基于Citespace的礦業廢棄地復墾與生態修復研究熱點和趨勢分析

陳 飛,尹 炳,沈 強,胡青青,鄒宏光,張世文*

(1. 安徽理工大學地球與環境學院, 安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學測繪學院, 安徽 淮南 232001)

【研究意義】礦業廢棄地是指因采礦活動被破壞和和占用的，非經治理而無法使用的土地。它主要包括采空區、排土場、廢石堆、尾礦等。中國現有的國營礦山企業 8000 多個，個體礦山達到 23 萬多個[1]。根據其來源，可分為3種類型：一是由剝離的表土、開采的廢石及低品位礦石堆積形成的廢石堆廢棄地；二是隨著礦物開采形成的大量的采空區域及塌陷區，即開采坑廢棄地；三是利用各種分選方法分選出精礦物后的剩余物排放形成的尾礦廢棄地礦業廢棄地[2]。再生利用是中國綠色礦山建設和可持續發展戰略的重要組成部分[3]。礦業廢棄地的復墾利用對改善生態環境、優化國土空間開放格局、促進資源節約和生態文明建設具有重要作用[4]。人類生活質量、經濟可持續發展乃至整個社會的和諧穩定都與生態環境的優劣有著密切的聯系，因此，礦產資源的不當利用而引起的一系列問題，比如，生態環境承載力下降、資源浪費、環境污染等狀況已成為當前急需解決的問題。國內外學者對于礦區生態環境的研究層出不窮，國外學者對于礦區生態的研究主要側重于對礦區生態環境評估、綜合治理及礦區生態重建。國內學者也對礦區生態環境質量綜合評價、恢復治理以及礦區整體生態環境特征分析等多方面開展了研究[5]。【前人研究進展】由于數據庫比較龐大，傳統的文獻綜述無法將這些文獻數據進行快速、準確的定量分析和可視化表達。Gemmel 曾指出，廢棄地如果存在不利的條件、鹽濃度或者高濃度毒性的重金屬離子，那么，即使對廢棄物添加各種主要養分也不能促進植物生長[6]。Lin Gao 等[7]認為，在生態環境恢復與重建的過程中，研究用于廢棄地基質改良的復墾材料和土地整理技術是非常重要的。束文圣等[8]認為，尾礦的重金屬毒性，尤其是有效態 Zn 和 Cd 的毒性是鉛鋅尾礦影響植物定居的限制因子。【本研究切入點】雖然學者們不斷地在礦業廢棄地復墾與生態修復的研究領域探索，研究成果也已經達到了一定的高度，但是，當前礦業廢棄地復墾與生態修復的研究內容還沒有形成一個完整的體系，依然存在著諸多不足，這在某些方面影響了研究的進展。【擬解決的關鍵問題】本文依據科學計量學、數據可視化技術的知識圖譜，將 Web of Science 核心合集數據庫中從 2009-2019 年近十年國際上礦業廢棄地復墾與生態修復的相關文獻進行批判性的閱讀，準確地了解礦業廢棄地復墾與生態修復的發展趨勢、熱點和現狀，為礦業廢棄地復墾與生態修復相關領域的進一步拓展打下堅實的基礎。

1 材料與方法

本文采用由美國德雷賽爾大學計算機與情報學陳超美教授利用 Java 語言開發的 Information VisualizationCiteSpace 信息可視化軟件進行知識圖譜可視化分析[9]。CiteSpace 軟件是一款著眼于分析科學文獻中蘊含的潛在知識，并在科學計量學、數據和信息可視化基礎上發展起來的一款多元、分時、動態的引文可視化分析軟件[10]。通過可視化的手段來呈現科學知識的結構、規律和分布情況，因此也將由此類方法分析得到的可視化圖形稱為“科學知識圖譜”[11]。目前該方法已經成為建模與仿真、情報學、信息科學與管理科學等各學科領域用來預測發展態勢的重要手段[12-17]。

