韋飛黎, 李雙成,*,余武生,謝愛麗,侯文宇
1 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871 2 中國科學(xué)院青藏高原研究所青藏高原環(huán)境變化與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101
大氣降水是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié),是大氣圈和水圈之間物質(zhì)與能量交換過程中重要的因子之一,其變化尤其受到溫度、濕度、水汽來源等影響。因此,對降水穩(wěn)定同位素的研究,弄清局地降水穩(wěn)定同位素與不同氣象要素之間的關(guān)系,可為局地不同植被利用水資源的狀況等的研究提供重要的依據(jù),甚至可為生態(tài)修復(fù)中的植被恢復(fù)狀態(tài)的研究提供重要的背景數(shù)據(jù)。
自1964年Dansgaard[1]利用全球降水穩(wěn)定同位素監(jiān)測計(jì)劃(Global Network of Isotopes in Precipitation,GNIP)資料建立了全球平均年降水中δ18O與地表氣溫之間的線性關(guān)系,并由此提出過量氘的概念至今,國際上穩(wěn)定同位素水文循環(huán)研究取得了很大的進(jìn)展。降水穩(wěn)定同位素從20世紀(jì)60年代對觀測結(jié)果的描述[1]到同位素分餾理論的發(fā)展[2-4],野外實(shí)地觀測與區(qū)域水文模型耦合[5-14],再到降水穩(wěn)定同位素觀測和古氣候記錄與GCM[15-16]的結(jié)合研究,由對降水穩(wěn)定同位素的研究到各圈層水體穩(wěn)定同位素相結(jié)合[8,17-20]以及產(chǎn)生降水的各種動(dòng)力機(jī)制[21-23]的研究,穩(wěn)定同位素氣候水文學(xué)已成為一個(gè)重要的研究方向。
在中國,降水穩(wěn)定同位素的研究工作開展較晚,20世紀(jì)70年代中期才開始起步,但自從20世紀(jì)80年代中期開始,隨著廣州、昆明、石家莊、西安、和田、拉薩等30多個(gè)站點(diǎn)加入GNIP觀測計(jì)劃以來,尤其是1991年中國學(xué)者啟動(dòng)了TNIP(Tibetan Plateau Network of Isotopes in Precipitation)計(jì)劃以來,中國降水穩(wěn)定同位素開始得到快速的發(fā)展[24-27],并緊跟上國際降水穩(wěn)定同位素的步伐。
為了更全面的了解降水穩(wěn)定同位素理論和方法的應(yīng)用狀況,本研究運(yùn)用Citespace軟件對降水穩(wěn)定同位素進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)與分析。與其他軟件相比,Citespace軟件具有容易對文獻(xiàn)之間進(jìn)行共現(xiàn)分析(即相關(guān)分析)、操作簡單并能將共現(xiàn)分析結(jié)果與Excel相結(jié)合等眾多優(yōu)點(diǎn)?;贑itespace軟件運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)以及網(wǎng)絡(luò)分析方法對Web of Science核心數(shù)據(jù)集中1990—2017年水體氫氧穩(wěn)定研究的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和可視化處理,對20多年來國內(nèi)外降水穩(wěn)定同位素研究進(jìn)行綜述,主要從研究的學(xué)科領(lǐng)域和地區(qū)的分布、不同作者文章的發(fā)表情況、關(guān)鍵詞隨時(shí)間的演變以及核心文章進(jìn)行分析,主要目的是解決以下問題:1)該研究領(lǐng)域研究的前沿以及熱點(diǎn)問題是什么?2)該研究領(lǐng)域的研究趨勢以及存在的問題是什么?通過探索本研究領(lǐng)域的總體發(fā)展趨勢,為未來不同水體穩(wěn)定同位素的研究提供參考和依據(jù)。
