河北省农业秸秆资源利用政策动态模拟研究

王孟双 刘美玉

(河北地质大学 经济学院，河北 石家庄 050031)

我国正处于经济快速发展的阶段，随着城市化和工业化进程的不断推进，生产要素的过量消耗，直接导致了环境污染的加剧，大气污染更为突出。因此，大气污染治理成为我国环境污染治理工作中的重头戏，而近年来愈演愈烈的雾霾污染则成为了大气污染治理中最为难啃的“硬骨头”，“人间仙境”便是对河北省雾霾污染较为严重的真实描述。2018年河北省PM2.5的平均浓度达到了56.9 μg/m[1]，远远高于WHO 第一过渡阶段(IT- I)发布的标准。雾霾污染的形成除了受到交通、工业等方面的影响外，还有一个重要的原因便是农业秸秆资源的过度焚烧。秸秆焚烧产生大量的大气污染排放物，有数据显示，秸秆焚烧产生的二氧化硫的浓度远远高于常规焚烧的浓度[2]，可吸入颗粒物和二氧化氮的浓度比正常要高出三倍，且秸秆焚烧的污染具有季节性，每年春秋季节是秸秆焚烧的高发阶段，也是大气污染较为严重的时间段。河北省与京津地理位置接近，担负着生态保护屏障的重要责任，为此河北省在治理秸秆焚烧方面不断完善法律法规，加强政策引导[3]。2020年河北省出台《河北省农作物秸秆综合利用试点项目实施方案》，强调加强试点、总结经验，以点带面积极促进试点项目的落地、实施，按照“疏堵结合，综合利用”的思路，提高全省的秸秆资源综合利用水平和效益。同年河北省颁布《河北省秸秆综合利用实施方案(2021—2023)》，计划到2023年秸秆资源基本实现全面利用，建立秸秆综合利用的长效机制，提高秸秆综合利用产业化水平，把秸秆综合利用作为新的产业和新的经济增长点进行培育和打造。

投入—产出模型能够在资源环境约束下从动态视角来研究资本形成、产业活动和物质流动关系[1]。本文基于动态投入—产出模型，运用线性最优化规划方法，探索实现经济增长、环境优化和秸秆资源利用的协调发展路径。在综合模型中模拟社会经济、秸秆资源、能源供需和大气环境优化以及一个目标函数和相关政策，并引入10种秸秆资源处理技术，预测河北省秸秆资源利用潜力和城市发展前景。

1 动态最优化概念模型构建

本文的最优动态化综合评价模型由一个目标函数和五个子模型组成，四个子模型分别是社会经济模型、大气污染物排放模型、能源平衡模型、秸秆资源平衡模型、秸秆新技术引进模型(见图1)。

图1 河北省秸秆资源利用和可持续发展概念模型

社会经济模型描述资本投入与产出之间的关系[4]；秸秆资源平衡模型描述经济活动与秸秆资源产生量的关系；能源平衡模型描述的是经济活动中能源的供给与需求之间的关系；大气污染物质排放模型描述的是社会经济活动消耗能源后的大气污染物质排放以及秸秆综合处理后减少的大气污染物质排放情况，由于数据获取有限，主要考虑NOx(氮氧化物)、SO2(二氧化硫)两种大气污染物质；秸秆新技术引进模型描述经济社会的政府补贴与秸秆技术选择的关系。

在本文的动态系统中，五个子模型是相互依存和制约的关系。在社会经济模型中，经济活动的运行需要能源的支撑，对能源存在依存关系；同时在经济社会发展、产业成长过程中会不断向大气排放污染物质。对大气污染物质的排放进行限制，就会对经济发展产生影响，大气污染物质排放越严格，经济发展的速度就会越放缓。社会经济模型对于秸秆资源的影响在于，秸秆资源来源于农业中农作物的产量，根据确定的草谷比系数计算出当年的秸秆资源量[5]，在本文的研究中，将农作物产值与秸秆资源产生量建立联系。这样，农业产值的变动便会影响到农业秸秆资源产量的增减。秸秆新技术引进需要依靠政府财政补贴，同时，又会对秸秆资源的利用和大气环境产生影响。秸秆资源模型与能源平衡模型是互补的，在秸秆资源利用过程中，会消耗一定的能源，但秸秆资源“能源化”利用会产生能源，进而对能源消费结构进行优化以及补充[6]，增大生物质能源的消费市场。同时秸秆资源利用后会降低秸秆焚烧数量，极大地减少大气污染物质的排放数量，同时减少CO2的排放[7]，净化空气质量，提高生态质量[8]。但秸秆资源的利用需要政府的补贴，不能全部依靠市场的力量，对于公共事业、环境治理需要加强政府的引导作用[9]。通过对大气污染物质模型的限制，便可对秸秆资源和社会经济模型产生影响。

