通过采用“楔形策略”并结合利益相关者的合作来填补纤维素生物经济领域的空白

《Renewable Energy》：Filling the cellulosic bio-economy gap by utilizing a wedge approach combined with stakeholder collaboration

本研究基于多利益相关者协同视角，采用代理建模方法，分析整合生物质补贴与环境信用等楔入政策对降低纤维素生物经济市场价与盈亏平衡价差距的作用。通过Sangamon河流域案例比较不同政策组合，发现利益相关者协作显著增强楔入政策效果，为区域生物经济发展提供实证支持。

　　

潘阳|蔡希明

中国广东省生态安全与绿色发展基础研究中心，广东工业大学，广州，510006

摘要

纤维素生物质的市场价格与农民的盈亏平衡价格之间的差距，是发展低碳纤维素生物经济的重要障碍。本研究采用自下而上的、基于代理的建模工具，模拟关键利益相关者的行为和互动，通过“楔形”方法分析了在地方层面纤维素生物经济的出现情况。该方法考虑了多种政策组合，包括对小型生物产品的补贴和环境信用。研究评估了生物质生产者（农民）、生物精炼产业、政府和社会等多方利益相关者之间的合作在缩小价格差距中的作用。以Sangamon河流域为案例研究地点，通过比较不同情景下的模拟结果（包括有和没有利益相关者合作的情况），评估了“楔形”方法的有效性。结果表明，利益相关者之间的积极合作能够提升生物经济政策的效果。将碳信用和环境价值纳入政策组合中，可以通过各方共同努力来缩小价格差距，其中纤维素生物燃料和生物产品产业发挥着关键作用。尽管本研究是在地方流域层面进行的，但其方法论和发现为其他流域的市场发展以及将地方市场扩展到区域和国家层面提供了宝贵的见解。

引言

能源草类，通常指像芒草和柳枝稷这样的纤维素多年生草本植物，为低碳和负碳生物燃料及生物产品提供了广阔的前景[1]，具有显著的环境效益，包括减少碳排放[2]和改善水质[3]。其供应链涉及从农民到生物精炼厂的多个利益相关者，从而支持农村地区的纤维素生物经济发展[4]。尽管有诸如纤维素生物燃料生产指令（RFS）[5]和直接补贴（生物质作物援助计划，BCAP）[6]等政策旨在促进这些能源草类和纤维素生物能源的发展，但其采纳和纤维素生物燃料的生产仍未达到目标[7]。例如，在美国（U.S.），2020年纤维素生物燃料（能源草类的主要用途）的产量仅达到了可再生燃料标准（RFS）规定的105亿加仑目标的5.9%[7]。阻碍进展的挑战包括市场供应有限[4]、基础设施不足[8]、公众对纤维素生物精炼技术的认识不足[9]，尤其是纤维素生物质的市场价格与农民盈亏平衡价格之间的差距[10]，这阻碍了农民采用纤维素多年生草类——纤维素生物燃料供应链的主要来源。

纤维素生物质的价格差距引发了关于纤维素生物能源发展可行性和必要性的讨论。批评者认为，鉴于高昂的政策成本[11]，应该降低纤维素生物能源的政策目标。美国环境保护署（EPA）在新提出的RFS指令中部分体现了这一建议，建议大幅减少纤维素生物燃料的生产指令[12]。我们认为，通过缩小生物质价格差距仍然可以实现主要政策目标。特别是，我们提出并展示了一种“楔形”方法，该方法有可能促进纤维素生物经济的出现。“楔形”方法结合了所有可能的技术和政策（即“楔子”），以实现最终的管理目标，并已在全球环境管理中得到广泛应用[13]。对于生物经济发展而言，潜在的“楔子”可以包括那些能够体现纤维素生物质的环境效益的政策。大规模评估显示，纤维素生物质的环境效益总计可达154.4美元/公顷·年[14]，足以抵消采用能源草类的经济成本[14]。这些环境效益（详见支持信息的第一部分SI）尚未充分纳入生物能源政策设计中。

