刘文浩， 郑军卫， 赵纪东

(中国科学院 兰州文献情报中心，兰州 730000)

0 引 言

美国、英国、德国、日本等发达国家在上世纪就建成了大批国家实验室，对国家发展和科技进步产生了巨大影响。组建大型国家实验室也已经成为我国深入实施创新驱动发展战略，发挥科技创新在全面创新中的引领作用的关键环节[1]。近年来，我国在多个重大科技战略规划中布局了国家实验室建设计划，如2006年颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确提出，在科技投入与科技基础条件平台建设中，要根据国家重大战略需求，在新兴交叉领域前沿和具有我国特色和优势的领域，依托国家科研院所和研究型大学，建设若干队伍强、水平高、学科综合交叉的国家实验室[2]。《“十三五”国家科技创新规划》再次强调，要聚焦国家目标和战略需求，优先在具有明确国家目标和迫切战略需求的重大领域，在有望引领未来发展的战略制高点，面向未来、统筹部署，布局建设一批突破型、引领型、平台型一体的国家实验室[3]。2017年1月10日，全国政协副主席、科技部部长万钢在全国科技工作会议上表示，2017年将按照“成熟一个、启动一个”的原则，在重大创新领域启动组建国家实验室[4]。但是，由于我国国家实验室建设起步较晚，获批数目不多[5]，导致在建设和管理经验方面仍有不足。因此，及时掌握国际上知名国家实验室的业务结构，分析其演化规律将对于我国国家实验室筹建及业务布局规划相关工作起到关键借鉴支撑作用。

成立于1992年1月1日的德国波茨坦地学研究中心(Helmholtz-Centre Potsdam-German Research Centre for Geosciences，GFZ)[6-7]是国际地学研究领域最具影响力的国家实验室之一，其在全球过程、板块边界系统、地球表面与气候作用、自然灾害、地球资源、大气探测、海洋地质资源和存储潜力以及地热能源系统等诸多科学领域的研究中产出了一大批具有影响力的成果[8-10]，又鉴于我国目前还未建成同类型的综合性国家实验室，因此，本文拟基于文献计量的方法对该实验室科研布局演化特征进行多维度分析，以期为我国此类国家实验室筹建及管理提供参考和支撑。

1 数据来源及分析工具

文献计量学方法作为一种用于描述、评价和预测科学技术的现状与发展趋势的系统性方法，已经从单个学科领域的科学研究与发展分析逐步扩展到从战略上对整个科学共同体的发展状况及趋势的把握中[11-12]。这种方法也被用于系统评价和分析高校、科研机构及研究单元科研能力、业务布局演化等领域。例如，王祎亚等[13]利用文献计量的方法对国家地质实验测试中心近33年的文献进行了分析，深入剖析了我国地质分析技术发展的轨迹。郑元元等[14]基于该方法分析了石河子大学在2008～2012年期间的论文发表情况，客观反映了石河子大学的科研工作现状。李茂等[15]基于文献计量的方法定量分析了高校外语教学语言实验室研究论文，发现有相当实力的外语专业性高校对此类研究关注度反而较低，基于此认识提出了对策建议。本研究经过调研发现，目前国内外还尚未有基于文献计量方法对国家实验室相关业务布局进行研究的案例，为此，本文拟选用该方法对德国GFZ国家实验室进行实证研究，以期为我国同类实验室筹建及业务布局提供参考。

本研究利用Web of Science信息平台提供的科学引文索引(Science Citation Index Expanded，SCIE)数据库和Social Sciences Citation Index(SSCI)数据库进行了文献检索。在数据库(http://apps.isiknowledge.com)中，以“：(OO=GFZ) OR (AD=GFZ) OR(AD=GeoForschungsZentrum Potsdam )”为检索式(检索时间为2017-6-15)，检索1992～2016年期间由GFZ国家实验室发表的论文，文献类型包括研究论文(Article)、研究综述(Review)、会议论文(proceedings paper)，得到相关论文6 138篇，进入ESI的高被引论文(Highly cited papers)63篇，其中2016年中有2篇为热点文章(hot papers)。在所有论文中，有2 705篇论文由GFZ以第一作者发表，本研究重点分析了这部分论文。分析中利用美国Thomson公司开发的Thomson Data Analyzer(TDA)分析工具对高被引论文进行了文献数据挖掘和分析，同时使用网络分析工具UCINET(UCINET 6 for Windows)对一些矩阵数据进行了可视化。

