基于Citespace軟件的生態風險知識圖譜分析

祝 薇,向雪琴,侯麗朋,王保盛,唐立娜

1 中國科學院城市環境研究所城市環境與健康重點實驗室,廈門 361021 2 中國科學院大學,北京 100049

由于全球城市化的不斷發展,生態環境日趨惡化、各種突發環境事件、生態問題層出不窮,生態風險的危害及其不確定性對人體健康和生態環境造成巨大威脅。20世紀80年代后,產生了“風險管理”這一全新的環境政策,著重權衡風險級別與減少風險的成本[1]。生態風險研究因能為風險管理提供有效的理論基礎和科學依據而得到迅速發展,相關文獻大量涌現。環境管理和決策的需要推動了生態風險研究領域不斷擴展,研究主題、視角、方法日益豐富,很有必要對整個生態風險研究領域進行全面系統的分析。

目前,國內外對生態風險研究的綜述多集中在生態風險評價部分,一種是理論和方法綜述,如生態風險評價內涵及方法研究[2-3]、生態風險評價研究進展[4-5],生態風險評價的模型和評價指標體系[6-7]等;一種是對城市[8-10]、景觀[11]、流域[12]、海岸帶[13]、礦區[14]、農藥[15]、個人護理用品[16]等具體專題部分的生態風險評價研究進展。這些綜述各有側重,對于具體研究方向上的深入挖掘發揮了重要作用。但要了解當前生態風險研究現狀,前沿熱點和主題演進,則需從宏觀的研究領域范疇開展。

面對生態風險研究多學科交叉的海量研究文獻,定量與定性相結合的可視化綜述可以對研究領域進行更加全面、精準的分析。引文分析軟件Citespace著眼于挖掘文獻大數據中蘊含的潛在知識,能對一定時期內某一學科或研究領域的全部文獻進行可視化分析[17]。國內學者已將其應用于西方經濟地理學[18]、海綿城市[19]、心理測量學[20]、生態補償[21]、生態安全[22]等多個研究領域的分析。本文運用Citespace軟件,對1980—2017年間Web of Science核心合集數據庫中收錄的生態風險相關文獻進行全面梳理,旨在清晰、直觀地展示該研究領域的熱點趨勢、主題演進、研究概況,為未來的生態風險研究提供有益的參考及啟示。

1 數據來源與研究方法

本文所使用的數據來源于Web of Science核心合集,數據采集時間為2017年11月25日,檢索條件是:標題為ecological risk或ecological risks,時間段為“1980—2017”年,共檢索得2304篇文獻。

利用Citespace軟件,對生態風險研究的熱點趨勢,主題演進,主要研究力量等進行文獻可視化分析。Citespace是在科學計量學、數據可視化背景下逐漸發展起來的一款引文可視化分析軟件,能夠直觀的展示每個節點在知識網絡中的位置與大小,通過不同的功能選擇,分析相關領域研究文獻的來源地區、研究學者、研究熱點及其演變情況[23]。

2 結果及分析

2.1 發文數量時間分布

發文數量的時間變化可以反映該研究領域的發展速度。國際生態風險研究的發文數量經歷了緩慢增長-平穩增長-迅速增長3個階段,生態風險研究不斷受到國內外學者們的重視(圖1)。20世紀90年代以前,國際上主要關注環境風險評價,從20世紀80年代起,逐漸將研究熱點轉向生態風險評價。Web of Science核心合集中,在1980—1990年間發文數量均在10篇以下,處于提出問題,形成基本概念的階段。此后20年文獻數量平穩增長,理論奠基基本完成,大量實證研究發表。到2010年后,突破100篇,2016年達到最高點206篇,這期間來源于中國的文獻明顯增多,與中國在2011年出臺的 《國家環境保護“十二五”規劃》中強調“加強環境風險防控”的背景相吻合。

圖1 生態風險研究的發文數量(1980—2017)Fig.1 The number of published papers on ecological risk research from 1980 to 2017

