国际碳排放市场机制下我国海运业低碳发展的系统动力学模型
唐丽敏等
摘要：
针对国际上以市场机制控制航运业碳排放的趋势， 根据系统动力学原理和方法，分析我国航运业低碳发展系统的边界、特征和要素之间因果关系，建立系统动力学模型，解剖系统多重反馈机理和系统要素之间的相互作用过程.对3种减排措施（技术措施、营运措施和基于市场的措施）的减排效果进行模拟.结果表明：适当降低航行速度，改善能源消费结构，合理确定碳税税率并辅之以低碳补贴，能在保障经济健康发展的前提下达到较好的减排效果.
关键词：
海运业； 低碳； 碳税； 系统动力学
中图分类号： F552； X324
文献标志码： A
System dynamics model of lowcarbon development of Chinese shipping
industry under international carbon emission market mechanism
TANG Limin1， CHEN Ying1， LIU Shaohui1， CAI Zhaokun2
（
1.Transportation Management College， Dalian Maritime Univ.， Dalian 116026， Liaoning， China；
2.School of Mathematical Sciences， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China）
Abstract：
In view of the trend of using market mechanism to control carbon emission in international shipping industry， the boundary， features and causeandeffect relationships between the elements of Chinese shipping industry lowcarbon development system are analyzed， and then the system dynamics model is established to find out the multiple feedback mechanisms and the interaction processes between elements in the system.The emission reduction effects of 3 types of measures （technical， operational and marketbased measures） are simulated.The results suggest that appropriately reducing speed， improving energy consumption structure and reasonably determining carbon tax with lowcarbon subsidy could lead to good emission reduction effect while ensuring economys healthy development.
Key words：
shipping industry； low carbon； carbon tax； system dynamics
收稿日期： 20140809
修回日期： 20141223
基金项目：
辽宁省经济与社会发展研究基金（2014slktzigjwt03）
作者简介：
唐丽敏（1963—），女，辽宁大连人，教授，博士，研究方向为物流系统规划， （Email）tlmin@dlmu.edu.cn
0引言
欧盟宣布于2012年1月1日起征收航空碳税后，又声明拟将航海也纳入欧盟碳排放交易体系.国际海事组织（IMO）的数据显示，目前海运业碳排放总量约占全球的3%，如果不采取措施，这一比例将在2050年升至18%，航空业将升至10%，因此海运业比航空业承担着更大的减排压力.尽管欧盟的航海碳税属于在IMO之外的部分发达国家所采取的征收航海碳税的单边行动，能否实施及何时实施尚有众多不确定因素，但伴随着2013年1月1日IMO船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）正式生效，国际航运领域减排压力已不期而至.EEDI是在船舶设计阶段对每单位船舶运输量（货运量）所产生的CO2排放量的估算.采用EEDI，就是要在船舶设计阶段提高船舶运输量并通过各种手段降低CO2排放量.EEDI是IMO历史上首次通过的适用于所有国家船舶的、与减少温室气体排放相关的强制性能效标准.
此外，IMO还计划争取在2015年之前确立市场机制措施以控制航运业的碳排放.由此可见，无论欧盟征收航海碳税能否行得通，国际上以市场机制措施控制航运业碳排放是大势所趋.我国是造船和航运大国，这一趋势必将对我国航运业产生重大影响.
关于航海碳税及碳排放问题，国外学者的研究已取得一定的进展.KIM提出关于温室气体排放的船用燃料管理优化算法，分析燃料价格、碳税和船舶时间成本的影响；CHANG研究海洋能源消费、国家的经济活动及国际海运温室气体排放关系；LINDSTAD就减速措施对减排效果及海上运输成本的影响进行定量分析；CORBETT就国际海运通过减速实现减排的效益和成本进行定量分析；OBERTHUR研究国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization， ICAO）及IMO采取的措施和《京都议定书》条款在减少海运温室气体排放方面的相互作用；HACKMANN对规范国际海运温室气体排放量治理架构进行分析并提出建议.
围绕碳税问题，国内学者对温室气体减排的交易机制框架、减排措施、减排效果及对我国的影响等进行研究，如：朱永彬等基于一般均衡（CGE）模型，分析碳税政策的减排效果及其对宏观经济和各产业部门的影响；张晓盈等从碳税的内涵、效应入手探讨中国碳税总体框架；李静等运用CGE模型，分析开征碳税对我国船舶营运成本、行业CO2排放量、运输量和运价的影响，并根据分析结果提出对策建议.在国际海运温室气体减排方面，学者们研究海运温室气体减排的交易机制、减排措施及对我国的影响与应对策略，如：李布提出欧盟碳排放交易体系的特征、成效对我国节能减排和应对气候变化的启示；顾伟红总结国际上提出的9种海运温室气体减排市场机制，进行关键要素对比分析，给出我国市场机制的评判标准；曹文恺等着眼于气候变化对海运业的影响，对海运业减排政策进行现状评估和未来展望.
