流域氮的科學圖譜及其主題演變

劉 中,梁偉斌,潘培豐,劉 懂,陳 財,徐耀陽

1 寧波市生態環境科學研究院,寧波 315012 2 中國科學院城市環境研究所,廈門 361021 3 中國科學院大學,北京 100049 4 中國科學院寧波城市環境觀測研究站,寧波 315830

流域中的氮不僅對生態系統服務具有重要貢獻,還易引發生態環境危害,從而引起流域研究學者廣泛關注。作為生物體必需的營養元素之一,氮的形態與含量不僅直接關乎流域中農作物的產量[1—2],也可以通過調節水體中浮游植物的初級生產力,間接影響漁業產量[3—5]。近幾十年來,隨著農業生產中氮肥的大量使用、含氮工業廢水與生活污水排放量的增加,通過地表徑流、土壤滲透、大氣沉降、地下水或排污管道等途徑進入河流、湖泊、水庫、近岸海域等水體中的氮通量有了大幅提升[6—9]。水體中氮的過量輸入會導致浮游植物的大量繁殖,引發富營養化、水質退化、生物多樣性損失和地下水硝酸鹽污染等一系列生態環境問題,從而影響流域與近岸海域生態系統的穩定性與可持續性[10—13]。

為了應對氮引發的生態環境威脅和提升流域等生態系統的穩定性,國內外學者圍繞氮循環過程、氮的形態與分布特征、氮負荷及來源解析、氮的污染與管理等方面開展了大量研究[14—18]。因此,整合前人在流域氮領域不同方面的研究結果,對于梳理該領域的研究現狀、厘清研究熱點、預測研究趨勢具有重要意義,同時也有助于明確改善上述生態環境問題的關鍵理論與技術[19]。目前,已有研究概述了流域中氮的遷移轉化過程、人類活動與氮輸入量的關系、氮動態的預測模型和面源污染管理措施等方面的科研進展[20—23]。研究主要定性分析了流域氮領域中單一主題的研究現狀,無法用定量的方法對其研究進展進行全面系統總結。此外,數量龐大且不斷增長的文獻數量,也使得傳統的文獻綜述方法很難預測該領域的研究趨勢。

科學圖譜作為一種新興文獻分析方法,能夠有效整合大量文獻中的信息、定量且直觀地展示某一領域的研究現狀、熱點與趨勢,有效彌補了傳統文獻綜述研究中參考文獻量少且只能定性歸納的不足[24]。目前,該方法已廣泛應用于重金屬污染修復、面源污染管理、自然保護地、生態系統服務等生態環境領域[25—28]。VOSviewer、Bibexcel、CiteSpace是常用的科學圖譜繪制工具,從Web of Science核心合集數據庫等檢索平臺下載的文獻記錄中提取期刊、作者、科研機構、學科類型、關鍵詞等信息,并通過構建信息的共現網絡圖譜揭示研究進展[29—30]。

本研究以Web of Science核心合集為數據源,借助科學圖譜方法,對2000—2019年期間流域氮領域發表的研究論文進行統計與可視化分析,旨在從論文數量與期刊分布、國際與機構合作、學科交叉以及研究主題與演變的視角闡述流域氮的研究進展,并為該領域的相關綜述研究提供方法學借鑒。

1 數據與方法

1.1 數據來源

基于美國湯森路透公司(Thomson Reuters)開發的Web of Science核心合集數據庫,本文構建了2000—2019年間流域氮研究的文本集,圍繞論文數量與期刊分布、國際與機構合作、學科交叉以及研究主題與趨勢4個方面總結該領域的研究進展。該文本集由4171條以“TI=(watershed* OR drainage basin* OR river basin* OR catchment*) AND TS=nitrogen*”為檢索公式下載的論文記錄組成。其中TI和TS分別代表題目(Title)和主題(Topic)。檢索時間為2020年10月15日,每條記錄包括出版年份、作者地址、學科類型和關鍵詞等信息。

