基于政府視角的最優碳減排政策研究

張 盼,熊中楷

(1.南昌大學經濟管理學院,江西南昌330031;2.重慶大學經濟與工商管理學院,重慶400030)

1 引 言

近年來,全球氣候變暖日益受到人們關注,并逐漸成為國際社會的焦點話題,它已對人類生存和發展構成了嚴峻挑戰.因此,越來越多的國家開始采取措施應對氣候變化,如國際社會先后通過了《聯合國氣候變化框架公約》和《京都議定書》,其中《京都議定書》的核心思想就是通過降低成員國的二氧化碳排放量來應對全球氣候變暖問題.在《京都議定書》的約束下,許多國家相繼出臺了相關的碳減排計劃,如我國政府提出“2020年單位GDP二氧化碳排放強度相對于2005年降低40%～45%”的減排目標.作為實現碳減排目標的兩種措施——碳交易政策與碳稅政策已在一些國家開始實施.

碳交易政策是指政府為每個企業設定一個碳限額,即企業被允許排放二氧化碳的最高數量,同時企業可以在碳交易市場中進行買賣,當總的碳排放量超過限額時,企業需在碳交易市場上購買碳排放配額,當總的碳排放量低于限額時,企業則可以將剩余的配額交易出去.歐盟的碳排放權交易制度就是這一政策的最好體現.碳稅政策是政府對企業的碳排放量進行征稅以達到降低企業碳排放量的目的,具體的有對企業單位碳排放量征稅的單位稅和對企業碳排放總量征稅的總量稅.在美國,一些政客,商業領袖和氣候專家呼吁政府采用碳稅政策而不是碳交易政策,為此一些碳稅法案在美國國會通過.此外,瑞典,加拿大,澳大利亞等國也開始征收碳稅[1].

鑒于一些國家實施碳交易政策而另一些國家實施碳稅政策,本文主要從政府角度,探討兩種政策孰優孰劣問題.通過構建一個政府和兩個生產商間博弈模型,其中政府是Stackelberg博弈的領導者,決策選擇碳交易政策或是碳稅政策,作為跟隨者,生產商們相互競爭并決策自己的產量和環保創新水平.通過運用逆向遞推法對該模型進行求解得到了每一種碳減排政策下的均衡結果,并重點從生產商最優環保創新水平、社會總產出、社會總碳排放量以及社會福利的角度對兩種政策進行了對比分析.區別于前人的研究結論,本文研究表明,政府選擇碳交易政策或是碳稅政策主要取決于碳排放對環境造成負面影響的程度.

目前,學術界已對碳交易與碳稅兩種碳減排政策做了相關研究,其中在碳交易方面,Chaabane等[2]在碳交易制度背景下,運用混合整數規劃研究了可持續供應鏈設計問題.Jaber等[3]研究了歐盟碳交易制度下供應鏈的協調問題.Du等[4]在一個碳減排影響產品需求的市場中,研究了碳交易制度和消費者低碳偏好對壟斷型生產商生產及減排策略的影響.Xu等[5]在碳交易制度下研究了供應鏈中的生產和減排策略,以及供應鏈協調問題.慕銀平等[6]在雙寡頭競爭市場中研究了碳交易個體控制和碳交易總量控制等政策對企業產量和碳排放量的影響.駱瑞玲等[7]考慮了供應鏈碳減排技術投資,研究了碳排放交易政策對供應鏈成員最優決策及減排效果的影響.李劍等[8]基于EOQ模型,考慮了減排投資,從供應鏈的角度研究不同碳配額下企業之間碳交易情況.黃帝等[9]在一個多周期決策模型中研究了碳配額－碳交易機制下企業的最優動態批量生產、碳排放權交易和減排投資聯合決策問題.

關于碳稅的研究,Symons等[10]認為碳稅的實施將影響燃料價格,繼而影響消費價格,這些價格的改變將轉而影響最終需求,最終決定了化石燃料使用,因此決定了二氧化碳排放量.Lee等[11]分析了碳稅對不同工業部門的影響,結果表明征收碳稅對GDP有負面影響.Andrew等[12]指出碳稅作為一種治理污染的政策手段,源于社會和經濟活動對碳減排的需求,而且無需激進的經濟社會和政治變革.Yalabik等[13]分析了碳稅對生產商在環保創新方面資金投入的影響.李長勝等[14]探討了鋼鐵行業在完成一定減排目標的前提下政府設置統一碳稅和差異化碳稅對企業減排成本、社會經濟福利的影響.熊中楷等[15]在不同類型的供應鏈中研究了碳稅和消費者環保意識對制造商碳排放量以及供應鏈成員利潤的影響.張李浩等[16]在碳稅政策下對供應鏈碳減排技術投資及供應鏈協調問題進行了研究.

