河北省農(nóng)業(yè)秸稈資源利用政策動態(tài)模擬研究

王孟雙 劉美玉

(河北地質大學 經(jīng)濟學院，河北 石家莊 050031)

我國正處于經(jīng)濟快速發(fā)展的階段，隨著城市化和工業(yè)化進程的不斷推進，生產(chǎn)要素的過量消耗，直接導致了環(huán)境污染的加劇，大氣污染更為突出。因此，大氣污染治理成為我國環(huán)境污染治理工作中的重頭戲，而近年來愈演愈烈的霧霾污染則成為了大氣污染治理中最為難啃的“硬骨頭”，“人間仙境”便是對河北省霧霾污染較為嚴重的真實描述。2018年河北省PM2.5的平均濃度達到了56.9 μg/m[1]，遠遠高于WHO 第一過渡階段(IT- I)發(fā)布的標準。霧霾污染的形成除了受到交通、工業(yè)等方面的影響外，還有一個重要的原因便是農(nóng)業(yè)秸稈資源的過度焚燒。秸稈焚燒產(chǎn)生大量的大氣污染排放物，有數(shù)據(jù)顯示，秸稈焚燒產(chǎn)生的二氧化硫的濃度遠遠高于常規(guī)焚燒的濃度[2]，可吸入顆粒物和二氧化氮的濃度比正常要高出三倍，且秸稈焚燒的污染具有季節(jié)性，每年春秋季節(jié)是秸稈焚燒的高發(fā)階段，也是大氣污染較為嚴重的時間段。河北省與京津地理位置接近，擔負著生態(tài)保護屏障的重要責任，為此河北省在治理秸稈焚燒方面不斷完善法律法規(guī)，加強政策引導[3]。2020年河北省出臺《河北省農(nóng)作物秸稈綜合利用試點項目實施方案》，強調(diào)加強試點、總結經(jīng)驗，以點帶面積極促進試點項目的落地、實施，按照“疏堵結合，綜合利用”的思路，提高全省的秸稈資源綜合利用水平和效益。同年河北省頒布《河北省秸稈綜合利用實施方案(2021—2023)》，計劃到2023年秸稈資源基本實現(xiàn)全面利用，建立秸稈綜合利用的長效機制，提高秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)化水平，把秸稈綜合利用作為新的產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟增長點進行培育和打造。

投入—產(chǎn)出模型能夠在資源環(huán)境約束下從動態(tài)視角來研究資本形成、產(chǎn)業(yè)活動和物質流動關系[1]。本文基于動態(tài)投入—產(chǎn)出模型，運用線性最優(yōu)化規(guī)劃方法，探索實現(xiàn)經(jīng)濟增長、環(huán)境優(yōu)化和秸稈資源利用的協(xié)調(diào)發(fā)展路徑。在綜合模型中模擬社會經(jīng)濟、秸稈資源、能源供需和大氣環(huán)境優(yōu)化以及一個目標函數(shù)和相關政策，并引入10種秸稈資源處理技術，預測河北省秸稈資源利用潛力和城市發(fā)展前景。

1 動態(tài)最優(yōu)化概念模型構建

本文的最優(yōu)動態(tài)化綜合評價模型由一個目標函數(shù)和五個子模型組成，四個子模型分別是社會經(jīng)濟模型、大氣污染物排放模型、能源平衡模型、秸稈資源平衡模型、秸稈新技術引進模型(見圖1)。

圖1 河北省秸稈資源利用和可持續(xù)發(fā)展概念模型

社會經(jīng)濟模型描述資本投入與產(chǎn)出之間的關系[4]；秸稈資源平衡模型描述經(jīng)濟活動與秸稈資源產(chǎn)生量的關系；能源平衡模型描述的是經(jīng)濟活動中能源的供給與需求之間的關系；大氣污染物質排放模型描述的是社會經(jīng)濟活動消耗能源后的大氣污染物質排放以及秸稈綜合處理后減少的大氣污染物質排放情況，由于數(shù)據(jù)獲取有限，主要考慮NOx(氮氧化物)、SO2(二氧化硫)兩種大氣污染物質；秸稈新技術引進模型描述經(jīng)濟社會的政府補貼與秸稈技術選擇的關系。

