黃河流域科技創新水平測度及區域科技創新中心提升路徑

趙建吉，閆明濤，張明昊，周詩夢，王蓮蓮，王艷華

（河南大學黃河文明與可持續發展研究中心暨黃河文明協同創新中心，河南開封 475001）

2019 年習近平總書記在鄭州主持召開座談會，明確提出了黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略，指出黃河流域當前面臨著生態環境脆弱、發展質量亟待提升、水資源形勢嚴峻等問題。 基于此，學術界就如何實現黃河流域生態保護和高質量發展展開了研究和討論。 我國社會經濟發展已步入新常態，逐漸由資源消耗、固定資產投資、勞動力密集等傳統發展模式向綠色環保、創新驅動的高質量發展模式轉變［1］。 科技創新是社會經濟發展的第一生產力，能夠有效提高勞動生產率，減少污染物排放，促進產業結構升級，助力生態保護和經濟高質量發展［2］。 區域科技創新中心是指在特定區域內，科技創新資源密集、科技創新活動集中、科技創新成果顯著、科技創新輻射范圍大的城市或城市群［3］。 區域科技創新中心的建設就是培育區域創新增長極的過程，能夠在價值網格中發揮顯著增值作用并占據領導和支配地位，有效帶動周邊地區科技創新水平提升。 因此，黃河流域科技創新水平測度及創新中心提升路徑研究對實現黃河流域生態保護和高質量發展具有重要的理論意義與現實意義。

目前有關科技創新的研究已成為地理學和區域經濟學研究的熱點。 從研究內容來看，相關研究主要集中在科技創新的內涵解析［4］、理論探討［5-6］、提升路徑［7］、區域差異［2］、驅動因素［8］、耦合協調度［9］、網絡演化［10］、空間溢出效應［11］等方面。 從研究指標來看，國內大多數學者采用專利數據［12］、創新效率［13］、綜合指標體系［7］等對城市科技創新水平進行定量測度。從研究尺度來看，現有研究多從國家［14］、省級［15］、市級［1］、流域［16］等尺度對區域科技創新水平進行研究。綜上所述，學者們在科技創新理論、測度、時空演化、驅動因素等領域展開了多角度探討，但仍存在不足之處。首先，基于流域層面的科技創新研究多關注于長江流域，針對黃河流域的研究相對較少，且多基于單一指標進行評價研究，如薛寶琪［17］采用專利授權數據對黃河流域城市創新能力時空格局及影響因素進行了分析。因單一指標評價不夠全面，故本文在此基礎上建立了黃河流域科技創新綜合評價指標體系。 其次，現有研究多關注于科技創新城市發展，鮮有研究聚焦于區域科技創新中心提升路徑［1］。 我國“十四五”規劃提出，加快布局區域創新高地，支持有條件的地區建設區域科技創新中心。 因此，有必要對黃河流域科技創新中心提升路徑展開研究，以助力打造黃河流域區域創新增長極，加快推動黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略的實施。

基于此，本文首先建立黃河流域科技創新綜合評價指標體系，運用熵權TOPSIS 法對2011—2020 年黃河流域67 個地級市科技創新水平進行測度；其次運用核密度、空間自相關、相對發展率指數、標準差橢圓等方法對黃河流域科技創新水平時空演化進行分析；最后基于實證分析結果，識別黃河流域各省（區）科技創新中心城市，并提出黃河流域科技創新中心提升路徑。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究方法

1.1.1指標體系

借鑒相關科技創新評價指標體系［12，16，18］，采用基礎、投入、產出、貢獻4 個一級指標，依據數據的科學性、可獲取性和可量化性等原則，構建黃河流域科技創新綜合評價指標體系，見表1。 科技創新基礎是科技創新能力的有力支撐，為城市科技創新活動提供不可或缺的保障；科技創新投入是科技創新的力量源泉，為城市科技創新提供資金、科研機構等生產要素；科技創新產出是科技創新的核心，是以專利申請和授權量為主的知識產出；科技創新貢獻體現科技創新的最終目標，主要包括民生改善、產業升級和環境治理等方面的水平。

