多个利益相关者的进化博弈分析低碳农业创新扩散

文摘

鼓励低碳农业技术创新的采纳和扩散是一个重要的措施来应对气候变化,减少环境污染,实现可持续农业发展。基于进化博弈理论,本文建立了一个博弈模型在农业企业中,政府、农民和分析动态进化过程和主要利益相关者的进化稳定策略。创新补贴的影响,碳税,并采用低碳补贴农业创新扩散是使用Matlab软件模拟。结果表明,政府的农业企业和农民合理的补贴和碳税可以提高农业企业和农民的热情参与低碳农业。本研究可以作为依据政府制定更有针对性的政策促进低碳农业创新的扩散。

1。介绍

随着全球经济的快速发展,全球变暖已经成为国际社会共同关心的问题。根据政府间气候变化专门委员会第五次评估报告,二氧化碳排放过多的人类活动是气候变暖的主要原因1]。很长一段时间,政府发展低碳经济,实际行动,第二和第三产业碳排放管理的关键领域(2]。近年来,随着农业现代化的加速,农业对全球气候变化的影响正在增加。据统计,农业直接贡献10%的全球温室气体排放量的-12% (3,4]。低碳农业是一种新的发展模式具有低能耗、低排放、低污染。发展低碳农业是实现农业可持续发展的必然选择(5]。

研发、推广和应用低碳农业技术是关键措施,实现固碳减排在农业生产6]。近年来,许多国家已经采取措施来刺激低碳农业技术的创新和扩散,如补贴、税收优惠、公共贷款(7- - - - - -12]。然而,低碳农业技术的扩散是仍然缓慢,特别是在发展中国家。这种情况主要是由于以下两个原因。首先,作为低碳农业技术的需求者,农民并不热衷于采用低碳农业技术受到他们的知识水平,收入水平,土地规模和外部环境(7- - - - - -11]。其次,低碳农业生产资料和技术服务提供商,农业企业在低碳创新动机较低由于长周期,高成本、高风险的特点,低碳农业技术创新(12]。因此,低碳农业技术创新和技术推广的障碍和政府的低碳农业政策的实施效果吸引了太多的关注(11- - - - - -15]。

虽然低碳农业创新扩散的重要性和价值已经得到证实,有非常有限的文献对低碳农业技术创新的扩散从动力系统的角度16]。与现有文献不同,我们分析低碳农业创新的扩散基于进化博弈论。我们考虑关键利益相关者的角色在低碳农业创新扩散的过程中,分析农业企业之间的关系,农民和政府,探索低碳农业创新扩散缓慢的原因,并揭示低碳农业创新扩散的进化机制。在理论分析的基础上,介绍了复杂性科学方法和低碳农业创新扩散的进化博弈模型建立(17,18]。然后,我们使用数值模拟方法来研究动态演化路径的游戏系统,分析影响低碳政策对农业企业的行为,政府和农民。本文解释两个问题还没有完全解决之前的文学作品。首先,什么是低碳农业技术的扩散机制通过农业企业和农民吗?第二,政府的低碳政策如何影响低碳农业创新的扩散?基于研究结果,提出了对低碳的学者和政策制定者的建议。

本文的其余部分组织如下。部分2回顾文献有关低碳农业创新扩散。部分3描述这些问题扩散的低碳农业技术,提出的理论假设模型,并提供了模型的参数和变量。部分4建立一个三方互动的进化博弈理论模型在农业企业、政府和农民和评估模型的稳定性。部分5描述了进化游戏模拟的结果。部分6提出结论和政策建议。

2。文献综述

2.1。低碳农业创新扩散的障碍

罗杰斯首先提出了创新扩散理论(19]。他定义了创新扩散的过程创新传播随着时间的推移,通过某些渠道成员之间的社会制度。创新技术将影响经济和社会发展只有当它是扩散和广泛应用20.]。理论提出以来,它吸引了巨大的学术关注在过去几十年(21,22]。

