美國能源部國家實驗室國際科技合作趨勢及啟示

劉開強， 王 江， 劉 彬

（1.蘇州大學科學技術研究院，江蘇蘇州 215006；2.中國科學院分子植物科學卓越創新中心科研管理處，上海 200032；3.華中農業大學科學技術發展研究院，武漢 430070）

0 引 言

在當前國際科技發展格局中，美國依然是科技實力最強的國家，美國科技戰略構建和科技發展模式仍對我國具有重要借鑒意義［1-2］，其戰略變化也對我國科技發展具有舉足輕重的影響［3］。緊密的中美科技合作是我國提升科技總體發展水平的重要路徑，但隨著中國科技實力不斷增強，中美科技合作關系受到了國家實力競爭這一現實問題的困擾，部分美國學者提出了中國科技發展挑戰美國科技競爭優勢的論題［4］。近年美國也通過多種途徑企圖限制中國高科技發展，其中阻礙兩國科技合作是重要的政策取向。在認識和理解美國宏觀科技政策的基礎上，從美國能源部國家實驗室科技論文的國際合作入手，分析美國科技政策運作的微觀機制，有助于深入認識和了解美國科技政策的執行方式和成效，為進一步認識中美科技合作關系、完善我國科技支持政策提供借鑒。

國家科研機構是服務國家目標和國家利益而在經濟建設、社會發展和國防等重要領域建立的科研組織，是國家戰略科技力量的重要組成部分。其中，國家實驗室更是擔負著國家戰略創新使命，承擔國家任務，體現國家意志，代表該領域的最高科技水平，致力于從國家利益出發，完成從基礎到產業的技術創新［5］。作為世界頭號科技強國，美國擁有一個龐大的國家實驗室體系。美國國家實驗室主要隸屬美國聯邦部委，如能源部、國防部和國家航空航天局等11 個部門。其中，美國能源部下屬的17 個國家實驗室最為典型，也常常被稱為美國國家實驗室。作為國家實驗室體系的重要組成部分，美國能源部所屬國家實驗室為美國提供戰略性科技實力，其執行的往往是長期具有挑戰性的科研任務，跨領域科學研究超越了普通學術機構以及工業研究機構的研究范圍。自成立以來，能源部國家實驗室獲得了118 項諾貝爾獎，發現了元素周期表中的22 種元素，除為國家提供長期貢獻外，也能靈活響應國家迫切需求，應對危機［6］。現從中國與美國能源部國家實驗室之間的國際合作論文產出變化分析中美科技發展相對水平變化，及對中美合作趨勢的實質性影響，并思考其對未來中美科技合作戰略和我國科技戰略實施的微觀機制啟示。

1 美國能源部國家實驗室基本情況

美國能源部國家實驗室分別由科學辦公室（見表1）、核安全辦公室、能源辦公室3 個機構進行管理和資助，其項目的絕大多數資金都來自聯邦政府［7］，2014 年美國聯邦對國家實驗室的資助經費中，能源部資助經費占比65.74%［8］，可見能源部國家實驗室從數量和國家資助強度上都具有一定的代表性。根據2017 年能源部國家實驗室報告數據，國家實驗室擁有57 600 個全職工作人員，其中有超過20 000 人的科學家和工程師。2015 年實驗室獲得138 億美元科研經費資助，年均發表11 000 篇期刊論文，主持2 395 項戰略伙伴項目，產生577 項商業化技術，獲得6 310 項技術專利［9］。能源部將其所屬國家實驗室分為5 類，分別為多目標科學實驗室、單目標科學實驗室、能源技術實驗室、多目標安全實驗室和多目標環境實驗室。其中前2 類主要從事基礎科學研究，后3 類主要從事應用技術研究（見表2）。

表1 美國能源部國家實驗室資助單位和財政經費支持情況

表2 美國能源部國家實驗室分類*

2 數據來源與研究方法

數據來自科睿唯安Web of Science 平臺，搜集美國能源部所屬17 個國家實驗室的英文全稱和簡稱，編輯檢索式，檢索相應年份各實驗室2001 ～2020 年發表的SCI期刊收錄論文，下載相應論文建立數據集，進行數據清洗后分析各實驗室產出論文的國際合作情況。

論文的計量分析根據國際慣例采用全計數法進行。通過統計分析，分年度和分階段考察了美國能源部17 個國家實驗室發文數量、分國別的雙邊合作發文數、多邊合作發文數，以考察其論文的國際合作變化趨勢和主要特征。采用Eta 和斯皮爾曼相關系數，分析了實驗室類型、人均發文數量與國際合作論文占比之間的關聯度，以探討實驗室類型和論文國際合作之間的內在聯系。

