基于行業減排的森林碳匯需求空間測度與分類

朱梅鈺，龍 飛，祁慧博，張 哲

（浙江農林大學 經濟管理學院，浙江 杭州 311300）

工業革命以后，經濟社會發展與環境承載力之間的矛盾日益突出，控制和減少大氣二氧化碳含量，避免氣候變化帶來的災難性后果，已成為全球關注的焦點問題。國際社會對此高度重視并積極采取各種應對措施。聯合國氣候變化大會多哈會議正式確定啟動《京都議定書》(1997)第二承諾期 8 年期計劃，并在2015 年巴黎會議上達成了全球 2020 年后應對氣候變化行動的協定，即《巴黎協定》[1]，該協定是人類歷史上應對氣候變化的第3個里程碑式的國際法律文本。2020年后的全球氣候治理格局由此形成[2]。森林作為陸地生態系統中最大的碳庫，在穩定全球碳循環和緩解全球變暖方面發揮著十分重要的作用。《聯合國氣候變化框架公約》已將森林碳匯作為一種新型森林經營產品納入到《京都議定書》的清潔發展機制框架中。中國也將森林碳匯作為應對氣候變化的重要途徑，早在各試點省(市)碳交易市場成立之初，國家發展和改革委員會就對各試點市場開展的森林碳匯項目抵消政策頒布了一系列激勵措施，并認為森林碳匯項目抵消政策有助于實現不同地區之間的資源優勢互補，擴大試點碳交易市場跨行業、跨地區的影響力[3]。截至2019年12月31日，8個碳市場配額現貨累計成交量為3.95億t，累計成交額為91.6億元，國家核證自愿減排量(CCER)累計交易量為2.05億t。整體來看，碳價格低廉，且由于理性經濟人抉擇等因素的干擾，中國當前碳匯需求不足，難以充分實現森林生態價值的市場補償。國內外學者在碳匯需求空間方面也開展了不同角度的研究，VASS[4]表示：科學設計碳交易市場機制可提高交易活動的活躍度，實現森林碳匯生態價值資本化。PETHIG等[5]認為：碳排放權交易制度的優勢非常顯著，市場開展碳排放的調節機制除了可以拉動碳需求、實現減排目標，還能降低成本。趙紅梅等[6]以環境政策理論為前提，對激勵政策下各行業的減排行為進行了研究。沈洪濤等[7]認為：碳交易政策是促使重點排放單位開展碳減排的有效手段，有關部門可將碳價穩定在某一合理區間來引導企業通過碳交易進行減排，利于長期減排。張穎[8]認為：若將森林碳匯的比例提高到10%再分配給森林碳匯市場進行交易，森林碳匯的市場需求將會大幅上漲。楊虹等[9]認為：各行業對森林碳匯的需求價格，隨政府允許碳匯抵消比例的提高和碳匯補貼額度的增加而上升，隨碳稅征收率的提高而下降。童慧琴等[10]認為：超排處罰率、技術減排補貼、產業提升政策及碳排放權配額發放強度等因素對減排行業森林碳匯需求空間均有影響。這些研究表明：目前碳交易市場的森林碳匯還存在較大的需求空間。工業行業是中國最大的碳匯需求者，研究其森林碳匯的內在需求并進行分類，對未來差異化開發森林碳匯需求空間，促進森林碳匯產業的可持續發展具有重要的理論及現實意義，但與之相關的研究比較薄弱。鑒于此，本研究將以全國28個省級行政區域和深圳市(以下稱29個樣本地區)工業行業的減排現狀和碳邊際減排成本為基礎，對2008-2017年的森林碳匯需求空間數據進行科學測算，并對所求數據進行分類研究，以期為相關部門科學設計減排政策，更具差異化開發各類地區森林碳匯需求空間提供客觀依據。

