蔡烏趕,李廣培
(福州大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院,福建 福州 350116)
節(jié)能減排是我國能源發(fā)展的基本國策,到2020年我國單位GDP的碳排放將比2005年下降40%-45%。生態(tài)創(chuàng)新追求經(jīng)濟增長過程中自然生態(tài)平衡、社會生態(tài)和諧有序和人的全面發(fā)展,因而被視為節(jié)能減排的有效載體和基本路徑。以二氧化碳排放權(quán)的交易為核心的政府碳交易制度則構(gòu)成了節(jié)能減排的重要制度基礎(chǔ)。2017年12月,我國在北京、天津、重慶、上海、湖北、廣東和深圳等七個碳交易試點的基礎(chǔ)上啟動全國性碳市場。同時,從發(fā)達國家尤其是歐盟的實踐來看,政府碳交易制度也是誘導(dǎo)企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新的重要環(huán)境規(guī)制。但是,由于碳排放交易設(shè)置的復(fù)雜性,以及企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新策略的多樣性,使得在特定的環(huán)境規(guī)制效用和企業(yè)經(jīng)營目標(biāo)下,二者的影響和互動存在不確定性。因此,在綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的背景下,深入研究碳交易制度的引入如何影響企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新行為,定量分析碳交易制度設(shè)計對我國企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新策略的影響,以及探討政府如何確定合理的初始碳配額以最大限度激勵企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新,具有重要的現(xiàn)實意義。
國外對碳交易與企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新的研究始于Milliman和Prince[1],他們研究了在同一產(chǎn)業(yè)內(nèi),五種環(huán)境規(guī)制工具對企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新的影響,研究發(fā)現(xiàn),排污稅和拍賣配額能更好地激勵企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新。Jung等[2]將Milliman和Prince[1]的研究拓展到不同產(chǎn)業(yè)環(huán)境,給出了環(huán)境規(guī)制激勵企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新的排序。Montero[3]研究表明環(huán)境規(guī)制對企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新的影響效應(yīng)與市場結(jié)構(gòu)有關(guān)。Requate和Unold[4]研究環(huán)境政策工具對企業(yè)采用先進減排技術(shù)的激勵效果,指出稅收政策的激勵效果優(yōu)于免費配額和拍賣配額。隨后,Subramanian等[5]進一步研究碳配額數(shù)量對不同類型企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新投入和產(chǎn)出的影響,結(jié)果表明,改變碳配額數(shù)量對清潔企業(yè)的創(chuàng)新投入影響更大。值得注意的是,Borghesi等[6]研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境規(guī)制對生態(tài)創(chuàng)新的影響存在明顯的行業(yè)差異。
國內(nèi)學(xué)者許士春等[7]在考慮企業(yè)謊報污染問題的情形下,研究三種環(huán)境規(guī)制對企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新的影響,結(jié)果顯示排污稅率和排污權(quán)價格正向激勵企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新。孫亞男[8]構(gòu)建三階段動態(tài)博弈模型,研究復(fù)合碳排放交易體系下的最優(yōu)碳稅稅率以及企業(yè)最優(yōu)減排量,研究表明,合作策略下企業(yè)碳減排量更大。馬卓秋等[9]基于碳交易體系,研究單個企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新產(chǎn)品定價及減排策略,發(fā)現(xiàn)當(dāng)邊際減排成本較低時,企業(yè)會加大創(chuàng)新投入以減少碳排放量。陸敏和方習(xí)年[10]運用動態(tài)博弈模型研究基于歷史排放數(shù)和產(chǎn)量兩種初始碳配額分配方式對企業(yè)節(jié)能減排的影響。他們指出不同行業(yè)細(xì)化的初始碳配額分配方式更有利于激勵企業(yè)節(jié)能減排。Zhang Hui等[11]、何華等[12]進一步研究不同碳交易情景下企業(yè)綠色技術(shù)選擇行為和定價策略。黃帝等[13]基于廣義Benders分解法,運用數(shù)值仿真分析碳排放配額和碳票價格對企業(yè)減排決策的影響。