1.2 數據分析

本研究基于Web of Science分析功能對流域氮領域論文的年發表數量進行統計并利用Origin軟件分析了發文量的年際變化趨勢。根據Web of Science中2019年版的引文報告,對來源期刊的論文數量統計,并進一步分析論文數量排名前20期刊的總被引頻次、篇均被引次數及影響因子。首先,國際合作模式以國家單元為基礎,將英格蘭、蘇格蘭、威爾士和北愛爾蘭發表文獻合并為英國文獻集；中國的臺灣省、香港和澳門特別行政區出版的文獻統一歸為中國文獻集。然后,基于VOSviewer可視化軟件中的全計數法,對各國的發文量進行統計,并計算發文數量排名前20國家之間的合作次數。最后,基于國家的地理位置和國家間的合作頻次,采用ArcGIS展示了國際合作網絡。與此同時,發文數量排名前20的科研機構合作也采用VOSviewer軟件合作網絡圖譜進行分析展示。

學科交叉特點通過學科類型共現網絡進行呈現。首先,采用文獻分析軟件Bibexcel,統計了各學科類型的文獻數量。其次,運用Bibexcel中的共現分析模塊,統計論文數量排名前20的學科類型之間的共現頻次。最后,借助VOSviewer中的可視化功能展示學科交叉的現狀。鑒于關鍵詞是對論文內容的高度概括,本研究選取流域氮領域最常用50個關鍵詞進行研究主題的分析。首先,基于VOSviewer軟件中的二進制計數法,對關鍵詞進行詞頻統計。考慮到有些關鍵詞在文獻中表述相同的含義,在詞頻統計前將同義詞進行合并。其次,借助VOSviewer軟件中的全計數法,計算關鍵詞之間的共現頻次。然后,根據詞頻及共現次數的統計結果構建了關鍵詞共現網絡,并利用軟件默認的加權歐式距離算法將關鍵詞進行分組[31]。最終采用該軟件疊加可視化功能,繪制包含時間屬性的關鍵詞共現網絡。

2 結果與討論

2.1 論文數量與發表期刊

圖1 論文數量年際變化Fig.1 Inter-annual change in the number of publications

2000—2019年期間,Web of Science核心合集數據庫共收錄4171篇關于流域氮研究的論文,發文量由2000年的80篇升至2019年的307篇,發文量總體呈現逐年上升趨勢(圖1)。統計發現,相關論文共發表在696種期刊上,其中發文量較多的期刊包括Scienceofthetotalenvironment、Biogeochemistry和Journalofhydrology,發文量各為241、138和137篇(表1)。論文篇均被引次數較高的期刊為Environmentalscience&technology、Biogeochemistry和Journalofhydrology,篇均被引次數分別為54、47和43。其中,高影響因子期刊包括Environmentalscience&technology、Scienceofthetotalenvironment和JournalofenvironmentalManagement,影響因子分別為7.9、6.0和5.7。

表1 發文量排名前20期刊

2.2 國際與機構合作

統計分析發現共有99個國家開展流域氮研究,且發文量多于50篇的國家數量為20,占國家總數的20.3%(圖2)。發文量少于10篇、10—50篇和多于50篇的國家數量分別為54、25和20,各占國家總數的54.5%、25.2%和20.3%。美國的發文量最多,共計1619篇,占論文總量的38.8%。中國的發文量排名第二(857篇,占20.5%),其次為英國(264篇,占6.3%)、加拿大(260篇,占6.2%)和德國(208篇,占5%)。美國是國際合作的主導者,與中國、加拿大、英國和韓國的合作較為緊密,合作次數分別為146、52、40、31次。中國是國際合作的另一核心力量,與美國、日本、加拿大和英國的合作最為頻繁,合作次數分別為146、30、27、23次。