在本文的動態(tài)系統(tǒng)中，五個子模型是相互依存和制約的關系。在社會經(jīng)濟模型中，經(jīng)濟活動的運行需要能源的支撐，對能源存在依存關系；同時在經(jīng)濟社會發(fā)展、產(chǎn)業(yè)成長過程中會不斷向大氣排放污染物質。對大氣污染物質的排放進行限制，就會對經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生影響，大氣污染物質排放越嚴格，經(jīng)濟發(fā)展的速度就會越放緩。社會經(jīng)濟模型對于秸稈資源的影響在于，秸稈資源來源于農(nóng)業(yè)中農(nóng)作物的產(chǎn)量，根據(jù)確定的草谷比系數(shù)計算出當年的秸稈資源量[5]，在本文的研究中，將農(nóng)作物產(chǎn)值與秸稈資源產(chǎn)生量建立聯(lián)系。這樣，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的變動便會影響到農(nóng)業(yè)秸稈資源產(chǎn)量的增減。秸稈新技術引進需要依靠政府財政補貼，同時，又會對秸稈資源的利用和大氣環(huán)境產(chǎn)生影響。秸稈資源模型與能源平衡模型是互補的，在秸稈資源利用過程中，會消耗一定的能源，但秸稈資源“能源化”利用會產(chǎn)生能源，進而對能源消費結構進行優(yōu)化以及補充[6]，增大生物質能源的消費市場。同時秸稈資源利用后會降低秸稈焚燒數(shù)量，極大地減少大氣污染物質的排放數(shù)量，同時減少CO2的排放[7]，凈化空氣質量，提高生態(tài)質量[8]。但秸稈資源的利用需要政府的補貼，不能全部依靠市場的力量，對于公共事業(yè)、環(huán)境治理需要加強政府的引導作用[9]。通過對大氣污染物質模型的限制，便可對秸稈資源和社會經(jīng)濟模型產(chǎn)生影響。

2 數(shù)學模型的構建

根據(jù)數(shù)據(jù)的獲取情況及模型特征，本文將模擬期設置為2017—2035年。模型中含有60多個數(shù)學函數(shù)公式和21 724個變量，由于篇幅有限，便不一一羅列，僅列出重要公式，并運用LINGO軟件將帶有外生變量的數(shù)學公式轉換為編程語言，通過模擬與計算，內(nèi)生出全局最優(yōu)解。

2.1 目標函數(shù)

將地區(qū)生產(chǎn)總值(GRP)最大化設為目標函數(shù)

(1)

(2)

式中：t為模擬期，p為社會折舊率；GRP(t)為第t期河北省地區(qū)生產(chǎn)總值；m為產(chǎn)業(yè)部門；每一期的GRP值由每個產(chǎn)業(yè)部門當期產(chǎn)值Xm與附加值率Vm決定。

2.2 社會經(jīng)濟子模型

社會經(jīng)濟子模型包括產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)市場平衡、秸稈收儲運補貼政策、秸稈處理農(nóng)機補貼政策等方面。根據(jù)河北省的投入產(chǎn)出表，將產(chǎn)業(yè)合并為11個部門，分別是稻谷、小麥、玉米、豆類、薯類、棉花、芝麻、花生、其他農(nóng)業(yè)部門、第二產(chǎn)業(yè)部門、第三產(chǎn)業(yè)部門。根據(jù)市場平衡的要求，各產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)出要大于或者等于中間投入和最終需求之和。

e(t)+Q(t)

(3)

通過補貼產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整實現(xiàn)調(diào)整秸稈資源量的目的。我們利用哈羅德多瑪模型描述產(chǎn)業(yè)補貼后的資本產(chǎn)出關系。

Xm(t)≤bm(Km(t)-Sm(t))

(4)

Km(t+1)=Km(t)+Im(t+1)-fm*Km(t)

(5)

式中：bm為產(chǎn)業(yè)m的資本產(chǎn)出率；Km(t)為第t期產(chǎn)業(yè)m的資本量；Sm(t)為第t期產(chǎn)業(yè)m的補貼額；Im(t)為第t期產(chǎn)業(yè)m的投資額；fm為產(chǎn)業(yè)m的社會折舊率。

