流域氮的科学图谱及其主题演变

刘 中,梁伟斌,潘培丰,刘 懂,陈 财,徐耀阳

1 宁波市生态环境科学研究院,宁波 315012 2 中国科学院城市环境研究所,厦门 361021 3 中国科学院大学,北京 100049 4 中国科学院宁波城市环境观测研究站,宁波 315830

流域中的氮不仅对生态系统服务具有重要贡献,还易引发生态环境危害,从而引起流域研究学者广泛关注。作为生物体必需的营养元素之一,氮的形态与含量不仅直接关乎流域中农作物的产量[1—2],也可以通过调节水体中浮游植物的初级生产力,间接影响渔业产量[3—5]。近几十年来,随着农业生产中氮肥的大量使用、含氮工业废水与生活污水排放量的增加,通过地表径流、土壤渗透、大气沉降、地下水或排污管道等途径进入河流、湖泊、水库、近岸海域等水体中的氮通量有了大幅提升[6—9]。水体中氮的过量输入会导致浮游植物的大量繁殖,引发富营养化、水质退化、生物多样性损失和地下水硝酸盐污染等一系列生态环境问题,从而影响流域与近岸海域生态系统的稳定性与可持续性[10—13]。

为了应对氮引发的生态环境威胁和提升流域等生态系统的稳定性,国内外学者围绕氮循环过程、氮的形态与分布特征、氮负荷及来源解析、氮的污染与管理等方面开展了大量研究[14—18]。因此,整合前人在流域氮领域不同方面的研究结果,对于梳理该领域的研究现状、厘清研究热点、预测研究趋势具有重要意义,同时也有助于明确改善上述生态环境问题的关键理论与技术[19]。目前,已有研究概述了流域中氮的迁移转化过程、人类活动与氮输入量的关系、氮动态的预测模型和面源污染管理措施等方面的科研进展[20—23]。研究主要定性分析了流域氮领域中单一主题的研究现状,无法用定量的方法对其研究进展进行全面系统总结。此外,数量庞大且不断增长的文献数量,也使得传统的文献综述方法很难预测该领域的研究趋势。

科学图谱作为一种新兴文献分析方法,能够有效整合大量文献中的信息、定量且直观地展示某一领域的研究现状、热点与趋势,有效弥补了传统文献综述研究中参考文献量少且只能定性归纳的不足[24]。目前,该方法已广泛应用于重金属污染修复、面源污染管理、自然保护地、生态系统服务等生态环境领域[25—28]。VOSviewer、Bibexcel、CiteSpace是常用的科学图谱绘制工具,从Web of Science核心合集数据库等检索平台下载的文献记录中提取期刊、作者、科研机构、学科类型、关键词等信息,并通过构建信息的共现网络图谱揭示研究进展[29—30]。

本研究以Web of Science核心合集为数据源,借助科学图谱方法,对2000—2019年期间流域氮领域发表的研究论文进行统计与可视化分析,旨在从论文数量与期刊分布、国际与机构合作、学科交叉以及研究主题与演变的视角阐述流域氮的研究进展,并为该领域的相关综述研究提供方法学借鉴。

1 数据与方法

1.1 数据来源

基于美国汤森路透公司(Thomson Reuters)开发的Web of Science核心合集数据库,本文构建了2000—2019年间流域氮研究的文本集,围绕论文数量与期刊分布、国际与机构合作、学科交叉以及研究主题与趋势4个方面总结该领域的研究进展。该文本集由4171条以“TI=(watershed* OR drainage basin* OR river basin* OR catchment*) AND TS=nitrogen*”为检索公式下载的论文记录组成。其中TI和TS分别代表题目(Title)和主题(Topic)。检索时间为2020年10月15日,每条记录包括出版年份、作者地址、学科类型和关键词等信息。

