林业纳入碳市场配额管理的综合减排效果——基于4ECGE 模型仿真研究

石 柳，刘若斯，秦小珊

（1.中南林业科技大学 经济学院，湖南 长沙 410004；2.湖南行政学院 期刊社，湖南 长沙 416000）

习近平在阐释生态文明思想的系列重要讲话中论述了人类履行生态责任的重要意义[1]。通过节能减排、开发新能源等措施降低碳排放，并有效增加森林资源、发挥森林的吸碳固碳效应，亦成为各国政府和学界应对气候变化的共识。大量研究[2-5]表明，减少毁林、遏止森林退化、增加造林再造林等森林保护行为可以减少碳排放（或增加碳汇），并具有成本低、综合效益好等优点。在节能减排面临巨大挑战、森林保护行为又受到资金不足限制[6-7]的背景下，将林业碳汇间接减排与工业直接减排相结合（以下简称“综合减排”），能在不过分损害经济发展活力的前提下，低成本的实现节能、降碳、增汇目标。我国森林资源丰富、人工林面积世界第一、碳汇潜力巨大。但是，目前我国碳交易试点普遍将林业碳汇以补充抵减方式间接纳入碳排放权交易市场[8-11]。 由 于 林 业CCER（Chinese Certified Emission Reduction，中国经核证的减排量）方法学复杂、各试点碳市场对林业CCER 交易设有严格限制条件，人为的降低了林业碳汇的有效需求，抑制了我国林业碳汇促进低成本减排的优势。为此，部分学者[12-13]提出应将林业碳汇纳入我国碳市场配额管理，以充分发挥我国林业碳汇的竞争优势。但迄今为止，这方面的研究仅停留在定性层面，有待进行深入细致的量化研究。

鉴于我国人工林碳汇优势巨大且能源消费是主要排放源，在“十四五”期间大力推进全国性统一碳排放交易机制的背景下，如何进行机制创新以兼顾林业低成本减排和工业直接减排，亟待进一步探索。本研究综合借鉴新西兰和澳大利亚将林业碳汇纳入碳排放权交易市场的生态补偿模式，基于全行业参与、完全拍卖的理想碳市场情景，考察总量约束条件下人工林参与碳排放权交易配额管理和天然林碳汇一次性补偿的综合减排效果，为我国节能减排政策的制定提供科学依据。

一、4ECGE 模型构建

为考察林业碳汇参与碳排放权交易市场配额管理的综合减排效果，本研究在传统CGE 模型[14-18]的基础上进行以下3 方面的扩展：一是将能源消费和碳排放纳入CGE 模型；二是将电力生产分为化石能源发电技术和清洁能源发电技术，为能源结构调整提供空间；三是将森林碳汇作为林业的联合产品纳入CGE 模型，并区分外延边际和内涵边际。由此，将模型扩展为同时包含经济发展、能源消费、碳排放、森林碳汇的4ECGE 模型。

假定各部门具有不变的生产技术和规模报酬，完全竞争。采用嵌套生产函数描述生产行为（图1 ～3），各生产部门通过确定最优投入组合以实现产出最大化（或成本最小化）。提高林业部门总产出（包括林产品产出和碳汇产出）主要有三个途径：一是植树造林以扩大森林面积，二是提高现有森林资源质量，三是保护森林、减少毁林。第一种和第三种称之为“外延边际”（Extensive Margin）,第二种称之为“内涵边际”（Intensive Margin）。 参照Sohngen，Golub 和Hertel[19]、Hertal 等人[14]的做法，将林业部门土地投入QTDra和自用林产品投入QAIra2复合在一起。当图2 的林业部门替代弹性取零时，表示两者呈固定比例关系，即相当于假定现有森林质量不变（即森林经营水平保持不变），此时通过植树造林、减少毁林和增加林业用地的方式以提高林业部门总产出的做法表现为“外延边际”；反之，当图2 的林业部门替代弹性不等于零且林业部门土地投入QTDra固定不变时，通过改善林业经营水平、提高森林质量以实现林业部门总产出增长的做法表现为“内涵边际”。本研究将分别模拟这两种效应。清洁能源电力生产不需要投入化石能源，故不产生碳排放。对于除清洁能源电力生产部门外的其他部门，生产技术的第四层将复合能源分解为复合电力和复合化石能源-碳两类，生产技术的第五层将复合电力分解为清洁能源电力投入QAIra5和化石能源电力投入QAIra4。此外，对于除清洁能源电力生产部门以外的其他部门，假定化石能源消耗与碳排放之间比例固定，即复合化石能源-碳QFCra可分解为化石能源投入QAIra3和碳排放QCDra，用里昂惕夫生产函数表示。

