黄河流域科技创新与低碳经济耦合协调及障碍因子研究

刘建华，王慧扬

（1.郑州大学 管理学院，河南 郑州 450001；2.郑州大学 黄河生态保护与区域协调发展研究院，河南 郑州 450001）

1 引 言

随着经济社会的不断发展，常规能源消耗产生了显著的负外部性［1］，引发了一系列的气候问题，全球已然将关注点聚焦于低碳经济。低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济发展模式，强调以经济、社会和环境可持续发展为前提［2］。2020年9月22日，我国在第七十五届联合国大会上提出了2030年实现碳达峰的承诺和2060年实现碳中和的愿景，随后“双碳目标”被列入我国“十四五”规划，彰显我国应对气候变化的坚定决心。实现“双碳目标”，需要统筹好整体与局部的关系，处理好长期与短期的问题［3］。“双碳目标”的实现需要以科技创新为支撑，同时“双碳目标”的实现过程也将助推科技创新不断进步，从而实现两者的良好互动。

黄河流域作为国家重大战略实施地，需要科技创新和低碳经济的双重驱动，以实现生态保护和高质量发展［4－5］。近年来，黄河流域经济、人口、资源、环境等方面的和谐程度不断提升［6］，但在低碳背景下，黄河流域生态保护和高质量发展遇到了新的挑战。黄河流域年产煤量约占全国年总产量的70%，对于保障国家能源安全具有重要意义。目前，黄河流域能源需求量不断攀升，但能源开采、加工方式较为粗犷。黄河流域高污染、高耗能工业基地集聚，特别是能源化工产业的碳排放量巨大、碳排放治理难度大等问题亟待解决［7－8］。此外，黄河流域创新动力不足［9］，科技对促进绿色低碳发展的路径不明晰［10］，产生了“双碳目标”实现的阻力。因此，探究黄河流域科技创新与低碳经济的耦合协调度及其影响因素，对黄河流域实现“双碳目标”及高质量发展具有重要意义。

目前，有关科技创新与低碳经济相互影响的研究主要集中在3个方面：①科技创新对低碳经济的“双向”影响。一方面，科技进步与创新是我国发展低碳经济的核心和动力［11－12］，并且经济的绿色增长与科技创新不可分离，绿色技术正在潜移默化地影响人们的生产生活方式［13］。“创新红利”被认为是经济新常态下实现绿色发展的关键因素［14］，通过提升城市科技创新水平，不仅能够助推低碳经济发展，而且能够抵消产业转型升级对经济社会带来的短期负面影响［15－16］。另一方面，科学技术的发展可能会产生“回弹效应”，从而阻碍低碳绿色发展［17］。曾刚等［18］认为，城市技术创新能力的提升会先抑制后促进城市绿色发展。②低碳经济倒逼科技创新水平不断提高。双碳目标的提出为我国的低碳经济发展提供了新的指引，我国碳中和技术发展要以保障碳排放高质量达峰和实现碳中和目标提供技术可行、经济可承受的科技支撑为目标［19－20］，低碳经济的发展对低碳技术创新的促进作用明显［21－22］。要提升低碳技术创新水平，在资金投入方面，应尽快建立以政府投入为指引、企业资金为主体、金融信贷为支撑等的创新投入渠道［23］；在体系建设方面，可以通过基础技术、重大装备、示范工程和创新平台四位一体同步推进的能源科技创新体系来加速低碳技术创新的发展［24］。③科技创新与低碳经济的互动关系。吴迪等［25］通过分析科技革命对低碳经济的作用，认为我国要抓紧引进和研发低碳技术，打造低碳产业，从而在新常态下确立和完善低碳经济体系。康绍大等［26］以天津市为例，对科技进步与低碳经济间的关系进行了分析，发现两者存在密切的联系，低碳经济需要科学技术支撑，创新投入又驱动低碳经济的发展。高大伟［27］研究发现我国的科技创新系统与低碳经济系统呈现互相推动和共同协调发展的趋势。

