林业碳汇交易电子商务平台运作管理博弈分析*

张正宜，樊坤

(北京林业大学 经济管理学院，北京 100083)

2005年2月16日正式生效的《京都议定书》将“碳排放权交易制度”作为限制二氧化碳排放量的主要方法。随着政府逐步推进碳限额交易机制，企业逐渐意识到节能减排的重要性，将遵守碳限额和减少碳排量作为企业生产产品、实现企业利润收益最大化的考虑因素之一。截至2019年，越来越多的企业将碳排放指标纳入企业的经营发展规划以实现碳限额交易的持续收益[1]。碳汇交易必然在企业供应链规划中产生紧密又深远的影响[2]。国内外的诸多学者，根据国际上各种政策并依据实际，发现企业碳减排主要方式有：通过研究新技术、开发新设备降低碳排量[3]，购买使用清洁新能源[4]，向其他有多余碳限额排量的企业购买碳限额[5]，购买投资林业碳汇CDM项目[6]等。由于国际政策和国家的重视推进，随着技术的进步逐渐呈现出增长趋势，企业有必要制定合理的碳减排策略，选择合适的碳减排方式[7]。中国的林业碳汇市场发展还不成熟[8]，与其他国家成熟的市场交易机制[9]有很大差距，林业碳汇交易相关研究也相对不足。有学者针对企业碳减排对林业碳汇的需求量的影响进行研究[10-12]，以及关于林业碳汇的供给分析[13]定价研究[14-15]，研究明确了林业碳汇项目对企业选择碳减排方式的影响，也有研究表明林业碳汇交易市场形成以后，对林业碳汇会影响企业减排成本的测算[16]。综上所述，截至2021年对于林业碳汇的已有研究主要集中在其政策机制和影响因素等方面，缺少从数学模型的角度对林业碳汇交易市场的运作进行分析。在“互联网+”时代大潮流背景下，构建完善的林业碳汇交易电子商务平台有利于推动林业碳汇交易市场的完善和发展。所以，结合碳汇交易过程和电子商务交易，抽象出买卖双方在进行林业碳汇交易时，有或无碳汇交易电子商务平台的两种情况，碳汇营林企业即碳汇出售方和制造业企业即碳汇购买方的利润函数，通过建模、解算和分析，得出在使目标函数(即利润值)最大时各变量的取值结果，并采用数据可视化编程的方法，得出各影响因素对利润的直观影响，进而研究其中的运作管理问题，为碳汇电子商务交易平台的搭建提出有效的管理建议。

1 碳汇交易过程和电子商务交易的特点

1.1 中国碳汇交易电子商务平台

截至2019年，中国境内两个主要的碳汇交易电子商务平台是中国碳排放交易网和中国林业碳汇网。在这两个平台上均可搜索和发布林业碳汇交易的相关信息，但是网站的构成和功能有一定的区别。

中国碳排放交易门户网站成立于2012年，隶属于中科华碳(北京)信息技术研究院，定位为中国碳排放交易行业的垂直型门户网站。中国碳排放交易门户网站通过专业化、市场化、国际化运作，提高联盟会员的碳资产运作效益，降低节能减排成本；在此基础上，逐步拓宽服务范围和业务领域，为会员企业提供碳交易、碳金融等低碳发展相关的业务服务。中国碳排放交易门户网站拥有清洁发展机制(CDM)、合同能源管理(EMC)及碳金融方面的专业团队，致力于成为国内乃至国际领先的低碳领域一流整合服务商。

中国林业碳汇网的内容以林业碳汇交易为主，在该网站上有专门的碳汇交易板块，供出售林业碳汇的营林企业发布供应信息。根据《华东林业产权交易所现货交易管理办法》，交易商进行现货交收应按规定向交易所缴纳交收手续费。

1.2 碳汇交易过程的特点

根据《华东林业产权交易所现货交易管理办法》，林业碳汇交易市场的交易活动可以简单概括为两个环节：第一个环节为碳汇供应者向碳汇交易平台提供林业碳汇及相关衍生产品，申请挂牌交易；第二个环节为碳汇需求者在碳汇交易平台上，使用通过公平竞争或合理定价机制所得的碳汇交易价格购买所需的林业碳汇产品，再经过电子交易系统进行处理，成交后自动生成电子交易合同。此外，在林业碳汇交易市场中，政府作为监管者和碳汇交易的激励者，保证林业碳汇交易过程的有序进行，交易所作为中间商在交易完成后向交易商收取手续费。

