谷玥 陸志波 姚俊蘭

(1 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092; 2 同濟大學(xué)圖書館,上海 200092)

提要 為了識別中外在北極環(huán)境領(lǐng)域的研究差距,構(gòu)建先進的北極科考框架,基于CiteSpace 工具對國際和國內(nèi)北極環(huán)境領(lǐng)域近30年的文獻進行計量。通過共現(xiàn)、聚類和共被引分析發(fā)現(xiàn)北極環(huán)境研究發(fā)展可分為三個階段; 北極八國和德英法在北極環(huán)境研究中占據(jù)主導(dǎo)地位; 北極環(huán)境研究與地質(zhì)學(xué)和大氣科學(xué)等學(xué)科密切相關(guān); 海冰、凍原、永久凍土和積雪是最熱門的北極環(huán)境污染物介質(zhì),多氯聯(lián)苯、汞和二氧化碳在污染物研究中占據(jù)主導(dǎo)地位; 突現(xiàn)性污染物的研究重點變化趨勢是氯代烴—臭氧—重金屬—黑碳,持久性有機污染物的突現(xiàn)性始終存在; 通過國際和國內(nèi)的研究對比分析發(fā)現(xiàn)我國生態(tài)毒理學(xué)研究的不足。最后,從需要進行監(jiān)測的污染物、可以運用的理論技術(shù)以及需要開展的環(huán)境領(lǐng)域科研工作等方面,對我國北極環(huán)境研究提出建議。

0 引言

在全球氣候變化、經(jīng)濟全球化和區(qū)域一體化的背景下,北極在戰(zhàn)略、經(jīng)濟、科研、環(huán)保、航道、資源等方面的價值不斷提升[1],受到國際社會的普遍關(guān)注。美國、加拿大、俄羅斯、挪威、丹麥、芬蘭、瑞典和冰島這八個北極國家以及北極理事會、北約和歐盟等與北極有關(guān)的組織對北極探索表現(xiàn)出濃厚的興趣,并積極制定北極政策。隨著人類對北極的了解逐漸深入。北極的人類健康風(fēng)險[2]、海洋酸化[3-4]、海平面上升[5-6]等環(huán)境問題日益顯現(xiàn),并成為反映全球氣候變化的指標。

各個國家和組織的北極政策越來越多的提及環(huán)境問題,內(nèi)容涉及各類污染物的控制[7]、海洋酸化和生物多樣性等環(huán)境問題[8]以及國家間的科研合作和數(shù)據(jù)共享[9]。我國在2018年的《中國的北極政策》白皮書中提到保護北極自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng),養(yǎng)護北極生物資源,積極參與應(yīng)對北極環(huán)境和氣候變化的挑戰(zhàn)[1]。2021年7月,我國已開始中國第十二次北極科學(xué)考察。我國在中國第十次北極科學(xué)考察中實施了海洋綜合調(diào)查,完成了水體、沉積物、底棲生物、浮游生物和微塑料的采樣,開展了北極海洋酸化、微塑料和人工核素的調(diào)查。但我國目前進行的研究主要是從國家科研需求出發(fā),在選擇監(jiān)測指標上存在被動性,科技實力與美國和俄羅斯等北極科技強國相比存在明顯不足。因此,本文將基于CiteSpace 軟件對國際(Web of Sciences Core Collection 數(shù)據(jù)庫)北極環(huán)境領(lǐng)域近30年的文獻進行計量研究[10-11],挖掘世界各國及組織在北極進行環(huán)境研究的情況,并對前沿?zé)狳c的研究內(nèi)容進行分析,以掌握北極環(huán)境研究的動態(tài)變化,為我國北極科學(xué)考察提供思路,為構(gòu)建先進的北極科考框架提出建議。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

文獻檢索使用Web of Sciences Core Collection (WoS),按照主題詞對核心合集進行高級檢索“TS=(Arctic* OR Greenland OR “Bering Sea” OR Svalbard OR “Barents Sea” OR “Kara sea” OR “Canada Basin” OR “Chukchi Sea” OR “Siberian sea”)”,檢索時間限定在1990—2020年,并限定Web of Sciences 類別為環(huán)境科學(xué)(Environmental Sciences),檢索文獻類型限定為文章(Article)及會議論文(Proceedings paper)。數(shù)據(jù)收集時間為2020年8月29日,共檢索到相關(guān)英文文獻11189篇,導(dǎo)出的信息包括題目、作者、關(guān)鍵詞、摘要、發(fā)表年份和引文等信息。

