京津冀技術創新、產業結構與生態環境耦合研究

(河北工業大學 經濟管理學院,天津 300401)

1 引言

關于技術創新與生態環境的研究,“波特假說"認為適當的環境規制將激發更多的創新活動,從而同時實現環境績效和經濟利益[1]。Grossman、Krueger認為經濟增長技術、結構和規模效應是影響區域環境質量的主要因素[2]。在世界石油等能源消耗帶來資源耗用和碳排放問題后,學者們開始重視技術進步來源和方向問題,如Popp D基于技術進步的內生性構建能源部門的環境政策經濟模型,結果忽視了內生技術進步將高估環境管制成本[3];Acemoglu等通過有偏技術進步理論,論證了清潔型與污染型兩類技術進步的不同特征和創新水平將導致差異性的經濟效益和對環境的影響[4];而Stephan G、Müller-Fürstenberger G則討論了技術轉讓、變革對全球變暖的作用[5];Ding W等分別研究了低碳、能源技術對碳排放的影響[6]。在理論方面,姚平、姜曰木[7]、譚文華[8]為技術創新實現經濟綠色發展提供了機理研究。在實證方面,傅為忠等利用SEM-PLS和DEA模型驗證了區域技術創新對環境績效的正影響作用[9];馬艷艷等運用省區數據考察了不同來源技術進步對CO2排放效率的作用[10],從技術進步方向檢驗了對生態環境的作用[11,12]。

關于產業結構與生態環境的研究,國內外學者都圍繞EKC曲線和脫鉤定理進行了大量實證研究,證實了產業經濟與生態環境之間的倒“U”型演變規律[2,13,14]，并從產業投資、FDI、貿易順差等細分角度研究了產業與生態環境的關系。Jalil、Feridum認為金融行業對環保設施的引進有助于緩解區域的低碳排放[15];Shahbaz M等運用格蘭杰因果關系分析了CO2、能源與金融之間的關系,認為金融發展是通過鼓勵投資節能技術來提高國內生產和環境退化,主要在改善環境質量方面發揮作用[16]。國內對產業結構研究的中心逐漸從經濟效益的EKC實證研究和脫鉤定理驗證研究轉向通過產業結構調整對生態環境的作用研究。原毅軍、賈媛媛認為產業結構變動對污染減排具有顯著作用,以第三產業結構變動的污染減排效應最明顯[17];張華等以遼寧省為例，證實了生態文明建設與產業結構高級化在波動中不斷提高且存在長期的均衡關系[18]。此外,自劉耀彬等將物理耦合模型運用于城鎮化與生態環境關系的研究以來,學術界不斷延伸對耦合模型的應用[19-21]。本文選擇京津冀地區作為研究對象,借用物理耦合模型,通過指標體系構建和熵權法,以京津冀地區2006—2015年數據為支撐,分析京津冀地區的技術、產業和生態的協調程度與發展模式,為實現京津冀地區協同發展、產業轉型升級戰略提供政策建議。

2 研究區域與數據來源

2.1 研究區域

京津冀地區是我國華北地區政治經濟的重要核心地區,土地面積約21.6萬km2,人口約1.1億人。2016年,地區生產總值75624.9億元,占我國GDP的10.16%。盡管京津冀地區總體經濟水平較高,但過去多年來經濟效率的提升卻伴隨著嚴重的生態環境問題。根據2016年的統計數據,京津冀地區13個城市的空氣質量平均超標比例達43.2%,地區每平方公里每年消耗的煤炭相當于全球平均值的30倍;特別是海河流域水質呈重度污染,在水系的125個國考斷面中劣Ⅴ類上升3.2%。面對著來自經濟、能源的壓力,如何實現低碳、綠色、協調發展成為京津冀地區發展亟待解決的問題。因此,對京津冀地區開展技術、產業、生態耦合協調研究具有十分重要的意義。

2.2 數據來源

本文使用數據分別來自2007—2016年的《中國統計年鑒》、《中國環境統計年鑒》、《中國科技統計年鑒》、《北京市統計年鑒》、《天津市統計年鑒》、《河北省經濟統計年鑒》等。