表1 黃河流域科技創新綜合評價指標體系

1.1.2熵權TOPSIS 法

熵權TOPSIS 法即通過熵值法確定城市科技創新評價指標的權重，利用TOPSIS 法逼近理想解，以確定城市科技創新的相對優劣程度，其實質是對傳統TOPSIS 法的改進［19］。

1）對原始數據進行極差標準化處理。 正向指標標準化公式：

負向指標標準化公式：

式中：Yij、Xij、Xjmax和Xjmin分別為第i個城市（城市共m個） 第j項指標（指標共n項） 的標準化值、原始值、最大值和最小值。

2） 確定指標權重Wj，其中

3） 構建加權規范化矩陣，Z ＝（Zij），其中

4） 確定最優解Z+和最劣解Z-：

5）計算各評價對象與最優解、最劣解的歐氏距離：

6）計算各評價對象與最優解的相對接近度：

式中：Ci為城市科技創新水平，Ci取值范圍為0～1，Ci值越大表明城市科技創新水平越高。

1.1.3核密度估計

核密度估計可通過核密度的分布位置、峰值、延展性等反映黃河流域科技創新水平的動態演變特征［20］：

式中：xi為第i個城市的科技創新水平值，x為黃河流域67 個城市科技創新水平的均值，h為帶寬，K為核密度函數。

1.1.4空間自相關

全局空間自相關分析是對研究對象屬性值在整個區域空間關聯特征的描述，通常使用莫蘭指數I進行測度［21］。 本文借助莫蘭指數判斷黃河流域科技創新水平的空間集聚特征。

式中：xp、xq分別為城市p、q的科技創新水平，Wpq為城市q、p的鄰接空間權重。

莫蘭指數的值域為［-1，1］，其絕對值越接近1，表明黃河流域科技創新水平空間相關性越強；等于0，則表明黃河流域科技創新水平呈隨機分布。

1.1.5NICH 指數

NICH 指數即相對發展率指數，可用于度量城市科技創新水平在某一段時期內相對于所有城市整體科技創新水平的發展速度［12］，其計算公式為

式中：xti和xri分別為第i個城市在某一時期的末期和初期的科技創新水平，xt和xr分別為末期和初期黃河流域所有城市整體的科技創新水平。

1.2 數據來源

選取2011—2020 年黃河流域67 個地級市作為研究對象，統計數據主要來源于2011—2020 年《中國城市統計年鑒》，部分數據來自于各城市的經濟和社會發展統計公報等。 PM2.5數據來源于達爾豪斯大學公布的全球PM2.5柵格數據（https：／／sites.wustl.edu／acag／datasets／surface-pm2-5）。 為了消除通貨膨脹的影響，在2011 年的基礎上，采用GDP 平減指數對物價相關變量進行調整。

2 黃河流域科技創新水平時空演化特征

2.1 黃河流域科技創新水平時間演化特征

基于熵權TOPSIS 法計算黃河流域67 個地級市的科技創新水平，借助Stata16.0 軟件對黃河流域科技創新水平進行核密度估計，見圖1。 從分布位置來看，整體上黃河流域科技創新水平的核密度曲線逐漸向右移動，表明研究期內黃河流域科技創新水平呈逐步提升趨勢，由2011 年的0.084 提升到2020 年的0.137。 從主峰的高度及寬度來看，黃河流域科技創新水平的核密度主峰峰值逐漸下降，寬度不斷縮窄，表明黃河流域的科技創新水平絕對差異逐漸縮小。 從分布形態來看，主峰位于左側，右側存在拖尾現象，表明黃河流域科技創新水平整體呈兩極分化格局，少數地區科技創新水平較高，多數地區科技創新水平較低。