图1 除林业和清洁电力外的其他部门生产结构（a="agr"、"foe"、"fely"、"oth"）

图2 林业部门生产结构（a="frs"）

图3 清洁能源电力部门生产结构(a="cely")

为分析林业碳汇交易的影响，模型将森林碳汇作为林业部门的联合产品纳入4ECGE 模型如图4 所示。假定林产品产出和森林碳汇产出呈固定比例关系，即用里昂惕夫函数形式表示。其中，QJNTra为林业部门的总产出（c=“frs”），QFSrc为森林碳汇产出（当且仅当c=“frs”时，QFSrc≠0），QDISTrc为林产品产出。

图4 林业部门联合产品--森林碳汇（c="frs"）

假定碳交易收入归政府所有。在碳交易情景下，还包括政府对天然林碳汇的一次性补贴。tNFCO2r表示对天然林碳汇的补贴率。在全行业参与、完全拍卖的理想碳市场中，通过限制碳市场配额总量（pCAPr），对天然林碳汇给予一次性补贴以减少毁林、保护森林，同时允许满足额外性原则的人工林碳汇申领一定比例（Ratior）的免费碳配额（该配额的发放不受碳市场配额总量的约束）。由于清洁能源电力不产生碳排放，故无需从碳市场以市价购买配额。假定清洁能源电力生产不可获得免费配额。模型采用新古典宏观闭合。式（2）的左端表示的碳配额总需求不包括清洁能源电力生产部门，右端表示碳配额总供给，在供需均衡的条件下内生出碳价PCO2r。

森林碳汇的平均价格以及各行业碳排放价格可以表示为：

二、数据处理、参数估计及情景设置

（一）数据处理及参数估计

本模型所采用的数据来源于全球贸易分析项目（Global Trade and Analysis Project, GTAP）第9版数据库。考虑到研究需要，将140个国家（地区）合并为中国（包括中国香港和中国台湾）和世界其余国家两类；将68 个行业门类合并为6 大门类（表1），其中化石能源生产部门、化石能源电力生产部门、清洁能源电力生产部门、农业、林业被单独划分出来，其他行业被合并到“其他部门”，以便在政策情景模拟中分析人工林碳汇交易和天然林碳补贴对能源消费、能源替代、林业发展的影响。此外，将生产要素合并为劳动、资本和土地三类。由于能源消耗需要用实物量来衡量，而社会核算矩阵中不同部门对能源的消耗采用的是价值量单位，本研究将社会核算矩阵中能源消费价值量除以GTAP9 数据库里相应的实物量，获得基年的转换系数（可看做能源价格），并将该转换系数用于其他情景能源消耗实物量的估计。基年碳排放数据也来源于GTAP9 数据库，通过除以基年消耗的能源实物量即可获得相应的碳排放因子。该排放因子同样用于其他情景下能源消费产生的碳排放的估计。为避免重复，不计算化石能源电力（属于二次能源）生产的碳排放。本模型所估计的碳排放仅来源于各部门生产过程中消耗化石能源所导致的碳排放。

