基于演化博弈理论的流域生态补偿研究

李昌峰　张娈英 赵广川 莫李娟

摘要进入21世纪以来，在中国经济快速发展的同时，生态环境也进一步恶化，转变经济增长方式、保护生态环境、实行环境污染问责制势在必行，生态补偿作为生态环境治理的有效手段被广泛关注。流域水资源的整体性及资源外部性等特征要求上下游要共同承担生态环境保护，如何建立合理的上下游之间生态补偿标准模型，成为流域管理中急需解决的问题。本文以流域生态治理为研究对象，通过上下游地方政府博弈情景设定，建立演化博弈理论模型，说明在地方政府自主选择过程中对于社会最优的环境保护（保护—补偿）策略不会达到稳定均衡状态，必须引入上级监督部门约束因子，才能确定出最优环保（保护—补偿）策略状态稳定时的惩罚金范围。基于设定模型，以太湖流域为例，建立非参数回归计量模型，通过局部线性回归的方法，计算出超标每吨化学含氧量（COD）的惩罚金额至少为1.95万元，说明在现有的1.50万元的惩罚金额下最优保护—补偿策略是非稳态均衡策略，对于流域生态环境治理具有较强的实际应用价值。

关键词流域生态补偿；演化博弈模型；太湖流域；非参数回归模型

中图分类号F062.2

文献标识码A

文章编号1002-2104（2014）01-0171-06doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2014.01.024

中国经济社会的快速发展对生态环境的影响日益剧烈，生态环境保护越来越受到重视。但是由于生态资源具有公共资源或公共物品的特性，人们对生态资源的利用会造成个人边际成本和社会边际成本的不相等现象[1]。生态补偿机制就是主要通过机制设定，进而消除经济的外部性（包括正外部性和负外部性），体现公平公正的原则。流域生态补偿机制作为生态补偿机制的重要组成部分，近年受到越来越多的关注[2]。国际典型案例有美国纽约市通过投资的方式来购买上游Catskills流域的生态环境服务获得清洁的城市供水[3]、厄瓜多尔在Nature Conservancy，USAID和Fundacion Antisana的支持下成立了水资源保护基金来保护流域等[4]，国内典型案例有浙江省东阳市与义乌市之间达成上下游水权交易协议、福建省建立专项资金对九龙江上游治理等[5]。

生态补偿机制的核心是如何解决经济的外部性问题，也就是对于正的外部影响政府应予以补贴， 对于负的外部影响应处以罚款，从而提高整个社会的福利水平。补偿标准的确定始终是生态补偿研究的核心问题。目前流域生态补偿的模式通常分为“上游受益下游损失”和“下游受益上游损失”的两种模式[6]，补偿主体（受益者与破坏者）与补偿客体（保护者与利益受损者）之间在补偿标准上进行着相互的博弈，也就产生了多种多样的补偿标准核算方法。在补偿金额的核算上，主要有机会成本法、支付意愿法、费用分析法、水资源价值法[7-13]。在补偿方式的选择上，有生态补偿保证金制度，财政转移支付制度、市场交易体系等[14-20]。本文在上述研究的基础上，以流域生态补偿为研究对象，通过上下游地方政府博弈情景设定，对建立的流域生态补偿演化博弈模型进一步拓展，引入了上级监督部门约束因子。并以太湖流域为实证分析，将所建立的引入约束因子后的流域生态补偿演化博弈模型与非参数局部回归的计量方法相结合，探讨了流域COD指标与上游地区经济之间的边际效应，得出了最优的环境保护（保护—补偿）策略状态稳定时的惩罚金范围。

