高速铁路对城市空间结构的影响及机制研究

Influence of High Speed Railway on Urban Spatial Structure and Its Mechanism

摘要

为探索高速铁路在城市空间格局演化中的作用，利用夜间灯光数据和LandScan人口分布数据构造了表征城市空间结构的城市蔓延指数，运用多期DID模型和工具变量法实证检验了高速铁路对城市空间结构的影响及作用机制。研究发现：高速铁路开通显著促进了城市空间结构的分散化，在考虑内生性问题及一系列稳健性检验后该结论依然成立。异质性分析表明，高速铁路对城市空间结构的重塑作用在中小规模城市和位于三大城市群以外的城市中更显著。机制分析发现，高速铁路能够通过推动产业结构高级化和建成区面积扩张导致城市空间结构趋于分散化，劳动力集聚则在高速铁路与城市空间结构之间起到遮掩效应。研究对于更好地推进高速铁路建设和引导城市空间结构有序发展具有重要意义。

Abstract

To explore the role of high speed railway in the evolution of urban spatial patterns, this paper constructed the urban sprawl index that characterizes the urban spatial structure using nighttime lighting data and LandScan population distribution data, and empirically examined the impact of high speed railway on the urban spatial structure and its working mechanism by employing the multi-period DID model and the instrumental variable method. The study finds that the opening of high speed railway significantly promotes the decentralization of urban spatial structure, and this conclusion still holds after considering the endogeneity problem and a series of robustness tests. The heterogeneity analysis shows that the reshaping effect of high speed railway on the urban spatial structure is found more significant in small and medium-sized cities and cities located outside the three major urban agglomerations. The mechanism analysis shows that high speed railway can lead to the decentralization of urban space by promoting the advancing trend of industrial structure and the expansion of built-up areas, and the labor agglomeration has a masking effect between high speed railway and the urban spatial structure. The research conclusion is of great significance to promoting the construction of high speed railway and guiding the well-ordered development of urban spatial structure.

Graphical abstract

关键词

高速铁路 / 城市空间结构 / 多期DID模型 / 作用机制 / 中介效应模型

Key words

High Speed Railway / Urban Spatial Structure / Multi-period DID Model / Working Mechanism / Mediating Effect Model

0　引言

近年来，我国城市化进程不断推进，截至2022年末常住人口城镇化率已达到65.22%。随着城市化进程的加速和城市规模的扩张，很多城市的空间结构呈现蔓延的趋势，对城市经济和社会发展产生了深刻影响^[1-3]。作为城市发展的内在动力因素，城市空间结构能够直观反映城市整体的发展重心和未来发展趋势，其发展演化受到学术界和政府部门的密切关注。从高速铁路视角，探索城市空间结构蔓延式演化的形成机制，为引导城市空间合理布局、促进城市可持续发展提供有益参考。

关于高速铁路的空间效应研究主要集中在以下3个方面：①高速铁路开通提高了城市的可达性^[4-5]，能够对经济发展产生增长效应与结构效应，改变城市和区域经济的空间结构、分布结构及层级结构^[6-7]；②高速铁路能够调整城市的人口、产业、消费等的空间布局^[5-6]，引起土地和租金的变化，促使城市突破行政边界和单一的中心式发展^[8]；③Pol^[9]提出了“三个发展区”的结构模型，认为高速铁路站区具有经济、产业和地理空间的多重概念，高速铁路站点作为城市发展的“触媒”，能够打破原来“平衡”的空间，催化高速铁路站点与城市之间的互动关系，与城市空间变化密切相关^[10]。

可见，关于高速铁路空间效应的研究主要集中在城市可达性空间格局^[4-5]、经济活动空间布局^[6-7]和站点地区的开发建设^[9-10]等方面，对于高速铁路如何影响城市空间结构蔓延及其作用机制的研究基本处于空白。鉴于此，通过构造表征城市空间结构的城市蔓延指数，将我国大规模高速铁路建设看作准自然实验，运用多期DID模型和工具变量法实证检验高速铁路开通对城市内部空间结构的影响，并利用中介效应模型考察了具体的机制路径。

