京津冀技术创新、产业结构与生态环境耦合研究

(河北工业大学 经济管理学院,天津 300401)

1 引言

关于技术创新与生态环境的研究,“波特假说"认为适当的环境规制将激发更多的创新活动,从而同时实现环境绩效和经济利益[1]。Grossman、Krueger认为经济增长技术、结构和规模效应是影响区域环境质量的主要因素[2]。在世界石油等能源消耗带来资源耗用和碳排放问题后,学者们开始重视技术进步来源和方向问题,如Popp D基于技术进步的内生性构建能源部门的环境政策经济模型,结果忽视了内生技术进步将高估环境管制成本[3];Acemoglu等通过有偏技术进步理论,论证了清洁型与污染型两类技术进步的不同特征和创新水平将导致差异性的经济效益和对环境的影响[4];而Stephan G、Müller-Fürstenberger G则讨论了技术转让、变革对全球变暖的作用[5];Ding W等分别研究了低碳、能源技术对碳排放的影响[6]。在理论方面,姚平、姜曰木[7]、谭文华[8]为技术创新实现经济绿色发展提供了机理研究。在实证方面,傅为忠等利用SEM-PLS和DEA模型验证了区域技术创新对环境绩效的正影响作用[9];马艳艳等运用省区数据考察了不同来源技术进步对CO2排放效率的作用[10],从技术进步方向检验了对生态环境的作用[11,12]。

关于产业结构与生态环境的研究,国内外学者都围绕EKC曲线和脱钩定理进行了大量实证研究,证实了产业经济与生态环境之间的倒“U”型演变规律[2,13,14]，并从产业投资、FDI、贸易顺差等细分角度研究了产业与生态环境的关系。Jalil、Feridum认为金融行业对环保设施的引进有助于缓解区域的低碳排放[15];Shahbaz M等运用格兰杰因果关系分析了CO2、能源与金融之间的关系,认为金融发展是通过鼓励投资节能技术来提高国内生产和环境退化,主要在改善环境质量方面发挥作用[16]。国内对产业结构研究的中心逐渐从经济效益的EKC实证研究和脱钩定理验证研究转向通过产业结构调整对生态环境的作用研究。原毅军、贾媛媛认为产业结构变动对污染减排具有显著作用,以第三产业结构变动的污染减排效应最明显[17];张华等以辽宁省为例，证实了生态文明建设与产业结构高级化在波动中不断提高且存在长期的均衡关系[18]。此外,自刘耀彬等将物理耦合模型运用于城镇化与生态环境关系的研究以来,学术界不断延伸对耦合模型的应用[19-21]。本文选择京津冀地区作为研究对象,借用物理耦合模型,通过指标体系构建和熵权法,以京津冀地区2006—2015年数据为支撑,分析京津冀地区的技术、产业和生态的协调程度与发展模式,为实现京津冀地区协同发展、产业转型升级战略提供政策建议。

2 研究区域与数据来源

2.1 研究区域

京津冀地区是我国华北地区政治经济的重要核心地区,土地面积约21.6万km2,人口约1.1亿人。2016年,地区生产总值75624.9亿元,占我国GDP的10.16%。尽管京津冀地区总体经济水平较高,但过去多年来经济效率的提升却伴随着严重的生态环境问题。根据2016年的统计数据,京津冀地区13个城市的空气质量平均超标比例达43.2%,地区每平方公里每年消耗的煤炭相当于全球平均值的30倍;特别是海河流域水质呈重度污染,在水系的125个国考断面中劣Ⅴ类上升3.2%。面对着来自经济、能源的压力,如何实现低碳、绿色、协调发展成为京津冀地区发展亟待解决的问题。因此,对京津冀地区开展技术、产业、生态耦合协调研究具有十分重要的意义。

2.2 数据来源

本文使用数据分别来自2007—2016年的《中国统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、《中国科技统计年鉴》、《北京市统计年鉴》、《天津市统计年鉴》、《河北省经济统计年鉴》等。

