余 欣,余瑞林,*,孫松峰,鄧偉平
1 華中師范大學 地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室, 武漢 430079 2 建德市林業總場, 杭州 311600
生態環境作為人類生存和發展的物質基礎和空間載體,支撐著社會經濟的不斷發展。伴隨著生態環境惡化問題的出現,認識和解決生態環境問題也越來越受到重視,1990年美國環保局在風險評價專題討論會上正式提出生態風險評價的概念[1],生態風險評價由此應運而生。據美國環保局定義,生態風險評價是評估環境因暴露于一個或多個壓力源(如化學品、土地利用變化、疾病和入侵物種)而受到影響的可能性的過程,尤其關注人類干擾對生態系統或組分產生不利影響的程度[2]。生態風險評價框架致力于為決策提供科學依據[3],由20世紀80年代的人體健康評價基本框架改編而來[4],可以評價環境事件或人類生產生活活動對動植物及生態系統的負面作用的大小和概率[5]。生態風險評價是收集、整理、表達科學信息以服務于管理決策的過程[6],可以幫助環境管理部門了解和預測生態影響因素和所產生的生態后果之間的關系,有利于環境決策的制定。一方面,從全球視角來看,國內外對綠色生態發展都給予高度重視,生態風險評價的研究有助于推動全球可持續發展,因而有必要對中外生態風險評價研究進行系統性梳理,厘清生態風險評價研究的整體框架及演進脈絡,以期客觀、科學地把握生態風險評價領域發展方向和發展趨勢,指明發展路徑。另一方面,我國國內的生態風險評價研究起步較晚,與國外研究存在差異,需從國內外比較研究的基礎上進一步探究生態風險評價研究的前沿熱點及未來發展趨勢,這將有助于為我國學者剖析生態風險評價的研究現狀及開拓新的研究前沿提供理論參考和借鑒,并在認識環境問題、分析環境問題、解決環境問題的實踐中起到巨大作用。
本文采用科學計量方法,運用可視化知識圖譜繪制軟件 CitespaceⅤ,對Web of Science(WOS)和中國知網數據庫(CNKI)中關于生態風險評價的文獻進行可視化分析,分析生態風險評價的知識基礎、研究主題和研究前沿,明確國內外生態風險評價研究的演化路徑和發展趨勢。
信息化社會帶來數據分析的變革與進步,科學知識圖譜是分析文獻的重要工具。科學知識圖譜是一種通過數據挖掘、科學計量、信息分析以及圖形繪制等多種手段,對某一研究領域進行可視化分析的方法[7]。目前的知識圖譜繪制工具至少有五種以上,其中CiteSpace是常用的分析軟件,以科學分析潛在知識內容為基礎,根據計量學、信息可視化技術、數學模型的結合,形成一種引文可視化分析模式[8]。
為了獲取精準且高質量的文獻,在CNKI中,將中文核心期刊要目總覽、中國科學引文數據庫及中文社會科學引文索引中的文獻定義為“高質量文獻”,將檢索條件設置為“關鍵詞=(‘生態風險評價’)或關鍵詞=(‘生態風險’且‘評價’)”。在WOS核心合集數據庫中,檢索條件設置為“AK=ecological risk assessment OR KP=ecological risk assessment”。為更好地對比國內外研究異同,在WOS中將國別精煉為“people R China”,并經人工篩選,獲取第一作者與通訊作者為國內學者的文獻,將其與CNKI數據庫文獻合并,為國內研究成果;剔除國內文獻的WOS數據即為國外研究成果。
(1)進行文獻數量分析時,為更科學客觀地獲知領域發展概況,以美國環保局正式提出生態風險評價的概念年份為起始年份,取時間跨度為1990—2020年的1791篇國內高質量文獻和2011篇國外高質量文獻。
(2)在可視化分析中,需以關鍵詞為節點進行分析,由于受WOS核心文集數據庫全數據獲取限制,最早的時間節點限定為2005年,因而取時間跨度為2005—2020年的國內高質量文獻和國外高質量文獻,經過人工篩選、去重等步驟去除無效論文后,最終獲得1763篇國內文獻和1727篇國外文獻。因可視化數據識別處理需要,故將國內文獻中的WOS數據庫文獻的英文關鍵詞全部轉化為中文后進行可視化分析。
進行可視化數據處理時,在時區分割選項下,設定跨度時間是2005—2020年,時間切片為一年,術語來源為作者關鍵詞DE及附加關鍵詞ID,剪切方法選取Minimum Spanning Tree和Pruning Sliced Networks,其余選項保留默認設置。
人們對全球氣候變化、棲息地喪失、生物多樣性減少以及殺蟲劑和有毒化學品對生態的影響等生態問題的越發重視促使了生態風險評價的產生。繼生態風險評價概念正式提出之后,1992年美國環保局發布了《生態風險評價框架報告》[9],1998年發布的《生態風險評價指南》[10]取代了前者,成為生態風險評價的指導性文件,其主要受眾是美國環保局的風險評估人員和風險管理人員,后也為各專業研究者所參考。
兩份文件指出,問題制定、分析、風險表征是生態風險評價的三階段,這基本成為了未來生態風險評價的研究范式。在問題制定中,風險評估人員評估目標,選擇需要評價的環境要素,并制定分析計劃;在分析階段,評估人員評估應激源暴露以及應激水平與生態效應之間的關系;在第三階段,風險表征,評估人員通過綜合暴露和應激反應情況來評估風險,通過討論證據和確定生態逆境來描述風險,并形成報告[10]。如下圖所示。

