制造商主導的低碳供應鏈減排策略分析

王彥春+馮耕中+王能民

內(nèi)容摘要：低碳經(jīng)濟的出現(xiàn)使環(huán)境資源有了稀缺性，企業(yè)有效的碳管理可以實現(xiàn)由碳成本向碳收益的轉(zhuǎn)化，所以制造企業(yè)的減排效果具有價值屬性。本文基于消費者低碳意識對低碳供應鏈減排策略的影響，構(gòu)建決策模型，比較集中決策和分散決策下的利潤。結(jié)果表明：集中決策時，供應鏈中各企業(yè)的利潤和減排效果較好；而分散決策時，企業(yè)若要減少碳排放量，則必須降低產(chǎn)量，使利潤降低；政府應重點監(jiān)控供應鏈上游碳排放量較大的企業(yè)。

關鍵詞：低碳供應鏈 碳減排策略 可持續(xù)發(fā)展 碳交易

引言

隨著低碳經(jīng)濟的發(fā)展，很多國家基于政府環(huán)境規(guī)制理論，建立了碳排放權(quán)交易市場，開始嘗試將碳排放權(quán)交易市場化，制造企業(yè)既可以在碳排放權(quán)交易市場中購買排放權(quán)，也可以出售額外的排放權(quán)，賦予了碳排放權(quán)以商品的屬性。因此，碳排放權(quán)作為一種全新的環(huán)境資源，必然會對企業(yè)的成本結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。企業(yè)減排會使得成本增加，但消費者的低碳偏好又是大勢所趨，所以企業(yè)將面對一個機遇與挑戰(zhàn)并存的時代。

低碳問題已成為近些年研究的熱點，已有學者將其引入供應鏈的研究中。杜少甫（2009）研究了碳排放許可與交易機制對碳排放依賴型企業(yè)生產(chǎn)決策的影響。Zhang等（2011）通過擴展原有的報童模型，考慮了當需求隨機時，制造企業(yè)碳排放權(quán)應如何交易。付秋芳等（2013）測量了供應鏈多階段碳足跡，并將制造商作為核心企業(yè)，在三種不同的碳排放權(quán)分配機制下，建立了兩級供應鏈碳減排博弈模型，探尋不同分配機制下碳足跡的變化情況。Benjaafar等（2013）則分析了如何通過運營決策來減少碳排放，同時討論供應鏈企業(yè)合作與減排效果等問題。程子騰、嚴金明（2016）以柳州市新型城鎮(zhèn)化低碳發(fā)展為案例，對經(jīng)濟增長和能源消耗脫鉤的現(xiàn)象進行了研究。Fei L等（2011）指出由于消費者低碳偏好的轉(zhuǎn)變，消費者會更加注重產(chǎn)品的低碳環(huán)保性，而不僅關注其傳統(tǒng)的使用價值。碳排放權(quán)交易、消費者偏好轉(zhuǎn)變等必將對企業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式、運營策略等方面產(chǎn)生巨大影響，企業(yè)的經(jīng)營必將面臨許多新的機遇與挑戰(zhàn)。常見的碳排放權(quán)分配方式有：免費分配、公開拍賣和標價出售，本文后續(xù)的分析是基于免費分配這一假設。李臻（2015）應用Netlogo仿真平臺對清潔發(fā)展機制市場的交易過程進行了刻畫，為研究CDM的模擬交易奠定了較強的理論基礎。馬曉明等（2016）認為制造業(yè)領域的碳排放情況需要重點關注，并對1990-2014年中國制造業(yè)碳排放相關的影響因素進行了LDMI分解。Hoen等（2014）對實際數(shù)據(jù)的分析表明調(diào)整運輸方式能大幅降低碳排放。唐建榮、鄧林（2014）對碳足跡進行了情景分析，通過實證分析對碳足跡展開詳細研究。前人都是基于宏觀層面對碳排放權(quán)交易展開理論或?qū)嵶C研究，很少考慮碳排放權(quán)交易情境下，企業(yè)具體的生產(chǎn)運營決策及供應鏈整合與優(yōu)化問題。本文首先構(gòu)建了一個簡單的兩級低碳供應鏈模型，以制造商為核心企業(yè)，且不考慮零售商的碳排放。隨后將模型擴展，引入碳排放權(quán)交易的同時也考慮零售商的碳排放（李友東，2013），使模型更加完整。

