基于復合系統模型的環渤海地區港口與城市共生性評價

李 南，楊 翼，張 立 華

(華北理工大學經濟學院，河北 唐山063210)

0 引言

以港城為代表的濱海地域長期擔當產業聚集區，港口和城市之間的共生性是相關學科關注的重點。港城共生關系可從經濟和空間兩個主要維度進行審視：在經濟功能的互動和傳遞方面，港口和城市在經歷緊密融合后，兩者的脫鉤已在發達國家顯現；在空間結構方面，港口和城市傳統上往往集中布局、融合發展，而隨著對外海航道需求的增加以及大型臨港產業綜合體的興起，新建碼頭往往布局在深水岸區域。近些年，港城關系的動態性和異質性更趨復雜，需持續追蹤研究以評定港口和城市的協同狀態和機會。

現有港城關系的研究主要分為：1)港城互動關系機理研究。作為最早推動該主題的學者，Bird[1]在英國港口和腹地空間關系探究中提出港口通用模型，隨后學者對其不斷優化和修正，如Notteboom等[2]提出港城空間聯系四階段模型。國內也開展了較密集的研究，特別關注港城關系的最新變化。例如：樂宜春等[3]認為港城之間的矛盾主要表現在岸線布局沖突、產業關聯弱化等方面，港城發展的重點應從數量轉為質量；翟少輝等[4]指出深圳港城間矛盾突出，深圳港對城市發展的推動力已經變弱；畢森等[5]聚焦于海絲沿線主要港口的面積變遷，以評估港城共生性的演化。2)港城關聯定量評價。例如：Song等[6]應用格蘭杰因果分析法，以中國各區域的面板數據分析港口設施投資與區域經濟發展的關系；金一等[7]以環渤海為例，分析港口群變遷和港城發展的耦合特征；曹炳汝等[8]定量評價太倉港口業務和腹地產業發展的共生狀況；陳艷等[9]通過剖析相關子系統的相互影響，基于系統動力學方法研究港城間耦合關系；吳晶[10]以南通為例，構建港城發展協調度模型，測度二者的綜合發展水平；趙亞洲等[11]應用RCI指數研究北部灣港口城市的發展軌跡。3)從城市規劃的角度解析港城空間關系、港城界面更新等內容，主流觀點從強調緊密聯系轉為強調相互制約。例如：Huang等[12]認為港口在經濟全球化背景下的擴張導致土地、交通及環境問題，加速港城分離，但港城將在未來通過重建和更新的方式相互作用；Ravetz[13]認為隨著空間資源制約，港城間的關聯逐漸減退，進入相互制約階段，使得部分港口逐步脫離城市；Guo等[14]認為紐約、漢堡、鹿特丹等港口對推動城市發展、促進區域繁榮發揮了重要作用，港城可能在有限的空間內相互依存；陳再齊等[15]以古代廣州為案例，采用歷史地理方法，探討長時間跨度下港城的空間關系演化規律；姚苑平[16]研究發現，在國內已建成更多臨港新城的背景下，港口從業人員對通勤時間的容忍度和港城的相對空間是決定港城關系走向的重要因素；李照宇[17]以日照港主要港區為研究對象，得出臨港土地利用變化以及港口和臨港空間中心位置的遷徙規律。

已有研究中將一些服務于遠程腹地、以大宗干散貨運輸為主的港口城市定位為港口驅動型的結論有待商榷，這類港口對所在城市的帶動作用相對不足，港城雙邊關系中體量相對較大、增速相對較快的一方并不必然成為另一方的驅動因素。實際上，港口能給城市提供優越的交通便利、雙向開放的口岸樞紐，而城市可為港口提供直接的貨源支撐、基礎設施和勞動力要素保障，港城間既可能是相互支持、共榮共損的關系，也可能是偏利共生甚至相互掣肘的關系。港城共生因復雜的交互性形成復合系統，兩個子系統之間具備耦合特征，依靠子系統的協調共生才能實現整體優化。因此，本文將港口與城市的關系置于復合系統模型框架下展開研究，以評估其經濟關聯和交互提升的實際效果。首先基于因子分析法衡量港口子系統與城市子系統的綜合發展水平，繼而針對港口城市復合系統，先后構建靜態和動態共生性評價模型，采用聚類分析方法對環渤海地區港城關系進行分類，并針對不同的港口城市共生類型提出政策建議。

