基于文獻計量的森林和草原可燃物含水率研究

常 暢,常 禹,胡遠滿,布仁倉,張 恒

1 中國科學院沈陽應用生態研究所中國科學院森林生態與管理重點實驗室, 沈陽 110016

2 中國科學院大學, 北京 100049

3 內蒙古農業大學林學院, 呼和浩特 010019

森林生態系統具有涵養水源、調節氣候、保持水土等生態功能,在維護生態平衡中具有重要作用。草地生態系統是我國陸地上面積最大的生態系統,在發展畜牧業、保護生物多樣性、固持水土等方面占有重要地位[1]。森林火災、草原火災對生態系統破壞力強,是最普遍的干擾方式之一。2019年年初至同年8月,巴西境內森林火災發生次數超過7萬起[2],多發生在雨林邊緣,濕度相對較低且人類活動較為頻繁的地區。2019年9月,澳大利亞山火肆虐[3],至2020年7月底,澳大利亞叢林大火導致30億動物死亡,經濟損失更加無法估量。2020年3月30日,我國四川涼山西昌發生森林大火,因空氣濕度極低,氣溫較高,火勢蔓延迅猛,造成18名消防員和1名林場職工犧牲的慘劇。2018年數據顯示,全球草原面積達32.73億公頃,草原所提供的生產力不容小覷,草原火災將威脅牧民的生命財產安全以及牲畜生存,影響畜牧業發展,帶來巨大的經濟損失。

可燃物是火災發生的物質基礎和重要載體,可燃物含水率的高低程度決定了火的發生和蔓延[4]。可燃物與其所處的環境進行水汽交換是影響可燃物含水率變化的主要因素,含水率的多少與其所處的自然環境的干濕程度和氣溫度高低相關[5—6]。森林、草原火災危害巨大,探究可燃物含水率能夠發掘林火/草原火點燃的難易程度和蔓延速率,預測林火、草原火行為[7],防患于未然,降低火災發生的可能性,減少經濟損失,為生產生活提供便利。當前國內外有關可燃物含水率的研究已基本成熟,Ertugrul[8]等模擬了正常儲存的卡拉布里亞松(Pinus brutia Ten)地表可燃物的水分含量與土耳其穆格拉省的天氣條件(即溫度、相對濕度和風速)的關系。Lee等[9]比較了基于3種10 h可燃物含水率預測模型的性能。胡海清[7]等分析了防火期和坡向對大興安嶺地區南甕河混交林地表可燃物含水率預測模型精度的影響。于宏洲[10]等應用時滯平衡含水率法及氣象要素回歸法,分析了大興安嶺地區陽坡上部落葉松林可燃物含水率的動態變化。國內外可燃物含水率研究大多探究含水率的影響因素和預測評估模型,亦有關于可燃物含水率研究的綜述性文章,但是,這些綜述一般是基于對已有研究的總結,鮮有利用文獻計量的方法理清研究領域研究進展、發展脈絡的文章。

文獻計量是一種常見的定量分析方法,它基于數學、統計學原理,以可獲取文獻的諸多特征為研究對象,探究其分布結構、數量關系和變化規律等[11],通過知識圖譜將文獻計量可視化結果展示出來[12],并以此為依據分析有關研究的發展特征和規律,是一種成熟的文獻分析和信息挖掘方法[13]。CiteSpace文獻計量分析軟件由美國德雷賽爾大學陳超美博士設計開發[14—15],用于文獻信息的計量與可視化,在諸多領域中被廣泛使用[16—17]。因此,本文以CiteSpace 5.7.R2為輔助手段,探究當前國際上關于森林和草原可燃物含水率的研究進展,旨在理清當前相關研究的主要方向,尋求新的突破,從而促進森林和草原可燃物含水率研究的未來發展,更好地預測火行為,增進人類福祉。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

