基于可视化分析的“生态、环境、资源”承载力研究

段海煦,曾维华,陈家军

基于可视化分析的“生态、环境、资源”承载力研究

段海煦,曾维华,陈家军*

(北京师范大学环境学院,水沙科学教育部重点实验室,北京 100875)

为进一步探析全球“生态、环境、资源”承载力科研水平、研究热点和发展趋势,本文基于Web of Science核心合集数据库,采用CiteSpace和VOSviewer 分析软件,以1990～2021年期间文献为信息数据基础,对生态承载力、环境承载力和资源承载力研究进行了可视化分析.结果表明,1990～2021年间,生态承载力、环境承载力和资源承载力领域全球发文量整体呈上升趋势;国家之间合作综合排名第一的是中国,发文量占主导地位的研究机构是中国科学院;该领域主要以水环境承载力、水生态承载力、水资源承载力及其间的关系探析等为研究热点,可持续发展和不同承载力及其间生态关系的辨析是重点研究前沿,生态环境科学是主要研究方向;第一发文量和第一共引频次的作者分别是Shen Liyin和Wackernagel M,期刊《Desalination and Water Treatment》发文量最高,第一高被引论文为《A new scenario framework for climate change research: the concept of shared socioeconomic pathways》.可知,生态承载力、环境承载力和资源承载力领域深受到学者们的关注和重视,相关研究现状与应用动态总结辨析,有利于生态环境资源目标协同思考.

生态；环境；资源；承载力；CiteSpace；VOSviewer；可视化分析

承载力是一个极其重要的概念标尺,常用来衡量人类社会经济与生态、环境和资源等的协调程度.随着社会经济的快速发展和城市化进程的不断加速,不同承载力反映着人类生产活动和生活活动中出现的各种问题,可概括为生态、环境和资源问题[1].承载力的概念最早出现在1921年,提出者Park和Burges将承载力定义为在某一种特定的生存空间、营养物质、阳光等生态因子的配合条件下,某种生物个体所存在可能数量的最高极限[2].生态承载力、环境承载力和资源承载力本质相同,但三者之间意义相差较大,且社会发展阶段和研究领域,所产生的承载力概念也不尽相同[3].

20世纪70年代后,Honing等初步建立了生态承载力的理论模型.生态承载力主要包括支持部分和压力部分两个方面,其中支持部分指生态系统的自我维持与自我调节能力,以及资源与环境子系统的供容能力,压力部分指生态系统内社会经济子系统的发展能力[4].“生态”早期的原本含义是“环境”,即客观的自然环境,包括阳光、空气等非生物环境,还包括动物、植物、微生物和其他一切有生命的物质构成的生物环境[5].因此,有人指出“生态是环境的网络与链结”[6],而环境承载力基于生态系统所提供的资源和环境,来支持人类社会系统的良性发展,它是指在某种状态下环境对人类活动支持能力的限度[7].从学理概念和立法概念出发,环境可指影响人类生存和发展的且为人力所及的天然的和经人工改造过的各种自然因素,包括土地、水、大气和海洋等,以及其间的生态关系的集合.而资源承载力是衡量和调节生存环境承载人类活动的最大限度,体现其资源的数量和质量对人类基本生存和发展的支撑力[8].资源是具有一定量积累的客观存在形态,包括土地资源、海洋资源和矿产资源等,是自然界和人类社会可以用以创造的物质财富和精神财富[9].根据自然资源、环境和生态的定义及国内外管理实践,自然资源强调有价值的自然物质,自然环境包含一切自然要素,而生态强调的是生物相关性,包含自然和人为双重属性;三者重点关注视角分别为数量、质量和平衡,其重点关注问题分别为枯竭、退化和破坏,而重点关注需求分别为节约、保护和恢复;可见,三者存在紧密联系,但各自关注重点存在显著差异[2,10].从系统科学角度认识生态、环境、资源与承载力等概念内涵,具有积极整合性、重要协调性和必要持续性[11],有利于人类社会、经济活动的和谐进步和可持续发展.

