降水穩定同位素研究的歷史與現狀
——基于文獻計量學及網絡分析方法

韋飛黎, 李雙成,*,余武生,謝愛麗,侯文宇

1 北京大學城市與環境學院地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 100871 2 中國科學院青藏高原研究所青藏高原環境變化與地表過程重點實驗室,北京 100101

大氣降水是水循環的重要環節,是大氣圈和水圈之間物質與能量交換過程中重要的因子之一,其變化尤其受到溫度、濕度、水汽來源等影響。因此,對降水穩定同位素的研究,弄清局地降水穩定同位素與不同氣象要素之間的關系,可為局地不同植被利用水資源的狀況等的研究提供重要的依據,甚至可為生態修復中的植被恢復狀態的研究提供重要的背景數據。

自1964年Dansgaard[1]利用全球降水穩定同位素監測計劃(Global Network of Isotopes in Precipitation,GNIP)資料建立了全球平均年降水中δ18O與地表氣溫之間的線性關系,并由此提出過量氘的概念至今,國際上穩定同位素水文循環研究取得了很大的進展。降水穩定同位素從20世紀60年代對觀測結果的描述[1]到同位素分餾理論的發展[2-4],野外實地觀測與區域水文模型耦合[5-14],再到降水穩定同位素觀測和古氣候記錄與GCM[15-16]的結合研究,由對降水穩定同位素的研究到各圈層水體穩定同位素相結合[8,17-20]以及產生降水的各種動力機制[21-23]的研究,穩定同位素氣候水文學已成為一個重要的研究方向。

在中國,降水穩定同位素的研究工作開展較晚,20世紀70年代中期才開始起步,但自從20世紀80年代中期開始,隨著廣州、昆明、石家莊、西安、和田、拉薩等30多個站點加入GNIP觀測計劃以來,尤其是1991年中國學者啟動了TNIP(Tibetan Plateau Network of Isotopes in Precipitation)計劃以來,中國降水穩定同位素開始得到快速的發展[24-27],并緊跟上國際降水穩定同位素的步伐。

為了更全面的了解降水穩定同位素理論和方法的應用狀況,本研究運用Citespace軟件對降水穩定同位素進行相關統計與分析。與其他軟件相比,Citespace軟件具有容易對文獻之間進行共現分析(即相關分析)、操作簡單并能將共現分析結果與Excel相結合等眾多優點?；贑itespace軟件運用文獻計量學以及網絡分析方法對Web of Science核心數據集中1990—2017年水體氫氧穩定研究的相關文獻進行統計分析和可視化處理,對20多年來國內外降水穩定同位素研究進行綜述,主要從研究的學科領域和地區的分布、不同作者文章的發表情況、關鍵詞隨時間的演變以及核心文章進行分析,主要目的是解決以下問題：1)該研究領域研究的前沿以及熱點問題是什么？2)該研究領域的研究趨勢以及存在的問題是什么？通過探索本研究領域的總體發展趨勢,為未來不同水體穩定同位素的研究提供參考和依據。

1 研究方法與數據來源

基于文獻計量學和網絡分析法,結合美國德雷塞爾大學陳超美博士基于Java平臺研發而成的Citespace統計和可視化軟件[28],以降水穩定同位素為研究對象,搜集、加工整理相關的文獻,并進行共現分析(相關性分析),包括共詞(關鍵詞的共現)和共被引(參考文獻以及作者的共現)等,對文章主題進行分析聚類,揭示關鍵詞所代表的內容之間的關聯,從而提取本研究領域的研究熱點,把握本領域發展歷程及趨勢,并運用同樣的方法對共被引進行分析,揭示本研究領域研究學者之間的網絡關系。

本文選取信息索引數據庫Web of Science核心數據庫作為檢索平臺,對文獻進行搜索。為保證檢索數據全面覆蓋與降水穩定同位素有關的研究內容,在Web of Science中主題詞(Article)設定為：“stable isotope” “and”(用“and”連接兩個關鍵詞)“precipitation”或者“deuterium Excess” “and” “precipitation”或者“oxygen isotope” “and” “precipitation”或者“precipitation isotope”。時間跨度1990年1月1日—2017年12月16日,每個時間切片為3年,語言選擇英語進行精煉。檢索所得的記錄包括作者、篇名等文獻全記錄以及引用的參考文獻,搜索得到6229篇,經過逐一篩選,剔除無關的文章以及合并重復的文章,最后剩下6222篇。以上搜索的文獻數據最后的更新時間為2017年12月16日。

對檢索過程和citespace的運行結果進行分析時,對一些意義相近的詞匯如“stable isotope in precipitation”與“precipitation isotope”等進行合并,保證分析結果的簡潔性與可靠性。

