基于ESI和VOSviewer的我國環境生態學領域研究熱點可視化分析

陳 彪，謝 昕，胡 波

(1.中國地質大學(武漢)教育研究院，湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)公共管理學院，湖北 武漢 430074)

環境生態問題是關乎人類生存和發展的最大問題。目前來看，科學技術進步是一把“雙刃”劍，既可以為環境生態治理提供新的解決方法和技術手段，同時又是以犧牲環境生態為代價，這是因為如果推動技術進步所消耗的自然資源超過了環境生態承載閾值的話就會帶來嚴重的環境生態問題，且是不可逆轉的，其影響也會是長期的。因此，環境生態學領域研究一直是學術界的熱點，各國學者希望通過科學研究提出先進的解決辦法和應用理論，不斷提高生態環境資源的利用效率和利用深度，不斷改善持續惡化的生態環境，實現經濟社會可持續發展，促進人與自然的和諧發展。我國學者也長期關注并持續跟蹤國際環境生態學領域的研究進展與理論前沿，并對環境生態學領域的研究進展與新動向等進行了分析，這些研究對我國環境生態學研究起到了積極的推動作用。但是，已有研究缺乏對我國環境生態學領域主要研究人員、研究機構、研究熱點、合作網絡和發展趨勢等方面的全面分析。因此，本文基于ESI數據庫，采用VOSviewer分析工具，通過共詞聚類分析方法，對2009—2019年我國環境生態學領域的研究熱點進行分析，通過得出的圖表和圖譜等數據信息，展現了近11年我國環境生態學領域的發展狀況和發展趨勢，以期為我國環境生態建設提供理論依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

基本科學指標數據庫(Essential Science Indicators,ESI)是科睿唯安(原湯森路透)匯集和分析WOS(Web of Science)數據庫所收錄的全球11 000多種學術期刊的1 000多萬條文獻記錄而建立的計量分析數據庫，已成為衡量科學研究績效、跟蹤科學發展趨勢的基本分析評價工具。通過ESI，研究人員可以系統地、有針對性地分析國際科技文獻，了解一些著名科學家、研究機構、國家(或區域)和學術期刊在某一學科領域的發展和影響，同時科研管理人員也可以利用該資源找到影響決策分析的基礎數據。ESI以期刊類型作為分類依據，將所有論文歸類為22個學科領域，數據每單月更新一次。22個學科領域分別為：農業科學(Agricultural Sciences)、生物學與生物化學(Biology & Biochemistry)、化學(Chemistry)、臨床醫學(Clinical Medicine)、計算機科學(Computer Science)、經濟學與商學(Economics & Business)、工程學(Engineering)、環境/生態學(Environment/Ecology)、地球科學(Geosciences)、免疫學(Immunology)、材料科學(Materials Sciences)、數學(Mathematics)、微生物學(Microbiology)、分子生物學與遺傳學(Molecular Biology & Genetics)、綜合交叉學科(Multidisciplinary)、神經科學與行為學(Neuroscience & Behavior)、藥理學與毒理學(Pharmacology & Toxicology)、物理學(Physics)、植物學與動物學(Plant & Animal Science)、精神病學與心理學(Psychology/Psychiatry)、社會科學總論(Social Sciences,General)和空間科學(Space Science)。在ESI學科領域分類中，環境/生態學主要是指以生態學的基本原理為理論基礎，結合系統科學、物理學、化學、儀器分析、環境科學等學科的研究成果，研究生物與受人干預的環境相互之間的關系及其規律性的一門科學。其涉及到：生態系統、生物多樣性、物種分類、種群、進化生物學、生物入侵、環境污染物、生態毒理學、水資源、環境資源保護、氣候變化下的植被變化、珊瑚礁等內容。