表1 行业分类†

此外，由于模型将森林碳汇作为林业的联合产品纳入4ECGE 模型，故需核算基年（2011年）森林碳储量。我国第七次和第八次森林资源清查结果显示，2008年我国森林蓄积量和碳储量分别为137.208 亿m3和78.11 亿t，2013年分别为151.37 亿m3和84.27 亿t。基于算数平均法，可知2009—2013年间年平均蓄积量增量为2.833亿m3，2011年全国森林蓄积量约为145.71 亿m3。利用2013年的森林蓄积量和碳储量数据，采用算数平均法，可得单位面积森林蓄积量的固碳量为0.557 t 碳/m3。通过乘以2011年森林蓄积量，可得到2011年森林碳储量估计值，约为81.11亿t。由于森林碳储量是存量概念，森林碳汇是流量概念，故可用于交易的必须是“碳汇”，而非“碳储量”。为简便起见，本研究年森林碳汇量的估算是通过将年平均森林蓄积量增量乘以单位面积蓄积量的固碳量得到的。由此，2011年森林碳汇量约为15 771.36 万t，这与姜霞和黄祖辉[20]的森林平均年碳汇历史值和预测值较为一致。森林碳汇既包含天然林碳汇，也包括人工林碳汇，而可用于交易的森林碳汇必须是人为活动产生的。因此，本研究假定仅人工林碳汇可参与碳排放权交易市场，天然林碳汇不能用于交易、只能获得一次性补偿。由于我国对天然林采取“限伐”乃至“禁伐”政策，目前大多数天然林已处于成熟或过熟阶段，这部分天然林的蓄积量基本已处于稳定水平，碳汇量不再增长。本研究假定碳汇量中80%为人工林碳汇，20%为天然林碳汇。

由于模型变量之间关系复杂且历史数据不全，本研究主用使用上述经处理的社会核算矩阵对模型的相关参数进行校准（表2）。其中，CES 函数弹性参数和CET 函数转换系数来源于Bryant 等人[15]、Lu[16]、Hertal 等人[14]、Monge等人[18]等。参照Hertal 等人[14]，林业用地和自用林产品之间的替代弹性分别设定为0 和1.049，以模拟林业部门的外延边际效应和内涵边际效应。由于电力的终端消费者通常很难区分所消费的电力产品来源于化石能源发电技术还是清洁能源发电技术，即对于终端消费者而言化石能源电力和清洁能源电力是“同质”商品、两者的替代弹性非常大，参考Hertal 等人[14]将设定为20。进出口贸易替代弹性值来源于GTAP9数据库的经验值。模型中除替代弹性和转换系数外的其他系数，如规模系数φ和权重因子α，根据基期数据、弹性系数和转换系数校准得到。

表2 参数估计

（二）情景设置

由于可用于交易的森林碳汇必须是人类活动产生的，因此本研究在全行业参与、完全拍卖的理想碳市场中，假定人工林碳汇可申请获得免费碳配额，免费碳配额发放不受碳市场配额总量约束，但申领比例受到限制；天然林碳汇不能用于交易，只能获得国家一次性资金补偿。

假定森林吸收CO2的效益占森林生态服务效益的25%，参照2017年广东省级以上生态公益林补偿标准（28 元/亩/a），以及一亩林地平均大约可产生碳汇1 t/a（如广东长隆碳汇造林项目净碳汇量1.34 t/亩/a[21]），本研究将天然林碳汇补贴设置为1 美元/t/a。

目前，我国七个试点碳市场CCER 抵减比例上限为5%～10%之间，碳市场的林业CCER交易非常少，严重制约了我国林业碳汇优势的发挥。而新西兰和澳大利亚碳排放权交易下林业碳汇交易的经验表明，应兼顾工业直接减排和林业碳汇间接减排，依据国情和发展阶段逐步放开林业碳汇比例上限。因此，本研究假定人工林碳汇申请免费配额的比例分别为10%、20%、50%和100%。模型共设置十个情景，具体见表3。在碳排放总量控制目标下，本研究构造一个仅人工林碳汇可申领免费碳配额且免费碳配额的申请不受碳市场配额总量约束、全行业参与但无免费碳配额、完全市场拍卖的理想碳市场结构，以考察人工林参与碳排放权交易配额管理和天然林碳汇一次性补偿对我国节能减排和森林发展的影响。通过设置排放市场上限，且一定比例的人工林碳汇可免费获得碳配额，人工林碳汇成为稀缺资源。在供需均衡条件下形成碳配额市场价格，通过交易使得人工林碳汇的生态价值转化为经济优势。