近年来,国内外研究者们做了大量的工作,主要集中在生态、环境、资源等概念探析和不同承载力评价指标体系研究方面[12-15].Whittaker等[16]探析了“生态位、生境、生态区”的概念,并澄清了它们之间的关系,指出了区分三者概念在科研应用中的有效性.马世骏先生强调生态环境不是生态学和环境学的加和而是融合,是传统污染环境研究向生态系统机理和复合生态关系研究的升华[17].李建龙等[18]探讨了近年来我国生态环境承载力研究的现状,指出其主要问题为概念和内涵不够明确、研究内容不够系统,此外,对评价指标体系和主要计算方法进行了总结.孙富行[19]以海河流域为研究对象,建立了水资源承载力研究综合分析模型,并确定了水资源承载力的基础指标量化和分类指标体系评价方法.然而,研究仍存在不足之处,其中,关于生态、环境、资源与承载力的研究现状与应用动态的总结分析较少,缺乏运用文献计量与分析等科学方法将其可视化.总结与分析生态承载力、环境承载力和资源承载力研发与探析方面的工作,有助于研究者掌握该领域的总体水平,快速有效查找文献资料和准备后续开展工作,是进一步开展研发与应用的基础.可视化分析结合可视化、人为因素和数据分析,通过交互式可视化界面进行推理,以此从数据中获取知识.基于Web of Science核心合集数据库,本文检索与统计了1990～2021年期间的文献信息,利用科研分析软件 CiteSpace 和 VOSviewer,对生态承载力、环境承载力和资源承载力研究进行可视化分析,以期为了解我国生态、环境和资源与承载力领域研究现状、前沿动态和发展趋势提供参考,有效促进生态环境和谐进步和可持续发展,有益于人类社会经济和生活水平的提高.

1 资料与方法

1.1 文献检索

以Web of Science(WOS)核心合集数据库为检索库,涉及三个子库分别为Science Citation Index Expanded、Social Sciences Citation Index和Arts & Humanities Citation Index.检索式为(((TS=(ecology)) OR TS=(environment)) OR TS=(resource)) AND TS= (carrying capacity);检索时间段为1990-01-01～ 2021-12-31;语种:English.共检索到相关文献25938篇.文献检索和筛选过程如图1所示.

1.2 研究方法

基于文献检索结果,对32a间生态、环境和资源与承载力领域进行可视化分析,涉及项目:年度发文量、热点分析、前沿分析、作者分析、国家共现分析、国家年度发文量、载文期刊、高被引论文、学科分布和机构共现分析等.将WOS数据库文献以制表符分隔文件形式导出;借助CiteSpace软件和VOSviewer软件进行可视化分析[20],并绘制可视化图谱;利用Excel 2022软件处理数据;使用Origin 2022软件进行绘图.

图1 文献检索流程

2 结果与分析

2.1 年度发文量

图2 年度发文量

从发表时间角度出发,对25938篇文献进行统计与分析.年度发文量如图2,1990～2021年间,生态承载力、环境承载力和资源承载力领域相关英文发文量整体均呈上升趋势,说明国际对该领域研究的逐步重视.1990～2000年间,发文量处于缓慢增长期,该阶段为生态承载力、环境承载力和资源承载力等概念提出的初期,多数国家及地区的研究对该领域处于探索阶段,研究结果以学术文献形式呈现较少;2001～2013年间,发文量处于平稳增长期,该时期国内外社会发展和经济建设快速提升,相应的生态环境政策和资源开发利用文件陆续推出,逐渐成为研究者们关注的重点,研究性论文和会议摘要总结等形式文章数量有效增加.2013～2021年间,发文量处于快速增长期,此阶段国家和政府大力支持山水林田湖草生态环境保护,号召清洁生产和可持续发展,基金资助项目显著增长,学术成果多且形式多样.

