全球科学论文产出和国际科学合作的时空演变格局分析

全球科学论文产出和国际科学合作的时空演变格局分析

杜红亮，胡蓓钰

(中国科学技术信息研究所，北京100038)

摘要：本文综合采用地理学、生态学、科学计量学、统计学等研究分析方法，分别从全部论文和数学、材料科学和免疫学等三个学科的角度，对世界科学重心的空间迁移情况进行了详细探讨，继而重点分析比较了国际科学合作中十大主要国家、“金砖五国”与中国的国际科学合作格局的时空演变和趋势特征，并对中国在其中的作用与地位变化进行了分析，最后提出了改进中国的国际科学合作水平的政策建议。本研究的主要结论是：全球科学重心正随着论文总量的增长持续地自西向东、自北向南转移，并主要集中于西欧、北美和东北亚；十大主要的国际科学论文发表国家亦是国际科学论文合作的主要推动者，相互合作是最重要的表现形式；中国虽是最重要的国际论文新增长源，但仍不是国际公认的国际科学合作强国；建议中国进一步确立开放创新和国际合作的战略观，并采取多种措施强化国际科学合作。

关键词：国际论文；国际科学合作；时空演变；数学；材料科学；免疫学；中国

收稿日期：2014-11-02修回日期：2015-01-15

基金项目：国家软科学研究计划项目“世界主要国家创新战略和科技发展趋势跟踪研究”(项目编号：2013GXS6K202)。

作者简介：杜红亮(1978-)，男，湖北武汉人，中国科学技术信息研究所副研究员，理学博士，科技政策与管理方向博士后，研究方向:科技规划与计划管理、科技人才政策等。

中图分类号：F204

文献标识码：A

文章编号：1002-9753(2015)02-0035-09

Abstract:Based on all international papers (including SCI-EXPANDED, SSCI, CPCI-S, CPCI-SSH papers) and three specific kinds of web of science (including mathematics—mathematics and mathematics applied, materials science—materials science multidisciplinary and materials science coatings films, and immunology), this paper discusses the spatial-temporal evolution of the global scientific center through analytical methods of scientometrics, statistics, geography, and ecology. To elucidate the insight and understanding unfolding and trends of the international science cooperation pattern, as well as China’s role and position in it, this study focuses on the cooperation network of ten major countries and the BRICS. With the growing number of the papers, the finding indicates that the location of the global scientific center which slowly concentrates in Western Europe, North America and Northeast Asia, has moved from west to east, from north to south; international science cooperation indicated by co-authored papers mainly happened between top ten countries who having published more international scientific papers than other countries; China, which is still not the well recognized as scientific power, needs to deepen the open innovation strategy with more administrative measures in the future, although it now acts as a significant influencing factor among the international science cooperation network.

The Tempo-spatial Evolution Pattern of Global Scientific Paper

Output and International Science Cooperation

DU Hong-liang, HU Bei-yu

(InstituteofScientificandTechnicalInformationofChina,Beijing100038,China)

Key words: international scientific paper; international science cooperation;spatial-temporal evolution;mathematics;materials science;immunology;China

一、序言

科学论文度量是评估科学产出能力的一种最常用工具[1]。当前，国际创新格局正在走向多极化，科学创新的中心由高度聚集于欧美日向新兴经济体分散的趋势。同时，科学发展呈现既高度分化又高度综合的双向发展态势，许多研究课题更需要或有赖于合作，其科学产出也越来越表现为国际合著论文[2-3]，以新兴经济体为代表的发展中国家地位在国际合作中的地位开始凸显、主动性开始增强[4]。上述新趋势引起了国内外学者的广泛研究兴趣，纷纷采取各种定量分析方法对国际科学产出及其中的国际科学合作情况进行定量研究。首先，在研究方法上，袁军鹏等人利用科学计量学和数据挖掘技术，以Web of Science收录的中国发表论文为样本，对中国与国际著名机构的合作分布进行了研究，描绘了中国自主创新能力的演变趋势[5]；郭继军等人则利用文献计量学方法及Foxpro编程分析了SCI中1991-1998年收录的我国科技人员发表的论文，得到了我国国际合作中的主要合作国家和重点学科领域[6]。Lievrouw等人利用社会网络分析法对合著现象进行了分析，并以此研究合作国家或作者间的微观合作关系[7]。近年也有学者如Evans、Pepe和Rodriguez对合著对象进行聚类分析，探索各国间的具体合作模式[8-9]。而中国学者梁立明等则采用新的价值矩阵计算方法，研究了中国地区间合著论文的频率分布，分析了合作方式的形成机制[10]。其次，在研究对象上，一般学者都更侧重将我国与发达国家进行对比，或重点研究某个具体领域的科学合作关系。如比利时学者Ponjaert就针对国际热核聚变实验堆(ITER)计划和伽利略计划对我国和东欧的科学合作进行了研究[11]；刘娅单独就我国与日本在基础研究领域的合作揭示了两个国家所开展的国际科技合作的基本表现、共同点与差异性[12]。

