山東省經濟發展和科技創新耦合關系研究

陳杰蔡菲張鑫

(山東建筑大學 測繪地理信息學院，山東 濟南 250101)

0 引言

改革開放之初，鄧小平同志提出“科學技術是第一生產力”。黨的十九大報告也提出，創新是引領發展的第一動力，是建設現代化經濟體系的戰略支撐[1]，習近平進一步提出科技創新與制度創新要協同發揮作用[2]。21世紀是科技創新的時代，與傳統意義上的某項重大科技創新或者某個領域的突破不同，當今的科技創新和革命是以多學科和領域全面持續系統創新為特征。自從?國家中長期科學與技術發展規劃綱要(2006—2020年)?實施后，中國的科技創新水平已經取得了飛速的增長，已經成為全球第二研發投入大國，高被引學者數量躍居世界第2位，高被引論文、專利申請和授權總量等科技產出快速攀升至全球首位，知識密集型產業規模及其出口保持快速增長[3]。當今科技創新已經成為我國轉變經濟發展方式的抓手和切入口[4]，科技投入和科技創新都對區域經濟有著促進作用[5]，尤其是對第三產業發展的促進作用[6]。現有的研究證明科技創新和經濟發展存在著顯著的耦合關系，為了充分發揮科技創新的支撐引領作用，促進經濟更好更快發展，對經濟發展和科技創新耦合關系的研究成為關鍵。

經濟發展和科技創新的耦合關系主要包括:(1)科技創新作為經濟增長最重要的影響因素之一，可以提高資源利用率和產品生產效率，不僅大幅度降低成本，也能提高產出利潤，其引領的技術革命是促進經濟發展的新動力，可以推動經濟的飛躍發展；(2)經濟發展為科技創新提供更多的支撐和資源[7]。經濟發展和科技創新的耦合協調關系反映了二者之間相互作用和同步發展的程度，研究經濟發展和科技創新耦合協調關系具有重要意義。學術界已經從3個不同角度對經濟發展和科技創新的耦合協調關系進行了大量研究。(1)對二者耦合關系的原理和機理研究[8]。張宏洲[9]通過構建公共科技創新投入的內生增長模型，刻畫了公共科技創新投入對出口貿易和經濟增長的作用機制。(2)不同尺度下的經濟發展和科技創新的耦合協調度研究，包括對不同國家或省市的經濟發展和科技創新耦合協調的研究[10－12]。(3)對兩個子系統耦合協調關系的進一步研究，包括耦合協調關系的影響因子和空間關聯演化的研究[13]。滕堂偉等[14]通過空間馬爾科夫鏈研究了長江經濟帶科技創新和綠色發展的耦合協調度的時空關聯和演變。

總體來說，學術界已經對經濟發展和科技創新的耦合協調關系做了大量的研究，但還存在一些不足:(1)現有的研究尺度已經覆蓋多個維度，但是對于山東省的經濟發展和科技創新的耦合協調研究還略顯不足；(2)已有的實證研究對經濟發展和科技創新耦合協調度大多是單一層面的演變或影響因子的研究，缺乏對耦合協調度時空演變和影響因子的綜合分析。基于這些不足，文章通過構建山東省經濟發展和科技創新評價系統，研究山東省內的經濟發展和科技創新耦合協調度，探究近十年間二者的耦合協調關系，同時運用馬爾科夫概率轉移矩陣探究耦合協調度演變的時空分異，并將地理探測器中的因子探測引入其中，通過因子探測探究了評價體系各指標對耦合協調度的影響程度。

1 研究區域及數據來源

1.1 研究區域

山東省位于我國東部沿海、黃河下游，屬于華東地區，下轄16個地級市，東西長為721.03 km、南北寬為437.28 km，全省陸域面積為15.58萬km2，境內中部山地突起，西南、西北低洼平坦，東部緩丘起伏。山東省作為經濟強省，一直以科技創新賦能高質量發展，加大力度推動科技創新，加快建設科技強省。根據?中國統計年鑒2019?數據[15]，2018山東省工業產值僅次于江蘇省和廣東省，國內生產總值(Gross Domestic Product，GDP)總量居全國第三。山東省2018年主要社會經濟指標數據見表1，山東省經濟等指標占全國的比重較大，選擇山東省作為研究區域具有代表性的意義。

