碳標簽制度下三級供應鏈定價與碳排放決策研究

尚錢龍，張云豐，龔本剛，程永宏

(安徽工程大學 經濟與管理學院，安徽 蕪湖 241000)

所謂碳標簽(Carbon labels)制度，就是將產品從原材料采購到生產制造，再到運輸儲存，直至最后廢棄回收全過程中排放的溫室氣體用產品標簽的形式標示出來，以告知消費者產品整個生命周期中碳排放信息[1]。實施碳標簽制度的意圖在于利用給產品標注碳排放信息的方式來引導消費者在消費時更加理性地選擇低碳產品，從而達到減少溫室氣體排放，減緩全球氣候變暖的目的[2]。政府在減少碳排放方面發揮著重要作用，許多國家和地區先后制定了長期的減排目標。

學術界也對碳標簽制度進行了深入而廣泛的研究，并取得了比較豐碩的成果。有對碳足跡的測量進行分析。如Liu等[3]研究了企業產品碳足跡的量化方法，并在車間內提供碳排放數據以用于未來生命周期的產品碳標簽的問題；Liu等[4]分析了碳標簽概念的演變過程以及碳標簽的不同測量方法和標準，考慮了在不同國家、地區實施碳標簽以及碳標簽計劃的潛在影響；徐興等[5]建立產品生命周期時間維的冷鏈碳足跡模型，給出單位時間內冷鏈工位碳足跡量化的準確方法。也有討論碳標簽對消費者需求的影響，如帥傳敏等[6]對不同類型消費群體對貼有碳標簽的低碳產品的支付意愿展開差異分析，結果顯示不同類型消費者對低碳產品的支付意愿存在明顯差異；Upham等[7]通過實驗研究英國公民對碳標簽的認知，發現一年內每周采購40件低碳產品可降低10%的碳排放量；Plambeck[8]指出企業披露產品碳排放量等相關環境信息能增加消費者對企業的信任度，從而提高產品市場份額。

近年來，學者們更多關注碳標簽制度對制造商生產決策的影響，如程永宏等[9]發現實施碳標簽制度下的產品碳排放和市場價格與消費者的環境意識水平、初始排碳量及供應鏈決策方式等相關；吳林海等[10]以食品企業為例，應用結構方程模型研究碳標簽食品生產決策的主要影響因素；張庭溢等[11]認為單純的碳標簽政策雖然對于有效降低單位產品的碳排放有顯著作用，但是對于碳排放總量的影響卻存在不確定性，應把碳標簽政策與碳排放總量控制相結合，才能實現單位產品碳排放和碳排放總量的下降；Cheng等[12]研究指出，碳標簽方案可以顯著降低整個供應鏈的碳排放，并對制造商和零售商的利潤產生初步的負面影響，但從中長期來看，制造商和零售商仍然可以通過持續投資低碳技術來實現盈利；申成然等[13]考慮消費者存在低碳偏好，探討了碳標簽制度下供應商參與碳減排的供應鏈決策問題，結果表明供應商參與碳減排能促進供應鏈整體經濟效益和環境效益提升。

企業所處供應鏈上的碳排放要遠超企業自身生產過程中的碳排放，其原因在于產品運輸過程中也排放了大量的溫室氣體。根據《斯特恩報告》，產品運輸過程中產生的二氧化碳占總排放量的18.9%[14]。運輸碳排放已成為供應鏈碳排放的一個重要組成部分。Chen等[15]討論了零售商面臨隨機需求與不同碳減排政策下的訂貨和運輸模式選擇問題，結果表明在不同的碳減排政策下，存在一些重要的交通運輸模式轉移閾值。Qiu等[16]研究了航空客運碳稅的激勵政策設置，發現碳稅激勵政策可以鼓勵航空公司在適當的條件下提高燃料消耗和碳排放績效。Tang等[17]探討了減排百分比目標、碳稅(或限額與交易計劃)、減排目標和碳抵消機會等三種方式在控制運輸和庫存管理中碳排放的影響。王明征等[18]分析了運輸碳排放稅及不同分攤比例下的制造商最優策略問題。上述學者對運輸過程的碳排放進行了深入研究，但沒有與生產過程中的碳排放相結合展開分析。本文考慮生產和運輸過程碳排放對供應鏈系統減排產生的重要影響，構建一條包含制造商、3PL及零售商在內的三級供應鏈，分析生產與運輸過程排碳下的供應鏈定價與碳排放決策問題，研究不同決策模式對供應鏈關鍵參數的影響方式，為企業生產與運輸決策提供參考。

