在全球创新版图正在加速重构,创新多极化趋势日益明显的背景下^[1],科技创新成为各国实现经济再平衡、打造国家竞争新优势的核心,正在深刻影响和改变国家力量对比,重塑世界经济结构和国际竞争格局。20国集团（简称“G20国家”(1G20国家指美国、中国、德国、日本、英国、韩国、法国、印度、澳大利亚、加拿大、意大利、土耳其、巴西、俄罗斯、墨西哥、沙特阿拉伯、阿根廷、南非、印度尼西亚和欧盟28国。)）作为全球经济发展的重要“火车头”,拥有世界64%的人口、80%以上的GDP、92%的研究开发经费以及94%的美国专利商标局授权专利（UNESCO,2016）,其在全球科技创新中表现出的竞争力和活力将决定世界科技创新的未来和方向。知己知彼,方能百战不殆,认清趋势、掌握当今世界科技创新的活力与格局、前瞻擘划,方能顺势而为、抢抓机遇、实现科学技术的跨越发展^[2]。本文以G20国家为研究对象,基于Web of Science平台的科学论文和技术专利数据,从科研表现力和技术创新力等角度揭示G20国家的科技竞争格局,掌握中国在G20国家中所处的地位及面临的挑战,以期为我国提升科技竞争力、建设科技强国提供有价值的决策依据和借鉴。

科学论文和专利是科学研究和技术创新成果的重要载体,是衡量国家或机构科学研究和技术研发实力的重要依据。本文以Web of Science平台的科学论文和技术专利数据为主要数据源,数据时间跨度为2007–2016年,数据检索时间为2017年6月5日。采用文献计量分析、专利分析、引文分析和可视化等方法,系统分析G20国家科学研究以及技术创新产出的国际竞争力水平及变化。具体的,从国家层面与领域层面选取论文产出规模、学术影响力、国际合作等指标对2007–2016年及前后两个五年期G20国家科研表现力进行横向比较,选取专利产出规模、国家专利的国内外布局以及重点技术方向等指标对G20国家技术创新力进行分析。

本文基于科学论文和技术专利分析G20各国的科研表现力和技术创新力,进而揭示G20国家的科技竞争态势,同时,本文参照Essential Science Indicators的学科分类,对农业科学、生物学与生物化学、化学、临床医学等22个学科领域的科技发展态势开展分析和研究。

论文是科学研究产出的直接体现,是衡量科研表现力的重要依据。本文利用Web of Science平台检索并获取G20各国的发文数据,从产出规模、学术影响力、科研合作等多个角度对比分析G20国家在总体及各学科领域上的科研表现力。

3.1.1 产出规模

对比G20各国的论文产出占世界份额（图1）可以得出如下结论：2007–2011年和2012–2016年两个五年期,G7国家论文产出明显高于除中国以外的其他国家,欧盟论文总量超过世界论文总量的三分之一,美国论文总量则超过世界的四分之一;金砖国家（BRICS）中的中国和印度的论文产出均明显高于以澳大利亚和韩国为代表的其他国家。在上述两个五年期中,中国论文产出数量占世界的份额增长了6.5个百分点,而其他国家的增长均不超过1个百分点,部分国家如美国、英国和德国出现了负增长,表明中国在G20国家科研产出规模增长中发挥了主要作用。

3.1.2 学术影响力

（1）论文被引频次

被引频次指标反映了论文发表之后产生的学术影响力。从G20 国家五年累计被引频次的世界份额对比（图2）中可以看出：2007–2011 年和2012–2016 年,G7国家的学术影响力明显高于除中国以外的其他国家。相较2007–2011 年,2012–2016年金砖国家及其他国家（如澳大利亚、韩国等）论文的被引频次份额均有不同程度的提升,中国科研产出被引频次的世界份额翻了一番,增长速度超过世界其他国家,而其他科技发达国家（如美国、英国、德国、法国和日本等）被引频次份额略有下降,但美国仍居世界第一。

从2007–2016年G20国家论文引证关系网络中（图3）可以看出,美国在论文总量及网络中心度上均领先于其他国家,在整个引证关系网络中处于核心地位;另外,中国、英国和德国则处于次核心的地位。中国引用美国、欧盟等国家（或集团）的论文量明显高于这些国家（或集团）引用中国的论文量,中国论文的影响力与美国仍存在较大差距。引用中国论文最多的国家有美国、德国、英国、日本和印度等。

