基础设施故障对认知表现的影响

《Economics of Transportation》：Impact of an infrastructure failure on cognitive performance

　　

• 桥梁倒塌降低了灾害现场附近的学生学业成绩。
• 影响在距离倒塌桥梁最近的学校中最为显著。
• 匹配和合成方法提高了对照组的可信度。
• 桥梁附近空气质量有所改善，但无法解释测试成绩的下降。
• 研究结果凸显了城市基础设施失效所带来的人力资本成本。

**引言**

美国约42%的桥梁至少有50年历史，其中7.5%被认定为结构缺陷，每天承载1.78亿次通行（ASCE，2021）。在过去20年里，发生了多起广受关注的桥梁倒塌事件，包括2007年明尼苏达州明尼阿波利斯市I-35W桥梁倒塌、2013年华盛顿州I-5斯基agit河桥梁倒塌、2017年亚特兰大州际85号公路桥梁倒塌、2018年佛罗里达国际大学人行天桥倒塌，以及2024年巴尔的摩弗朗西斯·斯科特·基桥倒塌等。本文利用2007年明尼苏达州明尼阿波利斯市I-35W密西西比河桥梁倒塌事件作为自然实验——该事件导致附近学校长达一年的交通中断——来估算这场灾难性失效对认知表现的影响。尽管现有大量文献探讨了自然灾害对劳动力市场（Noy，2009；Cavallo等，2013）、健康（Currie和Rossin-Slater，2013；Tan等，2009；Torche，2011；Weissbecker等，2008）和认知（Caruso和Miller，2015；Rosales-Rueda，2018；Morrill和Westall，2023）的同时性、产前及长期因果效应，但鲜有论文关注"人为灾害"或基础设施失效（如桥梁倒塌）的影响。此外，相对较少的因果研究探讨了人为灾害对认知的影响，现有研究更多关注环境危害，如丛林火灾（Gibbs等，2019）、爆炸火灾（Webbink，2008）、森林火灾（Paudel，2023；Rosales-Rueda，2018；Wen和Burke，2022）、石油泄漏（Pérez-Pereira等，2012），或在子宫内及早期生活中的暴露对后期结果的影响（Jürges，2013；Almond等，2009）。因此，目前对灾难性失效对认知表现的同时性和中期影响了解甚少。在良好的因果推断框架下研究基础设施或灾难性失效对教育成果的影响，具有迫切需求。

本研究利用一场自然实验——导致长达一年的交通中断和潜在心理创伤——来考察基础设施失效（具体为桥梁倒塌）对认知的影响。I-35W密西西比河桥于2007年8月1日倒塌，造成13人死亡、145人受伤，117辆车辆受损，其中包括一辆校车（Salem和Helmy，2014）。媒体对这一事件的影响进行了广泛报道，特别是反复播出电视新闻中一辆载有63名儿童的校车摇摇欲坠在倒塌桥梁护栏边缘的画面（Spence等，2010）。这场灾难导致I-35W的交通改道，显著减少了交通流量并改变了交通模式。因此，桥梁倒塌现场附近的学生暴露在心理创伤中，上学通勤时间也增加了。

为了估算桥梁倒塌对学生学业成绩的影响，我使用了明尼苏达州综合评估中的学校-年级-科目考试成绩数据。主要分析将两个暴露组与全州范围内通过粗化精确匹配（CEM）匹配的对照组进行比较。处理组I包括倒塌桥梁2.5英里以内的学校，而处理组II包括位于桥梁2.5英里以外但8.5英里以内、且距主要道路900米以内的学校。我分别为阅读和数学估算了CEM加权的堆叠学校-年级-年份双重差分模型，包含学校与年级固定效应、年份固定效应、按年级区分的控制变量，以及学区层面聚类标准误。首选估计结果显示，处理组I学校阅读成绩下降了约0.49个标准差，数学成绩下降了约0.52个标准差。处理组II学校也出现了负面影响，但幅度较小，阅读成绩下降了约0.15个标准差，数学成绩下降了约0.20个标准差。这些估计结果与暴露梯度一致，即距离倒塌桥梁最近的学校学业成绩损失最大。主要发现在多项附加检验中保持稳健。在替代匹配程序和受限对照样本下结果相似，不受注册人数、考试参与率或缺席率变化驱动，并得到安慰剂检验和I-94伪检验的支持。SDID估计产生类似的负面效应，而Honest DiD敏感性边界表明，在处理组I的精确平行趋势假设出现适度偏离的情况下，估计结果仍保持为负。总体而言，对于距离倒塌桥梁最近的学校，证据最为有力，对于更广泛的处理组II暴露组则需谨慎解读。