总体来看，上述研究探讨了多种研究方法，分析了诸多研究对象，提出了许多有价值的结论，为今后的进一步研究奠定了坚实基础。但由于其所采用的数据不够完整，也未能从空间变化角度定量地度量国际科学产出的时空演变格局及其趋势特征。为此，本文尝试综合采用地理学、生态学、科学计量学和统计学的分析方法和手段，对其时空演变格局和趋势特征进一步进行定量探讨，试图更加完整而形象地刻画世界科学重心和科学合作的时空格局变化，并进一步探讨中国的作用与地位变化及其政策启示。

二、数据与方法

(一)数据来源及其处理

本文的全球科学论文数据采用美国Thomson Reuters公司开发的科学引文索引扩展数据库(SCI-E)、社会科学引文索引数据库(SSCI)、科技会议录引文索引数据库(CPCI-S)、社科及人文会议录引文索引数据库(CPCI-SSH)的综合数据。数据检索的起止日期为1978年1月1日至2012年12月31日。所用数据包括全部学科领域，并结合中信所2013年中国学科国际影响力报告，分别挑选了高影响力、中等影响力和低影响力的数学、材料科学和免疫学为代表，探讨国际影响力不同学科的论文产出与全球总科学产出的时空演变格局趋势变化。

在对国家(地区)名称的数据处理过程中，为确保数据的准确性和不重复，本研究首先将Thomson Reuters公司各数据库收录的所有国家和地区名称完整地列出来，再根据联合国最新的国家和地区分类，对所有涉及到的国家和地区的数据进行归并或拆分。最终得到211个统一的能单独计算科学论文产出的国家和地区。此外，在探讨国际论文合著时，中国科学论文仅指中国大陆的科学论文，香港、澳门及台湾的科学论文产出按单独地区另算。

所有数据的采集工作都采用Thomson Reuters公司的在线数据检索及其精炼检索工具进行。其中，各个国家和地区的论文数包括有其参与的所有论文，也就是包括以第一作者和非第一作者的论文；对全球及中国的科学合作格局进行分析时，将各国(地区)论文产出细分为合著论文和独立发表论文的基础上，再对合著论文进行精炼检索。

(二)数据分析方法

鉴于近年来空间分析和生态系统分析方法已在科技政策研究中广泛采用，本文为描述全球科学产出和全球科学合作的空间变化，除采用常规的统计分析和计量分析方法外，还借用地理学和生态学中的地理空间分析法和香农-维纳指数法进行了深入分析。这两种方法针对科学论文产出问题的计算公式如下：

一是采用地理空间分析法分析全球科学重心的地理位置转移趋势变化。首先假设以各个国家(或地区)首都(府)的经纬度代表该国的空间位置，继而结合各国(地区)的论文产出规模来加权计算全球科学重心的经纬度，最后根据全球科学经纬度的多年变化来反映世界科学中心的全球转移趋势。其中某一年i的全球科学重心的经纬度计算方法如下：

第i年全球科学重心经度

第i年全球科学重心纬度

二是采用香农-维纳指数评价全球科学论文主要产出地区的多样性，即论文产出的空间分散程度。该指数的计算方法为：

其中Pj是第j个国家(地区)论文产出数在全球论文总产出数中所占的比例，n表示实际发表国际论文并被统计的国家或地区总数，H则表示该年份全球各国论文参与数量的香农-维纳指数，即全球各国论文发表的分散程度。H值越低则表示全球科学论文产出的分散程度低而集中程度高，即全球论文发表呈现出集中在某些地区的态势；反之表示论文产出分散程度高，即全球论文的产出地区较为丰富且分散。

