基于文献计量和可视化分析的中国水生态环境治理研究热点与趋势

王越晗，黄雨露，夏 煜，郑家喜

(1.中南财经政法大学 工商管理学院，武汉 430073； 2.长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉 430010)

1 研究背景

水生态主要关注的方面有河湖生态水量(生态基流、敏感生态蓄水、湖泊最低生态水位)、生物多样性、生态敏感区、植被特征、重要水生生物生境、生态恢复、重要湿地保留率、河湖水系连通情况、湖滨生态保护与修复、水生态综合治理等。水环境主要关注的方面有水质、底质污染、污染源、水体自净能力、水环境容量(污染负荷)、水功能区、水体营养状况(湖泊和水库)、水环境治理工程、水利工程对环境的影响等。虽然水利水电工程开发在防洪、发电、灌溉和供水等方面提供了巨大的效益，但它对水生态环境系统有着持续和深远的影响[1]。国务院印发《水污染防治行动计划》[2]表明了党中央和政府对水生态环境治理的高度关注。大量学者都在关注通过生态调控的方式来保护和恢复水生态环境。有学者收集观察资料，为提出理论假设或检验理论假设而展开研究，从实证的角度分析流域内植被覆盖度和生态风险度[3]；剖析水生态文明试点与城市水生态环境质量改善之间的关系[4]；从水资源、水生态、水利用、水管理和水文化5个方面入手，构建水生态的综合评价指标体系[5]。也有学者从案例的角度，探索最大限度地提高土壤的固碳效益和产水率[6]；对区域水环境质量进行测定和分析，为该地区水环境改善和城市规划提供科学依据[7]；研究了水中硫化物和挥发性有机硫化合物季节性变化和分布特征，解释了硫化物污染造成生态环境严重恶化、污染饮用水源的原因[8]。

纵观中外相关文献，虽然有大量的水生态环境治理方面的论文，但是鲜有学者利用文献计量工具对水生态环境治理进行可视化分析。为了让相关领域学者更好地了解水生态环境治理研究的前沿和发展趋势，本研究运用文献计量软件绘制水生态环境治理研究的知识图谱，采用文献计量分析的方法来描述、评价和预测水生态环境治理研究领域的现状与发展趋势，期望能为该领域的相关学者提供一定的参考和带来启发。

2 数据的来源及方法

美国科学信息研究所Web of Science(WoS)是全球最大和最负盛名的引文数据库之一。Citespace是一款应用于科学文献中元数据节点识别并显示科学发展新趋势和新动态的软件。 利用Citespace可以寻找某一学科领域的研究进展和当前的研究前沿及其对应的知识基础。本研究在Web of Science(WoS)核心合集数据库中以主题词(Water environmental improvement)OR(Water ecological restoration)进行检索，将国家/地区设置为中国，得到4 070篇相关文献。为确保文献质量，将检索到的文献进行进一步精炼，将Web of Science索引设置为(SCI-Expanded) OR (SSCI)，因2004年以前相关文献较少，故时间设置为2004年1月1日至2022年2月24日，剔除综述论文、会议录用论文等文献，最终得到568篇文献作为原始数据。将该数据导入Citespace软件中进行分析，时间参数设置为2004—2022年，Year Per Slice(切片单位年)设置为1。

3 数据特征分析

3.1 水生态环境治理高水平论文发表趋势

使用文献计量法分析水生态环境治理的发展历程，文献数量变化和时序规律统计分析可以揭示水生态环境治理领域的发展状况，预测其研究前景。对2004—2022年的568篇文献进行统计分析，同时根据普赖斯曲线(科学文献的增长与时间成指数函数关系，当趋势线决定系数越接近 1 时，拟合程度越高，也就表明未来某一学科领域所发表的文献数量的增长速度越快)，结合图1可知，样本载文量与时间的关系式为y=5.814 3e0.143 6x，其趋势线决定系数R2=0.938 5；这说明水生态环境治理研究领域的高水平论文随着时间的推进呈明显的指数型增长趋势，增长历程总体上分为2个阶段。①理论探索过渡期(2004—2018年)：这一阶段探讨水生态环境治理的文献开始出现，从最开始的水生态环境治理观念的提出到治理理念的探讨是这一阶段比较显著的特征，同时文献数量大体上呈现逐年缓慢上升的趋势，表明对水生态环境的治理已经逐渐得到了世界各国学者的关注；②科研成果爆发式增长期(2019—2022年)：随着中国对水生态环境治理的重视，投入了大量科研力量，中国学者发表高水平论文的比重迅速上升，这也推动着近几年国际上水生态环境治理方面论文发表数量的提升。