研究基于WEB OF SCIENCE數據庫核心合集,檢索主題中同時包含“fuel moisture”和“forest”,以及同時包含“fuel moisture”和“grassland”的文獻,輸入檢索式TS=((fuel moisture) AND (forest)),記為#1,TS=((fuel moisture) AND (grassland)),記為#2,在WEB OF SCIENCE中組配兩個檢索式檢索到的結果,記為#1OR#2,由于web of science 核心合集所收錄文獻最早為1980年,因此檢索的時間范圍是1980至2020年10月,剔除無效、重復的文獻,共計檢索到文章1298篇。

1.2 研究方法

可視化軟件CiteSpace能夠清晰準確地解讀某一知識領域的發展趨勢、研究前沿、研究熱點等信息。目前比較常見的可視化有CiteSpace,Bibexcel,Sati,VOSviewer等,CiteSpace因其可視化效果好,功能全面,布局合理,在眾學科領域中被學者們廣泛使用[18—19]。以此1298篇有關森林/草原可燃物含水率研究的文章為研究對象,導出文章題錄信息,再基于web of science內的統計數據結合Excel對文章數量進行統計,基于Java環境下的CiteSpace 5.7.R2進行學科領域分析、研究力量分析、對文章關鍵詞根據時間序列進行分析,以及根據引文的聚類分析和突現分析。

2 結果與分析

2.1 文獻基本特征分析

2.1.1文獻數量變化規律分析

根據檢索到的1298篇有關森林/草原可燃物含水率文章的出版年份繪制出發文數量變化圖(圖1)。根據圖1的發文數量,可以將研究的發展歷程分為3個階段:1980—2000年為緩慢發展階段,年發文數量少,增長緩慢,增長率浮動較大,20世紀末,相關研究大多處于起步階段,技術手段落后,國際合作交流較少,導致文獻數量較少。2001—2010年為快速發展階段,這一時期增長率趨于平緩,除個別年份小幅下降外,大部分年份處于增長態勢,21世紀以來網絡通訊發展完善,信息數據全球共享,全球衛星遙感事業取得長足發展,這些都為研究提供了極大的支持。2011至今為波動增長階段,這一時期發文數量整體上波動較大,2016年和2019年為負增長率,由于統計時間在2020年中葉,因此2020文獻數量不具有代表性。2010年7月俄羅斯多地發生森林大火,同年9月美國科羅多州發生森林大火,2013年美國亞利桑那州森林大火,因此推測特大火災的發生是導致次年研究數量大量增加的原因。

圖1 森林/草原可燃物含水率研究發文數量變化

2.1.2學科領域

在WEB OF SCIENCE數據庫核心合集中,每篇文章會涉及一個或多個學科類別的學科標簽加以顯示,得出學科領域的分類圖(圖2),圖中帶有玫粉色圈層的節點代表了該學科突現性。由圖2可知,在森林/草原可燃物含水率的研究中,Forestry(林學),Environmental science and ecology(環境科學與生態學),Environmental science(環境科學),Ecology(生態學),Remote sensing(遙感),Engineering(工程學),Meteorology and atmospheric science(氣象和大氣科學),Energy and Fuels(能源與燃料),Geosciences multidisciplinary(地理科學多學科),Geology(地質學),Agriculture(農學)等學科是其涉及得的主要研究領域。其中林學所占的數量最多,說明對于森林可燃物含水率的研究居多,這是由于森林火災強大的破壞性和頻發性使這類研究數量居多。在分析過程中得知,環境科學這一學科的中心性最高,達到0.43,說明研究森林/草原可燃物含水率這一研究方向主要致力于環境研究,為提高人類賴以生存的地球環境而服務。這一方向是一個綜合了林學、生態學、環境科學、地理科學、遙感等學科的多學科交叉領域,與地理科學和氣象大氣科學的學科交叉,體現對含水率的研究不只是考慮小范圍的區域生態而是更具有空間維度,與能源燃料和工程學的交叉體現了研究向實際應用的邁進。