3 結果與分析

3.1 美國能源部國家實驗室論文國際合作整體情況

美國能源部17 個國家實驗室2001 ～2020 年國際合作論文數量和比例變化情況見圖1。總體來看，實驗室的國際合作論文數以及與中國合作論文數整體呈現增長趨勢，而且中美合作論文比例增長速度高于總體合作論文增長比例，說明中國與美國在其能源部國家實驗室層面的高水平國際科技合作中變得更加重要。但這種科技合作關系也有階段性變化，其中2005～2009 年期間實驗室論文產出總量還是國際合作論文數量呈現出下降趨勢，2010 年開始合作強度逐步回升。研究表明美國聯邦政府研發經費從2002 ～2008年期間維持在同一水平，其中研究經費在2003 ～2008年期間甚至出現了小幅度削減。2007 年，美國開始的金融危機席卷世界各國，世界主要經濟體為了通過政府投入刺激經濟發展，以及強化科技在經濟發展中的推動作用，紛紛加大科技領域財政投入。美國2010 年聯邦政府科技投入超過了GDP的3%，達到了歷史最高水平［10-11］。由于研究投入轉化為研究成果有3 ～4年的滯后期，國際合作論文發表數量呈現出先下降后回升的變化。

圖1 美國能源部國家實驗室國際合作論文變化

2008 年之前能源部國家實驗室國際合作論文占比增長相對緩慢，隨后經過多年的穩步上升后，從2019年開始，國際合作論文占比例呈現下降趨勢。其中，中美合作論文受影響較大，數量占比也從2019 年開始呈現較大比例的下降趨勢［圖1（b）］。美國從2018 年開始對中國發動貿易戰，特別加強了在高科技領域的貿易限制，并直接出臺政策阻礙中美科技交流，在較大程度上影響了中美科技合作水平［12］，Nature 雜志最新研究數據顯示，中美科研合作在最近遭遇斷崖式下跌超20%［13］，這與我們的研究數據變化趨勢一致。綜合比較可見，國家財政資助力度、國家科技政策等是國際科技合作的重要基礎，中美科技合作也體現出相應特征。

3.2 美國能源部國家實驗室論文國際合作國別比較

圖2 和圖3 分別為美國能源部下屬國家實驗室分階段（2001 ～2010 年和2011 ～2020 年）及分國別的合作論文數量和比例變化。每個階段選取了合作論文數量排名前10 的國家。其中，中國、德國、英國、法國、日本、俄羅斯、加拿大、意大利、韓國、西班牙9 個國家在兩個階段都排在合作論文數量前10 的國家之內。說明在一定時間段內，美國與主要科技發展水平較高國家的國際科技合作關系相對穩定。這種合作呈現出一定共同特征，主要表現為多邊合作成為國際科技合作的主流趨勢，越來越多的國家加入與美國的科技合作中。后一階段（2011 ～2020 年）與前一個階段（2001 ～

圖2 美國能源部國家實驗室國際合作論文分國別數量變化①本圖數據包含美國能源部所屬17 個國家實驗室2001—2010 年及2011—2020 年前后兩個10 年間國際合作論文數量排名前10 的國家，瑞士和俄羅斯分別在第一和第二階段沒有進入前10，圖中相應數據顯示為缺失。

圖3 美國能源部國家實驗室國際合作論文分國別比例變化②同上。

2010 年）相比，美國與這些國家的國際合作論文數量都有較大幅度增大，其中國際合作論文數量增長，要顯著多于雙邊合作數量的增長（見圖3）。從合作論文比例看，除中國之外，美國與其他國家的合作論文以及雙邊合作論文在論文總量中的比例都出現了降低（見圖4）。同時，后一階段與美國能源部國家實驗室合作發文的國家數量有了顯著增長，合作國家數幾乎都達到前一階段的2 倍（見圖3）。

圖4 美國能源部國家實驗室分階段國際合作論文數量及其占比

中美合作在眾多國家中具有獨特之處，合作發文總量及中美雙邊合作發文數量上都有大幅提升，合作論文從前一階段（2001 ～2010 年）的3 287 篇增加到后一階段（2011 ～2020 年）的19 310 篇，增加接近5倍；雙邊合作論文從1 624 篇增加到9 976 篇，增加了5 倍多。這表明以美國能源部國家實驗室為代表的中美科技合作快速提升，中國成為美國重要的科技合作對象，而且兩國雙邊合作關系發展水平要高于美國與其他國家的雙邊合作，這從一個側面反映出中國在加強與美國的科技合作方面取得了較大成效，與世界最大的科技創新主體建立了緊密合作關系，也體現出中國科技實力的總體提升。

