基于經(jīng)濟(jì)效益循環(huán)系統(tǒng)的林區(qū)碳匯林投資決策研究

溫貝貝

(天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072)

近年來，碳交易理念風(fēng)靡世界，它從市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)角度為全球?qū)崿F(xiàn)碳減排提供了一個(gè)有效的解決路徑［1］。在碳交易體系中，碳匯交易是重要組成部分，它通過市場(chǎng)的手段來實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)價(jià)值的有效補(bǔ)償［2］。碳匯交易的基礎(chǔ)在于建立具有碳匯功能的碳匯林，因此碳匯交易制度的設(shè)立為林業(yè)資源型城市帶來一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)——建立碳匯林［3］。這對(duì)面臨經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等多重困境的林業(yè)資源型城市無疑提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的有效途徑。

目前，研究學(xué)者已經(jīng)對(duì)建立碳匯林的可行性做了大量的理論和實(shí)踐研究，證實(shí)在林業(yè)資源型城市建立碳匯林是合理、有效的，并且具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益［4］。另外，眾多學(xué)者也研究了碳匯林經(jīng)濟(jì)效益的具體計(jì)算思路與計(jì)算方法:王東至等［5］從光合作用方程式的角度出發(fā)，結(jié)合生物量法，量化了大青山喬木林的碳匯經(jīng)濟(jì)效益數(shù)值;程兆偉等［6］將舒蘭市森林碳匯的生態(tài)效益量化為經(jīng)濟(jì)價(jià)值，解決了舒蘭市森林碳匯效益和生態(tài)效益的貨幣價(jià)值量化問題。但是，對(duì)碳匯林的投資政策、投資年限和種植規(guī)模等問題的研究報(bào)道還不多見。本文從林業(yè)資源型城市的整體出發(fā)，研究政府對(duì)碳匯林的投資比例和碳價(jià)是如何影響城市整體經(jīng)濟(jì)效益的，并通過分析確定出碳匯林的最優(yōu)投資比例以及政府應(yīng)在多少年后結(jié)束對(duì)碳匯林的建林投資。

1 經(jīng)濟(jì)效益循環(huán)系統(tǒng)

首先，政府對(duì)碳匯林進(jìn)行一定比例的投資，從而形成一定規(guī)模的碳匯林。其次，一方面碳匯林可以通過產(chǎn)生碳匯、凈化空氣、固定土壤、防止水土流失來產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，增加城市整體經(jīng)濟(jì)效益;另一方面由于碳匯林吸收政府投資和占用有林地面積，從而剝奪了其他產(chǎn)業(yè)的資源，降低了其他產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益(比如第一產(chǎn)業(yè)用林地的減少會(huì)直接減少木材的采伐量，這不僅會(huì)減少木材銷售收入，還會(huì)降低滿足居民需求的程度和完成國(guó)家開采上繳任務(wù)的程度，這些都會(huì)在某種程度上影響城市的發(fā)展，造成經(jīng)濟(jì)效益損失，對(duì)于第二、三產(chǎn)業(yè)也是如此)，進(jìn)而減少城市整體的經(jīng)濟(jì)效益。最終，以上對(duì)整體經(jīng)濟(jì)效益的影響會(huì)改變經(jīng)濟(jì)效益總量，從而又會(huì)影響政府對(duì)碳匯林的投資。這是一個(gè)循環(huán)的相互聯(lián)系又相互制約的系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 引入碳匯林的經(jīng)濟(jì)效益因果循環(huán)鏈

