歐陽威，劉迎春，冷思文，劉宏斌，王依滴

（1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100875；2.北京師范大學(xué)圖書館，北京 100875；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

按照污染物進(jìn)入水體的方式，水環(huán)境污染可分為點源污染和非點源污染（面源污染）。非點源主要包括農(nóng)業(yè)非點源污染、城市非點源污染，另外還有植被區(qū)（森林、草原等）非點源污染、采礦業(yè)非點源污染、道路非點源污染和大氣沉降等[1]。非點源污染的產(chǎn)生離不開降水、產(chǎn)流和匯流過程，與土壤的累積、截留與侵蝕關(guān)系密切，特征是產(chǎn)生場所、產(chǎn)生時間、產(chǎn)生量是非固定的[2-3]。因為非點源具有隨機性和不確定性、廣泛性和滯后性，所以其研究治理難度很大。圍繞著非點源污染形成、遷移與控制，從農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、環(huán)境工程等學(xué)科方向，我國流域水污染問題正在得到有效控制，環(huán)境部發(fā)布的水環(huán)境公報表明我國主要河流與湖泊的污染情況得到有效改善，部分水體水質(zhì)呈好轉(zhuǎn)趨勢，但流域水體非點源污染問題成為繼續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量的瓶頸，在國務(wù)院2015年頒布的《水污染防治行動計劃》中有專門的篇章定義這部分任務(wù)[4-5]。有學(xué)者指出在未來幾十年，如何更好地控制非點源污染將是我國水環(huán)境保護(hù)最主要的問題之一[6]。黨的十九大報告也提出“加強農(nóng)業(yè)面源污染防治，開展農(nóng)村人居環(huán)境整治行動”，說明現(xiàn)階段我國非點源污染問題嚴(yán)重，是亟需解決的民生問題。

文獻(xiàn)計量學(xué)以各類文獻(xiàn)為主要研究對象，采用定量的手段分析各類學(xué)科發(fā)展中存在的數(shù)學(xué)規(guī)律。因其顯著的定量化、客觀性和模型化的宏觀研究優(yōu)勢已應(yīng)用于多個學(xué)科。但迄今為止，針對非點源污染問題的文獻(xiàn)計量分析大部分是針對已有文獻(xiàn)的來源（國家、學(xué)者和機構(gòu)等）進(jìn)行簡單的統(tǒng)計分析，缺乏對該領(lǐng)域發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和前沿動態(tài)的細(xì)致分析[7]。因此，本文采用文獻(xiàn)計量學(xué)的方法整體分析了全球非點源污染的發(fā)展歷程，重點探討了該研究領(lǐng)域在研究方向、尺度、內(nèi)容、對象等方面的發(fā)展趨勢，同時評價了我國在非點源污染領(lǐng)域研究與國外研究的差距及變化，指出了國內(nèi)學(xué)者需持續(xù)和重點關(guān)注的研究方向，為進(jìn)一步推進(jìn)非點源污染研究領(lǐng)域的發(fā)展與管理決策的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

在Web of Science核心合集中以檢索式：TS=（（（（diffuse near/10 pollution）or（“diffuse sources”）or（“non point”）or（nonpoint））and（pollut*or contami?nat*or nutrient or eutrophication））not（“air pollut*”or“atmospheric pollut*”or“l(fā)ight pollution”））進(jìn)行檢索，將1990—2016年文獻(xiàn)作為分析的主要數(shù)據(jù)來源，近30年全球非點源污染相關(guān)研究的總體趨勢。分析檢索日期為2017年11月1日。

1.2 分析方法

通過Web of Science“分析檢索結(jié)果”功能，得到歷年文獻(xiàn)量數(shù)據(jù)。為了更簡潔清晰地呈現(xiàn)發(fā)文量的歷史變化，以三年為一個時間段來展示，并且分析1990—2016年非點源污染研究的來源出版物和來源機構(gòu)。通過“創(chuàng)建引文報告”功能，得出1990—1999，2000—2009，2010—2013，2014—2016，1990—2016中外文獻(xiàn)的H-index數(shù)據(jù)，以及發(fā)文量前十位的學(xué)者所發(fā)文獻(xiàn)的H-index數(shù)據(jù)，以此對比中外研究的H-index。

