碳税政策下的双渠道供应链碳减排技术创新协作策略

曹细玉，吴晓志

(电子科技大学中山学院，广东 中山 528402)

随着电子商务的快速发展及广泛运用，各级政府和制造商高度重视电子商务发展与创新，众多制造企业尝试开展网上直销业务，旨在传统零售渠道的基础上拓展网上销售，实现网上直销渠道与传统零售渠道的双渠道销售融合.目前，国内外学者对双渠道选择、渠道冲突、定价策略与协调问题进行了深入的研究.Yao和Liu通过构建Bertrand和Stackelberg两种竞争模型并进行分析，指出制造商引入网络直销渠道会引起传统渠道和直销渠道间的价格竞争，但也会激励传统零售渠道改善服务[1]；Chiang等指出网络直销渠道将影响传统渠道零售商的销售价格，有助于降低“双重边际化”现象，进而提升供应链总利润[2]；Cai以及Chen等通过比较单一渠道和双渠道模式下供应商和零售商的收益，就双渠道选择与协调问题进行了研究[3-4]；许传永等就顾客购买成本及消费者对直销渠道的接受程度，分析了直销渠道对制造商的多重作用，指出在不同的情形下制造商的定价策略取决于批发价格和渠道的比较优势[5]；但斌等指出在双渠道供应链下制造商将直销渠道订单按一定比例提供给零售商作为利益补偿可激励零售商参与其合作，并可实现双渠道供应链协调[6]；曹细玉研究了需求与退货价格具有相关性的双渠道供应链定价策略与协调问题[7].

随着环境的持续恶化及气候变暖，减少和控制碳排放成为国际社会的普遍共识.中国在2016年提出，到2030年单位国内生产总值的二氧化碳排放比2005年下降60%～65%，可见中国的碳减排任务十分艰巨.碳税政策作为引导企业减少和控制碳排放的有效政策措施，在欧盟国家进行了很好的实践，并取得了初步成效[8-9].目前，国内外学者就碳税机制下单一渠道供应链的生产运作、碳减排策略及协调的研究比较多.熊中楷等研究了碳税和消费者环保意识对供应链碳排放的影响[10]；马秋卓等研究了碳交易政策下供应链的产品定价及生产决策问题[11]；Benjaafar等分析了三种碳排放政策对供应链碳排放的影响[12]；杨惠霄等研究了碳税和消费者低碳偏好下的供应链碳减排策略[13].近年来，随着低碳经济的发展及双渠道供应链的成功实践，国内外学者开始将碳排放机制与双渠道供应链结合起来进行研究，探讨了低碳环境下供应链双渠道选择、双渠道供应链的减排决策、价格决策及协调问题.杨仕辉等研究消费者低碳偏好下的供应链双渠道选择与协调问题[14]；周熙登研究了考虑品牌差异的双渠道供应链减排与低碳宣传策略[15]；杨磊等研究了碳交易机制下供应链渠道选择与减排策略[16]；Ji等则研究了考虑消费者低碳偏好的双渠道供应链碳减排策略问题[17].

从上述分析可知，现有文献针对碳税政策下的双渠道供应链的研究比较少，考虑消费者低碳偏好及碳减排技术创新投入的研究比较缺乏.本文考虑碳税政策下的消费者低碳偏好以及碳减排技术创新投入，分别建立制造商单独碳减排技术创新投入和制造商与零售商分摊碳减排技术创新投入的双渠道供应链模型，主要解决基于碳税政策下的四个问题：1)制造商单独碳减排技术创新投入及制造商与零售商分摊碳减排技术创新投入对双渠道的最优销售量、最优碳减排率、制造商利润、零售商利润及供应链利润的影响；2)针对不同碳减排技术创新投入模式如何实现双渠道供应链协调；3)市场竞争程度、消费者低碳偏好对双渠道供应链销售量、碳减排率、制造商利润、零售商利润及供应链系统利润的影响；4)碳减排技术创新投入成本的分摊比例对双渠道销售量及供应链利润的影响.

1问题描述与相关假设

考虑由风险中性的单个制造商和单个零售商组成的双渠道供应链，制造商生产的产品一方面通过传统渠道的零售商把产品销售给消费者，另一方面制造商开设网络直销渠道将产品直接销售给消费者.本文中相关的符号及含义如表1所示.