圖2 森林/草原可燃物含水率研究學科領域網絡圖

2.1.3研究力量分析

利用CiteSpace 5.7.R2,對文獻來源國家(Country)進行分析,將發文數量大于30的國家標簽加以顯示,共13個國家,得出國際合作關系圖(圖3),得出13個國家科研實力信息表(表1)。

圖3 國際合作關系網絡圖

結合表1和圖3可知,(1)在有關森林/草原可燃物含水率相關研究中,美國的研究實力在世界各國中居于領先地位,相關文獻中由美國作者發表或合作發表的數量達到496次,文獻首次發表年份最早,遠超居第二位的澳大利亞180次,h-指數和被引次數也遠超各國,說明美國科研實力最高,其中心性也最高,代表美國與世界各國有著較為緊密的合作關系。(2)我國相關研究起步較晚,國際文獻最早出現在2004年,按照文獻數量,我國位居世界第五,但我國的h-指數和被引次數均低于文獻數量少于我國的兩個國家,這一現象表明我國在這一領域的科研實力有待加強,在提高研究數量的同時更要保證研究質量。(3)位居前3位的國家都是國土面積較大且森林面積廣闊的發達國家,此外,在前13位的國家中,只有中國和巴西兩個發展中國家,這與兩個國家擁有大面積森林和草原的自然地理特征有關,由此說明,森林/草原可燃物含水率研究是各國專家學者為解決實際問題而產生,有較強的地理相關性。

表1 科研實力信息表

2.2 研究進展分析

2.2.1關鍵詞分析

關鍵詞是每一篇學術論文的組成部分,是對文章的高度概括和凝練[20]。同時,關鍵詞又代表著不同研究領域的研究焦點[21]。因此,透過關鍵詞往往能夠理清某一研究領域的發展脈絡與趨勢,進而整體把握該領域的研究現狀,有助于進一步展開深入研究。本研究提取了檢索到的1298篇森林/草原可燃物含水率研究的關鍵詞,導入CiteSpace 5.7.R2中,文獻篩選范圍從1990—2020年,設置兩年為一個時間切片,將出現頻次大于30的關鍵詞標簽加以顯示,對共現情況進行可視化,并選擇時區視圖加以呈現如圖4。

圖4 森林/草原可燃物含水率關鍵詞網絡圖(時區視圖)

如圖4,圖中節點和線條不同的顏色代表不同的時間切片,顏色越深,年代越久。每個圓形節點代表一個關鍵詞,節點越大代表其出現頻次越多,節點所在位置代表其最早出現的時間,關鍵詞節點年輪的顏色由中心向四周逐漸變淺,某一層越厚,說明這一關鍵詞在該顏色所代表的時間切片中出現次數越多；節點間的連線代表兩個關鍵詞共同出現在同一篇文獻中的事件,線條顏色代表兩個關鍵詞第一次出現在同一篇文章中的年份,線條越粗,共現次數越多[12]。

結合圖4按照時間脈絡,可以歸納出森林/草原可燃物含水率研究的大致發展特點。(1)20世紀90年代的關鍵詞主要是forest(森林)、fire(火)、climate change(氣候變化)、biomass(生物量)、vegetation(植被)等,此時的研究大多是探究森林地區的可燃物含水率與氣象條件如溫度和濕度、氣候變化、區域生物量等一些變量的內在聯系,或火災現象對生態系統造成的影響。California(加利福尼亞)作為關鍵詞出現,說明當時開始出現研究以州/省域為研究區域。Fire regime(管理體制)一詞在20世紀90年代末出現,這表明可燃物含水率研究不再停留于理論層面,開始面向實際應用。(2)21世紀開始出現model(模型)、modi(程序)、index(指數)、remote sensing(遙感)、fire severity(火烈度)、fire danger(火險)等詞,說明這一時期伴隨著計算機的普及、全球衛星事業的發展,研究工具得以改進,人們對于可燃物含水率的估測以及火災的量化評估開始穩步推進。(3)2008年左右出現了United States(美國),標志著研究區域已經從州/省域擴大到國家層面。(4)2010年以后logging residue(采伐殘渣)一詞的出現,體現了森林可燃物含水率的研究中考慮了更加多樣的可燃物種類,將人類活動影響加以考慮,研究更加客觀、精確、符合實地情況。