2.2 热点分析

通过VOSviewer软件对共现关键词进行热点可视化,可直观反映出该领域研究重点和发展趋势[21].在热点分析知识图谱中,关键词用圆圈和标签来代表,其活跃程度与圆圈大小呈正相关,而两圆圈之间距离越近,则表示两者关系越密切.如图3,1990～2021年间,生态承载力、环境承载力和资源承载力领域关注热点前10位为:(1)承载力;(2)模型;(3)管理;(4)可持续发展;(5)水资源承载力;(6)系统;(7)水资源;(8)生态承载力;(9)环境;(10)城市.说明本领域的热点主要包括水环境承载力、水生态承载力、水资源承载力及其之间的关系探析,涉及人与自然协调等可持续发展的新战略、新思想.我国水资源承载状况可分为不超载、临界超载和超载,主要从地表水、地下水和用水总量三个方面综合评价[22].张建军等[23]探析了其水环境承载能力的特点,提出了采用工程和非工程措施来提高黄河水环境承载能力.王西琴等[24]提出了广义和狭义的水生态承载力概念,指出水生态承载力的内涵可概括为:复合承载力、水生态弹性力及以经济规模和人口数量为表征指标.

实现人与自然的和谐共生,还需要水、土壤和大气的动态协调和共同发展.然而,近年来关于土壤承载力和大气承载力的相关研究仍处于匮乏或不足状态,未来研究者需进一步关注和深入拓展.

图3 研究热点知识图谱

2.3 前沿分析

选取相关性前1000篇文章,其关键词可利用CiteSpace软件进行突发词检测,即基于该领域论文词汇频率的整合,通过分析词汇的增长率来总结相关领域研究前沿的热点关键词[25].如图4,1990～2009年间,生态承载力、环境承载力和资源承载力领域重点关注承载力、水资源承载力、水资源、生态足迹和指标体系等,该阶段多数国家及地区主要探索和评价人类活动与水资源、生态环境的相互关系,如美国建立水权制度,制定颁布水资源开发管理的法令;2010～2021年间,该领域研究重心在可持续发展、生态环境、水环境承载力、城市化进程和旅游承载力等,这与全球人口密度不断增大、城市化进程快速发展紧密相关,也与大时代环境背景下全球各区域发展战略互相影响.

由上所述,不同发展时期,生态承载力、环境承载力和资源承载力领域的关注重点不同.且根据前人研究工作,可推断它们之间存在紧密联系,但各自研究要点存在显著差异[3,10].基于联合国环境署发布《2022年可持续发展目标报告》和“十四五”规划要求,世界及中国当前和未来关注自然资源、生态环境与人文社会之间的可持续发展,科研工作者们积极响应核心科学机理、关键技术与重要政策的需求与挑战等,重点关注可持续发展和不同承载力及其间的交叉关系.

图4 前20个关键词突发检测图谱

2.4 作者分析

选取相关性前1000篇文章,利用VOSviewer软件进行作者合作可视化分析和作者共被引分析[26].节点N代表作者数量,连线E表示作者之间的联系.如图5,N=658,E=555,说明1990～2021年间,该领域相关性最大的前1000篇文章由658位学者发表,他们之间约有555次合作.其中,发文量最多的作者是Shen Liyin,排名第二至第五的作者依次是Ren Yitian、Wang Jinhuan、Lei Kun和Deng Hongwei.他们均来自中国,表明中国研究者和管理者对生态承载力、环境承载力和资源承载力领域关注力度大,并在国际中对该领域研究有重要的贡献.

共同被引用作者是基于两名或多名作者,同时被另一篇或多篇论文引用,从而构成共同被引关系.如图6,1990～2021年间,相关性前1000篇文章中,共被引作者数量为980,共引频次前三位的作者依次是Wackernagel M(75次)、Arrow K(64次)和Feng L H(57次),表明这些学者们在生态承载力、环境承载力和资源承载力领域关于概念解析与对比、核算模型和量化体系方法等研究成果被广泛认可.