1流域生态补偿演化博弈理论模型

伴随着经济体之间相互作用的日益加深，亚当斯密的“看不见的手”理论受到了越来越多的质疑。经济的日益发展及资源的稀缺性，导致几乎每个人的行为都会在某种程度上影响他人的利益。由于个人行为产生了外部性，个人在实现利益最大化的同时不会再导致集体利益的最大化，博弈理论便应运而生。博弈分析的目的是通过建立适当的激励机制以及规则，进而达到理想的稳定均衡状态。传统的博弈理论建立在完全理性的假设上，完全理性在理性意识、分析推理能力、识别判断能力和准确行为能力等方面有苛刻要求，即总能按照机制设定的最优策略行事。演化博弈理论与传统的博弈理论相比，放宽了假定条件，属于有限理性[21]。因此，演化博弈理论的有限理性更加贴近实际，主要研究长期反复博弈过程中的策略调整过程、趋势及其局部的稳定性。在流域生态补偿研究中，上游与下游地方政府针对补偿标准和补偿形式的确定，博弈双方都不可能一次达成一致，而是在博弈过程中不断选择和调整自己的策略，最终找到最优策略。因此，运用进化博弈模型研究上游与下游地方政府之间的合作问题比较贴近现实。

1.1流域生态补偿演化博弈情景设定

结合研究区域的具体情况，太湖流域是一个下游地区（上海、苏州等）经济社会比上游地区（湖州、镇江等）发达的流域类型，生态补偿的模式可以归属于“下游受益上游损失”的流域生态补偿模式，在演化博弈情景的设定中主要有两个利益主体：上游地区地方政府与下游地区地方政府。

（1）上游地区相对下游地区而言，流域河水质量的优劣对人民生产与生活状况的影响相对小于下游地区，其本身的直接用水质量相对较好，在地区经济发展的选择中，以损害其自然环境与可持续发展能力为代价换取经济快速发展的可能相对较大，易于对流域生态环境造成严重破坏。尽管流域生态环境保护的收益较高，但与生态环境保护中损失的地区经济利益相比较，下游地区政府对流域生态环境改善的偏好相对较低，一般不会主动购买生态环境保护产品。上游地区地方政府是代表上游地区所有利益的相关者，在实施生态环境保护的过程中所选择的策略是保护或不保护。

（2）下游地区的人民生产与生活状况与流域河水质量关系与上游地区相比相对密切，其生产与生活用水水源的水质已经在某种程度上受到了上游地区人民生产与生活的影响，因而 下游地区人民对流域水环境改善的诉求要相对高于上游地区，他们在某种程度更愿意支付生态环境保护产品，对流域生态环境改善的偏好较高。下游地区地方政府是代表下游地区所有利益的相关者，在实施生态环境保护的过程中所选择的策略是补偿或不补偿。

（3）上游地区与下游地区地方政府各自追求自身利益的最大化，保护-补偿策略是社会所期盼的最优策略。

1.2流域生态补偿演化博弈支付矩阵

构建“下游受益上游损失”的流域生态补偿演化博弈支付矩阵符号假定为：s：上游地区为保护生态环境而损失的机会成本；c：下游地区补偿上游地区的货币金额；l：上游地区因为保护环境而获得的生态效益；u1：上游地区保护生态环境时下游地区所获得的总效益；u2：上游地区不保护生态环境时下游地区所获得的总效益。上游地区和下游地区的收益矩阵如表1所示。

摘要进入21世纪以来，在中国经济快速发展的同时，生态环境也进一步恶化，转变经济增长方式、保护生态环境、实行环境污染问责制势在必行，生态补偿作为生态环境治理的有效手段被广泛关注。流域水资源的整体性及资源外部性等特征要求上下游要共同承担生态环境保护，如何建立合理的上下游之间生态补偿标准模型，成为流域管理中急需解决的问题。本文以流域生态治理为研究对象，通过上下游地方政府博弈情景设定，建立演化博弈理论模型，说明在地方政府自主选择过程中对于社会最优的环境保护（保护—补偿）策略不会达到稳定均衡状态，必须引入上级监督部门约束因子，才能确定出最优环保（保护—补偿）策略状态稳定时的惩罚金范围。基于设定模型，以太湖流域为例，建立非参数回归计量模型，通过局部线性回归的方法，计算出超标每吨化学含氧量（COD）的惩罚金额至少为1.95万元，说明在现有的1.50万元的惩罚金额下最优保护—补偿策略是非稳态均衡策略，对于流域生态环境治理具有较强的实际应用价值。

关键词流域生态补偿；演化博弈模型；太湖流域；非参数回归模型

中图分类号F062.2

文献标识码A

文章编号1002-2104（2014）01-0171-06doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2014.01.024