图1 水生态环境治理领域发文量趋势Fig.1 Trend of number of published papers concerningwater eco-environmental governance

3.2 水生态环境治理领域的核心研究力量分布

3.2.1 高发文量作者及高被引作者分布

高发文量说明学者在水生态环境治理研究领域产出较多，高被引则是衡量学者学术水平和学术影响力的重要指标。最高发文量学者是张鹏，发文4篇，依据普赖斯定律可知本研究中高发文量作者被定义为发文量2篇及以上的学者。由表1可知，大多数高发文量作者发文为2篇，超过2篇的只有张鹏与李博这两位学者，说明在水生态环境治理这一领域还有待更多的学者参与进来。

表1 水生态环境治理研究领域高发文量作者Table 1 Top authors in the study of water eco-environmental governance

在高被引学者方面，根据表2结合表1可以发现，发文量与被引频次之间无必然联系，被引频次主要与研究的不同主题相关。

表2 水生态环境治理研究领域高被引作者Table 2 Most cited authors in the study of watereco-environmental governance

高被引学者主要研究2个方面的内容：①从生态经济、生态系统服务、环境政策决策等方面来论证水生态环境治理的必要性。 Costanza等[9]认为湿地作为有价值的“水平防洪堤”发挥着巨大的作用，同时提供了许多垂直防洪堤无法提供的生态系统服务，湿地的修复和保护对人类社会来说是一项极具成本效益的策略；Ye等[10]认为评估气候变化和人类活动的相对影响，不仅对了解流域的水文响应机制，而且对地方水资源管理和防洪抗旱具有重要意义；Gao等[11]探讨了流域生态补偿中政府决策过程及其影响因素，流域生态补偿作为一种协调各级政府冲突、解决跨界水污染、促进水资源可持续发展的制度资源，已被广泛利用。②通过实验、建立模型等科学研究方法来探讨如何改善水生态环境。Liu等[12]认为砂质边坡表土内部黏聚力弱，侵蚀严重，在不考虑环境和生态因素的情况下，可以通过恢复土壤颗粒间凝聚力来提高表土的稳定性，否则就得采用水性聚氨酯(PU)土壤稳定剂来加固砂质边坡表土，才能达到控制侵蚀的目的。Gao等[13]关注近年来水库泥沙淤积严重、水质恶化现象，基于环境流体动力学程序(EFDC)，建立了一个三维水动力和水质模型来评估水库水动力学和水质对恢复措施的响应，包括扩建和泥沙疏浚项目、外部减载和进水调节。

3.2.2 高发文量机构及高被引期刊分布

发文量可以直观地反映出一个机构在水生态环境治理领域的研究水平及产生的影响力。表3列出了水生态环境治理研究领域发文量排名前10的机构，其中中国科学院以58篇发文量独占鳌头，中国科学技术大学以23篇发文量位居次席，北京师范大学以20篇发文量紧随其后，其他在水生态环境治理领域比较出名的诸如中国环境科学研究院、中国水利水电科学研究院、河海大学等机构也进入了榜单。为了更直观地体现机构间合作发文情况，本文以“Institution”为节点绘制机构合作发文网络，如图2所示。从图2可以看出，机构合作网络间联结比较紧密，多机构合作成为常态，国内在水生态环境治理研究领域已经形成了群簇态势。

表3 水生态环境治理研究领域发文量前10的机构Table 3 Top ten affiliations of authors in the study ofwater eco-environmental governance

图2 水生态环境治理研究领域机构合作发文网络Fig.2 Cooperation network of affiliations in the study ofwater eco-environmental governance

期刊的被引频次能有效说明期刊在水生态环境治理研究领域发文的认可度。表4列出了2004—2021年前10位高被引期刊，这些期刊在水生态环境治理研究领域都有一定的权威性，能够体现水生态环境治理研究的动态，为相关学者的后续研究提供方向。

表4 水生态环境治理研究领域的前10高被引期刊Table 4 Most cited journals in the study of watereco-environmental governance

3.3 水生态环境治理研究趋势分析

关键词在某个时间段被引频次有大幅上升可以预判水生态环境治理领域的研究前沿。因此，本文使用“Burst(突现值)”来判断水生态环境治理领域的研究前沿。表5列出了水生态环境治理研究领域前20位突现词，其中突现强度最大的是“污染”，突现强度达到6.73。该词反映出水生态环境治理领域的核心议题就是应对水污染。结合突变强度较高的“气候变化”“模型”等不难看出，从自然科学的角度剖析气候变化的原因及影响，并搭建、运用模型来科学地应对污染是很具有影响力的研究前沿，同时，聚焦“管理”“改进”“质量”“政策”等关键词则可以从社会科学的角度去思考水生态环境治理，说明水生态环境治理是一个复杂的系统工程，这也是水生态