近年来,这一理论也引起了农民和环保人士的注意。甘露聚糖等人认为,创新属性发挥积极作用在绿色肥料技术的推广和应用在水稻种植在马来西亚23]。高农业不仅增加温室气体的排放也造成巨大的经济损失和环境破坏在许多国家24]。例如,过度使用氮肥导致过多的硝酸盐在地表水和地下水,已对人类的健康产生负面影响(25]。水生生态系统的管理与过多的硝酸盐会花费很多钱26]。人们普遍认为农业低碳技术的使用是农业发展具有重要意义。减少碳在农业和提高土壤养分和生产力的农业生态系统通过使用有机肥料和低碳技术为可持续发展是至关重要的,低碳,climate-adaptive农业(27,28]。

然而,有巨大的障碍的开发和推广低碳农业技术。从农民的角度、个人特征、家庭特征、信息渠道、心理特征被认为是重要的因素影响农民的低碳行为(9,29日,30.]。一方面,采用低碳技术需要资本投资,资金不足是一个重要的因素限制农民采用低碳技术(31日]。另一方面,农民使用低碳技术是低的热情由于缺乏认识或知识(7]。此外,时间和学习成本也需要利用新技术减少农民采用低碳技术在一定程度上(8,9,32]。从农业企业的角度来看,由于长周期、高成本、高风险低碳技术创新,低碳农业企业的创新热情不高(11]。因此,低碳农业技术的发展离不开政府政策的支持(10]。

2.2。低碳政策的影响农业低碳创新的扩散

市场失灵的理论已经占据中心位置在公共政策研究33]。根据这一理论,追求私人利益会导致效率低下的结果由于垄断、外部性和信息不对称(34]。因此,需要政府干预来解决这些问题。Freibauer等人表明,增加耕地的有机输入,鼓励农民种植有机作物,以及加强政府的低碳政策可以提高固碳功能的农业用地35]。Adzawla等人表示,农业技术的采用可以增加产量,同时减少温室气体的排放。因此,除了温室气体减排行动或气候稳定政策、碳税政策应该视为一个战略选择,以促进低碳技术的扩散36]。创新补贴减排是实现粮食安全的有效措施,减少农业污染在中国(37]。乔等人发现,政府补贴有重大的积极影响低碳农业技术采用(38]。然而,刘等人认为,当前的经济激励措施没有大大提高可持续农业实践的采用率在农场一级,和对农民的技术培训可以增加低碳农业技术采用的可能性13]。一些学者认为,农民的主体低碳农业创新的扩散,所以更重要的是改变农民对环境问题和气候变化(7,32]。Lybbert和萨姆纳认为,国家和国际决策者必须把全球视角融入农业政策,以便更好地解决全球气候变化问题。从创新到技术转让和获得农业创新技术为发展中国家的小农户,各级农业政策发挥重要作用[6]。

2.3。应用进化游戏的低碳创新扩散

博弈论作为一种分析工具,已被应用于各个领域的研究来解释社会现象(39- - - - - -42]。进化博弈理论最初是作为一个应用博弈理论在生物进化种群的生命形式。进化博弈模型基于有限理性的假设可能会比游戏更有现实意义理论模型基于完全理性的假设。近年来,进化博弈理论的应用领域的低碳经济已经增加。例如,Mahmoudi和Rasti-Barzoki建立了政府和企业之间的进化博弈模型,分析了政府政策对企业行为的影响(43]。张等人研究了低碳政策对绿色技术扩散的影响在企业联盟(44]。王、郑从网络的角度研究低碳扩散特征和消费者环保意识45]。风扇和盾建立了企业和消费者之间的进化博弈模型,讨论了政府补贴政策的影响扩散的新能源汽车(46]。

从上述文献综述可以看出,进化博弈模型已应用于低碳扩散的研究,但相关研究主要集中在工业领域和更少关注农业部门(47]。之前的研究主要考虑政府和制造业之间的关系企业或消费者和生产企业之间。然而,很少有学者分析了低碳农业创新的扩散从多方参与的角度关系。很难看到进化游戏的应用在低碳农业15]。

3所示。问题描述和假设

3.1。问题描述

低碳农业创新扩散的过程也是采用低碳农业技术的过程。这是一个漫长的过程,需要农业企业的共同努力下,农民,政府(12,15]。政府启动子和低碳农业创新扩散的受益者。政府可以促进低碳农业企业创新和鼓励农民采取低碳技术通过实现低碳补贴和出口退税等政策工具(14]。

