基于ESI和VOSviewer的我国环境生态学领域研究热点可视化分析

陈 彪，谢 昕，胡 波

(1.中国地质大学(武汉)教育研究院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学(武汉)公共管理学院，湖北 武汉 430074)

环境生态问题是关乎人类生存和发展的最大问题。目前来看，科学技术进步是一把“双刃”剑，既可以为环境生态治理提供新的解决方法和技术手段，同时又是以牺牲环境生态为代价，这是因为如果推动技术进步所消耗的自然资源超过了环境生态承载阈值的话就会带来严重的环境生态问题，且是不可逆转的，其影响也会是长期的。因此，环境生态学领域研究一直是学术界的热点，各国学者希望通过科学研究提出先进的解决办法和应用理论，不断提高生态环境资源的利用效率和利用深度，不断改善持续恶化的生态环境，实现经济社会可持续发展，促进人与自然的和谐发展。我国学者也长期关注并持续跟踪国际环境生态学领域的研究进展与理论前沿，并对环境生态学领域的研究进展与新动向等进行了分析，这些研究对我国环境生态学研究起到了积极的推动作用。但是，已有研究缺乏对我国环境生态学领域主要研究人员、研究机构、研究热点、合作网络和发展趋势等方面的全面分析。因此，本文基于ESI数据库，采用VOSviewer分析工具，通过共词聚类分析方法，对2009—2019年我国环境生态学领域的研究热点进行分析，通过得出的图表和图谱等数据信息，展现了近11年我国环境生态学领域的发展状况和发展趋势，以期为我国环境生态建设提供理论依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

基本科学指标数据库(Essential Science Indicators,ESI)是科睿唯安(原汤森路透)汇集和分析WOS(Web of Science)数据库所收录的全球11 000多种学术期刊的1 000多万条文献记录而建立的计量分析数据库，已成为衡量科学研究绩效、跟踪科学发展趋势的基本分析评价工具。通过ESI，研究人员可以系统地、有针对性地分析国际科技文献，了解一些著名科学家、研究机构、国家(或区域)和学术期刊在某一学科领域的发展和影响，同时科研管理人员也可以利用该资源找到影响决策分析的基础数据。ESI以期刊类型作为分类依据，将所有论文归类为22个学科领域，数据每单月更新一次。22个学科领域分别为：农业科学(Agricultural Sciences)、生物学与生物化学(Biology & Biochemistry)、化学(Chemistry)、临床医学(Clinical Medicine)、计算机科学(Computer Science)、经济学与商学(Economics & Business)、工程学(Engineering)、环境/生态学(Environment/Ecology)、地球科学(Geosciences)、免疫学(Immunology)、材料科学(Materials Sciences)、数学(Mathematics)、微生物学(Microbiology)、分子生物学与遗传学(Molecular Biology & Genetics)、综合交叉学科(Multidisciplinary)、神经科学与行为学(Neuroscience & Behavior)、药理学与毒理学(Pharmacology & Toxicology)、物理学(Physics)、植物学与动物学(Plant & Animal Science)、精神病学与心理学(Psychology/Psychiatry)、社会科学总论(Social Sciences,General)和空间科学(Space Science)。在ESI学科领域分类中，环境/生态学主要是指以生态学的基本原理为理论基础，结合系统科学、物理学、化学、仪器分析、环境科学等学科的研究成果，研究生物与受人干预的环境相互之间的关系及其规律性的一门科学。其涉及到：生态系统、生物多样性、物种分类、种群、进化生物学、生物入侵、环境污染物、生态毒理学、水资源、环境资源保护、气候变化下的植被变化、珊瑚礁等内容。

VOSviewer是一款2009年开发的用以绘制科学知识图谱的文献计量分析软件，可通过标签视图、密度视图等方式展现与分析各个知识领域的热点主题等。

1.2 数据来源

ESI高被引论文(Highly Cited Papers)从高水平科研产出的影响力角度，可反映出一个国家科研质量的国际水准。因此，近年来论文产出量及影响力尤其是高水平论文产出状况，正成为衡量一个国家科研能力最基本和最常用的指标。本文设定采集数据时间段为2009年1月1日至2019年12月31日，共计11年。数据采集方法是利用新一代IncitesTM科研绩效分析平台(包括IncitesTM数据库、ESI和JCR)，点击 ESI进入，在该数据库页面的Research Fields中选择Environment/Ecology，在Add Filter中点击Countries-Territories，选择China Mainland，在Include Results For中选择Highly Cited Papers，最后点击“Documents”即可获得我国科技人员参与发表的环境生态学领域的1 232篇高水平论文，通过下载将数据导入Excel中进行统计与分析。首先将1 232篇论文导出到Excel表中，并通过在WOS数据库中分别找出其详细信息并导入至VOSviewer软件进行分析。在确定数据来源和研究方法后，为了进一步了解某研究领域合作作者发文量及总链接强度(Total Link Strength，TLS)排名、发文机构、关键词出现频次和总链接强度等问题，可运用VOSviewer软件进行深入、直观的知识图谱分析。文中总链接强度指关键词与其他关键词总的共现次数(包括重复共现次数)。