兩級供應鏈低碳博弈模型

（一）問題描述與參數(shù)設定

問題描述與模型假設。消費者低碳意識是實現(xiàn)減排的重要外部力量，隨著消費者低碳意識的提高，企業(yè)會主動進行研發(fā)降低碳排放（謝鑫鵬，2013）。基于消費者低碳意識構(gòu)建相應的需求函數(shù)，本文通過分析分散決策和集中決策下制造商與零售商的博弈，并對如何提高企業(yè)減排積極性提出建議。

模型假設如下：

制造商的成本函數(shù)，引用（DAspemont C，1988）研究中的經(jīng)典成本函數(shù)。假設制造商的成本由兩部分組成：首先不考慮碳減排活動，即進行正常生產(chǎn)活動所付出的基本生產(chǎn)成本c ；為了減少碳排放而投入的研發(fā)費用 βr2，假設c 與r 成二次方關系（Ray，2004），即：

其中q 為市場需求量，p 為產(chǎn)品的價格，t 為消費者低碳偏好水平，a，t>0 ，產(chǎn)品的單位碳減排量與價格呈線性關系（Choi ，1996&Li，2008）。

求解結(jié)果應保證企業(yè)有正的需求量和非負的利潤。

模型結(jié)構(gòu)。博弈模型中制造商居于主導地位，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。模型變量與參數(shù)。該模型的變量與參數(shù)如表1所示。

（二）模型分析

集中決策。供應鏈中存在一個中心決策者，對供應鏈整體進行整合，從供應鏈整體利潤最大化的角度進行決策，省略了中間價格，其決策變量簡化為只有p 和r ，該問題可描述為：

定理 1：用下角標 表示集中決策下的最優(yōu)解，在集中決策模型下整個供應鏈存在唯一最優(yōu)解：

將式（4）中的最優(yōu)價格和碳減排量代入需求函數(shù)及供應鏈整體利潤函數(shù)中，得到集中決策模型下的最優(yōu)市場需求量及最優(yōu)利潤：

分散決策。由于制造商是核心企業(yè)，制造商將優(yōu)先對減排量r 和批發(fā)價格ω 進行決策，之后零售商再確定零售價格p 。

定理 2： 用下角標 d表示分散決策下的最優(yōu)解，分散決策模型下兩級低碳供應鏈存在唯一最優(yōu)解：

將求得的最優(yōu)值代入各自利潤函數(shù)的表達式，可以得到制造商、零售商和整個供應鏈的最優(yōu)利潤：

命題1：在分散決策模型情況下，制造商和零售商以及供應鏈整體的利潤都隨著消費者低碳偏好的增加而升高；而在集中決策下，結(jié)果也是一樣的。這表明，隨著消費者低碳偏好的提升，消費者會主動為低碳產(chǎn)品支付更高的對價，使供應鏈所有成員的收益都增加。

命題2：在兩種模式下，當減排研發(fā)投入成本系數(shù)β 降低時，制造商的碳減排水平r 將增加，減排成本βr2 也增加。當β 降低時，在分散決策下，產(chǎn)品的市場需求會增加，使得制造商和零售商的利潤都提高。制造商可以通過提高減排研發(fā)效率、低碳技術創(chuàng)新等手段來降低減排成本。

當消費者低碳偏好被正確引導時會大量提升市場需求量，這樣對企業(yè)的減排投入和技術創(chuàng)新有很好的刺激效果。根據(jù)規(guī)模經(jīng)濟效益，過多的投入使碳減排研發(fā)投入成本系數(shù)降低，使產(chǎn)品的碳排放減少量提高；但是，如果消費者低碳偏好較低時，則會嚴重影響制造商的積極性，使企業(yè)的減排量下降，從而無法達到減排的效果。

命題3：將兩種模式比較，可以發(fā)現(xiàn)：在集中決策下，產(chǎn)品有更低的價格，同時有更高的銷售量，供應鏈整體利潤也相對更大一些。但在兩種模式下，制造商的碳減排量是一樣的。

由于在集中決策下，原本的制造商和零售商變成了一個新企業(yè)的兩個部門，原來的批發(fā)價格成為部門之間的轉(zhuǎn)移價格，決策者可以站在整個供應鏈的角度進行決策，自然會取得比分散決策情況更優(yōu)的整體利潤。

考慮碳交易的兩級供應鏈低碳博弈模型

（一）問題描述與參數(shù)設定

問題描述與模型假設。零售商可通過投入低碳技術及優(yōu)化流通環(huán)節(jié)來減少碳排放，在免費碳配額條件下，制造商和零售商要在獨立減排及聯(lián)合減排之間進行權(quán)衡，不同的選擇帶來的減排效果及利潤都不一樣。同時，碳交易價格也是影響減排效果的重要因素。產(chǎn)品的清潔度不能僅以碳排放的減少量來衡量，因為不同產(chǎn)品排放基準是不同的，但可以通過減排率進行比較。

