德國GFZ國家實驗室科研布局演化特征及其啟示

劉文浩， 鄭軍衛， 趙紀東

(中國科學院 蘭州文獻情報中心，蘭州 730000)

0 引 言

美國、英國、德國、日本等發達國家在上世紀就建成了大批國家實驗室，對國家發展和科技進步產生了巨大影響。組建大型國家實驗室也已經成為我國深入實施創新驅動發展戰略，發揮科技創新在全面創新中的引領作用的關鍵環節[1]。近年來，我國在多個重大科技戰略規劃中布局了國家實驗室建設計劃，如2006年頒布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》明確提出，在科技投入與科技基礎條件平臺建設中，要根據國家重大戰略需求，在新興交叉領域前沿和具有我國特色和優勢的領域，依托國家科研院所和研究型大學，建設若干隊伍強、水平高、學科綜合交叉的國家實驗室[2]。《“十三五”國家科技創新規劃》再次強調，要聚焦國家目標和戰略需求，優先在具有明確國家目標和迫切戰略需求的重大領域，在有望引領未來發展的戰略制高點，面向未來、統籌部署，布局建設一批突破型、引領型、平臺型一體的國家實驗室[3]。2017年1月10日，全國政協副主席、科技部部長萬鋼在全國科技工作會議上表示，2017年將按照“成熟一個、啟動一個”的原則，在重大創新領域啟動組建國家實驗室[4]。但是，由于我國國家實驗室建設起步較晚，獲批數目不多[5]，導致在建設和管理經驗方面仍有不足。因此，及時掌握國際上知名國家實驗室的業務結構，分析其演化規律將對于我國國家實驗室籌建及業務布局規劃相關工作起到關鍵借鑒支撐作用。

成立于1992年1月1日的德國波茨坦地學研究中心(Helmholtz-Centre Potsdam-German Research Centre for Geosciences，GFZ)[6-7]是國際地學研究領域最具影響力的國家實驗室之一，其在全球過程、板塊邊界系統、地球表面與氣候作用、自然災害、地球資源、大氣探測、海洋地質資源和存儲潛力以及地熱能源系統等諸多科學領域的研究中產出了一大批具有影響力的成果[8-10]，又鑒于我國目前還未建成同類型的綜合性國家實驗室，因此，本文擬基于文獻計量的方法對該實驗室科研布局演化特征進行多維度分析，以期為我國此類國家實驗室籌建及管理提供參考和支撐。

1 數據來源及分析工具

文獻計量學方法作為一種用于描述、評價和預測科學技術的現狀與發展趨勢的系統性方法，已經從單個學科領域的科學研究與發展分析逐步擴展到從戰略上對整個科學共同體的發展狀況及趨勢的把握中[11-12]。這種方法也被用于系統評價和分析高校、科研機構及研究單元科研能力、業務布局演化等領域。例如，王祎亞等[13]利用文獻計量的方法對國家地質實驗測試中心近33年的文獻進行了分析，深入剖析了我國地質分析技術發展的軌跡。鄭元元等[14]基于該方法分析了石河子大學在2008～2012年期間的論文發表情況，客觀反映了石河子大學的科研工作現狀。李茂等[15]基于文獻計量的方法定量分析了高校外語教學語言實驗室研究論文，發現有相當實力的外語專業性高校對此類研究關注度反而較低，基于此認識提出了對策建議。本研究經過調研發現，目前國內外還尚未有基于文獻計量方法對國家實驗室相關業務布局進行研究的案例，為此，本文擬選用該方法對德國GFZ國家實驗室進行實證研究，以期為我國同類實驗室籌建及業務布局提供參考。