本研究數據來源于 Web of Science 核心合集數據庫。在 Web of Science 核心合集數據庫中輸入主題詞“Land reclamation” or “Ecological restoration” And “Mining wasteland”進行檢索，檢索與下載日期為 2019 年 6 月 11 日，檢索時間跨度限定為“2009-2019”，共檢索下載了 2138 篇，其中下載的每條文獻記錄內容包括全記錄(作者、機構、摘要、關鍵詞等)與引用的參考文獻。統計表明，2009-2018 年期間，國際上關于礦業廢棄地復墾與生態修復研究領域共發表論文 2001 篇，2019 年截至 6 月 11 號，已發表論文 137 篇。

圖1 2009-2019 年礦業廢棄地復墾與生態修復研究文獻年度分布Fig.1 Time distribution of land reclamation and ecological restoration of mining waste land research literature by years from 2009 to 2019

某一研究領域發文數量的統計分析，可以很好的揭示該研究領域的發展狀況，從而為預測其研究前景和發展趨勢提供基礎信息[18]。通過對 Web of Science 核心合集數據庫中的礦業廢棄地復墾與生態修復相關論文進行檢索，得到 2009-2019 年間的發文量，用 office 2016 進行數據統計，繪出礦業廢棄地復墾與生態修復研究文獻年度分布圖(圖 1)。礦業廢棄地復墾與生態修復文獻數量整體上呈逐年上升趨勢， 2009-2018年間，發文量增加超過一倍。通過對發文量分布圖的整體趨勢觀察可以預測，2019 年關于礦業廢棄地的發文量將達到 480 篇，2021 年有望突破 500 篇。

2 結果與分析

2.1 國家、機構和作者合作圖譜分析

合作網絡圖譜能夠快速簡潔的表明某研究領域的國家、機構和學者等之間的社會關系，通過對圖譜的解讀分析，不僅可以快速發現具有關注價值的機構或學者，同時也可以為評價其學術影響力和價值提供參考依據[19]。

根據圖 2，在 Web of Science 核心合集數據庫的基礎上，礦業廢棄地復墾與生態修復的研究國家中形成了以美國和中國為主要的聚類群，具有很高的中介中心性[20]。根據國家合作圖譜顯示，在礦業廢棄地復墾與生態修復研究領域，共有60個國家存在著不同程度、不同方式的合作。圖中圓形節點表示不同的國家，圓形節點大小與該國以合作方式發表的論文頻數成正比，紫色外圈代表中介中心性，其厚度與合作研究活躍程度成正比。而圓形節點的年輪顏色及厚度表示出現年份，某個年份的年輪越厚，對應年份合作發表的論文頻次越高。圓形節點間的連線則反映二者共現或共被引關系顏色對應首次共現或共被引年份，粗細反應關系強弱。

圖2 國家合作特征圖譜 Fig.2 Network map of co-authors’ countries

圖3 研究機構合作特征圖譜 Fig.3 Feature map of network of co-authors institutions

表1 2009-2019 年國別合作特征及頻次統計

利用 CiteSpace 軟件同樣可以繪出礦業廢棄地復墾與生態修復研究機構的合作特征圖譜(圖 3)，并統計出各機構發文頻數(數量)和中介中心性。

發文貢獻率用發文量來表示。根據表 1，發文貢獻率最高的國家是中國，其次是美國、加拿大和印度等；表 2 顯示，中國科學院中介中心性最高，首次發文時間亦最早；其次是南京農業大學，中國農業大學位列第三。發文貢獻率最高的機構排在首位是中國科學院，其次是中國科學院大學、加拿大阿爾伯塔大學、北京師范大學和中國地質大學等。節點的中心性代表了國家或機構的研究在該領域的重要程度，節點中心性越高，說明這個機構的研究越重要，從節點的中心性角度來看，排在前面的國家依次是美國(0.34)、英國(0.29)、中國(0.23)、意大利(0.17)和加拿大(0.14)；排在前面的研究機構依次是中國科學院(0.41)和加拿大阿爾伯塔大學(0.13)。