1.3 电子商务交易的特点

电子商务平台的发展必然会对碳汇交易的成本与价格产生影响。电子商务是互联网爆炸式发展的直接产物，是网络技术应用的全新发展方向，是互联网与商业结合的成果。互联网本身所具有的开放性、全球性、低成本、高效率的特点，使得电子商务作为一种新的贸易形式，大大超越了传统商业所具有的价值。电子商务逐渐呈现出专业化和个性化的发展趋势，主要是服务于消费者的垂直网站和服务于制造业的专用电商网站平台[17]。电商平台对信息进行专业聚合，降低了信息搜寻成本，但平台不仅要收取碳汇交易的佣金而且参与分配碳汇交易的利润[18]。

2 仿真研究

2.1 研究假设

考虑到政府已经建立碳交易中心，假设碳汇电子商务交易平台已经构建，并由碳汇营林企业自主运营管理，基于一个碳汇营林企业和一个购买碳汇的制造业企业的二级供应链，对有无碳汇交易电子商务平台两种情况分别建模解算(图1)。以电风扇制造业为例，分析在分散决策模式下，在满足政府碳限额的前提下，电风扇制造企业根据自身生产需求，在碳汇电子商务交易平台上，从碳汇营林企业购买一定额度的碳汇；在以各自利润收益最大化为决策目标的前提下，碳汇营林企业和购买碳汇的电风扇制造企业独自决定自己的销售价格和经营策略。在这种二级供应链交易模式下，探究碳汇交易价格波动对制造商最优产品生产量及产品定价的影响。

图 1 二级碳汇交易供应链示意图 Figure 1 Diagram of the supply chain of secondary carbon sink trading

制造业企业每生产一单位产品的碳排放量为t，产品价格为p，同时边际生产成本为c。若在生产周期结束时，该制造业企业的碳排放总量未超出政府规定的碳排放量限额，则无需在碳汇电子商务交易平台上向碳汇营林企业购买额外的碳排放量，此时碳汇营林企业的碳汇定价不会对制造业企业的产品定价及产品产量的决策产生影响；相反，若制造业企业碳排放总量超过了生产周期内政府规定的碳排放量限额，则需要在碳汇电子商务交易平台向碳汇营林企业以P元/t的价格购买相应所需数量的碳排放权。在研究此供应链相关最优决策问题时，由于有较多复杂的影响因素，为突出主要影响因素且简化模型，提出6个假设。

假设1：该供应链制造业企业在生产周期内获得M的碳排放量限额，且设其密度函数为f(x)，其函数分布符合U(b，a)

假设2：产品的逆需求函数为p=α-βq

假设3：产品的市场需求足够大，制造业企业生产多少均可卖出。此假设是为了排除零售商和消费者对碳汇交易二级供应链的影响

假设4：在分散决策模式下，制造业企业与营林企业均为独立决策，且将其视为一个斯塔克伯格博弈模型。其中，根据碳汇供应链交易过程，碳汇营林企业为领导者先做出决策，制造业企业为跟随者观察到碳汇营林企业的决策行动后再作出决策

假设5：制造业企业和碳汇营林企业均为完全理性，且符合“经济人假设”，即追求利润最大化

假设6：政府规定的超出碳限额企业所需缴纳的碳税足够高，以至于企业不会为生产更多的产品而去冒缴纳高额碳税的风险

2.2 参数界定

为了方便研究分析，设置了相关参数并对其含义进行了界定(表1)。

表 1 参数含义表Table 1 Parameter meaning list

2.3 决策模型

在分散决策模式下，出售碳汇的碳汇营林企业和购买碳汇的制造业企业的决策目标是追求各自的利润最大化。碳汇营林企业根据林地经营成本和碳汇电子商务交易平台运营成本，做出使得其利润收益最大化的碳汇交易价格决策；制造业企业接受了碳汇营林企业制定的碳汇交易价格之后，制造业企业根据碳排放减排成本和利润收益函数决定产品最优的总碳汇交易额，然后制造业企业综合考虑利润收益和生产成本后制定最优的生产量和产品价格。在此博弈过程中，碳汇营林企业先于制造业企业作出定价决策，制造业企业在碳汇营林企业定价决策之后作出自己的决策，所以此问题可以简单地归纳为一个斯塔克伯格主从对策问题博弈模型，其中碳汇营林企业为主导方，购买碳汇的制造业企业为跟从方。碳汇营林企业和零售商进行两阶段的斯塔克伯格博弈，碳汇营林企业先对碳汇交易价格P进行决策，制造业企业在对其产品生产量q作出决策，两阶段博弈相继进行。