2.3 能源供需模型

加入了秸稈處理新技術后，秸稈資源能源化處理能夠產(chǎn)生新的生物質能源。能源總供給主要由三部分構成：能源供給企業(yè)、能源外部調(diào)入、秸稈處理產(chǎn)生的能源，公式如下：

TES(t)=ELS(t)+WLE(t)+PLM(t)

(6)

(7)

能源需求主要來自于產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)和最終消費。能源需求總量用下面公式描述：

TED(t)=IED(t)+FCED(t)

(8)

式中：TED(t)為第t期能源總需求；IED(t)為產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的能源需求；FCED(t)為最終消費的能源需求。

2.4 大氣污染物質排放模型

在大氣污染物質模型中，受數(shù)據(jù)獲取限制，主要選取NOx、SO2兩種空氣污染物進行研究。河北省大氣污染物質排放總量為產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)排放量、最終消費排放量的加總，再減去新增秸稈資源處理技術的去除量。秸稈資源處理技術的去除量由秸稈資源污染物質去除率和秸稈資源技術處理量決定。公式如下：

TAP(t)=AP1+AP2

(9)

APr(t)=LAPr(t)+FCAPr(t)-STAPr(t)

(10)

(11)

2.5 秸稈資源模型

此模型主要闡述秸稈資源的產(chǎn)生與處理量。秸稈資源的產(chǎn)生量與社會經(jīng)濟發(fā)展有關，直接與之相關的便是第一產(chǎn)

業(yè)的發(fā)展。公式下：

(12)

秸稈資源處理量公式如下：

(13)

2.6 新技術引入模型

大氣環(huán)境的治理需要政府充分發(fā)揮引導作用，加強財政補貼和投資，積極引進秸稈資源處理新技術。因此本文假設秸稈資源技術引進的投資全部來源于政府財政補貼。

Sn(t)=In(t)+MCn(t)

(14)

式中：Sn(t)為第t期政府總的補貼額；In(t)為第t期政府對秸稈處理技術的建廠補貼；MCn(t)為政府對技術運行成本的補貼。

用于對秸稈資源處理技術的補貼加上對產(chǎn)業(yè)結構的補貼總額應當小于政府的總補貼額。

(15)

式中：S(t)為政府財政補貼最高值；Sm(t)為第t期用于產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整的額補貼；Sn(t)為第t期用于秸稈處理技術的補貼額。

3 結果與分析

本文將收集的數(shù)據(jù)作為外生變量嵌入到模型中，模擬出內(nèi)生最優(yōu)解，反映了河北省社會經(jīng)濟、秸稈資源利用、環(huán)境影響的發(fā)展趨勢，通過對秸稈政策的調(diào)整，來找出河北省秸稈資源利用最優(yōu)的技術路徑和秸稈資源處理的政策組合，并且模擬和預測河北省秸稈資源利用、環(huán)境影響和社會經(jīng)濟發(fā)展趨勢。

3.1 秸稈資源處理潛力分析

引入了秸稈資源處理新技術以后，河北省秸稈資源處理效率得到了有效的提升(見圖2)。不過由于河北省秸稈資源利用現(xiàn)階段工作較完備，秸稈資源利用效率提升空間并不大。2017年河北省秸稈資源利用率達到97.5%，處理量達到5 800萬噸；在目標期，2017—2035年間處理量逐年上升，最終處理量達到16 500萬噸，處理效率最終達到99.5%，基本實現(xiàn)秸稈資源的全部利用。

圖2 河北省2017—2035年秸稈資源處理情況

3.2 河北省秸稈資源利用的環(huán)境影響

河北省的能源消耗總量整體呈上升趨勢(見圖3)，從2017年的23 923萬噸標準煤上漲到2035年的51 529萬噸標準煤。能源消耗強度由2017年的0.702 7噸標準煤/萬元下降到2035年的0.639噸標準煤/萬元。能源消耗強度逐年下降，到2035年達到最低點。能源消耗的持續(xù)降低，說明河北省秸稈資源處理技術的引用具有較好的效果。