本研究利用Web of Science信息平臺提供的科學引文索引(Science Citation Index Expanded，SCIE)數據庫和Social Sciences Citation Index(SSCI)數據庫進行了文獻檢索。在數據庫(http://apps.isiknowledge.com)中，以“：(OO=GFZ) OR (AD=GFZ) OR(AD=GeoForschungsZentrum Potsdam )”為檢索式(檢索時間為2017-6-15)，檢索1992～2016年期間由GFZ國家實驗室發表的論文，文獻類型包括研究論文(Article)、研究綜述(Review)、會議論文(proceedings paper)，得到相關論文6 138篇，進入ESI的高被引論文(Highly cited papers)63篇，其中2016年中有2篇為熱點文章(hot papers)。在所有論文中，有2 705篇論文由GFZ以第一作者發表，本研究重點分析了這部分論文。分析中利用美國Thomson公司開發的Thomson Data Analyzer(TDA)分析工具對高被引論文進行了文獻數據挖掘和分析，同時使用網絡分析工具UCINET(UCINET 6 for Windows)對一些矩陣數據進行了可視化。

2 結果與討論

2.1 論文產出數量變化及影響力分析

通過對GFZ在1992年成立之后至2016年的論文產出總量及第一作者論文數量(見圖1)分析可以發現，GFZ發表論文整體呈現3個明顯的增長階段：在1992～1996年期間，論文整體數量相對較少，沒有超過100篇，其中第一作者論文更少，最多時僅15篇，可見該時期的GFZ作為新成立的國家實驗室，正在處于初步的發展階段；1997～2010年期間，GFZ發表論文總量迎來了一個新的增長階段，最高發文量達380篇，第一作者論文數量也相對平穩上升，2010年第一作者論文數量達140篇；在2010～2016年這一時段，GFZ論文發文量快速上升，第一作者論文量也相對早期有了快速提升，至2016年第一作者論文量達221篇。

圖1 1992～2016年GFZ發表的論文數量變情況及影響力

通過對GFZ第一作者論文篇均被引次數可以發現，作為一個具有較強綜合地學科研實力的國家實驗室，GFZ整體保持了相對較高水平的科研影響力，其論文平均被引次數達25次。從年際變化情況來看，在1992～1995年成立之初，GFZ雖然發表了較少的論文，但是其中有部分論文表現非常突出，其中1993年發表的2篇論文篇均被引次數達45次。此后，隨著每年第一作者論文數量的增長，篇均被引次數有所波動，但是仍然可以明顯發現，在1995～2005期間，GFZ第一作者論文的篇均被引次數長期保持在30次/篇以上，部分年份在大體量論文的情況下篇均被引次數多達40次。如，1999年，第一作者發文量為90篇，總被引次數高達3 653次，篇均被引約40次，最高被引的一篇文章被引315次。在2006～2016年之后，GFZ的論文數量也實現了增長，又由于論文發表周期較短，被引次數受到了一定的影響，但是仍然可發現在這一時段內GFZ第一作者論文的篇均被引次數仍達17次。而且在2007年出現了被引次數為362次的高水平論文。可見，自成立以來，GFZ在科技論文影響力方面表現出了較強優勢，并且保持了良好健康發展的勢頭。

2.2 重點學科識別及演化分析

GFZ國家實驗室作為成立較早的集全球過程、板塊邊界系統、地球表面與氣候作用、自然災害、地球資源、大氣探測、海洋地質資源和存儲潛力以及地熱能源系統等諸多科學領域為一體的大型國家級研究中心，制定了明確的戰略定位，并精準服務于德國國家地球科學及相關領域的國家需求，取得了德國國內和國際同行的肯定。分析其學科設置及發展特征、重點學科的布局及演化過程對于深刻掌握其發展自身、服務國家的成長歷史至關重要，為此，本研究分別利用學科綜合度、學科持續度和重點學科論文產出及影響力三個維度對GFZ重點學科進行識別，并詳細分析其演化發展過程及影響力。

