Research on the correlation between economic agglomeration, technological innovation and carbon emissions intensity across provinces of China

Abstract

As industrialization and urbanization accelerate, population and industries concentrate, leading to economic agglomeration. This enhances resource efficiency and innovation through economies of scale and knowledge spillovers, promoting regional growth. However, it also has dual environmental effects—boosting efficiency while potentially increasing resource use and carbon emissions. Technological innovation helps reduce emissions by improving energy efficiency, advancing low-carbon products, and optimizing energy systems, though it may trigger a “rebound effect”, requiring institutional oversight. Research on the linkages between agglomeration, innovation, and carbon emission intensity supports precision emission-reduction policies, green development, and sustainable strategic planning. This study uses panel data from 30 Chinese provinces (2003–2019) and applies spatial econometric methods—including the Spatial Durbin Model (SDM), Panel Threshold Model (PTM), and a modified Stochastic Impacts by Regression on Population, Affluence, and Technology (STIRPAT) model—to systematically analyze the nonlinear relationship between economic agglomeration, regional technological innovation, and carbon emission intensity, along with their spatial spillover effects. Specifically, it investigates the nonlinear impact of economic agglomeration on regional technological innovation capacity and carbon emission intensity from two dimensions: industrial agglomeration and population agglomeration, and further explores the regulatory role of technological innovation in carbon emission intensity. The empirical results indicate that: First, the impact of economic agglomeration on regional technological innovation capability is nonlinear. This capability exhibits significant spatial autocorrelation, with distinct agglomeration features and notable spatial spillover effects. The study finds that both industrial and population agglomeration exhibit a U-shaped relationship with regional innovation capability. When the logarithm of industrial agglomeration is below 5.969, it inhibits innovation capability; above this threshold, it promotes capability. When the logarithm of population agglomeration is below 3.872, it inhibits innovation capability; above this threshold, it promotes capability. Moreover, both types of agglomeration have significant direct effects. Second, the impact of economic agglomeration on carbon emission intensity is nonlinear and exhibits significant spatial spillover effects. Industrial agglomeration shows an inverted U-shaped relationship with carbon emission intensity: initially promoting economic growth yet increasing energy consumption and emission intensity. However, once industrial agglomeration exceeds a logarithmic threshold of 6.197, economies of scale, environmental regulations, and technological spillovers take effect, reducing emission intensity. Conversely, population agglomeration exhibits a U-shaped relationship: moderate concentration optimizes resource allocation and energy efficiency, but