总之，低碳经济需要以科技创新为支撑，科技创新应以低碳绿色发展为目标，但多数研究聚焦在单向传导或理论研究上，缺乏两者互动机制及其影响因素分析。因此，本文利用耦合协调模型对黄河流域科技创新与低碳经济耦合协调度进行分析，采用障碍因子诊断模型对影响因素进行分解，并依据现实需要提出针对性的对策建议，以期为实现黄河流域“科技助低碳，低碳促科技”目标提供参考。

2 理论研究

耦合反映的是两个或两个以上系统间相互作用的动态关联。科技创新与低碳经济作为推进黄河流域生态保护和高质量发展的重要手段，对流域实现“双碳目标”具有重要影响。

（1）科技创新对低碳经济的影响：①科技创新是影响产业结构优化的关键因素，通过加速生产要素流动等方式促使原有的煤化工等高耗能产业升级，同时催生出一系列绿色新兴产业，能够在一定程度上抑制碳排放。②科技创新促使能源结构不断优化，为低碳经济提供有力支撑。科技创新一方面通过开发新能源技术和材料技术等手段不断降低清洁能源使用成本，扩大清洁能源使用规模，另一方面利用新工艺技术提升煤炭等化石能源的使用效率，逐步调整能源结构向绿色化发展，在促进经济发展的同时，降低碳排放。③科技创新引领绿色消费，推动低碳经济发展。通过科技创新不断减少高耗能产品，刺激绿色消费，降低生活能耗，尤其是近年来科技创新与传统行业相结合，以“互联网＋”的方式深刻改变了人们的生产生活方式，绿色生活逐渐成为共识。

（2）低碳经济倒逼科技创新：①在低碳经济发展过程中，政府环境规制的作用是显著的，政府通过政策引导、税收激励、行政处罚等手段增加高污染企业的生产成本，刺激企业为追求低成本而提高科技创新水平。②随着低碳经济逐步推进，社会生态意识有所提升，消费者逐渐倾向于多为绿色技术产品支付对价，这极大地激发了企业进行科技创新的积极性。绿色科技创新形成规模效应后，相关研发成本和风险逐渐降低，又进一步推进企业进行科技创新。③低碳经济的发展离不开绿色金融的支持，而绿色金融能够通过资源配置、重组，引导资金流向环境友好企业，为其科技创新提供必要的资金支持，同时也会强化绿色信息的披露，限制高污染企业融资。

3 研究设计

3.1 研究方法

3.1.1 熵值法

为解决各指标单位不同不便于比较的问题，需要对数据进行标准化处理，本文采用极差法对数据进行标准化处理。计算公式为

式中：Xij、X′ij为原始数据和标准化处理后的数据，i为省份，共n个，j为指标数，共m个；Xmax、Xmin为第j个指标的最大值、最小值；Cij为中间变量；Sj为信息熵；Wj为指标权重；Zi为综合发展指数。

3.1.2 耦合协调度模型

耦合协调度模型用以分析事物的协调发展水平，为探究黄河流域科技创新与低碳经济的耦合协调度，本文借鉴姜磊等［28］修正后的耦合函数来计算科技创新与低碳经济的耦合度，耦合度取值范围为［0，1］，计算公式为

式中：C为耦合度；U1和U2分别为科技创新与低碳经济子系统对复合系统的综合贡献度。

耦合度的高低并不能说明复合系统的耦合与否，因此建立模型对该复合系统的耦合协调度进行研究，具体指标的计算公式为

式中：D为耦合协调度；T为科技创新与低碳经济子系统的综合协调指数；α和β为待定系数，两者均取0.5。

耦合协调等级评价标准见表1。

表1 耦合协调等级评价标准

3.1.3 障碍因子诊断模型

采用障碍因子诊断模型对黄河流域科技创新与低碳经济耦合协调发展的障碍因子进行评价，计算公式为

式中：Tij为指标偏离度；Oij为障碍度，数值越大说明该因子对黄河流域科技创新与低碳经济的耦合协调发展阻碍越大。

3.2 区域概况和数据来源

将黄河流域九省（区）作为研究区域，基于2010—2019年数据进行科技创新与低碳经济的耦合差异分析。各指标数据来源于2010—2019年《中国统计年鉴》《中国科技统计年鉴》《中国火炬统计年鉴》《中国能源统计年鉴》及九省（区）统计公报、水资源公报等公开数据。部分年份缺失的数据采用相邻年份均值或用插值法补充。