表1 2018年山東省與全國主要社會經濟指標表

1.2 數據來源

所用數據主要來源于山東省統計局網站(http://tjj.shandong.gov.cn/)2009—2018年的統計年鑒數據，所用地圖審圖號為魯SG(2021)023號。

2 研究方法

構建經濟發展和科技創新評價指標體系，通過熵值法計算出各子系統得分。熵值法是一種客觀賦權法，根據各項指標觀測值所提供的信息的大小來確定指標權重。通過耦合協調度模型探測山東省經濟發展和科技創新的耦合協調度，不僅可以反映各系統是否具有較好的水平，又可以反映系統間的相互作用關系。利用馬爾科夫轉移概率矩陣分析經濟發展和科技創新耦合協調度的演變過程，能夠很好地反應出耦合協調度的變化規律和趨勢。運用地理探測器研究影響山東省經濟發展和科技創新耦合協調模型的因子，地理探測器無線性假設可以很好地探測空間分異性和背后驅動因子。

2.1 評價指標體系的構建

根據經濟發展和科技創新的實際情況，并結合已有相關研究成果，綜合考慮可行性與科學性，分別構建山東半島經濟發展和科技創新評價指標體系，見表2。經濟發展子系統包括經濟體量、經濟結構和經濟水平3個一級指標，科技創新子系統包括科技投入和科技產出2個一級指標。

表2 山東省經濟發展和科技創新評價指標體系表

2.2 熵值法

采用熵值法來確定各指標的權重。需要對數據進行最大值、最小值標準化，由式(1)表示為

式中Xij為最值標準化后的數據；xij為第i個城市第j個指標數據。

子系統第j個指標下(j＝1，2，...，m)，第i個城市的特征比重pij(i＝1，2，...，n)由式(2)表示為

第j個指標的熵值Ej由式(3)表示為

各指標的權重wj由式(4)表示為

式中n是城市的數量；m是指標的數量。

2.3 耦合協調度模型

耦合協調度模型包含兩部分，分別是耦合度模型和協調度模型[16]。耦合度主要是衡量系統不同要素之間或不同系統之間相互作用的強弱，協調度主要指系統或者要素在發展過程中協調一致的程度。耦合度C由式(5)表示為

式中f(x)和g(y)分別表示科技創新指數和經濟發展指數。

耦合協調度D由式(6)表示為

式中α和β為待定權重系數。由于經濟發展不只是由科技創新一個因素推動，結合已有的研究，取α＝0.4、β＝0.6。

采用均值劃分的方法，將經濟發展和科技創新的耦合協調度D值由低到高分為嚴重失調、輕度失調、中度協調、良好協調、優質協調5個階段。劃分區間為0≤D<0.2，嚴重失調；0.2≤D<0.4，輕度失調；0.4≤D<0.6，中度協調；0.6≤D<0.8，良好協調；0.8≤D≤1，優質協調。

2.4 馬爾科夫轉移概率矩陣

根據耦合協調度分類，根據分類計算出相應的概率和年際變化，得出一個5×5的馬爾科夫轉移概率矩陣，可以近似看作區域內經濟發展和科技創新耦合協調度的整個演變過程。馬爾科夫轉移概率矩陣是一種時間和狀態均為離散的馬爾科夫過程，揭示某一空間單元某年份屬于a類型，而下一年份轉移為b類型的一步轉移概率Pab，如表3中P12是上一年份屬于類型1而下一年類型為2的轉移概率。

表3 馬爾科夫轉移概率矩陣

2.5 地理探測器

地理探測器是探測空間分異性以及揭示其背后驅動因子的一種統計學方法[17]。由于方法的無線性假設很大程度上克服其他方法的局限性，因此已廣泛應用于各種影響機理的研究。地理探測器主要包括分異及因子探測、交互作用探測、風險區探測和生態探測。文章采用因子探測，其原理是探測影響因子和因變量在空間上的變化是否具有一致性。若存在一致性則表明該因子對因變量有重要決定作用；若不存在一致性則表明該因子對因變量的沒有顯著影響。地理探測器中因子探測公式由式(7)表示為

式中qD，U為影響因素對因變量的影響力探測指標；nD，i為次一級區域樣本數；h為次級區域個數；σU為因變量的方差；為次一級區域因變量方差。假設≠0，模型成立，的取值區間為[0，1]；＝0時，表明因變量空間分布不受影響因素的驅動，其值越大表明影響因素對因變量的影響越大。