图5 研究作者合作图谱

图6 作者共被引可视化图谱

2.5 国家共现分析

选取相关性前1000篇文章,利用CiteSpace进行国家共现分析.在可视化图谱中,节点的重要性可通过中心性进行衡量,即节点的中心性越高,节点之间的密切关系程度越大[27].中心度>0.1的节点称为关键节点,一个领域的转折点通常表现为高中心度的节点.如图7,该领域相关性最大的前1000篇文章由64个国家/地区的研究者撰写,各国家/地区之间合作达116次.发文量居于首位的国家是中国,占比为66.40%,中心度高达0.34,说明中国对生态承载力、环境承载力和资源承载力领域相关研究的重视度高,且与其他国家/地区合作积极主动,这与近年来中国重点关注人类活动带来的直接或潜在影响、颁布与修订了“水十条” “土十条”等政策文件紧密相关.美国在该领域的发文量居于第二位,占总量的11.00%,中心度超过中国,为0.45%,表明美国为该领域研究的主要国家,与其他国家/地区合作频繁,在国际范围内占据主导地位,或许与19世纪美国建立并完善了水权制度,颁布了一系列水资源规划、管理、协调与水污染控制政策、法规和标准存在直接联系.发文量排名第三至第五位的国家依次是印尼、英国和澳大利亚,占比各达3.30%、3.20%和2.70%,中心度依次为0.00、0.13和0.02,可见印尼和澳大利亚均缺乏国际上的交流与合作,或许与其水资源危机日益严峻、国家政府关注力度小相关,英国与其他国家/地区的合作力度有待增强,政府应大力鼓励和支持本国科研工作者提升国际活跃度.

图7 国家共现分析

2.6 国家年度发文量

图8 发文量Top10的国家变化

将年份、发文量和国家之间的关系进行整合分析,一定程度上反映某一国家不同年份在该领域的总体研究水平和发展状态.如图8,1990～2021年间,生态承载力、环境承载力和资源承载力领域发文量Top10的国家整体呈上升状态,在该领域研究中占据主导地位的前三位依次是中国、美国和印度.从2007年来,中国成为生态承载力、环境承载力和资源承载力领域全球发文量最多的国家,随后增长迅速,显著高于其他国家和地区,可见中国研究者和决策者对该领域研发的关注和重视.美国始终处于缓慢增长水平,印度、西班牙和英国等虽有波动,但总体变化不大.

近年来,我国基于人与自然协调共生的主客观条件及其发展变化的规律性认识,提出可持续发展战略、思想,相继颁布和完善相关生态环境资源政策、法规和标准,可见中国对生态承载力、环境承载力和资源承载力领域研究的重视和支持,可预测出2021年后中国在该领域发文量仍然稳稳居于首位,是其他国家/地区寻求合作的主要考虑对象,具有一定的国际影响力.

2.7 载文期刊

对发文量Top10的载文期刊进行筛分总结,可直观反映该领域相关研究文献的主要期刊来源,有助于研究者快速且有效地进行文献查询、资料获取和论文投稿等.如表1,1990～2021年间,国际发文量居于首位的期刊是《Desalination and Water Treatment》,约占总量的1.48%,但近5a平均影响因子、JCR分区、总被引用频次、篇均被引用频次和H指数等均远低于其他期刊,说明该期刊的学术影响力较低,该载文平台在生态承载力、环境承载力和资源承载力领域的综合影响力有待大力提升.期刊《Journal of Hazardous Materials》发文量居于第二位,占比为1.04%,JCR分区为Q1,其总被引用频次、篇均被引用频次和H指数均排名第一,近5a平均影响因子虽略低于期刊《Chemical Engineering Journal》,但总体来说是国际发文质量最高的英文期刊,具有较高的影响力.

表1 发文量Top10的期刊

2.8 高被引论文

检索出的25938篇文章可筛选出高被引论文142篇,在一定程度上反映该领域代表性的科研实力与学术水平.高被引论文Top10如表2,1990～2021年间,第一高被引论文作者是O'Neill, Brian C.,该作者于2014年发表了文章《A new scenario framework for climate change research: the concept of shared socioeconomic pathways》,总被引用频次为1173.其次是作者Dong Haoran发表在期刊《Water Research》的一篇文章,总被引用频次为736. Hobbelen, Peter H. F.发表的文章《The Emergence of Resistance to Fungicides》排名第三,总被引用频次远低于前两名,总被引用频次为491.

