基于CiteSpace的城市生态系统服务研究知识图谱分析

代富强, 李青, 张霞, 刘浩

1. 重庆工商大学公共管理学院，重庆 400067；

2. 重庆工商大学经济学院，重庆 400067；

3. 重庆工商大学长江上游经济研究中心，重庆 400067

生态系统服务是人们通过直接或间接方式从生态系统中获得的有关红利，能为自然和社会提供各种效益，包括供给功能、调节功能、文化功能以及支持功能[1]。城市生态系统服务是人类从城市生态系统中直接或间接获取的全部收益[2]，其社会服务价值和自然服务价值多样，主要包括房地产增值功能、减排降噪功能、绿地涵养水源等。因此，开展城市生态系统服务研究对实现我国城市绿色高质量发展、保护生物多样性、改善城市环境等具有重要意义。

近年来，城市生态系统服务逐渐受到国内学者的广泛关注，相关研究成果主要集中在以下三个方面：（1）城市生态系统服务价值评估。有学者运用市场价值法、成本替代法等方法对城市森林、湿地和公园的生态系统服务价值进行评估，发现调节服务价值最大，集中表现在涵养水源和固碳释氧两方面[3-5]。（2）生态补偿标准与机制。不同学者根据流域、城市饮用水源区、传统农业区、民族地区、旅游地等自然、社会经济类型区的独特性，提出了相应的生态补偿理论和方法[6-10]。生态补偿机制研究大多以补偿标准、补偿方式、补偿主体、补偿客体为主要内容，政府在推进生态补偿过程中发挥主导作用，市场起辅助作用[11]。（3）城市生态系统服务的土地利用变化影响研究。王保盛等[12]采用InVEST模型对闽三角城市群水源涵养服务进行研究，发现土地利用变化对水源涵养产生作用从大到小依次表现为林地、其他土地、草地、农田、建设用地、水域。欧阳晓等[13]以长株潭城市群为例，基于3种不同情景研究土地利用变化对城市生态系统服务价值的影响。

国内学者在城市生态系统服务研究方面取得一些重要进展，并进行了大量实证研究，但鲜有文献对城市生态系统服务的研究热点和趋势动态进行知识图谱分析。基于此，本文运用文献计量方法和CiteSpace软件，绘制城市生态系统服务研究领域的知识图谱，探究城市生态系统服务研究进程及其热点、趋势，这对于探索我国城市生态系统服务研究变迁路径和未来研究方向具有重要的理论价值与现实意义。

1 研究方法和数据来源

1.1 CiteSpace和知识图谱分析

CiteSpace是2004年美国Drexel大学的陈超美教授开发的一款可视化软件，这一款软件需要在Java环境下运行。该软件以可视化分析方式展现科学知识的结构、规律和分布情况，因此也将通过此类方法分析得到的可视化图形称为“科学知识图谱（Mapping knowledge domains，MKD）”[14]。它支持来自主要来源期刊的书目和引文数据，如Web of Science，Scopus，Dimensions，CNKI，CSSCI等。其中一些需要使用CiteSpace的内置转换器进行格式化转换，通用的用户定义转换器可用来转换CSV文件中的数据文件。可以将收集到的数据资料对研究领域内的作者分布情况、机构间合作关系、关键词共现等进行系统分析，通过知识图谱的形式将研究领域内的演化结果和变化特征呈现出来，便于研究者追踪研究领域内的热点问题及未来发展趋势。

图 1 1999—2019年城市生态系统服务研究文献数量变化Fig. 1 Changes in the number of literatures on urban ecosystem services from 1999 to 2019

文献计量法是一种定量分析方法，主要结合数学和统计学方法对研究学科进行分析。对特定期刊或研究主题进行文献计量分析，可以了解期刊或不同研究主题中最有成效的作者、机构、国家、领域，甚至是研究热点和未来发展趋势[15]。20世纪初，F.J.科尔和N.B.伊尔斯首先运用文献计量法分析解剖学文献，随后该方法的使用范围越来越广，其计量对象主要是文献量、作者、关键词等。这一方法具有客观、定量和易于比较的优势, 对确定城市生态系统服务研究趋势具有重要作用。