將1990-2016年這27年的文獻(xiàn)集按“全記錄與參考文獻(xiàn)”導(dǎo)出，在CiteSpace中進(jìn)行文獻(xiàn)計量學(xué)與可視化分析。時間切割設(shè)為3年，因而1990—2016分成9個時間段，即1990—1992、1993—1995、1996—1998、1999—2001、2002—2004、2005—2007、2008—2010、2011—2013、2014—2016。 引 文 網(wǎng) 絡(luò) 分 析 工 具CiteSpace是美國德雷克賽爾大學(xué)的華裔研究者陳超美博士2004年開發(fā)并不斷更新的基于java的計量和分析科學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的信息可視化軟件，本文使用版本是 CiteSpace5.1R8 SE（64bit）[8]。

運用CiteSpace進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析。時期為1990—2016年，將時間切割間隔設(shè)為3年，術(shù)語來源選標(biāo)題、摘要、著者關(guān)鍵詞、關(guān)鍵詞擴展，閾值設(shè)置為Top50、不修枝（pruning）。此外，對一些同義關(guān)鍵詞予以了合并處理，具體是：nonpoint source pollution的多種變體和 diffuse pollution，river和stream，pollu?tion和contamination，GIS及其全寫，BMP及其全寫，model和 modeling，watershed、catchment和river basin，SWAT和SWAT model。合并網(wǎng)絡(luò)圖有131個節(jié)點，616條連線。選取時間間隔和關(guān)鍵詞特征上有代表性的1993—1995、2002—2004、2014—2016這三個時段輸出關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖，分析非點源污染研究的特征和趨勢。其中1993—1995年關(guān)鍵詞詞頻較小，分析前20位，2002—2004與2014—2016年均分析前30位。

進(jìn)一步運用CiteSpace進(jìn)行文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)分析，結(jié)合pathfinder算法修枝，得到482個節(jié)點，595條連線的簡要分析自動聚類圖。為清晰地分析重要的研究節(jié)點文獻(xiàn)的特征，在CiteSpace中導(dǎo)出文獻(xiàn)共被引合并網(wǎng)絡(luò)圖的總結(jié)表，提取引用次數(shù)（frequency）、突現(xiàn)度（burst）、中心度（centrality）、sigma指數(shù)前15位的共被引參考文獻(xiàn)做重點分析，共可獲得29篇。其中sigma指數(shù)是科學(xué)新穎性的度量，是突現(xiàn)度和中心度的函數(shù)。閱讀這29篇文獻(xiàn)的標(biāo)題與摘要，總結(jié)非點源污染研究主要參考文獻(xiàn)的借鑒意義，討論非點源污染研究的知識基礎(chǔ)（intellectual base）[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 總體分析

國外和國內(nèi)非點源污染研究文獻(xiàn)分別起始于1975年[10]和1992年[11]。1990年前世界非點源污染研究發(fā)文速度緩慢，之后才開始快速發(fā)展。我國針對非點源污染的相關(guān)研究在2005年后發(fā)展迅速（圖1），目前已成為非點源污染研究的大國，影響力也在逐步提升。2014—2016年間我國學(xué)者發(fā)文量約占到總發(fā)文量的三分之一。發(fā)文量前十的機構(gòu)中，我國占兩席。我國學(xué)者文獻(xiàn)的H-index與國外有接近趨勢（圖2）。25篇ESI高被引論文中，4篇為我國第一作者。

從1990—2016年總體看，我國學(xué)者所發(fā)文獻(xiàn)的H-index是46，國外學(xué)者所發(fā)文獻(xiàn)的H-index是127，中外前十位高發(fā)文學(xué)者所發(fā)文獻(xiàn)的H-index分別是27和46（圖2）。我國與國外學(xué)者在H-index方面還存在較大差距。一方面由于我國起步較晚，發(fā)文量少；另一方面可能是文章質(zhì)量上還存在一定差距。1990—1999年我國學(xué)者所發(fā)文獻(xiàn)的H-index約是國外學(xué)者所發(fā)文獻(xiàn)H-index的十分之一。然而近年來，我國學(xué)者發(fā)文量大幅提升，其中包括在頂級期刊上發(fā)表的非點源氮磷污染管理和預(yù)警相關(guān)文章[12-13]，到2014—2016年中外H-index僅相差8，可以看出中外文獻(xiàn)H-index差距正在逐漸縮小。

