碳税政策下低碳技术研发形式比较

1、碳税政策下低碳技术研发形式比较 12 魏守道 ，杨仕辉 (1. 广东金融学院，广东 广州 510521； 2. 暨南大学经济学院，广东 广州 510632) 摘 要： 在国家实施碳税政策的背景下，构建了开放经济下国家设定碳税税率、企业选择低碳技术 研发竞争或研发合作及研发水平、产量水平的三阶段博弈模型，利用均衡解，从企业最优低碳技术 研发水平、净碳排放量、企业利润和国家福利四个方面，比较了研发竞争和研发合作的效果。发现 较之于研发竞争，企业进行研发合作必定会提高低碳技术研发水平、降低净碳排放量和改善国家福 利，有可能会提高企业利润。进一步研究发现，碳排放对环境的损害越严重、研发成果溢出率或研

2、发效率越高，企业进行研发合作必定对提高低碳技术研发水平、降低净碳排放量和改善国家福利越 有利，也有可能对提高企业利润越有利。 关键词： 碳税 ；研发竞争；研发合作；博弈模型 中图分类号： F741, F270 文献标识码： A Comparison between Organizations of Environmental R 2. College of Economics, Jinan University, Guangzhou China, 510632) Abstract: Under the background that countries in an open economy c

3、arry out carbon tax, two three-staged game models are constructed where countries set optimal level of carbon tax, firms choose environmental R R R game model 征文类别 ：经济数学与低碳经济 作者简介 ：魏守道 (1983.12-) ，男 (汉族)，湖北武汉人，广东金融学院工商管理系讲师，博士，研究 方向：战略环境 - 贸易政策； 杨仕辉 (1965.7-) ，男 (汉族)，江西丰城人，暨南大学经济学院教授，博士，博士生导师， 研究方向：

4、战略环境 - 贸易政策。 联系地址： 广州市天河区迎福路 527 号邮政编码： 510521 联系电话：-mail: 基金资助： 国家自然科学基金资助项目 (71273114) 。 碳税政策下低碳技术研发形式比较 1 引言 随着世界经济的快速发展，各国对化石燃料等能源的消耗越来越多，全球碳排放量日益增多， 环境问题日渐严重。自联合国在第一个发展十年中提出经济发展更要注重“质”的全面提高和 改善以来，国际社会越来越重视环境问题，提出和实施了一些环境规制政策，碳税政策就是其中之 一。早在 20 世纪 90 年代初期，芬兰、丹麦等北欧国家率先将碳税政策付诸实践，主要针对化石

5、能 源的使用征收碳税。后来，为履行京都议定书第一期的承诺( 即在 2008-2012 年，发达国家的温 室气体排放量应在 1990 年的基础上平均减少 5.2%) ，一些国家陆续实施碳税政策。而且，美国和加 拿大等少数退出京都议定书的国家也开始在国内部分地区尝试实施碳税政策。为体现京都议 定书“共同而有区别的责任”的原则，中国等发展中国家未被要求强制承担碳减排目标。然而在围 绕第二承诺期的减排义务上，发达国家不断向发展中国有施压，要求发展中国家参与减排，承担碳 减排义务。为迫使发展中国家减排，发达国家单方面推出碳关税政策，试图对从不接受碳减排标准 国家的进口产品征收特别的二氧化碳排放税。鉴于发

6、达国家在国际规则制定中的优势，发展中国家 对环境规制政策展开研究和试点。 如中国发改委、 财政部和环保部的科研机构在 2009 年就已经研究 了中国实施碳税政策的时机与条件， 而且，中国发改委和财政部于 2010 年联合指出中国推出碳税政 策的比较合适的时间是 2012 年前后。由于生产企业是化石能源的主要使用者，因此，要从根本上解 决碳排放量日益增多和日益严重的环境问题，需要生产企业提高低碳技术自主研发。然而，企业并 不会主动进行低碳技术研发，只有政府对碳排放征税，企业才会有动机进行低碳技术研发 1 。随着 反垄断政策的放松，以合作伙伴关系为基础的企业关系得到加速发展。在生产成本研发方面，寻

