【佳作欣赏】全球科研论文合作网络的结构异质性及其邻近性机理
以科研论文为媒介的知识合作网络已成为知识溢出的重要通道，但目前学术界对全球科研合作网络结构的复杂性涌现机制缺乏深入的探讨。本文基于2014年Web of Science核心合集所收录的科研论文合著数据，借助大数据挖掘技术、复杂网络、空间统计和重力模型分析，刻画了全球科研论文合作网络的拓扑结构、空间格局及其邻近性机理。
01拓扑结构异质性
集聚性。将国家间论文合作网络 （.net） 和国家分区 （不同颜色） 数据导入VOSviewer生成国际科研论文合作网络图 ，图中节点大小与国家论文数量成比例，节点连线大小与国家之间的论文合作规模成正比。从节点分布来看，欧洲国家是全球科研论文合作网络的主体；亚洲区域次之，主要包括中国、日本、韩国、印度、台湾、新加波等国家或地区；而美国处在全球科研论文合作网络的中心，与图中97%的节点产生科研论文合作联系，是全球科研合作的中枢。相比而言，南美洲、非洲和大洋洲则地处网络边缘，聚集成群，形成独立的社团，其区域核心分别是巴西、南非和澳大利亚 。这些发现与《Nature Index 2015 Collaborations》的报告结论基本一致。
小世界性。与同等规模随机网络相比，全球科研论文合作网络具有较大的集聚系数，较小的平均路径长度，发育典型的小世界性。该网络的平均集聚系数为0.73，大于同等规模的随机网络 （Cer≈ 0.44），表现出较强的集聚性，国家间科研论文合作以短距离的联系为主，具有明显的“轴—辐式”网络组织特征。它的平均路径长度为1.56，略低于同等规模的随机网络 （Ler≈ 1.78），意味着国家间的论文合作联系紧密，具有较好的网络通达性 。 除 此 之 外 ， 累 积 度 分 布 函 数 遵 循 良 好 的 指 数 分 布 律 ，具有较高的置信水平。Leydesdorff基于 SCI 数据库的国际科研论文合作网络和Haunschild等基于文献管理软件Mendeley的读者使用网络，均发现全球尺度的合作网络具有显著的小世界性 。
等级层次性。中心势是衡量整个网络中心化程度的重要指标，全球科研论文合作网络的度中心势为 0.53，接近度中心势为 0.64，表明整个网络具有比较明显的向某个节点或某些节点集中的趋势，存在“中心—外围”结构。
采用 Pajek 块模型分析中的层次聚类算法 （hierarchical clustering），依据度中心性值，获取层级文件，并转换为分区文件，将全球科研论文合作网络划分为5个等级 。第一层级：美国，处于科研合作网络的中心。美国是全球最大的科研论文产出国，拥有最多的科研合作伙伴，国际合作论文发表数量位居第一，四大中心性指标皆排在首位，成为全球科学研究的领导者，处于全球知识网络金字塔的顶端。西欧 7 国 （英格兰、法国、意大利、德国、荷兰、瑞士、西班牙）、北美的加拿大以及亚太地区4国 （中国、日本、韩国、澳大利亚），构成全球科研论文合作网络的第二梯队。他们的各项指标大致相当，网络性质相似，科研论文合作联系密切，形成高连通网络。第三层级由39个国家或地区组成，包括南非、土耳其、新西兰、墨西哥、巴西、俄罗斯、以色列、印度等。他们都是所在区域的科研论文产出大国，甚至是区域的科技创新中心 （如巴西和南非），各项指标均高于网络平均值，相互之间有着稠密的科研合作联系。肯尼亚、越南、古巴、秘鲁、阿拉伯联合酋长国、印度尼西亚、菲律宾等46个节点构成第四层级。相比而言，他们之间科研论文合作程度不高，但平均度中心性、接近度中心性和密度皆高于网络的平均值。最后剩余的113个国家或地区组成第五层级，主要来自非洲、太平洋岛国、西印度洋地区、西亚、东南欧等地区。这些国家或经济发展水平低，或国土面积小、人口密度低，或深陷地缘政治的泥潭，科学研究事业发展缓慢，处在全球知识合作网络金字塔的底部。
