基于區塊鏈與農業物聯網技術的訂單農業供應鏈運營決策

熊雪穎

（華南理工大學 工商管理學院，廣州 510640）

十八大以來，我國政府一直致力于精準扶貧，而幫助農戶的農產品更好地推向市場則成為扶貧的重點工作內容。 為此國家明確指出要大力推進農業產業化經營，發展訂單農業。 而“公司＋農戶”作為訂單農業的最普遍經營模式[1]，即龍頭企業在農產品生產前與農戶簽訂收購合同， 受到越來越多的農戶的歡迎。

與此同時， 居民日益提高的綠色健康飲食消費觀念與市場上頻頻爆出的食品安全事件間的矛盾嚴重制約了農業的發展。 究其原因主要是農戶生產、物流運輸、屠宰等信息的不透明化導致消費者對食品健康缺乏信任。

隨著2019 年習近平總書記指出要積極探索區塊鏈技術在精準脫貧等民生領域的應用，“網紅步步雞”的區塊鏈養殖模式出現。 通過區塊鏈、物聯網和防偽技術的結合， 將雞的地理位置和計步信息都呈現在區塊鏈上， 且從雞苗的供應源到屠宰加工、檢疫等環節不再存在信息壁壘，所有信息都通過區塊鏈流轉， 并依托共識算法保證信息的不可篡改， 為農產品訂單交易過程中出現的互信問題提供解決之道[2]。 這種“區塊鏈+”的養殖模式相比于傳統養殖模式而言， 其優勢主要在于信息透明化，即：對于消費者而言，通過掃碼即可溯源農產品的一系列信息，且區塊鏈建設水平越高，掃碼能夠獲得的信息也越多；而對于農戶而言，區塊鏈與物聯網技術的結合可以實現全程實時記錄農產品的生產過程， 一旦農產品在某個環節出現問題，比如某片雞圈發生雞瘟，農戶可以快速得知并及時處理，因此區塊鏈+物聯網技術可以使得存活率上升，給農戶帶來更多收益。

1 文獻綜述

學者對訂單農業供應鏈的研究較為深入。 訂單農業供應鏈定價及產量決策方面， 葉飛和蔡子功[3]在考慮市場價格和市場需求雙重不確定的基礎上， 對比分析了不同模式下的最優決策行為。Huang 等[4]研究了零售商相比制造商在獲得需求信息方面占有優勢， 而制造商的投資效應將溢出給零售商的分銷渠道結構下的信息共享。 訂單農業供應鏈協調研究方面，Niu 等[5]討論了不同訂單契約模式下的農業供應鏈協調問題。 還有一些學者考慮了天氣[6-7]、農戶對待風險態度[8]等影響因素下的訂單農業供應鏈協調問題。

關于區塊鏈在農業上的應用研究目前還處于初級階段。 農產品溯源方面，Kamble 等[9]以印度為例， 使用區塊鏈技術加強農業供應鏈的可持續績效。 在農業融資方面，有些學者指出區塊鏈技術在完善信用體系、改善信息不對稱問題、提高效率、降低成本方面對傳統訂單農業融資具有較大突破[10]，并建議在具體應用上， 可與互聯網等信息技術相結合，有助于精準支農的實現[11]。 除了這兩方面的研究，還有學者從食品安全[12-13]、供給側結構性改革[14]等角度研究了區塊鏈在農業上的應用。

然而，關于區塊鏈、物聯網和防偽技術對“公司+農戶”訂單農業供應鏈運營決策的研究還比較有限。 “區塊鏈+” 模式是否一定能使得農戶的收益提高？ 企業又一定愿意加入“區塊鏈+”模式嗎？這些決策又受到哪些因素的影響？ 目前關于區塊鏈對農業帶來影響的文獻大多從法學理論的角度去進行研究分析， 比較缺乏從定量研究的角度去分析區塊鏈對農業的影響。為此，本文基于農業生產的特點，以養雞為例，構建了“公司+農戶”型農產品供應鏈模型， 從定量研究角度分析何種情境下農戶與公司分別該選擇何種養殖模式， 為農戶與公司的訂單農業合作模式做出決策指導。

2 問題描述與模式假設

本文考慮的是單個農戶， 單個公司組成的二級養雞供應鏈。養雞可以分為兩種模式：第一種為傳統養雞模式（tradition，簡稱T），即沒有區塊鏈、物聯網等技術的養雞模式；另一種為“區塊鏈+”的養雞模式（block chain，簡稱BC），即公司負責建設區塊鏈、物聯網等養雞設施，并邀請農戶加入的模式。

假設1：本文引入了雞的存活率r，在傳統養雞模式下，雞的存活率為r=km，其中r∈(0,1)，k＞0，表示雞的邊際存活率，即養雞效率；m＞0，代表農戶的養雞成本；而在“區塊鏈+”的養雞模式下，r=k(m+u)，其中u 表示區塊鏈、物聯網等建設水平高低，越高表示提供的信息也越多，則農戶可以了解到的雞的情況也更全面及時， 因此雞的存活率也越高。