2 結果與分析

2.1 學科的統計

圖1 SCI數據庫中降水穩定同位素研究文獻分布情況(按學科)Fig.1 Distribution of stable isotope in precipitation research literatures in database of SCI(distributed by discipline)

1990年至今,SCI數據庫中降水穩定同位素研究文獻在學科上分布情況如圖1所示。從圖1中發現,文章數量分布的研究領域中最多的是地質學,共2193篇,占到總數的35.61%,在水資源學領域共870多篇,排在第二,占到總數14.13%,環境科學領域859篇,占到13.95%。文章數量在800篇以上的學科自然地理學,總共825篇。從表1中可看出,在排名靠前的地質學、水資源學等這些研究領域的sigma值都≥1(sigma值表示事物所在的結構或功能上的重要程度,當sigma值≥1時,表明事物在結構或功能上就有非常重要的地位,值越大,重要性越強；相反,當Sigma<1時,表明事物在結構或功能上的重要性就很弱),說明降水穩定同位素在上述研究領域占有重要的地位。但是有爆發點且爆發值(一般爆發值≥1時,表明某事物在短時間內增加的速度很快)從高到低排列的是氣象與大氣科學(7.65)、海洋學(7.25)、湖泊沼澤學(5.88)和古生物學(3.86)(表1),爆發值越大,說明近幾年降水穩定同位素在這些研究領域增加的速度越快。因此,近幾年來,降水體穩定同位素在氣象與大氣科學領域得到快速發展,其次是海洋學,緊跟其后的是湖泊沼澤學、古生物學。究其原因是：降水穩定同位素被稱為“指紋”,可以示蹤水汽來源,揭示海陸間大氣環流,并可以結合河流、湖泊等不同水體穩定同位素的時空變化揭示局地水汽再循環。尤其是,近年來衛星、遙感的發展,使得海陸間大范圍的氣象監測較為便捷,甚至可以通過衛星來直接監測大氣水汽穩定同位素,因此促進了對降水穩定同位素的大尺度研究。此外,降水穩定同位素的變化受到溫度、氣壓、濕度、降水量等影響,通過建立現代降水穩定同位素與溫度、相對濕度、氣壓、降水量等不同氣象要素的關系,可以為冰芯、樹輪、洞穴沉積物等古氣候記錄的解譯提供更好的依據。

2.2 時間分布

從圖2分析可知,在Web of Science數據庫中,降水穩定同位素呈逐年上升的趨勢。在2005年以前,降水穩定同位素文章數量增長速度較慢,但是2005年以后,尤其是2010年以來,文章的數量迅速更加,并在2016年達到了最高峰(579篇)(由于2017年只統計到12月16日)。

表1 SCI數據庫中降水穩定同位素研究文獻分布情況(按學科)

圖2 Web of Science數據庫水體穩定同位素研究文獻分布情況(按時間)Fig.2 Distribution of stable isotope in precipitation research literatures in database of Web of Science(distributed by time)

2.3 國家/地區分析

根據作者的地址資料提取經緯度信息,對發表文章的不同國家/地區進行分析。從統計結果看,降水穩定同位素的研究人員主要分布在全球100多個國家和地區。發表文章數在2篇以上的有77個國家,1990年以來發表文章總數排在前10的國家詳見表2。從表2可知,從1990—2017年發表文章總數最多的是美國,總共2089篇,占到文章綜述的34.53%,第二位是中國,總共992篇,占到15.93%,加拿大612篇,占到9.82%。中國降水穩定同位素研究雖然起步較晚,但發展速度較快。從全世界的基金資助機構可以看出,中國降水穩定同位素的快速發展離不開中國國家自然科學基金(National Natural Science Foundation of China, NSFC)、中國科學院等的大力支持。在全世界排名前十的支持機構中,中國占了4個,受中國國家自然科學基金資助(排在第一位)發表的文章數目(376篇)遠遠超過了受National Science Foundation(NSF)資助(第二位)發表的文章數目(183)。這說明中國的這些科研成果得益于中國政府的重視,同時也顯示了中國在水體穩定同位素領域科研能力的提升。

從引用爆發值和sigma值角度分析,發現雖然我國文章的數量排在第二位,但是中國文章沒有爆發值,sigma值也比較低,低于美國、法國、英國和加拿大(表2)。由此可知,美國、法國、英國、加拿大等國家已發表論文的影響力較高。中國降水穩定同位素相關的文章的質量以及影響力還有待提高。