2 结果与讨论

2.1 论文产出数量变化及影响力分析

通过对GFZ在1992年成立之后至2016年的论文产出总量及第一作者论文数量(见图1)分析可以发现，GFZ发表论文整体呈现3个明显的增长阶段：在1992～1996年期间，论文整体数量相对较少，没有超过100篇，其中第一作者论文更少，最多时仅15篇，可见该时期的GFZ作为新成立的国家实验室，正在处于初步的发展阶段；1997～2010年期间，GFZ发表论文总量迎来了一个新的增长阶段，最高发文量达380篇，第一作者论文数量也相对平稳上升，2010年第一作者论文数量达140篇；在2010～2016年这一时段，GFZ论文发文量快速上升，第一作者论文量也相对早期有了快速提升，至2016年第一作者论文量达221篇。

图1 1992～2016年GFZ发表的论文数量变情况及影响力

通过对GFZ第一作者论文篇均被引次数可以发现，作为一个具有较强综合地学科研实力的国家实验室，GFZ整体保持了相对较高水平的科研影响力，其论文平均被引次数达25次。从年际变化情况来看，在1992～1995年成立之初，GFZ虽然发表了较少的论文，但是其中有部分论文表现非常突出，其中1993年发表的2篇论文篇均被引次数达45次。此后，随着每年第一作者论文数量的增长，篇均被引次数有所波动，但是仍然可以明显发现，在1995～2005期间，GFZ第一作者论文的篇均被引次数长期保持在30次/篇以上，部分年份在大体量论文的情况下篇均被引次数多达40次。如，1999年，第一作者发文量为90篇，总被引次数高达3 653次，篇均被引约40次，最高被引的一篇文章被引315次。在2006～2016年之后，GFZ的论文数量也实现了增长，又由于论文发表周期较短，被引次数受到了一定的影响，但是仍然可发现在这一时段内GFZ第一作者论文的篇均被引次数仍达17次。而且在2007年出现了被引次数为362次的高水平论文。可见，自成立以来，GFZ在科技论文影响力方面表现出了较强优势，并且保持了良好健康发展的势头。

2.2 重点学科识别及演化分析

GFZ国家实验室作为成立较早的集全球过程、板块边界系统、地球表面与气候作用、自然灾害、地球资源、大气探测、海洋地质资源和存储潜力以及地热能源系统等诸多科学领域为一体的大型国家级研究中心，制定了明确的战略定位，并精准服务于德国国家地球科学及相关领域的国家需求，取得了德国国内和国际同行的肯定。分析其学科设置及发展特征、重点学科的布局及演化过程对于深刻掌握其发展自身、服务国家的成长历史至关重要，为此，本研究分别利用学科综合度、学科持续度和重点学科论文产出及影响力三个维度对GFZ重点学科进行识别，并详细分析其演化发展过程及影响力。

(1) GFZ学科综合度特征及指示意义。国家实验室作为综合性的国家级研究单元，研究学科的布局直接影响到其科研重心及研究方向。基于对论文检索结果的学科分析发现，GFZ涉及到的排名前20的主要学科包括了地球化学与地球物理学、地质学、矿物学、气象与大气科学、工程学、遥感科学、水资源科学、环境科学与生态学、能源与燃料科学、天文与天体物理学、物理地理学、材料科学、化学、成像科学与摄影技术、仪器仪表、物理学、采矿与矿物加工、科学工程与其他、计算机科学、海洋学，这些学科均由WOS数据库自动分类。但是，在GFZ的发展过程中，这种较为完备的科研学科体系并非一蹴而就，而是经过了缓慢的发展过程。为了定量研究这种科研布局的完整性，本研究使用了学科综合度这一指标[16]，即：以某年的所有研究涉及到的学科数量与统计时间内最大学科数量的比值来表示该年的学科综合程度，即如果一个机构某年研究涉及全部20个学科，则学科综合度值为1，若只涉及10个学科，学科综合度则为0.5(10/20)。从而获得了GFZ在1992～2016年期间的学科综合度的变化情况(见图2)。

图2 1993年～2016年GFZ学科综合度变化情况

从图2可以看出在成立早期的1993～1999年期间，GFZ涉及到的研究学科综合度并不是非常全面，但是在短期内实现了快速的增长，至1999年已经增至0.85，覆盖了17个主要学科。在此后的2000～2016年，学科综合度虽然有短期波动，但是整体呈现高值状态，均值在约0.9，覆盖学科达18个。正是这种全面的布局模式使得GFZ可以在不到24年的发展中跻身为世界著名的国家实验室行列。