圖1 黃河流域科技創新水平核密度估計

2.2 黃河流域科技創新水平空間演化特征

基于計算出的2011 年、2020 年黃河流域67 個城市的科技創新水平，運用ArcGIS 自然斷點法將黃河流域科技創新水平劃分為5 個等級，分別為低水平、較低水平、中水平、較高水平和高水平，各級分布情況見圖2。 整體上看，黃河流域科技創新水平存在顯著的空間分異特征，呈“塊狀”分布格局，中心城市輻射帶動范圍小，整體仍處于低水平和較低水平。 科技創新水平下游地區＞中游地區＞上游地區，可能原因是，相對于中上游地區，下游地區享受更多的國家政策傾斜，存在良好的創新基礎、經濟條件、人才儲備優勢等。 具體來看，2011 年黃河流域科技創新高水平城市有4 個，集中在黃河流域省會城市，按排名分別為濟南市、西安市、鄭州市和太原市。 較高水平城市有5 個，包括內蒙古自治區的呼和浩特市、鄂爾多斯市、包頭市，以及甘肅省蘭州市、山東省青島市。 中水平城市13 個，主要集中在黃河流域下游山東省和河南省。 較低水平城市33 個、低水平城市12 個，二者占比為67.164%，主要集中在上游和中游地區。 2020 年黃河流域科技創新高水平城市仍為4 個，排名與2011 年相比略有變動，分別為西安市、青島市、鄭州市和濟南市。 較高水平城市數量增加到6 個，空間上較高水平城市向下游擴散，主要集中于山東省。 中水平城市數量減少為10 個，空間上相對穩定，仍集中于下游地區。 低水平城市數量增加到26 個，較低水平城市數量減少到21 個，二者占比增加到70.149%，空間上低水平城市向上游地區擴散。

圖2 黃河流域科技創新水平空間分布

此外，為了更好地分析黃河流域科技創新水平的變化情況，計算2011—2020 年黃河流域67 個城市的NICH 指數，并依據ArcGIS 自然斷點法，將黃河流域科技創新水平增速劃分為高速增長、較高速增長、中速增長、低速增長和負增長5 個等級，各級分布見圖3。 從NICH 指數來看，2011—2020 年高速增長城市集中在中下游地區，按排名分別為青島市（0.102）、西安市（0.099）和鄭州市（0.068）。 較高速增長城市有9 個，中速增長城市有22 個，均集中在下游地區。 低速增長城市30 個，占比44.776%，主要分布在中上游地區。負增長城市3 個，分別為鄂爾多斯市（-0.024）、包頭市（-0.015）和呼和浩特市（-0.007），集中在上中游的內蒙古自治區。

圖3 2011—2020 年黃河流域NICH 指數分布

為更好地識別黃河流域科技創新水平空間演化特征，運用ArcGIS 軟件繪制黃河流域科技創新水平標準差橢圓，見表2、圖2。

表2 黃河流域科技創新水平標準差橢圓指標

從表2 可以看出，2011 年、2020 年重心位置均位于山西省長治市，2020 年重心向東南方向偏移。 方向角θ從2011 年的91.004°縮小到了2020 年的87.419°，表現為小幅度地逆時針旋轉，表明黃河流域科技創新水平在東北—西南方向上發展較快，分布格局上向東偏北方向偏移。 標準差橢圓面積從2011 年的64.885萬km2減小到了2020 年的59.767 萬km2，表明在此期間黃河流域科技創新的集聚趨勢不斷增強。 從長半軸X和短半軸Y來看，長半軸X和短半軸Y差距較大，表明黃河流域科技創新發展在空間上具有明顯的方向性。 長半軸X由2011 年的615.7 km 縮小到了2020年的603.5 km，短半軸Y由2011 年的335.5 km 減小到2020 年的315.3 km，表明2011 年、2020 年黃河流域的科技創新在X軸、Y軸上均存在集聚現象。