表5 水生态环境治理研究领域前20突现词排序Table 5 Top 20 key words with the strongest citationbursts in the study of water eco-environmental governance

环境治理的重要研究前沿。从长江流域层面上来看，已有学者[14-15]对长江三角洲区域水生态环境治理有过思考，通过分析长三角地区在人类活动及自然条件双重影响下的水环境质量恶化、水生态功能退化、协同治理能力不足等问题,构建水资源、水环境、水生态和水管理“多水共治”技术体系, 提出了提高水资源集约利用、加强水生态空间保护、构建互联互通生态水网等一系列区域水生态环境治理策略建议；也有学者对长江江苏段水生态环境保护提出新的看法，优化配置河道湿地植物群落，建设植被缓冲带和隔离带，使河道退化的河滩生态系统功能逐步得到恢复；还有从宏观层面上通过“五水统筹”治理提升长江经济带生态环境质量的讨论，借力10 a禁渔，做好长江流域水生态调查，开展流域水生态保护和修复，实施生物多样性保护工程。但是，作为长江流域中非常重要的武汉段，还未有学者发表高水平论文来探讨长江武汉段的水生态治理，今后可以搭建科学试验模型来评价武汉段的水污染治理、气候变化对水生态环境治理造成的困境以及管理、政策上的创新与不足。此外，“黄土高原”是一个不容忽视的突现词，从表5不难看出，该词出现时间最晚同时又持续突现至今，表明未来一段时间针对黄土高原水生态环境治理的研究仍将是有价值的前沿。从时间上来看，关键词突现全部在2016年之后出现，说明水生态环境治理研究领域仍然是一个很新的领域，还有很多问题值得去深入研究。

3.4 水生态环境治理研究热点的聚类分析

关键词聚类图谱可以客观地反映出水生态环境治理研究的共现热点。聚类可选的算法主要有潜语义索引算法(Latent Semantic Indexing，LSI)、对数似然率算法(Log Likelihood Ratio，LLR)以及互信息算法(Mutual Information，MI)3种，同时可通过聚类模块值Modularity(Q值)与聚类平均轮廓值Mean Silhouette(S值)2个指标判断聚类结果的效度。本文通过LLR对水生态环境治理领域中的关键词进行聚类分析，根据关键词网络中的聚类模块值Modularity(Q值)和聚类平均轮廓值 Mean Silhouette(S值)来判断聚类结果的效度。Q>0.3表明聚类结构显著，S>0.5表明聚类合理，S>0.7意味着聚类是相当可靠的。如图3所示，本文将关键词分为10个聚类。

图3 水生态环境治理研究的关键词聚类时序Fig.3 Time sequence of key word clustering in the studyof water eco-environmental governance

(1)#0聚类、#1聚类、#4聚类、#5聚类、#7聚类和#8聚类研究主题分别是环境卫生、干旱地区、水质、栖息地、绿地和离散选择实验。主要研究方向有评估水质改善对鱼类的影响、监测生物完整性指数、建立生态适应性模型等。当前关于潜在的气候变化对流域水文水资源状况影响的研究还很有限，高空间分辨率尺度下的河段和湿地地形及生态环境对气候变化的响应研究尚属空白。因此通过建立水域范围内的水沙输运模型，模拟水域的水沙状况；在此基础上，分析了潜在气候变化对河床和湿地地形的影响，进一步完善了湿地生境适宜性评价体系，并对湿地生态环境在当前气候条件下和潜在气候变化下的演化过程进行了评价和比较[16]。水利水电工程开发在防洪、发电、灌溉、供水等方面取得巨大效益的同时，对生态系统也产生了持续而深远的影响。对传统水库调度的改进，使其既能满足防洪和蓄水的要求，又能考虑到河流生态系统对各种水文情势的基本需求。利用MIKE 21软件进行数值模拟，可以得出河流底栖硅藻的生态环境适宜性曲线。采用河流流量增量法(IFIM)和River2D软件计算不同流量下底栖硅藻的加权可用面积(Weighted Useful Area，WUA)，提出适合底栖硅藻生长的水流限制条件，建立了一套完整的河流底栖硅藻水力生态环境恢复措施，以保证水电站建成后下游河流的生物多样性[17]。可以预见，在未来一定时期内，Logistic回归分析、人工神经网络、支持向量机、分类树等计算模型以及实证研究等仍是非常有潜力的研究方式。