圖1 生態風險評價框架[10]Fig.1 The ecological risk assessment framework
研究成果的時間分布特征可歷時性地反映該研究領域的發展狀況。文獻數量的年度分布如圖2所示。
從國內文獻發表的年度分布來看,文獻數量整體變化趨勢為先平穩緩慢增加后快速增加。第一篇將“生態風險評價”納入關鍵詞的相關研究出現在1994年,文章以環境風險評價的方法、現狀簡述為主要內容,詳細介紹了人體風險評價的方法并予以舉例,指出國外環境風險評價已由人體風險評價轉變為生態風險評價[11]。
由圖可知,在2005年以前,國內生態風險評價成果寥寥,每年的文獻數量在7篇及以下,而2005年開始達到12篇及以上,并在2008、2011、2015、2018年有相對明顯的增長,近3年呈爆炸性增長,每年數量均在200篇以上。在我國科學發展觀及“美麗中國”的指引下,國內學者對生態風險評價研究領域的關注和重視不斷加強,相關政策也成為了生態風險評價研究的導向標。
從國外文獻發表情況來看,國外文獻數量增加速度先慢后快,呈現指數型的增長態勢。1990—2000年為起步期,大多年份在0—2篇,第一篇將生態風險評價納入關鍵詞的文章發表于1991年,該文評估了不同臭氧濃度中樹皮甲蟲對某片森林范圍內不同土地覆蓋特征區域的有害影響[12]。文獻數量在2000—2005年開始增加,2005年后增加速度加快,2017年以后更是井噴式增加。美國環保局于2017年向公眾發布生態風險評價工具箱,工具箱由評價流程、壓力源、受體、暴露途徑、暴露源、影響這六部分組成,提供美國環保局指導文件、數據庫、模型、參考資料和其他相關資源的鏈接。[13]
比較國內外生態風險評價文獻數量變化及趨勢預測,20年間國內外文獻數量增加趨勢大體一致,增加速度均為先緩慢后迅速。以2011年為節點,國內文獻數量及其增長幅度開始超過國外,且預測將繼續超過國外文獻。總體而言,國內外文獻數量均自2005年及以后開始顯著增長,這與本文可視化分析的起始年份相吻合。從當前時代發展整體趨勢來看,生態環境問題將日益得到關注,生態風險評價研究相關研究文獻數量將繼續增長,我國的研究成果貢獻也將越來越大。
以“Institution”為節點類型,以“年”為默認切割頻率,對2005—2020年國內外生態風險評價研究高質量文獻的作者和機構進行可視化分析,得圖3和圖4。