2 数学模型的构建

根据数据的获取情况及模型特征，本文将模拟期设置为2017—2035年。模型中含有60多个数学函数公式和21 724个变量，由于篇幅有限，便不一一罗列，仅列出重要公式，并运用LINGO软件将带有外生变量的数学公式转换为编程语言，通过模拟与计算，内生出全局最优解。

2.1 目标函数

将地区生产总值(GRP)最大化设为目标函数

(1)

(2)

式中：t为模拟期，p为社会折旧率；GRP(t)为第t期河北省地区生产总值；m为产业部门；每一期的GRP值由每个产业部门当期产值Xm与附加值率Vm决定。

2.2 社会经济子模型

社会经济子模型包括产业生产市场平衡、秸秆收储运补贴政策、秸秆处理农机补贴政策等方面。根据河北省的投入产出表，将产业合并为11个部门，分别是稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、棉花、芝麻、花生、其他农业部门、第二产业部门、第三产业部门。根据市场平衡的要求，各产业的总产出要大于或者等于中间投入和最终需求之和。

e(t)+Q(t)

(3)

通过补贴产业结构调整实现调整秸秆资源量的目的。我们利用哈罗德多玛模型描述产业补贴后的资本产出关系。

Xm(t)≤bm(Km(t)-Sm(t))

(4)

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

(5)

式中：bm为产业m的资本产出率；Km(t)为第t期产业m的资本量；Sm(t)为第t期产业m的补贴额；Im(t)为第t期产业m的投资额；fm为产业m的社会折旧率。

2.3 能源供需模型

加入了秸秆处理新技术后，秸秆资源能源化处理能够产生新的生物质能源。能源总供给主要由三部分构成：能源供给企业、能源外部调入、秸秆处理产生的能源，公式如下：

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

(6)

(7)

能源需求主要来自于产业生产和最终消费。能源需求总量用下面公式描述：

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

(8)

式中：TED(t)为第t期能源总需求；IED(t)为产业生产的能源需求；FCED(t)为最终消费的能源需求。

2.4 大气污染物质排放模型

在大气污染物质模型中，受数据获取限制，主要选取NOx、SO2两种空气污染物进行研究。河北省大气污染物质排放总量为产业生产排放量、最终消费排放量的加总，再减去新增秸秆资源处理技术的去除量。秸秆资源处理技术的去除量由秸秆资源污染物质去除率和秸秆资源技术处理量决定。公式如下：

TAP(t)=AP1+AP2

(9)

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

(10)

(11)

2.5 秸秆资源模型

此模型主要阐述秸秆资源的产生与处理量。秸秆资源的产生量与社会经济发展有关，直接与之相关的便是第一产

业的发展。公式下：

(12)

秸秆资源处理量公式如下：

(13)

2.6 新技术引入模型

大气环境的治理需要政府充分发挥引导作用，加强财政补贴和投资，积极引进秸秆资源处理新技术。因此本文假设秸秆资源技术引进的投资全部来源于政府财政补贴。

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

(14)

式中：Sn(t)为第t期政府总的补贴额；In(t)为第t期政府对秸秆处理技术的建厂补贴；MCn(t)为政府对技术运行成本的补贴。

用于对秸秆资源处理技术的补贴加上对产业结构的补贴总额应当小于政府的总补贴额。

(15)