2.2 研究熱點及趨勢

Citespace的時區演化圖能直觀反映不同時間階段某一領域的研究前沿及其衍生關系,進而對未來的發展方向作出合理的預測[19]。關鍵詞是對文獻內容和主題的濃縮與概括,對整個領域的高頻關鍵詞進行分析,可探究該領域的研究熱點與前沿。具有突現性的關鍵詞,是在某個時間段內頻次變化率高的詞,可以反映研究趨勢。繪制生態風險研究關鍵詞時區演化圖(圖2),據屬性表整理出各時期具有突現性和高頻的關鍵詞信息表(表1)。

20世紀80年代,生態風險研究處于人體健康評價階段,針對極小尺度的評價對象[11],這段時間沒有出現具有突現性和高頻的關鍵詞,相關的理論方法尚未達成共識,標準化。

圖2 熱點關鍵詞時區演化圖Fig.2 The time-zone view of hot keywords節點大小和頻次成正比;圖譜顏色從藍到橙代表時間的推進,節點年輪圈上的顏色對應時間色譜。大紅色圈層表示節點具有突現性,即在相應時間段內頻次變化率高,一定程度上代表研究方向的轉變。Citespace設置:Node Types: Keyword; Selection Criteria: Top10%; 其余采用默認設置

20世紀90年代關注生態風險評價的基本概念、理論方法,是該領域的奠基時期。1992年,USEPA將生態風險評價定義為“評價因暴露于一個或多個脅迫性刺激而發生不利生態效應的風險”,并提出了生態風險評價框架,被普遍接受。“生態風險評價”在1992年成為關注焦點,突現性和頻次均最大(圖2,表1),是生態風險研究領域最關鍵且經久不衰的研究熱點。“暴露”“響應”過程是重要的生態風險評價要素,早期的生態風險評價程序中通常需要對其進行描述和評價;生態風險評價源于“風險管理”這一環境政策,風險管理是根據風險評價的結果,采取適當的管理措施來降低或消除風險,以保護人體健康與生態系統的安全[24];在對風險進行定義時多會涉及“不確定性”,為使評價結果更為可靠,“不確定性”分析需貫穿整個評價階段;風險評價的定量化需要構建相關“模型”,如概率風險評價模型,相對風險評價模型等;以上熱點關鍵詞均側重于對理論方法的完善。其余關鍵詞為:毒性、生態毒理學、化學、人口、魚、重金屬、殺蟲劑、水、土壤、沉積物,可以看出,這段時間的研究多從生態毒理學角度,分析環境中污染物,特別是化學污染物的毒性,探索對人體健康損害的早期檢測指標和生物標記物(如:魚)[25],評定人類健康的潛在危害。

表1 高頻和具有突現性的關鍵詞信息表

高頻關鍵詞為每年頻次靠前的關鍵詞,中間一列為高頻詞匯中具有突現性的關鍵詞

進入21世紀,研究內容不斷細化和深入,出現大量實證研究文獻,進入生態風險研究的穩定成長期,發文數量逐年上升(圖1)。過去簡單用污染物的總量來衡量污染程度,而實際上只有被生物吸收利用的部分才是衡量污染程度的有效部分,因而,在這個階段“生物可利用性”成為頻次急劇增長的熱點(表1)。在風險受體的選擇上,從對人類健康、個體、種群的關注,擴大到對“生態系統”、“環境”、“區域”的風險研究。“污染”“管理”依然是研究熱點。在中國政府2007年提出建設生態文明的背景下,中國與生態風險相關的研究成果層出不窮,中國作為關鍵詞出現高達162次。其余熱點關鍵詞較90年代更為細化,如風險源從重金屬到痕量金屬。

2010年后,伴隨著新的理論和技術突破,出現了新的研究熱點,進入拓展期。空間分布、生態系統服務、城市土壤、源解析、海洋沉積物等關鍵詞均在目前引起了廣泛關注(圖2,表1)。RS和GIS等新技術和新方法加強了對生態風險“空間分布”的描述與現象的可視化表達,GIS的空間關聯和分析技術,與生態模型,改進算法相結合,為生態風險的定量化評價和行管模型的建立提供了更加快速、準確和經濟可行的方法[26]。現有研究將“生態系統服務”作為評價終點引入到生態風險評價中,從人類福祉角度結合生態系統過程進行風險表征可極大提高評價的時效性[27]。隨著城市化的發展,經濟、社會、自然耦合的城市生態系統進入風險評價的研究視野,成為新的研究熱點,因而“城市土壤”的出現頻次快速增加。此外,“海洋沉積物”“廢水”“農業土壤”也是同期的風險受體焦點。由對“脆弱性”的關注,可以看出該領域的研究不僅強調外來風險源的干擾,也開始重視風險受體自身結構等內在屬性。值得一提的是,“人類健康風險”“健康風險”繼20世紀80年代后,再一次成為研究熱點,生態風險研究最終還是要致力于對人類健康的保護。

