城市交通基礎設施投資與空氣污染*
——基于中國城市的理論分析和實證研究

李 娟

(安徽科技學院 財經(jīng)學院,安徽 蚌埠 233030)

隨著我國城市規(guī)模的不斷擴大,汽車數(shù)量也在快速增長。但我國城市道路基礎設施增長率嚴重滯后于汽車數(shù)量的增長,導致車速緩慢甚至出現(xiàn)道路擁堵狀況。道路擁堵會導致汽車發(fā)動機內燃料燃燒不充分,汽車尾氣中含有的污染物質比以經(jīng)濟車速行駛時高出數(shù)倍①,從而使城市空氣污染加重[1]。除了提高汽車尾氣的排放標準以外,地方政府采取有效措施改善道路通暢程度可能是改善城市空氣質量的一個有效途徑。通常從供給和需求兩個角度尋找提高道路通暢程度的辦法。從需求角度,通過實施交通管制、限號和限購等政策,減少城市車輛出行頻率和汽車保有量。然而從長遠角度看,城市化的目的是在環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的同時使公眾效用最大化。這種限制車輛數(shù)量的方法會使居民行車需求受到不同程度的抑制,導致社會福利下降。所以,在中國人均汽車保有量相對較低的情況下,采用抑制車輛需求來提高城市空氣質量也許不是最好的選擇。從供給角度,加大城市道路投資能夠增加城市道路面積,緩解交通擁堵,可以減輕由于車速緩慢帶來的尾氣污染[2,3]。此外,增加軌道交通投資,形成多元化的交通模式,可以使空氣污染下降[4,5]。也有人認為軌道交通建設對改善空氣質量的凈作用不明顯[6]。為此,對中國現(xiàn)階段的城市道路投資與改善空氣質量之間的關系進行理論與實證研究,旨在對中國城市化過程中的城市道路建設與空氣污染問題提供有益信息與決策參考。

一、理論模型分析

參考Grossman[7]的理論模型②,用居民在單位路程的實際駕車時間表示道路通暢程度。假設單個居民在各個時期的效用函數(shù)是:

(1)

(2)

(3)

其中,cari,t表示i城市的汽車保有量,URIIi,t表示道路投資存量。剔除其他因素的影響,居民開車時間主要與汽車保有量和道路投資存量相關,所以假設居民在t時間的實際駕車時間與潛在駕車時間的差額主要由汽車保有量和道路投資存量決定。由(2)和(3)可得:

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

(4)

而空氣質量不僅與居民駕車出行時間有關,還與其他城市交通基礎設施完善程度(城市綠化水平和人行道面積)、公共交通系統(tǒng)建設水平(公共交通和軌道交通)、經(jīng)濟發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結構、人口密度、技術水平、外商直接投資水平、城市化率、政府官員特性以及自然原因等因素息息相關。所以,空氣質量的函數(shù)表達式為:

(5)

其中,cari,t表示汽車保有量,URIIi,t表示道路投資存量,Xi,t包括如下控制變量以及固定效應。

以上理論分析基本理清了空氣質量與道路投資和汽車保有量等因素之間的關系。具體效用函數(shù)形式如下:

α>0,β>0,δ>0

(6)

(7)

根據(jù)(6)的函數(shù)表達式,效用函數(shù)應該滿足以下約束條件:α>0,β>0,δ>0;由于潛在行車時間與道路通暢水平相關,道路投資力度越大、汽車保有量越低,道路越暢通,潛在行車時間越短,所以κ>0,φ<0。由(5)可知:

(8)

(9)

再由(7)、(8)和(9)式可得:

(10)

對上述(10)取對數(shù),進一步化簡可得:

lnAi,t=κηln(cari,t)+φηln(URIIi,t)+

ln(Xi,t)+constant

(11)

其中,lnAi,t表示i城市在t年的空氣質量指數(shù),lnURIIi,t表示i城市在t年的道路投資存量,Xi,t表示控制變量組,constant是常數(shù)項。