VOSviewer是一款2009年開發的用以繪制科學知識圖譜的文獻計量分析軟件，可通過標簽視圖、密度視圖等方式展現與分析各個知識領域的熱點主題等。

1.2 數據來源

ESI高被引論文(Highly Cited Papers)從高水平科研產出的影響力角度，可反映出一個國家科研質量的國際水準。因此，近年來論文產出量及影響力尤其是高水平論文產出狀況，正成為衡量一個國家科研能力最基本和最常用的指標。本文設定采集數據時間段為2009年1月1日至2019年12月31日，共計11年。數據采集方法是利用新一代IncitesTM科研績效分析平臺(包括IncitesTM數據庫、ESI和JCR)，點擊 ESI進入，在該數據庫頁面的Research Fields中選擇Environment/Ecology，在Add Filter中點擊Countries-Territories，選擇China Mainland，在Include Results For中選擇Highly Cited Papers，最后點擊“Documents”即可獲得我國科技人員參與發表的環境生態學領域的1 232篇高水平論文，通過下載將數據導入Excel中進行統計與分析。首先將1 232篇論文導出到Excel表中，并通過在WOS數據庫中分別找出其詳細信息并導入至VOSviewer軟件進行分析。在確定數據來源和研究方法后，為了進一步了解某研究領域合作作者發文量及總鏈接強度(Total Link Strength，TLS)排名、發文機構、關鍵詞出現頻次和總鏈接強度等問題，可運用VOSviewer軟件進行深入、直觀的知識圖譜分析。文中總鏈接強度指關鍵詞與其他關鍵詞總的共現次數(包括重復共現次數)。

2 統計結果與分析

2.1 發文量分析

學術論文數量的變化是衡量一個研究領域一段時期內發展態勢的主要指標，對評價該研究領域所處的階段和發展動態以及預測未來的發展趨勢具有重要的意義。本文對1 232篇高水平論文按照年度進行統計，具體統計結果如圖1所示。

圖1 2009—2019年我國環境生態學領域高被引論文的發文量變化圖

由圖1可見，從2009年至2019年，環境生態學領域中國學者發文量逐年增加，近11年的年均增長率為30.59%；從時間上看，可以將這個階段發文量變化分為3個時期，即起步期(2009—2011年)、助跑期(2012—2014年)和加速期(2015—2019年)，這也與我國對環境生態保護的重視程度呈正相關關系。2013年5月24日，習近平總書記在中共中央政治局第六次集體學習時指出，要牢固樹立生態紅線的觀念。2014年后環境生態學領域的發文量增長明顯，體現出我國政府明確要把生態環境保護放在更加突出的位置。

此外，在ESI收錄的所有環境生態學高被引論文中，我國學者發表的高被引論文數量已經位居全球第二，僅次于美國(2 415篇)，其中熱點論文(Hot Papers)以51篇位居全球第一，說明我國環境生態學領域的研究已經取得了較大的進步，在世界同領域的認可度較高，在學科前沿研究和熱點問題研究上已經處于世界領先地位。

2.2 發文作者及合作情況分析

發文作者是指文章署名作者，分析發文作者及合作情況，可摸清我國環境生態學科研領域最近11年高產出作者及研究方向，便于對人才進行評價，并可以通過作者合作研究方向反映出我國環境生態學領域的研究熱點。基于WOS外文數據庫在VOSviewer選擇創建，可以對文獻合著作者、關鍵詞共現、引文、書目耦合等進行知識圖譜分析。調整適合分析的合著作者條件，選擇文獻數量最少為3篇，得到符合條件的作者5 810位，閾值為453，計算每一位作者與其他共同作者的鏈接強度，并選擇總鏈接強度排名前10位的作者列于表1。

表1 2009—2019年我國環境生態學領域高被引論文總鏈接強度排名前10位的作者

由表1可知：ZENG Guanming(45篇)、WANG Xiangke(32篇)、WANG Dongbo(15篇)等是我國該研究領域發文量較多的作者；從總鏈接強度來看，ZENG Guanming(TLS 241)、WANG Xiangke(TLS 119)、WANG Dongbo(TLS 101)、YANG Qi(TLS 92)、CHENG Min(TLS 88)等與該研究領域其他作者的合作密切。這些作者中來自Hunan University(湖南大學)的占了7位，North China Electric Power University(華北電力大學)、University of Science and Technology of China(中國科學技術大學)和Hunan Agricultural University(湖南農業大學)各1位，說明湖南省，特別是湖南大學學者在環境生態學研究領域比較活躍，而且形成了較高水平的研究團隊和前沿的研究領域。

