老工业基地城市产业集聚与区域创新的时空耦合研究

李 瑞 李北伟

1（宿迁学院管理学院，宿迁 223800） 2（吉林大学管理学院，长春 130022）

近年来，东北老工业基地典型城市既需要面对新常态下经济下行带来的矛盾和问题，又要看到创新驱动战略下经济向好的趋势性变化 （宋冬林，2017）［1］。创新驱动战略下的城市经济发展把创新作为培育内生发展动力的重要生成点，这可以最大程度突破人口、资本、自然资源等对城市经济增长的限制，以推动城市经济拐点式发展（张彩江等，2017）［2］。产业集聚区域内产生的大量知识溢出可以降低创新风险，同时累积效应产生的公共知识资源也可以促进创新的长期发展，产业集聚逐渐成为区域创新的主要支撑 （Baptista和Swann，1998）［3］。产业空间集聚效应对城市功能的演化起着关键作用，区域创新的不断加强为城市培育了发展新动能，产业集聚与区域创新实现了良好的互动协调发展关系 （Combes， 2011）［4］。老工业基地城市创新驱动战略下的城市创新总体上获得了发展，然而产业结构单一、机制创新不足、市场化程度低、创新活力缺乏等原因导致了老工业基地城市经济发展放缓。因此，有必要从创新驱动的城市发展战略入手对老工业基地城市产业集聚与区域创新问题进行科学认识，准确把握产业集聚与区域创新的协调发展关系，对于老工业基地城市统筹产业集聚、区域协同创新、缩小城市发展差距具有重要的现实意义。

关于产业集聚的问题，学者们从产业和空间两个维度，围绕制造业集聚、生产性服务业集聚以及两个产业的协同集聚问题展开相关研究。已有研究表明：城市群中的核心城市是生产性服务业发展的重要空间载体，城市群中的次中心城镇是制造业发展的重要空间载体 （Coffey等，1996；Sam 和 Nahm， 1998）［5，6］； 生产性服务业空间集聚态势在不同类型或不同功能的城市及城市群中存在明显差异 （Boiteux-Orain 和 Guillain， 2004）［7］；生产性服务业集聚可以与推进城市化发展实现互动，进而推进城市化，并实现生产性服务业的新一轮集聚 （Aslesen 和 Isaksen， 2007）［8］； 城市群的形成和发展是以产业集聚的发展为核心 （贺灿飞等，2010）［9］；在城市群范围内促进制造业与生产性服务业协同集聚是制造业效率提升和产业结构升级的关键 （刘叶和刘伯凡，2016）［10］；源自制造业集聚与生产性服务业集聚的多中心集聚互动效应显著提升了城市群的生产率 （魏守华等，2016）［11］；因城市群生产性服务业集聚不均衡，导致的行业集聚水平差异使得各城市各具发展优势。

有关产业集聚对区域创新影响的研究表明：产业集聚的原因可归结为劳动力市场共享、中间投入产出以及知识和技术的外溢 （Marshall， 1920）［12］，产业集聚对区域创新的影响主要表现为产业集聚有利于知识和技术的溢出，以此提升区域创新能力（程中华，2015）［13］；产业集聚可以促进知识和技术的空间溢出，可以显著地推动区域创新 （Cerald和 Satyajit， 2007； 赵航， 2011）［14，15］； 制造业集聚显著加快区域的创新 （刘军等，2010）［16］；位于集聚区之内的企业获取的共享技术外部性，使得集聚区内企业的创新能力更强 （Poon等， 2013）［17］。集聚区产生的技术外部性（知识溢出）强化了区域创新 （徐维祥和刘程军， 2015）［18］。

本文分析生产性服务业与制造业的协同集聚与区域创新的互动协调关系。有关产业集聚与区域创新的互动关系，尚需强化区域创新系统内部的协调关系。沈宏婷等 （2017）［19］的研究表明，区域创新是以有效创新载体为支撑，包含创新投入、创新产出和创新效益的综合过程。考虑到城市产业分工的细化、空间联系以及区域整体创新等对城市经济发展的影响，本文以吉林省中部创新转型核心区7个城市的2008～2020年的统计数据为样本进行分析。利用区位熵、协同集聚指数衡量产业集聚程度和产业协同集聚程度；构建城市创新的投入、产出和效益综合评价指标体系，测度三者之间的耦合协调关系；最后利用耦合协调模型对产业集聚与区域创新的耦合协调情况进行分析，并进一步探讨耦合协调度的空间特征，以期为创新驱动战略下的老工业基地典型城市产业集聚与区域创新的互动发展提供参考。

1 研究方法、指标选取与数据来源

1.1 产业集聚与区域创新的耦合机理

产业集聚发展推动城市专业化功能的提升，城市的创新主体集聚、创新资源优化配置、创新体系和文化生成等有效带动了区域创新发展 （徐维祥等，2017）［20］。随着产业分工的深化，城市的产业结构得到不断优化和调整，各城市的产业发展都呈现出空间集聚发展态势。因此，可将产业集聚与区域创新之间相互联系、相互促进、相互影响的动态互动关系界定为产业集聚-区域创新耦合。

（1）产业集聚促进区域创新

城市发展过程中形成了专业化和多样化产业集聚模式 （席强敏等，2015）［21］。专业化集聚产生了MAR外部性，专业化集聚可以有效提供中间投入品和专业劳动力，最大程度地降低企业成本。同时，专业化集聚可以产生知识等溢出效应，促进产业内企业的更多交流和深化创新理念，从而有利于提升城市创新能力 （刘鹏和张运峰，2017）［22］。专业化的集聚经济有助于区域创新活动的开展。

产业多样化集聚会产生明显的Jacobs外部性，多样化集聚降低了产业间交易、运输等成本和提高了企业生产效率，产业多样化集聚产生的溢出效应也将促进城市区域内产业整体的技术进步。随着制造业对生产性服务业需求的增多，多样化集聚有助于促进生产性服务业和制造业互动创新（程中华和刘军，2015）［23］。产业的协同集聚表现为协同集聚、协同定位，制造业有区位锁定效应，产业关联的作用机制产生指向性的产业协同集聚形成集中连片空间布局 （张虎等，2017）［24］。借鉴吉亚辉和杨倩妮 （2017）［25］的理论推导，生产性服务业的规模经济使得信息流通速度快、交易成本降低、制造业成本降低，能够实现制造业与生产性服务业协同集聚，知识、信息等要素的空间交互实现了两大产业价值链有效契合，产业协同集聚促进产业的规模外部经济和专业化分工，促进产业链条的升级。因此，制造业与生产性服务业协同集聚对区域创新有着重要的推动作用。

（2）区域创新优化产业集聚

区域创新为城市产业结构优化和转型升级提供了支持，区域创新的推进是人口、经济、环境等要素协调发展的联动机制，是城市向服务创新型转变的重要动力。区域创新过程中的诸多创新要素间存在着多重关联的相互作用关系，既相互促进又相互制约，并且随着参与要素的不断变化，其相互作用关系也会进行动态调整。区域创新是由投融资、知识创新、技术创新、政府调控、知识技术流转和知识与技术应用转化6个系统组成的复杂开放巨系统，区域创新系统主要由创新投入、创新产出和创新效益3个子系统构成。区域创新将推动更多的新兴产业发展，催化产业的技术进步，为产业的分工深化奠定基础，培育以创新人才为核心的科技创新力将进一步加快产业结构创新升级。区域创新是推动城市经济可持续发展的重要引擎之一，提升城市的综合竞争力应当从培育产业的创新能力着手。因此，区域创新会加速城市产业要素资源的有效流动与优化配置，促进产业结构的不断调整，使城市空间布局不断优化。

续 表

1.2 研究方法

1.2.1 产业集聚测度

本文采用区位熵指数测度产业的集聚程度，区位熵指数的公式为：

式中，LQij为i地区j产业在中国的区位熵。Eij为i地区j产业的就业人口，E为全国的就业人口。LQij数值越大，表示i地区j产业的集聚程度越高，j产业就具有明显的比较优势。

本文采用适用于考察城市层面的产业协同集聚指数Θ（陈建军等，2016）［26］，其计算公式为：

式中，Smi表示i产业在m城市的集聚度，Smj表示j产业在m城市的集聚度，Θ指数相对于其他产业协同集聚指数的优势是能够反映协同质量和协同高度。

1.2.2 耦合协调度模型

（1）综合评价模型

为深入探讨产业集聚与区域创新之间的时空耦合关系，对产业集聚与区域创新两个复杂系统的综合发展水平进行测算，设变量Xij（i＝1，2，3；j＝1，2，…，n） 为i系统中第j个指标值，αij、βij是系统临界点Xij的上限和下限值。已有研究表明（魏璐瑶和陈晓红，2017）［27］，对指标数据的无量纲处理将消除各系统指标量纲的不同，标准化处理后的值为xij，αij、βij为xij的最大值和最小值，xij表示变量Xij对系统的功效贡献值，xij的取值范围为［0，1］，xij的计算公式为：xij为正向指标时xij＝（Xij-βij）／（αij-βij）；xij为负向指标时xij＝（αij-Xij）／（αij-βij）； 利用线性加权法 （陈雁云等， 2016）［28］确定两个复杂系统的综合发展水平评价值，综合评价模型为：

式中，Ui为创新系统水平评价值，其中，U1为产业集聚水平的评价值，U2为区域创新水平评价值。区域创新系统是由创新投入、创新产出和创新效益3个子系统所构成的复杂系统，3个子系统间存在非线性互动关系和内部的协调性。区域创新的投入、产出和效益3个子系统的综合发展水平评价值为U3、U4和U5。为避免主观因素的偏差，采用熵值赋权法 （龚艳和张阳，2016）［29］来计算生产性服务业和制造业的协同集聚和区域创新系统各指标的权重rij，Ui值的大小说明了系统发展水平的高低。

（2）耦合协调度模型

耦合度模型为：

式中，C1反映产业集聚与区域创新两个系统的关联性的高低，C2反映区域创新内部3个子系统的关联性的高低。但由于产业集聚与区域创新两个系统以及区域创新内部3个子系统各自发展水平存在的差异，会出现两个系统综合发展水平都较低时而C值比较高的情况。由于此缺陷的存在，需要对模型进行改进以便真实反映产业集聚与区域创新的协调发展水平 （王毅等，2015）［30］，两个系统的交互耦合关系，就是两者相互作用和影响的非线性关系总和。系统的耦合协调度模型为：

式中的D为耦合协调度；C为协调度；T1为区域创新系统内部3个系统的综合评价指数，反映区域创新系统内部3个系统整体协调效应或贡献；T2为产业集聚与区域创新两个系统的综合评价指数，反映生产性服务业、制造业和区域创新的整体协调效应或贡献。α、β、γ、a、b为待定参数，参照已有研究成果 （谢彦龙等，2017）［31］，本文选定式 （9） 中的α＝0.4、β＝0.4、γ＝0.2；式 （10） 中的a＝0.5、b＝0.5。为明确系统耦合协调发展的具体特征，借鉴以往研究成果 （陈雁云等， 2016）［32］， 标准划分为： 0＜C≤0.3， 低水平耦合阶段；0.3＜C≤0.6，勉强耦合阶段；0.6＜C≤0.8，中级耦合阶段；0.8＜C≤1.0，高水平耦合阶段；耦合协调度评价标准划分为：0＜D≤0.3，低度协调耦合；0.3＜D≤0.5，中度协调耦合；0.5＜D≤0.8， 高度协调耦合；0.8＜D≤1， 优质协调耦合。

1.3 指标体系的建立与数据来源

1.3.1 指标体系

为揭示产业集聚与区域创新之间的多维度、多层次复杂耦合协调关系，采用层次分析和专家咨询法进行指标筛选和权重设计，构造了评价指标体系。产业集聚的评价指标选取区位熵和协同集聚指数作为衡量指标。区域创新主要从创新投入、产出和效益3个方面构建评价指标体系，其具体评价指标如下：创新投入指标主要包含人力资本和物质资本投入，其中，人力资本投入衡量指标为每万人R＆D人员全时当量；物质资本投入衡量指标为各城市新产品开发经费支出占新产品销售收入的比重，企业R＆D经费占主营业务收入比重，科技拨款占财政支出比重。创新产出指标主要包含知识产出和市场转化，其中，知识产出衡量指标为每万人专利授权量；市场转化衡量指标为人均技术市场合同成交金额。创新效益指标主要包含经济效益和环境效益，其中，经济效益测算指标为全员劳动生产率，为高技术产业产值占工业总产值比重；环境效益测算指标为万元GDP综合能耗。

1.3.2 数据来源

本文选取吉林省中部创新转型核心区的7个城市作为研究样本，数据来源于2008～2020年吉林省统计年鉴、中国城市统计年鉴、吉林省发展报告、中国科技统计网等。

2 耦合协调度评价分析

2.1 产业集聚评价分析

用式 （1）、（2）测算区位熵、协同集聚指数的数值，如图1所示。从吉林省中部创新转型核心区整体情况看，制造业的区位熵总体上从2007～2019年出现下降趋势，生产性服务业总体上呈上升趋势，但制造业相比生产性服务业的区位熵仍然较高，生产性服务业集聚度整体来看偏低。产业协同度在2007～2014年变化较小，但在2014～2019年协同度上升较快。2007～2019年吉林省中部创新转型核心区7个城市的制造业和生产性服务业的区位熵及协同集聚指数，如表1所示。可以看出7个城市的区位熵和协同集聚指数有较大差距，说明各城市的产业集聚、协同集聚水平差别较大。总体上看，2007～2019年，长春、吉林、松原、四平、辽源市的制造业区位熵有所下降，但公主岭和梅河口的制造业区位熵有所上升；各城市生产性服务业的区位熵都有所提升，但长春、吉林、四平和松原上升的幅度较大；各城市产业协同集聚度总体上呈现上升趋势，其中协同度最高的3个城市是长春、吉林和松原。

图1 吉林省中部创新转型核心区整体两个产业的区位熵和协同集聚指数的变化

表1 吉林省中部创新转型核心区7个城市两个产业的区位熵、协同集聚指数

2.2 区域创新评价分析

根据式 （7）、 （8）、 （10）， 测算出吉林省中部创新转型核心区7个城市的区域创新系统内部3个子系统的耦合度（表2）和协调度值，以便更好地剖析耦合协调的空间格局及动态演化特征。从耦合度来看，长春的创新系统内部3个子系统的耦合度最高，最低的为梅河口和公主岭；在2007～2019年，耦合度最高与最低间的差距基本处于相同水平；7个城市中创新系统的耦合度都处在低水平耦合阶段。从耦合协调度来看，长春仍是7个城市创新系统耦合协调度最高的城市，最低的为梅河口和公主岭，但这两个城市是耦合协调水平变化较大的城市；除长春的创新效益与创新投入水平较为一致外，其他地区处在创新效益大于创新投入并大于创新产出的状态。从空间分布来看，将耦合度和耦合协调度结合起来，发现长春市处于中强度耦合与低水平协调状态，而其他6个城市都处在低强度耦合与低水平协调阶段。

表2 吉林省中部创新转型核心区7个城市创新系统内部3个子系统的耦合度

2.3 耦合度和协调度评价分析

根据协调度和耦合度计算公式 （6）、 （8）、（9），得出吉林省中部创新转型核心区各城市产业集聚与区域创新的耦合度C、耦合协调度D的计算结果，如表3所示。结果表明，吉林省中部创新转型核心区各城市总体上两个系统的耦合度较高，2007～2009年处在中级耦合阶段，2011～2019年处于高水平耦合状态。

表3 吉林省中部创新转型核心区7个城市整体两个系统的耦合度和协调度

根据式 （6）、 （8）、 （9） 可以测算出吉林省中部创新转型核心区7个城市产业集聚与区域创新的耦合协调度值。长春在2013年、2014年处在高度协调耦合阶段，其他年度处在中度协调耦合阶段；吉林除2014年处在高度协调耦合阶段外，其他年度均处在中度协调耦合阶段；四平由2011年以前的低度协调耦合阶段过渡到2011年以后的中度协调耦合阶段；松原在2007～2008年处在低度协调耦合阶段，2009～2019年处在中度协调耦合阶段；辽源在2011年、公主岭在2013年、梅河口在2014年后进入中度协调耦合阶段。协调耦合阶段的变化除了源于产业集聚水平的提升外，其主要原因为城市创新系统的创新投入、创新产出与创新效益之间的和谐关系，如长春和吉林出现高度协调耦合阶段的城市创新系统内部呈现出创新投入大于创新产出并大于创新效益的状态。

3 耦合协调度评价结果讨论

3.1 产业集聚方面

产业集聚相关测度显示，在世界各国新工业革命的深化，中国制造业和工业产业结构高级化、产业转型升级时期，老工业基地城市制造业比较优势下降明显，生产性服务业发展滞后，但两个产业的协同集聚度逐年提升。在地理分布上，区域性中心城市（如长春市）生产性服务业集聚度增幅较高，其原因为城市生产性服务业的集聚发展高度依赖城市化水平；涓滴效应使区域中心城市周边市县（如公主岭市）制造业集聚水平呈上升态势，即制造业向中心城市外围集聚发展。从指标值来看，产业协同集聚度均有所提高，协同集聚度高的城市是GDP总量较高的城市（如长春、吉林等），其原因为城市生产性服务业集聚度的差异，使得不同城市两个产业协同集聚水平存在较大差异。这说明城市生产性服务业发展能够促进制造业与生产性服务业的协同集聚。

3.2 区域创新方面

对区域创新协调水平的测度表明，区域创新系统内部的投入、产出和效益子系统协调度在不同等级城市间存在较大差异。考察期内，老工业基地典型城市和其他城市创新系统的耦合度和协调水平呈上升态势，但耦合协调类型仍然以低度协调为主。中高度协调的城市仅出现在长春市，显示出城市创新与经济发展之间具有较高的关联性。大多数城市创新子系统之间呈现的效益大于投入并大于产出关系是导致各城市创新系统的耦合协调水平存在较大差异的原因，这说明不同经济体量的老工业基地城市在创新型城市建设中既要加大创新投入，也要注重提高创新投入向创新产出和效益的转化。此外，由于指标体系设计受到数据获取等限制，未将有研发机构的企业占比、科技进步贡献率等指标纳入指标体系，这可能会对评价结果产生影响，可以在以后的研究中完善。

3.3 产业集聚与区域创新耦合协调方面

本文运用耦合协调模型分析了产业集聚与区域创新的协调发展情况。研究期内，7个城市整体上产业集聚与区域创新的协调发展趋势向好，老工业基地城市中长春市和吉林市曾出现中高水平耦合协调状态，显示出城市两个产业的集聚及协同集聚与创新系统之间的高度关联性。城市产业专业化程度越高的同时，区域创新水平也越强，表明产业集聚与区域创新存在较强的动态反馈关系。研究区域内各城市的耦合协调度均有一定程度的提升，但因各城市两个产业集聚水平的较大差异，以及创新系统的投入、产出和效益的差距，致使城市的产业集聚与区域创新的耦合协调水平不同，产业集聚度提高和区域创新系统协调发展共同促使耦合协调类型的跃迁。另外，研究区域内各城市间产业集聚与区域创新的耦合协调度差距呈逐渐缩小态势，但幅度较小。

4 结论与建议

本文基于产业集聚与区域创新的耦合关联机理，利用区位熵、产业协同集聚指数、耦合协调模型等方法，以吉林省中部创新转型核心区7个城市产业集聚与区域创新的耦合协调发展情况为例进行评价分析。结果表明：（1）老工业基地城市制造业区位熵呈下降趋势，生产性服务业集聚度较低，两个产业协同集聚度上升趋势明显，说明伴随着产业结构的调整，老工业基地城市生产性服务业发展仍然滞后，产业集聚及协同集聚度有待提升；（2）老工业基地城市创新系统内部3个子系统耦合协调水平较低，各个城市单元大多处在创新投入低于创新产出和创新效益阶段，城市区域创新整体水平较低，城市创新系统内部3个系统的协调关系需进一步加强；（3）老工业基地城市产业集聚与区域创新的耦合协调度整体不高，城市耦合协调类型的跃迁源于产业集聚度的提高和城市创新系统的协调发展。老工业基地城市（如长春市）产业专业化程度越高的同时，区域创新水平也越强，产业集聚与创新系统存在较强的动态反馈关系。区域城市间产业集聚与区域创新耦合协调发展差距逐渐缩小。

根据研究结果，提出以下几点建议：（1）促进产业集聚，增强比较优势。在产业结构调整和转型升级的背景下，老工业基地城市仍需保持制造业在国内外的比较优势，加快发展生产性服务业并不断提高与制造业的协同集聚水平。发挥老工业基地区域中心城市的作用，加强与周边城市的联系，促进区域整体协同创新，如长春、吉林等经济体量较大城市应加强生产性服务业集聚发展，周边的其他城市应着力发展制造业，同时适度发展生产性服务业，形成以大城市为核心的多中心集聚的产业发展态势； （2）加大创新投入，培育新竞争力。借鉴德国鲁尔工业区以科技创新为动力促进产业结构转型升级和法国政府推动传统工业带的培育新竞争力点等经验，加大创新资源投入以打造我国老工业基地城市产业的竞争力，同时注重提高创新投入向创新产出和效益的转化；（3）优化空间布局，提升区域创新能力。老工业基地典型城市需加强各类城市产业规划和创新发展的统筹协调，积极优化城市空间布局，不断强化经济体量较大城市的影响能力和辐射带动，借鉴美国锈带地区城市发展经验，优化我国老工业基地城市体系结构，加快中小城市发展。发挥城市群的作用，促进老工业基地典型城市与城市群其他城市的产业协同集聚与区域整体创新的互动发展。