然而现有研究大多停留在静态相关性分析上，关于碳税对海运、造船、贸易及经济的影响缺乏系统性研究，减排路径的研究大都停留在理论层面，缺乏定量分析和可行性检验.本文运用系统动力学理论与方法，构造航运业低碳发展系统模型，分析碳税对航运业发展影响的动态机制，模拟未来发展情形，为制定减排措施和政策提供理论依据.
1航运业低碳发展路径分析
IMO将减排措施分为3大类：第1类为技术措施，主要是硬件改进或者能源代替，包括使用更为有效的发动机、推进器，优化船体设计，使用更为清洁的能源及使用岸电等.这类措施能够从根本上减少船舶的温室气体排放，是实现温室气体减排的主要手段.技术措施对于新造船的减排效果非常明显，能够节约燃油成本，具有较短的投资回收期，然而对现有的一些船舶可能不具有经济性，实施难度也相对较大.第2类为营运措施，在现有硬件基础上采用高效的运作管理技术（如选择最佳的气候、最佳航行速度和路线等）实现温室气体减排.这类措施不需要较高的投资，但是减排效果不如技术措施明显.第3类是基于市场的措施或市场机制，即对排放者采取适当的激励性或惩罚性经济手段，包括排放贸易计划、征收碳税或燃油税等.基于市场的减排机制本身并不能直接提高能源效率，但是能提高节能减排的积极性并且具有一定的强制力，是对前两种措施的重要补充.
本文通过建立模型，对上述3种减排措施的减排效果进行模拟分析.这里用船舶技术减排投资代表技术性减排路径，用降低航速代替营运性减排路径，用征收碳税代表市场性减排路径.
2航运业低碳发展的系统动力学建模过程
（1）模型边界的确定.
模型边界包括结构边界、地理边界和时间边界.航运业在为经济贸易服务的同时，既消耗大量能源又造成温室气体排放，因此航运经济能源环境构成一个相互制约、相互作用的复杂巨型系统，这是模型的结构边界.本文选取2003—2012年中国航运业的相关历史数据进行模型参数估计和检验，将2013—2017年作为检验模拟效果的预测年，确定模型的地理边界和时间边界.
（2）因果关系图的确定.
因果关系图是构思模型的初始阶段，便于非技术性地、直观地描述系统的结构与相关变量之间的相互影响关系.
（3）流程图的确定.
分析因果关系图中的各种变量，确定变量类型，解剖系统多重反馈激励与各要素相互作用的过程，利用系统动力学软件Vensim将因果关系图转化为流程图.
（4）模型检验与调试.
利用Vensim软件编写模型程序，对模型进行结构和量纲的一致性检验，在确定模型可靠之后对模型变量值进行调试，直至模拟结果与历史数据基本一致.
（5）政策模拟.
给模型输入一种或一组决策变量，通过模拟实验得出预测年份的相应结果，通过不断调整决策变量的数值，比较各政策方案的模拟结果，选出最优政策或政策组合.
（6）在使用过程中改进和完善模型.
3航运业低碳发展的系统动力学模型构建
3.1航运业低碳发展系统总体框架
国际航运业在为国际贸易服务的同时，既消耗大量能源又造成温室气体排放.经济增长将带来航运需求增加，若不采取措施，则航运企业能源消耗和排放将增加，一旦超出一定的排放标准，就会被征收税费；若采取一定的措施，则可能达到减排效果，但导致航运企业成本上升.在航运业低碳发展系统中，碳税的征收是影响航运业低碳发展的直接推动力，碳税刺激航运企业采取各种减排措施，一方面增加航运成本，阻碍航运业的发展及其对经济增长的直接贡献；另一方面，在能源节约和温室气体减排方面取得环境效益以及以碳税形式增加的税收收入又会促进经济的发展.经济发展导致贸易量增加，在带来更多海运需求的同时还会增加航运业的经济收入，经济的可持续发展要求既要满足经济增长又要降低碳排放，因此经济发展创造的经济价值可通过收入的再分配投资于航运产业，促进该领域的低碳投资.航运业低碳发展系统的各因素彼此联系、相互影响，其总体框架见图1.本研究目的是在低碳发展的背景下，系统化解析“航运能源经济环境”这样一个
相互作用、相互制约、关系错综复杂的巨型系统变量之间的关系，以便探寻能获得最佳经济效益和环境效益的节能减排路径.
3.2航运业低碳发展系统因果反馈图分析
根据图1，航运业低碳发展系统由低碳航运、低碳经济、低碳能源和低碳环境等4个子系统组成.各子系统都有自己的功能和结构特点，它们之间通过接口变量彼此相连、相互影响.将以上4个子系统整合在一起，形成航运业低碳发展系统的反馈结构，见图2.
（1）低碳航运子系统.
碳税政策会刺激航运业采取相应的措施减少碳税成本.一方面，可以调整能源结构，使用高品质的清洁能源以降低排放，但是燃油成本较碳税征收之前上升；另一方面，碳税政策促进船舶减排技术的投资增加.两方面的原因，共同导致航运成本的增加.
