地球科学是以地球系统（包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间）的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科，几乎辐射到自然科学的各个领域，其中主要包括地质学、地理学、大气科学、海洋科学、地球物理学、地球化学，以及其他衍生学科^［1］。随着地球科学自身的不断发展和完善，人类面临着共同的资源瓶颈、气候变化、环境恶化挑战以及继续发展等问题^［2，3］，因此定量了解地球科学领域的发展态势具有重要意义。

文献计量学是定量分析不同科学领域研究趋势的有效工具，大多数文献计量方法主要强调统计和分析，主要通过图表的形式，应用各种文献计量指标来衡量科学研究文献的数量和质量^［4］，如文章总数（Total number of Articles， TA）、引用总数（Total number of Citations， TC）、影响因子（Impact Factor， IF）和h指数等指标可以对发文作者、研究机构和国家的科学成果投入、产出和绩效从多个尺度进行定量比较和分析^［5~7］。随着文献计量学定量分析方法的发展，将文献分析结果可视化表达是文献计量学研究的重要方向之一。

地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是20世纪60年代迅速发展起来的一门地理技术，常用的空间分析功能有缓冲分析、叠加分析、空间插值和统计分类分析等。近年来，GIS技术飞速发展，特别是可视化和空间分析功能，在文献计量学研究中得到了广泛应用。目前普遍认为，Narin等^［8］、Frame等^［9］和Frenken等^［10］首先从地理视角研究了科学研究的空间分布现象；Matthiessen等^［11］分析了欧洲“大”城市地区作者在科学引文索引（Science Citation Index，SCI）中发表论文的科研实力；Bonaccorsi等^［12］在文献计量分析中考虑了研究的空间集中度对每个研究者发表论文的影响。Allen^［13］对地理信息系统相关的科学文献进行了分类统计，确定各学科的研究数量，为图书馆的地理空间数据收集发展政策提供信息。同时，GIS软件也被广泛用于演示地理分布和可视化分析^{［14，15］}，王雪梅等^［16］将GIS技术应用于青藏高原地区科研文献的信息挖掘和空间展示；利用GIS空间分析功能生成的密度图可实现地理科学领域“热点区域”的可视化显示^［17］。从这些研究中可以看出，GIS的数据统计和空间分析等功能，可以实现不同空间尺度上文献计量指标的表示，分析科学研究的热点动态变化，而一些商业GIS软件，如ArcGIS和MapGIS等，能有效实现空间信息分析和科学研究的可视化展现。

本研究将进一步加深GIS空间分析方法与文献计量统计分析方法的结合，从全球发文量、主要发文国家、研究作者、研究机构和来源期刊等多个维度定量分析1994—2018年全球地球科学研究的发展趋势，将地理学中的重心法应用到科学研究重心在全球范围内的时空动态迁移分析中，并将研究结果进行空间可视化表达，为地球科学学科建设相关研究提供科学参考。

InCites数据库是基于收集和分析科学引文索引（Web of Science， WoS）数据库的有效科学研究评估工具，其中包含来自世界各地的国家、机构和学科等的出版物^［12］。InCites数据库经过不断改进，目前有30多个指标可供分析使用。基于InCites数据库，本文在基本科学指标数据库（Essential Science Indicators，ESI）的22个学科分类中选择地球科学学科，以1994—2018年全球地球科学领域的文献作为研究对象（数据采集时的更新时间为2019年6月）。此研究中，来自英国、英格兰、苏格兰、北爱尔兰和威尔士的科研文献均被归为英国^［13］。

重心通常被定义为二维空间中各要素形状点的算术平均值。基于此定义，通常认为乌鲁木齐是亚洲几何中心，中国的几何中心位于兰州。针对地理要素，在地理研究中可用重心移动反映地理事物和现象空间分布的变化^{［18，19］}，因此首先计算全球各个国家和地区的地理重心，并将重心与每个国家和地区的年发文量进行关联，重心位置的时空变化可以反映地球科学研究重心在全球尺度上的动态迁移情况。重心坐标公式如下：