俄羅斯和瑞士與美國國際科技合作關系變化較大。其中俄羅斯在前一階段位于與美國能源部國家實驗室合作發文數量第5 的位置，到后一階段則跌出了前10；而瑞士在后一階段則進入與美國國家實驗室合作發文數量前10。這一現象也有較強的警示意義：雖然美國與其他國家科技合作關系總體穩定，但是不排除與部分國家在較短時間內出現科技合作水平大幅度變化的情況。

就俄美科技合作關系而言，1991 年蘇聯解體，1992 年白宮宣布它“已在著手取消冷戰期間妨礙正常貿易的限制”，并尋求從俄羅斯購買“他們從前不樂意向我們提供的高技術領域產品”，美國開始著手加強與俄羅斯在空間技術、核材料等一些領域的技術合作［14］。美國在《南恩—盧格法》的推動下與俄羅斯等前蘇聯建立了“合作消減威脅計劃”，具體項目包含了大量科技合作內容。從1994 年開始，美國通過國際科技中心（International Science and Technology Center，ISTC）與蘇聯開展了大量合作研究，其目標是“通過支持民用科學技術合作關系減少化學、生物、核輻射和核危機”。從1994 ～2014 年期間，通過ISTC為支撐的美俄國家雙邊合作為俄羅斯科學家與美國、歐洲、日本等開展科技合作提供了大量競爭性經費支持。2010 年俄羅斯總統表示美國單方面援助俄羅斯科技的時代即將結束，俄羅斯將在2015 年退出ISTC合作協議，并試圖建立新的平等合作關系。到2013 年美國與俄羅斯形成了一系列新的國家層面科技合作雙邊協議，比如2013 年9 月俄羅斯原子能公司與美國能源部簽訂了“核能與能源相關研發合作協議”。但2014 年俄羅斯在東烏克蘭的軍事行動，俄美關系日趨緊張，國家層面科技合作被大量擱置，由于地緣政治、財政投入和合作路徑等影響，合作規模顯著縮小［15］。

3.3 美國能源部國家實驗室論文國際合作國別比較

美國能源部國家實驗室在研究方向定位和具體研究領域上進行了清晰定位，不同機構規模上差別較大，表3 為各實驗室國際合作論文占比、機構規模、人均發文數量情況。圖4 展示了在2001 ～2010 年、2011 ～2020 年兩個階段各實驗室的國際合作論文數量和所占比例。以實驗室類型作為因變量，實驗室類型和人均發文數量的Eta相關系數為1，說明實驗室類型在很大程度上決定了實驗室人均論文發表數量，科學類實驗室人均發文量顯著高于技術類實驗室，可見兩類實驗室由于其使命差異，最終科技成果表現形式也存在較大差異。

表3 美國能源部國家實驗室發表國際合作論文占比及機構規模情況

實驗室“2011 ～2020 國際合作論文占比”與“人均發文數量”之間的斯皮爾曼相關系數為0.593，對應p值為0.012，說明兩者之間存在高度相關性。因此可以認為實驗室類型在較大程度上決定了國際合作論文占比，具體體現為科學類實驗室國際合作論文數量占比較高。在技術類實驗室內部比較，安全實驗室國際合作論文比例較高。

為進一步分析各實驗室合作國別差異，統計并列出每個實驗室在2001 ～2010 年和2011 ～2020 年期間合作發表論文數及和合作排名前5 的國家。各實驗室合作發文的國家數在后一階段都有較為明顯增加，后一階段合作國家數最多的為西北太平洋國家實驗室，達到130 個，接近前一階段的2 倍。從實驗室類別和規模來看，科學類多目標實驗室和技術類安全實驗室合作國家數量較多，普遍在100 個以上。前者合作對象主要是研究領域多樣化，后者是研究機構規模較大。

在前一階段進入各實驗室合作前5 的國家包括中國、德國，英國、法國、日本、意大利、加拿大、俄羅斯、韓國、澳大利亞、波蘭、亞美尼亞，共11 個國家。其中德國在17 個實驗室的合作對象中排名第1，中國在2 個實驗室的合作對象中排名第1、2 個實驗室排名第2、3個實驗室排名第3。從排名看，中國在各實驗室合作對象重要性上，排在德國、英國和法國之后。

后一階段進入各實驗室合作前5 的國家有中國、德國、英國、意大利、法國、加拿大、日本、西班牙、希臘、烏克蘭、俄羅斯、韓國、瑞士、澳大利亞和亞美尼亞，共15 個，國家數量有一定增加。中國在各實驗室國際合作對象上的重要性得到明顯提升。其中，中國與8 個實驗室合作發文數排名第1、2 個排名第2、2 個排名第3、2 個排名第4、1 個排名第5。中國取代德國成為美國能源部國家實驗室最重要的合作對象。但是在費米國立加速器實驗室和杰斐遜實驗室的國際合作對象中，中國仍然沒進入前5 位，他們的主要研究方向為高能物理和核物理，屬于比較敏感的領域。