（2）低碳经济子系统.
低碳发展带来航运业成本的上升，由于产业链的传导效应，航运业将成本上涨的压力通过运费率的提高转嫁给下游航运服务需求产业，运费的上涨导致海运需求降低，海运周转量下降.海运周转量的降低将导致海运对GDP增长贡献的降低，这构成一个负反馈回路.同时，碳税的征收带来国家财政收入的增加，将税收收入用于低碳发展的补贴，从而减小低碳措施对航运成本增加的影响，这构成一个正反馈环.
（3）低碳能源子系统.
碳税政策作为触发因素，使得航运业采取技术性、营运性减排措施，包括使用高品质燃油、应用船舶减排技术、降低航速等，带来能源消耗量的降低.
（4）低碳环境子系统.
低碳政策和低碳措施会促使能源结构调整和能源消耗降低，减少CO2的排放，带来较好的环境效益；环境质量的提高，使得GDP的损失减少，从而进一步促进低碳的发展，形成良性的正反馈循环.
3.3航运业低碳发展系统流图分析及方程建立
根据所建立的因果关系图和反馈机制，构建航运业低碳发展系统动力学模型.建模的关键是确定水平变量、决策变量以及模型的结构和方程.航运业低碳发展系统的各子系统之间的联系会引起整个系统的发展变化.低碳政策的刺激是航运业采取低碳发展模式的直接动力，形成动力机制；经济的支持是航运业采取低碳减排技术的根本动力，而航运低碳发展最终又会通过对能源、环境的正面积极影响反作用于经济，低碳经济、低碳能源、低碳环境这3个子系统之间形成互动机制.这里选择经济发展水平GDP和能源消耗量为水平变量，碳税税率、能源结构比例、航运补贴比例以及航速降低值为决策变量.模型流图见图3.
模型的重要变量及主要参数方程如下：
①能源消耗量=Int（能源增长率-能源阻碍率，能源初始值），亿t；
②GDP=Int（GDP增长率-GDP阻碍率，GDP初始值），亿元；
③碳税=CO2排放量×碳税税率，亿元；
④能源阻碍率=DELAY1（投资效果，滞后年限）+能源消耗量×（节能系数+能源消耗变动率），亿t；
⑤船舶低碳技术投资额=航运业固定资产投资额×船舶技术减排投资比例，亿元；
⑥航运成本增加值=碳税+船舶技术投资额-航运业补贴，亿元；
⑦运费增长率=航运成本增加值÷营运天数÷船舶营运单天成本；
⑧海运需求变动率=运费增长率；
⑨海运周转量=全社会货物运输周转量×海运基准运输份额×（1-海运需求变动率）×（1-航行速度降低值），亿t·km；
⑩航运创造GDP=周转量拉动GDP系数×海运周转量，亿元；
B11GDP增长率=碳税+航运创造GDP+GDP×GDP增长系数，亿元；
B12GDP阻碍率=DELAY1（污染损失系数×CO2排放量，延迟时间）+航运补贴，亿元；
B13全社会货物运输周转量=GDP×系数+常量，亿t·km；
B14能源消耗变动率=海运需求变动率×相关系数；
B15航运业补贴=GDP×补贴系数，亿元；
B16海运能源替代弹性=碳税税率×影响系数；
B17CO2排放量=LNG消耗量×LNG碳排放因子+燃料油消耗量×燃料油碳排放因子+柴油消耗量×柴油碳排放因子，亿t；
B18LNG能源消耗量=能源消耗量×LNG消耗比例，亿t；
B19燃料油消耗量=能源消耗量×燃料油消耗比例，亿t；
B20柴油消耗量=能源消耗量×柴油消耗比例，亿t；
B21船舶技术减排投资比例=海运能源替代弹性.
3.4数据来源及模型有效性检验
数据来源于中国统计年鉴、中国能源统计年鉴、国研网数据库、《2011中国航运发展报告》、《船用燃料油供应服务行业分析报告》等.借助系统动力学专业软件Vensim完成模型结构和行为与实际系统一致性检验、模型量纲一致性检验.模型通过敏感性和抗冲击性检验，从而证明了模型信度.选取2003—2012年的数据进行历史性检验（见表1），除个别年份之外，模拟结果与系统实际数据拟合误差为±6%，说明模型对现实行为有良好的复制能力，能够比较真实地反映现实系统.
4航运业低碳发展模拟及政策建议
4.1模拟方案
模拟是系统动力学模型的关键步骤，目的是通过模拟政策措施为制定决策提供支持.考虑到模型历史数据时间长度和未来长时间预测的不确定性，模型模拟起始时间为2003年，终止时间为2017年，时间跨度为1年.考虑到市场性减排、技术性减排和营运性减排等3种航运业低碳发展路径，分别选取碳税税率、航速降低比例、补贴力度、LNG消耗比例作为控制变量，设计8种模拟方案（见表2）.其中方案1为不采取任何措施的
模拟结果，用于测试各政策或其组合对能源消耗、CO2排放及经济的影响，为我国航运业低碳减排政策的制定提供方向和理论依据.
