考虑产运环节碳排放的生鲜低碳供应链运营决策

冯 颖,冯仰超,张景雄,宣 彪,张炎治

(中国矿业大学 经济管理学院,江苏 徐州 221116)

据联合国粮农组织(FAO)数据统计,农业用地释放的温室气体已超过全球温室气体排放总量的30%。但与此同时,农业生态系统可抵消掉80%因农业生产而导致的温室气体排放。农业既是温室气体主要的排放源,又是巨大的碳汇系统,因此,农业减排成为实现碳达峰与碳中和的重要途径之一。我国农业农村部指出,要推动农业绿色发展、低碳发展、循环发展,全产业链拓展农业绿色发展空间,推动形成节约适度、绿色低碳的生产生活方式1)《“十四五”全国农业绿色发展规划》,2021。基于上述背景,本文探究不同碳排放政策下,产运环节碳排放对生鲜农产品低碳供应链运营决策的影响。不同于一般农产品,生鲜农产品自身具备易腐易损性,故其在长距离运输中往往存在流通损耗。为降低流通损耗且满足消费者以“鲜”为美的观念,企业通常会将物流环节外包给更为专业的TPL。TPL提供的冷藏、保鲜等增值服务一方面降低了产品的流通损耗,另一方面也释放了大量的温室气体。据中国发展网报道,来源于运输行业的温室气体排放约占中国碳排放总量的10.4%,其中,果蔬冷链碳排放尤为突出,并呈现逐年递增的趋势2)中国发展网,http://www.chinadevelopment.com.cn。因此,生产和运输已成为生鲜农产品供应链碳排放最为集中的环节,生鲜农产品低碳供应链的良性运作取决于高效的物流环节、合理的碳政策两方面因素。

已有低碳供应链运营管理方面的研究主要聚焦于不同碳排放政策对于供应链运作的影响以及企业的碳减排策略,涉及的碳排放政策主要有两种,一种是“基于价格”的经济手段——碳税政策,另一种是“基于数量”的经济手段——碳配额与交易政策(以下简称碳交易)的研究。部分文献对实施单一碳税政策的情形进行了研究,主要以碳税价格外生[1-2]或内生[3]、碳税补贴[4-5]等不同碳税形式展开。研究发现,碳税政策会影响供应链成员的定价决策并可有效抑制碳排放,但过于繁重的碳税不利于企业低碳转型发展。也有文献对实施单一碳交易政策情形进行研究,主要从碳配额分配方式[6]、碳配额补贴[7]和碳减排[8-10]等方面切入,探讨最优的碳配额分配机制和供应链成员在碳交易政策下的决策。还有文献针对碳税和碳交易构成的混合碳政策展开研究。Benjaafar等[11]考虑了碳排放限额在成本最小化模型中引入固定碳税税率,将碳排放问题纳入供应链中的企业采购、生产和库存管理方面的运营决策,并认为碳排放管制的存在可以显著增加供应链成员间广泛的合作。文献[12-13]中均建立了碳交易-碳税并行的供应链减排决策模型,研究了混合碳政策对供应链决策的影响。程永伟等[12]认为“有偿配额-排补贴”的配套机制可以激发碳市场活跃度,其竞价成本效应和转移支付效应可对高污染落后产能发挥“逆淘汰”作用。刁心薇等[13]围绕供应链内两种不同且存在竞争关系的产品,探讨供应链企业的最优定价和减排决策,并在后续研究中指明,制造商低碳转型过程中的技术选择主要取决于普通产品与低碳产品的碳排放成本差额,差额的大小决定了普通产品的生产和停产关系[14]。也有部分文献将两类碳排放政策视为独立的政策工具,对两者进行对比研究。杨仕辉等[15]构建了政府气候政策选择与企业碳减排选择的博弈模型,认为不同发达程度的国家间实施碳交易或可成为最优的气候政策组合。鲁力等[16]对比了碳税和单位碳交易价格的大小关系对最优订货量和回购价格的影响,发现利用回购合同可以在两种情况下都实现供应链协调,且无碳排放约束、碳配额与碳交易政策下制造商的最优订货量依次减少,但供应商给出的回购价格依次提高。Yang等[17]对比了无碳排放模型、碳交易模型和碳税模型下的供应链均衡,发现碳交易政策在激励供应链碳减排方面更加有效。Li等[18]引入了4种情形(排放上限、碳税、碳交易、碳减排)作为约束条件,通过实证分析比较了4种不同的碳排放政策对煤炭供应链优化的影响,发现煤炭企业在碳交易政策下的减排效果最好。