1 研究方法與模型構建

1.1 方向性距離函數參數法

方向性距離函數對處理含非合意性產出的問題具有明顯優勢。普通距離函數只考慮合意性產出的增加，而方向性距離函數在考慮了合意性產出增加的同時，還兼顧了非合意性產出的減少。具體處理過程如下：假設y為生產的合意性產出(好產出)，且表示合意性產出向量；c為非合意性產出(壞產出)，且表示非合意性產出向量；x表示工業行業的投入，且表示投入向量；則生產集為。P(x)是描述所有可行的投入產出向量。當投入x=0時，產出(合意性產出、非合意性產出)也為0。本研究把生產合意性產出定義為工業行業的產值，非合意性產出定義為工業行業二氧化碳的排放量[11]。投入指標包括：工業行業固定資產、工業行業從業人員和工業行業能源消耗。現假定P(x)滿足下面的性質：①投入x是具有強可處置性的，當投入x增加了，產出P(x)不會減少，即是說，當具體投入數x′∈x，那么P(x′)?P(x)。②合意性產出y和非合意性產出c具有聯合性，即壞產出是創造好產出過程中不可規避的副產品，也就是說如果(y,c)∈P(x)，且c=0，則y=0。③合意性產出y和非合意性產出c具有聯合弱可處置性，即工業行業同等比例同時縮減y和c的產出是可能的，即在既定投入水平x下，若要減少壞產出c，則好產出y也必須隨之減少。也就是說，如果(y,c)∈P(x)，θ表示變化因子，且0≤θ≤1，那么(θy,θc)∈P(x)，這表示要減少非合意性產出就必須減少合意性產出。④合意性產出y具有強可處置性，對好產出產量的減少沒有限制，即可以在其他條件都不變的條件下降低好產出y的產量。如果(y,c)∈P(x)，且(y0,c)≤(y,c)，那么(y0,c)≤P(x)。

設定方向向量g=(gy,gc)，g≠0。基于以上假設，我們可以得出產出方向性距離函數為：

產出方向性距離函數的值可以反映出工業行業的生產效率。如果，可以說明該行業在方向上是有效率的；如果＞0，則說明該行業在該方向上存在一定程度的無效性。據此，我們可以計算出非合意性產出也就是壞產出(二氧化碳)的邊際減排成本：

式(2)中：Pc表示二氧化碳影子價格，即工業行業二氧化碳邊際減排成本(MAC)，Py表示工業行業好產出的市場價格，x表示工業行業的投入，y表示工業行業好產出的產量，c表示工業行業壞產出的產量，D0表示工業部門投入產出向量，g表示產出變量。

1.2 森林碳匯需求空間測算模型構建方法

森林碳匯的需求空間受多種因素影響，而減排成本尤為關鍵，它將直接對各減排行業的后續經濟選擇起決定性作用。根據相關文獻及其對影響森林碳匯需求空間的各因素關系分析[12-13]，本研究擬將采用logistic算法來自動實現包括碳減排行業減排成本在內的不同影響因素與森林碳匯需求空間之間的關系模型。轉換形式如下：

式(3)中：Dst表示森林碳匯需求空間，Mi代表工業行業樣本期的碳邊際減排成本；Pst代表當前碳匯價格一般水平(以國內相關試點成交價為例)，d為自動系數，取2.7；Ti為不同行業年度碳排放總量，Gi為不同行業年度產值，i為年數。s代表超排處罰率，m代表技術減排補貼率，p代表產業激勵政策，g代表碳配額發放強度。以需求空間模型測度求得的森林碳匯需求空間數據，為29個樣本地區森林碳匯需求空間的分類研究的鋪墊。

1.3 聚類分析與判別分析

本研究將根據2008-2017 年全國29個樣本地區的森林碳匯需求空間數據，采用經典數據挖掘算法之一的K-Means算法，對各地區的森林碳匯需求空間進行聚類分析，以尋求森林碳匯需求空間的變化規律。

判別分析(discriminant analysis)是由分類變量作因變量，多個連續判別變量作為自變量的多變量分析方法[14]。基本原理是按照一定的判別準則，建立一個或多個判別函數，用研究對象的大量資料確定判別函數中的待定系數，并計算判別指標。據此即可確定某樣本屬于何類[15]。判別分析的基本模型為:

式(4)中：y表示判別函數值；xi表示判別變量；bi表示相對應的判別系數；i= 1，2，3， ·· ·，k，k表示判別變量的個數。

2 數據來源與29個樣本地區邊際減排成本的測度分析

數據為2008-2017 年全國29個樣本地區《統計年鑒》中規模以上工業行業的投入產出數據，部分地區的缺失數據由推算得來，最后根據《綜合能耗計算通則》里的折算系數對不同能源進行折算。經過收集整理，運用方向性距離函數的環境生產函數求偏導，解得二氧化碳的影子價格，即邊際減排成本(表1)。

