中国三大城市群科技合作空间格局及其异质性研究——基于论文和专利合作数据的分析
柯蕴颖，刘开迪，王光辉
(1.澳门科技大学 可持续发展研究所，澳门 999078；
2.山东大学 人文社会科学青岛研究院，山东 青岛 266237；
3.中国科学院 科技战略咨询研究院，北京 100190)
区域创新合作是提升协同水平的重要途径，提升区域创新合作能力，有助于突破区域经济增长瓶颈，释放区域经济发展潜能。随着全球化的深入发展和产业价值链细化的共同作用以及先进通信方式的广泛应用，不同区域的知识流动逐渐频繁，科研工作者能够克服地域的限制，以越来越灵活的方式参与合作，传统以线性和链式为主的技术创新模式已经向以多元创新主体合作为基础的协同创新模式转变[1]，创新资源逐渐突破组织和地域的界限，在跨区域的创新合作中发挥更大的作用。这一发展背景下，一个地区的创新产出不仅取决于当地的经济水平、科技投入、社会文化环境等综合因素，同时还受到其区域科技合作的影响。科技合作是科学研究工作发展的重要模式，催生出众多前沿领域的科技成果，也成为产业乃至整个区域经济可持续高效稳定增长的重要推动力之一。如何科学有效地组织与协调各区域的创新要素，促进研发(research and development，R&D)人员的区域合作，提升各区域自身的创新绩效与创新水平，成为研究热点之一。
城市群作为当前中国经济发展和城镇化建设的战略区域，是中国经济发展的先驱与代表，承担引领中国区域发展和科技进步的重任[2]。在全球新一轮科技革命和产业变革背景下，中国正逐渐从创新追随者转变为创新赶超者，城市群凭借优厚的创新资源和巨大的市场潜力，在中国创新发展的浪潮中脱颖而出。京津冀城市群、长三角城市群和粤港澳大湾区作为中国的三大国家级城市群(以下简称“三大城市群”)，在创新优势资源吸附和区域创新政策中具有无可比拟的优势，科技投入与产出在全国14个城市群中占比超过60%[3]。得益于科技创新与经济发展的双重推动，三大城市群在区域科技合作方面具有相当的优势。
对于区域科技合作的问题，早在1966年就有研究指出，最具有生产力的研究人员往往是那些参与科技合作程度较高的人[4]。在意识到这一问题之后，集体发明的概念应运而生[5]，外部信息和知识重要性的提出催生了创新合作网络的概念[6]，通过研究人员之间知识共享与信息共享，知识扩散及其产出效率得到更迅速地提升。由于科技合作之后的成果通常以学术论文、专利等形式面向社会，具体表现为以研究者共同署名在学术期刊上发表学术论文或共同申请专利，因而科学论文或专利的合作能够成为识别科技合作的重要途径[7]。以论文合作为测度对象，早有研究用合作论文数量表征创新联系紧密度，得出高层级的城市在知识传播与合作中明显比中层级以及低层级城市多，经济实力强劲的区域中心城市在科技合作的过程中起着重要的知识传播作用的结论[8]。通过研究不同省份[9]、城市群[10]以及国家或地区[11-12]之间的论文合作数据，还可以分析科研合作网络的动态演化特征[13]及其演变规律与方向[14]。以专利合作为测度对象可表征创新合作[15]，用专利合作申请数据可研究某一个特定产业的合作网络及其空间分布[16]，还可应用于探讨某一地区或城市的产学研合作程度[17]、科技创新合作网络结构和演化特征[18]以及区域创新能力和知识的动态变迁[19]。论文合作是区域科技合作在基础研究领域知识创新成果的主要载体，而专利合作是区域科技合作在技术创新研究与开发的重要成果转化形式，将两者结合起来能更加全面地展示区域科技合作的情况。
