我国农村可再生能源开发利用的三方演化博弈研究

许 晨,乔国通,2,黎寅慧,尚 坤,邹 鹏

(1.安徽理工大学 经济与管理学院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学 教务处,安徽 淮南 232001 )

随着世界经济的快速发展,能源的开发与利用量不断增加,能源的过度利用打破了生态平衡,对生态环境造成了巨大的负担。 人类为方便生活,大规模开发各种自然能源,导致自然能源的数量不断减少,生态破坏严重。 随着人类活动范围的扩大,大量污染物进入到大气、水环境中,特别是在农业生产过程中,产生了重金属等有害物质。这些物质进入土壤后,不仅影响了农作物的生长和品质,还可能通过食物链传递到人体内,对人类健康产生潜在危害。 为了应对这一问题,农村应该关注可再生能源的开发与利用,充分应用多种类型的可再生能源,使农村可持续发展在可再生能源的支撑下有序进行[1]。

作为发展中国家,能源和环境状况对我国经济发展和社会进步的影响至关重要。 我国于2006 年实施的《中华人民共和国可再生能源法》第十八条明确规定“国家鼓励和支持农村地区的可再生能源开发利用”。 我国政府采取资金支持、税收激励和技术创新等政策措施,鼓励农村地区采用太阳能、风能等可再生能源。 国家在推动农村地区能源开发利用的同时,也对能源清洁化和可持续化发展提出具体要求,分别于2007 年和2008 年印发了《可再生能源中长期发展规划》和《可再生能源发展“十一五”规划》,为中国发展可再生能源提供了良好的制度环境[2]。 为贯彻落实国家加强农村能源管理和服务工作的精神,发展可再生能源继续被列入我国数个五年规划内。 国家能源局于2012 年召开可再生能源发展“十二五”规划实施工作座谈会,国家发改委2016 年印发《可再生能源发展“十三五”规划》。 为适应我国特色的生态文明建设,中共中央国务院于2021年明确提出修改可再生能源法,积极优化能源结构。 2023 年2 月,全国人大环资委经研究认为,落实党中央决策部署,建议将可再生能源法修改列入十四届全国人大常委会立法规划、年度立法工作计划,意味着可再生能源正处于不断壮大和发展的阶段,将为可持续发展提供重要的支持。

实施乡村振兴战略作为党的十九大提出的重大部署,其中有一项内容就是坚持人与自然和谐共生,走乡村绿色发展之路。 农村可再生能源开发利用正是建设绿色乡村的重要环节。 因此,在全面推进农村可再生能源开发利用之际,研究农户、政府部门及基层组织的行为策略具有一定的现实意义。

1 研究现状

近年来,环境问题日益受到世人的关注,而能源作为环境这一大主题中的一个分支,从“十一五”到“十四五”,贯穿着我国的国民经济计划,是炙手可热的议题。 在不同阶段,我国学者对农村可再生能源的研究方向和重点不同。 从发展现状及趋势来看,有学者认为当前农村可再生能源发展迅速,农村能源服务于国家能源,可再生能源的开发和利用受到政策影响[3-5]。 对于可再生能源的开发建设,王宇波等[6]提出生物质能与太阳能相结合的综合利用方式,认为培育生物质能产业可能是解决农村能源保障问题的根本出路;李芳[7]指出农村可再生能源与农村经济的关系是相辅相成的,发展农村经济就必须发展农村可再生能源。 在战略措施及应用方面,文献[8-12]分析了山东省、陕西省、浙江省、甘肃省、河北省等地农村可再生资源开发利用的现状,并针对暴露出的问题提供了解决途径。

农村可再生能源的开发利用处于动态环境中,农户源于生态认知而做出保护环境的努力其实是行为主体的决策过程[13],会因为现实环境的改变而改变,目前围绕这个项目的研究还亟待完善和推进。 本研究结合我国农村实际情况,基于参与农村可再生能源开发利用的主体视角,分析研究三方主体的相互制约与相互协作,观察系统演化过程与趋势,分析农村可再生能源开发利用过程中的关键因素,提出适当的建议。