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的概念和理論最初由Forrester提出［7］，被廣泛用于政策的模擬與評(píng)價(jià)［8］、可持續(xù)發(fā)展［9］、決策系統(tǒng)［10－11］和系統(tǒng)預(yù)測(cè)［12］等研究領(lǐng)域中，它能在模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展變化過程中尋找最優(yōu)的發(fā)展路徑［13］，其模型著重于分析系統(tǒng)的循環(huán)發(fā)展，因此非常適合于分析林業(yè)資源型城市的經(jīng)濟(jì)效益循環(huán)系統(tǒng)。本文采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法進(jìn)行建模，將林區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益循環(huán)分為4個(gè)子系統(tǒng)，即碳匯林投資子系統(tǒng)、碳匯林與其他產(chǎn)業(yè)制約子系統(tǒng)、碳匯林經(jīng)濟(jì)效益子系統(tǒng)和總經(jīng)濟(jì)效益子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)系如圖2所示。由于碳匯林其他效益的經(jīng)濟(jì)價(jià)值很小，可以忽略，因此在本模型中只考慮碳匯林的碳匯效益、降低環(huán)境污染效益、固定土壤效益，并將它們量化為經(jīng)濟(jì)數(shù)值。本模型只考慮與林業(yè)有關(guān)的因素，對(duì)林業(yè)資源型城市來說，其他因素影響較小，本文不做深入探討。

2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

2.1 碳匯林投資子系統(tǒng)

碳匯林投資子系統(tǒng)如圖2左側(cè)所示。在碳匯林投資子系統(tǒng)中，政府對(duì)林業(yè)的投資有一部分會(huì)流入到碳匯林中，從而引起碳匯林面積的變化。各個(gè)變量之間的關(guān)系用下式表示:

政府投資=總經(jīng)濟(jì)效益×政府投資比例

政府投資比例=初始投資比例×(1+投資比例增長(zhǎng)率)(Time－2012)

Time是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的時(shí)間函數(shù)，屬于隱藏變量，不需要輸入方程。

碳匯林投資=INTEG(碳匯林投資變化量，碳匯林投資初始值)

INTEG(d，e)是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中表示累計(jì)變化的函數(shù)，其中:d表示變量的變化量;e表示變量的初始值。上式表示碳匯林投資是歷年投資變化量的總和。

碳匯林面積變化量=delay1(碳匯林投資變化量×實(shí)際單位投資效率，碳匯林成長(zhǎng)時(shí)間)

delay1(f，g)是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的延遲函數(shù)，其中:f表示被延遲的變量;g表示延遲值。上式表示碳匯林在投資種植后，需要一定的生長(zhǎng)時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)模型所需要的面積變化。

實(shí)際單位投資效率=初始投資效率/(1+通貨膨脹率)(Time－2012)

碳匯林面積=INTEG(碳匯林面積變化量，碳匯林面積初始值)

圖2 每個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)部關(guān)系

2.2 碳匯林與其他產(chǎn)業(yè)制約子系統(tǒng)

碳匯林與其他產(chǎn)業(yè)制約子系統(tǒng)位于圖2的中部。在該子系統(tǒng)中，由于政府對(duì)林業(yè)的投資和有林地面積的增長(zhǎng)是有限的，因此碳匯林對(duì)資源的占用必然會(huì)引起其他產(chǎn)業(yè)所占投資和林業(yè)資源面積的減少，進(jìn)而會(huì)造成其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的降低。具體變量之間的關(guān)系為:

有林地面積增加量=有林地面積初始量×有林地面積增長(zhǎng)率

其他產(chǎn)業(yè)面積變化量=碳匯林面積變化量－有林地面積增加量

其他產(chǎn)業(yè)面積累計(jì)變化量=INTEG(其他產(chǎn)業(yè)面積變化量，其他產(chǎn)業(yè)面積累計(jì)變化量初始值)

其他產(chǎn)業(yè)面積減少比例=(其他產(chǎn)業(yè)應(yīng)有面積－(其他產(chǎn)業(yè)初始面積－其他產(chǎn)業(yè)面積累計(jì)變化量))/其他產(chǎn)業(yè)應(yīng)有面積

其他產(chǎn)業(yè)應(yīng)有面積=其他產(chǎn)業(yè)初始面積×(1+其他產(chǎn)業(yè)面積需求增長(zhǎng)率)(Time－2012)