圖1 非點源污染研究發(fā)文量變化圖Figure 1 The number of published literature about non-point source pollution

圖2 中外非點源污染研究H-index比較圖Figure 2 H-index of Chinese scholars and international colleagues major in non-point source pollution

1990—2016年總發(fā)文量為7195篇，其中國內(nèi)機構(gòu)學(xué)者發(fā)文量1227篇，國外機構(gòu)學(xué)者發(fā)文量5968篇；包含至少5篇文獻(xiàn)的Web of Science期刊類別有80個，來源出版物和來源機構(gòu)超過500個。文獻(xiàn)數(shù)量前十位來源出版物和前十位來源機構(gòu)（表1）發(fā)文量分別約占27%和19%，中國科學(xué)院系統(tǒng)和北京師范大學(xué)在此領(lǐng)域進(jìn)入了全球前10名。

2.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析

近三十年來非點源污染研究前20位關(guān)鍵詞發(fā)展迅速，尤其是不同關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次和關(guān)聯(lián)度都有明顯提高。在此過程中，非點源污染相關(guān)研究始終圍繞改善水質(zhì)的目標(biāo)，持續(xù)關(guān)注了氮、磷和與之聯(lián)系的水體富營養(yǎng)化問題，營養(yǎng)元素、沉積物的重要來源——土壤以及重要的物質(zhì)輸送驅(qū)動力——徑流等問題。除此之外，近三十年來非點源污染研究在流域尺度綜合管理方面的研究穩(wěn)步增強，“流域”與“管理”這兩個詞的關(guān)鍵地位愈發(fā)凸顯且趨向于共現(xiàn)。

表1 1990—2016年非點源污染研究文獻(xiàn)發(fā)表的前十位來源學(xué)術(shù)期刊和機構(gòu)Table 1 Top 10 academic journals and institutions in the field of nonpoint source pollution during 1990—2016

初期階段的1993—1995年，非點源污染研究詞頻大于20的關(guān)鍵詞較少（圖3A）。除非點源外，“氮”、“磷”及“水質(zhì)”是頻次高的關(guān)鍵詞，表明非點源污染研究主要針對地表水或者地下水體富營養(yǎng)化中氮磷來源與過程分析，主要的研究方法為傳統(tǒng)的實地采樣與監(jiān)測。進(jìn)入本世紀(jì)初，非點源污染的詞頻在相同的3年內(nèi)增加了3倍，詞頻超過30次的關(guān)鍵詞數(shù)量也大幅增加（圖3B），表明非點源污染研究的廣度與深度明顯提高。在污染物方面，除總氮外，硝態(tài)氮和重金屬的研究逐步深入。對河流、遷移、模擬和沉積物的關(guān)注度也穩(wěn)步提高，這個階段，非點源污染研究方法和工具也迅速發(fā)展，尤其是隨著GIS的出現(xiàn)，基于空間分析進(jìn)行水文模型模擬使得流域綜合管理、不同土地利用效應(yīng)等方面的研究得以開展。

2014—2016年期間，高頻詞數(shù)量劇增，表明該研究領(lǐng)域得到了快速發(fā)展（圖3C）。“流域”是第3位高頻詞，“管理”是第 6 位高頻詞，“管理”與“氮磷”、“徑流”“沉積物”、“模型”、“系統(tǒng)”等詞的共現(xiàn)，反映出本階段的研究重點是對包括氮磷、沉積物、徑流過程等加以管理。目前，應(yīng)用于流域范圍內(nèi)研究非點源污染負(fù)荷的模型主要有HSPF（Hydrological simulation program-FORTRAN）、ANSWERS（Areal nonpoint source water?shed environmental response simulation）、AGNPS（Agri?cultural non-point source）和 SWAT（Soil and water as?sessment tool）。由于所用參數(shù)、率定時間、模擬流域的空間尺度、對管理措施的模擬和對營養(yǎng)元素的模擬效果等諸多因素的考慮，SWAT逐漸成為應(yīng)用最為廣泛的模型，SWAT在2011—2013年進(jìn)入前20位，在2014—2016年達(dá)到第16位。在這一階段，流域的非點源污染負(fù)荷量計算的研究趨于基于GIS空間分析將SWAT模型模擬手段和實地監(jiān)測方法相結(jié)合，從而得到較真實的計算值。隨著氣候變暖這個全球性環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，針對氣候變化對非點源污染的影響研究也逐漸引起了各國學(xué)者的重視，2014—2016年“氣候變化”一詞也位列前30位高頻關(guān)鍵詞之中。2014—2016年期間“中國”這一關(guān)鍵詞強勁增長位列第13位，反映出我國學(xué)者的研究發(fā)展迅速，另一方面也反映了學(xué)界對我國非點源污染問題越來越重視。對我國各地區(qū)非點源污染研究的推進(jìn)將有助于我國環(huán)境質(zhì)量的改善。