此外,還有一些學者對碳交易與碳稅兩種政策做了對比研究,如Stern[17]指出,從減排的動態激勵來看,排放權機制的有效性更高.Adly等[18]認為,如果信息充分且不存在不確定性,那么兩類工具(碳稅和碳交易)的作用效果是完全一致的,無論是價格控制還是數量控制,都能實現企業總減排成本的最小化.Murray等[19]指出,如果允許實施排放權的儲存或出借,那么限額交易體制的福利效果將優于碳稅.石敏俊等[20]基于動態CGE模型構建了中國能源―經濟―環境政策模型,模擬分析了碳稅、碳排放交易和碳稅與碳交易相結合的等政策的減排效果、經濟影響與減排成本.趙黎明等[21]在碳交易和碳稅組合的碳排放政策下構建了政府和企業的碳減排二層規劃決策模型,并對該模型進行了求解和分析.

綜上所述,在已有碳交易和碳稅政策的研究中,大多是給定政府的碳排放政策,即給定碳限額、碳交易價格和碳稅稅率等,如文獻[2–16],并且在碳交易與碳稅政策的對比研究中,均未考慮二氧化碳等溫室氣體對環境和人類的破壞作用,如文獻[17–21].與上述文獻不同的是,本文假定選擇哪種碳排放政策是政府的決策問題,包括決策最優碳限額和碳稅稅率,而政府決策的依據是追求社會福利最大化,且本文在社會福利函數中考慮了碳排放對環境的負面影響.

2 政府與生產商博弈的碳減排模型

考慮市場由雙寡頭生產商組成,生產商的逆需求函數為p=a-q1-q2,其中p為市場價格,a為消費者的最大支付意愿,q1和q2分別為生產商1和生產商2的產量.生產商i的單位生產成本為ci,i=1,2.生產商每生產一單位產品的碳排放量為δ,為分析方便令δ=1.[22]生產商i可以通過資金投入進行環保創新,使單位碳排放量減少μi,μi∈[0,1],產量為qi時減少的碳排放量為μiqi,相應地,其環保創新的成本為θi(μiqi)2,[23,24]其中θi為環保創新系數,且環保創新系數越小,表明減少相同的碳排放付出的成本越小,因此減排越容易.假設θ1＞θ2,即生產商1的環保成本系數比生產商2的大,表明減少相同的碳排放量生產商1的環保創新成本更高.

為控制二氧化碳等溫室氣體對社會的影響,政府有兩種政策工具可供選擇:碳交易或碳稅.1)選擇碳交易政策時,政府為生產商1和生產商2分別設定一個碳排放限額e1和e2,并允許生產商1和生產商2之間進行碳交易.在碳交易政策下,生產商的生產決策受碳排放限額約束,即廠商的碳排放總量不能超過限額,但是廠商可以在碳交易市場中買賣碳排放配額,碳交易的價格λ完全由碳排放配額的需求和供給決定.2)選擇征收碳稅政策時,政府對廠商的碳排放征收總量稅,稅率為r.

由于生產商的碳排放量對環境有一定的破壞作用,因此假設二氧化碳等溫室氣體對環境的破壞函數為de2,其中e為二氧化碳等溫室氣體的排放量,d為二氧化碳等溫室氣體的破壞環境系數,描述二氧化碳等溫室氣體對環境破壞作用的大小[25].假設政府追求社會福利最大化,即生產者剩余與消費者剩余之和減去二氧化碳等溫室氣體對環境破壞作用的最大化,生產商追求利潤最大化.

上標含ct的變量表示碳交易政策最優解,上標含t的變量表示碳稅政策最優解.

2.1 碳交易政策

在碳交易政策下,政府首先決定生產商i的碳排放限額ei;隨后在碳交易市場中,根據生產商對碳排放配額的需求等于碳排放配額的供給決定碳交易的出清價格λ;最后生產商同時進行環保創新水平μi和產量qi競爭.