基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)和網(wǎng)絡(luò)分析法,結(jié)合美國德雷塞爾大學(xué)陳超美博士基于Java平臺研發(fā)而成的Citespace統(tǒng)計(jì)和可視化軟件[28],以降水穩(wěn)定同位素為研究對象,搜集、加工整理相關(guān)的文獻(xiàn),并進(jìn)行共現(xiàn)分析(相關(guān)性分析),包括共詞(關(guān)鍵詞的共現(xiàn))和共被引(參考文獻(xiàn)以及作者的共現(xiàn))等,對文章主題進(jìn)行分析聚類,揭示關(guān)鍵詞所代表的內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián),從而提取本研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),把握本領(lǐng)域發(fā)展歷程及趨勢,并運(yùn)用同樣的方法對共被引進(jìn)行分析,揭示本研究領(lǐng)域研究學(xué)者之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。
本文選取信息索引數(shù)據(jù)庫Web of Science核心數(shù)據(jù)庫作為檢索平臺,對文獻(xiàn)進(jìn)行搜索。為保證檢索數(shù)據(jù)全面覆蓋與降水穩(wěn)定同位素有關(guān)的研究內(nèi)容,在Web of Science中主題詞(Article)設(shè)定為:“stable isotope” “and”(用“and”連接兩個(gè)關(guān)鍵詞)“precipitation”或者“deuterium Excess” “and” “precipitation”或者“oxygen isotope” “and” “precipitation”或者“precipitation isotope”。時(shí)間跨度1990年1月1日—2017年12月16日,每個(gè)時(shí)間切片為3年,語言選擇英語進(jìn)行精煉。檢索所得的記錄包括作者、篇名等文獻(xiàn)全記錄以及引用的參考文獻(xiàn),搜索得到6229篇,經(jīng)過逐一篩選,剔除無關(guān)的文章以及合并重復(fù)的文章,最后剩下6222篇。以上搜索的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)最后的更新時(shí)間為2017年12月16日。
對檢索過程和citespace的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析時(shí),對一些意義相近的詞匯如“stable isotope in precipitation”與“precipitation isotope”等進(jìn)行合并,保證分析結(jié)果的簡潔性與可靠性。
圖1 SCI數(shù)據(jù)庫中降水穩(wěn)定同位素研究文獻(xiàn)分布情況(按學(xué)科)Fig.1 Distribution of stable isotope in precipitation research literatures in database of SCI(distributed by discipline)
1990年至今,SCI數(shù)據(jù)庫中降水穩(wěn)定同位素研究文獻(xiàn)在學(xué)科上分布情況如圖1所示。從圖1中發(fā)現(xiàn),文章數(shù)量分布的研究領(lǐng)域中最多的是地質(zhì)學(xué),共2193篇,占到總數(shù)的35.61%,在水資源學(xué)領(lǐng)域共870多篇,排在第二,占到總數(shù)14.13%,環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域859篇,占到13.95%。文章數(shù)量在800篇以上的學(xué)科自然地理學(xué),總共825篇。從表1中可看出,在排名靠前的地質(zhì)學(xué)、水資源學(xué)等這些研究領(lǐng)域的sigma值都≥1(sigma值表示事物所在的結(jié)構(gòu)或功能上的重要程度,當(dāng)sigma值≥1時(shí),表明事物在結(jié)構(gòu)或功能上就有非常重要的地位,值越大,重要性越強(qiáng);相反,當(dāng)Sigma<1時(shí),表明事物在結(jié)構(gòu)或功能上的重要性就很弱),說明降水穩(wěn)定同位素在上述研究領(lǐng)域占有重要的地位。但是有爆發(fā)點(diǎn)且爆發(fā)值(一般爆發(fā)值≥1時(shí),表明某事物在短時(shí)間內(nèi)增加的速度很快)從高到低排列的是氣象與大氣科學(xué)(7.65)、海洋學(xué)(7.25)、湖泊沼澤學(xué)(5.88)和古生物學(xué)(3.86)(表1),爆發(fā)值越大,說明近幾年降水穩(wěn)定同位素在這些研究領(lǐng)域增加的速度越快。