气候变化导致全球土壤侵蚀强度和范围不断增加。气温上升引起降雨特征、土地覆被显著变化，总体侵蚀率急剧增加，形成地表结皮，引发水土流失，严重影响生物多样性、经济和社会的可持续发展。
1997年，《京都议定书》192个缔约方对温室气体排放量进行限制。2006年中国成为全球最大碳排放国，2018年中国碳排放总量约100亿t，占全球排放量331亿t的30%以上。中国在2016年《巴黎协定》承诺到2030年单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降60%~65%。森林蓄积量增加45亿m3左右。
环境经济学应对气候变化进行碳减排的思路，是建立碳排放权交易（简称“碳交易”）市场。过量碳排放给人类社会带来损害，成本转嫁全社会，导致整体社会福利损失，碳排放负外带性是超越国界，存在代内与代际的负外部性问题。根据外部性理论和科斯产权理论，碳交易将温室气体排放产生的外部成本内部化，以有关法律或合同为依据，在市场上确定价格并形成碳排放权的自由交易活动。碳减排成本低的企业极力减排，成本高的企业购买碳排放权履行规定，达到帕累托最优。碳交易被证明减排成本最低。
2011年10月以来，北京等9省(市)建立试点区域碳交易市场，碳排放配额(carbon emission permits allocation，CEPA)和国家核证自愿减排量(Chinese certified emission reduction，CCER)为交易产品，2019年碳交易价格达到75.1元/t。全国碳交易市场于2017年12月启动，以发电行业试点，进行数据报送、注册登记、交易等能力建设、制度完善等基础性工作，预计未来年交易额将达到千亿元。截止2017年3月13日，CCER平台累计公示2852个审定项目中，兼具固碳减排和水土保持多重价值的林业碳汇项目97个，最高交易价格为48元(2015-03-30)，交易量比例3.4%，明显偏低。
区块链被“十三五规划”列为战略性前沿技术。它是一种数据区块按时间顺序组合相连的链式数据结构，由密码学保证该分布式账本的不可篡改与不可伪造。智能合约是区块链中已编码、可自动运行的业务逻辑，用计算机语言取代法律语言去记录条款的合约。《经济学人》把区块链喻为“信任的机器”，整体优化社会自动流转效率，在实现纳什均衡的情况下，实现帕累托优化。其特点能够解决现存碳交易体系的3个关键问题，即：区块链技术信息完整透明，能公开有效监督碳信息及数据的真实及时性，解决年度为单位的额度分配和清缴难以监督的问题，合规高效地实现林业碳汇等CCER项目减排量与碳排放权的抵消，发展CCER项目，发挥碳排放权的定价和减排作用，提高市场活跃度；区块链去中心化的特征，有效解决碳排放企业数量大，排放核算成本高的问题；区块链集体维护数据且匿名交易、隐私安全，适用于碳交易分类处理商业数据的保密性与环境数据的公开性，及全球范围内碳交易超大数据库的价值交换活动。
从理论和实践，建立碳交易市场是完成我国减排目标，应对天气变化、缓解水土流失、保护生物多样性的重要有效手段，我国碳交易市场处于建设初期，现存问题和未来发展需要区块链的技术支撑。因此，笔者在研究现有碳排放交易业务机理的基础上，建立区块链碳交易模式。
1 区块链碳交易模式设计
1.1 碳交易的业务机理与区块链模式构架
目前中国碳交易包括CEPA交易和CCER交易(图 1)。CEPA交易先确定年度额度，无偿、有偿或混合把额度分配到重点排放单位。配额不足者在市场上购买配额富余者出售的配额完成履约。监测、报告和核查是利用测量方法来准确报告和核查重点排放单位一定期间内的温室气体排放，是履约完成配额清缴的依据。CCER交易需项目的审定、备案、登记，减排量的监测核查、备案和登记，减排量的挂牌和交易，并按照不同区域具体规则，经国务院生态环境主管部门认可后，使用减排量抵消排放权配额。
图1 碳交易的业务运行机理
根据业务运行机理，碳交易涉及多方利益相关者。核心利益相关者：政府、碳排放及碳交易企业（购买方和转让方）、CCER项目方和交易方、碳排放核查咨询机构，在碳交易的监管、执行和监督3方面，对实现碳交易的市场运转和碳减排目标，发挥核心主导作用；重要利益相关者：研发机构、能源供应行业和金融机构在交易和减排的技术、能源和资金方面发挥重要作用；一般利益相关者：公众团体、机构投资者及新闻媒体，在碳检测认定、投融资和市场交易发挥辅助作用。
多方业务平台和应用系统支撑的区块链碳交易模式包含各方利益相关者的不同业务场景。全国与区域的CEPA发布、分配、拍卖、登记及清缴平台、CCER注册登记与交易平台、全国与区域的CEPA交易市场系统等各平台通过区块链互通形成全国统一的碳交易体系；排放单位的自动监测或人工记录系统提供排放量信息；第三方平台认证数据获得各平台认可。鉴于短期内难以全面自动监测，第三方平台可以兼容现有第三方审核方式，审核成果数字签名后提供全国性碳交易体系中各交易平台；统一的交易监管在金融创新的同时防范金融风险。形成以核心利益相关者为主、重要利益相关者为辅且兼顾一般利益相关者的“企业交易+政府监管+第三方审核+金融风险防范”的区块链碳交易模式(图 2)。
