碳标签制度下三级供应链定价与碳排放决策研究

尚钱龙，张云丰，龚本刚，程永宏

(安徽工程大学 经济与管理学院，安徽 芜湖 241000)

所谓碳标签(Carbon labels)制度，就是将产品从原材料采购到生产制造，再到运输储存，直至最后废弃回收全过程中排放的温室气体用产品标签的形式标示出来，以告知消费者产品整个生命周期中碳排放信息[1]。实施碳标签制度的意图在于利用给产品标注碳排放信息的方式来引导消费者在消费时更加理性地选择低碳产品，从而达到减少温室气体排放，减缓全球气候变暖的目的[2]。政府在减少碳排放方面发挥着重要作用，许多国家和地区先后制定了长期的减排目标。

学术界也对碳标签制度进行了深入而广泛的研究，并取得了比较丰硕的成果。有对碳足迹的测量进行分析。如Liu等[3]研究了企业产品碳足迹的量化方法，并在车间内提供碳排放数据以用于未来生命周期的产品碳标签的问题；Liu等[4]分析了碳标签概念的演变过程以及碳标签的不同测量方法和标准，考虑了在不同国家、地区实施碳标签以及碳标签计划的潜在影响；徐兴等[5]建立产品生命周期时间维的冷链碳足迹模型，给出单位时间内冷链工位碳足迹量化的准确方法。也有讨论碳标签对消费者需求的影响，如帅传敏等[6]对不同类型消费群体对贴有碳标签的低碳产品的支付意愿展开差异分析，结果显示不同类型消费者对低碳产品的支付意愿存在明显差异；Upham等[7]通过实验研究英国公民对碳标签的认知，发现一年内每周采购40件低碳产品可降低10%的碳排放量；Plambeck[8]指出企业披露产品碳排放量等相关环境信息能增加消费者对企业的信任度，从而提高产品市场份额。

近年来，学者们更多关注碳标签制度对制造商生产决策的影响，如程永宏等[9]发现实施碳标签制度下的产品碳排放和市场价格与消费者的环境意识水平、初始排碳量及供应链决策方式等相关；吴林海等[10]以食品企业为例，应用结构方程模型研究碳标签食品生产决策的主要影响因素；张庭溢等[11]认为单纯的碳标签政策虽然对于有效降低单位产品的碳排放有显著作用，但是对于碳排放总量的影响却存在不确定性，应把碳标签政策与碳排放总量控制相结合，才能实现单位产品碳排放和碳排放总量的下降；Cheng等[12]研究指出，碳标签方案可以显著降低整个供应链的碳排放，并对制造商和零售商的利润产生初步的负面影响，但从中长期来看，制造商和零售商仍然可以通过持续投资低碳技术来实现盈利；申成然等[13]考虑消费者存在低碳偏好，探讨了碳标签制度下供应商参与碳减排的供应链决策问题，结果表明供应商参与碳减排能促进供应链整体经济效益和环境效益提升。

企业所处供应链上的碳排放要远超企业自身生产过程中的碳排放，其原因在于产品运输过程中也排放了大量的温室气体。根据《斯特恩报告》，产品运输过程中产生的二氧化碳占总排放量的18.9%[14]。运输碳排放已成为供应链碳排放的一个重要组成部分。Chen等[15]讨论了零售商面临随机需求与不同碳减排政策下的订货和运输模式选择问题，结果表明在不同的碳减排政策下，存在一些重要的交通运输模式转移阈值。Qiu等[16]研究了航空客运碳税的激励政策设置，发现碳税激励政策可以鼓励航空公司在适当的条件下提高燃料消耗和碳排放绩效。Tang等[17]探讨了减排百分比目标、碳税(或限额与交易计划)、减排目标和碳抵消机会等三种方式在控制运输和库存管理中碳排放的影响。王明征等[18]分析了运输碳排放税及不同分摊比例下的制造商最优策略问题。上述学者对运输过程的碳排放进行了深入研究，但没有与生产过程中的碳排放相结合展开分析。本文考虑生产和运输过程碳排放对供应链系统减排产生的重要影响，构建一条包含制造商、3PL及零售商在内的三级供应链，分析生产与运输过程排碳下的供应链定价与碳排放决策问题，研究不同决策模式对供应链关键参数的影响方式，为企业生产与运输决策提供参考。