为了准确把握各个学科的研究持续性，本研究使用学科持续度这一指标对GFZ涉及的20个学科进行了定量分析(见表1)，用于定量化表征各学科的持续度。具体分析方法是：如果某个学科在某年有论文发表，记为1，然后将1993～2016年共24个统计年之间的数值相加，并作比值，如果比值相对较大，则认为该学科有非常好的持续性，也表明该学科在24年中大多数时间段都有相关研究开展，很少中断过。

表1 1993～2016年期间GFZ涉及20个学科的学科持续度

由表1的分析可见，GFZ在1993～2016年期间各个学科基本呈现出良好的持续性，所有学科持续度均在0.58以上。但是，可以明显发现，包括地球化学与地球物理学、地质学、矿物学、工程学、环境科学与生态学、气象与大气科学、遥感科学、天文与天体物理学在内、物理地理学的9个学科整体学科持续度保持在0.83以上，即在统计周期24年中，基本有20年保持了关注和研究，因此，本研究将这些学科定义为GFZ的重点学科，并分析了这些重点学科占GFZ第一作者论文百分比年际变化情况(见图3)。

可以发现，在分析周期内，地球化学与地球物理学、地质学2个学科保持了较高的论文比，这2个学科的论文分别每个年度论文的比例在20%～50%之间，可以认为这2个学科是GFZ成立以来的优势重点学科。从GFZ的9个重点学科的年际变化来看，各个学科年际波动都相对较大，但是整体来看，包括地质学、工程学、天文与天体物理学、物理地理学在内的4个学科基本保持了相对平稳的状态，地球化学与地球物理学、矿物学、遥感科学3个学科在2002年以后论文占比呈现出缓慢的下降趋于平稳。气象与大气科学、环境科学与生态学2个学科在2007年以来论文占比略有上升，这与近年来国际科学界普遍关注气候问题及环境问题的整体态势十分一致。

图3 1993～2016期间GFZ的9个重点学科发文量占第一作者论文百分比年际变化情况

为了准确分析GFZ的这9个重点学科的整体影响力，本研究分析了这些学科第一作者论文的被引情况，从而间接反映不同学科的影响力情况(见表2)。

表2 1992～2016年GFZ的9个重点学科论文影响力

整体来看，GFZ的9个重点学科的第一作者论文具有较高的影响力。从被引比例来看，包括矿物学、地球化学与地球物理学、物理地理学3个学科的被引率均在90%以上，说明这些学科领域上GFZ在国际上具有明显优势。从篇均被引次数来看，物理地理学、矿物学、地球化学与地球物理学、地质学、气象与大气科学、水资源科学的被引次数均在19次以上，可以认为是GFZ的强势学科。从单篇被引频次≥100篇的论文篇数及占比情况来看，物理地理学、矿物学和地球化学与地球物理学则3个学科上发表的高质量论文要更多，占比均在13%以上。被引频次≥150的高质量论文占比方面，物理地理学、矿物学、地球化学与地球物理学、气象与大气科学4个学科排在前4位，论文占比≥3.3%。不过，值得注意的是物理地理学、水资源科学、矿物学这些科学在影响力分析中比较突出与其论文整体体量较小一定的关系，但是仍然可以认为，GFZ的地球化学与地球物理学、矿物学、水资源科学、物理地理学在国际同领域内具有较高的影响力。

2.3 研究热点变化特征

文献计量方法中，科研论文的关键词可以在一定程度上反映学科领域内的研究热点。为此，本研究基于对GFZ第一作者论文关键词词频的统计，获得了1993～2016年期间GFZ的主要研究热点，并基于数据清洗合并，筛选出了包括地震、地磁场、水文学、CO2、流体、电场和电流、电离层、地壳、数值模拟、地热、全球定位系统、时间序列分析、3-D建模、岩石圈、俯冲带、洪水危害、水资源、重力、卫星、沉积物的排名前20个研究热点。为了清晰掌握这些热点之间的关系，基于UCINET(UCINET 6 for Windows)对这些研究热点进行了关联性分析(见图4)，并将其与GFZ各个部门与对应研究主题设置情况(见图5)进行了对比分析。

