考慮碳稅和碳減排專利的逆向供應鏈碳減排策略及協(xié)調(diào)

王紅春，盧 意，宮子琪

（北京建筑大學 城市與經(jīng)濟管理學院，北京 100044）

0 引言

為實現(xiàn)我國2060年的碳中和目標，政府正采取各種政策與措施促進企業(yè)節(jié)能減排。碳中和背景下，企業(yè)碳減排行為不僅受企業(yè)內(nèi)部因素影響，也受許多供應鏈外部因素影響，例如碳稅、碳排放限額、碳排放權(quán)交易市場、政府對企業(yè)環(huán)境信息披露的要求、消費者低碳偏好等，其中碳稅對于促進企業(yè)碳減排較為有效[1，2]。

在碳稅對供應鏈影響的研究方面，楊玉香等[3]通過量化不同碳稅政策下工廠支付碳稅，分析并建立供應鏈各成員均衡模型，發(fā)現(xiàn)隨著碳稅提高，企業(yè)碳減排投資意愿上升，企業(yè)更愿意使用低碳技術(shù)。熊中楷，等[4]研究制造商碳減排技術(shù)選擇問題，發(fā)現(xiàn)碳稅可以促進企業(yè)進行碳減排，但碳稅過高時企業(yè)選擇不采用低碳技術(shù)。程永宏，等[5]基于碳稅政策建立制造商和零售商供應鏈模型，研究了其最優(yōu)碳減排策略。朱晨[6]建立包含雙寡頭制造商的二級供應鏈博弈模型，在三種情形下分析碳稅政策下消費者低碳偏好對供應鏈各成員減排和利潤的影響，并發(fā)現(xiàn)碳稅政策可以促進企業(yè)減排，且聯(lián)合決策下供應鏈減排量和總利潤提高。由于碳稅的存在損害了企業(yè)的利潤，因此，不論是從響應政府號召的角度出發(fā)，還是為了提升企業(yè)自身利潤，碳稅政策都將促使企業(yè)積極采取措施進行碳減排。

企業(yè)可以通過多種途徑進行碳減排，對廢舊產(chǎn)品進行回收再制造是一種常見的減排途徑。通過再制造可節(jié)約新產(chǎn)品30%-50%的成本[7,8]，節(jié)能節(jié)材60%-70%，不僅提高了原材料的利用率，也減少了生產(chǎn)過程中的碳排放量，因此再制造成為很多企業(yè)減排的方式。各行業(yè)對廢舊產(chǎn)品回收而產(chǎn)生的逆向物流需求增大，從而促進了逆向供應鏈的產(chǎn)生與發(fā)展[2]。傳統(tǒng)供應鏈中的物料沿著生產(chǎn)銷售等各環(huán)節(jié)向需求方移動，而逆向供應鏈則從消費者處回收廢舊產(chǎn)品并對其進行加工、再制造，并使之可以被制造商利用或處置[9]。在逆向供應鏈下，再制造商的原材料是原制造商生產(chǎn)的廢舊產(chǎn)品，但其再制造品與原制造商也存在競爭關(guān)系。再制造產(chǎn)品的使用價值可達到甚至超過新品，部分再制造品甚至更受消費者追捧，因此，逆向供應鏈內(nèi)各方的決策也會互相影響。Li，等[10]在供應鏈中考慮了政府補貼，建立了原制造商和再制造商競爭模型。顧巧論，等[9]對比三種不同回收模式，研究了基于單一制造商與零售商的逆向供應鏈定價策略。張福安，等[11]比較分析不同補貼政策對制造商減排決策影響，發(fā)現(xiàn)再制造品減排能力較差時，制造商的碳減排積極性提高。王娜，等[12]考慮碳稅政策和消費者異質(zhì)需求，建立原制造商與再制造商的供應鏈模型，結(jié)果表明根據(jù)再制造品的碳排放率，各制造商將選擇不同的生產(chǎn)策略，且原制造商可提高碳減排增加自身及供應鏈總利潤。