其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益損失比=其他產(chǎn)業(yè)面積減少比例影響因子表(其他產(chǎn)業(yè)面積減少比例)+其他產(chǎn)業(yè)投資減少比例影響因子表(碳匯林投資比例)(注:碳匯林的投資比例即其他產(chǎn)業(yè)減少的投資比例)

y變量=x因子表(x變量)是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的表函數(shù)，它用于建立x變量和y變量之間的非線性關(guān)系，其中x因子表表示x變量對(duì)y變量的影響。表函數(shù)中的數(shù)值可以由歷史數(shù)據(jù)計(jì)算和分析得出，也可以由德爾菲法等方法得到。

其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益損失=其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益×其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益損失比

其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益=INTEG(其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)量，其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益初始值)

其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)量=其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益×其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益增長(zhǎng)率

2.3 碳匯林經(jīng)濟(jì)效益子系統(tǒng)

碳匯林經(jīng)濟(jì)效益子系統(tǒng)如圖2的右上角所示。該子系統(tǒng)反映了建立碳匯林所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益(本文所考慮的碳匯林經(jīng)濟(jì)效益僅限于碳匯林明顯區(qū)別于其他產(chǎn)業(yè)的部分)，主要包括碳匯價(jià)值、降低污染價(jià)值以及固土經(jīng)濟(jì)效益。各個(gè)變量之間的相互關(guān)系如下:

碳匯林生物量增加量=碳匯林面積變化量×單位面積生物量

碳匯量增加量=碳匯林生物量增加量×固碳系數(shù)

碳匯價(jià)值增加量=碳匯量增加量×碳匯價(jià)格

可減少環(huán)境污染=碳匯林面積變化量×實(shí)際吸收率

考慮到實(shí)際吸收率會(huì)受到季節(jié)變化的影響，因此可用以下公式計(jì)算實(shí)際吸收率:

實(shí)際吸收率=較高的吸收效率×選擇參數(shù)+較低的吸收效率×(1－選擇參數(shù))

較高的吸收率是指在樹葉比較茂盛時(shí)的吸收率，選擇參數(shù)則表示樹葉茂盛時(shí)期在一年當(dāng)中所占比例。

可減少環(huán)境投資=可減少環(huán)境污染×環(huán)境污染治理成本

固土量變化量=碳匯林面積變化量×R×E式中:R表示進(jìn)入河道或者水庫(kù)的泥沙占總泥沙流失量的比值;E表示每年有林地比無林地減少的侵蝕量。

可減少疏通投資=固土量變化量×C式中C表示挖去每噸泥沙的成本。

碳匯林經(jīng)濟(jì)效益增加量=可減少環(huán)境投資+碳匯價(jià)值增加量+可減少疏通投資

碳匯林經(jīng)濟(jì)效益=INTEG(碳匯林經(jīng)濟(jì)效益增加量，碳匯林經(jīng)濟(jì)效益初始值)

2.4 總經(jīng)濟(jì)效益子系統(tǒng)

總經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)位于圖2的底部，該系統(tǒng)主要描述了碳匯林產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益增加量和其他產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益損失對(duì)總經(jīng)濟(jì)效益的增減影響，具體如下:

總經(jīng)濟(jì)效益變化量=碳匯林經(jīng)濟(jì)效益增加量－其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益損失

總經(jīng)濟(jì)效益=INTEG(總經(jīng)濟(jì)效益變化量，總經(jīng)濟(jì)效益初始值)

3 模型模擬及結(jié)果分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

模型中運(yùn)用到的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是基于某林業(yè)資源型城市的真實(shí)數(shù)據(jù)，且來源于該城市歷年的統(tǒng)計(jì)年鑒。該城市較為適宜種植的林種為針葉林。以2012年為基準(zhǔn)年。2012年該城市的有林地面積為3 299 832 hm2，每年的增長(zhǎng)率為0.047%。其他產(chǎn)業(yè)占用有林地面積為2 999 832 hm2，年需求增長(zhǎng)率為0.047%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，成熟針葉林對(duì)二氧化硫(二氧化硫?yàn)橹饕諝馕廴疚?的實(shí)際吸收率為0.215 6 t/hm2(根據(jù)地理位置，模型中選擇參數(shù)取0.4得到)，每排放1 t二氧化硫造成的經(jīng)濟(jì)損失為2萬元。該城市總體經(jīng)濟(jì)效益的初始值為1 749 183萬元，其他產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的初始值為1 418 580萬元，增長(zhǎng)率為0.25%。政府對(duì)林業(yè)的初始投資比例為38.43%，增長(zhǎng)率為0.243%。初始的投資效率為0.1 hm2/萬元，通貨膨脹率選擇2002年全國(guó)的3.25%。另外，模型中的R取0.5，C取0.0002 萬元/t，E取36.85 t/hm2。

