黃河流域高技術產業科技創新與生態環境耦合協調研究

馮俊華，王 倩，鄭廣文

（陜西科技大學 經濟與管理學院，陜西 西安 710021）

高技術產業發展對人類經濟社會和生態環境等具有巨大影響，而科技創新是當前突破產業發展瓶頸的動力源泉，探索高技術產業科技創新與生態環境的內在聯系可為破解黃河流域協調發展難題、助推黃河流域高質量發展提供思路。 關于科技創新與生態環境的定性及定量研究成果頗豐［1-13］，但關于黃河流域高技術產業科技創新與生態環境交互影響機理及耦合關系的研究尚有缺失。 因此，筆者依據黃河流域的實際情況和高技術產業科技創新與生態環境交互影響機理構建耦合協調評價指標體系，測度黃河流域各省份2005—2019年高技術產業科技創新與生態環境的耦合協調狀況，并借助莫蘭指數、基尼系數、核密度曲線等對其進行時空聯系分析，以期為黃河流域高質量發展提供理論依據和參考。

1 研究方法

1.1 評價指標體系構建

高技術產業科技創新與生態環境交互影響機理見圖1。 生態環境是高技術產業科技創新的催化劑：第一，為高技術產業提供水、土地等物質基礎及良好的生產環境；第二，促使人才、資金及企業集聚，并推進招商引資工作，進而實現原技術改造及新技術吸收，提高科技創新水平與綜合競爭力；第三，倒逼高技術產業科技創新，隨民眾環保意識增強及對綠色產品與環境舒適度的強烈需求，政府通過收取高額排污費、大力整改高能耗企業，迫使企業引進新技術、提高資源利用率和產品質量。 高技術產業科技創新對生態環境有多方面影響：第一，通過科技創新減少資源消耗量、提高能量傳遞及利用效率，催生眾多新技術及環保產品，增強生態環境承載力與經濟價值；第二，為生態環境保護提供技術支持、助力經濟結構轉型升級，發展節能環保與新能源產業，促使產業向綠色低碳發展、向集約型轉變進而實現循環經濟與綠色發展；第三，通過科技創新轉變民眾思維，運用新技術進行環境狀況監測和可視化表達，使民眾強化科技環保意識等。 為實現高質量發展，高技術產業科技創新與生態環境應均衡發展。

圖1 高技術產業科技創新與生態環境交互影響機理

基于高技術產業科技創新與生態環境交互影響機理分析和系統思維（把高技術產業科技創新與生態環境作為兩個系統），結合文獻研究法、詞頻統計法，遵循指標的可獲取性等原則并考慮指標縱橫向的匹配性［14-16］，構建高技術產業科技創新與生態環境耦合協調評價指標體系。 對于高技術產業科技創新系統，從投入、產出視角（準則層）設置10 個指標；對于生態環境系統，按照壓力、狀態、響應3 個方面（準則層）設置16 個指標，其中壓力方面的指標反映資源消耗及其對生態環境的負面影響、狀態方面的指標反映生態環境承載力和自我調節水平、響應方面的指標表征各類生態環境保護措施等（見表1）。 各指標數據源于2005—2019年《中國高技術產業統計年鑒》《中國環境統計年鑒》及各省份統計年鑒等，對部分缺失數據采用前后均值法或線性插值法補缺。 指標權重采用熵值法確定。

表1 高技術產業科技創新與生態環境耦合協調評價指標體系

1.2 耦合協調測度

（1）綜合發展指數。 高技術產業科技創新綜合發展指數、生態環境綜合發展指數計算公式如下：

式中：UT為高技術產業科技創新綜合發展指數；wTi、xTi分別為高技術產業科技創新系統第i個指標的權重、歸一化指標值；nT為高技術產業科技創新系統的指標個數；UE為生態環境綜合發展指數；wEi、xEi分別為生態環境系統第i個指標的權重、歸一化指標值；nE為生態環境系統的指標個數。

依據兩個系統綜合發展指數UT、UE的大小分別對高技術產業科技創新、生態環境綜合發展水平進行等級劃分，劃分標準見表2。 依據UT與UE的大小對比，劃分高技術產業科技創新、生態環境兩系統關系的基本類型：UT＞UE為生態環境滯后型，UT=UE為同步發展型，UT＜UE為高技術產業科技創新滯后型。

表2 綜合發展水平等級劃分標準

（2）耦合協調度。 物理學中的耦合概念是指雙系統或多系統互相作用產生交互關系的密切程度，被廣泛用于社會經濟學研究。 采用耦合度反映高技術產業科技創新與生態環境兩系統間的相互影響強度，計算公式如下：

