排污權交易系統效率的實驗研究

摘 要:在排污權交易經濟理論基礎上，結合對現實企業差異性與決策機制分析，構建了基于異質主體的區域排污權交易系統計算實驗平臺，并對排污權交易系統效率以及許可證價格進行初步研究。結果表明，企業間差異性對系統效率有促進作用;在信息不完全市場中，許可證價格可以收斂，但高于理論均衡價格;由于企業行為偏差使得許可證價格對其自身有阻滯效應，單純價格導向不能使市場完全有效，而企業差異性可對不完全信息帶來的效率損失有補償效應。研究也表明了對排污權交易系統進行異質性分析與建模的必要性。

關鍵詞:計算實驗;排污權交易;系統效率;決策機制;異質性

中圖分類號:F205 文獻標識碼:A 文章編號:1003-5192(2010)06-0025-07

A Computational Experimental Study on Efficiency of Emissions Trading System

JIN Shuai1，2， SHENG Zhao-han1，2， LIU Xiao-feng1，2

(1.School of Management and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210093， China; 2.Computational Experiment Center for Social Science， Nanjing University， Nanjing 210093， China)

Abstract:According to economic basis of emissions trading， a heterogeneous agent-based computational experiment platform for regional emissions trading was established， by combining analyses of the diversities and decision-making mechanisms of companies in real world. Then pilot analyses were done on efficiency of emission trading and permit price. The experimental results showed that diversities of companies would advance system efficiency， market price converged above equilibrium price， and a retarding effect was on permit price through itself. Price-oriented trading strategy could not lead to effective collocation of permits， but diversities of companies would generate a countervailing effect on system efficiency. The requirement of heterogeneous modeling and analysis on emissions trading system was proofed thought experimental results.

Key words:computational experiment; emissions trading; system efficiency; decision mechanism; heterogeneity

1 引言

作為一種基于市場解決環境資源問題的環境經濟政策，排污權交易制度已經在美國、歐盟等地區以不同形式得到廣泛嘗試與應用，并被實踐證明是有效的污染治理途徑[1，2]。但是，我國在長三角、天津、河南等眾多地區開展的試點工作，無論在形式和內容上，與真正的市場運作模式還有相當大的距離。例如，一些地區許可證供給不足，交易體制不健全，交易依賴環保部門的操縱和運作等[1]。而2009年國家環保部又明確表示全面啟動太湖流域排污權有償使用和交易工作，向水環境排污權交易這個世界難題發出挑戰。相比國外的政策環境、監管機制及交易市場，我國存在一定缺陷與差異性[3]。因此，現實需求必須考察和研究其“分子結構”，弄清它的本質與過程，才能在拿來之后進行揚棄，真正做到洋為中用[4]。

國外對排污權交易制度進行了大量理論研究與實踐[5]。研究方法主要基于瓦爾拉斯一般均衡理論。例如，Hahn[4]研究了當市場中存在一個具有市場支配力的企業、其他為競爭性企業情況下的市場均衡，并得出市場的產量與成本效率取決于排污權初始分配的結論。Sartzetakis[6]通過構造涉及兩個企業的許可證競爭市場與產品壟斷市場關聯模型對前者的效率進行研究，并指出當產品市場寡頭壟斷時，許可證市場的競爭性并不能確保其有效率。但由于一般均衡理論抽象掉了市場均衡產生的動態過程、缺乏主體行為與交互的考察以及具有脫離現實的嚴格前提假設，國外許多前沿學者開始運用實驗手段來檢驗排污權交易的基礎理論與交易機制。Klaassen[7]就基于京都議定書中六個成員國的溫室氣體排放現狀對備選交易機制進行了實驗研究，研究表明拍賣及雙邊序貫交易都可以取得巨大的成本節約，且所有實驗中市場價格收斂到均衡價格，同時發現并不是所有國家可從交易中受益。Murphy[8]認為必須弄清實施交易對排污決策的直接影響以及許可證價格變動產生的間接影響，結果證實了許可證價格對企業違規行為有負效應，對市場存在補償效應，而對排污決策無直接影響。然而，這種方法雖以現實中的人為實驗對象，但依然存在兩大缺陷:(1)經費與時間限制了實驗規模與樣本數，進而實驗復雜性及驗證都受到制約;(2)人的主觀因素對實驗可重復操作帶來的影響無法克服。這致使實驗經濟學對很多問題并不能得到一致認識。