2 统计结果与分析

2.1 发文量分析

学术论文数量的变化是衡量一个研究领域一段时期内发展态势的主要指标，对评价该研究领域所处的阶段和发展动态以及预测未来的发展趋势具有重要的意义。本文对1 232篇高水平论文按照年度进行统计，具体统计结果如图1所示。

图1 2009—2019年我国环境生态学领域高被引论文的发文量变化图

由图1可见，从2009年至2019年，环境生态学领域中国学者发文量逐年增加，近11年的年均增长率为30.59%；从时间上看，可以将这个阶段发文量变化分为3个时期，即起步期(2009—2011年)、助跑期(2012—2014年)和加速期(2015—2019年)，这也与我国对环境生态保护的重视程度呈正相关关系。2013年5月24日，习近平总书记在中共中央政治局第六次集体学习时指出，要牢固树立生态红线的观念。2014年后环境生态学领域的发文量增长明显，体现出我国政府明确要把生态环境保护放在更加突出的位置。

此外，在ESI收录的所有环境生态学高被引论文中，我国学者发表的高被引论文数量已经位居全球第二，仅次于美国(2 415篇)，其中热点论文(Hot Papers)以51篇位居全球第一，说明我国环境生态学领域的研究已经取得了较大的进步，在世界同领域的认可度较高，在学科前沿研究和热点问题研究上已经处于世界领先地位。

2.2 发文作者及合作情况分析

发文作者是指文章署名作者，分析发文作者及合作情况，可摸清我国环境生态学科研领域最近11年高产出作者及研究方向，便于对人才进行评价，并可以通过作者合作研究方向反映出我国环境生态学领域的研究热点。基于WOS外文数据库在VOSviewer选择创建，可以对文献合著作者、关键词共现、引文、书目耦合等进行知识图谱分析。调整适合分析的合著作者条件，选择文献数量最少为3篇，得到符合条件的作者5 810位，阈值为453，计算每一位作者与其他共同作者的链接强度，并选择总链接强度排名前10位的作者列于表1。

表1 2009—2019年我国环境生态学领域高被引论文总链接强度排名前10位的作者

由表1可知：ZENG Guanming(45篇)、WANG Xiangke(32篇)、WANG Dongbo(15篇)等是我国该研究领域发文量较多的作者；从总链接强度来看，ZENG Guanming(TLS 241)、WANG Xiangke(TLS 119)、WANG Dongbo(TLS 101)、YANG Qi(TLS 92)、CHENG Min(TLS 88)等与该研究领域其他作者的合作密切。这些作者中来自Hunan University(湖南大学)的占了7位，North China Electric Power University(华北电力大学)、University of Science and Technology of China(中国科学技术大学)和Hunan Agricultural University(湖南农业大学)各1位，说明湖南省，特别是湖南大学学者在环境生态学研究领域比较活跃，而且形成了较高水平的研究团队和前沿的研究领域。

2.3 研究机构分析

本文利用VOSviewer软件生成我国环境生态学领域高被引论文研究机构合作关系的知识图谱网络，见图2。在图2中，圆球表示研究机构，圆球大小表示发文量的多少；连线表示合作关系，连线粗细和长短表示合作关系的强度；颜色表示不同的聚类，颜色相同表示主体之间的联系更密切。通过参数调节，选择最低发文量为10篇、最低引用次数为3次的研究机构共有1 532个，阈值为76，对研究机构合作关系进行了知识图谱分析，见图2。

图2 2009—2019年我国环境生态学领域高被引论文研究机构合作关系的知识图谱

由图2可见，我国各大学研究机构之间的合作关系密切，合作网络辐射全国，共形成7个大的研究机构聚类。通过对这七个研究机构进行聚类分析，可以发现形成聚类的主要原因是同一聚类研究机构的研究方向同一度比较高。7个研究机构聚类的主要研究领域大致可分为水环境与生态毒理学、水污染控制、城市与区域生态、污水处理与固态废弃物处置、土壤环境污染、大气环境与污染控制等。具体分析如下：

