煤炭資源城市創新生態健康度的生態位測算及對行業的協同集聚影響

張 俠，朱少英，李 明，葉 綠

(1.山西大同大學商學院，山西 大同 037009；2.中國空間技術研究院，北京 100095；3.圣彼得堡理工大學，圣彼得堡 195251)

0 引 言

在新能源被大規模利用之前，煤炭行業依然是我國經濟發展的重要支柱產業。當前，隨著我國“雙碳”目標的不斷推進，煤炭行業已經由傳統的粗放式經營向綠色生產方式轉變，其中智能化礦井的建設、煤炭的綠色高效開采、員工工作環境的改善都是亟需解決的問題[1]。煤炭行業與煤炭裝備制造業之間的關系緊密，在煤炭開采過程中，機械設備投資和運營維護在整個煤炭行業中占有較大的支出比重，且直接影響煤炭行業整個生產系統運行的效率和可靠性，進而影響經濟效益[2]；同時煤炭行業也為煤炭裝備制造業未來的可持續發展提供了一定的市場空間。因此，為了提升煤炭行業的高質量發展，實現煤炭資源的綠色高效開采，需要推進煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同發展。然而，目前我國煤炭裝備制造業基礎薄弱，高端裝備產能不足，中低端裝備產能過剩，市場同質化競爭嚴重。隨著煤炭行業的結構優化、煤礦數量大幅度減少，造成煤炭裝備制造業市場萎縮和過度競爭，所以需要開展共性關鍵技術研發，引導煤炭裝備制造業在煤炭資源等區域集聚，打造高端和重點制造行業集群[3]。

區域創新生態健康指的是創新復合組織與其內部環境、復合環境、外部環境之間的物質、能量和信息的良性互動，能夠維持、保持組織自我運作能力且整體功能良好，對外界的長期或突發擾動有一定的抵抗能力[4]。

因此，本文構建煤炭資源城市創新生態健康度評估體系，且從生態位的角度剖析了當前山西省域內的5座煤炭資源城市創新生態發展狀況和存在的問題；研究了不同類型的煤炭資源城市創新生態健康度對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚影響及煤炭企業所產生的創新驅動效應，以期為地方煤炭資源城市相關行業的協同集聚和創新生態的健康發展提供一些建設性意見。

1 研究進展

1.1 區域創新生態健康度的研究

關于區域創新生態的健康度，苗紅等[5]首先從理論層面提出了區域技術創新生態健康度的內涵及評價指標體系。在體系構建方面，李福等[6]基于創新生態系統的生存與發展過程的作用機理，將創新生態的健康評估體系劃分為持續能力和競爭能力；姚艷虹等[7]基于健康創新生態系統的特征，將創新生態的健康評估指標體系劃分為生產率、適應力和多樣性；顧桂芳等[8]基于核心企業功能，將創新生態健康評價指標劃分為生長力、共生力、平衡力和再生力。在研究方法選取方面，張貴等[9]運用突變算法，分析了我國2012—2015年高技術產業的創新生態系統健康狀況；李佳穎[10]采用密切值法，分析了2017年我國30個省(市、自治區)的創新生態系統健康狀況；范德成等[11]運用改進熵-DEMATEL-ISM組合方法，分析了2011—2016年我國31個省(市)高技術產業技術創新生態系統健康程度。

1.2 區域行業協同效應的研究

關于區域行業的協同效應，在研究方法方面，孫喜民等[12]基于煤炭企業的多元化視角，構建了產業協同的動力學模型；尹翀等[13]提出了RITFT建模原理及方法，構建了中原地區RITFT模型。在驅動要素方面，夏凡等[14]基于縱向市場價格信號變化作為驅動要素，研究了上下游產業與技術進步的協同效應；鄭潔等[15]分析了當前城市人口規模和經濟發展水平的約束機制對長江經濟帶產業多樣化和專業化的協同效應。在研究對象選取方面，費少卿[16]從產業生態系統理論的角度出發，對關中城市群現代化物流產業體系內部各產業間的協同效應進行了分析。

通過對上述文獻的梳理可以發現，對于區域創新生態健康度的研究，目前主要集中在理論和實證兩方面，以評估體系的構建和研究方法等研究視角對其進行靜態和動態的綜合評估，缺少創新生態健康度與行業驅動要素關系方面的研究；在區域行業協同效應方面，學者們在研究方法、驅動要素和研究對象選取等領域都取得了一定的研究成果，但以煤炭資源城市作為研究對象，且關于創新生態健康度對煤炭行業和煤炭裝備制造業之間的協同集聚方面的研究目前較少。