經(jīng)文獻梳理后發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外學(xué)者大都集中研究環(huán)境規(guī)制對企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新的影響效應(yīng),探討碳交易和其他環(huán)境規(guī)制(如稅收、補貼、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn))在促進企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新上的排序,或者主要運用博弈論方法研究碳交易機制對企業(yè)節(jié)能減排的影響效應(yīng),但是學(xué)術(shù)界鮮見探究碳交易框架下的企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新決策。本文借鑒Petrakis和Poyago-Theotoky[14]和宋之杰和孫其龍[15]的研究,建立一個三階段的博弈模型,對比了不同生態(tài)過程創(chuàng)新研發(fā)策略下企業(yè)最優(yōu)創(chuàng)新水平、產(chǎn)量以及政府最優(yōu)碳排放基準(zhǔn)之間的關(guān)系,通過數(shù)值仿真探討了碳排放基準(zhǔn)、研發(fā)成本系數(shù)對企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、產(chǎn)量和利潤的影響,并討論溢出水平對最優(yōu)社會福利的影響。本文貢獻主要體現(xiàn)在:①在區(qū)別生態(tài)過程創(chuàng)新和末端治理的基礎(chǔ)上,比較企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新研發(fā)策略的環(huán)境效應(yīng)和社會福利效應(yīng),得出的結(jié)論更具有一般性。②基于主觀幸福感的評價方法,創(chuàng)新性地測算出單位CO2的環(huán)境損失。③理論分析企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新研發(fā)策略對政府環(huán)境管制水平和社會福利的具體影響,得到了相關(guān)命題和結(jié)論。
假定在雙寡頭市場中,企業(yè)生產(chǎn)同質(zhì)的最終產(chǎn)品并排放一定數(shù)量的污染物,污染物是相同的。一單位碳配額允許企業(yè)排放一單位CO2。假設(shè)政府對企業(yè)實施碳配額管理,并采用基準(zhǔn)線法發(fā)放免費配額。首先,假設(shè)市場的反需求函數(shù)為:
P(Q)=a-Q,Q=qi+qj,a>0,且a>qi+qj,(i,j=1,2)
(1)
其中a表示市場規(guī)模,qi、qj分別為企業(yè)i、j的產(chǎn)量,Q為市場的總產(chǎn)量。
假設(shè)企業(yè)通過相同類型的生態(tài)過程創(chuàng)新(如節(jié)能技術(shù))降低污染排放,并存在技術(shù)溢出效應(yīng)。借鑒大多數(shù)學(xué)者設(shè)定的生態(tài)創(chuàng)新成本函數(shù)[11,14-15],企業(yè)從事生態(tài)過程創(chuàng)新的研發(fā)成本為:
(2)
其中k為研發(fā)成本系數(shù),企業(yè)生態(tài)創(chuàng)新能力越強,則k越小,研發(fā)成本越低。
在碳交易框架下,一方面,企業(yè)可以通過自己的生態(tài)過程創(chuàng)新和獲得競爭企業(yè)的技術(shù)溢出以降低邊際生產(chǎn)成本。參考Kamien和Zang[16]的研究,企業(yè)的邊際生產(chǎn)成本表示為:
ci=c-xi-βxj,0<β<1,(i,j=1,2)
(3)
式中c表示相同的單位固定生產(chǎn)成本,β為技術(shù)溢出系數(shù),xi、xj分別指的是企業(yè)i、j的有效生態(tài)過程研發(fā)水平。
另一方面,企業(yè)可以通過末端治理(如減排技術(shù))減少污染排放,從而節(jié)約配額購買成本,或者增加出售多余配額的收益,企業(yè)總碳排放量為:
ei=riqi-wi
(4)
當(dāng)前我國七個碳交易試點的電力行業(yè)普遍采用基準(zhǔn)線法,企業(yè)年度碳排放配額主要取決于單位產(chǎn)品碳排放基準(zhǔn)和綜合發(fā)電量。假設(shè)企業(yè)獲得的單位產(chǎn)品碳排放基準(zhǔn)為θ,θ>0,則企業(yè)i在當(dāng)年度可以獲得的免費配額為θqi,那么企業(yè)i需要購買(Δei>0)或者出售(Δei<0)的碳配額數(shù)量為:
Δei=riqi-wi-θqi
(5)
由于企業(yè)排放污染物會對環(huán)境帶來損失,參考宋之杰和孫其龍[15]的研究,設(shè)環(huán)境損失(Environmental damage)函數(shù)為:
Di=λei=λ(riqi-wi)
(6)
式中λ>0,為環(huán)境損失系數(shù),表示企業(yè)排放的污染物對環(huán)境破壞的程度。
在碳交易體系下,當(dāng)全國碳市場建立后,政府不能控制市場碳票價格,本文假設(shè)市場碳票價格Pe(Pe>0)為外生變量,則企業(yè)的利潤為:
(7)
(8)
式(8)表明社會福利和碳票收益無關(guān),因為企業(yè)i碳票凈支出和企業(yè)j碳票凈收益剛好抵消,只與企業(yè)的產(chǎn)量、邊際生產(chǎn)成本、生態(tài)過程創(chuàng)新研發(fā)水平、末端治理水平和環(huán)境損失有關(guān)。政府可以通過調(diào)整碳排放基準(zhǔn)來調(diào)節(jié)社會福利水平。
式(7)和式(8)是碳交易體系下企業(yè)利潤表達式和社會福利表達式,該理論模型刻畫了碳配額分配方案、企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、末端治理水平對企業(yè)利潤和社會福利的影響,其中企業(yè)可以通過選擇最優(yōu)生態(tài)創(chuàng)新水平和產(chǎn)量水平實現(xiàn)自身收益最大化,而政府則通過確定最優(yōu)碳排放基準(zhǔn)使得社會福利最大化。
本文的博弈屬于完全信息的三階段動態(tài)博弈,在給定政府碳排放基準(zhǔn)的前提下,我們分析企業(yè)最優(yōu)的生態(tài)過程創(chuàng)新策略和末端治理水平。第一階段,在減排目標(biāo)約束下,政府從社會福利最大化的角度確定最優(yōu)碳排放基準(zhǔn);第二階段,企業(yè)確定最優(yōu)的生態(tài)過程創(chuàng)新水平、末端治理水平;第三階段,企業(yè)選擇最優(yōu)的產(chǎn)量水平。通過逆向歸納法求解上述的三階段博弈模型。
本階段,兩家企業(yè)進行古諾產(chǎn)量競爭,那么企業(yè)i的最優(yōu)產(chǎn)量由利潤最大化的一階條件求得:
(9)
(10)
(11)
由公式(10)可以看出,企業(yè)最優(yōu)產(chǎn)量水平與自身的單位產(chǎn)品碳排放量ri負(fù)相關(guān),換言之,單位產(chǎn)品碳排放量越高,企業(yè)產(chǎn)量水平越低。
命題1:企業(yè)利潤是政府碳排放基準(zhǔn)的單調(diào)增函數(shù)。
證明:在公式(11)中求關(guān)于θ的一階導(dǎo)數(shù),
(1)獨立研發(fā)。這一階段,當(dāng)兩家企業(yè)選擇獨立研發(fā)時,企業(yè)最優(yōu)生態(tài)過程創(chuàng)新水平需要滿足各自企業(yè)利潤最大化,通過對式(11)求一階導(dǎo)數(shù):
(12)
進而得出對稱的均衡生態(tài)過程創(chuàng)新水平:
(13)
a-c用于測度市場規(guī)模,為了保證企業(yè)最優(yōu)的生態(tài)過程創(chuàng)新水平,9k-2(2-β)(1+β)>0且a-c>Pe(ri-θ)。
把式(13)代入(10)得:
(14)
同時,每家企業(yè)選擇最優(yōu)的末端治理水平,以滿足各自企業(yè)利潤最大化,該納什均衡滿足式(11)的一階條件:
(15)
由上式可見,如果沒有環(huán)境規(guī)制(碳交易制度),即Pe=0,則企業(yè)沒有動力治理污染。
把(14)和(15)代入(11)得:
(a-c+θPe-Peri)2/[9k-2(2-β)(1+β)]2+(Pe)2/2
(16)
(2)合作研發(fā)。假設(shè)企業(yè)選擇合作研發(fā)策略,企業(yè)之間擁有完全信息,不失一般性,技術(shù)溢出系數(shù)取最大值β=1。在先前模型基礎(chǔ)上,最大化兩企業(yè)利潤之和,π=πi+πj,由一階條件可得合作研發(fā)策略時的最優(yōu)生態(tài)過程創(chuàng)新水平和產(chǎn)量水平:
(17)
(18)
(19)
命題2:企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平是碳排放基準(zhǔn)的單調(diào)增函數(shù)。
命題3:企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平是企業(yè)研發(fā)成本系數(shù)的單調(diào)減函數(shù)。
(1)獨立研發(fā)。面對企業(yè)污染排放,為了實現(xiàn)《京都議定書》的相關(guān)減排目標(biāo),在本階段,政府通過確定合理碳排放基準(zhǔn)使得社會福利最大化。對式(8)求導(dǎo),可得到社會福利最大化時的最優(yōu)碳排放基準(zhǔn):
(20)
把(20)代入(13)、(14)、(16)和(8)得:
(21)
(22)
(23)
SWs*=9k(a-c-λri)2/[18k+4(2-β)2-12(2-β)(1+β)]
(24)
(2)合作研發(fā)。同樣地,由式(8)的一階條件,求最優(yōu)碳排放基準(zhǔn):
(25)
把(25)代入(17)、(18)、(19)和(8),可分別求得:
(26)
(27)
(28)
SWc*=9k(a-c-λri)2/(18k-32)
(29)