最大的研究机构聚类即第一个聚类在知识图谱中用天蓝色区域表示，在这个聚类中共有8个研究机构项，分别是中国科学院、中国科学院大学、武汉大学、美国亚利桑那州立大学、美国乔治亚理工学院、美国耶鲁大学、美国俄克拉荷马大学、加拿大不列颠哥伦比亚大学。该聚类的主要研究领域涉及范围较广，以中国科学院为中心，与其他6个聚类均有联系，其比重最大。在这一聚类中,中国科学院、中国科学院大学在该研究领域与5所国外机构均有合作，武汉大学与加拿大不列颠哥伦比亚大学也有合作。

第二个聚类在知识图谱中用红色区域表示，在这个聚类中共有16个研究机构项，分别是清华大学、北京理工大学、华东师范大学、复旦大学、济南大学、南京大学、南开大学、上海大学、中山大学、中国环境科学研究院、香港科技大学、美国国家航空航天局(NASA)、美国国家大气研究中心(NCAR)、美国纽约州立大学奥尔巴尼分校、美国伊利诺伊大学和澳大利亚昆士兰科技大学。这一聚类中清华大学比重最大，通过分析可以发现该聚类主要研究领域为水环境污染与生态毒理学。在这一聚类中,美国纽约州立大学奥尔巴尼分校与南开大学、中国环境科学研究院、NCAR和济南大学在该研究领域均有合作，NASA与南京大学、中山大学、清华大学在该研究领域均有合作，澳大利亚昆士兰科技大学与清华大学、南京大学、复旦大学、中国环境科学研究院、济南大学在该研究领域均有合作，美国伊利诺伊大学与清华大学、复旦大学、香港科技大学、济南大学在该研究领域均有合作。

第三个聚类在知识图谱中以绿色区域表示，在这个聚类中共有16个研究机构项，分别是浙江大学、重庆大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、天津大学、河海大学、浙江农林大学、广东工业大学、香港大学、香港理工大学、韩国高丽大学、巴基斯坦费萨拉巴德农业大学、加拿大阿尔伯塔大学、美国佛罗里达大学和美国密歇根大学。这一聚类中浙江大学比重最大，通过分析可以发现该聚类的主要研究领域为水污染防控。在这一聚类中,加拿大阿尔伯塔大学与香港理工大学、华中科技大学、上海交通大学在该研究领域均有合作，韩国高丽大学与浙江大学、浙江农林大学、广州工业大学、上海交通大学等在该研究领域均有合作，巴基斯坦费萨拉巴德农业大学与浙江农林大学、上海交通大学、浙江大学在该研究领域均有合作，美国佛罗里达大学与浙江大学、香港大学、上海交通大学等在该研究领域均有合作，美国密歇根大学与香港大学、河海大学、香港理工大学、重庆大学在该研究领域均有合作。

第四个聚类在知识图谱中用深蓝色区域表示，在这个聚类中共有11个研究机构项，分别是北京大学、北京师范大学、中国海洋大学、美国波士顿大学、美国哈佛大学、美国马里兰大学、美国马萨诸塞大学、英国剑桥大学、英国伦敦大学、英国埃克塞特大学和瑞士伯尔尼大学。这一聚类中北京大学和北京师范大学的比重较大，通过分析可以发现该聚类的主要研究领域为城市与区域生态。在这一聚类中,北京大学、北京师范大学与除美国马萨诸塞大学之外的其他8所国外研究机构在该研究领域均有合作，中国海洋大学与美国马萨诸塞大学、英国埃克塞特大学在该研究领域均有合作。

第五个聚类在知识图谱中用姜黄色区域表示，在这个聚类中共有11个研究机构项，分别是湖南大学、中南大学、华东师范大学、同济大学、西北农林科技大学、长安大学、西安建筑科技大学、浙江工业大学、澳大利亚格里菲斯大学、澳大利亚昆士兰大学和澳大利亚悉尼科技大学。这一聚类中湖南大学的比重最大，通过分析可以发现该聚类的主要研究领域为污水处理与固态废弃物处置。在这一聚类中,澳大利亚格里菲斯大学与中南大学、湖南大学、同济大学、华东师范大学等在该研究领域均有合作，澳大利亚昆士兰大学与湖南大学、华东师范大学、西北农林科技大学在该领域均有合作，澳大利亚悉尼科技大学与长安大学、西安建筑科技大学、湖南大学、中南大学等在该研究领域均有合作。

