荊延德,樊　蕊

1 山東省高校南四湖濕地生態(tài)與環(huán)境保護重點實驗室,濟寧　273165 2 曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,日照　276826

非點源污染,又稱面源污染,是當前社會面臨的主要難題[1],其中又以農(nóng)業(yè)非點源污染的貢獻率最大[2],而農(nóng)業(yè)非點源污染中氮磷元素超標排放是造成水體富營養(yǎng)化的直接原因[3]。非點源污染具有形成過程復(fù)雜、隨機性大、機理模糊、分布范圍廣、影響因子復(fù)雜、潛伏周期長和危害大等特點[4-5],不利于進行監(jiān)測與管理[6]。由于計算非點源污染負荷的難度比較大,因此,非點源污染的定量化研究尤為重要[2,7- 8]。而模型化方法是定量研究的重要方法。

共詞分析法(Leximappe program),其思想來源于文獻計量學(xué)中的引文耦合與共被引分析[9],廣泛應(yīng)用于學(xué)科的熱點分析,揭示某一領(lǐng)域的研究主題和研究熱點,以及探索研究主題的歷史脈絡(luò)和演化態(tài)勢與主題之間的關(guān)系[10- 11]。

借助流域非點源污染機理模型,可以幫助管理者量化污染負荷,并在空間層面快速定位污染負荷的關(guān)鍵區(qū)域,現(xiàn)已成為研究非點源污染最直接有效的途徑之一[12- 13]。近年來,我國有關(guān)非點源污染模型的研究逐漸增多,但運用文獻計量法從宏觀上把握國內(nèi)外非點源污染模型的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展過程的相關(guān)論文很少,所以本文以中國知網(wǎng)和WEB OF SCIENCE中的文獻資料為基礎(chǔ),運用共詞分析法并結(jié)合相關(guān)軟件,對非點源污染模型的研究熱點和發(fā)展方向進行宏觀上的分析,以期為非點源污染模型的進一步發(fā)展提供方向。

1　研究方法1.1　數(shù)據(jù)來源

本文以中國知識基礎(chǔ)設(shè)施工程(China National Knowledge Infrastructure, CNKI)的中國知網(wǎng)知識發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺和科學(xué)引文索引數(shù)據(jù)庫“Web of Science”的核心合集為檢索來源,作為本文的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),這兩個數(shù)據(jù)庫收錄了大量高水平研究論文,是進行文獻計量的可靠數(shù)據(jù)來源。

1.2　研究工具

本文運用CiteSpace、SPSS和SATI軟件對檢索結(jié)果進行分析,利用Ucinet和NetDraw軟件繪制出共詞網(wǎng)絡(luò)可視圖,同時結(jié)合共詞分析方法對檢索結(jié)果進行分析,通過分析發(fā)表文章的關(guān)鍵詞、年代分布、發(fā)表期刊、著者、高被引文章來展示非點源污染模型研究領(lǐng)域的研究概況、研究熱點和研究趨勢。

2　非點源污染模型數(shù)據(jù)來源途徑及分析

2.1　國外非點源污染模型數(shù)據(jù)來源途徑及分析

2.1.1國外非點源污染模型文章逐年發(fā)表數(shù)量分析

圖1　國外非點源污染模型文獻數(shù)量分布圖Fig.1　The number of foreign periodicals in non-point source pollution models

以WEB OF SCIENCE數(shù)據(jù)庫的核心合集作為數(shù)據(jù)源,在2017年2月17日,以Model和non-point pollution or diffused pollution or non-point source pollution作為主題檢索。檢索時間范圍為1986—2016年,WEB OF SCIENCE中收錄的非點源污染模型的文獻數(shù)量在2006年以前為零,共檢索到文獻數(shù)1046篇,每年發(fā)文量如圖1所示。

由圖1可以看出：國外有關(guān)非點源污染模型的文章在2014、2016年達到兩個小高峰,發(fā)表論文數(shù)達到128篇和136篇,表明隨著水環(huán)境污染日益嚴重,非點源污染對水環(huán)境的損害已受到高度關(guān)注,成為熱點研究課題。從2006年開始,國外對非點源污染模型的研究一直保持在較高的水平,每年的發(fā)文量都高于60篇,雖然在過程中伴隨著間或性下降,但整體來看,幾乎是呈線性增長的狀態(tài),表明學(xué)術(shù)界對非點源污染模型的關(guān)注度還是比較高的。