3.3 指标选取

影响科技创新与低碳经济发展的因素众多，综合考虑指标的科学性、代表性、可获取性等，构建了科技创新与低碳经济综合评价指标体系，并通过熵值法计算权重，见表2。

表2 黄河流域科技创新与低碳经济指标体系

在科技创新方面，主要参考刘建华等［29］的相关研究，从创新投入和创新产出两方面选取二级指标。我国正在由科技大国向科技强国迈进［30］，科技创新是赢得国际竞争优势的关键［31］，其对区域高质量发展至关重要，从创新投入和创新产出两个方面能够较为全面评价区域科技创新水平。因此，选取研发强度、科研机构数量、科技预算指数3个二级指标评价区域对于科技创新的支持程度；选取国内授权专利数量、技术市场成交额、高新技术企业增加值、规模以上企业新产品销售收入4个二级指标评价区域科技创新成果转化效率。在低碳经济方面，综合考虑了阳玉香等［32－33］的研究成果。低碳经济涉及经济、社会、环境等方面，从社会基础、生态环境和绿色技术三方面选取二级指标。在社会基础方面选取人均能源消费量、煤炭消费比重和污水处理率3个二级指标进行评价；在生态环境方面选取森林覆盖率和人均绿地面积2个二级指标进行评价；在绿色技术方面选取工业废气处理设施数量、固体废弃物综合利用率和工业废水日处理能力3个二级指标进行评价。

4 实证分析

4.1 发展水平测算

2010—2019年黄河流域九省（区）科技创新指数和低碳经济指数见图1、图2。

图1 2010—2019年黄河流域九省（区）科技创新指数

图2 2010—2019年黄河流域九省（区）低碳经济指数

由图1可知：①黄河流域科技创新的整体水平呈现稳步提升的趋势，科技创新指数由2010年0.123 8上升至2019年的0.273 6，说明黄河流域的科技创新相关工作取得了重大阶段性成果，创新能力得到显著提升。从提升速度来看，科技创新指数保持稳定上升的趋势，特别是2019年以来，九省（区）的科技创新水平均有较大幅度的提升，说明黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施，有效改善了黄河流域整体经济发展方式。②九省（区）的科技创新指数呈现一定的区域差异，位于下游的山东、河南两省发展速度均较快，尤其是山东遥遥领先于其他省份，上游地区除四川之外，其他省（区）上升速度缓慢，且发展水平持续偏低。因此，应优化资源分配机制，提高中上游省（区）的资源可获取能力，加强上、中、下游的交流与合作，促进黄河流域协同发展。

由图2可知，黄河流域低碳经济指数呈现稳定上升趋势，低碳经济指数由2010年的0.360 3上升至2019年的0.481 5。在低碳经济发展差异方面，上、中、下游的发展水平差异较小，特别是位于上游的宁夏与中游各省（区）的水平相当，这说明黄河流域九省（区）均对低碳经济给予了足够的重视，绿色低碳发展取得了显著的成效。从增长速度来看，2010—2017年九省（区）的低碳经济发展迅猛，2018—2019年上游和中游地区均出现发展速度减缓甚至负增长率的状况，而下游地区的山东、河南依然保持较快的发展速度，这说明在低碳经济发展过程中，部分省（区）面临增长乏力的问题，因此九省（区）需要保持相关政策的一致性，防止前期刺激过大、后期波动的情况发生。