圖2 國際合作網絡Fig.2 International cooperation network

統計分析發文機構,發現共有3106家機構開展流域氮研究。其中,發文量低于10篇的機構共2932家,占機構總數的94.1%。在發文量排名前20(>40篇)的機構中,來自美國和中國機構分別有15和2所,法國、芬蘭和丹麥均為1所(圖3)。中國科學院(Chinese Acad Sci)的發文量最多(362篇,占論文總量的8.7%),但其論文篇均被引次數較低,僅為18。美國地質調查局(US Geol Survey)的發文量排名第二(134篇),篇均被引次數為47。美國農業部農業研究局(USDA ARS)的發文量排名第三(118篇,篇均被引次數37),其次為美國國家環境保護局(US EPA,95篇,篇均被引次數30)和美國林業部(US Forest Serv,80篇,篇均被引次數27)。伊利諾伊大學(Uni Illinois)的論文數量僅為44篇,但其篇均被引次數最高(67)。美國農業部、馬里蘭大學(Univ Maryland)、美國林業部、美國國家環境保護局、美國地質調查局、中國科學院和緬因大學(Univ Maine)在機構合作中的參與度較高。其中,美國地質調查局、緬因大學、美國農業部和美國林業部是早期機構合作的主導力量。近年來,中國科學院、德克薩斯A&M大學(Texas A&M Univ)和北京師范大學(Beijing Normal Univ)成為機構合作的重要力量(圖3)。

2.3 學科交叉

2000—2019年間,流域氮研究共涵蓋91種學科類型。研究涉及2種及以上學科類型論文共計2365篇(占論文總量的56.5%),學科類型數量由2000年的23增長至2019年的50,呈現逐年上升的趨勢(圖4)。上述結果表明流域氮是一門多學科交叉的研究領域,且學科交叉的程度不斷加深。環境科學(Environmental science)、水資源學(Water resource)、地質學及多科學(Geosciences multidisciplinary)、生態學(Ecology)和環境工程學(Engineering environmental)是領域氮研究中的重點學科類型,包括的論文數量分別為2151、1280、779、513篇和444篇。

根據學科類型之間的交叉程度,論文數量排名前20的學科類型可被分成3組(圖5)。其中組1中的代表性學科類型為環境科學、水資源學、地質學及多科學、生態學和海洋與淡水生物學(Marine freshwater biology)。基于Web of Science中對學科類型的定義,這些學科重點關注流域中氮的特征(如形態和濃度)、氮的生物地球化學循環過程以及氮對水質和生物的影響。組2中的主要學科類型包括土壤科學(Soil science)、氣象與大氣科學(Meteorology atmospheric science)、農學(Agronomy)和林學(Forestry),它們主要研究降雨量和土壤氮含量對流域氮輸出的影響以及人類活動(如農業生產和林業退化)驅動下流域中氮的分布特點。組3中的學科類型包括環境工程學、土木工程學(Engineering civil)和農業工程(Agricultural engineering),這組學科重點探討工程措施對流域中氮負荷的削減效果。

2.4 研究主題與演變

統計分析發文研究主題與演變,關鍵詞共詞網絡表明,流域氮的研究主要由氮的形態與轉化、營養鹽與富營養化以及水質與管理3個主題組構成(圖6)。生物地球化學循環(biogeochemistry)視角下,探究氮的形態與轉化是流域氮領域重要研究方向。流域中氮的生物地球化學循環過程,是外部因素和內部因素共同驅動的結果。其中,外部驅動因素的研究主要關注水文特征(hydrology)、地下水輸入(groundwater)、大氣干濕沉降(atmospheric deposition)、土壤硝酸鹽淋失(nitrate leaching)等對流域中氮輸入和輸出過程的影響[32—34]。內部驅動因素的研究重點關注微生物作用下流域中氮的硝化(nitrification)、反硝化過程(denitrification)[35—36]。穩定性同位素技術(stable isotopes)是追蹤流域中氮的來源、定量解析氮的生物地球化學循環的重要技術手段[37]。

氮(nitrogen)、磷(phosphorus)等營養鹽(nutrient)過量輸入引起的富營養化(eutrophication)是流域氮研究的另一重要主題。農業生產(agriculture)過程中人工合成化肥的廣泛使用,是導致流域中營養鹽大量富集的重要原因[38—39]。富營養化是流域內溪流(stream)、河流(river)、河口(estuary)等水域生態系統水質退化的重要表征,也是流域生態系統管理和服務功能提升亟需解決的首要任務[40—42]。富營養化引發的水質退化會改變流域中浮游生物、魚類、大型底棲動物等重要水生生物類群的群落結構,進而影響流域生態系統的穩定性與服務功能[43—45]。