表1 相关符号及含义Tab.1 Related symbols and meanings

续表1

直销渠道和传统渠道都有各自的市场潜力，且两渠道间相互存在一定的竞争关系，因而产品的渠道销售价格将受两个渠道的市场需求量影响，而且产品渠道销售价格受本渠道市场需求量影响会更大.另外，由于消费者具有低碳偏好，消费者愿意购买低碳产品并愿意为其支付更高的价格，因而越低碳的产品其销售价格越高.为此，假设市场需求是确定型的，且假设双渠道的逆需求函数分别为pr=ar-Qr-θQd+βτe和pd=ad-Qd-θQr+βτe.

2 模型的构建与分析

2.1制造商单独碳减排技术创新投入的决策模型

由于碳减排技术创新需要先期投入，设双渠道供应链中制造商居于主导地位，制造商先确定自己的碳减排率τ，然后确定给予零售商的批发价格w和网络直销渠道销售的产品数量Qd，零售商根据市场需求和批发价格确定自己的销售量Qr，此均衡结果是一个子博弈纳什均衡.由于碳减排技术创新投入可为制造商减少碳排放，为了计算分析的方便，这里只考虑碳减排为制造商节约的碳税收益和碳减排技术创新投入成本，不考虑碳减排之前的碳排放成本，因而由前面的假设可知零售商的收益函数(πr)和制造商的收益函数(πm)分别为：

πr=(pr-w)Qr=(ar-Qr-θQd+βτe-w)Qr，

(1)

πm=(w-c+λτe)Qr+

(w-c+λτe)Qr+(ad-Qd-θQr+

(2)

(3)

将式(3)代入式(2)，可得：

πm=

(4)

(5)

(6)

(7)

由式(3)进而可得传统渠道零售商的最优销售量为：

命题1双渠道供应链在制造商单独碳减排技术创新投入的情况下，两渠道总潜在需求越大，碳减排率越高；制造商直销渠道的潜在需求越大，碳减排率越高.

证明由于

τ1*=

2.2制造商和零售商联合碳减排技术创新投入的决策模型

现实中，由于消费者具有低碳偏好，制造商通过碳减排技术创新投入，减少了碳排放，因而可以提高双渠道供应链各成员的竞争力并扩大销售，因此，零售商有动力激励制造商进行碳减排技术创新投入，降低产品的碳排放.假设制造商在碳减排技术创新投入前，零售商和制造商通过协商，零售商愿意分担t(0

πr=(pr-w)Qr=

(8)

πm=(w-c+λτe)Qr+

(w-c+λτe)Qr+(ad-Qd-θQr+

(9)

(10)

将式(10)代入式(9)，可得：

(11)

(12)

(13)

(14)

由式(12)、式(13)和式(14)可得制造商的最优碳减排率、最优批发价格和最优网络直销量分别为：

进而由式(10)可得零售商的最优销售量为：

证明由于成本分摊比例0

很显然有τ2*>τ1*.

由前面计算推导可知：

3制造商碳减排技术创新投入下双渠道供应链Pareto改进契约设计

在碳税机制下，进行碳减排技术创新投入时集中式(centralized)双渠道供应链的决策模型如下：

πC=(ar-Qr-θQd+βτe-c+λτe)Qr+

(ad-Qd-θQr+βτe-c+λτe)Qd-

(15)

由前面的假设4(1-θ)[(β+λ)2e2-(1+θ)η]<0，因而可得πC的Hessian矩阵为负定的，因而是关于Qr、Qd和τ的凹函数.求式(15)关于Qr、Qd和τ的一阶偏导数并令其等于0，则有：

(16)

(17)

(18)

命题3在制造商单独碳减排技术创新投入情况下，采用两部定价契约能够实现双渠道供应链的Pareto改进.

证明为了实现双供应链协调，采用两部定价合同(w，f)，在制造商给予零售商单位产品批发价格为w的情况下，制造商从零售商处获得一笔固定支付费用f，则两部定价合同机制下零售商和制造商的利润分别为：

(ar-Qr-θQd+βτe-w)Qr-f，

(19)

(20)

设从零售商利润中转移给制造商的固定收益f大于一个确定值δ，因而有：

f=(pr-w)Qr-δ=

(ar-Qr-θQd+βτe-w)Qr-δ，

(21)

将式(21)代入(20)，可知制造商采用两部定价合同时的最大化利润为：

(22)

由式(22)可得，当wT=c+λeτ时，分散式供应链传统渠道的销售量和集中式供应链传统渠道的销售量一致，从而能够实现双渠道供应链Pareto改进.

命题4在制造商和零售商联合碳减排技术创新投入下，采用转移支付补偿契约能够实现双渠道供应链的Pareto改进.