1 模型假设与参数说明

考察碳标签制度下制造商、3PL和零售商构成的三级供应链的定价与碳排放决策，根据模型建立需要，本文作出下列基本假设：

假设1制造商生产单位产品的边际成本为c，向零售商供应的批发价为ω；3PL负责将产品从制造商仓库运至零售商指定销售点，从零售商处收取的单位产品运费为t，需付出的单位产品运输成本为v；零售商以单位产品价格p在市场销售该批产品；满足p>ω>c。

假设2供应链上的碳排放主要来自于制造商的生产过程和3PL的运输过程，生产过程中的单位产品排碳量为em0，运输过程中的单位产品排碳量为et0。由于社会舆论压力和市场低碳产品需求的双重影响，制造商和3PL决定投资碳减排技术研发来减少单位产品排碳量，减排后单位产品的碳排放分别为em和et。

假设3结合投资减排设备与技术边际成本上升因素，设定制造商和3PL投资碳减排技术研发的成本分别为k1(em0-em)2和k2(et0-et)2，其中，k1、k2分别为制造商和3PL的碳减排能力系数，k1>0、k2>0，其值越小表示相同的减排量需要碳减排成本越小，则减排能力越强。

假设4消费者对产品的市场需求与产品销售价格及生产、运输过程中的碳排放呈负相关，此处将需求函数记为q=a-bp-η(em+et)，其中，a为产品的最大市场需求；b为需求对销售价格的敏感系数(b>0)；η为消费者环境意识水平(或称为消费者对产品碳排放的敏感系数)；p为产品的销售价格。

假设5为了保证实施碳标签制度时产品的市场需求始终为正值，令约束条件

恒成立，且不同决策模式下供应链系统及各成员企业利润最大化的二阶条件得到满足。

根据上述基本假设可知：制造商的利润函数表达式为

πm=(ω-c)(a-bp-η(em+et))-k1(em0-em)2,

(1)

3PL的利润函数表达式为

πt=(t-v)(a-bp-η(em+et))-k2(et0-et)2,

(2)

零售商的利润函数表达式为

πr=(p-ω-t)(a-bp-η(em+et)),

(3)

供应链系统的利润函数表达式为

πsc=(p-c-v)(a-bp-η(em+et))-k1(em0-em)2-k2(et0-et)2,

(4)

上述各式中相关参数说明如下：πm、πt、πr、πsc分别表示制造商、3PL、零售商、供应链系统的利润函数；c表示制造商单位产品生产成本；ω表示制造商单位产品批发价格；t表示3PL单位产品运输价格；v表示3PL单位产品运输成本；p表示零售商单位产品销售价格；a表示产品最大市场需求；b表示需求对销售价格的敏感系数；η表示消费者环境意识水平；em0表示制造商未投资碳减排前的初始排碳量；et0表示3PL未投资碳减排前的初始排碳量；em表示制造商投资碳减排后的碳排放；et表示3PL投资碳减排后的碳排放；k1表示制造商的碳减排能力系数；k2表示3PL的碳减排能力系数；下文中用上标j=d,c分别代表独立决策、集中决策。

2 模型构建与比较

2.1 独立决策模型

独立决策时，供应链成员企业在定价决策中展开以制造商为领导者、3PL和零售商为追随者的Stackelberg博弈；在碳排放决策中，制造商和3PL以双方利润最大为原则决策各自的最优碳排放。决策分为两个阶段：第一阶段为碳排放决策，制造商和3PL各自决策碳排放量；第二阶段为定价决策，制造商首先确定产品批发价格，3PL随后决定单位产品运输价格，最后零售商根据产品批发价格和运输价格决定市场销售价格。运用逆向归纳法求解上述模型得到定理1：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

证明略。

结论1 独立决策时，

证明已知

记f1(η)=2(k1+2k2)(a-bc-bv)η2+128bk1k2(em0+et0)η+64bk1k2(a-bc-bv)。显然，f1(η)是关于η的一元二次函数且开口向上，f1(η)的根判别式Δf1(η)=512bk1k2(32bk1k2(em0+et0)2-(k1+2k2)(a-bc-bv)2)。

结论1表明，独立决策时，若产品生产过程中的初始排碳量较小，则随着消费者环境意识水平的提升，制造商会降低产品碳排放；若产品生产过程中的初始排碳量较大，则仅当消费者环境意识水平在低于某阈值范围内提升时，才会促使制造商采取减排措施，降低产品碳排放；否则，消费者意识水平的提升不能降低产品碳排放。原因在于，制造商必须支付很高的减排成本才能将高碳产品的碳排放降到让环境意识水平较高的消费者满意的程度，这对制造商而言并不划算；另外，消费者环境意识水平的不断提升表明了消费者对高碳产品的支付意愿正在逐渐下降。