使用低碳生產(chǎn)技術(shù)也成為企業(yè)降低碳排放的重要途徑之一。企業(yè)可通過對碳減排專利技術(shù)進行投資，以達到節(jié)能減排、降低碳稅成本的目標。熊中楷，等[4,13]建立了由第三方再制造商和原制造商構(gòu)成的供應鏈模型，在考慮了專利保護與政府補貼的基礎(chǔ)上拓展了收益共享契約，并提出第三方共享共擔收益成本的協(xié)調(diào)契約。許民利[14]在兩種不同的專利費收取模式下，考慮再制造品產(chǎn)出不確定性，通過對三種決策對比，發(fā)現(xiàn)合理設(shè)置固定專利許可費可使原制造商收益增加和再制造商回收積極性提升。鄭本榮[15]建立專利保護下由制造商、再制造商與零售商構(gòu)成的雙渠道供應鏈，研究發(fā)現(xiàn)制造成本增加將導致專利權(quán)許可費降低。

通過對現(xiàn)有文獻的梳理，可以發(fā)現(xiàn)學界對逆向供應鏈的減排決策及協(xié)調(diào)機制等已有較為豐富的研究成果，并且大多集中在碳稅政策、政府補貼、消費者低碳偏好和碳減排專利的作用等方向。同時考察碳稅、碳減排專利和再制造商規(guī)模效應共同作用對逆向供應鏈碳減排策略及利潤分配的影響的研究較為匱乏。因此，構(gòu)建由原制造商主導和第三方回收商負責再制造的逆向供應鏈模型，在考慮碳稅政策和碳減排專利及其抵稅作用的同時，考慮了再制造商規(guī)模效應對逆向供應鏈最優(yōu)決策的影響。通過分散決策下原制造商主導的斯塔伯格博弈分析，得出不同情形下該供應鏈內(nèi)各成員最優(yōu)產(chǎn)量、碳減排專利權(quán)使用價格以及其對利潤和碳減排量的影響，對比分析了集中決策下的最優(yōu)決策。由于分散決策下供應鏈總利潤低于集中決策時的總利潤，且碳減排效果也較集中決策下差，通過設(shè)計合理的利潤分配方式構(gòu)建了協(xié)調(diào)機制。

1 問題描述及模型基本假設(shè)

1.1 模型描述

構(gòu)建由一個原制造商和一個再制造商構(gòu)成的逆向供應鏈。原制造商作為市場領(lǐng)導者,負責生產(chǎn)和銷售新產(chǎn)品，同時研發(fā)并擁有生產(chǎn)過程中應使用的碳減排專利。再制造商負責回收廢舊產(chǎn)品和對其進行再制造,并銷售再制造品。分散決策下，該模型的運行方式如圖1所示。

圖1 逆向供應鏈模型

該逆向供應鏈中，首先由原制造商決定單位產(chǎn)量碳減排專利使用價格和新產(chǎn)品產(chǎn)量，再制造商再根據(jù)再制造回收率確定再制造品產(chǎn)量。政府根據(jù)各制造商生產(chǎn)過程的碳排放量來征收碳稅，并且通過對研發(fā)碳減排專利的企業(yè)進行稅收減免來鼓勵、補貼企業(yè)研發(fā)碳減排專利，從而促進企業(yè)發(fā)展更節(jié)能減排的生產(chǎn)方式。

1.2 基本假設(shè)

假設(shè)1：原制造商和再制造商均為理性經(jīng)濟人，分散決策時，各方目標均為自身利潤最大化。

假設(shè)2：消費者對新產(chǎn)品的支付意愿為V，對再制造產(chǎn)品的支付意愿為βV,β反映消費者對于再制造產(chǎn)品的偏好水平，V～U[0,Q，Q]為市場對新產(chǎn)品和再制造品的總需求。消費者購買新產(chǎn)品的效用為Un=V-Pn,購買再制造品的效用為Ur=βV-Pr，可得逆需求函數(shù)：Pn=Q-qn-βqr，Pr=β(Q-qn-qr)，其中qn為新產(chǎn)品產(chǎn)量，qr為再制造產(chǎn)品產(chǎn)量。