圖3 河北省模擬期能源消費概況

3.3 河北省大氣污染物質的排放情況

對于大氣污染物質的排放，我國十四五規(guī)劃設定的目標是污染物質年減排10%，故在本文中將環(huán)境限制設定為在模擬期內(nèi)，大氣污染物質減排20%、25%、30%。在大氣污染物質減排20%的情況下，NOx由2017年的55.56萬噸下降到2035年的42.32萬噸；SO2由2017年的33.48萬噸下降到2035年的26.45萬噸。在大氣污染物質減排25%的情況下，NOx由2017年的55.56萬噸下降到2035年的40.06萬噸；SO2由2017年的33.48萬噸下降到2035年的25.04萬噸。在大氣污染物質減排30%的情況下，NOx由2017年的55.56萬噸下降到2035年的37.23萬噸；SO2由2017年的33.48萬噸下降到2035年的23.27萬噸。大氣污染物質排放強度在模擬期內(nèi)，在大氣污染物質減排20%的情況下，NOx排放強度由2017年的0.001 6噸/萬元下降到2035年的0.000 9噸/萬元；SO2排放強度由0.001噸/萬元下降到0.000 6噸/萬元。在大氣污染物質減排25%的情況下，NOx排放強度由2017年的0.001 6噸/萬元下降到2035年的0.001噸/萬元；SO2排放強度由0.001噸/萬元下降到0.000 6噸/萬元。在大氣污染物質減排30%的情況下，NOx排放強度由2017年的0.001 6噸/萬元下降到2035年的0.001噸/萬元；SO2排放強度由0.001噸/萬元下降到0.000 65噸/萬元。技術的加持使得環(huán)境經(jīng)濟的容量不斷加大，經(jīng)濟環(huán)境效率不斷提高，但隨著環(huán)境限制越來越嚴格，經(jīng)濟效率在達到頂峰后，開始放緩。

3.4 河北省經(jīng)濟發(fā)展趨勢

根據(jù)模擬結果，在引入秸稈處理新技術和政策組合后，即使在環(huán)境限制的前提下，河北省各市經(jīng)濟仍然實現(xiàn)了正向發(fā)展(見圖4)。在大氣污染物質減排20%的情況下，通過引入新技術和政策組合，到2035年河北省經(jīng)濟總量達到8.06萬億元，經(jīng)濟年均增速為4.9%；當環(huán)境限制越來越嚴格，大氣污染物質減排25%的情況下，到2035年河北省經(jīng)濟總量達到7.12萬億元，經(jīng)濟年均增速為4.2%；大氣污染物質在減排30%的情況下，到2035年河北省經(jīng)濟總量達到6.4萬億元，經(jīng)濟年均增速為3.56%。在大氣污染物質減排20%時，河北省11個地級市均實現(xiàn)經(jīng)濟的增長，2035年GRP排名前五位的是唐山市、石家莊市、廊坊市、保定市、邯鄲市。從2017年到2035年GRP年均增速最高的是衡水市，經(jīng)濟增速達到6.67%；GRP年均增速最低的地區(qū)是滄州市，年均增速為3.9%。

圖4 2035年河北省各地級市經(jīng)濟發(fā)展情況

4 結論和政策建議

4.1 結論

通過對河北省社會經(jīng)濟、秸稈資源處理、能源和環(huán)境的模擬研究，可以得出河北省秸稈資源技術處理的最優(yōu)路徑和政策組合，從而促進河北省實現(xiàn)秸稈資源有效利用、環(huán)境優(yōu)化和經(jīng)濟高質量增長的均衡發(fā)展。具體結論如下：

(1)秸稈處理技術的引進有利于促進經(jīng)濟在環(huán)境限制的基礎上實現(xiàn)增長，隨著環(huán)境限制的嚴格，經(jīng)濟增速會有所放緩。當經(jīng)濟環(huán)境限制在大氣污染物質減排20%時，河北省經(jīng)濟發(fā)展年均增速為4.9%；當環(huán)境限制越來越嚴格，大氣污染物質減排25%的情況下，經(jīng)濟年均增速為4.2%；大氣污染物質在減排30%的情況下，經(jīng)濟年均增速為3.56%。但地區(qū)發(fā)展差異較大，更多的環(huán)境補貼應該投放在滄州市、邯鄲市等地區(qū)，在環(huán)境限制的基礎上，積極引導地區(qū)經(jīng)濟轉型發(fā)展。