2.3 研究主題

進行文獻共被引分析的前提假設是:同一篇論文的參考文獻(即共被引參考文獻)間會秉承同一研究脈絡或有著類似研究主題,因此對原始數據的參考文獻共被引網絡進行聚類,可得到細分的研究主題。導入2304篇文獻,共65840篇被引參考文獻,對其進行聚類,從所引文獻的標題中提取術語為聚類命名,并以時間線視圖呈現(圖3)。由于聚類較多,圖3僅顯示聚類中文獻數量大于25的主題。

Citespace根據圖譜的網絡結構和聚類清晰度計算出模塊值Q和平均輪廓值S兩個指標,用來評判繪圖效果。Modularity Q值在0.4—0.8視為符合要求的圖譜,本圖譜中Q值達0.9382,即網絡結構十分顯著。聚類內部相似程度的指標Silhouette 為0到1之間的小數,數值越大,相似度越高。表2中的聚類S值均接近1,即各聚類內部的研究主題明確;而圖3的Mean Silhouette僅為0.2531,表明生態風險研究的內容廣泛,主題豐富,各聚類間的相似度較低。對研究主題進行分類,分為風險源,理論方法,風險受體3個主題集群。結合圖3、表2及文獻閱讀,對各主題集群的演化路徑做一個梳理。

圖3 文獻共被引聚類時間線圖Fig.3 The time-line view of co-cited literature cluster聚類的顏色對應上方時間色譜;Citespace設置: Node Types: Cited Reference; Selection Criteria: Top10%; links: Dice; 其他采用默認設置

主題集群Community編號Rank聚類主題Theme聚類大小Size聚類輪廓值Silhouette重要文獻Important literature風險源Risk source#0重金屬污染1020.894Li, RY(2015)[28]#3ddt相關污染物570.998Wang, Y (2013)[29]#13多環芳烴330.942Feng, CL (2009)[30]理論方法#1生態風險評價框架730.951Van den Brink, PJ (2013)[31]Theory method#2生態風險表征590.873Kaufman, CA (2007)[32]#4生態風險評價550.956Gentile, JH (2000)[33]#7概率水生生態風險評價450.904Rand, GM (2010)[34]#8模型結構440.945Ferson, S (1996)[35]#5分布特征510.9Guo, GH (2012)[36]#10底棲生物多樣性370.957Preston, BL (2002)[37]風險受體Risk receptor#6典型發展中城市510.971Xue, BM (2013)[38]#9大型河流水庫410.981Sample, BE (1999)[39]#11不同土地利用土壤340.993Islam, MS (2015)[40]#12灌河口330.956He, XR (2014)[41]#14污染土壤330.907Wu, YG (2010)[42]#15大型水生植物為主的湖泊261Zhang, LL (2014)[43]

風險源分為自然風險源和人為風險源。前者主要是臺風、地震等突發型災害,其風險評價側重于估算風險源發生的概率、強度,評價危險性,劃分風險等級;還有全球氣候變化,水土流失等與人類活動密切相關的緩發型風險源。人為風險源包括化學污染物、重金屬、城市化進程、國際旅游和貿易導致的外來物種與病原菌入侵等[44]。對于人為污染物,早期研究多從生態毒理學角度分析其毒性對健康的影響。相比自然風險源,目前更關注人為活動引起的生態風險。重金屬污染和持久性有機污染物是最受關注的風險源類型(表2),因能在環境中長時間存在而具有更大的潛在生態風險。城市化進程等復合風險源的出現,表明生態風險評價不再局限于單一風險源,發展為多重風險源,多脅迫因子。