從文章作者的空間密度分布上看(圖3),降水穩定同位素研究的作者主要集中歐洲的中西部地區,美國的中、東部和西部沿海地區、加拿大的東南部,韓國、日本以及中國的中、東部地區,澳大利亞的東部和東南部沿海地區。而這些地區共同的特征為氣候較濕潤,海陸之間相互作用較明顯,選擇這些地區研究降水穩定同位素,有利于揭示水汽傳輸過程以及大尺度的海陸熱力環流的影響。

表2 發表文章篇數排在前十的國家情況

圖3 已發表降水穩定同位素文章的作者的國家和地區分布情況(紅點表示文章作者的位置)Fig.3 Distribution of published article′s author(Note that the red solid circle indicates the location of the author)

2.4 核心文獻及作者分析

圖4 被引頻次在47次以上的文章Fig.4 Articles was cited more than 47 times

文章共被引頻次代表了相關文獻的影響力,頻次越高則文獻的影響力越大。中心節點文獻是相關研究從一個方向向另一個方向的轉變的聯結點,對未直接連接的節點和研究內容相近的文獻的聚類起著關聯作用[28]。中心度≥0.1的節點可認為是高中心度的節點。高中心度的節點處于相關領域研究的核心文獻[28]。表3選出了被引頻次靠前的12篇文章,并且這些文章的中心度均≥0.1,說明這些文獻都是降水穩定同位素的核心文獻之一。圖4是被引頻次在47次以上的文章,每一個節點就是一篇文章,節點越大,共被引的次數越多,文章之間連接的線是最初被引的時間(線的顏色對應時間抽上的顏色)。

由表3及圖4可知文章被引最多的是McCarroll等[29],總共被引104次,這篇文章主要利用降水穩定同位素能夠追蹤水汽來源的原理通過樹輪氫氧穩定同位素建立與溫度、相對濕度的關系來重建古氣候,為古氣候溫度等的重建提供了一個新的思路。排在第二位的是Bowen等[30]2002年發表在地質學(Geology)上的文章,主要講述降水穩定同位素的空間分布特征及深入研究和驗證影響模型的因素[30],對后人研究降水穩定同位素以提供了理論的依據。Araguás-Araguás等[31]從大范圍研究尺度著手對亞洲東南部降水穩定同位素的時空變化規律及其機理解釋,Rozanski等[5](雖然被引頻次未排在前十,但是其爆發值及sigma值都很高)根據全球219個站點長期觀測的降水穩定同位素數據,獲得算術平均值以及加權平均值的δ18O和δD之間的線性關系,這些都進一步完善和發展了降水穩定同位素的理論研究。Hoffmann等[15]以及Risi等[9-10]則從與模型的角度相結合對降水穩定同位素進行研究,尤其是Risi等[9,11- 12]成功運用各種模型模擬對降水穩定同位素進行解釋與預測,使得降水穩定同位素研究的方法與手段更加豐富。Yao等[32]通過觀測數據與各種不同的模型模擬結果對比,將青藏高原劃分為季風模態、過度模態、西風模態等3個模態。Tian等[33]則通過降水、河水穩定穩定同位素分析,發現在青藏高原季風向北推進的范圍為35°N。由上述被引用較高的文獻研究的內容不難看出,對基礎理論、與模型模擬相結合、研究大尺度范圍以及有重大發現并能反應客觀規律的研究往往被大家引用的較多。但是從表3容易看出,核心文章以及核心作者主要集中在2010年以前,2010年以后核心作者較少,說明后期研究影響力相對不足。

從爆發值和sigma值角度分析,被引用排在靠前的文章中爆發值和sigma值都很高(表3),由此可以看出,這些被引率排在靠前的文章其研究內容往往代表了該研究領域的前沿。由圖5可知,Yao等[32]、Tian等[33]、Rozanski等[5]和Risi等[9,11- 12]的文章出現明顯的紅圈,這表明這些文章在短時間內被引頻次較多,說明這些研究內容隨著時間的推移在不久的將來可能成為熱點。綜合文章被引頻次、爆發值以及sigma值等,排名靠前的核心文獻的研究作者對降水穩定同位素的研究起到至關重要的作用。由表3及圖5可知,2007年以來,Yao、Risi、Tian等人對降水穩定同位素研究起到重要推動作用。

表3 1990—2017年核心文獻及代表作者

圖5 核心文獻被引演進網絡圖(1990—20017)Fig.5 Cited core documents evolution map from 1990 to 20017