2.1.2關(guān)鍵詞頻次分析

使用文獻計量分析軟件Bibexcel統(tǒng)計關(guān)鍵詞頻次,由于相同的關(guān)鍵詞可能表述不同,所以將所得關(guān)鍵詞進行整合,除去頻次最高的關(guān)鍵詞“non-point source pollution”外,選取詞頻較高的前30個關(guān)鍵詞。這30個關(guān)鍵詞在一定程度上反映了國際上非點源污染的研究方向和研究熱點,結(jié)果如表1所示。

從表1得出：(1)研究的熱點領(lǐng)域出現(xiàn)在“water quality(水質(zhì))”、“non-point source(非點源)”“SWAT”和“Phosphorus(磷)”方面,關(guān)鍵詞詞頻都超過了70,共占統(tǒng)計關(guān)鍵詞的30.96%,遠高出平均水平?？梢娧芯糠秶容^明確,研究內(nèi)容相對具體。(2)有關(guān)SWAT模型的研究占統(tǒng)計詞頻關(guān)鍵詞的8.2%,是所有研究非點源污染的模型中占比最高的,遠高于其他模型的占比。因其準確強大的模擬功能、與3S技術(shù)友好結(jié)合等特點,SWAT模型成為非點源污染模型研究中的熱點研究模型,并且在研究過程中不斷改進,日趨成熟,表明國際學(xué)術(shù)界對于用SWAT模型解決非點源污染問題的關(guān)注度很高。(3)有關(guān)“Nitrogen(氮)”、“Phosphorus(磷)”和“Nitrate(硝酸鹽)”的研究也較多,關(guān)鍵詞詞頻都高于50,證明非點源污染與化學(xué)元素息息相關(guān),尤其是“Nitrogen(氮)”、“Phosphorus(磷)”兩種元素,是造成地表水體富營養(yǎng)化的主要原因,一直是學(xué)術(shù)界解決水體富營養(yǎng)化問題,研究水環(huán)境污染的重要元素。這也與郭琳琳[14]的研究相符合。(4)在統(tǒng)計關(guān)鍵詞中,有關(guān)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵詞較多,如：“Agricultural(農(nóng)業(yè)的)”、“Land use(土地利用方式)”等平均占比都比較高,表現(xiàn)出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對非點源污染的貢獻率是比較高的,非點源尤其是農(nóng)業(yè)非點源是導(dǎo)致地表水污染的主要原因,其中又以農(nóng)業(yè)非點源污染貢獻率最大[15-16],所以對于土地利用方式、城市與農(nóng)村合理布局的研究是以后非點源污染領(lǐng)域研究的重點內(nèi)容。(5)數(shù)學(xué)模型是定量化描述和評價非點源污染的重要手段,而 GIS 技術(shù)可以和數(shù)學(xué)模型友好結(jié)合,分析非點源污染產(chǎn)生的時間及其空間分布特征,是研究非點源污染過程中的重要工具,與統(tǒng)計關(guān)鍵詞中“GIS”的詞頻較高相對應(yīng)。

表1　國外“非點源污染模型”期刊論文中高頻關(guān)鍵詞和詞頻

2.1.3關(guān)鍵詞可視化分析

以上關(guān)鍵詞雖然能在一定程度上反映出非點源污染模型領(lǐng)域的研究熱點和方向,但是僅按他們的頻次分析,并不能反映出他們之間的關(guān)系。因此采用 Bibexcel 軟件將這30個高頻關(guān)鍵詞進行兩兩配對,統(tǒng)計它們的共現(xiàn)頻次,形成 30×30的共詞矩陣。但是關(guān)鍵詞的關(guān)聯(lián)度對可視化結(jié)果有一定的影響,因此本文采用了關(guān)聯(lián)強度 Ochiia 系數(shù)統(tǒng)計指數(shù)來減少這一影響[17]。其計算公式如下:

于是結(jié)合NetDraw和Ucinet軟件得出關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖,如圖2所示。

圖2　國外關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖Fig.2　The common network visual map of foreign high-frequency keywords

這30個高頻關(guān)鍵詞之間形成了相互聯(lián)系密切的交錯關(guān)系(圖2),其中節(jié)點大小表示關(guān)鍵詞的中心度,節(jié)點越大表示中心度越高,節(jié)點之間的連線表示節(jié)點之間兩組關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次,連線越粗表明出現(xiàn)頻次越高,代表兩組關(guān)鍵詞的關(guān)系就越密切[13]。這種交錯關(guān)系網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出以居于可視圖中心位置的高頻關(guān)鍵詞如“water quality(水質(zhì))”、“Nitrogen(氮)”、“BMPs”、“Nitrate(硝酸鹽)”、“SWAT”和“Phosphorus(磷)”為研究中心的主體結(jié)構(gòu),表明“water quality(水質(zhì))”、“Nitrogen(氮)”、“BMPs”、“Nitrate(硝酸鹽)”、“SWAT”和“Phosphorus(磷)”是非點源污染模型工作研究的熱點方向,這與關(guān)鍵詞詞頻統(tǒng)計得出的結(jié)果基本一致,同時也表明了國外非點源污染的研究對于非點源污染問題的重視,探索最優(yōu)管理措施,并且在探索解決途徑的過程中注重模型的運用。在這些熱點方向和研究熱點中,氮、磷和硝酸鹽等營養(yǎng)物質(zhì)一直處于重要研究地位,表明了水體富營養(yǎng)化已經(jīng)是一個重要的國際問題。

