制造商主导的低碳供应链减排策略分析

王彦春+冯耕中+王能民

内容摘要：低碳经济的出现使环境资源有了稀缺性，企业有效的碳管理可以实现由碳成本向碳收益的转化，所以制造企业的减排效果具有价值属性。本文基于消费者低碳意识对低碳供应链减排策略的影响，构建决策模型，比较集中决策和分散决策下的利润。结果表明：集中决策时，供应链中各企业的利润和减排效果较好；而分散决策时，企业若要减少碳排放量，则必须降低产量，使利润降低；政府应重点监控供应链上游碳排放量较大的企业。

关键词：低碳供应链 碳减排策略 可持续发展 碳交易

引言

随着低碳经济的发展，很多国家基于政府环境规制理论，建立了碳排放权交易市场，开始尝试将碳排放权交易市场化，制造企业既可以在碳排放权交易市场中购买排放权，也可以出售额外的排放权，赋予了碳排放权以商品的属性。因此，碳排放权作为一种全新的环境资源，必然会对企业的成本结构产生重大影响。企业减排会使得成本增加，但消费者的低碳偏好又是大势所趋，所以企业将面对一个机遇与挑战并存的时代。

低碳問题已成为近些年研究的热点，已有学者将其引入供应链的研究中。杜少甫（2009）研究了碳排放许可与交易机制对碳排放依赖型企业生产决策的影响。Zhang等（2011）通过扩展原有的报童模型，考虑了当需求随机时，制造企业碳排放权应如何交易。付秋芳等（2013）测量了供应链多阶段碳足迹，并将制造商作为核心企业，在三种不同的碳排放权分配机制下，建立了两级供应链碳减排博弈模型，探寻不同分配机制下碳足迹的变化情况。Benjaafar等（2013）则分析了如何通过运营决策来减少碳排放，同时讨论供应链企业合作与减排效果等问题。程子腾、严金明（2016）以柳州市新型城镇化低碳发展为案例，对经济增长和能源消耗脱钩的现象进行了研究。Fei L等（2011）指出由于消费者低碳偏好的转变，消费者会更加注重产品的低碳环保性，而不仅关注其传统的使用价值。碳排放权交易、消费者偏好转变等必将对企业传统的生产方式、运营策略等方面产生巨大影响，企业的经营必将面临许多新的机遇与挑战。常见的碳排放权分配方式有：免费分配、公开拍卖和标价出售，本文后续的分析是基于免费分配这一假设。李臻（2015）应用Netlogo仿真平台对清洁发展机制市场的交易过程进行了刻画，为研究CDM的模拟交易奠定了较强的理论基础。马晓明等（2016）认为制造业领域的碳排放情况需要重点关注，并对1990-2014年中国制造业碳排放相关的影响因素进行了LDMI分解。Hoen等（2014）对实际数据的分析表明调整运输方式能大幅降低碳排放。唐建荣、邓林（2014）对碳足迹进行了情景分析，通过实证分析对碳足迹展开详细研究。前人都是基于宏观层面对碳排放权交易展开理论或实证研究，很少考虑碳排放权交易情境下，企业具体的生产运营决策及供应链整合与优化问题。本文首先构建了一个简单的两级低碳供应链模型，以制造商为核心企业，且不考虑零售商的碳排放。随后将模型扩展，引入碳排放权交易的同时也考虑零售商的碳排放（李友东，2013），使模型更加完整。

两级供应链低碳博弈模型

（一）问题描述与参数设定

问题描述与模型假设。消费者低碳意识是实现减排的重要外部力量，随着消费者低碳意识的提高，企业会主动进行研发降低碳排放（谢鑫鹏，2013）。基于消费者低碳意识构建相应的需求函数，本文通过分析分散决策和集中决策下制造商与零售商的博弈，并对如何提高企业减排积极性提出建议。

模型假设如下：

制造商的成本函数，引用（DAspemont C，1988）研究中的经典成本函数。假设制造商的成本由两部分组成：首先不考虑碳减排活动，即进行正常生产活动所付出的基本生产成本c ；为了减少碳排放而投入的研发费用 βr2，假设c 与r 成二次方关系（Ray，2004），即：

