研發溢出、消費者低碳偏好與供應鏈橫向研發策略

余 萍 ,魏守道

(廣東金融學院a.金融與投資學院;b.工商管理學院,廣州 510521)

隨著經濟的快速增長,碳排放量日益增多、環境不斷惡化,不少國家加強了對企業的環保監管力度。如英國、德國、法國、美國、日本、韓國等多個國家已推行碳標簽制度,要求企業以標簽的形式將產品的碳信息告知消費者,代表性的企業如IBM、沃爾瑪等。中國國家發改委于2013年3月發布了《低碳產品認證管理暫行辦法》,引導消費者選擇碳排放量更低的產品。與實施環境規制不同,這些做法試圖利用自下而上的公眾力量促使企業自覺減排、降低碳排放量。在產品開發過程中,引入消費者參與,可以提高產品開發的成功率。目前,消費者對低碳產品的認知度和購買意愿均較高[1],產品上貼有碳標簽后,消費者更加偏向于購買低碳產品[2],造成高碳產品的銷售量下降、低碳產品的銷售量增加[3]。不僅如此,消費者低碳偏好還會影響企業的行為和收益。只有充分認識到消費者偏好和意識,企業才能實現社會責任與提高公司的價值[4]。因此,面對碳排放造成的環境問題,消費者低碳偏好對于改善環境質量意義重大。然而,目前許多產品的生產過程消耗了較多的能源、排放了較多的碳排放量,將這些產品轉化為低碳產品需要很高的減排成本,對企業的生產和運營帶來較大壓力,影響企業的自愿減排行動。因此,面對低碳意識日漸增強的消費者,如何更好的減排是企業亟待解決的一項重要問題。伴隨競爭環境的變化,同行業之間以及上下游企業之間如何整合內部資源和外部資源是企業實現競爭力的關鍵一環。一方面,企業之間合作研發成為現實。如IBM、東芝和西門子之間合作研發新型電腦DRAM 芯片,福特汽車、華新水泥、美的空調等企業與供應鏈上下游企業協調減排。但在合作研發中,研發成果的溢出與保護是政府和企業需要考慮的一個重要問題。另一方面,供應鏈企業之間分擔研發成本也尤為重要。由于制造商獨自承擔減排研發成本會抬高低碳產品的零售價格,制約低碳產品的全面推廣,故供應鏈企業間分擔研發成本成為降低低碳產品零售價格、促進低碳產品銷售的途徑之一。而且,零售商承擔制造商的減排研發成本比例滿足一定條件時,制造商和零售商有動力合作實施減排研發[5]。供應鏈企業在減排領域合作有利于增強各自的減排效果[6]。那么,面對研發成果的溢出和具有低碳偏好的消費者,制造商會選擇何種研發策略? 學者們主要研究了無消費者低碳偏好下供應鏈減排研發決策選擇、消費者低碳偏好下供應鏈減排研發決策選擇以及消費者低碳偏好下供應鏈決策模式選擇。

部分學者研究了無消費者低碳偏好下供應鏈減排研發決策選擇。文獻[7-8]中比較了企業選擇降低生產成本研發形式的效果,發現研發合作可以提高研發水平。Benjaafar等[9]分析了產業間減排研發合作的效果。之后,學者們做了更為深入的研究。謝鑫鵬等[10]考慮碳交易機制下制造商和零售商組成的兩級供應鏈,制造商和零售商可選擇3種策略:定價和研發均不合作、定價不合作和研發合作以及定價和研發均合作,比較了它們的研發水平和供應鏈利潤。魏守道等[11]考慮碳稅政策下上下游4個企業組成的兩級供應鏈,將企業之間的研發形式劃分為研發競爭、水平合作、垂直合作和全面合作,比較了對研發水平、環境質量和企業利潤的影響。李金溪等[12]考慮碳稅政策下上下游兩個企業合作決策(以總利潤為目標進行決策)和單獨決策(以自身利潤為目標進行決策),研究了垂直溢出率對各企業的決策變量和利潤的影響。這些學者對供應鏈企業研發形式做了詳細劃分和進一步研究,然而,他們研究政府實施環境規制政策下的供應鏈企業研發,沒有考慮消費者具有低碳偏好。