假設3：企業將雞以價格p 賣給消費者，不失一般性，類似文獻[16-18]認為農產品零售價格與銷量具有線性關系。 假設傳統養雞模式下，農產品市場價格p=a-Qr， 其中a＞0， 表示市場規模；而“區塊鏈+”的養雞模式下，p=a-Qr+k1u+k2f，其中k1表示信息透明度u 對價格影響程度，k2表示技術邊際價值，即區塊鏈、物聯網帶給消費者的心理溢價。

假設4：根據目前“區塊鏈+”養雞的情況，區塊鏈、物聯網等建設成本f 由企業獨自承擔，當建設成本越大，帶給消費者的心理溢價也越大。

傳統養雞模式（T 模式）下，農戶期望收益為（1）式、公司期望收益為（2）式：

“區塊鏈+”的養雞模式（BC 模式）下，農戶期望收益為（3）式、公司期望收益為（4）式：

3 模型求解

不失一般性， 我們考慮如下一個兩階段的Stackelberg 博弈。第一階段，作為領者的公司優先制定雞的收購價格w。第二階段，農戶根據收購價格和養殖成本決定生產投入量Q。 根據逆向求解法，公司和農戶的決策問題求解如下。

3.1 傳統養殖模式下的最優決策

3.1.1 傳統模式下農戶的最優生產投入量決策

農戶根據收購價格和養殖成本進行產量決策，決策函數如下：

求解（5）式，得到農戶生產投入量的最優反應函數為：

3.1.2 傳統模式下公司收購價格決策

這種模式下，公司收購價格決策函數如下：

將式（6）帶入決策函數（7）中并求解，可得公司最優收購價格wT*，將求得的wT*帶入（6）式中，又可得農戶最優生產投入量，即：

3.2 “區塊鏈+”的養殖模式下的最優決策

3.2.1 “區塊鏈+”的模式下農戶的最優生產投入量決策

決策函數為：

同理，對（10）求導，得到農戶生產投入量的最優反應函數為：

3.2.2 “區塊鏈+”的模式下公司收購價格決策

這種模式下，公司收購價格決策函數如下：

將式（11）帶入決策函數（12）中并求解，可得公司最優收購價格wBC*， 將求得的wBC*帶入（11）式中又可得農戶最優生產投入量，即：

將傳統模式下的最優收購價， 最優生產投入量與“區塊鏈+”的模式下的進行比較可得定理1。定理1 當且僅當

證明因

定理1 說明當市場規模小于一定范圍時，“區塊鏈+”的模式下的最優收購價、最優生產投入量都會大于傳統模式。這是因為當市場規模較小時，區塊鏈、 物聯網等技術可以明顯地幫助公司銷售農產品， 從而公司也愿意制定較高的收購價來促進農戶擴大生產規模。

4 均衡結果分析

結合（1）（2）（8）（9）得到傳統養雞模式下，農戶和公司最優收益為：

結合（1）（2）（13）（14）可得“區塊鏈+”養雞模式下，農戶和公司最優收益為：

定理2

定理2 說明當市場規模a 較小， 且邊際存活率k 大于1、m 與u 處于一定范圍內的時候，農戶加入“區塊鏈+”模式后，收益增加。由前面的定理1可知，市場規模較小時，公司為了刺激農戶擴大生產規模，愿意提高收購價格。另一方面邊際存活率大于1，即意味著養雞效率很高，此時農戶為了加入“區塊鏈+”的模式而增加的養殖成本能夠得到比較大的回報（存活的雞更多）。 因此農戶的收益上升。

由定理3 可知，農戶加入“區塊鏈+”的模式后， 當信息透明度對價格影響程度k1很小時，若公司區塊鏈、物聯網等建設成本很小或者很大，公司的收益會上升， 建設成本在適中的大小收益反而會下降； 而當信息透明度對價格影響程度很大時，則無論區塊鏈、物聯網等建設成本怎樣，公司的收益都將得到提升。

5 數值分析

為了對上述命題進行驗證并得到更加深入的分析結論， 下面采用數值仿真的形式對兩種養殖模式下公司和農戶的收益進行對比分析。 相關參數基準值和取值范圍設置為：k=1.5；m=0.35；u=0.3；k1=0.5；k2=1。 圖1、2、3 中深色部分代表“區塊鏈+”的模式（block chain，簡稱BC）的最優利潤大，淺色部分表示傳統模式（tradition，簡稱T）最優利潤大。

