供需两侧驱动下的供应链减排投资策略

唐金环，张益阁，赵礼强，荆 浩

(沈阳航空航天大学 经济与管理学院，辽宁 沈阳 110136)

0 引言

雾霾等极端天气对人类的生存和发展造成了极大的困扰和威胁，作为最能反映环境问题的信号之一，与雾霾具有同源性的碳排放受到越来越多的关注。斯特恩报告指出，全球以每年1%的GDP投入环境保护，可以避免将来每年5%～20%的GDP损失，呼吁全球向低碳经济转型。研究表明，由于人类活动对地球天然平衡的干扰，下一个冰河期可能将推迟10万年[1]。2013年，我国碳排放量首次超过美国和欧盟的总和，达到100亿吨，占世界总碳排放近三成[2]，在这种形势下，减排问题倍受我国政府和相关管理部门关注。习近平在2015年的巴黎气候会议中强调，中国将在2020年实现碳强度降低40%～45%的目标，因此我国的低碳减排问题任重而道远。

供应链是产品流通的主要载体，涵盖产品从原料采购至消费终端的全过程，这一过程中产生的碳排放比重极高，而且随着商品经济的进一步深化发展，流通速度越快，碳排放量越大。从需求侧的角度，碳敏感度需求是在碳标签实施和消费者环保意识提高的基础上演化而来，随着碳标签的逐渐普及，低碳产品已被证实具有更高的潜在价值。随着碳足迹越来越容易被识别和计算，以及人们环保意识的逐渐增强，产品的低碳水平正在成为客户价值的组成部分，无形中增加了市场对低碳产品的需求量，使产品碳排放量成为影响消费者需求的重要因素已经成为越来越多企业的共识。从供给侧的角度，为促进低碳发展，政府和环保组织出台了多类减排措施，如碳税、碳限额、限额与交易、碳补贴等。然而碳税、碳限额等惩罚性措施对企业的发展有抑制作用，实施阻力较大；随着我国碳排放权交易市场的逐渐开放，虽然限额与交易等政策有一定的生存土壤，但是该机制很难影响微观运作层的碳排放；碳补贴是市场导向型公共政策，是政府通过引导不同个体经济活动来实现低碳目标的一种工具。对于生产、流通环节的碳补贴，是通过补贴的方式激励生产者或供应链管理者积极投资低碳技术或向低碳运作方式转变，在低碳减排的普及阶段是有效的减排手段[3-4]。

碳排放政策的实施以及消费者日益凸显的碳敏感度给供应链的运营管理带来了挑战，逐步降低碳排放水平成为一个重要的问题。本文针对一个制造商和一个零售商组成的供应链系统，根据消费者的碳敏感度将其细分为绿色消费者、黄色消费者和红色消费者，探讨了供给侧的碳税政策、低碳投资补贴政策，以及需求侧的消费者碳敏感度细分情况对供应链成员最优决策和减排效果的影响，着力于解决以下问题：①供应链企业面对消费者碳敏感度水平的变化如何决策是否减排，以及进行何种程度的减排投资；②实施碳税和补贴政策对运营层面供应链低碳化的影响；③消费者碳敏感度细分发生变化时，对供应链碳排放水平和供应链收益的影响。这些是低碳供应链运营中面对的实际问题，但是目前尚无深入探讨，其研究无论从理论层面还是企业运作层面都非常重要。

