近三十年非點源污染研究發展趨勢分析

歐陽威，劉迎春，冷思文，劉宏斌，王依滴

（1.北京師范大學環境學院，環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室，北京 100875；2.北京師范大學圖書館，北京 100875；3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

按照污染物進入水體的方式，水環境污染可分為點源污染和非點源污染（面源污染）。非點源主要包括農業非點源污染、城市非點源污染，另外還有植被區（森林、草原等）非點源污染、采礦業非點源污染、道路非點源污染和大氣沉降等[1]。非點源污染的產生離不開降水、產流和匯流過程，與土壤的累積、截留與侵蝕關系密切，特征是產生場所、產生時間、產生量是非固定的[2-3]。因為非點源具有隨機性和不確定性、廣泛性和滯后性，所以其研究治理難度很大。圍繞著非點源污染形成、遷移與控制，從農業資源與環境、環境工程等學科方向，我國流域水污染問題正在得到有效控制，環境部發布的水環境公報表明我國主要河流與湖泊的污染情況得到有效改善，部分水體水質呈好轉趨勢，但流域水體非點源污染問題成為繼續改善環境質量的瓶頸，在國務院2015年頒布的《水污染防治行動計劃》中有專門的篇章定義這部分任務[4-5]。有學者指出在未來幾十年，如何更好地控制非點源污染將是我國水環境保護最主要的問題之一[6]。黨的十九大報告也提出“加強農業面源污染防治，開展農村人居環境整治行動”，說明現階段我國非點源污染問題嚴重，是亟需解決的民生問題。

文獻計量學以各類文獻為主要研究對象，采用定量的手段分析各類學科發展中存在的數學規律。因其顯著的定量化、客觀性和模型化的宏觀研究優勢已應用于多個學科。但迄今為止，針對非點源污染問題的文獻計量分析大部分是針對已有文獻的來源（國家、學者和機構等）進行簡單的統計分析，缺乏對該領域發展歷程、研究現狀和前沿動態的細致分析[7]。因此，本文采用文獻計量學的方法整體分析了全球非點源污染的發展歷程，重點探討了該研究領域在研究方向、尺度、內容、對象等方面的發展趨勢，同時評價了我國在非點源污染領域研究與國外研究的差距及變化，指出了國內學者需持續和重點關注的研究方向，為進一步推進非點源污染研究領域的發展與管理決策的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

在Web of Science核心合集中以檢索式：TS=（（（（diffuse near/10 pollution）or（“diffuse sources”）or（“non point”）or（nonpoint））and（pollut*or contami?nat*or nutrient or eutrophication））not（“air pollut*”or“atmospheric pollut*”or“light pollution”））進行檢索，將1990—2016年文獻作為分析的主要數據來源，近30年全球非點源污染相關研究的總體趨勢。分析檢索日期為2017年11月1日。

1.2 分析方法

通過Web of Science“分析檢索結果”功能，得到歷年文獻量數據。為了更簡潔清晰地呈現發文量的歷史變化，以三年為一個時間段來展示，并且分析1990—2016年非點源污染研究的來源出版物和來源機構。通過“創建引文報告”功能，得出1990—1999，2000—2009，2010—2013，2014—2016，1990—2016中外文獻的H-index數據，以及發文量前十位的學者所發文獻的H-index數據，以此對比中外研究的H-index。

將1990-2016年這27年的文獻集按“全記錄與參考文獻”導出，在CiteSpace中進行文獻計量學與可視化分析。時間切割設為3年，因而1990—2016分成9個時間段，即1990—1992、1993—1995、1996—1998、1999—2001、2002—2004、2005—2007、2008—2010、2011—2013、2014—2016。 引 文 網 絡 分 析 工 具CiteSpace是美國德雷克賽爾大學的華裔研究者陳超美博士2004年開發并不斷更新的基于java的計量和分析科學文獻數據的信息可視化軟件，本文使用版本是 CiteSpace5.1R8 SE（64bit）[8]。