7、求 企业之间的研发合作正逐渐成为现代企业最重要的商业战略之一2 ，然而，为防止研发成果泄露和 对垄断利润的追求，多数企业不得不选择独立研发 (研发竞争 )的方式 3 。在低碳技术研发形式上，企 业也可以选择研发竞争和研发合作。如安赛乐米塔尔 (Arcelor Mittal) 自 1990 年以来，通过不断改进 生产技术，在炼钢过程中降低了20%以上的二氧化碳排放。并且，在国际钢铁协会的协调下，安赛 乐米塔尔在欧洲领导研发“超低二氧化碳排放炼钢法” (ULCOS) 攻关项目，试图使钢铁工业的二氧 化碳排放量减小 50% ，吸引了包括康力斯集团 (CORUS) 在内的 48 家钢铁企业及科研机构的

8、参加。 尽 管 DAspremont 和 Jacquemin4 以及 Kamien 等 5对生产成本研发进行研究后指出，从研发投资水平 看，研发合作优于研发竞争。由于企业低碳技术研发形式选择还会影响到净碳排放量、企业利润和 国家福利变化，那么，考虑这些方面后，研发合作是否还会优于研发竞争？国家应鼓励企业选择何 种研发形式呢？对这些问题的研究和回答，为企业选择合理的低碳技术研发形式以及政府实施相关 的政策提供理论依据，有助于解决环境问题，具有重要的现实意义。 自 Pearce 6 从理论上发现实施碳税政策可产生“双重红利”后，国内外学者构建博弈模型对实 施碳税政策的效果进行了大量研究，研究成果集

9、中在碳税政策对企业利润、国家福利和低碳技术研 发水平的影响。部分学者研究了碳税政策对企业利润的影响。Batabyal7 和 Batabyal8 分别研究了企 业进行斯塔克尔伯格产量竞争和古诺产量竞争的情形，均发现碳税政策对各国企业利润的影响不确 定，前者指出利润的变化取决于碳排放的跨境转移程度，后者指出利润的变化取决于碳排放的边际 环境损害和边际生产成本。个别学者研究了碳税政策对国家福利的影响。Barce na-Ruiz9考虑到政府 实施碳税政策的顺序不同，发现碳税政策能否改善国家福利不仅取决于碳排放的跨境转移程度，还 取决于其他国家实施碳税政策的时机。多数学者研究了碳税政策下企业选择低碳技术

10、研发形式的影 响。 Katsoulacos 等 10发现，与低碳技术研发竞争相比，如果环境损害不大，低碳技术研发联合体下 国家福利会较高。Chiou和Hu11比较了低碳技术研发卡特尔、研发联合体竞争和研发联合体卡特尔， 发现研发卡特尔下企业研发水平最低，碳排放量最高，研发联合体竞争与研发联合体卡特尔之间的 比较要视研发成果溢出的大小而定。Poyago-Theotoky12发现：与低碳技术研发竞争相比，若研发效 率很低，而且碳排放对环境造成的损害比较大，研发下卡特尔下企业研发水平更低。孟卫军13引入 政府对低碳技术研发补贴后发现，与低碳技术研发竞争相比，研发合作可提高国家福利，而且，研 发溢出率

11、较小时，研发合作还可提高企业利润。孟卫军网和曹国华等15还比较了低碳技术研发补贴 和研发合作政策的效果。这些研究均假设经济是封闭的，而且碳税税率是外生给定的。在开放经济 下，杨仕辉和魏守道16比较了国家间合作与不合作实施碳税政策下企业选择低碳技术研发形式的效 果，发现与研发竞争相比，若研发成果可溢出，研发合作可提高低碳技术研发水平，在国家之间不 合作实施碳税政策下可降低碳排放量。但该研究重点考虑研发溢出率的变化，参数较为单一。 综上所述，学者们运用博弈模型对碳税政策的效果的研究成果颇丰，均发现低碳技术研发合作 并不一定优于研发竞争，要取决于模型设定的参数。其中，文献7和文献9强调了碳排放的跨境