2.3 研究機構分析

本文利用VOSviewer軟件生成我國環境生態學領域高被引論文研究機構合作關系的知識圖譜網絡，見圖2。在圖2中，圓球表示研究機構，圓球大小表示發文量的多少；連線表示合作關系，連線粗細和長短表示合作關系的強度；顏色表示不同的聚類，顏色相同表示主體之間的聯系更密切。通過參數調節，選擇最低發文量為10篇、最低引用次數為3次的研究機構共有1 532個，閾值為76，對研究機構合作關系進行了知識圖譜分析，見圖2。

圖2 2009—2019年我國環境生態學領域高被引論文研究機構合作關系的知識圖譜

由圖2可見，我國各大學研究機構之間的合作關系密切，合作網絡輻射全國，共形成7個大的研究機構聚類。通過對這七個研究機構進行聚類分析，可以發現形成聚類的主要原因是同一聚類研究機構的研究方向同一度比較高。7個研究機構聚類的主要研究領域大致可分為水環境與生態毒理學、水污染控制、城市與區域生態、污水處理與固態廢棄物處置、土壤環境污染、大氣環境與污染控制等。具體分析如下：

最大的研究機構聚類即第一個聚類在知識圖譜中用天藍色區域表示，在這個聚類中共有8個研究機構項，分別是中國科學院、中國科學院大學、武漢大學、美國亞利桑那州立大學、美國喬治亞理工學院、美國耶魯大學、美國俄克拉荷馬大學、加拿大不列顛哥倫比亞大學。該聚類的主要研究領域涉及范圍較廣，以中國科學院為中心，與其他6個聚類均有聯系，其比重最大。在這一聚類中,中國科學院、中國科學院大學在該研究領域與5所國外機構均有合作，武漢大學與加拿大不列顛哥倫比亞大學也有合作。

第二個聚類在知識圖譜中用紅色區域表示，在這個聚類中共有16個研究機構項，分別是清華大學、北京理工大學、華東師范大學、復旦大學、濟南大學、南京大學、南開大學、上海大學、中山大學、中國環境科學研究院、香港科技大學、美國國家航空航天局(NASA)、美國國家大氣研究中心(NCAR)、美國紐約州立大學奧爾巴尼分校、美國伊利諾伊大學和澳大利亞昆士蘭科技大學。這一聚類中清華大學比重最大，通過分析可以發現該聚類主要研究領域為水環境污染與生態毒理學。在這一聚類中,美國紐約州立大學奧爾巴尼分校與南開大學、中國環境科學研究院、NCAR和濟南大學在該研究領域均有合作，NASA與南京大學、中山大學、清華大學在該研究領域均有合作，澳大利亞昆士蘭科技大學與清華大學、南京大學、復旦大學、中國環境科學研究院、濟南大學在該研究領域均有合作，美國伊利諾伊大學與清華大學、復旦大學、香港科技大學、濟南大學在該研究領域均有合作。

第三個聚類在知識圖譜中以綠色區域表示，在這個聚類中共有16個研究機構項，分別是浙江大學、重慶大學、華中科技大學、哈爾濱工業大學、上海交通大學、天津大學、河海大學、浙江農林大學、廣東工業大學、香港大學、香港理工大學、韓國高麗大學、巴基斯坦費薩拉巴德農業大學、加拿大阿爾伯塔大學、美國佛羅里達大學和美國密歇根大學。這一聚類中浙江大學比重最大，通過分析可以發現該聚類的主要研究領域為水污染防控。在這一聚類中,加拿大阿爾伯塔大學與香港理工大學、華中科技大學、上海交通大學在該研究領域均有合作，韓國高麗大學與浙江大學、浙江農林大學、廣州工業大學、上海交通大學等在該研究領域均有合作，巴基斯坦費薩拉巴德農業大學與浙江農林大學、上海交通大學、浙江大學在該研究領域均有合作，美國佛羅里達大學與浙江大學、香港大學、上海交通大學等在該研究領域均有合作，美國密歇根大學與香港大學、河海大學、香港理工大學、重慶大學在該研究領域均有合作。