相比國外，我國對其理論研究比較匱乏。但隨著環保力度的加大與試點工作難點的增多，排污權交易逐漸成為污染控制領域的熱點問題。有許多學者對其進行了深入研究[3，4，9~13]，但大部分研究局限在理論介紹、初始分配與定價等方面，忽視了二級市場研究，以致尚未形成系統全面的理論框架。

從系統科學角度來看，排污權交易制度下的管制系統是復雜系統，研究人員不能通過還原論或整體論方法對其進行預測與診斷。首先，排污權交易制度是對區域復合系統污染行為進行管制，而復合系統的復雜性暗示了制度必須考慮眾多環境、經濟與社會因素;其次，一級市場分配的公平性與二級市場交易的效率密切相關，只有將兩者綜合考慮才能保證真正的公正與效率;第三，政府、企業等眾多主體通過許可證及其價格緊密相連，主體的異質性及自適應性造就了二級市場高度復雜性;此外，產品市場與許可證市場也相互影響，使得許可證轉讓的機會成本不可忽視。所以，對排污權交易應該從系統結構、主體行為與機制設計三方面進行集成研究。為此，本文從其經濟學基本理論與現實情況出發，構建了區域排污權交易計算實驗平臺，并基于此對系統效率進行了初步探討。希望這一嘗試能夠在理論上提供排污權交易集成研究的新途徑，幫助更清晰地理解其運作機制與制約因素，進而通過人工系統與現實系統的結合對可替代性制度變量進行實驗分析，在實踐上為政府實現排污權交易綜合集成管理提供支持。

研究采用計算實驗方法，它是以系統科學思想為指導，綜合集成數學、心理學、經濟學等學科理論知識，借助計算機構造實驗對象、環境和平臺，模擬現實世界物質運動動力學規律，對社會問題進行科學實驗研究的方法[14]。通過基于計算技術的可控可復現的實驗，研究系統要素的相互作用及其整體涌現現象的演化過程;并通過抽取和分析系統關鍵參數與過程來研究其變化對系統整體演化的影響，以期更深入地觀察和理解現實世界。作為一種新興的社會科學研究方法，它吸引了國內外眾多領域學者投身其中[14，15]，在環境政策分析與評價領域也取得了豐碩成果[16~18]。

2 計算實驗模型構建

2.1 主體基本假設

假設特定區域內有一個政府機構負責排污權交易管理，有家排放同一類型均勻混合污染物的企業參與排污權交易。且每單位許可證代表一污染當量。除持有該權利的企業外，禁止實施污染行為。

2.2 一級分配市場

在一級市場中，政府主要起總量控制與初始分配的作用，這是實施排污權交易的首要前提。假定政府綜合區域社會經濟狀況與環境質量目標設定最大排污總量為E，并依據特定原則向企業發放許可證。

由科斯第一定理可知，若交易費用為零，無論初始權利如何界定，都可以通過市場交易達到資源的最佳配置，初始分配對市場效率并沒有影響[1]。所以，本文未重點研究初始分配方式，而是假定政府采用同比例削減法進行初始分配，削減率為

在供需雙方匿名提交供需量及價格底線后，進入價格形成過程。模型未再探討普遍研究的交易機制，如密封拍賣等，而是采用擬瓦爾拉斯拍賣機制[19]。政府作為拍賣人利用計算機在滿足賣方保留價格小于成交價格與買方最高承受價格的情況下，對供需方進行撮合，使市場中許可證能夠在需求方得到最優配置，進而得到每期現貨價格。這種機制不但能夠節省非最優交易造成的沉沒成本和信息收集與談判帶來的交易成本，而且還可以實現單期最大成交量。

2.4 主體決策機制

由于現實中企業具有異質性、決策信息不完備及市場價格不確定性等原因，企業的決策目標和策略只能是漸進式的滿意決策而不可能實現整體最優化決策結果。通過對現實企業決策行為過程的分析，抽象出三種指導企業制定削減計劃與交易的決策機制:

(1)價格導向策略(記作POS):亦即完全價格追隨策略。企業完全依據上周期的許可證市場價格制定削減計劃，即ρti=pt-1。

(2)收益導向策略(記作NOS):企業根據歷史收益信息調整其許可證價格預期。即若上周期治污成本的降低是由于降低了許可證預期價格，那么他會強化這種行為，繼續降低預期，與之相應的是增大許可證需求。反之亦然。