4.2模拟结果分析
（1）征收碳税效果模拟.
方案1，2，3，4的模拟效果比较见图4.
模拟结果表明，征收碳税是控制能源消耗、减少CO2排放的有效政策手段.碳税税率越高，节能减排的效果越明显，但同时对经济发展的阻力也越大.
（2）降低航速效果模拟.
方案1与5的模拟效果比较见图5.
模拟结果表明，适当降低航速能有效降低能源消耗和CO2排放量.其原因是能源消耗与航速的三次方相关，航速降低一个很小的比例会带来很大程度的能源节省和CO2减排效果.在航运市场运力供大于求的市场环境下，适当降低航速也不会对经济发展产生特别明显的制约作用.
（3）征收碳税与补贴政策组合效果模拟.
方案1，2和6的模拟效果比较见图6.
模拟结果表明，征收碳税与补贴政策的共同作用会在不阻碍甚至是促进经济发展的基础上达到更高的环境效益.其原因是补贴会在一定程度上降低征收碳税所带来的减排成本的增加，缓解航运企业的经济压力，鼓励其进一步采取减
排措施，同时又保障航运业的扩大和发展，增加其对GDP的贡献率，最终形成经济与环境的良性循环.
（4）碳税与改变能源消耗结构效果模拟.
方案2，7，8的模拟效果比较见图7.
模拟结果表明：
从环境效益的角度看，
改变能源结构、增加LNG的使用比例对CO2排放量的影响不太显著；从经济效益的角度看，航运企业增加LNG的使用比例对减轻缴纳碳税的负担起的作用不是很大，但这并不表明清洁能源的使用不是有效的减排途径.出现上述模拟效果的主要原因是，目前我国船用LNG比例基数较小，显现不出改变能源消耗结构的优势.
4.3政策建议
根据模型的模拟结果，提出如下政策建议：
（1）合理设置碳税税率，必须同时兼顾环境效益和经济效益.虽然碳税是控制CO2排放的有效手段，但碳税税率设置过高会打击航运市场投资和发
展的积极性，进而影响整体经济的良性发展，而过低的税率又无法带来低碳减排的环境效益.税率的设计应给企业足够的调整时间来发挥税收的“宣示效应”，征收初期应设置低税率，之后逐步提高，循序渐进，以保障对国民经济不产生太大的冲击.
（2）在运力过剩、供过于求的市场环境下，应适当降低航速，以取得最大的经济效益和环境效益.若整体航速降低5%，到2017年时能源消耗量及CO2排放量将减少30%，这在目前航运市场运力饱和的情况下不失为节能减排的经济途径.
（3）在设置合理的碳税税率的基础上，辅之以补助等激励机制.以2017年为例：在碳税税率为20元/t时，CO2减排效果为10%左右，对经济的阻碍作用为12%；在碳税税率为20元/t，补贴系数为0.009%时，CO2减排效果为40%，对经济的促进作用为7%.其内在原因是碳税给航运业带来成本上升的压力，而合理的补助可避免行业经济的发展被约束，以取得环境与经济共赢的发展局面.
（4）积极推动清洁能源的使用，促进能源结构调整.在清洁能源推广使用初期，采取差别税率或税收减免政策，以取得更加明显的减排效果，加快能源结构的升级.
5结束语
航运业低碳发展系统是涉及航运、经济、能源、环境的复杂大系统，这种复杂性不仅体现在系统本身的要素结构中，而且体现在系统各要素之间的相互联系和相互作用上.本文利用系统动力学方法，在分析系统特征和结构的基础上，建立系统动力学模型，旨在揭示系统内部的反馈和作用机理.模型通过对控制变量的参数设定，对航运业的减排途径有了方向性的把握，进而从4个方面提出政策建议.本文以航运业总体为研究对象，在收集数据和确定变量关系方面有一定的模糊和不准确性，没有考虑到不同航线、不同船型之间的特殊性，存在一定的局限性.在进一步的研究中将对船型、航线进行分类，进行更具体细致的研究，使模型更具有针对性.
参考文献：
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[3]LINDSTAD H. Reductions in greenhouse gas emissions and cost by shipping at lower speeds[J].Energy Policy， 2011， 39： 456464.
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[5]OBERTHUR S. Institutional interaction to address greenhouse gas emissions from international transport： ICAO， IMO and the Kyoto Protocol[J].Energy Policy， 2003， 3（3）： 191205.
[6]HACKMANN B. Analysis of the governance architecture to regulate GHG emissions from international shipping[J].Int Environ Agreementspolicies Law and Econ， 2012， 12（1）： 85103.
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[9]李静， 李睿瑜.碳税对我国航运业的影响及对策研究[J].航海技术， 2013（5）： 6769.