在此基礎上，本文基于自然生態系統，結合煤炭資源城市的特性，從創新生物群落和創新環境群落兩個維度構建煤炭資源城市創新生態健康度模型，并對其生態位的寬度和重疊度進行測算；分析創新生態健康度對煤炭行業與煤炭裝備制造業的影響及煤炭企業創新所發揮的中介效應。

2 煤炭資源城市創新生態系統理論及對協同效應的影響機制分析

2.1 煤炭資源城市創新生態健康度評價體系的構建

自然生態系統指的是在一定時空內，由生物群落與其環境組成的一個整體，內部各要素之間通過物種流動、能量流動、物質循環、信息傳遞和價值流動，且相互聯系、相互制約，能夠實現自我調節功能的復合體[17]。基于自然生態系統的概念，結合煤炭資源城市具有產業結構單一、生態環境破壞嚴重、企業規模結構單一和城市建設發展不足等特性[18]，本文構建了煤炭資源城市創新生態健康度評價指標體系，主要包括創新生物群落和創新環境群落兩個子系統，見表1。

表1 煤炭資源城市創新生態健康度評價指標體系Table 1 Evaluation index system of innovation ecological health degree in coal resource cities

1) 創新生物群落。鑒于孫福全[19]的觀點，創新生物群落包括研究種群、開發種群和應用種群；在自然生態系統中，研究種群仿佛綠色植物，用來產生創新成果，相關組成要素包括科研機構、高等院校和科技人才。其中，科研機構和高等院校的主要職能是進行基礎性和實用性的科學研究以及對人才的培養，科技人才的主要職能是為科研機構和高等院校的可持續發展提供人才保證。本文選取了煤炭資源城市中的科研機構數量、高等院校數量和科研人員數量來表征研究種群。開發種群仿佛動植物，其職能是對研究種群所產生的創新成果進行吸收和轉化，形成創新產品，本文選取了煤炭資源城市中的工業企業作為開發種群。應用種群仿佛自然生態系統中的細菌和微生物，其職能是對創新產品進行消費和提出使用后的意見，使創新產品能夠實現再次創作和升值，本文選取了煤炭資源城市中居民人均可支配支出和城市人口數量來表征應用種群。

2) 創新環境群落。鑒于常玉等[20]的觀點，創新環境群落包括創新基礎硬環境和創新社會氛圍軟環境。在自然生態系統中，創新基礎硬環境仿佛自然界的水、空氣、陽光和土壤，用來為創新成果的顯現提供動力源泉，其相關要素包括人均綠地面積、空氣質量、工業固廢利用率、城市通車里程和互聯網普及率。其中，人均綠地面積、空氣質量和工業固廢利用率作為連接創新發展和煤炭資源城市轉型升級的重要紐帶，反映了煤炭資源城市的綠色演變過程。城市通車里程作為基礎設施建設的重要組成部分，主要職能是反映煤炭資源城市的投資營商環境，進而營造積極的城市創新生態。互聯網普及率可以降低參與創新的門檻，為更多愿意參與創新的人們提供信息和技術支撐。本文選取了煤炭資源城市中的人均綠地面積、空氣質量、工業固廢利用率、城市通車里程和互聯網普及率來表征創新基礎硬環境。社會氛圍軟環境仿佛自然生態系統中的礦物質和微量元素，其職能是用來維持城市的創新活力和實現創新的再次循環，其相關要素包括技術、資金、知識和政府支持。本文選取了專利申請數量、金融機構數量、財政科研經費支出、地方教育支出、高等院校學生數量和高等院校教師數量來表征煤炭資源城市的社會氛圍環境。

2.2 煤炭資源城市創新生態健康度對行業協同的影響機制分析

2.2.1 煤炭資源城市創新生態系統健康度對技術創新能力的影響

目前技術創新能力增強的兩條關鍵途徑是技術創新規模的擴大和技術創新效率的提升[21]，而增強技術創新能力的關鍵在于營造健康的創新生態系統。在此基礎上，本文將煤炭資源城市創新生態健康度中的各個群落對技術創新能力的作用逐一進行分析。