式中：X_t、Y_t分别表示在t年全球发文的重心坐标，C_ti表示在t年第i个国家的发文数量，X_i、Y_i分别表示第i个国家的重心坐标。

1994—2018年，全球地球科学领域研究的科研论文产出表现出稳步增长的趋势（图1）。相关文章数量从18 917篇增加到58 946篇，过去25年的增长率为212%。地球科学研究文献类型以论文为主（包括以会议论文或书籍章节形式发表的文章），占总发文量的86%；其次是社论材料，共计40 531篇，占4%；会议摘要31 439篇，占3%；综述22 411篇，占2%；以其他，占3%。其中，研究论文所占比例呈显著增长趋势，从1994年的83%增长到2018年的93%，而社论材料所占比例呈下降趋势，1994年为5%，2018年为3%。会议摘要和综述的数量变化趋势大致相同，都在2009年的占比相对较高，分别为10%和4%，从2010年开始占总发文量的比例逐渐下降，2018年会议摘要和综述的占比下降到1%和2%。

将各个年份的地球科学研究的发文量与相对应的各个国家和地区进行关联，以每4年为1个研究周期，即1994年、1998年、2002年、2006年、2010年、2014年和2018年，将这些年份的发文量在ArcGIS10.2（ESRI）软件中进行空间分析，地图中用不同颜色等级表示不同国家和地区的发文数量差异。从图2可以看出，全球地球科学的科研文章数量空间分布差异很大。1994—2018年，东亚和西欧地区的发文量变化显著，而中亚和非洲地区的发文量并无明显变化。全球发文量少于250篇的区域范围有逐渐缩小的变化趋势，反之，发文量在250~10 000篇的区域分布逐渐扩大，验证了全球发文量逐年增加的发展趋势，说明地球科学研究科研产出在全球范围内逐渐增强，受关注度加深。在全球范围内，2010年首次出现发文量超过10 000篇的区域，到了2018年发文量超过10 000篇的区域主要位于美国和中国。

图3显示了过去1994—2018年全球地球科学发文重心的时空迁移情况。总体上看，全球科研发文重心逐渐向北半球的东南方向迁移，经度变化范围为22ºW~16ºE，纬度范围为38º~43ºN，发文重心的变化趋势主要体现在经度上。从纬度变化来看，北半球国家发表的地球科学文章最多，因此重心始终位于北半球，并逐渐从高纬度向低纬度迁移且迁移距离较短；从经度变化来看，1994—2006年发文重心的经度位于西半球，随后从2007年开始向东半球迁移。这是因为在2007年之前，西半球国家发表的文章数超过全球总发文量的一半，如美国和加拿大，每年对全球地球科学研究的贡献率超过27%，其中1994年的贡献率最高，为41%，而东半球国家的科研文章数相对较少。但自2007年以来，东半球国家，特别是中国的发文量呈现出明显的增长趋势，25年来的增长率为747%，而西方国家的文章数量所占比例则下降到39%。

经统计（图4），1994—2018年全球地球科学领域的发文量总计527 757篇。其中，单一国家发表的文章，占总发文量的68%；国际合作发文252 002篇，占32%，这表明地球科学独立研究在全球尺度上占主导地位。虽然过去25年来，单一国家发表的文章和国际合作的文章均有所增加，但单一国家文章的年百分比从1994年的84%下降到2018年的61%，相比之下，国际合作文章所占比例从1994年的16%上升到2018年的39%，说明地球科学研究的国际合作在逐渐加深。

全球共有248个国家和地区参与到地球科学的研究中，统计1994年、1998年、2002年、2006年、2010年、2014年和2018年不同发文量分级中包含的国家和地区数量。从图5可以看出，没有参与到地球科学研究的国家和地区逐年减少，由1994年的118个减少到2018年的66个，表明地球科学研究受关注度提高，越来越多的国家参与到地球科学领域的研究中。1994年全球共计95%的国家和地区的发文量少于250篇，2018年下降到85%。发文量超过250篇的国家和地区数量表现出明显的增加趋势，2010年的全球地球科学研究中，单个国家的最大发文量突破10 000篇（美国共计发表了10 643篇论文），2018年发展到有2个国家的发文量超过10 000篇，即美国15 067篇，中国14 675篇。