(3)交易導向策略(記作TOS):為能實現預期交易量，企業根據上周期其許可證盈余情況對本期削減量進行調整。即若上周期企業未完全售出富余許可證，則減少削減量;若需求未能滿足，則增加削減量。

2.5 其他假設

(1)企業合作守法，沒有偷排、漏排等違規行為;

(2)許可證不能租借或存儲。每期交易后，若企業仍無足量許可證，則繼續削減剩余責任;若未完全賣出，則不再削減未交易許可證對應污染量;

(3)許可證轉讓的機會成本涉及更多篇幅，故假定所有企業樂意進行交易;

(4)無企業進出、污染總量無劇烈變化、治理技術也無顯著進步。

3 實驗1:完全競爭市場下的效率

按照微觀經濟學理論，完全競爭條件下市場機制最有效率，它能使稀缺許可證配置實現帕累托最優。此時許可證市場價格與各企業邊際削減成本相等[10]。

在此引入交易系統原始效率(Ideal Efficiency，IE)的概念，指在完全競爭條件下，排污權交易比單純許可證制度產生的區域總體治污成本的節約量與許可證制度下總治理成本的比率。并以此衡量，從排污收費向排污權交易轉變中，交易制度的理想使用效率，即

3.1 實驗數據及過程

在進行差異性對原始效率影響實驗之前，對企業數N、污染均量μe與削減技術均值μk三個區域宏觀指標進行實驗分析，并證實它們對效率沒有影響。故設定N=100，μe=20000，μk=0.01，并在實驗過程中保持不變。

在特定EDI與KDI下隨機生成一組服從分布的企業樣本集。樣本集再現為一個區域，每個樣本代表區域內單個企業。但由于EDI與KDI均為宏觀指標，單個樣本集并沒有代表性。所以，為避免樣本集單一對實驗結果分析的片面性，在同一組宏觀指標下隨機生成500個服從分布的樣本集，并分別進行實驗，記錄交易過程、許可證配置狀態等，然后對這500個樣本集進行綜合統計與分析。以上過程為一組實驗。

分別選取EDI、KDI為i/20，i=1，2，…，20，進行400組實驗。實驗表明，差異性對原始效率的影響十分顯著。圖1與圖2為部分實驗結果數據的統計分析。

3.2 差異性對原始效率的影響

圖1(a)表明排污權交易的原始效率總體上隨企業差異性的增大而不斷上升。然而，兩種差異性對系統原始效率的影響程度與方式不盡相同。

當KDI<0.3時，原始效率隨EDI增大變化顯著，從0線性上升到0.5左右;而當KDI>0.8時，EDI對效率的影響甚微，變化僅在0.05左右。即當KDI一定時，原始效率隨著EDI的增加而線性增加，且這種增幅與KDI負相關，直到KDI足夠大時，EDI對原始效率的影響微弱。

當EDI一定時，原始效率隨KDI的增加而呈S型增長，即便EDI趨向于1時，KDI的增加可以使效率從0.5左右提升到0.9。且無論EDI為多少，只要KDI>0.8，排污權交易制度總能節約相當于排污收費制度80%以上的成本。

這同樣暗示了，排污權交易制度作為一種微觀經濟激勵型政策，其在推動企業進行清潔生產與技術創新加劇企業間在污染治理方面差異性的同時，可以實現系統效率的進一步提升。

圖 1 企業差異性對系統原始效率的影響

現實中企業之間存在異質性，而建模中為了求解方便，通常對企業進行一定假設，如本模型一組實驗的每個樣本集都是基于兩個指標生成，但500個樣本集下的實驗效率不盡相同，所以，單一樣本分析的局限性與異質性建模的必要性非常值得關注。圖1(b)可以充分說明這點。

KDI對原始效率偏差呈現明顯的先補償后抑制效應。當EDI一定時，效率偏差隨KDI的增加先升高后降低，當KDI為0.6左右時達到偏差頂峰，且EDI越小峰值越高。然而，污染量差異對效率偏差的影響相對復雜。當KDI<0.42時，EDI增加對原始效率波動具有補償作用，增加幅度與KDI負相關;當KDI>0.42時，EDI增加對效率偏差產生抑制作用，效率偏差從0.1不斷下降;但隨KDI增加，抑制作用同樣逐漸變弱，最終效率波動保持在0.03。也就是說，企業治污技術與污染量的差異都對原始效率波動具有先補償后抑制作用，但污染量差異產生的抑制效應只有在企業治污技術差異明顯體現的情況下才能發揮作用。