2 模型假设与构建

2.1 演化博弈模型的基本假设

假设1:博弈主体

在不考虑社会公众意见等其他外部环境因素的情况下,视农户、政府能源主管部门(简称“能源局”)及基层组织机构(简称“基层”)为农村可再生能源开发利用三方参与主体。 各主体均为有限理性个体,且三者之间信息不对称。

假设2:博弈主体行为策略

(1)农户的行为策略集

农户的行为策略集N1={K1实施,K2不实施},“实施”是指农户对可再生能源的开发利用持积极态度,愿意配合能源局和基层完成相关工作的实施;“不实施”是指农户不愿意进行可再生能源的开发利用。 当农户选择实施时,其成本为C1,农户将获得回收利用带来的收益为E1,并获得能源局补贴S1;选择不实施回收利用而依然坚持传统能源回收方式可以获得的收益为E2(E2＜E1),所付出的成本为C2(C2＜C1),此时,农户会面临来自能源局处罚P1。

(2)政府能源主管部门的行为策略集

能源局的行为策略集N2={H1支持,H2不支持},“支持”是指能源局进行环境规制并且投入物力、财力来鼓励农村可再生能源的开发利用;“不支持”是指能源局不采取任何措施促进可再生能源的开发利用。 能源局采取支持策略时,所支付的人力、物力等成本为C3,获得潜在收益E3(E3>E1);若选择不支持策略,继续让农户采用传统能源回收方式,不进行任何人力、物力、财力等支持行为,则成本为C4(C4＜C3)。

(3)基层组织机构的行为策略集

基层的行为策略集N3={R1监督,R2不监督},“监督”是指基层严格按照能源局的要求对农户进行宣传、督导,促进可再生能源开发利用项目的实施;“不监督”是指基层不采取任何手段干预农户是否实施可再生能源开发利用的行为。 当基层采取严格监督政策,则监督成本为C5,因帮助农户落实可再生能源回收利用,获得来自能源局的补助S2和公众的资助S3(S2>S3),采用传统能源回收方式的农户受到的损失P2。

假设3:博弈主体行为策略的概率

在农户、能源局和基层三个群体博弈的起始阶段,假设农户以概率x 选择“实施”策略,概率1-x 选择“不实施”策略;能源局以概率y 选择“支持”策略,概率1-y 选择“不支持”策略;基层以概率z 选择“监督”策略,概率1-z 选择“不监督”策略。 这里的x、y、z 的取值范围是0~1。

假设4:演化博弈模型中相关参数假设及其含义

演化博弈模型中相关参数假设及其含义见表1。

表1 主要参数及其含义

2.2 三方演化博弈模型的构建

根据农户、能源局和基层的行为策略,可以得出8 种博弈组合。 可以得出农户、能源局和基层在其他策略组合下的收益,具体如表2 所示。

表2 能源局、基层和农户的行为策略组合及其收益矩阵

3 基层参与农村可再生能源开发利用的演化博弈模型分析

3.1 三方演化博弈的复制动态方程

分别构造农户、能源局和基层三者行为策略的复制动态方程,假设以V11代表农户选择“实施”策略的期望收益、V12代表选择“不实施”策略的期望收益,V1代表农户行为策略的平均期望收益,则有:

构造农户行为策略的复制动态方程为:

同理,以V21代表能源局选择“支持”策略的期望收益、V22代表选择“不支持”策略的期望收益,V2代表能源局行为策略的平均期望收益,则有:

构造能源局行为策略的复制动态方程为:

以V31代表基层选择“监督”策略的期望收益、V32代表选择“不监督”策略的期望收益,V3代表基层行为策略的平均期望收益,则有:

构造基层行为策略的复制动态方程为:

3.2 复制动力系统的均衡点及稳定性分析

联立上述复制动态方程(4)(8)(12),可以组成农户、能源局及基层三方农村可再生能源开发利用复制动力系统。Friedman研究结果指出,通过求解复制动力系统的雅克比矩阵的局部稳定性,可以得到复制动力系统的演化稳定均衡解[14]。 农村可再生能源开发利用复制动力系统的雅克比矩阵为:

在该复制动力系统中,令F(x)= 0,F(y)= 0,F(z)=0,可以得到该系统的10 个均衡点,分别为M1(0,0,0),M2(1,0,0),M3(0,1,0),M4(0,0,1),M5(1,1,0),M6(1,0,1),M7(0,1,1),M8(1,1,1),M9[(C3-P1)/(P1+S1),(C1-E1)/(C1-E2+P1+S1),0],M10[(C3-P1)/(E2-E3+P1+S1),-(C2-C1+E1-E2+P2)/(P1+S1),1]。 根据演化博弈原则,关于农村可再生能源的开发利用,其中的演化稳定点(ESS)满足雅克比矩阵的全部特性的不正态分布。

根据演化博弈理论,首先,将均衡点M1(0,0,0)代入农村可再生能源开发利用复制动力系统的雅克比矩阵,然后得出新的矩阵:

由此可知,在均衡点为M1(0,0,0)的情况下,雅克比矩阵J1的特征值为λ1=E1-C1,λ2=P1-C3,λ3=S2-C5+S3。 同理,将剩余7 个均衡点带入雅可比矩阵,分别得到均衡点相对应的特征值如表3 所示。

表3 各均衡点相对应的特征值

分析发现,(1)M1(0,0,0)是鞍点,因为E1-C1>0,当农户实施可再生能源开发利用所获得的收益足够支付设备建设、使用的成本,农户才会选择实施策略;并且P1>C3,若能源局对农户的惩罚少于其投入建设可再生能源的人力、物力等成本,不仅对农户起不到震慑作用,而且对这项政策的执行作用较小;同理S2+S3-C5>0,基层在获得能源局和公众的资助大于其对农户的监督成本,会对农户实施可再生能源进行监督,如果基层收到的补助不足以支付监督所需的成本,那基层监督就会失去积极性,农户最终会实施传统能源回收方式。 (2)M2(1,0,0)是不稳定点,因为C1-E1＜0,-C3-S1＜0,由(1)知S2+S3-C5>0。 (3)M3(0,1,0)是不稳定点,比较E1-C1+S1和E2-C2-P1的大小,若农户实施可再生能源开发利用的收益加上能源局给予的补贴比采取传统能源回收获得的收益加上由于不实施开发利用而受到的罚款少,农户最终不会实施可再生能源开发利用,所以按照现实意义,E1-C1+S1>E2-C2-P1,即C2-C1+E1-E2+P1+S1>0。 由(1)知C3-P1＜0,S2+S3-C5>0。(4)M4(0,0,1)是不稳定点,由(1)知P1-C3>0,C5-S2-S3＜0。 (5)M5(1,1,0)是不稳定点,由(3)知C1-C2-E1+E2-P1-S1＜0,而C3+S1>0,S2+S3-C5>0。 (6)M6(1,0,1)可能是稳定点,在已知C5-S2-S3＜0 的情况下,需要判断C1-C2-E1+E2-P2及E3-E2-C3-S1的正负情况,若二者均为负值,则可以判定M6(1,0,1)为ESS。 (7)M7(0,1,1)是不稳定点,因为如果E1-C1+S1＜E2-C2-P1-P2,意味着即使能源局的支持和基层的监督都起作用,但农户实施可再生能源回收利用的收益小于农户实施传统能源回收的收益,则农户最终还是会选择采取传统能源回收。 因此E1-C1+S1应当大于E2-C2-P1-P2,则C1-C2+E1-E2+P1+P2+S1>0;由(1)知C3-P1＜0,C5-S2-S3＜0。 (8)M8(1,1,1)可能是稳定点,由(7)知C1-C2-E1+E2-P1-P2-S1＜0,C5-S2-S3＜0,若C3+E2-E3+S1＜0,则可以判断M8(1,1,1) 是ESS。 由以上分析可知, M6(1,0,1)和M8(1,1,1)可能存在演化均衡点。 为方便分析,设定以情形1 为例进行详细分析,情形1 满足E3-C3-S1>E2,即能源局采取支持策略获得的潜在收益扣除投入成本与发放补贴后的金额大于农户采取传统能源回收所获得的收益,此时均衡点只有M8(1,1,1)。