[10]李布.欧盟碳排放交易体系的特征、绩效与启示[J].重庆理工大学学报： 社会科学版， 2010， 24（3）： 15.
[11]顾伟红.国际海运温室气体减排市场机制解析[J].上海海事大学学报， 2013， 34（3）： 1721.
[12]曹文恺， 王慧.气候变化背景下的航运业减排政策展望[J].环境经济， 2011（8）： 5559.
[13]李静.基于CGE模型的碳税对我国航运业的影响研究[J].中国海运， 2011， 11（12）： 3038.
[14]张爽， 张硕慧， 李桢.国际海运温室气体减排措施及概述[J].中国海事， 2008（5）： 6064.
（编辑贾裙平）
摘要：
针对国际上以市场机制控制航运业碳排放的趋势， 根据系统动力学原理和方法，分析我国航运业低碳发展系统的边界、特征和要素之间因果关系，建立系统动力学模型，解剖系统多重反馈机理和系统要素之间的相互作用过程.对3种减排措施（技术措施、营运措施和基于市场的措施）的减排效果进行模拟.结果表明：适当降低航行速度，改善能源消费结构，合理确定碳税税率并辅之以低碳补贴，能在保障经济健康发展的前提下达到较好的减排效果.
关键词：
海运业； 低碳； 碳税； 系统动力学
中图分类号： F552； X324
文献标志码： A
System dynamics model of lowcarbon development of Chinese shipping
industry under international carbon emission market mechanism
TANG Limin1， CHEN Ying1， LIU Shaohui1， CAI Zhaokun2
（
1.Transportation Management College， Dalian Maritime Univ.， Dalian 116026， Liaoning， China；
2.School of Mathematical Sciences， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China）
Abstract：
In view of the trend of using market mechanism to control carbon emission in international shipping industry， the boundary， features and causeandeffect relationships between the elements of Chinese shipping industry lowcarbon development system are analyzed， and then the system dynamics model is established to find out the multiple feedback mechanisms and the interaction processes between elements in the system.The emission reduction effects of 3 types of measures （technical， operational and marketbased measures） are simulated.The results suggest that appropriately reducing speed， improving energy consumption structure and reasonably determining carbon tax with lowcarbon subsidy could lead to good emission reduction effect while ensuring economys healthy development.
Key words：
shipping industry； low carbon； carbon tax； system dynamics
收稿日期： 20140809
修回日期： 20141223
基金项目：
辽宁省经济与社会发展研究基金（2014slktzigjwt03）
作者简介：
唐丽敏（1963—），女，辽宁大连人，教授，博士，研究方向为物流系统规划， （Email）tlmin@dlmu.edu.cn
0引言
欧盟宣布于2012年1月1日起征收航空碳税后，又声明拟将航海也纳入欧盟碳排放交易体系.国际海事组织（IMO）的数据显示，目前海运业碳排放总量约占全球的3%，如果不采取措施，这一比例将在2050年升至18%，航空业将升至10%，因此海运业比航空业承担着更大的减排压力.尽管欧盟的航海碳税属于在IMO之外的部分发达国家所采取的征收航海碳税的单边行动，能否实施及何时实施尚有众多不确定因素，但伴随着2013年1月1日IMO船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）正式生效，国际航运领域减排压力已不期而至.EEDI是在船舶设计阶段对每单位船舶运输量（货运量）所产生的CO2排放量的估算.采用EEDI，就是要在船舶设计阶段提高船舶运输量并通过各种手段降低CO2排放量.EEDI是IMO历史上首次通过的适用于所有国家船舶的、与减少温室气体排放相关的强制性能效标准.
此外，IMO还计划争取在2015年之前确立市场机制措施以控制航运业的碳排放.由此可见，无论欧盟征收航海碳税能否行得通，国际上以市场机制措施控制航运业碳排放是大势所趋.我国是造船和航运大国，这一趋势必将对我国航运业产生重大影响.
关于航海碳税及碳排放问题，国外学者的研究已取得一定的进展.KIM提出关于温室气体排放的船用燃料管理优化算法，分析燃料价格、碳税和船舶时间成本的影响；CHANG研究海洋能源消费、国家的经济活动及国际海运温室气体排放关系；LINDSTAD就减速措施对减排效果及海上运输成本的影响进行定量分析；CORBETT就国际海运通过减速实现减排的效益和成本进行定量分析；OBERTHUR研究国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization， ICAO）及IMO采取的措施和《京都议定书》条款在减少海运温室气体排放方面的相互作用；HACKMANN对规范国际海运温室气体排放量治理架构进行分析并提出建议.