3 TIE系統三維耦合模型構建

3.1 TIE三維耦合機理分析

TIE三維耦合內涵:在技術創新—產業結構—生態環境系統(TIE)中(圖1),三個子系統密切關聯。首先,技術創新是生態環境建設的重要保障和有力途徑。加強技術創新,可改變末端治理的傳統環境治理模式,有助于提高生態系統中的傳遞效率,加強生態環境系統對經濟發展的供給能力。同時,技術創新通過提高投入和產出轉換效率,推動產業結構變革,是產業結構優化升級的驅動力。其次,產業結構優化升級為科技革命提供了動力和條件[22]。通過帶動國內和國際市場的不斷擴大和細分,加劇市場競爭,迫使企業進行技術創新競爭,引進新技術或改進已有技術[23,24],且產業結構的合理化、高級化與經濟發展集約化程度同方向變動。產業結構的優化升級在很大程度上可改善經濟活動對生態環境的脅迫程度。第三,生態環境要素、資源稟賦為產業發展提供物質基礎,決定了區域產業發展的次序和規模。生態環境為技術創新提供資源支持,倒逼技術創新的實現。良好的生態環境有利于地區的人才引進、資金的投入和高技術產業的遷入,能滿足科技創新過程中需要的一系列要素。理性的企業應重視環境對企業發展的要求,通過投資新技術、新工藝滿足生態環境的客觀要求和限制。

圖1 技術創新—產業結構—生態環境的脅迫耦合關系

TIE三維耦合運行機理:由于TIE子系統之間的交互作用關系,以及技術、產業與環境之間無時無刻都發生著資源和能量的輸入、輸出,如技術和生產活動需要從環境中獲取必備的生產資料,生產過程又會向外排放大量的工業廢氣。從系統理論視角出發,TIE構成了一個具有開放性、動態性、自組織性、非線性等特點的復雜巨系統[25]。該系統的穩定性與進步性決定了人類經濟社會與區域自然環境可持續發展的狀態,系統的耦合表征了某一時點各系統間、系統內各要素間交相作用的演進態勢或趨向。協調則強調系統發展的約束條件,在環境變化和TIE各系統及其構成的非線性作用下,實現TIE各子系統之間的耦合協調從低級向高級更迭是其最終目標。

系統自組織理論認為,開放的系統在沒有外界干擾的情況下系統內部的能量、物質與信息的不斷交換實現正負反饋。外界能量輸入作為負反饋降低系統內的熵值,實現系統從無序走向有序。然而,在現實情況中技術創新、產業結構和生態環境發展、相互耦合的時序不一定相同,如果經濟發展過快,超出生態環境的承載閾值,區域生態環境惡化,最終區域的產業、技術系統都將受到遏制。另一方面,生態環境投資比例過大或建設過快,出現不符合資金最優利用規律,區域技術和產業系統的發展也會因為資金的匱乏而停滯。此時,就必須通過外界的調控措施實行負反饋機制,重新將系統帶入有序的發展軌道。

本文認為TIE耦合協調發展的作用機理來源于兩方面:一方面,復雜巨系統內各子系統通過突變、反饋和漲落的自組織行為實現無序向有序發展;另一方面,他組織行為即人對系統的干預行為,可針對系統自組織的不平衡或失靈狀態進行糾偏措施,使巨系統保持有序穩定。系統在自組織與他組織的作用下實現低級協調向高級協調的螺旋式上升,作用機理見圖2。

圖2 TIE系統耦合協調發展機理

3.2 綜合評價體系的確定

本文遵循系統性、科學性、可量化性和區域針對性四項基本原則,參考文獻中評價分析技術創新、產業結構和生態環境的指標,結合理論分析,確定技術創新、產業結構和生態環境發展的主要變量,構建三系統的指標體系。對技術創新指標,本文借鑒焦敬娟[26]、陳勁、陳鈺芬[27]、李興光等[28]研究成果,從創新潛力、創新投入、創新產出、創新環境構建包含4個一級指標、15個二級指標的綜合體系。綜合有關文獻得知,產業結構的合理化與高級化對生態環境具有積極作用,因此本文從產業結構合理化、高級化及其經濟效益三方面選取6個指標。生態環境方面,本文基于P(壓力)—S(狀態)—R(響應)模型,構建3個一級指標、16個二級指標。本文構建的技術創新—產業結構—生態環境綜合評價指標體系見表1。

表1 技術創新—產業結構—生態環境綜合評價體系及權重

產業結構合理化與高級化計算:有關利用“第三產業產值/第二產業產值"衡量產業結構高級化的論證已受到學者們的廣泛認可[29-31],但產業結構合理化的測度和方法還沒有達到統一。根據干春輝的研究,運用改進的泰爾指數測量產業結構合理化既有效避免了傳統結構的偏離度或泰爾指數的運算缺點,又將產業的相對重要性納入考慮范圍[32],因此本文運用改進的泰爾指數計算產業結構的合理性,具體的公式為:

式中,Y為產值;L為就業(就業人數);n為產業部門數;i為某一產業。若產業結構合理,TL=0;若產業結構不合理,TL≠0,且TL越大，越不合理。

數據標準化處理:本文采用極差標準化方法來消除不同指標的量綱和數量級對計算結果的影響,公式為:

以往，師范院校培養出的師范生，畢業后直接分配到學校中從事教學工作，他們面臨的首要問題是融入到這個陌生的大家庭中，以適應學校的教學制度、教學環境以及同事、師生的人際關系。人們往往認為教師無非是“嘴加粉筆”的角色，具備了這個條件，教師就能把書教好。鮮有新教師畢業后關注自身的發展，大部分教師畢業后一直堅守在教學崗，幾乎沒有參加過各種培訓、進修活動，認為學校期間所獲得理論知識和教學技能，足夠勝任日后的教學工作。然而一個新教師只有清楚地認識其角色，才能明確地定位自身的職責與要求，同樣一個優秀教師也需準確地、全面地審視自己在教學中所扮演的角色與要求。

指標權重賦值:為了保留數據本身的特點,避免主觀干預對指標賦權的影響,利用熵權法,根據各個指標值的變異程度來確定客觀權重。計算方法為:

計算第i個系統第j個指標的比重pij;m為樣本量;n為評價體系指標個數。

計算第j個指標的信息熵ej,其中,k=1/lnm。

計算第j個指標的差異系數gj:

(6)

計算第J個指標的熵權wj:

綜合評價函數:通過線性加權平均法分別計算京津冀兩市一省各自的技術創新綜合評價指數(TI)、產業結構綜合評價指數(IN)和生態環境綜合評價指數(EN),均介于[0,1]。值越大,表明該系統發展水平越高;反之,則越低。公式為:

3.3 三維耦合模型

耦合度模型:耦合度反映相互作用的系統之間耦合關聯的強弱,技術創新、產業結構和生態環境三個系統存在交互關系,因此本文借鑒物理學中容量耦合概念和模型,設C表示耦合度,則多個系統之間的相互作用的耦合模型可表示為:

C=t{(u1,u2…ut)/Π(ui+uj)}1/t

(9)

式中,U為系統功效函數;t為系統個數;i和j分別表示第i個和第j個系統。令TI=U1,IN=U2,EN=U3，建立三維耦合模型:

式中,c∈[0，1]為耦合度,c值越大,說明系統協調性越高,達到良性共振且有序發展;反之,c值越小,越不協調,系統無序發展。相關研究及應用主要沿用廖重斌[33]的等級劃分法。根據c值將耦合度細化為10個等級,以區分系統協調程度,見表2。

表2 耦合度C等級劃分

耦合協調度模型:耦合模型可表示各系統之間的良性共振,但要反映系統的真實水平和狀態,還需要引用耦合協調度模型,公式為:

T=αu1+βu2+γu3=αTI+βIN+γEN

(12)

式中,α、β、γ為待定系數;T為三維系統綜合評價指數。

表3 耦合協調度等級劃分

根據三系統的不同貢獻率進行取值,但滿足以下條件：α+β+γ=1。本文認為技術創新、產業結構與生態環境三系統同等重要,故取α=β=γ=1/3。在經過耦合度與耦合協調度兩次運算后,最終得到系統的耦合協調度D(D∈[0,1])。同時,借鑒王少劍、方創琳[34]的研究成果,根據TI、IN、EN三者依次的大小,將細分為3個大類、4個亞類、12個子類型,技術創新、產業結構與生態環境的關系見表3。

4 結果與分析

4.1 各子系統綜合發展水平分析

本文運用熵權法計算得到京津冀地區技術創新、產業結構、生態環境各子系統各評價指標權重(表1),得出2006—2015年京津冀地區各自的技術創新子系統綜合和評價指數(TI)、產業結構子系統綜合評價指數(IN)、生態環境子系統綜合評價指數(EN)和京津冀地區在考察期內的TIE系統綜合評價指數(T),并繪制出2006—2015年京津冀地區TIE各子系統及系統整體的綜合發展水平圖(圖3—圖5)。

圖3 京津冀地區技術創新綜合評價指數TI

圖4 京津冀地區產業結構綜合評價指數IN

圖5 京津冀地區生態環境綜合評價指數EN

根據圖3—5可知,京、津、冀三地的技術創新、產業結構、生態環境子系統綜合水平在考察期內都呈現增長趨勢,且遵循北京市優于天津市、天津市優于河北省的次序。在技術創新方面,自2006年起北京的技術創新能力不斷提升,截止2015年已達到0.897,比2006年0.399增長了約125%,天津市和河北省的進步速度明顯趨于緩慢,天津市的技術創新水平為0.096—0.330,河北省的技術創新水平為0.052—0.252。在產業結構方面,北京市的產業結構2015年達到0.955,接近最大值1。天津市和河北省的產業結構水平遠低于北京市,為0.086—0.518,距離產業結構轉型升級達到最優化還有較大差距。此外,較前兩個子系統,三地的生態環境綜合水平在考察期間的起伏較小,北京市的生態環境綜合評價指數為0.693—0.800、天津市0.432—0.632、河北省0.243—0.445。

從圖6可見,從TIE系統整體的綜合水平(T)來看,北京市的數值為0.519—0.884,自2010年起綜合水平指數的上升趨勢超過前4年。天津市綜合水平較低,為0.246—0.493,發展上升速度2010—2012年與北京市相似,但2012年上升速度明顯緩慢,2012年與2013年綜合水平變化小。河北省系統整體的綜合水平在考察期間仍最低,自2006年開始呈現小幅上升,從0.128上升到0.339,但最高值仍小于北京市考察期間的最低值(0.519)。

圖6 京津冀技術創新—產業結構整體綜合水平T

在技術創新指標體系中,技術市場成交額、R&D經費來源于政府金額和國外主要檢索工具收入科技論文個數的權重系數最高,對綜合水平的影響最大。研究結果正好與事實相符,北京市3個指標上年投入量和產出量均遠遠高于天津市和河北省。技術市場成交額反映了地區技術創新的產出,也反映了地區技術轉移、擴散的能力;R&D經費來源反映了地區政府對技術研究的投入程度和當地技術創新的政策環境;國外主要檢索工具收入科技論文個數表達了地區的基礎研究成果,側面與當地知識獲取潛力交相呼應。所以,當地企業與政府機構在考慮和構思技術創新戰略與政策時應重點關注技術市場的流動情況,政府要重視對當地創新氛圍的引導,同時要助力和培養高校、企業、科研機構的基礎研究開發與應用。