首先，在煤炭資源型城市的創新生物群落中，研究群落作為創新活動的主體，位于“金字塔”的最頂層，通過科研機構、高校和科技人員來產生大量的研究成果；工業企業是創新生物群落中的行為主體，對研究種群中產生的研究成果進行開發和利用，進而降低企業成本花費和提高工作效率；城市居民的平均可支配支出和城市人口數量作為應用種群，是研究成果的最終受益者和信息反饋者。鑒于黃魯成等[22]創新資源的觀點，本文將研究群落、開發群落和應用群落看作是創新的各種資源總和。創新生物群落作為煤炭資源城市創新生態系統的子系統，通過內部循環，且隨著創新資源投入的增加，技術創新的規模將會逐漸擴大。

其次，煤炭資源城市的創新環境可以有效提升創新效率[23]，其中創新環境中的基礎環境為煤炭資源城市創新規模的擴大提供了基本的“后勤保障”；社會氛圍環境作為創新的軟環境，可以用來維持煤炭資源城市的創新活力。

因此，隨著煤炭資源城市技術創新規模的擴大和技術創新效率的不斷提升，也使得城市技術創新能力得到了顯著提升，進而形成了健康的創新生態系統。

2.2.2 技術創新能力促進煤炭行業和煤炭裝備制造業協同集聚

煤炭企業作為煤炭資源城市獲取先進技術的主要行為主體，隨著城市創新能力的提升，煤炭企業技術創新能力將會得到顯著增強。首先，從產業鏈的角度來看，煤炭企業技術創新能力不斷提升，會對下游的煤炭裝備制造業衍生出一定的服務需求，從而倒逼煤炭裝備制造業技術創新能力不斷提升。其次，煤炭城市創新生態系統中所具有的各種創新資源，可以使煤炭行業和煤炭裝備制造業實現資源共享，進而產生協同和集聚的效應。最后，隨著煤炭裝備制造業在行業內部競爭的不斷加劇，整個行業將會向著更專業化的方向進行細分。當前煤炭行業向著機械化、自動化、智能化和清潔高效的方向發展，煤炭裝備制造業會提供更加精細化的設備產品，使得煤炭行業和煤炭裝備制造業實現更加深入的協同發展，也使更多專業化的煤炭裝備制造業集聚在煤炭行業的周邊。

因此，煤炭城市技術創新能力促進了煤炭行業和煤炭裝備制造業技術創新的協同集聚發展。煤炭城市創新生態系統的健康度也可以對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚起到驅動作用。

3 研究方法

3.1 變量的選取

3.1.1 煤炭行業與煤炭裝備制造業的協同集聚指標

本文鑒于武翠等[24]所使用的行業協同聚集方法，首先構建了煤炭行業和煤炭裝備制造業的集聚指標，見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

式中：Mmk和Mpk為省域k城市煤炭行業和煤炭裝備制造業的就業人數；Mm和Mp為省域煤炭行業和煤炭裝備制造業的就業人數；Mk為省域k城市的就業人數；M為省域的就業人數。

對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚進行測算，見式(3)。

(3)

3.1.2 煤炭資源城市創新生態健康度生態位的測算

通過對煤炭資源城市創新生態健康度的理論分析，本文將創新生態資源的開發和利用情況、創新資源的開發相似情況作為煤炭資源城市創新生態健康的生態位寬度和重疊度分別進行評價研究。

1) 生態位寬度的測算。本文從創新生物群落和創新環境群落兩個維度測算山西省域內5座煤炭資源城市的創新生態位的寬度。當生態位寬度越寬時，意味著創新生態系統中可供利用的創新資源就越多，城市健康且城市的行業競爭力也越強。本文選取levins的生態位寬度測量模型來進行計算，見式(4)。

(4)

式中：fi為省域i城市的生態位寬度；Pij=NijYi為省域i城市利用j的技術創新資源占利用總數量的比例；R為可利用技術創新資源的數量。

2) 生態位重疊度的測算。生態位重疊度是從地域角度，測量煤炭資源城市在創新生態的開發和利用創新資源的相似程度。當生態位重疊度越高時，意味著各城市之間的競爭優勢不明顯，使得競爭越激烈。本文選取Price和Schoener的曲線平均模型來進行計算，見式(5)。

(5)

式中：fij為省域i煤炭企業和j煤炭企業技術創新的重疊度；Pif和Pjf分別為i煤炭企業和j煤炭企業中可利用資源f中的狀況。

3) 基于生態位煤炭資源城市創新生態系統健康度的分類。按照朱正浩等[26]的研究方法，本文將煤炭資源城市創新生態系統健康度生態位的寬度和重疊度的數值進行標準化處理，設定平均聚類數，當健康度生態位寬度和重疊度都高的情況，稱為創新多樣型(diver)；當健康度生態位寬度高，重疊度低的情況，稱為創新平衡型(balan)；當健康度生態位寬度低，重疊度高的情況，稱為創新追隨型(follow)；當健康度生態位寬度和重疊度低的情況，稱為創新專長型(expert)，如圖1所示。