难点在于协调政策成本和利益相关者的利益（例如，谁愿意为纤维素生物质的环境效益买单，以及国家能源自给自足的问题[15]）。这些利益相关者包括但不限于农民（生物质生产者）、精炼产业、当地社区和政府[4]。我们假设，这些利益相关者在生物能源供应链中的合作是促进纤维素生物经济出现的关键催化剂通过“楔形”方法。通过协调他们的个人利益，利益相关者可以共同努力缩小生物质价格差距，这种努力可以通过有效的沟通和合作（即“利益相关者协同效应”[4]得到放大。利益相关者的合作受到经济因素（如纤维素生物质价格和补贴）和行为因素（包括社会学习[16]）的影响，从而增强纤维素生物经济中的互补性。

为了验证我们的假设，我们采用自下而上的建模方法，展示了在适当的政策支持下，通过自我激励的合作利益相关者来缩小生物质价格差距的可能性。我们利用了一种新开发的基于代理的建模（ABM）工具[16]，该工具能够充分代表和模拟利益相关者的行为和互动，以及对各个社区的环境影响。“楔形”方法的适用性通过比较不同政策组合的情景得到了验证。特别是，通过比较有/没有利益相关者合作的情景，展示了利益相关者合作的关键作用。

与传统的国家级优化[17]、系统动态[18]和经济均衡模型[19]不同，这些方法通过聚合的供给曲线或基于专家共识的分析层次过程（AHP）评估来寻求自上而下的生物经济发展路径[20]，我们的ABM模拟了包括生物质生产者（农民）、生物精炼产业、政府和社会在内的多个利益相关者的分散和互动决策，强调了他们的互动和合作。该框架整合了经济、技术经济、生物物理和行为子模型，基于土地使用调查和利益相关者焦点小组的实证数据，明确代表了关键利益相关者的行为和互动[16]。因此，这种方法允许系统层面的结果（如生物质采纳和价格差距缩小）从利益相关者之间的动态互动中产生，而不是由聚合理论或专家意见预先规定。虽然之前的研究确定了宏观层面的路径[19]或加权标准[20]，但我们的分析独特地揭示了关键的微观机制，特别是利益相关者协同效应，这些机制增强了政策的有效性，并决定了结合多种技术和政策的综合“楔形”方法在实践中的成功。

方法

我们通过ABM（第2.1节）研究了五个利益相关者——农民、产业、社区、政府和消费者——之间的互动，以及他们与生物物理环境的互动。通过比较有和没有利益相关者互动的模型模拟结果来评估利益相关者合作的影响（图1）。

结果

表2总结了两种模型设置M1和M2下四种政策情景的关键统计数据。总体而言，在没有利益相关者合作的模型设置M1中，只有在“Bio-Environ”情景下才能采纳芒草，该情景代表了完整的政策组合。在模型设置M2中，无论是在“Environ”还是“Bio-Environ”情景下都可以采纳芒草。在所有利益相关者中，产业对提高生物质价格的贡献最大

利益相关者合作的催化作用

基于自上而下优化方法的研究表明，如果考虑生物能源作物的环境效益[2]，强制实施RFS（可能与其他相关政策一起）可以带来总体上的经济回报。然而，我们认为，即使在强制实施RFS的情况下，地方层面的生物经济市场也可能受到阻碍，这一现象在2008年以来的现实世界中已经观察到[5]。这一观点得到了Bio-Fuel

结论

本研究表明，地方纤维素生物经济的出现并不依赖于单一政策，而是可以通过利益相关者合作（利益相关者协同效应）推动的综合性“楔形”方法来实现。通过在Sangamon河流域应用基于代理的模型（ABM），我们展示了结合生物燃料指令、生物产品支持和环境效益货币化的政策组合，能够有效缩小约30美元/吨的生物质价格差距

作者贡献声明

蔡希明：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。潘阳：撰写——初稿、方法论、调查、概念化

注释

作者声明没有竞争性财务利益。

数据可用性

数据可应要求提供。基于代理的建模工具的Python代码可在CABBI Github仓库获取

https://github.com/cabbi-bio/BECT-ABM

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了美国能源部先进生物能源和生物产品创新中心（美国能源部，科学办公室，生物与环境研究办公室）的资助，资助编号为DE-SC0018420）。本文中的任何观点、发现、结论或建议仅代表作者本人，并不一定反映美国能源部的观点。Y.P.部分得到了国家自然科学基金（编号：