1　高速铁路对城市空间结构影响的研究设计

1.1　影响机制分析

城市空间结构是指城市要素的空间分布和相互作用的内在机制，是城市经济、社会存在和发展的空间形式。高速铁路作为人力、信息、物质等要素的重要载体，必然会对城市空间结构产生作用。具体地，从产业结构高级化、建成区面积扩张和劳动力集聚3个方面分析了高速铁路对城市空间结构的影响。理论分析框架如图1所示。

（1）产业结构高级化。产业结构高级化是指产业结构由第一产业主导向二、三产业逐次转移的过程^[11]。高速铁路对产业结构高级化的影响主要体现在：①作为新兴技术的集成，高速铁路建设本身就需要一系列完整的工业和产业链条，这不仅会带动与之直接相关产业的转型发展，而且能够加速计算机、电子元件、牵引系统等上游行业的技术创新与变革^[11]，推动相关产业链的转型升级；②由于高速铁路承载的群体具有高技术密集型特征，因而高速铁路开通方便了高技能人才的流动，此类“面对面交流”能够加速行业间的知识溢出，促进新知识和新技术的创造，推动产业结构向资本(技术)密集型转变^[12]；③高速铁路能够提高城市可达性^[4-5]，提高资源配置效率，推动与信息流、技术流、资本流等有关的高端产业的发展^[13]。随着产业结构的调整，城市用地需求量会相应增加。企业为了降低生产成本，将倾向于向地价更低的郊区搬迁，引起城市空间结构郊区化现象^[3]。

（2）建成区面积扩张。高速铁路开通后，城市的市场潜力将得以提高，这将吸引更多外地企业向本地投资建厂，扩大市场规模^[7，14]，使企业在地价规律的指引下向郊区发展。同时，市场规模的增加会为当地居民提供更多岗位和机会，提升居民收入，激发居民的消费能力，进而催生居民对住房娱乐等方面的需求，导致城市建设用地的扩张。此外，根据“三个发展区”的圈层结构模型理论^[9]，高速铁路站点建成后，站点周边区域也将得到开发建设，特别是当站点位于城市外围时，高速铁路的开通能够促使市内交通与站点的衔接，从而延伸城市建成区面积。建成区的过快空间扩张是城市空间结构演化的主要成因之一^[2]。因此高速铁路能够通过推动建成区面积扩张导致城市空间结构分散化。

（3）劳动力集聚。随着高速铁路时代的到来，高速铁路对劳动力流动和集聚的作用愈益明显。①高速铁路所带来的城市区位优势的改善可以改变劳动力的居住区位选择，吸引更多劳动力迁移至高速铁路开通城市^[5]。②高速铁路能够在一定程度上打破自然因素导致的劳动力市场分割，扩大劳动力搜索工作时的匹配半径，增加劳动力流入高速铁路开通城市的概率^[7，13]。③高速铁路能够削弱企业间的信息不对称，使企业以更低的成本购买到更优质的产品和服务，降低企业的生产成本、提高利润率，使企业有能力支付更高的工资，吸引劳动力向高速铁路开通城市集聚^[6]。劳动力的流入意味着人口的增加。已有研究表明，增加人口流入是抑制城市空间蔓延式发展的路径之一^[15]。因此，高速铁路能够通过吸引劳动力集聚的方式影响城市空间结构演化。

1.2　模型设定、指标构建和数据说明

1.2.1　模型设定

（1）多期DID模型。为验证高速铁路与城市空间结构之间的因果关系，将高速铁路开通看作一项准自然实验，采取多期DID模型进行计量分析。

Spraw{l}_{it}={\alpha }_{\mathrm{0}}+{\alpha }_{\mathrm{1}}Hs{r}_{it}+{\alpha }_{\mathrm{2}}{X}_{it}+{\mu }_t+{\mu }_i+{\epsilon }_{it}⑴