式中：S(t)为政府财政补贴最高值；Sm(t)为第t期用于产业结构调整的额补贴；Sn(t)为第t期用于秸秆处理技术的补贴额。

3 结果与分析

本文将收集的数据作为外生变量嵌入到模型中，模拟出内生最优解，反映了河北省社会经济、秸秆资源利用、环境影响的发展趋势，通过对秸秆政策的调整，来找出河北省秸秆资源利用最优的技术路径和秸秆资源处理的政策组合，并且模拟和预测河北省秸秆资源利用、环境影响和社会经济发展趋势。

3.1 秸秆资源处理潜力分析

引入了秸秆资源处理新技术以后，河北省秸秆资源处理效率得到了有效的提升(见图2)。不过由于河北省秸秆资源利用现阶段工作较完备，秸秆资源利用效率提升空间并不大。2017年河北省秸秆资源利用率达到97.5%，处理量达到5 800万吨；在目标期，2017—2035年间处理量逐年上升，最终处理量达到16 500万吨，处理效率最终达到99.5%，基本实现秸秆资源的全部利用。

图2 河北省2017—2035年秸秆资源处理情况

3.2 河北省秸秆资源利用的环境影响

河北省的能源消耗总量整体呈上升趋势(见图3)，从2017年的23 923万吨标准煤上涨到2035年的51 529万吨标准煤。能源消耗强度由2017年的0.702 7吨标准煤/万元下降到2035年的0.639吨标准煤/万元。能源消耗强度逐年下降，到2035年达到最低点。能源消耗的持续降低，说明河北省秸秆资源处理技术的引用具有较好的效果。

图3 河北省模拟期能源消费概况

3.3 河北省大气污染物质的排放情况

对于大气污染物质的排放，我国十四五规划设定的目标是污染物质年减排10%，故在本文中将环境限制设定为在模拟期内，大气污染物质减排20%、25%、30%。在大气污染物质减排20%的情况下，NOx由2017年的55.56万吨下降到2035年的42.32万吨；SO2由2017年的33.48万吨下降到2035年的26.45万吨。在大气污染物质减排25%的情况下，NOx由2017年的55.56万吨下降到2035年的40.06万吨；SO2由2017年的33.48万吨下降到2035年的25.04万吨。在大气污染物质减排30%的情况下，NOx由2017年的55.56万吨下降到2035年的37.23万吨；SO2由2017年的33.48万吨下降到2035年的23.27万吨。大气污染物质排放强度在模拟期内，在大气污染物质减排20%的情况下，NOx排放强度由2017年的0.001 6吨/万元下降到2035年的0.000 9吨/万元；SO2排放强度由0.001吨/万元下降到0.000 6吨/万元。在大气污染物质减排25%的情况下，NOx排放强度由2017年的0.001 6吨/万元下降到2035年的0.001吨/万元；SO2排放强度由0.001吨/万元下降到0.000 6吨/万元。在大气污染物质减排30%的情况下，NOx排放强度由2017年的0.001 6吨/万元下降到2035年的0.001吨/万元；SO2排放强度由0.001吨/万元下降到0.000 65吨/万元。技术的加持使得环境经济的容量不断加大，经济环境效率不断提高，但随着环境限制越来越严格，经济效率在达到顶峰后，开始放缓。

3.4 河北省经济发展趋势

根据模拟结果，在引入秸秆处理新技术和政策组合后，即使在环境限制的前提下，河北省各市经济仍然实现了正向发展(见图4)。在大气污染物质减排20%的情况下，通过引入新技术和政策组合，到2035年河北省经济总量达到8.06万亿元，经济年均增速为4.9%；当环境限制越来越严格，大气污染物质减排25%的情况下，到2035年河北省经济总量达到7.12万亿元，经济年均增速为4.2%；大气污染物质在减排30%的情况下，到2035年河北省经济总量达到6.4万亿元，经济年均增速为3.56%。在大气污染物质减排20%时，河北省11个地级市均实现经济的增长，2035年GRP排名前五位的是唐山市、石家庄市、廊坊市、保定市、邯郸市。从2017年到2035年GRP年均增速最高的是衡水市，经济增速达到6.67%；GRP年均增速最低的地区是沧州市，年均增速为3.9%。

