基于区块链与农业物联网技术的订单农业供应链运营决策

熊雪颖

（华南理工大学 工商管理学院，广州 510640）

十八大以来，我国政府一直致力于精准扶贫，而帮助农户的农产品更好地推向市场则成为扶贫的重点工作内容。 为此国家明确指出要大力推进农业产业化经营，发展订单农业。 而“公司＋农户”作为订单农业的最普遍经营模式[1]，即龙头企业在农产品生产前与农户签订收购合同， 受到越来越多的农户的欢迎。

与此同时， 居民日益提高的绿色健康饮食消费观念与市场上频频爆出的食品安全事件间的矛盾严重制约了农业的发展。 究其原因主要是农户生产、物流运输、屠宰等信息的不透明化导致消费者对食品健康缺乏信任。

随着2019 年习近平总书记指出要积极探索区块链技术在精准脱贫等民生领域的应用，“网红步步鸡”的区块链养殖模式出现。 通过区块链、物联网和防伪技术的结合， 将鸡的地理位置和计步信息都呈现在区块链上， 且从鸡苗的供应源到屠宰加工、检疫等环节不再存在信息壁垒，所有信息都通过区块链流转， 并依托共识算法保证信息的不可篡改， 为农产品订单交易过程中出现的互信问题提供解决之道[2]。 这种“区块链+”的养殖模式相比于传统养殖模式而言， 其优势主要在于信息透明化，即：对于消费者而言，通过扫码即可溯源农产品的一系列信息，且区块链建设水平越高，扫码能够获得的信息也越多；而对于农户而言，区块链与物联网技术的结合可以实现全程实时记录农产品的生产过程， 一旦农产品在某个环节出现问题，比如某片鸡圈发生鸡瘟，农户可以快速得知并及时处理，因此区块链+物联网技术可以使得存活率上升，给农户带来更多收益。

1 文献综述

学者对订单农业供应链的研究较为深入。 订单农业供应链定价及产量决策方面， 叶飞和蔡子功[3]在考虑市场价格和市场需求双重不确定的基础上， 对比分析了不同模式下的最优决策行为。Huang 等[4]研究了零售商相比制造商在获得需求信息方面占有优势， 而制造商的投资效应将溢出给零售商的分销渠道结构下的信息共享。 订单农业供应链协调研究方面，Niu 等[5]讨论了不同订单契约模式下的农业供应链协调问题。 还有一些学者考虑了天气[6-7]、农户对待风险态度[8]等影响因素下的订单农业供应链协调问题。

关于区块链在农业上的应用研究目前还处于初级阶段。 农产品溯源方面，Kamble 等[9]以印度为例， 使用区块链技术加强农业供应链的可持续绩效。 在农业融资方面，有些学者指出区块链技术在完善信用体系、改善信息不对称问题、提高效率、降低成本方面对传统订单农业融资具有较大突破[10]，并建议在具体应用上， 可与互联网等信息技术相结合，有助于精准支农的实现[11]。 除了这两方面的研究，还有学者从食品安全[12-13]、供给侧结构性改革[14]等角度研究了区块链在农业上的应用。

然而，关于区块链、物联网和防伪技术对“公司+农户”订单农业供应链运营决策的研究还比较有限。 “区块链+” 模式是否一定能使得农户的收益提高？ 企业又一定愿意加入“区块链+”模式吗？这些决策又受到哪些因素的影响？ 目前关于区块链对农业带来影响的文献大多从法学理论的角度去进行研究分析， 比较缺乏从定量研究的角度去分析区块链对农业的影响。为此，本文基于农业生产的特点，以养鸡为例，构建了“公司+农户”型农产品供应链模型， 从定量研究角度分析何种情境下农户与公司分别该选择何种养殖模式， 为农户与公司的订单农业合作模式做出决策指导。

2 问题描述与模式假设

本文考虑的是单个农户， 单个公司组成的二级养鸡供应链。养鸡可以分为两种模式：第一种为传统养鸡模式（tradition，简称T），即没有区块链、物联网等技术的养鸡模式；另一种为“区块链+”的养鸡模式（block chain，简称BC），即公司负责建设区块链、物联网等养鸡设施，并邀请农户加入的模式。

假设1：本文引入了鸡的存活率r，在传统养鸡模式下，鸡的存活率为r=km，其中r∈(0,1)，k＞0，表示鸡的边际存活率，即养鸡效率；m＞0，代表农户的养鸡成本；而在“区块链+”的养鸡模式下，r=k(m+u)，其中u 表示区块链、物联网等建设水平高低，越高表示提供的信息也越多，则农户可以了解到的鸡的情况也更全面及时， 因此鸡的存活率也越高。