1 基于復合系統理論的港口與城市共生性評價模型

1.1 子系統綜合發展水平度量：因子分析法

假設Xt=(xt1,xt2,…，xti,…,xtm)和Yt=(yt1,yt2,…,ytj,…,ytn)分別表示港口子系統和城市子系統在第t年(t=1,2，…,k,k為研究年限)發展水平的特征向量；xti(i=1,2,…,m)和ytj(j=1,2,…,n)分別表示第t年港口子系統第i個指標和城市子系統第j個指標的數值，m和n為表征子系統發展情況的指標數。

首先基于因子分析法評價港口和城市子系統的整體狀況，以港口子系統S1為例，對特征向量Xt進行主成分分析；然后按照方差貢獻率高于85%提取主因子，假設選擇p個主因子，則港口子系統S1第t年綜合發展水平的計算公式為：

F(t,x)=α1×F1(t,x)+α2×F2(t,x)+…+αp×Fp(t,x)

(1)

同理，城市子系統S2第t年綜合發展水平的計算公式為：

F(t,y)=β1×F1(t,y)+β2×F2(t,y)+…+βl×Fl(t,y)

(2)

式中：β1,β2,…,βl為主因子的方差貢獻率,l為城市子系統主因子數量，l

由于利用主因子計算子系統S1、S2整體發展狀況的數值有可能為負數，對F(t,x)和F(t,y)進行指數化處理(式(3))，F′(t,x)和F′(t,y)均大于0，分別表示港口和城市的整體發展狀況。

F′(t,x)=exp(F(t,x)),F′(t,y)=exp(F(t,y))

(3)

1.2 復合系統共生性的靜態度量

首先構建港口與城市的靜態共生性模型，子系統S1和S2在t時刻的共生性用F′(t,x)和F′(t,y)的相對離差系數G(t)(式(4))表達，其值越小，子系統S1、S2在t時刻越協調。

(4)

因為F′(t,x)>0，F′(t,y)>0，所以G(t)最小的充要條件是：

(5)

因此定義子系統S1、S2在t時刻的靜態共生性C(t)如下：

(6)

式中：0

從子系統S1、S2的靜態共生性定義可以證明，當且僅當F′(t,x)=F′(t,y)，F′(t,x)×F′(t,y)達到最大值時，S1和S2的靜態共生性最佳，此時C(t)=1，S1和S2的相對離差為0；當F′(t,x)和F′(t,y)相差較大時，C(t)較小，相對離差則較大，此時港口和城市間的靜態共生程度較低。

1.3 復合系統共生性的動態度量

C(t)難以反映子系統之間共生性的發展變化情況[18]，即使子系統的整體發展都不理想，仍能獲得較高的數值，因此，為整體考慮兩個子系統的靜態共生性及二者所在階段的轉換，應進一步測度港口和城市的動態共生性D(t)：

(7)

式中：T為子系統的綜合評價指數；α、β分別為港口和城市整體狀況的權重，本文設定兩個子系統的重要性相同，取α=β=0.5；D(t)的值域為[0,1]。

在對研究范圍內的港口城市進行靜態和動態共生性測算之后，還需根據其共生關系的類型表現進行聚類，以提煉港城關系的演化軌跡。本文應用系統聚類法，以“歐氏距離”為度量指標，測算環渤海港城共生性的親疏程度，將共生水平及相關因素接近的城市歸為同種類型。

1.4 評價指標選取和數據來源

為全面體現港城復合系統的共生性，指標選擇參照下述標準：1)綜合性，能體現港口和城市的發展水平和主要特征；2)相關性，能反映港口和城市之間的多維互聯；3)動態性，即指標應具有時序特征。基于以上原則，對港口子系統的測度選擇貨物吞吐量、泊位數等指標，對城市子系統的測度選擇地區生產總值、人口數量等指標，作為共生性評價序參量(表1)。2003-2019年數據來源于相關城市統計年鑒(2004-2020)、統計公報(2004-2020)、中國港口年鑒(2004-2020)和中國港口協會官網。

