基于CiteSpace的生態城市發展研究動態分析

王 坤, 張麗君,*, 張 超,秦耀辰

1 河南大學黃河中下游數字地理技術教育部重點實驗室/環境與規劃學院,開封 475004 2 開封大學土木建筑工程學院,開封 475004

生態城市建設是解決城鎮化與生態環境脅迫難題的重要戰略措施,是可持續發展研究關注的前沿與熱點[1-3]。生態城市是空間緊湊、充滿活力、節約資源能源、與自然和諧共存的人類聚居地[4],是一種社會-經濟-自然復合的生態系統[5-6]。1971年聯合國教科文組織(UNESCO)發起的人與生物圈(MAB)計劃第11項首次提出研究城市及工業系統中能量利用的生態學影響。1975年在Richard Register的倡導下,創建了旨在重建與自然平衡的城市的非盈利性組織“城市生態(urban ecology)”,通過推行慢行街道、恢復城市河流、設計和建造日光溫室等工作,促進人與自然環境的和諧共生。1987年Register《生態城市伯克利》一書的出版,為生態城市界定了明確的概念內涵和規劃方案,推動了生態城市研究及規劃建設在全球范圍的開展[7]。我國的生態城市研究幾乎和國際同步,1972年中國開始參加MAB計劃,并成為理事國之一[8]。1984年馬世駿和王如松先生提出的社會-經濟-自然復合生態系統理論奠定了中國生態城市研究的基礎[9]。截至2016年,至少有220個城市、鄉鎮、州和地區因其社會經濟效益和生態“清潔”特征被認證為生態城市,因而受到國際社會的極大關注[10-11]。

面對肯對與質疑,我們有必要進一步分析生態城市最新的研究進展與發展趨勢、明確研究熱點、探索建設方向。因而,本文利用文獻計量方法和知識圖譜可視化技術,對生態城市研究最近十年間的文獻進行了定量統計和數據分析,探究2009—2018年間生態城市研究的發文數量、國際影響力、期刊和學科分布、研究機構的網絡特征,揭示不同時段之間的研究熱點變化規律,以期為生態城市研究、規劃與建設提供參考。

1 研究方法與數據

本文數據來源于Web of Science數據庫中的文獻源。為反映生態城市研究的最新進展,研究范圍選取最近十年(2009—2018年)發表的文獻。將關鍵詞為限定“eco-city”或“ecological city”,最終獲取3983篇文章(剔除了非學術類會議)。每篇文章均包括題目、作者、機構、出版年、期、卷、關鍵詞和摘要等信息。通過檢索的關鍵詞和作者網絡結構視圖,可視化出作者圖譜和關鍵詞圖譜,從而,分析出生態城市的演變和當前的研究前沿。

本文借助CiteSpace計量工具進行知識圖譜分析。CiteSpace是一款科學文獻數據挖掘和可視化分析的應用程序[12]。利用CiteSpace可以對來自學術出版物的文獻共引網絡、作者共引網絡和協作網絡進行時間和結構分析[13],挖掘其隱含信息并借助可視化知識圖譜直觀呈現相關信息及其相互關聯,了解和預測研究熱點、前沿、交叉學科和未知領域,從而全面揭示生態城市領域科學知識的發展狀況[14-15]。具體而言,利用CiteSpace和文獻分析計量平臺的關鍵詞共現分析、研究機構聚類分析、影響力特征分析等功能對特定時段生態城市研究的熱點和前沿問題進行探討。

借鑒前人研究的經驗[16-17],在生成圖譜的可視化結果中,N表示網絡節點數量,E表示連線數量, Density表示網絡密度,Modularity Q是網絡模塊化的評價指標,Modularity Q的取值范圍為[0,1],Modularity Q值越大,表示網絡得到的聚類越好,Modularity Q值>0.3就意味著得到的網絡社團結構是顯著的,Modularity Q的值在[0.4,0.8]之間是可以接受的， Modularity Q的值接近1表示集群內部更緊密的關系和連接。Silhouette值是用來衡量網絡同質性的指標,越接近于1反映網絡的同質性越高,在0.5以上,表示聚類結果具有合理性。Mean Silhouette應該在[-1,1]之間,接近1的值表示集群中的文章高度一致或相似。節點表示采用引文年輪,年輪不同的顏色、大小代表著不同的年份和引文數量,用于表示該文獻發表至今被引用的歷史。詞頻越大,在圖中顯示的節點越大。