分析合著论文时用到的合著论文率是指一个地区参与发表的所有国际论文中，有其他国家作者参与的论文总数占全部国际论文总数的比例。

三、全球科学产出的时空演变格局

(一)全球科学论文重心正在由西向东、由北向南转移

采用地理空间分析法计算1978-2012年的全球科学论文重心的迁移轨迹可以很好地反映全球科学产出的空间变化态势。其迁移态势如图1所示。其中，对全部论文的分析结果表明，全球科学重心由1978年的北大西洋东南部逐步由西向东、由北向南迁移，2012年已到达地中海东部。同时，空间迁移幅度也呈现逐渐增大的态势，其中1978-1988年10年间仅向东、向南分别转移了5.5°和0.6°，而1988-1998年这10年间分别转移了11.7°和1.1°，而1998-2008年则分别转移了11.2°和1.9°。此外，自2006年后，经纬度变化脱离了原来的轨道，进入加速变化区间。从三个学科的结果看，尽管其经纬度变化整体上的波动更为剧烈，但整体趋势仍明显地表现为从北纬高纬度地区向低纬度地区、从西经地区向东经地区迁移。其中，中国在论文影响力很高的数学学科和中等的材料科学学科自西半球向东半球迁移的距离更多，纬度自北向南迁移的距离则更少，而在中国论文影响力较低的免疫学领域则呈现与上述两学科相反的态势。

(二)全球科学论文产出正在持续走向空间集中

根据香农-维纳指数法计算得出1978-2012年全球所有论文发表国家或地区论文产出的香农-维纳指数变化结果如图2所示。其中，全部学科的指数从1978年的0.4左右逐渐下降到2012年的0.25左右，34年间平均降幅达到约37.5%。从具体过程看，1978-1991年间呈现较缓慢集中，1992-1999年间加快集中，而2000-2012年间呈现一种较为稳定的态势。对三个学科的分析显示，尽管波动变化和阶段性特征不太明显，但指数整体上仍然呈现出减小的趋势。其中，中国在学科影响力较弱的免疫学上的香浓维纳指数一直高于全部学科和其他两个学科的相应年份的计算值，相反中国在学科影响力较高的材料科学的指数值在2002年以前基本上呈现出减少的态势，在此之后则开始出现缓慢增加的走向；与此同时，中国在影响力最高的数学学科，指数值在1987年以前是呈现增加的态势，在此之后才开始减少。

图1　1978-2012年世界科学论文重心的经纬度时空变化示意图

图2　1978-2012年全球各国论文发表数量的香农-维纳指数值变化情况

(三)全球主要区域的科学论文产出呈现出此消彼长的态势

作者依据联合国的划分方法将全球分为北美、西欧、东北亚、中东欧和中亚、西南亚、太平洋、拉美与加勒比海、撒哈拉以南非洲、阿拉伯国家和东南亚等10个区域，分别考察各区域1978-2012年科学论文产出量的变化情况。

统计结果显示，全球科学论文总产出大约以年均4.5%的速度增长，尤其是新兴发展地区更是呈现出高速增长的态势，东南亚、东北亚、拉美和加勒比海、阿拉伯国家的论文产出年均增速超过了8%，北美和西欧的增长率较低，导致全球论文产出能力最强的北美和西欧的地位不断下降，例如北美、西欧的份额分别从1978年的42.3%和33.5%下降为2012年的23.6%和31.8%；另一个唯一下降的区域是中东欧和中亚，其他区域则都呈现多少不一的份额增长，最突出的当属东北亚，其份额从5.5%大幅提升为19.8%。从三个学科的情况看，北美和西欧的份额下降与东北亚与新兴发展中地区份额上升。北美、西欧和东北亚的论文产出，只有西欧的免疫学以及中东欧和中亚的数学论文产出比例提高、西南亚的免疫学论文产出比例下降使得三个学科的表现略不同于全部学科。总之，全球主要地区所有学科和三个具体学科的科学论文产出的空间格局都呈现出此消彼长的态势。