农业企业提供低碳农业生产资料和技术服务低碳农业技术创新的主体。农业生产资料主要包括农业机械和设备,semimechanized农业工具,中小农业工具,农药、化肥、农用塑料薄膜。低碳农业企业的创新是提高农业企业的能源资源利用效率,实现农业生产的各个方面的有效管理节能技术的研发,废物回收技术以及生物技术(48- - - - - -51]。由于成本高、周期长、风险高,和不确定的好处农业低碳技术研发、农业企业的创新热情不高(13]。农业企业避免风险和寻求自身利益最大化。存在极大的不确定性是否农业企业选择低碳创新战略。因此,需要制定和实施有效的政府政策,以引导和规范农业企业的低碳创新。

农民是低碳农业技术的用户。农民采用低碳创新技术对于促进低碳农业的发展是至关重要的(52- - - - - -56]。农民,采用低碳技术的主要决定因素是盈利能力和减少温室气体排放措施的可行性。特别是,早期使用低碳农业技术可能不会带来快速增加农民的收入,但减少农民的产出和收入47]。与此同时,由于农民缺乏认识低碳农业和采用低碳农业技术壁垒的高成本,低碳农业技术的扩散是面临更大的阻力来自于农民7- - - - - -9]。因此,更重要的是为政府增加宣传低碳农业和补偿农民收入下降补贴低碳农业技术的采用者。此外,向农民提供低碳技术和产品,农业企业必须为农民提供相应的技术服务。

简而言之,政府、农业企业和农民是主要的利益相关者在低碳农业创新扩散的过程15]。这些利益相关者都是有限理性的。他们选择自己的行为策略的角度最大化自己的利益,从而形成一个复杂的博弈关系。这将是一个长期和复杂的游戏过程。

3.2。模型的假设

我们假设农业企业的策略{低碳创新,而不是低碳创新}。政府的策略是{监管,而不是监管},而农民的策略{收养,而不是采用}。代表农业企业的概率的选择低碳创新、政府监管和农民采用低碳技术,分别。相应地,代表农业企业的概率不选择低碳创新,政府不监管,和农民不采用低碳技术,分别。

代表了农业企业取得的效益,当他们不选择低碳创新策略。和 ,分别代表了有利于提高农业企业可以获得通过低碳创新,当政府选择了“规范”战略和“不监管”的策略。C₁代表了农业企业的成本时,选择低碳创新战略。

代表政府获得的社会效益,当企业不选择低碳创新。的情况下企业选择低碳创新,和 ,分别代表政府的利益增加,当政府采用“调节”战略和“不监管”的策略。

代表农民获得的效用,当他们没有采用低碳技术。代表农民的效用增加,当他们采用低碳技术。当农业企业选择“低碳创新”战略,农民可以获得社会影响,不管它们是否采用低碳技术。

在政府监管的情况下,大量的创新对农业企业的补贴 ,当农业企业选择低碳创新策略。政府征收碳税对农业企业、农业企业时不选择低碳创新策略。采用补贴农民的数量 ,当农民采用低碳技术。根据实际情况在经济体中,我们假设 , ,和 。相应的参数如表所示1。

根据上述分析,农业企业之间的支付矩阵,政府和农民建立,如表所示2。

4所示。进化博弈模型和分析解决方案

4.1。复制动态方程

让和分别代表“低碳创新”的预期收益和“不低碳创新”的农业企业。根据支付矩阵,健身的农业企业两种不同的策略可以计算如下:

农业企业的平均预期收益可以计算的

可以实现农业企业的复制动态方程如下:

同样,预期收益的“监管”和“监管”为政府可以计算如下:

政府可以计算出的平均预期收益

复制动态方程为政府可以实现如下:

预期收益的“收养”和“不通过”对农民可以计算如下:

农民的平均预期收益可以计算的

复制动态方程对农民可以实现如下:

每个利益相关者的复制动态方程具有以下形式:

4.2。模型分析

寻求系统的稳定策略,让复制动态方程的农业企业,政府,和农民为零,也就是说, 。根据进化博弈理论,我们获得九局部均衡的复制动态方程: , , , , , , , ,和 。 的解决方案是