模型假設如下：

制造商和零售商在生產(chǎn)銷售過程中都會產(chǎn)生碳排放，都面對來自政府的減排壓力，其中制造商有一定的碳排放限額，即超過限額部分才需要額外購買，而零售商所產(chǎn)生的碳排放都需要額外購買。

為了方便計算，產(chǎn)品需求僅是其價格的線性函數(shù)。

當企業(yè)實際碳排放額小于政府初始分配的碳配額時，企業(yè)會選擇賣出多余的量；而當碳配額不足時，企業(yè)會去碳交易市場進行購買，補充不足的碳配額。

模型結(jié)構(gòu)。基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。模型變量與參數(shù)。該模型涉及的變量與參數(shù)如表2所示。

（二）模型分析

模型構(gòu)建。對于考慮碳減排及碳交易的企業(yè)而言，其利潤函數(shù)主要由銷售收入、碳減排研發(fā)投資、碳排放權(quán)交易損益三部分構(gòu)成。因此，制造商的利潤函數(shù)可表示為：

當考慮碳減排和碳交易時，零售商的利潤函數(shù)為：

分散決策。分散決策下，制造商和零售商不合作，以各自利潤最大化進行決策。

定理3 ：考慮碳交易時，分散決策模型存在唯一最優(yōu)解，用下標 表示：

集中決策。集中決策分為兩個階段：首先對碳減排率進行聯(lián)合決策，之后共同再對產(chǎn)品價格進行決策。

因此整個供應鏈的利潤函數(shù)如式（19）所示：

定理 4：用下角標 B表示考慮碳交易時集中決策模型的最優(yōu)解，當時，整個低碳供應鏈存在唯一最優(yōu)解，結(jié)果為：

命題4：兩種決策模型碳減排率的比較

其它條件相同，分散決策模型中制造商比零售商更容易減排，而集中決策模型中制造商與零售商的減排率是相同的。

分散決策下，當減排投入系數(shù)相同時，制造商會取得更高的減排率，零售商要投入更多來獲取相同的減排率。為了減少碳排放必須要從源頭抓起，投入相同的減排投資在制造商會取得更大的減排效果。而在集中決策下，上下游的減排率是相同的，因為在集中決策下制造商和零售商相當于是一個企業(yè)的兩個部門。

在集中決策模型中，供應鏈上下游的減排率都比較高，說明整合之后的碳減排率要高于分散決策的情形。因此政府應該加強引導，進一步刺激供應鏈上下游進行聯(lián)合減排。

命題5：低碳供應鏈碳減排率與碳交易價格的關系

集中決策下，碳交易價格一個微小的波動，將會導致整個供應鏈的碳減排率產(chǎn)生很大的波動；但在分散決策下，碳交易價格發(fā)生較大的波動也不會使碳減排率發(fā)生太大變動。根據(jù)國際經(jīng)驗，在碳交易制度剛被引入市場時，碳交易價格通常是很不穩(wěn)定的，所以很多企業(yè)的減排策略和減排效果都不是很理想。但隨著碳交易市場制度的逐步發(fā)展成熟，不能適應的企業(yè)最終將會被市場淘汰；而那些適應穩(wěn)定碳價格并進行合作減排的企業(yè)將會獲得良好的減排效果和可觀的利潤。

命題6：兩種決策模型下供應鏈利潤與碳排放總量的比較。

集中決策能夠取得最大化的利潤，因此，供應鏈整體的利潤與企業(yè)間的整合程度高度相關。

在兩種決策模式下，單位產(chǎn)品的碳排放量與整合程度成反比，而供應鏈的總產(chǎn)出與整合程度成正比。因此，任何決策都需要綜合考慮各種因素，而不只是通過單一變量進行決策。

從上述分析可以看出，即使集中決策模型下單位產(chǎn)品的碳排放量不大，但是由于會取得最優(yōu)產(chǎn)量，所以會導致整體的碳排放總量并不低。如果想降低碳排放量，那么只能在保證碳減排率不變的基礎上，減少產(chǎn)量。因此，企業(yè)總是要在整體碳排放總量與利潤之間做出權(quán)衡，現(xiàn)有的減排技術還不支持低碳排放總量的同時獲取高額利潤。通常政府環(huán)境監(jiān)管部門都會設定相應的碳排放總量上限，當企業(yè)不顧環(huán)境污染只追求自身利潤時，則會超過政府環(huán)境規(guī)制的限額（楊仕輝，2016），遭到巨額的罰款，這樣是得不償失的。