值得注意的是,上述文献探究的均是普通工业品,也有部分学者将生鲜农产品视为单独类别,引入了碳排放环节差异、生鲜产品损耗特性等要素。从碳排放环节来看,Wang等[19]考虑单个生鲜农产品供应商和多个零售商均存在碳排放行为,研究了碳交易政策下的零售商联合补货策略,发现利润增长与减排目标可同时实现。Bai等[20]在VMI模式下,考虑生产商对生产和存储过程的碳排放负责的情形,认为碳交易政策和碳减排技术投资可有效抑制生鲜农产品生产和储存环节中产生的碳排放。从产品损耗特性来看,张冬梅等[21]考虑了生鲜产品的变质损耗特性,研究了生鲜农产品订购与保鲜策略,认为碳排放政策实施强度的变化影响生鲜产品的订购周期但不影响保鲜策略。马雪丽等[22]在三级冷链系统中进一步考虑了生鲜产品运输中的实体和价值损耗,引入TPL 来承担生鲜品的保鲜与低碳责任,提出鼓励TPL引入碳减排技术并引导消费者提高环境偏好以提升供应链的建议。Ma等[23]以TPL在三级冷链中的保鲜努力水平和碳减排水平为研究对象,对比了分散和集中决策系统中分别实施碳税和碳交易政策下的最优决策。

综上所述,碳税和碳交易两类政策的优劣一直是理论研究领域关注的焦点问题,同时,碳政策工具的选择和采用也是当前国内外亟待解决的现实问题。在实际中,两类政策各具优势且在不同行业的应用存在差异。例如:加拿大Alberta省实施的碳政策中,针对大型排放企业采取碳市场机制,针对排放分散的小型企业则采取征收碳税的方式3)国际环保在线,https://www.huanbao-world.com;中央财经大学一项研究报告对各国实施碳税的进程进行了梳理,并对比了碳税和碳交易政策的利弊,研究表明,碳政策工具的选择还受到交易成本、税率、经济波动等因素的影响4)中央财经大学绿色金融国际研究院,http://iigf.cufe.edu.cn/info/1012/1112.html。那么,生鲜这一特殊行业应采取何种碳政策? 不同碳政策将如何影响生鲜低碳供应链的运作? 这些问题具有现实研究价值。

本文针对由单生产商、单TPL和单零售商构成的生鲜农产品低碳供应链,考虑产运环节的碳排放,研究碳税和碳交易政策对于系统决策和运作的影响。创新点在于:①在物流外包下,引入产品在运输过程中的价值损耗,考虑TPL物流服务水平影响产品新鲜度且消费者具有低碳偏好意识的情形;②研究了碳税和碳交易政策下生产商的减排策略及不同碳排放政策对系统运作的影响;③横向对比了单独考虑生产碳排放和同时考虑产运碳排放情形下的供应链运作状况;④分析了不同价格弹性下生鲜农产品的碳减排空间,并提出针对碳税与碳交易价格设定的指导建议。

1 问题描述与假设

考虑一个由生产商、第三方物流服务商(以下简称TPL)和零售商组成的生鲜农产品低碳供应链系统。假设系统在单个产运销周期内,生产、运输和销售单一品种的生鲜农产品;系统成员均为完全理性和风险中性的“经济人”,各自追求自身利润最大化,系统中所有信息均为各方共识。生产商(泛指大型农业生产基地或农业合作社)处于主导地位,负责生产生鲜农产品,其单位产品的批发价格和生产成本分别为Pm和Cm。为降低流通损耗,零售商将物流服务外包给专业的TPL,其中:TPL 负责将产品由生产商处运送至零售商处,其单位产品的运费和物流成本分别为Pl和C(τ);零售商负责将产品转售至终端市场,其单位产品的零售价格和运营成本分别为Pr和Cr。为突出研究侧重点并简化运算,参照文献[8-9,24],假设批发市场和物流服务市场均为完全自由竞争的市场,故批发价格和物流服务价格均为外生变量,由各市场的供求关系决定。生产商和TPL分别决策碳减排量和物流服务水平使得自身利润最大化。此外,为保证系统各成员均有利可图,上述参数需满足:

假设TPL的物流服务水平τ在区间[τL,τU]上可测度,τL和τU分别表示物流服务水平的下限和上限,其高低会影响产品在运途中的价值损耗,0 ≤τL＜τU。采用新鲜度刻画产品的价值损耗特性,假定新鲜度与TPL的物流服务水平正相关,两者之间的函数关系可用θ(τ)来刻画,其中,θ(τ)∈[0,1]。特别地,θ(τ)=0和θ(τ)=1分别表示生鲜农产品完全腐烂和完全新鲜。借鉴文献[24],假设θ(τ)随τ的增加而减速递增,故θ'(τ)＞0,θ″(τ)＜0。TPL提供的冷藏、保鲜等物流服务成本与物流服务水平正相关,由于物流成本随物流服务水平的增加而加速递增,故C'(τ)＞0,C″(τ)＞0。分别引入两者的弹性函数Eθ(τ)和E C(τ),则:

其中:Eθ(τ)表示物流服务水平每增加1%,产品新鲜度和转移支付系数增长的百分比,0＜Eθ(τ)≤1;E C(τ)表示TPL的物流服务水平每增加1%,物流服务成本增长的百分比,E C(τ)≥1。

由于农业供应链中的碳排放主要来自生产和运输环节,为探究生鲜低碳供应链中生产商碳减排行为对低碳供应链运作的影响,假设生产商生产单位产品产生的碳排放量为em,TPL 对单位产品进行物流活动产生的碳排放量与物流服务成本正相关[22]。为简化运算且不失一般性,假设TPL 的碳排放量为μelC(τ),其中,μ＞0为TPL碳排放量对物流服务水平的敏感系数。生产商碳减排投入成本与单位产品碳减排量正相关,表示为K(Δem),且碳减排投入成本随着单位产品碳减排量的增加而加速递增,故有:K'(Δem)＞0,K″(Δem)＞0。

借鉴文献[25-27]中给出的乘积形式的生鲜农产品市场需求函数,同时创新性地引入减排量对市场需求的影响以刻画消费者低碳偏好,本文将生鲜低碳供应链的市场需求函数刻画为

式中:A(A＞0)为市场的潜在需求量;b(b＞1)为产品销售价格的弹性系数,是指市场需求对产品价格敏感的情形;产品新鲜度θ(τ)反映产品的综合质量特性,如腐烂程度、表面含水量与光泽等,新鲜度良好的产品能提高消费者的购买欲望,故将其作为影响市场需求的重要因素之一;Δem为生产商经过努力后达到的单位产品碳减排量(0≤Δem≤em)。假设生产商生产的生鲜产品具有知名度和品牌效应,故碳排放标识可在产品包装、标签和官网上体现,具有低碳偏好意识的消费者通过上述方式快速获取生产商的碳减排信息。实际上,已有许多企业采用了碳标签或碳标记制度,如英国的Carbon Trust公司、Tesco、可口可乐、联合利华等。可见,假定消费者感知生产商的碳减排量是可行且合理的。由于消费者具有低碳偏好意识,故产品碳减排会提升消费者的购买意愿,进而增加市场需求,因此,产品市场需求与碳减排量正相关。特别地,当Δem=0时,市场需求简化为表征了不减排情形下的基础市场需求,其形式同文献[26-27]。

值得注意的是,尽管本文同时考虑了生鲜供应链产运环节的碳排放,但由于生产商的初始碳排放量Δem和TPL 的碳排放量el均为外生参数,故将它们融入需求函数并不会改变需求函数的形式,也不会对后文结果及分析产生实质性影响。因此,为简化运算并不失一般性,本文假设市场需求与生产商碳减排量线性正相关。在低碳供应链运营管理领域,文献[28-29]中均采用了类似的设定。