4.2 耦合研究结果

通过确定权重对黄河流域科技创新与低碳经济的发展水平进行测度，并以此为基数，利用耦合协调度模型对科技创新与低碳经济耦合协调关系进行探究。黄河流域九省（区）10 a间的平均耦合协调等级见图3。由图3可见，九省（区）科技创新与低碳经济耦合协调等级差异较大。黄河上游各省（区）的耦合协调差异显著，四川耦合协调等级为中级协调，甘肃、青海、宁夏均处于失调状态。黄河中游的陕西、内蒙古处于初级协调，山西为勉强协调。黄河下游山东、河南的耦合协调等级优于上中游省（区）的，其中山东耦合协调等级为全流域唯一的优质协调，河南达到了初级协调。

图3 黄河流域九省（区）2010—2019科技创新与低碳经济平均耦合协调等级

黄河流域九省（区）2010—2019年逐年耦合协调度见图4。山东的耦合协调度远远高于其他省（区）的，并且在2010年就达到中级协调，2016年达到优质协调，这说明山东顺应时代发展潮流，大力推进科技创新和低碳经济的发展，优化产业结构、提高发展质量，两者实现了充分互动。四川和河南在2010—2015年的耦合协调度相当，处于勉强协调和初级协调的状态，2016—2019年耦合协调度显著提高，四川于2019年达到中级协调，这说明四川和河南较高的经济社会发展水平为科技创新提供了坚实的基础，同时也促进了低碳经济的发展。黄河中游各省（区）的耦合协调度相当，陕西相对较高，经历了2010年濒临失调、2011—2014年勉强协调、2015—2017年初级协调、2018—2019年中级协调4个发展阶段。陕西高校众多，为科技创新与低碳经济发展提供了人才、技术等方面的支持，创新、绿色发展潜力巨大。山西的耦合协调等级在10 a的评估期间处于勉强协调和初级协调之间。山西、内蒙古两省（区）整体协调度较低，缺乏相关的资源支撑，在科技创新和低碳经济方面都逊色于陕西。黄河上游的三省（区）（四川除外）耦合协调度整体较中游和下游地区的低，一直处于失调状态，说明黄河上游地区的低碳经济发展并未有效推动科技创新，对于上游地区来说，更需要加强两个系统间的互动，推动二者向协调方向转变。

图4 黄河流域九省（区）2010—2019年逐年耦合协调度

4.3 耦合协调障碍因子分析

基于上述发展水平与耦合协调度分析，运用障碍因子诊断模型对黄河流域科技创新与低碳经济耦合协调的障碍因子进行测算。

从时间维度来看，2010—2019年各一级指标障碍度排序为创新产出＞绿色技术＞创新投入＞社会基础＞生态环境，障碍度平均值分别为38.71%、19.73%、17.14%、13.80%、10.63%，该结果在各年间差异较小。从障碍度平均值可以看出，黄河流域创新产出对科技创新与低碳经济耦合协调的障碍度远大于其他系统，绿色技术次之，该结果说明注重创新及其转化能力对科技创新与低碳经济耦合协调发展具有重要意义。

2010—2019年科技创新与低碳经济耦合协调二级指标主要障碍因子与障碍度，见表3。由表3可见，10 a间障碍度排名前七的二级指标相对稳定。在科技创新能力制约方面，创新产出的障碍度大于创新投入的障碍度。规模以上企业新产品销售收入（X7）障碍度平均值为13.28%，稳居首位，这表明企业新产品产出对黄河流域科技创新与低碳经济耦合协调的阻碍程度较高。技术市场成交额（X5）和科技预算指数（X3）的障碍度也较大，技术市场是沟通科技与经济的桥梁，尤其是近年来数字经济的发展，技术市场交易火热，但黄河流域经济基础薄弱、科技创新能力不强，技术市场交易量不大与政府支持不足有关，阻碍了科技创新与低碳经济的友好互动，因此政府应加大对黄河流域先进技术的支持力度，同时注重先进技术的开发与引进。近年来，国内授权专利数量（X4）障碍度维持在7%以下，较前些年障碍度有所下降，这也说明近年来黄河流域科技创新产出水平在一定程度上有所改善。在低碳经济发展的制约方面，人均能源消费量（X8）的障碍度为11%左右，一直维持在较高水平，反映出黄河流域经济发展水平亟待提升的现状。企业是社会生产的基础单位，其工业废气废水的处理能力（X13、X15）的障碍程度在近年来仍然较高，这更加明确了企业在低碳经济发展中的社会责任。