中国经济社会的快速发展对生态环境的影响日益剧烈，生态环境保护越来越受到重视。但是由于生态资源具有公共资源或公共物品的特性，人们对生态资源的利用会造成个人边际成本和社会边际成本的不相等现象[1]。生态补偿机制就是主要通过机制设定，进而消除经济的外部性（包括正外部性和负外部性），体现公平公正的原则。流域生态补偿机制作为生态补偿机制的重要组成部分，近年受到越来越多的关注[2]。国际典型案例有美国纽约市通过投资的方式来购买上游Catskills流域的生态环境服务获得清洁的城市供水[3]、厄瓜多尔在Nature Conservancy，USAID和Fundacion Antisana的支持下成立了水资源保护基金来保护流域等[4]，国内典型案例有浙江省东阳市与义乌市之间达成上下游水权交易协议、福建省建立专项资金对九龙江上游治理等[5]。

生态补偿机制的核心是如何解决经济的外部性问题，也就是对于正的外部影响政府应予以补贴， 对于负的外部影响应处以罚款，从而提高整个社会的福利水平。补偿标准的确定始终是生态补偿研究的核心问题。目前流域生态补偿的模式通常分为“上游受益下游损失”和“下游受益上游损失”的两种模式[6]，补偿主体（受益者与破坏者）与补偿客体（保护者与利益受损者）之间在补偿标准上进行着相互的博弈，也就产生了多种多样的补偿标准核算方法。在补偿金额的核算上，主要有机会成本法、支付意愿法、费用分析法、水资源价值法[7-13]。在补偿方式的选择上，有生态补偿保证金制度，财政转移支付制度、市场交易体系等[14-20]。本文在上述研究的基础上，以流域生态补偿为研究对象，通过上下游地方政府博弈情景设定，对建立的流域生态补偿演化博弈模型进一步拓展，引入了上级监督部门约束因子。并以太湖流域为实证分析，将所建立的引入约束因子后的流域生态补偿演化博弈模型与非参数局部回归的计量方法相结合，探讨了流域COD指标与上游地区经济之间的边际效应，得出了最优的环境保护（保护—补偿）策略状态稳定时的惩罚金范围。

1流域生态补偿演化博弈理论模型

伴随着经济体之间相互作用的日益加深，亚当斯密的“看不见的手”理论受到了越来越多的质疑。经济的日益发展及资源的稀缺性，导致几乎每个人的行为都会在某种程度上影响他人的利益。由于个人行为产生了外部性，个人在实现利益最大化的同时不会再导致集体利益的最大化，博弈理论便应运而生。博弈分析的目的是通过建立适当的激励机制以及规则，进而达到理想的稳定均衡状态。传统的博弈理论建立在完全理性的假设上，完全理性在理性意识、分析推理能力、识别判断能力和准确行为能力等方面有苛刻要求，即总能按照机制设定的最优策略行事。演化博弈理论与传统的博弈理论相比，放宽了假定条件，属于有限理性[21]。因此，演化博弈理论的有限理性更加贴近实际，主要研究长期反复博弈过程中的策略调整过程、趋势及其局部的稳定性。在流域生态补偿研究中，上游与下游地方政府针对补偿标准和补偿形式的确定，博弈双方都不可能一次达成一致，而是在博弈过程中不断选择和调整自己的策略，最终找到最优策略。因此，运用进化博弈模型研究上游与下游地方政府之间的合作问题比较贴近现实。

1.1流域生态补偿演化博弈情景设定

结合研究区域的具体情况，太湖流域是一个下游地区（上海、苏州等）经济社会比上游地区（湖州、镇江等）发达的流域类型，生态补偿的模式可以归属于“下游受益上游损失”的流域生态补偿模式，在演化博弈情景的设定中主要有两个利益主体：上游地区地方政府与下游地区地方政府。

（1）上游地区相对下游地区而言，流域河水质量的优劣对人民生产与生活状况的影响相对小于下游地区，其本身的直接用水质量相对较好，在地区经济发展的选择中，以损害其自然环境与可持续发展能力为代价换取经济快速发展的可能相对较大，易于对流域生态环境造成严重破坏。尽管流域生态环境保护的收益较高，但与生态环境保护中损失的地区经济利益相比较，下游地区政府对流域生态环境改善的偏好相对较低，一般不会主动购买生态环境保护产品。上游地区地方政府是代表上游地区所有利益的相关者，在实施生态环境保护的过程中所选择的策略是保护或不保护。