式中：Spraw{l}_{it}为衡量城市空间结构的城市蔓延指数，下标i、t为城市与年份；Hs{r}_{it}为高速铁路开通虚拟变量；X_{it}为控制变量(包含中介变量)；{\alpha }_{\mathrm{0}}为常数项；{\mu }_t和{\mu }_i为时间和城市固定效应；{\epsilon }_{it}为随机干扰项。

（2）平行趋势检验模型。平行趋势检验是多期DID模型估计结果无偏的重要前提。为检验平行趋势，在模型⑴的基础上加入高速铁路开通的前项和后项虚拟变量。

Spraw{l}_{it}={\alpha }_{\mathrm{0}}+{\alpha }_{\mathrm{1}}Hs{r}_{it}+{\alpha }_{\mathrm{2}}{X}_{it}+{\displaystyle \sum _{m=\mathrm{1}}^{\mathrm{3}}}{\mu }_{m}BHsr\underline{}{m}_i+{\displaystyle \sum _{n=\mathrm{1}}^{\mathrm{4}}}{v}_{n}AHsr\underline{}{n}_i+{\mu }_t+{\mu }_i+{\epsilon }_{it}⑵

式中：BHsr\underline{}{m}_i和AHsr\underline{}{n}_i为高速铁路开通的提前项和滞后项。若样本是“高速铁路开通城市”且为“开通前的第m年”，则BHsr_m_i 取值为1，否则为0；若样本是“高速铁路开通城市”且为政策实施后的第n年，则AHsr\underline{}{n}_i取值为1，否则为0。{\mu }_m用于验证高速铁路开通前是否符合平行趋势假设，{\nu }_n用于考察高速铁路开通后的政策效果。

1.2.2　指标构建和数据说明

（1）城市蔓延指数。参考刘修岩等^[2]的研究，利用2007—2013年的全球夜间灯光数据(DMSP-OLS)和LandScan人口分布数据计算城市蔓延指数。具体公式如下。

Sprawl=\sqrt[]{LA\times RE}⑶

LA=\mathrm{0.5}\times （LLA-HLA）+\mathrm{0.5}⑷

RE=\mathrm{0.5}\times （LRE-HRE）+\mathrm{0.5}⑸

式中：Sprawl为城市蔓延指数，取值范围在(0，1)之间，数值越高代表该城市空间结构越分散；LA为从区域面积比重角度对城市的蔓延程度进行衡量，LLA和HLA分别为一个城市市区中人口密度小于和大于等于全国城市人口密度均值的区域面积，占全市总面积的比重；RE为从人口比重角度对城市的蔓延程度进行衡量，LRE和HRE分别为一个城市市区中人口密度小于和大于等于全国城市人口密度均值的人口数量，占全市总人口的比重。

除城市蔓延指数，还使用郊区化指数(Subur)表征城市空间结构进行稳健性检验。

（2）高速铁路变量。选用是否开通高速铁路(Hsr)作为核心解释变量，使用高速铁路站点数量(Station)、线路数量(Route)、线路里程(Mile)表示高速铁路网络密度(从有到多)进行稳健性检验。高速铁路数据来源于国家铁路局官方网站、铁路12306网站及相应城市交通管理部门网站。

（3）中介变量。产业结构高级化(Optit)，采用空间向量夹角法测算；建成区面积(Area)，使用市辖区内建成区面积的对数值来衡量；劳动力集聚(Na)，使用市辖区年末单位从业人数占总户籍人口比重来表示。

（4）其他控制变量。为提高研究精度，参考相关文献^[2-3]，引入一系列控制变量，包括经济发展水平(Pgdp)、城市规模(Size)、人力资本水平(Hc)、投资水平(Invest)和交通基础设施水平(PRoad)，分别采用市辖区内人均GDP的对数、年末户籍人口数量的对数、在校大学生人数占户籍人口的比例、人均固定资产投资额以及人均道路面积来表征。为了消除通货膨胀因素的影响，与经济有关的变量均用GDP平减指数调整为以2007年不变价格计算。中介变量和控制变量均来自2007—2013年《中国城市统计年鉴》。主要变量描述性统计如表1所示。