2.3 黃河流域科技創新水平全局空間關聯特征

借助GeoDa 軟件計算黃河流域科技創新水平莫蘭指數，結果見表3。 可以看出，研究期內各年份均通過99%置信度顯著性檢驗，且莫蘭指數的值均大于0，表明黃河流域科技創新水平分布具有較強的空間集聚性，主要表現為高高集聚或低低集聚。 莫蘭指數由2011 年的0.074 增大為2020 年的0.154，表明黃河流域科技創新水平的集聚呈增強趨勢。

表3 2011—2020 年黃河流域科技創新水平莫蘭指數

3 黃河流域科技創新中心提升路徑

科技創新水平是衡量區域競爭力的重要指標，提升科技創新水平則是促進城市高質量發展的重要渠道。 中心城市作為創新資源要素較為集中的節點城市，能夠有效輻射、帶動整個區域科技創新水平的提高。 通過對黃河流域科技創新水平的時空分析得知，黃河流域科技創新發展仍處于培育孵化時期，存在區域科技創新水平不均衡、創新中心空間分布不均衡等問題。 因此，對黃河流域科技創新中心提升路徑進行研究有助于全面推動黃河流域科技創新發展。 基于前文實證分析結果，把黃河流域各省（區）科技創新發展能力較高的城市作為區域創新中心，分別為西安、青島、濟南、鄭州、太原、蘭州、呼和浩特、銀川和西寧。 參考文獻［22-24］，黃河流域科技創新中心城市仍存在創新基礎薄弱、技術創新能力不高、發展動力不足、產業融合與集聚不強、輻射帶動范圍不大、區域合作不佳等問題。 因此，需要通過聚焦各區域科技創新中心發展優勢，促進科技創新中心城市產業升級，加速產業融合與集聚，促進創新中心城市“多核驅動、點軸延伸”空間模式的形成等，提高區域創新中心城市的原創力、驅動力、融合力、集聚力、輻射力、合作力等，從而進一步提升黃河流域科技創新整體水平，見圖4。

圖4 區域創新中心城市發展路徑

1）聚焦科技創新中心城市優勢，提升技術創新能力。 科技創新水平提升是一個系統工程，涉及社會、經濟、制度、科技和教育等方面，是各方面綜合作用的結果。 各科技創新中心城市的人才基礎、創新環境、創新資源等各有特點，科技創新水平參差不齊。 因此，黃河流域科技創新中心城市應依據自身創新基礎，聚焦發展優勢，在有限的要素投入條件下，積極引進先進技術，加快形成以創新為主要動力的現代化產業體系。例如：蘭州科技資源較為豐富，在能源利用、數字經濟、航空航天等方面具有先發優勢；西安具有豐富的歷史文化底蘊，推進文旅融合，探索文化產業創新發展是提高科技創新水平的重要內容；鄭州作為我國中部重要的國家中心城市，地理位置承東啟西，連南貫北，要持續發揮交通區位優勢，吸引高新技術產業布局鄭州，開拓創新產業發展空間；濟南擁有良好的科研平臺，在信息技術和高端裝備等產業具有突出優勢，應著力打造人才集聚高地，推動產學研深度融合，帶動科技創新水平快速提高。

2）加速科技創新中心產業結構升級，推動產業融合與集聚發展。 黃河流域能源、化工、有色金屬等傳統產業仍占較大比例，造成城市產業結構失衡、經濟增長緩慢、生態環境惡化等問題。 隨著傳統產業對社會經濟發展的支撐作用逐漸減弱，黃河流域科技創新中心亟須加速產業結構升級，以產業基礎高級化、產業鏈現代化為方向，推進傳統產業與戰略性新興產業融合，牽引產業高端化、綠色化、智能化發展。 黃河流域下游中心城市應充分發揮經濟雄厚、人才資源充沛、地理位置優越等優勢，發展壯大高新技術產業和戰略性新興產業，打造世界級的產業發展新高地。 黃河流域中游中心城市應依托人口規模和市場潛力優勢，積極推動制造業轉型升級，主動承接下游地區的產業轉移，加快推動高質量發展。 黃河流域上游中心城市應積極學習先進的產業發展經驗，承接中下游地區的產業轉移，聚焦清潔能源生產、航空航天等新興產業，推動產業穩步發展。 產業集群的形成有利于降低生產成本、提高生產效率、提升產業競爭力、刺激產業創新發展。 因此，黃河流域應積極依托現有產業基礎，不斷提升產業發展優勢，打造一批具有較強競爭力、帶動力和較廣輻射范圍的產業集群。