表1 港口和城市子系統的序參量Table 1 Order parameters of port and city subsystems

2 環渤海地區港口與城市共生性實證評價

2.1 港口與城市的靜態及動態共生性計算

先采用因子分析法計算港口和城市兩個子系統的綜合發展水平，再運用SPSS軟件計算得到2003-2019年環渤海地區12個主要港口與城市的靜態共生性(表2)和動態共生性(表3)。表2顯示，環渤海地區港口與城市的靜態共生性顯著提升，均在0.6以上，如相對最低的營口港城靜態共生性從2003年的0.300升至2019年的0.606，日照從2003年的0.373升至2019年的0.629，只有唐山出現了小幅下降。港口子系統和城市子系統的綜合發展水平總體保持持續上升狀態，兩者相互促進、共生發展。但靜態共生性數值并不能完全說明兩個子系統之間是否有較強的共生關系，這也可能是由于子系統的綜合發展水平均不高所致。對比表2和表3的計算結果可以看出，環渤海地區12個主要港口與所在城市動態共生性的走勢與靜態共生性的走勢存在一定差別，如威海的港城靜態共生性數值一直接近1，而其動態共生性數值卻較低。綜上可知，對港城動態共生性的計算能避免前述靜態共生性的不足，更便于甄別港城關系的類型及演化過程，能科學反映港城關系的現實狀態。其中，唐山、日照等均在原來較低的港城動態共生性水平上實現了較大提升，天津則在研究期內一直保持領先。

表2 2003-2019年環渤海地區港口與城市的靜態共生性Table 2 Static symbiosis of ports and cities in Bohai Rim in 2003-2019

表3 2003-2019年環渤海地區港口與城市的動態共生性Table 3 Dynamic symbiosis of ports and cities in Bohai Rim in 2003-2019

2.2 聚類結果及分析

根據2003-2019年的動態共生性數值，運用聚類分析法和SPSS軟件，以歐氏平方表征組間距離，對環渤海地區港口與城市的動態共生性進行系統分類，進而反映各類港城共生關系的異同。圖1中橫軸刻度表示各類型的親疏程度，據此將環渤海地區港口與城市的動態共生性分為4種類型，分別代表4種狀態特征(表4)。

圖1 環渤海地區港口與城市動態共生性聚類分析結果Fig.1 Cluster analysis results of dynamic symbiosis of ports and cities in Bohai Rim

表4 港口與城市動態共生性的聚類劃分Table 4 Cluster division of dynamic symbiosis between ports and cities

類型Ⅰ的港口與城市處于平衡狀態，該類港城關系的特征是城市運營和港口發展均具有較大規模和較強實力，發展速度基本同步，港城之間表現出較好的共生態勢，天津和青島屬于該類(圖2)。天津港曾長期作為我國北方第一大港，并且天津市擁有完整、齊備的工業體系，一直將港口作為核心戰略資源，兩者的互動關系緊密，但近年來受河北省港口崛起的影響，天津港對城市發展的支撐力在2015年達到高峰后有所下降;青島港在研究期內相繼開發了前灣和董家口港區，集裝箱和大宗散貨的吞吐量顯著增長，并且青島市擁有城市環境優勢和堅實的臨港產業基礎，其港城動態共生性在2016年前呈穩步提升態勢。

圖2 類型Ⅰ港口與城市的動態共生性走勢Fig.2 Dynamic symbiosis trend of ports and cities for type Ⅰ

類型Ⅱ的港口與城市接近平衡狀態，煙臺、唐山和大連屬于該類(圖3)。煙臺港近年成長速度較快，港口資源整合成效及“走出去”戰略進一步助推了煙臺市在海工裝備制造等重點領域的臨港產業發展；唐山港在曹妃甸港區投入運營及首鋼進駐后進入高速增長期，同時唐山市以鋼鐵為核心的資源型產業格局也因便利的海運條件而被強化，大宗散貨作為唐山港吞吐量的主導貨種，與唐山市產業發展形成緊密關聯、相互助推的共生關系；大連港作為東北三省首要出海口，發展起點高，硬件條件和軟件環境都具備較強競爭力，研究期內大連的港城動態共生性多數年份相對較高，近幾年與唐山和煙臺基本趨同，由于周邊港口競爭等原因，大連的港城互動共生逐漸遲滯。

圖3 類型Ⅱ港口與城市的動態共生性走勢Fig.3 Dynamic symbiosis trend of ports and cities for typeⅡ

類型Ⅲ的港口與城市趨向平衡狀態，日照、黃驊、威海、秦皇島和營口屬于該類(圖4)。日照港作為新興港口，受益于優越的交通區位和鐵路運輸條件，進口鐵礦石既可自此運至山西、河北邯鄲等地，也可供應當地的大型鋼鐵基地，2020年中轉鐵礦石超過1.4億t，在“前港后廠”模式下，日照的糧油、紙漿等臨港產業發展與對應港口貨種運輸的互動強勁，已形成較好的港城共生格局；黃驊港以煤碼頭為主，貨物吞吐量中的煤炭占比高，當地產業與港口的共生性不強，近些年，包括鐵礦石、集裝箱、液體化工等碼頭類型的黃驊港綜合港區運營后，港城共生關系呈快速上升態勢；威海港整體規模不大，近年來因中韓經濟合作遇到瓶頸，威海市的臨港產業發展也受到影響；秦皇島港長期是我國煤炭調運的中樞，但與所在城市的經濟活動缺乏關聯，近年煤炭運量逐漸收縮，貨物吞吐量排名降至全國港口前20名以外，為凸顯秦皇島的旅游城市定位，港口發展將進一步落實戰略轉型，側重培育郵輪母港等業務；營口港得益于距內陸腹地較近等地理優勢，重點吸引了鐵礦石等貨源，以鞍鋼集團鲅魚圈工廠投產為標志，營口的臨港經濟具備了相當的基礎。