理論方法主要圍繞生態風險評價展開。荷蘭、美國、澳大利亞、新西蘭、英國、加拿大等國家都曾致力于構建生態風險評價框架[45]。最終USEPA在1992年提出的框架被普遍接受,從而推動了整個領域的發展。該框架將評價過程分為問題表述、分析、風險表征三步,風險表征是指將評價結果以一定的方式組織成表格、圖片、報告等材料,供管理者制定相關環境政策。確定評價程序后,構建模型方法是定量化評價的關鍵。目前已取得一系列成果,如在微觀的污染物風險評價上主要有:潛在生態風險指數法、地累積指數法、內梅羅指數法、等;宏觀生態功能的風險評價方法主要有:相對風險評價模型、3MRA模型、景觀生態分析法等。早期對水生態系統的研究最為豐富,較陸地生態系統成熟,圖3、表2中出現的概率水生生態風險評價、底棲生物多樣性驗證了這一點。生態風險評價的理論、框架、模型逐漸成熟,全面綜合的評價不僅包括風險的概率、強度,還兼顧時空分布特征。

20世紀90年代初,美國科學家Joshua Lipton等提出,環境風險的最終受體不僅限于人類,還包括生態系統要素。逐步在人體健康風險評價的基礎上演進為以生態系統及其組分為風險受體的生態風險評價概念。風險受體的尺度不斷擴大,已由個體、種群、群落、生態系統風險評價發展到區域生態風險評價的階段,如從水生生物到湖泊、河流、河口、海岸帶再到整個流域的風險評價,由單一風險受體發展到多種風險受體。除了以土壤、水體為環境介質的自然風險受體,城市生態風險也越來越受關注(圖3,表2)。城市生態風險評價具有大尺度、綜合性、社會自然經濟耦合、人為干擾強等復雜特點,邊界界定也與一般區域不同[8]。隨著城市化的發展,對可持續城市建設的需要,城市生態風險的原理和方法研究將成為焦點。

2.4 主要研究力量分析

2.4.1 主要研究國家(或地區)

美國在生態風險研究領域,發文數量最多(720篇),中心度0.56,突現性133.38, 3項指標均遠超過其他國家,表明美國奠定了該領域的研究基礎,在理論和研究創新上發揮過重要作用,影響深遠。中國起步較晚,但發展迅速,發文量居第二,這得益于中國政府對生態文明建設的重視;中心性0.13,可見中國在生態風險研究上發表的相關論文具有一定的影響力(圖4,表3)。發文量居前十的國家中,美國(1992年)、荷蘭(1989年)、德國(1995年)、加拿大(1991年)、英國(1995年)等在20世紀90年代都先后提出了生態風險管理框架[45],在該領域起步較早。

圖4 國家合作網絡圖譜Fig.4 The network map of national cooprtation節點大小與發文量成正比;外圈用紫色圓環標注表示該節點有較大中心度(不小于0.1),是圖譜中的關鍵節點;突現性表征節點對應的研究內容在短時間內頻次變化率高,相應的年輪圈層變為大紅色。Citespace設置:Node Types: Country; Selection Criteria: Top50; Pruning: Pathfinder; 其他均采用默認設置

國家Country發文量/篇Publications中心度Centrality突現性Burst國家Country發文量/篇Publications中心度Centrality突現性Burst美國(USA)7200.56133.38日本(JAPAN)650.034.01中國(PEOPLES R CHINA)5960.1319.83德國(GERMANY)620.12加拿大(CANADA)1850.1315.56意大利(ITALY)520.118.54英國(ENGLAND)1240.21西班牙(SPAIN)470.063.69荷蘭(NETHERLANDS)840.074.82發文量平均值Mean number of publica-tions2.304澳大利亞(AUSTRALIA)760.07發文量方差Variance of publications100.407

2.4.2 主要研究機構分析

在發文量TOP10的機構中,中國機構占了7家,中國科學院(Chinese Acad Sci)135篇,北京師范大學(Beijing Normal Univ)61篇,北京大學(Peking Univ)31篇,中國科學院大學(Univ Chinese Acad Sci)30篇,中國環境科學研究院(Chinese Res Inst Environm Sci)30篇,南京大學(Nanjing Univ)30篇,中國海洋大學(Ocean Univ China)19篇。美國環保局(US EPA)92篇位居第二,美國橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge Natl Lab)15篇居第十位。荷蘭瓦格寧根大學研究中心(Univ Wageningen & Res Ctr)18篇居第九位(圖5)。結合表1,中國在該領域發文總量居世界第二,但研究力量主要集中在上述七個機構中。而美國在生態風險領域中,美國環保局占主導地位,其余研究力量較為分散。中心度在0.1以上的機構有五個,依然是來自于中美荷:中國科學院0.38,荷蘭瓦格寧根大學0.14,北京師范大學0.12,美國環保局0.11,荷蘭瓦格寧根大學研究中心0.1。荷蘭瓦格寧根大學的發文量雖然只有6篇,但具有較高的中心性,可見其所發表論文具有重要學術價值。