也有部分學者比較消費者低碳偏好下供應鏈企業是否要研發以及選擇研發形式的效果,研究消費者低碳偏好下供應鏈減排研發決策選擇。在制造商和零售商構成的供應鏈中,Liu等[13]考慮了制造商之間競爭、零售商之間競爭以及制造商與零售商之間競爭的效果,發現消費者低碳偏好的增強有利于提高研發效率較高企業的利潤。王芹鵬等[14]比較了制造商選擇研發和不研發的效果,發現若單位產品的碳排放量過高,制造商不會選擇研發;若單位產品的碳排放量較低,制造商選擇研發可提高各方的收益。樓高翔等[15]考慮消費者低碳偏好信息的不對稱,發現隨著消費者低碳偏好程度的提高,制造商研發水平也越高,并且,政府可通過調整碳交易價格等手段激勵企業研發。在上下游兩個制造商構成的供應鏈中,王芹鵬等[16]假設兩企業可選擇均不研發、僅上游企業研發、僅下游企業研發以及下游企業分擔上游企業部分研發成本等策略,發現兩企業均不研發下各企業利潤最低,僅上游企業研發下下游企業利潤最高,當下游企業分擔成本意愿較強或需要較高的研發成本時,研發成本分擔契約下上游企業利潤最高。在供應商和制造商構成的供應鏈中,張漢江等[17]比較了供應商和制造商選擇不研發、研發競爭以及研發合作的效果,發現與研發競爭相比,研發合作下制造商的研發水平較高,且供應商分擔的研發成本比例越大,制造商的研發水平越高。劉名武等[18]考慮零售商分別是否投資減排,發現當消費者的低碳偏好程度滿足一定條件時,單個零售商投資減排會增加競爭對手的減排量和利潤。樊文平等[19]還考慮了零售商對減排投資的持股與否對制造商選擇是否減排等方面的影響,發現持股能同時提高企業環保水平和利潤。

還有部分學者比較消費者低碳偏好下供應鏈企業選擇合作決策和單獨決策的效果,研究消費者低碳偏好下供應鏈決策模式選擇。在制造商和零售商構成的供應鏈中,與單獨決策相比,雖然合作決策不會改變制造商的研發水平,但可以提高供應鏈總利潤[20-21]。Kim 等[22]進一步考慮碳排放量的動態變化,發現若消費者無低碳偏好,單獨決策和合作決策下研發水平和碳排放量分別相等,并通過數值模擬表明,若消費者有低碳偏好,合作決策下研發水平較高、碳排放存量較低,而且,隨著消費者低碳偏好程度的增強,兩種決策下研發水平和碳排放量差別越大。在供應商和制造商構成的供應鏈中,楊仕輝等[23]發現,與單獨決策相比,合作決策下供應鏈總利潤較高,制造商和供應商的研發水平也較高。這些研究假定供應鏈企業可選擇的策略較為簡單,其余學者提供了更為豐富的策略選擇。個別研究細劃了單獨決策。李友東等[24]將供應鏈企業單獨決策分為各企業同時決策和先后決策,并比較了它們與合作決策的效果,發現各企業同時決策下供應鏈總利潤最高,合作決策下供應鏈總利潤最低,各企業先后決策下供應鏈總利潤介于兩者之間。部分研究增加了供應鏈企業之間的分擔成本。趙道致等[25]和徐春秋等[26]考慮制造商和零售商可選擇無成本分擔的單獨決策以及制造商分擔零售商的低碳宣傳成本的分散式決策、合作決策,發現成本分擔契約可能會提高各企業利潤,但不會提高制造商的減排水平,合作決策下的減排效果最好、供應鏈利潤最高。游達明等[27]考慮制造商承擔零售商的部分或全部促銷成本后發現,與單獨決策相比,合作決策可以提高制造商研發水平和供應鏈利潤。楊寬等[28]考慮制造商確定減排量和批發價格以及零售商確定融資比例和訂貨量,建立了零售商占主導、制造商占主導以及雙方合作決策的博弈模型,研究了消費者低碳偏好、融資利率等對碳減排量、利潤等的影響。郭煒恒等[29]考慮零售商不分擔制造商減排研發成本、零售商分擔制造商減排研發成本以及制造商與零售商合作決策,發現供應鏈的最優決策與減排成本分擔比例有關。黃帝等[30]考慮零售商主導的單獨決策、制造商主導的單獨決策以及雙方集中決策的效果,發現供應鏈的最優決策與碳稅稅率有關。武丹等[31]考慮碳減排量的動態變化,比較了供應商和制造商選擇合作決策和單獨決策的效果。王道平等[32]也考慮碳減排量的動態變化,比較了政府提供補貼時供應商和制造商選擇無成本分擔的單獨決策、有成本分擔的單獨決策以及雙方合作決策的效果。王道平等[32]同時考慮碳減排量和商譽的動態變化,比較了有無政府補貼下制造商和零售商選擇無成本分擔的單獨決策、有成本分擔的單獨決策以及雙方合作決策的效果。