命題4:碳排放基準(zhǔn)是環(huán)境損失系數(shù)的單調(diào)減函數(shù)。
(1)情形1:未實施碳交易制度,企業(yè)自主決定生態(tài)過程創(chuàng)新水平時,不同研發(fā)策略的利潤比較。
①當(dāng)政府沒有采取環(huán)境規(guī)制,則Pe=0,獨立研發(fā)時企業(yè)利潤為:
(30)
②當(dāng)政府沒有采取環(huán)境規(guī)制,則Pe=0,合作研發(fā)時企業(yè)利潤為:
(31)
(2)情形2:政府實施免費配額情況下,不同研發(fā)策略的利潤比較。
很容易證明(因篇幅,此處證明省略),θs*-θc*>0,即企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新合作研發(fā)的政府管制水平低于獨立研發(fā)的政府管制水平。
湖北省作為我國中部地區(qū)唯一的碳交易試點省份,累計交易量、交易額等主要市場指標(biāo)均穩(wěn)居全國首位,同時電力行業(yè)數(shù)據(jù)最完整,碳排放的規(guī)模占比也比較大。本節(jié)在創(chuàng)新性測度單位CO2環(huán)境損失的基礎(chǔ)上,選取湖北省電力行業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù),采用MATLAB軟件對模型進行模擬分析,驗證本文的研究結(jié)果,以便更直觀地理解碳排放基準(zhǔn)、研發(fā)成本系數(shù)變化對企業(yè)創(chuàng)新、產(chǎn)量和利潤等的影響,以及溢出系數(shù)對社會福利的影響。
本文借鑒陳永偉和史宇鵬[20]的方法,采用基于主觀幸福感的評價方法,測算了單位CO2的環(huán)境損失。居民i的效用函數(shù)為:
ui=a1lnYi+a2Pi+γX+εi
(32)
其中Yi表示居民i的家庭人均年收入,Pi代表其居住地區(qū)的二氧化碳排放量,X是影響效用的其他因素,εi是描述個人特殊性的隨機變量,參數(shù)a1,a2分別表示家庭收入水平和二氧化碳排放量對居民效用的影響程度。一般而言,a1>0,a2<0,即收入增加提高了居民的效用,而二氧化碳排放增加則降低居民的效用。我們假設(shè)影響居民效用水平的其他因素保持不變,即dX=0。此時,對ui求全微分,可得:
dui=a1dYi/Yi+a2dPi
(33)
當(dāng)居民效用水平不變,即dui=0,則
(34)
因此,式(34)表示家庭收入水平和二氧化碳之間的邊際轉(zhuǎn)換率。根據(jù)效用函數(shù),我們很容易依據(jù)式(34)計算出增加一單位CO2給居民i帶來的經(jīng)濟損失。本文把被調(diào)查者的主觀幸福感視為效用的代理變量,對式(32)采用最小二乘法進行回歸,得到a1,a2的估計值,從而由式(34)得到單位CO2的環(huán)境損失。
本文測算單位CO2的環(huán)境損失的數(shù)據(jù)有兩個來源。居民主觀幸福感數(shù)據(jù)源于2010年中國家庭動態(tài)跟蹤調(diào)查數(shù)據(jù)(CFPS),該數(shù)據(jù)是一個大型的全面性跟蹤調(diào)查,樣本覆蓋中國25個省/市/自治區(qū)的人口,涉及被調(diào)查對象經(jīng)濟、健康、教育和個人主觀幸福感等多方面的信息。各省區(qū)的二氧化碳排放量則采用2006年IPCC核算方法,根據(jù)煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油和天然氣的消費量,以及它們各自的碳排放系數(shù)、碳氧化因子和熱值進行測算,其中8種燃料消費量來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》。由于CFPS中僅給出城市居民的調(diào)查數(shù)據(jù),我們利用城市代碼將這些微觀調(diào)查數(shù)據(jù)進行合并,最終得到了來自25個省/市/自治區(qū)5018名居民的有效調(diào)查資料。經(jīng)測算,增加一單位CO2相當(dāng)于給居民帶來196.63元的經(jīng)濟損失。
借鑒Petrakis和Poyago-Theotoky[14]的研究,以及基于湖北省碳排放權(quán)交易中心、《湖北統(tǒng)計年鑒》、《中國能源統(tǒng)計年鑒》等資料,得出模型中的其他參數(shù)。本文非決策變量參數(shù)值如表1所示。
表1 非決策變量賦值
將以上參數(shù)值帶入前文相關(guān)數(shù)學(xué)模型,并進行數(shù)值計算,下面簡要給出數(shù)值仿真的相關(guān)結(jié)論:
為了探討碳排放基準(zhǔn)的影響,首先固定企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新技術(shù)溢出系數(shù),取β=1。湖北省電力行業(yè)裝機容量為30萬kW的初始碳排放基準(zhǔn)為8,未來為了實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo),政府免費發(fā)放的配額將逐漸減少,即碳排放基準(zhǔn)θ不斷減少,利用式(13)、(17)、(14)、(18)、(16)和(19)做圖1。