由于碳匯林是新項(xiàng)目，風(fēng)險(xiǎn)和收益都有很大的不確定性，因此初始建林規(guī)模不宜過大，設(shè)為300 000 hm2。森林的固碳量采用生物量法計(jì)算，根據(jù)光合作用方程式，固碳系數(shù)為1.63。碳價(jià)選取2012年Bluenext交易所EUA現(xiàn)貨平均價(jià)格，折算成以人民幣計(jì)量為51.16元/t。

模型中重要的表函數(shù)，即其他產(chǎn)業(yè)面積減少比例影響因子表是在綜合考慮該城市整體情況下，將其他產(chǎn)業(yè)分為第一、第二、第三產(chǎn)業(yè)分別分析并乘以相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)比例得到，其值為:［(0，0)—(1，20)］(0，0)，(0.05，0.05)，(0.1，0.11)，(0.15，0.18)，(0.2，0.3)，(0.3，0.6)，(0.4，2)，(0.5，3)，(1，20)，其中:［ ］中的()內(nèi)的值分別是自變量和因變量的最小值和最大值;后面的9個(gè)()內(nèi)的值則分別是自變量和因變量的其他對(duì)應(yīng)點(diǎn)。若自變量的值不在給定點(diǎn)中，則模型自動(dòng)用線性插值法求出因變量的值。

模型中另外一個(gè)表函數(shù)即其他產(chǎn)業(yè)投資減少比例影響因子表的取值方法與其他產(chǎn)業(yè)面積減少比例影響因子表相同，其值為:［(0，0)—(1，6)］(0，0)，(0.05，0.03)，(0.1，0.06)，(0.15，0.12)，(0.2，0.18)，(0.3，0.4)，(0.4，0.8)，(0.5，1.5)，(1，6)。

此外，本文的研究模型是在其他的國(guó)家和政府政策基本維持不變的情況下模擬的，并且通過了真實(shí)性檢驗(yàn)。

3.2 結(jié)果分析

1)當(dāng)前情況下模擬結(jié)果

結(jié)合圖3分析，在當(dāng)前政策條件下，即政府的碳匯林投資比例為10%，碳價(jià)維持在51.16元/t時(shí)，總經(jīng)濟(jì)效益先快速增長(zhǎng)，并在2044年達(dá)到最大值，隨后迅速減少，這說明在2044年總經(jīng)濟(jì)效益已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)，故政府不需要再繼續(xù)追加建立碳匯林的投資，只需進(jìn)行正常維護(hù)即可。此時(shí)的碳匯林面積為582 289 hm2，即為碳匯林的最優(yōu)面積。

圖3 當(dāng)前政策條件下模擬結(jié)果

2)碳匯林投資政策的靈敏度分析及最優(yōu)投資比例確定

在碳價(jià)維持在51.16元/t不變的前提下，本文對(duì)比分析了在5種不同投資比例情況下的總經(jīng)濟(jì)效益走勢(shì)情況，即碳匯林投資分別設(shè)為10%，12%，15%，18%以及 20%。如圖4所示，當(dāng)投資比例不同時(shí)，總經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)速度和最優(yōu)值均不相同。但它們的相同點(diǎn)是當(dāng)碳匯林投資比例給定時(shí)，我們就能確定出政府應(yīng)該在哪一年停止對(duì)碳匯林的種植追加投資。

由圖4還可以看出，碳匯林的投資比例為15%時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)值要明顯高于其他情況下的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)值。因此，15%的投資比例即為最優(yōu)的投資比例，此時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)值為5 758 650元，在2044年達(dá)到。