从 Pajek 生成的分区文件以 2D 格式输出到 VOSviewer，颜色的冷暖随层级的高低设置，获得全球科研论文合作网络的等级层次结构图 。图中节点大小与该节点的强度成正比，边大小与论文合作数量正相关。可以发现，全球科研论文合作网络已经发育形成典型的“核心—边缘”等级渐进式形态，可以划分为核心区、半边缘带、边缘带三大国家集团。其中，核心国家集团由第一和第二层级组成，共13个国家，是全球科研论文合作网络的hub节点和枢纽，以洲际之间科研论文合作为主。主要位于西欧（英格兰、法国、意大利、德国、荷兰、瑞士、西班牙）、北美 （美国和加拿大） 和亚太（中国、日本、韩国、澳大利亚） 三大区域，内部之间的连接数量多、密度大 （网络密度为 1）、强度高 （最大联系值为 32291），形成完全连通网络，“富人俱乐部”特征显著。第三和第四层级构成半边缘国家集团，共85个国家，是区域科研论文合作网路的重要门户，以洲内尺度的科研论文合作为主导。半边缘地带国家内部联系紧密 （网络密度为0.9165），联系强度中等 （最大联系值为 2470）；与核心国家之间的合作联系数量较多且强度较大，但与边缘国家之间的纽带较少且强度低。第五层级 （剩余113个国家） 组成边缘国家集团，处在全球科研论文合作网络的边缘，扮演附属角色，彼此之间联系数量少 （网络密度仅为0.13） 且强度非常低 （最大联系值仅为27）。
空间结构异质性
网络联系：以四边形为骨架。研究发现，世界各国的科研论文产出具有明显的空间不均衡性，非洲、中东、中亚、中美地峡与西印度洋群岛、西太平洋群岛等人口稀疏或经济欠发达区域构成全球科研论文产出的低谷区，欧洲、北美洲、亚太地区则是科研活动的热点区域，成为科研论文产出的高值区。整个合作网络呈现以北美 （美国与加拿大）、欧盟、东亚 （中国、日本、韩国） 和澳大利亚等科研产出高值区为顶点的四边形主骨架，南美洲和非洲成为其外围区域，通过次一级的联系流与核心区域连接。这表明科研论文合作网络并没有受到明显的地理距离约束，主要合作流发生在这些相距甚远的核心节点之间。其中，欧洲国家间论文合作联系紧密，对外联系以亚太和北美为主，英格兰、德国、意大利、法国、西班牙和瑞士是欧洲对外论文合作联系的核心枢纽。美国、加拿大和墨西哥构成北美洲科研合作网络的重要节点，内部联系以美国和加拿大为主，对外与欧洲联系最为频繁，与亚太地区 （主要是中国、澳大利亚和日本） 联系强度最大。随着亚太地区经济的崛起，中国、韩国、日本和澳大利亚成为全球科研论文合作的积极参与者，域内以中国与澳大利亚、日本、韩国间科研联系为主，对外联系则高度汇聚于西欧和北美。
度中心性：大分散小集聚。整体上，无论是Moran's I指数 （0.1581），还是Gini系数和变异系数CV ，度中心性的国际分异程度均明显较介数和强度中心性小，表明全球科研论文合作网络呈弱集聚性和分散化的空间态势 。大部分国家或地区科研论文合作程度较小且差距不大，小部分具较高论文合作程度的国家高度集中于北美、西欧和亚太三大组团。度中心性排名前20的国家中，有90%国家或地区位于以上三大区域，呈现出显著的区域集聚性特征。究其原因，北美和西欧是前三次科技革命的发源地和众多国际科研合作组织的所在地，成为全球科研产出的高地和科研合作流的“集线器”；而近年亚太相关国家经济的腾飞，创新驱动战略的实施，留学人才的回流，也为其国际科研论文产出和合作提供源动力。
介数中心性：三足鼎立。从洲域尺度来看，高介数中心性的国家或地区仍然集中于北美、西欧和亚太三大增长极，呈现出“三足鼎立”的非均衡格局 。具体而言，除南非以外，所有的非洲国家介数中心性值均低于0.005，是全球介数分布的低值区。整个亚欧大陆，东边是亚太极值区，西边是欧洲极值区，东西之间形成“塌陷地带”，整体表现出“四周高、中间低”的盆地形态。而美洲则形成“北高南低”的空间差异，美国与加拿大构成北美极值区，中美洲和南美洲大部分国家介数值较小，科研合作的桥梁作用有待加强。其原因在于：① 这三大增长极，主要包括美国、加拿大、中国、澳大利亚、英国、法国、德国、意大利、西班牙等，拥有垄断性的科研资源，成为全球科学研究的领导者。