表3 4ECGE 模型的情景设置

考虑到上述模型为非线性规划问题，本研究主要采用GAMS 程序语言编程，运用PATH 求解器求解。

三、模拟结果分析

（一）对经济发展的影响

从表4 ～5 可以看出，碳市场总量限制下碳排放权交易机制的实施将对总体经济运行产生一定的负面冲击。但在全行业参与、完全拍卖和拍卖收入归政府所有的理想碳市场中，这种负面冲击相对较低，GDP 较之基准情景大约下降0.58‰。通过将人工林碳汇以一定比例纳入碳交易市场，人工林碳汇交易收入归森林经营者所有，在其他条件不变的情况下，低碳政策对GDP 的负面影响将随着纳入比例的提高而有所下降。但因纳入碳市场的人工林碳汇较之碳市场总量目标非常少，故人工林碳汇纳入碳交易市场对降低GDP负面冲击的效应并不十分明显。

表4 碳汇交易对经济发展的影响（外延边际）†

表5 碳汇交易对经济发展的影响（内涵边际）†

碳排放权交易机制对不同行业生产的影响也不尽相同。碳市场总量限制下碳排放权交易机制将导致大部分行业生产遭受负面冲击、产出下降。由于化石能源发电部门和化石能源生产部门碳排放占比很大，在减排目标约束下这两个行业遭受的冲击也是最强烈的。直接减排情景下，这两个行业产出较之基准情景分别下降了17.35%和7.45%。农业、林业和其他行业产出也有所下降，但降幅不大。仅有清洁能源电力生产部门从碳排放总量控制中获益，产出呈现大幅增长的趋势。直接减排情景下该行业产出较之基准情景增长了近一倍（约为93.65%）。整体而言，碳排放总量控制在一定程度上抑制了高碳行业的过度扩张，促进了清洁能源的发展。

在碳市场中允许人工林碳汇以一定比例参与碳市场配额管理（但免费获得的配额不受碳市场配额总量目标的约束），并对天然林碳汇给予一次性补偿，相当于增加了碳市场的配额供给。通过引入另一种减排途径——购买人工林碳汇以抵减部分排放，有助于企业低成本减排、降低减排约束对行业生产的冲击。从表4 ～5 可以看出，人工林碳汇参与碳排放权交易将使得在直接减排情景下生产遭受负面冲击的行业所受的负面影响程度下降。人工林碳汇纳入碳市场的比例越高，负面冲击的下降幅度越大。此外，对人工林碳汇的减排需求直接导致各行业对清洁能源电力的能源替代需求有所降低，该行业生产出现一定程度的萎缩。但较之减排约束带来的该行业生产大规模扩张，人工林碳汇纳入碳市场对该行业的冲击相对较小。

碳排放总量控制和碳交易机制对生产的冲击，必然波及我国进出口和商品国际竞争力。从表4 ～5 来看，较之基准情景，进出口总额均有所下降且进口下降幅度大于出口。碳汇交易将使得我国进口和出口较之直接减排情景有所上升。纳入比例越高，增幅越大，且进口增幅大于出口。通过计算各情景下衡量国际竞争力的TC 指数，可以发现碳市场总量控制将导致高碳产品国际竞争力大幅减弱，而清洁能源的国际竞争力得以提升。较之直接减排情景，人工林碳汇纳入碳交易市场将提高农产品、化石能源、化石能源电力和其他产品的国际竞争力，而林产品和清洁能源电力的国际竞争力略有下降。