3.3 差異性對理論均衡價格的影響

從圖2(a)可發現，當KDI一定時，EDI增加會導致理論均衡價格略有提高。但是，均衡價格總體上隨KDI的增加而不斷減小。即，許可證均衡價格與KDI明顯負相關;而與EDI弱正相關。許可證價格的降低會吸引更多的許可證需求方投入市場中以獲得低治污成本，供需雙方形成共贏，這同樣映證了排污權交易存在的市場動力在于各排污企業間存在削減污染邊際成本的差異，且治污技術差異越大效率越高。

在相同宏觀指標下，不同區域許可證均衡價格的偏差隨企業差異性的增大而愈發劇烈，見圖2(b)。當0.60.8時，許可證價格偏差接近6，相當于均衡價格的40%。這無疑暗示了，在對區域許可證定價時不能僅參照相似區域定價。尤其是在區域內企業差異性特性明顯的情況下，在微觀企業詳細分析的基礎上制定符合本區域的許可證價格是必須的，否則定價偏離過大對區域排污權交易會產生負面引導作用。

綜上所述，原始效率及均衡價格受削減技術差異的影響比污染量差異更加顯著;且即便相同宏觀特征不同區域的效率與價格由于區域內具體構成不同而偏差明顯。因此，區域是否實施排污權交易不但要考慮實施成本，還要對區域內微觀企業進行調查與分析。當實施政策的成本比社會節約成本還要高時，無疑是一個敗筆。

4 實驗2:不完全競爭市場下的效率

完全競爭模型假設市場上存在大量賣方和買方，任何企業無法控制市場價格，交易者間信息充分。然而它并不適用于現實市場。現實中信息條件、交易成本、市場勢力、交易機制、交易者預期等諸因素影響使實際效率比原始效率低下[3，10]。

為此引入交易效率(Transaction Efficiency，TE)的概念，指非完全競爭下區域排污權交易后實際總治污成本節約與理論總治污成本節約的比率，即

其中Ci為現實均衡狀態下企業i的治污成本。

本實驗重點研究非完全信息下的市場效率。在非完全信息條件下，所有企業的共同信息是排污權交易的原則、歷史價格及實驗中指導交易的決策機制;每個企業的私人信息為其邊際治理成本及價格預期。

4.1 實驗數據與過程

在特定EDI與KDI下，生成一組服從分布的樣本集，進而對該樣本集進行實驗。樣本集中每個企業按照不同決策機制制定削減與交易計劃。由于許可證市場價格與供求的動態性以及企業主體通過許可證間接相關，企業無法預測到最優決策，只能根據歷史信息與自身情況不斷調整，直至形成市場均衡。據觀測，在任何交易策略及差異系數組合下，實驗中交易效率與許可證價格在80個周期內都能夠收斂，故設定實驗周期為80。并且，由于企業決策受路徑依賴與隨機因素影響，每次實驗結果僅是系統演化的一種路徑。為此，每次實驗試驗500次以試圖消除這些干擾因素。以上為一組實驗。

為深入研究市場中企業的決策機制，本實驗并未沿用實驗1研究模式，而是同步改變EDI與KDI，記為DI，并選取DI分別為i/20，i=1，2，…，20，進行了20組實驗。同時，采用偽隨機數生成樣本集，以使得在不同DI下樣本集中的每個樣本能夠在屬性分布上與整體保持相對一致性。

實驗表明，在非完全信息下區域內企業差異性對系統的交易效率也存在顯著差異。圖3~5是部分實驗結果的統計分析。

4.2 差異性對交易效率的影響

圖3清晰地展現出，無論采用何種決策機制，排污權交易效率與區域內企業差異性正相關。當DI>0.85時，三種決策機制下的平均交易效率都達到了0.99以上。且無論企業差異性是否顯著，TOS都能夠達到相對于另兩種決策機制高的交易效率;當企業沒有顯著性差異(DI<0.25)時，POS下的平均交易效率最低，但隨著DI增加，交易效率的增幅很大;在DI>0.25后，POS與NOS下的交易效率比較接近，但仍低于TOS下的交易效率。從圖3還可知，無論采用何種決策機制，差異性的增大會使交易效率波動起到抑制作用。只是POS下，交易效率的偏差相比其他兩個機制要明顯偏高。所以相比而言，單純價格導向機制對交易引導并不有效。