4算例分析

考虑由制造商、零售商构成的一个双供应链系统，假设ar=800，ad=1 000，c=400，e=5，β=0.2，λ=1，θ=0.3，η=10 000，t=0.1，则不同情形下最优结果如表2所示.

表2 不同情形下的最优决策与利润Tab.2 Optimal decision and profit in different situations

由表2可知，1)无论制造商是否单独承担碳减排技术创新投入成本，集中化决策时最优的传统渠道销售量、系统利润和碳减排率都大于分散化决策的最优值，而最优的直销渠道销售量小于分散化决策最优值.2)在分散化决策的最优结果中，与制造商和零售商分摊减排技术创新投入成本相比，在制造商单独承担碳减排技术创新投入成本情形下的碳减排率、传统渠道的销售量以及直销渠道的销售量更低，但批发价格更高，命题2得到验证.3)两部定价契约和转移支付补偿契约分别在两种不同情形下能够实现供应链系统的协调，命题3和命题4得到验证.

接下来主要从两个方面进行进一步分析：1)碳税、渠道竞争程度、消费者低碳偏好对最优决策过程中最优的决策变量以及利润的影响即敏感性分析.2)将分散化决策过程中两种不同情形进行对比分析，也就是分析碳减排技术创新投入成本的分摊比例对双渠道销售量及供应链利润的影响.

4.1敏感性分析

本小节主要是进一步分析碳税λ、渠道竞争程度θ、消费者低碳偏好β对最优化决策过程中双渠道销售总量(直销渠道与传统渠道销售量的总和)、碳减排率、制造商单独承担碳减排技术情形下制造商利润和零售商利润、双渠道供应链利润的影响，通过数值分析得图1～图15所示.

图1 碳税对双渠道销售总量的影响Fig.1 The effect of carbon tax on the total sale quantity

图2 碳税对碳减排率的影响Fig.2 The effect of carbon tax on carbon emission reduction rate图3 碳税对制造商利润的影响Fig.3 The effect of a carbon tax on manufacturers profits图4 碳税对零售商利润的影响Fig.4 The effect of a carbon tax on retailers profits图5 碳税对双渠道供应链系统利润的影响Fig.5 The effect of carbon tax on profit ofdual-channel supply chain system图6 渠道竞争强度对双渠道销售总量的影响Fig.6 The effect of channel competition intensity on the total sales quantity of dual-channels图7 渠道竞争强度对碳减排率的影响Fig.7 The effect of channel competition intensityon carbon emission reduction rate

由图1～图5可以看出，随着碳税的增加，最优的双渠道销售总量、碳减排率、制造商利润和双渠道供应链利润分别增加，但零售商的最优利润降低.这是因为碳税越高，相同条件下碳排放成本越高，进而提高供应链相关企业碳减排的积极性和主动性，碳减排率增加，随之具有低碳偏好的消费者需求增加，即双渠道的销售总量增加，此时单位产品的边际成本降低，制造商利润增加.而由前文假设的逆需求函数可知，销售量的增加会造成产品销售价格下降，零售商利润降低，其降低的幅度小于制造商利润的增幅，故双渠道系统利润增加.但由于企业碳减排投入等条件的限制，超过一定程度的碳税对企业碳减排率的影响不是太明显.因此，从政府角度来看，适当地提高碳税能够实现经济效益和环境效益的最大化.

由图6～图10可以看出，最优的碳减排率和双渠道销售总量随着渠道竞争强度的增加而降低，而制造商利润、零售商利润以及双渠道供应链利润分别随着渠道竞争强度的增加呈先降低后增加的现象.因此，对企业来说，如何平衡或者削弱直销渠道和传统渠道之间的竞争关系是实现其利润最大化的一种手段，而对政府来说，如何宏观地把控消费市场是碳排放目标能否实现的一种策略.

由图11～图15可以看出，最优的双渠道销售总量、碳减排率、制造商利润和双渠道供应链利润是消费者低碳偏好的增函数，而零售商最佳的利润与消费者低碳偏好呈U型关系.消费者低碳偏好意识的增强，意味着低碳产品需求量更高，为实现市场份额的增加，供应链相关企业会提高碳减排率，进而双渠道的销售总量增加，低碳消费者需求得到满足.销售量的增加分担了企业碳减排创新投入的成本，使得单位产品的边际收益提高，制造商单独进行碳减排创新技术投入情形下制造商利润提高，再由逆需求函数可知，此时产品销售价格降低，零售商利润随之降低，但由于碳减排率范围的限制，超过某个消费者低碳偏好临界值后碳减排投入不变.当消费者低碳偏好意识越强，产品的销售价格会升高，零售商利润增加，进而整个供应链系统的利润增加.故对政府来说，可以加强低碳环保的宣传等方式提高消费者低碳偏好意识，而对企业来说，提高碳减排技术投入，加强对低碳产品的品牌建设，控制产品的销售价格，从而最大程度地满足低碳消费者的需求.