表3 2010—2019年耦合协调二级指标主要障碍因子与障碍度

从空间维度来看，2010—2019年黄河流域九省（区）一级指标的障碍度情况见图5。由图5可知，创新产出是制约九省（区）科技创新与低碳经济耦合协调发展的最重要因素，其次是社会基础、创新投入、生态环境、绿色技术。具体来看，耦合协调度排名在前三省份的障碍因子主要是低碳经济中的社会基础、绿色技术中的相关因子，原因是山东、四川、河南在黄河流域经济发展水平与科技水平均相对较高，但在经济社会发展的同时会产生对低碳经济的负面影响，如能源消费量大、废气和废水处理压力大等问题，因此需要提升科技创新转化效率及应用范围。耦合协调度排名较为靠后的省（区）主要聚集在黄河流域的中上游，其障碍因子主要是与低碳经济有关的生态环境、绿色技术和与科技创新相关的创新投入。黄河流域中上游生态环境脆弱，煤炭资源富集，拥有山西、鄂尔多斯、蒙东三大国家综合能源基地，科技投入不足等问题突出，因此在黄河流域中上游高质量发展过程中，应继续关注生态环境问题，加大绿色创新投入。

图5 2010—2019年黄河流域九省（区）一级指标障碍度分布

5 结论与建议

5.1 结 论

本文利用熵权法和耦合协调度模型对黄河流域九省（区）科技创新与低碳经济的耦合协调度进行了测算，运用障碍因子诊断模型对耦合协调的影响因素进行分析，结论如下：①黄河流域九省（区）的科技创新与低碳经济指数都处于逐年增长的态势，省（区）间科技创新指数的差异较大，而低碳经济指数的差异较小；②黄河流域科技创新与低碳经济的耦合协调度差异较大，从严重失调到优质协调等级均有，协调程度由西部欠发达地区向东部地区依次递增；③从时间维度看一级指标障碍度平均值排序为创新产出＞绿色技术＞创新投入＞社会基础＞生态环境，耦合协调度高的省（区）的障碍因子主要是低碳经济中的社会基础、绿色技术中的相关因子，耦合协调度低的省（区）的障碍因子主要是与低碳经济有关的生态环境、绿色技术和与科技创新相关的创新投入。

5.2 建 议

基于上述结论提出如下建议：①开发节能减排技术，加快低碳科技成果转化。黄河流域科技创新发展水平偏低，因此要发挥科技创新对低碳经济的基础作用，持续加大低碳类科技创新投入力度，提升新型基础设施建设速度，开发能源高效利用和资源循环使用的新技术，特别是提高煤炭、化工等能耗高、碳排放量大行业的新技术使用率，推广清洁能源的利用。②大力发展新兴产业，从源头降低环境污染。把握数字化、信息化发展契机，加紧孵化一批以创新为基础的战略新兴产业，如信息产业、新能源产业、新材料产业等。一方面能推进黄河流域整体产业结构转型升级，另一方面也能减少化石能源消耗、抑制碳排放，从战略层面为实现“双碳目标”贡献力量。③坚持科技创新与制度创新相融合，充分发挥政府环境规制作用。科技创新是低碳经济的核心动力，而制度创新则是低碳经济和科技创新的重要保障。以低碳经济环境规制倒逼科技创新，营造良好的创新生态，完善碳交易和生态补偿机制，提升碳汇能力，能够从根本上促成科技创新与低碳经济的友好互动，最终实现经济社会高质量发展。