假設(shè)3：原制造商的決策變量為單位產(chǎn)品碳減排專利權(quán)使用價格和新產(chǎn)品產(chǎn)量，再制造商的決策變量為廢舊產(chǎn)品的回收率，根據(jù)qr=θqn，進而確定再制造產(chǎn)品的產(chǎn)量。

假設(shè)4：以往的文獻多見以減排努力程度等參數(shù)體現(xiàn)企業(yè)減排成本，本文在已有文獻基礎(chǔ)上提出創(chuàng)新，假設(shè)自行研發(fā)碳減排專利的成本為Cp，政府對研發(fā)企業(yè)的政策優(yōu)惠為以研發(fā)碳減排專利的成本為基礎(chǔ)，按照研發(fā)成本的一定比例tp抵免該企業(yè)部分稅款，體現(xiàn)了碳減排專利的抵稅作用。

本文中的符號及相關(guān)說明見表1。分散決策的右上標為Ⅰ；集中決策的右上標為t，并且以右上標*表示最優(yōu)決策。

表1 文中符號及相關(guān)說明

2 模型建立及分析

為方便討論碳稅和碳減排專利、制造商規(guī)模效應對該逆向供應鏈最優(yōu)決策的影響，對分散和集中決策分別討論。

2.1 分散決策

分散決策下，原制造商和再制造商均為獨立個體，追逐自身利潤最大化，原制造商居于主導地位并承擔碳減排專利研發(fā)成本。因此，該博弈分為三個階段：（1）原制造商決定授權(quán)碳減排專利給再制造商使用；（2）原制造商確定新產(chǎn)品產(chǎn)量和單位產(chǎn)品的碳減排專利費；（3）再制造商確定廢舊產(chǎn)品回收率。

此時，原制造商利潤為新產(chǎn)品銷售收入、收取的碳減排專利使用費，扣除新產(chǎn)品生產(chǎn)成本、碳稅、稅后的碳減排專利研發(fā)成本后的余額，對應下式中各項。

再制造商利潤為再制造品銷售收入扣除向原制造商支付的專利權(quán)使用費、再制造品的生產(chǎn)成本、廢舊品回收成本以及碳稅后的余額，對應下式中各項。

采用逆向求解法，對求θ一階偏導，并使其一階導數(shù)為零，可得

帶入（1）式，對πm求一階偏導，可得原制造商最優(yōu)決策產(chǎn)量和專利權(quán)使用費。

逆向供應鏈總利潤為：

逆向供應鏈總碳排放量為：

命題1：分散決策下，碳稅f對原制造商決策的影響：①降低碳減排專利使用價格；②降低原制造商產(chǎn)量；③減少原制造商利潤。f對再制造商決策的影響：①當時，促進再制造商提高廢舊產(chǎn)品回收率；②當β＞λ2時，提高再制造商產(chǎn)量；③當β＞λ2時，增加再制造商利潤，且消費者對于再制造產(chǎn)品的偏好水平β越強，再制造商的利潤就越大。

命題表明：碳減排專利使用價格與碳稅、使用專利后的碳排放率和再制造過程的碳排放率有關(guān)。碳稅的存在會導致碳減排專利權(quán)使用價格下降。由于減少了支付的碳減排專利許可費，再制造商的成本降低，當消費者對再制造品的偏好水平大于再制造過程的碳排放率時，供應鏈的產(chǎn)量和利潤均會向再制造商傾斜。因此，適當?shù)奶级惐壤兄诮档吞紲p排專利使用價格，促進再制造業(yè)的發(fā)展。

命題2：分散決策下，k對原制造商的影響：①提高原制造商產(chǎn)量；減少原制造商利潤。k對再制造商的影響：①當Cn-Q+efλ1＜0 時，降低再制造商廢舊產(chǎn)品回收率；②減少再制造商產(chǎn)量；③降低再制造商利潤。