平衡点不一定是演化稳定策略(ESS)。根据弗里德曼的研究(53),平衡的稳定点可以从雅各宾派的判断矩阵。复制动态方程的雅克比矩阵及其特征值如下: 在哪里

根据李雅普诺夫的间接方法,平衡点是一个演化稳定策略(ESS)的时候 , ,和是消极的;平衡点不稳定点,当 , ,和是积极的;的平衡点是一个鞍点,当有一个或两个正数 , ,和 。我们只考虑平衡观点来因为平衡三方进化游戏的分辨率是一个严格的纳什均衡。雅可比矩阵的主特征值在不同的平衡分如表所示3。

自和 ,平衡点(1,0,0)和(0,0,0)可能是一个鞍点或一个不稳定的点。平衡点(1,1,1),(1,- 1,0)、(1,0,- 1),(0,1,1),(0,1,0)和(0,0,1)可能是潜在的三方博弈模型的进化稳定策略。在这些潜在的稳定策略,战略,农业企业开展低碳创新和农民采用低碳技术是理想的稳定策略。因此,我们只讨论平衡分(1,0,- 1)和(1,1,1)。

平衡点(1,0,- 1)是ESS,什么时候 ,和 。平衡点(1,0,- 1)是一种不稳定的时候,什么时候 ,和 。和平衡点(1,0,- 1)是一个鞍点,什么时候 ,和有一个或两个正数。政府nonregulation的条件下,农业企业采用低碳创新战略,当他们的收入nonlow-carbon创新不足的低碳创新。政府选择“不管制”策略,当其监管效益小于监管效益。农民选择“收养”的战略,采用低碳技术的好处时,高于采用nonlow-carbon技术的好处。结合当前社会现实,政府的社会福利采用“监管”战略的收益必须大于“不管制”策略的选择。因此,我们将不考虑这种情况的深度。

的平衡点还分析了这种方法。当 , ,和 ,平衡点(1 1 1)ESS。当 , ,和 ,平衡点(1,1,1)是一种不稳定的点。当 , ,和有一个或两个正数,平衡点(1,1,1)是一个鞍点。结果表明,农业企业采用低碳创新战略,当其nonlow-carbon创新的收益小于低碳创新;政府接受“监管”的战略,当其监管效益高于nonregulatory效益;农民选择“收养”策略,当他们的利益采用低碳技术采用nonlow-carbon技术大于好处。

5。仿真分析

使用Matlab软件进行数值模拟。我们只讨论了平衡点(1 1 1)和考虑初始策略选择的影响和影响因素对进化的结果。根据节4,当 , ,和 ,系统最终达到理想的状态,也就是说,ESS的策略集{低碳创新、监管、采用}。我们设置 , , , , , ,和 。时间设置为 。

5.1。最初的策略选择的影响

当策略组合的初始值(x,y,z)设置为 ,利益相关者的战略选择结果如图所示1。从二维和三维模拟图,我们可以发现,参与者的概率选择策略1随时间增加。最终,农业企业选择“低碳创新”战略,政府选择“监管”战略,和农民选择“收养”的战略,从而达到ESS点 。

5.2。政府行为对策略选择的影响

政府对农业企业和农民的补贴,以及政府碳税要求nonlow-carbon创新企业,可能影响农业企业和农民的战略选择。我们讨论的影响,上述因素对进化的结果。

5.2.1。创新对农业企业的补贴

为了研究创新补贴农业企业的影响,我们设置了参数在区间[0,1],固定其他参数的值。仿真结果如图2表明,当创新的比例补贴农业企业的低碳创新投入成本增加从0.1到0.9,“低碳创新”策略比农业企业和农民的“收养”策略比会增加,但“监管”策略比政府将减少。仿真结果与解释,市场失灵的根本原因是政府补贴低碳创新活动,它创建一个私人利益和社会利益之间的差距(33]。政府可以通过支持获得更多社会福利企业的创新。然而,政府将选择“不管制”策略,当政府补贴的数量大于由政府获得的社会效益。从上述分析,我们可以看到,政府补贴可能有替代效应在初始阶段,减少农业企业的低碳创新的热情,但随着时间的流逝会发挥激励作用,促进农业企业的低碳创新。同时,创新补贴有动机影响农民采用低碳技术。然而,如果金融补贴的金额太大,它将影响政府补贴的热情。