圖4 碳匯林投資政策的靈敏度分析

3)市場(chǎng)上碳價(jià)的靈敏度分析

在碳匯林投資比例維持在10%的前提下，本文對(duì)比分析了在3種不同的碳價(jià)情況下的總經(jīng)濟(jì)效益走勢(shì)情況，即碳匯價(jià)格分別上下浮動(dòng)10%。如圖5所示，當(dāng)碳價(jià)波動(dòng)時(shí)，總經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)速度和最優(yōu)值均不相同，且碳價(jià)越高，總經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最優(yōu)值的時(shí)間越晚。但其共同點(diǎn)都是當(dāng)碳價(jià)給定時(shí)，就能確定出政府應(yīng)該在哪一年停止對(duì)碳匯林的種植追加投資。

此外還可以看出，總經(jīng)濟(jì)效益對(duì)碳匯價(jià)格的敏感性較強(qiáng)，因此投資碳匯林有很大的價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，是一個(gè)高收益、高風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目，需要謹(jǐn)慎對(duì)待。

4)碳價(jià)決定是否投資碳匯林

顯然，當(dāng)市場(chǎng)上的碳價(jià)為0時(shí)，即碳市場(chǎng)失效時(shí)，政府沒有必要投資碳匯林。因此我們需要模擬出有必要進(jìn)行碳匯林投資的最低碳價(jià)。在模型中，對(duì)碳價(jià)分別取24，25和26元/t，結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，當(dāng)價(jià)格為24元時(shí)，整體經(jīng)濟(jì)效益一直處于遞減狀態(tài)，而當(dāng)碳價(jià)為25元/t和26元/t時(shí)，整體經(jīng)濟(jì)效益出現(xiàn)了遞增的情況，即說明當(dāng)碳價(jià)等于或者大于25元/t時(shí)政府才有必要去投資碳匯林。模型中所求的25元/t是在建立碳匯林會(huì)對(duì)其他產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生沖擊的前提下的最低投資價(jià)格，如果建立碳匯林對(duì)其他產(chǎn)業(yè)沒有沖擊或者沖擊較小，則無論碳市場(chǎng)是否有效，即無論碳價(jià)是多少，建立碳匯林總是有效益的。

圖5 碳匯價(jià)格靈敏度分析結(jié)果

圖6 碳匯價(jià)格決定是否投資圖

4 結(jié)論

1)當(dāng)政府對(duì)碳匯林的投資比例逐漸增大時(shí)，總經(jīng)濟(jì)效益曲線表現(xiàn)出波峰逐漸提高、達(dá)峰時(shí)間逐漸提前的波動(dòng)規(guī)律。這說明，一方面政府不能盲目地增加碳匯林的投資比例，另一方面需要在碳匯林的投資比例和投資年限之間做出有效權(quán)衡:若投資年限較短，則可選擇15%左右的投資比例;若投資年限較長(zhǎng)，則適宜選擇較低的投資比例;

2)當(dāng)市場(chǎng)上碳價(jià)逐漸增大時(shí)，總經(jīng)濟(jì)效益曲線表現(xiàn)出波峰逐漸提高、達(dá)峰時(shí)間逐漸延后的波動(dòng)規(guī)律。在同一時(shí)間，碳價(jià)較高的經(jīng)濟(jì)效益總是優(yōu)于碳價(jià)較低的經(jīng)濟(jì)效益。但是經(jīng)濟(jì)效益對(duì)碳價(jià)波動(dòng)的敏感性很強(qiáng)，碳匯林的投資存在很大的價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)。

3)政府在投資碳匯林時(shí)需要充分考慮上述因素，在此基礎(chǔ)上，可以通過對(duì)市場(chǎng)上碳價(jià)的預(yù)測(cè)來合理地確定投資比例，并預(yù)測(cè)出停止追加碳匯林建立投資的大致時(shí)間范圍。如果在投資期內(nèi)碳價(jià)出現(xiàn)波動(dòng)，政府應(yīng)當(dāng)據(jù)此規(guī)律及時(shí)做出調(diào)整，以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)化收益。

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