根据1994—2018年各个国家和地区的发文量和总引文量排名，表1列出了全球地球科学研究发文量前20名的国家。从空间分布来看，12个国家位于欧洲，4个位于亚洲，2个来自北美洲，1个来自南美洲，另1个来自大洋洲。我们发现地球科学文章在国家尺度上表现出高度集中的特征。全球发文量前10位的国家发表了地球科学领域70%的文章，排名前20位的国家发表的文章数量占总数的85%。在各国的论文生产力排名中，美国在发文量（240 234篇，占全球总发文量的22%）和总被引量（8 438 483篇）方面居于领先地位。中国的发文量位居第二位（104 285篇，9%），其次是英国（76 597篇，7%），德国（70 167篇，6%）和法国（62 696篇，6%）。在国际合作方面，对比发文量前5位的国家，中国的总被引次数和国际合作文章数相对比例最少，说明中国的发文质量和学术影响力还有待提高。国际合作论文数最多的国家是美国，英国和德国分别排在第二位和第三位。相比之下，瑞士和奥地利虽然在总发文量方面表现不佳，但国际合作率相对较高，这说明它们在地球科学领域国际合作积极活跃，研究水平通过国际合作得到了显著提高。特别的是，经统计，除美国和奥地利外，其他18个国家的主要合作对象均为美国，这说明美国在地球科学领域的国际合作研究中发挥了主导作用。

统计分析全球前20名核心作者的学术成就，有助于了解领军人物在地球科学研究的深度和广度。表2列出了发文量前20位的作者。其中，中国地质大学的Santosh M.发表的文章最多，为503篇；其次是中国武汉大学的张良培（264篇），加州大学伯克利分校的Wang Y（231篇），芬兰赫尔辛基大学的Kulmala M（226篇），马里兰大学帕克分校的梁顺林（202篇）。明尼苏达大学的程海的总被引文章最多，来自香港大学的赵国春的篇均被引和h指数均排名第一，论文受关注度最高。

统计全球发文量排名前20位的研究机构，从表3中可以看出，国家科学院和高校为主要高产机构。其中，10家研究机构位于美国，说明其在全球地球科学领域的学术研究团队机构水平最高。法国国家科学研究中心（Centre National de la Recherche Scientifique， CNRS）的发文量和总被引次数均位居第一名，说明该机构的科研实力强，研究水平较高；中国科学院的发文量位于第二位，但在被引用量和篇均被引方面还有待提高。美国宇航局戈达德太空飞行中心、美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）、美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、科罗拉多大学和科罗拉多大学波德分校的篇均被引量遥遥领先，说明这些研究机构在地球科学领域的学术影响力高于其他机构。在机构合作方面，法国研究与发展研究所（Institude de Recherche pour le Development， IRD）的机构合作发文量比例最高，为71%；而俄罗斯科学院的机构合作发文量所占比列最低，为28%。

此外，根据作者的通讯地址绘制了全球地球科学领域发文量前20位的作者和前20位研究机构的地理分布图（图6）。图6中彩色斑块代表文章数量，蓝色斑点代表发文量前20位作者的地理分布，红色斑点代表发文量前20位科研机构的地理分布。从图6中可以看出，在发文量前20位的作者中，7位来自中国，6位来自美国，2位在荷兰，其次是英国、法国、日本、芬兰和俄罗斯。前20名研究机构中，美国有10所，法国4所，中国3所，英国、德国和俄罗斯各有1所。从地理分布来看，发文量前20位的作者和前20位研究机构分布大致相同，均主要集中分布在北美、西欧和东亚。