2　高速铁路对城市空间结构影响的实证分析

2.1　基准回归分析

高速铁路对城市空间结构影响的回归结果如表2所示。变量⑴是基于多期DID模型的单变量检验结果，高速铁路变量的系数在10%的水平上显著为正，说明高速铁路开通后，城市蔓延的水平将会提升。在变量⑴的基础上依次加入控制变量和中介变量，变量⑵和变量⑶中高速铁路变量的系数没有发生实质性变化，进一步说明高速铁路会促进城市空间结构分散化。从经济含义上看，在其他条件不变的情况下，开通高速铁路城市的蔓延程度比未开通高速铁路的城市提高了0.007 0。此外，其他显著控制变量的结果也符合预期，验证了模型设置的合理性。

2.2　工具变量回归分析

为解决可能存在的内生性问题，根据黄张凯等^[16]的思路，选择各城市与“四纵四横”客运专线上28个重要节点城市连接线的最小地理距离(Distance)构造工具变量进行内生性检验。工具变量的合理性在于，一方面，除这28个节点城市外，每个城市是否开通高速铁路，很大程度上取决于与“四纵四横”连接线的地理距离，满足了相关性的要求；另一方面，每个城市距离规划直线的距离又不受城市空间结构的影响，满足了外生性的要求。此外，由于Distance是截面数据，无法直接应用于面板数据模型中，将Distance取对数与年度虚拟变量的交互项作为工具变量引入模型。

表2变量⑷—⑹是采用工具变量回归的结果，可见，高速铁路变量的系数在1%的水平上显著为正，与基准回归结果在方向上保持一致。另外，工具变量回归中高速铁路变量的估计系数明显大于基准回归中的结果，说明潜在的内生性问题可能会在一定程度上低估了高速铁路对城市空间结构的作用效果。

2.3　稳健性检验

2.3.1　平行趋势检验

平行趋势检验如图2所示，可见，高速铁路开通前1期、2期、3期的系数都不显著且接近于0，说明高速铁路开通前实验组和对照组具有相同的变化趋势。高速铁路开通后AHsr_1、AHsr_2和AHsr_3的系数显著大于0，说明实验组和对照组的差异确实是由高速铁路开通这一外生冲击引起的。由此可认为多期DID模型满足平行趋势的假设。

2.3.2　安慰剂检验

为排除其他随机因素和不可观测因素对回归结果的影响，通过随机改变高速铁路开通的时间点和生成不同“伪”实验组的方式进行500次抽样检验。安慰剂检验如图3所示。由图3可知：由500次随机样本估计得到的系数均以0为中心分布，对应的p值大多大于0.1，安慰剂检验估计系数大于基准回归系数(0.007 0)的概率仅为6.8%，这符合安慰剂检验的预期，说明基准回归的结果不太可能受到遗漏变量的干扰。

2.3.3　其他稳健性检验

为了进一步检验上述结论的可靠性，尝试从改变回归方法、替换衡量指标和调整研究样本等方面进行稳健性检验，稳健性检验回归结果如表3所示。

（1）PSM-DID方法。首先，以高速铁路开通作为被解释变量，以模型⑴中其他解释变量为匹配变量，通过Logistic模型计算每一个城市开通高速铁路的倾向得分值；其次，根据倾向得分值进行卡尺内1∶4有放回抽样匹配，为实验组寻找初始条件最为相似的对照组；最后，使用匹配后的样本进行PSM-DID回归，结果如表3变量⑴所示，高速铁路变量的符号和显著性未发生本质变化，支持了基准回归的结论。

（2）替换衡量指标。参考刘修岩等^[2]的做法，使用郊区化指数表征城市空间结构，结果如表3变量⑵所示。高速铁路变量的系数在1%的显著性水平下为正，核心结论未发生改变。将高速铁路站点数量、开通线路数量和线路里程变量替换表2变量⑹中高速铁路开通变量，结果如表3变量⑶—⑸所示。可见，在城市已开通高速铁路的基础上，高速铁路网络增密会进一步促进城市空间结构分散化。