1 模型假設與參數說明

考察碳標簽制度下制造商、3PL和零售商構成的三級供應鏈的定價與碳排放決策，根據模型建立需要，本文作出下列基本假設：

假設1制造商生產單位產品的邊際成本為c，向零售商供應的批發價為ω；3PL負責將產品從制造商倉庫運至零售商指定銷售點，從零售商處收取的單位產品運費為t，需付出的單位產品運輸成本為v；零售商以單位產品價格p在市場銷售該批產品；滿足p>ω>c。

假設2供應鏈上的碳排放主要來自于制造商的生產過程和3PL的運輸過程，生產過程中的單位產品排碳量為em0，運輸過程中的單位產品排碳量為et0。由于社會輿論壓力和市場低碳產品需求的雙重影響，制造商和3PL決定投資碳減排技術研發來減少單位產品排碳量，減排后單位產品的碳排放分別為em和et。

假設3結合投資減排設備與技術邊際成本上升因素，設定制造商和3PL投資碳減排技術研發的成本分別為k1(em0-em)2和k2(et0-et)2，其中，k1、k2分別為制造商和3PL的碳減排能力系數，k1>0、k2>0，其值越小表示相同的減排量需要碳減排成本越小，則減排能力越強。

假設4消費者對產品的市場需求與產品銷售價格及生產、運輸過程中的碳排放呈負相關，此處將需求函數記為q=a-bp-η(em+et)，其中，a為產品的最大市場需求；b為需求對銷售價格的敏感系數(b>0)；η為消費者環境意識水平(或稱為消費者對產品碳排放的敏感系數)；p為產品的銷售價格。

假設5為了保證實施碳標簽制度時產品的市場需求始終為正值，令約束條件

恒成立，且不同決策模式下供應鏈系統及各成員企業利潤最大化的二階條件得到滿足。

根據上述基本假設可知：制造商的利潤函數表達式為

πm=(ω-c)(a-bp-η(em+et))-k1(em0-em)2,

(1)

3PL的利潤函數表達式為

πt=(t-v)(a-bp-η(em+et))-k2(et0-et)2,

(2)

零售商的利潤函數表達式為

πr=(p-ω-t)(a-bp-η(em+et)),

(3)

供應鏈系統的利潤函數表達式為

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

(4)

上述各式中相關參數說明如下：πm、πt、πr、πsc分別表示制造商、3PL、零售商、供應鏈系統的利潤函數；c表示制造商單位產品生產成本；ω表示制造商單位產品批發價格；t表示3PL單位產品運輸價格；v表示3PL單位產品運輸成本；p表示零售商單位產品銷售價格；a表示產品最大市場需求；b表示需求對銷售價格的敏感系數；η表示消費者環境意識水平；em0表示制造商未投資碳減排前的初始排碳量；et0表示3PL未投資碳減排前的初始排碳量；em表示制造商投資碳減排后的碳排放；et表示3PL投資碳減排后的碳排放；k1表示制造商的碳減排能力系數；k2表示3PL的碳減排能力系數；下文中用上標j=d,c分別代表獨立決策、集中決策。

2 模型構建與比較

2.1 獨立決策模型

獨立決策時，供應鏈成員企業在定價決策中展開以制造商為領導者、3PL和零售商為追隨者的Stackelberg博弈；在碳排放決策中，制造商和3PL以雙方利潤最大為原則決策各自的最優碳排放。決策分為兩個階段：第一階段為碳排放決策，制造商和3PL各自決策碳排放量；第二階段為定價決策，制造商首先確定產品批發價格，3PL隨后決定單位產品運輸價格，最后零售商根據產品批發價格和運輸價格決定市場銷售價格。運用逆向歸納法求解上述模型得到定理1：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

證明略。

結論1 獨立決策時，

證明已知

記f1(η)=2(k1+2k2)(a-bc-bv)η2+128bk1k2(em0+et0)η+64bk1k2(a-bc-bv)。顯然，f1(η)是關于η的一元二次函數且開口向上，f1(η)的根判別式Δf1(η)=512bk1k2(32bk1k2(em0+et0)2-(k1+2k2)(a-bc-bv)2)。

結論1表明，獨立決策時，若產品生產過程中的初始排碳量較小，則隨著消費者環境意識水平的提升，制造商會降低產品碳排放；若產品生產過程中的初始排碳量較大，則僅當消費者環境意識水平在低于某閾值范圍內提升時，才會促使制造商采取減排措施，降低產品碳排放；否則，消費者意識水平的提升不能降低產品碳排放。原因在于，制造商必須支付很高的減排成本才能將高碳產品的碳排放降到讓環境意識水平較高的消費者滿意的程度，這對制造商而言并不劃算；另外，消費者環境意識水平的不斷提升表明了消費者對高碳產品的支付意愿正在逐漸下降。

