山东省工业生态系统多样性

刘 晔,李 杨,石 磊

清华大学环境学院国家环境模拟与污染控制联合重点实验室, 北京 100084

工业多样性是工业生态学的一个重要研究领域[1- 4],也是工业生态化的重要决策支持,近年来受到越来越多的关注。自1930年首次提出以来[5],工业多样性的概念一直不断深化,其表征指数和计算方法也随之发展[6]。据不完全文献统计,工业多样性指数有多达15种,每一种指数所反映的工业生态系统过程其视角或侧重点各不相同,且存在一定的互补作用[6]。

区域差异是工业发展过程中不可避免的经济现象[7]。随着时间的积累,区域工业发展差异反映在空间上[8],表现为工业多样性的差异。工业多样性受多个尺度因素的影响,包括企业尺度、产业尺度、区域尺度,甚至国家和全球经济尺度,这些因素相互作用,共同影响工业多样性的分布格局。区域规模[9]、产业结构[10-11]、市场结构[12-13]是3个最常见的因素,此外还有收入水平[14]、要素状况、基础设施等。而具有更高工业多样性的地区可以获得更稳定的经济增长和更低的失业率,许多研究支持这个假说,认为提高工业多样性可以降低区域经济的不稳定性[15]。

中国作为世界工厂,现在是世界上制造业产量最大的国家。中国工业发展的空间格局引起了经济地理学学者的广泛关注。正如我们所知,中国工业的发展并不是均匀分布,工业的空间格局一直在变化[16-19],自20世纪70年代末实行改革开放政策以来,中国经历了显著的工业化进程。中国工业的区域差异一直是地理学研究的热点,也是区域经济学研究的核心问题。中国的工业分布空间变化受到土地成本、需求变化和环境成本的影响[20- 21],而地方政府的产业政策并不是万能的,需要依赖城市的产业基础和资源禀赋等其他因素的共同作用[22]。已有研究表明传统经济地理因素、新经济地理因素和政策因素共同决定了我国的工业分布[23],不同工业存在显著不同的空间分布特点,空间格局的影响因素差异较大[24],对于其探讨也在不断深入[24- 27]。不同空间尺度,影响工业地理格局的机制也存在差异[28]。将ESDA(Exploratory Spatial Data Analysis,探索空间数据分析)方法引入到工业格局分析中,可以发现工业的空间集群和空间分异,揭示不同区域间的空间相互作用机制[17]。

党的十九大报告指出,中国特色社会主义进入新时代,我国社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分发展之间的矛盾[29]。改革开放以来,我国整体经济实力不断增强,但在发展过程中,经济发展不平衡不充分问题日益凸显。山东省是我国东部沿海经济大省,GDP 位列全国排名第三,但是省内不同区域工业发展水平有着明显的差异[30],存在着工业结构不完善、自主创新能力不足和节能减排压力大等问题。对山东省工业发展的研究,是中国工业发展一个很好的实践案例。本研究以山东省140个县级行政单位2010年的四位码产业类型工业总产值和企业个数为统计单位,选择13个工业多样性指标,对结果综合比较,分析山东省工业生态系统多样性的空间分布格局;基于工业多样性指标,采用探索性空间数据分析方法,分析其空间关联性,评估空间自相关是否有稳定性, 探讨山东省工业发展过程中的区域差异。以期为山东省工业平衡、充分发展提供理论指导,为当前中国工业结构调整和空间优化布局的政策制定和企业的战略选择提供实践支持。

1 数据和方法

1.1 数据说明

本文依据《中国工业企业数据库》,整理了山东省140个县级行政单位2010年的各产业类型工业总产值数据及企业个数,包括39个二位码类型、504个四位码类型。表1对山东省39个二位码产业按行业总产值从高到低进行排序,选择排名前10的重点行业,并统计各产业类型的行业分布(县域个数)和企业个数。

表1 2010年山东省二位码产业的统计

1.2 工业多样性指数分析

研究选择了13个工业多样性指数,包括直接从生物多样性指数移植过来的4个指数,和根据特定目的专门构造出来的9个指数。

1.2.1根据特定目的专门构造出来的指数

利用各行业工业总产值数据计算各个县级单位的工业多样性指数,包括赫芬达尔-赫希曼指数(Herfindhl-Hirschman index)[31]、圆拱指数(Ogive Index)[32]、国家平均指数(National Averages Index)[33]、郡相似性指数(County Similarity Index,CS-Index)[3]、克鲁格曼相似性指数(Krugman Similarity Index)[34-35],和熵指数(Entropy Index)[36],分为相关多样性和不相关多样性(related variety, unrelated variety)[37-38]。具体指标说明和计算方法参见刘晔等[6]。