第六个聚类在知识图谱中以紫色区域表示，在这个聚类中共有9个研究机构项，分别是中国农业大学、南京农业大学、湖南农业大学、东北农业大学、环境保护部(现生态环境部)、中国农业科学院、美国密歇根州立大学、美国斯坦福大学和美国明尼苏达大学。这一聚类主要由农业类大学或政府主管部门和科研机构组成，研究机构之间分布比较均匀。通过分析可以发现该聚类的主要研究领域为农业生态与可持续发展、农业环境及土壤污染治理。在这一聚类中,美国密歇根州立大学与我国环境保护部在该研究领域有合作，美国斯坦福大学与中国农业科学院、湖南农业大学、南京农业大学、东北农业大学在该研究领域均有合作，美国明尼苏达大学与南京农业大学、我国环境保护部在该研究领域均有合作。

第七个聚类在知识图谱中以土黄色区域表示，在这个聚类中共有4个研究机构项，分别是华北电力大学、中国科学技术大学、苏州大学和沙特阿卜杜勒阿齐兹国王大学。这一聚类中华北电力大学的比重最大，通过分析可以发现该聚类的主要研究领域为低碳节能、大气环境污染控制。在这一聚类中,沙特阿卜杜勒阿齐兹国王大学与华北电力大学、苏州大学、中国科技大学在该研究领域均有合作。

按照总链接强度将排名前10位的研究机构列出,见表2。

表2 2009—2019年我国环境生态学领域高被引论文总链接强度排名前10位的研究机构

由表2可知：中国科学院、清华大学、北京大学、中国科学院大学、浙江大学、北京师范大学不仅在发文量和引用量上比较领先，而且总链接强度也较高，且这几个研究机构在环境生态学领域的发展较好，值得借鉴与学习；另外，在与我国高校联系比较紧密前10名高校中还出现了2所国外高校(美国佛罗里达大学、美国马里兰大学)，说明这两所高校在环境生态学领域与我国高校学者的合作比较多，甚至超过了很多世界一流大学，一定程度上也反映了我国高校和科研机构的国际合作与交流越来越频繁，研究深度和广度都有所延伸，也说明世界大多数国家和地区在环境生态学研究领域具有共同的利益追求和广阔的合作前景。

2.4 关键词分析

文献中关键词是一篇论文主要内容的核心与精髓，高频关键词能够反映某学科领域的研究主题，进而分析某学科领域的发展重点、研究热点、研究前沿等。通过VOSviewer软件，可以得出我国环境生态学领域这1 232篇高被引论文中总链接强度排名前20位的关键词，依次为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，见表3。

表3 2009—2019年我国环境生态学领域高被引论文总链接强度排名前20位的关键词

通常将文献中所有的关键词聚为一个个的关键词类团后，能够用可视化界面将聚类结果展示给研究者，让其对该领域研究的知识结构有一个直观、宏观的把握。本文以“环境生态学”为主题，将1 232篇高被引论文有关信息导入VOSviewer软件，将文章最少关键词设置为3个，得出7 285个关键词，阈值为1 145，将结果以可视化知识图谱展示出来，见图3。在图3中，圆球大小表示关键词出现频次的高低，圆球越大该关键词出现的频次越高；圆球间连线的长短和粗细表示两者间的关联性，圆球间连线越短、越粗，表示两者之间的关联性越大；同色圆球间表示两者之间的相关性更高，不同颜色圆球连线颜色会变化，表示两者之间也有相关性。

图3 2009—2019年我国环境生态学领域高被引论文的关键词共现知识图谱

由图3可见，共形成了10个大的关键词聚类，处于每一聚类中心的关键词的权重最大，可以发现我国环境生态学领域的发展主要瞄准“废水”“气候变化”“重金属”“海洋环境”“抗生素”“中国”“PM”“污泥”“二氧化碳排放量”“浅层地下水”“人工智能”等方面的研究。其中，第一个聚类为废水、去除、吸附作用、过氧化氢、高级氧化技术、碳纳米管等相关性的关键词,用红色表示；第二个聚类为气候变化、温度、生态服务、生物多样性等相关性的关键词，用绿色表示；第三聚类为重金属、镉、土壤、污染等相关性的关键词，用深蓝色表示；第四个聚类为海洋环境、污染、微塑性物质、沉淀物、毒性等相关性的关键词，用黄色表示；第五个聚类为抗生素、个人护理用品、固相萃取、细菌等相关性的关键词，用紫罗兰色表示；第六个聚类为PM、悬浮微粒、空气污染、源解析等相关性的关键词，用浅蓝色表示；第七个聚类为污泥、污水处理、活性污泥、甲烷产量、厌氧消化等相关性的关键词，用橙色表示；第八个聚类为二氧化碳排放量、城市化等相关性的关键词，用浅褐色表示；第九个聚类为浅层地下水、饮用水、地下水质量等相关性的关键词，用浅紫色表示；第十个聚类为人工智能、支持向量机等相关性的关键词，用浅粉色表示。通过以上分析可以看出，近11年来我国环境生态学研究领域热点主要聚焦在空气污染及其防治、水资源的有效处理及废水处理、重金属等有毒物质造成的环境污染及其防治等方面。