結論2獨立決策時，

證明參照結論1的證明，此處不再贅述。

結論2表明，獨立決策時，若產品在運輸過程中的初始排碳量較小，則隨著消費者環境意識水平的提升，3PL會降低產品碳排放；若產品在運輸過程中的初始排碳量較大，則僅當消費者環境意識水平在低于某閾值范圍內提升時，3PL才會降低產品碳排放。原因在于，當消費者的環境意識水平較高時，對高碳產品的購買意愿下降；同時，3PL將產品運輸過程中的碳排放降到較低值時需要支出很大投資成本，如購置新能源車、購買燃油效率更高的車輛、加裝尾氣過濾裝置等。兩方面原因導致3PL在消費者環境意識水平處于閾值外時缺乏減排動力。相較于生產過程中消費者環境意識水平對產品碳排放的影響，運輸階段消費者環境意識水平對產品碳排放的影響趨勢與之相同，但在同一消費者環境意識水平下兩者對供應鏈系統初始排碳量的敏感程度不同。

結論3 獨立決策時，

證明已知

記f3(η)=-(k1+2k2)(em0+et0)η2+2(k1+2k2)(a-bc-bv)η-32bk1k2(em0+et0)，顯然，f3(η)是關于η的一元二次方程且開口向下，f3(η)的根判別式Δf3(η)=4(k1+2k2)((k1+2k2)(a-bc-bv)2-32bk1k2(em0+et0)2)。

結論3表明，獨立決策時，若產品生產和運輸過程初始排碳量較大，則零售商隨著消費者環境意識水平的提升而降低產品銷售價格；若產品生產和運輸過程初始排碳量較小，當消費者環境意識水平在低于某閾值范圍內提升時，零售商會降低銷售價格；否則，零售商會提高銷售價格。原因在于，隨著消費者環境意識水平的提升，消費者對采取了減排措施、碳排放較低的產品的支付意愿逐漸增加，即消費者愿意為碳排放更低的產品支付更高的價格，這時零售商可以根據利潤最大化的目標適當提高銷售價格。

2.2 集中決策模型

集中決策時，制造商、3PL和零售商在定價決策和碳排放決策中分別開展合作，以供應鏈系統利潤最大化為決策目標。決策過程分為兩個階段，首先制造商和3PL聯合決策產品碳足跡，其次供應鏈成員企業以供應鏈系統利潤最大化為目標決策產品銷售價格。求解上述決策過程得到定理2：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

證明略

結論4 集中決策時,

證明參照結論1的證明，此處不再贅述。

結論4表明，集中決策時，如果產品生產過程中的初始碳排放較小，則隨著消費者環境意識提升，產品生產階段碳排放降低；如果產品生產過程中的初始排碳量較大，則僅當消費者環境意識水平在低于某閾值范圍內提升時，才會促使制造商降低產品碳排放；否則，消費者意識水平的提升不能降低產品碳排放。原因在于，當產品生產過程中的初始排碳量較大時，將碳排放降低到一定數值以下的減排投資成本很高；另外，在消費者環境意識水平較高的情況下，消費者對初始排碳量高的產品的支付意愿下降。結果導致制造商對初始排碳量高的產品缺乏投資減排的動力。因此，產品碳排放隨消費者環境意識水平的提升而增加。

結論5集中決策時,

證明參照結論1的證明，此處不再贅述。

結論5表明，集中決策時，若產品在運輸過程中的初始排碳量較小，則產品的碳排放會隨著消費者環境意識水平的提升而降低；若產品在運輸過程中的初始排碳量較大，則僅當消費者環境意識水平在低于某閾值范圍內提升時，才能促使3PL降低產品碳排放。其原因為，由于供應鏈系統的初始排碳量較高，將其降低到一定數值以下的減排投資成本很高；另外，當消費者的環境意識水平較高時，消費者對初始排碳量較高產品的支付意愿下降。上述原因致使3PL缺乏投資減排初始排碳量高的產品的動力，最終導致產品碳排放隨消費者環境意識水平的提升而增加。