来自供给侧政府的低碳压力和来自需求侧市场上消费者的压力迫使企业及其所在的供应链采取减排行动，目前常见的减排路径有技术路径、清洁能源路径和节能管理。而对供应链的微观运作层减排而言，运作优化和减排投资是两种相辅相成的减排方式[3]。从供给侧的角度，目前不少学者对不同碳排放政策下运作层的供应链减排投资问题进行了研究，Benjaafar等[5]在不同碳排放政策下研究了供应链企业的运作优化问题；Dong等[6]在限额与交易机制下研究了集成和分散决策下供应链的可持续投资问题；Xu等[7]则在限额与交易政策下分析了考虑减排投资时的供应链协调问题，结果表明，批发价策略和成本共享契约均可实现供应链主体间的协调合作。以上文献均从限额与交易机制出发研究碳减排投资，考虑碳税与补贴的研究相对较少，Krass等[8]以企业利润最大化为目标，研究了环境税对清洁技术选择的影响，结果表明恰当的税率会激励企业选择减排投资，过高或过低的税率都会导致企业放弃减排。除了对单一碳税的研究，曹细玉等[9]分析了政府补贴和碳税政策对供应链碳减排决策的影响，并指出补贴比例具有极高的决策参照敏感度；张李浩等[10]针对两家生产可替代产品的寡头竞争企业，根据减排技术的投入与否将其分为高碳企业和低碳企业，在限额机制下进行了定价和碳排量研究；龙超等[11]针对运输碳排放问题，分析了制造商、零售商、运输商在分散决策、单领域合作和双领域合作3种情况下的最优决策，研究发现，企业应对减排冲击最有效的方式为多层次合作，而政策制定者的最优路径则是先重补贴轻碳税逐渐向提高碳税转变，从而实现经济与环境的双重优化。考虑到碳税是惩罚性政策，在实际执行中对国民经济发展具有一定的抑制作用，结合我国目前经济增速较缓的现状，通过碳税和补贴双管齐下来促进供应链企业减排投资是比较有效的方式。

从需求侧的角度，随着消费者环保意识的增强，以及产品碳足迹披露的日益普遍，在供大于求的市场环境下，消费者碳敏感度水平会直接作用于产品市场需求，对供应链企业的减排和运作决策产生明显的影响。庞晶等[12]、周艳菊等[13]分别从低碳产品需求函数的构建以及低碳认知和低碳需求关系分析的角度研究了消费者低碳敏感性对市场需求的影响；Liu等[14]、Zhang等[15]在供应链成员间存在竞争的情况下，研究了消费者具有环保意识时供应链各成员的博弈和优化过程；在此基础上，Yang等[16]同时从供需两侧出发，研究了碳税和消费者环保意识影响下考虑成本分享契约和收益共享契约的供应链协调模型；Cohen等[17]研究发现，消费者的需求不确定性对是否采用政府补贴和低碳技术会产生重要影响，是一个不容忽视的参数；熊中楷等[18]研究了碳税和消费者环保意识对以制造商为领导者的供应链系统的影响，分析了政策机制和消费者偏好对单位产品碳排放和供应链成员利润的影响。已有文献多通过消费者环保意识或低碳偏好参数作用于需求函数的构建对碳敏感度进行研究，根据消费者的碳敏感度水平确定低碳产品的定价，然而由于个体行为差异，市场上的消费者并非简单地分为低碳消费者和非低碳消费者，Coskun等[19]构建的基于消费者细分的绿色供应链网络更加符合实际情况，其可以为供应链企业提供更精确的指导方案，但未考虑供给侧政策的影响。就目前的研究来看，鲜有对供需两侧驱动下供应链减排问题的研究。

本文从政府、供应链企业和消费者3个行为主体出发，对供需两侧驱动下的供应链减排投资问题进行研究，建立单制造商与单零售商下的供应链决策模型，分析政府碳税、补贴系数对减排水平和供应链利润的影响，并根据碳敏感度细分情况分析差异化消费者对供应链系统的作用，同时分析了政府、供应链企业、消费者3个行为主体各自的行为因素对供应链减排和供应链利润的影响。

1 模型前提描述

1.1 问题描述

本文研究包括一个制造商M和一个零售商R的两级供应链，假设整个供应链生产和销售一种家用电器，供应链上的绝大部分碳排放来自制造商。这里从政府、供应链企业、消费者3个行为主体出发，在供给侧考虑政府的低碳补贴政策和碳税政策，在供应链系统内考虑企业的投资减排行为和运作优化方案，在需求侧考虑不同碳敏感度消费者的低碳产品需求情况和产品溢价接受情况。研究不同情况下制造商的减排投资水平、生产低碳产品的比例、产品批发价格，以及零售商的订货量和零售价格等，如图1所示。

结合实际情况，做出如下假设：

(1)制造商减排投资主要针对设备的更新和改造达到减排的效果，假设投资成本I时，减排投资率为β，对应生产的普通产品和低碳产品的数量分别为qN和qY，q=qN+qY，并假设β=qY/q。