其中q 为市场需求量，p 为产品的价格，t 为消费者低碳偏好水平，a，t>0 ，产品的单位碳减排量与价格呈线性关系（Choi ，1996&Li，2008）。

求解结果应保证企业有正的需求量和非负的利润。

模型结构。博弈模型中制造商居于主导地位，基本结构如图1所示。模型变量与参数。该模型的变量与参数如表1所示。

（二）模型分析

集中决策。供应链中存在一个中心决策者，对供应链整体进行整合，从供应链整体利润最大化的角度进行决策，省略了中间价格，其决策变量简化为只有p 和r ，该问题可描述为：

定理 1：用下角标 表示集中决策下的最优解，在集中决策模型下整个供应链存在唯一最优解：

将式（4）中的最优价格和碳减排量代入需求函数及供应链整体利润函数中，得到集中决策模型下的最优市场需求量及最优利润：

分散决策。由于制造商是核心企业，制造商将优先对减排量r 和批发价格ω 进行决策，之后零售商再确定零售价格p 。

定理 2： 用下角标 d表示分散决策下的最优解，分散决策模型下两级低碳供应链存在唯一最优解：

将求得的最优值代入各自利润函数的表达式，可以得到制造商、零售商和整个供应链的最优利润：

命题1：在分散决策模型情况下，制造商和零售商以及供应链整体的利润都随着消费者低碳偏好的增加而升高；而在集中决策下，结果也是一样的。这表明，随着消费者低碳偏好的提升，消费者会主动为低碳产品支付更高的对价，使供应链所有成员的收益都增加。

命题2：在两种模式下，当减排研发投入成本系数β 降低时，制造商的碳减排水平r 将增加，减排成本βr2 也增加。当β 降低时，在分散决策下，产品的市场需求会增加，使得制造商和零售商的利润都提高。制造商可以通过提高减排研发效率、低碳技术创新等手段来降低减排成本。

当消费者低碳偏好被正确引导时会大量提升市场需求量，这样对企业的减排投入和技术创新有很好的刺激效果。根据规模经济效益，过多的投入使碳减排研发投入成本系数降低，使产品的碳排放减少量提高；但是，如果消费者低碳偏好较低时，则会严重影响制造商的积极性，使企业的减排量下降，从而无法达到减排的效果。

命题3：将两种模式比较，可以发现：在集中决策下，产品有更低的价格，同时有更高的销售量，供应链整体利润也相对更大一些。但在两种模式下，制造商的碳减排量是一样的。

由于在集中决策下，原本的制造商和零售商变成了一个新企业的两个部门，原来的批发价格成为部门之间的转移价格，决策者可以站在整个供应链的角度进行决策，自然会取得比分散决策情况更优的整体利润。

考虑碳交易的两级供应链低碳博弈模型

（一）问题描述与参数设定

问题描述与模型假设。零售商可通过投入低碳技术及优化流通环节来减少碳排放，在免费碳配额条件下，制造商和零售商要在独立减排及联合减排之间进行权衡，不同的选择带来的减排效果及利润都不一样。同时，碳交易价格也是影响减排效果的重要因素。产品的清洁度不能仅以碳排放的减少量来衡量，因为不同产品排放基准是不同的，但可以通过减排率进行比较。

模型假设如下：

制造商和零售商在生产销售过程中都会产生碳排放，都面对来自政府的减排压力，其中制造商有一定的碳排放限额，即超过限额部分才需要额外购买，而零售商所产生的碳排放都需要额外购买。