考虑碳税和碳交易两类政策对供应链运作的影响。前者是指政府部门针对二氧化碳排放征收的税款的相应税费;后者是指政府给予相关企业固定的碳配额。当企业实际碳排放量高于或低于该配额时,即发生短缺或剩余,企业可通过碳交易市场进行买卖交易以满足自身需求。假设单位碳排放量的碳税价格和碳交易价格分别为P e和P c,为保证生产商在碳税和碳排放政策下均有利可图,系统参数还需分别满足:Pm-Cm＞emP e,Pm-Cm＞emP c。其中,碳交易政策下,政府给予生产商和TPL 的碳配额分别为Em(Em＞0)和El(El＞0)。基于上述描述,考虑生鲜农产品供应链碳排放环节变化,依次针对生产环节(生产商)碳排放、产运环节(生产商和TPL)碳排放的情形,探讨碳排放环节及碳排放政策对供应链运作的影响。系统结构如图1所示。

图1 生鲜低碳供应链系统结构Fig.1 Fresh low-carbon supply chain system structure

符号说明:

决策变量

Pr——零售商决策的单位产品销售价格

τ,τi——TPL决策的物流服务水平

Δem,——生产商生产单位产品的碳减排量

系统期望利润函数

πm——生产商的利润

πl——TPL的利润

πr——零售商的利润

Π,Πi——供应链成员的总利润

参数

Pm——生产商向零售商收取的批发价格

Pl——TPL向零售商收取的物流价格

Cm——生产商的单位运营成本

Cr——零售商的单位运营成本

C(τ)——TPL的单位物流成本函数

K(Δem)——生产商的碳减排成本函数

A——产品的潜在市场规模

b——产品的市场需求价格弹性

θ(τ)——产品的新鲜度函数

Q——产品的市场需求函数

Pe——单位碳排放量的碳税价格

Pc——单位碳排放量的碳交易价格

em——生产商生产单位产品产生的碳排放量

el——TPL对单位产品进行物流活动产生的碳排放量

Em——政府给予生产商的碳配额

El——政府给予TPL的碳配额

μ——TPL碳排放量对物流服务水平的敏感系数

其中,i=CQN,CQL,CTN,CTL,分别表示碳税政策下不考虑/考虑TPL碳排放以及碳交易政策下不考虑/考虑TPL碳排放的均衡结果。

2 数学模型及均衡分析

本节将探究不同碳排放主体及不同碳排放政策对生鲜农产品供应链运营决策的影响。首先单独考虑生产环节碳排放,分别构建了碳税(CTN)和碳交易(CQN)政策下的博弈模型并进行了均衡分析,对系统关键参数进行了灵敏度分析。在此基础上,同时考虑产运环节碳排放,分别构建了碳税(CTL)和碳交易(CQL)政策下的博弈模型并进行了上述分析。最后,对4种情形下的均衡结果进行了横向对比。

供应链成员的决策次序主要取决于各成员在供应链中的权力地位,本文考虑生产商主导、TPL 和零售商跟随的情形,即假定生产商为实力雄厚的大型农业龙头企业,其在供应链中处于强势地位并具有后发优势,故生产商给出最优的碳减排量后,TPL和零售商据此决策最优的物流服务水平和零售价格,这是符合现实情况的。从理论研究上看,在TPL参与的生鲜供应链运营管理领域,文献[24,26,29]中探究了类似的权力结构。基于上述探讨,三方之间的Stackelberg博弈过程为:①生产商决策单位产品的碳减排额Δem;②TPL 依据生产商的碳减排额Δem,决策物流服务水平τ;③零售商根据生产商的碳减排额Δem和TPL 的物流服务水平τ,决策产品零售价格Pr。

2.1 单独考虑生产环节碳排放的博弈模型

2.1.1碳税政策的情形(CTN 情形) 碳税政策下,政府规定企业在生产经营过程中产生的碳排放以每单位碳排放量P e的价格收缴碳税,故生产商需向政府支付的碳税总额为(em-Δem)P eQ。CTN 情形下,各成员的利润函数为:

采用逆向归纳法求解式(2)～(4)构成的博弈模型,可得到命题1。

命题1CTN 情形下,系统存在唯一的均衡解,满足

τCTN的取值情况为:①若τ1＜τL,则τCTN=τL;②若τL≤τ1≤τU,则τCTN=τ1;③若τ1＞τU,则τCTN=τU。其中,τ1为方程

的解。

联立三方决策,可得CTN 情形下内点均衡下的产品市场需求为

式中:

命题1及后文中所有定理及推论的证明过程见附录A。

命题1给出了CTN 情形下的博弈均衡结果。容易看出,由于物流服务水平受限,其均衡结果存在边界均衡和内点均衡两种情况。鉴于边界均衡是更为简单的特殊情形且缺少研究价值,故后文所有结论如不加说明,均是围绕内点均衡展开探讨。观察内点均衡结果,由式(7)可知,当TPL的边际成本利润率等于物流服务成本弹性函数与产品新鲜度弹性函数的比值时,TPL的物流服务水平达到均衡。这说明,TPL进行服务水平决策时,需权衡两个弹性函数的大小,即权衡物流服务水平上升带来的服务成本增加和产品新鲜度上升两个相悖的因素对TPL利润的影响。改写式(5),易得这反映了零售商的边际利润率仅与产品价格弹性相关,弹性越大,其边际利润率越低。

对上述参数进行灵敏度分析,容易得到命题2。

命题2表明,在CTN 情形下,产品销售价格与产品价格弹性系数负相关、与碳税价格无关。这是由于产品价格弹性系数越高,意味着市场需求对价格变化越敏感,供应链中各方企业会降低转移价格,进而降低产品在终端市场上的产品销售价格,采取“薄利多销”的方式吸引更多的消费者购买。由于批发价格和物流服务价格均外生,故碳税价格不会影响产品销售价格的决策。产品价格弹性和碳税价格对TPL的物流服务水平没有直接影响,该服务水平仅与物流价格、物流成本和新鲜度函数相关。碳减排量及需求量随价格弹性系数的变化而不明确,存在一个临界条件,当φ-1(0)＜1时,两者随之递减;当φ-1(0)＞1时,若产品具有较高的价格弹性,则弹性价格上升会阻碍该供应链碳减排且降低需求量。这类似于Ma等[23]的研究结果,即政府应对高价格弹性的产品实施更为宽松的碳排放政策,以激励企业碳减排。同时,存在一个碳减排量的阈值,当生产商的碳减排量低于(高于)该阈值时,生产商单位产品碳减排量会随碳税价格的上升而降低(增高),进而导致市场需求下降(上升)。“双碳”目标的实现是一个循序渐进的过程,当生产商的碳减排量低于与初始碳排放量相关的某阈值时,设置过高的碳税会适得其反,不利于供应链低碳化发展。综上所述,在政府的经济手段下,单位产品碳排放量较高的生产商利润受到压缩后需进行低碳转型,碳税是利用政府干预手段引导参与者走向低碳化的有效政策工具。

将式(5)～(8)分别代入式(2)～(4),可得CTN情形下供应链各成员及系统总利润分别为:

式中:

结合式(9)～(12),分别对关键参数进行灵敏度分析,可得命题3。

命题3表明,在CTN 情形下,碳税价格上涨并非一定有损于供应链成员利益,当生产商的碳减排量高于与初始碳排量相关的某阈值时,较高的碳税价格会激励生产商进行碳减排并增加市场需求,进而提升TPL和零售商的利润。从另一视角来看,企业间的运营和环境绩效是关联的,供应链成员间的互动在确定供应链总体碳排放水平和设立相应成本方面十分重要。这一观点与Benjaafar 等[11]和Martí等[30]相似。相较于其他成员,生产商利润关于碳税价格的变化更为复杂。

2.1.2碳交易政策的情形(CQN 情形)CQN 情形下,政府给予生产商一定的碳排放配额Em,生产商在经营期末时会在碳交易市场就剩余或所需购买的碳排放权额度(Em-emQ)按照当期每单位碳排放量的价格P c进行交易,以增加自身利润或填补实际碳排放额与碳配额之间的缺口。CQN 情形下的生产商利润函数为