（二）对环境的影响

在上述理想碳市场中，完全依靠生产部门进行直接减排将使得全国碳排放总量（包含生活碳排放）和碳强度分别下降13.8%和13.75%，能源消费和能源强度分别降低9.36%和9.31%。此时的碳价为3.79 美元/t，减排成本（单位碳减排导致的GDP 损耗）约为4.46 美元/t。若允许人工林碳汇以一定比例纳入碳市场配额管理，将直接增加碳市场配额总供给，从而使得碳排放、碳强度、能源消费和能源强度较之直接减排情景略有上升，且纳入比例越高升幅越大。若人工林碳汇参与碳市场配额管理不设上限，即100%纳入，则较之直接减排情景碳排放将增加1.95%，碳强度增长1.94%，能源消费和能源强度分别提高1.23%和1.22%。人工林碳汇的纳入使得减排选择多元化，碳配额总供给增加一定程度上拉低了碳价，降低了生产部门的减排成本。从表6 和表7 可知，人工林碳汇纳入比例越高，碳价越低，减排成本越低。若人工林碳汇100%纳入，则碳价较之直接减排情景将下降约11.6%，减排成本下降约4.29%～5.75%。

尽管较之基准情景，直接减排情景下能源消费总量下降，但清洁能源的消费大幅增长，升幅高达108%。人工林碳汇减排为生产部门实现减排目标提供了低成本选择。纳入比例越高、生产部门对清洁能源的需求越低。但由于人工林碳汇数量有限，对清洁能源的需求冲击较弱。当纳入比例不设上限时，较之直接减排情景，清洁能源消费仅下降约6.9%，而此情景下清洁能源消费仍比基准情景增长了约93.6%。

从分行业能源消费和碳排放来看，除清洁能源电力生产技术不产生碳排放外，其余行业碳排放和能源消费均呈现一定程度的下降。其中，碳减排贡献最大的行业为化石能源电力生产部门。在直接减排情景下，该部门能源消费和碳排放分别下降了23.59% 和23.48%。其次为化石能源生产部门，分别下降了6.62%和6.59%。因清洁能源电力消费需求增加，对化石能源电力的投入大幅增长。在直接减排情景下，该部门能源消费较之基准情景增长了约九成。人工林碳汇交易一定程度上降低了生产部门减排压力，提高了减排效率。从表6 ～7 可以看出，随着纳入比例的提高，除清洁能源电力部门外，各行业碳排放和能源消费较之基准情景均有所下降，但较之直接减排情景则有所上升。其中，化石能源电力生产部门上升幅度最大，在100%纳入的情景下约上升了3.75%。因与人工林碳汇减排存在竞争关系，以清洁能源电力替代高碳能源的减排需求略有下降，导致该行业能源投入较之直接减排情景有所减少，且人工林碳汇纳入比例越高降幅越大。

表6 碳汇交易对能源消费和碳排放的影响（外延边际）†

表7 碳汇交易对能源消费和碳排放的影响（内涵边际）†

（三）对森林发展的影响

为分别考察增加森林面积和提高森林质量对森林增长、碳汇交易的影响，本研究通过对林业部门生产过程中土地和自用林产品之间的替代弹性设定不同的值，模拟了森林增长的外延边际效应和内涵边际效应。从表8 可以看出，林业部门土地投入和自用林产品投入在外延边际效应下（纳入比例相同）相对于基准情景增长比例相同。内涵边际效应下，林业土地投入固定为基准情景水平，此时单位土地投入的森林质量不再是固定不变的。