命題表明：分散決策下，隨著再制造商規(guī)模效應增大，k值變小，專利權(quán)使用價格并沒有發(fā)生變化。盡管原制造商產(chǎn)量減少，但其利潤卻提升了，這與再制造商回收率及產(chǎn)量升高存在一定關(guān)系。再制造商產(chǎn)量提升，原制造商收取的碳減排專利使用費增加，提升了原制造商的利潤。隨著再制造商規(guī)模效應的逐漸顯著，再制造商的回收成本逐漸降低，其回收意愿也將增強，供應鏈中各成員的利潤隨之增加。

命題3：分散決策下，使用碳減排專利的碳排放比率λ1對原制造商決策影響：①碳減排專利使用價格下降；②原制造商產(chǎn)量下降；③原制造商利潤降低。λ1對再制造商決策影響：①當時，再制造商的回收率增大；②當β＞λ2時，再制造商產(chǎn)量提高；③當β＞λ2時，再制造商利潤提高。

命題表明：分散決策下，碳減排專利減排效果越好，λ1越小。隨著λ1增大，原制造商產(chǎn)量下降，碳減排專利使用價格下降，利潤降低。反映出，當碳減排專利的減排效果不好時原制造商在碳減排專利權(quán)方面的議價能力也會減弱，進而損害原制造商利潤，此時供應鏈偏向再制造品，再制造商產(chǎn)量和利潤提高。命題4：分散決策下，碳稅f可以降低供應鏈的總碳排放量;當β＞λ2,再制造商規(guī)模效應越大，供應鏈總碳排放量越小。

命題表明：分散決策下，碳稅、再制造商規(guī)模效應均可以降低供應鏈總碳排放量。隨著碳稅比例的提高，供應鏈總碳排放量逐漸下降，適當?shù)奶级惐壤兄跍p少碳排。這是因為碳稅損害各制造商利潤，促使各方積極采取措施減少碳稅，降低生產(chǎn)過程的碳排放。再制造商規(guī)模效應增大，回收成本降低，對提升再制造品產(chǎn)量有利，進而降低碳排放量。

2.2 集中決策

集中決策下，原制造商與再制造商以供應鏈整體利潤最大化為目標，并共同合作研發(fā)、使用碳減排專利。

對θ、qn求導，并帶入式（13），并使其一階導數(shù)為零，可得：

命題5：集中決策下，f對供應鏈決策的影響：①降低原制造商產(chǎn)量；②當,提高再制造商回收率；③當β＞λ2，提高再制造商產(chǎn)量；④當，減少供應鏈總利潤。

命題6：集中決策下，k對供應鏈決策的影響：①提高原制造商產(chǎn)量；②當Cn-Q+efλ1＜0 時，降低再制造商廢舊產(chǎn)品回收率；③減少再制造商產(chǎn)量；④降低供應鏈總利潤。

上述四個命題表明：分散和集中決策下，碳稅、再制造商規(guī)模效應都會降低原制造商產(chǎn)量，增加再制造商產(chǎn)量、降低碳排放量；碳減排專利的減排作用會提高原制造商產(chǎn)量；碳減排專利和再制造商規(guī)模效應均對供應鏈總利潤有正向影響。集中決策下，隨著再制造商規(guī)模效應增大，回收成本降低，供應鏈會更傾向于銷售再制造品，再制造商的回收率和產(chǎn)量提升，由于再制造過程的碳排放量較少，減少了支付的碳稅，因而供應鏈總利潤也得以提高。

命題9：將集中決策與分散決策對比，當β＞λ2時，集中決策下逆向供應鏈整體碳排放量降低。

命題10：集中決策下：①減少原制造商產(chǎn)量，增加再制造商產(chǎn)量；②當Cn-Q+efλ1＞0，且，再制造商廢舊產(chǎn)品回收率提高；③供應鏈整體利潤提高。