圖3 國內文獻作者及機構分布Fig.3 Knowledge mapping of institutions and authors in China

圖4 國外文獻作者及機構分布Fig.4 Knowledge mapping of institutions and authors abroad
作者及機構合作圖譜顯示,國內文獻數量最多的機構為中國科學院,為214篇,其次是中國科學院大學84篇、中國環境科學研究院66篇。具體到作者,劉征濤、吳豐昌、馮承蓮、王業耀等學者發表的文獻數量較多。綜合來看,國內生態風險評價研究作者及機構集中度高、分散性小,以中國科學院為中心,部分高校為主體,合作廣泛,相關研究機構和政府機構如中國環境科學研究院、國家海洋局、中國環境監測總站等也成為重要組成部分。
國外文獻數量最多的機構為美國環保護,文獻數量61篇,阿維羅大學(Univ Aveiro)52篇、荷蘭瓦格寧根大學研究中心(Univ Wageningen & Res Ctr)33篇。國外文獻的合作圖譜顯示,美國環境保護局作為主中心、阿維羅大學為次中心引領研究,相比國內,研究分支相對更多、分散性較大。綜合來看,研究機構在全球生態風險評價研究領域占據了重要地位,高校也成為孕育研究成果的重要場所。
3.2.1關鍵詞共現網絡
運用CiteSpace可視化軟件,以關鍵詞為節點,以年為時間片段,選擇高頻節點數據并結合圖譜修剪及人工調整等技術處理[14],得到生態風險評價研究的關鍵詞共現網絡圖譜(圖5和圖6)。節點越大表明出現的頻次越多,出現的時間越早,連接線越寬表示相關度越高。

圖5 國內文獻高頻關鍵詞圖譜Fig.5 The high frequency keywords of papers in China

圖6 國外文獻同頻關鍵詞圖譜Fig.6 The high frequency keywords of papers abroad
2005年以來生態風險評價研究圍繞著重金屬、沉積物、污染、多環芳烴、空間分布等關鍵詞展開。將關鍵詞按照頻次統計,分別列舉了國內外文獻中詞頻次數最高的25項關鍵詞,這些關鍵詞涉及了暴露源、環境等多個維度,如表1所示。
關鍵詞統計對比可知,國內外文獻關鍵詞超過半數相同,頻次超過100以上的關鍵詞數目相同,相對而言,國外文獻的研究主題更分散化,領域細化明顯。國內外生態風險評價研究中出現頻次最高的前2項關鍵詞一致,分別是“生態風險評價”和“重金屬”,這表明在生態風險領域中,重金屬是極為重要的風險元素,一直是生態風險評價研究的熱點,受到國內外學者廣泛的關注。在14個國內外相同的關鍵詞上,除卻“多環芳烴”,國內關鍵詞均滯后國外出現,但大多國內關鍵詞頻次高于國外。在相異的關鍵詞上,國內文獻關注點集中在土地(“土地利用”“農田土壤”),特定地區(“長江”“太湖”),來源(“源解析”、“源識別”)等主題;而國外文獻則多關注“微量元素(trace element)”,“影響(bioaccumulation)”、“管理(management)”等話題,相較之下,國內更為注重研究區域及來源分析,而國外文獻的研究更為注重受體影響及風險處理。國外高頻關鍵詞大多首次出現于2005—2007年,而國內關鍵詞大多出現于2008—2011年;2015年之后,國內外均未出現新的高頻關鍵詞,這表明生態風險評價研究已構建了相對成熟穩定的框架結構和內容體系,研究熱點日益集中,相關主題包括水環境、生物、毒理學等方面,核心關鍵詞包括重金屬、沉積物、多環芳烴、毒性、空間分布等。
3.2.2知識圖譜網絡聚類分析
在Citespace操作界面中,節點類型選擇“Keyword”,時間間隔為1年,分別對國內外生態風險評價研究文獻關鍵詞進行聚類可視化分析(圖7、圖8)。
基于關鍵詞構建的國內文獻知識圖譜前10個網絡聚類分別為生態風險、水質標準、多環芳烴、重金屬、沉積物、富集因子、空間分布、抗生素、生態系統服務、珠江口。從國內文獻關鍵詞聚類可看出,研究主題集中在污染物、環境治理等方面。國外文獻知識圖譜10個網絡聚類包括風險評價(risk assessment)、富集因子(enrichment factor)、重金屬(heavy metals)、種群建模(population modeling)、表層水(surface water)、mon0818、基因工程(genetically engineered)、重金屬濃度(metal concentrations)、溢油(oil spill)、生態風險(ecological risk)。國外文獻的關鍵詞集中在生態風險來源、生態環境修復等方面,研究主題相對多元化微觀化,更偏向生態毒理學、生物學方向,領域細分較為明顯。綜合而言,生態風險評價研究關注環境問題對生物的影響,尤其是有機化合物和重金屬的污染影響,為此,對生態風險的溯源研究及其實踐應用也是研究的重點。