目前以论文合作和专利合作为主体的科技合作已成为区域经济学研究的热点和前沿之一。从相关文献中可以看出，当前该领域研究大多集中于特定主体、特定地区、特定学术索引[11]，研究对象主要集中在国家[20]、城市群(Maietta)[21]、企业以及特定产业[22]等。由于数据获取难度较大，现有的关于我国科技合作的研究大多从省级层面的数据出发[23]，而城市是区域经济活动的重要载体，科技合作多以地级市为单位开展活动。在梳理文献的基础上，本文使用地级市层面的论文与专利合作数据对中国沿海三大城市群区域科技合作的空间格局进行测算与异质性分析，旨在丰富区域科技合作的相关研究成果，以期为中国沿海城市群进一步提高创新合作以促进发展提供参考借鉴。本文的边际贡献可能在于：(1)以地级市为单位作为研究对象搜集研究数据，可更真实、精确地反映目前我国三大城市群科技合作活动的现状；
(2)从三大城市群间的科技合作程度差异以及网络空间格局等角度分析了中国三大城市群区域科技合作的空间异质性。
本文选取2018年京津冀城市群13个城市、长三角城市群26个城市和粤港澳大湾区9个城市(囿于数据的可得性，剔除香港、澳门两个城市)共计48个城市的科技合作数据，科技合作分别借鉴前人的研究[7，18]，选取论文合作和专利合作作为科技合作的替代指标进行研究。其中，论文合作与专利合作又分为城市间合作、城市内部合作两部分，城市间论文合作是本文的主要研究指标，表征某城市与其他城市之间科研合作的总体状况。本文所使用的论文数据来源于中国知网，为体现论文的质量选取了具备基金项目支持的论文，专利数据来源于专利之星，为方便衡量，选取了能够被检索专利申请人所在地的专利条目，论文合作及专利合作的获取过程如图1所示。其中，论文数据的初始网站为中国知网，选取2018年国家自然科学基金以及国家社会科学基金资助的论文，主要获取作者姓名及作者单位等关键信息进行数据处理与筛选。专利数据的初始网站为专利之星检索系统，按照“公司+大学+学院+研究院”检索2018年所有的专利申请数据，再进行数据处理与筛选。最后，本文根据研究内容需要，将经过处理的论文合作与专利合作数据进一步整理，最终得到中国三大城市群市内合作与跨市合作的数据。
图1 论文合作及专利合作数据获取流程
数据具体来源如表1所示。
表1 科技合作数据来源
自2006年城市群的发展概念首次被提出以来，中国城市群从规模、集聚程度等方面快速发展。党的十九大报告也明确指出要通过城市群推动国家不同行政区划之间融合发展，这坚定了中国以城市群为区域经济发展主体形态的思路。在19个不同规模的城市群中，京津冀城市群、长三角城市群、粤港澳大湾区3个东部沿海城市群利用其良好的基础率先发展，形成了较高程度的集聚经济和要素流动水平[24]。本研究以东部沿海三大城市群的论文合作及专利合作数据为基础，采用地理空间分析的方式分析了不同区域科技合作的空间格局，并进一步对三大城市群空间格局的共性特征予以总结。
(一)京津冀城市群——单核心引领发展格局
京津冀城市群的城市综合发展质量和职能强度存在严重的两极分化特征，北京、天津的发展情况遥遥领先于城市群内其他城市，并且大多数城市的发展质量很低，发展水平很不均衡[25]。与空间经济格局相似的是，京津冀城市群的论文与专利合作情况也存在两极分化的现象。如图2所示，北京市无论在论文合作还是专利合作方面都呈现出显著的高水平集聚，天津市在两方面均表现为较高水平，而其他城市如石家庄、廊坊等仅在论文合作或专利合作单方面表现为中等水平。
综合而言，京津冀城市群科技合作呈现以北京为核心引领发展的格局，北京市在区域科技合作中处于中心位置，天津市处于次中心位置。一方面，北京作为中国的政治、经济中心，天津作为华北区域经济驱动引擎之一，其高科技企业、科研机构等要素均具备丰厚的基础，能够为科技人才、科研活动的跨地区合作提供良好的支撑；