在CiteSpace中做關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，系統(tǒng)能對關(guān)鍵詞在各年段的出現(xiàn)情況進(jìn)行突現(xiàn)詞檢查，如果一個詞在某個年段的波動相對于整個時期來說變動顯著，那么這個詞就是突現(xiàn)詞（Burst terms）[8-9]。值得注意的是，SWAT、中國、氣候變化三個詞分別在2005、2008、2014年突現(xiàn)，且突現(xiàn)度（burst）較高，均大于20，進(jìn)一步印證了上述分析。

2.3 文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)分析

圖3 三個代表性時段非點源污染研究高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖Figure 3 Co-occurring distribution of top keywords about non-point source pollution research in three periods

圖4 非點源污染研究文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)自動聚類圖（by title terms-LLR）Figure 4 Distributions of co-cited references clusters labeled by title terms-LLR about non-point source pollution

非點源污染研究文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)圖自動聚類圖（圖4）顯示了主要的類及類標(biāo)簽，482個文獻(xiàn)節(jié)點共有108個類，自動聚類圖直觀表現(xiàn)出了非點源污染研究的發(fā)展方向。該圖左上角藍(lán)色的聚類區(qū)，文獻(xiàn)發(fā)表時間較早，研究較為關(guān)注耕地管理和非點源污染物具體類型的輸出負(fù)荷，表明這個階段的非點源污染研究主要集中在點位尺度，尤其注重原位觀測；右上部的綠色的節(jié)點代表了發(fā)展中期非點源污染研究特征，大都是關(guān)于不同空間尺度條件下氮、磷污染輸出特征、對河口生態(tài)系統(tǒng)影響以及多種控制措施的評價，表明這個階段的研究已擴展到環(huán)境效應(yīng)及污染控制。近期的研究集中在右下角的棕色節(jié)點聚類標(biāo)簽區(qū)，該期間SWAT是出現(xiàn)頻次最多的模擬模型。在流域非點源污染管理方面，重點已從常規(guī)的流域綜合管理上升到考慮流域自然特征的優(yōu)先控制區(qū)，而從流域水環(huán)境與生態(tài)保護(hù)角度出發(fā)的非點源污染研究也逐步成為主流。除營養(yǎng)物質(zhì)氮磷、重金屬和農(nóng)藥之外，近期的非點源污染研究對生物學(xué)類指標(biāo)的研究逐步推進(jìn)，節(jié)點聚類標(biāo)簽區(qū)中部右邊的節(jié)點表明這部分研究已經(jīng)基本成熟，尤其是涉及的畜禽養(yǎng)殖廢棄物、下水道泄漏及人體健康研究，表明非點源污染環(huán)境健康效應(yīng)研究將是未來發(fā)展熱點。目前這部分雖尚未和傳統(tǒng)的非點源污染深入耦合，然而一旦將物理、化學(xué)層面的非點源污染模型發(fā)展到生物學(xué)層面，不同尺度時空效應(yīng)分析的實現(xiàn)將指日可待。

2.4 高被引文獻(xiàn)特征分析

由于高被引文獻(xiàn)信息量大、參考價值大、典型性強，本文也對其中的25篇ESI高被引文獻(xiàn)開展了特征分析。25篇高被引文獻(xiàn)中包含了綜述類文獻(xiàn)7篇，在內(nèi)容上，關(guān)于模型的文獻(xiàn)共有4篇，均為SWAT模型的應(yīng)用發(fā)展；關(guān)于某個代表性研究地點文獻(xiàn)共有5篇，如美國印第安河潟湖、伊利湖和我國太湖的研究。此外，有5篇文獻(xiàn)為國際合作，表明加強非點源污染研究的國際合作將更有效地提高研究成果的關(guān)注度。25篇高被引文獻(xiàn)涉及的研究熱點廣泛，如傳統(tǒng)的氮磷污染以及富營養(yǎng)化問題研究，也有關(guān)于痕量非點源污染物，如重金屬、有機污染物、生物炭、沉積物、農(nóng)作物殘留物的研究，模型方法類研究，尤其是模型綜述類文獻(xiàn)引用頻次較高，這些特征均表明非點源污染研究在污染物類型、遷移過程分析方面取得了較為明顯的進(jìn)步。