3 結果與分析

通過統計分析軟件構建相關系數矩陣，對可能存在的多重共線性問題進行檢驗，經濟發展和科技創新兩個子系統所有指標均通過了檢驗。根據以上方法對山東省2009—2018年經濟發展和科技創新子系統得分、耦合協調度以及各指標對耦合協調度的影響進行研究。

3.1 經濟發展和科技創新綜合評價指數

根據熵值法確定了各個指標的權重，分別計算出2009—2018年山東省經濟發展和科技創新的綜合發展指數和子系統得分，結果如圖1所示。從子系統的角度看，經濟發展子系統的得分整體趨勢穩步上升，僅在2014年有小幅度的降低，主要原因是2014年的中國經濟處于“三期疊加”效應下，并且通過調整經濟結構來控制金融風險，使得經濟發展指標受到一定程度的影響。2011—2014年科技創新子系統得分一直下滑，2014年達到最低值，2015年達到峰值。主要原因是2014年前我國基礎科學研究經費占全社會研發投入比重多年保持約為5%，在公布此項數據的全部國家中處于最低水平，基礎研究投入的不足導致我國原始創新的科技成果不多，直接后果是產業缺乏核心競爭力，進而一定程度上影響到了2014年經濟發展，使得經濟發展缺乏驅動力。綜合發展指數整體較為平穩，2014年為最低值，2014—2016年的波動較大，受到科技創新的影響較大，整體發展趨勢和科技創新趨勢較為一致。

圖1 山東省2009—2018年經濟發展和科技創新子系統得分圖

山東省各地市在2009、2012、2015、2018年的系統綜合評價指數如圖2所示。可以看出，綜合評價指數基本穩定，前三位基本是青島、濟南和煙臺，且波動較小，其中青島綜合評價指數一直為全省最大值，濟南和煙臺基本持平，這3個地市常年為山東省經濟的前三名，經濟發展一直保持較高水平。最低指數綜合指數得分主要有棗莊、日照、萊蕪和菏澤，處于新舊動能轉換之際可能是這幾個地市綜合評價指數較低的原因。

圖2 山東省各地市綜合評價指數圖

3.2 經濟發展和科技創新耦合協調及空間分異

通過耦合協調模型計算出2009—2018年間山東省經濟發展和科技創新的耦合度、協調度和耦合協調度，結果如圖3所示。山東省經濟發展和科技創新的耦合度C一直處于較高水平，在2015年前后存在著較大的波動，2014年耦合度最低且科技創新子系統跌至最低水平，同期經濟發展子系統僅有小幅下降，主要原因是科技創新并不能完全影響經濟發展，經濟發展還受到經濟發展規律以及政策等因素的影響。協調指數T值和耦合協調度D值的趨勢走向較為一致，2009—2018年間山東省的經濟發展和科技創新的耦合協調度穩定在0.5~0.6之間，屬于中度協調。山東省經濟發展和科技創新都受到國家和山東省國民經濟和社會發展五年規劃的影響，“五年規劃”的前瞻性和科學性都使得山東省經濟發展和科技創新耦合協調關系保持著較為穩定的發展。

圖3 山東省2009—2018年經濟發展和科技創新耦合協調結果圖

山東省經濟發展和科技創新耦合協調度時空分布格局如圖4所示。2009—2018年耦合協調度的整體分布趨勢并沒有很大變化，按照耦合協調度等級大體可以分為4個梯度。第一梯度是青島，一直保持著優質協調，青島作為中國較早進行過工業化啟蒙的城市，有著天然的地理優勢，在經濟發展和科技創新上一直遙遙領先；第二梯度是包括濟南、淄博、濰坊、煙臺，基本保持良好協調，其中淄博在2018年下降為中度協調，作為省內經濟的主力軍，這4個地市都有著巨大的發展潛力，應當大力發展科技引領經濟發展；第三梯度包括東營、濱州、泰安、濟寧、臨沂、威海，屬于中度協調，其中威海在2009年和2015年達到了良好協調，表明其處于中度協調和良好協調的邊緣；第四梯度包括德州、聊城、菏澤、棗莊、萊蕪、日照，屬于輕度失調，其中多為傳統老工業城市，這些城市亟需新舊動能轉換并尋找新的發展方向。