由函數(shù)的定義和條件約束可得:κ>0,φ<0,η>0。η指居民的實際行車時間對空氣質量影響的系數(shù);κ和φ分別指城市汽車保有量和城市公路投資存量對空氣質量的影響系數(shù)。由于實際行車時間由城市的汽車保有量和道路投資存量決定,汽車保有量越大、城市公路投資存量越小,則單位路程的實際行車時間越長。用道路投資存量和汽車保有量表示單位路程的實際行車時間對空氣質量的影響,公式(11)得以成立。由于汽車保有量對空氣污染指數(shù)的影響系數(shù)為κη>0,說明汽車保有量對空氣質量有負效應。汽車保有量增加,不僅在總量上使汽車尾氣排放增加,也使得車速變慢,單位路程的行車時間變長,進一步加劇空氣污染。而道路投資對空氣的影響系數(shù)φη<0,可得道路投資對空氣污染有抑制作用。還可以通過對比系數(shù)κη和φη得到道路投資和汽車保有量對空氣質量的作用效果的顯著性。如果κη的絕對值大于φη,那么,道路投資的增長率要大于汽車保有量增長率才能夠改善空氣質量。

二、實證模型構建與數(shù)據(jù)選擇

(一)變量選取

1.空氣污染變量

空氣污染指數(shù)(AQI)反映空氣質量的實際情況[8]。由于原環(huán)保部在2000年以后才開始監(jiān)測空氣污染指數(shù),所以所選取的86個城市中只有47個地級市在2000年開始公布API③的數(shù)據(jù),其余39個地級市在2004年以后開始公布API數(shù)據(jù),所以樣本從2004年開始到2019年結束。2013年以前選用API數(shù)據(jù),2013年后選用AQI數(shù)據(jù)④。

2．城市交通變量

選用道路面積(squ)、道路長度(longth)和道路寬度(width)作為重要解釋變量。道路投資變量主要有道路投資年度完成額和道路存量。由于道路投資存量能夠直觀反映道路投資的實際情況,所以作為道路投資的測度變量更為合理。實證分析中先使用城市道路面積代表道路存量研究其與空氣質量的關系,然后分解道路面積,進一步深入研究和比較道路的加長與拓寬分別對空氣質量的影響。

3.控制變量的選取及數(shù)據(jù)處理

選取的控制變量有:一是汽車保有量(car)。城市機動車尾氣排放是空氣污染的重要來源之一,由于難以獲取車流量數(shù)據(jù),因此具體測度用汽車保有量替代城市車流量,控制了汽車尾氣排放對空氣質量的影響。二是產(chǎn)業(yè)結構指數(shù)(second),具體測度為第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值占該城市年度生產(chǎn)總值的比重,但是工業(yè)廢氣污染具有明顯的空間溢出效應,一個地區(qū)的空氣如果污染很嚴重,鄰近城市即使工業(yè)基礎很薄弱空氣質量也會被污染,為此,采用臨近城市的加權產(chǎn)業(yè)結構指數(shù)來控制產(chǎn)業(yè)結構對空氣質量的影響。三是技術進步(RD)。具體用科研經(jīng)費投入量占GDP的比重來測度。四是對外開放程度(FDI),具體用外商直接投資占GDP的比重來測度。其他控制變量有人口密度(pdensity)、經(jīng)濟增長(pGDP)、城市化率(cpratio)、人均綠地面積(pcgrea)和人行道面積(peosqu)等。

(二)數(shù)據(jù)說明和樣本描述

使用我國86個地級市2004—2019年的面板數(shù)據(jù)進行實證研究?？諝馕廴局笖?shù)來源于中國環(huán)境保護部監(jiān)測數(shù)據(jù);道路投資存量數(shù)據(jù)來源于交通統(tǒng)計年鑒和CEIC中國經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫,軌道交通數(shù)據(jù)由筆者整理而得,其余數(shù)據(jù)均來源于CEIC中國經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫。同時根據(jù)人均GDP的大小和科技的發(fā)達程度,將86個城市分為Ⅰ類城市和Ⅱ類城市⑤兩類,其中,Ⅰ類城市39個,Ⅱ類城市47個。樣本變量的描述性統(tǒng)計如表1所示。

表 1 變量的描述性統(tǒng)計量

(三)實證模型

為控制無法觀測的個體異質性和時間異質性,選用固定效應模型對面板數(shù)據(jù)進行實證分析。根據(jù)第二部分的理論推導結論,由公式(11)構建如下模型:

lnAQIi,t=α1lnsqui,t+α2Zi,t+μi+εi,t

(12)

其中,lnsqui,t表示城市i在t年的道路面積存量,Zi,t表示控制變量,μj代表個體異質性的截距項,εj,t是誤差項。

由公式(12)進行實證分析可以判斷城市道路投資能否影響空氣質量。而城市道路投資對空氣質量的影響可能由道路加長或者拓寬而產(chǎn)生,但是我們并不能判斷這種影響效果的具體來源,為此,將道路面積分解為長度和寬度進一步實證研究,并構造如下固定效應模型:

lnAQIi,t=β1lnlongthi,t+β2lnwidthi,t+

β3Zi,t+μi+εi,t

(13)

其中,longthi,t表示城市i在t年的道路長度,widthi,t表示道路寬度,其余變量與上述相同。

為研究空氣污染的滯后性,采用動態(tài)系統(tǒng)GMM模型進行實證分析:

lnAQIi,t=γ1logAQIi,t-1+γ2lnlongthi,t+

γ3lnwidthi,t+γ4Zi,t+μi+εi,t

(14)

三、實證分析

(一)道路面積與空氣污染

采用豪斯曼檢驗方法對樣本數(shù)據(jù)進行檢驗,P值為0.000 0,使用固定效應模型進行實證分析效果較好?？紤]到研究的86個地級市的個體效應以及時間效應,對計量方程(12)分別用不同方法進行估計,實證結果如表2所示。

表2 道路面積對空氣質量影響的實證結果

在固定效應模型的結果中,道路面積的系數(shù)為-0.061 6,在1%的置信水平下通過檢驗,說明現(xiàn)階段城市道路投資對空氣質量的改善起到很大的促進作用。一方面,道路面積的增大使道路擁堵程度降低,汽車減少不必要的停車、啟動和加速等加大尾氣排放的舉動,能夠有效改善空氣質量;另一方面,隨著經(jīng)濟增長,汽車保有量逐年增長,道路面積增長能夠滿足交通需求,使道路通暢程度保持平衡,空氣質量不會進一步惡化。

汽車保有量的系數(shù)為0.032 5,顯著為正,說明汽車保有量的增加會使空氣質量變差。如果道路投資增長率跟不上汽車保有量增長步伐,會導致交通通暢程度降低,使空氣惡化。對比城市道路面積和汽車保有量的系數(shù)可以發(fā)現(xiàn):城市道路面積的系數(shù)遠遠大于汽車保有量系數(shù)的絕對值,并且在1%的顯著性水平下通過Wald檢驗,即道路面積和汽車保有量增長率相同時,空氣質量將得到改善。這主要是由于道路投資對改善交通通暢程度的效果是邊際遞增的,道路投資增大,道路之間的交叉程度增加,車輛在道路之間的切換更容易,能夠更為有效地來改善交通通暢程度,空氣質量得到改善。

控制變量中,修正的產(chǎn)業(yè)結構指數(shù)的系數(shù)顯著為正并且很大,說明城市的產(chǎn)業(yè)結構對空氣質量產(chǎn)生很大影響。由于中國工業(yè)消耗的能源以煤炭為主,因此第二產(chǎn)業(yè)比重越高,空氣污染越嚴重。產(chǎn)業(yè)結構指數(shù)是本市與鄰近城市的產(chǎn)業(yè)結構指數(shù)的加權平均值,采用各種方法進行估計的結果都通過顯著性檢驗,說明空氣污染存在很明顯的空間集聚效應。技術水平系數(shù)為負但不顯著,說明現(xiàn)階段科技創(chuàng)新水平還很落后,并不能對調整產(chǎn)業(yè)結構、改善空氣質量做出明顯貢獻。

動態(tài)面板模型中的空氣污染指數(shù)滯后項的系數(shù)為0.467,并且在1%的置信水平下通過檢驗,這也證實了空氣污染物影響的持續(xù)性,當期空氣質量受到前期空氣質量的影響較大。因此,治理空氣污染需要持久性、全方位地改革創(chuàng)新,加強技術替代和產(chǎn)業(yè)升級,使能源利用效率提高,GDP的能源強度降低,實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

(二)道路長度、寬度與空氣污染

進一步對道路加長和拓寬分別對空氣質量影響的計量模型(13)進行估計,實證結果如表3所示。道路長度和寬度的系數(shù)均顯著為負,說明道路加長和拓寬都對空氣質量產(chǎn)生正效應?？赡艿脑蚴?從長期來看,加長道路會使道路周邊由于交通便利吸引居民沿路建房定居,可以重塑城市布局,使城市規(guī)模擴大,汽車的分布密度下降,車流緩慢癥狀得到有效診治,從而改善空氣質量;而拓寬道路使原本擁堵的路段有更大的行駛空間,能同時容納更多車輛,也可以使交通擁堵路段的擁堵程度得到緩解,減少汽車尾氣排放。

值得注意的是:道路長度的系數(shù)大于道路寬度的系數(shù),Wald檢驗的結果也表明了該結論的顯著性,這說明加長道路對改善空氣質量的作用要大于拓寬道路?？赡艿脑蚴?拓寬道路往往難度較大,道路兩旁布局一般已經(jīng)很完善,拓寬道路很可能會涉及拆遷等難題,并且在拓寬過程中還會對原有道路的使用情況造成影響;道路拓寬過多可能使車輛超速等違章情況增加,導致交通事故頻率增加,交通事故發(fā)生會降低道路通暢程度,使汽車尾氣排放增加。這些因素都導致加長道路對空氣質量的改善作用比拓寬道路更加顯著。

表3 道路長度和寬度的投資對空氣質量的影響的實證結果

(三)城市軌道交通、公路投資與空氣污染

從長遠來看,城市公路投資能夠改善空氣質量,對正處于城市化進程中的中國,城市公路投資是很有必要的。但是,實證結果表明,每增加1%的城市公路投資,空氣污染指數(shù)減少遠低于0.1%,即城市公路投資對空氣質量的改善效果不明顯。而近幾年全國各大城市都在積極申報軌道交通項目,申請的原因都是為了改善交通擁堵狀況和空氣質量。

在計量方程(12)中加入地級市軌道交通的運營長度(rail)作為解釋變量,同時加入氣候因素控制變量,選取風速、溫度和濕度代表氣象因素,從而控制氣象因素對空氣質量的影響,同時控制季節(jié)變量。以35個開通和在建軌道交通的地級市為樣本城市,用2013年至2019年季度面板數(shù)據(jù)進行實證分析。軌道交通數(shù)據(jù)由軌道交通協(xié)會的數(shù)據(jù)整理而得,地方政府官員的數(shù)據(jù)來源于各個地方政府官網(wǎng),已離退官員的數(shù)據(jù)主要經(jīng)由百度搜索引擎搜索官員的簡介整理而得;日均氣溫、風速和濕度等自然氣候數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)。

表4是具體實證估計結果,第二至第四列為固定效應模型的實證結果,第五列為個體效應的實證結果。由于軌道交通在近五年才得到快速發(fā)展,考慮數(shù)據(jù)的可獲得性,只使用了35個地級市2013年至2019年的季度面板數(shù)據(jù)進行實證研究,不使用個體效應模型估計方法進行實證分析。

固定效應(3)的結果顯示,軌道交通長度的系數(shù)為-0.310,并且通過5%的顯著性水平檢驗。即軌道交通每增加1%,空氣質量指數(shù)將下降0.4%,說明建設軌道交通能夠有效改善空氣質量。這主要是由于軌道交通的建設使得居民出行可供選擇的方式增加,減少了對私家車等交通工具的依賴,提高了平均車速,使汽車尾氣排放的絕對量和相對量兩方面都有所減少,大大緩解了汽車的使用和交通擁堵等對空氣質量的影響。道路面積的系數(shù)為-0.021 8,通過5%的置信水平檢驗,說明城市公路投資對空氣質量改善具有正效應。但是,對比道路面積的系數(shù)和軌道交通投資的系數(shù)可以發(fā)現(xiàn),城市軌道交通投資對空氣質量的改善作用大大優(yōu)于城市公路投資。從實證結果的系數(shù)看,城市公路投資對空氣質量的改善作用不及軌道交通的十分之一。所以,從治理空氣污染的角度看,交通投資應該更加注重軌道交通的投資。

