低碳環(huán)境下農產品冷鏈動態(tài)減排協調策略研究
——基于綠色技術采納視角

李影 周葉，2

(1.南昌航空大學經濟管理學院，江西 南昌 330063；2.區(qū)域航空物流研究所，江西 南昌 330063)

引言

當前全球氣候變暖形勢日益嚴峻,農業(yè)生產活動所產生的溫室氣體排放是全球碳排放總量的重要組成部分[1]。大量的農產品在預冷、加工、運輸、銷售等環(huán)節(jié)需要冷藏設備進行恒溫保存,冷庫的大量建設使用與全程溫度控制需要消耗大量的能源,導致更多的碳排放,加大了我國實現“雙碳”目標的難度[2]。為了減少農產品從生產到銷售過程中產生的碳排放,采納綠色技術進行碳減排是有效減少農產品碳排放的重要手段。

目前,在運用綠色技術進行減排量研究方面,Xia等建立綠色技術采用壁壘識別系統(tǒng)解決綠色技術采用和轉化過程中遇到的障礙[3]。Shen等研究在采納清潔技術下,考慮一個制造商和一個零售商組成的2級紡織供應鏈的最優(yōu)定價和策略問題[4]。周鍵和劉陽分析得出企業(yè)綠色技術創(chuàng)新對創(chuàng)業(yè)企業(yè)減排量呈現正向作用[5]。在農產品冷鏈物流碳排放方面,綠色低碳一直是國內外學者研究的熱點問題。Babagolzadeh等研究了在碳稅監(jiān)管下冷鏈儲運產生的碳排放的影響,研究結果表明更高的排放價格并不總是有助于提高冷鏈系統(tǒng)的效率[6]。As′ad等提出2種整數混合規(guī)劃模型來解決產品在存儲和運輸中產生的碳排放問題[7]。此外,還有學者通過優(yōu)化冷鏈物流配送路徑來實現生鮮農產品減排量的目的[8-12]。考慮到企業(yè)在綠色低碳環(huán)境下進行減排量是一個長期的過程,不少學者主要是以供應鏈為主體來展開減排量策略優(yōu)化問題的研究。武丹和楊玉香構建了一個供應商和一個制造商2級供應鏈微分博弈模型,在考慮消費者低碳偏好的情況下,得出消費者低碳偏好度越高,減排量越大的結論[13]。魏守道研究發(fā)現2個供應商和2個制造商在碳交易政策下,比較分析了研發(fā)競爭、水平合作研發(fā)、垂直合作研發(fā)和全面合作研發(fā)4種的減排研發(fā)形式效果,得出減少減排量的最優(yōu)策略[14]。

從上述文獻回顧可以發(fā)現:農產品減排量是長期動態(tài)變化的過程,大多數文獻只是考慮通過路徑優(yōu)化來減少農產品碳減排,很少通過建立微分博弈模型來考慮農產品冷鏈碳減排協調策略優(yōu)化問題；現有的文獻很少將綠色技術采納與農產品減排量結合起來研究。因此,本文考慮綠色技術采納這個關鍵因素,構建集中決策和分散決策2種模式下的長期動態(tài)減排量微分博弈模型,來研究農產品冷鏈碳排放協調策略問題。

1 問題描述與基本假設

1.1 問題描述

農產品從生產到銷售的全過程會產生大量的碳排放,導致環(huán)境污染加重。為了有效地減少碳排放,采用綠色技術是目前企業(yè)嘗試的新手段。農戶通過采用綠色技術對農產品進行種植、采摘、處理和預冷,然后在冷鏈運輸過程采用綠色技術對農產品進行冷藏、加工、包裝和分揀,再通過冷鏈物流企業(yè)采用新能源運輸車輛把農產品運輸到超市。超市作為冷鏈運輸的終點站,為了保持農產品的品質和新鮮度,也需要采用綠色技術對農產品進行冷藏和銷售。農產品冷鏈碳排放主要是通過農產品減排量的動態(tài)過程予以體現,農產品減排量受冷鏈物流企業(yè)、農戶合作社、超市各自綠色技術采納程度的影響。因此,建立由冷鏈物流企業(yè)、農戶合作社和超市組成的3級冷鏈系統(tǒng),考慮采納綠色技術對農產品冷鏈進行聯合減排的微分博弈模型。