另一方面，大都市经济的规模效应、集聚效应吸引了周边城市的资源，形成了虹吸效应，也使周边城市笼罩在大都市的阴影中，无法形成自身科技的良好发展。虽然，近年来中国中央政府通过设立雄安新区、实施《京津冀城市群协同发展规划》等手段促进空间重组和整合，引导人口、产业逐步集中，支持京津冀城市群其余11个城市快速发展[26]，但其自身由于产业基础薄弱、人才流失严重等情况，科技发展仍较为缓慢。因此，在京津冀城市群内科技合作情况总体呈极核式发展，城市群内科技合作依赖于中心城市，其余城市呈现低水平聚集状况。
图2 京津冀城市群中城市间论文与专利合作水平
(二)长三角城市群——多核心共同发展格局
作为综合实力最强、跨地范围最广的城市群之一，长三角城市群代表着我国高质量一体化发展的水平，是我国参与国际竞争的重要平台、经济社会发展的重要引擎。城市群内产业结构不断优化，人口与城市内部经济集聚不断增强，城市间经济联系与合作日趋紧密[27]。如图3所示，与经济发展的多极化相似，长三角城市群内部科技合作呈现多核心共同发展的格局，总体具有多中心和趋平衡的特征。从论文合作水平上看，上海、南京作为高等院校、科研机构的聚集地，拥有较高的论文合作发文量，杭州、合肥也具有较高水平的论文协同程度，其他城市则处于中低水平以下集聚状态；
从专利合作水平来看，长三角城市群专利合作核心城市则为南京和杭州，上海、宁波处于中高水平，其他城市则处于中低水平以下集聚状态。分区域来看，江苏、浙江的科技合作程度更深，而安徽部分城市处于城市群边缘状态，无法与其他城市形成良好的联动效应。综合而言，长三角城市群科技合作程度整体较高，呈现由上海、南京、杭州等中心城市带动、辐射边缘城市创新的格局，科技合作网络趋于一体化和均衡化发展。
图3 长三角城市群中城市间论文与专利合作水平
(三)粤港澳大湾区——核心—边缘发展格局
自港澳回归以来，粤港澳大湾区经历了从“局部合作”到“多方合作”、从“中国三大城市群之一”到“世界级城市群”的演变历程，区域联系逐渐紧密，一体化程度不断提高[28]。除了经济、人口上的集聚，粤港澳大湾区也是一个包含“两种制度、三个关税区、三个法律体系”的异质城市群，粤港澳大湾区内城市特别是深圳、东莞的高速发展也引起世界各地的瞩目。以科技合作的视角来看粤港澳大湾区的发展(见图4)，粤港澳大湾区整体呈现多极化发展、核心带动边缘城市的格局。其中，核心城市为广州、深圳、东莞和佛山，这4座城市均具有较强的经济实力、科研机构、创新型企业，而其他综合实力较弱的5座城市则处于“双低”水平。相较于论文合作，粤港澳大湾区的专利合作程度更高，以深圳、东莞为首的大湾区城市作为现代创新型城市的代表，拥有创新研发能力极强的科技产业园区和众多的科技产品需求作为支撑，因此能够更有效地带动区域产学研间的转化。
图4 粤港澳大湾区中城市间论文与专利合作水平
以深圳市南山科技产业园为例，该产业园是我国“建设世界一流高科技园区”的试点园区之一，聚集了华为、中兴等高科技龙头企业。这种高科技产业园区的快速发展促成了高效的创新产业集聚效应，有利于区域内、区域周边企业与企业、企业与高校之间的科技合作和创新联动，进而带动整个城市乃至周边城市的科技进步与发展。
总体而言，京津冀城市群内部的区域科技合作空间格局有别于长三角城市群和粤港澳大湾区城市群，呈现以北京为核心的单核心引领城市群发展趋势。京津冀城市群科创资源密集，高校和科研院所云集，是我国进行科研创新的策源地，也有机会成为引领我国区域科技合作的前沿地区。然而，京津冀城市之间存在着巨大的经济和科技落差，使得京津冀城市群出现“科技合作高地”和“科技合作谷地”并存的现象。而长三角城市群和粤港澳大湾区城市群则呈现出多核心共同发展的格局，由具有较强经济实力、科研机构和创新型企业的城市带动综合能力较弱的城市共同发展，区域科技合作程度整体较高。