第四個聚類在知識圖譜中用深藍色區域表示，在這個聚類中共有11個研究機構項，分別是北京大學、北京師范大學、中國海洋大學、美國波士頓大學、美國哈佛大學、美國馬里蘭大學、美國馬薩諸塞大學、英國劍橋大學、英國倫敦大學、英國?？巳卮髮W和瑞士伯爾尼大學。這一聚類中北京大學和北京師范大學的比重較大，通過分析可以發現該聚類的主要研究領域為城市與區域生態。在這一聚類中,北京大學、北京師范大學與除美國馬薩諸塞大學之外的其他8所國外研究機構在該研究領域均有合作，中國海洋大學與美國馬薩諸塞大學、英國?？巳卮髮W在該研究領域均有合作。

第五個聚類在知識圖譜中用姜黃色區域表示，在這個聚類中共有11個研究機構項，分別是湖南大學、中南大學、華東師范大學、同濟大學、西北農林科技大學、長安大學、西安建筑科技大學、浙江工業大學、澳大利亞格里菲斯大學、澳大利亞昆士蘭大學和澳大利亞悉尼科技大學。這一聚類中湖南大學的比重最大，通過分析可以發現該聚類的主要研究領域為污水處理與固態廢棄物處置。在這一聚類中,澳大利亞格里菲斯大學與中南大學、湖南大學、同濟大學、華東師范大學等在該研究領域均有合作，澳大利亞昆士蘭大學與湖南大學、華東師范大學、西北農林科技大學在該領域均有合作，澳大利亞悉尼科技大學與長安大學、西安建筑科技大學、湖南大學、中南大學等在該研究領域均有合作。

第六個聚類在知識圖譜中以紫色區域表示，在這個聚類中共有9個研究機構項，分別是中國農業大學、南京農業大學、湖南農業大學、東北農業大學、環境保護部(現生態環境部)、中國農業科學院、美國密歇根州立大學、美國斯坦福大學和美國明尼蘇達大學。這一聚類主要由農業類大學或政府主管部門和科研機構組成，研究機構之間分布比較均勻。通過分析可以發現該聚類的主要研究領域為農業生態與可持續發展、農業環境及土壤污染治理。在這一聚類中,美國密歇根州立大學與我國環境保護部在該研究領域有合作，美國斯坦福大學與中國農業科學院、湖南農業大學、南京農業大學、東北農業大學在該研究領域均有合作，美國明尼蘇達大學與南京農業大學、我國環境保護部在該研究領域均有合作。

第七個聚類在知識圖譜中以土黃色區域表示，在這個聚類中共有4個研究機構項，分別是華北電力大學、中國科學技術大學、蘇州大學和沙特阿卜杜勒阿齊茲國王大學。這一聚類中華北電力大學的比重最大，通過分析可以發現該聚類的主要研究領域為低碳節能、大氣環境污染控制。在這一聚類中,沙特阿卜杜勒阿齊茲國王大學與華北電力大學、蘇州大學、中國科技大學在該研究領域均有合作。

按照總鏈接強度將排名前10位的研究機構列出,見表2。

表2 2009—2019年我國環境生態學領域高被引論文總鏈接強度排名前10位的研究機構

由表2可知：中國科學院、清華大學、北京大學、中國科學院大學、浙江大學、北京師范大學不僅在發文量和引用量上比較領先，而且總鏈接強度也較高，且這幾個研究機構在環境生態學領域的發展較好，值得借鑒與學習；另外，在與我國高校聯系比較緊密前10名高校中還出現了2所國外高校(美國佛羅里達大學、美國馬里蘭大學)，說明這兩所高校在環境生態學領域與我國高校學者的合作比較多，甚至超過了很多世界一流大學，一定程度上也反映了我國高校和科研機構的國際合作與交流越來越頻繁，研究深度和廣度都有所延伸，也說明世界大多數國家和地區在環境生態學研究領域具有共同的利益追求和廣闊的合作前景。