因此,近幾年來,降水體穩(wěn)定同位素在氣象與大氣科學(xué)領(lǐng)域得到快速發(fā)展,其次是海洋學(xué),緊跟其后的是湖泊沼澤學(xué)、古生物學(xué)。究其原因是:降水穩(wěn)定同位素被稱為“指紋”,可以示蹤水汽來源,揭示海陸間大氣環(huán)流,并可以結(jié)合河流、湖泊等不同水體穩(wěn)定同位素的時(shí)空變化揭示局地水汽再循環(huán)。尤其是,近年來衛(wèi)星、遙感的發(fā)展,使得海陸間大范圍的氣象監(jiān)測較為便捷,甚至可以通過衛(wèi)星來直接監(jiān)測大氣水汽穩(wěn)定同位素,因此促進(jìn)了對降水穩(wěn)定同位素的大尺度研究。此外,降水穩(wěn)定同位素的變化受到溫度、氣壓、濕度、降水量等影響,通過建立現(xiàn)代降水穩(wěn)定同位素與溫度、相對濕度、氣壓、降水量等不同氣象要素的關(guān)系,可以為冰芯、樹輪、洞穴沉積物等古氣候記錄的解譯提供更好的依據(jù)。
從圖2分析可知,在Web of Science數(shù)據(jù)庫中,降水穩(wěn)定同位素呈逐年上升的趨勢。在2005年以前,降水穩(wěn)定同位素文章數(shù)量增長速度較慢,但是2005年以后,尤其是2010年以來,文章的數(shù)量迅速更加,并在2016年達(dá)到了最高峰(579篇)(由于2017年只統(tǒng)計(jì)到12月16日)。
表1 SCI數(shù)據(jù)庫中降水穩(wěn)定同位素研究文獻(xiàn)分布情況(按學(xué)科)
圖2 Web of Science數(shù)據(jù)庫水體穩(wěn)定同位素研究文獻(xiàn)分布情況(按時(shí)間)Fig.2 Distribution of stable isotope in precipitation research literatures in database of Web of Science(distributed by time)
根據(jù)作者的地址資料提取經(jīng)緯度信息,對發(fā)表文章的不同國家/地區(qū)進(jìn)行分析。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,降水穩(wěn)定同位素的研究人員主要分布在全球100多個(gè)國家和地區(qū)。發(fā)表文章數(shù)在2篇以上的有77個(gè)國家,1990年以來發(fā)表文章總數(shù)排在前10的國家詳見表2。從表2可知,從1990—2017年發(fā)表文章總數(shù)最多的是美國,總共2089篇,占到文章綜述的34.53%,第二位是中國,總共992篇,占到15.93%,加拿大612篇,占到9.82%。中國降水穩(wěn)定同位素研究雖然起步較晚,但發(fā)展速度較快。從全世界的基金資助機(jī)構(gòu)可以看出,中國降水穩(wěn)定同位素的快速發(fā)展離不開中國國家自然科學(xué)基金(National Natural Science Foundation of China, NSFC)、中國科學(xué)院等的大力支持。在全世界排名前十的支持機(jī)構(gòu)中,中國占了4個(gè),受中國國家自然科學(xué)基金資助(排在第一位)發(fā)表的文章數(shù)目(376篇)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了受National Science Foundation(NSF)資助(第二位)發(fā)表的文章數(shù)目(183)。這說明中國的這些科研成果得益于中國政府的重視,同時(shí)也顯示了中國在水體穩(wěn)定同位素領(lǐng)域科研能力的提升。
從引用爆發(fā)值和sigma值角度分析,發(fā)現(xiàn)雖然我國文章的數(shù)量排在第二位,但是中國文章沒有爆發(fā)值,sigma值也比較低,低于美國、法國、英國和加拿大(表2)。由此可知,美國、法國、英國、加拿大等國家已發(fā)表論文的影響力較高。中國降水穩(wěn)定同位素相關(guān)的文章的質(zhì)量以及影響力還有待提高。
從文章作者的空間密度分布上看(圖3),降水穩(wěn)定同位素研究的作者主要集中歐洲的中西部地區(qū),美國的中、東部和西部沿海地區(qū)、加拿大的東南部,韓國、日本以及中國的中、東部地區(qū),澳大利亞的東部和東南部沿海地區(qū)。而這些地區(qū)共同的特征為氣候較濕潤,海陸之間相互作用較明顯,選擇這些地區(qū)研究降水穩(wěn)定同位素,有利于揭示水汽傳輸過程以及大尺度的海陸熱力環(huán)流的影響。