在来源期刊方面，1994—2018年，共有698个期刊发表了与地球科学研究相关的论文。表4显示了影响因子排名前20位的期刊。其中，8个期刊来源于美国，4个来自英国，3个来自荷兰，2个来自中国，2个来自德国，另1个来自法国。过去25年来，Atmospheric Chemistry and Physics期刊发表的地球科学领域文章数最多，共计9 730篇，其次是Bulletin of the American Meteorological Society期刊，共计4 801篇。Science和Nature关于地球科学研究的论文总被引次数最多，分别为551 629次和508 959次。Science、Reviews of Geophysics和Nature的篇均被引次数远高于其他期刊，说明它们在地球科学领域的科研产出影响力大，受关注度较高。

在以往对全球科研文献的研究中，Frame等^［9］对1973年科学引文索引（Science Citation Index，SCI）收录的117个国家和2 300种期刊进行了深入分析，指出全球发表科研论文数量最多的10个国家，依次是：美国、英国、苏联、德国、法国、日本、加拿大、印度、澳大利亚和意大利，共计发表了全球93%的文章。本文同样发现地球科学研究的论文高度集中在国家层面。全球发文量前10的国家发表的论文占全球总发文量的70%，前20位国家发表的文章占总数的85%。全球各国的发文量排名依次为美国、中国、英国、德国、法国、加拿大、俄罗斯、日本、澳大利亚和意大利。值得注意的是，近25年来，我国在地球科学研究方向的文章增长率达747%，科研实力大大提高。这与Zhou等^［20］的研究结果一致，中国已然成为全球科学研究产出的主要参与者，对世界科学研究的贡献显著增加。

目前，可视化图谱分析被广泛应用于文献计量分析中^{［21，22］}，但通过空间可视化分析方法对全球范围内科学研究的时空动态定量研究还很少。Batty^［23］以国家为尺度评估了12个科学领域的科学引文集中度，发现了高被引作者的空间集中特征，而本文运用GIS的空间分析功能定量分析了地球科学研究的空间分布差异特征，通过提取通讯作者及研究机构的地理位置，发现主要发文作者和研究机构集中在北美、西欧和东亚等区域，也在一定程度上验证了Batty^［23］的研究结果。基尼系数被成功运用到我国核心期刊空间分布的定量测度中^［24］，为了进一步强化文献计量分析结果的空间可视化表达，在后续研究中，将尝试利用基尼系数来定量衡量全球尺度上研究作者、科研机构的地理分布和空间集聚程度。

本文分析结果表明，1994—2018年，全球地球科学领域研究的科研文献表现出明显的稳步增长趋势，科研文献类型主要为论文。全球地球科学研究中，发文量的空间分布差异较大，东亚和西欧地区的发文量变化显著，而中亚和非洲地区的发文量并无明显变化。发文量少于250篇的空间区域逐渐缩小，而发文量在250~10 000篇的区域分布范围逐渐扩大。地球科学研究的科研文献产出在全球范围内逐年增强，全球科研发文重心逐渐往北半球的东南方向迁移，发文重心的变化趋势主要表现在经度上，这是由于自2007年以来，东半球国家，特别是中国的发文量呈现出明显的增长趋势。地球科学研究以国内合作发文为主导地位，地球科学研究的国际合作显著加深。美国在发文量、总被引数量方面及国际合作等方面都居领先地位，瑞士和奥地利的国际合作率相对较高，在地球科学领域国际合作积极活跃，中国的科研实力显著提高，美国在地球科学领域的国际合作研究中处于核心地位。中国地质大学的Santosh M发表的文章最多，而赵国春的文章学术影响力最高。全球排名前20位的研究机构中，国家科学院和高校为主要高产机构，美国在全球地球科学领域的学术研究团队机构水平最高。Atmospheric Chemistry and Physics是发文量最多的期刊，而Science、Reviews of Geophysics和Nature的学术关注度较高。该研究旨在为全球地球科学研究发展提供参考。