綜上所述,學者們對研發形式有較為詳細的劃分,也對消費者低碳偏好下供應鏈減排研發決策和決策模式有較為深入的研究,為進一步研究提供了較好的借鑒,但有關消費者低碳偏好下供應鏈減排研發決策和決策模式方面的研究還存在如下不足:①這些研究集中于制造商是否要進行研發以及上下游企業是否要合作決策,尚無研究涉及制造商之間選擇研發形式;②這些研究重點關注消費者低碳偏好對供應鏈決策的影響,鮮有學者關注研發成果的溢出。

本文的主要貢獻體現在兩個方面:①考慮供應鏈中制造商之間選擇研發競爭和研發合作等減排研發策略,并綜合研發水平、凈碳排放量、各成員利潤以及供應鏈總利潤的變化,試圖找出各方均能接受的減排研發策略選擇;②同時考慮減排研發溢出和消費者低碳偏好兩個因素,探討減排研發策略選擇的條件,更好地揭示減排研發策略選擇的復雜性。

1 理論模型構建

1.1 基本假設

考慮由兩個制造商和一個零售商構成的兩級供應鏈。制造商Mi(i=1,2)生產的產品數量為qi,以批發價格ωi銷售給零售商R,零售商R再以零售價格pi銷售給具有低碳偏好的消費者。在產品的生產過程中,不考慮生產成本,并設單位產品產生單位碳排放量。為降低產品的碳排放量,吸引消費者購買本企業產品,制造商可主動實施減排研發,研發策略包括研發競爭(各制造商以自身利潤最大化為目的確定最優研發水平)和研發合作(各制造商以兩制造商的總利潤最大化為目的確定最優研發水平)。借鑒文獻[34],設制造商Mi的研發水平為xi,研發成本為:。研發成果可在制造商之間溢出,設溢出率為β(0≤β≤1)。特別地,當β=0時,政府對研發成果保護非常嚴格,研發成果難以在制造商之間自由溢出;當β=1時,政府沒有對研發成果提供保護,研發成果可在制造商之間完全溢出。因此,制造商Mi的凈碳排放量為:ei=qi-xi-βxk,i,k=1,2,i≠k。另外,零售商R可分擔制造商Mi一定比例的研發成本[6],設分擔比例為s(01。另外,設消費者對制造商Mi的產品的逆需求函數為:pi=1-qi-qk-θei,從而可求得消費者對制造商Mi的產品需求函數為

零售商R和制造商Mi的利潤函數分別為:

1.2 博弈規則

考慮零售商分擔制造商一定比例的研發成本對制造商實施研發的積極作用,以及研發決策通常是需要在早期決定的長期決策[36],設定制造商和零售商之間的博弈順序為:第1階段,零售商確定研發成本的分擔比例;第2階段,制造商選擇研發策略(包括研發競爭和研發合作)及確定相應的研發水平;第3階段,制造商確定產品的批發價格;第4階段,零售商確定產品的零售價格。下面運用逆向求解法求解。