1.2.2直接从生物多样性指数移植过来的工业多样性指数

利用各行业的企业个数计算工业多样性指数,包括Simpson多样性指数[39]、Shannon-Wiener指数[40]、Pielou均匀度指数[41]、物种丰富度指数(Richness Index,S)。

(1)物种丰富度指数是对一个群落中所有实际物种数目的测量。

(2)物种多样性指数,包括Simpson多样性指数、Shannon-Wiener指数。

Simpson多样性指数：指数越大,属于同一物种的概率越低,多样性越高

Shannon-Wiener指数：指数愈大,群落所含的信息量愈大,多样性也越高。

Pi表示整个生态系统总体中第i种个体的比例。

(3)群落的均匀度指数：主要是Pielou均匀度指数。

1.3 空间关联性分析

许多地理实体间总是存在一定的空间关联性,而地理空间相关性主要表现在地理空间的自相关。通常,空间自相关使用全局指标和局部指标来度量[42]。全局指标反映研究区域内相似属性值的平均集聚程度,而局部指标反映这些集聚区的具体地理分布。

本文采用ArcGIS生成山东省的140个县级行政单位的shp文件,使用GeoDA建立基于空间邻接关系(具有公共边界)的权重矩阵,生成权重文件。

全局空间自相关指标Moran′sI指数,公式如下：

局域空间自相关指数(Local Indicators of spatial association,LISA)[43],公式如下：

式中,I为Moran指数,xi为区域i的属性观测值。使用 GeoDA软件,采用蒙特卡罗模拟的方法来检验 Moran′ sI是否显著,重复999次。

2 工业多样性分析

依据13个多样性指标计算结果(图1),对山东省140个县级行政单位的工业多样性从高到低排序,序数从1—140,选取多样性最高的20个县,如表2所示,其中有9个指标认为德州市德城区工业多样性高,8个指标认为青岛市胶州市、威海市文登市、烟台市蓬莱市工业多样性高,7个指标认为济南市历城区、济宁市曲阜市、青岛市胶南市、枣庄市滕州市工业多样性高,6个指标认为济南市章丘市、青岛市城阳区、青岛市黄岛区、青岛市平度市、威海市乳山市、烟台市福山区、淄博市张店区工业多样性高,5个指标认为临沂市河东区、潍坊市青州市、淄博市桓台县、淄博市周村区工业多样性高,4个指标认为青岛市即墨市、青岛市莱西市、泰安市岱岳区、潍坊市奎文区工业多样性高。另有3个指标认为18个县级行政单位工业多样性高,2个指标认为18个县级行政单位工业多样性高,1个指标认为31个县级行政单位工业多样性高。

研究结果表明,山东省工业多样性较高的20个县所属市,分别位于胶东半岛高端制造业聚集区(青岛市、烟台市、威海市、潍坊市)、 黄河三角洲高效生态制造业聚集区(淄博市、烟台市、潍坊市、德州市)、 鲁南经济带(临沂市、枣庄市、济宁市)和济南城市圈高新技术产业带(济南市、淄博市)这四个山东省的工业增长极,尤以胶东半岛的工业发展最为突出。这些县域较高的工业多样性,与优越的自然资源条件[43]、地区经济的快速发展[44]、国家宏观政策和地区政策的引导和调控[45- 46],以及经济全球化等因素密不可分。县域内较高的工业多样性,使得各产业可以相互弥补,消除产品的需求波动,更好地抵抗经济风险,确保经济稳定发展[15]。而竞争性的市场环境[24,47]、便利的交通通讯基础设施建设[24,48]有助于吸引更多的产业,帮助县域保持较高的工业多样性。

图1 2010年山东省县级行政单位工业多样性的空间分布Fig.1 The spatial distribution pattern of industrial diversity in Shandong Province in 2010