橫觀表1數據發現：29個樣本地區工業行業二氧化碳的邊際減排成本平均值存在一定的波動，整體沒有明顯規律。青海省、新疆維吾爾自治區、內蒙古自治區等西部欠發達地區減排成本較低，廣東省、深圳市等工業較發達地區的減排成本偏高，其中：新疆維吾爾族自治區工業行業10 a間二氧化碳邊際減排成本平均值為0.369 1萬元·t-1，這說明新疆維吾爾自治區減少1 t二氧化碳排放需支付的減排成本為0.369 1萬元；廣東省工業行業的碳邊際減排成本較高，10 a的平均值為1.650 3萬元·t-1，說明10 a間廣東省平均減少1 t二氧化碳需要支付的減排成本是1.650 3萬元，是新疆維吾爾自治區的4.47倍之多。這也從側面證明經濟實力與工業行業二氧化碳減排成本之間存在一定的聯系。

縱觀表1數據發現：2008-2017年，29個樣本地區的二氧化碳邊際減排成本整體呈穩步下降趨勢，這種情形充分體現了低碳減排、技術創新及環保意識增強等因素帶來的積極影響。深圳市、湖北省等少數地區仍有個別年份出現輕微增長，由于此種波動幅度處于正常范圍且對整體結果無顯著影響，故此處不再贅述。

3 29個樣本地區森林碳匯需求空間的測度分析

本研究采取近年碳交易價格的平均數表示當前碳價格的一般水平。根據整理和計算得出[式(3)]P值為26.44元·t-1。各年度工業行業的碳邊際減排成本數據Mi見表1，不同行業年度碳排放總量Ti和不同行業年度產值Gi均為為各地區《統計年鑒》中收集的原始數據，N為行業年度總數。鑒于當前各地相關政策均未出臺，這里假設政策值s、m、p與g皆為 0，以具體討論其他相關非政策性市場因素對森林碳匯需求空間的影響。根據森林碳匯需求空間測算模型[式(3)]，求得2008-2017年全國29個樣本地區的森林碳匯需求空間數據(表2)。

表1 2008-2017年全國29個樣本地區工業行業二氧化碳邊際減排成本Table 1 Marginal CO2 emission reduction cost of 29 sample areas in China from 2008 to 2017

表2 樣本期內全國29個樣本地區工業行業的森林碳匯需求空間Table 2 Forest carbon sink demand space of industrial industries in 29 sample areas in the sample period

橫觀表2數據可見：29個樣本地區森林碳匯需求空間的平均值差距明顯，波動較大，無明顯規律。其中：廣東省、深圳市等二氧化碳邊際減排成本較高的地區對森林碳匯的需求空間依然較大，而青海省、新疆維吾爾自治區、內蒙古自治區等減排成本較低的西部地區對森林碳匯的需求空間較小。皮爾遜相關性分析表明：樣本地區10 a間工業行業的碳邊際減排成本與森林碳匯需求空間兩者的相關系數為0.999，顯著性水平為0.000＜0.05，存在顯著的正相關關系。

4 29個樣本地區森林碳匯需求空間的聚類分析與判別分析

4.1 聚類分析

為進一步探尋樣本期內各地區森林碳匯需求空間的變動規律，對表2的數據進行K-means算法聚類發現：10 a間29個樣本地區的森林碳匯需求空間分為3類較為合適，即k=3。此時，Kaiser-Meyer-Olkin值為0.841＞0. 5，巴特利特球體檢驗值為0.000＜0.05，說明該分類合適，適合進行聚類分析和判別分析。聚類結果見表3。

表3 樣本期內全國29個樣本地區工業行業森林碳匯需求空間聚類結果Table 3 Spatial clustering results of forest carbon sink demand of industrial industry in 29 sample areas in the sample period

聚類分析的方差分析(ANOVA)結果表明(表4)：各變量均通過顯著性水平檢驗，說明聚類分析結果合理，真實反映了各地區森林碳匯需求空間的變化情況。

表4 聚類分析的方差分析表Table 4 ANOVA of cluster analysis

4.2 判別分析

目前本研究只收集整理了信息比較完備的29個樣本地區的投入產出數據，其他地區由于客觀因素未能一同研究，因此判別方程能夠在數據完整之后，較準確地判別某一新樣本地區(不僅限于國內)屬于何類，為差異化開發其森林碳匯需求空間打下基礎。根據上述結果，進一步采用判別分析的方法定量給出3類地區森林碳匯需求空間的判別方程[ 式(5)]。首先，通過強入法進行判別分析，檢驗結果見表5。從表5可以看出：方程1和方程2 的Wilks’ Lambda值為 0.068，接近于0，其顯著性檢驗值為0.000＜0.05，說明判別方程1和方程2均有統計學意義。方程 3 的 Wilks’Lambda值為 0.536，接近于 1，其顯著性檢驗值為0.145＞0.05，說明該判別方程的統計學意義不大，需要使用逐步判別進一步分析。