4 数值仿真

4.1 稳定策略演化路径分析

在理论分析的基础上,为验证演化稳定性分析的有效性,运用 MatlabR2020b 软件对农户、能源局和基层的交互行为演化过程进行数值仿真。数组1:E1=60,E2=40,E3=80,C1=15,C2=5,C3=8,C4=3,C5=4,S1=4,S2=3,S3=2,P1=9,P2=11,满足情形1 条件,以数组1 进行策略组合演化仿真,仿真结果如图1 所示。

图1 数值仿真演化结果视图

由图1 可知,在满足情形1 的条件下,系统存在演化稳定点(1,1,1),即农户、能源局和基层的策略组合(实施,支持,监督)。 并且这三方对于策略的调整受到初始值的影响,在三方调整策略趋于稳定的过程中,农村可再生能源回收利用得到进一步推广落实。

在情形1 下,博弈各方在一定时期内,选择积极策略的可能性越来越大。 基于现有可再生能源政策及法规,为进一步发展社会经济、保护生态环境,国家鼓励和支持农村地区可再生能源开发利用,即能源局对于农村可再生能源开发利用持支持态度。 同时,随着农村居民生活水平的不断提高,农户也愿意支付一定的改建费用,开发利用可再生能源不仅可以提高自身生活质量,也可以支持能源局政策、制度的落实,对于维护农村地区的环境也有积极作用。 而基层由于能源局没有明确的工作指导,具体的任务要求,可能会存在监管不力的情况。 因此,在系统演化的早期阶段,由于社会经济、政策环境等客观因素的影响,当博弈各方以相同的概率选择决策时,仍然会在演化过程中作出不同的决策。 后续随着系统中政策法律的完善、监督任务的落实、奖惩金额的规定等,系统的演化过程逐渐趋于稳定。

4.2 关键因素对演化博弈过程和结果的影响

在数组1 的基础上,分析C1、C3、C5、S1、S2对演化博弈过程和结果的影响。 首先,为分析C1变化对演化博弈过程和结果的影响,将C1分别赋以C1=7,8,9,复制动态方程组随时间演化50 次的仿真结果如图2 所示;为分析C3变化对演化博弈过程和结果的影响,将C3分别赋以C3=2.5,3.5,4.5,仿真结果如图3 所示;为分析C5变化对演化博弈过程和结果的影响,将C5分别赋值1,2,4,仿真结果如图4 所示。

图2 表明,随着农户实施开发利用时付出的设备建设、使用等成本加大,整个系统演化过程加快,当农户选择使用传统能源回收方式时,能源局不能因此获得潜在收益。 当能源局支持可再生能源回收利用时,会对未依照能源局要求实施能源回收利用的农户进行处罚,农户虽然在传统能源回收中获得了利益,但是失去了能源局对于采取实施策略的农户给予的补贴,同时还面临着额外的罚款。 而对于基层,帮助能源局落实可再生能源回收利用,可以从能源局及公众获得一定的补贴,这都促使农户和基层倾向选择更加积极的策略;随着农户实施开发利用时付出的设备建设、使用等成本的增加,农户选择维持传统能源回收利用方式的概率变小,而更加倾向于支持能源局政策、坚持开发利用可再生能源,以获取能源局补贴,保证自身利益。 当三方同时选择实施积极策略时,农村可再生能源开发利用处于良性阶段,在x-z 和y-z 视图中,当基层采取严格监督的概率一定时,农户和能源局选择实施和支持策略的概率不是唯一值,即在演化过程中,农户和能源局做出不同的决策时,基层会因为考虑自身利益做出相同概率值的决策。