（2）下游地区的人民生产与生活状况与流域河水质量关系与上游地区相比相对密切，其生产与生活用水水源的水质已经在某种程度上受到了上游地区人民生产与生活的影响，因而 下游地区人民对流域水环境改善的诉求要相对高于上游地区，他们在某种程度更愿意支付生态环境保护产品，对流域生态环境改善的偏好较高。下游地区地方政府是代表下游地区所有利益的相关者，在实施生态环境保护的过程中所选择的策略是补偿或不补偿。

（3）上游地区与下游地区地方政府各自追求自身利益的最大化，保护-补偿策略是社会所期盼的最优策略。

1.2流域生态补偿演化博弈支付矩阵

构建“下游受益上游损失”的流域生态补偿演化博弈支付矩阵符号假定为：s：上游地区为保护生态环境而损失的机会成本；c：下游地区补偿上游地区的货币金额；l：上游地区因为保护环境而获得的生态效益；u1：上游地区保护生态环境时下游地区所获得的总效益；u2：上游地区不保护生态环境时下游地区所获得的总效益。上游地区和下游地区的收益矩阵如表1所示。

摘要进入21世纪以来，在中国经济快速发展的同时，生态环境也进一步恶化，转变经济增长方式、保护生态环境、实行环境污染问责制势在必行，生态补偿作为生态环境治理的有效手段被广泛关注。流域水资源的整体性及资源外部性等特征要求上下游要共同承担生态环境保护，如何建立合理的上下游之间生态补偿标准模型，成为流域管理中急需解决的问题。本文以流域生态治理为研究对象，通过上下游地方政府博弈情景设定，建立演化博弈理论模型，说明在地方政府自主选择过程中对于社会最优的环境保护（保护—补偿）策略不会达到稳定均衡状态，必须引入上级监督部门约束因子，才能确定出最优环保（保护—补偿）策略状态稳定时的惩罚金范围。基于设定模型，以太湖流域为例，建立非参数回归计量模型，通过局部线性回归的方法，计算出超标每吨化学含氧量（COD）的惩罚金额至少为1.95万元，说明在现有的1.50万元的惩罚金额下最优保护—补偿策略是非稳态均衡策略，对于流域生态环境治理具有较强的实际应用价值。

关键词流域生态补偿；演化博弈模型；太湖流域；非参数回归模型

中图分类号F062.2

文献标识码A

文章编号1002-2104（2014）01-0171-06doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2014.01.024

中国经济社会的快速发展对生态环境的影响日益剧烈，生态环境保护越来越受到重视。但是由于生态资源具有公共资源或公共物品的特性，人们对生态资源的利用会造成个人边际成本和社会边际成本的不相等现象[1]。生态补偿机制就是主要通过机制设定，进而消除经济的外部性（包括正外部性和负外部性），体现公平公正的原则。流域生态补偿机制作为生态补偿机制的重要组成部分，近年受到越来越多的关注[2]。国际典型案例有美国纽约市通过投资的方式来购买上游Catskills流域的生态环境服务获得清洁的城市供水[3]、厄瓜多尔在Nature Conservancy，USAID和Fundacion Antisana的支持下成立了水资源保护基金来保护流域等[4]，国内典型案例有浙江省东阳市与义乌市之间达成上下游水权交易协议、福建省建立专项资金对九龙江上游治理等[5]。

