西北城市创新能力时空演化及驱动因素研究——以西北五省地级市为例

李金叶 王福博 戎铭倩 刘媛媛 罗万云

1（新疆大学经济与管理学院，乌鲁木齐 830046） 2（西安交通大学经济与金融学院，西安 710061）3（中央民族大学经济学院，北京 100081）

引 言

自西部大开发政策实施以来，政策效应显著，西部地区综合实力得到显著提升［1］。在2009年完成西部大开发第一个十年计划后，2010年西部大开发进入了深化阶段，国家和政府对西部地区提出了新的规划与要求，西部地区由政府扶持逐渐向自我发展转换，面临着新的转型。2020年 《关于新时代推进西部大开发形成新格局指导意见》的颁布，明确指出西部地区应加强创新开放合作，打造区域创新高地，此后 《关于加强科技创新促进新时代西部大开发形成新格局的实施意见》的颁布再次强调了西部地区创新驱动的重要性。西北地区虽资源丰富，开发潜力巨大，但特殊的地理位置（自然地理上远离海洋和发达经济体）与气候环境（地处干旱区与半干旱区）阻碍了西北地区经济社会的发展，产业结构不合理、发展动能不足等因素又影响了西北地区经济的高质量发展［2，3］。因此，提高创新能力，突破发展瓶颈，成为推动西北地区高质量发展的关键所在。

20世纪90年代西方学者为了应对工业城市衰退的需要，陆续开展了城市战略的研究。城市发展在国家与地区经济增长中弥足轻重，国家和地区间的竞争往往体现为主要城市的竞争，另外，城市通过集聚和扩散作用带动区域经济增长［4］。伴随着经济全球化和知识经济的发展，城市创新能力逐渐成为城市综合竞争力的重要标志［5，6］。城市创新能力的提升能有效推动区域经济的高质量发展［7］。在早期城市创新的研究中，西方学者对创新型城市的研究分为 “Creative City”［8］和 “Innovative City”［9］。 “Creative City” 强调文化与理念的创新来带动城市的复兴，而 “Innovative City”则把重点放在创新驱动经济社会发展上［5］。随后，部分学者［10-12］从实证的角度将区域创新产出影响因素的研究范围延伸到了周边区域知识溢出，包括空间距离、区域知识存量、知识缺口、吸收能力以及溢出意愿等。而Landry［13］则在案例研究的基础上，提出创新城市应具备的7个要素：富有创意的人、意志与领导力、人的多样性与智慧的获取、开放的组织文化、对本地身份的强烈的正面认同感、城市空间与设施、上网便利性，并构建了较完整的城市创新活力评价指标体系。但是并非所有城市都适合建设创新型城市［5］。随着全球化的深化与城市竞争的加剧，提升城市创新能力成为西方学者关注的焦点。

续 表

创新能力是指在充分利用现有环境与技术的基础上，不断将创新资源纳入到社会生产过程中的一种能力，而对于城市而言，创新能力是创新系统中所有要素与主体有机结合的综合体现，具体表现为创新系统的协调、整合能力［14，15］。近年来，“城市创新能力”一直是国内学术领域研究的热门课题。国内学者对城市创新能力的研究主要集中在创新型城市、城市创新能力评价、城市创新能力影响因素等。杨冬梅等［5］较早地对创新型城市概念模型与发展模式进行了探讨，指出创新主体、创新资源、创新制度和创新文化是构成创新型城市的内部核心要素。刘永久等［16］从城市创新能力构成的角度构建了指标评价体系，对山东省17个城市创新能力发展水平进行了测度。部分学者［17，18］发现城市文化开放性、金融资源的空间集聚等能有效影响城市创新能力的发展。杨明海等［19］运用Dagum基尼系数、Kernel密度估计、空间Markov链分析方法对京津冀、长三角、珠三角、长江中游、成渝、中原以及哈长城市群创新能力的区域差距及其时空动态演进进行了研究，发现七大城市群创新能力的总体区域差距较大，整体呈现下降趋势。

基于以上文献不难发现：（1）国内大多数学者多采用单一式的城市创新能力评价体系，而多维度体系多从创新型城市的内涵、创新能力构成要素、投入产出的角度对城市创新能力进行评价，从创新系统角度进行评价的较少；（2）研究范围主要集中在沿海、中部地区等大中型城市，有关西部地区，尤其是西北地区创新能力的研究较少。因此，本文从创新系统的角度出发，构建城市创新能力评价体系，运用重心模型、空间耦合分析模型及地理探测器模型对西北五省地级市创新发展水平及驱动因素进行测度，以期为加快形成西部大开发新格局，推动西部地区经济高质量发展提供可靠的理论依据。

1 研究对象及数据来源

西北五省（新疆维吾尔自治区、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、陕西省）的土地面积约占全国总面积的32%，地域辽阔，自然资源丰富。自西部大开发政策实施以来，西北五省经济社会得到了长足的发展，GDP由1999年的4068.02亿元增长至2020年的55922.61亿元，增长了近13倍之多，2020年人均GDP为53979元，相比1999年的4526元增长了近12倍之多。伴随着西部地区经济增长放缓，西北地区进入了经济发展的新常态阶段，面临着区域经济发展由粗放向高质量转型、生态环境脆弱、新旧动能转换等一系列问题。

西北五省下辖33个地级市，鉴于数据的可得性，本文选取30个地级市①作为研究对象，对2011～2020年西北五省30个地级市的创新能力进行测度，所用数据主要来源于2012～2021年 《中国城市统计年鉴》、Wind数据库以及各市统计公报，缺失数据运用SPSS17.1采用临近点均值法、线性插值法补齐。

2 评价体系与研究方法

2.1 城市创新系统结构及运行

在西部大开发战略的政策背景下，尽快构建西部区域创新系统是西部地区赶超东部地区改善区域不平衡现状的根本途径［20］。但是西北地区的创新能力现状（城市创新能力多处于低水平，创新溢出效应较弱）及特殊的地理环境（地广人稀）阻碍了西部区域创新系统的形成与发展。城市创新系统作为区域创新系统的基本构成单位，其创新能力的提升能有效突破西北地区创新发展瓶颈，促进西北地区城市创新协同，增强城市创新的溢出，进而推动西部区域创新系统的形成与发展。因此， 本文在创新系统研究［14，21，22］的基础上， 构建城市创新系统运行简图（见图1）。城市创新系统主要由创新环境、创新资源、创新主体及创新绩效组成。良好的创新环境能吸引资源流入、优化资源配置，同时为创新主体提供良好的社会经济基础及基础设施，助力企业、高校等主体的成长与发展，创新主体通过对创新资源进行整合产出创新绩效，进而优化创新资源配置，改善经济社会环境，巩固基础设施建设。

图1 城市创新系统运行简图

2.2 西北五省城市创新能力评价体系

2020年5月中共中央、国务院颁布了 《关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》，明确指出西部地区应该不断提升创新发展能力，以创新能力建设为核心，加强创新开放合作，打造区域创新高地，推动西部地区经济高质量发展。但西部地区科技资源匮乏，创新能力较弱，区域发展不平衡不充分，实现创新驱动、打造创新高地仍面临巨大挑战［23］。其中西北地区尤为突出，西北地区城市创新能力水平较低，多以低-低集聚区为主，甚至部分城市还出现了创新能力的退化［24］。这种情况绝不是国家与政府对西北地区创新能力发展的期待。

因此，为进一步探究西北地区创新能力不足的原因，本文在区域创新系统及城市创新系统研究［14，21，22］的基础上， 结合西北五省区域特点及西部大开发的新要求，从城市创新系统构成的角度出发，构建西北五省城市创新能力指标评价体系（见表1），选取4个一级指标，10个二级指标，23个三级指标对城市创新能力进行评价，能较好地反映西北五省城市创新能力发展现状。

表1 城市创新能力指标评价体系

2.3 研究方法

2.3.1 权重的确定

鉴于不同学者对城市创新能力的评价持有不同观点，故本文采用客观赋权法——熵权法，根据各指标的变异程度对其进行赋权。

鉴于各项指标在单位及数量上存在较大差异，故确定指标权重前，需要先对指标进行归一化处理，为了避免归一化后的0值影响后期计算，同时又要尽可能保证数据原有的属性，本文将归一化后的数据统一平移0.001。

2.3.2 重心分析模型

重心这一物理概念，在地理学中是指能让四周的力量对比保持平衡，20世纪70年代，国外学者开始将重心模型引入到社会科学，80年代引入国内后，国内学者进行了大量运用［25］。为了进一步研究分析西北五省地级市创新能力的空间演化过程，本文运用重心分析模型对西北五省地级市创新能力的重心迁移进行测度分析，具体计算步骤如下：

式 （1）～（3） 中，xi、yi表示单位i的重心坐标。α表示重心年际移动角度，α＝0°时为正东方，逆时针旋转为正，顺时针为负，当重心向东北方向转移时，0°＜α＜90°；向西北方向转移时，90°＜α＜180°； 向东南方向转移时， -90°＜α＜0°；向西南方向转移时， -180°＜α＜-90°。d表示两个不同年际间重心移动的距离（xi，yi）、 （xj，yj）分别表示第i年和第j年的重心地理坐标，R为常数取111.11［25］。

2.3.3 重心耦合性分析模型

为了进一步探究西北五省地级市创新能力的重心时空演化的驱动因素，本文采用重心耦合分析模型将西北五省地级市创新能力重心分别与创新环境、创新资源、创新主体及创新绩效的重心做空间重叠性及变动一致性分析，具体计算步骤如下：

式 （4）、 （5）中，D表示空间的重叠性（用空间距离来衡量），距离越近说明空间耦合性越高，反之，耦合性越低。C＝1，表明二者移动方向相同，反之，二者移动方向相反。

2.3.4 地理探测器模型

鉴于城市创新能力的驱动因素涉及多个方面，并且驱动因素也在时刻演变。为了更好地探测出城市创新能力驱动因素及驱动因素的演变，本文采用地理探测器模型中的因子探测器，对驱动城市创新能力的微观指标变化进行进一步的探索。具体步骤如下：

式 （6）中，m是城市创新能力驱动因子的分层，na，h为层h上的个数，分别是观测区域和层h的城市创新能力的方差，Pa，b取值在0～1之间，Pa，b值越大说明a因子的驱动作用越大，反之，驱动作用越小。

3 结果与分析

3.1 西北五省城市创新能力时空演进分析

整体来看，2011～2020年西北五省城市创新能力呈现波动上升趋势（年均增长率4.39%），由2011年的0.115上升至2020年的0.170，但整体水平不高。2019年底新冠肺炎疫情的爆发虽然导致区域经济出现了负增长，但是对西北地区城市创新环境的影响并不显著。创新环境（年均增长率7.64%）增长显著，成为西北五省城市创新能力提升的主要驱动因素。而创新绩效（年均增长率3.93%）、创新主体（年均增长率2.93%）以及创新资源（年均增长率1.86%）呈现低速增长趋势。创新主体与创新资源虽有增长，但整体水平较低，创新主体作为城市创新系统中整合创新资源产出创新绩效的关键因素，其发展的低水平直接导致了创新绩效的低增长，而创新资源的低水平与低增速也反映出了西北五省创新资源缺乏的现状。

具体来看，2011年，西安市（0.543）、乌鲁木齐市（0.264）、 兰州市（0.248）、 银川市（0.204）和西宁市（0.187）创新能力稳居前五，首府城市区位优势显著，西安市城市创新能力遥遥领先于其他城市，但首府城市创新能力溢出效应不强，与邻近城市创新能力差异显著，高水平的空间集聚群尚未形成，多呈现出低水平的空间集聚状态。而庆阳市（0.057）、 武威市（0.056）、 平凉市（0.054）、金昌市（0.053）以及陇南市（0.051）创新能力水平较低，位于后五位，与前五位差距显著，强弱分明，虽在2016年以后极差有所降低（由2016年的0.622减少至2017年的0.617），但创新极差仍以每年2.18%的速率增加，说明西北五省城市创新能力的区域不平衡问题显著。至2020年，西北五省地级市创新能力虽有所提升，但区域不平衡仍然存在，以首府城市为增长极的空间分布状态并未得到明显改善，核心城市创新能力的空间溢出效应仍然不强，商洛市（0.091）、庆阳市（0.090）以及定西市（0.088）城市创新能力仍处于低水平。

3.2 西北五省城市创新能力重心演进分析

3.2.1 西北五省城市创新能力重心变动分析

本文运用地理重心模型对西北五省地级市创新能力重心演化过程进行研究分析，并运用ARCGIS 10.8进行可视化展示（图略）。西北五省城市创新能力重心以年均7.808km的速度向西北方向移动，累计移动70.274km。由2011年的（103.991°N，36.991°E）移至 2020 年 的 （103.406°N，37.152°E）。 整体呈现出东南（2011～2013 年）-西北（2013～2016年）-东南（2016～2018年）-西北（2018～2020年）的演进过程，移动规律明显。

2009年西部大开发战略完成了第一个十年计划，2010年西部大开发进入了深化阶段，国家和政府对西部地区提出了新的要求，即更加注重生态文明建设与自我发展能力，政策逐渐由 “输血”向 “造血”转换［26］。西北地区为了响应政策的转换，进行了自身发展的调整。在发展调整的背景下，2011年兰州市、汉中市凭借16.53%、15.62%的年均增长率，促使创新能力重心向东南移动。2013年经过短暂的调整，白银市、天水市、陇南市等东部城市的创新环境得到明显改善，进而推动城市创新能力的快速提升（白银市增长率50.90%，天水市增长率18.43%，陇南市增长率16.68%），从而促使城市创新能力重心向东南移动40.352km。2013年以后，克拉玛依市、武威市逐渐完成了调整，创新绩效水平得到快速提升，促使创新能力重心持续向西北移动，累计向西北移动112.722km，直至2016的（103.401°N， 37.160°E）。 随后， 由于宝鸡市（年均增长率为7.54%）、吴忠市（年均增长率为7.22%）创新能力的快速提升，重心在2017年、2018年经历了短暂的东南折回后，再次向西北移动。

3.2.2 西北五省城市创新能力分维度重心演进分析

为了进一步探究西北五省城市创新系统内部各要素重心演化进程，本文通过ARCGIS 10.8对创新环境、创新资源、创新主体及创新绩效重心演化进程进行进一步分析与展示（图略）。

创新环境重心以年均10.238km的速度向东南方向移动，累计移动92.139km。由2011年的（103.335°N， 37.299°E）移至 2020 年的（104.065°N，36.906°E），整体呈现螺旋式向西北方向移动；创新资源重心以年均0.648km的速度向西北方向移动，累计移动5.834km。由2011年的（104.441°N，36.790°E）移至 2020 年的（104.389°N， 36.786°E），移动规律并不明显，整体移动距离较短；创新主体重心以年均6.940km的速度向西北方向移动，累计移动 62.457km。由2011年的（104.455°N，36.485°E）移至 2020 年的（103.968°N， 36.767°E），整体呈现出东南（2011～2012年）-西北（2012～2018年）-东南（2018～2019年）-西北（2019～2020年）的演进过程；创新绩效重心以年均40.345km的速度向西北方向移动，累计移动363.109km。由2011 年的（103.778°N， 37.046°E）移至 2020年的（100.768°N， 38.319°E）， 整体呈现螺旋式演进过程。

整体来看，西北五省城市创新系统内部协同性较低，创新资源、创新主体、创新绩效重心均向西北方向移动，而创新环境重心的移动整体呈现出反方向（东南方向）移动趋势。创新资源与创新主体重心的空间重叠性较高，但变动一致性较低，反映出西北五省创新资源配置效率不高的现状。创新环境与创新主体、创新资源重心的空间重叠性有所加强，说明良好的经济与社会环境，是吸引创新人才与其他资源流入的关键。创新主体与创新绩效重心的变动一致性较强，且创新主体重心的变化早于创新绩效，但是空间重叠性较弱，说明2011年以来西北五省中西北部城市创新主体的产出效率有所提高。

3.2.3 西北五省城市创新能力重心演化驱动分析

本文在重心模型的基础上，进一步通过重心耦合分析模型，对西北五省城市创新能力重心空间演变的驱动因素进行分析。

从空间的重叠性来看（见图2），创新能力与创新绩效的重心距离呈现波动上升的趋势；创新能力与创新资源的重心距离呈现出先下降后上升的 “U”型趋势，2015年为最低点（0.748km）；创新能力与创新环境、创新主体的重心距离逐渐趋于稳定，分别在0.135～0.762km之间和0.380～1.079km之间上下波动，具有较强的空间重叠性，其中创新能力与创新环境空间重叠性最强，集聚效果最为显著。

图2 空间的重叠性

从变动的一致性来看（见图3），创新能力与创新环境重心的变动一致性系数呈现先 “W”型后下降的变动趋势，在2012年、2013年、2016年、2018年、2019年两者变动方向相同，而其他年份两者变动方向相反；创新能力与创新资源的重心变动方向逐渐由反向向同向演变，2016年以后两者变动方向呈相同方向（变动一致性系数趋近于1）；创新能力与创新主体重心的变动一致性系数呈现出左窄右宽的 “W”型变动趋势，两者的重心变动方向逐渐由同向向反向演变；而创新能力与创新绩效重心的变动一致性系数呈上下波动趋势，同向与反向变动交替出现，但持续时间变短。

图3 变动的一致性

综合来说，西北五省城市创新能力与创新环境、创新主体的重心具有较强的空间耦合性，在地理上表现为重心的空间重叠性较高，其中与创新环境的空间耦合性最高。说明城市创新能力的发展需要城市拥有良好的经济社会环境与基础设施建设。2017年以前，创新能力与创新主体、创新绩效的重心变动具有显著的一致性，2017年以后创新资源对创新能力重心转移的驱动作用逐渐显现。说明城市创新能力重心变动的核心驱动力逐渐由创新主体、创新绩效向创新资源转换。

3.3 全域视角下西北五省城市创新能力驱动探测

为进一步探究西北城市创新能力的微观驱动因素，本文借鉴辛龙等［27］的做法，先进行离散化和类别化处理（运用自然断裂法将各因子分为5级），再通过地理探测器模型中的因子探测器模型，对影响城市创新能力的微观驱动因素的演变进行探究。如图4所示，西北城市创新能力核心驱动因素主要集中在创新主体。各因子对西北城市创新能力均具有一定的驱动作用，但也存在一定的差异。核心驱动因素依次为（平均水平）：高等学校个数（0.830）、规模以上企业数量（0.771）、普通高等学校学生占比（0.764）、科学研究与技术服务业人员数（0.733）、万人专利授权量（0.729）。

图4 西北五省城市创新能力探测因子结果

高等学校作为创新成果产出的重要阵地，是科研机构落户的重要场所。高校与企业产学研的深度融合，能有效促进创新成果的转化，进而提高城市创新能力。规模以上企业作为推动城市经济发展的关键主体之一，是技术创新成果产出的另一个重要阵地。规模以上企业为追求利润最大化，会加大创新投入，提高生产效率，充分利用资源禀赋差异，优化资源配置，形成集聚经济，以降低生产成本，进而提高企业竞争力。科学研究与技术服务业人员数和普通高等学校学生占比在一定程度上衡量了城市人力资本结构与文化水平，人力资本结构的改善和文化水平的提升能有效提高城市创新吸收能力、创新效率，推动创新的溢出，对吸收知识溢出和促进二次创新具有重要的作用［28］。而万人专利授权量作为创新活动的主要产出成果之一，是创新成果转化的主要来源，万人专利授权数量的增加在一定程度上推动了城市创新能力的提升。

值得注意的是，金融深化作为衡量区域金融发展水平的主要指标，其对西北五省城市创新能力的驱动作用却在逐渐减弱，由2011年的0.653下降至2020年的0.355。而创新绩效对城市创新能力的驱动主要体现在万人专利授权量上，结构优化和效率导向的驱动作用较小，尤其是效率导向，反映出西北五省产业结构不合理、效率水平不高的现状。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文运用重心模型、空间耦合分析模型及地理探测器模型对2011～2020年西北五省30个地级市创新能力重心的动态演化及驱动因素进行分析研究。得出以下结论：（1）2011～2020年，西北五省城市创新能力呈现波动上升趋势（年均增长率4.39%），由2011年的0.115上升至2020年的0.170。但整体上仍处于较低水平，首府城市创新能力溢出效应不强；（2）西北五省城市创新能力重心以年均7.808km的速度向西北方向移动，累计移动70.274km，区域不平衡的发展现状有所改善。城市创新系统内部协同性不足，创新资源配置效率不高；（3）西北五省城市创新能力与创新环境的重心具有较强的空间耦合性，创新能力重心变动的核心驱动力逐渐由创新主体、创新绩效向创新资源转换；（4）西北五省创新能力核心驱动因素主要集中在创新主体层面，金融深化的驱动作用在逐渐减弱，科技成果转化能力不足。

4.2 讨论

2020年5月中共中央、国务院颁布了 《关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》，明确指出要不断提升西部地区创新发展能力，以创新能力建设为核心，加强创新开放合作，打造区域创新高地。而西北地区特殊的地理位置与气候环境，以及产业结构升级与新旧动能转换的相对滞后，制约了社会经济的高质量发展。因此创新驱动成为了提高西北地区经济发展质量、改善生态环境、缩小东西差距的关键。

（1）自2011年以来西北五省城市创新能力水平呈波动上升趋势，但整体上创新能力仍处于较低水平，这与周锐波等［24］观点一致。创新环境（年均增长率7.64%）增长显著，而创新绩效（年均增长率3.93%）、创新主体（年均增长率2.93%）以及创新资源（年均增长率1.86%）却呈现低速增长趋势，创新环境水平较高，对城市创新能力提升的推动效应较强。

（2）本文发现2011～2020年西北五省城市创新能力重心以年均7.808km的速度向西北方向移动，累计移动70.274km。西北地区 “东高西低”的发展现状有所改善，但首府城市的极化效应仍然存在，中心城市创新能力溢出效应较弱，这与何舜辉等［29］对全国样本测度的结论基本一致。在进行城市创新能力分维度重心演进分析时，本文又进一步发现西北城市创新系统内部协同性不足，创新资源配置效率不高。

（3）本文进一步运用空间耦合分析模型和地理探测器模型探究了西北五省创新能力重心时空间演化的驱动因素，发现创新能力与创新环境具有较强的空间耦合性，创新能力重心变动的核心驱动力逐渐由创新主体、创新绩效向创新资源转换，驱动西北城市创新能力提升的核心驱动因素主要集中在创新主体层面，科技成果转化能力不足。因此，在未来研究中应重点关注以下两个问题：（1）如何打破西北地区城市创新能力现有的增长极模式，改善创新环境吸引创新资源及创新人才，提高创新资源配置效率，增强创新的空间溢出效应，推动西北城市创新能力由增长极模式向核心-边缘模式转变； （2）助力科技成果的转化与应用，推动产业结构转型、提高劳动效率与能源利用率。进而提升西北地区创新能力，加快打造西北地区经济发展新格局。

注释：

①哈密市、吐鲁番市、海东市数据缺失严重。

②人均二氧化碳排放量参考吴建新和郭智勇［30］的方法测算得出。