5.1 不同養殖模式下市場規模和建設成本對農戶的利潤影響

圖1 不同養殖模式下農戶利潤變化

從圖1 可以看出，當市場規模a 較小時，農戶加入“區塊鏈+”的模式的利潤更大。這是因為區塊鏈、物聯網技術能夠幫助公司擴大銷售，公司為了刺激農戶擴大生產，提高了收購價格。 而當市場規模增大，此時農戶不再有更多的話語權，為了加入“區塊鏈+”模式又必須增加成本，農戶加入“區塊鏈+”模式利潤反而更小（如T 部分所示）。而如BC 部分所示，當市場規模a 不變時，更大的建設成本f 使得農戶選擇“區塊鏈+”的模式獲利更大。 這是因為一方面更大的建設成本意味著建設水平更高，更大的技術溢價，這將顯著提高市場價格；另一方面更大的建設成本也意味著更大的進入壁壘，所以市場的壟斷也使得農戶和公司的收益更大。

5.2 不同養殖模式下市場規模和建設成本對公司的利潤影響

圖2 不同養殖模式下公司利潤變化

從圖2 可以看出，當市場規模a 較小、建設成本f 較小或者較大時，公司將總是能通過加入“區塊鏈+”模式獲得更大的利潤。 這是因為當建設成本非常小時， 公司由于市場價格的上升可以獲得更多利潤；而當建設成本很大時，說明建設水平很高，公司獨占了這個技術的溢價，形成壟斷優勢。而當建設成本f 適中、市場規模a 較小時，公司將不會選擇加入“區塊鏈+”模式（如T 部分所示），此時大量的公司進入這個市場，競爭激烈，而由于市場規模小，又不能薄利多銷，增長的一點點價格優勢不足以抵扣建設成本，故而利潤反而下降。而當市場規模足夠大時，公司加入“區塊鏈+”模式將總是能夠獲得更大的利潤， 因為這樣就可以輕易抵消區塊鏈、物聯網等的建設成本。

5.3 農戶與公司養殖模式的雙贏選擇

圖3 農戶與公司養殖模式的同時最優選擇

綜上，如圖3 所示，農戶加入“區塊鏈+”模式主要考慮市場規模，當市場規模較小時，農戶應該選擇“區塊鏈+”的模式；而當市場已經很大時（如T1 所示），農戶選擇采用傳統模式獲利更大。公司加入“區塊鏈+”則主要考慮區塊鏈、物聯網等建設成本，當區塊鏈、物聯網等建設成本較小時，公司加入“區塊鏈+”可以分得一杯羹；而當區塊鏈、物聯網等建設成本很大時，公司可以壟斷“區塊鏈+”養殖市場； 但當建設成本中間大小時 （如T2 所示），傳統模式反而利潤更大。而如圖3 所示，當建設成本f 足夠小且市場規模也足夠小時， 公司與農戶都將同時選擇加入“區塊鏈+”。 而當區塊鏈、物聯網建設成本大于一定閾值時， 則無論市場規模大或者小，公司與農戶都將同時選擇加入“區塊鏈+”模式。此時區塊鏈的信息透明化、技術溢價和技術壁壘將使公司大量獲利， 而公司也會將一部分利潤與農戶共享，獲得共贏。

6 結論與管理啟示

本文針對“公司＋農戶”這種最常見的訂單農業組織模式，探討“區塊鏈+”模式是否一定能使得農戶的收益提高？企業又一定愿意加入“區塊鏈+”模式嗎？ 這些決策又受到哪些因素的影響？

研究發現，農戶加入“區塊鏈+”模式主要需要考慮市場規模，當市場規模較小時，農戶應該選擇“區塊鏈+”的模式。 此時農戶掌握話語權，公司為了激勵農戶擴大生產，必然會提高收購價格，此時雞的存活率也得到提高，故而農戶加入“區塊鏈+”模式是更有利的。而當市場規模大于一定閾值時，農戶選擇采用傳統模式獲利更大。 這是因為存活率達到一定閾值時， 充足的供給會使得公司制定較小的收購價格， 此時農戶成本也處于較高的水平，這就會導致在存活率較高時，農戶的收益反而下降。

公司加入“區塊鏈+”模式則主要考慮區塊鏈、物聯網等建設成本，當建設成本較小時，公司加入“區塊鏈+”可以分得一杯羹；而當建設成本達到一定閾值時，公司可以形成壟斷優勢。但當這個建設成本處于中間大小時， 此時大量公司進入這個市場，獲得的利潤增加反而不足以抵消建設成本，因而此時選擇傳統模式反而利潤更大。

最關鍵的是， 當建設成本足夠小且市場規模也足夠小時，公司與農戶都將同時選擇加入“區塊鏈+”模式；而建設成本大于一定閾值時，此時區塊鏈的信息透明化、 技術溢價和技術壁壘將使公司大量獲利，而公司也會將一部分利潤與農戶共享，獲得共贏，因而無論市場規模如何，公司與農戶都將同時選擇加入“區塊鏈+”模式。