图4 2035年河北省各地级市经济发展情况

4 结论和政策建议

4.1 结论

通过对河北省社会经济、秸秆资源处理、能源和环境的模拟研究，可以得出河北省秸秆资源技术处理的最优路径和政策组合，从而促进河北省实现秸秆资源有效利用、环境优化和经济高质量增长的均衡发展。具体结论如下：

(1)秸秆处理技术的引进有利于促进经济在环境限制的基础上实现增长，随着环境限制的严格，经济增速会有所放缓。当经济环境限制在大气污染物质减排20%时，河北省经济发展年均增速为4.9%；当环境限制越来越严格，大气污染物质减排25%的情况下，经济年均增速为4.2%；大气污染物质在减排30%的情况下，经济年均增速为3.56%。但地区发展差异较大，更多的环境补贴应该投放在沧州市、邯郸市等地区，在环境限制的基础上，积极引导地区经济转型发展。

(2)对城市的经济环境发展规划，要根据当地的实际发展情况，制定包含技术引进和政策扶持的组合政策。针对区域的发展前景和需求，充分考虑秸秆资源规模、产业发展等因素，引进与之相适应的秸秆处理技术，实现秸秆资源综合处理的环境改善。

4.2 政策建议

根据模拟结果，为实现河北省秸秆资源的高效利用与经济环境和谐发展，现从政策支持、秸秆技术选择和财政补贴等方面提出方案。

(1)加大政策支持。河北省秸秆资源处理的现行政策包括秸秆资源收储运补贴政策、秸秆资源处理农机补贴政策、秸秆技术补贴政策[10]。要不断推动秸秆处理政策的创新、落地，创新秸秆资源综合利用的工作方式。在收储运补贴政策中，要积极推动秸秆资源集约化收集，促进秸秆收集产业化发展，加大补贴力度，提高秸秆收集企业的积极性；在农机补贴政策中，要完善农机补贴种类，扩大农机补贴范围，引导农户参与秸秆资源的收集或直接机械还田，从根源上减少秸秆焚烧现象；在技术补贴政策中，坚持产学研相结合，推广先进技术落地实施，加大技术创新，提高机械设备技术水平。

(2)优选技术建厂，以点带面。通过模拟，我们最终在十种技术中选出了四种技术，在2017—2035年政府应对四种秸秆处理技术进行补贴，分别是秸秆饲料压块技术、秸秆气化发电技术、秸秆食用菌基料技术、秸秆有机肥生产技术。政府部门可在秸秆资源处理试点城市，建立以这四项技术为主的秸秆处理工厂。根据试点城市四项技术的发展状况，再结合省内11个地级市自身秸秆资源的情况，因地制宜地选择相适合的技术，以点带面，实现全省的秸秆资源高效利用。

(3)完善财政补贴政策，发挥政府引导作用。政府部门要完善财政补贴政策，设立秸秆资源处理专项资金，引导秸秆资源处理企业自筹资金，积极参与秸秆资源的处理过程。政府部门要在秸秆资源的生产、流通、销售等多个环节落实补贴政策，激发秸秆资源的市场活力。通过模拟结果，河北省在模拟期内共需要补贴454亿元，其中秸秆饲料压块技术14亿元、秸秆气化发电技术1.5亿元、秸秆食用菌基料技术320.5亿元、秸秆有机肥生产技术118亿元。

(4)加大宣传力度。传统的农业发展方式导致公众对秸秆资源的处理方式认识不到位，对于秸秆资源多采取焚烧或随意丢弃的方式，不仅造成资源浪费，还造成大气环境的严重污染。政府部门要加大宣传力度，拓宽宣传渠道，采用电视、广播、自媒体等方式提高全社会对秸秆资源利用重要性的认识，增强公众的环保意识，尤其是在广大的农村地区，更要让村民树立“秸秆资源”思想，把秸秆当成可利用的资源，而不是农作物废弃物。

(5)合理布局秸秆生产企业，促进秸秆资源处理产业化发展。对于秸秆资源利用的先进技术，要根据每种技术的特点，合理布局相关的秸秆生产企业。充分考虑秸秆资源分布、建厂成本、运输成本等因素，科学规划、合理布局，避免出现秸秆生产厂商扎堆聚集、秸秆资源市场无序发展、社会秸秆资源利用效率降低的情况。