圖4 類型Ⅲ港口與城市的動態共生性走勢Fig.4 Dynamic symbiosis trend of ports and cities for type Ⅲ

類型Ⅳ的港口與城市遠離平衡狀態，包括錦州和丹東(圖5)。錦州港在研究初期主要依靠率先推進市場化轉型實現快速增長，后來漸趨平穩，近幾年錦州市的臨港經濟有所起色，表現為港城之間的動態共生系數上升；丹東港口和城市的體量均較小，港口對帶動城市經濟增長的貢獻不顯著，特別是近幾年丹東港因為債務問題而不景氣，港城共生程度逐漸下降。

圖5 類型Ⅳ港口與城市的動態共生性走勢Fig.5 Dynamic symbiosis trend of ports and cities for type Ⅳ

2.3 評價結果分析

由以上對環渤海地區的評價結果可知，由于港口發展階段和城市經濟體量的變更，港城共生的緊密程度和主輔關系會有調整，據此將環渤海地區港口城市歸并為兩大類：第一大類包括Ⅰ、Ⅱ兩種類型，其動態共生性較高，港城之間處于較均衡狀態。此類港口城市應以提升發展質量和層級為重點，推動港口相關產業高增值導向升級，形成和強化正反饋機制，推進港口和城市的轉型升級，推動港城共生關系提質，實現“港產城”傳導鏈條的正向互動，使港城共生關系達到更高水平。第二大類包括Ⅲ、Ⅳ兩種類型，其動態共生性較低，主要原因有：一是港口運營對城市發展具有較強推動作用，但所在城市的整體水平在一定程度上制約了港口功能升級，如黃驊、日照，該類城市應著力彌補城市環境短板，提升城市規模以及整體品質，消除城市維度對港口功能升級的制約，通過優化港城界面將港口的負面影響控制在有限范圍內，化解大規模港口運營和城市空間疊加的壓力，通過提升環境品質改善城市特征；二是城市已進入產業多元化發展階段或確立了新的城市定位，港口雖然在城市建立初期發揮過重要作用且仍然具有相當規模，但目前城市發展開始脫離對傳統港口業務的依賴，如秦皇島、丹東等，該類城市實際上是港城關系進入成熟期之后的正常表現，港城共生性從曾經的高位趨于下降，說明港城間正在逐步脫鉤，今后需進一步增強城市產業的多樣性，以保障城市在脫離港口的支撐后擁有經濟增長的新動力，同時要大力拓展城市新的產業路徑，謀求產業發展多元化，培育足夠的新產業，提升城市的多維要素整合力和綜合性。

3 結論

港口發展已從強調高速度轉為高質量，依靠吞吐量規模獲取競爭優勢難以持續[19]。基于復合系統的港口城市共生性評價模型具有較廣泛的適用性，是用于港城關系研究的一個新架構。本文以環渤海地區的12個港口城市為研究樣本，基于復合系統模型計算2003-2019年港口與城市的靜態及動態共生性，并對動態共生性做聚類分析。主要結論如下：1)港口和城市是具有互補性特征的異質共生單元，雙方由于地理空間融合及經濟活動交互而形成緊密關聯，環渤海地區港口與城市的靜態共生性在研究周期內明顯上升并達到較高水平，動態共生性則差別較大，展現出不同的類型特征，受產業發展水平制約，多數環渤海地區港口與城市的共生性仍將長期處在高位；2)基于聚類分析將環渤海地區主要港口與城市的動態共生性分為平衡(天津和青島)、接近平衡(煙臺、唐山和大連)、趨向平衡(日照、黃驊、威海、秦皇島和營口)、遠離平衡(錦州和丹東)4種類型；3)各港口城市應該依據自身發展階段、類型以及存在的問題，選擇適用而非通用的發展路徑。

本文研究不足之處在于：構建的港口與城市共生性評價模型側重反映港城之間的共生程度及其變化，未充分衡量其共生質量，難以甄別港城經濟關系密切但卻相互低端鎖定的可能，后續研究需納入結構性、質量性的考核指標進行分析。