進一步從微觀層面對學者合作網絡進行分析，近 10 年來有 430 位研究者和他人合作開展了礦業廢棄地復墾與生態修復研究，合作發表學術論文696 篇。其中，從發文頻數出發，中國地質大學 BAI ZK (白中科)教授和 WANG JM(王金滿)教授分別發表論文 23 和 20 篇，位居第1和第2；節點突現值反應發文量增長的指標，節點突現值越大，說明其發文量增長速度很快，對該領域的研究興趣以及獲得的研究成果增長很快，從突現值，加拿大阿爾伯塔大學 M.Anne Naeth 教授突現強度最高(3.63)；從中介中心性，排在首位的是 LIU Y(0.11)和安徽理工大學 ZHANG SW(張世文)教授(0.10)(表 2 和圖 4)。發表論文數量排名前 20 位的作者，共有 16 名中國學者，占 80 %，體現了我國學者在礦業廢棄地復墾與生態修復領域有較高參與度。

圖4 學者合作網絡圖譜 Fig.4 Map of cooperative network of scholars

表2 2009-2019 年作者合作特征及頻次統計

2.2 學科分布特征分析

利用 CiteSpace 軟件進行文獻的研究領域共現分析，可以得到被引用次數最多的相關學科類別，通過對不同時間段的學科被引突現進行分析，可以更好地了解和把握該領域的研究背景和現狀，從而為科學的分析預測其研究熱點和發展動態提供指導。

圖 5 表明，礦業廢棄地復墾與生態修復在不同的年份均有新的研究領域突現。“ZOOLOGY”、“AGRICULTURAL ENGINEERING”、“ENERGY &FUELS”、“CHEMISTRY ANALYTICAL”、“FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY ”、“ CHEMISTRY ”、“ METEOROLOGY & ATMOSPHERIC SCIENCES ”和 “ENGINEERING,OCEAN”等詞的激增反映了礦業廢棄地復墾與生態修復研究領域的多學科化發展迅猛，且該研究領域涉及的學科范圍廣泛，將分析化學、氣象學和大氣科學和食品科學與技術等學科進行拓展研究是近 10 年來國際上礦業廢棄地復墾與生態修復的研究現狀。

3 討 論

3.1 文獻共被引圖譜分析

被引文獻是指在文章闡述過程中需要來佐證作者觀點和研究的其他相關文獻。共被引分析(Co-Citation analysis)是指在文獻空間數據集合中，對文獻之間的共被引關系(兩篇文獻因同時作為第三篇施引文獻的參考文獻而形成的共被引關系)的挖掘過程[21]。通過對文獻進行共被引分析，可以得到某研究領域的知識基礎，從而為掌握該領域的核心提供重要依據。通過在網絡類型(Node Types)中選擇被引文獻(Reference)選項并運行 CiteSpace 軟件，聚類分析得到文獻共被引網絡圖譜(圖 6)，并在被引頻次和突現值等基礎上進行關鍵文獻統計。

圖5 礦業廢棄地復墾與生態修復研究相關學科領域共現分析的被引突現 Fig.5 Cited emergence of co-occurrence analysis in relevant disciplines and fields of land reclamation and ecological restoration of mining waste land

圖6 高頻次被引文獻共被引分析知識圖譜聚類結果 Fig.6 Clustering results of knowledge map of co-citation analysis of frequently cited literatures

524 個節點與 1306 條連線構成了 7 個較大的群組，其中#0 群組(ecological engineering)共有 101篇參考文獻，最小的#22 群組(crop group)，亦包含 10 篇共被引參考文獻。表明有關礦業廢棄地復墾與生態修復的研究有較高的集中性，同時也形成了一定數量的分支。

表3 基于被引文獻頻次、突現值和半衰期的關鍵文獻統計

圖7 2009-2019 年土地復墾研究文獻的關鍵詞共現密度圖 Fig.7 Keyword co-occurrence density map of land reclamation literature 2009-2019