前三名高被引论文研究属不同承载力领域,分别涉及气候变化与社会经济可持续发展、环境污染治理、生物物种与污染等方面.同时,高被引论文Top10的国家中中国占比最大,说明中国在生态承载力、环境承载力和资源承载力领域的研发关注度较高.在此基础上,结合该领域研究热点分析和前沿分析,推断可持续发展、生态环境、水环境承载力、质量和效率、生物物种和污染等方面的研究进展、面临的机遇和挑战是重要研讨方向.

表2 高被引论文Top10

2.9 研究方向

图9 发文量Top10涉及研究方向

将相关文献进行研究方向的统计筛分与总结分析,有助于学者和工作人员了解全球范围内该领域研究现状、发展水平及未来发展趋势.如图9, 1990～2021年间,国际上在生态承载力、环境承载力和资源承载力领域研究涉及多学科和方向.发文量居于首位的研究方向为生态环境科学,占比达24.33%,排名第二位的是工程,占发文总量的14.03%,农业是排名第三位的研究方向,占比为9.13%.可见,目前生态承载力、环境承载力和资源承载力研究涉及领域丰富,这与该领域具有的区域性、时间性、动态性和可调控性等特点相关.

在此基础上,结合联合国及中国国家战略发展报告,说明全球和中国当前及未来研究以人与自然的协调共生为基本准则,积极关注和响应生态学、环境学和生态环境学的可持续发展需求及挑战.可推断该领域未来研究趋势从单一学科到多学科交叉合作、从单因素单层次到多因素多层次复合研究.

2.10 机构共现分析

选取相关性前1000篇文章,利用CiteSpace进行机构共现分析.在可视化图谱中,机构的重要程度以及机构之间的亲密关系可根据中心度> 0.1的节点进行研判[28].如图10,共476个机构撰写了生态承载力、环境承载力和资源承载力领域相关性最大的前1000篇文章,机构之间进行了418次合作.发文量占主导地位的前三位机构分别是中国科学院、北京师范大学和河海大学,它们均来自中国,各占总量的6.40%、3.70%和2.30%,这与国家政策文件的相继颁布、法律法规的不断完善和技术标准的制定修订紧密相关,表明中国的相关机构决策者和研究者对该领域的重视度较高,具有一定的研究水平和科研影响力.而三者中心度依次为0.14、0.04和0.03,说明中国科学院与国际上相关研究机构合作频繁,此与其作为中国自然科学最高学术机构、科学技术最高咨询机构、自然科学与高技术综合研究发展中心存在一定关联;而北京师范大学和河海大学与国际上其他研究机构之间的交流与合作较少,作为多学科协调发展的重点高校,更加需要进一步有效提升国际交流合作积极性.

图10 研究机构共现分析

3 结论与展望

3.1 结论

3.1.1 生态承载力、环境承载力和资源承载力领域深受到学者们的关注和重视,1990～2021年间,全球研究发文量整体呈上升趋势,不同时期的发文量与当时该领域所处研究阶段和相关政策文件紧密关联.国家之间合作综合排名第一的是中国,发文量占主导地位的研究机构是中国科学院.预测2021年后,中国将发表更多的学术成果,有效推进生态、环境和资源与承载力领域相关研究.

3.1.2 生态承载力、环境承载力和资源承载力领域主要以水环境承载力、水生态承载力、水资源承载力及其间的关系探析等为研究热点,近年来,可持续发展和不同承载力及其间生态关系的辨析是重点研究前沿.生态环境科学是主要研究方向.第一发文量和第一共引频次的作者分别是Shen Liyin和Wackernagel M,期刊《Desalination and Water Treatment》发文量最高,第一高被引论文为《A new scenario framework for climate change research: the concept of shared socioeconomic pathways》.