表1 關鍵詞統計表(頻次排序前25)

圖7 國內文獻關鍵詞構建的知識網絡聚類Fig.7 Knowledge graph of keywords clustering of papers in China

圖8 國外文獻關鍵詞構建的知識網絡聚類Fig.8 Knowledge graph of keywords clustering of papers abroad
4.1.1國內文獻的熱點詞突現分析
構建國內文獻熱點詞突現的可視化圖譜,本文選取前15個突現關鍵詞(圖9)。從突現強度來看,各關鍵詞差別相對較小,整體強度較低且較平均化,近年的突現熱點相對較少,突現詞出現時間大多集中在2010—2014年間。突現強度最大的熱點詞包括“評價”(9.1)、“沉積物”(8.61)和“重金屬污染”(5.89)。其中,“重金屬污染”等熱點關鍵詞2018年才首次出現,并延續到2020年。結合突現詞中出現的“太湖”“水生生物”“淡水生物”等關鍵詞,表明水環境污染是當前生態風險評價研究關注較高的熱門領域。從突現詞的時間跨度來看,時間跨度超過五年的是“評價”、“ddt”、“生態系統”和“水生生物”,這說明有機化合物污染及水生生物研究受到國內學術界的持續關注。
4.1.2國外文獻的熱點詞突現分析
構建國外文獻熱點詞突現的可視化圖譜,圖10涵蓋了前15個突現關鍵詞。從突現強度和時間來看,國外文獻生態風險評價突現詞的整體突現強度大,且強度差異較大,強度最高的為“表層沉積物(surface sediment)”(10.64),其次是“空間分布(spacial distribution)”(10.24);強度最低的為“急性毒性(acute toxicity)”(5.11)。突現詞首次出現的時間在2005—2018年,時間分布較均衡。突現時間持續到2020年的有五個,分別為2016年首次出現的“富集因子(enrichment factor)”,2017年首次出現的“表層沉積物(surface sediment)”和“空間分布(spatial distribution)”,2018年首次出現的“微量元素(trace element)”和“海洋沉積物(marine sediment)”,這表明水環境尤其是海洋環境的風險源研究及空間分布是當下國外研究的重點和熱點。從突現詞出現的時間跨度來看,國外的突現詞大多比國內的時間跨度更長,跨度五年以上的是“生長(growth)”“急性毒性(acute toxicity)”“銅(copper)”“物種敏感度分布(species sensitivity distribution)”“富集因子(enrichment factor)”,這些突現詞分屬毒理學、生態學、生物學,表明相關研究多為環境化學、環境生物學的交叉學科,學科間合作較為頻繁。

圖9 國內文獻生態風險評價突現詞圖 Fig.9 Top 15 keywords with the strongest citation bursts of papers in China

圖10 國外文獻生態風險評價突現詞圖 Fig.10 Top 15 keywords with the strongest citation bursts of papers abroad
4.2.1國內研究熱點及演化路徑