结论2独立决策时，

证明参照结论1的证明，此处不再赘述。

结论2表明，独立决策时，若产品在运输过程中的初始排碳量较小，则随着消费者环境意识水平的提升，3PL会降低产品碳排放；若产品在运输过程中的初始排碳量较大，则仅当消费者环境意识水平在低于某阈值范围内提升时，3PL才会降低产品碳排放。原因在于，当消费者的环境意识水平较高时，对高碳产品的购买意愿下降；同时，3PL将产品运输过程中的碳排放降到较低值时需要支出很大投资成本，如购置新能源车、购买燃油效率更高的车辆、加装尾气过滤装置等。两方面原因导致3PL在消费者环境意识水平处于阈值外时缺乏减排动力。相较于生产过程中消费者环境意识水平对产品碳排放的影响，运输阶段消费者环境意识水平对产品碳排放的影响趋势与之相同，但在同一消费者环境意识水平下两者对供应链系统初始排碳量的敏感程度不同。

结论3 独立决策时，

证明已知

记f3(η)=-(k1+2k2)(em0+et0)η2+2(k1+2k2)(a-bc-bv)η-32bk1k2(em0+et0)，显然，f3(η)是关于η的一元二次方程且开口向下，f3(η)的根判别式Δf3(η)=4(k1+2k2)((k1+2k2)(a-bc-bv)2-32bk1k2(em0+et0)2)。

结论3表明，独立决策时，若产品生产和运输过程初始排碳量较大，则零售商随着消费者环境意识水平的提升而降低产品销售价格；若产品生产和运输过程初始排碳量较小，当消费者环境意识水平在低于某阈值范围内提升时，零售商会降低销售价格；否则，零售商会提高销售价格。原因在于，随着消费者环境意识水平的提升，消费者对采取了减排措施、碳排放较低的产品的支付意愿逐渐增加，即消费者愿意为碳排放更低的产品支付更高的价格，这时零售商可以根据利润最大化的目标适当提高销售价格。

2.2 集中决策模型

集中决策时，制造商、3PL和零售商在定价决策和碳排放决策中分别开展合作，以供应链系统利润最大化为决策目标。决策过程分为两个阶段，首先制造商和3PL联合决策产品碳足迹，其次供应链成员企业以供应链系统利润最大化为目标决策产品销售价格。求解上述决策过程得到定理2：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

证明略

结论4 集中决策时,

证明参照结论1的证明，此处不再赘述。

结论4表明，集中决策时，如果产品生产过程中的初始碳排放较小，则随着消费者环境意识提升，产品生产阶段碳排放降低；如果产品生产过程中的初始排碳量较大，则仅当消费者环境意识水平在低于某阈值范围内提升时，才会促使制造商降低产品碳排放；否则，消费者意识水平的提升不能降低产品碳排放。原因在于，当产品生产过程中的初始排碳量较大时，将碳排放降低到一定数值以下的减排投资成本很高；另外，在消费者环境意识水平较高的情况下，消费者对初始排碳量高的产品的支付意愿下降。结果导致制造商对初始排碳量高的产品缺乏投资减排的动力。因此，产品碳排放随消费者环境意识水平的提升而增加。

结论5集中决策时,

证明参照结论1的证明，此处不再赘述。

结论5表明，集中决策时，若产品在运输过程中的初始排碳量较小，则产品的碳排放会随着消费者环境意识水平的提升而降低；若产品在运输过程中的初始排碳量较大，则仅当消费者环境意识水平在低于某阈值范围内提升时，才能促使3PL降低产品碳排放。其原因为，由于供应链系统的初始排碳量较高，将其降低到一定数值以下的减排投资成本很高；另外，当消费者的环境意识水平较高时，消费者对初始排碳量较高产品的支付意愿下降。上述原因致使3PL缺乏投资减排初始排碳量高的产品的动力，最终导致产品碳排放随消费者环境意识水平的提升而增加。