2.2.2聚類分析

每一篇文獻都會引用數篇同領域的,或與文章內容相近的文獻,頻繁的共同引用表明它們具有共同相關的研究主題,因此探究文章的共被引情況,共引分析可以根據內容的相似程度將相關參考文獻分組聚類,從而分析這一領域的研究熱點[22]。Citespace的共被引分析是基于檢索到的文章及其引用文章進行分析,得出文獻共被引網絡可視圖之后,對所呈現的點進行聚類,從施引文獻的標題、關鍵詞或摘要中提取聚類命名術語。本文對有關森林/草原可燃物含水率的1298篇文章進行聚類,兩年為一個切片,得出13個群集,群集名稱選取LLR(Log-likelihood Ratio)算法計算得到,采用時間線視圖(Timeline)加以顯示,每個節點代表一篇文獻,節點間連線代表其共同被引用的關系,得出引文聚類情況網絡圖(圖5)。

圖5 引文聚類情況網絡圖(時間線視圖)

聚類后得出Q值(Modularity聚類模塊值)和S值(Silhouette)聚類平均輪廓值,一般認為Q>0.3時,聚類結構顯著,S>0.5聚類是合理的,S>0.7,聚類是可信的。本次聚類中Q值為0.8489,代表聚類結構顯著；S值為0.9318,說明聚類可信度高。群集標簽從0—5依次為#0 radiative transfer modeling(輻射傳輸建模),#1 assessing crown fire potential(樹冠火潛力評估),#2 shoot flammability(枝條可燃性),#3 western USA(美國西部),#4 fire science(火災科學),#5 predicting temperate ecosystem sensitivity(生態系統敏感性預測),#6 inter-hemispheric synchrony(兩半球同步),#7 fire risk assessment(火災風險評估),#8 dead fuel(死可燃物),#10 wildfire consumption(野火消耗),#11 forest floor duff(森林半腐層),#12 beetle attack(甲蟲攻擊),#13 dominant forest cover(主要森林覆蓋)。群集序號越小,所包含的文獻數量越多。由于群集標簽是從影響力最強的文章題目中提取,導致標簽不能準確地概括群集中的所有文章內容,因此本文選取了前5個群集對文章進行具體分析,剩余群集中包含的文獻由于數量少,代表性不強,因此不做具體分析。

群集#0所包含的文章主題相似,主要是以遙感技術為依托,評估葉片含水量,從而對森林火災進行監測[23]。Emilio[24]基于AVHRR數據的多時相分析,提出了一種提取地中海地區草地和灌木物種燃料含水率的方法。K?tz[25]通過對針葉林上的成像光譜儀數據的采集,獲取植被冠層結構和葉面含水量的空間分布信息,用于評估森林火災對樹木的影響。這一群集的文獻平均發表年份在2002年,由于20世紀90年代國際遙感技術發展成熟,影像分辨率得到較大提升,使遙感影像在各個領域中廣泛使用,導致這一時期通過遙感影像評估植被冠層含水率的方法模型的相關研究大量涌向。

群集#1中的文章以評估形式為主[26],探究森林火災的發生與不同變量之間的聯系,其中對于氣候變化與火災間的關系研究較為常見。如Flannigan[27]分析了加拿大火災天氣指數(FWI)與加拿大生態區域歷史燃燒面積之間關系,并結合加拿大和哈德利中心GCMs的產品,預測未來的燃燒面積。Cochrane[28]探究了亞馬遜地區火災與土地利用、氣候變化間的協同作用。Dymond[29]提出了一種基于衛星火災探測(hotspot)數據的火險分級系統校準的方法,探究西印度尼西亞和馬來西亞森林火災問題與加拿大森林火災天氣指標體系的兩個組成部分之間的關系。這部分文章多以辯證思維展開探究,對已有的方法展開評估或驗證其準確程度。