2.4 關鍵詞分析

文獻中關鍵詞是一篇論文主要內容的核心與精髓，高頻關鍵詞能夠反映某學科領域的研究主題，進而分析某學科領域的發展重點、研究熱點、研究前沿等。通過VOSviewer軟件，可以得出我國環境生態學領域這1 232篇高被引論文中總鏈接強度排名前20位的關鍵詞，依次為Adsorption、Removal、Waste-water、China、Water、Aqueous-solution、Sorption、Pollution、Contamination、Activated carbon、Climate-change、Soil、Heavy-metals、Biochar、Antibiotics、Carbon、Degradation、Kinetics、Accumulation、Impacts，見表3。

表3 2009—2019年我國環境生態學領域高被引論文總鏈接強度排名前20位的關鍵詞

通常將文獻中所有的關鍵詞聚為一個個的關鍵詞類團后，能夠用可視化界面將聚類結果展示給研究者，讓其對該領域研究的知識結構有一個直觀、宏觀的把握。本文以“環境生態學”為主題，將1 232篇高被引論文有關信息導入VOSviewer軟件，將文章最少關鍵詞設置為3個，得出7 285個關鍵詞，閾值為1 145，將結果以可視化知識圖譜展示出來，見圖3。在圖3中，圓球大小表示關鍵詞出現頻次的高低，圓球越大該關鍵詞出現的頻次越高；圓球間連線的長短和粗細表示兩者間的關聯性，圓球間連線越短、越粗，表示兩者之間的關聯性越大；同色圓球間表示兩者之間的相關性更高，不同顏色圓球連線顏色會變化，表示兩者之間也有相關性。

圖3 2009—2019年我國環境生態學領域高被引論文的關鍵詞共現知識圖譜

由圖3可見，共形成了10個大的關鍵詞聚類，處于每一聚類中心的關鍵詞的權重最大，可以發現我國環境生態學領域的發展主要瞄準“廢水”“氣候變化”“重金屬”“海洋環境”“抗生素”“中國”“PM”“污泥”“二氧化碳排放量”“淺層地下水”“人工智能”等方面的研究。其中，第一個聚類為廢水、去除、吸附作用、過氧化氫、高級氧化技術、碳納米管等相關性的關鍵詞,用紅色表示；第二個聚類為氣候變化、溫度、生態服務、生物多樣性等相關性的關鍵詞，用綠色表示；第三聚類為重金屬、鎘、土壤、污染等相關性的關鍵詞，用深藍色表示；第四個聚類為海洋環境、污染、微塑性物質、沉淀物、毒性等相關性的關鍵詞，用黃色表示；第五個聚類為抗生素、個人護理用品、固相萃取、細菌等相關性的關鍵詞，用紫羅蘭色表示；第六個聚類為PM、懸浮微粒、空氣污染、源解析等相關性的關鍵詞，用淺藍色表示；第七個聚類為污泥、污水處理、活性污泥、甲烷產量、厭氧消化等相關性的關鍵詞，用橙色表示；第八個聚類為二氧化碳排放量、城市化等相關性的關鍵詞，用淺褐色表示；第九個聚類為淺層地下水、飲用水、地下水質量等相關性的關鍵詞，用淺紫色表示；第十個聚類為人工智能、支持向量機等相關性的關鍵詞，用淺粉色表示。通過以上分析可以看出，近11年來我國環境生態學研究領域熱點主要聚焦在空氣污染及其防治、水資源的有效處理及廢水處理、重金屬等有毒物質造成的環境污染及其防治等方面。

3 結論與建議

3.1 研究結論

本文利用ESI數據庫，采用傳統統計學方法和VOSviewer軟件對近11年來我國環境生態學領域的1 232篇高被引論文進行了深入的分析，發現我國環境生態學領域高被引論文產出各項指標呈現良好的發展態勢，反映出新時代我國高校和科研機構高度重視環境生態學的理論研究，同時我國各級政府在環境生態保護實踐方面也取得了顯著成效，一定程度上促進了理論研究的發展，主要體現為：