2.3.1 无碳汇交易电子商务平台参与的决策模型

在无碳汇交易电子商务平台参与时，制造业企业和林业碳汇营林企业均投入了信息搜集成本，耗费了大量的时间，但同时在除林业碳汇交易之外，双方均无其他额外费用支出。在这种情况下，出售林业碳汇的营林企业的利润收益模型为式(1)、购买碳汇的制造业企业的利润收益模型为式(2)；在计算可得在无电子商务平台参与时，营林企业碳汇定价对制造业企业生产量的反应函数为式(3)。然后，对q1求偏导数，得出使得E(R1)1取得最大的q1值，将所得q1值代入营林企业碳汇定价对制造业企业生产量的反应函数即得到E(R1)1取最大值时P1的取值，从而得到在无电子商务平台参与时出售碳汇营林企业受制造业企业生产产品数量影响的利润函数[式(4)]。

R1=P1×[tq1-Min(tq1，M)]

(1)

R2=(p-c)q1-P1×[tq1-Min(tq1，M)]

(2)

(3)

(4)

2.3.2 有碳汇电子商务交易平台参与的决策模型

在有碳汇交易电子商务平台参与时，减少了制造业企业和林业碳汇营林企业的信息搜寻成本，节约了大量的时间，但营林企业由于需要在平台投放碳汇出售信息，且要经过第三方独立机构认证，需要和平台分配利润并且需要支付一定额外费用。在这种情况下，出售林业碳汇的营林企业的利润收益模型为式(5)，购买碳汇的制造业企业的利润收益模型为式(6)；计算可得在有电子商务平台参与时，营林企业碳汇定价对制造业企业生产量的反应函数为式(7)。然后，对q2求偏导数，得出使得E(R1)2取得最大的q2值，将所得q2值代入营林企业碳汇定价对制造业企业生产量的反应函数即得到E(R1)2取最大值时P2的取值，从而得到在有电子商务平台参与时，出售碳汇营林企业受制造业企业生产产品数量影响的利润函数[式(8)]。

R1=P2×[tq2-Min(tq2，M)]×h-k

(5)

R2=(p-c)q2-P2×[tq2-Min(tq2，M)]

(6)

(7)

(8)

2.4 参数赋值

参考文献[19-21]对相关参数进行赋值，具体参数赋值如表2所示。其中α和β为函数的系数，无单位；h为比例；U(b，a)为M的碳排放量限额密度函数f(x)，无单位。此外，为了简化计算，参数数值依据实际情况同比例缩小且取整数。

表 2 参数赋值表Table 2 Parameter assignment list

2.5 仿真结果

为演化无碳汇交易电子商务平台参与的决策模型和有碳汇电子商务交易平台参与的决策模型，采用以下步骤进行仿真：第一，通过软件Mathematica计算出构建数值算例相对应的最优解，并对比在有无林业碳汇交易电子商务平台参与的两种情况下，营林企业和制造业企业决策变量的区别，以及在此二级供应链中各成员的收益情况，从而对林业碳汇交易电子商务平台提出相对应的建议。第二，在q和P固定时，改变t的值，用可视化的方式，更直观地表示出在制造业企业生产单位产品的碳排量连续变化时，供应链系统中各参与方成员的收益变化，从而对制造业企业的运作管理提出相应建议。

2.5.1 无林业碳汇交易电子商务平台参与的模型仿真结果

根据以上已经进行赋值的参数，将其代入模型中，可得在无林业碳汇交易电子商务平台参与时，营林企业、制造业企业以及林业碳汇价格对生产产品数量的反应函数分别为：

(9)

(10)

(11)