圖4 山東省經濟發展和科技創新耦合協調度時空格局圖

3.3 經濟發展和科技創新耦合協調度時空變化

運用馬爾科夫鏈對山東省各地市十年的耦合協調度結果進行分析。根據分析統計結果，得到2009—2018年山東省經濟發展和科技創新耦合協調類型的馬爾科夫轉移概率矩陣表，見表4。

表4 2009—2018年山東省經濟發展和科技創新耦合協調度的馬爾科夫轉移概率矩陣

從馬爾科夫轉移概率矩陣上來看，除嚴重失調外，對角線上的概率值均大于非對角線上的數值，表明4種耦合協調度都具有較強的穩定性。按照穩定性由強至弱分別為:輕度失調>中度協調>優質協調>良好協調>嚴重失調。其中，對角線上的最小值為0，嚴重失調轉向輕度失調的概率也為1，說明嚴重失調的穩定性較差，表明經濟發展和科技創新的耦合協調度在不斷提高。從耦合協調度等級數量上看，呈現出近似正態分布，其中嚴重失調只有1個，并在第二年發展為輕度失調，表明整個山東省各地市的經濟發展和科技創新耦合協調度較為穩定。

山東省大部分地市經濟發展和科技創新耦合協調度的等級都較為穩定，僅在個別市的耦合協調度等級上存在鄰近轉變，如圖5所示。2009—2013年淄博市和威海市耦合協調度下降，日照耦合協調度上升。2014—2018年各地市耦合協調度均沒有下降，濱州、濰坊、日照的耦合協調度有所上升，主要因為2014年后，國家加大科技創新投入的力度，并加大對中小企業的扶持力度，促進經濟發展。各地市耦合協調度數值變化如圖6所示，除日照外，其他各地市均沒有太大變化，耦合協調度值較為穩定。

圖5 山東省各地市經濟發展和科技創新耦合協調度等級時空變化圖

圖6 山東省各地市經濟發展和科技創新耦合協調度變化圖

3.4 經濟發展和科技創新耦合協調影響因子

將經濟發展和科技創新子系統的所有二級指標作為影響因子，對2009—2018年山東省經濟發展和科技創新的耦合協調度作為因變量，通過地理探測器的因子探測功能進行探測，結果見表5。p值小于0.01的二級指標表明其通過了置信度為99%的檢驗，按照一級指標層面看，經濟體量和經濟結構全部通過檢驗，經濟水平、科技投入和科技產出各有2個指標通過檢驗。

表5 山東省經濟發展和科技創新耦合協調影響因子地理探測器結果表

根據通過檢驗的二級指標的q統計值來看，經濟發展的指標對整體的耦合協調影響最大，包括經濟體量和經濟結構，表明耦合關系的主導因素是經濟發展。其次是科技產出中的技術市場成交額和科技論文發表數，科技對經濟的促進作用主要是通過將新技術新方法應用到實際中提高生產效率和產出，或者尋找新的動力來促進經濟發展。科技投入中R＆D經費內部支出和科學技術占公共預算支出比對耦合協調關系的影響也較大，這屬于經濟發展對科技投入，只有更多的資源投入到科技創新中，才能夠更好的反哺經濟發展，進而提高經濟發展和科技創新的耦合協調程度。

4 結論

以山東省17個地市為研究單元，對各地市2009—2018年的經濟發展和科技創新耦合協調關系進行研究，主要結論如下:

(1)山東省經濟發展和科技創新都保持著較穩定的發展，排名前三的城市分別為青島、濟南、煙臺，僅在2014年中國經濟受到“三期疊加”的效應和經濟結構調整下有較大波動。

(2)山東省經濟發展和科技創新耦合協調度一直處于中度協調狀態，而且比較穩定，各地市經濟發展和科技創新的耦合協調度大致分為4個梯度且都較為穩定。

(3)馬爾科夫概率轉移矩陣對角線上的轉移概率值均大于非對角線上的數值，表明整體上各地市的耦合協調度較為穩定，耦合協調度的演變主要趨向于中度耦合協調。

(4)經濟發展的多數指標、科技創新的資金投入、科技產出中的技術市場成交額和科技論文發表數對山東省的經濟發展和科技創新耦合協調關系影響較大。