(2)#2聚类、#3聚类、#6聚类和#9聚类研究的主题是植被动态、短生植物、河口以及大气校正方面。利用ArcMap Gis软件对应力源和过程进行空间分析，可以找到流域河口水质化学元素超标的主导因素和关键变量，扑灭野火、减少树木、遏制土壤侵蚀和改善河岸缓冲带等措施可以让河口的水生态环境得到有效的保护[18]。中国的黄土高原曾遭受过很严重的水土流失，为防止情况恶化，改善生态环境，1999年开始实施退耕还林工程。在针对黄土高原流域水生态环境方面，有学者认为关于干旱和退耕还林对该地区植被动态的耦合效应研究还很少。因此，有人基于标准化降水蒸发指数(Standardized Precipitation Evaporation Index，SPEI)和归一化植被差异指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，评估了干旱和植被动态的变化趋势，以及干旱和退耕还林对植被动态变化趋势的影响[19]。生态系统格局、生态系统质量和生态服务等方面的评价对水生态环境治理也是很有必要的。还有学者基于实测数据和广泛应用的生物物理模型包括修正通用土壤流失方程(Revised Universaliooil Loss Equation，RUSLE)、修正风蚀方程(Revise Wind Erosion Equation，RWSQ)和卡耐基-阿美斯-斯坦福方法(Carnegie-Amis Stanford Method，CASA)，对区域内土壤保持、水土保持、固碳等生态系统服务功能进行评价和物种保护[20]。生态修复和生态系统变化的经验表明，生态保护应考虑气候变化的影响，以促进多种生态系统服务的协同作用。近几年，对黄土高原流域水生态系统格局、水生态系统质量及生态服务等方面的案例研究依然是热门的研究方式。

此外，针对长江流域水生态环境治理，国内学者多从法制及政策的角度来探讨问题。从立法的角度来看存在分散式立法与整体性相悖的问题，水资源分散式立法是我国水资源立法体系的重要特点，有《防洪法》《水土保持法》《水污染防治法》《水法》等，但长江流域水生态环境的复杂性决定了只有制定“长江法”才能从法治上的根源处解决长江流域水生态环境问题。我国于2020年12月26日颁布了《中华人民共和国长江保护法》，从法律的颁布到开始施行已有1 a多时间，对法律的适用情况及相关案例的研究还很少有学者去做，进一步深入地了解法律推进的情况也有助于推进更好地治理长江。从政策的角度来看，有学者提出整合流域现有管理机构资源；也有学者提出优化长江流域生态环境治理顶层设计，创新流域综合管理模式；还有学者提出统筹现有长江流域的监测中心和信息化平台，整合政府、企业、科研机构等各方数据资源，为长江生态环境问题分析提供高质量大数据，作为流域生态环境问题的诊断依据[21]。其他还有对长江流域信息公开制度缺位的探讨、以“协商共治”为中心的长江流域生态环境治理模式转变研究等。纵观国内高水平文献可知，目前对长江流域水生态环境治理在政策的探讨及提出的对策相对技术层面上的研讨较为充足。今后可以在技术层面上加强对长江流域水生态环境治理的研讨，如长江水质的改善对鱼类的影响、监测长江生物完整性指数、建立长江生态适应性模型以及长江流域干旱与植被动态的变化趋势等。

4 结 语

(1)根据2004年以来水生态环境治理研究领域文献计量分析结果，国内水生态环境治理研究领域的发文量在未来一段时间内还会持续增加。水生态环境治理是一个复杂的系统工程，涉及不同学科、不同行业和不同的部门、机构，需要社会各界的共同参与。未来在流域水生态环境演变、水工程生态环境影响、流域水污染防治、水环境模拟、水生态保护与修复、绿色可持续科技以及生物多样性保护等方面的研究还会继续深入。高校和科研院所是中国水生态环境治理研究的核心力量，相互之间的合作有利于水资源、水生态、水环境等要素的协同治理。

(2)水生态环境治理的核心就是如何应对“污染”、如何对“气候变化”作出反应。水生态环境治理研究聚焦于水域的水质、水域周边的环境和植被动态。城市水环境治理研究以水动力为基础，以水质为目标，恢复河湖的自然状态，构建科学完善的水陆空间格局和河湖自净化系统。而高原、干旱地区水域的水污染治理评价体系的构建、气候变化对水生态环境治理造成的困境，以及管理、政策上的创新与不足是该领域的研究前沿。利用Logistic回归分析、人工神经网络、支持向量机、分类树等计算模型，以及实证方法可以提供更加科学的数据支持，从而减少案例研究的特殊性和非理性所带来的影响，这是水生态环境治理研究的发展趋势。