生态补偿机制的核心是如何解决经济的外部性问题，也就是对于正的外部影响政府应予以补贴， 对于负的外部影响应处以罚款，从而提高整个社会的福利水平。补偿标准的确定始终是生态补偿研究的核心问题。目前流域生态补偿的模式通常分为“上游受益下游损失”和“下游受益上游损失”的两种模式[6]，补偿主体（受益者与破坏者）与补偿客体（保护者与利益受损者）之间在补偿标准上进行着相互的博弈，也就产生了多种多样的补偿标准核算方法。在补偿金额的核算上，主要有机会成本法、支付意愿法、费用分析法、水资源价值法[7-13]。在补偿方式的选择上，有生态补偿保证金制度，财政转移支付制度、市场交易体系等[14-20]。本文在上述研究的基础上，以流域生态补偿为研究对象，通过上下游地方政府博弈情景设定，对建立的流域生态补偿演化博弈模型进一步拓展，引入了上级监督部门约束因子。并以太湖流域为实证分析，将所建立的引入约束因子后的流域生态补偿演化博弈模型与非参数局部回归的计量方法相结合，探讨了流域COD指标与上游地区经济之间的边际效应，得出了最优的环境保护（保护—补偿）策略状态稳定时的惩罚金范围。

1流域生态补偿演化博弈理论模型

伴随着经济体之间相互作用的日益加深，亚当斯密的“看不见的手”理论受到了越来越多的质疑。经济的日益发展及资源的稀缺性，导致几乎每个人的行为都会在某种程度上影响他人的利益。由于个人行为产生了外部性，个人在实现利益最大化的同时不会再导致集体利益的最大化，博弈理论便应运而生。博弈分析的目的是通过建立适当的激励机制以及规则，进而达到理想的稳定均衡状态。传统的博弈理论建立在完全理性的假设上，完全理性在理性意识、分析推理能力、识别判断能力和准确行为能力等方面有苛刻要求，即总能按照机制设定的最优策略行事。演化博弈理论与传统的博弈理论相比，放宽了假定条件，属于有限理性[21]。因此，演化博弈理论的有限理性更加贴近实际，主要研究长期反复博弈过程中的策略调整过程、趋势及其局部的稳定性。在流域生态补偿研究中，上游与下游地方政府针对补偿标准和补偿形式的确定，博弈双方都不可能一次达成一致，而是在博弈过程中不断选择和调整自己的策略，最终找到最优策略。因此，运用进化博弈模型研究上游与下游地方政府之间的合作问题比较贴近现实。

1.1流域生态补偿演化博弈情景设定

结合研究区域的具体情况，太湖流域是一个下游地区（上海、苏州等）经济社会比上游地区（湖州、镇江等）发达的流域类型，生态补偿的模式可以归属于“下游受益上游损失”的流域生态补偿模式，在演化博弈情景的设定中主要有两个利益主体：上游地区地方政府与下游地区地方政府。

（1）上游地区相对下游地区而言，流域河水质量的优劣对人民生产与生活状况的影响相对小于下游地区，其本身的直接用水质量相对较好，在地区经济发展的选择中，以损害其自然环境与可持续发展能力为代价换取经济快速发展的可能相对较大，易于对流域生态环境造成严重破坏。尽管流域生态环境保护的收益较高，但与生态环境保护中损失的地区经济利益相比较，下游地区政府对流域生态环境改善的偏好相对较低，一般不会主动购买生态环境保护产品。上游地区地方政府是代表上游地区所有利益的相关者，在实施生态环境保护的过程中所选择的策略是保护或不保护。

（2）下游地区的人民生产与生活状况与流域河水质量关系与上游地区相比相对密切，其生产与生活用水水源的水质已经在某种程度上受到了上游地区人民生产与生活的影响，因而 下游地区人民对流域水环境改善的诉求要相对高于上游地区，他们在某种程度更愿意支付生态环境保护产品，对流域生态环境改善的偏好较高。下游地区地方政府是代表下游地区所有利益的相关者，在实施生态环境保护的过程中所选择的策略是补偿或不补偿。

（3）上游地区与下游地区地方政府各自追求自身利益的最大化，保护-补偿策略是社会所期盼的最优策略。

1.2流域生态补偿演化博弈支付矩阵

构建“下游受益上游损失”的流域生态补偿演化博弈支付矩阵符号假定为：s：上游地区为保护生态环境而损失的机会成本；c：下游地区补偿上游地区的货币金额；l：上游地区因为保护环境而获得的生态效益；u1：上游地区保护生态环境时下游地区所获得的总效益；u2：上游地区不保护生态环境时下游地区所获得的总效益。上游地区和下游地区的收益矩阵如表1所示。