表2總結(jié)了主要的高被引參考文獻(xiàn)的基本特征。分析表明GIS和SWAT相關(guān)的文獻(xiàn)被引率高，可見方法類研究仍然是同行關(guān)注的熱點，也反映了這兩種工具對于非點源污染研究的重要意義。非點源污染具有明顯的不確定性和滯后性，該領(lǐng)域的研究是典型的流域尺度跨學(xué)科研究，涉及大量空間數(shù)據(jù)。GIS的輔助實現(xiàn)了不同尺度的高效模擬，經(jīng)過三十多年的完善，SWAT實現(xiàn)了模型的研究尺度從田間向流域的擴展，對流域的研究與管理起到推動作用。然而，由于模型在概化自然系統(tǒng)的過程中進(jìn)行了一系列簡化和假設(shè)，加之模型運用時輸入信息的缺乏或存在誤差，以及獲取的參數(shù)值不確定，使得模型模擬結(jié)果的不確定性問題日益凸顯。如何認(rèn)識和定量評價非點源污染模型模擬結(jié)果的不確定性仍然是非點源污染模型研究的前沿領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者也通過構(gòu)建人工模擬降雨徑流實驗裝置，研究分析不同降雨、不同下墊面條件下非點源污染流失規(guī)律，并且結(jié)合非點源污染模型及河流水質(zhì)分析模型，研究模擬不同降雨重現(xiàn)期、不同降雨歷時條件下非點源污染流失特征，分析污染物入河后濃度變化規(guī)律，定量模擬分析污染源防控措施的污染削減效果。此外，近三十年非點源污染研究最明顯的特征是中國學(xué)者逐步成為研究的中流砥柱，有關(guān)中國的研究文獻(xiàn)在數(shù)量和被引量上都有大幅提升。有多篇高被引文獻(xiàn)是關(guān)于中國非點源污染研究估算準(zhǔn)確性問題和模型使用問題，說明快速發(fā)展中的中國本土非點源污染研究正在努力發(fā)展更準(zhǔn)確的結(jié)果、更有效的模型與方法。

表2 1990—2016年期間非點源污染研究主要高被引文獻(xiàn)特征分析Table 2 Analysis of influential co-cited references during 1990—2016 in the field of nonpoint source pollution

3 結(jié)論

（1）1990—2016年是非點源污染研究快速發(fā)展的階段。在水環(huán)境管理與污染控制的促進(jìn)下，近十年來我國非點源污染研究發(fā)展迅速，已經(jīng)成為全球重要的研究基地和創(chuàng)新基地。隨著我國學(xué)者在模型本地化改進(jìn)和精細(xì)化模擬管理方面研究的深入，非點源污染研究團(tuán)隊和學(xué)者在全球范圍內(nèi)的排名穩(wěn)步上升，H指數(shù)的差距也在逐步縮小，中國必將成為非點源污染研究的領(lǐng)跑者。

（2）非點源污染研究圍繞改善水質(zhì)的目標(biāo)，核心研究內(nèi)容為氮磷污染輸出、模型模擬、模型優(yōu)化以及徑流變化和土壤屬性對非點源污染輸出的影響等。模型模擬方面，基于GIS空間分析的SWAT模型逐步成為運用最為廣泛的工具，實現(xiàn)了對不同地理尺度下非點源污染輸出特征的分析，并逐步開展氣候變化帶來的非點源輸出效應(yīng)研究。

（3）通過對關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)和高被引文獻(xiàn)的分析，表明非點源污染研究逐漸從點位尺度的輸出負(fù)荷分析與控制，過渡到流域尺度不同類型污染物在不同尺度下的精細(xì)化模擬與管理。下一階段，非點源污染模擬將由物理化學(xué)層面提升到生物層面，實現(xiàn)生物學(xué)類非點源污染模擬分析和健康效應(yīng)評價。