从高校数量和质量来看，以绝对的优势远超其他区域，拥有347所世界500强高校，有75所高校进世界大学 100 强。② 英国、法国、意大利、德国与西班牙等曾为世界上最主要的殖民主义国家，殖民地广泛分布在世界各地，至今仍有许多海外领地。研究发现殖民地国家与宗主国保持密切的科研合作关系。这些国家仍是很多非洲国家、太平洋岛国首要的科研合作对象。③ 共同文化有利于维持紧密的合作关系。英语是目前使用最为广泛的语言，欧美文化是当今全球的主流，其在学术交流上具有天然的文化亲近性和语言便利性。以2014年所收录的文献为例，英语论文高达1960161篇，占总体的96.21%，占据绝对的主导地位，其中大多数论文由欧洲、美国、加拿大和澳大利亚等国家的学者完成。
强度中心性：一超多强。相比前两大中心性指标，强度中心性的空间分布更加不均匀，表现出“一超多强”的空间格局 。其中，在科研论文产出和合作规模上，美国成为独一无二的超级大国。其科研合作强度中心性值达到 286062，合作论文数量为 175195 篇，均位居世界第一。此外，强度中心性约为第二位的2倍，国际合作论文数量约为第二位的3倍，具有较高的首位度。英格兰、德国、法国、中国、意大利、西班牙、加拿大、荷兰、澳大利亚、瑞士、日本、瑞典等国，与美国差距较明显，但均突破5万论文合作规模，且远高于其它国家或地区，进入全球科研论文合作的强国序列。而非洲、中亚、东南亚、加勒比海地区等构成全球科研论文合作强度的低值区和外围区。
采用重力模型和负二项式回归分析方法，检验了国家间地理邻近性、社会邻近性、经济邻近性、语言邻近性及发表论文量与科研论文合作量的估计结果 。从模型拟合程度来看，Alpha 参数均不等于 0，各因变量均具 1%的显著性平，模型拟合度较高，具较好解释力。
国家论文发表量和地理距离是影响科研论文合作的重要因素。一方面，国际论文合作规模与各自的科研论文产出成正比，即发表的科研论文越多，两国之间存在合作的可能性及合作量越大，表明全球科研论文合作网络存在显著的强强联合、合作共赢的网络演化态势。另一方面，科研论文合作量与两国的地理距离成反比，即科研工作者之间的地理距离与合著的论文数量呈显著的负相关，这也与许多研究发现相一致。原因在于，研究者更愿意寻找邻近的科研合作伙伴，通过面对面的互动促进隐性知识的传播和非正式的交流，从而提高科研产出的效率。与其他集中于国家尺度 （中国、美国）、区域尺度 （欧盟） 的研究相比全球尺度的地理距离对科研论文合作的阻碍作用较小。可能缘由是，许多前沿或重大的研究领域，如应对全球性挑战 （气候变化），已非某个人、机构或国家能够独立完成，需要跨区域或全球性的科研联合攻关；同时交通变革、通信技术发展也进一步减少了“距离的严苛管制” （the tyranny of distance）或“磨擦 （friction of distance） ”作用。
国家间的社会邻近性对科研论文合作具有显著的正向作用，意味着两国的社会关系越密切，越有利于科研合作的展开和深化。当主体之间基于信任、友谊和频繁的互动所建立的合作关系，能有效地减少繁琐的流程，便于非正式的知识交换和增加双边合作的可能性。原因是科技人才的全球性流动，往往会加速其社会关系的全球化，从而明显地促进国际学术合作和交流。
人均国民收入也是影响科研论文合作的重要因素。国家间的经济发展水平越接近，相应的科学技术需求越一致，其科研人员开展科研论文合作的可能性和规模就越大，即经济邻近性会促进科研论文合作。
资料来源：刘承良,桂钦昌,段德忠,殷美元.全球科研论文合作网络的结构异质性及其邻近性机理[J].地理学报,2017,72(4):737-752.
责任编辑：林晓峰 梁龙武
推文审核：张天舒 孙嘉欣 | 素材审核：胡森林
总 审 核：学术无界顾问团
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