2.1.4被引頻次分析

論文引用率是指科學(xué)論文對文獻的引用次數(shù),是衡量一個國家科研文獻被其他國家或機構(gòu)的認可度的標志?，F(xiàn)選取年均被引頻次排名前十五位的論文,整理其發(fā)文期刊、發(fā)表年份、總被引頻次、年均被引頻次和第一作者,如表2所示。

由表2可以看出：(1)Ongley, Edwin D于2010年在ENVIRONMENTAL POLLUTION上發(fā)表的論文,年均被引頻次是最高的,達到17次以上,同時其總被引頻次也相對較高,達到125次,其主要對中國的農(nóng)業(yè)非點源污染評價進行了研究,對非點源污染的研究模型、中國不同流域中重要化學(xué)元素的污染負荷量、美國不同流域的TN、TP、中國評價非點源污染的方法以及研究中國農(nóng)業(yè)非點源污染的條件做了總結(jié),對農(nóng)業(yè)非點源污染的研究具有重要的參考價值。(2)JOURNAL OF HYDROLOGY是年均被引頻次排名前十五位論文的最主要發(fā)文期刊,在發(fā)表年均被引頻次排名前十五位的論文期刊中其發(fā)表論文數(shù)最多,是國外研究非點源污染的核心力量。(3)總體看來,在年均被引頻次排名前十五位的論文中,有4篇是在2008年發(fā)表的,占統(tǒng)計年份的26.67%,說明國外對非點源污染模型的研究在2008年之前已相對深入,對非點源污染問題有較深程度的研究。

表2　國外論文發(fā)表年份和年均被引頻次

2.1.5關(guān)鍵詞聚類分析

聚類分析是研究“物以類聚”的一種科學(xué)有效的方法。本文中,在對30個高頻關(guān)鍵詞進行聚類時,采用系統(tǒng)聚類的方法,首先將每一個關(guān)鍵詞看成單獨的一類,通過選定的方法把最近的兩類合并,然后重新計算各類之間的距離,再把距離最近的兩類合并,如此下去,每次重復(fù)都減少一類,直到最后所有的關(guān)鍵詞都歸為一類為止[18]。以上文構(gòu)造的30×30的相異矩陣為基礎(chǔ),運用SPSS軟件進行聚類分析,得出聚類樹狀圖,如圖3所示。

圖3　聚類樹狀圖Fig.3　The clustering tree

結(jié)合圖3,并結(jié)合非點源污染模型之間的聯(lián)系,可以將上述30個高頻關(guān)鍵詞劃分為4個主要的聚類群體,每個聚類群體包含的關(guān)鍵詞如表3所示。

從表3中可以看出,集群1的內(nèi)容主要集中在點源和非點源水污染,尤其是水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象嚴重。集群2的內(nèi)容主要是關(guān)于水污染的一些模型和框架條約,可見非點源污染造成的水污染問題的嚴峻性和學(xué)者們對這一問題的重視。集群3的內(nèi)容比較復(fù)雜,涉及非點源污染模型的各種模型、特性、解決措施等等諸多方面。集群4主要涉及處理非點源污染模型的工具,與GIS等的結(jié)合,可以充分發(fā)揮GIS在分析非點源污染產(chǎn)生的時間及其空間分布特征上的作用。

為了更加顯著的看出高頻關(guān)鍵詞之間的聚類群體,采用SPSS 統(tǒng)計軟件中的多維尺度分析來構(gòu)建多維尺度可視化圖譜(圖4),從可視化圖譜中可以直觀、清楚的得出關(guān)鍵詞之間的聚類群體,更好地顯示出分類情況,從圖中可以看出,相同群集的關(guān)鍵詞分布情況與系統(tǒng)聚類的結(jié)果基本一致。

表3　國外“非點源污染模型”聚類群體劃分

圖4　國外“非點源污染模型”線性擬合散點圖Fig.4　The linear fitting of the abroad non-point source pollution models