圖5 學科交叉網絡Fig.5 Interdisciplinary network with top 20 productive subject categories圖中圓圈的大小與學科類型所包含的論文數量成正比,連線的粗細代表學科類型交叉程度成正比

水質(water quality)時空動態與機理是流域氮研究的基礎科學問題,且水質管理是流域生態系統服務功能提升的重要目標[46—47]。城市化(urbanization)進程中土地利用(land use)的改變以及氣候變化(climate change)驅動下徑流量(runoff)的變化是影響流域水質的重要原因[32,48—49]。最優管理措施(best management practices)是流域水質管理的重要方法,主要通過調節流域中土壤侵蝕(soil erosion)和養分循環過程控制面源污染(non-point source pollution)[50]。遙感(remote sensing)、地理信息系統(geographic information systems, GIS)、土-水評估工具模型(SWAT model)等可用于預測土地管理措施對流域內徑流與營養鹽流失影響,輔助和優化流域中水質的管理[51—53]。

圖6 研究主題與趨勢Fig.6 Research themes and trends 圖中圓圈大小與關鍵字的出現頻率成正比,線條粗細與關鍵字之間的共現頻次成正比

共詞網絡的時間尺度分析結果表明,在2010—2019年間,流域氮的研究主題發生了明顯的演變(圖6)。在50個最常用的關鍵詞中,生物地球化學、大氣沉降、硝酸鹽淋失、氮飽和、侵蝕、流域建模、地理信息系統等詞在早期研究中的出現頻次較高,表明以往研究主要關注氮的生物地球化學循環以及模型和地理信息系統在預測流域中硝酸鹽淋失、土壤侵蝕與酸化等過程中的應用。氣候變化、SWAT模型、土地利用、城市化與最優管理措施等詞在近期發表的論文中出現頻次較高,表明當前及未來研究重點關注土地利用、氣候變化、城市化等因素對流域的影響以及SWAT等水文模型與最優管理措施在流域管理中的應用。

3 結論與展望

基于Web of Science核心合集數據庫作為文獻檢索平臺,利用科學圖譜方法與VOSviewer、Bibexcel等可視化軟件,從論文數量與期刊分布、國際與機構合作、學科交叉以及研究主題與演變4個方面揭示了流域氮領域的研究進展。2000—2019年間,該領域發文量呈現逐年增長的趨勢,且研究呈現多學科交叉的特點。美國和中國是國際合作的主導力量,美國地質調查局、緬因大學、美國農業部、中國科學院、北京師范大學是機構合作的重要力量。氮的形態與轉化、營養鹽與富營養化以及水質與管理是該領域的主要研究主題。

未來研究需重點關注流域氮動態的驅動機制以及流域氮管理措施的優化。在流域氮動態的驅動機制方面,應量化氣候變化背景下徑流量等水文特征以及城市化、農業發展等人類活動驅動下土地利用類型轉變對流域中氮循環和氮負荷的影響。驅動因素與氮響應關系的量化,需將氣溫、降雨量等氣象數據表征氣候變化的指標和土地利用類型占比、人口密度等指示人類活動的指標納入流域氮的監測和研究體系,充分發揮遙感等技術在高頻觀測與數據庫構建中的優勢,并借助水文水動力模型模擬氣候變化與人類活動耦合作用下流域中氮的時空分布。

在流域氮管理措施優化方面,應以流域“山水林田湖草生命共同體”的理論構建基于自然的管理方案,并評估管理措施對流域生態系統供給服務(如飲用水和食物)、調節服務(如水質凈化和洪水控制)、文化服務(如旅游收益和自然遺產)、支持服務(如生物多樣性維持)等的影響。隨著點源污染控制技術不斷完善,面源污染成為流域氮管理面臨的主要挑戰。土-水評估工具模型(SWAT)可以量化土地利用類型、水文、氣象和管理措施變化對流域中氮負荷時空分布的影響,是在流域尺度上開展面源污染管理的重要方法。SWAT模型與最優管理措施(BMPs)的聯用,不僅可以識別流域內氮面源污染管理的重點區域,也能在權衡流域生態系統服務價值與經濟效益的前提下制定面源管理的最佳措施,進而實現流域生態系統的可持續發展。