表2 發(fā)表文章篇數(shù)排在前十的國家情況
圖3 已發(fā)表降水穩(wěn)定同位素文章的作者的國家和地區(qū)分布情況(紅點(diǎn)表示文章作者的位置)Fig.3 Distribution of published article′s author(Note that the red solid circle indicates the location of the author)
圖4 被引頻次在47次以上的文章Fig.4 Articles was cited more than 47 times
文章共被引頻次代表了相關(guān)文獻(xiàn)的影響力,頻次越高則文獻(xiàn)的影響力越大。中心節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)是相關(guān)研究從一個(gè)方向向另一個(gè)方向的轉(zhuǎn)變的聯(lián)結(jié)點(diǎn),對未直接連接的節(jié)點(diǎn)和研究內(nèi)容相近的文獻(xiàn)的聚類起著關(guān)聯(lián)作用[28]。中心度≥0.1的節(jié)點(diǎn)可認(rèn)為是高中心度的節(jié)點(diǎn)。高中心度的節(jié)點(diǎn)處于相關(guān)領(lǐng)域研究的核心文獻(xiàn)[28]。表3選出了被引頻次靠前的12篇文章,并且這些文章的中心度均≥0.1,說明這些文獻(xiàn)都是降水穩(wěn)定同位素的核心文獻(xiàn)之一。圖4是被引頻次在47次以上的文章,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一篇文章,節(jié)點(diǎn)越大,共被引的次數(shù)越多,文章之間連接的線是最初被引的時(shí)間(線的顏色對應(yīng)時(shí)間抽上的顏色)。
由表3及圖4可知文章被引最多的是McCarroll等[29],總共被引104次,這篇文章主要利用降水穩(wěn)定同位素能夠追蹤水汽來源的原理通過樹輪氫氧穩(wěn)定同位素建立與溫度、相對濕度的關(guān)系來重建古氣候,為古氣候溫度等的重建提供了一個(gè)新的思路。排在第二位的是Bowen等[30]2002年發(fā)表在地質(zhì)學(xué)(Geology)上的文章,主要講述降水穩(wěn)定同位素的空間分布特征及深入研究和驗(yàn)證影響模型的因素[30],對后人研究降水穩(wěn)定同位素以提供了理論的依據(jù)。Araguás-Araguás等[31]從大范圍研究尺度著手對亞洲東南部降水穩(wěn)定同位素的時(shí)空變化規(guī)律及其機(jī)理解釋,Rozanski等[5](雖然被引頻次未排在前十,但是其爆發(fā)值及sigma值都很高)根據(jù)全球219個(gè)站點(diǎn)長期觀測的降水穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù),獲得算術(shù)平均值以及加權(quán)平均值的δ18O和δD之間的線性關(guān)系,這些都進(jìn)一步完善和發(fā)展了降水穩(wěn)定同位素的理論研究。Hoffmann等[15]以及Risi等[9-10]則從與模型的角度相結(jié)合對降水穩(wěn)定同位素進(jìn)行研究,尤其是Risi等[9,11- 12]成功運(yùn)用各種模型模擬對降水穩(wěn)定同位素進(jìn)行解釋與預(yù)測,使得降水穩(wěn)定同位素研究的方法與手段更加豐富。Yao等[32]通過觀測數(shù)據(jù)與各種不同的模型模擬結(jié)果對比,將青藏高原劃分為季風(fēng)模態(tài)、過度模態(tài)、西風(fēng)模態(tài)等3個(gè)模態(tài)。Tian等[33]則通過降水、河水穩(wěn)定穩(wěn)定同位素分析,發(fā)現(xiàn)在青藏高原季風(fēng)向北推進(jìn)的范圍為35°N。由上述被引用較高的文獻(xiàn)研究的內(nèi)容不難看出,對基礎(chǔ)理論、與模型模擬相結(jié)合、研究大尺度范圍以及有重大發(fā)現(xiàn)并能反應(yīng)客觀規(guī)律的研究往往被大家引用的較多。但是從表3容易看出,核心文章以及核心作者主要集中在2010年以前,2010年以后核心作者較少,說明后期研究影響力相對不足。