3 空间关联性分析

依据基于13个多样性指标的全局空间自相关指标Moran′s I指数分析山东省2010年的工业多样性的空间分布格局(表3),结果显示10个指标认为山东省工业多样性格局表现为显著地空间正相关,即工业多样性为空间集聚分布;另外3个指标Ogive Index(p=2)、National Averages Index(p=1)、Krugman Similarity Index认以上分析表明,山东省县域工业企业整体上呈现聚集分布的特征,区域工业的发展受相关区域的影响。在空间上表现为①高-高分布的县域在山东省东北部沿海地区集聚,分布在胶东半岛高端制造业聚集区(县所属市为青岛市、烟台市、威海市)、黄河三角洲高效生态制造业聚集区(县所属市为淄博市、烟台市),和济南城市圈高新技术产业带(县所属市为济南市、泰安市、淄博市),是山东省工业分布和发展的核心区,这些地区产业基础好、科研力量强、海洋资源丰富、经济外向度高。②低-低分布的县域在山东省的北部集聚,分布在胶东半岛高端制造业聚集区(县所属市为青岛市)、黄河三角洲高效生态制造业聚集区(县所属市为东营市、滨州市)、鲁南经济带(县所属市为枣庄市)和济南城市圈高新技术产业带(县所属市为滨州市),是山东省工业分布和发展的欠发达地区,这与县域的功能定位有关,比如青岛市市南区是青岛市的政治中心和政府所在地。③低-高分布和高-低分布均位于鲁南经济带(县所属市为日照市、枣庄市、菏泽市),是山东省工业发展不均衡的地区,鲁南经济带工业发展水平明显弱于其他3个区域,这与鲁南地区经济总量偏小,工业化、城市化水平不高,经济外向度偏低有关;其中,日照市五莲县的低-高分布,可能是由于五莲县为生态敏感区,丘陵地貌,地势起伏大、平原面积小,交通不便,很难发展大规模的经济。

表2 2010年山东省工业多样性最高的20个县级行政单位

p是常数;A青岛市胶州市;B威海市文登市;C烟台市蓬莱市;D泰安市东平县;E济宁市曲阜市;F威海市乳山市;G枣庄市滕州市;H临沂市河东区;I。济南市长清区;J潍坊市临朐县;K青岛市胶南市;L,济宁市汶上县;M青岛市平度市;N淄博市周村区;O济南市济阳县;P日照市东港区;Q菏泽市牡丹区;R德州市德城区;S泰安市肥城市;T烟台市龙口市;U枣庄市台儿庄区;V德州市庆云县;W枣庄市山亭区;X枣庄市峄城区;Y菏泽市定陶县;Z淄博市高青县;AA菏泽市单县;AB临沂市蒙阴县;AC滨州市阳信县;AD聊城市莘县;AE济南市平阴县;AF烟台市牟平区;AG烟台市长岛县;AH日照市莒县;AI济南市市中区;AJ莱芜市钢城区;AK济宁市邹城市;AL菏泽市东明县;AM淄博市临淄区;AN滨州市邹平县;AO莱芜市莱城区;AP济南市天桥区;AQ东营市东营区;AR烟台市福山区;AS青岛市李沧区;AT潍坊市奎文区;AU济南市历城区;AV枣庄市薛城区;AW临沂市罗庄区;AX东营市广饶县;AY德州市夏津县;AZ潍坊市寿光市;BA滨州市博兴县;BB青岛市市南区;BC德州市齐河县;BD菏泽市巨野县;BE枣庄市市中区;BF淄博市桓台县;BG德州市临邑县;BH潍坊市昌邑市;BI聊城市东昌府区;BJ青岛市黄岛区;BK泰安市新泰市;BL淄博市张店区;BM青岛市莱西市;BN青岛市城阳区;BO潍坊市青州市;BP济南市章丘市;BQ淄博市博山区;BR淄博市淄川区;BS威海市荣成市;BT青岛市即墨市;BU潍坊市诸城市;BV烟台市莱州市;BW威海市环翠区;BX潍坊市潍城区;BY泰安市宁阳县;BZ泰安市岱岳区;CA滨州市沾化县;CB济南市商河县;CC济宁市兖州市;CD烟台市芝罘区;CE济宁市任城区;CF潍坊市吕乐县;CG青岛市崂山区;CH济南市槐荫区;CI临沂市兰山区;CI青岛市四方区;CK青岛市市北区;CL济宁市市中区依据基于13个多样性指标的Moran显著性水平图,统计大于等于4个指标支持的山东省2010年工业多样性的局部空间分布格局(图2),共27个县,24个县为空间正相关,3个县为空间负相关。其中15个县为高-高分布(青岛市黄岛区、青岛市胶州市、泰安市肥城市、济南市平阴县、青岛市胶南市、淄博市淄川区、淄博市周村区、威海市荣成市、青岛市城阳区、青岛市即墨市、青岛市平度市、淄博市张店区、淄博市临淄区、烟台市牟平区、泰安市岱岳区),表明这15个县是山东省工业分布和发展的核心区,与周边县的工业多样性空间差异较小,工业呈现高-高聚集发展;9个县为低-低分布(青岛市市南区、青岛市市北区、枣庄市市中区、东营市东营区、滨州市滨城区、滨州市阳信县、枣庄市峄城区、滨州市惠民县、滨州市沾化县),表明这9个县是山东省工业发展的欠发达地区,与周边县的工业多样性空间差异较小,工业呈现低-低聚集;仅日照市五莲县1县为低-高分布,菏泽市牡丹区、枣庄市滕州市2县为高-低分布,说明这3个县分别是山东省工业发展不均衡的地区,与周边县的工业多样性空间差异较大。