運用CiteSpace進行關鍵詞共現網絡分析。時期為1990—2016年，將時間切割間隔設為3年，術語來源選標題、摘要、著者關鍵詞、關鍵詞擴展，閾值設置為Top50、不修枝（pruning）。此外，對一些同義關鍵詞予以了合并處理，具體是：nonpoint source pollution的多種變體和 diffuse pollution，river和stream，pollu?tion和contamination，GIS及其全寫，BMP及其全寫，model和 modeling，watershed、catchment和river basin，SWAT和SWAT model。合并網絡圖有131個節點，616條連線。選取時間間隔和關鍵詞特征上有代表性的1993—1995、2002—2004、2014—2016這三個時段輸出關鍵詞共現網絡圖，分析非點源污染研究的特征和趨勢。其中1993—1995年關鍵詞詞頻較小，分析前20位，2002—2004與2014—2016年均分析前30位。

進一步運用CiteSpace進行文獻共被引網絡分析，結合pathfinder算法修枝，得到482個節點，595條連線的簡要分析自動聚類圖。為清晰地分析重要的研究節點文獻的特征，在CiteSpace中導出文獻共被引合并網絡圖的總結表，提取引用次數（frequency）、突現度（burst）、中心度（centrality）、sigma指數前15位的共被引參考文獻做重點分析，共可獲得29篇。其中sigma指數是科學新穎性的度量，是突現度和中心度的函數。閱讀這29篇文獻的標題與摘要，總結非點源污染研究主要參考文獻的借鑒意義，討論非點源污染研究的知識基礎（intellectual base）[9]。

2 結果與討論

2.1 總體分析

國外和國內非點源污染研究文獻分別起始于1975年[10]和1992年[11]。1990年前世界非點源污染研究發文速度緩慢，之后才開始快速發展。我國針對非點源污染的相關研究在2005年后發展迅速（圖1），目前已成為非點源污染研究的大國，影響力也在逐步提升。2014—2016年間我國學者發文量約占到總發文量的三分之一。發文量前十的機構中，我國占兩席。我國學者文獻的H-index與國外有接近趨勢（圖2）。25篇ESI高被引論文中，4篇為我國第一作者。

從1990—2016年總體看，我國學者所發文獻的H-index是46，國外學者所發文獻的H-index是127，中外前十位高發文學者所發文獻的H-index分別是27和46（圖2）。我國與國外學者在H-index方面還存在較大差距。一方面由于我國起步較晚，發文量少；另一方面可能是文章質量上還存在一定差距。1990—1999年我國學者所發文獻的H-index約是國外學者所發文獻H-index的十分之一。然而近年來，我國學者發文量大幅提升，其中包括在頂級期刊上發表的非點源氮磷污染管理和預警相關文章[12-13]，到2014—2016年中外H-index僅相差8，可以看出中外文獻H-index差距正在逐漸縮小。

圖1 非點源污染研究發文量變化圖Figure 1 The number of published literature about non-point source pollution

圖2 中外非點源污染研究H-index比較圖Figure 2 H-index of Chinese scholars and international colleagues major in non-point source pollution

1990—2016年總發文量為7195篇，其中國內機構學者發文量1227篇，國外機構學者發文量5968篇；包含至少5篇文獻的Web of Science期刊類別有80個，來源出版物和來源機構超過500個。文獻數量前十位來源出版物和前十位來源機構（表1）發文量分別約占27%和19%，中國科學院系統和北京師范大學在此領域進入了全球前10名。

2.2 關鍵詞共現網絡分析

近三十年來非點源污染研究前20位關鍵詞發展迅速，尤其是不同關鍵詞的出現頻次和關聯度都有明顯提高。在此過程中，非點源污染相關研究始終圍繞改善水質的目標，持續關注了氮、磷和與之聯系的水體富營養化問題，營養元素、沉積物的重要來源——土壤以及重要的物質輸送驅動力——徑流等問題。除此之外，近三十年來非點源污染研究在流域尺度綜合管理方面的研究穩步增強，“流域”與“管理”這兩個詞的關鍵地位愈發凸顯且趨向于共現。

表1 1990—2016年非點源污染研究文獻發表的前十位來源學術期刊和機構Table 1 Top 10 academic journals and institutions in the field of nonpoint source pollution during 1990—2016