結論6集中決策時，

證明參照結論3的證明，此處不再贅述。

結論6說明，集中決策時，若產品在生產和運輸階段初始排碳量較大，則隨著消費者環境意識水平的提升，3PL會選擇降低產品銷售價格；若產品在生產和運輸階段的初始排碳量較小，則消費者環境意識水平存在一個閾值，當消費者環境意識水平在小于閾值的區間內提升時，零售商選擇降低銷售價格；否則，零售商提高銷售價格。其原因為，隨著消費者環境意識水平的提升，消費者對低碳產品的需求增加，制造商和3PL需要更多減排投資以降低產品碳排放，而投入的減排成本會轉嫁到產品銷售價格；同時，隨著消費者環境意識水平的提升，消費者對初始排碳量低的產品的支付意愿逐漸增加，零售商通過提高產品銷售價格來匹配消費者的支付意愿。

2.3 兩種決策模式比較

將獨立決策與集中決策模式下的均衡解進行比較，得出如下結論：

結論7碳標簽制度下，若給定產品的初始排碳量em0+et0，則獨立決策與集中決策模式下的產品碳排放、銷售價格、市場需求及供應鏈系統利潤分別滿足：

證明比較獨立決策和集中決策模式下的均衡解，有

命題3表明，制造商、3PL和零售商等供應鏈參與企業之間應加強合作，實施集中決策，有助于提高供應鏈系統整體利潤，增加產品市場供給量，降低生產和運輸過程中的排碳量；當消費者環境意識水平較低時，集中決策下的產品銷售價格相比獨立決策更具優勢，而較高的消費者環境意識水平會使得集中決策下的產品銷售價格更高。

隨著“綠色環保，低碳經濟”等觀念的日益滲透，消費者環境意識水平呈不斷提升趨勢，促使消費者對低碳產品的需求逐步增加，該現象有利于集中決策在較高的消費者環境意識水平下實現較低的市場銷售價格。同時，政府及社會組織應通過應給予制造商和3PL減排投資補貼，鼓勵制造商和3PL減少碳排放，向社會提供更多低碳產品，刺激消費者增加低碳需求。

3 協調機制設計

由結論7可知，在碳標簽制度下，若供應鏈成員企業采取獨立決策模式，由于存在“雙重邊際化效應”，致使供應鏈系統整體利潤下降；同時，產品最終碳排放相較于集中決策更高，且獨立決策向市場提供的產品數量也比集中決策時更少；在消費者環境意識水平較低時，集中決策下的市場銷售價格也更低。因此，從經濟效益和生態效益視角考慮，集中決策優于獨立決策，在社會效益方面，集中決策也在一定程度上占優。綜合來看，可以認為，碳標簽制度下三級供應鏈的定價與碳足跡集中決策比獨立決策更優。

4 算例分析

在制造商、3PL和零售商組成的三級供應鏈中，取a=100，b=1，c=20,v=5,k1=10,k2=20,η∈(0,5),em0∈(0,10),et0∈(0,5)對以上結論進行驗證。本文在η∈(0,6),em0∈(0,10),et0∈(0,5)時比較分析獨立決策和集中決策下供應鏈系統初始排碳量以及消費者環境意識水平對產品碳排放、產品銷售價格、市場需求、供應鏈系統利潤的影響，以及實施協調契約前后制造商、3PL和零售商的利潤狀況。

4.1 消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對產品碳排放的影響

消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對產品碳排放的影響如圖1所示。由圖1可知，在產品生產和運輸過程中，給定供應鏈系統初始排碳量，隨著消費者環境意識水平的提升，產品碳排放在獨立決策和集中決策時均呈現下降趨勢；給定消費者環境意識水平，隨著初始排碳量的增加，產品碳排放在兩種決策模式中均呈現上升趨勢。其中，集中決策時產品碳排放受消費者環境意識水平和初始排碳量的影響更為明顯，體現了集中決策對碳減排的要求更高，以達到使產品更為適應市場要求的目標。

圖1 消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對產品碳排放的影響

4.2 消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對產品銷售價格的影響

消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對產品銷售價格的影響如圖2所示。由圖2可知，給定供應鏈系統初始排碳量，隨著消費者環境意識水平的提升，產品銷售價格在獨立決策時呈現出下降趨勢，而在集中決策時呈現先降低后上升特征。原因在于當消費者環境意識水平提升時，消費者對碳排放較高產品的購買意愿降低；當消費者環境意識水平很高時，低碳排放已經成為產品的競爭優勢，消費者對于低碳排放的產品購買意愿強烈，需求增加致使銷售價格出現了上升；給定消費者環境意識水平，隨著初始排碳量的升高，產品銷售價格均呈現下降趨勢。

4.3 消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對市場需求的影響

消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對市場需求的影響如圖3所示。由圖3可知，給定供應鏈系統初始排碳量，隨著消費者環境意識水平的提升，市場需求在獨立決策時呈現出下降趨勢，在集中決策時呈現出先下降后上升趨勢，原因同圖2所示；給定消費者環境意識水平，隨著初始排碳量的升高，市場需求均呈現下降趨勢。