(1) GFZ學科綜合度特征及指示意義。國家實驗室作為綜合性的國家級研究單元，研究學科的布局直接影響到其科研重心及研究方向。基于對論文檢索結果的學科分析發現，GFZ涉及到的排名前20的主要學科包括了地球化學與地球物理學、地質學、礦物學、氣象與大氣科學、工程學、遙感科學、水資源科學、環境科學與生態學、能源與燃料科學、天文與天體物理學、物理地理學、材料科學、化學、成像科學與攝影技術、儀器儀表、物理學、采礦與礦物加工、科學工程與其他、計算機科學、海洋學，這些學科均由WOS數據庫自動分類。但是，在GFZ的發展過程中，這種較為完備的科研學科體系并非一蹴而就，而是經過了緩慢的發展過程。為了定量研究這種科研布局的完整性，本研究使用了學科綜合度這一指標[16]，即：以某年的所有研究涉及到的學科數量與統計時間內最大學科數量的比值來表示該年的學科綜合程度，即如果一個機構某年研究涉及全部20個學科，則學科綜合度值為1，若只涉及10個學科，學科綜合度則為0.5(10/20)。從而獲得了GFZ在1992～2016年期間的學科綜合度的變化情況(見圖2)。

圖2 1993年～2016年GFZ學科綜合度變化情況

從圖2可以看出在成立早期的1993～1999年期間，GFZ涉及到的研究學科綜合度并不是非常全面，但是在短期內實現了快速的增長，至1999年已經增至0.85，覆蓋了17個主要學科。在此后的2000～2016年，學科綜合度雖然有短期波動，但是整體呈現高值狀態，均值在約0.9，覆蓋學科達18個。正是這種全面的布局模式使得GFZ可以在不到24年的發展中躋身為世界著名的國家實驗室行列。

為了準確把握各個學科的研究持續性，本研究使用學科持續度這一指標對GFZ涉及的20個學科進行了定量分析(見表1)，用于定量化表征各學科的持續度。具體分析方法是：如果某個學科在某年有論文發表，記為1，然后將1993～2016年共24個統計年之間的數值相加，并作比值，如果比值相對較大，則認為該學科有非常好的持續性，也表明該學科在24年中大多數時間段都有相關研究開展，很少中斷過。

表1 1993～2016年期間GFZ涉及20個學科的學科持續度

由表1的分析可見，GFZ在1993～2016年期間各個學科基本呈現出良好的持續性，所有學科持續度均在0.58以上。但是，可以明顯發現，包括地球化學與地球物理學、地質學、礦物學、工程學、環境科學與生態學、氣象與大氣科學、遙感科學、天文與天體物理學在內、物理地理學的9個學科整體學科持續度保持在0.83以上，即在統計周期24年中，基本有20年保持了關注和研究，因此，本研究將這些學科定義為GFZ的重點學科，并分析了這些重點學科占GFZ第一作者論文百分比年際變化情況(見圖3)。

可以發現，在分析周期內，地球化學與地球物理學、地質學2個學科保持了較高的論文比，這2個學科的論文分別每個年度論文的比例在20%～50%之間，可以認為這2個學科是GFZ成立以來的優勢重點學科。從GFZ的9個重點學科的年際變化來看，各個學科年際波動都相對較大，但是整體來看，包括地質學、工程學、天文與天體物理學、物理地理學在內的4個學科基本保持了相對平穩的狀態，地球化學與地球物理學、礦物學、遙感科學3個學科在2002年以后論文占比呈現出緩慢的下降趨于平穩。氣象與大氣科學、環境科學與生態學2個學科在2007年以來論文占比略有上升，這與近年來國際科學界普遍關注氣候問題及環境問題的整體態勢十分一致。