上述兩個命題表明：集中決策下，當消費者對再制造品的偏好增強或再制造過程碳減排效果更為顯著，即當消費者對再制造品的偏好大于再制造過程碳排放率時，該供應鏈將偏向生產(chǎn)和銷售再制造品。由于單位再制造品的碳排放量遠低于全新產(chǎn)品，所以供應鏈整體的碳排放量也隨之降低。對于原制造商而言，集中決策下各制造商共同研發(fā)專利，分攤了其專利研發(fā)成本；對于再制造商而言，集中決策可避免其支付高昂的碳減排專利使用費，于是回收意愿增強。集中決策大大消除了分散決策下的雙重邊際效應，供應鏈利潤也得到了提高。綜上所述，集中決策下原制造商與再制造商合作研發(fā)碳減排專利并共同使用，這不僅可以降低供應鏈的總碳排放量，也可以提升整體的利潤。各制造商應積極尋求合作，共同研發(fā)碳減排專利，共同使用，實現(xiàn)自身與供應鏈總體經(jīng)濟利益增長和更好的碳減排效果。

3 協(xié)調(diào)契約模型設(shè)計

針對分散決策下導致的雙重邊際效應，可以通過合理設(shè)置契約，提高和分配供應鏈利潤，促進各成員積極合作。K-S協(xié)調(diào)方法[16]是一種較為合理且被廣泛使用的利潤分配方法，由于協(xié)調(diào)參與方對供應鏈貢獻越大，可增加利潤就越多，從而有利于逆向供應鏈內(nèi)各成員積極尋求合作。使用改進的K-S協(xié)調(diào)方法對供應鏈利潤進行分配，按照博弈雙方對供應鏈的貢獻程度來分配供應鏈的專利研發(fā)成本及利潤，以集中決策下供應鏈最優(yōu)解為基準，實現(xiàn)帕累托改進。具體分配方法如下：

已知集中決策下供應鏈總利潤較分散決策下增加量為：

原制造商和再制造商對供應鏈的絕對貢獻，即集中決策下相較分散決策的利潤增加量分別為：

原制造商和再制造商絕對貢獻比例貢獻系數(shù)分別為：

于是，得到協(xié)調(diào)后各制造商應分配的利潤分別為：

通過對供應鏈利潤進行分配，協(xié)調(diào)后原、再制造商產(chǎn)量、再制造商廢舊產(chǎn)品回收率與集中決策下一致，且各方利潤均高于分散決策下的利潤，因此可以促進原制造商與再制造商合作，達到集中決策下供應鏈利潤水平和碳減排效果。

4 數(shù)值仿真

為探討碳稅、碳減排專利作用和再制造商規(guī)模效應對原、再制造商最優(yōu)決策、最優(yōu)利潤及碳減排效果的影響，驗證命題和協(xié)調(diào)契約的有效性，對模型進行仿真。

4.1 碳稅對決策的影響

為探討碳稅對最優(yōu)決策的影響，對于各參數(shù)賦值：Q=1 000;Cn=600;Cr=300;β=0.7;λ1=0.6;λ2=0.3;e=5;k=10。取f ∈[0,60]。

由圖2可知，隨著碳稅比例增大，原制造商產(chǎn)量降低，且集中決策下原制造商產(chǎn)量較低；再制造商產(chǎn)量提高，且集中決策下再制造商產(chǎn)量更高；再制造商廢舊產(chǎn)品回收率降低，且集中決策下再制造商廢舊產(chǎn)品回收率更高；供應鏈整體碳排放量降低，集中決策下供應鏈總碳排放量較低。碳稅的存在促使供應鏈更多地銷售再制造品，且這種影響在集中決策下更為顯著。

圖2 碳稅對供應鏈各參數(shù)的影響

4.2 再制造商規(guī)模效應對決策的影響

為探討再制造商規(guī)模效應對最優(yōu)決策的影響，對于各參數(shù)賦值：Q=1 000;Cn=600;Cr=300;β=0.7;λ1=0.6;λ2=0.3;e=5;f=20。取k ∈[2,10]。

由圖3可知，隨著再制造商規(guī)模效應增大，再制造商產(chǎn)量、回收率均有提高，整個供應鏈的碳排放量也由明顯降低。這反映了再制造商規(guī)模增大對再制造的積極作用，有助于實現(xiàn)低碳的生產(chǎn)，進而降低了供應鏈總碳排放量。