12、转 移程度的重要性，文献10强调了环境损害的重要性，文献11和文献16强调了研发成果溢出率的 重要性，文献13强调了研发效率的重要性，文献8同时强调了环境损害和边际生产成本的重要性， 文献12同时强调了环境损害和研发效率的重要性。这些研究存在着一些不足之处。首先，多数研究 仅考虑了一个参数，少数研究同时考虑了两个参数，尚未有研究同时考虑更多的参数。其次，在低 碳技术研发形式的比较中，文献11-文献15所做的研究都是在封闭经济和外生碳税税率下进行的， 缺少在开放经济和内生碳税税率下的研究。最后，上述研究主要从单个方面比较低碳技术研发形式， 研究角度较为单一。本文构建了开放经济下企业选择低碳技术研

13、发形式(包括研发竞争和研发合作 ) 的博弈模型，比较了研发竞争和研发合作的效果，并进一步研究了低碳技术研发效率、研发成果溢 出率及碳排放对环境的损害等参数变化对企业选择低碳技术研发形式的效果的影响。主要贡献在于： 第一，综合已有研究的成果，同时考虑低碳技术研发效率、研发成果溢出率及碳排放对环境的损害 等参数对低碳技术研发形式选择的影响；第二，考虑政府内生决定碳税税率；第三，从低碳技术研 发水平、净碳排放量、企业利润和国家福利四个方面，对研发竞争和研发合作进行比较。 2低碳技术研发形式的理论模型 2.1基本假设 开放经济下有3个国家：国家1、国家2和国家3。国家1和国家2各有一个生产同质产品的企

14、 业，分别称为企业1和企业2。两企业生产的产品全部出口到国家3，在国家3产品市场上进行古诺 竞争。国家3对产品的需求函数为p=1-qj -qk,i,k =1,2,i =k。为简单起见，设企业i的边际生 产成本为0,单位产品产生单位碳排放量。为降低碳排放量，企业i可选择研发竞争或研发合作来实 施低碳技术自主研发。 企业i的研发成本为 G = x2 /(2 )。其中，xi为企业i的自主研发水平，衡 量企业i的研发效率，该值越大说明研发效率越高。而且，研发成果在企业之间的溢出率为 (01)，该值反映各国对研发成果的保护程度。特别地，当- -0时，政府对研发成果的保 护非常严格，研发成果不会溢出到其它

15、企业；当1时，政府不会对研发成果提供任何保护，研 发成果可完全自由溢出到其它企业。因此，企业i的净碳排放量为ej二qj -Xj - -：xK。设碳排放会 完全跨境转移，对各国环境造成的损害函数为D d(ei ek)，其中，d0衡量碳排放对环境的 损害程度。为控制企业碳排放量，国家i实施碳税政策，对企业i的净碳排放量征收税率为 ti的碳税。 政府与企业的博弈分为三个阶段：第一阶段，国家i以本国福利最大化为目标确定碳税税率ti ； 第二阶段，企业i观察到政府设定的碳税税率后，确定相应的低碳技术研发水平xi ；第三阶段，两 国企业在国家3市场上进行古诺竞争。企业i的利润函数和国家i的福利函数分别如下

16、： _:i(1 qi qQqi Xi2 /(2 ) ti - 人 一 x)(1) =(1 -qi -qQqiXi2 /(2 ) -dqi qk -(1： )(Xi xj(2) 2.2模型求解 F面运用逆向求解法进行求解。 2.2.1低碳技术研发竞争 先看第三阶段：企业最优产量选择。企业i以本企业利润最大化确定最优的产量水平。该阶段的 *tt 纳什均衡解(q ,qQ是订i /：q =二/：% =0的解，解之得： q =(1-2ti tk)/3 由静态比较有：q*/汽=-2/3 ： 0, g*/认=1/3 .0。由于国家i实施碳税政策后，企业i 税负增加，抑制了企业i的生产，产量下降；国家 k实施

17、碳税政策后，企业 k产量也会下降，由于两 企业进行产量竞争，实行的是替代策略，故企业i的产量上升。也就是说，本国实施碳税政策不利于 国内企业发展，对外国企业有利。 再看第二阶段：企业最优低碳技术研发水平选择。 研发竞争下，企业i以本企业利润最大化确定 最优低碳技术研发水平。将 式回代 式，企业i的利润函数可简化为： 二；二(q；)2 - x：/(2 ) ti(XiXk)。求解；：i*/：Xi = -、i*/：Xk = 0可得该阶段企业i的最优解为： Xi =也 也就是说，研发竞争下，企业i的最优低碳技术研发水平仅与国家i的碳税税率有关。碳税政策 迫使企业实施低碳技术自主研发，而且，国家i的碳税