进一步以1978-2012年各区域的论文总产出份额为横轴(以13%为分界线)、与世界平均增速的比较值为纵轴(以7.5%为分界线)，通过散点图可以将10个区域划分为四类。从全部学科的表现看，第一类是高增速、高份额的区域，即东北亚；第二类是低增速、高份额的区域，即西欧和北美；第三类是低增速、低份额的区域，即中东欧和中亚；第四类是高增速、低份额的区域，即东南亚、拉美和加勒比、阿拉伯国家、西南亚、撒哈拉以南非洲。具体到三个学科，同样可以进行类似的划分。其中，北美、西欧、中东欧和中亚、东南亚、拉美和加勒比、阿拉伯国家等6个地区在三个学科中的表现与全部学科的表现一致；东北亚和太平洋地区、西南亚等3个地区有两个学科的表现与全部学科一致，其中东北亚在免疫学的总份额偏低、太平洋地区和西南亚在材料科学的增速较高导致分类结果略有差别；只有撒哈拉以南非洲在材料科学和免疫学两学科论文产出的增速较高使其分类结果出现分异。

整体来看，以四类区域为划分基础，得到了全球科学论文产出的空间变化格局，其结果反映全球科学论文重心的全球迁移态势的驱动来源，即以东北亚为核心，东南亚、拉美和加勒比、西南亚、太平洋为外围的亚太地区的论文持续快速增长，引发世界科学论文重心持续自西向东、自北向南迁移。

图3　1978-2012年全球主要地区论文参与情况按规模和增长变化 注：图中横轴表示各区域论文产出数的平均增速与世界同期对应增速的比值，纵轴表示各区域论文总产出数占世界的份额。其中NA、WE、NEA、CEE/CA、SWA、TP、LA/TC、SSA、AS、SEA分别表示北美、西欧、东北亚、中东欧和中亚、西南亚、太平洋、拉美和加勒比、撒哈拉以南非洲、阿拉伯国家、东南亚。

四、全球及中国科学合作格局异常活跃

(一)主要国际论文产出国家科学合作格局及其变化

从1978-2012年累加的结果看，全球发表国际论文最多的是美国、英国、德国、日本、法国、中国、加拿大、意大利、澳大利亚和印度等十国(后分别采用简称)，美、中、日、德、法、印、俄、意是材料科学领域发表论文最多的国家。在此分别从全部学科和材料科学(代表中国影响力的平均水平)对这些国家的国际科学论文合作特征进行了分析。

一是多数国家国际论文合著率稳步攀升。从全部学科论文的合著率看，法、英、德、加、澳、意六国一直位居前列，从1978年的10%左右上升至2012年的50%左右；美国虽然论文发表总数一直位居各国之首，但合著率不足40%；日本的情况和美国类似，但合著率比美国低5%左右。印度自1997年后合著论文率开始大幅增长，但因起点低，目前仍位居末位。中国的论文合著率变化规律没有其他九个国家那么明显，自1978-1984年间呈大幅增长态势，此后一直处于波动状态，1990年后维持20%-25%的区间，和印度同属合著率最低的国家。从材料科学看，英、法、德、意、俄等国整体合著率较高，都超过30%，美、韩为25%多，而日、印和中不足20%。从趋势看，英、法、德、意、日、美、印合著率都呈现持续增长态势，而中、韩都以1993-1997年为界限，分别呈现倒U型和U型变化，俄罗斯则在2008年以来呈现下降趋势。无论是从整体还是从材料科学的结果看，在论文的主要发表国家中，欧洲国家更多采取合著的方式，美洲(和澳洲)次之，亚洲国家的合著率都比较低。