圖5 機構合作網絡圖譜Fig.5 The network map of institutional cooprtation節點大小與發文量成正比;Citespace設置:Node Types: Institution; Selection Criteria: Top50; 其他均采用默認設置

2.4.3 關鍵作者及其代表文獻

在文獻計量中,通常采用普賴斯定律確定的最低發文數作為核心作者候選人入選標準。發文數量能反映作者的科研產出能力,但忽視了發文質量,不能有效的反映其學術影響力。被引頻次的高低可以更準確客觀的表征作者的學術地位。關鍵作者發表的重要文獻,通常是具有基礎性,奠基性的經典文獻,在領域內具有關鍵作用或轉折意義。因此,本文繪制作者共被引網絡知識圖譜(圖6),綜合共被引頻次,突現性,半衰期這3個能反映作者在研究領域地位的指標,選取生態風險研究領域的關鍵作者(表4),并簡要闡述排名靠前的關鍵作者代表文獻。

圖6 作者共被引時區視圖Fig.6 The time-zone view of co-cited author為使圖譜清晰,僅顯示共被引頻次大于80的作者,匿名作者不做分析,重復出現的作者只顯示一次。節點大小與共被引頻次成正比。Citespace設置:Node Types: Cited Author; Selection Criteria: Top50; 其他均采用默認設置

序號 Rank12345678910作者AuthorSuter GWHakanson LLong ERUSEPAChapman PMMacdonald DDLandis WGSolomon KRForbes VEMuller G共被引頻次Co-cited frequency27026116816116111594928381突現性 Burst8.4754.4826.3624.9622.497.3827.42半衰期 Half-life1411171514151113144

節點最大的是Suter GW 和Hakanson L(圖6)。Suter GW在1993年出版了《Ecological Risk Assessment》,2011年又更新了第二版。作者詳細闡述了生態風險評價(ERA)的理論、框架和實踐過程。對ERA進行定義,探討重要概念如不確定性、尺度、暴露分析、風險表征等;從對化學污染的評價擴展到其他脅迫因子,介紹不同ERA實踐的過程。作為該領域的權威專著,為后來的研究奠定了理論基礎,影響深遠。此外,在期刊上也發表了大量論文,如在1990年就開展了景觀尺度的生態風險評估,被廣泛引用[46]。Hakanson L在1980年提出了潛在生態危害指數法,是目前最為常用的評價重金屬污染程度的方法之一[47-49]。理論方法上的創新使他不僅被引頻次高同時也是突現性最大的作者。

USEPA是美國環境保護局(United States Environmental Protection Agency),作為機構作者,在1992年公布ERA框架,1996年提出ERA準則(Guidelines for Ecological Risk Assessment),1998年4月通過了ERA準則,敘述了ERA的一般原理、方法、程序。逐步完善準則的過程也代表了ERA研究的發展歷程,其研究方向從傳統的人類健康風險評估擴展到包括氣候變化、生物多樣性喪失、多種化學品對生物影響的風險評估[24]。目前,許多國家都用該準則來指導本國化學品和農藥的生態風險評價。

Long ER、Macdonald DD、Chapman PM均關注沉積物質量基準(SQG),以此評價沉積物中重金屬、化學污染物的毒性效應,開展實證研究,或評述各種方法的優缺點[50-53]。Chapman PM還介紹了證據權重法的應用,討論了重點用于沉積物質量評估的證據權重法問題及框架[54]。證據權重法是現存唯一的可為沉積物環境質量狀況提供確定性結論的方法[55]。Landis WG于1997年提出相對風險模型,是一種對區域復合壓力風險評價模型,諸多研究證明了其實用性[56-57]。Muller G提出了地累積指數法。該方法不但考慮了人為污染因素和環境地球化學對背景值的影響, 還考慮了由于自然成巖作用可能引起的背景值的變動的影響,因此常被用來分析土壤重金屬污染的評價[58]。