例如，教師在給學生講解《鯨》的課文內容時，教師可以為學生制作多媒體動畫，讓學生欣賞鯨魚的進化過程，了解更多的科學知識。教師再引導學生學習鯨魚不是魚的原因，啟發學生進行學習和思考。然后，教師可以讓學生簡單概括鯨魚的特點，然后再為學生擬定標題，讓學生練習寫科普類的作文，從而發展學生的科學修養，鍛煉學生的寫作能力。

耦合度值域為［0，1］，其值越大表示兩系統耦合度越高。 耦合度無法區分高水平與低水平耦合，且不能凸顯系統整體發展程度，因此引入耦合協調度，計算公式如下：

式中：a、b為反映兩系統重要性的系數，考慮到高技術產業科技創新與生態環境兩系統同等重要，因此取a=b=0.5。

依據高技術產業科技創新與生態環境耦合協調度D值的大小對耦合協調狀態進行分類，分類標準見表3。

表3 耦合協調狀態分類標準

1.3 耦合協調度時空聯系分析

（1）全局莫蘭指數。 利用全局莫蘭指數判定耦合協調度是否存在空間（省份間）相關性，計算公式如下：

式中：I為全局莫蘭指數，其值域為［-1，1］，越趨近1表明空間正相關度越高、省份間聯系越密切，越趨近-1表明空間負相關度越高、省份間聯系越不密切，等于0 表明空間不相關、省份間無聯系；n為省份數，本研究n=9；i、j為省份序號；wij為i、j兩省份的鄰接權重（即空間鄰接權重矩陣的元素，i、j兩省份相鄰時取1，否則取0）；Di、Dj分別為省份i、j的耦合協調度；為各省份耦合協調度均值。

（2）基尼系數。 基尼系數用于判斷區域間相對差異及其主要來源，計算公式如下：

式中：G為總體基尼系數，反映耦合協調度區域間整體差異，其值越大表明區域間差異越大，G可分解為區域內差異（Gw）、區域間差異（Gnb）和超變密度（Gt），區域內基尼系數、區域間基尼系數、超變密度計算方法與總體基尼系數計算方法類似［17］；k為區域數量，本研究把黃河流域分為上游（包括內蒙古、四川、甘肅、青海、寧夏5 個省份）、中游（包括山西、陜西2 個省份）、下游（包括山東、河南2 個省份）3 個區域；j、h為區域編號；nj、nh分別為區域j、h內的省份數；i、r分別為區域j、h內的省份編號；Dji為區域j內省份i的耦合協調度；Dhr為區域h內省份r的耦合協調度。

（3）核密度估計。 對高技術產業科技創新與生態環境耦合協調度進行非參數核密度估計［18］并繪制核密度曲線，根據核密度曲線的峰值及延展性等，分析高技術產業科技創新與生態環境耦合協調度的空間差異和動態演變趨勢。

2 結果與分析

2.1 綜合發展水平

圖2 各省份2005年和2019年高技術產業科技創新綜合發展指數

圖3 各省份2005年和2019年生態環境綜合發展指數

由圖2、表2可知，位于東南部的四川、陜西、河南及山東4 個省份高技術產業科技創新綜合發展水平2005年和2019年均為中等及以上，其中四川由2005年的較高躍升至2019年的優質、陜西在研究期內始終為較高、河南由中等升至較高、山東始終為優質，而位于西北部的青海、甘肅、寧夏、內蒙古、山西5 個省份則始終為低等。 各省份高技術產業科技創新綜合發展指數極差2005年為0.87、2019年為0.85，說明各省份高技術產業科技創新綜合發展水平差距逐漸縮小且整體呈向好態勢。

由圖3、表2可知，2005—2019年僅青海和寧夏2個省份生態環境綜合發展水平發生了變化，其他省份保持不變，其中：青海生態環境綜合發展水平從高等回落至較高（綜合發展指數由2005年的0.64 降至2019年的0.52，在九省份中降幅最大），寧夏生態環境綜合發展水平從中等升至較高（綜合發展指數由2005年的0.39提升至2019年的0.43），山西始終保持中等水平，其他六省份保持較高水平。 各省份生態環境綜合發展指數極差2005年、2019年分別為0.27、0.20，說明黃河流域各省份生態環境綜合發展水平差異逐漸縮小。