表5 判別分析的 Wilks’ Lambda 檢驗Table 5 Wilks’ Lambda test for discriminant analysis

采用逐步回歸法求得樣本單位的森林碳匯需求空間的最終判別方程如公式(6)，其檢驗結果如表6。

表6 逐步回歸的 Wilks’ Lambda 檢驗Table 6 Test of Wilks’ Lambda for stepwise regression

從判別方程檢驗結果可以看出：中國的森林碳匯需求空間可以明顯分為 3類：深圳市、廣東省為第1類，需求空間較大；上海市、天津市、重慶市、湖北省、浙江省、山東省、江蘇省、安徽省、吉林省、遼寧省、湖南省、河北省、河南省、廣西壯族自治區、貴州省、黑龍江省、四川省、山西省為第2類，需求空間為中等水平；北京市、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區、云南省、甘肅省、海南省、青海省、陜西省、內蒙古自治區為第3類，需求空間較小。由最終判別方程可見：2011和2014年的數據對該分類的影響最顯著。另外，從判別方程的后驗結果來看，3 個方程的全部樣點回代檢驗的準確度均為100%，說明該判別方程具有一定的可信度。同時，也一定程度上反映了中國各類地區森林碳匯需求空間的規律性。通過原始數據整理、方向性距離函數模型以及需求空間模型測度可知：第1類地區工業行業平均國內生產總值為62 899.24億元·a-1，工業二氧化碳平均排放量為18 436.36萬t·a-1，碳邊際減排成本平均值為1.59萬元·t-1，森林碳匯需求空間的平均值為571.91萬t·a-1。整體規律為：工業行業平均產值高、二氧化碳平均排放量處于中等水平、碳邊際減排成本高、森林碳匯需求空間較大。第2類地區工業行業平均國內生產總值為38 102.57億元·a-1，工業二氧化碳平均排放量為29 706.46萬t·a-1，碳邊際減排成本平均值為1.18萬元·t-1，森林碳匯需求空間的平均值為374.93萬t·a-1。整體規律為：工業二氧化碳平均排放量高，碳邊際減排成本、工業行業平均產值及森林碳匯需求空間處于中等水平。第3類地區工業行業平均國內生產總值為8 612.94億元·a-1，工業二氧化碳平均排放量為15 930.34萬t·a-1，碳邊際減排成本平均值為0.51萬元·t-1，森林碳匯需求空間的平均值為174.15萬t·a-1。整體規律為：工業行業平均產值、二氧化碳平均排放量、碳邊際減排成本及森林碳匯需求空間均處于較低水平。

以上述分類結果為對照，通過公式(3)測算s、m、p、g等4個政策變量各自對3類地區森林碳匯需求空間的影響：①假設政策值超排處罰率s=1，m、p、g均為0時，1、2、3類地區的森林碳匯需求空間的平均值分別為1 143.83、789.86、348.3萬t·a-1。由此可知，當其他參數均為0，超排處罰率每提高1單位，森林碳匯需求空間將會擴大至原來的2倍，這表明超排處罰率與森林碳匯需求空間呈正相關關系。②假設政策值技術減排補貼率m=1，s、p、g均為0時，1、2、3類地區的森林碳匯需求空間的平均值為285.96、187.47、87.08萬t·a-1。由此可知，當其他參數均為0，技術減排補貼率每提高1單位，工業行業技術減排傾向更明顯，對森林碳匯的需求因而降低，這說明技術減排補貼率與森林碳匯需求空間呈負相關關系。③假設政策值產業激勵政策p=1，s、m、g均為0時，1、2、3類地區的森林碳匯需求空間的平均值為577.73、379.98、175.49萬t·a-1。由此可知，當其他參數均為0，產業激勵政策每提高1單位，1、2類地區的森林碳匯需求空間會有小幅提高，而第3類地區則出現輕微降低，這說明產業激勵政策與對1、2類地區的需求空間呈正相關，對第3類地區的影響不顯著。④假設政策值碳配額發放強度g=1，p、s、m均為0時，1、2、3類地區的森林碳匯需求空間的平均值為568.33、369.87、171.97萬t·a-1。由此可知，當其他參數均為0，碳配額發放強度每提高1單位，3類地區的需求空間均出現小幅降低，這說明碳配額發放強度與森林碳匯需求空間呈負相關關系。