2 模型求解

2.1 研發競爭模型的求解

(1)求解最優零售價格。給定零售商的研發成本分擔比例、制造商的研發水平和批發價格,零售商以自身利潤最大化為目的確定最優零售價格。將式(1)代入式(2),零售商確定最優零售價格的問題為

聯立?πr/?p1=0和?πr/?p2=0,可求得零售商確定的價格為

(2)求解最優批發價格。將式(5)回代式(1),可求得消費者對制造商Mi的產品需求函數為

給定零售商的研發成本分擔比例和制造商的研發水平,制造商Mi確定最優批發價格問題為

聯立?πm1/?ω1=0和?πm2/?ω2=0,可求得制造商Mi確定的批發價格為

然后,求解最優研發水平。在研發競爭模式下,各制造商以自身利潤最大化為目的確定最優研發水平。制造商Mi確定最優研發水平的問題為

聯立?πm1/?x1=0和?πm2/?x2=0,可求得制造商Mi的研發水平為

(3)求解減排研發成本的最優分擔比例。零售商以自身利潤最大化為目的確定最優分擔比例。將式(5)、(6)和式(8)以及式(10)代入式(2),該最優化問題為

由?πr/?s=0可求得制造商選擇研發競爭下零售商的最優分擔比例為

研發競爭模型的其余均衡解為:

如圖1所示。易證,當0≤β≤1,θ>1 時,恒有f(θ)

圖1 研發競爭模型有內點解的條件

2.2 研發合作模型的構建與求解

研發合作下,第3和第4階段的求解與研發競爭的相應階段的求解相同,即最優零售價格見式(5),最優批發價格見式(8),故下面依次求解研發合作模型的第2階段和第1階段。

(1)求解最優研發水平。在研發合作模型中,各制造商以兩制造商的總利潤最大化為目的確定最優研發水平。記兩制造商的總利潤為:πm=πm1+πm2。制造商Mi確定最優研發水平問題為

可證明:當θ>1時,兩制造商的總利潤的海塞矩陣為負定矩陣,即此時兩制造商的總利潤存在最優解。

(2)求解減排研發成本的最優分擔比例。在研發合作模型中,零售商仍以自身利潤最大化為目的確定最優分擔比例。將回代式(8),可求得制造商Mi的價格反應函數,然后將回代式(5),可求得零售商的價格反應函數,最后將和代入式(6),可求得消費者對制造商Mi的產品需求函數。因此,該最優化問題為

研發合作模型的其余均衡解為:

對任意0≤β≤1和θ>1,恒有ssc>0。為保證研發合作模型有內點解,需滿足:,即要求

成立。令Δ2=0,可求得β的兩根分別為:

圖2 研發合作模型有內點解的條件

容易證明,當0≤β≤1,θ>1時,恒有δ(θ)<γ(θ),故研發合作模型有內點解的條件為0≤β<δ(θ)。因此,綜合各模型均有內點解的條件,可發現需滿足的條件為:0≤β

圖3 各模型均有內點解的綜合條件

3 供應鏈橫向減排研發策略選擇

3.1 減排成本分擔比例比較

由式(12)、(20),研發競爭和研發合作下零售商對制造商減排成本分擔比例比較如下式所示:

由式(25)易證,在研發競爭模型和研發合作模型均有內點解的條件下,有

圖4 研發競爭與研發合作下研發水平比較

命題1當0 ≤βsnc。

命題1意味著在不同的減排研發策略下,零售商分擔減排成本的比例并不相同,要取決于研發溢出率和消費者低碳偏好的程度。即零售商要根據兩者的相對大小,以確定在不同減排研發策略下的最優分擔比例。可能的原因是:一方面,零售商分擔減排成本會減少其獲利,不愿提高分擔比例;另一方面,零售商分擔減排成本有利于降低制造商的減排成本,促進其減排,降低其凈碳排放量,提高產品的零售價格,又會增加零售商的收益,吸引零售商提高分擔比例。因此,零售商需要確定減排成本的最優分擔比例。制造商選擇不同的減排研發策略時,受研發溢出率和消費者低碳偏好程度的影響,減排成本的分擔比例對制造商減排研發水平的影響不同,進而對零售商分擔的減排成本和產品零售價格的影響也不相同,最終零售商最優的減排成本分擔比例也有差異。具體而言,當β