圖11 國內生態風險評價研究時空分區圖譜Fig.11 The evolution of hotspot knowledge of ecological risk assessment research of domestic research
2005—2009年國內的研究是以農業相關的環境問題研究為主,多數研究集中在重金屬及農藥的污染評價上,多借鑒美國環保局發布的各類質量準則,或與潛在風險指數等評價方法相結合[15]進行生態風險評價。
(1)農業生態風險評價研究。通過計算土壤、水域中的有機氯農藥如ddt[16]、hch[17]等濃度水平,從而評估農藥對水環境[18]、農田土壤[19]、農作物的危害。
(2)重金屬及多環芳烴生態風險評價研究。重金屬生態風險評價主要集中在土壤及水域的污染評價上。水環境中的重金屬生態風險評價對表層沉積物尤為關注[20—21];另外,水域中的多環芳烴(PAHs)生態風險評價研究[22]也是研究關注的重點。
2010—2015年,國內對于特定水域的研究越加深入,集中在長江、太湖、三峽庫區、黃河、珠江等地。研究區域從土壤、淡水流域更多向城市區域、海洋轉移,從生態風險評價本身向生態風險形成機制原理的探究、生態修復等方面拓展;評價方法的應用趨向多指數對比研究,大量運用多種類型的指數進行綜合性科學評價。
(1) 質量標準研究。這一階段開始注重生態風險評價準則、指標體系的研究,將研究結果與美國環保局的質量基準、中國國家環境標準數值進行比較分析[23],致力于我國水環境、土壤環境等質量標準的規范建立[24]。
(2) 生態風險源分析。對源解析和評價方法的研究更為深入,模型與方法的交叉應用顯著,多以主成分分析、相關分析、趨勢分析等方法[25]的綜合應用進行源解析,以模擬預測[26]、潛在危害指數[27]、生態風險指數[28]等方法得出生態風險評價指數,更直觀清晰地檢驗評價指標的科學性,為資源分配和管理提供借鑒[29]。
(3) 地理學方法的應用。在地理學技術遙感(RS)和地理信息技術(GIS)的支持下[30],分析風險源和風險受體的空間分布[31],以便更科學準確地提出政策建議。
2016—2020年,國內研究的成果增加,應用性和學科融合性進一步加強,研究熱點從重金屬進一步向有機污染物及新興污染物轉變,更為關注人體健康與生態風險的關系,突顯以人為本、人與自然和諧共生的原則理念。
(1) 新興污染物研究。個人護理品[32]、抗生素[33]、殺菌劑[34]等新興污染物及有機污染物的降解途徑[35]進一步受到重視,并關注空氣污染[36]帶來的人體健康影響[37],以生態修復、生態系統服務等綠色方式進行生態風險的管理[38]。
(2) 氣候變化影響研究。結合土地利用/覆蓋變化(LUCC)[39],探究氣候變化引發的對植被、動物的生態風險,尤其是對高原地區[40]、沿海濕地[41]等生態脆弱區的影響。
4.2.2國外研究熱點及演化路徑