故而，區域企業差異性的提高不但可以提升區域交易市場的交易效率，而且能夠彌補信息不充分帶來的效率低下，使效率的波動趨于緩和。然而，企業在排污權交易管制下的決策機制對交易效率的影響也是不能被忽視的重要部分。

4.3 差異性對現實均衡價格的影響

圖4從價格角度說明了交易效率受非完全信息影響的原因。不難發現，企業決策信息的不完備性使市場中許可證的現實均衡價格一致比理想均衡價格要高，價格并不能實現引導市場中許可證完全有效配置。此時，許可證價值被高估，企業的邊際治理成本普遍偏高，市場上許可證供大于求。而且單個企業降低許可證預期并不能使其治污成本降低。故對于單個企業已經形成了最優決策，區域整體卻依然是帕累托次優狀態。當然，如果所有企業同時降低價格預期能更趨于整體最優，但是企業決策行為的隨機性與異步性造成的群體行為偏差的存在使這種狀況很難形成。因此在非完全信息下價格對其本身產生阻滯效應。

從圖4還可了解到，在非完全信息條件下，同一樣本在相同實驗環境下的實際均衡價格并不一致，造成這種情況的主要原因是許可證價格對企業歷史決策具有路徑依賴性。差異性對價格的波動同樣具有先補償后抑制效應。DI<0.7時，差異性的增大使價格偏差加大;當DI>0.7后，現實均衡價格的偏差會隨DI的增大而逐步緩解。且POS下價格的波動幅度普遍是另兩種策略下波動幅度的2~3倍，受路徑依賴的影響最為嚴重，因而相比而言POS并不有效。

4.4 決策機制分析

前兩節已完全展現了三種決策機制的有效性，但是實驗還可對它們的行為特征做了更深入研究。從圖3可知，當DI=0.4時，POS與NOS的平均最終交易效率為0.93，偏差分別為0.06與0.03;TOS的最終平均交易效率為0.97，更加有效。而從三種機制在500次實驗內的最終效率的頻數分析可知(見圖5)，POS與NOS下平均效率雖然差距甚微，但是POS下效率偏差較大，最低為0.72;而NOS下市場效率呈左偏態分布，其峰值處于0.96，最低為0.83，很難達到完全有效;相比而言，以交易導向策略最為出色，50%的實驗實現了許可證有效配置。

綜上所述，信息不完備性使許可證價格收斂在理想均衡價格之上，但企業差異性對交易效率有補償效用。因此，排污權交易制度在刺激企業進行技術創新的同時，還可彌補信息不充分帶來的效率損失。而面對信息不完全，企業采取的決策機制對市場效率產生了強烈的影響，政府如何引導他們樹立良好的交易動機與決策機制也凸顯出來。同時，研究結果也暗含了從微觀行為角度對排污權交易深入研究與探討的現實必要性。

圖5 不同決策機制下的市場效率頻數直方圖

5 結論

本文在對排污權交易系統結構、主體差異性與決策行為系統分析與建模的基礎上，構建了基于計算實驗方法的區域排污權交易實驗平臺，從微觀層次對其效率進行了實驗研究。研究表明:

(1)區域內企業差異性可能給政策分析與制定帶來難度，但它是該制度成功實施的基本條件。差異性越大，通過合理的交易機制，區域總治污成本降低越明顯，交易制度越能發揮其優越性。尤其是企業治理技術差異對制度有效性影響最為顯著。

(2)在市場信息不充分情況下，許可證價格會收斂，但經驗驅動的企業行為偏差與架構效應使許可證價格對自身產生阻滯效應，致使價格偏離基本價值。

(3)排污權交易是基于市場的環境經濟手段，市場機制通過價格機制發揮作用。實驗表明價格機制引導不能單純地看作是完全追隨價格，它并不能有效地實現資源的優化配置。

(4)為了使理論研究更好地服務于實踐，對排污權交易系統主體異質性與行為建模是非常有必要的。

本研究還僅是計算實驗方法在排污權交易綜合集成研究的初步嘗試，試圖從基本的經濟模型，通過逐步放寬嚴格假設逼近現實系統，構建更符合現實結構與過程的人工實驗平臺，以期對其進行精細化研究。由于篇幅限制，本文局限在交易機制與環境相對理想情況下的效率研究，一些因素離現實有差距，比如市場勢力、產品市場影響、違規處罰等方面還未考慮，這將是本文下一步的研究方向。

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