圖3 1993～2016期間GFZ的9個重點學科發文量占第一作者論文百分比年際變化情況

為了準確分析GFZ的這9個重點學科的整體影響力，本研究分析了這些學科第一作者論文的被引情況，從而間接反映不同學科的影響力情況(見表2)。

表2 1992～2016年GFZ的9個重點學科論文影響力

整體來看，GFZ的9個重點學科的第一作者論文具有較高的影響力。從被引比例來看，包括礦物學、地球化學與地球物理學、物理地理學3個學科的被引率均在90%以上，說明這些學科領域上GFZ在國際上具有明顯優勢。從篇均被引次數來看，物理地理學、礦物學、地球化學與地球物理學、地質學、氣象與大氣科學、水資源科學的被引次數均在19次以上，可以認為是GFZ的強勢學科。從單篇被引頻次≥100篇的論文篇數及占比情況來看，物理地理學、礦物學和地球化學與地球物理學則3個學科上發表的高質量論文要更多，占比均在13%以上。被引頻次≥150的高質量論文占比方面，物理地理學、礦物學、地球化學與地球物理學、氣象與大氣科學4個學科排在前4位，論文占比≥3.3%。不過，值得注意的是物理地理學、水資源科學、礦物學這些科學在影響力分析中比較突出與其論文整體體量較小一定的關系，但是仍然可以認為，GFZ的地球化學與地球物理學、礦物學、水資源科學、物理地理學在國際同領域內具有較高的影響力。

2.3 研究熱點變化特征

文獻計量方法中，科研論文的關鍵詞可以在一定程度上反映學科領域內的研究熱點。為此，本研究基于對GFZ第一作者論文關鍵詞詞頻的統計，獲得了1993～2016年期間GFZ的主要研究熱點，并基于數據清洗合并，篩選出了包括地震、地磁場、水文學、CO2、流體、電場和電流、電離層、地殼、數值模擬、地熱、全球定位系統、時間序列分析、3-D建模、巖石圈、俯沖帶、洪水危害、水資源、重力、衛星、沉積物的排名前20個研究熱點。為了清晰掌握這些熱點之間的關系，基于UCINET(UCINET 6 for Windows)對這些研究熱點進行了關聯性分析(見圖4)，并將其與GFZ各個部門與對應研究主題設置情況(見圖5)進行了對比分析。

圖4 GFZ研究熱點關聯情況

圖5 GFZ各部門對應各個研究主題的參與度情況

可以看出，GFZ自成立以來發表論文前20的熱點整體呈現出較為緊密的關聯度，指示GFZ的研究方向和熱點布局較為聚焦，并且與GFZ整體的研究主題設置目標十分一致。具體來看，包括4個主要研究方向：①以電磁場、電離層、電場和電流形成的地磁學研究方向。GFZ下屬的實驗室中擁有透射電鏡實驗室、古磁及巖石磁學實驗室等專門實驗室，并且有專門的大型地磁臺站，這些均為GFZ深入開展地磁學相關研究提供了系統支撐。②基于衛星的長尺度地學時間序列分析。GFZ擁有并管理著全球導航衛星系統、智利綜合板塊邊界監測臺站、中亞全球變化監測臺站，并且擁有包括GFZ-1、GOCE、CHAMP、SWARM等衛星系統，在開展地球系統監測及地球圈層大尺度、長序列的分析中具有明顯優勢，同GFZ科研主題布局中全球過程、板塊邊界系統的主題一致。③基于數值模擬技術對CO2開展的系統模擬研究。隨著近年來全球變暖問題受到世界的關注，GFZ也順勢而為，開展了許多CO2排放及模擬預測方面的研究工作，這與GFZ針對全球過程、地球表面和氣候相互作用、大氣和氣候的3個研究主題密切符合。與該主題相關的實驗室包括中亞全球變化監測臺站、樹木年代學實驗室等。④對地殼、俯沖帶系統研究下的地震災害及地殼構造過程的研究，這與GFZ的研究主題中自然災害及板塊邊界系統相關主題設置十分契合，為此GFZ專門成立或管理著包括地球動力學實驗室、沉積分析實驗室、KTB深部地殼實驗室、地球動力學觀測站、全球地震臺網、智利綜合板塊邊界監測臺站、北安納托利亞斷層地球物理觀測臺站等專業實驗室及大型臺站。因此，可以認為GFZ的研究熱點較好契合了其實驗室業務布局中的主題設置，與GFZ整體定位和發展規劃具有明顯的協調性和一致性。