3 TIE系统三维耦合模型构建

3.1 TIE三维耦合机理分析

TIE三维耦合内涵:在技术创新—产业结构—生态环境系统(TIE)中(图1),三个子系统密切关联。首先,技术创新是生态环境建设的重要保障和有力途径。加强技术创新,可改变末端治理的传统环境治理模式,有助于提高生态系统中的传递效率,加强生态环境系统对经济发展的供给能力。同时,技术创新通过提高投入和产出转换效率,推动产业结构变革,是产业结构优化升级的驱动力。其次,产业结构优化升级为科技革命提供了动力和条件[22]。通过带动国内和国际市场的不断扩大和细分,加剧市场竞争,迫使企业进行技术创新竞争,引进新技术或改进已有技术[23,24],且产业结构的合理化、高级化与经济发展集约化程度同方向变动。产业结构的优化升级在很大程度上可改善经济活动对生态环境的胁迫程度。第三,生态环境要素、资源禀赋为产业发展提供物质基础,决定了区域产业发展的次序和规模。生态环境为技术创新提供资源支持,倒逼技术创新的实现。良好的生态环境有利于地区的人才引进、资金的投入和高技术产业的迁入,能满足科技创新过程中需要的一系列要素。理性的企业应重视环境对企业发展的要求,通过投资新技术、新工艺满足生态环境的客观要求和限制。

图1 技术创新—产业结构—生态环境的胁迫耦合关系

TIE三维耦合运行机理:由于TIE子系统之间的交互作用关系,以及技术、产业与环境之间无时无刻都发生着资源和能量的输入、输出,如技术和生产活动需要从环境中获取必备的生产资料,生产过程又会向外排放大量的工业废气。从系统理论视角出发,TIE构成了一个具有开放性、动态性、自组织性、非线性等特点的复杂巨系统[25]。该系统的稳定性与进步性决定了人类经济社会与区域自然环境可持续发展的状态,系统的耦合表征了某一时点各系统间、系统内各要素间交相作用的演进态势或趋向。协调则强调系统发展的约束条件,在环境变化和TIE各系统及其构成的非线性作用下,实现TIE各子系统之间的耦合协调从低级向高级更迭是其最终目标。

系统自组织理论认为,开放的系统在没有外界干扰的情况下系统内部的能量、物质与信息的不断交换实现正负反馈。外界能量输入作为负反馈降低系统内的熵值,实现系统从无序走向有序。然而,在现实情况中技术创新、产业结构和生态环境发展、相互耦合的时序不一定相同,如果经济发展过快,超出生态环境的承载阈值,区域生态环境恶化,最终区域的产业、技术系统都将受到遏制。另一方面,生态环境投资比例过大或建设过快,出现不符合资金最优利用规律,区域技术和产业系统的发展也会因为资金的匮乏而停滞。此时,就必须通过外界的调控措施实行负反馈机制,重新将系统带入有序的发展轨道。

本文认为TIE耦合协调发展的作用机理来源于两方面:一方面,复杂巨系统内各子系统通过突变、反馈和涨落的自组织行为实现无序向有序发展;另一方面,他组织行为即人对系统的干预行为,可针对系统自组织的不平衡或失灵状态进行纠偏措施,使巨系统保持有序稳定。系统在自组织与他组织的作用下实现低级协调向高级协调的螺旋式上升,作用机理见图2。

图2 TIE系统耦合协调发展机理

3.2 综合评价体系的确定

本文遵循系统性、科学性、可量化性和区域针对性四项基本原则,参考文献中评价分析技术创新、产业结构和生态环境的指标,结合理论分析,确定技术创新、产业结构和生态环境发展的主要变量,构建三系统的指标体系。对技术创新指标,本文借鉴焦敬娟[26]、陈劲、陈钰芬[27]、李兴光等[28]研究成果,从创新潜力、创新投入、创新产出、创新环境构建包含4个一级指标、15个二级指标的综合体系。综合有关文献得知,产业结构的合理化与高级化对生态环境具有积极作用,因此本文从产业结构合理化、高级化及其经济效益三方面选取6个指标。生态环境方面,本文基于P(压力)—S(状态)—R(响应)模型,构建3个一级指标、16个二级指标。本文构建的技术创新—产业结构—生态环境综合评价指标体系见表1。