假设3：企业将鸡以价格p 卖给消费者，不失一般性，类似文献[16-18]认为农产品零售价格与销量具有线性关系。 假设传统养鸡模式下，农产品市场价格p=a-Qr， 其中a＞0， 表示市场规模；而“区块链+”的养鸡模式下，p=a-Qr+k1u+k2f，其中k1表示信息透明度u 对价格影响程度，k2表示技术边际价值，即区块链、物联网带给消费者的心理溢价。

假设4：根据目前“区块链+”养鸡的情况，区块链、物联网等建设成本f 由企业独自承担，当建设成本越大，带给消费者的心理溢价也越大。

传统养鸡模式（T 模式）下，农户期望收益为（1）式、公司期望收益为（2）式：

“区块链+”的养鸡模式（BC 模式）下，农户期望收益为（3）式、公司期望收益为（4）式：

3 模型求解

不失一般性， 我们考虑如下一个两阶段的Stackelberg 博弈。第一阶段，作为领者的公司优先制定鸡的收购价格w。第二阶段，农户根据收购价格和养殖成本决定生产投入量Q。 根据逆向求解法，公司和农户的决策问题求解如下。

3.1 传统养殖模式下的最优决策

3.1.1 传统模式下农户的最优生产投入量决策

农户根据收购价格和养殖成本进行产量决策，决策函数如下：

求解（5）式，得到农户生产投入量的最优反应函数为：

3.1.2 传统模式下公司收购价格决策

这种模式下，公司收购价格决策函数如下：

将式（6）带入决策函数（7）中并求解，可得公司最优收购价格wT*，将求得的wT*带入（6）式中，又可得农户最优生产投入量，即：

3.2 “区块链+”的养殖模式下的最优决策

3.2.1 “区块链+”的模式下农户的最优生产投入量决策

决策函数为：

同理，对（10）求导，得到农户生产投入量的最优反应函数为：

3.2.2 “区块链+”的模式下公司收购价格决策

这种模式下，公司收购价格决策函数如下：

将式（11）带入决策函数（12）中并求解，可得公司最优收购价格wBC*， 将求得的wBC*带入（11）式中又可得农户最优生产投入量，即：

将传统模式下的最优收购价， 最优生产投入量与“区块链+”的模式下的进行比较可得定理1。定理1 当且仅当

证明因

定理1 说明当市场规模小于一定范围时，“区块链+”的模式下的最优收购价、最优生产投入量都会大于传统模式。这是因为当市场规模较小时，区块链、 物联网等技术可以明显地帮助公司销售农产品， 从而公司也愿意制定较高的收购价来促进农户扩大生产规模。

4 均衡结果分析

结合（1）（2）（8）（9）得到传统养鸡模式下，农户和公司最优收益为：

结合（1）（2）（13）（14）可得“区块链+”养鸡模式下，农户和公司最优收益为：

定理2

定理2 说明当市场规模a 较小， 且边际存活率k 大于1、m 与u 处于一定范围内的时候，农户加入“区块链+”模式后，收益增加。由前面的定理1可知，市场规模较小时，公司为了刺激农户扩大生产规模，愿意提高收购价格。另一方面边际存活率大于1，即意味着养鸡效率很高，此时农户为了加入“区块链+”的模式而增加的养殖成本能够得到比较大的回报（存活的鸡更多）。 因此农户的收益上升。

由定理3 可知，农户加入“区块链+”的模式后， 当信息透明度对价格影响程度k1很小时，若公司区块链、物联网等建设成本很小或者很大，公司的收益会上升， 建设成本在适中的大小收益反而会下降； 而当信息透明度对价格影响程度很大时，则无论区块链、物联网等建设成本怎样，公司的收益都将得到提升。

5 数值分析

为了对上述命题进行验证并得到更加深入的分析结论， 下面采用数值仿真的形式对两种养殖模式下公司和农户的收益进行对比分析。 相关参数基准值和取值范围设置为：k=1.5；m=0.35；u=0.3；k1=0.5；k2=1。 图1、2、3 中深色部分代表“区块链+”的模式（block chain，简称BC）的最优利润大，浅色部分表示传统模式（tradition，简称T）最优利润大。