18、税率越高，企业i的最优自主研发水平也越高。 最后看第一阶段：政府最优碳税税率选择。将(3)-式回代式，国家i的福利函数可简化为： w =(qi)2 g -(Xi )2/(2 )-dqi qik -(1：)(XiXk)。该阶段的均衡解(t；)是 W / ；:tiWk* / ；tk0的解。经求解得： tin =tn =3(13 1 )d -1M(5) 其中，11,95。给定各国碳税税率，可求得均衡低碳技术研发水平和企业产量： x：二3(13： 1 )d -1/ 厶(6) qn =(2 3 )-(1 3r )d/： 为保证企业实施低碳技术自主研发，需要X：0，即满足d1 /3(1 3 )。而且，为保

19、证 企业i生产，需要q：0，即满足d . (2 3 )/(1 31 )。综合起来有，为保证企业实施低碳技 术自主研发和生产，满足1 /3(1 - 3、) ： d : (2 - 3 )/(1 3)。 2.2.2低碳技术研发合作 低碳技术研发合作下，各企业仍以本企业利润最大化确定产量，最优产量选择同(3)式，但他们 * * * 选择低碳技术研发水平以最大化两企业总利润：-二二ik。此时，企业i的最优低碳技术研发 水平可通过求解 二：*/：X二二*/：Xk =0得到，解之得： X* 二(ti 七)(8) 也就是说，研发合作下，企业i的低碳技术研发水平不仅与国家i的碳税税率有关，还与国家k 的碳税税率

20、有关。 将式和(8)式回代 式，国家i的福利函数可简化为：Wj =(qi )2 tiqi -(Xi )2/(2 )- dq* qk -(V : )(x* x；*)。求解：1W/池二W；* /0，即可得该阶段的均衡解 (t,tC)。经求解得： tic =tC 3(1 3：12 )d -1M(9) 其中， 9 ：1 5。给定各国碳税税率，可分别求得均衡低碳技术研发水平和企业产量如下： xy【3(13 12 )d -1/上(10) qC -(23： 1 ) -(13： 12 )d/上(11) 同理，为保证企业实施低碳技术自主研发，需要xC 0，即满足d 1/3(V 3汀)。而且， 为保证企业i生产，

21、需要0，即满足d (2 3 1 ) /(1 3 12 )。因此，为保证企业实施低碳 技术自主研发和生产，满足1/3(1 3晋)：d : (2 3. ) /(V 3 2 )。 由于对任意 0 ： - _1,0 :：，恒有 1/3(1 3 2 ) ：1/3(13 ! ) . (2 3 1 )/(1 3:；) :(23 )/(13 1 )，因此，为保证低碳技术研发竞争和研发合作下企业均实施低碳技术自主研 发和生产，需满足1/3(13宀):d :：: (23宀)/(132 )。为便于表述，记 d1 =1/3(1 3： 1 )，d2 = (2 3： 1 )/(1 3： 12 )，即有 d： d :：:

22、d?。 3低碳技术研发形式比较 3.1低碳技术研发水平比较 由(10)式减去(6)式，可得： xC -Xin 二327：12 215：1(：11)5d-51 /(.)(12) 由(12)式易知：d 5/327 2 2 150 1)51时，有xC x：。由于对任意 0 :： - _1,0 :：，恒有 5/327 2 15： ,、 1)5 ：1/3(1 3 ) = d1。因此，研发竞 争与研发合作下低碳技术研发水平的比较可用如下命题表述： 命题1对任意01,0 ：，当d d : d2时，恒有xc - xin。 与研发竞争相比，研发合作下不仅国家i设定的碳税税率较高，企业i面临的碳减排压力较大， 而