围绕碳税问题，国内学者对温室气体减排的交易机制框架、减排措施、减排效果及对我国的影响等进行研究，如：朱永彬等基于一般均衡（CGE）模型，分析碳税政策的减排效果及其对宏观经济和各产业部门的影响；张晓盈等从碳税的内涵、效应入手探讨中国碳税总体框架；李静等运用CGE模型，分析开征碳税对我国船舶营运成本、行业CO2排放量、运输量和运价的影响，并根据分析结果提出对策建议.在国际海运温室气体减排方面，学者们研究海运温室气体减排的交易机制、减排措施及对我国的影响与应对策略，如：李布提出欧盟碳排放交易体系的特征、成效对我国节能减排和应对气候变化的启示；顾伟红总结国际上提出的9种海运温室气体减排市场机制，进行关键要素对比分析，给出我国市场机制的评判标准；曹文恺等着眼于气候变化对海运业的影响，对海运业减排政策进行现状评估和未来展望.
然而现有研究大多停留在静态相关性分析上，关于碳税对海运、造船、贸易及经济的影响缺乏系统性研究，减排路径的研究大都停留在理论层面，缺乏定量分析和可行性检验.本文运用系统动力学理论与方法，构造航运业低碳发展系统模型，分析碳税对航运业发展影响的动态机制，模拟未来发展情形，为制定减排措施和政策提供理论依据.
1航运业低碳发展路径分析
IMO将减排措施分为3大类：第1类为技术措施，主要是硬件改进或者能源代替，包括使用更为有效的发动机、推进器，优化船体设计，使用更为清洁的能源及使用岸电等.这类措施能够从根本上减少船舶的温室气体排放，是实现温室气体减排的主要手段.技术措施对于新造船的减排效果非常明显，能够节约燃油成本，具有较短的投资回收期，然而对现有的一些船舶可能不具有经济性，实施难度也相对较大.第2类为营运措施，在现有硬件基础上采用高效的运作管理技术（如选择最佳的气候、最佳航行速度和路线等）实现温室气体减排.这类措施不需要较高的投资，但是减排效果不如技术措施明显.第3类是基于市场的措施或市场机制，即对排放者采取适当的激励性或惩罚性经济手段，包括排放贸易计划、征收碳税或燃油税等.基于市场的减排机制本身并不能直接提高能源效率，但是能提高节能减排的积极性并且具有一定的强制力，是对前两种措施的重要补充.
本文通过建立模型，对上述3种减排措施的减排效果进行模拟分析.这里用船舶技术减排投资代表技术性减排路径，用降低航速代替营运性减排路径，用征收碳税代表市场性减排路径.
2航运业低碳发展的系统动力学建模过程
（1）模型边界的确定.
模型边界包括结构边界、地理边界和时间边界.航运业在为经济贸易服务的同时，既消耗大量能源又造成温室气体排放，因此航运经济能源环境构成一个相互制约、相互作用的复杂巨型系统，这是模型的结构边界.本文选取2003—2012年中国航运业的相关历史数据进行模型参数估计和检验，将2013—2017年作为检验模拟效果的预测年，确定模型的地理边界和时间边界.
（2）因果关系图的确定.
因果关系图是构思模型的初始阶段，便于非技术性地、直观地描述系统的结构与相关变量之间的相互影响关系.
（3）流程图的确定.
分析因果关系图中的各种变量，确定变量类型，解剖系统多重反馈激励与各要素相互作用的过程，利用系统动力学软件Vensim将因果关系图转化为流程图.
（4）模型检验与调试.
利用Vensim软件编写模型程序，对模型进行结构和量纲的一致性检验，在确定模型可靠之后对模型变量值进行调试，直至模拟结果与历史数据基本一致.
（5）政策模拟.
给模型输入一种或一组决策变量，通过模拟实验得出预测年份的相应结果，通过不断调整决策变量的数值，比较各政策方案的模拟结果，选出最优政策或政策组合.
（6）在使用过程中改进和完善模型.
3航运业低碳发展的系统动力学模型构建
3.1航运业低碳发展系统总体框架
国际航运业在为国际贸易服务的同时，既消耗大量能源又造成温室气体排放.经济增长将带来航运需求增加，若不采取措施，则航运企业能源消耗和排放将增加，一旦超出一定的排放标准，就会被征收税费；若采取一定的措施，则可能达到减排效果，但导致航运企业成本上升.在航运业低碳发展系统中，碳税的征收是影响航运业低碳发展的直接推动力，碳税刺激航运企业采取各种减排措施，一方面增加航运成本，阻碍航运业的发展及其对经济增长的直接贡献；另一方面，在能源节约和温室气体减排方面取得环境效益以及以碳税形式增加的税收收入又会促进经济的发展.经济发展导致贸易量增加，在带来更多海运需求的同时还会增加航运业的经济收入，经济的可持续发展要求既要满足经济增长又要降低碳排放，因此经济发展创造的经济价值可通过收入的再分配投资于航运产业，促进该领域的低碳投资.航运业低碳发展系统的各因素彼此联系、相互影响，其总体框架见图1.本研究目的是在低碳发展的背景下，系统化解析“航运能源经济环境”这样一个
相互作用、相互制约、关系错综复杂的巨型系统变量之间的关系，以便探寻能获得最佳经济效益和环境效益的节能减排路径.