1.2 基本假設

文中涉及的主要參數說明見表1。

表1 主要變量和參數說明

本文的假設條件如下。

假設1:假設綠色技術采納成本為綠色技術采納程度的凸函數,即農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的綠色技術采納成本Cf,Cc,Cs,隨綠色技術采納程度增加而增加,滿足C′f(Ef(t))＞0,C′c(Ec(t))＞0c,C′s(Es(t))＞0。則t時刻農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的綠色技術采納成本分別為:

假設2:不考慮價格、成本等其他因素的影響,假設農產品減排量是一個動態(tài)變化的過程,最終農產品減排量受當期農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的綠色技術采納程度的影響。農產品碳排放量的微分方程可表示為:

且在初始時刻,冷鏈農產品減排量χ0()＝χ0≥0。

假設3:農產品碳排放量越小為整個冷鏈系統(tǒng)帶來的收益越大,農產品冷鏈的減排量影響農產品的市場需求。假設t時刻市場需求與產品減排量呈線性關系即:

其中,D0＞0為常數,表示產品的初始需求。

假設4:農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市基于完全信息進行決策,且主要考慮農產品減排量是否會影響農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的決策,同時不計各自的庫存和缺貨成本,在無限時間范圍內,假設農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的貼現率均為ρ ρ＞0( ),目標函數均為無限時間下的利潤最大化。

2 模型構建與分析

基于上一節(jié)對問題的描述和分析,本節(jié)將分別探討協調控制的集中決策和分散決策模式下的農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的均衡策略、冷鏈利潤和農產品減排量,分析各種關鍵參數對決策主體均衡策略的影響。

2.1 集中決策

在集中決策下,農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市是完全合作的,假設以冷鏈系統(tǒng)整體利益最大化進行集中決策,決策變量為農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的綠色技術采納程度,冷鏈系統(tǒng)利潤的目標函數為:

命題1:在集中決策下,農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)、超市組成的三級冷鏈減排量決策中,農產品減排量最優(yōu)軌跡為:

冷鏈系統(tǒng)達到最優(yōu)減排量時的農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)、超市的均衡策略為:

冷鏈的總利潤為:

2.2 分散決策

在分散決策下農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市均以自身利潤最優(yōu)為目標進行決策(分散決策用上標N來表示)。假定冷鏈物流企業(yè)為領導者,農戶合作社和超市為跟隨者,冷鏈物流企業(yè)先做出采納綠色技術的決策,隨后,農戶合作社和超市做出是否采納綠色技術的決策。根據假設4農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)、超市的利潤目標函數分別為:

命題2:在分散決策下,農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)、超市組成的三級冷鏈減排量決策中,農產品減排量的最優(yōu)軌跡為:

冷鏈系統(tǒng)達到最優(yōu)減排量時農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的均衡策略分別為:

農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的最優(yōu)利潤為:

其中,

由命題2農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的均衡策略可以得到以下推論。

2.3 2種模式下的比較分析

本節(jié)主要對比分析集中決策和分散決策這2種情形下農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的綠色技術采納程度、各自的最優(yōu)利潤以及冷鏈系統(tǒng)的最優(yōu)總利潤,由此得到命題3。

命題3:在集中決策模式下,農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的綠色技術采納程度均高于分散決策的情形,即冷鏈系統(tǒng)的總利潤也高于分散決策的情形,即Vscf(χ)＞實現了冷鏈系統(tǒng)的帕累托最優(yōu)。

證明:

同理可證得:

命題3說明在集中決策下,農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的綠色技術采納程度和農產品減排量都高于分散決策模式。在集中決策的情況下,農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市對綠色技術的采納程度越高,冷鏈系統(tǒng)的總利潤實現帕累托最優(yōu),即集中決策模式下的冷鏈系統(tǒng)的最優(yōu)利潤大于分散決策下的最優(yōu)利潤。雖然在實際情況中,集中決策模式下冷鏈各成員很難實現冷鏈系統(tǒng)的最優(yōu)利潤,但是可以通過協同合作,共同采納綠色技術進行聯合減排。與此同時也需要注意,只有使農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市在集中決策下的各自利潤大于分散決策時各自利潤的最優(yōu)策略,才能被農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市所接受。