半衰期在科學計量學中常用來表示文獻的衰老速度，半衰期越長代表文獻越經典[22]。對各組的最高被引頻次統計分析，結果列于表 3，其中#0 群組“Wang Wei[23]發表的論文 Development and management of land reclamation in China”共被引次數最高，達 56 次；#1 群組 Carl E. Zipper[24]的“Restoring Forests and Associated Ecosystem Services on Appalachian Coal Surface Mines”次之，共被引 51 次；而#2 群組的 Anderson, Jonathan D[34]發表的“Influence of reclamation management practices on microbial biomass carbon and soil organic carbon accumulation in semiarid mined lands of Wyoming”半衰期為 7 年，時間最長，說明該文是礦業廢棄地復墾與生態修復領域最經典的文獻之一。隨著時間的推移，這些文獻將被更多的同行借鑒和引用，在未來的一段時間將起到引領學科的重要作用，這些成果也將沉積為礦業廢棄地復墾與生態修復領域的重要知識基礎。

3.2 關鍵詞共現圖譜分析

關鍵詞是對一篇文章研究主題和核心內容的高度濃縮與提煉，其與正文的關聯性在某種程度上可以揭示學科研究領域中的內在聯系，借助某一領域關鍵詞之間的共現關系和連接強度，可以識別該研究領域當前所關注的核心熱點與前沿動態[38]。在 CiteSpace 軟件網絡類型(Node Types)中選擇關鍵詞(Keywords)選項，篩選合適的閾值，對關鍵詞共現關系進行可視化分析，從而得到礦業廢棄地復墾與生態修復研究領域的高頻關鍵詞分布情況(表 4)。在 CiteSpace 分析的數據基礎上，利用 VOSviewer 軟件對文獻進行關鍵詞共現密度圖的繪制，從而可以清晰地看出礦業廢棄地復墾與生態修復領域的知識結構和研究熱點(圖 7)。

從圖7可以看出，近 10 年來，礦業廢棄地復墾與生態修復研究的熱點集中在土地復墾、修復、有機物、植被、土地利用、模式、景觀、土壤等[39]。

關鍵詞共現密度圖定性地展現了礦業廢棄地復墾與生態修復研究的熱點，但還不能體現出其具體的變化強度以及突現出新涌現的研究方向，而關鍵詞突現值則可以定量地表示出不同研究熱點的熱度以及突現大小(表 4)。近 10 年來，復墾(reclamation)、土地復墾(land reclamation)、中國(China)和治理(management)等被引頻次相對較高，一些新涌現的關鍵詞有土地(land)、林地(forest)、氣候變化(climate change)、力學(dynamics)、重金屬(heavy metal)和植被(vegetation)。

綜合被引文獻與關鍵詞頻次共現分析，相對于有責任主體的礦山而言，礦業廢棄地土地復墾與生態修復研究相對落后，不被國內外學者重視，大約落后 15 年，中國在此領域走在世界的前列，近 10 年來國際上關于礦業廢棄地復墾與生態修復研究的熱點主要集中在以下幾個方面：①礦業廢棄地復墾與生態修復共性技術問題。包括廢棄礦山土地復墾與生態修復規劃設計、工程技術選型(地貌重塑、土壤重構)、土地復墾生態環境監測、評估、預警及監管等。總體而言，該方面研究側重于恢復土地的利用功能的手段和技術方面，研究層次相對較低；②礦業廢棄地以及復墾后土地生態環境演變規律及影響機制研究。借助于遙感、地理信息系統、采樣實測等手段，研究生態環境演變規律及其對周邊環境的影響，并針對不同的演變特征，提出相應的治理措施。如針對復墾土壤—礦業廢棄基質—修復的生態系統—礦山及周邊人民群眾系統，開展了一些歷史廢棄礦山生產產生的有害物質元素，特別是重金屬，遷移、轉化以及由此帶來的生態環境響應機制和健康風險。③礦業廢棄地復墾與生態修復基礎性研究。重點研究了污染物的診斷與快速檢測技術、各種復墾與修復技術的基礎理論和機制性問題、復墾與修復質量的檢測與評定方法、土地復墾的監管機制與方法等。

表4 2009-2019 年土地復墾研究文獻的高頻關鍵詞列表

3.3 主題詞分布特征分析

與利用代表性關鍵詞出現的頻率變化，對領域發展趨勢的把握和追蹤以及最新演化動態的識別和預測，在實際操作過程中則更適合于利用該領域內的突現主題詞匯來進行分析預測[40]。設置時間跨度為 2009-2019 年，選擇名詞短語(Noun Phrases)和主題詞(Term)選項，通過突現詞探測技術和算法，利用 CiteSpace 軟件，分析得到 2009-2019 年突現主題分布情況(圖 8)。