初期階段的1993—1995年，非點源污染研究詞頻大于20的關鍵詞較少（圖3A）。除非點源外，“氮”、“磷”及“水質”是頻次高的關鍵詞，表明非點源污染研究主要針對地表水或者地下水體富營養化中氮磷來源與過程分析，主要的研究方法為傳統的實地采樣與監測。進入本世紀初，非點源污染的詞頻在相同的3年內增加了3倍，詞頻超過30次的關鍵詞數量也大幅增加（圖3B），表明非點源污染研究的廣度與深度明顯提高。在污染物方面，除總氮外，硝態氮和重金屬的研究逐步深入。對河流、遷移、模擬和沉積物的關注度也穩步提高，這個階段，非點源污染研究方法和工具也迅速發展，尤其是隨著GIS的出現，基于空間分析進行水文模型模擬使得流域綜合管理、不同土地利用效應等方面的研究得以開展。

2014—2016年期間，高頻詞數量劇增，表明該研究領域得到了快速發展（圖3C）。“流域”是第3位高頻詞，“管理”是第 6 位高頻詞，“管理”與“氮磷”、“徑流”“沉積物”、“模型”、“系統”等詞的共現，反映出本階段的研究重點是對包括氮磷、沉積物、徑流過程等加以管理。目前，應用于流域范圍內研究非點源污染負荷的模型主要有HSPF（Hydrological simulation program-FORTRAN）、ANSWERS（Areal nonpoint source water?shed environmental response simulation）、AGNPS（Agri?cultural non-point source）和 SWAT（Soil and water as?sessment tool）。由于所用參數、率定時間、模擬流域的空間尺度、對管理措施的模擬和對營養元素的模擬效果等諸多因素的考慮，SWAT逐漸成為應用最為廣泛的模型，SWAT在2011—2013年進入前20位，在2014—2016年達到第16位。在這一階段，流域的非點源污染負荷量計算的研究趨于基于GIS空間分析將SWAT模型模擬手段和實地監測方法相結合，從而得到較真實的計算值。隨著氣候變暖這個全球性環境問題的日益嚴重，針對氣候變化對非點源污染的影響研究也逐漸引起了各國學者的重視，2014—2016年“氣候變化”一詞也位列前30位高頻關鍵詞之中。2014—2016年期間“中國”這一關鍵詞強勁增長位列第13位，反映出我國學者的研究發展迅速，另一方面也反映了學界對我國非點源污染問題越來越重視。對我國各地區非點源污染研究的推進將有助于我國環境質量的改善。

在CiteSpace中做關鍵詞共現分析，系統能對關鍵詞在各年段的出現情況進行突現詞檢查，如果一個詞在某個年段的波動相對于整個時期來說變動顯著，那么這個詞就是突現詞（Burst terms）[8-9]。值得注意的是，SWAT、中國、氣候變化三個詞分別在2005、2008、2014年突現，且突現度（burst）較高，均大于20，進一步印證了上述分析。

2.3 文獻共被引網絡分析

圖3 三個代表性時段非點源污染研究高頻關鍵詞共現網絡圖Figure 3 Co-occurring distribution of top keywords about non-point source pollution research in three periods

圖4 非點源污染研究文獻共被引網絡自動聚類圖（by title terms-LLR）Figure 4 Distributions of co-cited references clusters labeled by title terms-LLR about non-point source pollution

非點源污染研究文獻共被引網絡圖自動聚類圖（圖4）顯示了主要的類及類標簽，482個文獻節點共有108個類，自動聚類圖直觀表現出了非點源污染研究的發展方向。該圖左上角藍色的聚類區，文獻發表時間較早，研究較為關注耕地管理和非點源污染物具體類型的輸出負荷，表明這個階段的非點源污染研究主要集中在點位尺度，尤其注重原位觀測；右上部的綠色的節點代表了發展中期非點源污染研究特征，大都是關于不同空間尺度條件下氮、磷污染輸出特征、對河口生態系統影響以及多種控制措施的評價，表明這個階段的研究已擴展到環境效應及污染控制。近期的研究集中在右下角的棕色節點聚類標簽區，該期間SWAT是出現頻次最多的模擬模型。在流域非點源污染管理方面，重點已從常規的流域綜合管理上升到考慮流域自然特征的優先控制區，而從流域水環境與生態保護角度出發的非點源污染研究也逐步成為主流。除營養物質氮磷、重金屬和農藥之外，近期的非點源污染研究對生物學類指標的研究逐步推進，節點聚類標簽區中部右邊的節點表明這部分研究已經基本成熟，尤其是涉及的畜禽養殖廢棄物、下水道泄漏及人體健康研究，表明非點源污染環境健康效應研究將是未來發展熱點。目前這部分雖尚未和傳統的非點源污染深入耦合，然而一旦將物理、化學層面的非點源污染模型發展到生物學層面，不同尺度時空效應分析的實現將指日可待。