（3）高速铁路变量滞后一期。高速铁路作为一项大型基础设施，其对城市经济社会的影响可能存在滞后性。因此，将高速铁路开通做滞后一期处理，回归结果见表3变量⑹，结论与前文基本一致。

（4）去除极端值。为了消除样本数据中极端值对分析结果的影响，对城市蔓延指数进行首尾5%的Winsor处理，结果如表3变量⑺所示，高速铁路变量的系数与表2变量⑹差异较小，结果依然稳健。

2.4　异质性分析

2.4.1　城市规模的异质性

我国城市正处于城市化进程的不同阶段，不同规模城市在面对高速铁路这一外生冲击时会产生差异化的效果。根据2013《第一财经周报》的城市排名，将城市人均GDP位于中位数以上的一、二、三线城市划分为大城市，其余城市划分为中小城市。异质性分析回归结果如表4所示，核心解释变量在中小城市组中通过了5%的显著性检验，但在大城市组中无显著性影响，这说明高速铁路对城市空间结构的影响在中小城市中更加明显。分析其原因：一方面，大城市本身就拥有较高的交通禀赋，能够为城市发展提供较高的交通支持，即便此类城市开通高速铁路，对城市空间结构产生的边际效应也较小。另一方面，大城市获得社会资源的能力远强于中小城市，会吸引更多人口迁入，这能够缓解高速铁路开通后城市空间低密度扩张问题。

2.4.2　城市群区位的异质性

京津冀、长三角和珠三角城市群是我国最具代表性的城市群。为考察城市群区位是否会影响“高速铁路-城市空间结构”的关系，将城市分为“三大城市群城市”和“其他城市”进行分组回归，结果如表4变量⑶—⑷所示。可见，变量⑶中高速铁路变量的系数不显著，变量⑷中则显著为正。说明相较于三大城市群城市，其他城市的空间结构受高速铁路冲击影响更明显。造成这一结果的原因可能是：一方面，城市群内部的交通条件优于其他城市，高速铁路开通所带来的边际影响较小；另一方面，城市群内城市往往具有自然地理条件优越和城市空间组织紧凑等特点，其空间结构相较于其他城市的空间结构更成熟、更稳定，因此更不易受高速铁路冲击的影响。

2.5　机制检验

根据1.1的影响机制分析，高速铁路能够通过产业结构高级化、建成区面积扩张和劳动力集聚影响城市空间结构，借鉴温忠麟等^[17]的中介检验三步法，在模型⑴的基础上，进一步设定如下模型进行中介效应检验。

Spraw{l}_{it}={\beta }_{\mathrm{0}}+{\beta }_{\mathrm{1}}Hs{r}_{it}+{\beta }_{\mathrm{2}}{X}_{it}+{\mu }_t+{\mu }_i+{\epsilon }_{it}⑹

Me{d}_{it}={\gamma }_{\mathrm{0}}+{\gamma }_{\mathrm{1}}Hs{r}_{it}+{\gamma }_{\mathrm{2}}{X}_{it}+{\mu }_t+{\mu }_i+{\epsilon }_{it}⑺

Spraw{l}_{it}={\eta }_{\mathrm{0}}+{\eta }_{\mathrm{1}}Hs{r}_{it}+{\eta }_{\mathrm{2}}Me{d}_{it}+{\eta }_{\mathrm{3}}{X}_{it}+{\mu }_t+{\mu }_i+{\epsilon }_{it}⑻