3）促進科技創新中心城市“多核驅動，點軸延伸”空間模式的形成。 由黃河流域科技創新水平空間自相關分析可知，黃河流域科技創新集聚態勢逐漸增強。科技創新中心城市作為區域創新發展的“極核”，推動區域間的交流合作，發揮對周邊城市創新發展的輻射帶動作用。 同時，構建以濟南、鄭州、西安等為核心的多個“極核”，形成以濟南、鄭州、西安為橫軸，呼和浩特、太原、鄭州為縱軸的“一橫一縱”創新發展格局。此外，城市向城市群發展是一個必然趨勢。 隨著我國城市化進程的深化，未來區域競爭將不再是單個城市的競爭，而是城市群之間的競爭，目前黃河流域雖已初步形成具有一定科技、經濟實力的城市群，如山東半島城市群、中原城市群與關中城市群，但與長三角城市群等相比還存在很大差距。 因此，未來黃河流域仍應聚焦科技創新中心城市間的交流與合作，培育壯大黃河流域城市群與現代化都市圈，促進科技創新中心城市“多核驅動，點軸延伸”空間模式的形成。

4 結論

基于熵權TOPSIS 法測算了黃河流域67 個地級市2011—2020 年科技創新水平，運用核密度估計、空間自相關、NICH 指數、標準差橢圓等方法對其時空演化進行了分析。 在實證分析的基礎上，識別黃河流域科技創新中心城市，提出黃河流域科技創新中心城市提升路徑。

時間上，黃河流域區域科技創新水平呈不斷提升趨勢，由2011 年的0.084 提升到2020 年的0.137。 黃河流域科技創新水平整體上呈兩極分化格局，絕對差異逐漸縮小。

空間上，黃河流域科技創新存在顯著空間分異特征，呈“塊狀”分布格局，中心城市輻射帶動范圍小，科技創新水平下游地區＞中游地區＞上游地區。 研究期內高水平城市數量保持不變，較高水平和低水平城市數量增加，中水平和較低水平城市數量減少。 2020 年低水平和較低水平城市占比高達70.149%。 從增速來看，2011—2020 年高速增長城市集中在中下游地區，按排名分別為青島市、西安市、鄭州市；較高速增長城市9 個，中速增長城市22 個，集中在下游地區；低速增長城市30 個，主要分布在中上游地區；負增長城市3個，分別為鄂爾多斯市、包頭市和呼和浩特市，集中在上中游的內蒙古自治區。 從空間演化特征來看，2011—2020 年黃河流域科技創新重心向東南方向偏移，重心位置均位于山西省長治市。 同時，黃河流域科技創新在東北—西南方向發展較快，分布格局上向東偏北方向偏移。 從空間集聚特征來看，黃河流域科技創新水平具有顯著的空間集聚特征，隨著時間的推移，空間集聚特征逐漸增強。

黃河流域科技創新中心需要通過聚焦各區域創新中心城市優勢，提升技術創新能力，加速科技創新中心產業結構升級，推動產業融合與集聚發展，促進中心城市“多核驅動，點軸延伸”空間模式的形成等，提高區域創新中心城市的原創力、驅動力、融合力、集聚力、輻射力、合作力等，進一步提升黃河流域區域科技創新水平。

總的來說，黃河流域科技創新仍處于較低水平，缺乏強大的核心增長極和創新驅動軸線。 因此，未來仍應加大創新驅動力度，促進黃河流域產業轉型升級，大力發展戰略性新興產業，加強上中下游合作，構建黃河流域區域創新體系，創建具有國際競爭力的創新資源集聚區，以帶動黃河流域科技創新高質量發展。