23、且，企业i在确定研发水平时，还会受到国家k设定的碳税税率的影响。因此，研发合作下，企业 i会投入更多的低碳技术研发资金，积极实施低碳技术研发，低碳技术研发水平也较高。 3.2净碳排放量比较 记 en q： -x： -Exn，e：二 q：-x：茨；，由式、(7)式、(10)式和(11)式有： eC -e： -( -3 92 15 213 3)d - 4 一： /()(13) 其中，=2720,2 =152,： 3 =(31)(97), 4=5：2。由(13)式易知： d ： 4 /(9丄：3 9 2 - 15 23 3)时，有 e： : e：。由于对任意0 ： 一： - 1,0 ：，恒有 - 4

24、 /(9厶13 9 / 2 153 3)： 1/3(1 3 1 )d1。因此，研发竞争与研发合作下净碳 排放量比较可用如下命题表述： 命题 2 对任意 0 ： - -1,0 ：，当 dd : d2 时，恒有 e： : e：。 与研发竞争相比，由于研发合作下企业i面临较高的碳税税率，企业i在降低产量的同时，提高 低碳技术研发水平。因此，研发合作下，企业i净碳排放量较低，有利于国家和全球环境的改善。 3.3企业利润比较 分别将 式-(7)式和(9)式-(11)式代入(1)式，经比较可得： 叮-叮工希(d2亠2d -门3)/(2厶2上2)(14) 其中，门2 486 ： 4 29 3 ；2 * 36

25、 2 ；3 * 3心4 T2J:L =18 3 匚6 54 12 匚7 6 七8 18 *9,门3 =162沱 2 g10 6：(_1),=54 2 9025,二 2=4374 3 10044 2 4095200,；二=729 3 2268 2 1350200,；4 二 2187 4 10206 3 8370 2 +2226? +1755 =(3丫 +1)(也 _3),6 =81 了2 _90了 _25,7 =81丫2 _66? _50,8 = 729丫3 _216丫2 -552 -125,；9 =9 2二-2,二10 =648 2 288 -25 。 令 二,-二：=0 可求得 d二一(门2

26、 - ；2 *3)/(2)。由于对于任意0 ：汨,0 ：，恒有叮10:3 0,故有 0 2 4匕一门2,一( J2 - 4：- -2) 0。而且，对任意 0 ：-乞 1,0：，恒有 1/3(13 1 ) ：(2 *1匕-门2)/(2匕)：(23-1 )/(13-12 )。同样，为便于表述，记 d3 =(.门2 4门1门3 -门2)/(2门1)。因此，研发竞争与研发合作下企业利润比较可用如下命题表述： 命题 3 对任意 0 ： ： _1,0 ：，当 d1 : d d2 时，若 d1 : d ： d3，有二i： ”：时；若 d3d d2，有:-呼。 与研发竞争相比，虽然研发合作下国家i碳税税率提高

27、、企业i产量和销量减少、低碳技术研发 支出增加，但承担的碳税成本也下降，因此，企业i的利润不一定会减少。若碳排放对环境的损害程 度较轻，企业i碳税成本的下降不足以抵消产品销量减少和低碳技术研发支出增加，故企业利润较低， 反之则反。 3.4国家福利比较 分别将 式和 式、(10)式和(11)式代入 式，经比较可得： W： -W二一辭(Old2 1 2d - 3)/(2:2.)(15) 其中，臼=81一5 - 162 2.： 4 一9 帚 3 -362 -3二3 1 -634,02 =18 尺 3 - 542 2tV 2.宀7，0378 ： 2 ：(. ： -1),哥=1458 3 3564 2

28、2025 - 2501458 3 + 3078Y2 +1989Y +400,日3 = 15309?4 +34506?3 + 265142 +7998? + 725 日4 = (3? +1)(812 + 12647)，屯=81 2 9325,入=2187 3 2835 2 9725081 2 8116, 理=1622 36 -25。令 W；c二W,有d =(02 _、,.。2 牝柱/即)。而且，对任意 0_1,0 ：，恒有心1 ：0丄-2 0,心 3 0，故有(氏 * 403 )/(2仙)：0 以及 0 (心2-02)/(-1)。因此，当 d ( o2 40103-02)/(201)时，有 W