產業結構方面,比重最大的是高級化指標中的第三產業產值與第二產業產值的比重。結果表明,京津冀三地產業結構發展嚴重不均衡,出現產業發展斷層現象。在最新的京津冀協同發展戰略的引領下,區域內產業結構政策由第一產業為主,第二、三產業為輔轉變為第一產業向第二、三產業轉變。但天津市與河北省的自然資源稟賦和區域優勢使兩地分別以制造業和重工業為經濟發展模式。實現北京市、天津市與河北省的區域分工專業化，加強三地產業結構的階梯性、互助性，并不意味著天津市或河北省要受限于資源，或延續傳統的發展模式，或片面地看待區域產業轉移政策,而要加快攻克技術難題,引進高技術人才,推動金融、旅游等服務業發展,促進產業的行業集聚,強化產業結構優化水平,提升地區市場經濟水平,迎合京津冀協同發展的戰略和時代要求。

生態環境方面,常住人口增長率(0.108)成為生態環境壓力狀況的最重要因素,這與京津冀地區事實情況相符,北京市人口壓力不斷增加是影響當地資源消耗的重要原因之一。人均水資源(0.098)占地區生態環境可持續發展體系權重最大。從水資源方面來看,河北省處于最高水平,但由于在能源消耗和空氣質量等方面的低質量表現,使河北省的可持續能力整體水平較弱。在生態環境響應環節,一般工業固體廢物綜合利用率(0.074)、環境污染治理投資占GDP比重(0.065)名列前茅。從治理力度和當前形勢來看,河北省尤其需要加大環境治理投入,設立更有效的環境補償機制體制。

圖7 TIE三維系統耦合度

圖8 TIE三維系統耦合協調度

4.2 系統耦合協調度時空分析

根據構建的京津冀地區TIE三維耦合協調度模型,結合2006—2015年京津冀技術創新綜合評價指數(TI)、產業結構綜合評價指數(IN)、生態環境綜合評價指數(EN),TIE系統綜合評價指數(T)的計算結果,進一步得到系統的耦合度C和耦合協調度D,見圖7、圖8,表4。

表4 技術創新—產業結構—生態環境(TIE)耦合特征及類型

由圖7、表4可知,北京市TIE三維系統耦合度長期保持在0.950水平以上——優質協調,為系統有序發展狀態。天津市耦合度2006—2009年保持在0.837—0.853之間,在2010年相比前期增長幅度快速上升到0.898, 2011年進入優質協調行列;2011—2013年實現了較大跨度的增長,耦合度上升為0.961,并在2014年達到最高值0.966。河北省的耦合度在小幅波動中實現上升,2006—2008年變化幅度呈現小幅增長和下跌，2008—2015年耦合度曲線呈倒“U”型,耦合度在2010年第二次接近天津市耦合系數，在2011年后一直保持高于天津市水平的狀態,2014年達到最高值0.986,接近北京市的耦合系數。但根據2015年的耦合系數情況,河北省的耦合系數出現下滑,有可能落后于天津市。

由圖8和表4可知,2006—2015年京津冀地區的耦合協調度整體為上升趨勢,考察期北京市耦合協調度可劃分為兩大階段:第一階段為2006—2010年,耦合協調度從0.711上升到0.798,處于生態環境超前,技術創新和產業結構相對滯后的基本協調階段,該階段的發展類型為轉型發展；第二階段為2011—2015年,北京市已升級為協調發展—高級協調階段,該階段的耦合特征發生變化,產業結構實現超前發展,技術創新與生態環境相對滯后。天津市耦合協調度在考察期間分為兩個階段:第一階段為2006—2008年,耦合協調度為0.454—0.492,為不協調發展—基本不協調狀態；第二階段為2009—2015年,進入轉型發展—基本協調階段。整個考察期間耦合特征都表現為生態環境超前,技術創新和產業結構相對滯后。河北省的耦合協調度為0.321—0.574,階段劃分情況與天津市相同,在2006—2011年為不協調發展—基本不協調階段,2012年進入轉型發展—基本協調狀態。

從時間和空間特征來看,河北省比天津市晚3年進入轉型發展階段,天津市與河北省比北京市進入轉型發展晚3年或以上。由于天津市、河北省在技術創新、產業結構、生態環境三子系統的綜合水平與北京市的差距較大,兩地距協調發展—高級協調階段還有一定的距離。自2006—2015年以來,不論是北京市、天津市還是河北省,技術創新一直處于落后狀態，可見京津冀需要在技術創新方面加大舉措力度,加快實現技術創新對產業結構和生態環境的促進和改善作用。