二是十大国家的主要合作区域高度集中，其中全部学科主要是北美、西欧和东北亚，材料科学还包括中东欧和中亚。从全部学科看，与北美和西欧的累加合著率一般达到主要国家国际合作论文总数的90%左右，但不同国家与不同区域的合作比例大相径庭。其中，印、澳同北美与西欧的论文合著率比例大致相当，都在40%多一点；英、意、法、德、美都主要与西欧开展合作，合著率一般在50%或以上，其中意超过60%；加、日和中则主要与北美开展合作，其合著率一般在50%左右。除了上述两大区域以外，合作最多的区域是东北亚，除欧洲四国外，一般占到十大国家的10%及其以上。从材料科学的累加数据看，中、日、英、韩、印六国的前三大合作区域均为北美、西欧和东北亚，德、法、意、俄为北美、西欧、中东欧与中亚，而美国的则为西欧、东北亚、中东欧与中亚。这说明中东欧与中亚在材料科学领域地位也很重要。从变化趋势看，十大国家与北美的合著率基本呈现下降趋势，非西欧国家与西欧的合著率呈现波动性下降，西欧国家则维持较高水平，多数东北亚国家呈现增长态势。整体而言，目前国际合著论文的中心仍然在北美和西欧，但东北亚等区域在整体上已可与前两者相提并论，但在具体学科和具体国家仍存在较大差别。

图4　1978-2012年全球前十大论文发表国家的合作区域分布情况 注：划下划线的数据所对应的区域为其最主要的合作对象。

三是十大主要国际论文发表国家的相互合作是其一致选择。对全部国际论文的分析显示，美、英、德、法为其余9个国家共同的合作对象，意、加为其中8个国家的合作对象，澳、日、中为其中5、6个国家的合作对象，仅印度不是其余国家的主要合作对象，说明十大国际论文发表国间的相互合作是其最主要的合作途径。除上述重要合作对象国以外，其他重要国家还有荷兰和瑞士，分别是7个和6个十大主要国际论文发表国家的前十大合作对象。对材料科学领域的分析发现，除加、澳被替换成韩、俄外，国际合作网络的基本格局并未发生根本变化，主要区别为十大国家间的合作更密切、中国的地位更高，中国不仅是美最大论文合作对象，还是日仅次于美的第二大以及韩仅次于美、日的第三大合作对象。从上述国际科学合作网络看，科学实力是促成这些这些国家开展合作的基本考量因素，地理位置、政治立场或历史渊源也发挥着部分影响力。

图5　十大主要国家国际论文发表合作网络示意图 注：实线表示双方互为前十大合作对象之一，虚线表示一国(箭头指向对象)为另一国(箭头来源)的前十大合作对象之一。各国图示圆圈的颜色越深表示合作网络越完善。

四是各国独立和合作发表论文增长呈现显著分异，根据增长率、独立发表论文增长率和合作发表论文增长率的差异分为三类。第一类只有中国，三类增长率都很高，1978-2012年间平均增速分别超过22%、20%和30%；第二类包括印、澳、意、日，增长率分别在3%-5%、2%-4%、9%-10%之间；第三类国家包括英、德、法、美、加，增长率分别在1%-3%、0%-1%、7%-9%之间。从中可看出北美和西欧主要国家的各类论文增长都进入较平稳的时期，论文数量增长主要靠国际合作发表论文数；相反亚太地区仍保持着较高的增速，其增长源主要靠国际合作发表论文数，但独立发表论文数也贡献颇多，其中最值得提及的当属中国。对材料科学的分析有类似的结论，即不同地区呈现不同增长态势，中、韩的独著和合著论文都高速增长，意、印紧随其后，美、日、德、法、英增长平稳，俄罗斯则一直是低速增长；不同的是，材料科学领域所有国家论文增长速度相对较快。

(二)新兴经济体及中国的科学合作格局

以中、印、俄、巴、南五个“金砖国家”为首的新兴经济体所处发展阶段相近，可比性和研究性强。统计结果表明，中、印在国际科学论文发表总数上有绝对的领先优势，但其累加的国际论文合著率也最低，分别只有约32%和16%，在材料科学领域更只有16%和18%；整体论文产出最低的南非拥有66%的最高论文合著率，在材料科学领域也达到51%；俄、巴在总数方面紧随印度，但论文合著率则都超过了一半，分别达到57%和51%，在材料科学领域分别为31%和33%。同时，中国的国际论文合作发布国家数量较少，主要合作国(与这些国家累计合著的国际论文数量与中国所有国际合著论文数之比超过90%且排名靠前的国家)的数量只有13个(材料科学领域为16个)，同期印、日、澳、加、意、德的数量在20-23个之间，法、英分别为28个、29个，美、巴、俄的主要合作国都达到34个之多，南非甚至超过48个；在材料科学领域，中国的合作国家仍然少于其他国家，仅比韩国的14个略多。