TPL和零售商的利润函数分别同式(3)和式(4)。采用逆向归纳法求解此博弈问题,可得命题4。

命题4CQN 情形下,系统存在唯一的均衡解,满足

联立三方决策,可得CQN 情形下内点均衡下的产品市场需求为

式中,ρc=Pm-Cm-emP c。

命题4给出了CQN 情形下生鲜低碳供应链系统的内点博弈均衡结果。容易看出,CQN 情形下求得的产品销售价格和物流水平最优均衡解与CTN情形相同,即在单独考虑生产环节碳排放时,碳排放政策的变化对零售商和TPL的决策没有影响,不会影响生鲜产品的零售价格和新鲜度。对上述参数进行灵敏度分析,容易得到命题5。

命题5表明,CQN 情形下的系统均衡结果随关键参数的变化同CTN 情形,即不考虑TPL 碳排放时,碳排放政策变化不会改变产品价格弹性对系统均衡结果的影响。

将式(14)～(17)分别代入式(3)、(4)和式(13),可得CQN 情形下供应链各成员及系统总利润分别为:

结合式(18)～(21),分别对关键参数进行灵敏度分析,可得命题6。

命题6表明,CQN 情形下的生鲜低碳供应链成员及系统的利润关于碳交易价格的增减趋势与CQN 情形结果类似,碳交易价格对供应链系统成员利润的影响因产品的碳减排量而产生变动。

2.2 同时考虑产运环节碳排放的博弈模型

生鲜低碳供应链中,除生产商在生产时会产生大量碳排放,物流环节也会因存储、运输、冷藏等产生可观的碳排放。因此,在实行低碳政策的大环境下,碳排放政策也会对TPL 的物流活动造成直接影响。本节同时考虑产运环节存在碳排放,探讨碳税(CTL)及碳交易(CQL)政策对供应链运作的影响。

两类政策下生产商、TPL 和零售商的利润函数如表1所示。

表1 同时考虑产运环节碳排放下供应链各成员的利润函数Tab.1 Profit functions of supply chain members considering carbon emissions in the production and transportation

结合表1,利用逆向归纳法求解两种情形下的均衡结果,可得命题7。

命题7CTL和CQL情形下,系统均存在唯一的内点均衡解,具体的均衡结果如表2所示。

表2 同时考虑产运环节碳排放下的内点均衡结果Tab.2 Results of interior equilibriums considering carbon emissions in the production and transportation

命题7给出了CTL和CQL情形下博弈的内点均衡结果。可以看出,与CTN 和CQN 情形相似,供应链成员的内点均衡决策会依据碳税价格、碳交易价格及产品价格弹性系数等关键参数的变化做出调整。

将表2所求的系统内点均衡解代入表1中的系统成员利润函数,可得CQN 情形下各成员的利润以及系统总利润(见表3)。

表3 同时考虑产运环节碳排放下各成员及系统的利润Tab.3 Profits of members and system considering carbon emissions in the production and transportation

基于两类碳排放政策下的均衡结果,对系统关键参数进行灵敏度分析,可得命题8。

命题8CTL和CQL 情形下系统关键参数的灵敏度分析如表4所示。

表4 同时考虑产运环节碳排放下系统关键参数的灵敏度分析Tab.4 Sensitivity analysis of key system parameters considering carbon emissions in the production and transportation

命题8表明,生产商考虑TPL碳排放行为进行决策时,碳税价格和碳交易价格对供应链成员及系统总体利润的影响存在差异。不同于王勇等[29]的研究结果,本文在考虑TPL 碳排放行为时的CTL和CQL情形下,均发现存在一个与单独考虑生产环节碳排放情形相同的关于碳减排量的阈值。当生产商自身碳排量低于该阈值时,碳税/碳交易价格的提升会减少碳排放企业的减排动力;当高于该阈值时,两种情形下碳减排量的变化不明确。这说明,同时考虑产运环节碳排放时,政府更应慎重设立较高强度的碳排放政策。总体而言,同时考虑产运环节碳排放时,系统成员决策及利润随关键参数变化的情况更为复杂。此外,由于物流活动外包给了TPL,无论哪一种情形下,碳排放政策总是会影响到TPL对物流服务水平的决策。碳排放成本的增加,在一定程度上抑制了TPL对物流服务成本的投入,进而导致其物流服务水平下降,这一点不同于张冬梅等[21]的研究。