根據圖 8 可知，2009-2019 年期間關于礦業廢棄地復墾與生態修復的研究進展和發展趨勢主要可以分為兩個階段。

(1) 2009-2015年間，國際上礦業廢棄地復墾與生態修復研究領域出現了較多的高突現度和高中心度主題詞匯，其中突現強度較高的主題詞主要是土地覆蓋變化(land cover change)、總氮(total nitrogen)、堆積密度(bulk density)和灌溉用水(irrigation water)，說明這段時間內國際上關于礦業廢棄地復墾與生態修復的研究主要聚焦在物理等領域，主要從不同土地覆蓋變化、堆積密度和植物種群等幾方面展開研究。

(2) 2016-2019年間，除去華東地區(eastern China)、采礦工程(mining activity)、mg ha 和礦區(mining area)，其它主題詞圍海造地(coastal reclamation)、生態系統服務(ecosystem service)、濱海濕地(coastal wetlands)和可持續發展(sustainable development)的突現周期均為 2017-2019 年。突現的主題詞中大部分與礦區有著直接或間接的聯系，說明在該階段的研究主要集中在采礦工程領域，針對采礦活動以及礦業廢棄地對周邊的影響等展開相關研究。其中突現強度相對較高的幾個主題詞分別是圍海造地、生態系統服務和濱海濕地，幾個突現主題詞均開始于 2017 年，在 2019 年仍處在突現高漲期，說明最近幾年乃至未來一段時期，關于礦業廢棄地復墾與生態修復的研究趨勢重點在采礦活動對周邊的影響。主要通過對礦區生態環境的影響的時間分析，探究礦業廢棄地對人類生活的影響。

4 結 論

CiteSpace 軟件是一款能進行知識圖譜分析的有效工具，可以應用于探測和可視化研究礦業廢棄地復墾與生態修復領域的發展趨勢和發展過程中的重要變化。進一步可以更清晰的表達出國家、研究機構及作者之間的合作關系，通過學科共現分析、關鍵詞共現密度分析，研究人員可以客觀的了解到礦業廢棄地復墾與生態修復研究的方向、前言熱點和發展趨勢，為礦業廢棄地復墾與生態修復的相關研究提供更有價值的資料和基礎知識。本文利用科學知識圖譜可視化技術對 Web of Science 核心合集數據庫中 2009-2019 年國內外學者發表的有關礦業廢棄地復墾與生態修復研究文章的數量分布、國家和機構分布、學科分布和關鍵詞等進行數據挖掘和計量分析，以可視化的方式探尋礦業廢棄地復墾與生態修復領域的研究歷程、研究熱點以及發展趨勢和動態。

圖8 2009-2019 年土地復墾研究主題詞共現分析的被引突現 Fig.8 Cited emergence of co-occurrence analysis of land reclamation keywords from 2009 to 2019

(1)國際合作中中介中心性最高的 5 個國家依次是美國、英國、中國、意大利和加拿大。中國已然成為世界上礦業廢棄地復墾與生態修復發表學術論文數量最多的國家。中國科學院、加拿大阿爾伯塔大學和北京師范大學是國際上開展礦業廢棄地復墾與生態修復研究中介中心性最高的 3 大機構。

(2)文獻共被引聚類分析表明，目前國際上礦業廢棄地復墾與生態修復研究熱點較為集中地聚集在 7 個群組，歸結起來可以看出，礦業廢棄地復墾與生態修復的發展和管理的相關文獻是目前引用頻次最高的內容，說明該領域的研究需要進一步加強。

需要說明的是，對于礦業廢棄地復墾與生態修復的可視化分析，本文主要基于 Web of Science 核心合集數據庫的基礎文獻，在國內，中國知網(CNKI)上也發表了大量關于礦業廢棄地復墾與生態修復研究領域的相關文獻。在接下來的工作中，我們將以中國知網(CNKI)數據庫為主要數據源，對國內關于礦業廢棄地復墾與生態修復的研究進行更為詳細的可視化分析。