5 結論與建議

5.1 結論

本文的研究表明:①技術市場成交額、產業結構高級化以及常住人口增長率分別對技術創新、產業結構和生態環境的貢獻率最高。②京津冀三地在TIE系統的綜合水平發展優良等級關系明顯,為北京好于天津好于河北的狀態,且津冀兩地與北京的差距過大,天津綜合得分比北京低0.315,河北省比北京低0.452。③在耦合協調度測算模型中,北京市技術創新、產業結構和生態環境的耦合與協調達到優秀水平,天津市與河北省目前都處于技術創新與產業結構滯后于生態環境的轉型發展階段,兩地技術創新對產業轉型升級和生態環境的支持效用不明顯。

就本次實證研究來看,以往行政劃分產生的“諸侯經濟”依然明顯。長期差異化的政治化資源分配使北京集聚了人才、資本、技術、科研等資源優勢。如技術創新競爭力,北京的創新潛力和創新投入力度明顯高于津冀。此外,不平等的政治和經濟地位造成產業政策隔離化,長期的資源要素分配不均導致三地產業周期不同步,產業、經濟的非均衡狀態聯動帶來嚴重生態環境問題,影響區域內部的協調發展和各省市TIE系統的優質協調。

5.2 對策建議

面對經濟可持續發展和京津冀成為世界級特大城市群的發展的目標,首要要解決協同發展問題,通過影響三地要素、資源的流向和分配,引導津冀的技術和產業發展,實現技術創新驅動產業結構轉型,緩和與優化生態環境,最終實現技術創新—產業結構—生態環境優質協調發展。因此,提出以下對策:①重點搭建區域協同頂層設計,從技術、產業、生態方面制定協同機制,突破原有的地方本位思想,找到京津冀地區的利益共同點,實現各地的協作對接,提高區域經濟粘性,建立責任與利益對等的規章制度,最終實現京津冀區域內合理的利益分享格局。②分別針對技術、產業和生態環境展開研究。就技術創新而言,津冀兩地技術創新產業結構轉型升級和生態環境的促進作用不明顯。盡管北京市技術創新實力遠高于津冀,但北京對區域內部的技術轉移與擴散效應不樂觀。因此,北京要注重對津冀的技術轉移、擴散效應。通過共建科技創新平臺,將北京的新技術、新產品在津、冀兩地共享。天津與河北要積極向外尋求技術創新資源,向內培養創新環境,強化基礎研究能力,搭建產學研合作平臺,強化創新產品。③就產業而言,在京津冀一體化發展政策的產業轉移和承接過程中,要制定適當的補貼和稅收政策,建立多方位補償機制。京津冀各地在結合自身資源、要素特征實現差異化發展時,應明確責任與利益分配制度。只有建立責任與利益對等的規章制度,才能保證產業協同的持續動力。關注京津冀產業集聚和新興產業聯盟,以集聚效應和企業集體行動促進企業間的貿易和技術交流。抓好中國2025制造與雄安新區建立的契機,配套優惠政策,積極吸引高科技人才、引進并積極發展智能制造等創新驅動產業,促進工業向中高端邁進;促進當地清潔能源、綠色技術行業發展,推動當地經濟由資源要素驅動向創新要素驅動模式轉型。④就生態環境而言,技術創新和產業結構的良好發展有利于提高生態環境質量。制定針對性的生態補償制度,加大財政轉移支付資金不可或缺。政府要樹立邊際效益思維,通過市場機制,權衡污染防治投入與效益,以探求長效環境治理機制為目標。更重要的是TIE系統的協調發展不是系統內要素的平均化,而應關注當地環境資源的特征和技術的互補性,尤其是津冀兩地要加快提高技術創新競爭力,通過打造科技創新鏈,推動經濟可持續發展。