(2)如果制造商100%进行减排投资，则绝对碳减排量为e，根据假设(1)，制造商的减排投资率为β，则减排投资成本I=kβ2e2/2[14]，其中k为碳减排成本系数，βe=EN-EY，EN为制造商的初始碳排放，EY为制造商进行技术投资减排后的碳排放量。政府会给予比例为φ的减排补贴，即制造商的实际投资额为I(1-φ)。

(3)根据碳敏感度将消费者细分为3类(如图2)：①绿色消费者，这类消费者极其关注产品的低碳水平，具有明确的绿色消费需求，愿意为低碳产品支付合理的溢价率θ1；②黄色消费者，这类消费者有一定的环保意识，在产品功能和价格相同的情况下更愿意购买低碳产品，但愿意为低碳产品支付的溢价率水平有限，记为θ2，θ2<θ1；③红色消费者，这类消费者只关心产品的性价比，不太关心产品的低碳水平，碳敏感度税最低，记为θ3。

(4)减排投资的投入只降低了产品的低碳水平，不影响产品的产出比率和产出量，而且减排投资是一次性建设投资，不考虑减排投资后新旧设备能耗、日常运营等成本的差别。

1.2 符号说明

其他符号说明如下：

c为产品单位生产成本；a为产品的初始市场规模；wN为普通产品批发价格；wY为低碳产品的批发价格；pN为普通产品的零售价格；pY为低碳产品的零售价格；ξ为消费者的碳敏感度系数；t为碳税。

1.3 需求函数的设定

根据以往的研究，可推知不同类别消费者对低碳产品的需求量为[14]

qi=di+ξiβe-pY。

(1)

不失一般性，假定pN

2 模型构建与求解

将制造商和零售商看作一个利益整体，通过合理安排生产运营，对减排投资率β、低碳产品和普通产品定价、订货量进行决策，以实现供应链整体利润的最大化，即

(2)

式中：i=1,2,3，j=N,Y；第一项表示普通产品和低碳产品的销售净收入，第二项表示政府补贴后的一次性投资成本，第三项表示未进行减排投资部分产生的碳税成本(1-β)et。根据式(2)中需求函数的设定，分4种情况进行讨论：①情形Ⅰ，消费者无碳敏感度模型分析(N模式)；②情形Ⅱ，绿色消费者碳敏感度模型分析(G模式)；③情形Ⅲ，绿色、黄色消费者碳敏感度模型分析(GY模式)；④情形Ⅳ，消费者完全碳敏感度模型分析(All模式)。

2.1 N模式

当p1≤pY时，消费者没有低碳需求，所有消费者都购买普通产品。此时，式(2)中∀j=N，供应链的利润函数为

(1-βN2)et。

(3)

命题1N模式下的供应链利润函数是关于pN，qN，βN的严格凸函数，存在唯一最优解，通过求解可得模型的最优决策，如表1所示。

βN*的证明过程如下：

表1 N，G，GY，All 4种模式下供应链模型的最优决策

表1中，

2.2 G模式

当p2

(1-φ)e2βG2/2-(1-βG)et。

(4)

命题2G模式下的供应链利润函数是关于pN，pY，qN，qY，βG的严格凸函数，存在唯一最优解，通过求解可得模型的最优决策，如表1所示。

βG*的证明过程如下：

2.3 GY模式

当p3

(1-φ)e2βGY2/2-(1-βGY)et。

(5)

命题3GY模式下的供应链利润函数是关于pN，pY，qN，qY，βGY的严格凸函数，存在唯一最优解，通过求解可得模型的最优决策，如表1所示。

βGY*的证明过程如下：

2.4 All模式

当pY≤p3时，所有消费者都购买低碳产品，可知qi=di+ξiβe-pY，i=1,2,3，j=Y。此时供应链的利润函数为

(1-βAll)et。

(6)