從爆發(fā)值和sigma值角度分析,被引用排在靠前的文章中爆發(fā)值和sigma值都很高(表3),由此可以看出,這些被引率排在靠前的文章其研究內(nèi)容往往代表了該研究領(lǐng)域的前沿。由圖5可知,Yao等[32]、Tian等[33]、Rozanski等[5]和Risi等[9,11- 12]的文章出現(xiàn)明顯的紅圈,這表明這些文章在短時(shí)間內(nèi)被引頻次較多,說明這些研究內(nèi)容隨著時(shí)間的推移在不久的將來可能成為熱點(diǎn)。綜合文章被引頻次、爆發(fā)值以及sigma值等,排名靠前的核心文獻(xiàn)的研究作者對降水穩(wěn)定同位素的研究起到至關(guān)重要的作用。由表3及圖5可知,2007年以來,Yao、Risi、Tian等人對降水穩(wěn)定同位素研究起到重要推動(dòng)作用。
表3 1990—2017年核心文獻(xiàn)及代表作者
圖5 核心文獻(xiàn)被引演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)圖(1990—20017)Fig.5 Cited core documents evolution map from 1990 to 20017
由于關(guān)鍵詞是對核心內(nèi)容的提煉與濃縮,不同文獻(xiàn)中反復(fù)出現(xiàn)的關(guān)鍵詞可以視為該研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),因此通過對共被引關(guān)鍵詞和詞頻以及文獻(xiàn)術(shù)語之間的連接強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以得出所研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢[28]。本文基于Citespace軟件對降水穩(wěn)定同位素研究相關(guān)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì),選擇膨脹詞探測技術(shù)及探索關(guān)鍵路徑算法(Pathfinder)和網(wǎng)絡(luò)路徑簡化算法,將頻次變化較高的術(shù)語探測出來,并對詞頻的時(shí)間變化趨勢進(jìn)行分析,繪制出降水穩(wěn)定同位素研究熱點(diǎn)的演進(jìn)脈絡(luò)(圖6),并提取了共現(xiàn)頻次最多的關(guān)鍵詞屬性表(表4)和在演進(jìn)過程中爆發(fā)值較高、中心度較大(表4和表5所以關(guān)鍵詞的中心度都大于0.1)。關(guān)鍵詞的中心度越大,代表該節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)的頻次越高,即為該研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于表中數(shù)據(jù)較多,本研究按照從高到低排列,只選取了排在前16位的關(guān)鍵詞(表4)。
從表4和圖6可以看出,1990年以來,關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次最多的是stable isotope、precipitation,water等,尤其是stable isotope和precipitation等關(guān)鍵詞,在降水穩(wěn)定同位素研究領(lǐng)域中始終占據(jù)了最核心的地位,貫穿了整個(gè)降水穩(wěn)定同位素的發(fā)展時(shí)間軸。但是,隨著時(shí)間的推移,漸漸出現(xiàn)一些新的關(guān)鍵詞(圖6),例如leaf water、Tibetan Plateau、cellulose、environmental change、tree ring、atmospheric circulation、groundwater recharge、hydrograph separation、summer monsoon。通過導(dǎo)出的屬性表分析,這些關(guān)鍵詞的爆發(fā)值和sigma值都很高(summer monsoon由于是2017年剛呈現(xiàn)爆發(fā)趨勢,未能探測出爆發(fā)的具體值),由此可以確定新出現(xiàn)的這些詞即將成為研究的熱點(diǎn)。這表明在今后的發(fā)展過程中,與植物圈(樹輪、葉片水穩(wěn)定同位素[36])、水圈(地下水)、大氣圈等不同圈層相結(jié)合的研究以及利用穩(wěn)定同位素對不同水汽來源的分割、對青藏高原的研究等即將成為前沿的研究領(lǐng)域。