式中：Me{d}_{it}为可能的中介变量，分别为产业结构高级化(Optit)、建成区面积(Area)和劳动力集聚(Na)。

但需要注意的是，当检验Optit的中介效应时，需将Optit从X_{it}中删除，其他中介效应检验同理。

中介效应检验的回归结果如表5所示，变量⑴、变量⑶、变量⑸展示了中介检验三步法的第一步，高速铁路变量的系数均显著为正，说明可继续进行第二步检验。变量⑵、变量⑷、变量⑹为高速铁路开通对中介变量的回归结果，结果显示高速铁路变量的系数至少在5%的水平上显著，表明高速铁路开通对产业结构高级化、建成区面积扩张和劳动力集聚均有正向促进作用，这符合预期。变量⑺为进一步加入中介变量的回归结果，可见，产业结构高级化和建成区面积的系数显著为正，高速铁路开通的系数依然显著，且系数大小较变量⑴、变量⑶有所下降，说明产业结构高级化和建成区面积扩张在高速铁路开通与城市蔓延之间扮演了部分中介的角色，进一步比较γ₁η₂和η₁的符号发现一致，也证明“高速铁路开通→推动产业结构高级化(建成区面积扩张)→推动城市空间结构分散化”的路径成立。具体来看，产业结构高级化作为中介变量的间接效应为0.001 3(=0.023 4×0.057 6)，中介效应在总效应中的占比为16.16%。建成区面积扩张作为中介变量的间接效应为0.000 5=(0.027 9×0.017 7)，中介效应在总效应中的占比为6.62%。对劳动力集聚而言，高速铁路开通的系数大小较式⑸有所上升，说明劳动力集聚发挥遮掩效应，即高速铁路开通能够通过增加劳动力集聚的方式抑制城市蔓延。γ₁η₂和η₁的符号相反也说明“高速铁路开通→增加劳动集聚→抑制城市空间结构分散化”的路径成立。具体来看，劳动力集聚的遮掩效应为-0.000 6［=0.012 9×(-0.050 2)］，此遮掩效应占直接效应的比重为9.25%。

稳健起见，还进行了Sobel和Bootstrap检验。结果显示，Sobel检验的Z统计量均至少在5%的水平上显著，Bootstrap检验均在95%置信区间不包含0，支持了中介检验三步法的结论。

3　结论与建议

作为一种新型快捷的现代化交通方式，高速铁路的开通必然会对城市空间结构产生深刻影响。研究利用2007—2013年我国地级市城市面板数据，以高速铁路开通作为外生冲击，实证检验了高速铁路对城市空间结构的影响，并从产业结构高级化、建成区面积扩张和劳动力集聚的角度对其作用机制进行了检验。研究发现，高速铁路开通将导致城市空间结构趋于分散化，在进行了工具变量回归、共同趋势检验、安慰剂检验以及替换衡量指标等检验后，结果依然稳健。基于现有文献，从城市规模和是否位于三大城市群的角度进行了异质性分析，发现高速铁路对城市空间结构的重塑作用在中小规模城市和非三大城市群的城市中更显著。进一步分析发现，产业结构高级化和建成区面积扩张在高速铁路与城市空间结构之间起到了部分中介作用，在总效应中的占比分别为16.16%和6.62%；而劳动力集聚则发挥了遮掩效应，占直接效应的比重为9.25%。

根据以上结论提出如下建议。①各级政府应重视高速铁路对城市空间结构的重塑作用，出台针对性的政策和城市规划，在充分释放高速铁路红利的同时，确保城市空间结构合理发展。②城市管理应遵循差异化和精细化原则，在中小规模城市和非三大城市群的城市，高速铁路建设应成为城市空间布局的重点考虑因素，特别是在高速铁路站点开发和产业园区规划时，要增加城市空间联系的便利性和紧密性，避免城市空间布局过于分散。③高速铁路开通城市应以“产城合理融合”作为城市规划的方向，加强对城市用地的规划与管理，警惕产业结构调整所可能导致的低密度、低效率的土地扩张；加强对郊区开发的规划，严格划定城市开发边界，避免粗放外延式开发造成的蔓延；以高速铁路为依托，推出各种人才引进政策，增加城市吸引人才、留住人才的能力，使人口增长与城市空间扩张相协调，推动城市迈向高质量发展之路。

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基金资助

国家社会科学基金重大项目(20&ZD099)

北京市社会科学基金重大项目(20ZDA08)