圖1 基于生態位煤炭資源城市創新生態系統健康度的分類Fig.1 Classification of urban innovation ecosystem health degree based on niche of coal resources cities

3.1.3 中介變量：煤炭企業的技術創新能力

由于所選煤炭上市企業坐落在山西省5座煤炭資源城市，且在當地占用較大的市場份額，一定程度上代表了當地煤炭城市的技術創新能力，因此本文選取晉能控股(大同市)、山西焦煤(太原市)、華陽集團(陽泉市)、潞安化工(長治市)和蘭花集團(晉城市)的技術創新能力作為中介變量，基于學者們的研究，將技術創新的投入和產出、環境能力作為一級指標來進行表征，二級指標包括技術人員投入強度、研發經費投入強度、專利申請數量和政府補助額，且采用熵權-TOPSIS的方法來進行綜合評估[25]。

3.2 模型的構建

分析不同類型煤炭資源城市創新生態系統健康度對行業協同集聚的影響。本文采用M估計法，將煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚作為被解釋變量，創新多樣型城市、創新平衡型城市、創新追隨型城市和創新專長型城市作為解釋變量，構建面板模型，見式(6)。

colla=ao+a1diver+a2balan+

a3follow+a4expert+ε

(6)

式中：colla為煤炭行業和煤炭裝備制造業協同集聚；diver為創新多樣型城市；balan為創新平衡型城市；follow為創新追隨型城市；expert為創新專長型城市；ε為隨機擾動項。

同時，基于對上述煤炭企業技術創新能力所產生的中介效應的理論分析，本文采用中介作用模型，研究不同類型的煤炭資源城市創新生態健康度能否通過煤炭企業技術創新能力對煤炭行業和煤炭裝備制造業產生協同集聚影響，構建面板模型見式(7)～式(10)。

colla=βo+β1diver+inno+ε

(7)

colla=γo+γ1balan+inno+ε

(8)

colla=δo+δ1follow+inno+ε

(9)

colla=φo+φ1expert+inno+ε

(10)

式中，inno為煤炭企業技術創新能力為中介效應變量，其他指標變量所表示的含義同上。

3.3 數據來源

本文選取山西省域內煤炭上市企業所在的5座城市，即太原市、大同市、陽泉市、長治市和晉城市作為研究對象，其中煤炭行業和煤炭裝備制造業協同集聚和創新生態位健康度評估體系等指標數據來源于2015—2019年的《山西省統計年鑒》和上述5座城市的地方統計年鑒，由于個別數據有缺失故對相關聯數據進行了線性插入。煤炭企業技術創新能力數據來源于文獻《基于熵權-TOPSIS模型的煤炭上市企業技術創新能力評價研究》，選取了晉能控股、山西焦煤、華陽集團、潞安化工和蘭花集團煤炭上市企業的數據。

4 實證結果與分析

4.1 煤炭資源型城市創新生態系統健康度生態位測算

基于煤炭資源城市創新生態系統健康度模型，本文測算了2015—2019年山西省域內5座煤炭資源城市的創新生態系統健康生態位的數值，見表2。

表2 煤炭資源城市創新生態健康度生態位寬度和重疊度及排序Table 2 Niche width,overlap and ranking of innovation ecological health degree in coal resource cities

創新生態系統健康度生態位寬度和重疊度的平均值為0.20和0.63，太原市和大同市為創新多樣型城市，創新生態健康寬度和重疊度均值分別為0.326、0.893和0.208、0.720，意味著以上兩座城市掌握了相對較多的創新資源，城市發展狀況良好但外界環境競爭激烈，并且可以看出太原市的創新資源比大同市要多，且競爭程度也更加激烈；長治市為創新追隨型城市，創新生態健康寬度和重疊度均值為0.140和0.891，意味著長治市創新資源比較有限同時面臨著外界環境的競爭壓力；陽泉市和晉城市為創新專長型城市，創新生態健康寬度和重疊度均值分別為0.187、0.563和0.139、0.510，意味著這兩座城市創新資源有限，但外界競爭程度不高，具備行業發展的優勢，其中陽泉市比晉城市的創新資源和競爭壓力要更大。