图2 农户成本C1 的影响

由图3 知,随着能源局采取支持策略时付出的人力、物力、财力等成本增加,整个系统演化过程减缓。 当农户选择实施可再生能源回收利用的概率一定时,能源局成本增大,可能会导致基层的补贴减少,因此基层在能源局补助减少的条件下,选择不严格监督的概率更大。 在现实意义中,基于“无利不往”的角度,只有获取一定数额的补助,基层才会愿意配合各方活动,增大严格监督的概率。 同时正因为基层的严格监督,促使农户积极选择开发利用可再生能源,以避免来自能源局的惩罚。 这种情况持续进行,农户保持较大概率选择实施可再生能源开发利用,让农村能源开发利用取得长足进步,继而获得能源局表扬,基于这种表扬、欣赏,能源局会进一步积极支持可再生能源开发利用策略,并用更多政策、法律促进基层维持积极的监管策略,而基层一是为了获得来自能源局及公众的补贴,二是避免能源局的问责,会选择依然监督农户的行为,选择积极监督的策略。 最终当系统演化稳定时,农户在实施可再生能源开发利用,能源局在支持农村可再生能源开发利用,基层在监督农村可再生能源开发利用的情况,符合情形1 条件下的演化结果,在(1,1,1)点处于稳定。

图4 表明,在演化过程中,随着基层监督成本的增大,农户实施可再生能源开发利用的概率上升,能源局积极支持农村可再生能源开发利用的概率上升。 基层可以通过积极监督扩大基层工作人员的声誉影响力,培养农户配合能源局、基层共建和谐绿色新农村的各项举措,增加能源局对农户和基层的补贴,提升实施可再生能源开发利用的概率和效率。

图3 能源局成本C3 的影响

图4 基层成本C5 的影响

为分析S1变化对演化博弈过程和结果的影响,将S1分别赋以S1=0.5,1,1.5,仿真结果如图5所示;为分析S2变化对演化博弈过程和结果的影响,将S2分别赋值3,5,7,仿真结果如图6 所示。

图5 能源局对农户补贴S1 的影响

图6 能源局对基层补贴S2 的影响

由图5、图6 可知,当农户在实施可再生能源开发利用方面承担的成本非常高时,如果能源局提供的补贴和农户自身获得的收益总和无法弥补这些成本,或者与传统能源回收相比,可再生能源开发利用所带来的成本仍然高于农户可能遭受的罚款和基层监督所造成的损失时,农户、能源局和基层组成的系统将陷入不良状态。 在这种情况下,农户不会选择实施可再生能源开发利用的方式,能源局的支持和基层的监督也无法发挥作用,导致组织失灵的情况发生。 即使能源局加大对农户的罚款力度,也很难实现对企业行为的规制效果,只会影响能源局的支持概率,罚款金额越高,能源局所获得的支持力度越小。 对于情形1,即使增加农户实施可再生能源开发利用的概率、加大能源局的支持力度和增强基层的监督强度,也无法使整个系统演化到良性状态。 这表明在极端情况下,即使采取各种措施也难以改变不良状态。

5 结论与建议

5.1 结论

本研究针对我国能源建设发展中炙手可热的可再生能源开发利用问题,构建了农村可再生能源开发利用过程中农户、能源局和基层的三方演化博弈模型及其动态复制方程,找到该模型的8个均衡点并分析其稳定性,设置情景并运用MatlabR2020b 软件对农户、能源局和基层的策略行为演化过程进行数值仿真,分析关键参数的变动对系统演化结果的影响,得出以下结论:

(1)农户是否实施可再生能源开发利用的主要影响因素是农户所需付出的设备建设、使用等成本。 如果农户进行可再生能源开发利用所获得的收益大于成本,此时农户将愿意实施可再生能源开发利用而不需要能源局的支持奖励及基层的行为监督,这是非常理想的状态,在此情况下,农户、能源局和基层三方都能获得利益最大化。 相反,如果农户进行可再生能源开发利用的成本极高,如上述数值及仿真的情况,此时组织面临不利状态,即使能源局加大罚款金额、增加能源局补贴都无法使农户实施可再生能源开发利用,此时能源局和基层的行为失灵,说明在农户实施可再生能源开发利用成本较高时,罚款和补助并存的状态会降低农户实施可再生能源开发利用的积极性和主动性。 因此,需要综合考虑可再生能源开发利用项目的经济、社会和生态环境效益以及文化价值,减少农户进行可再生能源开发利用的成本而促使农户愿意配合能源局的决策,基层的监管。

(2)能源局是否采取支持策略主要取决于两个因素:能源局对农户的罚款S1以及能源局人力、物力、财力等方面的成本C3。 当能源局采取支持策略时,对不实施可再生资源开发利用的农户实施处罚,若罚款的金额小于能源局所付出的成本,那么能源局的支持策略很难实现积极效果,农户仍然会选择传统能源回收方式。 因此,能源局在决策时需要综合考虑罚款和实施支持策略的成本,以确保支持措施能够有效促使农户转向可再生能源开发利用。

(3)基层是否采取监督策略主要原因是获得的来自能源局补助S2和公众资助S3的大小,若两个补贴比监督成本C5多,基层则会采取积极监管策略,反之则相反。 只有当基层获得的补贴高于监督成本时,基层才会实施更加积极的监督行为。

5.2 对策建议

通过分析,可以对目前农村可再生能源开发利用所存在的实际问题作出更加合理的解释。 在能源局研究决定支持一项政策并下达相关执行命令后,基层组织、农户群体在博弈中展开合作,在合作中展开博弈,从而建立起一个良好的系统制度,从而引起各方对农村可再生能源的关注。

5.2.1 能源局增加经济投入

大多数农户经济力量薄弱,没有足够的购买力,在开发利用可再生能源的发展过程中,要充分考虑到农户的经济承受水平,尽量缩小农户投入开发利用的成本压力。 此外,可再生能源的开发和利用具有很长的投资回收期,这将会使其在农村地区的实现变得更加困难,对于这个现实情况,农户难以接受也是可以理解的。 因此,能源局应加大对农村可再生能源的投入力度,提供更为充分的经济支持,从而更好地利用可再生能源进行发电等,满足农村大众的用能需求[1]。

5.2.2 科学开发利用能源

农村可再生能源的开发与利用,必须依靠现代化的科技,运用信息化的方法,将能源利用与信息技术相结合,这样形成的能源开发方式更方便,应用效果也更显著,同时可以高效节约技术应用成本。 在可再生能源领域中,运用信息化技术,利用科学的手段,让能源局及基层组织对农村地方发展状况有一个全面的了解,在此基础上,因地制宜地对地方可再生能源进行利用,以满足地方发展的需要。

5.2.3 加强沟通,上通下达

为实现可再生能源在农村地区的全面普及推广,还需要基层配合能源局对农户实施可再生能源开发利用的行为进行监管。 作为连接能源局与农户的中间层,基层不仅要把能源局的政策要求传达到位,也要在群众中积极推进落实政策,还要把底层农户群体的意见及时向上反馈,让能源局真正了解群众的情况,想群众所想,办群众所需。

通过构建农村可再生能源开发利用相关主体演化博弈模型,以农户、能源局、基层三方为主体,分析策略演化过程及关键影响因素,较好地解决了多主体利益交叉下难以系统研究的弊端。 在农村复杂的现实环境下,可再生能源的开发利用涉及多方参与主体,受多个因素影响,如何在多主体参与条件下分析农村可再生能源开发利用的演化博弈,增加能源的利用效率,促进农村地区经济的增长,后续需要进一步研究。