森林資源生態(tài)價(jià)值評(píng)估和生態(tài)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分析

周鳳杰， 蔣滌非

(1.重慶青年職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部數(shù)學(xué)教研室，重慶 400712； 2.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明 650500)

森林是自然界的一部分，對(duì)于森林的開(kāi)發(fā)、經(jīng)營(yíng)和利用已經(jīng)成為人類社會(huì)生活的重要內(nèi)容之一。這些年來(lái)，隨著環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)和保育森林樹(shù)木政策的出臺(tái)，使得維護(hù)森林的完整成為一項(xiàng)重要的工作。尤其是近年來(lái)，受到嚴(yán)重沙塵暴和泥石流的影響，森林的重要性更加突出。在此背景下，對(duì)林木砍伐所造成的森林面積減少和森林環(huán)境損耗等問(wèn)題，便成為了當(dāng)今人們所關(guān)心的課題[1-3]。

森林資源隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而日益重要，森林經(jīng)營(yíng)、開(kāi)發(fā)與利用的商業(yè)價(jià)值增加了國(guó)民所得。此外，森林還具有多種生態(tài)價(jià)值，例如休閑游憩、生態(tài)保育、涵養(yǎng)水源及對(duì)碳平衡的貢獻(xiàn)等價(jià)值，這些皆是在衡量森林的經(jīng)濟(jì)價(jià)值時(shí)所需格外考慮到的部分[4]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于森林生態(tài)價(jià)值的實(shí)證研究主要從森林涵養(yǎng)水源的價(jià)值、對(duì)碳平衡的貢獻(xiàn)以及休閑旅游的價(jià)值等方面入手[5-8]，通過(guò)以上這些研究，可以看到森林顯著的生態(tài)價(jià)值。近年來(lái)，國(guó)際間開(kāi)始研究環(huán)境資源對(duì)整合經(jīng)濟(jì)及環(huán)境的作用及價(jià)值[9]，森林資源屬環(huán)境資源之一，如何將森林資源效益的實(shí)際價(jià)值加以反映就顯得格外重要。做法上可通過(guò)目前在森林資源經(jīng)濟(jì)方面的研究，以調(diào)查或模擬方式進(jìn)行合理推估各項(xiàng)森林資源效益價(jià)值，為森林生態(tài)資源補(bǔ)償機(jī)制提供重要參考[10]。

本研究的目的在于建立一個(gè)可以提供森林資源生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制政策的分析模型，從而為決策者在執(zhí)行政策時(shí)提供參考價(jià)值。為此，本研究以系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)的方法，以森林為主體，在系統(tǒng)完整性及整體性考慮下進(jìn)行分析，將森林的價(jià)值包括木材及休閑旅游價(jià)值、涵養(yǎng)水源價(jià)值、碳平衡價(jià)值3種價(jià)值及自然和經(jīng)濟(jì)的損耗都納入到生態(tài)補(bǔ)償中，進(jìn)而分析森林的市場(chǎng)及非市場(chǎng)價(jià)值、環(huán)境損耗與生態(tài)補(bǔ)償間的相互影響關(guān)系，為目前的森林生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制提供重要的政策參考。

1 森林生態(tài)價(jià)值評(píng)估模型構(gòu)建

1.1 生態(tài)價(jià)值計(jì)算模型

本研究的森林生態(tài)價(jià)值目標(biāo)函數(shù)參照Cairns(2001)建立的模型為基礎(chǔ)[11]，如式(1)所示。

(1)

式中：R為環(huán)境資產(chǎn)的存量，這里表示森林提供的非商業(yè)性自然資產(chǎn)；A(R)為環(huán)境服務(wù)，即為森林資源提供的非市場(chǎng)服務(wù)，是R的函數(shù)；r為常數(shù)折現(xiàn)率，即為社會(huì)效用；C表示森林的商業(yè)價(jià)值。

