基于低碳背景下闭环供应链碳排放的研究

李晶雨 汪莹 杨子和 张冰冰 郭雨凡

【关键词】低碳经济;闭环供应链;碳金融工具;碳税政策

【中图分类号】F224;F272.5【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0023-04

0 引言

进入21世纪以来，全球生态环境日益恶化，随之而来的还有能源过度开采、余量不足等问题，人们逐渐意识到工业革命时期的发展模式极其不合理，如何高效合理地利用煤炭、石油、天然气等不可再生资源，使其对环境产生更少的负面影响成为各国需要共同面对的课题。

合理开发和利用资源成为各国制定发展战略时必须考虑的问题。着眼于实处，低碳经济发展模式在供应链管理中体现如下：由能源问题引发的绿色供应链闭环设计到供应链网络优化的全局研究，从产品生命周期全角度减排考虑更多因素的供应链优化设计。值得注意的是，20世纪末举行的第三次缔约大会制定了《京都议定书》，加上之前出台的《联合国气候变化框架公约》 [1]可看出全球在应对环境问题方面已经达成共识。两个国际公约的出台促使“碳金融”概念兴起，也为各国碳金融交易提供了基本政治环境和法律制度基础 [2]。相关理论迅速发展，碳交易市场机制在不断完善，碳金融工具日益丰富，这些为闭环供应链低碳化研究提供了更多思路。

近年来，我国针对环境问题出台了许多规章政策。以北京市为例，自2013年以来，北京市出台了《北京市碳排放权交易管理办法（试行）》《北京市碳排放权交易核查机构管理办法》等条例 [3]。宏观层面而言，在低碳经济的大背景下，实现闭环供应链再生产环节低碳化，借助碳金融工具降低运营成本响应了国家发展需要，为早日实现建成环境友好型社会主义现代化国家提供帮助。微观层面而言，在碳交易市场机制建立后，企业成本及收益直接与碳排放量挂钩，以整体运营成本最小化为目标的闭环供应链再生产环节优化得以实现。合理利用碳交易市场及碳金融工具将有利于企业降低整体运营成本，获取更大的经济利益。

低碳是全球背景下未来发展的必然之路，但目前闭环供应链模式构建过程中依然存在很多问题，如企业缺乏低碳意识、对闭环供应链认识不足、闭环供应链与碳减排结合应用不充分等。北京作为我国的首都，是我国的政治、经济、文化中心，人口众多，各个行业的发展在全国均名列前茅。但北京市环境问题较为严峻，因此以北京市为例可以为课题提供大量样本数据，同时考虑到的因素较为复杂，面向大多数企业都具有适用性。考虑低碳经济大背景下闭环供应链再生产环节优化问题，结合碳交易机制及碳税等金融工具，通过构建合理模型达到经济效益与环境保护的最优化平衡，在确保供应链高效运行的同时兼顾生态问题，符合科学发展观和可持续发展战略要求。

1 文献综述

与本文相关的研究有两个方面：一是闭环供应链最优问题及碳交易机制，二是碳税对供应链的效益影响。

近年来，国内外学者针对闭环供应链整体最优问题的研究如下：易余胤等人 [4]运用博弈理论在混合回收的情形下建立了单一制造商和单一零售商组成的再制造闭环供应链模型，研究了产品定价问题及回收渠道冲突对定价决策的影响，研究得出协调定价模型中整个系统的利润可以达到集中化定价时的水准;Panda S等人 [5]研究了由承担社会责任的生产者和经营回收业务的销售者构成的闭环供应链，发现考虑社会责任承担环境义务的供应链比考虑以经济指标为决策目标的经典供应链更具有竞争优势;Duma P等人 [6]提出了一个结合需求和生产能力不确定情形下的多阶段闭环供应链优化模型的回购方案恢复框架，提高了产品回收率，满足监管者制定的回收率门槛要求并最小化集成系统的总成本;张晓杰等人 [7]在供应链金融环境下构建了银企资金供应链的收益分成契约模型，并通过Stackelberg模型研究银行和企业在理性假定下的合作博弈行为，分析了其各自的最优行动策略及对应的契约参数范围，研究得出在供应链分散决策模式下，银行在设计收益分成契约时，只有将分成比率的取值限定于一定范围内，才能在实现银企合作关系的最优化。