2 特征分析

2.1 發文數量分析

年度發表文獻的數量及變化趨勢在總體上反映了該領域的重要性和受關注的程度[18]。最近十年,Web of Science數據庫中的子集文獻總數為3983篇。從總體趨勢看,2009—2018年間生態城市研究的發文數量一直處于上升趨勢(圖1)。其中,2009—2011年間,生態城市研究的發文數量緩慢上升。2011—2012年間,生態城市研究的發文量相對穩定。2012—2018年間,生態城市研究的發文數量快速上升。這一定程度上說明在氣候變化背景下,生態城市的研究在各國得到重視。

圖1 2009—2018年間生態城市的發文量變化Fig.1 Annual trend of eco-cities publications from 2009 to 2018

從歷年主要國家研究文章數量的變化趨勢看,2009—2018年間生態城市研究的文獻數量一直處于波動上升趨勢(圖2所示)。中國、美國和英國等國家2009—2018年間生態城市研究的發文數量最多,增加較快。其中,中國生態城市研究的文獻數量增加最快,說明中國對生態城市建設的需求最旺盛,生態城市發展機遇較多,生態城市建設與實施快速推進。日本、法國、加拿大和土耳其等國家2009—2018年間生態城市研究的發文數量波動上升,但上升趨勢并不明顯。雖然生態城市研究的發文量越來越多,受關注的程度越來越高,但是生態城市研究在一定程度上受政策導向、全球氣候變化的影響較深,具有很強的政策趨向性和問題導向性。

圖2 2009—2018年間主要國家生態城市研究的發文數量變化Fig.2 Changes of eco-city publications in major countries from 2009 to 2018

2.2 影響力分析

從2009—2018年間生態城市研究的發文機構影響力可以看出(表1),中國的大學和科研機構發文量高、總被引用次數高,但平均被引次數相對較低。具體而言,中國發文總量位居各國首列,其中中國科學院、北京師范大學、中國科學院大學、北京大學、南京大學的發文量均位居全球前十,除北京師范大學外,其他機構的發文引用率均在1.5左右。美國、墨西哥、巴西、瑞典和澳大利亞的大學和科研機構雖僅有1個位列前十,但平均引用率較高,如美國亞利桑那州立大學平均被引次數5.54,瑞典斯德哥爾摩大學的平均被引次數高達7.69。雖然中國從生態城市建設如火如荼,研究工作全方位、多層面開展,但是要講好中國生態城市建設的故事，總結中國生態城市建設的規律與發展路徑，還有較長的路要走。

表1 生態城市研究發文量前十的機構

研究成果的期刊分布是反映文章影響力的另一個重要方面。從2009—2018年間生態城市研究發文的期刊分布(表2)可以看出,生態城市研究者的論文大多都發表在LANDSCAPE AND URBAN PLANNING、ECOLOGICAL INDICATORS、JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION、ECOLOGICAL ECONOMICS等期刊中。其中,LANDSCAPE AND URBAN PLANNING是載入文章總數和總被引用次數最多的,而平均被引次數最多的期刊是ECOLOGICAL ECONOMICS。這說明在近年來全球氣候變化條件下,對生態城市研究和氣候經濟學較為關注。從2009—2018年間生態城市研究文章作者的影響力可以看出(表3),在生態城市研究的總被引用次數中,排在前十位的作者有一半以上來自中國,說明我國在生態研究中的科研認可度不斷提高,在生態研究中的科研能力也不斷提升。

表2 生態城市研究發文量前十的期刊

表3 生態城市研究影響力前十的作者

2.3 合作關系分析

分析研究成果的合作關系分布情況,可以為該領域文獻搜集和前期成果積累提供方向,并在一定程度上反映研究領域合作的理論基礎和實踐價值,更能凸顯在該領域的研究前沿。從2009—2018年生態城市研究的國家和研究機構的影響力可以看出(圖3),生態城市研究的國家合作主要集中在中國、美國、加拿大、英國等經濟發展趨勢良好的國家,這些國家在生態城市研究中的合作較為緊密,且主要集中在大學和科研機構之中。國家機構之間先進的科學儀器和人才,可以為生態城市的研究提供技術支撐,更為未來生態城市的研究發展提供了較好研究平臺。

圖3 生態城市研究中的國家間合作關系Fig.3 Cooperation among countries in eco-city research

3 知識圖譜分析

3.1 關鍵詞知識圖譜分析

本文采用CiteSpace對2009—2018年生態城市研究文獻進行關鍵詞共現分析。選擇節點類型(Node Types)=“Keyword”、時間切片(Time Slicing)=“2009—2018”,本階段的時間跨度較大且各年文獻數量較少,設置“Years Per Slice=3”,從而提高知識圖譜在時區上的區分度。將“Selection Criteria”賦值為“TopN=50”,通過尋徑網絡算法(Pathfinder)和修剪切片網(Pruning Sliced Networks)對本階段文獻進行關鍵詞(熱點)演進分析,本文導出的關鍵詞知識圖譜,數據量較大,總共得到約81個網絡節點,彼此之間有相互聯系,形成了巨型關鍵詞知識圖譜結構。通過Gephi軟件進行可視化，得到生態城市研究熱點演進的時區知識圖譜(圖4)。