3 模型比较与分析

首先,基于第3节给出的4种情形下的内点均衡结果进行横向对比,探讨在不同政策下生产商的碳减排策略对供应链系统成员决策的影响;然后,引入数值算例,分析产品价格弹性系数发生变化时,4种情形下供应链成员利润的变化并进行横向对比。;反之,则变化不定。③若;反之,则变化不定。TPL提高物流服务水平。

考虑到直接对4种情形下的生产商其他决策结果进行横向对比存在困难,为便于运算且不失一般性,本文假设单位产品的物流服务成本、新鲜度和生产商碳减排成本均为幂函数

3.1 关键指标分析

结合式(5)～(8)、式(14)～(17)以及表3中的均衡解,比较4 种情形下内点均衡结果,可得命题9。

命题9表明,碳排放环节以及碳政策变化不会影响零售价格决策。由于零售环节不存在碳排放,零售价格决策仅受到产品价格弹性系数及其自身边际成本的影响。两者变化会影响TPL 和生产商的均衡决策。具体地:仅考虑生产碳排放时,TPL 的物流服务水平决策不受碳政策变化的影响,故产品新鲜度也不受影响;产运同时存在碳排放时,两种碳政策下TPL的物流服务水平均低于仅生产存在碳排放的情形,说明运输环节的碳排放由于产生了额外的成本,从而抑制了TPL提升物流服务水平的动力,故产运同时存在碳排放会降低产品到达终端市场的新鲜度。

命题10若P e＜P c,则τCTL＞τCQL;反之,若P e＞P c,则τCTL＜τCQL。

命题10表明,若运输环节存在碳排放,两类碳政策会对TPL的物流服务水平决策产生不同影响,这与单位产品的碳税和碳交易价格相关,若碳税价格低于(高于)碳交易价格,则碳税下TPL的物流服务水平低于(高于)碳交易的情形。因此,无论政府实行哪种碳政策,较低的碳排放成本支出更有利于的特殊情形,其中,β为生产商的碳减排成本因子,在实际生活中可通过化肥使用、仓储保鲜等环节进行测度。横向对比4种情形下的碳减排量及市场需求,可得到命题11和12。

命题11表明,在单位物流服务成本、新鲜度和单位碳减排成本均为幂函数的特殊情形下,碳排放主体及碳排放政策变化均会影响生产商的碳减排决策。具体地:无论采取何种碳政策,单独考虑生产碳排放时的碳减排量总是高于同时考虑产运碳排放的情形,这源于运输环节碳排放增加了供应链碳排放成本,间接抑制了生产商碳减排的意愿;两种碳政策下生产商的碳减排量变化更为复杂,即分别存在一个关于碳减排成本因子的阈值,当成本因子低于(高于)该阈值时,碳税情形下的碳减排量相应低于(高于)碳交易情形。可见,一方面,在碳政策的大环境下,供应链成员的碳排放行为会间接削弱减排企业的碳减排力度,当供应链存在多个碳排放企业时,政府应加大对减排企业的政策支持力度,同时合理引导非减排企业进行减排;另一方面,在减排技术较为成熟的经济发达阶段(碳减排成本因子较低),政府更倾向于实行碳交易政策,印证了杨仕辉等[15]的发达国家更倾向于建立碳交易市场这一观点。

命题12表明,单独考虑生产碳排放时的市场需求量总是高于同时考虑产运碳排放的情形,其原因在于运输环节增加的碳排放抑制了生产商的碳减排意愿,降低了消费者的支付意愿。单独考虑生产碳排放时,存在一个关于碳减排成本因子的阈值,当成本因子高于(低于)该阈值时,则碳税(碳交易)下可获得更多的市场需求。这是因为减排成本因子过高时,生产商在碳税政策下会决策出更高的碳减排量以节约成本,但同时也造成了市场需求上涨。