结论6集中决策时，

证明参照结论3的证明，此处不再赘述。

结论6说明，集中决策时，若产品在生产和运输阶段初始排碳量较大，则随着消费者环境意识水平的提升，3PL会选择降低产品销售价格；若产品在生产和运输阶段的初始排碳量较小，则消费者环境意识水平存在一个阈值，当消费者环境意识水平在小于阈值的区间内提升时，零售商选择降低销售价格；否则，零售商提高销售价格。其原因为，随着消费者环境意识水平的提升，消费者对低碳产品的需求增加，制造商和3PL需要更多减排投资以降低产品碳排放，而投入的减排成本会转嫁到产品销售价格；同时，随着消费者环境意识水平的提升，消费者对初始排碳量低的产品的支付意愿逐渐增加，零售商通过提高产品销售价格来匹配消费者的支付意愿。

2.3 两种决策模式比较

将独立决策与集中决策模式下的均衡解进行比较，得出如下结论：

结论7碳标签制度下，若给定产品的初始排碳量em0+et0，则独立决策与集中决策模式下的产品碳排放、销售价格、市场需求及供应链系统利润分别满足：

证明比较独立决策和集中决策模式下的均衡解，有

命题3表明，制造商、3PL和零售商等供应链参与企业之间应加强合作，实施集中决策，有助于提高供应链系统整体利润，增加产品市场供给量，降低生产和运输过程中的排碳量；当消费者环境意识水平较低时，集中决策下的产品销售价格相比独立决策更具优势，而较高的消费者环境意识水平会使得集中决策下的产品销售价格更高。

随着“绿色环保，低碳经济”等观念的日益渗透，消费者环境意识水平呈不断提升趋势，促使消费者对低碳产品的需求逐步增加，该现象有利于集中决策在较高的消费者环境意识水平下实现较低的市场销售价格。同时，政府及社会组织应通过应给予制造商和3PL减排投资补贴，鼓励制造商和3PL减少碳排放，向社会提供更多低碳产品，刺激消费者增加低碳需求。

3 协调机制设计

由结论7可知，在碳标签制度下，若供应链成员企业采取独立决策模式，由于存在“双重边际化效应”，致使供应链系统整体利润下降；同时，产品最终碳排放相较于集中决策更高，且独立决策向市场提供的产品数量也比集中决策时更少；在消费者环境意识水平较低时，集中决策下的市场销售价格也更低。因此，从经济效益和生态效益视角考虑，集中决策优于独立决策，在社会效益方面，集中决策也在一定程度上占优。综合来看，可以认为，碳标签制度下三级供应链的定价与碳足迹集中决策比独立决策更优。

4 算例分析

在制造商、3PL和零售商组成的三级供应链中，取a=100，b=1，c=20,v=5,k1=10,k2=20,η∈(0,5),em0∈(0,10),et0∈(0,5)对以上结论进行验证。本文在η∈(0,6),em0∈(0,10),et0∈(0,5)时比较分析独立决策和集中决策下供应链系统初始排碳量以及消费者环境意识水平对产品碳排放、产品销售价格、市场需求、供应链系统利润的影响，以及实施协调契约前后制造商、3PL和零售商的利润状况。

4.1 消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对产品碳排放的影响

消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对产品碳排放的影响如图1所示。由图1可知，在产品生产和运输过程中，给定供应链系统初始排碳量，随着消费者环境意识水平的提升，产品碳排放在独立决策和集中决策时均呈现下降趋势；给定消费者环境意识水平，随着初始排碳量的增加，产品碳排放在两种决策模式中均呈现上升趋势。其中，集中决策时产品碳排放受消费者环境意识水平和初始排碳量的影响更为明显，体现了集中决策对碳减排的要求更高，以达到使产品更为适应市场要求的目标。

图1 消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对产品碳排放的影响

4.2 消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对产品销售价格的影响

消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对产品销售价格的影响如图2所示。由图2可知，给定供应链系统初始排碳量，随着消费者环境意识水平的提升，产品销售价格在独立决策时呈现出下降趋势，而在集中决策时呈现先降低后上升特征。原因在于当消费者环境意识水平提升时，消费者对碳排放较高产品的购买意愿降低；当消费者环境意识水平很高时，低碳排放已经成为产品的竞争优势，消费者对于低碳排放的产品购买意愿强烈，需求增加致使销售价格出现了上升；给定消费者环境意识水平，随着初始排碳量的升高，产品销售价格均呈现下降趋势。