1.2 数据分析

本研究基于Web of Science分析功能对流域氮领域论文的年发表数量进行统计并利用Origin软件分析了发文量的年际变化趋势。根据Web of Science中2019年版的引文报告,对来源期刊的论文数量统计,并进一步分析论文数量排名前20期刊的总被引频次、篇均被引次数及影响因子。首先,国际合作模式以国家单元为基础,将英格兰、苏格兰、威尔士和北爱尔兰发表文献合并为英国文献集；中国的台湾省、香港和澳门特别行政区出版的文献统一归为中国文献集。然后,基于VOSviewer可视化软件中的全计数法,对各国的发文量进行统计,并计算发文数量排名前20国家之间的合作次数。最后,基于国家的地理位置和国家间的合作频次,采用ArcGIS展示了国际合作网络。与此同时,发文数量排名前20的科研机构合作也采用VOSviewer软件合作网络图谱进行分析展示。

学科交叉特点通过学科类型共现网络进行呈现。首先,采用文献分析软件Bibexcel,统计了各学科类型的文献数量。其次,运用Bibexcel中的共现分析模块,统计论文数量排名前20的学科类型之间的共现频次。最后,借助VOSviewer中的可视化功能展示学科交叉的现状。鉴于关键词是对论文内容的高度概括,本研究选取流域氮领域最常用50个关键词进行研究主题的分析。首先,基于VOSviewer软件中的二进制计数法,对关键词进行词频统计。考虑到有些关键词在文献中表述相同的含义,在词频统计前将同义词进行合并。其次,借助VOSviewer软件中的全计数法,计算关键词之间的共现频次。然后,根据词频及共现次数的统计结果构建了关键词共现网络,并利用软件默认的加权欧式距离算法将关键词进行分组[31]。最终采用该软件叠加可视化功能,绘制包含时间属性的关键词共现网络。

2 结果与讨论

2.1 论文数量与发表期刊

图1 论文数量年际变化Fig.1 Inter-annual change in the number of publications

2000—2019年期间,Web of Science核心合集数据库共收录4171篇关于流域氮研究的论文,发文量由2000年的80篇升至2019年的307篇,发文量总体呈现逐年上升趋势(图1)。统计发现,相关论文共发表在696种期刊上,其中发文量较多的期刊包括Scienceofthetotalenvironment、Biogeochemistry和Journalofhydrology,发文量各为241、138和137篇(表1)。论文篇均被引次数较高的期刊为Environmentalscience&technology、Biogeochemistry和Journalofhydrology,篇均被引次数分别为54、47和43。其中,高影响因子期刊包括Environmentalscience&technology、Scienceofthetotalenvironment和JournalofenvironmentalManagement,影响因子分别为7.9、6.0和5.7。

表1 发文量排名前20期刊

2.2 国际与机构合作

统计分析发现共有99个国家开展流域氮研究,且发文量多于50篇的国家数量为20,占国家总数的20.3%(图2)。发文量少于10篇、10—50篇和多于50篇的国家数量分别为54、25和20,各占国家总数的54.5%、25.2%和20.3%。美国的发文量最多,共计1619篇,占论文总量的38.8%。中国的发文量排名第二(857篇,占20.5%),其次为英国(264篇,占6.3%)、加拿大(260篇,占6.2%)和德国(208篇,占5%)。美国是国际合作的主导者,与中国、加拿大、英国和韩国的合作较为紧密,合作次数分别为146、52、40、31次。中国是国际合作的另一核心力量,与美国、日本、加拿大和英国的合作最为频繁,合作次数分别为146、30、27、23次。