為了分析GFZ研究熱點的年際變化，本研究還專門分析了GFZ近10年來前10位的研究熱點隨著時間的演變過程(見表3)。

分析可以發現，隨著時間變化，GFZ的研究熱點也在不斷調整。例如，在2007～2011年期間，明顯發現包括地磁場、電離層及次級離子質譜等方向為該時期的研究熱點，但是在2011年之后則較少看到這些熱點出現在前10的關鍵詞中。相反，對于CO2的研究在則在2010年開始至2015年長期處于研究的熱點，這與近年來全球不斷變暖的氣候形式密切相關。同樣對于數值模擬、3D建模等數字定量模擬技術在2010年之后逐漸發展為研究熱點，數字模擬一度成為2014～2016年期間前5的研究熱點。對于水文學和水資源的相關研究保持了相對連續較高的狀態，不過在2010～2011年有所波動，并未躋身前10的研究熱點。地熱能研究在2010年達到高潮，但是在隨后的幾年內熱度驟減，僅在2014年排在了第9位。與以上這些熱點的變化不同，GFZ對地震的研究一直處于研究的熱點狀態，10年內有6次排在研究熱點第1位，可見其在地震科學相關研究上不僅具有明顯的優勢，而且保持了長期的關注度，因此可以認為其在地震學研究上處于國際領先地位。

2.4 論文合作分析

國際聯合研究是國家實驗室作為國家級的研究機構必須重視的問題，尤其是地球科學的研究更應該放眼全球，擁有開放的研究視野。為了研究GFZ的第一作者論文的國際合作情況，本研究分析了其與各國的論文合著情況(見表4)。

可以發現，GFZ的第一作者論文合著呈現出多國家，多機構的明顯特征。在國家層面，約有29%的論文來自2個國家的機構，而10%的論文由3個國家合著。約5%的論文由3個以上的國家機構完成，這些論文占據了GFZ第一作者發文總量的44%。通過對合作排名前10位的國家的分析發現，GFZ與美國合作發表了較多論文，約有256篇，其次同法國、美國、俄羅斯、中國合作論文數量也均在100篇以上，同瑞士、意大利、挪威、意大利合作的論文則相對較少，但是數量仍大于50篇。在合作機構層面，則同本國的波茨坦大學合作完成了較多論文。值得注意的是，其與中國武漢大學合作的論文數量排在第2位，為67篇。此外，GFZ還同多個國家的科學院、高校以及國家實驗室進行了合作，整體呈現出了合作范圍廣、機構種類多的趨勢，這對于整體提升GFZ自身的影響力意義重大。

表3 近10年來GFZ研究熱點年際變化情況

表4 1993～2016年GFZ第一作者論文合作情況

2.5 ESI論文評價

本研究在文獻統計中發現，GFZ在近年來產出了一大批ESI(Essential Science Indicators)高被引論文，該指標對全球所有高校及科研機構的SCIE、SSCI庫中近11年的論文數據進行統計，按被引頻次的高低確定出衡量研究績效的閾值，分別排出居世界前1%的研究機構、科學家、研究論文，居世界前50%的國家/地區和居前0.1%的熱點論文。此外，ESI還針對22個專業領域，通過論文數、論文被引頻次、論文篇均被引頻次、高被引論文、熱點論文和前沿論文等6大指標，從各個角度對國家/地區科研水平、機構學術聲譽、科學家學術影響力以及期刊學術水平進行全面衡量。因此，本文分析了基于Web of Science 數據庫中檢索到的GFZ的成立以來ESI論文數量變化及涉及的主要領域論文占比情況，以期更加明確GFZ的優勢學科及影響力。