4.3 消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对市场需求的影响

消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对市场需求的影响如图3所示。由图3可知，给定供应链系统初始排碳量，随着消费者环境意识水平的提升，市场需求在独立决策时呈现出下降趋势，在集中决策时呈现出先下降后上升趋势，原因同图2所示；给定消费者环境意识水平，随着初始排碳量的升高，市场需求均呈现下降趋势。

图2 消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对产品价格的影响 图3 消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对市场需求的影响

4.4 消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对供应链利润的影响

消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对供应链系统利润的影响如图4所示。由图4可知，给定供应链系统初始排碳量，随着消费者环境意识水平的提升，无论独立决策还是集中决策，供应链系统利润均呈现下降趋势；给定消费者环境意识水平，随着初始排碳量的升高，两种决策模式下的供应链系统利润也均呈现下降趋势。随着消费者环境意识水平的升高，消费者更倾向于购买低碳产品(体现在集中决策下消费者环境意识水平较高时对产品需求的增加)，但当消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量同时升高时，消费者环境意识水平提升带来的利润增长幅度要低于供应链系统初始排碳量不断增加带来的减排成本上升幅度，从理论上体现了领先于市场半步的内涵。在现有的消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量设定数值范围内，集中决策时供应链系统利润要高于独立决策时供应链系统利润。

图4 消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量对供应链系统利润的影响

4.5 协调机制实施前后供应链参与企业利润状况

实施协调机制前后，供应链各参与企业的利润比较如图5所示。由图5可知，供应链各参与企业接受协调契约并对增量利润按比例分享后，在给定供应链系统初始排碳量的前提下，随着消费者环境意识水平的提升，各参与企业利润均呈现下降趋势；给定消费者环境意识水平，随着供应链系统初始排碳量的升高，各参与企业利润也均呈现下降趋势。可以看出，在现有消费者环境意识水平和供应链系统初始排碳量设定数值范围内，协调后各参与企业利润均高于协调前的利润水平。其中，制造商的利润增幅最大，体现了制造商处于供应链的主导地位。

图5 协调前后供应链参与企业利润状况

5 结束语

5.1 研究总结

本文基于供应链视角，研究了制造商、3PL和零售商组成的三级供应链定价与碳排放决策，得出以下结论：

(1)无论是独立决策还是集中决策，随着消费者环境意识水平的提高，产品碳排放下降；随着供应链系统初始排碳量的增加，产品碳排放上升；独立决策时产品碳排放要比集中决策时产品碳排放更高。

(2)若消费者环境意识水平较低，则独立决策时的产品销售价格要比集中决策时高；若消费者环境意识水平较高，则集中决策时的产品销售价格要比独立决策时高。同时，随着供应链系统初始排碳量的提升，无论独立决策还是集中决策，产品销售价格都呈现出下降趋势。

(3)当消费者环境意识水平及供应链系统初始排碳量满足一定条件时，集中决策相较于独立决策更优，这体现在产品碳排放更低、产品销售价格降低以及供应链系统利润增加等。同时，通过实施利润共享协调契约，对集中决策下的供应链利润增量进行合理分配，实现供应链的完美协调。

5.2 研究展望

本文为实施供应链低碳运作做出了有益补充。在消费者已经具有环境保护意识的现实情境下，实现供应链利润增长和保护环境的矛盾并非不可调和，两者可以实现协同发展。碳标签制度很好地实践了市场手段的调节功能并取得效果，即用科学的绿色的消费观念引导企业以及供应链成员实施低碳节能、技术升级的转型策略。对于企业而言，企业需要在低碳产品消费市场成熟时，适时跟进或加强与供应链成员企业的合作，甚至在低碳产品消费市场不够成熟时，保持较强的独立性更利于生存。对于政府而言，政策制定部分应审时度势，制定合适的政策来引导消费者购买低碳产品的绿色消费观念，同时激励企业走绿色低碳的可持续发展之路。碳标签制度实现了不同角色应当发挥的社会价值，不论是作为消费者的普通民众，还是参与产品生命周期的供应链企业，或者制定政策的政府部门，都在其中为创建低碳减排、绿色可持续发展社会贡献力量。

最后，限于篇幅，本文未对制造商和3PL两者构成的关于碳排放决策的二元博弈进行深入研究；在以制造商为主导的集中决策模型中，利润共享时未对共享比例进行决策博弈。未来可以考虑建立多目标主体的低碳供应链，比较分析不同博弈规则下最优策略组合。