轨道交通、BRT与空气质量

高明 陈丽强 郭施宏

摘要 兴建轨道交通、BRT被认为是改善城市空气质量的一项有效举措，但在中国缺乏经验证据。利用断点回归方法，分别考察了2014—2016年全国新开通的40条轨道交通线路与24条BRT线路对空气质量指数（AQI）的影响，结果表明：轨道交通、BRT的开通对空气质量具有显著且稳健的改善作用。进一步结合城市异质性、交通规模与模式特点发现：①当城市经济水平较低（人均GDP<10万）且人口规模介于100萬～500万时，开通轨道交通或者BRT均能缓解城市空气污染程度；当城市经济水平较发达（人均GDP≥10万）且人口规模介于500万～1000万时，开通轨道交通能显著地降低空气污染物浓度。②从交通规模效应出发，现有轨道交通的累积里程越长，新开通轨道交通线路对空气质量的改善作用越强，而针对发挥BRT线路的环境正外部性，其里程的最优规模应保持在50～100 km范围内。③不同交通模式视角，BRT_subway模式的城市其新开通轨道交通线路能显著地改善空气质量，但对于subway_BRT模式的城市新开通BRT线路，这并不能带来明显的环保效应。因此，为了避免城市盲目发展轨道交通、BRT现象的发生，二线、三线城市从投入成本考虑，选择新建BRT不失为一项更为合理的措施；对于部分一线城市而言，新建轨道交通或者BRT均难以实现其环保效益。同时，我国的轨道交通规模尚未达到饱和状态，政府应进一步投入资源加以完善；而BRT环境正外部性的发挥要求城市应合理规划BRT里程建设，保证其经济与环境双重效益的实现。此外，对于目前同时拥有轨道交通与BRT设施的城市而言，在现有轨道交通基础上再开通BRT线路这一决策应进行充分的评估。

关键词 轨道交通；BRT；空气质量；断点回归；城市异质性

中图分类号 F572文献标识码 A文章编号 1002-2104（2018）06-0073-07DOI：10.12062/cpre.20171221

空气污染问题深刻影响着社会的生产与生活活动，威胁着人类健康。有研究显示，严重的空气污染将损害儿童的中枢神经系统，引起心血管疾病、哮喘等危害[1-3]。根据我国环境保护部公布的2013—2016年空气质量监测结果显示，空气质量超标城市率仍达到75.1%，空气污染已经成为快速人口城市化与土地城市化过程中不得不考虑的问题[4]。面对如此严峻的空气污染形势，学者研究得出交通运输产生的尾气排放是空气污染的重要来源，且不容忽视[5]。我国城市空气污染物中37.8%的PM10、30.7%的SO2以及50.3%的NO2均来自机动车尾气的排放[6]。为了缓解日益严重的空气污染和城市交通拥堵问题，不少学者提倡发展轨道交通与快速公交系统（Bus Rapid Transit，简称BRT）这种低污染且高效的公共交通工具[7-8]。截至2016年底，全国共有28个城市开通了3 856 km的轨道交通运营线路，26个城市开通了BRT，其运营总长度超过3 000 km。其中，北京和上海轨道交通运营里程约1 200 km，天津、广州、大连、武汉、重庆、深圳、南京、成都、长沙等9个城市均超过100 km。可以说，兴建轨道交通、BRT逐步成为了一股热潮，越来越多的城市开始加入到轨道交通、BRT建设的队伍中，并充分挖掘其节能减排优势。那么，兴建轨道交通与BRT的效果究竟如何？就我国研究现状而言，梁若冰和席鹏辉[9]发现轨道交通产生的环境效益具有城市异质性，他们提出应根据城市不同的人口规模、密度以及污染程度制定不同的交通政策，但对于建设BRT所带来的环境效益，BRT与轨道交通二者关系分析以及二者可能产生不同的环保效益缺乏足够的经验证据。因此，如何准确识别与测量城市轨道交通、BRT的环保效应具有一定的现实意义。通常而言，城市异质性指城市之间在地理位置、资源禀赋、社会经济环境等方面存在较大的差异，而本文讨论的异质性是假定短时间内城市自然条件并不会有系统性差别的前提下的城市人口、经济差异性。基于此，本文以城市轨道交通、BRT作为研究对象，利用断点回归方法（Regression Discontinuity，简称RD），分别考察轨道交通与BRT的环保效应。主要回答的问题是：轨道交通、BRT的开通是否改善了城市空气质量？并在控制城市自然条件的基础上考察不同人口、经济条件，交通规模及交通模式的城市开通新线路的减排效应是否存在差异，以期为不同城市发展轨道交通与BRT提供一定的参考建议。

1 文献综述

就轨道交通与空气质量的关系，存在两种理论：交通转移理论与交通创造理论。基于替代性政策角度，交通转移理论认为轨道交通的减排作用是通过改变出行者的出行方式，让出行者选择更为清洁、高效的轨道交通，从而发生一定的交通转移效应[10]。而交通创造理论则是对交通转移理论提出了挑战，认为交通的转移效应作用有限，且在一定程度上提高了人们从市区迁移到郊区的可能性，创造出更多的通勤需求和更远的通勤距离，这将加剧城市交通压力与空气污染[11]。目前，大部分学者的研究较为支持交通转移理论，认为兴建轨道交通是通过客流量的转移起到改善城市空气质量的作用。许楠希[12]研究得出轨道交通对于交通的低碳化发挥着重要作用，其每公里的平均碳排放量为0.049 kg/人，而公共汽车每公里的平均碳排放量为0.820 kg/人，因此轨道交通被认为是目前最为低碳的交通出行方式。Chen和Whalley[13]以台湾台北的轨道交通为研究对象，发现台北地铁的的开通运营可以减少9%～13%的CO。Zheng和Kahn[14]Goel和Sharma[15]基于研究轨道交通对空气质量的改善作用前提下，进一步验证了轨道交通减排效果是通过替代原有高耗能、高污染的出行方式而产生的，且这种减排效果具有一定的规模效应。进一步，梁若冰和席鹏辉[9]研究得出轨道交通是通过替代路面交通的使用尤其是替代出租车出行方式以形成一定的交通转移效应，最终达到空气质量的改善目的。

针对BRT与空气质量关系的相关研究中，Taotao和John[16]指出BRT具有初期投资成本低、维护成本低、运行灵活以及能够提供快速安全的服务等优势，因此被世界各国引入公共交通系统中；陈雪明[17]以BRT作为切入点，指出在人均收入水平不高、城市人口密度偏大的城市，优先发展公共交通是缓解城市交通问题的必由之路；胡润州[18]将轨道交通与BRT二者的成本、收益进行分析比较，得出并非只有軌道交通才能作为城市公共交通的骨干，如果经济不允许大规模建设轨道交通，发展BRT是一项有效缓解城市交通拥堵、减少环境污染的举措；高玉冰[8]等使用减排效果归一化和费用-效果方法分析，结果表明，私家车、出租车不具有协同控制效应，大力发展轨道交通、引入BRT可以实现大气污染与温室气体的协同减排。此外，也有部分国外学者实证研究BRT的治污减排效应，如Kumar[19]指出，与汽车、摩托车相比，BRT的运营效率较高，当出行者选择乘坐BRT，其产生的CO和HC的排放量相比下降了4%和9%；Queralt和Holst[20]运用双重差分模型与分位数回归方法，通过评估墨西哥城运营的BRT对空气污染排放的影响，发现BRT的运行可以有效减少CO、NOX、PM2.5和PM10的排放量。

从现有文献来看，关于轨道交通、BRT与空气质量的关系研究中，基本认为存在正向减排效应。与国外研究相比，国内研究成果较少，其中定量研究也只是以轨道交通为主，缺乏对BRT与空气质量关系的实证研究；在研究内容方面，较多的研究主要是针对某一种交通工具进行分析，以及检验其对空气污染是否存在负向作用，并未提供轨道交通与BRT之间关系的经验证据以及结合城市异质性进行进一步研究。因此，通过收集各相关城市的交通数据，运用断点回归方法，分别分析城市开通轨道交通与BRT对空气质量的影响，并在此基础上，检验开通轨道交通和BRT对空气质量的影响是否具有城市异质性，以及结合城市交通规模、模式的不同进一步探究二者之间的关系。

2 模型与数据

2.1 断点回归（RD）模型

断点回归方法（RD）能够有效地解决处理组与控制组难匹配问题以及遗漏变量的问题。

影响空气质量的因素很多，且轨道交通、BRT的通车时间存在较为确定的时间点分界线，而在此分界线两侧的短时间内，气候条件并不会有系统差别（天气条件概率分布基本相同），唯一的差别为是否通车，可将通车前后一段时间视为局部随机分组，用断点回归方法来识别是否通车对空气质量的影响。因此，本研究主要关注城市i新建的轨道交通或者BRT在第t天是否通车（transitit=〔1，0〕），这对空气质量AQIit是否有因果作用。