4.2不同情形比较分析

本小节主要是在分散化的最优决策过程中，制造商单独进行碳减排创新投入与制造商和零售商分担碳减排创新投入两种情形最优决策变量的比较分析，最终通过数值分析的结果如图16～图22所示.

图16 分担比例对碳减排率的影响Fig.16 The effect of contribution ratio on carbonemission reduction rate

图18 分担比例对传统渠道销售量的影响Fig.18 The effect of share proportion on traditional channel sale quantity

图19 分担比例对销售总量的影响 Fig.19 The effect of share proportion on total sale quantity

图20 分担比例对制造商利润的影响Fig.20 The effect of share ratio on manufacturers’ profit

图21 分担比例对零售商利润的影响Fig.21 The effect of share ratio on retailers’ profits

图22 分担比例对双渠道系统利润的影响Fig.22 The effect of share proportion on profit of dual-channel system

由图16～图22可以看出：1)在制造商和零售商分担碳减排技术创新投入的分散化最优决策过程中，最优的直销渠道销售量、传统渠道销售量、双渠道销售总量、碳减排率以及制造商利润随着零售商分担碳减排创新投入比例的增加而增加，零售商利润随之降低，而双渠道供应链系统利润随之先升高后降低.2)与制造商单独进行碳减排创新投入情形相比较，分担情形下直销渠道销售量、传统渠道销售量、双渠道销售总量、碳减排率以及制造商利润更高，零售商利润较低，双渠道供应链系统利润的大小取决于零售商分担碳减排创新技术投入比例的大小.因此，从整个双渠道供应链系统角度看，选择合适的制造商和零售商碳减排创新技术投入比例，不仅能够实现整个系统利润的最大化，而且碳排放率得到提高，实现企业、政府与消费者的多赢局面.

5结论

本文研究碳税政策下直销渠道和传统渠道共存时渠道供应链碳减排技术创新策略问题.首先分别建立了制造商单独进行碳减排创新技术投入以及制造商和零售商分担碳减排创新技术投入两种情形下双渠道供应链利润的分散化决策模型；其次将两种情形进行比较分析并建立了集中化决策的供应链利润模型，然后分别通过两部定价契约和转移支付补偿契约实现双渠道供应链系统的协调；最后进行算例分析.研究结果表明：第一，无论制造商是否单独承担碳减排技术创新投入成本，集中化决策时最优的传统渠道销售量、系统利润和碳减排率都大于分散化决策的最优值，而最优的直销渠道销售量小于分散化决策最优值，同时两部定价契约和转移支付补偿契约分别在两种不同情形下实现系统协调.第二，在分散化决策的最优结果中，与制造商和零售商分摊减排技术创新投入成本相比，在制造商单独承担碳减排技术创新投入成本情形下的直销渠道销售量、传统渠道销售量、双渠道销售总量、碳减排率以及制造商利润更低，零售商利润较高，双渠道供应链系统利润的大小取决于零售商分担碳减排创新技术投入比例的大小.第三，在其他参数不变的情况下，双渠道销售总量、碳减排率、制造商利润和双渠道供应链利润分别是碳税的增函数，但零售商利润是碳税的减函数；碳减排率和双渠道销售总量是渠道竞争强度减函数，而制造商利润、零售商利润以及双渠道供应链利润都与渠道竞争强度呈U型关系；最优的双渠道销售总量、碳减排率、制造商利润和双渠道供应链利润是消费者低碳偏好的增函数，而零售商最佳的利润与消费者低碳偏好呈U型关系.从中可以得到一些启示：对企业而言，首先要加大碳减排创新技术的投入和低碳产品的品牌建设；其次是要平衡直销渠道和传统渠道的渠道竞争程度；最后是要加强与相关企业的合作，选择合适的制造商和零售商碳减排创新技术投入比例，进而实现整个社会经济环境效益最大化.对政府而言，要实现碳排放目标，一方面要加大低碳宣传力度，提高消费者低碳偏好；另一方面要制定合适的碳税税额，运用好宏观调控手段.此外，本文的研究只考虑了确定性的逆需求函数，而且是由制造商和零售商组成的简单二级供应链，但在实际情境中，低碳偏好消费者的需求是随机的，存在三级或者四级等更加复杂的供应链网络系统，这些都是有待进一步研究的方向.