城市群的发展概念提出以来，越来越多的区域形成城市连片发展的趋势，城市结伴发展愈发成为区域经济发展的主要表现形式。但是，各城市群之间、城市群内各城市之间存在着经济发展水平差异、资源禀赋差异，导致了不同形态城市群的形成，同时也影响着城市群的科技合作水平和科技合作紧密程度。基于此，本文从三大城市群科技合作的异质性和空间集聚效应两个维度予以分析。
(一)三大城市群科技合作异质性分析
城市群的新趋势、新知识孵化器功能，使其充满活力。城市群内部城市之间的创新活动互动关系是学界关注的热点之一[29]。基于此，本文将论文合作与专利合作数据进一步细分为城市间合作、城市内部合作两部分，用城市间论文合作占比表征某城市与其他城市之间科研合作的交互程度(见图5)。城市之间的交流日渐频繁深入，对双方城市都有正面影响，进而促进区域的知识创新与增长。
在京津冀城市中，论文跨市合著占比高于90%的有邯郸、张家口、沧州、廊坊和衡水5座城市，专利跨市合作占比高于90%的有邯郸、邢台、保定、张家口、承德、沧州、廊坊7座城市，表明这些城市的创新活动主要依靠其他城市带动，而北京、天津两座核心城市跨地区科技合作比例较低，与其自身具备较强的科技实力和完整的创新链有关。
对于长三角城市群而言，论文跨市合著占比高于90%的有盐城、泰州、嘉兴、台州、马鞍山、铜陵、安庆、滁州、池州和宣城10座城市，专利跨市合作占比高于90%的有湖州、台州、铜陵、安庆、滁州、池州和宣城7座城市，其中处于城市群边缘的铜陵、安庆、滁州、池州和宣城这5座城市主要依靠接收周边城市的知识溢出效应进行创新研发。
□京津冀城市群 ▲长三角城市群 ●粤港澳大湾区
粤港澳大湾区城市群中，论文跨市合著占比高于90%的有深圳、珠海、佛山、惠州、肇庆、东莞和中山7座城市，而没有一座城市专利跨市合作占比高于90%，且值得一提的是，论文跨市合著占比均高于专利跨市合作占比，表明粤港澳大湾区内的城市在科研论文方面的交流更为紧密，而专利方面可能由于涉及专利价值、企业利益等问题，跨地区之间的合作存在一定壁垒。综合而言，中小城市跨市科技合作比例更高，京津冀城市群跨市专利合作比例更高，长三角城市群和粤港澳大湾区跨市论文合作比例更高。
(二)三大城市群科技合作空间集聚效应分析
空间自相关通常用来测度与判断具有某种经济属性的空间分布与其邻近区域是否存在相关性及相关程度，它能形象直观地表达某种经济现象的空间关联性与差异性，从地理空间上找出区域经济属性的分布特征和规律，是否有聚集特性或相互依赖性存在。空间自相关包括全局型自相关和局部型自相关，其中局部指标可用于探索集聚中心的空间位置。基于此，运用局部莫兰指数对三大城市群科技合作空间集聚效应进行进一步分析。
为了能识别局部空间自相关，每个空间位置的局部空间自相关统计量的值都要计算出来，空间位置为i的局部Moran’s I的计算公式为
(1)
局部Moran’s I指数检验的标准化统计量为
(2)
使用Arcgis10.6软件分别对京津冀城市群、长三角城市群和粤港澳大湾区计算局部Moran’s I指数，将通过显著性检验的区域以表格的方式呈现出来(见表2)。整体而言，三大城市群中的大部分城市都没有形成科技合作的高效集聚，地区之间的行政分割、文化分割等因素限制了要素的自由流动，大部分城市都处于各自为战的状态。其中，京津冀城市群北部两市(张家口、承德)呈现L-H聚集现象，表示低观测值的区域单元被高值的区域所包围的空间联系形式，可能是由于北京的知识溢出效应导致的；