表1 技术创新—产业结构—生态环境综合评价体系及权重

产业结构合理化与高级化计算:有关利用“第三产业产值/第二产业产值"衡量产业结构高级化的论证已受到学者们的广泛认可[29-31],但产业结构合理化的测度和方法还没有达到统一。根据干春辉的研究,运用改进的泰尔指数测量产业结构合理化既有效避免了传统结构的偏离度或泰尔指数的运算缺点,又将产业的相对重要性纳入考虑范围[32],因此本文运用改进的泰尔指数计算产业结构的合理性,具体的公式为:

式中,Y为产值;L为就业(就业人数);n为产业部门数;i为某一产业。若产业结构合理,TL=0;若产业结构不合理,TL≠0,且TL越大，越不合理。

数据标准化处理:本文采用极差标准化方法来消除不同指标的量纲和数量级对计算结果的影响,公式为:

以往，师范院校培养出的师范生，毕业后直接分配到学校中从事教学工作，他们面临的首要问题是融入到这个陌生的大家庭中，以适应学校的教学制度、教学环境以及同事、师生的人际关系。人们往往认为教师无非是“嘴加粉笔”的角色，具备了这个条件，教师就能把书教好。鲜有新教师毕业后关注自身的发展，大部分教师毕业后一直坚守在教学岗，几乎没有参加过各种培训、进修活动，认为学校期间所获得理论知识和教学技能，足够胜任日后的教学工作。然而一个新教师只有清楚地认识其角色，才能明确地定位自身的职责与要求，同样一个优秀教师也需准确地、全面地审视自己在教学中所扮演的角色与要求。

指标权重赋值:为了保留数据本身的特点,避免主观干预对指标赋权的影响,利用熵权法,根据各个指标值的变异程度来确定客观权重。计算方法为:

计算第i个系统第j个指标的比重pij;m为样本量;n为评价体系指标个数。

计算第j个指标的信息熵ej,其中,k=1/lnm。

计算第j个指标的差异系数gj:

(6)

计算第J个指标的熵权wj:

综合评价函数:通过线性加权平均法分别计算京津冀两市一省各自的技术创新综合评价指数(TI)、产业结构综合评价指数(IN)和生态环境综合评价指数(EN),均介于[0,1]。值越大,表明该系统发展水平越高;反之,则越低。公式为:

3.3 三维耦合模型

耦合度模型:耦合度反映相互作用的系统之间耦合关联的强弱,技术创新、产业结构和生态环境三个系统存在交互关系,因此本文借鉴物理学中容量耦合概念和模型,设C表示耦合度,则多个系统之间的相互作用的耦合模型可表示为:

C=t{(u1,u2…ut)/Π(ui+uj)}1/t

(9)

式中,U为系统功效函数;t为系统个数;i和j分别表示第i个和第j个系统。令TI=U1,IN=U2,EN=U3，建立三维耦合模型:

式中,c∈[0，1]为耦合度,c值越大,说明系统协调性越高,达到良性共振且有序发展;反之,c值越小,越不协调,系统无序发展。相关研究及应用主要沿用廖重斌[33]的等级划分法。根据c值将耦合度细化为10个等级,以区分系统协调程度,见表2。

表2 耦合度C等级划分

耦合协调度模型:耦合模型可表示各系统之间的良性共振,但要反映系统的真实水平和状态,还需要引用耦合协调度模型,公式为:

T=αu1+βu2+γu3=αTI+βIN+γEN

(12)