根據(jù)森林生態(tài)價(jià)值的目標(biāo)函數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成當(dāng)期價(jià)值的Hamiltonian函數(shù)，如式(2)所示。

H=U(C,A)+v(I-δK)+u[M-αF(K)-γR]。

(2)

其中資本的變動(dòng)量為：

(3)

環(huán)境資產(chǎn)的變動(dòng)量為：

(4)

式中：M為改善或維持的程度；F(K)為總產(chǎn)出，為資本存量的函數(shù)；αF(K)為因經(jīng)濟(jì)活動(dòng)而產(chǎn)生的損耗；γR為因自然產(chǎn)生的損耗。

假設(shè)這里沒(méi)有外生的時(shí)間變量，那表示在任何期間，折現(xiàn)值的利率會(huì)相等。Hamiltonian函數(shù)是在經(jīng)濟(jì)體系中，從廣義的財(cái)富得到的所得函數(shù)。透過(guò)合理假設(shè)可得到客觀的計(jì)算價(jià)值，改寫(xiě)成相似函數(shù)，如式(5)所示。

(5)

另外假設(shè)不同形式的支出表示成消費(fèi)的形式，整理得到

C=F(K)-φ(I)-ψ(M)。

(6)

將式(5)進(jìn)行微分后，可以得到如下公式：

(7)

(8)

式中：φ′(I)為投資的邊際效用價(jià)值，pI為投資的市場(chǎng)價(jià)格，ψ′(M) 為維護(hù)環(huán)境的邊際效用價(jià)值，pM為維護(hù)支出的市場(chǎng)價(jià)格。通過(guò)計(jì)算邊際的消費(fèi)及維護(hù)環(huán)境的支出可得到森林生態(tài)的補(bǔ)償方程，如式(9)所示。

(9)

NNP=NNPR-ej-nk。

(10)

式中：NNPR為傳統(tǒng)的森林生態(tài)資源補(bǔ)償，包含森林的市場(chǎng)價(jià)值和非市場(chǎng)價(jià)值；ej為由于森林經(jīng)濟(jì)活動(dòng)帶來(lái)的損耗；nk為由于自然原因造成的損耗。

上述森林生態(tài)價(jià)值評(píng)估函數(shù)以及森林生態(tài)補(bǔ)償計(jì)算方程中并沒(méi)有考慮森林的市場(chǎng)、非市場(chǎng)價(jià)值和生態(tài)損耗之間的內(nèi)在影響，因此無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)生態(tài)價(jià)值進(jìn)行估算，也就無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)森林進(jìn)行補(bǔ)償，為此本研究將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型引入計(jì)算方程中，從而建立更加準(zhǔn)確的森林生態(tài)價(jià)值估量模型。

1.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.2.1 模型簡(jiǎn)介 在進(jìn)行森林生態(tài)價(jià)值評(píng)估中，往往要從整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的角度入手。而系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)源于1956年美國(guó)麻省理工學(xué)院的Forrester教授，主要目的是在解決動(dòng)態(tài)復(fù)雜性問(wèn)題。結(jié)合信息回饋與控制理論，該模型可以幫助決策者分析并設(shè)計(jì)改善動(dòng)態(tài)復(fù)雜性的問(wèn)題。系統(tǒng)的概念與應(yīng)用非常廣泛，在我們?nèi)粘Ｉ钪校缃?jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)等等。任何一個(gè)系統(tǒng)，為了達(dá)到特定目的，都會(huì)呈現(xiàn)其特定的行為模式。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)的目的，就是希望能深入了解系統(tǒng)表現(xiàn)的現(xiàn)象及原因，從而對(duì)問(wèn)題找出解決之道。目前系統(tǒng)動(dòng)態(tài)已廣泛地運(yùn)用在管理決策行為、生產(chǎn)制造、財(cái)務(wù)規(guī)劃、環(huán)境資源等問(wèn)題中[13-14]。

1.2.1.1 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的基本元素 Forrester(1968)認(rèn)為構(gòu)成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的基本元素包含存量(stock)、流量(flow)與輔助變量(auxiliary)。含義如下：