长三角城市群中，杭州在论文合作维度表现为H-H集聚，合肥在专利合作维度表现为H-H集聚，表明杭州、合肥在科技合作方面具有带动作用，促进了周边地区的发展，池州、安庆在论文和专利维度方面都表现为L-L聚集，表明其科技合作水平普遍偏低，而马鞍山和滁州在论文合作方面表现为L-H聚集，表明其科技合作水平处于区域的低值，需要依靠周边城市的辐射带动；
粤港澳大湾区内各城市在科技合作方面并没有展现较高的相关性，表明其并没有进行有效的科技联动。形成这种状况的可能原因是：一方面，城市群内部各城市之间经济发展水平、科技资源禀赋等存在显著差异，大城市与中小城市之间科技合作缺乏动力；
另一方面，不同城市间的行政分割导致了地区产业日趋同构，而科技作为驱动产业发展的重要因素也成为地方政府竞争的手段之一，进而导致地区间科技合作存在壁垒。
表2 三大城市群论文合作与专利合作聚类情况
续表2
科技合作是科学研究工作发展的重要模式，催生出众多前沿领域的科技成果，也成为产业乃至整个区域经济可持续高效稳定增长的重要推动力之一。城市是科技活动的主要空间，也是知识溢出的重要载体，而城市群一体化发展概念的提出为地方政府促进区域科技创新发展提供了新的媒介。本文基于京津冀、长三角、粤港澳大湾区(未包含香港、澳门)三大城市群的科技合作数据，分析了三大城市群内城市科技合作的空间格局分布和集聚效应，得出以下结论：(1)在三大城市群区域科技合作空间格局方面，京津冀城市群呈单核心引领发展格局，而长三角城市群及粤港澳大湾区城市群则呈现多核心共同发展以及核心—边缘发展的格局。(2)在三大城市群城市间科技合作异质性分析方面，中小城市跨市科技合作比例更高，京津冀城市群跨市专利合作比例更高，长三角城市群和粤港澳大湾区跨市论文合作比例更高。(3)在三大城市群科技合作空间集聚效应分析方面，三大城市群大部分城市都没有形成科技合作的高效集聚，仍处于各自为战的状态。
根据以上研究结论，为提高我国区域科技合作效率和区域创新绩效，笔者提出以下建议。
第一，地方政府之间应建立常态化的合作和交流机制，破除地方利益藩篱。加强开展产业园区、平台建设等重大专题项目合作，推动市场、交通、教育等多方面一体化发展，打破不同城市群因行政区划分割带来的要素流动壁垒，进一步促进知识、技术、人才、资本以及信息等创新要素在更大空间范围内自由流动，并通过区域内城市间结对帮扶、技术援助等手段加强城市群内部的科技合作与交流。
第二，建立相应的激励制度以促进城市群之间的科技合作，提高科技合作质量。应加快相关激励制度、补贴政策的制定与落实，积极构建产学研协同创新机制，并进一步完善创新管理机制及技术转移和成果转化机制。以京津冀城市群为例，其区域科技合作提高主要的贡献来源为论文合作，设立相关的针对专利以及创新产品的奖励制度，有利于增强科技成果在城市群内部及邻近地区的溢出效应。
第三，循序渐进，推动城市群内不同城市间科技合作网络的形成。城市群应以一体化发展为目标，在顶层设计的基础上共同推动强化各区域政府间的合作。此外，不同城市群内部以及城市群之间应借鉴区域内较为成功城市的经验，进一步推广至整个区域，在循序渐进过程中充分发挥协同创新对创新能力的提升作用。
第四，因城施策，因地制宜，各个城市的科技政策指导部门要提倡和鼓励不同发展阶段实施差别化的政策评价体系，明确各个地方科技政策差异化的着力点，注重政策实施效果，以促进不同城市的错位融合发展。不同城市经济发展速度、创新资源禀赋存在较大差异，中小城市地方政府在制定城市科技政策时，要把自身融入城市群范畴内，考虑区域间科技政策、产业政策的协调性，扬长避短，实现区域错位发展，这样才能利用后发优势，提升自身科技实力，推进区域科技发展。
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