圖4 基于關鍵詞構建的知識圖譜Fig.4 Knowledge graph based on keywords

基于關鍵詞構建的知識圖譜網絡聚類分析得到81個聚類(圖4),Network：N=81,E=155(Density=0.0478),Nodes Labeled：5%,Modularity Q為0.5813,Mean Silhouette為0.5336,表明網絡聚類分析較好。從整體的知識圖譜網絡結構上,各個網絡聚類相互聯系,沒有分離的聚類,主要網絡聚類有：生態城市、生態系統服務、中國和城市化等,也體現出生態城市的發展歷程。

在2009—2018年間生態城市研究發文章總數中,文章中出現的關鍵詞數量最多的是城市化、城市生態、生態系統服務和可持續性(圖5)。目前,世界上的大部分人口生活在城市地區,未來全球的人口增長也將發生在城市地區,城市化是一種主要的人口趨勢,也是全球土地轉型的重要組成部分[19]。但是城市對資源的需求遠大于農村,城市人口消耗的資源和處理廢物所需要的土地也較大,因此會對城市生態系統和景觀產生不利的影響[20]。城市化是生態城市研究者一直關注的重點。同時,人類的活動也造成了生態系統服務出現不同程度的退化,已經嚴重威脅到了人類的健康與生存,并影響全球社會環境可持續發展[21]。生態系統服務成為關注的熱點,主要研究區域生態系統管理和決策,確保資源環境保護、自然-經濟-生態復合系統的穩定和高質量和諧發展[22]?？沙掷m性通過協調生態、經濟和社會,來促進和維持生態系統服務與人類福祉之間的良性循環,應對城市內外景觀的變化。這些關鍵詞是研究者在生態城市研究過程中密切關注的熱點。

圖5 歷年生態城市研究關鍵詞數量的變化Fig.5 Changes in the number of key words in eco-city research over the years

3.2 研究機構知識圖譜分析

在CiteSpace參數設置中時間跨度設為“2009—2018”,“time slice”設為3,“node type”選擇“institution”,topN=30,僅使每個時間切片中發文量排在前30的機構顯示在生成的圖譜中,以簡化網絡。

從研究機構和發文情況看,發表論文數量在20篇以上的機構共65家,發表論文數量共2757篇,占樣本論文總量的69.21%。中國科學院和北京師范大學刊文量最高,具有較高的中心度,位于機構合作網絡的中心位置,發表文獻數量分別達到435篇、170篇；亞利桑那州立大學、巴西圣保羅大學、瑞典斯德哥爾摩大學、哥倫比亞大學等機構的發文量也較高,這些機構在CiteSpace機構合作網絡圖譜中的字體和節點半徑都較大,是生態城市研究的代表性機構。但就中心度而言,巴西圣保羅大學、墨西哥國立自治大學和美國森林服務公司的中心度較低,說明科學研究創新價值較低。在時間序列上,生態城市研究主要集中在2009年,在2009年哥本哈根世界氣候大會召開,承諾2012年至2020年的全球減排協議,所以,全球對生態城市的研究也得到了高漲(圖6,表4)。

圖6 基于研究機構構建的知識圖譜Fig.6 Knowledge map based on research institution

從地域空間圖譜和發展程度看,經濟水平較為發達地區的高校和科研院所是生態城市研究的主體。同時,在前20個國家科研機構中,中國有9家,美國有5家,澳大利亞、加拿大、瑞典、巴西、南非、墨西哥各1家,地域空間分布不平衡客觀上也限制了生態城市研究領域的發展。同時,從研究機構共現網絡結構圖譜看,有124個節點,237條連線,研究機構共現網絡的密度為0.0311,表明高校和科研院所之間初步形成合作網絡,但聯系與合作程度依然較低,各研究領域較為獨立(圖6)。

4 結論與討論

本文利用知識圖譜可視化技術對生態城市研究的發文數量、期刊分布、機構分布、影響力、國家合作關系等進行了數據挖據和統計分析,梳理了2009—2018年生態城市的總體情況和發展趨勢,得出以下研究結論：

(1)2009年以來,學者們對生態城市研究的刊文量越來越多,生態城市研究受關注的程度越來越高。2009年隨著哥本哈根氣候大會的召開,生態城市研究文獻數量呈現大幅增長趨勢。國家決策、現實需求、科學研究在一定程度上相互促進,推動了生態城市研究的蓬勃發展。

