山東省工業生態系統多樣性

劉 曄,李 楊,石 磊

清華大學環境學院國家環境模擬與污染控制聯合重點實驗室, 北京 100084

工業多樣性是工業生態學的一個重要研究領域[1- 4],也是工業生態化的重要決策支持,近年來受到越來越多的關注。自1930年首次提出以來[5],工業多樣性的概念一直不斷深化,其表征指數和計算方法也隨之發展[6]。據不完全文獻統計,工業多樣性指數有多達15種,每一種指數所反映的工業生態系統過程其視角或側重點各不相同,且存在一定的互補作用[6]。

區域差異是工業發展過程中不可避免的經濟現象[7]。隨著時間的積累,區域工業發展差異反映在空間上[8],表現為工業多樣性的差異。工業多樣性受多個尺度因素的影響,包括企業尺度、產業尺度、區域尺度,甚至國家和全球經濟尺度,這些因素相互作用,共同影響工業多樣性的分布格局。區域規模[9]、產業結構[10-11]、市場結構[12-13]是3個最常見的因素,此外還有收入水平[14]、要素狀況、基礎設施等。而具有更高工業多樣性的地區可以獲得更穩定的經濟增長和更低的失業率,許多研究支持這個假說,認為提高工業多樣性可以降低區域經濟的不穩定性[15]。

中國作為世界工廠,現在是世界上制造業產量最大的國家。中國工業發展的空間格局引起了經濟地理學學者的廣泛關注。正如我們所知,中國工業的發展并不是均勻分布,工業的空間格局一直在變化[16-19],自20世紀70年代末實行改革開放政策以來,中國經歷了顯著的工業化進程。中國工業的區域差異一直是地理學研究的熱點,也是區域經濟學研究的核心問題。中國的工業分布空間變化受到土地成本、需求變化和環境成本的影響[20- 21],而地方政府的產業政策并不是萬能的,需要依賴城市的產業基礎和資源稟賦等其他因素的共同作用[22]。已有研究表明傳統經濟地理因素、新經濟地理因素和政策因素共同決定了我國的工業分布[23],不同工業存在顯著不同的空間分布特點,空間格局的影響因素差異較大[24],對于其探討也在不斷深入[24- 27]。不同空間尺度,影響工業地理格局的機制也存在差異[28]。將ESDA(Exploratory Spatial Data Analysis,探索空間數據分析)方法引入到工業格局分析中,可以發現工業的空間集群和空間分異,揭示不同區域間的空間相互作用機制[17]。

黨的十九大報告指出,中國特色社會主義進入新時代,我國社會主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分發展之間的矛盾[29]。改革開放以來,我國整體經濟實力不斷增強,但在發展過程中,經濟發展不平衡不充分問題日益凸顯。山東省是我國東部沿海經濟大省,GDP 位列全國排名第三,但是省內不同區域工業發展水平有著明顯的差異[30],存在著工業結構不完善、自主創新能力不足和節能減排壓力大等問題。對山東省工業發展的研究,是中國工業發展一個很好的實踐案例。本研究以山東省140個縣級行政單位2010年的四位碼產業類型工業總產值和企業個數為統計單位,選擇13個工業多樣性指標,對結果綜合比較,分析山東省工業生態系統多樣性的空間分布格局;基于工業多樣性指標,采用探索性空間數據分析方法,分析其空間關聯性,評估空間自相關是否有穩定性, 探討山東省工業發展過程中的區域差異。以期為山東省工業平衡、充分發展提供理論指導,為當前中國工業結構調整和空間優化布局的政策制定和企業的戰略選擇提供實踐支持。

1 數據和方法

1.1 數據說明

本文依據《中國工業企業數據庫》,整理了山東省140個縣級行政單位2010年的各產業類型工業總產值數據及企業個數,包括39個二位碼類型、504個四位碼類型。表1對山東省39個二位碼產業按行業總產值從高到低進行排序,選擇排名前10的重點行業,并統計各產業類型的行業分布(縣域個數)和企業個數。

表1 2010年山東省二位碼產業的統計

1.2 工業多樣性指數分析

研究選擇了13個工業多樣性指數,包括直接從生物多樣性指數移植過來的4個指數,和根據特定目的專門構造出來的9個指數。

1.2.1根據特定目的專門構造出來的指數

利用各行業工業總產值數據計算各個縣級單位的工業多樣性指數,包括赫芬達爾-赫希曼指數(Herfindhl-Hirschman index)[31]、圓拱指數(Ogive Index)[32]、國家平均指數(National Averages Index)[33]、郡相似性指數(County Similarity Index,CS-Index)[3]、克魯格曼相似性指數(Krugman Similarity Index)[34-35],和熵指數(Entropy Index)[36],分為相關多樣性和不相關多樣性(related variety, unrelated variety)[37-38]。具體指標說明和計算方法參見劉曄等[6]。

1.2.2直接從生物多樣性指數移植過來的工業多樣性指數

利用各行業的企業個數計算工業多樣性指數,包括Simpson多樣性指數[39]、Shannon-Wiener指數[40]、Pielou均勻度指數[41]、物種豐富度指數(Richness Index,S)。

(1)物種豐富度指數是對一個群落中所有實際物種數目的測量。

(2)物種多樣性指數,包括Simpson多樣性指數、Shannon-Wiener指數。

Simpson多樣性指數：指數越大,屬于同一物種的概率越低,多樣性越高

Shannon-Wiener指數：指數愈大,群落所含的信息量愈大,多樣性也越高。

Pi表示整個生態系統總體中第i種個體的比例。

(3)群落的均勻度指數：主要是Pielou均勻度指數。

1.3 空間關聯性分析

許多地理實體間總是存在一定的空間關聯性,而地理空間相關性主要表現在地理空間的自相關。通常,空間自相關使用全局指標和局部指標來度量[42]。全局指標反映研究區域內相似屬性值的平均集聚程度,而局部指標反映這些集聚區的具體地理分布。

本文采用ArcGIS生成山東省的140個縣級行政單位的shp文件,使用GeoDA建立基于空間鄰接關系(具有公共邊界)的權重矩陣,生成權重文件。

全局空間自相關指標Moran′sI指數,公式如下：

局域空間自相關指數(Local Indicators of spatial association,LISA)[43],公式如下：

式中,I為Moran指數,xi為區域i的屬性觀測值。使用 GeoDA軟件,采用蒙特卡羅模擬的方法來檢驗 Moran′ sI是否顯著,重復999次。

2 工業多樣性分析

依據13個多樣性指標計算結果(圖1),對山東省140個縣級行政單位的工業多樣性從高到低排序,序數從1—140,選取多樣性最高的20個縣,如表2所示,其中有9個指標認為德州市德城區工業多樣性高,8個指標認為青島市膠州市、威海市文登市、煙臺市蓬萊市工業多樣性高,7個指標認為濟南市歷城區、濟寧市曲阜市、青島市膠南市、棗莊市滕州市工業多樣性高,6個指標認為濟南市章丘市、青島市城陽區、青島市黃島區、青島市平度市、威海市乳山市、煙臺市福山區、淄博市張店區工業多樣性高,5個指標認為臨沂市河東區、濰坊市青州市、淄博市桓臺縣、淄博市周村區工業多樣性高,4個指標認為青島市即墨市、青島市萊西市、泰安市岱岳區、濰坊市奎文區工業多樣性高。另有3個指標認為18個縣級行政單位工業多樣性高,2個指標認為18個縣級行政單位工業多樣性高,1個指標認為31個縣級行政單位工業多樣性高。

研究結果表明,山東省工業多樣性較高的20個縣所屬市,分別位于膠東半島高端制造業聚集區(青島市、煙臺市、威海市、濰坊市)、 黃河三角洲高效生態制造業聚集區(淄博市、煙臺市、濰坊市、德州市)、 魯南經濟帶(臨沂市、棗莊市、濟寧市)和濟南城市圈高新技術產業帶(濟南市、淄博市)這四個山東省的工業增長極,尤以膠東半島的工業發展最為突出。這些縣域較高的工業多樣性,與優越的自然資源條件[43]、地區經濟的快速發展[44]、國家宏觀政策和地區政策的引導和調控[45- 46],以及經濟全球化等因素密不可分。縣域內較高的工業多樣性,使得各產業可以相互彌補,消除產品的需求波動,更好地抵抗經濟風險,確保經濟穩定發展[15]。而競爭性的市場環境[24,47]、便利的交通通訊基礎設施建設[24,48]有助于吸引更多的產業,幫助縣域保持較高的工業多樣性。

圖1 2010年山東省縣級行政單位工業多樣性的空間分布Fig.1 The spatial distribution pattern of industrial diversity in Shandong Province in 2010

3 空間關聯性分析

依據基于13個多樣性指標的全局空間自相關指標Moran′s I指數分析山東省2010年的工業多樣性的空間分布格局(表3),結果顯示10個指標認為山東省工業多樣性格局表現為顯著地空間正相關,即工業多樣性為空間集聚分布;另外3個指標Ogive Index(p=2)、National Averages Index(p=1)、Krugman Similarity Index認以上分析表明,山東省縣域工業企業整體上呈現聚集分布的特征,區域工業的發展受相關區域的影響。在空間上表現為①高-高分布的縣域在山東省東北部沿海地區集聚,分布在膠東半島高端制造業聚集區(縣所屬市為青島市、煙臺市、威海市)、黃河三角洲高效生態制造業聚集區(縣所屬市為淄博市、煙臺市),和濟南城市圈高新技術產業帶(縣所屬市為濟南市、泰安市、淄博市),是山東省工業分布和發展的核心區,這些地區產業基礎好、科研力量強、海洋資源豐富、經濟外向度高。②低-低分布的縣域在山東省的北部集聚,分布在膠東半島高端制造業聚集區(縣所屬市為青島市)、黃河三角洲高效生態制造業聚集區(縣所屬市為東營市、濱州市)、魯南經濟帶(縣所屬市為棗莊市)和濟南城市圈高新技術產業帶(縣所屬市為濱州市),是山東省工業分布和發展的欠發達地區,這與縣域的功能定位有關,比如青島市市南區是青島市的政治中心和政府所在地。③低-高分布和高-低分布均位于魯南經濟帶(縣所屬市為日照市、棗莊市、菏澤市),是山東省工業發展不均衡的地區,魯南經濟帶工業發展水平明顯弱于其他3個區域,這與魯南地區經濟總量偏小,工業化、城市化水平不高,經濟外向度偏低有關;其中,日照市五蓮縣的低-高分布,可能是由于五蓮縣為生態敏感區,丘陵地貌,地勢起伏大、平原面積小,交通不便,很難發展大規模的經濟。

表2 2010年山東省工業多樣性最高的20個縣級行政單位

p是常數;A青島市膠州市;B威海市文登市;C煙臺市蓬萊市;D泰安市東平縣;E濟寧市曲阜市;F威海市乳山市;G棗莊市滕州市;H臨沂市河東區;I。濟南市長清區;J濰坊市臨朐縣;K青島市膠南市;L,濟寧市汶上縣;M青島市平度市;N淄博市周村區;O濟南市濟陽縣;P日照市東港區;Q菏澤市牡丹區;R德州市德城區;S泰安市肥城市;T煙臺市龍口市;U棗莊市臺兒莊區;V德州市慶云縣;W棗莊市山亭區;X棗莊市嶧城區;Y菏澤市定陶縣;Z淄博市高青縣;AA菏澤市單縣;AB臨沂市蒙陰縣;AC濱州市陽信縣;AD聊城市莘縣;AE濟南市平陰縣;AF煙臺市牟平區;AG煙臺市長島縣;AH日照市莒縣;AI濟南市市中區;AJ萊蕪市鋼城區;AK濟寧市鄒城市;AL菏澤市東明縣;AM淄博市臨淄區;AN濱州市鄒平縣;AO萊蕪市萊城區;AP濟南市天橋區;AQ東營市東營區;AR煙臺市福山區;AS青島市李滄區;AT濰坊市奎文區;AU濟南市歷城區;AV棗莊市薛城區;AW臨沂市羅莊區;AX東營市廣饒縣;AY德州市夏津縣;AZ濰坊市壽光市;BA濱州市博興縣;BB青島市市南區;BC德州市齊河縣;BD菏澤市巨野縣;BE棗莊市市中區;BF淄博市桓臺縣;BG德州市臨邑縣;BH濰坊市昌邑市;BI聊城市東昌府區;BJ青島市黃島區;BK泰安市新泰市;BL淄博市張店區;BM青島市萊西市;BN青島市城陽區;BO濰坊市青州市;BP濟南市章丘市;BQ淄博市博山區;BR淄博市淄川區;BS威海市榮成市;BT青島市即墨市;BU濰坊市諸城市;BV煙臺市萊州市;BW威海市環翠區;BX濰坊市濰城區;BY泰安市寧陽縣;BZ泰安市岱岳區;CA濱州市沾化縣;CB濟南市商河縣;CC濟寧市兗州市;CD煙臺市芝罘區;CE濟寧市任城區;CF濰坊市呂樂縣;CG青島市嶗山區;CH濟南市槐蔭區;CI臨沂市蘭山區;CI青島市四方區;CK青島市市北區;CL濟寧市市中區依據基于13個多樣性指標的Moran顯著性水平圖,統計大于等于4個指標支持的山東省2010年工業多樣性的局部空間分布格局(圖2),共27個縣,24個縣為空間正相關,3個縣為空間負相關。其中15個縣為高-高分布(青島市黃島區、青島市膠州市、泰安市肥城市、濟南市平陰縣、青島市膠南市、淄博市淄川區、淄博市周村區、威海市榮成市、青島市城陽區、青島市即墨市、青島市平度市、淄博市張店區、淄博市臨淄區、煙臺市牟平區、泰安市岱岳區),表明這15個縣是山東省工業分布和發展的核心區,與周邊縣的工業多樣性空間差異較小,工業呈現高-高聚集發展;9個縣為低-低分布(青島市市南區、青島市市北區、棗莊市市中區、東營市東營區、濱州市濱城區、濱州市陽信縣、棗莊市嶧城區、濱州市惠民縣、濱州市沾化縣),表明這9個縣是山東省工業發展的欠發達地區,與周邊縣的工業多樣性空間差異較小,工業呈現低-低聚集;僅日照市五蓮縣1縣為低-高分布,菏澤市牡丹區、棗莊市滕州市2縣為高-低分布,說明這3個縣分別是山東省工業發展不均衡的地區,與周邊縣的工業多樣性空間差異較大。

表3 2010年山東省工業多樣性指標的全局空間自相關性

為山東省工業多樣性沒有顯著的空間格局,傾向于隨機分布。

圖2 2010年山東省工業多樣性指標的Moran顯著性水平圖Fig.2 The local indicator of spatial association clusters of industrial diversity in Shandong Province in 2010

工業多樣性高的縣域,其集聚分布可以促進經濟規模的增加,提升區域的競爭力,促進區域經濟的增長[49- 51];工業多樣性沒有顯著集聚分布的地區,可以結合自身區域優勢,促進產業的集聚,利用產業集聚的正外部性,促進區域經濟的增長[24];同時還要注意相關基礎設施和配套政策的制定和實施,降低負外部性對區域產業發展的影響[52]。

雖然周圍縣域的發展對該縣域經濟的增長具有推動作用,但縣域內部的工業集聚對縣域經濟增長則有負面影響[53],在工業多樣性較高的縣域,需要進行產業結構的優化調整。此外產業的集中分布與污染強度具有顯著的正相關性[54],在工業多樣性較高縣域的產業組成優化中要注意高能耗、高污染產業轉移;同時由于地區的人均GDP與環境規制嚴格度高度相關[55],在工業發展的欠發達地區,在吸引產業集聚的同時,要避免成為新的污染避難所。

4 結論

本文以2010年山東省縣域尺度為樣本,分析了工業生態系統多樣性的空間分布格局,采用探索性空間數據分析方法解析區域之間工業多樣性的空間關聯。結論如下：

第一,工業多樣性高的縣分布在青島市、淄博市、煙臺市、濰坊市、威海市、濟南市、德州市、濟寧市、臨沂市、泰安市、棗莊市等11個地級市,分別位于膠東半島高端制造業聚集區、 黃河三角洲高效生態制造業聚集區、 魯南經濟帶和濟南城市圈高新技術產業帶這4個山東省的產業增長極,產業組成種類豐富,抵抗經濟風險能力強,是山東省經濟發展較穩定的地區。

第二,各縣之間工業多樣性格局整體上表現為顯著正相關的空間格局,山東省縣域工業企業整體上呈現聚集分布的特征,區域工業的發展受相關區域的影響。其中①高-高分布的縣15個,為山東省工業發展的核心區,分布在青島市、淄博市、泰安市、濟南市、威海市、煙臺市,分別位于膠東半島高端制造業聚集區、黃河三角洲高效生態制造業聚集區和濟南城市圈高新技術產業帶,可利用規模經濟優勢,吸引更多的產業集聚,推動工業持續發展;②低-低分布的縣9個,為山東省工業發展的洼地,分布在濱州市、青島市、棗莊市、東營市,分別位于膠東半島高端制造業聚集區、 黃河三角洲高效生態制造業聚集區、 魯南經濟帶和濟南城市圈高新技術產業帶,作為各市的政治中心,可在保證居民居住環境和城市建設品質的基礎上合理發展工業企業;③僅有3個縣為負相關的空間格局,為山東省工業發展不均衡地區,低-高分布僅在日照市,高-低分布在菏澤市、棗莊市,均位于魯南經濟帶,這一地區地形復雜多樣,可根據不同的地形特點科學布局,充分發掘優勢因素,促進落后地區的工業發展。

中國的工業發展普遍存在不平衡不充分的問題,山東省工業多樣性分布的空間差異表明山東省的工業發展也存在這一問題。山東省工業多樣性的差異分布與本區自然資源條件、地區的產業基礎、經濟發展水平、勞動力、外商投資等密切相關。山東省的工業發展,應大力實施區域帶動戰略,保持發達地區的競爭力,加快落后地區的開發,促進經濟協調發展,充分考慮不同區域物質資源、勞動力密集度、知識密集度、外商資本、產業基礎等條件的差異,科學規劃產業布局,通過產業結構的優化和升級,降低環境污染,促進山東省的工業生態化發展。