（2）学科规范化的引文影响力

被引频次,尤其是国家的被引频次在很大程度上受研究规模（论文数量）和学科的影响。学科规范化引文影响力（CNCI）(学科规范化的引文影响力（CNCI）指标旨在对不同学科引用规律的差异进行标准化处理,该指标的计算方法为：CNCI=C/reference,其中C为目标论文的被引频次,reference为与该论文发表同一年、同一学科、同一文献类型的全球论文篇均被引频次。CNCI值为1,表明论文的被引表现与全球水平持平。)是指一篇论文相对于同行论文的被引表现。该指标消除了学科、发表时间和文献类型对论文被引频次的影响,是标准化的且独立于论文规模的指标。

从G20国家的学科规范化引文影响力（图4）对比可以得出如下结论：从2008年到2016年,除美国外,G20大部分国家的CNCI均呈现上升的趋势。2008年、2012年和2016年美国、英国、德国、法国、意大利、澳大利亚和加拿大的学科规范化影响力均超过世界平均水平,其中英国的CNCI值居G20国家之首,表明学科规范化引文影响力最高。2012年和2016年,沙特阿拉伯、南非和中国的CNCI值均超过世界基线,印度尼西亚的学科规范化引文影响力均达到或超过世界基线。日本、韩国、印度、巴西、土耳其、俄罗斯和阿根廷在上述三个时间点均不同程度低于世界基线。

（3）高被引论文

高被引论文量是按领域和出版年统计的引文数排名前1%的论文数量。高被引论文量通常用来衡量一个国家的高水平科研能力和科研成果。

从G20国家高被引论文数量分布（图5、图6）来看：2007–2016年,美国、英国、中国、德国、法国和加拿大6国的高被引论文量均超过1万篇,澳大利亚、意大利和日本的高被引论文量超过了5 000篇,其余国家数量均比较少。其中,美国（66 908篇）更是遥遥领先,超过欧盟28国高被引论文量总和。中国高被引论文量为（18 947篇）仅次于美国和英国（20 754篇）。

2012–2016年,G7国家高被引论文量均呈上升趋势,美国（35 759篇）和英国（12 138篇）的高被引论文量均超过1万篇以上,较2007–2011年分别增长了14.8%和32.3%;德国（9 497篇）、法国（6 341篇）、加拿大（6 076篇）和意大利（5 270篇）的高被引论文量超过5 000篇,日本为3 581篇,较2007–2011年,这几个国家的高被引论文量增幅在22.3%~64.5%之间。

2012–2016年,金砖国家高被引论文量呈现大幅增长趋势,中国高被引论文数量（13 692篇）仅次于美国居世界第2位,较2007–2011年（5 255篇）增幅达161%;印度（1 848篇）和巴西（1 474篇）的高被引论文量均超过1 000篇,增幅介于77.7%~102.1%的。

3.1.3 科研合作

从2007–2016年G20国家科研合作网络图（图7、图8、图9）可以看出,欧盟28国和美国在合作论文数量及网络中心度上均领先于其他国家,在整个科研合作网络中处于核心地位,美国与欧盟国家之间的合作非常紧密;英国、德国处于次核心的地位。2012–2016年与2007–2011年相比,中国在科研合作网络中的地位有所提升,但尚未进入网络核心地位。与中国合作最多的国家或地区主要有欧盟28国集团、美国、英国、日本和德国等。

通过2008年、2012年和2016年G20国家的国际合作研究论文比例（图10）可以得出如下结论：2016年与2008年相比,除印度尼西亚外,G20其他国家的国际合作研究论文占比均有所上升,科研国际合作强度有所提升;同期,除美国和日本外其他G7国家国际合作论文百分比均超过50%,英国和法国国际合作论文份额超过60%。2016年,除南非外,金砖国家的国际合作论文份额均低于50%,中国的国际合作论文占比为25%,相较2008年提高了5个百分点;其他国家如印度尼西亚、沙特阿拉伯、澳大利亚和阿根廷的国际合作论文超过50%,其余国家均低于50%。

3.1.4 各学科领域科研表现力

从2007–2011年、2012–2016年G20国家22个学科领域论文数的世界份额在G20国家中的排名情况（表1）可以看出：2012–2016年,G7国家中美国、英国、德国和法国在22个学科领域论文产出规模,即论文的世界份额排名均进入前10位。美国除了化学、计算机科学、工程学、材料学和物理学的产出规模居第2位外,其余17个学科领域均居世界第1位;日本除社会科学总论外21个学科领域产出规模进入前10位,物理、化学、材料科学、分子生物学与遗传学、临床医学、生物学与生物化学、药理与毒理学进入G20国家前5位;意大利除微生物学、材料科学外20个学科均进入前10位。