3 數值分析

為了進一步對第3節(jié)的結論進行驗證分析,驗證命題1～3的有效性,本文應用MATLAB軟件進行數值仿真分析。根據前文對參數的分析,對算例中的相關參數進行賦值,πf＝5,πs＝7,πc＝10,Kf＝11,Ks＝13,Kc＝14,D0＝15,μ＝4,χ0＝0,λ＝1,βf＝2,βs＝3,βc＝6,ρ＝0.2

由于篇幅有限,本文僅選取了部分參數進行驗證分析。

圖1說明冷鏈物流企業(yè)分散決策和集中決策2種情況下,冷鏈物流企業(yè)在集中決策的情況下的利潤曲線比分散決策時的利潤曲線高,表明冷鏈物流企業(yè)在集中決策情況下與農戶合作社、超市進行合作減排,比分散決策時各自減排得到的利潤高,從而實現利潤的帕累最優(yōu)。同時也驗證了命題3的結論。

圖1 2種決策情況下冷鏈物流企業(yè)的利潤比較

由圖2可以看出,在集中決策和分散決策2種情況下,農產品減排量都隨著冷鏈物流企業(yè)的綠色技術采納成本系數的增大而減小,說明冷鏈物流企業(yè)在單位投入綠色技術減少農產品的碳排放時,綠色技術采納成本越高,冷鏈物流企業(yè)得到的利潤越少,結果是冷鏈物流企業(yè)減少綠色技術采納,從而導致整個冷鏈系統(tǒng)長期減排量效果不明顯。超市和農戶合作社也表現出與冷鏈物流企業(yè)同樣的特征。

圖2 參數Kc對農產品減排量的影響

由圖3可以看出,在2種決策情況下,在任意時刻農產品減排量隨著冷鏈物流企業(yè)綠色技術采納的敏感系數增大而增大,即冷鏈物流企業(yè)和超市的綠色技術采納程度越高,農產品減排量越大,集中決策的農產品減排量明顯優(yōu)于分散決策。

圖3 參數βc對農產品減排量的影響

由圖4可以看出,集中決策的農產品減排量高于分散決策的,農產品減排量的運動軌跡隨著時間的變化逐漸上升到趨于平緩。說明外部市場環(huán)境的變化、政策的改變等都會影響冷鏈物流企業(yè),農戶合作社和超市對綠色技術的采納,導致農產品減排量在一定程度上趨于均衡狀態(tài)。

圖4 2種決策情形下農產品減排量的最優(yōu)軌跡

4 結論

在集中決策下,農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市各自的綠色技術采納程度,農產品減排量、市場需求以及冷鏈系統(tǒng)成員的利潤都得到了一定程度的提高,并且在集中決策情形下冷鏈系統(tǒng)的總利潤達到最高水平,實現冷鏈系統(tǒng)的協調優(yōu)化。這在一定程度上促進冷鏈物流企業(yè)、農戶合作社和超市共同采納綠色技術進行聯合減排,實現利潤的帕累托最優(yōu)。

隨著冷鏈物流企業(yè)、農戶合作社和超市的綠色技術采納程度對農產品減排量的影響以及農產品冷鏈減排量對市場需求的影響,農產品減排量呈現上升趨勢。說明冷鏈系統(tǒng)各成員綠色技術采納程度越高,農產品減排量越大,綠色度程度越高,進一步滿足消費者對綠色低碳農產品的需求。

在集中決策和分散決策2種情況下,隨著農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市的綠色技術采納成本的增大,農產品減排量呈下降趨勢；說明冷鏈系統(tǒng)各成員在單位投入綠色技術減少農產品的碳排放時,綠色技術采納成本越高得到的利潤越少,結果導致冷鏈系統(tǒng)各成員減少綠色技術的采納,從而導致整個冷鏈系統(tǒng)長期減排量效果不明顯。

本文側重于研究由農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市組成的冷鏈動態(tài)減排量問題,但是沒有考慮多個農戶合作社、冷鏈物流企業(yè)和超市采納綠色技術進行聯合減排的問題,也是未來需要進一步研究的方向。