表8 碳汇交易对森林发展的影响†

在理想碳市场中，允许人工林碳汇以一定比例获得免费配额，天然林碳汇获得一次性补偿，将使得森林经营者增加植树造林（在外延边际情景下）和提高森林质量（在内涵边际情景下）。从表8 可以看出，直接减排情景不允许碳汇交易，森林蓄积量、森林碳储量和森林碳汇较之基准情景均有所下降，林地投入较之基准情景增加了1.81%，但自用林产品投入却下降了0.639%。在外延边际下，允许一定比例人工林碳汇交易后，林地投入和自用林产品投入同比例增长。纳入比例越高，森林碳汇、森林碳储量和森林蓄积量升幅也越大。在内涵边际下，林地投入保持不变，但自用林产品投入随纳入比例的提高而增加，即森林质量得以提升，促进了森林碳汇、森林蓄积量和森林碳储量的增长。通过比较相同人工林碳汇纳入比例下外延边际效应和内涵边际效应可以发现，相同纳入比例下提高森林质量对森林增长的影响略大于单纯依靠植树造林扩大林地面积，碳汇交易量和交易额也略高于后者。

四、结论与启示

（一）结论

本研究通过构建一个同时包含能源消费、经济增长、碳排放和森林碳汇的4ECGE 模型，在全行业参与、完全拍卖的理想碳市场中，考察了林业纳入碳排放权交易市场配额管理的综合减排效果，得出了以下结论：

第一，与直接减排情景相比，综合减排情景下低碳政策对GDP 及国际竞争力的负面影响将随着林业纳入碳市场配额管理的比例的提高而有所下降；低碳政策对企业生产的负面冲击小于直接减排情景，纳入比例越高，负面冲击的下降幅度越大；人工林碳汇对清洁能源的替代效应将使清洁能源生产行业出现小幅萎缩；人工林碳汇以配额管理的方式纳入碳市场一定程度上拉低了碳价，降低了生产部门的减排成本。若人工林碳汇100%纳入，碳价较之直接减排情景将下降约11.6%，减排成本下降约4.29%～5.75%。

第二，与直接减排情景相比，将林业纳入碳市场配额管理可以实现森林蓄积量、森林碳汇和森林碳储量的持续稳定增长。通过比较相同林业碳汇纳入比例下的外延边际效应和内涵边际效应，发现提高森林质量对森林增长、碳汇交易量和交易额的影响大于单纯依靠植树造林扩大林地面积。

（二）启示

在现阶段，高耗能、高排放行业节能减排面临巨大挑战，而碳汇林业的发展又受到资金不足的限制。通过建立高耗能、高排放行业与森林经营者之间的林业碳汇市场化交易，将环境成本纳入工业生产经营决策，将碳汇收益纳入森林经营决策，在促进低成本减排的同时，可以实现森林可持续经营。

从需求层面来看，经济新常态下要兼顾工业实质性减排和林业碳汇低成本减排比较优势的发挥，对林业参与碳排放权交易体系的模式进行创新，以增加工业企业对林业碳汇的有效需求。具体而言，可以将林业纳入碳市场配额管理，同时逐步放开林业碳汇配额申领比例，以打破现阶段林业碳汇补充抵减机制下林业碳汇CCER 与有偿分配配额之间的直接竞争关系，提高碳市场对林业碳汇的接纳能力。由于2005年是我国制定节能减排目标的参照年，可以将我国森林划分为“2005年之前的森林”和“2005年之后的森林”[22]。对2005年前的森林给予一次性配额（或资金）补偿，以保护现有森林，减少毁林排放；对2005年后的森林直接纳入碳市场配额管理，并逐步放开申领免费配额的上限，增加工业企业对林业碳汇的有效需求，减轻实质性减排的压力。

从供给层面来看，要加快实现森林经营方式由粗放型向集约型的转变，提高碳市场林业碳汇的有效供给。我国宜林地有限，随着时间推移，可造林地接近饱和，森林面积趋于稳定。通过植树造林、扩大森林面积的方式增汇，其潜力越来越小，碳汇造林边际成本也大幅提高。相反，通过森林精细化管理、林分改造等途径来提高森林质量可以低成本实现森林蓄积量和森林碳汇的“双增”目标，提高碳市场林业碳汇的有效供给，以更低成本实现节能减排目标。