3.2 研發水平比較

由式(13)、(21),研發競爭和研發合作的研發水平比較如下式所示:

由式(26)知,在研發競爭模型和研發合作模型均有內點解的條件下,有

恒成立,從而有

因此,若β?(θ),則成立。因此,研發競爭和研發合作下制造商Mi的研發水平變化可用命題2表示。

命題2當0 ≤β

命題2意味著在不同的減排研發策略下,制造商的研發水平有差異,也要取決于研發溢出率和消費者低碳偏好的程度。即制造商要根據兩者的相對大小,以確定在不同減排研發策略下的最優研發水平。盡管零售商會分擔制造商的減排成本,制造商實施減排研發依然需要承擔剩余的減排成本,在一定程度上增加了其成本,但同時制造商會由于減排研發水平的提高而制定較高的批發價格,又會在一定程度上增加其收益。因此,制造商需要確定最優的減排研發水平。雖然隨著零售商分擔減排成本比例的變化,制造商的減排研發水平也表現出相同方向的變化,但是,受研發溢出率和消費者低碳偏好程度的影響,在不同減排研發策略下制造商的減排研發水平變化是有區別的。具體而言,當β

3.3 銷售量比較

由式(16)、(24),研發競爭和研發合作下制造商Mi的產品銷售量比較如下式所示:

由式(27)知,在研發競爭模型和研發合作模型均有內點解的條件下,有

若β?(θ),則有因此,研發競爭和研發合作下制造商Mi的產品銷售量變化可用命題3表示。

命題3當0 ≤β

命題3意味著在不同的減排研發策略下,產品的銷售量也有區別,這還是要取決于研發溢出率和消費者低碳偏好程度。即制造商要根據兩者的相對大小,以確定在不同減排研發策略下產品的銷售量。制造商擴大產品的銷售量一方面可以為其獲得更多收益,另一方面又會增加其凈碳排放量,降低產品的零售價格,減少其收益。因此,制造商需要確定最優的產品銷售量。雖然隨著制造商減排研發水平的變化,制造商的產品銷售量也表現出相同方向的變化,但是,受研發溢出率和消費者低碳偏好程度的影響,在不同減排研發策略下制造商的產品銷售量變化是有區別的。具體而言,當β

3.4 凈碳排放量比較

記研發競爭下制造商Mi的凈碳排放量為:,研發合作下制造商Mi的凈碳排放量為:根據式(13)、(16)以及式(21)、(24),有

由式(28)知,在研發競爭模型和研發合作模型均有內點解的條件下,有

若β?(θ),則有因此,研發競爭和研發合作下制造商Mi的凈碳排放量變化可用命題4表示。

命題4當0 ≤β

命題4意味著受研發溢出率和消費者低碳偏好程度之間相對大小的影響,制造商選擇不同的減排研發策略所產生的凈碳排放量有差異。由命題2和命題3的分析可知,不同減排研發策略下制造商的減排研發水平和產品銷售量的變化方向相同,但它們的變化程度受研發溢出率和消費者低碳偏好程度的影響。具體而言,當β

3.5 企業利潤比較

3.5.1 制造商的利潤比較 研發競爭下制造商Mi的利潤為

由式(29)知,在研發競爭模型和研發合作模型均有內點解的條件下,有

圖5 研發競爭與研發合作下制造商利潤比較

因此,研發競爭和研發合作下制造商Mi的利潤變化可用命題5表示。

命題5當0 ≤β

命題5意味著受研發溢出率和消費者低碳偏好程度之間相對大小的影響,不同減排研發策略下零售商分擔減排研發成本的比例、制造商的減排研發水平以及產量和批發價格均不相同,導致制造商選擇不同的減排研發策略獲得的利潤也不相同。具體而言,當β