1.2 研究方法

本文使用CiteSpace(5.6.R2 版本)軟件以及統(tǒng)計學(xué)方法對經(jīng)過去重的11189 篇文獻的題錄以及它們的參考文獻進行共現(xiàn)分析、合作分析、聚類分析以及共被引分析,明確北極環(huán)境研究的國際趨勢和研究熱點。軟件生成的分析圖譜能夠直觀反映各研究熱點詞的連接關(guān)系,連接線的粗細與兩個熱點詞的關(guān)聯(lián)度呈正相關(guān),熱點詞圓圈面積與其出現(xiàn)頻率呈正相關(guān),時間線視圖可以通過關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間跨度表達出不同時期的研究熱點。

2 發(fā)文量概況

研究領(lǐng)域的年度發(fā)文數(shù)量能夠反映研究進程并確定研究階段,根據(jù)近30年國際北極環(huán)境研究年發(fā)文數(shù)量分布(圖1),可以將國際北極環(huán)境研究分為緩慢發(fā)展、高速發(fā)展和穩(wěn)定發(fā)展三個階段,充分體現(xiàn)Logistic 模型S 型曲線。

圖1 1990—2020年北極環(huán)境研究發(fā)文數(shù)量年度分布Fig.1.Annual distribution of the number of publications on Arctic environmental research from 1990 to 2020

1990—1995年為緩慢發(fā)展階段。1995年之前的國際北極環(huán)境研究年發(fā)文數(shù)量不超過150 篇。這一階段更多的從理論出發(fā)論述全球氣候變化的趨勢以及污染物的發(fā)生和轉(zhuǎn)移途徑[12-14],但由于數(shù)據(jù)的缺失,并不能對污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的遷移產(chǎn)生明確的認識[15-16],而我國在這一階段的相關(guān)研究處于空白狀態(tài)。

1996—2016年為高速發(fā)展階段。1996年以后,年發(fā)文數(shù)量快速上升,研究內(nèi)容趨向多元化: 逐漸出現(xiàn)遙感和實時監(jiān)測系統(tǒng)等用于數(shù)據(jù)收集的新技術(shù),一定程度上彌補了北極數(shù)據(jù)缺口; 注重對生態(tài)毒理學(xué)的研究; 出現(xiàn)了對新型持久性有機污染物的研究,并開始了對底棲生物的探索。我國也是從這個階段才開始參與到北極環(huán)境研究當(dāng)中,但初期發(fā)展緩慢,直至2007年,國內(nèi)年發(fā)文數(shù)量才達到10 篇,之后中國發(fā)文數(shù)量的國際占比逐年提升,在2016年達到10.10%,我國的北極環(huán)境研究在國際占據(jù)的地位越來越重要。

2017年起北極環(huán)境研究進入穩(wěn)定發(fā)展階段。近三年的年發(fā)文數(shù)量差別不大,最高點出現(xiàn)在2018年(774 篇)。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,許多國家已經(jīng)制定起了北極政策,對北極的探索也成為各國戰(zhàn)略的重要組成部分。

從各國的發(fā)文數(shù)量(表1)來看,美國和加拿大具有發(fā)文數(shù)量上的絕對優(yōu)勢,發(fā)文數(shù)量分別占總數(shù)的35.4%和27.8%,遠高于其他國家; 同為北極八國的挪威、丹麥、瑞典和俄羅斯均居于前十位,芬蘭居于十一位,冰島居于二十四位; 德國、英國和法國作為非北極國家,卻對北極環(huán)境領(lǐng)域進行了許多研究,均位列前十; 我國由于起步較晚,發(fā)文數(shù)量占比為6.2%,位于第九位。

表1 各國發(fā)文數(shù)量分布(發(fā)文數(shù)量＞100)Table 1.Distribution of the number of national publications

3 國際北極環(huán)境研究分析

3.1 學(xué)科分析

環(huán)境科學(xué)是一個交叉學(xué)科,在北極環(huán)境的研究中涉及到的學(xué)科眾多,掌握學(xué)科交叉的動態(tài)趨勢才能夠協(xié)調(diào)學(xué)科之間的發(fā)展,促進我國對極地環(huán)境的探索。對收集到的11189 篇文獻進行學(xué)科共現(xiàn)分析,查看除環(huán)境科學(xué)這一學(xué)科分支外其他學(xué)科的分布情況,列出出現(xiàn)頻率大于40 的學(xué)科及其中介中心性(圖2)。節(jié)點的中介中心性是指網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過某節(jié)點連接兩點的最短路徑占這兩點之間的最短路徑總數(shù)之比,它能夠測度節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要性。