表4 出現(xiàn)頻次排在前16位的關(guān)鍵詞
圖6 降水穩(wěn)定同位素研究關(guān)鍵詞演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)Fig.6 Keyword evolution map related to stable isotope in precipitation
共現(xiàn)頻次Co-occurrence frequency爆發(fā)值Burst valueSigma值Sigma value關(guān)鍵詞Keyword首現(xiàn)時(shí)間First appearance time181summer monsoon20175519.631.02hydrograph separation20145218.561.01groundwater recharge20143920.141.01tree ring20112512.91environmental change20119611.931.43cellulose20084918.261atmospheric circulation20081779.121.01Tibetan Plateau20051810.491leaf water20057211.431.03monsoon200216811.511.28deuterium excess1999728.011.18general circulation model19933918.851.02ocean1993
通過借助網(wǎng)絡(luò)分析方法和Citespace軟件的可視化分析功能,對1990—2017年間降水穩(wěn)定同位素研究概況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與可視化分析,并對一些重要的文獻(xiàn)進(jìn)行解讀。分析發(fā)現(xiàn),目前降水穩(wěn)定同位素領(lǐng)域研究呈現(xiàn)出如下特點(diǎn):
(1)近年來,降水穩(wěn)定同位素在氣象與大氣科學(xué)領(lǐng)域得到快速發(fā)展,其次是海洋學(xué),緊隨其后的是湖泊沼澤學(xué)、古生物學(xué)。
(2)研究降水穩(wěn)定同位素(已發(fā)表文章)的作者空間分布特征:主要分布在歐洲的中西部地區(qū),美國的中、東部和西部沿海地區(qū)、加拿大的東南部,韓國、日本以及中國的中東部地區(qū),澳大利亞的東部和東南部沿海地區(qū)—?dú)夂蜉^濕潤的地區(qū)。中國降水穩(wěn)定同位素的文章數(shù)量雖多,但是總體上文章的影響力有待提高。
(3)對基礎(chǔ)理論、與模型模擬相結(jié)合、研究大尺度范圍以及有重大發(fā)現(xiàn)并能反應(yīng)客觀規(guī)律的研究往往被大家引用的較多。核心作者以及代表作品主要集中在早期,2007年以來,Yao T、Risi C、Tian L等對降水穩(wěn)定同位素研究起到重要推動(dòng)作用。
(4)leaf water、Tibetan Plateau、cellulose、environmental change、tree ring、atmospheric circulation、groundwater recharge、hydrograph separation等即將成為研究的新熱點(diǎn);與植物圈、水圈、大氣圈等不同圈層相結(jié)合的研究以及利用穩(wěn)定同位素對不同水汽來源的分割、對青藏高原的研究等即將成為前沿的研究領(lǐng)域。
通過對降水穩(wěn)定同位素相關(guān)文章的共被引、關(guān)鍵詞以及重要文獻(xiàn)的分析,發(fā)現(xiàn)降水穩(wěn)定同位素的研究除了有以上的特點(diǎn)外,還存在一些問題。這主要體現(xiàn)在:大部分研究主要集中在自然基礎(chǔ)知識研究領(lǐng)域,與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合度不夠。例如,未探測到與城市有關(guān)的熱門詞匯,在搜索到的重要文獻(xiàn)中未發(fā)現(xiàn)與城鄉(xiāng)梯度變化、利用水體穩(wěn)定同位素驗(yàn)證生態(tài)植被恢復(fù)狀況等有關(guān)的研究,在以后的研究中可以嘗試把降水穩(wěn)定同位素的研究與社會(huì)發(fā)展的實(shí)際需求結(jié)合起來。