5.1 不同养殖模式下市场规模和建设成本对农户的利润影响

图1 不同养殖模式下农户利润变化

从图1 可以看出，当市场规模a 较小时，农户加入“区块链+”的模式的利润更大。这是因为区块链、物联网技术能够帮助公司扩大销售，公司为了刺激农户扩大生产，提高了收购价格。 而当市场规模增大，此时农户不再有更多的话语权，为了加入“区块链+”模式又必须增加成本，农户加入“区块链+”模式利润反而更小（如T 部分所示）。而如BC 部分所示，当市场规模a 不变时，更大的建设成本f 使得农户选择“区块链+”的模式获利更大。 这是因为一方面更大的建设成本意味着建设水平更高，更大的技术溢价，这将显著提高市场价格；另一方面更大的建设成本也意味着更大的进入壁垒，所以市场的垄断也使得农户和公司的收益更大。

5.2 不同养殖模式下市场规模和建设成本对公司的利润影响

图2 不同养殖模式下公司利润变化

从图2 可以看出，当市场规模a 较小、建设成本f 较小或者较大时，公司将总是能通过加入“区块链+”模式获得更大的利润。 这是因为当建设成本非常小时， 公司由于市场价格的上升可以获得更多利润；而当建设成本很大时，说明建设水平很高，公司独占了这个技术的溢价，形成垄断优势。而当建设成本f 适中、市场规模a 较小时，公司将不会选择加入“区块链+”模式（如T 部分所示），此时大量的公司进入这个市场，竞争激烈，而由于市场规模小，又不能薄利多销，增长的一点点价格优势不足以抵扣建设成本，故而利润反而下降。而当市场规模足够大时，公司加入“区块链+”模式将总是能够获得更大的利润， 因为这样就可以轻易抵消区块链、物联网等的建设成本。

5.3 农户与公司养殖模式的双赢选择

图3 农户与公司养殖模式的同时最优选择

综上，如图3 所示，农户加入“区块链+”模式主要考虑市场规模，当市场规模较小时，农户应该选择“区块链+”的模式；而当市场已经很大时（如T1 所示），农户选择采用传统模式获利更大。公司加入“区块链+”则主要考虑区块链、物联网等建设成本，当区块链、物联网等建设成本较小时，公司加入“区块链+”可以分得一杯羹；而当区块链、物联网等建设成本很大时，公司可以垄断“区块链+”养殖市场； 但当建设成本中间大小时 （如T2 所示），传统模式反而利润更大。而如图3 所示，当建设成本f 足够小且市场规模也足够小时， 公司与农户都将同时选择加入“区块链+”。 而当区块链、物联网建设成本大于一定阈值时， 则无论市场规模大或者小，公司与农户都将同时选择加入“区块链+”模式。此时区块链的信息透明化、技术溢价和技术壁垒将使公司大量获利， 而公司也会将一部分利润与农户共享，获得共赢。

6 结论与管理启示

本文针对“公司＋农户”这种最常见的订单农业组织模式，探讨“区块链+”模式是否一定能使得农户的收益提高？企业又一定愿意加入“区块链+”模式吗？ 这些决策又受到哪些因素的影响？

研究发现，农户加入“区块链+”模式主要需要考虑市场规模，当市场规模较小时，农户应该选择“区块链+”的模式。 此时农户掌握话语权，公司为了激励农户扩大生产，必然会提高收购价格，此时鸡的存活率也得到提高，故而农户加入“区块链+”模式是更有利的。而当市场规模大于一定阈值时，农户选择采用传统模式获利更大。 这是因为存活率达到一定阈值时， 充足的供给会使得公司制定较小的收购价格， 此时农户成本也处于较高的水平，这就会导致在存活率较高时，农户的收益反而下降。

公司加入“区块链+”模式则主要考虑区块链、物联网等建设成本，当建设成本较小时，公司加入“区块链+”可以分得一杯羹；而当建设成本达到一定阈值时，公司可以形成垄断优势。但当这个建设成本处于中间大小时， 此时大量公司进入这个市场，获得的利润增加反而不足以抵消建设成本，因而此时选择传统模式反而利润更大。

最关键的是， 当建设成本足够小且市场规模也足够小时，公司与农户都将同时选择加入“区块链+”模式；而建设成本大于一定阈值时，此时区块链的信息透明化、 技术溢价和技术壁垒将使公司大量获利，而公司也会将一部分利润与农户共享，获得共赢，因而无论市场规模如何，公司与农户都将同时选择加入“区块链+”模式。