除環(huán)境科學(xué)外,11189 篇文獻還涉及到較多的學(xué)科是氣象與大氣科學(xué)(2565 篇)、地質(zhì)學(xué)(2292篇)、地理學(xué)(1425 篇)、生態(tài)學(xué)(1185 篇)和工程學(xué)(994 篇),學(xué)科之間的合作也是研究中不可缺少的一部分。其中,工程學(xué)的中心性(0.11)最大,它最大程度地連接了不同學(xué)科的研究; 地質(zhì)學(xué)、水資源學(xué)、氣象與大氣科學(xué)和生態(tài)學(xué)也起到了良好的連接作用,中心性分別為0.08、0.07、0.04 和0.04。在進行環(huán)境研究的過程中也要重點關(guān)注起到中心作用的學(xué)科,可以借鑒這些中介性學(xué)科以及與它們相連學(xué)科的研究技術(shù)和原理,為極地環(huán)境研究提供思路和方法。

使用尋徑剪枝功能對學(xué)科共現(xiàn)結(jié)果進行處理[17],運用較小生成樹及復(fù)雜連接刪除算法,保留最重要連接,簡化網(wǎng)絡(luò)并突出其重要的結(jié)構(gòu)特征,處理結(jié)果具有唯一性。運用此方法處理文獻后的結(jié)果如圖3 所示。其中,節(jié)點的大小對應(yīng)該學(xué)科出現(xiàn)頻率的大小,有紫色外圈的節(jié)點表現(xiàn)出高中心性; 節(jié)點之間的連線表示共現(xiàn)關(guān)系,其粗細表示共現(xiàn)強度,線上數(shù)字表示強度數(shù)值; 連線顏色對應(yīng)節(jié)點第一次共現(xiàn)的年份,顏色從紫色到黃色表示年份從1990 到2020 的變化。結(jié)果表明,與北極環(huán)境科學(xué)(Environmental Sciences)最相關(guān)的學(xué)科分別是地質(zhì)學(xué)(Geology)、動物學(xué)(Zoology)和生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)(Biotechnology & Applied Microbiology),連接強度分別是 0.74、0.05 和0.05(圖3)。在進行北極環(huán)境研究的過程中也要與地質(zhì)和生物等學(xué)科進行配合與協(xié)調(diào),為北極環(huán)境研究提供理論基礎(chǔ)和途徑方法。如遙感技術(shù)和模型測試被大量用于污染源的識別[18-20]及長期監(jiān)測[21-22],氣溶膠和黑碳等污染物的濃度很大程度上受到氣象條件的影響[23],北極的哺乳動物和浮游生物被用于食物網(wǎng)和生態(tài)毒理學(xué)的研究。

圖2 學(xué)科分布情況(出現(xiàn)頻率＞50)Fig.2.Distribution of disciplines (frequency of occurrence＞ 50)

圖3 北極環(huán)境研究相關(guān)學(xué)科Fig.3.Related disciplines of Arctic environmental research

