市的产业结构对空气质量产生很大影响。由于中国工业消耗的能源以煤炭为主,因此第二产业比重越高,空气污染越严重。产业结构指数是本市与邻近城市的产业结构指数的加权平均值,采用各种方法进行估计的结果都通过显著性检验,说明空气污染存在很明显的空间集聚效应。技术水平系数为负但不显著,说明现阶段科技创新水平还很落后,并不能对调整产业结构、改善空气质量做出明显贡献。

动态面板模型中的空气污染指数滞后项的系数为0.467,并且在1%的置信水平下通过检验,这也证实了空气污染物影响的持续性,当期空气质量受到前期空气质量的影响较大。因此,治理空气污染需要持久性、全方位地改革创新,加强技术替代和产业升级,使能源利用效率提高,GDP的能源强度降低,实现经济与环境可持续发展。

(二)道路长度、宽度与空气污染

进一步对道路加长和拓宽分别对空气质量影响的计量模型(13)进行估计,实证结果如表3所示。道路长度和宽度的系数均显著为负,说明道路加长和拓宽都对空气质量产生正效应。可能的原因是:从长期来看,加长道路会使道路周边由于交通便利吸引居民沿路建房定居,可以重塑城市布局,使城市规模扩大,汽车的分布密度下降,车流缓慢症状得到有效诊治,从而改善空气质量;而拓宽道路使原本拥堵的路段有更大的行驶空间,能同时容纳更多车辆,也可以使交通拥堵路段的拥堵程度得到缓解,减少汽车尾气排放。

值得注意的是:道路长度的系数大于道路宽度的系数,Wald检验的结果也表明了该结论的显著性,这说明加长道路对改善空气质量的作用要大于拓宽道路。可能的原因是:拓宽道路往往难度较大,道路两旁布局一般已经很完善,拓宽道路很可能会涉及拆迁等难题,并且在拓宽过程中还会对原有道路的使用情况造成影响;道路拓宽过多可能使车辆超速等违章情况增加,导致交通事故频率增加,交通事故发生会降低道路通畅程度,使汽车尾气排放增加。这些因素都导致加长道路对空气质量的改善作用比拓宽道路更加显著。

表3 道路长度和宽度的投资对空气质量的影响的实证结果

(三)城市轨道交通、公路投资与空气污染

从长远来看,城市公路投资能够改善空气质量,对正处于城市化进程中的中国,城市公路投资是很有必要的。但是,实证结果表明,每增加1%的城市公路投资,空气污染指数减少远低于0.1%,即城市公路投资对空气质量的改善效果不明显。而近几年全国各大城市都在积极申报轨道交通项目,申请的原因都是为了改善交通拥堵状况和空气质量。

在计量方程(12)中加入地级市轨道交通的运营长度(rail)作为解释变量,同时加入气候因素控制变量,选取风速、温度和湿度代表气象因素,从而控制气象因素对空气质量的影响,同时控制季节变量。以35个开通和在建轨道交通的地级市为样本城市,用2013年至2019年季度面板数据进行实证分析。轨道交通数据由轨道交通协会的数据整理而得,地方政府官员的数据来源于各个地方政府官网,已离退官员的数据主要经由百度搜索引擎搜索官员的简介整理而得;日均气温、风速和湿度等自然气候数据来源于中国气象科学数据共享服务网。

表4是具体实证估计结果,第二至第四列为固定效应模型的实证结果,第五列为个体效应的实证结果。由于轨道交通在近五年才得到快速发展,考虑数据的可获得性,只使用了35个地级市2013年至2019年的季度面板数据进行实证研究,不使用个体效应模型估计方法进行实证分析。