从金砖国家间的相互合作情况看，除巴西之外，印、俄、南与其他新兴经济体的合作都以中国为主；在材料科学领域，巴、南以俄为主，印、俄则以中国为主。而从中国的具体合作对象来看，美国始终占据最主要的地位，远远高于其他国家，其次是日、英，德、加、澳、法、新(加坡)、韩、台等处于第三梯队；在材料科学领域，美国同样首当其冲，其次是日本，德、英、澳、新、韩、法、加也比较重要。

总体而言，中国开展国际科学合作的对象范围仍较狭窄，与发达国家之间的合作局限于少数几个，与新兴经济体的合作也不够广泛，中国拓展国际科学合作的空间仍然十分广阔。

五、结论与讨论

上面分析可得出如下结论：(1)全球国际论文总量在持续增长，全球科学重心也持续自西向东、自北向南转移，并向西欧、北美和东北亚集中，但三大区域在科学论文总体增长的背景下呈现相对的此消彼长态势，东北亚作为科学产出新的最大增长动力的地位愈发地明显。对数学、材料科学和免疫学的具体分析进一步印证了这一结论的普遍性。(2)合著国际论文已经成为国际上越来越普遍的行为，是推动国际论文总量增加的主要动力，整体上，合作对象区域集中于西欧、北美和东北亚，在具体学科领域涉及区域更多，例如中东欧和中亚在材料科学领域的地位就十分突出；同时，十大主要国际论文发表国家之间的相互合作是最主要的合作渠道。(3)中国在国际各个学科的论文增长中都发挥着重要的新增长源作用，但在相应的国际合作中仍非发达国家的普遍选择，特别是在中国影响力不足的学科。这表明，中国是国际科学大国但仍不是强国；提升中国的国际科学合作水平与提升科学发展水平是相互支撑的。因此，作者认为，为进一步促进中国科学研究事业发展，应该以推动科学研究国际化为突破，大力开展国际合作研究，具体需要强化几方面的工作：

一是进一步倡导开放创新观念，完善国际合作制度。在国家创新驱动发展顶层设计的指导下，全面清理不利于国际科学合作的政策和机制体制，有针对地制定实施专门的开放创新战略和规划及实施路线图，优化不适应开放创新和国际创新合作的创新环境，大力开展开放创新、合作共赢教育和宣传，特别是中小学合作创新意识和能力的培养。

二是进一步鼓励科学家参与国际科技计划项目和大科学工程。在现有措施基础上，可建立专门的配套资金机制，例如设立国际科技计划参与基金，对申请得到国外科技计划项目的科学家给予配套资金支持。对参与国际大科学工程的，还应给予额外奖励。

三是加快国家科技计划对外开放。除涉及国家安全和敏感技术的领域，按照对等开放和有效管理原则，制定完整的国家主体科技计划对外开放实施细则，鼓励在华外资机构、国外研究机构和外籍科学家参与和承担我国国家科技计划项目，参与项目立项、结题等管理活动。

四是通过政府科技协议等方式，针对不同国家和不同学科的优势，以联合研究计划和项目等形式强化与有关国家和地区的研究合作。需特别指出，应将过度关注美、日、英、德、法等少数大国扩大到其他中小型的创新强国、新兴经济体等后起之秀甚至其他在某些领域有潜在优势的发展中国家，形成多层次、广覆盖的国际科学合作网络。

五是组织和实施一批中国主导的大科学计划和大科学工程。重点针对当前一些国际热点问题和全球性问题，提出若干大科学计划，并建立相应的大科学工程等重大基础设施，为吸引国际科学家参与奠定更加坚实的基础。

六是大幅度提高我国大学和科研机构的国际化水平。在进一步面向国外招聘高水平科研人才的基础上，鼓励大学面向国外招聘科研管理岗位，例如全球公开招聘大学校长和研究所所长。同时，进一步鼓励高等院校、科研院所、企业与国外机构建立联合研发与教育机构，鼓励外国大学和研究机构来华开办独立分支机构等。

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(本文责编：王延芳)