2.4 高被引文獻特征分析

由于高被引文獻信息量大、參考價值大、典型性強，本文也對其中的25篇ESI高被引文獻開展了特征分析。25篇高被引文獻中包含了綜述類文獻7篇，在內容上，關于模型的文獻共有4篇，均為SWAT模型的應用發展；關于某個代表性研究地點文獻共有5篇，如美國印第安河潟湖、伊利湖和我國太湖的研究。此外，有5篇文獻為國際合作，表明加強非點源污染研究的國際合作將更有效地提高研究成果的關注度。25篇高被引文獻涉及的研究熱點廣泛，如傳統的氮磷污染以及富營養化問題研究，也有關于痕量非點源污染物，如重金屬、有機污染物、生物炭、沉積物、農作物殘留物的研究，模型方法類研究，尤其是模型綜述類文獻引用頻次較高，這些特征均表明非點源污染研究在污染物類型、遷移過程分析方面取得了較為明顯的進步。

表2總結了主要的高被引參考文獻的基本特征。分析表明GIS和SWAT相關的文獻被引率高，可見方法類研究仍然是同行關注的熱點，也反映了這兩種工具對于非點源污染研究的重要意義。非點源污染具有明顯的不確定性和滯后性，該領域的研究是典型的流域尺度跨學科研究，涉及大量空間數據。GIS的輔助實現了不同尺度的高效模擬，經過三十多年的完善，SWAT實現了模型的研究尺度從田間向流域的擴展，對流域的研究與管理起到推動作用。然而，由于模型在概化自然系統的過程中進行了一系列簡化和假設，加之模型運用時輸入信息的缺乏或存在誤差，以及獲取的參數值不確定，使得模型模擬結果的不確定性問題日益凸顯。如何認識和定量評價非點源污染模型模擬結果的不確定性仍然是非點源污染模型研究的前沿領域。國內外學者也通過構建人工模擬降雨徑流實驗裝置，研究分析不同降雨、不同下墊面條件下非點源污染流失規律，并且結合非點源污染模型及河流水質分析模型，研究模擬不同降雨重現期、不同降雨歷時條件下非點源污染流失特征，分析污染物入河后濃度變化規律，定量模擬分析污染源防控措施的污染削減效果。此外，近三十年非點源污染研究最明顯的特征是中國學者逐步成為研究的中流砥柱，有關中國的研究文獻在數量和被引量上都有大幅提升。有多篇高被引文獻是關于中國非點源污染研究估算準確性問題和模型使用問題，說明快速發展中的中國本土非點源污染研究正在努力發展更準確的結果、更有效的模型與方法。

表2 1990—2016年期間非點源污染研究主要高被引文獻特征分析Table 2 Analysis of influential co-cited references during 1990—2016 in the field of nonpoint source pollution

3 結論

（1）1990—2016年是非點源污染研究快速發展的階段。在水環境管理與污染控制的促進下，近十年來我國非點源污染研究發展迅速，已經成為全球重要的研究基地和創新基地。隨著我國學者在模型本地化改進和精細化模擬管理方面研究的深入，非點源污染研究團隊和學者在全球范圍內的排名穩步上升，H指數的差距也在逐步縮小，中國必將成為非點源污染研究的領跑者。

（2）非點源污染研究圍繞改善水質的目標，核心研究內容為氮磷污染輸出、模型模擬、模型優化以及徑流變化和土壤屬性對非點源污染輸出的影響等。模型模擬方面，基于GIS空間分析的SWAT模型逐步成為運用最為廣泛的工具，實現了對不同地理尺度下非點源污染輸出特征的分析，并逐步開展氣候變化帶來的非點源輸出效應研究。

（3）通過對關鍵詞共現網絡、文獻共被引網絡和高被引文獻的分析，表明非點源污染研究逐漸從點位尺度的輸出負荷分析與控制，過渡到流域尺度不同類型污染物在不同尺度下的精細化模擬與管理。下一階段，非點源污染模擬將由物理化學層面提升到生物層面，實現生物學類非點源污染模擬分析和健康效應評價。