4.2 煤炭資源城市創新生態系統健康度對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚影響

表3反映了煤炭資源城市創新生態健康度對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚影響。從表3可以看出，將創新多樣型、創新追隨型、創新專長型作為自變量，而將行業協同集聚作為因變量進行M估計法分析，創新多樣型的回歸系數值為0.599(t=7.154，p=0.000<0.01)，意味著創新多樣型會對行業協同集聚產生顯著的正向影響關系；創新追隨型的回歸系數值為0.939(t=8.685，p=0.000<0.01)，意味著創新追隨型會對行業協同集聚產生顯著的正向影響關系；創新專長型的回歸系數值為0.952(t=11.367，p=0.000<0.01)，意味著創新專長型會對行業協同集聚產生顯著的正向影響關系。總結分析可知，創新多樣型、創新追隨型、創新專長型會對行業協同集聚產生顯著的正向影響關系。

表3 煤炭資源城市創新生態健康度對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚影響Table 3 Influence of innovation ecological health degree of coal resource cities on collaborative agglomeration of coal industry and coal equipment manufacturing industry

4.3 中介效應煤炭企業技術創新能力對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚影響

基于煤炭企業技術創新能力，分析不同類型煤炭城市的創新生態健康度對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚的影響，本文采用了中介作用方法進行實證分析，具體結果見表4。通過對煤炭資源城市創新生態健康生態位的測算，可以看出5座煤炭資源城市沒有創新平衡型城市，所以本文只對其他三種情況進行研究分析。

由表4可知，煤炭資源城市創新生態健康度均呈正向顯著性，意味著創新多樣型、創新專長型和創新追隨型三種情況的煤炭資源型城市創新生態健康度均可以對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚產生影響，基于中介變量的煤炭企業的技術創新能力，只有創新多樣型城市的創新生態系統健康度能夠對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚產生一定的促進作用。采用中介作用方法進行檢驗得出，煤炭城市創新生態健康度的總效應分別為0.378、0.247和0.223，中介效應分別為0.026、-0.003和-0.001。

表4 煤炭資源城市創新生態健康生態位對煤炭行業和煤炭裝備制造業的影響Table 4 Influence of innovation ecological health niche of coal resource cities on coal industry and coal equipment manufacturing industry

5 研究結論與建議

5.1 研究結論

本文基于2015—2019年山西省域內5個煤炭資源城市的相關面板數據，采用生態位模型對山西省域內的煤炭資源城市創新生態系統生態位健康度進行了測算，且通過M估計法和中介作用模型，實證分析了以煤炭企業技術創新能力作為中介效應的煤炭資源城市創新生態系統健康度對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚效應和創新驅動效應，得出以下研究結論。

1) 按照煤炭資源城市創新生態系統健康度生態位的分類，太原市和大同市為創新多樣型城市，兩座城市掌握了相對較多的創新資源，城市發展健康狀況良好但外界環境競爭激烈，且太原市具有更多的創新資源；長治市為創新追隨型城市，城市創新資源比較有限同時面臨較大的周邊環境競爭壓力，陽泉市和晉城市為創新專長型城市，兩座城市創新資源有限，外界競爭程度不高，且陽泉市具備更多的競爭優勢和壓力。

2) 基于自然生態系統，從創新生物群落和創新環境群落兩個維度構建了煤炭資源城市創新生態系統健康度評價模型，并研究了不同類型城市創新生態系統健康度對煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚影響。

3) 研究得出創新多樣型城市的創新生態系統健康度可以通過煤炭企業的技術創新驅動促進煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚。

5.2 政策建議

根據以上研究結論，對于構建健康的煤炭資源城市創新生態系統，本文給出了以下政策建議。

1) 推動煤炭資源城市向創新平衡型城市變遷，縮小城市之間的差距。具體來說，一方面太原市和大同市需要提升技術創新能力(降低生態位重疊度)獲取足夠的競爭優勢；另一方面，陽泉市、晉城市和長治市等煤炭資源城市需要提升生態位寬度，在機制創新方面下功夫，實現產業、資金和人才等創新資源從發達地區向本地區的轉移和集聚，縮小省域內城市間的發展差距。

2) 提升煤炭企業技術創新能力，穩固推進煤炭行業和煤炭裝備制造業的協同集聚。具體來說，一方面增加煤炭企業科技研發投入，采用安全綠色智能化開采技術，帶動裝備制造業協同發展；另一方面，煤炭裝備制造業推動產業結構改革，提升高端制造業產能，加快精細化產品研發，以煤炭行業為中心努力打造規模化產業集群。