桥梁倒塌还可能导致当地空气质量的变化，因为倒塌桥梁附近的需求急剧下降，车辆被引向替代路线。鉴于空气污染对认知的同时性（Lavy等，2014；Shehab和Pope，2019）和长期效应（Guxens等，2018；Currie和Walker，2011），这一环境响应对于解读成绩估计至关重要。较低的污染暴露本应提高而非降低测试成绩。利用美国环境保护署（EPA）空气质量监测数据，我估计桥梁倒塌使桥梁2.5英里以内监测点的月度AQI下降了5.969点，相当于对照组监测点均值的15.15%。这一改善主要由月度PM2.5下降1.679单位驱动，相当于16.46%的降幅。相比之下，处理组II监测点估算的空气质量变化较小且在联合模型中统计上不显著。由于空气质量改善预示的是更高的而非更低的测试成绩，这些结果无法解释成绩下降的估计。空气质量分析有助于将交通中断的环境后果与更为合理的影响渠道（如心理显著性、习惯改变和通勤中断）区分开来。

灾害——无论是自然还是人为——可能通过各种机制显著影响学生的认知表现，包括压力、创伤及其他心理因素、对儿童大脑发育的影响以及学校交通中断。由于儿童正处于心理、社会及身体发育的关键时期，他们尤其容易受到灾害的不利影响（Weissbecker等，2008；Madrid等，2006；Markenson和Reynolds，2006）。即使是年仅五岁的儿童也能理解灾害的后果，这可能导致一系列短期心理反应，如攻击性、注意力不集中和易怒（Weissbecker等，2008；Madrid等，2006）。灾害对儿童的影响已被证明比成人更为显著，创伤后应激障碍（PTSD）的迹象在灾后两年仍可延续（Weissbecker等，2008；Norris等，2002；Najarian等，1996）。

灾害导致的学校交通中断可能通过增加通勤时间和距离以及改变交通方式来影响学业表现。Kobus等（2015）估计，通勤时间增加一个标准差会导致平均成绩下降约三分之一标准差，并将其归因于旅行疲劳和漫长的大学日程等因素。同样，Falch等（2013）表明，上学通勤时间越长，按时毕业的可能性越低，而邻近多样的学习选择对毕业率有正面影响。Yeung和Nguyen-Hoang（2020）指出，乘坐私家车或步行上学的学生表现优于乘坐公交车的学生，这表明主动运输的健康益处和较短的通勤时间有助于提高学业成绩。这些发现凸显了通勤特征在教育成果中的重要作用。

本文与以往研究在多个方面有所不同。首先，尽管大多数探讨灾害与认知表现关系的论文关注的是自然灾害的暴露，如飓风（Imberman等，2012；Morrill和Westall，2023）、洪水（Rosales-Rueda，2018）、风暴（Doyle等，2017）和地震（Shidiqi等，2023；Tian等，2022；Caruso和Miller，2015），本研究是少数考察人为危害——被称为"人为灾害"、"人为灾害"或"基础设施失效"——对认知表现影响的研究之一。Shidiqi等（2023）和Tian等（2022）均发现，印度尼西亚和唐山的地震显著降低了教育成果，包括受教育年限和完成率，其中唐山地震的观测影响可能与母体心理压力有关。校园枪击事件——一种人为灾害——在文献中受到了广泛关注。典型估计表明其对学习成绩有显著的负面影响，心理创伤通常被认为是主要机制（Cabral等，2020；Beland和Kim，2016；Poutvaara和Ropponen，2018；Levine和McKnight，2020）。

其次，关于人为灾害与认知能力关系的现有文献通常关注后期生活中的学业表现，将其归因于胎儿暴露（"胎儿假说"）或早期生活对灾难性失效的暴露。我的论文独特地定位在这两个极端之间，因为此处估算的效应既非早期生活暴露所致，也非对胎儿假说的检验。相反，本研究探讨了基础设施失效对测试成绩的短期至中期影响。Almond等（2009）利用1986年切尔诺贝利事故期间瑞典的铯沉降作为自然实验，估算产前辐射暴露对认知能力的影响。他们发现，1986年出生队列——事故时处于妊娠8至25周的胎儿——在义务教育最后一年表现较差，尤其是在数学方面。Jürges（2013）发现，二战后德国食物危机期间出生的队列获得了较低的教育成就和职业成功，提出营养不良是战后饥荒负面影响的解释。

第三，据我所知，这是首篇考察交通危害——具体为桥梁倒塌及由此导致的交通中断——对教育成果影响的论文。最后，本文利用了该情境的一个独特特征：桥梁倒塌通过改善当地空气质量产生了潜在的正面外部性。灾害通常通过其对健康、基础设施、教育和家庭稳定性的不利后果来研究。然而在这种情况下，倒塌桥梁附近交通需求的急剧下降创造了一种可能性，即车辆排放和污染暴露也可能随之下降。这提供了一个独特的机会来检验灾害产生的有益环境响应是否足够大或足够及时，以抵消心理显著性、通勤中断和习惯改变带来的负面影响。由于空气质量改善应预示更高的测试成绩，空气质量分析起到的是反向渠道的作用，而非对成绩下降的解释。