群集#2包含的文章以植被或其凋落物的可燃性為主要研究對象[30]。研究可燃物含水率的目的是為了探究可燃物燃燒的可能性,從而對燃燒行為加以利用或規避,因此可以說,植被或凋落物的可燃性是森林/草原可燃物含水率的研究的核心部分。專家學者以不同的視角、方法分析不同植被的可燃性。Essaghi[31]以可燃物含水率的兩個相關參數——點火時間和火焰高度作為可燃性的指數,對摩洛哥森林燃料的可燃性進行評估。Alam[32]分析了新西蘭的43中本地多年生植物的葉片和莖部的可燃性數據,解耦了莖部可燃性和葉片可燃性間的聯系。Cawson[33]分析了潮濕氣候條件下桉樹林可燃性的驅動因素,結合了從21位火災專家技術中獲取的啟發,建立了濕潤桉樹林區可燃性的概念模型。

群集#3軟件生成的標簽為western USA,主要是由于這一群集的文章中大部分以美國西部為研究區,通過上文分析,美國在這一方向的研究中一直處于遙遙領先的地位,因此美國學者也往往會選擇本土作為自己的研究區。美國西部地形高大的山地、高原為主,科迪勒拉山系高度大、寬度廣,包括海岸山脈、內華達山脈和落基山脈,森林覆蓋面積大,物種多樣,生態環境復雜,是森林火災的頻發地區。幾十年來美國西部野火的頻繁出現,人們逐漸發現火災與氣候之間的聯系,Abatzoglou[34]探究了美國西部八個地理區域協調中心的地區氣候與大型火災面積的關系。Gabrielle[35]探究了科學地管理野火對內華達山脈植被變化的影響、植被變化對當地水文的影響以及植被變化對森林火災燃燒特征和生態系統彈性的影響。

群集#4所包含的文章大多以火災科學為主題,或最終目的致力于火災的防控。這些文章發表時間較晚,平均年份為2016年,是在可燃物含水率研究發展到一定時期必然興起的產物,經過了早期的對可燃物的可燃性研究,以及對燃燒過后的生態恢復研究,消防任務顯得尤為重要。因此,Collins[36]使用陸地衛星圖像生成準確的火災嚴重程度地圖,這對于記錄火災狀態、為火災后管理反應以及在研究應用設定優先級具有重要意義。Chuvieco[37]總結了衛星遙感在消防科學與火災管理上的貢獻。全球氣候變暖、人類活動增強的大背景下,森林/草原消防工作的重要性日益凸顯,消防工作需要科學化系統化的管理才能將不必要的火災防患于未然,一旦火災出現,可以以最迅速地撲滅,將損失降到最低,因此有關消防科學的研究應運而生。

綜上,森林/草原可燃物含水率相關研究在研究方法上以遙感反演為主流研究方法,氣候變化是最常見的研究視角,植被或枯落物的可燃性是研究的核心內容,美國西部是研究最多的區域,消防科學是最主要的應用領域。

2.3 研究前沿分析

為了了解當前森林/草原可燃物含水率的研究前沿,本文利用CiteSpace 5.7.R2分析文獻的突現性,突現性是指某一篇文獻在某一時期被引次數陡然增加,被引次數越多,說明在這一段時期里相關研究大量出現,因此近期的突現性一定程度上可以代表研究前沿。本文篩選出突現性最強的25篇文獻,并選取其中突現階段距今最近的7篇文獻,如表2(每個條塊代表一年,較粗條塊代表突現時期),將其作為當前的研究前沿。