2.5 降水穩定同位素研究熱點的演進脈絡及前沿探析

由于關鍵詞是對核心內容的提煉與濃縮,不同文獻中反復出現的關鍵詞可以視為該研究領域的研究熱點,因此通過對共被引關鍵詞和詞頻以及文獻術語之間的連接強度進行統計分析,可以得出所研究領域的熱點和發展趨勢[28]。本文基于Citespace軟件對降水穩定同位素研究相關文獻的關鍵詞共現頻次進行統計,選擇膨脹詞探測技術及探索關鍵路徑算法(Pathfinder)和網絡路徑簡化算法,將頻次變化較高的術語探測出來,并對詞頻的時間變化趨勢進行分析,繪制出降水穩定同位素研究熱點的演進脈絡(圖6),并提取了共現頻次最多的關鍵詞屬性表(表4)和在演進過程中爆發值較高、中心度較大(表4和表5所以關鍵詞的中心度都大于0.1)。關鍵詞的中心度越大,代表該節點的關鍵詞共現的頻次越高,即為該研究領域的研究熱點。由于表中數據較多,本研究按照從高到低排列,只選取了排在前16位的關鍵詞(表4)。

從表4和圖6可以看出,1990年以來,關鍵詞共現頻次最多的是stable isotope、precipitation,water等,尤其是stable isotope和precipitation等關鍵詞,在降水穩定同位素研究領域中始終占據了最核心的地位,貫穿了整個降水穩定同位素的發展時間軸。但是,隨著時間的推移,漸漸出現一些新的關鍵詞(圖6),例如leaf water、Tibetan Plateau、cellulose、environmental change、tree ring、atmospheric circulation、groundwater recharge、hydrograph separation、summer monsoon。通過導出的屬性表分析,這些關鍵詞的爆發值和sigma值都很高(summer monsoon由于是2017年剛呈現爆發趨勢,未能探測出爆發的具體值),由此可以確定新出現的這些詞即將成為研究的熱點。這表明在今后的發展過程中,與植物圈(樹輪、葉片水穩定同位素[36])、水圈(地下水)、大氣圈等不同圈層相結合的研究以及利用穩定同位素對不同水汽來源的分割、對青藏高原的研究等即將成為前沿的研究領域。

表4 出現頻次排在前16位的關鍵詞

圖6 降水穩定同位素研究關鍵詞演進網絡Fig.6 Keyword evolution map related to stable isotope in precipitation

共現頻次Co-occurrence frequency爆發值Burst valueSigma值Sigma value關鍵詞Keyword首現時間First appearance time181summer monsoon20175519.631.02hydrograph separation20145218.561.01groundwater recharge20143920.141.01tree ring20112512.91environmental change20119611.931.43cellulose20084918.261atmospheric circulation20081779.121.01Tibetan Plateau20051810.491leaf water20057211.431.03monsoon200216811.511.28deuterium excess1999728.011.18general circulation model19933918.851.02ocean1993

3 總結及研究展望

通過借助網絡分析方法和Citespace軟件的可視化分析功能,對1990—2017年間降水穩定同位素研究概況進行統計與可視化分析,并對一些重要的文獻進行解讀。分析發現,目前降水穩定同位素領域研究呈現出如下特點：

(1)近年來,降水穩定同位素在氣象與大氣科學領域得到快速發展,其次是海洋學,緊隨其后的是湖泊沼澤學、古生物學。

(2)研究降水穩定同位素(已發表文章)的作者空間分布特征：主要分布在歐洲的中西部地區,美國的中、東部和西部沿海地區、加拿大的東南部,韓國、日本以及中國的中東部地區,澳大利亞的東部和東南部沿海地區—氣候較濕潤的地區。中國降水穩定同位素的文章數量雖多,但是總體上文章的影響力有待提高。

(3)對基礎理論、與模型模擬相結合、研究大尺度范圍以及有重大發現并能反應客觀規律的研究往往被大家引用的較多。核心作者以及代表作品主要集中在早期,2007年以來,Yao T、Risi C、Tian L等對降水穩定同位素研究起到重要推動作用。

(4)leaf water、Tibetan Plateau、cellulose、environmental change、tree ring、atmospheric circulation、groundwater recharge、hydrograph separation等即將成為研究的新熱點；與植物圈、水圈、大氣圈等不同圈層相結合的研究以及利用穩定同位素對不同水汽來源的分割、對青藏高原的研究等即將成為前沿的研究領域。

通過對降水穩定同位素相關文章的共被引、關鍵詞以及重要文獻的分析,發現降水穩定同位素的研究除了有以上的特點外,還存在一些問題。這主要體現在：大部分研究主要集中在自然基礎知識研究領域,與社會經濟發展和實際應用的結合度不夠。例如,未探測到與城市有關的熱門詞匯,在搜索到的重要文獻中未發現與城鄉梯度變化、利用水體穩定同位素驗證生態植被恢復狀況等有關的研究,在以后的研究中可以嘗試把降水穩定同位素的研究與社會發展的實際需求結合起來。