29、W。 此外，对任意0 :： _1,0 :：，恒有(.2 4却S3 -02)/(2仙)：1/3(1 3宀)。研发竞争与研 发合作下国家福利比较可用如下命题表述： 命题 4 对任意 0 ： - _1,0 ：，当 d1 ： d : d2 时，Wic W恒成立。 与研发竞争相比，研发合作下国家i和全球环境得到改善，弥补了企业i可能遭受的利润损失， 增强了可能获得的收益增加。 推论若P = 0，对任意0 d,0弋Y，恒有x, = x：,eC = e：,兀C =兀：,Wc = W。 也就是说，若国家i不对研发成果提供保护，研发合作下企业i低碳技术研发水平、 净碳排放量、 企业利润和国家福利与研发竞争下的完

30、全一致。 下面分别选取 P =0.2,0.5,0.9以及丫 = 0.5,1,2对上述命题进行验证，结果如图1。 L4 区域II 区域II 区域II d = d2 on 区域i 区域i 区域i I fi o-ioa 注：区域I和区域II中恒有xC - xe 0 ：(xC-xn)/ 0 (xC-x：)/：0 .:ein /:d : 0 .:ec / ；d : 0 ec -弍）/巾：0 净碳排放量 .:en /：: 0 遇/二:0 -en)/“ : 0 .:ein / ：: 0 e, / ：: 0 r(e,: 0 不确定 c /rd不确定 （二：-二：）/rd 不确定 企业利润 汀n / ：不确定

31、二不确定 ：（时-二）/：-不确定 汀/：不确定 不确定 不确定 1W： /:d不确定 c W /:d不确定 -Wn)/：d 0 国家福利 0 W /0 :g： 0 W / ：0 1W： /10 芒(Wf - M)/刃 0 4结论与政策含义 本文构建开放经济下国家实施碳税政策、企业选择低碳技术研发形式的博弈模型，运用各模型 的均衡结果，比较了研发竞争和研发合作下企业最优低碳技术研发水平、净碳排放量、企业利润和 国家福利的变化。结果表明：与研发竞争相比，研发合作下企业最优低碳技术研发水平较高、净碳 排放量越少、国家福利越高，但并不一定能提高企业利润，只有当碳排放对环境的损害较高（超过 （2 伞：

32、1门3 -2）/（21）时，研发合作可使企业获得较高利润；随着碳排放对环境的损害越来 越严重、研发成果溢出率或研发效率越来越高，研发合作就越能提高研发水平，降低净碳排放量和 改善国家福利，但只有碳排放对环境的损害超过某一临界值后，研发合作更能提高企业利润。 本文的政策含义是：即便国家实施碳税，企业自发进行低碳技术研发合作还有困难，政府应提 供支持和加以引导。首先，政府需要加强对企业低碳技术研发合作的支持力度，如设立低碳技术研 发资金，确保资金专门用于企业低碳技术研发，提高企业低碳技术自主研发的效率和进行低碳技术 研发合作的积极性。其次，政府需加大对环保的宣传力度，让环保意识深入民心。随着企业经

33、济实 力的增加和环保意识的增强，具有强烈社会责任感的企业会自发进行低碳技术研发合作，为改善环 境贡献力量。最后，政府还需鼓励企业共享低碳技术研发成果，允许参与研发合作的成员完全自由 享用研发成果，在更大的范围内发挥研发成果的作用。 参考文献： 1 Katsoulacos Y, Xepapadeas A. Environmental innovation, spillovers and optimal policy rules A, in Carraro C, Katsoulacos Y, Xepapadeas A. eds., Environmental Policy and Market S

34、tructureC. Netherlands: Kluwer Academic Publishers, 1996. 2 Baerenss A. Cooperation versus competition: optimal strategies for process and product innovation D. University of Colorado, 2000. 3 Cassiman B, Maria Chiara Di Guardoand, Giovanni Valentini. Organizing R&D projects to profits from innovati

35、on: insights from co-opetition J. Long Range Planning, 2009, (42): 216-233. 4 DAspremont C, Jacquemin A. Cooperative and noncooperative R&D in duopoly with spillovers J. The American Economic Review, 1988, 78(9): 1133-1137. 5 Kamien M I, Muller E, Zang I. Research joint ventures and R&D cartel J. American Economic Review, 1992, 82(9):1293-1306. 6 Pearce D