AQIit为城市i第t天空气质量指数；transitit为轨道交通（subway）或BRT通车变量，包括是否开通轨道交通的哑变量（0，1）、是否开通BRT的哑变量（0，1）；T=〔t-c〕表示距离通车的天数，c为通车时间，通车当天T为0，通车之前T为负值，之后T为正值。在时间T的多项式上，分别回归1-9阶多项式（即，j=1，2…，k，），依据AIC（Akaike Information Criterion）值进行多项式的优化选择，发现在大多数回归结果中，当时间T为9阶多项式时的AIC值最小，因此，无特殊说明本文的估计结果均选用9阶多项式结果。本研究关注的是β1的估计值，其表示通车前后的空气质量指数变动；Z为天气变量，包括日均气温、风速、相对湿度、是否有雨（0，1）；λt表示城市时间趋势项，ρi城市的个体固定效应；μit为随机扰动项。

2.2 数据与统计分析

为了能够更加准确地评估空气质量，本文采用了2012年环保部公布的新《环境空气质量标准》（GB3095-2012）的空气质量指数（AQI）。虽然说2012年新标准就已公布，但在2013年10月之后才开始对AQI 进行日报。因此，本文选取2014—2016年新开通且里程达到10 km以上的40条轨道交通线路与24条BRT线路进行分析，交通数据来源于各政府网站；解释变量为中华人民共和国环境保护部网站提供的2014—2016年日空气质量指数（AQI）；天气变量包括日均气温（temperature）、风速（wind）、相对湿度（humidity）、是否有雨（rain），数据来源于中国气象数据网；城市人口规模、经济水平分组的城市市辖区常住人口、人均GDP数据来源于各城市《国民经济与社会发展统计公报》。以轨道交通与BRT线路正式开通日期为分割线，将主要变量分为线路开通前（T<0）与开通后（T≥0）进行描述统计，如表1所示。

3 回归结果

3.1 断点回归

为了能够更直观地观察断点附近的空气质量变动状况，因此在进行RD回归之前，绘制了断点附近处的AQI指数的散点拟合图。图1、图2绘制了40条轨道交通线路与24条BRT线路通车前后40天的AQI指数拟合图，图中的垂直线是轨道交通、BRT是否通车的分界线。可以看到，受到轨道交通、BRT通车的影响使空气质量指数AQI出现了明显的断点，意味着可能存在一定的相关关系。

考虑到如果轨道交通或BRT开通时间在周末、五一、国庆等节假日期间，可能导致估计结果产生偏误，因此在模型中控制了节假日效应（0，1）；依据徐艳娴[21]关于中国北方城市冬季供暖对空气质量的影响研究，可知供暖期前后空气质量有较大差别，冬季供暖将加剧北方城市的空气污染。因此，本文在控制天气变量基础上，加入了是否为供暖期（0，1）。根据AIC的优化选择，表2分别汇报了9阶多项式拟合时间趋势时的轨道交通通车与BRT通车对空气质量的断点回归估计结果。从结果可知，轨道交通、BRT的开通产生的空气质量影响均为负向，且至少在1%显著性的水平上通过检验，说明城市开通轨道交通或者BRT均能对空气质量产生显著的改善作用。

3.2 稳健性检验

3.2.1 带宽检验

带宽选择是断点回归中的重要环节，当样本与断点的距离越近时，其相关变量无差异性越容易成立，估计偏误越小。因此，有必要在断点处选取一个较小的数据区间，并借鉴Lee[22]等采用的局部线性回归方法作为RD估计结果的一个稳健性检验。表3报告结果显示，三类带宽的结果至少在10%显著性的水平上通过检验，支持了表2的RD估计结果。

3.2.2 连续性检验

考慮到自然因素可能会对城市空气质量产生影响，因此在控制节假日效应、供暖期后，将天气变量：日均气温、风速、相对湿度以及是否有雨作为被解释变量，验证是其在断点处是否发生显著性变化。从表4结果显示，天气变量并没有在断点处产生突变，满足平滑性要求，进一步支持了本文结果。

4 城市异质性分析

从2014—2016年的28个新开通线路的城市来看，开通轨道交通的城市大部分属于一线、二线城市，如北京、天津、深圳、武汉、南京等，而选择开通BRT的城市较多属于二线、三线城市，如厦门、济南、合肥、宜昌、乌鲁木齐等。开通轨道交通与BRT的城市在人口规模、经济水平方面具有较大的差别，因此，在控制城市自然条件的基础上，本文将按照人口、经济不同的分组标准分别对轨道交通组与BRT组进行实证分析。

表5按城市市辖区常住人口进行分组，结果表明，轨道交通的环保效应并不是随着人口规模的扩大而增强。当城市人口规模小于1 000万时，轨道交通的开通能对空气污染产生显著的抑制效应；当人口规模超过1 000万，开通轨道交通将不再产生治污效应。而BRT的治污效应存在的人口规模位于100万～500万之间，若低于或高于该规模，其治污作用均不显著。

一般来说，城市是否建设轨道交通或者BRT需要结合经济水平、人口规模等因素进行综合考虑。根据2017年最新的中国城市分级，2014—2016年新建轨道交通的城市均属于一线与二线城市，其人均GDP均值为10.66万，且城市之间的经济水平差距较大（人均GDP最大值为16.74万；最小值为6.89万）；而开通BRT的城市除了郑州与杭州之外，其他城市均为二线、三线城市，其人均GDP水平较为集中，其均值为7.98万元。因此，结合表5的结论，初步得出对于人口规模介于100万～500万且人均GDP小于10万时，城市开通BRT能够显著地改善空气质量。为了进一步明确轨道交通的城市异质性，且结合开通轨道交通的城市其经济水平差异较大的特点，在表5基础上引入人均GDP水平进行分组，分为人均GDP≥10万与人均GDP<10万。从表6的结果可知，轨道交通的开通对于人口规模小于500万且人均GDP小于10万以及人口规模位于500万～1 000万且人均GDP大于10万这两种类型的城市具有显著的治污减排效应。

因此，结合表5、表6估计结果，得出当城市人均GDP小于10万且人口规模介于100万～500万时（如南宁、南昌、乌鲁木齐、中山、济南、连云港、厦门等），开通轨道交通或者BRT均能达到减排效应；当城市人均GDP大于或等于10万且人口规模介于500万～1 000万时（如武汉、南京、苏州、杭州、长沙、宁波等），开通轨道交通才能产生显著的治污作用。

5 交通规模、模式效应分析

随着越来越多的城市加入到兴建轨道交通与BRT的队伍中，值得关注的问题是轨道交通、BRT的建设是否存在规模效应，或者二者在多大范围内能够发挥其最大的治污效应；另外，由于部分城市同时拥有了轨道交通与BRT，从环境效益的角度考虑这种交通发展模式是否合理。因此，为了能够更清晰地报告回归结果，本文将对已经建有BRT并于2014—2016年再开通轨道交通的城市归为BRT_subway模式（如武汉、北京、郑州、大连、成都、杭州、昆明等），另外，针对已有轨道交通基础上再新开通BRT的城市归为subway_BRT模式（如杭州、郑州等），考察这两种交通模式是否对空气污染具有抑制效应，这一结论将有助于各城市政府针对当地的交通模式制定出更具有针对性的公共政策。

表7第（1）～（3）列报告了轨道交通与BRT的规模效应，当城市的轨道交通累积里程小于100 km时，新开通轨道交通线路的环保效应并不显著；当轨道交通累积里程范围在100～200 km时（如天津、武汉、成都、苏州等），新增加一条轨道交通线路的环保效应逐渐加强，且效果显著；值得注意的是，轨道交通累计里程大于200 km时（如北京、深圳、南京、东莞等），其减排作用最大，意味着当前中国的轨道交通的建设里程并未达到最优规模，其累积里程越长，新开通轨道交通线路对空气质量的改善作用越强。对于BRT而言，其累积里程分为小于50 km、50～100 km、大于100 km，其减排力度分别是0.180、0.183、0.122，这说明基于环保效应考虑，BRT的最优规模应保持在100 km范围内（如中山、济南、合肥、厦门等）。

表7第（4）列报告了BRT_subway模式与subway_BRT模式结果，发现对于已经拥有BRT的城市，其新开通一条轨道交通线路能够使空气污染显著降低0.128个百分点，但对于已经建有轨道交通的城市再开通BRT并不能带来明显的环保效应。

6 结 论

本文以2014—2014开通的轨道交通、BRT线路为研究对象，利用RD估计方法发现城市开通轨道交通、BRT对空气质量具有显著且稳健的改善作用。进一步，基于城市异质性与交通发展状况发现：①对于经济水平较低（人均GDP<10万）且人口规模介于100万～500万的城市，其通过开通轨道交通或者BRT能够达到改善空气质量的目标；若城市经济水平较发达（人均GDP≥10万）且人口规模介于500万～1 000万时，开通轨道交通能产生显著的治污作用，但开通BRT其作用甚微。②从规模效应角度，轨道交通的累积里程越长，新开通的轨道交通线路环保效应越强；而对于BRT，其累计里程的最优规模应保持在50～100 km。③针对已经建有BRT的城市，其再开通轨道交通线路能显著地改善空气质量，但对于已经建有轨道交通的城市再开通BRT线路，这并不能带来明显的环保效应。