为了方便计算，产品需求仅是其价格的线性函数。

当企业实际碳排放额小于政府初始分配的碳配额时，企业会选择卖出多余的量；而当碳配额不足时，企业会去碳交易市场进行购买，补充不足的碳配额。

模型结构。基本结构如图2所示。模型变量与参数。该模型涉及的变量与参数如表2所示。

（二）模型分析

模型构建。对于考虑碳减排及碳交易的企业而言，其利润函数主要由销售收入、碳减排研发投资、碳排放权交易损益三部分构成。因此，制造商的利润函数可表示为：

当考虑碳减排和碳交易时，零售商的利润函数为：

分散决策。分散决策下，制造商和零售商不合作，以各自利润最大化进行决策。

定理3 ：考虑碳交易时，分散决策模型存在唯一最优解，用下标 表示：

集中决策。集中决策分为两个阶段：首先对碳减排率进行联合决策，之后共同再对产品价格进行决策。

因此整个供应链的利润函数如式（19）所示：

定理 4：用下角标 B表示考虑碳交易时集中决策模型的最优解，当时，整个低碳供应链存在唯一最优解，结果为：

命题4：两种决策模型碳减排率的比较

其它条件相同，分散决策模型中制造商比零售商更容易减排，而集中决策模型中制造商与零售商的减排率是相同的。

分散决策下，当减排投入系数相同时，制造商会取得更高的减排率，零售商要投入更多来获取相同的减排率。为了减少碳排放必须要从源头抓起，投入相同的减排投资在制造商会取得更大的减排效果。而在集中决策下，上下游的减排率是相同的，因为在集中决策下制造商和零售商相当于是一个企业的两个部门。

在集中决策模型中，供应链上下游的减排率都比较高，说明整合之后的碳减排率要高于分散决策的情形。因此政府应该加强引导，进一步刺激供应链上下游进行联合减排。

命题5：低碳供应链碳减排率与碳交易价格的关系

集中决策下，碳交易价格一个微小的波动，将会导致整个供应链的碳减排率产生很大的波动；但在分散决策下，碳交易价格发生较大的波动也不会使碳减排率发生太大变动。根据国际经验，在碳交易制度刚被引入市场时，碳交易价格通常是很不稳定的，所以很多企业的减排策略和减排效果都不是很理想。但随着碳交易市场制度的逐步发展成熟，不能适应的企业最终将会被市场淘汰；而那些适应稳定碳价格并进行合作减排的企业将会获得良好的减排效果和可观的利润。

命题6：两种决策模型下供应链利润与碳排放总量的比较。

集中决策能够取得最大化的利润，因此，供应链整体的利润与企业间的整合程度高度相关。

在两种决策模式下，单位产品的碳排放量与整合程度成反比，而供应链的总产出与整合程度成正比。因此，任何决策都需要综合考虑各种因素，而不只是通过单一变量进行决策。

从上述分析可以看出，即使集中决策模型下单位产品的碳排放量不大，但是由于会取得最优产量，所以会导致整体的碳排放总量并不低。如果想降低碳排放量，那么只能在保证碳减排率不变的基础上，减少产量。因此，企业总是要在整体碳排放总量与利润之间做出权衡，现有的减排技术还不支持低碳排放总量的同时获取高额利润。通常政府环境监管部门都会设定相应的碳排放总量上限，当企业不顾环境污染只追求自身利润时，则会超过政府环境规制的限额（杨仕辉，2016），遭到巨额的罚款，这样是得不偿失的。

结论

供应链管理的核心是如何更好地提高供应链成员的收益，包括上下游的协调与合作。通过模型的建立和分析发现：在集中决策和分散决策中，减排效果和利润都会随整合程度的提高而增加。相较于分散决策，完全整合后的集中决策能够在取得较高减排效率的同时也保持高利润率。由于企業降低碳排放量必须舍弃部分利润，因此企业需要在利润和碳排放之间进行权衡。另外，碳减排率与碳交易价格的关系取决于减排活动的难易程度。对政府环保部门而言，设置合理有效的碳排放额上限是首要任务，同时应该对碳排放量较大的企业进行重点监控，掌握实时数据，尤其更应着重关注处于供应链源头的企业，这样通过耗费较低的监督成本就可以取得理想的减排效果。

本文将政府的排放总量限制看作是外生变量，而如果将其视为减排的内生变量，会得到不同的结论。在今后的研究中，还可以考虑不同的碳配额分配方式，如根据产量分配或拍卖分配等。

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