把各省份高技術產業科技創新、生態環境兩系統綜合發展指數平均值分別作為黃河流域整體綜合發展指數，其逐年變化情況見圖4。 由圖4可知，2005—2019年黃河流域高技術產業科技創新綜合發展指數始終小于生態環境綜合發展指數，兩系統的關系屬于高技術產業科技創新滯后型。 2005—2019年，黃河流域高技術產業科技創新綜合發展指數為0.31 ～0.39，呈波動上升趨勢，由中等水平逼近較高水平；生態環境綜合發展指數為0.45 ～0.53，也呈波動上升趨勢，一直維持較高水平。 高技術產業科技創新綜合發展指數與生態環境綜合發展指數的差值2005年、2019年分別為0.15、0.10，表明隨時間推移兩系統綜合發展水平的差異趨于縮小并呈向好態勢。

圖4 各省份平均發展指數逐年變化情況

2.2 耦合協調度

依據上述公式計算典型年份高技術產業科技創新與生態環境耦合協調度，結果見表4；采用ArcGIS10.3對各省份耦合協調度進行可視化展示，見圖5。 由表3、表4、圖5可知：2005年，山西、內蒙古、寧夏3 個省份耦合協調狀態為瀕臨失調，其他省份處于勉強協調、中等協調或良好協調狀態；2009年，河南耦合協調狀態從2005年勉強協調變為初級協調，甘肅與青海從勉強協調變為瀕臨失調，陜西從中等協調變為初級協調，其他省份耦合協調狀態沒有變化；2013年，山西和內蒙古由2009年的瀕臨失調變為勉強協調，其他省份耦合協調類型沒有變化；2019年，內蒙古由2013年的勉強協調變為瀕臨失調，河南由初級協調變為中等協調，四川由中等協調變為良好協調，其他省份耦合協調狀態沒有變化。

表4 典型年份耦合協調度計算結果

圖5 各省份典型年份高技術產業科技創新與生態環境耦合協調度可視化展示

2005—2019年，山東耦合協調度始終高于0.83、保持良好協調狀態，是黃河流域高技術產業科技創新與生態環境耦合協調的標桿省份；研究時段內山西、山東、河南、四川、寧夏耦合協調度波動增長（其中河南耦合協調度增幅最大，其耦合協調狀態從2005年勉強協調躍升至中等協調，表明河南兩系統綜合發展水平同步提升），內蒙古、陜西、甘肅、青海耦合協調度呈下降趨勢（其中青海降幅最大，原因是青海生態環境綜合發展水平降幅較大）。 2005年各省份間耦合協調度極差（最高的山東與最低的寧夏之差）為0.371，到2019年極差擴大至0.391，說明各省份間耦合協調度差異顯著，存在兩極分化問題。 2005—2019年各省份耦合協調度均值（流域均值）從2005年0.587 提高至2019年0.616，表明黃河流域高技術產業科技創新與生態環境耦合協調狀態整體上趨于優化向好，從勉強協調邁向初級協調。 對比上、中、下游耦合協調度均值發現，下游耦合協調度（0.716 ～0.806）＞中游耦合協調度（0.584～0.601）＞上游耦合協調度（0.532 ～0.546），唯有下游耦合協調度高于流域總體均值，說明黃河下游兩系統的綜合發展水平均相對較高，原因是下游更接近我國東部經濟發達省份，高技術產業科技創新水平相對來說比中上游的高。

2.3 耦合協調度時空聯系

（1）全局莫蘭指數。 2005—2019年各省份耦合協調度的全局莫蘭指數見表5。 由表5可知，研究時段內各省份耦合協調度的全局莫蘭指數保持正值且呈波動上升趨勢，由2005年的0.010 增長至2019年的0.213，說明鄰近省份間存在正向聯系，即一個省份耦合協調度提高有利于相鄰省份提高耦合協調度，隨著時間推移各省份間聯系持續增強。

表5 2005—2019年全局莫蘭指數計算結果

（2）基尼系數。 依據各省份高技術產業科技創新與生態環境耦合協調度計算的黃河流域總體基尼系數G及其分解的上中下游各區域內差異（Gw）、區域間差異（Gnb）、超變密度（Gt）以及各區域間基尼系數見表6。

由表6可知，黃河流域總體基尼系數呈波動增長趨勢，說明高技術產業科技創新與生態環境耦合協調度區域間差異呈增大態勢。 從總體基尼系數分解結果看，2005—2019年區域間差異為0.058 ～0.079，區域內差異為0.030 ～0.036，超變密度為0.015 ～0.029，表明區域間差異是總體差異的主要來源，且區域間差異的貢獻呈增大趨勢，因此縮小區域間差異是完善空間協調聯動機制、實現協調發展的重要路徑。