(1) 在發文量上，我國環境生態學領域的發文量以30.59%的年均增長率呈現逐年增加的趨勢，其中高被引論文數量居世界第二位，熱點論文數量居世界第一位。從時間上看，我國環境生態學領域年度發文量變化呈現階段性特征，這也與國家對生態環境保護的重視程度呈正相關關系，說明我國政府越來越重視保護和改善生態環境，把生態環境保護和生態文明建設放在更加突出的位置。

(2) 我國環境生態學領域各科研機構近11年來合作關系密切，其中中國科學院作為國家級科研機構在該研究領域的發文量最多，遠高于其他單位，在我國環境生態學研究領域具有強大的科技競爭力，有著良好的科研氛圍和較高的專業學科研究水平。我國大學研究機構間的合作關系密切，合作網絡輻射全國，呈現出科研機構間合作為主，與國內高校合作為輔的特點。在國內高校中，北京大學、清華大學、北京師范大學、浙江大學、上海交通大學等不僅是論文高產出機構，而且也是與其他研究機構緊密聯系的幾所大學，對其他院校的學科發展有著重要的借鑒作用。

(3) 在作者合作關系上，整體分散布局，形成10個主要作者聚類，其中ZENG Guangming(曾光明)和WANG Xiangke(王祥科)兩位學者在高被引論文發文量和總鏈接強度上處于領先位置；湖南大學、華北電力大學、湖南農業大學等機構學者在環境生態學研究領域比較活躍，而且形成了較高水平的研究團隊和前沿的研究領域，對我國環境生態學領域的發展做出了重要貢獻。

(4) 根據關鍵詞聚類分析顯示，我國環境生態學領域的研究熱點主要包括水環境修復、環境污染物與生態毒理學、海洋生態污染、淺層地下水、PM、氣候變化、污泥處理等幾大方向，其中吸附作用、抗生素、重金屬、活性炭、生物炭、氣候變化等方面是研究熱點。未來的主要研究方向在水環境修復、重金屬污染與生態毒理學、氣候變化影響等方面。

3.2 思考與建議

我國環境生態學領域研究呈現出積極向上的發展態勢，高被引論文數量在不久的將來也會趕超美國，成為世界第一，但是高被引論文數量多并不代表著研究實力強。從已有數據的分析來看，我國學者關注的研究領域都是跟國家政策緊密相關的領域，比如PM治理、水污染等；另外，國際合作機構、對象也比較局限，與我國周邊國家如韓國、日本等合作較多，與歐美等世界主要發達國家，特別是與環境生態學領域研究實力最強的世界一流高校之間的合作還不夠緊密，在這些方面我國還有非常大的提升空間。對此，提出如下建議：

(1) 進一步加強環境生態學領域的研究投入和支持，將高被引論文產出量趕超美國作為近期實現的目標，穩步提升并確立我國環境生態學領域的國際領先地位，為政府實施生態環境保護政策提供理論依據和實踐范本，使我國在全球生態環境保護、溫室氣體排放、碳排放交易市場建設等方面居于世界領先地位，不再受制于他人。

(2) 進一步加強環境生態學研究領域的合作，不僅要更加重視國際間的合作，國內科研機構間的合作也需要重視，特別是要加強與國外著名研究機構的合作，從而不斷提升科學研究的水平和科研論文的質量，改變環境生態學領域我國主導的科研活動國際合作度總體偏低和論文自引率偏高的現狀。

(3) 進一步加強環境生態學領域學科交叉研究，既要基于環境生態學領域開展更深層次、更廣泛的學科交叉研究，也要緊跟環境生態學領域的前沿熱點，持續關注重大科學問題，還要積極發現環境生態學領域新的增長點，比如大數據、人工智能、新一代信息技術在該領域中的應用，從而不斷催生新的高水平科研成果。