3 结论与建议

3.1 研究结论

本文利用ESI数据库，采用传统统计学方法和VOSviewer软件对近11年来我国环境生态学领域的1 232篇高被引论文进行了深入的分析，发现我国环境生态学领域高被引论文产出各项指标呈现良好的发展态势，反映出新时代我国高校和科研机构高度重视环境生态学的理论研究，同时我国各级政府在环境生态保护实践方面也取得了显著成效，一定程度上促进了理论研究的发展，主要体现为：

(1) 在发文量上，我国环境生态学领域的发文量以30.59%的年均增长率呈现逐年增加的趋势，其中高被引论文数量居世界第二位，热点论文数量居世界第一位。从时间上看，我国环境生态学领域年度发文量变化呈现阶段性特征，这也与国家对生态环境保护的重视程度呈正相关关系，说明我国政府越来越重视保护和改善生态环境，把生态环境保护和生态文明建设放在更加突出的位置。

(2) 我国环境生态学领域各科研机构近11年来合作关系密切，其中中国科学院作为国家级科研机构在该研究领域的发文量最多，远高于其他单位，在我国环境生态学研究领域具有强大的科技竞争力，有着良好的科研氛围和较高的专业学科研究水平。我国大学研究机构间的合作关系密切，合作网络辐射全国，呈现出科研机构间合作为主，与国内高校合作为辅的特点。在国内高校中，北京大学、清华大学、北京师范大学、浙江大学、上海交通大学等不仅是论文高产出机构，而且也是与其他研究机构紧密联系的几所大学，对其他院校的学科发展有着重要的借鉴作用。

(3) 在作者合作关系上，整体分散布局，形成10个主要作者聚类，其中ZENG Guangming(曾光明)和WANG Xiangke(王祥科)两位学者在高被引论文发文量和总链接强度上处于领先位置；湖南大学、华北电力大学、湖南农业大学等机构学者在环境生态学研究领域比较活跃，而且形成了较高水平的研究团队和前沿的研究领域，对我国环境生态学领域的发展做出了重要贡献。

(4) 根据关键词聚类分析显示，我国环境生态学领域的研究热点主要包括水环境修复、环境污染物与生态毒理学、海洋生态污染、浅层地下水、PM、气候变化、污泥处理等几大方向，其中吸附作用、抗生素、重金属、活性炭、生物炭、气候变化等方面是研究热点。未来的主要研究方向在水环境修复、重金属污染与生态毒理学、气候变化影响等方面。

3.2 思考与建议

我国环境生态学领域研究呈现出积极向上的发展态势，高被引论文数量在不久的将来也会赶超美国，成为世界第一，但是高被引论文数量多并不代表着研究实力强。从已有数据的分析来看，我国学者关注的研究领域都是跟国家政策紧密相关的领域，比如PM治理、水污染等；另外，国际合作机构、对象也比较局限，与我国周边国家如韩国、日本等合作较多，与欧美等世界主要发达国家，特别是与环境生态学领域研究实力最强的世界一流高校之间的合作还不够紧密，在这些方面我国还有非常大的提升空间。对此，提出如下建议：

(1) 进一步加强环境生态学领域的研究投入和支持，将高被引论文产出量赶超美国作为近期实现的目标，稳步提升并确立我国环境生态学领域的国际领先地位，为政府实施生态环境保护政策提供理论依据和实践范本，使我国在全球生态环境保护、温室气体排放、碳排放交易市场建设等方面居于世界领先地位，不再受制于他人。

(2) 进一步加强环境生态学研究领域的合作，不仅要更加重视国际间的合作，国内科研机构间的合作也需要重视，特别是要加强与国外著名研究机构的合作，从而不断提升科学研究的水平和科研论文的质量，改变环境生态学领域我国主导的科研活动国际合作度总体偏低和论文自引率偏高的现状。

(3) 进一步加强环境生态学领域学科交叉研究，既要基于环境生态学领域开展更深层次、更广泛的学科交叉研究，也要紧跟环境生态学领域的前沿热点，持续关注重大科学问题，还要积极发现环境生态学领域新的增长点，比如大数据、人工智能、新一代信息技术在该领域中的应用，从而不断催生新的高水平科研成果。