表2 森林/草原可燃物含水率研究近期突現文獻

結合表2以及相關文獻總結出當前的研究前沿為以下3個方面:

1)大尺度的全球火險預測研究。全球氣候變化的大環境推進大尺度的全球火險預測研究,大尺度全球火險預測研究反之將豐富全球氣候變化對人類影響的研究,對全球范圍內人類共同應對氣候變化提出新看法,推動全球可持續發展戰略部署。相比于遙感影像等地面數據,氣象數據往往更容易獲取,因此大尺度研究通常以大量的氣象數據加以分析佐證,結合氣候模型進行分析[40,43]。

2)可燃物可燃性的多維度分析。可燃性是可燃物含水率研究的核心內容,早期研究大多集中在可燃物含水率預測模型的構建,或探究其與氣象因子的關系,這些研究大多分析可燃物時空間變化,進而實現火險的預測目的。進一步剖析可燃性的屬性,可將其劃分為可燃性、熱釋放和火災蔓延率3個維度[42],用于分析燃燒產生的環境效應以及從空間上探究火災蔓延態勢,便于人們掌握不同尺度下可燃性的可變性,從而為進一步研究提供基礎。

3)基于MODIS反演可燃物含水率。隨著遙感衛星技術的成熟發展,使得遙感影像愈加容易獲取。MODIS數據可免費獲取,光譜范圍廣,更新頻率高,在實時地球觀測和應急處理方面(如森林和草原火災監測和救災)有較大的實用價值。因此利用MODIS數據反演地表可燃物含水率[39,44]在近期成為研究熱點,學者們的數據獲取不再只局限于實地測量和利用氣象數據進行模擬,而是利用MODIS數據反演后利用實測數據進行驗證。遙感反演有著比氣象模擬更準確,比實地測量覆蓋面積更廣、更加省時省力的優勢。

3 結論

本文通過對森林/草原可燃物含水率相關文獻進行計量分析,分析研究數量的增長態勢、所涉及的研究領域、主要研究力量、研究進展與前沿,為未來學者對森林/草原可燃物含水率的深入研究提供借鑒。

從研究的基本特征上看,相關研究在可以分成3個研究階段,緩慢發展階段、快速發展階段和波動增長階段；這一方向綜合了林學、生態學、環境科學、地理科學、遙感等學科具有一定的空間維度和實際應用性；美國的研究實力在世界各國中居于領先地位,我國相關研究起步較晚,且我國在未來的研究中要注重提高研究質量,可燃物含水率研究數量較多的國家往往有較大的森林面積。

從研究進展上看,伴隨著科學技術的提高,信息獲取難度大大降低,研究區面積逐漸擴大,由州域擴大到全國,進而擴大到全球范圍；關于研究方法,20世紀90年代相關研究主要以探究可燃物含水率與氣象因子或其他環境條件之間的關系為主,實際應用研究也于90年代末期開始出現。21世紀隨著科技進步,研究工具得以改進,依賴于遙感影像、數學建模等方法大量出現,對于可燃物含水率的估測的準確性得以提升,火災的量化評估開始穩步推進。整體上看,森林/草原可燃物含水率相關研究在研究方法上以遙感反演為主流研究方法,氣候變化是最常見的研究視角,植被或枯落物的可燃性是研究的核心內容,美國西部是研究最多的區域,消防科學是最主要的應用領域。

總結出當前的研究前沿主要有3個方面,大尺度的全球火險預測研究、可燃物可燃性的多維度分析和基于MODIS反演可燃物含水率。與早期研究相比,當前的前沿在研究尺度上更廣闊,在研究視角上更深入透徹,在研究數據上的精度更高,更準確。因此,未來我國在森林/草原可燃物含水率研究中,應注重對深度和廣度的挖掘,利用遙感空間信息,增加對森林/草原可燃物含水率空間異質性的研究,形成對整體區域上的火險預測,注重研究的實用性。