图2 主要利益相关者和业务场景合成的区块链碳交易模式
1.2 区块链碳交易模式的核心技术框架
区块链碳交易模式的核心技术框架包括6层(图 3)。
图3 区块链碳交易模式的核心技术框架
网络层中，核心利益相关者有独立节点，包括CEPA分配部门、全国交易市场、区域交易市场、CCER注册与交易平台、大型企业、专业核查咨询机构等，重点利益相关者可接入共享节点，包括中小企业、金融机构等。节点间点对点传输，每个节点是服务器也具下载功能，都能提供并独立于中央服务器分享资源，包括带宽、存储空间和计算能力，节点越多，传输数据越快。新节点加入且对系统请求增多时，整个系统容量增大，不依靠中心服务器，无单点故障。
关于共识和激励层，碳交易模式的共识机制采用分布式一致性技术和数据验证机制。碳交易区块链属于特定业务的有强制力和节点自愿加入的私有链或联盟链。激励机制在区块链外部实现。
合约层中，根据标准方法学把排放因子和活动水平数据转为排放数据；自动监测系统采集的其他温室气体排放转化为碳排放数据；企业从价值最大化角度开发智能合约按照碳排放权额度、碳排放生产效益、碳排放权实时价格，动态调整产量和碳交易量；根据规则用CCER减排量折算抵消排放权配额。
应用层对接区块链各应用系统(图 3和图 4)。
图4 碳交易模式的典型信息与智能合约
1.3 区块链碳交易模式的实现过程和典型信息
1.3.1区块链碳交易模式的实现过程
基于技术框架，模式的实现分5步：
第一，全国区域的CEPA系统发布配额分配信息，CCER注册登记平台发布CCER项目审定、备案和登记信息，发布方私钥数字签名后记入区块链。
第二，重点排放单位实时监测排放并把排放量、排放因子、活动水平数据等由企业私钥数字签名，智能合约把活动水平数据自动转为碳排放权消耗量，中小企业由碳排放核查机构审核排放后用私钥数字签名，并分别计入区块链。
已完成审定、备案、登记的CCER项目在接受减排量检测核查后，由CCER平台备案登记在区块链。
第三，有可交易碳排放权或CCER减排量的主体，在全国和区域交易系统、CCER交易系统匿名发布挂牌信息。各方可对已挂牌标的查看和交易。智能合约可按规则实时生成可交易标的并挂牌。
区块链让普通参与方无法获取标的来源和交易历史，保证商业秘密。已授权的意向购买方可验证真实性，已授权第三方可验证排放权对应的生产信息、CCER减排量对应项目与减排信息，实时监管。
第四，碳交易时，碳排放权、CCER减排量的所有权转移，交易和新所有权信息实时记在区块链，由交易平台私钥数字签名。全国和区域市场的碳排放权交易、林业碳汇等CCER项目的减排量交易在各自系统内运转。各市场间通过区块链集成和智能合约定义转换规则。林业碳汇项目兼具固碳减排和水土保持等，智能合约转换时增加水土保持等因子由政府或公益性基金补贴。
第五，年度已清缴的碳排放权，抵消碳排放权配额的CCER减排量，清缴平台私钥数字签名后停止交易。
综上，区块链各节点按共识机制对信息的可靠性和一致性背书，加强利益相关者的参与和监管，防范金融风险。
1.3.2 区块链碳交易模式的典型信息与智能合约
业务规则和数据存入区块链后，无法单独修改，保证可靠性和一致性。共享账簿能实现数据安全性和可见性、监管部门和第三方被授权访问。智能合约封装业务规则，自动计算和处理数据。典型信息、存储方及智能合约详见图 4。
2 讨论
区块链碳交易模式实时记录温室气体排放、活动水平、排放因子、第三方认证等CEPA数据、林业碳汇等CCER项目及减排量数据，自动实现排放权和减排量核算并实时计算可挂牌标的，支持碳交易实时挂牌、交易、核销，区块链成为全国和各区域碳市场、CCER平台、生产监测系统、第三方平台的基础，支撑全国性碳交易体系，兼顾公开性和隐匿性且易监管。该模式降低运营、交易和监管成本。充分发挥碳市场价格发现功能，提高林业碳汇等CCER项目的交易活跃度。林业碳汇等CCER减排量交易与CPEA交易相关的贷款、保险、投资等进一步发展，实现储存、预借等类金融操作。企业通过碳交易完成减排且提高获利能力，增加交易积极性。该模式方便对接区块链应用活跃的金融平台，支持业务创新和监管，推动中国在世界碳交易发挥更大作用。
在水土保持规划与方案建设中，结合区块链碳交易平台的碳价信息，与林业CCER项目相关碳减排和抵消量信息，按照立地类型区确定碳汇林树种及高固碳良种苗，按照减少碳排放、碳泄露及生物多样性特别保护进行造林作业设计，造林施工阶段和林木生长全过程进行实时碳汇监测。参与林业CCER项目，并适时交易，实现生态和经济双重效益。
在碳交易市场体系的不同发展阶段，区块链碳交易模式的研究，以信息技术、经济、生态环境可持续发展的耦合研究工作将需长期进行。
本研究由北京林业大学科技创新计划项目"全球价值链视角下中国制造业碳减排路径研究"（JGZKPY0001）；北京北林丽景生态环境规划设计院有限公司"基于区块链的碳交易模式设计"（2018hxzxjgy016）共同资助。
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