通過統計(見圖6)，發現自1992～2016年，GFZ的ESI高被引論文共有63篇，第一篇ESI論文來自2007年，隨后的幾年，GFZ的ESI該被引論文逐漸增長，并在2013～2015年期間出現快速增長，2015年GFZ共有15篇ESI高被引論文，這在一定程度上反應出GFZ卓越的科研實力和影響力。對這些論文涉及學科領域論文占比(見圖7)的分析表明，GFZ的ESI論文主要集中在地球化學與地球物理學、地質學、科學工程及其他、環境科學與生態學、遙感科學、水資源、氣象與大氣科學、工程學、成像科學與攝影技術、能源與燃料科學10個研究領域，這與基于學科持續度和熱點分析的研究結論十分一致，也說明正是GFZ在科研布局中的聚焦性和持續性才保證了后期能夠產出具有高影響力的論文。具體來說，地球化學與地球物理學、地質學占據了ESI的大部分，二者約占論文總量的42%。此外，科學工程及其他、環境科學與生態學、遙感科學、水資源科學的論文占比也相對較高，均超過了8%。因此，也可以認為GFZ在這些學科領域內具有國際領先的地位，值得我國相關研究關注和學習。

圖6 GFZ的ESI高被引論文變化情況

圖7 GFZ的ESI論文涉及的學科領域論文占比

3 啟示與建議

基于文獻計量的分析反映出的GFZ國家實驗室科研布局呈現出了以下特征：①GFZ發表論文數量在逐年增長的情況下保持了較好的質量，論文影響力表現強勢。②基于學科綜合度和學科綜合度兩個指標的定量研究發現GFZ能夠在短期內時間重點學科的全覆蓋，學科布局聚焦，而且重點突出，形成了以括地球化學與地球物理學、地質學、礦物學、工程學、環境科學與生態學、氣象與大氣科學、遙感科學、天文與天體物理學在內、物理地理學為主的重點學科建設框架。③GFZ研究熱點能夠緊密切合其機構的8大研究主題領域，并且能夠能夠緊緊抓住國際熱點及前沿開展研究，并且充分利用自身平臺和資源優勢開展聚焦性研究，在國際多領域研究中占據主導領軍優勢。④GFZ作為大型國家性研究單元，能夠緊密聯系本國及其他各國的國際知名研究機構、高校院所開展相關合作研究，不僅提升了自身研究實力，而且擴大了國際影響力。

基于對GFZ的科研組織及布局特征的分析，為我國同類國家實驗室籌建及管理提出以下建議：①國家實驗室作為科學研究“國家隊”中最系統、最全面、資源最強的單元，在科研布局中應該具有充分的責任意識，能夠主動承擔起創新驅動發展的偉大戰略任務，能夠發揮科技創新對全面創新的引領作用，以長遠、宏觀、全面的高層位視野進行科研業務的布局，形成系統全面的科研戰略規劃。②國家實驗室在科研評價考核中應該改善科研評價體制機制，加大對科研成果質量的考核，形成數量和質量的雙向提升，保障國家實驗室在科學研究中的影響力。③國家實驗室具體研究任務的開展應該緊密結合實驗室整體發展定位目標及主題設置，明確自身戰略定位，并且緊密關注國內和國際相關領域的重點發展態勢，靈活多變，順勢而為的開展科學研究。④國家實驗室在學科體系建設中既要善于捕捉前沿，又應重視基礎研究的持續性和連貫性，從而保證對優勢學科的傳承和發揚。⑤國家實驗室往往代表了一個學科領域國家的最強研究實力，但是仍需要緊密聯系國際上同領域的優勢研究機構，實施“走出去、引進來”的開放包容的管理模式，實現對科學思維、資源平臺、領軍人才等多方面的交流互通，這樣才能保證國家實驗室緊跟國際發展的步伐，保障國家實驗室的研究工作處于世界前沿。