2012–2016年,金砖国家中的中国在22个学科领域论文的产出规模均进入前10位,其中化学、计算机科学、工程学、材料科学和物理学领域论文的世界份额均排名G20国家首位,除空间科学、心理学与精神病学、社会科学总论未进入前5位外,其余学科均进入前5位。前后两个五年期对比来看,除社会科学总论外,中国在其他21个学科领域论文的世界份额增长幅度均超过其他G20国家,增长显著。印度有12个学科进入G20国家前10位,在化学、工程学、材料科学、农业科学、药理与毒理学、综合学科6个分支表现突出,进入G20国家前5位;巴西有9个学科进入G20国家前10位,仅有农业科学和植物与动物科学领域产出规模表现较好,进入G20国家前5位;俄罗斯只有物理学领域论文产出规模进入G20国家前5位。2012–2016年,其他国家中韩国共有14个学科领域产出规模进入G20国家前10位,仅有材料科学、工程学、计算机科学3个学科进入G20国家前5位;澳大利亚共有15个学科领域产出规模进入G20国家前10位,仅有经济学与商学、心理学与精神病和一般社会学进入G20国家前5位。从2007–2011年、2012–2016年G20国家22个学科领域论文被引频次的世界份额在G20国家中的排名情况（表2）可以看出：2012–2016年,G7国家中除日本以外,其余各国22个学科领域的论文学术影响力,即论文被引频次的世界份额均进入G20国家前10位。美国除了在化学、工程学和材料科学3个领域学术影响力居第2位外,其余19个领域均居世界第1位;英国除在材料科学、化学、数学、农业科学领域的学术影响力分别居G20国家的第6、第5、第6和第8位外,其余18个领域均居G20国家的第2或第3位;德国22个学科领域论文学术影响力均居G20国家的前5位;日本除了工程科学、农业科学与社会科学总论外,其余19个领域进入G20国家前10位,但仅在材料科学、化学和生物学与生物化学领域进入G20国家前5位。

2012–2016年,金砖国家中仅有中国的学术影响力表现突出,22个学科领域全部进入G20国家前10位,其中在化学、工程学和材料科学领域学术影响力占据绝对优势地位,学术影响力排名均居G20国家首位,但相比于论文产出量,中国的计算机科学和物理学的总被引频次占世界份额未能排名首位。前后两个五年期对比来看,除心理学与精神病学、社会科学总论和空间科学外,中国在其他19个学科领域的世界份额增长幅度均超过其他G20国家,增长显著。印度在8个学科领域进入G20国家前10位,没有领域进入前5位;巴西在7个学科领域刚刚进入G20国家前10位,农业科学表现较为突出,进入G20国家前5位。

2012–2016年,其他国家中澳大利亚有18个学科领域进入G20国家前10位,其中环境学与生态学、心理学与精神病学、经济学与商学、社会科学总论4个学科进入G20国家前5位;韩国有14个学科领域进入G20国家前10位,但只有材料科学进入G20国家前5位。

专利是技术研发产出的直接体现,是衡量技术研发实力的重要依据。本文利用Web of Science平台上的Derwent Innovation数据库检索并获取数据,从产出规模、国内外布局等多个角度对比分析G20国家的技术表现力。

3.2.1 专利产出规模

从2007–2016年 G20国家专利申请量年度分布（图11）中可以得出如下结论：2012–2016年,中国、美国、日本、韩国和德国等5国的专利申请量均超过其他国家,其中,中国更是遥遥领先,2012–2016年与2007–2011年相比,中国专利申请量从118.2万件增长到362.3万件,约增长了2倍,居世界第1位。中国、美国、德国、澳大利亚和巴西分别是亚洲、北美洲、欧洲、大洋洲和南美洲地区的主要专利申请来源国。

3.2.2 专利国内外布局

从G20国家技术国内外布局（图12、图13）中可以得出如下结论：2012–2016年,美国、法国、德国、英国、加拿大和印度等13个国家的国内专利数量占比低于50%,其中,法国、德国和英国等国家该比例低于30%,专利国外布局较为明显;中国在2012–2016年的国内专利数量占比达93%,相较2007–2011年增长了14个百分点,专利国内布局较为明显。