图2 国际合作网络Fig.2 International cooperation network

统计分析发文机构,发现共有3106家机构开展流域氮研究。其中,发文量低于10篇的机构共2932家,占机构总数的94.1%。在发文量排名前20(>40篇)的机构中,来自美国和中国机构分别有15和2所,法国、芬兰和丹麦均为1所(图3)。中国科学院(Chinese Acad Sci)的发文量最多(362篇,占论文总量的8.7%),但其论文篇均被引次数较低,仅为18。美国地质调查局(US Geol Survey)的发文量排名第二(134篇),篇均被引次数为47。美国农业部农业研究局(USDA ARS)的发文量排名第三(118篇,篇均被引次数37),其次为美国国家环境保护局(US EPA,95篇,篇均被引次数30)和美国林业部(US Forest Serv,80篇,篇均被引次数27)。伊利诺伊大学(Uni Illinois)的论文数量仅为44篇,但其篇均被引次数最高(67)。美国农业部、马里兰大学(Univ Maryland)、美国林业部、美国国家环境保护局、美国地质调查局、中国科学院和缅因大学(Univ Maine)在机构合作中的参与度较高。其中,美国地质调查局、缅因大学、美国农业部和美国林业部是早期机构合作的主导力量。近年来,中国科学院、德克萨斯A&M大学(Texas A&M Univ)和北京师范大学(Beijing Normal Univ)成为机构合作的重要力量(图3)。

2.3 学科交叉

2000—2019年间,流域氮研究共涵盖91种学科类型。研究涉及2种及以上学科类型论文共计2365篇(占论文总量的56.5%),学科类型数量由2000年的23增长至2019年的50,呈现逐年上升的趋势(图4)。上述结果表明流域氮是一门多学科交叉的研究领域,且学科交叉的程度不断加深。环境科学(Environmental science)、水资源学(Water resource)、地质学及多科学(Geosciences multidisciplinary)、生态学(Ecology)和环境工程学(Engineering environmental)是领域氮研究中的重点学科类型,包括的论文数量分别为2151、1280、779、513篇和444篇。

根据学科类型之间的交叉程度,论文数量排名前20的学科类型可被分成3组(图5)。其中组1中的代表性学科类型为环境科学、水资源学、地质学及多科学、生态学和海洋与淡水生物学(Marine freshwater biology)。基于Web of Science中对学科类型的定义,这些学科重点关注流域中氮的特征(如形态和浓度)、氮的生物地球化学循环过程以及氮对水质和生物的影响。组2中的主要学科类型包括土壤科学(Soil science)、气象与大气科学(Meteorology atmospheric science)、农学(Agronomy)和林学(Forestry),它们主要研究降雨量和土壤氮含量对流域氮输出的影响以及人类活动(如农业生产和林业退化)驱动下流域中氮的分布特点。组3中的学科类型包括环境工程学、土木工程学(Engineering civil)和农业工程(Agricultural engineering),这组学科重点探讨工程措施对流域中氮负荷的削减效果。

2.4 研究主题与演变

统计分析发文研究主题与演变,关键词共词网络表明,流域氮的研究主要由氮的形态与转化、营养盐与富营养化以及水质与管理3个主题组构成(图6)。生物地球化学循环(biogeochemistry)视角下,探究氮的形态与转化是流域氮领域重要研究方向。流域中氮的生物地球化学循环过程,是外部因素和内部因素共同驱动的结果。其中,外部驱动因素的研究主要关注水文特征(hydrology)、地下水输入(groundwater)、大气干湿沉降(atmospheric deposition)、土壤硝酸盐淋失(nitrate leaching)等对流域中氮输入和输出过程的影响[32—34]。内部驱动因素的研究重点关注微生物作用下流域中氮的硝化(nitrification)、反硝化过程(denitrification)[35—36]。稳定性同位素技术(stable isotopes)是追踪流域中氮的来源、定量解析氮的生物地球化学循环的重要技术手段[37]。

氮(nitrogen)、磷(phosphorus)等营养盐(nutrient)过量输入引起的富营养化(eutrophication)是流域氮研究的另一重要主题。农业生产(agriculture)过程中人工合成化肥的广泛使用,是导致流域中营养盐大量富集的重要原因[38—39]。富营养化是流域内溪流(stream)、河流(river)、河口(estuary)等水域生态系统水质退化的重要表征,也是流域生态系统管理和服务功能提升亟需解决的首要任务[40—42]。富营养化引发的水质退化会改变流域中浮游生物、鱼类、大型底栖动物等重要水生生物类群的群落结构,进而影响流域生态系统的稳定性与服务功能[43—45]。