命题4All模式下的供应链利润函数是关于pN，pY，qN，qY，βAll的严格凸函数，存在唯一最优解，通过求解可得模型的最优决策，如表1所示。

βAll*的证明过程同GY模式，在此从略。

证明从略。

考虑到均衡解表达式的复杂性，下面通过算例分析消费者碳敏感度细分、碳税、碳补贴因素对减排水平和供应链利润的影响，并探索其变化规律。

3 算例分析

用MATLAB(R2017b)作为计算工具对各个公式进行求解，根据不同类消费者的碳敏感度细分情况、碳税和碳补贴水平及其变化对减排投资率与碳排放水平的影响，对供应链利润的影响进行分析，以期得到有益的结论为政府相关部门和供应链企业决策提供参考。考虑到Benjaafar等[5]在构建低碳供应链模型时设定的数值参数已经过大量论证，具有极高的参考价值，而且本文所构建的模型与其有一定相似性，因此参照其给定的数值将本文参数设定为：d=10，c=1，e=5，t=0.5，k=1。初始化阶段，令ξ1=0.3，ξ2=0.2，ξ3=0.1，d1=5，d2=3，d3=2。

3.1 消费者碳敏感度及其细分变化的影响分析

首先，研究消费者碳敏感度水平对产品定价和供应链利润的影响。图3～图6以绿色消费者为例，分析了碳敏感度水平变化对制造商减排投资率、普通产品和低碳产品价格，以及不同模式下供应链利润的影响。

由图3可见，普通产品的价格不受消费者碳敏感度水平变化的影响，但与消费者细分模式相关，普通产品的价格在N模式最高，G模式其次，GY模式最低，可知不同模式下随着消费者对低碳产品接受水平的提高，普通产品的价格将越来越低；而低碳产品的价格在G模式最高，GY模式其次，All模式最低，但总体来看低碳产品的价格始终高于普通产品，即制造商减排投资的红利期在G模式只有绿色消费者选择低碳产品的时期，随着低碳观念的普及，低碳产品价格将趋于稳定，并不会背离产品的价值。

在其他条件不变的情况下，随着绿色消费者碳敏感度水平从0.3上升到0.8，N模式下的减排投资率保持不变，不受消费者碳敏感度水平的影响，G模式的减排投资率最高，GY模式次之，All模式再次之(如图4)。这主要与不同模式下的产品定价密切相关，因此制造商越早进行减排投资，所获得的产品市场空间越大。图5也从供应链利润角度验证了这一结论，从图中可见，绿色消费者的碳敏感度水平对G模式下的供应链利润影响最大，而且随着ξ1的增大供应链利润增速显著，但在All模式下，ξ1的增加对供应链利润的影响偏于平缓，因此当市场上只有绿色消费者愿意购买低碳产品时，企业的减排投资回报最高。

消费者的碳敏感度始终处于动态变动中，图6所示为在总需求不变的情况下，绿色、红色消费者市场占有率的变化对供应链利润的影响。由于总需求不变，绿色、红色消费者市场占有率变化对N模式和All模式下的供应链利润没有影响，对G模式和GY模式则有比较明显的影响。由图6可见，随着绿色消费者市场占有率的上升，红色消费者的市场占有率逐渐下降，G模式和GY模式的利润都经历了先下降后上升的过程，而且G模式下的供应链利润先下降后上升，随后GY模式下的供应链利润也经历了先下降后上升，说明市场上消费者对低碳产品的接受过程会对供应链利润产生一定影响，而且随消费者接受范围的扩大，供应链利润触底的时点会向后推延，从长远来看，消费者碳敏感度会一直上升，绿色消费者越来越多，其他类消费者对低碳产品的接受度越来越高，逐渐从N模式扩展至All模式，而企业的减排投资会为企业带来远期的利润空间。

3.2 碳税与补贴变化的影响分析

由图7可知，在其他条件不变的情况下，碳税从0变为1对减排投资率的影响是完全线性的，碳税越高减排投资率也越高，另外碳税对G模式、GY模式和All模式减排率的影响基本相同，但对N模式的影响相对较低，说明当市场上有消费者开始接受低碳产品时，碳税会发挥更大的减排作用。图8所示为碳税变化对供应链利润的影响，可见随着碳税的增加，N模式下供应链利润的下降速度最快，因此实施碳税政策与消费者碳敏感度之间存在一定正向关联，而且G模式是供应链利润最高的模式。