3.2.3 专利技术主题分布

通过分析G20国家申请专利的DWPI分类,可以了解各国的专利主题分布和技术侧重,具体的,中国、美国、法国和加拿大的申请专利类别主要为数据处理、通用无线数据网络及移动电话网络、聚合物;英国、意大利、巴西、俄罗斯、南非、澳大利亚、墨西哥和阿根廷的申请专利类别主要为数据处理、聚合物和生物发酵工程;德国的申请专利类别主要为数据处理,仪器仪表,放电灯管、白炽灯;日本的申请专利类别主要为数据处理,放电灯管、白炽灯,半导体封装组件;印度的申请专利类别主要为数据处理、以字母“c”开头的抗生素-通用、聚合物;韩国的申请专利类别主要为数据处理,通用无线数据网络及移动电话网络,放电灯管、白炽灯;土耳其的申请专利类别主要为采暖、通风、空调,数据处理,制冷和液化;印度尼西亚的申请专利类别主要为聚合物、数据处理、其他食品和处理;沙特阿拉伯的申请专利类别主要为数据处理,石油加工-改造,成井、启用和维修;欧盟的申请专利类别主要为数据处理、通用无线数据网络及移动电话网络、仪器仪表。

本文以G20国家为研究对象,基于Web of Science平台的科学论文和技术专利数据,从科研表现力和技术创新力等角度揭示G20国家的科技竞争格局,形成如下结论。

从科研表现力来看,G7国家的科研论文产出规模和学术影响力均高于除中国以外的其他国家,2012–2016年G7国家（除意大利外）论文产出规模和学术影响力呈小幅下降趋势;而以中国、印度、巴西为代表的金砖国家以及以澳大利亚、韩国为代表的其他国家在2012–2016年科研产出规模及学术影响力则均呈现较快增长速度。

从全球论文引证关系网络来看,美国在2007–2011年和2012–2016年均处于引证关系网络的核心位置,美国的论文是世界论文引用的最大来源地;2012–2016年,中国从论文引证关系网络非核心位置跃进核心位置,且网络中心度指标仅次于美国,表明近5年来中国论文的学术影响力凸显,逐渐成为论文引证的核心国家;其他G7国家如英国、德国和法国基本处于次核心位置。

从国际合作网络来看,美国和以英国和德国为代表的欧盟28国集团仍然是论文国际合作最有吸引力的国家;中国2012–2016年在国际合作网络中的吸引力有较大提升,但还未进入国际合作网络的核心位置。

从学科布局来看,2012–2016年,G7（除日本外）及中国在22个领域的论文规模与学术影响力均进入G20国家前10位。

从技术创新力来看,G7国家、金砖国家（除南非外）及韩国和澳大利亚是世界申请专利的主要来源国。2012–2016年中国专利申请量超过美国,居世界第一位。美国、英国、德国、法国、加拿大等国专利国外布局较为明显,而中国、韩国、日本、俄罗斯等国专利更多侧重在国内布局。

美国在科学研究产出及19个学科领域科研规模与学术影响力方面,雄踞世界霸主的地位,并在论文引用网络及国际合作网络中处于中心地位。2007–2016年,美国论文产出超过世界份额的四分之一,仅次于欧盟28国总和,远高于其余18国,同期,美国论文的总被引频次超过欧盟28国,居G20国家首位,美国以世界27.4%的论文量获得了世界40.4%的被引频次,表明美国的论文更具有学术影响力。

中国在科学研究产出与学术影响力方面提升迅速,2012–2016年均跃居世界第2位,并在全球论文引证网络中跃进核心位置;从学术影响力来看,中国学科规范化引文影响力（消除论文规模影响）自2012年超过世界平均水平,论文的平均影响力也有小幅提升;中国3个学科领域（化学、工程学和材料科学）的科研产出规模与学术影响力均居世界第1,并处于世界论文引证网络以及国际合作网络的核心位置。2007–2016年,中国论文约占世界的八分之一多。2012–2016年论文的世界份额从2007–2011年10.2%提升到16.7%,论文被引用频次从7.6%提升到15.7%。中国2012–2016年在化学、计算机科学、工程学、材料科学和物理学领域论文产出数量占世界份额均排名G20国家首位;除3个领域（空间科学、心理学与精神病学、社会科学总论）外,其余19个领域论文规模方面均进入G20国家前五位;中国2012–2016年在化学、工程学和材料科学领域论文总被引频次占世界份额均排名G20国家首位;除7个领域（空间科学、临床医学、免疫学、神经科学与行为科学、心理学与精神病学、经济学与商学、社会科学总论）外,其余15个领域均进入G20国家前5位。