固定效应(3)的结果显示,轨道交通长度的系数为-0.310,并且通过5%的显著性水平检验。即轨道交通每增加1%,空气质量指数将下降0.4%,说明建设轨道交通能够有效改善空气质量。这主要是由于轨道交通的建设使得居民出行可供选择的方式增加,减少了对私家车等交通工具的依赖,提高了平均车速,使汽车尾气排放的绝对量和相对量两方面都有所减少,大大缓解了汽车的使用和交通拥堵等对空气质量的影响。道路面积的系数为-0.021 8,通过5%的置信水平检验,说明城市公路投资对空气质量改善具有正效应。但是,对比道路面积的系数和轨道交通投资的系数可以发现,城市轨道交通投资对空气质量的改善作用大大优于城市公路投资。从实证结果的系数看,城市公路投资对空气质量的改善作用不及轨道交通的十分之一。所以,从治理空气污染的角度看,交通投资应该更加注重轨道交通的投资。

表4 城市轨道交通投资对空气质量影响的实证研究结果

(四)稳健性检验

为检验实证结果的稳健性,从总样本中抽取Ⅱ类城市进一步进行实证分析,并利用随机效应模型进行实证分析。考虑到这些城市的道路投资潜力要优于Ⅰ类城市,在未来一段时间道路投资的增长速度将保持较高水平,因此,有必要进一步深入研究这些城市的道路投资与空气质量的关系。由表5的结果可知,Ⅱ类城市样本数据的实证结果与总样本是一致的。但是与表2—表4对比可以发现,表5所列的Ⅱ类城市实证结果的系数明显要大于总样本的实证结果的系数,即Ⅱ类城市道路投资对空气质量的改善作用大于Ⅰ类城市。

表5 稳健性检验实证结果

四、结论及建议

实证分析发现:现阶段增大道路投资增长率能够改善空气质量,但作用较小;增加道路长度对降低空气质量污染的效应要超过道路宽度的影响;轨道交通投资能够有效改善空气质量,轨道交通投资每增加1%,AQI指数至少下降0.2%,而城市道路投资每增加1%,AQI指数只能下降0.06%左右,说明轨道交通对空气质量的改善作用明显优于城市道路投资。这说明地方政府大规模修建轨道交通以改善空气质量的决策是正确的。根据上述结论,提出如下建议:地方政府应根据经济发展情况预测汽车保有量的增长速率来匹配相应的道路投资增长速度;政府将道路加长构建多中心城市体系,重塑城市布局,适度增加与汽车保有量增速相匹配的城市道路投资,尤其应该注重道路面积的增长,从而改善城市交通的通畅程度,降低大气污染物的排放, 实现城市交通的平衡与充分发展;地方政府应加大投资建立轻轨、云轨等轨道交通,合理规划城市公交路线,改善城市道路拥堵状况以满足城市居民的交通需求。

注释：

①根据国家环境保护部发布的《建设项目环境影响报告书》中“汽车尾气中污染物浓度与行驶速度的关系”标准参考值,汽车在空挡或低速状态下CO和THC的排放为经济车速状态下的2～3倍。经济车速是指最节能的车速,一般为最高时速的50%～75%。

②为简化模型,不考虑汽车性能等因素对最优行车速度和出行时间的影响,出行时间仅与交通基础设施建设情况和路面车流量大小相关;假设居民的生命和道路投资都是无限期的(居民的生命代际相传,不断延续);假设居民的效用水平满足边际效用递减的规律,居民消费等量的其他商品,即Zi,t=Z0为常数。

③API是一种表征空气污染程度的无量纲指数。该指数是根据几种主要的空气污染物浓度以及污染物在某种浓度下的持续时间来确定的,参与API评价的污染物包括细颗粒物(粒径≤2.5 μm,即通常所说的PM2.5)、可吸入颗粒物(粒径≤10 μm,即PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)6项。本文所使用的API数据是各个地级市环境保护部门根据2013年以前中国环境保护部门采用的监测标准而监测得到的数据。2013年以后,环境保护部采用最新的监测标准,改为公布AQI数据,监测频率和监测的污染因子较API指数更多。

④API数据是各个地级市环境保护部门根据2013年以前中国环境保护部采用的监测标准而监测得到的数据。2013年以后,环境保护部采用最新的监测标准,改为公布AQI数据,监测频率和监测的污染因子较API指数更多。

⑤根据2012年中国城市发展网引用第一财经周刊的数据,将一线和二线城市归类Ⅰ类城市,将三线和四线城市归类为Ⅱ类城市。