3.5.2 零售商的利潤比較 經整理,研發競爭下零售商的利潤為

由式(30)知,在研發競爭模型和研發合作模型均有內點解的條件下,有

容易證明,Λ2<0恒成立。因此,若β?(θ),則有因此,研發競爭和研發合作下零售商的利潤變化可用命題6表示。

命題6當0 ≤β

命題6意味著受研發溢出率和消費者低碳偏好程度之間相對大小的影響,不同減排研發策略下制造商的減排研發水平、批發價格和銷售量、零售商的減排成本分擔比例和零售價格均不相同,制造商選擇不同的減排研發策略會影響零售商的利潤。具體而言,當β

3.5.3 供應鏈總利潤比較 研發競爭下供應鏈的總利潤為:,研發合作下供應鏈的總利潤為:經比較有

由式(31)容易證明,在研發競爭模型和研發合作模型均有內點解的條件下,Λ3>0恒成立。因此,有

令Λ4=0,如圖6所示,可求得β=ν(θ)。若β<ν(θ),有Λ4>0;若β>ν(θ),有Λ4<0。

圖6 研發競爭與研發合作下供應鏈總利潤比較

因此,結合研發競爭模型和研發合作模型均有內點解的條件,供應鏈總利潤的變化可用命題7表示。

命題7當0 ≤βπnc。

命題7意味著受研發溢出率和消費者低碳偏好程度之間相對大小的影響,不同減排研發策略下制造商的利潤和零售商的利潤也不相同,制造商選擇不同的減排研發策略會影響供應鏈總利潤。具體而言,當β

綜合命題1～7,較之于研發競爭,制造商選擇研發合作下制造商減排研發水平、零售商分擔制造商研發成本比例、制造商的銷售量和凈碳排放量、各企業利潤以及供應鏈總利潤的變化,如表1所示。

表1 供應鏈橫向減排研發策略選擇的綜合效果

由表1可見:若β

4 結論

本文在減排研發成果可溢出和消費者對低碳產品有偏好的情況下,針對兩個制造商和單個零售商構成的兩級供應鏈,構建了零售商確定減排研發成本的分擔比例、制造商選擇減排研發形式(包括研發競爭和研發合作)以及確定相應的研發水平和產品的批發價格、零售商確定產品的零售價格的四階段博弈模型。從分擔比例、減排研發水平、銷售量、凈碳排放量和企業利潤等方面,重點研究了研發溢出率和消費者低碳偏好對研發策略的影響。研究結果表明:

(1)當研發溢出率很低和消費者低碳偏好程度很高時,制造商選擇研發競爭會提高減排研發水平、減排成本的分擔比例、產品的銷售量、零售商利潤和供應鏈總利潤,改善環境質量和降低制造商利潤,如果零售商能適當補償制造商,制造商會選擇研發競爭。

(2)當研發溢出率很低和消費者低碳偏好程度特別高時,制造商選擇研發合作不利于提高減排成本的分擔比例、減排研發水平、銷售量和改善環境質量,但制造商選擇研發競爭會降低制造商的利潤和供應鏈的總利潤,故制造商會選擇研發合作。

(3)當研發溢出率較高時,若消費者低碳偏好程度也較高,制造商選擇研發合作可以提高減排成本的分擔比例、減排研發水平、銷售量、零售商利潤和供應鏈總利潤、改善環境質量,但制造商的利潤變化不確定,如果制造商能分享零售商的部分利潤,制造商會選擇研發合作。

(4)當研發溢出率較高和消費者低碳偏好程度非常高時,制造商選擇研發合作時減排成本的分擔比例、研發水平和銷售量均較高,環境質量得到改善,制造商和零售商均可獲得更多利潤,供應鏈的總利潤也更多,而且此時無需設計任何契約,制造商會選擇研發合作。

上述結論為面臨研發成果的溢出和具有低碳偏好的消費者時,供應鏈中的制造商之間選擇合理的橫向研發策略、零售商適當分擔制造商的減排研發成本提供了科學依據,有利于實現供應鏈的協調。然而,本文僅考慮供應鏈成員選擇橫向減排研發策略和研發成果的水平溢出,未來可以引入供應鏈成員選擇垂直減排研發策略以及研發成果的垂直溢出,更為深入地研究供應鏈的減排研發策略選擇。