圖12 國外生態風險評價時空分區圖譜Fig.12 The evolution of hotspot knowledge of ecological risk assessment research of foreign research
從上圖可看出,國外生態風險評價研究可以分為三個階段,第一個階段為2005—2009年,第二個階段為2010—2015年,第三個階段為2016—2020年。
第一階段為2005—2009年,這個階段國外出現的重點關鍵詞最多,表明這一時期是國外生態風險評價研究的基礎研究時期,奠定了往后研究的主線。這一階段呈現出生物學、化學與環境學相融合的態勢,聚焦生態毒理學,以農業和工業污染影響為核心展開研究。
(1)生態毒理學研究。以物種敏感性分布[42]、閾值檢驗[43]、生物標記[44]等方法,在淡水、土壤環境中,測試或監測農藥、重金屬等壓力源對于哺乳動物[45]、無脊椎動物[46]、植物[47]等的有害影響,重點在水生生物的研究,主要目的是保護水生生態系統[48]。
(2)環境質量管理。結合生態風險評價研究,提出管理策略,為流域管理[49]、沉積物管理[50]、漁業管理[51]等提供建議和指導,以達到環境質量目標。
第二階段為2010—2015年,生態毒理學特征相對弱化,重金屬污染評價研究受到進一步的重視,海洋區域成為重要的研究區,以藥品污染為主的有機污染物對生物的危害成為這一時期的熱點研究主題;除農業污染以外,工業污染日益成為了生態風險評價溯源的重點。
(1) 新興有機污染物。個人護理品即生活用品所含的殺菌劑成為重點的研究對象[52][53],也成為新興有機污染物生態風險評價研究[54]的重要組成部分。對于陸生生物的關注增多,從宏觀視角上對生物多樣性[55]加以重視。
(2) 海洋生態風險評價研究。2008年歐盟發布《海洋戰略框架指令》,目標是到2020年實現歐洲區域海洋的良好環境狀況(GES)[56],因而研究區域從農田土壤和淡水流域更多轉向海洋,評價多環芳烴等有機污染物[57]及重金屬[58]對海洋生態環境及漁業[59]的影響。
第三階段為2016—2020年,聚焦重金屬和多樣化的新興污染源,風險源的分析、污染環境的修復愈加受到學者的廣泛關注。將生態系統服務納入生態風險評價中,并應用于生態管理也是這一階段乃至未來的研究方向[60]。
(1) 生態風險源分析。這一階段國外學者多關注源自于現代化生產的有機污染物,如來自于納米和微塑料[61]、紫外線濾光片[62]等的有機污染物的影響,注重污染物的時空分布和來源分析。
(2) 城市生態風險評價。城市成為重要的研究區域,包括城市道路揚塵污染風險評價[63]、城市河流與土壤的污染風險評價[64],分析城市環境的污染對人體健康與生物造成的有害影響,致力于城市及人類生活更好的發展。
(3)污染處理法研究。注重指導實踐的應用性,以連續提取法[65]等方法來分析污染元素,以生物降解[66]、吸附法[67]等方式來進行廢水處理、指導生態恢復工作。
本文借助 CiteSpace V 軟件,從宏觀層面對國內外生態風險評價的相關文獻進行分析,探討該領域的知識演變、發展脈絡以及近期研究熱點,并對國內外前沿研究的熱點及路徑進行梳理。
(1)從發文量來看,1990—2020年生態風險評價相關文獻數量不斷增加,國內外文獻均呈現指數型增加態勢,且國內文獻數量增加速度更快,并在2011年超過國外文獻量。
(2)從作者及機構發文來看,在生態風險評價研究領域中,以高校和研究機構為主體,國內外文獻均已基本形成了廣泛合作研究的態勢;國內研究成果多出自于中國科學院,集中度高、分散性小,而國外研究主體相對更多樣化、分散化。
(3)關鍵詞聚類分析可得,國內文獻關鍵詞聚類前10個包括生態風險、水質標準、多環芳烴、重金屬、沉積物、富集因子、空間分布、抗生素、生態系統服務、珠江口;國外10個聚類為風險評價、富集因子、重金屬、種群建模、表層水、mon0818、基因工程、重金屬濃度、溢油、生態風險。總體而言,國內外生態風險評價的研究關注點重合度較高,長期密切關注重金屬、有機化合物、水環境的污染影響。
(4)熱點詞突現分析表明,國內文獻的突現詞整體突現強度較低且平均化,重金屬污染是當下研究的前沿熱點;而國外文獻的突現詞突現強度更大,富集因子、表層沉積物、空間分布、海洋環境的研究是當下的先進熱點。相較之下,國外的研究范圍更廣,熱點更分散化。
(5)國內外研究熱點的演化過程分析可得,在2010年前國內研究多滯后于國外,但2010年后同步性高。國內研究起步較晚但發展迅速,研究熱點從借鑒國外研究框架、污染元素檢測研究向自主構建綜合性評價框架、多元化研究轉變;國外研究隨時間發展逐漸弱化毒理學研究和農藥污染研究,熱點向重金屬污染、新興有機化合物研究轉變。國內外的研究區域均從水環境為主向水土環境與城市環境并重轉變、從生態風險評價本身逐漸轉向風險產生機制和解決辦法的研究上。但相較之下,國內研究更注重風險源、質量標準研究,國外研究與生物學聯系更為緊密,對新興污染物及生物入侵、氣候變化、轉基因等國際性話題更為重視。
通過國內外文獻的對比分析,我國的生態風險評價研究還需進一步深入探討的方面包括:
(1)在兼顧國內生態環境的同時也應當充分重視國際環境,對于基因工程、碳排放、生物入侵等全球環境問題予以關注和思考。
(2)保持與國外研究的同步態勢,并進一步深化富集因子、表層沉積物、空間分布、海洋環境研究,凸顯國際領先的位置,進行理論與方法的創新,完善生態風險評價指標體系,開發相應的分析軟件,使生態風險評價系統化、規范化,區域評估高效化。
(3)強化生態風險評價的應用屬性,檢驗、更新各類質量標準,進一步加強生態修復的應用功能,將生態風險評價研究與管理實踐密切結合,著眼于國土空間規劃、城市發展、生態系統服務等,使其成為經濟社會發展過程中檢驗、預測健康發展水平、綠色發展潛力的指導性工具。