結(jié)論

供應鏈管理的核心是如何更好地提高供應鏈成員的收益，包括上下游的協(xié)調(diào)與合作。通過模型的建立和分析發(fā)現(xiàn)：在集中決策和分散決策中，減排效果和利潤都會隨整合程度的提高而增加。相較于分散決策，完全整合后的集中決策能夠在取得較高減排效率的同時也保持高利潤率。由于企業(yè)降低碳排放量必須舍棄部分利潤，因此企業(yè)需要在利潤和碳排放之間進行權(quán)衡。另外，碳減排率與碳交易價格的關系取決于減排活動的難易程度。對政府環(huán)保部門而言，設置合理有效的碳排放額上限是首要任務，同時應該對碳排放量較大的企業(yè)進行重點監(jiān)控，掌握實時數(shù)據(jù)，尤其更應著重關注處于供應鏈源頭的企業(yè)，這樣通過耗費較低的監(jiān)督成本就可以取得理想的減排效果。

本文將政府的排放總量限制看作是外生變量，而如果將其視為減排的內(nèi)生變量，會得到不同的結(jié)論。在今后的研究中，還可以考慮不同的碳配額分配方式，如根據(jù)產(chǎn)量分配或拍賣分配等。

參考文獻：

1.杜少甫，董駿峰，梁.考慮排放許可與交易的生產(chǎn)優(yōu)化[J].中國管理科學，2009，17（3）

2.Zhang J J， Nie T F， Du S F. Optimal emission-dependent production policy with stochastic demand[J]. International Journal of Society Systems Science，2011（3）

3.付秋芳，忻莉燕，馬健瑛. 考慮碳排放權(quán)的二級供應鏈碳減排 Stackelberg 模型[J].工業(yè)工程，2013，16（2）

4.Benjaafar S，Li Y，Daskin M. Carbon footprint and the management of supply chains： Insights from simple models[J]. Automation Science and Engineering， IEEE Transactions on，2013，10（1）

5.程子騰，嚴金明.新型城鎮(zhèn)化下低碳經(jīng)濟發(fā)展研究——以柳州市為例[J].現(xiàn)代管理科學，2016（2）

6.Fei L，Dong S，Xue L，et al. Energy consumption-economic growth relationship and carbon dioxide emissions in China[J]. Energy policy，2011，39（2）

7.李臻. 清潔發(fā)展機制 （CDM） 模擬交易研究——基于Netlogo 的仿真平臺實現(xiàn)[J].管理現(xiàn)代化， 2015，35（6）

8.馬曉明，孫璐，胡廣曉等. 中國制造業(yè)碳排放因素分解——基于制造業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的研究[J].現(xiàn)代管理科學，2016（10）

9.Hoen K M R，Tan T，F(xiàn)ransoo J C，et al. Effect of carbon emission regulations on transport mode selection under stochastic demand[J]. Flexible Services and Manufacturing Journal，2014，26（1-2）

10.唐建榮，鄧林.于 Lasso-Arima-GM 的碳足跡情景分析[J].管理現(xiàn)代化，2014（5）

11.李友東. 外力干預下供應鏈低碳化運營決策行為研究[D].天津大學，2013

12.謝鑫鵬，趙道致.低碳供應鏈企業(yè)減排合作策略研究[J].管理科學，2013，26（3）

13.dAspremont C，Jacquemin A. Cooperative and noncooperative R & D in duopoly with spillovers[J]. The American Economic Review， 1988

14.Ray S， Jewkes E M. Customer lead time management when both demand and price are lead time sensitive[J]. European Journal of Operational Research，2004，153（3）

15.Choi S C. Price competition in a duopoly common retailer channel[J]. Journal of retailing，1996，72（2）

16.Li L，Zhang H. Confidentiality and information sharing in supply chain coordination[J].Management science，2008，54（8）

17.謝鑫鵬.考慮碳規(guī)制及交易的供應鏈企業(yè)生產(chǎn)及減排決策機制研究[D].天津大學，2013

18.楊仕輝，孔珍珠，楊景茜.碳補貼政策下低碳供應鏈企業(yè)一體化策略分析[J]. 產(chǎn)經(jīng)評論，2016，7（6）