圖3 再制造商規(guī)模效應對供應鏈各參數(shù)的影響

4.3 使用專利后的碳排放率對決策的影響

為探討再制造商規(guī)模效應對最優(yōu)決策的影響，對于各參數(shù)賦值：Q=1 000;Cn=600;Cr=300;β=0.7;k=10;λ2=0.3;e=5;f=20。取λ1∈[0,0.6]。

由圖4可知，碳減排專利減排效果越好，原制造商的最優(yōu)產(chǎn)量越大，但再制造商的產(chǎn)量和回收率則會降低。這主要是由于：當碳減排專利效果較好時，原制造商對于專利的使用價格有了較大的議價權(quán)，碳減排專利的使用價格上升將會損害再制造商利潤，進而降低廢舊產(chǎn)品回收率及再制造品的產(chǎn)量。集中決策下，再制造商產(chǎn)量、回收率以及供應鏈總碳排放量均低于分散決策下的結(jié)果。

圖4 使用專利后碳排放率對供應鏈各參數(shù)的影響

4.4 協(xié)調(diào)契約分析

為了驗證協(xié)調(diào)契約的有效性，給各參數(shù)賦值：Q=1 000;Cn=600;Cr=300;β=0.7;λ1=0.6;λ2=0.3;e=5;k=10;f=20;Cp=10;tp=0.2。

由表2可知，協(xié)調(diào)后廢舊產(chǎn)品回收率顯著提高，供應鏈總碳排量降低，碳減排效果較好。通過協(xié)調(diào)契約，供應鏈總產(chǎn)量增加，各制造商利潤均有提升。因此，各制造商應積極尋求合作，達到供應鏈的協(xié)調(diào)，提升自身和供應鏈總利潤，降低總碳排放量，實現(xiàn)利潤增長與更好碳減排效果。

表2 協(xié)調(diào)前后供應鏈各最優(yōu)決策變量及利潤、總碳排放量對比

5 結(jié)語

碳稅政策下，從供應鏈外部和企業(yè)自身因素兩個維度出發(fā)，構(gòu)建一個由原制造商主導，第三方回收商負責再制造的逆向供應鏈?？紤]了碳稅、碳減排專利、再制造商規(guī)模效應對企業(yè)最優(yōu)決策及供應鏈碳排放量的影響，對比分析了不同決策情形下制造商減排策略導致的利潤及碳排放量差異，并進行了合理的利潤分配，實現(xiàn)了供應鏈的協(xié)調(diào)。

通過研究，得到的主要結(jié)論有：（1）碳稅對供應鏈碳減排有積極作用。碳稅的存在會損害制造商利潤，因此會促進各制造商積極尋求更加低碳的生產(chǎn)方式。（2）碳稅的存在會降低碳減排專利使用權(quán)價格，這有利于進一步降低再制造過程的碳排放量；消費者對再制造品的偏好較高時，碳稅對于再制造商規(guī)模的回收率和利潤均有促進作用。（3）再制造商規(guī)模效應與再制造商產(chǎn)量、回收率呈正相關(guān)關(guān)系，也可以促進供應鏈碳減排。再制造商規(guī)模效應增大可以減少其回收成本，促進再制造的發(fā)展，因此可以減少供應鏈碳排放量。（4）當消費者對再制造品的偏好水平大于再制造過程的碳排放率時，集中決策下供應鏈總產(chǎn)量增加，且傾向于銷售再制造品。由于再制造品碳排放量較低，供應鏈總碳排放量降低，供應鏈總利潤提升。（5）通過對供應鏈利潤進行分配，可以使供應鏈達到協(xié)調(diào)，實現(xiàn)利潤增長和更好碳減排效果。因此，各制造商應積極尋求合作，實現(xiàn)共贏，在提升各自利潤的同時共同促進專利創(chuàng)新和節(jié)能減排生產(chǎn)。