圖2 消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對產品價格的影響 圖3 消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對市場需求的影響

4.4 消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對供應鏈利潤的影響

消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對供應鏈系統利潤的影響如圖4所示。由圖4可知，給定供應鏈系統初始排碳量，隨著消費者環境意識水平的提升，無論獨立決策還是集中決策，供應鏈系統利潤均呈現下降趨勢；給定消費者環境意識水平，隨著初始排碳量的升高，兩種決策模式下的供應鏈系統利潤也均呈現下降趨勢。隨著消費者環境意識水平的升高，消費者更傾向于購買低碳產品(體現在集中決策下消費者環境意識水平較高時對產品需求的增加)，但當消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量同時升高時，消費者環境意識水平提升帶來的利潤增長幅度要低于供應鏈系統初始排碳量不斷增加帶來的減排成本上升幅度，從理論上體現了領先于市場半步的內涵。在現有的消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量設定數值范圍內，集中決策時供應鏈系統利潤要高于獨立決策時供應鏈系統利潤。

圖4 消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量對供應鏈系統利潤的影響

4.5 協調機制實施前后供應鏈參與企業利潤狀況

實施協調機制前后，供應鏈各參與企業的利潤比較如圖5所示。由圖5可知，供應鏈各參與企業接受協調契約并對增量利潤按比例分享后，在給定供應鏈系統初始排碳量的前提下，隨著消費者環境意識水平的提升，各參與企業利潤均呈現下降趨勢；給定消費者環境意識水平，隨著供應鏈系統初始排碳量的升高，各參與企業利潤也均呈現下降趨勢。可以看出，在現有消費者環境意識水平和供應鏈系統初始排碳量設定數值范圍內，協調后各參與企業利潤均高于協調前的利潤水平。其中，制造商的利潤增幅最大，體現了制造商處于供應鏈的主導地位。

圖5 協調前后供應鏈參與企業利潤狀況

5 結束語

5.1 研究總結

本文基于供應鏈視角，研究了制造商、3PL和零售商組成的三級供應鏈定價與碳排放決策，得出以下結論：

(1)無論是獨立決策還是集中決策，隨著消費者環境意識水平的提高，產品碳排放下降；隨著供應鏈系統初始排碳量的增加，產品碳排放上升；獨立決策時產品碳排放要比集中決策時產品碳排放更高。

(2)若消費者環境意識水平較低，則獨立決策時的產品銷售價格要比集中決策時高；若消費者環境意識水平較高，則集中決策時的產品銷售價格要比獨立決策時高。同時，隨著供應鏈系統初始排碳量的提升，無論獨立決策還是集中決策，產品銷售價格都呈現出下降趨勢。

(3)當消費者環境意識水平及供應鏈系統初始排碳量滿足一定條件時，集中決策相較于獨立決策更優，這體現在產品碳排放更低、產品銷售價格降低以及供應鏈系統利潤增加等。同時，通過實施利潤共享協調契約，對集中決策下的供應鏈利潤增量進行合理分配，實現供應鏈的完美協調。

5.2 研究展望

本文為實施供應鏈低碳運作做出了有益補充。在消費者已經具有環境保護意識的現實情境下，實現供應鏈利潤增長和保護環境的矛盾并非不可調和，兩者可以實現協同發展。碳標簽制度很好地實踐了市場手段的調節功能并取得效果，即用科學的綠色的消費觀念引導企業以及供應鏈成員實施低碳節能、技術升級的轉型策略。對于企業而言，企業需要在低碳產品消費市場成熟時，適時跟進或加強與供應鏈成員企業的合作，甚至在低碳產品消費市場不夠成熟時，保持較強的獨立性更利于生存。對于政府而言，政策制定部分應審時度勢，制定合適的政策來引導消費者購買低碳產品的綠色消費觀念，同時激勵企業走綠色低碳的可持續發展之路。碳標簽制度實現了不同角色應當發揮的社會價值，不論是作為消費者的普通民眾，還是參與產品生命周期的供應鏈企業，或者制定政策的政府部門，都在其中為創建低碳減排、綠色可持續發展社會貢獻力量。

最后，限于篇幅，本文未對制造商和3PL兩者構成的關于碳排放決策的二元博弈進行深入研究；在以制造商為主導的集中決策模型中，利潤共享時未對共享比例進行決策博弈。未來可以考慮建立多目標主體的低碳供應鏈，比較分析不同博弈規則下最優策略組合。