图5 学科交叉网络Fig.5 Interdisciplinary network with top 20 productive subject categories图中圆圈的大小与学科类型所包含的论文数量成正比,连线的粗细代表学科类型交叉程度成正比

水质(water quality)时空动态与机理是流域氮研究的基础科学问题,且水质管理是流域生态系统服务功能提升的重要目标[46—47]。城市化(urbanization)进程中土地利用(land use)的改变以及气候变化(climate change)驱动下径流量(runoff)的变化是影响流域水质的重要原因[32,48—49]。最优管理措施(best management practices)是流域水质管理的重要方法,主要通过调节流域中土壤侵蚀(soil erosion)和养分循环过程控制面源污染(non-point source pollution)[50]。遥感(remote sensing)、地理信息系统(geographic information systems, GIS)、土-水评估工具模型(SWAT model)等可用于预测土地管理措施对流域内径流与营养盐流失影响,辅助和优化流域中水质的管理[51—53]。

图6 研究主题与趋势Fig.6 Research themes and trends 图中圆圈大小与关键字的出现频率成正比,线条粗细与关键字之间的共现频次成正比

共词网络的时间尺度分析结果表明,在2010—2019年间,流域氮的研究主题发生了明显的演变(图6)。在50个最常用的关键词中,生物地球化学、大气沉降、硝酸盐淋失、氮饱和、侵蚀、流域建模、地理信息系统等词在早期研究中的出现频次较高,表明以往研究主要关注氮的生物地球化学循环以及模型和地理信息系统在预测流域中硝酸盐淋失、土壤侵蚀与酸化等过程中的应用。气候变化、SWAT模型、土地利用、城市化与最优管理措施等词在近期发表的论文中出现频次较高,表明当前及未来研究重点关注土地利用、气候变化、城市化等因素对流域的影响以及SWAT等水文模型与最优管理措施在流域管理中的应用。

3 结论与展望

基于Web of Science核心合集数据库作为文献检索平台,利用科学图谱方法与VOSviewer、Bibexcel等可视化软件,从论文数量与期刊分布、国际与机构合作、学科交叉以及研究主题与演变4个方面揭示了流域氮领域的研究进展。2000—2019年间,该领域发文量呈现逐年增长的趋势,且研究呈现多学科交叉的特点。美国和中国是国际合作的主导力量,美国地质调查局、缅因大学、美国农业部、中国科学院、北京师范大学是机构合作的重要力量。氮的形态与转化、营养盐与富营养化以及水质与管理是该领域的主要研究主题。

未来研究需重点关注流域氮动态的驱动机制以及流域氮管理措施的优化。在流域氮动态的驱动机制方面,应量化气候变化背景下径流量等水文特征以及城市化、农业发展等人类活动驱动下土地利用类型转变对流域中氮循环和氮负荷的影响。驱动因素与氮响应关系的量化,需将气温、降雨量等气象数据表征气候变化的指标和土地利用类型占比、人口密度等指示人类活动的指标纳入流域氮的监测和研究体系,充分发挥遥感等技术在高频观测与数据库构建中的优势,并借助水文水动力模型模拟气候变化与人类活动耦合作用下流域中氮的时空分布。

在流域氮管理措施优化方面,应以流域“山水林田湖草生命共同体”的理论构建基于自然的管理方案,并评估管理措施对流域生态系统供给服务(如饮用水和食物)、调节服务(如水质净化和洪水控制)、文化服务(如旅游收益和自然遗产)、支持服务(如生物多样性维持)等的影响。随着点源污染控制技术不断完善,面源污染成为流域氮管理面临的主要挑战。土-水评估工具模型(SWAT)可以量化土地利用类型、水文、气象和管理措施变化对流域中氮负荷时空分布的影响,是在流域尺度上开展面源污染管理的重要方法。SWAT模型与最优管理措施(BMPs)的联用,不仅可以识别流域内氮面源污染管理的重点区域,也能在权衡流域生态系统服务价值与经济效益的前提下制定面源管理的最佳措施,进而实现流域生态系统的可持续发展。