5.2.2。碳税对农业企业

碳税政策是一项重要的措施来减少碳排放(54,55]。为了研究碳税的影响率,我们设置了参数在区间[0,1],固定其他参数。结果如图3表明,当碳税率从0.1增加到0.9,“低碳”策略比农业企业和政府的“监管”策略比增加,而农民的“收养”策略比降低。结果表明,碳税税率越高,越高的意愿农业企业开展低碳创新和政府选择监管策略的概率就越高。然而,碳税的增加有一个负面影响农民采用低碳技术。原因可能在于,一方面,碳税的增加导致了供给的减少nonlow-carbon技术和价格的增加nonlow-carbon技术。农民在选择农业技术的惯性nonlow-carbon技术的刺激市场需求的增加。另一方面,农民没有足够的意识到环境的重要性,和低碳农业技术的扩散将需要更长的时间。因此,很难提高的速度和范围农业低碳技术在短期内通过单纯依赖碳税政策。碳税政策需要结合其他低碳政策工具促进农业低碳技术的推广。

5.2.3。采用对农民的补贴

为了研究采用补贴对农民的影响,我们设置了参数在区间[0,1],同时保持所有其他参数不变。仿真结果如图4表明政府补贴比农民的低碳产品采购成本从0.1增加到0.9,“低碳创新”策略比农业企业和农民的“收养”策略比增加,而政府的“监管”策略比降低。结果表明,政府补贴增加农民采用低碳技术的热情。补贴农民获得越多,更高的是他们对低碳技术产品的需求和更高的低碳创新是农业企业的热情。类似于政府补贴对农业企业的分析,采用补贴量越大,降低政府补贴的热情。

6。结论和建议

发展低碳农业是一种必然选择,以减少温室气体排放,改善农业生态环境,实现农业现代化。低碳农业技术的创新和扩散离不开农业企业等利益相关方的参与政府、农民和中间商。然而,目前对多个利益相关者的相互关系的研究在低碳农业技术创新和扩散是非常有限的。与以往的研究不同,本文建立了一个三方博弈模型涉及农业企业、政府和农民利用进化博弈理论。然后,基于MATLAB软件的仿真分析是探索实现政府政策创新扩散的影响低碳农业。结果表明,(1)低碳创新的成本,增加收入从低碳创新,政府监管(包括碳排放税和创新补贴)的主要影响因素是农业企业的低碳创新。(2)从低碳生产、低碳生产成本、额外福利和采用低碳补贴的主要影响因素是农民采用低碳技术。(3)政府监管的概率主要受到低碳监管的成本和收益的影响,降低监管成本的增加和增加监管收益的增加。(4)低碳创新政府补贴、碳排放税和政府补贴对低碳技术采用有效手段促进农业低碳技术的扩散。高层次的创新补贴和采用补贴激励低碳创新农业企业和农民的积极性,采用低碳技术。高水平的碳税引起了农业企业的低碳创新的热情。然而,它抑制了农民采用低碳技术在短期内。

本研究有助于当前的文学创新扩散理论两个领域。首先,利用进化博弈理论研究低碳农业创新的扩散基于多个利益相关者。农业温室气体排放的减少不仅取决于农民的低碳生产,但也在低碳农业技术的创新。意义是揭示农业企业和农民之间的交互的机制在低碳农业创新扩散。本研究弥补了当前缺乏创新扩散理论在农业中的应用(47]。第二,低碳政策工具的影响(采用创新补贴、碳税和补贴)低碳农业技术创新扩散进行了研究,这是很有价值的低碳农业政策的制定和实施。

本研究也有政策影响。首先,政府应该增加宣传低碳农业、低碳农业政策的重要性通过培训、会议、广告和公共服务,加强农业企业和农民的认识低碳农业。为了减少政府监管的成本,公众、媒体和非政府组织应充分调动参与农业企业的生产管理。第二,适当的补贴水平应该致力于防止诈骗低碳农业企业和农民补贴造成的过度补贴。这个政策可以结合其他政策如碳交易市场,以避免nonlow-carbon生产材料的供应不足造成的营销问题在短期内。第三,交流平台应该建立对农业企业、科研机构、农民,和金融机构,它可以促进低碳农业技术的研发和产业化。农民可以获得最新的市场信息的低碳农业技术,选择适用的低碳农业技术。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

阅读和批准所有的作者都最后的手稿。

确认

本文得到了天津市哲学社会科学规划领导小组办公室的批准号下tjyy17 - 017。

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