圖5 進一步展示了兩個階段，美國能源部各國家實驗室與合作發文數排名前五的國家合作發文數在該實驗室國際合作論文中的比例。其中，紅色為中美合作論文所占比例。由于存在大量多邊合作論文，前5國家比例加起來超過100%。在后一階段（2011 ～2020 年），中國排在合作對象第1 的實驗室有5 個科學類多目標實驗室、2 個技術類能源實驗室、1 個科學類單目標實驗室（主要研究方向為凝聚態物理和材料科學）。

圖5 美國能源部國家實驗室分階段分國家國際合作論文占比

4 研究結論與啟示

4.1 結 論

從美國能源部下屬17 個國家實驗室的國際合作論文產出情況，分析美國國家科技合作特點及變化趨勢，以及中美科技合作發展趨勢和特點。分析發現美國國際科技合作特點包括：合作強度整體增強，合作發表論文數量和所占比例均持續增加，但存在短期波動。多邊合作在國家合作中的重要性增加，表現為多邊合作論文數量和占比的增加。不同類型研究機構的科技成果產出形式和國際合作論文發表情況存在較大差異，科學類實驗室論文發表是重要的成果產出形式，而且國際合作論文占比較高，技術類實驗室論文發表形式成果相對較少，而且國際論文占比相對較低。影響美國與其他國家科技合作水平的因素可能包括國家財政科技投入強度變化、美國針對不同國家的科技戰略，以及美國與合作國家科技合作目標的相互定位。從中美、俄美科技合作歷史經驗看，國家層面有規劃的雙邊合作在推動兩國科技合作的強度和廣度上有重大幫助。

以上分析體現出中美科技合作特點為合作強度整體增強，而且中國成為美國科技合作的最重要對象。但是合作關系在2019 年之后受到中美關系變化影響較大。中美雙邊合作水平提升要強于中國、美國與其他國家多邊合作水平。中美在一些敏感的基礎研究領域合作（比如高能物理與核物理）強度相對較低。

4.2 啟 示

（1）科技探索持續向更深、更廣領域推進，特別是對于解決當前人類面臨的重大共性挑戰如環境、能源、健康等，單靠一國科技力量往往難以實現，通過國際合作，發揮全球智力資源，才有望取得重大突破。過去的10 年，是全球也是我國經濟社會高速發展的階段。中國作為正在崛起的發展中科技大國，中美科技交流與合作日益緊密，在多個領域均互相成為重要的科技合作伙伴，在科技中的務實、深入合作，為全球經濟、社會發展起到了積極推動作用。

（2）當前國際局勢紛繁復雜，中美間“貿易沖突”“科技壁壘”為當前及以后中美科技合作帶來了很多不確定因素。但即便如此，在各領域內繼續保持實質性的科技合作，有助于增強聯系，為當前沖突降溫，也有利于通過加強科技互信消除兩國隔閡，實現合作共贏。但是通過上述分析可以看出，美國在關乎國家安全（特別是一些涉及軍事等領域）的敏感領域，仍然采取了非常謹慎和保守合作方式，這也提示我國在國家實驗室建設和運行中，對于涉及國家安全和重大關切的領域仍要保持警惕。

（3）堅持開放共享與合作交流，建立多邊科技合作機制。當前發展態勢也為我國開展對外科技合作敲響了警鐘。科技合作與經濟合作一樣，存在著脫鉤和被打斷的風險。因此，積極拓展多元化、多邊化的國際合作具有重要意義。隨著綜合國力持續提升，我國具備了領導和整合全球科技資源，發起“以我為主”的重大科技攻關計劃的實力，應通過主動謀劃、科學設計，將未來國際科技合作聚焦于服務我國戰略目標和需求。

（4）美國技術類實驗室規模、科技成果形式和國際合作狀況給予我國科技發展重要啟示，中國應加強技術領域研究投入，增強技術領域獨立自主發展意識；同時應切實改變以科技論文為關鍵指標的評價方式和資助導向，建立起區別于基礎研究領域的資金投入、研究隊伍和科技評價機制。

（5）新國際關系背景下，我國全國重點實驗室重組和國家實驗室體系建設應重視通過高水平科研基地與其他國家加強高水平的國際合作并根據國家戰略需求建立不同目標和定位的實驗室及評價體系。