(2)在影響力和國家合作關系中,中國在生態城市研究領域中的影響力凸顯,但在平均被引次數上,中國與美國的研究機構還有一定的差距,在外部學術界的認可和接受生態城市的思想上要低于美國研究機構的觀點。在國家合作關系中,經濟上相對發達的國家在生態城市研究領域合作較為緊密。

表4 生態城市研究機構的中心度

(3)生態城市研究主要集中在城市經濟學、城市規劃學、生態學、地理學、環境學等學科,其中生態學、地理學和環境學在生態城市研究中具有重要地位。生態城市研究文獻分布最多的學科是城市規劃學和生態學,但發表期刊的影響因子不是最高。而生態城市研究在生態經濟學中的文獻質量普遍較高,尤其是在氣候條件變化,對生態城市問題的研究具有較高的理論和實踐價值。

(4)從生態城市研究機構及其發文情況看,經濟水平較為發達地區的高校和科研院所是生態城市研究的主體。中國科學院和北京師范大學刊文量最高,位于機構合作網絡的中心位置。研究機構共現網絡的密度為0.0311,表明高校和科研院所機構之間已經初步形成合作網絡,但聯系與合作程度較低,各領域研究較為獨立。

(5)2009—2018年生態城市研究出現頻率較高的關鍵詞有城市化、中國、生物多樣性、生態系統服務、可持續性、生態、氣候變化、生態風險、生態城市、城市規劃、生態風險評估、重金屬污染等比較重要的關鍵詞,具有較高的中心性。

總體而言,生態城市的生命力不僅在于一貫傳承的社會-經濟-自然復合的生態系統可持續發展,更在于不斷追求人地和諧、健康宜居的現實目標。從研究區域看,中國已成為生態文明建設的主戰場,生態城市研究與規劃建設持續推進,引起全球的極大關注。從研究范式看,生態城市研究經歷了由弱可持續發展向強可持續發展的轉變。從研究熱點看,研究重點從關注可持續的空間形態、可持續的交通轉變到可持續的社會與生態環境。生態系統服務、生物多樣性、氣候變化等成為關注的熱點話題。

然而,目前生態城市研究存在的問題在于：首先,生態城市的理論構建有待豐富和完善。城市規劃學家、城市生態學家、環境學家等從不同學科范式提出了生態城市研究的評估方法、規劃構想、分析要點,但是目前尚無統一的生態城市研究標準。什么樣的城市是生態的？通過什么樣的機制能實現生態城市？不同國家所處的經濟發展階段、社會經濟環境以及地方環境不同,如何協調生態城市建成過程中面對的區域差異性？這些問題依然是我們需要認真回答的理論命題。

其次,城市復合生態系統的社會、經濟、自然耦合機制有待進一步揭示。城市社會經濟各部門與自然資源、生態環境各要素之間存在復雜的相互作用機制,面對全球增溫、資源耗竭、環境惡化、生物多樣性銳減等自然約束,如何合理配置社會經濟各部門的資源是不可回避的問題。另外,城市是一個開放的復雜巨系統,城市-區域之間的聯系會加深或減弱這種耦合機制,如何從要素流的視角處理城市-區域之間的生態發展亦是需要解決的問題。

因而,中國未來的生態城市研究需要從以下方面加強：首先,促進多學科融合。以國家社會經濟發展戰略為導向,以實現人民美好生活為目標,以“多規合一”國土空間綜合規劃為契機,以城市生態修復與城市更新為著力點,綜合運用空間規劃與優化、污染物排放總量限制與排污權交易等手段促進城市社會、經濟、自然子系統良性循環。

其次,深入研究城市復合生態系統的非線性、復雜性特征。明確自然子系統的承載力,探尋制約社會、經濟子系統發展的自然資源或生態環境閾值。探索區域生態補償機制,建立區域協同推進生態優先、綠色發展的生態城市建設機制與路徑。

第三,拓展全球氣候與環境變化下的要素、系統耦合研究。全球氣候與環境變化下,城市復合生態系統的突變概率大大增加,維護系統的關鍵要素、關鍵系統要給與重點關注。如“食物-能源-水”之間的耦合,社會-生態系統之間的耦合等,應該成為全球可持續轉型治理的關鍵環節。

最后,發揮新技術對生態城市研究與建設的助推器作用。隨著大數據時代的到來以及深度學習技術的發展,生態城市研究面臨前所未有的機遇。借助3S技術與大數據,生態城市研究的精細化程度提高。利用深度學習技術,生態城市的非線性、復雜性機制有望進一步揭示。另外,新能源、新材料等新技術(如新能源車、分布式太陽能)的發展也生態城市規劃與建設帶來新的科學問題。

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