exceeding a logarithmic threshold of 3.222 intensifies carbon-emission intensity due to urban traffic congestion and building energy demands. Third, technological innovation exerts a nonlinear threshold effect on carbon-emission intensity. When innovation capability is low, its inhibitory effect on emission intensity is limited. Once capability surpasses a specific threshold, the promotion and application of low-carbon technologies effectively reduce emission intensity. In regions with relatively higher emission intensity, enhanced innovation capability has a more pronounced inhibitory effect. Finally, economic agglomeration fosters regional development and technological innovation, producing dual effects (inhibiting and promoting) on carbon-emission intensity. Such effects depend on the developmental stage of economic agglomeration and regional innovation capability. This study uncovers the nonlinear relationships and spatial spillover effects among economic agglomeration, regional innovation, and carbon-emission intensity, providing empirical evidence and policy insights. The findings inform the formulation of tailored low-carbon strategies, industrial structure optimization, and green economic transformation. Keywords: Economic Agglomeration, Technological Innovation, Carbon Emission Intensity, Nonlinear Relationship, Spatial Interaction Effects, Regional Heterogeneity.|산업화와 도시화의 가속으로 인구와 산업이 집중되며 경제집적 현상이 나타났 다. 이는 규모의 경제와 지식 확산을 통해 자원 효율과 기술혁신을 촉진하지만, 동 시에 자원 소비와 탄소 배출 증가를 초래할 수 있다. 기술혁신은 에너지 효율 개 선, 저탄소 제품 보급, 에너지 구조 최적화를 통해 탄소 저감에 이바지하지만, 반 등 효과로 인해 제도적 지침이 요구된다. 경제집적, 기술혁신, 탄소 배출 강도 간 의 비선형 관계에 관한 연구는 저탄소 정책과 지속 가능한 전략 수립에 중요한 기반이 된다. 이 논문은 2003년부터 2019년까지의 중국 30개 성의 패널 데이터를 사용하고, 공간 계량경제학 방법론인 공간 더빈 모델(SDM), 패널 임계값 모델(PTM)과 개선된 STIRPAT 모델을 적용하여 경제집적, 기술혁신 및 탄소 배출 강도 간의 비선형 관계 와 그 공간적 파급 효과를 체계적으로 분석하였다. 연구는 경제집적이 지역 탄소 배 출 강도와 기술혁신에 미치는 비선형 영향을 산업집적과 인구집적이라는 두 가지 차 원에서 분석하며, 기술혁신이 탄소 배출 강도를 조절하는 역할을 추가로 살펴봤다. 실 증 결과는 다음과 같다: 첫째, 경제집적이 지역 기술혁신에 미치는 영향은 비선형적이었다. 지역 기술혁 신은 유의미한 공간적 상관관계를 나타내며 뚜렷한 공간 집적 특성과 주목할 만한 공 간 파급 효과를 나타냈다. 연구에 따르면 산업집적과 인구집적은 모두 기술혁신과 U 자형 관계를 보이는 것으로 나타났다. 산업집적 수준의 로그값이 5.969 미만이면 기술 혁신에 억제 효과를 발휘하고, 로그값이 5.969를 초과하면 기술혁신을 촉진할 수 있었 다. 인구집적 수준의 로그값이 3.872 미만이면 기술혁신을 억제하고, 로그값이 3.872를 초과하면 기술혁신을 촉진하였다. 또한, 두 가지 모두 직접적인 효과가 유의미하였다. 둘째, 경제집적이 탄소 배출 강도에 미치는 영향은 비선형적이며 상당한 공간적 파급 효과를 나타냈다. 산업집적은 탄소 배출 강도와 역 U자형 관계를 보였다. 초기 단계에서는 산업집적이 경제 성장을 촉진하지만, 에너지 소비와 탄소 배출 강도를 증 가시키기도 하였다. 그러나 산업집적 수준이 임계값 (로그값 약 6.197)을 초과하면 규 모의 경제, 환경 규제 효과, 기술적 파급 효과가 나타나기 시작하여 탄소 배출 강도가 감소하였다. 반면 인구집적은 U자형 관계를 보이고. 적절한 정도의 인구집적은 자원 할당을 최적화하고 에너지 효율성을 향상시키는 데 도움이 되지만, 인구 밀도가 임계 값 (로그값 약 3.222)을 초과하면 도시 교통 및 건물 에너지 소비와 같은 요인이 탄소 배출을 증가하였다. 셋째, 기술혁신이 탄소 배출 강도에 미치는 영향은 비선형적이었다. 기술혁신이 탄소 배출 강도에 미치는 영향은 임계값 효과를 나타냈다. 기술혁신이 낮을 때 탄소 배출 강도에 대한 억제 효과가 미미하지만, 기술혁신이 임계값을 초과하면 저탄소 기 술의 홍보 및 적용을 통해 탄소 배출 강도를 효과적으로 억제할 수 있었다. 탄소 배 출 강도가 높은 지역에서는 기술혁신의 개선이 탄소 배출 강도에 더 뚜렷한 억제 효 과를 미쳤다. 마지막으로, 경제집적은 지역 발전과 기술혁신을 촉진하며, 탄소 배출 강도에 대 해 촉진 효과와 억제 효과를 모두 가졌다. 이 효과는 경제집적의 발전단계와 기술혁 신 수준에 영향을 받았다. 본 연구는 경제집적, 기술혁신, 탄소 배출 강도 간의 비선 형적, 공간적 상호작용 효과를 밝혀내며, 차별화된 지역 저탄소 개발 전략 수립, 산업 구조 최적화, 녹색 경제 전환 촉진을 위한 실증적 증거와 정책적 시사점을 제공했다. 키워드: 경제집적, 기술혁신, 탄소 배출 강도, 비선형 관계, 공간적 파급 효과, 지 역 이질성.