图4 GFZ研究热点关联情况

图5 GFZ各部门对应各个研究主题的参与度情况

可以看出，GFZ自成立以来发表论文前20的热点整体呈现出较为紧密的关联度，指示GFZ的研究方向和热点布局较为聚焦，并且与GFZ整体的研究主题设置目标十分一致。具体来看，包括4个主要研究方向：①以电磁场、电离层、电场和电流形成的地磁学研究方向。GFZ下属的实验室中拥有透射电镜实验室、古磁及岩石磁学实验室等专门实验室，并且有专门的大型地磁台站，这些均为GFZ深入开展地磁学相关研究提供了系统支撑。②基于卫星的长尺度地学时间序列分析。GFZ拥有并管理着全球导航卫星系统、智利综合板块边界监测台站、中亚全球变化监测台站，并且拥有包括GFZ-1、GOCE、CHAMP、SWARM等卫星系统，在开展地球系统监测及地球圈层大尺度、长序列的分析中具有明显优势，同GFZ科研主题布局中全球过程、板块边界系统的主题一致。③基于数值模拟技术对CO2开展的系统模拟研究。随着近年来全球变暖问题受到世界的关注，GFZ也顺势而为，开展了许多CO2排放及模拟预测方面的研究工作，这与GFZ针对全球过程、地球表面和气候相互作用、大气和气候的3个研究主题密切符合。与该主题相关的实验室包括中亚全球变化监测台站、树木年代学实验室等。④对地壳、俯冲带系统研究下的地震灾害及地壳构造过程的研究，这与GFZ的研究主题中自然灾害及板块边界系统相关主题设置十分契合，为此GFZ专门成立或管理着包括地球动力学实验室、沉积分析实验室、KTB深部地壳实验室、地球动力学观测站、全球地震台网、智利综合板块边界监测台站、北安纳托利亚断层地球物理观测台站等专业实验室及大型台站。因此，可以认为GFZ的研究热点较好契合了其实验室业务布局中的主题设置，与GFZ整体定位和发展规划具有明显的协调性和一致性。

为了分析GFZ研究热点的年际变化，本研究还专门分析了GFZ近10年来前10位的研究热点随着时间的演变过程(见表3)。

分析可以发现，随着时间变化，GFZ的研究热点也在不断调整。例如，在2007～2011年期间，明显发现包括地磁场、电离层及次级离子质谱等方向为该时期的研究热点，但是在2011年之后则较少看到这些热点出现在前10的关键词中。相反，对于CO2的研究在则在2010年开始至2015年长期处于研究的热点，这与近年来全球不断变暖的气候形式密切相关。同样对于数值模拟、3D建模等数字定量模拟技术在2010年之后逐渐发展为研究热点，数字模拟一度成为2014～2016年期间前5的研究热点。对于水文学和水资源的相关研究保持了相对连续较高的状态，不过在2010～2011年有所波动，并未跻身前10的研究热点。地热能研究在2010年达到高潮，但是在随后的几年内热度骤减，仅在2014年排在了第9位。与以上这些热点的变化不同，GFZ对地震的研究一直处于研究的热点状态，10年内有6次排在研究热点第1位，可见其在地震科学相关研究上不仅具有明显的优势，而且保持了长期的关注度，因此可以认为其在地震学研究上处于国际领先地位。

2.4 论文合作分析

国际联合研究是国家实验室作为国家级的研究机构必须重视的问题，尤其是地球科学的研究更应该放眼全球，拥有开放的研究视野。为了研究GFZ的第一作者论文的国际合作情况，本研究分析了其与各国的论文合著情况(见表4)。

可以发现，GFZ的第一作者论文合著呈现出多国家，多机构的明显特征。在国家层面，约有29%的论文来自2个国家的机构，而10%的论文由3个国家合著。约5%的论文由3个以上的国家机构完成，这些论文占据了GFZ第一作者发文总量的44%。通过对合作排名前10位的国家的分析发现，GFZ与美国合作发表了较多论文，约有256篇，其次同法国、美国、俄罗斯、中国合作论文数量也均在100篇以上，同瑞士、意大利、挪威、意大利合作的论文则相对较少，但是数量仍大于50篇。在合作机构层面，则同本国的波茨坦大学合作完成了较多论文。值得注意的是，其与中国武汉大学合作的论文数量排在第2位，为67篇。此外，GFZ还同多个国家的科学院、高校以及国家实验室进行了合作，整体呈现出了合作范围广、机构种类多的趋势，这对于整体提升GFZ自身的影响力意义重大。