3.2 供应链成员利润分析

鉴于4种情形低碳供应链各成员及系统利润较为复杂,以下通过数值算例进行分析。沿用3.1节设定的幂函数,不失一般性,令c=50,E c=2,θ=1,Eθ=0.5,则C(τ)=50τ2,θ(τ)=τ0.5,此时物流服务成本弹性和新鲜度弹性均为常数,E c(τ)=E c=2,Eθ(τ)=Eθ=0.5。假设系统其余参数取值为:A=1 000,b=0.5,β=10 000,Pm=10,Pl=5,Cm=2,Cr=2,P e=0.51,em=15,el=3,μ=1,Em=500,El=100。为确保K″(,在假设单位产品的物流服务成本、新鲜度和生产商碳减排成本均为幂函数情形下,令b的取值在区间[1.1,2]内变化,将生产商关于单位产品碳减排量的均衡决策求出并进行数值验证,因此,有

并将上述参数分别代入2.1和2.2节的博弈模型,可得供应链各成员及系统整体利润随产品价格弹性的变化趋势(见表5)。

表5 生鲜低碳供应链成员利润随产品价格弹性的变化Tab.5 Variation of fresh low-carbon supply chain members’profits with price elasticity ×104

表5表明:

(1) 无论何种碳排放政策,零售商的利润均明显高于生产商和TPL。这说明,低碳供应链中非减排企业均存在“搭便车”现象。这是因为企业在未投入任何碳排放及减排成本下,受益于减排企业减排导致的消费者支付意愿和市场需求的上升。

(2) 尽管考虑运输碳排放会导致物流成本上涨,进而降低物流服务水平,但在特定条件下(如命题11所述),其会提升市场需求,这反而会增加供应链成员的利润。

(3) 当产品价格弹性系数增加时,供应链所有成员的利润均随之先减后增,这是源于其盈利方式发生了变化。当该弹性系数较低时,产品零售价格较高且市场需求较低,所有成员受益于边际利润的提升;当该弹性系数较高时,产品零售价格较低且市场需求较高,故“物美价廉”的物品会获得更多具有低碳偏好意识的消费者青睐,从而使得供应链成员均受益于获得产品销量的上涨。

4 结语

本文探究了碳排放环节及碳政策变化对由生产商、TPL和零售商构成的生鲜低碳供应链运营决策的影响。研究表明:

(1) 由于零售环节不存在碳排放,零售商的销售价格决策不受碳政策及碳排放环节变化的影响。

(2) 单独考虑生产碳排放时,TPL 的物流服务水平不受碳政策变化的影响。同时,考虑产运碳排放时,由于运输环节的碳排放产生了额外的成本,从而抑制了TPL提升物流服务水平的动力。具体讲,若碳税价格低于(高于)碳交易价格,则碳税下TPL的物流服务水平也相应低于(高于)碳交易的情形。若TPL的物流服务成本、生鲜农产品的新鲜度和生产商的碳减排成本均为幂函数的特殊情形,则:①供应链成员的碳排放行为会间接削弱减排企业的碳减排力度;②在减排技术较为成熟的经济发达阶段,政府实行碳交易政策会给整个市场带来更为显著的碳减排效果,反之则应实行碳税政策;③非减排企业均存在“搭便车”现象,其受益于减排企业减排导致的消费者支付意愿和市场需求的上升,政府可采取相应政策措施,减少“搭便车”;④供应链成员的利润并非一定受损于运输环节的碳排放,特定情形下会因市场需求的上升而受益。

总之,碳政策是可以引导参与者走向“双碳”目标的有效干预手段,为政府提供了具有成本效益的杠杆,合理地设置碳税与碳交易价格可激励减排企业提升减排意愿。

本文的研究结论为不同碳排放环节和碳政策下的生鲜低碳供应链运营决策提供了较好的理论依据。本文考虑了市场需求确定的情形,未来研究可进一步考虑随机需求的情形。此外,本文仅考虑了生产商碳减排而未考虑TPL碳减排的情形,未来研究可扩展至企业间协同减排的情形,这也将得到更为丰富的结论。

附录A

第3阶段,生产商基于零售商和TPL的反应函数,决策最优的碳减排量Δem。结合式(4),分别求πm(Δem)关于Δem的一阶和二阶偏导数,可得:

命题2的证明

整理式(A5),可得

命题3～6和命题8的证明同命题1和2(略)。

命题7的证明以CTL情形为例,同命题1的证明过程,分三阶段求解。

求二阶偏导数,可得:

又因为

命题10的证明同命题9(略)。

命题11的证明

(3) 证明过程同命题2(略)。

命题12的证明同命题11(略)。