(2)對城市的經(jīng)濟環(huán)境發(fā)展規(guī)劃，要根據(jù)當?shù)氐膶嶋H發(fā)展情況，制定包含技術引進和政策扶持的組合政策。針對區(qū)域的發(fā)展前景和需求，充分考慮秸稈資源規(guī)模、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等因素，引進與之相適應的秸稈處理技術，實現(xiàn)秸稈資源綜合處理的環(huán)境改善。

4.2 政策建議

根據(jù)模擬結果，為實現(xiàn)河北省秸稈資源的高效利用與經(jīng)濟環(huán)境和諧發(fā)展，現(xiàn)從政策支持、秸稈技術選擇和財政補貼等方面提出方案。

(1)加大政策支持。河北省秸稈資源處理的現(xiàn)行政策包括秸稈資源收儲運補貼政策、秸稈資源處理農(nóng)機補貼政策、秸稈技術補貼政策[10]。要不斷推動秸稈處理政策的創(chuàng)新、落地，創(chuàng)新秸稈資源綜合利用的工作方式。在收儲運補貼政策中，要積極推動秸稈資源集約化收集，促進秸稈收集產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，加大補貼力度，提高秸稈收集企業(yè)的積極性；在農(nóng)機補貼政策中，要完善農(nóng)機補貼種類，擴大農(nóng)機補貼范圍，引導農(nóng)戶參與秸稈資源的收集或直接機械還田，從根源上減少秸稈焚燒現(xiàn)象；在技術補貼政策中，堅持產(chǎn)學研相結合，推廣先進技術落地實施，加大技術創(chuàng)新，提高機械設備技術水平。

(2)優(yōu)選技術建廠，以點帶面。通過模擬，我們最終在十種技術中選出了四種技術，在2017—2035年政府應對四種秸稈處理技術進行補貼，分別是秸稈飼料壓塊技術、秸稈氣化發(fā)電技術、秸稈食用菌基料技術、秸稈有機肥生產(chǎn)技術。政府部門可在秸稈資源處理試點城市，建立以這四項技術為主的秸稈處理工廠。根據(jù)試點城市四項技術的發(fā)展狀況，再結合省內(nèi)11個地級市自身秸稈資源的情況，因地制宜地選擇相適合的技術，以點帶面，實現(xiàn)全省的秸稈資源高效利用。

(3)完善財政補貼政策，發(fā)揮政府引導作用。政府部門要完善財政補貼政策，設立秸稈資源處理專項資金，引導秸稈資源處理企業(yè)自籌資金，積極參與秸稈資源的處理過程。政府部門要在秸稈資源的生產(chǎn)、流通、銷售等多個環(huán)節(jié)落實補貼政策，激發(fā)秸稈資源的市場活力。通過模擬結果，河北省在模擬期內(nèi)共需要補貼454億元，其中秸稈飼料壓塊技術14億元、秸稈氣化發(fā)電技術1.5億元、秸稈食用菌基料技術320.5億元、秸稈有機肥生產(chǎn)技術118億元。

(4)加大宣傳力度。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)發(fā)展方式導致公眾對秸稈資源的處理方式認識不到位，對于秸稈資源多采取焚燒或隨意丟棄的方式，不僅造成資源浪費，還造成大氣環(huán)境的嚴重污染。政府部門要加大宣傳力度，拓寬宣傳渠道，采用電視、廣播、自媒體等方式提高全社會對秸稈資源利用重要性的認識，增強公眾的環(huán)保意識，尤其是在廣大的農(nóng)村地區(qū)，更要讓村民樹立“秸稈資源”思想，把秸稈當成可利用的資源，而不是農(nóng)作物廢棄物。

(5)合理布局秸稈生產(chǎn)企業(yè)，促進秸稈資源處理產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。對于秸稈資源利用的先進技術，要根據(jù)每種技術的特點，合理布局相關的秸稈生產(chǎn)企業(yè)。充分考慮秸稈資源分布、建廠成本、運輸成本等因素，科學規(guī)劃、合理布局，避免出現(xiàn)秸稈生產(chǎn)廠商扎堆聚集、秸稈資源市場無序發(fā)展、社會秸稈資源利用效率降低的情況。