1.2 数据收集和处理

本文选取中国知网（CNKI）学术期刊数据库的文献作为数据基础，以“城市”为主题词和“生态系统服务”为篇名进行检索，发文时间设置为1999—2019年，检索时间为2020年10月28日，共检索出416篇文章。为了使研究结果更具有针对性、真实性和代表性，剔除了会议综述、人物访谈、新闻报道、专栏介绍、书评以及文章题目明显与本文研究主题不相符的文献及英文文献后，最终选取全部405篇有效中文样本文章作为数据来源。借助 CiteSpace可视化分析软件，根据样本数据的时间跨度，将 Time slicing （时间跨度）设置为从1999到 2019，Year Per Slice （时间切边）设置为1，以关键词、研究作者和研究机构作为节点类型，对样本数据进行规范有序的可视化分析。

2 结果与分析

2.1 城市生态系统服务研究文献的数量变化特征

文献发表数量在很大程度上能够反映学术界对某一领域的关注程度[16]。基于国内城市生态系统服务研究的文献数量以及核心期刊文献数量（见图1），采用自然断裂点分级法按各年份文献数量将城市生态系统服务研究分为三个阶段，即初步探索阶段（1999—2003年）、稳步增长阶段（2003—2014年）和快速增长阶段（2014—2019年），文献数量总体呈现上升趋势。随着我国经济快速发展，生态环境问题也逐渐凸显，人们的生态环境保护意识逐渐增强，对生态系统服务研究进入到探索阶段，但是研究力度不足，1999—2003年期间文献数量只有2篇。2003—2014年城市生态系统服务研究文献数量总体呈上升趋势，但是波动较大，在2013年出现小高峰，文献数量达到34篇，是1999—2003年期间文献数量的17倍。2014年我国提出全面深化改革，习近平总书记等国家领导人对环境保护高度重视，一系列生态环境保护政策的出台推动了城市生态系统服务研究，城市生态系统服务研究的文献数量快速增加，并一直保持快速增长趋势。总体来看，1999—2019年间核心期刊文献数量变化趋势与全部期刊文献数量的增长趋势基本一致，表明城市生态系统服务研究逐渐被学术界重视；但核心期刊文献数量相对较少，说明某一研究主题从出现到发展需要有一个理论积累过程。

2.2 关键词共现网络分析

关键词是一篇论文主要研究内容的高度凝练，而关键词在相关文献出现的频次可以在一定程度上反映该领域的研究热点[15]。利用CiteSpace软件对本文选取的405篇论文进行共现网络分析，时间范围设置为1999—2019年，时间切片为1，Node Types选择Keyword，每个时间切片选择Top100，连线强度选择Cosine，得到城市生态系统服务研究文献的关键词知识图谱。聚类模块值Modularity Q是衡量聚类结构是否显著的关键指标，一般认为当Q值＞0.3时聚类结构具有较高显著性。如图2所示，Modularity Q为0.687 5，说明城市生态系统服务研究文献的关键词共现网络聚类是显著的。平均轮廓值Silhouette是用来衡量聚类的合理性和可信度，一般认为当S＞0.5时聚类是合理的，当S＞0.7时聚类是可信度高[17]。Silhouette值为0.885 1，说明该聚类是可信的。如表1所示，在共现频次前10位的关键词中，“生态系统服务”和“生态系统服务价值”是最大的两个网络节点，共现频次分别为139次和100次，说明这两个领域是城市生态系统服务研究热点，类似的关键词还包括“生态系统服务功能”“生态系统”“服务功能”“价值评估”。“土地利用”和“土地利用变化”作为城市生态系统服务变化的重要驱动因素，共现频次均大于30次。中心性是衡量关键词重要性的指标，中心性越高的关键词在关键词共现网络中的重要程度越大，也可以代表该领域在一定时期内的研究热点[18]。值得注意的是，中心性的高低与频次的高低并不完全一致，如“生态系统”这一关键词出现的频次为28次，但其中心性仅为0.06，远低于出现22次的“城市森林”的中心性0.20。

图 2 城市生态系统服务研究关键词共现聚类图谱Fig. 2 Co-occurrence cluster map of key words in urban ecosystem services research

2.3 关键词时区图分析

通过关键词时区图谱分析，可以分析城市生态系统服务研究文献的关键词随时间变化演化过程，从而预测该领域的研究热点以及未来研究趋势。如图3所示，1999—2019年“生态系统服务”是出现频次最多的关键词，“城市生态系统”和“生态系统”分别在1999年和2004年的共现频次比较突出，表明城市生态系统（服务）一直是学术界的关注重点。2004—2011年共现频次较高的关键词还包括“支付意愿”“价值（评估）”“城市森林”“城市化”等，表明城市生态系统服务的研究范围逐渐拓宽。2017年共现频次较高的关键词为“风景园林”，说明以城市生态系统服务及价值评估的理论研究逐渐转向为服务城市生态规划的应用研究。