3.1.3 近32a来,生态承载力、环境承载力和资源承载力领域整体发文量较高,但发文量Top10的学术期刊科研影响力较低,主要表现为期刊影响因子、总被引用频次和篇均被引用频次较低.未来该领域应注重提升总体科研水平和国际影响力.

3.2 展望

可视化分析结果表明,生态承载力、环境承载力和资源承载力领域主要存在两个问题:一是三者概念和内涵不够明确;二是整体发文质量较低.当下,全球需从新冠肺炎疫情中快速恢复过来,并实现可持续性发展和管理.联合国环境署发布了《2022年可持续发展目标报告》,其17项目标着重强调要实现全球发展的可持续性,世界当前和未来应在生态平衡保护、自然资源利用、环境污染治理、人与自然协调等方面作出努力.“十四五”规划对中国生态环境形势作出了研判,明确了重点任务举措“六项工作”和重要支撑“四大工程”,指出推进和加强土壤、地下水污染防治,深化农业农村环境治理,提升生态环境监管能力.因此,将可视化分析结论与全球区域发展政策相融合.

3.2.1 未来研究者和工作人员应紧跟联合国和中国国家发展战略和思想,聚焦核心科学机理,优化关键技术,以促进研究内容系统化,提升总体科研水平和国际影响力.

3.2.2 科研工作者应明晰生态承载力、环境承载力和资源承载力领域面临的机遇和挑战,制定和完善相关法律法规、技术标准,改进和创新承载力核算模型、量化指标体系,进一步明确生态承载力、环境承载力和资源承载力领域概念和内涵.

3.2.3 该领域未来研究趋势应从单一学科到多学科交叉合作、从单因素单层次到多因素多层次复合研究,开展人与自然和生态、资源、环境的综合评价,以推进生态承载力、环境承载力和资源承载力科学理论与技术的发展.

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Study on the carrying capacity of “ecology, environment and resources” based on visualization analysis.

DUAN Hai-xu, ZENG Wei-hua, CHEN Jia-jun*

(Key Laboratory for Water and Sediment Sciences of Ministry of Education, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)., 2023,43(9)：5031～5040

In order to further investigate the scientific research level, research hotspots and development trend about the carrying capacity of global "ecology, environment, and resources", in this work, the core collection database of the Web of Science was used to search the literature from 1990 to 2021. Besides, CiteSpace and VOSviewer analytic tools were utilized to visualize and assess the carrying capabilities, and the results indicated that the number of relevant publications presented an overall increasing trend. China is ranked first in the comprehensive ranking for international collaboration. The Chinese Academy of Sciences held the dominant position in the number of publications among scientific organizations. The research hotspots primarily focused on water environmental, ecological and resource carrying capacities and their interrelationships. The priority research areas included the sustainable development, various carrying capacities and the ecological relationship between them. Environmental and ecological science is the main research area. The publications by Shen Liyin ranked 1st, and the author with the highest frequency of co-citation was Wackernagel M. 《Desalination and Water Treatment》 had the most number of publications. 《A new scenario framework for climate change research: the concept of shared socioeconomic pathways》 was the most cited paper. It is obvious that the studies on the carrying capacities of ecological, environmental and resource had received the extensive attention of scholars. Therefore, the summary and analysis of relevant research status and application trends from this article were conducive to the synergistic thinking on the goals of ecological environment and resource.

ecology；environment；resources；carrying capacity；CiteSpace；VOSviewer；visual analysis

X192

A

1000-6923(2023)09-5031-10

段海煦(1995-),女,河南周口人,博士研究生,主要研究方向为土壤改良与修复、地下水环境模拟与污染治理.发表论文6篇. dhx1125537732@163.com.

段海煦,曾维华,陈家军.基于可视化分析的“生态、环境、资源”承载力研究 [J]. 中国环境科学, 2023,43(9):5031-5040.

Duan H X, Zeng W H, Chen J J. Study on the carrying capacity of “ecology, environment and resources” based on visualization analysis [J]. China Environmental Science, 2023,43(9):5031-5040.

2023-02-09

国家自然科学基金资助项目(41877184)

* 责任作者, 教授, jeffchen@bnu.edu.cn