由表6 中區域間基尼系數可知，2005—2019年區域間基尼系數始終保持上-下＞中-下＞上-中，其中上-下基尼系數增長趨勢明顯，原因是下游省份經濟基礎相對扎實而上游省份資源利用相對落后，導致區域間非均衡發展問題突出、差異持續擴大，因此縮小區域間差異是實現黃河流域協調發展亟待解決的問題。

（3）核密度估計。 依據耦合協調度非參數核密度估計結果，選取5 個典型年份繪制耦合協調度核密度曲線，見圖6。

由圖6（a）可知：2005年流域總體耦合協調度核密度曲線主峰最高且呈延展性拓寬、右拖尾較長，說明2005年各省份耦合協調度絕對差異較小；2009年、2013年及2017年核密度曲線變化趨勢一致，與2005年相比跨度明顯變小，即各省份耦合協調度分散性減弱；2019年核密度曲線主峰高度明顯下降且出現側峰，右拖尾較長情況有所緩解，表明各省份耦合協調度呈兩極分化趨勢但差距縮小，耦合協調狀態趨于向好。

由圖6（b）可知：2005年上游耦合協調度核密度（較中下游核密度大1 個數量級，原因可能是上游省份較多且各省份耦合協調度差異較小）曲線未形成明顯主峰，2009年核密度曲線存在明顯主峰和右拖尾現象，說明上游省份不協調問題顯著；2013年和2017年核密度曲線接近重合，跨度變小、主峰下降且右移，說明上游省份耦合協調差距有所減小；2019年核密度曲線主峰變高且右拖尾問題突出，說明上游省份耦合協調度絕對差異急速縮小但不協調問題仍然突出。

由圖6（c）、（d）可知：各年份中、下游耦合協調度核密度曲線類似，2005年核密度曲線與橫軸基本平行、跨度較大，2009年核密度曲線形成主峰、跨度減小，隨著時間推移峰值升高，說明區域內各省份間耦合協調度絕對差異變小。

3 結論及建議

3.1 結論

基于高技術產業科技創新與生態環境交互機理構建評價指標體系，測算2005—2019年黃河流域各省份兩系統綜合發展水平及兩系統耦合協調度，借助莫蘭指數、基尼系數與核密度曲線分析耦合協調度時空聯系及演變規律，得出以下結論。

（1）黃河流域各省份高技術產業科技創新與生態環境兩系統的關系均為高技術產業科技創新滯后型，研究時段內兩系統綜合發展水平的差異持續縮小并呈向好態勢。

（2）黃河流域高技術產業科技創新與生態環境耦合協調狀態整體上趨于優化向好，從2005年勉強協調變為2019年初級協調，但不同年份各省份耦合協調度差異顯著，山西、山東、河南、四川、寧夏5 個省份耦合協調度呈增長趨勢，而內蒙古、陜西、甘肅、青海4 個省份呈下降態勢，上、中、下游省份的耦合協調度大小為下游＞中游＞上游。

（3）黃河流域各省份耦合協調度存在正向聯系，即一個省份耦合協調度的提高有利于相鄰省份提高耦合協調度；隨著時間推移，上、中、下游各區域內省份間耦合協調度絕對差異變小，但區域間尤其上下游間耦合協調度差異顯著、呈兩極分化趨勢。

3.2 建 議

（1）增強科技創新能力，提升生態環境質量。 通過技術轉移等措施發揮創新型產業及綠色可持續發展產業優勢，構建科技聯盟并推動節能環保型高技術企業發展，促成發明專利及綠色創新產品的誕生；引導民眾對創新與環境的關注，增強創新思維與環保意識，提高高技術產業科技創新能力與生態環境質量。

（2）發揮資源稟賦優勢，提升高技術產業科技創新與生態環境耦合協調度。 下游省份應利用靠近東部發達省份的優勢、凸顯山東的增長極地位，發揮輻射帶動作用；中游省份應將旅游文化與經濟產業相結合，發展特色產業并建設文化產業帶和旅游經濟帶，助力現代服務業體系建設；上游省份應依托自然資源優勢，進行資源深加工及清潔能源建設，助力區域協調發展。

（3）強化區域間聯系，縮小發展差距。 鼓勵各省份間溝通交流合作并采取差異化戰略以避免惡性競爭，利用省份間的相互影響降低兩極分化程度、縮小區域間差異，其中縮小上下游地區間差異是縮小差異的關鍵著力點。