式中,α、β、γ为待定系数;T为三维系统综合评价指数。

表3 耦合协调度等级划分

根据三系统的不同贡献率进行取值,但满足以下条件：α+β+γ=1。本文认为技术创新、产业结构与生态环境三系统同等重要,故取α=β=γ=1/3。在经过耦合度与耦合协调度两次运算后,最终得到系统的耦合协调度D(D∈[0,1])。同时,借鉴王少剑、方创琳[34]的研究成果,根据TI、IN、EN三者依次的大小,将细分为3个大类、4个亚类、12个子类型,技术创新、产业结构与生态环境的关系见表3。

4 结果与分析

4.1 各子系统综合发展水平分析

本文运用熵权法计算得到京津冀地区技术创新、产业结构、生态环境各子系统各评价指标权重(表1),得出2006—2015年京津冀地区各自的技术创新子系统综合和评价指数(TI)、产业结构子系统综合评价指数(IN)、生态环境子系统综合评价指数(EN)和京津冀地区在考察期内的TIE系统综合评价指数(T),并绘制出2006—2015年京津冀地区TIE各子系统及系统整体的综合发展水平图(图3—图5)。

图3 京津冀地区技术创新综合评价指数TI

图4 京津冀地区产业结构综合评价指数IN

图5 京津冀地区生态环境综合评价指数EN

根据图3—5可知,京、津、冀三地的技术创新、产业结构、生态环境子系统综合水平在考察期内都呈现增长趋势,且遵循北京市优于天津市、天津市优于河北省的次序。在技术创新方面,自2006年起北京的技术创新能力不断提升,截止2015年已达到0.897,比2006年0.399增长了约125%,天津市和河北省的进步速度明显趋于缓慢,天津市的技术创新水平为0.096—0.330,河北省的技术创新水平为0.052—0.252。在产业结构方面,北京市的产业结构2015年达到0.955,接近最大值1。天津市和河北省的产业结构水平远低于北京市,为0.086—0.518,距离产业结构转型升级达到最优化还有较大差距。此外,较前两个子系统,三地的生态环境综合水平在考察期间的起伏较小,北京市的生态环境综合评价指数为0.693—0.800、天津市0.432—0.632、河北省0.243—0.445。

从图6可见,从TIE系统整体的综合水平(T)来看,北京市的数值为0.519—0.884,自2010年起综合水平指数的上升趋势超过前4年。天津市综合水平较低,为0.246—0.493,发展上升速度2010—2012年与北京市相似,但2012年上升速度明显缓慢,2012年与2013年综合水平变化小。河北省系统整体的综合水平在考察期间仍最低,自2006年开始呈现小幅上升,从0.128上升到0.339,但最高值仍小于北京市考察期间的最低值(0.519)。

图6 京津冀技术创新—产业结构整体综合水平T

在技术创新指标体系中,技术市场成交额、R&D经费来源于政府金额和国外主要检索工具收入科技论文个数的权重系数最高,对综合水平的影响最大。研究结果正好与事实相符,北京市3个指标上年投入量和产出量均远远高于天津市和河北省。技术市场成交额反映了地区技术创新的产出,也反映了地区技术转移、扩散的能力;R&D经费来源反映了地区政府对技术研究的投入程度和当地技术创新的政策环境;国外主要检索工具收入科技论文个数表达了地区的基础研究成果,侧面与当地知识获取潜力交相呼应。所以,当地企业与政府机构在考虑和构思技术创新战略与政策时应重点关注技术市场的流动情况,政府要重视对当地创新氛围的引导,同时要助力和培养高校、企业、科研机构的基础研究开发与应用。

产业结构方面,比重最大的是高级化指标中的第三产业产值与第二产业产值的比重。结果表明,京津冀三地产业结构发展严重不均衡,出现产业发展断层现象。在最新的京津冀协同发展战略的引领下,区域内产业结构政策由第一产业为主,第二、三产业为辅转变为第一产业向第二、三产业转变。但天津市与河北省的自然资源禀赋和区域优势使两地分别以制造业和重工业为经济发展模式。实现北京市、天津市与河北省的区域分工专业化，加强三地产业结构的阶梯性、互助性，并不意味着天津市或河北省要受限于资源，或延续传统的发展模式，或片面地看待区域产业转移政策,而要加快攻克技术难题,引进高技术人才,推动金融、旅游等服务业发展,促进产业的行业集聚,强化产业结构优化水平,提升地区市场经济水平,迎合京津冀协同发展的战略和时代要求。

生态环境方面,常住人口增长率(0.108)成为生态环境压力状况的最重要因素,这与京津冀地区事实情况相符,北京市人口压力不断增加是影响当地资源消耗的重要原因之一。人均水资源(0.098)占地区生态环境可持续发展体系权重最大。从水资源方面来看,河北省处于最高水平,但由于在能源消耗和空气质量等方面的低质量表现,使河北省的可持续能力整体水平较弱。在生态环境响应环节,一般工业固体废物综合利用率(0.074)、环境污染治理投资占GDP比重(0.065)名列前茅。从治理力度和当前形势来看,河北省尤其需要加大环境治理投入,设立更有效的环境补偿机制体制。

图7 TIE三维系统耦合度

图8 TIE三维系统耦合协调度

4.2 系统耦合协调度时空分析

根据构建的京津冀地区TIE三维耦合协调度模型,结合2006—2015年京津冀技术创新综合评价指数(TI)、产业结构综合评价指数(IN)、生态环境综合评价指数(EN),TIE系统综合评价指数(T)的计算结果,进一步得到系统的耦合度C和耦合协调度D,见图7、图8,表4。

表4 技术创新—产业结构—生态环境(TIE)耦合特征及类型

由图7、表4可知,北京市TIE三维系统耦合度长期保持在0.950水平以上——优质协调,为系统有序发展状态。天津市耦合度2006—2009年保持在0.837—0.853之间,在2010年相比前期增长幅度快速上升到0.898, 2011年进入优质协调行列;2011—2013年实现了较大跨度的增长,耦合度上升为0.961,并在2014年达到最高值0.966。河北省的耦合度在小幅波动中实现上升,2006—2008年变化幅度呈现小幅增长和下跌，2008—2015年耦合度曲线呈倒“U”型,耦合度在2010年第二次接近天津市耦合系数，在2011年后一直保持高于天津市水平的状态,2014年达到最高值0.986,接近北京市的耦合系数。但根据2015年的耦合系数情况,河北省的耦合系数出现下滑,有可能落后于天津市。

由图8和表4可知,2006—2015年京津冀地区的耦合协调度整体为上升趋势,考察期北京市耦合协调度可划分为两大阶段:第一阶段为2006—2010年,耦合协调度从0.711上升到0.798,处于生态环境超前,技术创新和产业结构相对滞后的基本协调阶段,该阶段的发展类型为转型发展；第二阶段为2011—2015年,北京市已升级为协调发展—高级协调阶段,该阶段的耦合特征发生变化,产业结构实现超前发展,技术创新与生态环境相对滞后。天津市耦合协调度在考察期间分为两个阶段:第一阶段为2006—2008年,耦合协调度为0.454—0.492,为不协调发展—基本不协调状态；第二阶段为2009—2015年,进入转型发展—基本协调阶段。整个考察期间耦合特征都表现为生态环境超前,技术创新和产业结构相对滞后。河北省的耦合协调度为0.321—0.574,阶段划分情况与天津市相同,在2006—2011年为不协调发展—基本不协调阶段,2012年进入转型发展—基本协调状态。

从时间和空间特征来看,河北省比天津市晚3年进入转型发展阶段,天津市与河北省比北京市进入转型发展晚3年或以上。由于天津市、河北省在技术创新、产业结构、生态环境三子系统的综合水平与北京市的差距较大,两地距协调发展—高级协调阶段还有一定的距离。自2006—2015年以来,不论是北京市、天津市还是河北省,技术创新一直处于落后状态，可见京津冀需要在技术创新方面加大举措力度,加快实现技术创新对产业结构和生态环境的促进和改善作用。

5 结论与建议

5.1 结论

本文的研究表明:①技术市场成交额、产业结构高级化以及常住人口增长率分别对技术创新、产业结构和生态环境的贡献率最高。②京津冀三地在TIE系统的综合水平发展优良等级关系明显,为北京好于天津好于河北的状态,且津冀两地与北京的差距过大,天津综合得分比北京低0.315,河北省比北京低0.452。③在耦合协调度测算模型中,北京市技术创新、产业结构和生态环境的耦合与协调达到优秀水平,天津市与河北省目前都处于技术创新与产业结构滞后于生态环境的转型发展阶段,两地技术创新对产业转型升级和生态环境的支持效用不明显。

就本次实证研究来看,以往行政划分产生的“诸侯经济”依然明显。长期差异化的政治化资源分配使北京集聚了人才、资本、技术、科研等资源优势。如技术创新竞争力,北京的创新潜力和创新投入力度明显高于津冀。此外,不平等的政治和经济地位造成产业政策隔离化,长期的资源要素分配不均导致三地产业周期不同步,产业、经济的非均衡状态联动带来严重生态环境问题,影响区域内部的协调发展和各省市TIE系统的优质协调。

5.2 对策建议

面对经济可持续发展和京津冀成为世界级特大城市群的发展的目标,首要要解决协同发展问题,通过影响三地要素、资源的流向和分配,引导津冀的技术和产业发展,实现技术创新驱动产业结构转型,缓和与优化生态环境,最终实现技术创新—产业结构—生态环境优质协调发展。因此,提出以下对策:①重点搭建区域协同顶层设计,从技术、产业、生态方面制定协同机制,突破原有的地方本位思想,找到京津冀地区的利益共同点,实现各地的协作对接,提高区域经济粘性,建立责任与利益对等的规章制度,最终实现京津冀区域内合理的利益分享格局。②分别针对技术、产业和生态环境展开研究。就技术创新而言,津冀两地技术创新产业结构转型升级和生态环境的促进作用不明显。尽管北京市技术创新实力远高于津冀,但北京对区域内部的技术转移与扩散效应不乐观。因此,北京要注重对津冀的技术转移、扩散效应。通过共建科技创新平台,将北京的新技术、新产品在津、冀两地共享。天津与河北要积极向外寻求技术创新资源,向内培养创新环境,强化基础研究能力,搭建产学研合作平台,强化创新产品。③就产业而言,在京津冀一体化发展政策的产业转移和承接过程中,要制定适当的补贴和税收政策,建立多方位补偿机制。京津冀各地在结合自身资源、要素特征实现差异化发展时,应明确责任与利益分配制度。只有建立责任与利益对等的规章制度,才能保证产业协同的持续动力。关注京津冀产业集聚和新兴产业联盟,以集聚效应和企业集体行动促进企业间的贸易和技术交流。抓好中国2025制造与雄安新区建立的契机,配套优惠政策,积极吸引高科技人才、引进并积极发展智能制造等创新驱动产业,促进工业向中高端迈进;促进当地清洁能源、绿色技术行业发展,推动当地经济由资源要素驱动向创新要素驱动模式转型。④就生态环境而言,技术创新和产业结构的良好发展有利于提高生态环境质量。制定针对性的生态补偿制度,加大财政转移支付资金不可或缺。政府要树立边际效益思维,通过市场机制,权衡污染防治投入与效益,以探求长效环境治理机制为目标。更重要的是TIE系统的协调发展不是系统内要素的平均化,而应关注当地环境资源的特征和技术的互补性,尤其是津冀两地要加快提高技术创新竞争力,通过打造科技创新链,推动经济可持续发展。