当营林企业期望利润最大时，可以求得q1=132.50，P1=66.67。将解得的q1和P1分别代入公式(9)和公式(10)得E(R1)=11 704.17元，E(R2)1=40 964.00元。即当没有电子商务平台参与碳交易时，制造业企业每生产132.5件产品，碳交易价格为66.67元/t时，营林企业期望利润最大为1.17万元，制造业企业期望利润为4.10万元。

2.5.2 有林业碳汇交易电子商务平台参与的模型仿真结果

将参数赋值代入模型可得，在有林业碳汇交易电子商务平台参与时，营林企业、制造业企业以及林业碳汇价格对生产产品数量的反应函数分别为：

(12)

(13)

(14)

当有电子商务平台参与时，q2=134.05时使得营林企业期望利润最大。将所得q2值代入得P2=65.13。将上述中解得的q2和P2分别代入公式(12)和公式(13)中得E(R1)2=10 283.60元、E(R2)2=41 373.50元。即当有电子商务平台参与碳交易时，制造业企业每生产134.05件产品，碳交易价格为65.13元/t时，营林企业期望利润最大为1.03万元，制造业企业期望利润为4.14万元。

3 对比分析

对比有无林业碳汇电子商务平台参与两种情况下的结果(表3)，可得相关结论。

表 3 两种情况下最优解对比表Table 3 Comparison table of optimal solutions in the two cases

无林业碳汇电子商务平台交易的制造业企业生产的产品总量(q1)和购买林业碳汇的制造业企业的期望利润[E(R2)1]小于有林业碳汇交易电子商务平台参与[q2，E(R2)2]，无林业碳汇电子商务平台交易的每吨碳汇的交易价格(P1)和出售林业碳汇的营林企业的期望利润[E(R1)1]大于有林业碳汇交易电子商务平台参与[P2，E(R1)2]。说明在同样条件下，有林业碳汇交易电子商务平台参与时的碳汇价格比较低，并且营林企业的收益减少，而制造业企业的利润收益增加。

为了研究碳汇交易供应链中制造业企业的运作管理，通过固定q和P的取值，把制造业企业生产单位产品的碳排放量t作为变量，研究营林企业利润和制造业企业利润与之的相关关系。t的取值变化范围为(0，5)，其图形可视化的结果如图2、图3所示。

由企业利润对比图的折线变化可知(图2、图3)，在有无林业碳汇交易电子商务平台两种情况下，制造业企业生产单位产品的碳排量越高，营林企业的利润越高，制造业企业的利润越低。即制造业企业生产单位产品的碳排放量对其企业利润会有较大影响，降低生产单位产品的碳排量，可以降低制造业企业在碳汇交易上的支出，从而增加制造业企业的利润，但同时由于制造业企业的碳汇需求量降低，在一定程度上也会影响营林企业的收益。综上所述，制造业企业的碳排量会影响制造业企业和营林企业的收益。

图 2 无电商平台参与的企业利润对比 Figure 2 Comparison of profits of companies without e-commerce platform participation

图 3 有电商平台参与的企业利润对比Figure 3 Comparison of profits of companies with e-commerce platform participation

4 讨论

同样条件下，有林业碳汇交易电子商务平台参与时的碳汇价格要低，且营林企业收益减少，而制造业企业利润收益增加。电子商务平台的资源整合能力，降低了信息不对称等不利因素，因而提高了制造业企业参与林业碳汇投资购买的积极性，从而提高了企业利润。电子商务平台的加入会使碳汇价格降低，有利于提高制造业企业参与林业碳汇投资购买的积极性，但营林企业由于需要缴纳一定的电子商务平台费用，其收益会因此受到影响而降低。

第一，林业碳汇交易电子商务平台在保证自身运营的前提下，尽量减少向营林企业收取的平台费用，从而保证营林企业的利益，保证其在电子商务平台上出售碳汇的积极性。

第二，制造业企业为了保护环境，减少企业碳排量，除了可以向出售林业碳汇的营林企业购买林业碳汇以外，通过降低制造业企业生产单位产品的碳排量同样可以提高企业利润。但降低生产单位产品的碳排量需要进行技术研发，其前期需投入大量成本，中小企业可能难以负担。

第三，在研究过程中，相关模型研究假设都是在供应链系统中各方信息对称的假设前提下展开的，未来的研究中应考虑在信息不对称时，更贴近现实的条件假设下，研究营林企业与制造业企业之间的博弈过程和相关决策。