另外，针对碳交易机制、碳税对供应链效益影响的研究主要有以下学者：谢鑫鹏等人 [8]关于制造企业如何在政府实施碳排放规制下实施供应链的生产和减排决策研究中，通过博弈论和经济学分析得到碳交易的价格会对企业碳减排的高低产生影响，研究得出减排较容易时减排率与碳交易价格呈正相关;赵道致等人 [9]根据对生产低碳产品的制造商和零售商所构成的供应链，通过分析、模拟试验，探讨得出不同的影响因素对供应链绩效产生不同的影响，研究得出随着减排量影响需求因子逐渐增大、低碳宣传成本参数逐渐减小，整合的供应商、制造商及零售商的期望利润均逐渐增大;蔡栋梁等人 [10]通过构建动态随机一般均衡模型，比较了碳排放补贴、碳税及两者混合政策对环境质量的影响，研究得出混合政策可以在保持环境质量不变的条件下实现经济的增长;郭军华等人 [11]从供应链视角之下考虑社会福利的政府最优碳税制定，研究了如何制定最优碳税税率使得社会总福利最大化。

2 模型构建

2.1 问题描述

根据文献[12]可进行分析：现在普遍存在的双渠道闭环供应链中，产品回收率和再制造成本差异是整体系统利润的重要影响因素，据此，基于制造商回收的闭环供应链结构如图1所示。其中，制造商直接生产新产品，单位新产品的生产成本为cn，同时简单地从消费者手中回收废旧产品进行再制造，废旧产品的回收率为τm，單位再制造产品的成本为cr。制造商生产的所有产品，均通过线上线下两个渠道进行销售，线上渠道直销价为pm，线下则以价格w批发给零售商进行销售，零售价为pr。两个渠道的产品需求量分别为qm和qr。

2.2 单周期静态博弈模型构建

为方便问题的研究分析，现提出以下4个假设。

假设1：制造商要想达到回收率τm，则所需成本为η■，其中η为制造商回收成本系数 [13]并且不考虑其他成本影响因素。

假设2：再制造产品成本小于新产品的生产成本，即cr

假设3：单位产品的生产成本c由再制造产品的单位成本cr和新产品的单位成本cn按回收率的比例构成：c=τmcr+（1-τm）cn=cn-τm△。

假设4：再制造产品和新产品，线上以pm的价格出售，或以价格w批发给线下零售商进行线下渠道销售，销售价为pr。

由文献[12]得出以下基础模型。

直销渠道和零售商渠道的产品需求量如下：

qm=α-β1 pm+γ1 pr（1）

qr=α-β2 pγ+γ2 pm（2）

公式（1）、公式（2）中：α为新产品和再制造产品的最大潜在需求量;β1、β2为需求量对自身价格的敏感系数;γ1、γ2为需求量对交叉价格的敏感系数。为了简化运算，参照文献[14]，此处假定β1=β2=β，γ1=γ2=γ。由于渠道的需求量对自身价格的依赖程度高于竞争渠道的价格，故而β>γ。

集中决策下的供应链系统利润如下：

πc（pm，c，pr，c，τm，c）=（pm，c-cn+τm，c△）qm，c+（pr，c-cn+τm，c△）qr，c-η■ /2（3）

公式（3）中：πc为集中决策下的系统利润，下标c表示集中决策。

通过查阅文献可知，整体系统利润在满足η>（β-γ）△2且供应链系统利润最大时，存在唯一的最优直销价■、最优零售价■和最优回收率■，最优系统利润如下：

而当Cn

2.3 改进模型

2.3.1 碳金融技术融合后的模型

假设回收产品的二次制造需要消耗的碳排放额度比企业生产新产品所需的少h个单位，企业将富余的碳排放额度进行碳排放权交易，每交易单位碳排放额度将产生g个单位的经济效益。建立模型得两渠道的产品需求量同上，集中决策下的供应链系统利润如下：

πc（pm，c，pr，c，τm，c）=（pm，c-cn+τm，c△）qm，c+（pr，c-cn+τm，c△）qr，c-η■ /2+（qm，c+qr，c）hg （5）