生產商i的利潤函數

其中qi(1-μi)-ei＞0表示生產商i在碳交易市場中買入的碳排放配額,qi(1-μi)-ei＜0表示生產商i在碳交易市場中賣出的碳排放配額,qi(1-μi)-ei=0表示生產商i在碳交易市場中沒有買賣碳排放配額.

在政府碳限額的約束下,生產商們最優的碳排放總額是等于政府制定的碳排放限額,因此,政府的社會福利函數可以表示為

采用逆向遞推法求解政府社會福利和生產商利潤的最優解.首先給定政府的碳排放限額ei和碳交易價格λ,然后生產商們進行Nash博弈,即同時決策環保創新水平和產量以追求自己的利潤最大化.通過計算可得到如下結論.

定理1當0＜θi＜A1,a≥A2時,碳交易政策下生產商最優環保創新水平和產量分別為

當0＜θi＜A1時,H2＞0.因此H負定,所以Πi(qi,μi)為凹函數,有最大值.對聯立方程組

求解,因需保證qi≥0,所以可得定理1中最優解.為保證0≤≤1,因此還需滿足條件a≥A2. 證畢.

定理1說明,在碳交易政策下,當生產商的環保創新系數較小,即減排較容易,以及消費者的最大支付意愿較大時,存在最優的環保創新水平和產出使得生產商們的利潤同時達到最大.通過分析生產商的環保創新系數θi和碳交易價格λ對生產商最優環保創新水平和產出的影響,可得如下結論.

定理2說明生產商i的環保創新水平μi與其環保創新系數θi成負相關關系,與碳交易價格λ成正相關關系.原因是當環保創新系數μi增加(減少)時,生產商碳減排的邊際成本也增加(減少),因此生產商在碳減排方面會減少(增加)資金投入,從而使單位產品的碳減排量μi減少(增加);而碳交易價格λ的增加會使碳配額賣出的邊際收益增加或買入的邊際成本增加,因此生產商會投入更多的資金進行技術創新,從而使單位產品碳減排量μi增加,單位碳排放量(1-μi)減少.定理2還說明碳交易價格λ的增加(減少)會使生產商的產量減少(增加).

在求得生產商的最優決策后,其次求解碳交易的出清價格.在碳交易市場中,滿足碳排放配額的需求等于供給,即通過進一步計算可得到下列結論.

從定理3中可以看出,碳交易價格λ?是社會總的碳排放限額e(e=e1+e2)的減函數,因此政府制定的社會總碳限額會影響碳交易市場中的碳交易價格,并且碳交易價格隨著社會總碳限額的增加而減少,隨著社會總碳限額的減少而增加.原因在于社會總碳限額的增加表明碳交易市場中可供交易的碳配額會增加,即供給增加會使碳市場的出清價格減少.相反,社會總碳限額的減少會使碳交易市場中碳配額的供給減少而需求會增加,因此碳交易價格會增加.

最大化式(5)可得下列結論.

定理4碳交易政策下,政府設定的社會最優碳限額

定理4說明,政府只要制定一個總的社會碳排放限額ect,就可以實現社會福利最大化,而不用擔心配額分配的問題,因為生產商可以通過碳交易市場實現碳配額的買賣.

將ect代人可得碳交易政策下最優的

2.2 碳稅政策

政府實施碳稅政策時,首先會確定碳稅稅率r,其次生產商i同時進行環保創新水平μi和產量qi競爭.

碳稅政策下生產商i的利潤函數

其中rqi(1-μi)表示生產商i為碳排放量qi(1-μi)所繳納的碳稅.

政府的社會福利函數

其中d(q1(1-μ1)+q2(1-μ2))2表示生產商1和生產商2的碳排放量q1(1-μ1)+q2(1-μ2)對環境的破壞作用.

定理5當0＜θi＜B1,a≥B2時,碳稅政策下生產商最優環保創新水平和產量分別為

其中B2=3r/(2θi)+r+2ci-cj.

定理5說明,在碳稅政策下,當生產商的環保創新系數較小和消費者的最大支付意愿較大時,存在最優的環保創新水平?μi和產出?qi使得生產商們的利潤同時達到最大.通過分析碳稅稅率對生產商最優環保創新水平和產出的影響,可得下列結論.