表3 近10年来GFZ研究热点年际变化情况

表4 1993～2016年GFZ第一作者论文合作情况

2.5 ESI论文评价

本研究在文献统计中发现，GFZ在近年来产出了一大批ESI(Essential Science Indicators)高被引论文，该指标对全球所有高校及科研机构的SCIE、SSCI库中近11年的论文数据进行统计，按被引频次的高低确定出衡量研究绩效的阈值，分别排出居世界前1%的研究机构、科学家、研究论文，居世界前50%的国家/地区和居前0.1%的热点论文。此外，ESI还针对22个专业领域，通过论文数、论文被引频次、论文篇均被引频次、高被引论文、热点论文和前沿论文等6大指标，从各个角度对国家/地区科研水平、机构学术声誉、科学家学术影响力以及期刊学术水平进行全面衡量。因此，本文分析了基于Web of Science 数据库中检索到的GFZ的成立以来ESI论文数量变化及涉及的主要领域论文占比情况，以期更加明确GFZ的优势学科及影响力。

通过统计(见图6)，发现自1992～2016年，GFZ的ESI高被引论文共有63篇，第一篇ESI论文来自2007年，随后的几年，GFZ的ESI该被引论文逐渐增长，并在2013～2015年期间出现快速增长，2015年GFZ共有15篇ESI高被引论文，这在一定程度上反应出GFZ卓越的科研实力和影响力。对这些论文涉及学科领域论文占比(见图7)的分析表明，GFZ的ESI论文主要集中在地球化学与地球物理学、地质学、科学工程及其他、环境科学与生态学、遥感科学、水资源、气象与大气科学、工程学、成像科学与摄影技术、能源与燃料科学10个研究领域，这与基于学科持续度和热点分析的研究结论十分一致，也说明正是GFZ在科研布局中的聚焦性和持续性才保证了后期能够产出具有高影响力的论文。具体来说，地球化学与地球物理学、地质学占据了ESI的大部分，二者约占论文总量的42%。此外，科学工程及其他、环境科学与生态学、遥感科学、水资源科学的论文占比也相对较高，均超过了8%。因此，也可以认为GFZ在这些学科领域内具有国际领先的地位，值得我国相关研究关注和学习。

图6 GFZ的ESI高被引论文变化情况

图7 GFZ的ESI论文涉及的学科领域论文占比

3 启示与建议

基于文献计量的分析反映出的GFZ国家实验室科研布局呈现出了以下特征：①GFZ发表论文数量在逐年增长的情况下保持了较好的质量，论文影响力表现强势。②基于学科综合度和学科综合度两个指标的定量研究发现GFZ能够在短期内时间重点学科的全覆盖，学科布局聚焦，而且重点突出，形成了以括地球化学与地球物理学、地质学、矿物学、工程学、环境科学与生态学、气象与大气科学、遥感科学、天文与天体物理学在内、物理地理学为主的重点学科建设框架。③GFZ研究热点能够紧密切合其机构的8大研究主题领域，并且能够能够紧紧抓住国际热点及前沿开展研究，并且充分利用自身平台和资源优势开展聚焦性研究，在国际多领域研究中占据主导领军优势。④GFZ作为大型国家性研究单元，能够紧密联系本国及其他各国的国际知名研究机构、高校院所开展相关合作研究，不仅提升了自身研究实力，而且扩大了国际影响力。

基于对GFZ的科研组织及布局特征的分析，为我国同类国家实验室筹建及管理提出以下建议：①国家实验室作为科学研究“国家队”中最系统、最全面、资源最强的单元，在科研布局中应该具有充分的责任意识，能够主动承担起创新驱动发展的伟大战略任务，能够发挥科技创新对全面创新的引领作用，以长远、宏观、全面的高层位视野进行科研业务的布局，形成系统全面的科研战略规划。②国家实验室在科研评价考核中应该改善科研评价体制机制，加大对科研成果质量的考核，形成数量和质量的双向提升，保障国家实验室在科学研究中的影响力。③国家实验室具体研究任务的开展应该紧密结合实验室整体发展定位目标及主题设置，明确自身战略定位，并且紧密关注国内和国际相关领域的重点发展态势，灵活多变，顺势而为的开展科学研究。④国家实验室在学科体系建设中既要善于捕捉前沿，又应重视基础研究的持续性和连贯性，从而保证对优势学科的传承和发扬。⑤国家实验室往往代表了一个学科领域国家的最强研究实力，但是仍需要紧密联系国际上同领域的优势研究机构，实施“走出去、引进来”的开放包容的管理模式，实现对科学思维、资源平台、领军人才等多方面的交流互通，这样才能保证国家实验室紧跟国际发展的步伐，保障国家实验室的研究工作处于世界前沿。