3.2航运业低碳发展系统因果反馈图分析
根据图1，航运业低碳发展系统由低碳航运、低碳经济、低碳能源和低碳环境等4个子系统组成.各子系统都有自己的功能和结构特点，它们之间通过接口变量彼此相连、相互影响.将以上4个子系统整合在一起，形成航运业低碳发展系统的反馈结构，见图2.
（1）低碳航运子系统.
碳税政策会刺激航运业采取相应的措施减少碳税成本.一方面，可以调整能源结构，使用高品质的清洁能源以降低排放，但是燃油成本较碳税征收之前上升；另一方面，碳税政策促进船舶减排技术的投资增加.两方面的原因，共同导致航运成本的增加.
（2）低碳经济子系统.
低碳发展带来航运业成本的上升，由于产业链的传导效应，航运业将成本上涨的压力通过运费率的提高转嫁给下游航运服务需求产业，运费的上涨导致海运需求降低，海运周转量下降.海运周转量的降低将导致海运对GDP增长贡献的降低，这构成一个负反馈回路.同时，碳税的征收带来国家财政收入的增加，将税收收入用于低碳发展的补贴，从而减小低碳措施对航运成本增加的影响，这构成一个正反馈环.
（3）低碳能源子系统.
碳税政策作为触发因素，使得航运业采取技术性、营运性减排措施，包括使用高品质燃油、应用船舶减排技术、降低航速等，带来能源消耗量的降低.
（4）低碳环境子系统.
低碳政策和低碳措施会促使能源结构调整和能源消耗降低，减少CO2的排放，带来较好的环境效益；环境质量的提高，使得GDP的损失减少，从而进一步促进低碳的发展，形成良性的正反馈循环.
3.3航运业低碳发展系统流图分析及方程建立
根据所建立的因果关系图和反馈机制，构建航运业低碳发展系统动力学模型.建模的关键是确定水平变量、决策变量以及模型的结构和方程.航运业低碳发展系统的各子系统之间的联系会引起整个系统的发展变化.低碳政策的刺激是航运业采取低碳发展模式的直接动力，形成动力机制；经济的支持是航运业采取低碳减排技术的根本动力，而航运低碳发展最终又会通过对能源、环境的正面积极影响反作用于经济，低碳经济、低碳能源、低碳环境这3个子系统之间形成互动机制.这里选择经济发展水平GDP和能源消耗量为水平变量，碳税税率、能源结构比例、航运补贴比例以及航速降低值为决策变量.模型流图见图3.
模型的重要变量及主要参数方程如下：
①能源消耗量=Int（能源增长率-能源阻碍率，能源初始值），亿t；
②GDP=Int（GDP增长率-GDP阻碍率，GDP初始值），亿元；
③碳税=CO2排放量×碳税税率，亿元；
④能源阻碍率=DELAY1（投资效果，滞后年限）+能源消耗量×（节能系数+能源消耗变动率），亿t；
⑤船舶低碳技术投资额=航运业固定资产投资额×船舶技术减排投资比例，亿元；
⑥航运成本增加值=碳税+船舶技术投资额-航运业补贴，亿元；
⑦运费增长率=航运成本增加值÷营运天数÷船舶营运单天成本；
⑧海运需求变动率=运费增长率；
⑨海运周转量=全社会货物运输周转量×海运基准运输份额×（1-海运需求变动率）×（1-航行速度降低值），亿t·km；
⑩航运创造GDP=周转量拉动GDP系数×海运周转量，亿元；
B11GDP增长率=碳税+航运创造GDP+GDP×GDP增长系数，亿元；
B12GDP阻碍率=DELAY1（污染损失系数×CO2排放量，延迟时间）+航运补贴，亿元；
B13全社会货物运输周转量=GDP×系数+常量，亿t·km；
B14能源消耗变动率=海运需求变动率×相关系数；
B15航运业补贴=GDP×补贴系数，亿元；
B16海运能源替代弹性=碳税税率×影响系数；
B17CO2排放量=LNG消耗量×LNG碳排放因子+燃料油消耗量×燃料油碳排放因子+柴油消耗量×柴油碳排放因子，亿t；
B18LNG能源消耗量=能源消耗量×LNG消耗比例，亿t；
B19燃料油消耗量=能源消耗量×燃料油消耗比例，亿t；
B20柴油消耗量=能源消耗量×柴油消耗比例，亿t；
B21船舶技术减排投资比例=海运能源替代弹性.
3.4数据来源及模型有效性检验
数据来源于中国统计年鉴、中国能源统计年鉴、国研网数据库、《2011中国航运发展报告》、《船用燃料油供应服务行业分析报告》等.借助系统动力学专业软件Vensim完成模型结构和行为与实际系统一致性检验、模型量纲一致性检验.模型通过敏感性和抗冲击性检验，从而证明了模型信度.选取2003—2012年的数据进行历史性检验（见表1），除个别年份之外，模拟结果与系统实际数据拟合误差为±6%，说明模型对现实行为有良好的复制能力，能够比较真实地反映现实系统.