定理6說明碳稅稅率的增加(減少)會使生產商的環保創新水平增加(減少),產量減少(增加).當政府制定的碳稅稅率增加時,會使生產商碳排放的邊際成本增加,因此廠商會提高環保創新水平,減少碳排放量.定理6還說明,碳稅稅率是一把雙刃劍,政府通過提高碳稅稅率能使廠商進行技術創新減少碳排放,但是這種措施會使社會總產出減少.

對式(8)求最優可得下列結論.

定理7碳稅政策下,當d＞B3時,政府制定的最優稅率

定理7說明,在碳稅政策下,當二氧化碳等溫室氣體對環境的破環作用較大時,存在最優的碳稅稅率使得社會福利達到最大.

將rt代人可得碳稅政策下最優的又由可得碳稅政策的最優碳排放量.

3 兩種政策比較分析

本文主要從社會福利,社會總產出,總碳排放量和企業環保創新方面對碳交易與碳稅兩種政策進行比較.從上述求解過程可以看出,兩種政策下的最優解比較復雜,為了能夠對兩種政策進行比較分析,假設生產商的單位生產成本c1=0,c2=0.當c1=0,c2=0時,為使表達式更清晰,進一步令

進而可得兩種政策下的最優解,見表1.

表1 當c1=0,c2=0時,碳交易與碳稅兩種政策下的最優決策Table 1 The optimal decisions under the policies of cap-and-trade and tax when c1=0 and c2=0

引理1當C1≤d≤C2時,生產商的最優環保創新水平滿足以下條件

證明先證當C1≤d≤C2時,0 ≤≤ 1.由d≥C1可得d(3θ1+3θ2+4θ1θ2)-4θ1θ2≥ 0,進而可得;由d≤C2可得即.又由θ1＞θ2可得即C1＜C2.所以當C1≤d≤C2時,0 ≤≤ 1.同理可證其他情形.證畢.

引理1說明,為保證生產商的環保創新決策有意義,需要假定二氧化碳等溫室氣體對環境的破壞作用滿足條件C1≤d≤C2,即二氧化碳等溫室氣體對環境的破壞作用處于中間水平情形.通過對比分析碳交易和碳稅兩種政策下的最優環保創新水平,總產出和總碳排放量,可得下列結論.

推論1表明,在二氧化碳等溫室氣體對環境的破壞作用較小時(C1≤d≤C3),相比碳稅政策,碳交易政策下生產商的環保創新水平較高,社會總產出較低,社會總的碳排放量較低,說明此時碳稅政策能夠達到更高的社會總產出,而碳限額與碳交易政策在促進企業環保創新、減少碳排放方面更有效.當二氧化碳等溫室氣體對環境的破壞作用較大時(C3＜d≤C2),相比碳稅政策,碳交易政策下生產商的環保創新水平較低,社會總產出較高,社會總的碳排放量較高,即此時碳稅政策能夠很好的促進企業在環保方面投入資金減少碳排放,進而使整個社會擁有更低的碳排放水平,而碳限額與碳交易政策由于制定了較高的社會碳排放限額,使企業在生產時受碳排放的約束較小,因此使企業的產量增加,社會總產出更大.

通過對比分析碳交易和碳稅兩種政策的社會福利,可得下列結論.

推論2說明,當二氧化碳等溫室氣體對環境的破壞作用處于一定程度時,碳交易政策的社會福利大于碳稅政策的社會福利,即從社會福利最大化的角度,政府選擇碳交易政策優于選擇碳稅政策,即使在一定條件下碳稅政策的社會總產出更高或在促進企業環保創新和降低社會碳排放更有效.需要指出的是,推論2得出的前提是假設兩個生產商的邊際成本都等于零,因此,下一節將放松這一假設并通過算例方式對兩種政策作進一步比較分析.

4 算例分析

接下來從數值算例的角度對碳交易和碳稅兩種政策下的生產商環保創新水平、總碳排放量、社會總產出和社會福利進行對比分析.假設文中基本參數取值如下:a=200,θ1=10,θ2=5,c1=15,c2=10.由第二節得到的均衡結果,給定上述參數取值,變動參數d(d∈[0.82,2]),首先可以得到兩個生產商分別在碳交易與碳稅政策下最優環保創新水平的變化情況,如圖1.