本文其余部分安排如下：第2节提供I-35W桥梁倒塌、由此导致的交通中断及潜在空气质量变化的背景。第3节描述数据及描述性统计。第4节呈现研究设计与实证策略。第5节报告主要结果，第6节呈现稳健性检验。第7节考察倒塌后的空气质量变化。第8节讨论影响机制和识别威胁。第9节以局限性和未来研究方向作为结论。

**章节摘要：桥梁倒塌与事件时间线**

I-35W密西西比河桥是明尼阿波利斯市乃至整个明尼苏达州第三繁忙的桥梁，每天承载14万辆汽车和4760辆商用车辆（Xie和Levinson，2011）。在桥梁倒塌之前，尽管其被全国桥梁检验标准评定为"结构缺陷"，但仍被宣布对汽车、卡车载荷乃至超载卡车而言是安全的。考虑到50年的平均使用寿命，该桥计划于……

**数据**

对于本文，我使用了2000年至2010年明尼苏达州学校的年度学校-年级-科目考试成绩数据。主要分析聚焦于3至8年级的阅读和数学科目，这是研究期间明尼苏达州综合评估（MCA）中持续测试的年级和科目。

本文的主要教育数据来源是明尼苏达州教育部，该部门提供了明尼苏达综合评估（MCA）中学生表现的摘要——这是一项每年在全省范围内进行的测试。

研究设计与实证策略

本文利用I-35W密西西比河大桥的意外坍塌作为一次本地化的基础设施冲击，该冲击扰乱了交通模式，改变了通勤路线，并在附近地区造成了重大的心理和后勤上的混乱。该桥坍塌前每天承载约14万辆车辆，并一直关闭，直到替代桥于2008年9月开通。由于坍塌是突然且未预见的，它在当地造成了急剧的变化……

结果

表2报告了主要的CEM加权叠加双重差分法估计结果。模型分别为阅读和数学进行估计，并包含学校-年级固定效应、年份固定效应和学区聚类标准差。第（1）和第（2）列包含基线控制变量，而第（3）和第（4）列允许控制变量按年级变化。我将第（3）和第（4）列视为首选规范。估计结果显示，在桥梁坍塌后，测试成绩出现了显著下降……

稳健性检验

主要分析估计了一个具有两个暴露组的叠加年级层面双重差分模型。处理组I包括距离坍塌桥梁2.5英里以内的学校，而处理组II包括距离桥梁超过2.5英里但小于8.5英里，且距离主干道900米以内的学校。两个处理组均与全州CEM匹配的控制组进行比较，并包含学校-年级固定效应、年份固定效应和按年级划分的控制变量。结果表明……

桥梁坍塌后的空气质量变化

主要结果显示，桥梁坍塌后学生的测试成绩有所下降。由于坍塌还减少了桥梁附近的交通，它可能改善了受影响最严重地区的当地空气质量。本节探讨了桥梁坍塌造成的交通中断是否产生了可测量的当地空气质量改善，以及为什么任何此类改善未能转化为更高的测试成绩。这一区别很重要，因为降低污染暴露应该……

讨论

结果表明，受I-35W桥梁坍塌暴露程度较高的学校经历了MCA测试成绩的显著下降。首选的CEM匹配叠加估计显示，距离坍塌桥梁2.5英里以内的学校下降幅度更大，而交通中断区域范围内学校的下降幅度较小且稳健性较差。空气质量分析显示，坍塌还在桥梁附近产生了适度的、延迟的当地空气质量改善。由于空气质量改善会……

结论

本文考察了一次基础设施故障——明尼苏达州明尼阿波利斯市I-35W密西西比河大桥坍塌——对学生学业表现的影响。我将意外的桥梁坍塌作为一次自然实验，该实验产生了本地化的交通中断、心理显著性、日常惯例的改变以及当地空气质量潜在的变动。使用来自明尼苏达综合评估的学校-年级-科目测试成绩数据，我将两个暴露组与全州……进行比较。

CRediT作者贡献声明

Emtiaz Hossain Hritan：写作——审阅与编辑，写作——原稿，可视化，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。

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在准备本作品期间，作者使用GPT-5.5进行语言编辑、句子重构、文本组织和编码辅助。在使用该工具后，作者对内容进行了审核和必要的编辑，并对提交的稿件内容承担全部责任。

致谢

我非常感谢Dylan Brewer、Casey Wichman、Robert Gonzalez、Daniel Dench、Julian Reif以及2023年美国卫生经济学学会（ASHEcon）会议的研讨会参与者，他们提供了有益的评论和建议。

Emtiaz Hossain Hritan