存量：存量表示動(dòng)態(tài)過(guò)程中所累積的量，存量變量由流量決定，一個(gè)存量變量可以由多個(gè)流量來(lái)控制，流量又分為流入量和流出量。

流量：流量是決定存量狀態(tài)的控制點(diǎn)，即單位時(shí)間內(nèi)存量的該變量，具有一定的方向性，從數(shù)學(xué)意義來(lái)看，存量對(duì)時(shí)間的微分即為流量值，流量同時(shí)表示決策行動(dòng)的起點(diǎn)。

輔助變量：輔助變量一般分為3種，第1種是對(duì)特定環(huán)境設(shè)定的變量常數(shù)值，第2種是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試用的變量數(shù)值，第3種是在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)信息傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的變量數(shù)值[15]。

1.2.2.2 因果關(guān)系與回饋結(jié)構(gòu) 因果關(guān)聯(lián)及其回饋環(huán)是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的核心基礎(chǔ)。首先，人們可以通過(guò)變量間的因果關(guān)系從而固定模式的邊界。其次，因?yàn)樗惺录g的關(guān)系都遵循一定的邏輯關(guān)系，于是通過(guò)這種因果關(guān)聯(lián)便可確定模式的結(jié)構(gòu)性框架。最后，因果關(guān)聯(lián)是交叉的，從這些交叉的環(huán)路中，人們可以找到影響系統(tǒng)行為的主要環(huán)路，可以非常方便地處理非線性系統(tǒng)。一般系統(tǒng)內(nèi)變量間的因果關(guān)聯(lián)可稱之為因果連結(jié)，許多的因果連結(jié)串成鏈環(huán)而封閉就稱為因果回饋環(huán)?；仞伿怯梢幌盗械囊蚬B結(jié)而成的，可分為2種情形，一種情形為正回饋結(jié)構(gòu)，就是因、果變量變動(dòng)的方向一致，也就是說(shuō)因變量越大，果變量就越大。另一種情形是負(fù)回饋結(jié)構(gòu)，就是因、果變量變動(dòng)的方向相反，也就是說(shuō)因變量越大，果變量就越小[16]。

目前系統(tǒng)動(dòng)態(tài)軟件大致可分為3類，分別是Vensim、Ithink、Stella 3種，各有其優(yōu)缺點(diǎn)[17]。本研究則采用Vensim這套軟件。Vensim是由美國(guó)Ventana Systems Inc.所開(kāi)發(fā)，為概念化、文件化、模擬分析與優(yōu)化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的圖形接口軟件[18]。Vensim可以提供一種簡(jiǎn)易而且彈性的方式，方便建立因果循環(huán)、存量與流程圖等相關(guān)模型，這些因素之間的關(guān)系采用多種圖形化的連接符號(hào)進(jìn)行描述，并把這種定性關(guān)系最終帶入方程形成定量關(guān)系。

1.2.2 森林生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型構(gòu)建 由于本研究探討森林的市場(chǎng)、非市場(chǎng)價(jià)值以及生態(tài)損耗之間的關(guān)聯(lián)性，因此系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型可分為以下子模型：市場(chǎng)價(jià)值模型、非市場(chǎng)價(jià)值模型(碳儲(chǔ)存價(jià)值、涵養(yǎng)水源價(jià)值)、生態(tài)損耗模型(自然的損耗、經(jīng)濟(jì)的損耗)，如圖1所示。森林的市場(chǎng)價(jià)值主要是木材本身的價(jià)值以及休閑旅游帶來(lái)的價(jià)值，森林的非市場(chǎng)價(jià)值主要是由碳儲(chǔ)存價(jià)值、涵養(yǎng)水源價(jià)值所組成，森林的生態(tài)損耗主要由自然的損耗、經(jīng)濟(jì)的損耗所組成。森林的市場(chǎng)和非市場(chǎng)價(jià)值對(duì)森林生態(tài)補(bǔ)償估算是正向的關(guān)系，森林的生態(tài)損耗對(duì)于森林生態(tài)補(bǔ)償估算是反向的關(guān)系，至于生態(tài)價(jià)值如何改變和回饋生態(tài)補(bǔ)償，目前并無(wú)法呈現(xiàn)此效果，所以在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)回饋至森林的部分用虛線表示。