由图9可知，在其他条件不变的情况下，补贴率上升对G模式、GY模式和All模式减排投资率的影响较大，对N模式减排投资率的影响较小。因此，当市场上具有碳敏感度的消费者开始购买低碳产品时，碳补贴率的激励作用才能凸显出来，而且不论愿意购买低碳产品的细分消费者的比例如何，对减排投资率的影响并不大。图10所示为随补贴率上升的供应链利润的变化情况，可见当政府给出碳补贴政策时，G模式供应链的获利能力最强，GY模式次之，N模式最差。综合图8～图10可知，无论政府实施碳税政策还是补贴政策，企业为了自身发展，都会激励消费者走出N模式，向G模式过渡，而且消费者碳敏感度转化初期是供应链减排的重要阶段。

为进一步分析碳税与补贴率联合政策实施对消费者细分模式下不同状态的影响，本文给出N，G，GY，All模式下碳税&补贴率对减排投资率的影响，如图11所示。可见，N，G，GY，All模式下减排投资率的最高点都发生在碳税与补贴率最高时，此时供给侧多种政策联合减排的效果最好，4种模式下的最优减排率分别为0.4，0.703 3，0.695 7，0.690 9，可见联合政策对G模式下的减排投资率影响最大，其原因是减排投资前期阶段的低碳产品价格较高，对供应链企业减排投资有更强的引导作用。

图12所示为N，G，GY，All模式下碳税&补贴率对供应链利润的影响。可见，在N，G，GY，All模式下，当t=0，φ=0时，供应链利润差别不大，但随着减排率和碳税的增加，N模式供应链利润的下滑幅度最大，其他几种模式的下滑幅度几乎没有差异，说明当市场上的消费者都不接受低碳产品时，政府实施碳税&补贴政策(政府补贴率不可能太高，否则财政负担过重)虽然可以有效降低碳排放，但是对企业利润影响极大，然而在有消费者具有碳敏感度并愿意购买低碳产品后，对供应链利润的影响明显变小；另外，只要市场的消费者开始具有这种低碳购买行为，政府实施碳税&补贴政策就不会对供应链利润产生太大影响。因此，前期培育消费者的低碳意识并将其转化为购买行为，是发展低碳生产低碳运作的关键。

4 结束语

本文针对由单一制造商、单一零售商和消费者构成的三级供应链系统，在供给侧考虑碳税与补贴政策，在需求侧根据消费者对低碳产品的接受情况将其细分为绿色消费者、黄色消费者和红色消费者，研究了供需两侧情况动态变动下的供应链的最优决策问题。首先考虑消费者完全不具备碳敏感度的N模式，然后依次探讨了只有绿色消费者购买低碳产品的G模式、绿色消费者和黄色消费者购买低碳产品的GY模式和所有消费者都购买低碳产品的All模式，给出每种模式下考虑碳税与补贴政策下的低碳产品和普通产品最优定价、最优减排投资率和最优的供应链利润，并探讨了各决策变量的影响因素及关联关系。在此基础上，给出数值算例，分析了消费者碳敏感度及其细分变化对减排投资率和供应链利润的影响，并分析了碳税与补贴各自变化及联动变化对减排投资率和供应链利润的影响。结果表明：

(1)消费者碳敏感度对减排投资和减排量都有正向影响，随着碳敏感度的上升，供应链利润不断提升，其中对G模式下的供应链利润影响最大，即供应链减排投资的红利期是消费者开始接受低碳产品的初期。

(2)碳税与补贴政策都会刺激企业进行减排投资，但碳税对利润下滑的影响远大于补贴对利润正向激励的影响，当绿色消费者开始接受并购买低碳产品时，可以极大地避免因减排造成的利润损失，可见培育领先型消费者(绿色消费者)对低碳供应链运作非常重要。

(3)供应链企业需要抓住消费者碳敏感度上升并开始接受低碳产品的关键时期进行减排投资，以及顺应低碳需求将会成为主流这一必然趋势，固守陈规一味生产非低碳产品，必然会被市场淘汰。

本文讨论了制造商与零售商信息对称并进行完全合作下的决策，没有考虑主体信息不对称或者制造商—零售商分散进行决策的协调问题，也未考虑二者之间的利益分配问题，同时对于制造商投资时点的界定还比较模糊，这些内容有待今后继续探索。