2.2　國內(nèi)非點源污染模型數(shù)據(jù)來源途徑及分析

2.2.1國內(nèi)非點源污染模型文章逐年發(fā)表數(shù)量分析

以中國知網(wǎng)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫(CNKI)作為數(shù)據(jù)統(tǒng)計源,在2017年2月17日,以非點源污染或面源污染和模型為主題進行檢索,檢索范圍為1986—2016年,共發(fā)表論文1474篇,每年發(fā)文數(shù)量如圖5所示。

圖5　國內(nèi)“非點源污染模型”論文數(shù)量分布變化圖Fig.5　The number of domestic periodicals in non-point source pollution models

從圖3中可以看出：(1)在2001年之前,有學(xué)者對非點源污染進行研究,但是當時在我國并沒有引起太大關(guān)注,相關(guān)研究比較少,論文發(fā)表數(shù)量很少。(2)隨著污染問題日益嚴重,國家對可持續(xù)發(fā)展的重視,在2003年之后,我國有關(guān)非點源污染模型的研究論文開始增多,尤其是2008年之后,每年發(fā)表論文數(shù)量都在90篇以上,并且在2012年達到高峰,相關(guān)文獻發(fā)表達143篇。(3)雖然在某些年份論文數(shù)量有所下降,但整體來看,我國關(guān)于非點源污染模型的論文發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)上升趨勢,表明隨著可持續(xù)發(fā)展要求不斷深入,我國非點源污染的研究也逐漸加深。

2.2.2關(guān)鍵詞頻次分析

利用文獻計量分析軟件CiteSpace統(tǒng)計得出關(guān)鍵詞的詞頻。由于相同含義的關(guān)鍵詞,不同文章表述不同,所以本文將含義相同的關(guān)鍵詞進行合并整理,并且除去頻次最高的關(guān)鍵詞非點源污染,整理后選擇前30個高頻關(guān)鍵詞進行統(tǒng)計分析,研究這些高頻關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)度。這30個關(guān)鍵詞在一定程度上反映了我國非點源污染模型領(lǐng)域的研究熱點和研究方向。選取的關(guān)鍵詞和詞頻如表4所示。

表4　國內(nèi)“非點源污染模型”論文中高頻關(guān)鍵詞及詞頻

從表3可以得出：(1)在關(guān)于非點源污染模型的文章中,“SWAT模型”詞頻高達173,占統(tǒng)計關(guān)鍵詞的11.88%,僅次于非點源污染?？梢娢覈谘芯糠屈c源污染問題時,最常用的模型是SWAT模型,是國內(nèi)研究非點源污染模型中的研究熱點,這與國際上對SWAT模型的研究是相對應(yīng)的。同時在高頻關(guān)鍵詞中“輸出系數(shù)模型”、“AnnAGNPS模型”詞頻相對而言也比較高,表明這些模型是我國研究非點源污染問題的重要模型。(2)在高頻關(guān)鍵詞中,有關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地的關(guān)鍵詞比較多,如“農(nóng)業(yè)面源污染”、“土地利用”、“農(nóng)業(yè)”等說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是造成非點源污染的一個重要因素,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中噴灑的農(nóng)藥,化肥等流入到河流中,造成嚴重的水污染,所以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中造成的非點源污染是我國面臨的重要問題,對此Zhuang等[19]也提出了相似的看法。(3)“地理信息系統(tǒng)”的詞頻相對而言比較高,占統(tǒng)計關(guān)鍵詞的7.62%,遠高于平均占比,表明地理信息系統(tǒng)憑借其對地理信息的收集、處理、存儲、分析等功能,在非點源污染領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,是我國解決非點源污染問題的一個重要工具,同時這也與國外關(guān)鍵詞的統(tǒng)計相對應(yīng)。(4)“總氮”和“總磷”詞頻也比較高,說明了N、P是國內(nèi)外非點源污染問題研究過程中的重要元素,是重要污染物,造成嚴重的水體污染。

2.2.3關(guān)鍵詞可視化分析

為了更直觀的得到高頻關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系,結(jié)合Bibexcel、Ucinet和NetDraw軟件得出了高頻關(guān)鍵詞的可視化網(wǎng)絡(luò)圖,如圖6所示。

圖6　國內(nèi)高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖Fig.6　The common network visual graph of domestic high-frequency key words