詳細(xì)的模型結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，模型中以評(píng)估森林的市場(chǎng)、非市場(chǎng)價(jià)值以及生態(tài)損耗，非市場(chǎng)價(jià)值中包含涵養(yǎng)水源價(jià)值、碳儲(chǔ)存價(jià)值，生態(tài)損耗則包含了自然及經(jīng)濟(jì)損耗。由市場(chǎng)價(jià)值和非市場(chǎng)價(jià)值減去生態(tài)損耗即為生態(tài)補(bǔ)償估量。圖2為中文的模型結(jié)構(gòu)圖，其中碳儲(chǔ)存價(jià)值為森林蓄積量與森林平均碳儲(chǔ)存量和吸存碳之間的適應(yīng)成本，涵養(yǎng)水源價(jià)值為森林面積乘涵養(yǎng)水源之貨幣乘以平均貯水量，木材價(jià)值為不同木種的市場(chǎng)實(shí)際價(jià)格，休閑旅游價(jià)值為游客人數(shù)乘以開(kāi)放天數(shù)，生態(tài)損耗包含經(jīng)濟(jì)損耗和自然損耗，經(jīng)濟(jì)損耗為盜伐和盲目開(kāi)墾，自然損耗為火災(zāi)和其他自然災(zāi)害造成的損耗。圖3為變量名稱形成的模型結(jié)構(gòu)圖，模型的主要變量如表1所示，內(nèi)生變量的相關(guān)值改變時(shí)，會(huì)影響森林的生態(tài)補(bǔ)償估算。

2 實(shí)證分析結(jié)果

2.1 研究資料

本研究以云南省為例，對(duì)其區(qū)域內(nèi)的森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究，獨(dú)特復(fù)雜多樣的自然環(huán)境資源，構(gòu)成云南省復(fù)雜的自然生態(tài)系統(tǒng)類型。再加上受到26個(gè)歷史悠久民族的生活、生產(chǎn)系列活動(dòng)的干擾，使全省生態(tài)系統(tǒng)類型更為復(fù)雜多樣。云南省的生態(tài)系統(tǒng)類型主要是陸地生態(tài)系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)又劃分為自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)。自然生態(tài)系統(tǒng)包括森林生態(tài)系統(tǒng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)；人工生態(tài)系統(tǒng)包括森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和城市生態(tài)系統(tǒng)。陸地天然森林生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成云南生態(tài)環(huán)境的主體，依據(jù)森林植被組成、植物地理區(qū)系成分、植被群落結(jié)構(gòu)特征以及自然地理環(huán)境和地域特點(diǎn)，又分為：(1)北熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)；(2)亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)；(3)高山、亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)；(4)高山、亞高山草甸生態(tài)系統(tǒng)；(5)亞熱帶山地草場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)等5個(gè)生態(tài)系統(tǒng)類型。其中，草甸和山地草場(chǎng)2種生態(tài)系統(tǒng)在云南是由于人類長(zhǎng)期干擾下形成的生態(tài)系統(tǒng)類型，屬于次生性質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)，列入森林生態(tài)系統(tǒng)之內(nèi)。云南濕地生態(tài)系統(tǒng)，包括高原湖泊、水庫(kù)、河流及水塘。由于各自形成條件不同，生態(tài)功能、生物多樣性差異較大，濕地生態(tài)系統(tǒng)又分為高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)和水庫(kù)、水塘濕地生態(tài)系統(tǒng)2個(gè)類型。云南省森林資源豐富，是我國(guó)主要林區(qū)之一，根據(jù)我國(guó)第四次森林資源調(diào)查結(jié)果，云南省目前的森林概況具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 模型變量