2.3.2 碳税约束下的闭环供应链模型

此部分探究双渠道闭环供应链中碳税对混合制造系统生产决策的影响，研究在碳税增长情况下，集中决策时双渠道总需求量Q及系统期望利润的变化情况。

假设1：生产单位新品和再制造品的碳排放量分别为e1、e2，e1>e2，单位碳排放需要加纳税款为λ。

假设2：假定市场的总需求量Q就是企业的产量。

改进模型得两渠道的产品需求量同上，集中决策下的系统利润如下：

公式（6）中：τm，c为回收率（0<τm，c<1），π为集中决策下的系统利润，下标c表示集中决策，式中最后两项分别为新产品和再制造产品生产所需要缴纳的碳排放税。

需求量对自身价格的敏感系数β和需求量对交叉价格的敏感系数γ与直销渠道需求量qm和零售商渠道需求量qr的关系如下：

3 仿真结果分析

3.1 碳金融技术融合后的模型仿真模拟

设最大潜在需求量α为1，自身价格的敏感系数β为0.01，交叉价格的敏感系数γ为0.001、0.005、0.01。利用Matlab进行验算得到在表示直销渠道价格和零售商渠道价格共同影响下利润与产品需求量的关系，设置了不同的交叉价格敏感系数γ。

根据图2的等高线图、三维图可以看出，在直销渠道价格和零售商渠道价格两变量的共同影响下，产品需求量仍存在最大值，验证了建立的新模型是有最优解的，即有最大利润。

由图3可以得到，回收率在0～1的取值范围内，两变量在某一特定条件下（即所有常数值为某一特定值时），利润随着回收成本降低、回收率增高而增大，可以取到最大值。

3.2 碳税约束下的闭环供应链模型仿真模拟

对公式（6）进行数值分析，探究在碳税增长情况下，集中决策时双渠道总需求量Q及系统期望利润的变化情况。对系统利润模型中的各参数设置如下：α=840，β>γ，cn=50，cr=40，Δ=cn-cr=10，qm，c=240，qr，c=200，η=10 000，λ=4，e1=1.5 t，e2=1 t。

利用Matlab进行验算得：当τm，c=0.6时，敏感系数对系统利润的影响如图4所示。图4表示回收率一定时，需求量对自身价格的敏感系数β和需求量对交叉价格的敏感系数γ对系统利润的影响情况。可见：自身价格的敏感系数β不变，交叉价格的敏感系数γ增大时，pm、pr增大，系统利润增大;交叉价格的敏感系数γ不变，自身价格的敏感系数β增大时，pm、pr降低，系统利润减少。

设定β=5，γ=3，利用Matlab探究τm，c与系统利润的关系（如图5所示）。由图5可见，当价格系数一定时，系统利润π（pm，c，pr，c，τm，c）随着回收率τm，c的增加而先增大后降低。这是因为系统利润受回收成本η■ /2及相应碳税的影响，当碳税开始逐渐提高时，生产量缓慢减少，企业会增加回收率来减少碳排放成本以抵消企业产量下降对系统利润的影响，从而赚取更大的利润;回收率持续增大时，回收成本不断升高，商品价格不变的情况，单位回收成本过高致使系统利润下降。整体趋势来看，价格系数一定，双渠道产品价格不变时，回收率增加对碳税约束下集中决策的系统利润呈现先增加后减少的趋势。

4 结论

针对低碳环境下制造业减排提高生产成本的问题，本文在闭环供应链的前提下，运用已经实施的碳排放交易市场及国家碳税政策的优势，从两个方面对制造业由传统供应链升级到闭环供应链的过程中，维持整体系统的经济效益进行了研究。在已有的闭環供应链系统利润模型上加入碳排放交易因素的影响及通过碳税层面分析整体系统利润的变化趋势，得出了结论，为企业提供相应的解决思路以及方向。通过研究得到，在传统闭环供应链的基础上加入回收环节，并通过碳交易提高整体系统利润率。而文献[15]中碳税对回收率的影响在双渠道闭环供应链中仍然适用。从而通过改进基础模型得出进一步结论：渠道价格一定时，碳税增加引起回收率τm先增加后逐渐降低，单位成本c先减少后逐渐增加，定性分析可得，此时集中决策下的系统利润π（pm，c，pr，c，τm，c）会随着碳税的增加先增加后减少。

参 考 文 献

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