綜上,關鍵作者通常對研究領域的理論和方法有創新,對研究領域的發展有突出貢獻。高被引作者關注的生態風險評價、沉積物質量基準、重金屬污染、潛在生態危害指數法、證據權重法、地累積指數法、相對風險模型等也是領域內的研究熱點。

3 結論與展望

本文基于Citespace知識圖譜對生態風險的發文時間分布、研究熱點及趨勢、研究主題、主要研究國家(或地區)/機構、關鍵作者等進行全面分析。發現:

國際生態風險研究的發文數量經歷了緩慢增長-平穩增長-迅速增長3個階段。歐美國家、學者逐步建立了生態風險研究的理論框架、模型方法,奠定了該領域的研究基礎,其中美國占主導地位,Suter GW、Hakanson L、USEPA等關鍵作者具有突出貢獻。中國起步較晚但發展迅速,發文數量居第二,中國科學院等機構研究力量世界領先,得益于中國政府對生態環境保護的支持。

從1980—2017近40年的時間里,研究熱點不斷發生變化:從20世紀90年代關注“生態風險評價、毒性、模型、重金屬、沉積物、暴露等”等的基本概念、理論方法的奠基時期,到2000—2010年關注“污染、中國、生物可利用性、表面沉積物、管理、痕量金屬”等的成長期,再到2010年后關注“空間分布、生態系統服務、城市土壤、源解析、海洋沉積物”等的拓展期,研究尺度從極小尺度的人類健康擴大到區域生態系統,研究內容不斷細化深入,隨著新的理論和技術突破,研究方法、角度日益豐富。生態風險評價始終是領域內最關鍵的研究熱點。

生態風險評價的理論方法從確定評價的程序框架,到構建各種定量的評價模型逐步完善。最初局限在用生態毒理學的方法評價污染物對人類健康和生態系統的影響,目前開展的綜合評價兼顧風險的概率、強度、時空分布特征和源解析等。由單一風險源、風險受體、小尺度的評價演化為多種風險源、多種風險受體的大尺度綜合評價,在評價中,不僅關注外來的脅迫,亦考慮風險受體本身的空間結構、脆弱性等自身屬性。當前學界更關注人為活動引起的風險源及人類干擾強烈的風險受體,如重金屬污染、持久性有機污染和城市、區域生態系統。

迄今,生態風險研究的理論框架,模型方法已有相當豐富的研究成果,綜合前文的分析結果,認為未來的研究應關注以下幾方面:

(1)建立長期觀測的環境數據庫,依托環境物聯網技術構建實時動態的在線生態風險管理平臺。目前多關注靜態的生態風險現狀,如污染物在某一時間節點的濃度、含量、分布等,而生態系統的格局、過程、功能處在動態的變化中,還需利用環境大數據,GIS、RS等工具構建動態模型,模擬預測風險的遷移路徑、未來的時空分布變化等。集生態風險評價、模擬、預測、預警于一體的大數據決策支持系統,將極大提高環境管理和決策水平。

(2)對風險源的辨識既要考慮外來的脅迫,還要對風險受體本身進行脆弱性、易損性分析,尤其是生態脆弱區。在評價終點的選擇上,可更加關注生態系統的結構、功能,生態系統服務,景觀空間格局等角度。未來應充分了解多風險源,多脅迫因子,多暴露途徑,多風險受體之間的多重生態效應,通過對風險源的源解析、空間分布、多種風險源之間的復合效應深入分析,探究風險發生的過程、機制。

(3)伴隨城市化進程的加快,人口和產業聚集帶來的潛在生態風險成為制約可持續發展的關鍵因素,需加強對城市生態風險的研究。城市是社會-自然-經濟復合的生態系統,涵蓋諸多要素。風險源及風險受體多元化、行政邊界的確定、內部功能分區的空間異質性等復雜特點使得城市生態系統無法沿用一般區域生態系統的評價方法,構建適用的城市生態風險評價框架和模型方法將是未來的研究熱點。