從上述測算分析結果不難發現：超排處罰率對開發需求空間有極大的積極影響，激勵政策積極影響較小，碳配額發放強度與技術減排補貼的消極影響較為顯著。因此，應將超排處罰標準和激勵政策作為開發森林碳匯需求空間的重要切入點，同時，相關部門也要對配額發放模式進行優化。事實上，資源稟賦、技術條件、地理位置及產業結構的差異，也在一定程度上造成了3類地區森林碳匯需求空間的不同。隨著中國林業戰略目標的實施和重點工程的推進，人工林面積將進一步擴大，這就意味著持續增加的森林碳匯將會對未來經濟發展帶來前所未有的機遇，也對二氧化碳減排做出重大貢獻，而各類地區內在的森林碳匯需求空間能否更充分地實現森林生態補償也是需要持續關注的重要問題。

5 結論與建議

5.1 結論

本研究以基于方向性距離函數求得的全國29個樣本地區工業行業的碳邊際減排成本數據為基礎，通過森林碳匯需求空間測算模型求得各省區市10 a的森林碳匯需求空間數據，并對該數據的變動路徑進行聚類和判別分析。研究表明：29個樣本地區的碳邊際減排成本數據與森林碳匯需求空間數據均存在明顯的地區性波動，且波動幅度較大。聚類分析將29個樣本地區的森林碳匯需求空間大致分為3類，第1類地區需求空間較大，第2類地區的需求空間為中等水平，第3類地區需求空間較小。整理數據可知，1、2、3類地區的碳邊際減排成本平均值分別為1.59、1.18、0.51萬元·t-1；1、2、3類地區森林碳匯需求空間平均值分別為571.91、374.93、174.15萬噸·a-1，兩者的皮爾遜相關系數為0.999。由此可見，3類地區的碳邊際減排成本變動路徑與森林碳匯需求空間的變動路徑基本一致，兩者呈顯著正相關。最終判別方程顯示2011、2014年的森林碳匯需求空間數據對地區分類的影響最為顯著。總體來看，地區分類情況與中國東中西部地區的經濟發展水平基本一致，另外，超排處罰率、激勵政策對開發需求空間均有積極影響，碳配額發放強度與技術減排補貼對開發需求空間存在消極影響。該特性也為科學設計碳匯政策以及有針對性的開發森林碳匯需求空間提供了新的思路和有價值的參考。

5.2 建議

基于研究分析結論，提出以下差異化開發各類地區森林碳匯需求空間的建議：①第1類東部地區要嚴格超排處罰標準，同時注重社會宣傳。減排行業二氧化碳排放量如果超過配額，必須接受相應處罰，而減排行業為了規避處罰，勢必通過購買森林碳匯取得相應的排放權，來繼續進行排放行為，從而進一步提高森林碳匯的需求空間；社會宣傳能夠加強減排行業的社會責任感，樹立良好的社會形象，增強其主動參與和自愿購買森林碳匯的行為。②第2類中東部地區應制定相應的激勵政策，優化碳配額發放模式，合理規定超排處罰標準以及加強相關知識的普及。對關系國家戰略的控排單位實施激勵政策，在激勵減排的同時盡可能降低其減排壓力。碳配額的發放強度直接決定了配額的稀缺程度和市場供需，進而影響交易活躍度。通過對超過二氧化碳排放限額的行業進行規定，要求其購買的減排產品須包含一定比例的森林碳匯，用以提高森林碳匯的持續需求。加強碳匯知識普及和碳匯政策的宣傳力度，提高減排行業對森林碳匯的接受度，充分發揮行業選擇偏好對認購森林碳匯的正向影響，制定靈活的森林碳匯自愿交易機制，大力宣傳森林碳匯多重效益，擴大森林碳匯自愿交易規模[16]。③第3類西部地區要以購買森林碳匯的補貼政策為主，適度的激勵政策為輔。受資源稟賦的限制，西部地區經濟發展較落后，工業欠發達，因此開發該類地區碳匯需求空間應以經濟利益誘導為主，并對在減排工作中表現突出的企業進行獎勵，盡量減小減排對經濟發展的阻力；設立碳匯基金專項措施，為節能減排構建平臺，推動碳交易自愿市場的發展。政府的補貼和激勵政策能夠提高減排行業參與森林碳匯相關實踐活動的積極性，進而增強工業行業對森林碳匯的購買意愿，提高森林碳匯需求空間。