表 1 城市生态系统服务研究关键词频次和中心性分布Tab. 1 Frequency and centrality distribution of key words in urban ecosystem services research

2.4 关键词突现图分析

图 3 城市生态系统服务研究突现关键词时区图谱Fig. 3 Time zone map of keywords burst in urban ecosystem services research

关键词突现性检测是分析某一阶段共现频次迅速增加的关键词，这类关键词可能会成为未来的重要主题和研究热点，同时也从时间维度反映热点关键词的变化特征[19]。由表2可以看出，2004年之前我国城市生态系统服务的研究热点主要是可持续发展、城市生态系统、生态系统服务功能，侧重于大尺度的研究。2004—2009年，城市生态系统服务研究经历了快速发展阶段，这期间研究热点集中在生态系统服务功能、条件价值评估法、服务功能、城市湖泊等方面，表明国内城市生态系统服务研究范围逐渐细化，在价值评估理论和方法方面取得了重要进展。2009年以后的研究热点主要是生态修复、景观格局等，侧重于小尺度的研究。从1999—2019年城市生态系统服务研究突现关键词的变化可以看出，基于生态系统服务的城市生态规划和生态修复将是未来该领域的重要研究主题。

表 2 城市生态系统服务研究突现关键词Tab. 2 Emergent keywords in urban ecosystem service research

3 讨论

本文基于知识图谱分析方法和CiteSpace软件，分析了城市生态系统服务研究的文献数量变化，通过关键词共现网络、时区图、突现性检测等分析城市生态系统服务研究热点和趋势动态。国内城市生态系统服务研究在未来一段时间将继续呈现快速发展的趋势。总体来看，国内城市生态系统服务研究仍处于探索阶段，对城市生态系统服务的科学内涵还未形成统一认识，研究方法还缺乏创新性，研究主要集中在城市生态系统服务评价及价值评估，与国际城市生态系统服务的研究趋势还存在差距，如城市生态系统退化的风险评估[20]，运用绿色基础设施空间规划模型评估生态系统服务平衡和协同作用[21]等。因此，可以采取合作联盟、协作联盟和协同联盟等合作方式[22]，加强不同学者和机构之间的优势互补和信息共享，研究内容尽快与国际研究前沿接轨，如关注利益相关者[23]、城市环境质量与人类福祉之间的关系[24]等。通过对国内城市生态系统服务研究的基本特征以及关键词知识图谱的综合分析，未来城市生态系统服务研究应该关注以下几个方面。

（1）城市生态系统服务空间评价及制图。目前大多数研究基于遥感影像获取的土地利用/土地覆被数据，采用地理分析技术在不同尺度进行城市生态系统服务空间评价[25]。土地利用具有动态变化特征，社会经济因素和不合理的土地利用也会导致土地覆被发生变化[23]。但是，由于数据的可获取性和精度问题，城市生态系统服务的空间评价研究较少。因此，未来研究可以通过提高土地利用/土地覆盖数据分辨率解决空间评价和制图问题。

（2）城市生态系统服务价值评估指标与方法。尽管关于生态系统服务价值评估的指标与方法研究较多，但城市生态系统服务价值评估指标体系仍然不完善，导致城市生态系统服务价值评估实证研究缺乏[26]。因此，为了将城市生态系统服务较好地融入城市可持续发展研究，需要系统研究城市生态系统服务价值评估指标与方法。

（3）城市生态系统服务的权衡与协同。城市生态系统提供多种生态系统服务，生态系统服务之间及其与社会经济因素之间会产生权衡和协同效应。现有研究主要是基于资源公平性问题开展生态系统服务的供给与需求研究[23]。此外，不同学者在城市生态系统服务价值评估和权衡中也存在差异。因此，城市生态系统服务的权衡与协同是该领域的重要研究主题。

（4）城市生态系统服务与城市居民福祉的关系。城市生态系统服务逐渐成为城市生态基础设施规划的重要依据，城市生态系统服务与城市居民福祉的关系逐渐受到不同学者的重视，特别需要关注城市生态系统服务的识别、评估和管理潜力对城市居民福祉的影响[2]。

（5）城市生态系统服务在城市规划与设计中的应用。为了提高城市生态系统服务在城市规划与设计的有效性与可用性，未来研究应重点关注如何解决研究和实践脱节的联系，并将城市生态系统服务的供给和需求与城市规划管理结合起来，以便城市生态系统服务研究更好发挥指导城市可持续发展的实践价值[27]。