表4 城市軌道交通投資對空氣質量影響的實證研究結果

(四)穩(wěn)健性檢驗

為檢驗實證結果的穩(wěn)健性,從總樣本中抽?、蝾惓鞘羞M一步進行實證分析,并利用隨機效應模型進行實證分析?？紤]到這些城市的道路投資潛力要優(yōu)于Ⅰ類城市,在未來一段時間道路投資的增長速度將保持較高水平,因此,有必要進一步深入研究這些城市的道路投資與空氣質量的關系。由表5的結果可知,Ⅱ類城市樣本數(shù)據(jù)的實證結果與總樣本是一致的。但是與表2—表4對比可以發(fā)現(xiàn),表5所列的Ⅱ類城市實證結果的系數(shù)明顯要大于總樣本的實證結果的系數(shù),即Ⅱ類城市道路投資對空氣質量的改善作用大于Ⅰ類城市。

表5 穩(wěn)健性檢驗實證結果

四、結論及建議

實證分析發(fā)現(xiàn):現(xiàn)階段增大道路投資增長率能夠改善空氣質量,但作用較小;增加道路長度對降低空氣質量污染的效應要超過道路寬度的影響;軌道交通投資能夠有效改善空氣質量,軌道交通投資每增加1%,AQI指數(shù)至少下降0.2%,而城市道路投資每增加1%,AQI指數(shù)只能下降0.06%左右,說明軌道交通對空氣質量的改善作用明顯優(yōu)于城市道路投資。這說明地方政府大規(guī)模修建軌道交通以改善空氣質量的決策是正確的。根據(jù)上述結論,提出如下建議:地方政府應根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展情況預測汽車保有量的增長速率來匹配相應的道路投資增長速度;政府將道路加長構建多中心城市體系,重塑城市布局,適度增加與汽車保有量增速相匹配的城市道路投資,尤其應該注重道路面積的增長,從而改善城市交通的通暢程度,降低大氣污染物的排放, 實現(xiàn)城市交通的平衡與充分發(fā)展;地方政府應加大投資建立輕軌、云軌等軌道交通,合理規(guī)劃城市公交路線,改善城市道路擁堵狀況以滿足城市居民的交通需求。

注釋：

①根據(jù)國家環(huán)境保護部發(fā)布的《建設項目環(huán)境影響報告書》中“汽車尾氣中污染物濃度與行駛速度的關系”標準參考值,汽車在空擋或低速狀態(tài)下CO和THC的排放為經(jīng)濟車速狀態(tài)下的2～3倍。經(jīng)濟車速是指最節(jié)能的車速,一般為最高時速的50%～75%。

②為簡化模型,不考慮汽車性能等因素對最優(yōu)行車速度和出行時間的影響,出行時間僅與交通基礎設施建設情況和路面車流量大小相關;假設居民的生命和道路投資都是無限期的(居民的生命代際相傳,不斷延續(xù));假設居民的效用水平滿足邊際效用遞減的規(guī)律,居民消費等量的其他商品,即Zi,t=Z0為常數(shù)。

③API是一種表征空氣污染程度的無量綱指數(shù)。該指數(shù)是根據(jù)幾種主要的空氣污染物濃度以及污染物在某種濃度下的持續(xù)時間來確定的,參與API評價的污染物包括細顆粒物(粒徑≤2.5 μm,即通常所說的PM2.5)、可吸入顆粒物(粒徑≤10 μm,即PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、一氧化碳(CO)6項。本文所使用的API數(shù)據(jù)是各個地級市環(huán)境保護部門根據(jù)2013年以前中國環(huán)境保護部門采用的監(jiān)測標準而監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)。2013年以后,環(huán)境保護部采用最新的監(jiān)測標準,改為公布AQI數(shù)據(jù),監(jiān)測頻率和監(jiān)測的污染因子較API指數(shù)更多。

④API數(shù)據(jù)是各個地級市環(huán)境保護部門根據(jù)2013年以前中國環(huán)境保護部采用的監(jiān)測標準而監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)。2013年以后,環(huán)境保護部采用最新的監(jiān)測標準,改為公布AQI數(shù)據(jù),監(jiān)測頻率和監(jiān)測的污染因子較API指數(shù)更多。

⑤根據(jù)2012年中國城市發(fā)展網(wǎng)引用第一財經(jīng)周刊的數(shù)據(jù),將一線和二線城市歸類Ⅰ類城市,將三線和四線城市歸類為Ⅱ類城市。