表3 2010年山东省工业多样性指标的全局空间自相关性

为山东省工业多样性没有显著的空间格局,倾向于随机分布。

图2 2010年山东省工业多样性指标的Moran显著性水平图Fig.2 The local indicator of spatial association clusters of industrial diversity in Shandong Province in 2010

工业多样性高的县域,其集聚分布可以促进经济规模的增加,提升区域的竞争力,促进区域经济的增长[49- 51];工业多样性没有显著集聚分布的地区,可以结合自身区域优势,促进产业的集聚,利用产业集聚的正外部性,促进区域经济的增长[24];同时还要注意相关基础设施和配套政策的制定和实施,降低负外部性对区域产业发展的影响[52]。

虽然周围县域的发展对该县域经济的增长具有推动作用,但县域内部的工业集聚对县域经济增长则有负面影响[53],在工业多样性较高的县域,需要进行产业结构的优化调整。此外产业的集中分布与污染强度具有显著的正相关性[54],在工业多样性较高县域的产业组成优化中要注意高能耗、高污染产业转移;同时由于地区的人均GDP与环境规制严格度高度相关[55],在工业发展的欠发达地区,在吸引产业集聚的同时,要避免成为新的污染避难所。

4 结论

本文以2010年山东省县域尺度为样本,分析了工业生态系统多样性的空间分布格局,采用探索性空间数据分析方法解析区域之间工业多样性的空间关联。结论如下：

第一,工业多样性高的县分布在青岛市、淄博市、烟台市、潍坊市、威海市、济南市、德州市、济宁市、临沂市、泰安市、枣庄市等11个地级市,分别位于胶东半岛高端制造业聚集区、 黄河三角洲高效生态制造业聚集区、 鲁南经济带和济南城市圈高新技术产业带这4个山东省的产业增长极,产业组成种类丰富,抵抗经济风险能力强,是山东省经济发展较稳定的地区。

第二,各县之间工业多样性格局整体上表现为显著正相关的空间格局,山东省县域工业企业整体上呈现聚集分布的特征,区域工业的发展受相关区域的影响。其中①高-高分布的县15个,为山东省工业发展的核心区,分布在青岛市、淄博市、泰安市、济南市、威海市、烟台市,分别位于胶东半岛高端制造业聚集区、黄河三角洲高效生态制造业聚集区和济南城市圈高新技术产业带,可利用规模经济优势,吸引更多的产业集聚,推动工业持续发展;②低-低分布的县9个,为山东省工业发展的洼地,分布在滨州市、青岛市、枣庄市、东营市,分别位于胶东半岛高端制造业聚集区、 黄河三角洲高效生态制造业聚集区、 鲁南经济带和济南城市圈高新技术产业带,作为各市的政治中心,可在保证居民居住环境和城市建设品质的基础上合理发展工业企业;③仅有3个县为负相关的空间格局,为山东省工业发展不均衡地区,低-高分布仅在日照市,高-低分布在菏泽市、枣庄市,均位于鲁南经济带,这一地区地形复杂多样,可根据不同的地形特点科学布局,充分发掘优势因素,促进落后地区的工业发展。

中国的工业发展普遍存在不平衡不充分的问题,山东省工业多样性分布的空间差异表明山东省的工业发展也存在这一问题。山东省工业多样性的差异分布与本区自然资源条件、地区的产业基础、经济发展水平、劳动力、外商投资等密切相关。山东省的工业发展,应大力实施区域带动战略,保持发达地区的竞争力,加快落后地区的开发,促进经济协调发展,充分考虑不同区域物质资源、劳动力密集度、知识密集度、外商资本、产业基础等条件的差异,科学规划产业布局,通过产业结构的优化和升级,降低环境污染,促进山东省的工业生态化发展。