圖1表明,1)隨著二氧化碳等溫室氣體破環作用的增強(即d增加),生產商的環保創新水平不斷提高,且在碳稅政策下提高到更快;2)當二氧化碳等溫室氣體的破環作用較小時,生產商在碳交易政策下的環保創新水平更高,當二氧化碳等溫室氣體的破環作用較大時,碳稅政策下的環保創新水平更高;3)由于生產商1的環保創新系數較大,從圖1可以看出,無論是哪種政策,生產商1的環保創新水平總比生產商2的環保創新水平低.

變動參數d(d∈[0.82,2]),可得兩種政策下每個生產商的產量,如圖2.

圖1 碳交易與碳稅政策下生產商的環保創新水平Fig.1 Manufacturers’environment innovation level under the policies of cap-and-trade and tax

圖2 碳交易與碳稅政策下生產商的產量Fig.2 Manufacturers’production under the policies of cap-and-trade and tax

圖2說明,隨著二氧化碳等溫室氣體對環境破環作用的增強,生產商的產量不斷減少;相比于碳交易政策,當二氧化碳等溫室氣體的破環作用較小時,生產商在碳稅政策下的產量更高,反之,生產商在碳稅政策下的產量更低.由每種政策下每個生產商的產量,進一步可以得到每種政策下的社會總產出,如圖3.

圖3 碳交易與碳稅政策下的社會總產出Fig.3 Total social output under the policies of cap-and-trade and tax

圖3表明,隨著二氧化碳等溫室氣體對環境破環作用的增強,兩種政策下的社會總產出都減少,且碳稅政策下的社會總產出減少的更快.此外,當二氧化碳等溫室氣體的破環作用較小時,在碳交易政策下生產商的產量更低,反之當二氧化碳等溫室氣體的破環作用較大時,碳稅政策下的社會總產出更低.

變動參數d(d∈[0.82,2]),可得兩種政策下社會總碳排放量的變化情況,如圖4.圖4說明,隨著二氧化碳等溫室氣體對環境破環作用的增強,社會總碳排放量不斷減少;當二氧化碳等溫室氣體的破環作用較小時,在減少社會總碳排放量方面,碳交易政策比碳稅政策更有效,反之,碳稅政策更有效.這主要是因為當二氧化碳等溫室氣體的破環作用較小時,碳交易政策下的社會總產出更低,而環保創新水平更高,由此導致社會總碳排放量要低于碳稅政策下的社會總碳排放量.同理,當二氧化碳等溫室氣體的破環作用較大時,碳稅政策下的社會總碳排放量更低.

最后,變動參數d(d∈[0.82,2]),可得兩種政策下社會福利的變化情況,如圖5.

圖4 碳交易與碳稅政策下的社會總碳排放量Fig.4 Total social carbon emissions under the policies of cap-and-trade and tax

圖5 碳交易和碳稅政策下的社會福利Fig.5 Social welfare under the policies of cap-and-trade and tax

從圖5可以看出,兩種政策下的社會福利都隨著溫室氣體對環境破環作用的增強而減少,且碳稅政策下的社會福利先急劇減少后緩慢減少,而碳交易政策下的社會福利總是呈現快速減少趨勢.因此,當溫室氣體對環境破環作用小時,碳交易政策下的社會福利要明顯高于碳稅政策,即此種情形下碳交易政策要優于碳稅政策,而當溫室氣體對環境破環作用較大時,碳交易政策下的社會福利就會小于碳稅政策,此時,碳稅政策要優于碳交易政策.這從一定程度解釋了一些國家,如美國,選擇實施碳稅政策而另一些國家,如歐盟國家,選擇實施碳交易政策的原因.

5 結束語

本文運用博弈論中Stackelberg博弈方法對碳交易和碳稅兩種碳減排政策進行了比較研究.首先分別求得了兩種政策下的均衡結果,并分別分析了碳減排政策對均衡結果的影響.其次對兩種政策下的均衡結果進行了對比分析.研究結果表明,碳交易價格和碳稅稅率的增加會提高生產商的環保創新水平,但是會降低生產商的產量.二氧化碳等溫室氣體對環境破壞作用的程度直接影響政府選擇實施碳交易政策還是碳稅政策.本文在分析碳交易政策時是基于政府免費分配碳排放配額,考慮政府通過拍賣的方式向生產商分配碳配額將是下一步研究的方向.