4航运业低碳发展模拟及政策建议
4.1模拟方案
模拟是系统动力学模型的关键步骤，目的是通过模拟政策措施为制定决策提供支持.考虑到模型历史数据时间长度和未来长时间预测的不确定性，模型模拟起始时间为2003年，终止时间为2017年，时间跨度为1年.考虑到市场性减排、技术性减排和营运性减排等3种航运业低碳发展路径，分别选取碳税税率、航速降低比例、补贴力度、LNG消耗比例作为控制变量，设计8种模拟方案（见表2）.其中方案1为不采取任何措施的
模拟结果，用于测试各政策或其组合对能源消耗、CO2排放及经济的影响，为我国航运业低碳减排政策的制定提供方向和理论依据.
4.2模拟结果分析
（1）征收碳税效果模拟.
方案1，2，3，4的模拟效果比较见图4.
模拟结果表明，征收碳税是控制能源消耗、减少CO2排放的有效政策手段.碳税税率越高，节能减排的效果越明显，但同时对经济发展的阻力也越大.
（2）降低航速效果模拟.
方案1与5的模拟效果比较见图5.
模拟结果表明，适当降低航速能有效降低能源消耗和CO2排放量.其原因是能源消耗与航速的三次方相关，航速降低一个很小的比例会带来很大程度的能源节省和CO2减排效果.在航运市场运力供大于求的市场环境下，适当降低航速也不会对经济发展产生特别明显的制约作用.
（3）征收碳税与补贴政策组合效果模拟.
方案1，2和6的模拟效果比较见图6.
模拟结果表明，征收碳税与补贴政策的共同作用会在不阻碍甚至是促进经济发展的基础上达到更高的环境效益.其原因是补贴会在一定程度上降低征收碳税所带来的减排成本的增加，缓解航运企业的经济压力，鼓励其进一步采取减
排措施，同时又保障航运业的扩大和发展，增加其对GDP的贡献率，最终形成经济与环境的良性循环.
（4）碳税与改变能源消耗结构效果模拟.
方案2，7，8的模拟效果比较见图7.
模拟结果表明：
从环境效益的角度看，
改变能源结构、增加LNG的使用比例对CO2排放量的影响不太显著；从经济效益的角度看，航运企业增加LNG的使用比例对减轻缴纳碳税的负担起的作用不是很大，但这并不表明清洁能源的使用不是有效的减排途径.出现上述模拟效果的主要原因是，目前我国船用LNG比例基数较小，显现不出改变能源消耗结构的优势.
4.3政策建议
根据模型的模拟结果，提出如下政策建议：
（1）合理设置碳税税率，必须同时兼顾环境效益和经济效益.虽然碳税是控制CO2排放的有效手段，但碳税税率设置过高会打击航运市场投资和发
展的积极性，进而影响整体经济的良性发展，而过低的税率又无法带来低碳减排的环境效益.税率的设计应给企业足够的调整时间来发挥税收的“宣示效应”，征收初期应设置低税率，之后逐步提高，循序渐进，以保障对国民经济不产生太大的冲击.
（2）在运力过剩、供过于求的市场环境下，应适当降低航速，以取得最大的经济效益和环境效益.若整体航速降低5%，到2017年时能源消耗量及CO2排放量将减少30%，这在目前航运市场运力饱和的情况下不失为节能减排的经济途径.
（3）在设置合理的碳税税率的基础上，辅之以补助等激励机制.以2017年为例：在碳税税率为20元/t时，CO2减排效果为10%左右，对经济的阻碍作用为12%；在碳税税率为20元/t，补贴系数为0.009%时，CO2减排效果为40%，对经济的促进作用为7%.其内在原因是碳税给航运业带来成本上升的压力，而合理的补助可避免行业经济的发展被约束，以取得环境与经济共赢的发展局面.
（4）积极推动清洁能源的使用，促进能源结构调整.在清洁能源推广使用初期，采取差别税率或税收减免政策，以取得更加明显的减排效果，加快能源结构的升级.
5结束语
航运业低碳发展系统是涉及航运、经济、能源、环境的复杂大系统，这种复杂性不仅体现在系统本身的要素结构中，而且体现在系统各要素之间的相互联系和相互作用上.本文利用系统动力学方法，在分析系统特征和结构的基础上，建立系统动力学模型，旨在揭示系统内部的反馈和作用机理.模型通过对控制变量的参数设定，对航运业的减排途径有了方向性的把握，进而从4个方面提出政策建议.本文以航运业总体为研究对象，在收集数据和确定变量关系方面有一定的模糊和不准确性，没有考虑到不同航线、不同船型之间的特殊性，存在一定的局限性.在进一步的研究中将对船型、航线进行分类，进行更具体细致的研究，使模型更具有针对性.
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（编辑贾裙平）