從國內(nèi)高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖可知,除去非點源污染外,“SATI模型”、“污染負荷”、“氮”和“磷”等關(guān)鍵詞占據(jù)中心位置,因此它們是我國非點源污染模型的研究熱點和研究方向,這與高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計所得結(jié)論基本一致,可見研究模型來解決土地利用合理分配,解決農(nóng)業(yè)非點源污染以及氮、磷元素的處理和利用是當前非點源污染的重要研究問題和領(lǐng)域。

2.2.4被引頻次分析

對國內(nèi)年均被引頻次排名前十五位的論文進行統(tǒng)計,如表5所示。

由表5可知：

(1)何浩然于2006年在《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟》上發(fā)表的論文,年均被引頻次最高,被引頻次達到19次以上,同時其總被引頻次也相對較高,達到217次,其主要運用了統(tǒng)計分析和構(gòu)建計量經(jīng)濟模型的方法研究了化肥對農(nóng)業(yè)非點源污染的影響,并且在研究過程中發(fā)放了問卷,更加真實的了解了農(nóng)戶的基本特征,進而再運用回歸分析研究化肥施用的影響因素,對農(nóng)業(yè)非點源污染的研究具有參考意義。(2)從表4可以看出,《生態(tài)學(xué)報》和《環(huán)境科學(xué)》收錄的年均被引頻次排名前十五位的論文最多,是重要的兩個發(fā)文期刊,是國內(nèi)研究非點源污染的核心力量。(3)整體來看,國內(nèi)年均被引頻次排名前十五位的論文主要出現(xiàn)在2002年之后,說明我國對非點源污染模型的研究主要是在2002年開始,這也與論文發(fā)表年份和數(shù)目的統(tǒng)計相對應(yīng),從2003年之后每年發(fā)表論文數(shù)目較之前顯著增多。

表5　國內(nèi)論文總被引頻次和年均被引頻次

2.2.5關(guān)鍵詞聚類分析

采用與上述國外非點源污染模型研究相同的方法,得到系統(tǒng)聚類樹狀圖(圖7)、聚類群體劃分表(表6) 以及多維尺度分析圖(圖8)。

圖7　聚類樹狀圖Fig.7　 The clustering tree

表6　國外“非點源污染模型”聚類群體劃分Table 6　Cluster of “non-point source pollution models” in China

圖8　國外“非點源污染模型”線性擬合散點圖Fig.8　The linear fitting of the domestic non-point source pollution models

由上述圖表可看出,集群1的內(nèi)容主要涉及氮、磷營養(yǎng)物質(zhì),說明氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)是造成非點源污染的重要元素,這與國外非點源污染中的一個主要的研究方向相對應(yīng),要采取措施解決水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。集群2主要是解決非點源污染的工具,地理信息系統(tǒng)可以更加準確的描述非點源污染的空間分布。集群3的內(nèi)容比較復(fù)雜,涉及非點源污染的模型、影響、其發(fā)展歷程等多個方面,與國外非點源污染的集群劃分基本一致。集群4主要是針對太湖流域和三峽庫區(qū)進行分析研究。

3　結(jié)論與討論

(1)從數(shù)量上看,國內(nèi)外論文發(fā)表數(shù)量在2010年之后都較之前增多,說明非點源污染模型的研究在國內(nèi)外受到重視?？傮w來看,從2006—2016年間我國發(fā)表的論文數(shù)較國外而言比較多,說明我國非點源污染模型的研究得到重視,與我國提出的可持續(xù)發(fā)展,加強環(huán)境保護相對應(yīng)。

(2)從研究熱點上看,國外研究熱點為“water quality(水質(zhì))”、“Nitrogen(氮)”、“Watershed(流域)”和“Phosphorus(磷)”等,而國內(nèi)的研究熱點為“SATI模型”、“GIS”、“農(nóng)業(yè)”、“土地利用”、“總氮”和“總磷”說明國內(nèi)外研究熱點有相同之處,但我國相對于國外而言更重視地理信息系統(tǒng)的研究和使用以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對非點源污染的貢獻,而國外則更注重以流域為基礎(chǔ)的非點源污染模型的探討。

(3)從群集分類上看,國內(nèi)外的群集劃分情況基本相同,可以概括為非點源污染的模型、工具、影響、發(fā)展歷程四個主要方面。

(4)本文選取累積出現(xiàn)頻次達到11的前30個英文關(guān)鍵詞和累積頻次達到17的前30個中文關(guān)鍵詞作為統(tǒng)計關(guān)鍵詞,但并不排除一些頻次比較低的關(guān)鍵詞未來也可能成為研究熱點。利用共詞分析法探討學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點,其結(jié)果受關(guān)鍵詞統(tǒng)計的完整程度、專業(yè)水平和學(xué)科門類的影響,存在一定的局限性。