2.2 分析結(jié)果

2.2.1 森林的生態(tài)價(jià)值 森林的生態(tài)價(jià)值計(jì)算如圖4所示，生態(tài)資源價(jià)值包含了木材及旅游價(jià)值(RV)、涵養(yǎng)水源價(jià)值(BSW)、碳儲(chǔ)存價(jià)值(CSV)。涵養(yǎng)水源價(jià)值由于森林面積變化不大，因此改變并不多。旅游價(jià)值隨著游客人數(shù)的改變，所得的價(jià)值也跟著改變，可以看出，2002年之后森林旅游業(yè)逐漸開(kāi)始盛行，目前涵養(yǎng)水源價(jià)值介于100億至200億元之間，碳儲(chǔ)存價(jià)值介于10億～20億元之間，木材及旅游價(jià)值在 2億～5億元之間。

表2 云南省森林面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.2.2 森林的生態(tài)損耗

2.2.2.1 自然損耗 自然損耗包含了火警(LF)、火災(zāi)(F)、其他(OT)。由圖5可知，火警值在600萬(wàn)元以下，平均每年損失100萬(wàn)元。火災(zāi)損失多數(shù)在2億元以下，平均每年損失3 400萬(wàn)元。其他損失在4億元以下，平均每年損失7 400萬(wàn)元。

2.2.2.2 經(jīng)濟(jì)損耗 經(jīng)濟(jì)的損耗(DOE)包含了盜伐(TT)、濫墾(IC)。由圖6可看出，從2008年之后經(jīng)濟(jì)損耗呈緩慢遞減狀態(tài)，這是因?yàn)樵谇懊婕僭O(shè)經(jīng)濟(jì)的損耗呈指數(shù)性遞減的結(jié)果。

2.3 森林的生態(tài)補(bǔ)償

綜合森林的生態(tài)價(jià)值和森林的生態(tài)損耗，最終可以得到森林的生態(tài)補(bǔ)償趨勢(shì)曲線。從圖7可以看出，隨著近年來(lái)森林生態(tài)價(jià)值的不斷增長(zhǎng)以及森林生態(tài)損耗的不斷降低，森林的生態(tài)補(bǔ)償估算值不斷增大，這也與目前的現(xiàn)實(shí)較為符合。

3 結(jié)論

本研究以Cairns(2001)所建立的環(huán)境資源價(jià)值評(píng)估理論框架為基礎(chǔ)，綜合考慮森林的生態(tài)價(jià)值(包含木材及旅游價(jià)值、碳儲(chǔ)存價(jià)值以及涵養(yǎng)水源價(jià)值)以及森林的生態(tài)損耗(包含自然損耗及經(jīng)濟(jì)損耗)，建立森林的生態(tài)補(bǔ)償估算方程，同時(shí)利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析森林生態(tài)價(jià)值、生態(tài)損耗以及生態(tài)補(bǔ)償之間的相互影響關(guān)系，利用仿真軟件Vensim對(duì)云南省的森林資源生態(tài)價(jià)值評(píng)估和生態(tài)補(bǔ)償進(jìn)行實(shí)證分析。實(shí)證分析結(jié)果顯示，近年來(lái)森林的生態(tài)價(jià)值不斷增長(zhǎng)，特別是森林旅游業(yè)的市場(chǎng)價(jià)值不斷增加。同時(shí)隨著國(guó)家政策法規(guī)的不斷健全，相關(guān)保護(hù)措施不斷加強(qiáng)，森林的整體生態(tài)損耗不斷降低，因此森林的生態(tài)補(bǔ)償估算值不斷增大，這與目前的現(xiàn)實(shí)情況較為符合。本研究為完善區(qū)域的生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制提供重要參考，有利于推動(dòng)區(qū)域的和諧及可持續(xù)發(fā)展。