圖1 碳排放基準(zhǔn)對企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、最優(yōu)產(chǎn)量和利潤的影響
如圖1(橫軸表示碳排放基準(zhǔn),縱軸則分別對應(yīng)企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、最優(yōu)產(chǎn)量和利潤)所示,合作研發(fā)的企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平和利潤高于獨立研發(fā)的企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平和利潤,證實了前文的理論推導(dǎo)。隨著碳排放基準(zhǔn)的不斷減少,在兩種研發(fā)策略下,企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、最優(yōu)產(chǎn)量和利潤逐漸減少,從而整個社會碳排放量降低??梢?,碳交易制度可以大幅度降低企業(yè)的碳排放量,但是碳排放基準(zhǔn)不宜減少得太快,否則會打擊企業(yè)生產(chǎn)的積極性。
為了討論研發(fā)成本系數(shù)的影響,首先固定企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新技術(shù)溢出系數(shù),取β=1,利用式(13)、(17)、(14)、(18)、(16)和(19)做圖2。
圖2 研發(fā)成本系數(shù)對企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、最優(yōu)產(chǎn)量和利潤的影響
上圖中,水平面的兩個軸分別表示研發(fā)成本系數(shù)和碳排放基準(zhǔn),縱軸則分別對應(yīng)企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、最優(yōu)產(chǎn)量和利潤,上下兩個曲面分別對應(yīng)的是合作研發(fā)和獨立研究的情形。由圖2可見,無論是生態(tài)過程創(chuàng)新獨立研發(fā)還是合作研發(fā),研發(fā)成本系數(shù)與企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、最優(yōu)產(chǎn)量和利潤存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)研發(fā)成本系數(shù)較小時對企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、最優(yōu)產(chǎn)量和利潤水平具有促進作用。
我們進一步考察溢出系數(shù)的影響,利用式(21)、(22)和(24)做圖3。
圖3 溢出系數(shù)對企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、最優(yōu)產(chǎn)量和社會福利的影響
通過圖3(橫軸表示溢出系數(shù),縱軸則分別對應(yīng)企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平、最優(yōu)產(chǎn)量和社會福利)可以看出,在生態(tài)過程創(chuàng)新獨立研發(fā)情形下,當(dāng)0<β<0.5,兩家企業(yè)的生態(tài)過程創(chuàng)新投資形成戰(zhàn)略互補關(guān)系,任一企業(yè)增加生態(tài)過程創(chuàng)新投入,另一企業(yè)亦增加生態(tài)過程創(chuàng)新投資水平,即隨著溢出系數(shù)的增加,企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平增加;當(dāng)0.5<β<1,兩家企業(yè)在生態(tài)過程創(chuàng)新投資上是戰(zhàn)略替代關(guān)系,任一企業(yè)增加生態(tài)過程創(chuàng)新投入導(dǎo)致另一企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新投資水平的減少,出現(xiàn)“搭便車”現(xiàn)象,隨著溢出系數(shù)的增加,企業(yè)生態(tài)過程創(chuàng)新水平減少,該結(jié)論不同于宋之杰和孫其龍[15]的研究結(jié)論。
同時,溢出水平與企業(yè)最優(yōu)產(chǎn)量、社會福利呈拋物線形狀。當(dāng)0<β<0.8,溢出水平提高了企業(yè)最優(yōu)產(chǎn)量和社會福利水平,此時,因為提高溢出水平促使企業(yè)獲取更多外部研發(fā)知識、實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟并降低邊際生產(chǎn)成本[21],從而提高企業(yè)產(chǎn)量和社會福利水平。當(dāng)0.8<β<1,溢出水平提高反而降低了企業(yè)最優(yōu)產(chǎn)量和社會福利水平,原因是由于“搭便車”現(xiàn)象,導(dǎo)致企業(yè)投資生態(tài)過程創(chuàng)新的動機不足,從而生態(tài)技術(shù)水平低、產(chǎn)品邊際生產(chǎn)成本高,企業(yè)產(chǎn)量和社會福利水平隨之降低。
附錄1: