陳杰蔡菲張鑫

(山東建筑大學 測繪地理信息學院，山東 濟南 250101)

0 引言

改革開放之初，鄧小平同志提出“科學技術是第一生產(chǎn)力”。黨的十九大報告也提出，創(chuàng)新是引領發(fā)展的第一動力，是建設現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的戰(zhàn)略支撐[1]，習近平進一步提出科技創(chuàng)新與制度創(chuàng)新要協(xié)同發(fā)揮作用[2]。21世紀是科技創(chuàng)新的時代，與傳統(tǒng)意義上的某項重大科技創(chuàng)新或者某個領域的突破不同，當今的科技創(chuàng)新和革命是以多學科和領域全面持續(xù)系統(tǒng)創(chuàng)新為特征。自從?國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)?實施后，中國的科技創(chuàng)新水平已經(jīng)取得了飛速的增長，已經(jīng)成為全球第二研發(fā)投入大國，高被引學者數(shù)量躍居世界第2位，高被引論文、專利申請和授權總量等科技產(chǎn)出快速攀升至全球首位，知識密集型產(chǎn)業(yè)規(guī)模及其出口保持快速增長[3]。當今科技創(chuàng)新已經(jīng)成為我國轉變經(jīng)濟發(fā)展方式的抓手和切入口[4]，科技投入和科技創(chuàng)新都對區(qū)域經(jīng)濟有著促進作用[5]，尤其是對第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展的促進作用[6]。現(xiàn)有的研究證明科技創(chuàng)新和經(jīng)濟發(fā)展存在著顯著的耦合關系，為了充分發(fā)揮科技創(chuàng)新的支撐引領作用，促進經(jīng)濟更好更快發(fā)展，對經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合關系的研究成為關鍵。

經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合關系主要包括:(1)科技創(chuàng)新作為經(jīng)濟增長最重要的影響因素之一，可以提高資源利用率和產(chǎn)品生產(chǎn)效率，不僅大幅度降低成本，也能提高產(chǎn)出利潤，其引領的技術革命是促進經(jīng)濟發(fā)展的新動力，可以推動經(jīng)濟的飛躍發(fā)展；(2)經(jīng)濟發(fā)展為科技創(chuàng)新提供更多的支撐和資源[7]。經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調關系反映了二者之間相互作用和同步發(fā)展的程度，研究經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調關系具有重要意義。學術界已經(jīng)從3個不同角度對經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調關系進行了大量研究。(1)對二者耦合關系的原理和機理研究[8]。張宏洲[9]通過構建公共科技創(chuàng)新投入的內生增長模型，刻畫了公共科技創(chuàng)新投入對出口貿易和經(jīng)濟增長的作用機制。(2)不同尺度下的經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調度研究，包括對不同國家或省市的經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調的研究[10－12]。(3)對兩個子系統(tǒng)耦合協(xié)調關系的進一步研究，包括耦合協(xié)調關系的影響因子和空間關聯(lián)演化的研究[13]。滕堂偉等[14]通過空間馬爾科夫鏈研究了長江經(jīng)濟帶科技創(chuàng)新和綠色發(fā)展的耦合協(xié)調度的時空關聯(lián)和演變。

總體來說，學術界已經(jīng)對經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調關系做了大量的研究，但還存在一些不足:(1)現(xiàn)有的研究尺度已經(jīng)覆蓋多個維度，但是對于山東省的經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調研究還略顯不足；(2)已有的實證研究對經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度大多是單一層面的演變或影響因子的研究，缺乏對耦合協(xié)調度時空演變和影響因子的綜合分析?；谶@些不足，文章通過構建山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新評價系統(tǒng)，研究山東省內的經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度，探究近十年間二者的耦合協(xié)調關系，同時運用馬爾科夫概率轉移矩陣探究耦合協(xié)調度演變的時空分異，并將地理探測器中的因子探測引入其中，通過因子探測探究了評價體系各指標對耦合協(xié)調度的影響程度。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

山東省位于我國東部沿海、黃河下游，屬于華東地區(qū)，下轄16個地級市，東西長為721.03 km、南北寬為437.28 km，全省陸域面積為15.58萬km2，境內中部山地突起，西南、西北低洼平坦，東部緩丘起伏。山東省作為經(jīng)濟強省，一直以科技創(chuàng)新賦能高質量發(fā)展，加大力度推動科技創(chuàng)新，加快建設科技強省。根據(jù)?中國統(tǒng)計年鑒2019?數(shù)據(jù)[15]，2018山東省工業(yè)產(chǎn)值僅次于江蘇省和廣東省，國內生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product，GDP)總量居全國第三。山東省2018年主要社會經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)見表1，山東省經(jīng)濟等指標占全國的比重較大，選擇山東省作為研究區(qū)域具有代表性的意義。

表1 2018年山東省與全國主要社會經(jīng)濟指標表

1.2 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)主要來源于山東省統(tǒng)計局網(wǎng)站(http://tjj.shandong.gov.cn/)2009—2018年的統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，所用地圖審圖號為魯SG(2021)023號。

2 研究方法

構建經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新評價指標體系，通過熵值法計算出各子系統(tǒng)得分。熵值法是一種客觀賦權法，根據(jù)各項指標觀測值所提供的信息的大小來確定指標權重。通過耦合協(xié)調度模型探測山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調度，不僅可以反映各系統(tǒng)是否具有較好的水平，又可以反映系統(tǒng)間的相互作用關系。利用馬爾科夫轉移概率矩陣分析經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度的演變過程，能夠很好地反應出耦合協(xié)調度的變化規(guī)律和趨勢。運用地理探測器研究影響山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調模型的因子，地理探測器無線性假設可以很好地探測空間分異性和背后驅動因子。

2.1 評價指標體系的構建

根據(jù)經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的實際情況，并結合已有相關研究成果，綜合考慮可行性與科學性，分別構建山東半島經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新評價指標體系，見表2。經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)包括經(jīng)濟體量、經(jīng)濟結構和經(jīng)濟水平3個一級指標，科技創(chuàng)新子系統(tǒng)包括科技投入和科技產(chǎn)出2個一級指標。

表2 山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新評價指標體系表

2.2 熵值法

采用熵值法來確定各指標的權重。需要對數(shù)據(jù)進行最大值、最小值標準化，由式(1)表示為

式中Xij為最值標準化后的數(shù)據(jù)；xij為第i個城市第j個指標數(shù)據(jù)。

子系統(tǒng)第j個指標下(j＝1，2，...，m)，第i個城市的特征比重pij(i＝1，2，...，n)由式(2)表示為

第j個指標的熵值Ej由式(3)表示為

各指標的權重wj由式(4)表示為

式中n是城市的數(shù)量；m是指標的數(shù)量。

2.3 耦合協(xié)調度模型

耦合協(xié)調度模型包含兩部分，分別是耦合度模型和協(xié)調度模型[16]。耦合度主要是衡量系統(tǒng)不同要素之間或不同系統(tǒng)之間相互作用的強弱，協(xié)調度主要指系統(tǒng)或者要素在發(fā)展過程中協(xié)調一致的程度。耦合度C由式(5)表示為

式中f(x)和g(y)分別表示科技創(chuàng)新指數(shù)和經(jīng)濟發(fā)展指數(shù)。

耦合協(xié)調度D由式(6)表示為

式中α和β為待定權重系數(shù)。由于經(jīng)濟發(fā)展不只是由科技創(chuàng)新一個因素推動，結合已有的研究，取α＝0.4、β＝0.6。

采用均值劃分的方法，將經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調度D值由低到高分為嚴重失調、輕度失調、中度協(xié)調、良好協(xié)調、優(yōu)質協(xié)調5個階段。劃分區(qū)間為0≤D<0.2，嚴重失調；0.2≤D<0.4，輕度失調；0.4≤D<0.6，中度協(xié)調；0.6≤D<0.8，良好協(xié)調；0.8≤D≤1，優(yōu)質協(xié)調。

2.4 馬爾科夫轉移概率矩陣

根據(jù)耦合協(xié)調度分類，根據(jù)分類計算出相應的概率和年際變化，得出一個5×5的馬爾科夫轉移概率矩陣，可以近似看作區(qū)域內經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度的整個演變過程。馬爾科夫轉移概率矩陣是一種時間和狀態(tài)均為離散的馬爾科夫過程，揭示某一空間單元某年份屬于a類型，而下一年份轉移為b類型的一步轉移概率Pab，如表3中P12是上一年份屬于類型1而下一年類型為2的轉移概率。

表3 馬爾科夫轉移概率矩陣

2.5 地理探測器

地理探測器是探測空間分異性以及揭示其背后驅動因子的一種統(tǒng)計學方法[17]。由于方法的無線性假設很大程度上克服其他方法的局限性，因此已廣泛應用于各種影響機理的研究。地理探測器主要包括分異及因子探測、交互作用探測、風險區(qū)探測和生態(tài)探測。文章采用因子探測，其原理是探測影響因子和因變量在空間上的變化是否具有一致性。若存在一致性則表明該因子對因變量有重要決定作用；若不存在一致性則表明該因子對因變量的沒有顯著影響。地理探測器中因子探測公式由式(7)表示為

式中qD，U為影響因素對因變量的影響力探測指標；nD，i為次一級區(qū)域樣本數(shù)；h為次級區(qū)域個數(shù)；σU為因變量的方差；為次一級區(qū)域因變量方差。假設≠0，模型成立，的取值區(qū)間為[0，1]；＝0時，表明因變量空間分布不受影響因素的驅動，其值越大表明影響因素對因變量的影響越大。

3 結果與分析

通過統(tǒng)計分析軟件構建相關系數(shù)矩陣，對可能存在的多重共線性問題進行檢驗，經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新兩個子系統(tǒng)所有指標均通過了檢驗。根據(jù)以上方法對山東省2009—2018年經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新子系統(tǒng)得分、耦合協(xié)調度以及各指標對耦合協(xié)調度的影響進行研究。

3.1 經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新綜合評價指數(shù)

根據(jù)熵值法確定了各個指標的權重，分別計算出2009—2018年山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的綜合發(fā)展指數(shù)和子系統(tǒng)得分，結果如圖1所示。從子系統(tǒng)的角度看，經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)的得分整體趨勢穩(wěn)步上升，僅在2014年有小幅度的降低，主要原因是2014年的中國經(jīng)濟處于“三期疊加”效應下，并且通過調整經(jīng)濟結構來控制金融風險，使得經(jīng)濟發(fā)展指標受到一定程度的影響。2011—2014年科技創(chuàng)新子系統(tǒng)得分一直下滑，2014年達到最低值，2015年達到峰值。主要原因是2014年前我國基礎科學研究經(jīng)費占全社會研發(fā)投入比重多年保持約為5%，在公布此項數(shù)據(jù)的全部國家中處于最低水平，基礎研究投入的不足導致我國原始創(chuàng)新的科技成果不多，直接后果是產(chǎn)業(yè)缺乏核心競爭力，進而一定程度上影響到了2014年經(jīng)濟發(fā)展，使得經(jīng)濟發(fā)展缺乏驅動力。綜合發(fā)展指數(shù)整體較為平穩(wěn)，2014年為最低值，2014—2016年的波動較大，受到科技創(chuàng)新的影響較大，整體發(fā)展趨勢和科技創(chuàng)新趨勢較為一致。

圖1 山東省2009—2018年經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新子系統(tǒng)得分圖

山東省各地市在2009、2012、2015、2018年的系統(tǒng)綜合評價指數(shù)如圖2所示?？梢钥闯?，綜合評價指數(shù)基本穩(wěn)定，前三位基本是青島、濟南和煙臺，且波動較小，其中青島綜合評價指數(shù)一直為全省最大值，濟南和煙臺基本持平，這3個地市常年為山東省經(jīng)濟的前三名，經(jīng)濟發(fā)展一直保持較高水平。最低指數(shù)綜合指數(shù)得分主要有棗莊、日照、萊蕪和菏澤，處于新舊動能轉換之際可能是這幾個地市綜合評價指數(shù)較低的原因。

圖2 山東省各地市綜合評價指數(shù)圖

3.2 經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調及空間分異

通過耦合協(xié)調模型計算出2009—2018年間山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合度、協(xié)調度和耦合協(xié)調度，結果如圖3所示。山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合度C一直處于較高水平，在2015年前后存在著較大的波動，2014年耦合度最低且科技創(chuàng)新子系統(tǒng)跌至最低水平，同期經(jīng)濟發(fā)展子系統(tǒng)僅有小幅下降，主要原因是科技創(chuàng)新并不能完全影響經(jīng)濟發(fā)展，經(jīng)濟發(fā)展還受到經(jīng)濟發(fā)展規(guī)律以及政策等因素的影響。協(xié)調指數(shù)T值和耦合協(xié)調度D值的趨勢走向較為一致，2009—2018年間山東省的經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調度穩(wěn)定在0.5~0.6之間，屬于中度協(xié)調。山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新都受到國家和山東省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展五年規(guī)劃的影響，“五年規(guī)劃”的前瞻性和科學性都使得山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調關系保持著較為穩(wěn)定的發(fā)展。

圖3 山東省2009—2018年經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調結果圖

山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度時空分布格局如圖4所示。2009—2018年耦合協(xié)調度的整體分布趨勢并沒有很大變化，按照耦合協(xié)調度等級大體可以分為4個梯度。第一梯度是青島，一直保持著優(yōu)質協(xié)調，青島作為中國較早進行過工業(yè)化啟蒙的城市，有著天然的地理優(yōu)勢，在經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新上一直遙遙領先；第二梯度是包括濟南、淄博、濰坊、煙臺，基本保持良好協(xié)調，其中淄博在2018年下降為中度協(xié)調，作為省內經(jīng)濟的主力軍，這4個地市都有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，應當大力發(fā)展科技引領經(jīng)濟發(fā)展；第三梯度包括東營、濱州、泰安、濟寧、臨沂、威海，屬于中度協(xié)調，其中威海在2009年和2015年達到了良好協(xié)調，表明其處于中度協(xié)調和良好協(xié)調的邊緣；第四梯度包括德州、聊城、菏澤、棗莊、萊蕪、日照，屬于輕度失調，其中多為傳統(tǒng)老工業(yè)城市，這些城市亟需新舊動能轉換并尋找新的發(fā)展方向。

圖4 山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度時空格局圖

3.3 經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度時空變化

運用馬爾科夫鏈對山東省各地市十年的耦合協(xié)調度結果進行分析。根據(jù)分析統(tǒng)計結果，得到2009—2018年山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調類型的馬爾科夫轉移概率矩陣表，見表4。

表4 2009—2018年山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度的馬爾科夫轉移概率矩陣

從馬爾科夫轉移概率矩陣上來看，除嚴重失調外，對角線上的概率值均大于非對角線上的數(shù)值，表明4種耦合協(xié)調度都具有較強的穩(wěn)定性。按照穩(wěn)定性由強至弱分別為:輕度失調>中度協(xié)調>優(yōu)質協(xié)調>良好協(xié)調>嚴重失調。其中，對角線上的最小值為0，嚴重失調轉向輕度失調的概率也為1，說明嚴重失調的穩(wěn)定性較差，表明經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調度在不斷提高。從耦合協(xié)調度等級數(shù)量上看，呈現(xiàn)出近似正態(tài)分布，其中嚴重失調只有1個，并在第二年發(fā)展為輕度失調，表明整個山東省各地市的經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度較為穩(wěn)定。

山東省大部分地市經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度的等級都較為穩(wěn)定，僅在個別市的耦合協(xié)調度等級上存在鄰近轉變，如圖5所示。2009—2013年淄博市和威海市耦合協(xié)調度下降，日照耦合協(xié)調度上升。2014—2018年各地市耦合協(xié)調度均沒有下降，濱州、濰坊、日照的耦合協(xié)調度有所上升，主要因為2014年后，國家加大科技創(chuàng)新投入的力度，并加大對中小企業(yè)的扶持力度，促進經(jīng)濟發(fā)展。各地市耦合協(xié)調度數(shù)值變化如圖6所示，除日照外，其他各地市均沒有太大變化，耦合協(xié)調度值較為穩(wěn)定。

圖5 山東省各地市經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度等級時空變化圖

圖6 山東省各地市經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度變化圖

3.4 經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調影響因子

將經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新子系統(tǒng)的所有二級指標作為影響因子，對2009—2018年山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調度作為因變量，通過地理探測器的因子探測功能進行探測，結果見表5。p值小于0.01的二級指標表明其通過了置信度為99%的檢驗，按照一級指標層面看，經(jīng)濟體量和經(jīng)濟結構全部通過檢驗，經(jīng)濟水平、科技投入和科技產(chǎn)出各有2個指標通過檢驗。

表5 山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調影響因子地理探測器結果表

根據(jù)通過檢驗的二級指標的q統(tǒng)計值來看，經(jīng)濟發(fā)展的指標對整體的耦合協(xié)調影響最大，包括經(jīng)濟體量和經(jīng)濟結構，表明耦合關系的主導因素是經(jīng)濟發(fā)展。其次是科技產(chǎn)出中的技術市場成交額和科技論文發(fā)表數(shù)，科技對經(jīng)濟的促進作用主要是通過將新技術新方法應用到實際中提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)出，或者尋找新的動力來促進經(jīng)濟發(fā)展?？萍纪度胫蠷＆D經(jīng)費內部支出和科學技術占公共預算支出比對耦合協(xié)調關系的影響也較大，這屬于經(jīng)濟發(fā)展對科技投入，只有更多的資源投入到科技創(chuàng)新中，才能夠更好的反哺經(jīng)濟發(fā)展，進而提高經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調程度。

4 結論

以山東省17個地市為研究單元，對各地市2009—2018年的經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調關系進行研究，主要結論如下:

(1)山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新都保持著較穩(wěn)定的發(fā)展，排名前三的城市分別為青島、濟南、煙臺，僅在2014年中國經(jīng)濟受到“三期疊加”的效應和經(jīng)濟結構調整下有較大波動。

(2)山東省經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調度一直處于中度協(xié)調狀態(tài)，而且比較穩(wěn)定，各地市經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的耦合協(xié)調度大致分為4個梯度且都較為穩(wěn)定。

(3)馬爾科夫概率轉移矩陣對角線上的轉移概率值均大于非對角線上的數(shù)值，表明整體上各地市的耦合協(xié)調度較為穩(wěn)定，耦合協(xié)調度的演變主要趨向于中度耦合協(xié)調。

(4)經(jīng)濟發(fā)展的多數(shù)指標、科技創(chuàng)新的資金投入、科技產(chǎn)出中的技術市場成交額和科技論文發(fā)表數(shù)對山東省的經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新耦合協(xié)調關系影響較大。