3.2 合作網(wǎng)絡(luò)分析

通過合作網(wǎng)絡(luò)分析可以得到各個國家和機構(gòu)的合作圖譜,識別出中心性較高的國家和研究機構(gòu),明確國家和機構(gòu)合作開始的時間,并指出各個國家和機構(gòu)的合作強度。合作分析中共出現(xiàn)106個參與北極環(huán)境研究的國家(圖4),圖中節(jié)點的大小對應(yīng)國家發(fā)文量的多少; 紫色外圈的節(jié)點表現(xiàn)出高中心性; 節(jié)點之間的連線表示合作關(guān)系,其粗細表示合作強度; 連線顏色對應(yīng)國家之間第一次進行合作的年份,顏色從紫色到黃色表示年份從1990 到2020 的變化。結(jié)果表明,北極環(huán)境研究的合作主要在北極國家和歐美國家之間展開,瑞士、美國、希臘、保加利亞和加拿大在國家合作中起到了重要作用,中心性分別為0.92、0.69、0.51、0.40 和0.39。前文提到,美國和加拿大的研究具有發(fā)文數(shù)量上的絕對優(yōu)勢,即圖4 中最大的兩個節(jié)點,他們的節(jié)點周圍呈發(fā)散狀,與其他許多國家都有合作且均是從早些年份就開始的,但兩國與其他國家的連線均較細,表明合作強度較弱,且美、加兩國之間的連接強度也極低。許多小國家發(fā)表的文章數(shù)量雖然很少,但近五年開始進行合作,且相互之間聯(lián)系密切。突現(xiàn)性詞匯是通過考察詞頻,選出的在某段時間內(nèi)出現(xiàn)頻次突然增大的詞匯(含紅圈的節(jié)點),能夠反映研究主題發(fā)展的熱度。其中中國的突現(xiàn)性最高(27.09),反映了中國北極環(huán)境研究發(fā)展迅速,此外美國(17.01)、加拿大(16.45)、俄羅斯(11.12)和波蘭(10.07)的突現(xiàn)性也較高,表明北極地區(qū)逐漸引起更多國家的關(guān)注。

圖4 國家合作圖譜Fig.4.Cooperation atlas of countries

在機構(gòu)合作分析中,共出現(xiàn)231 個與北極環(huán)境領(lǐng)域有關(guān)的研究機構(gòu)(圖5),圖中節(jié)點的大小對應(yīng)機構(gòu)發(fā)文量的多少; 紫色外圈的節(jié)點表現(xiàn)出高中心性; 紅色外圈的節(jié)點表現(xiàn)出當(dāng)年的突現(xiàn)性; 節(jié)點之間的連線表示合作關(guān)系,其粗細表示合作強度; 連線顏色對應(yīng)機構(gòu)之間第一次進行合作的年份,顏色從紫色到黃色表示年份從 1990 到2020 的變化。加拿大環(huán)境署(Environm Canada)發(fā)文量最大,達到了450 篇,其次是丹麥奧胡斯大學(xué)(Univ Aarhus)和美國阿拉斯加大學(xué)費爾班克斯分校(Univ Alaska Fairbanks)分別達到了389 和381 篇,三個機構(gòu)的合作路線均比較單一,相互之間幾乎沒有合作。加拿大環(huán)境署和美國阿拉斯加大學(xué)費爾班克斯分校從1990年左右就開始與其他機構(gòu)進行合作,而丹麥奧胡斯大學(xué)則是近10年才開始合作研究。中心性排在前五位的機構(gòu)分別是美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)、法國國家科學(xué)研究中心(CNRS)、利物浦大學(xué)(Univ Liverpool)、懷俄明大學(xué)(Univ Wyoming)和阿比斯庫科學(xué)研究站(Abisko Sci Res Stn),中心性分別為0.94、0.44、0.39、0.39 和0.35,對北極環(huán)境領(lǐng)域研究合作具有重要作用。有79 個研究機構(gòu)出現(xiàn)過發(fā)文量爆發(fā)的情況,曾經(jīng)加強了對北極環(huán)境的研究,其中突現(xiàn)性最高的是加拿大環(huán)境與氣候變化(Environm & Climate Change Canada)、丹麥國家環(huán)境研究所(Natl Environm Res Inst)和挪威北極大學(xué)(UiT Arctic Univ Norway),突現(xiàn)性分別為54.32、37.86 和31.36,三個機構(gòu)從20 世紀90年代開始,直至2015年左右始終保持突現(xiàn)性,說明這三個機構(gòu)開展北極環(huán)境研究較早且發(fā)展較快。整體來看,進行北極環(huán)境領(lǐng)域研究的機構(gòu)之間的合作較為分散,主要是國家內(nèi)部的機構(gòu)進行合作,但強度很低。中國在合作網(wǎng)絡(luò)中處于邊緣位置,與其他國家機構(gòu)的合作很少。

圖5 機構(gòu)合作圖譜Fig.5.Cooperation atlas of institutions

3.3 關(guān)鍵詞分析

3.3.1 共現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞能夠反映文章的核心和主要研究對象,采用CiteSpace 進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析可以掌握研究領(lǐng)域的熱點,找到關(guān)鍵節(jié)點(圖 6),對識別出的關(guān)鍵詞進行大小寫、縮寫與全稱合并,共得到274 個關(guān)鍵詞。知識圖譜中共現(xiàn)詞頻最高的前20 個重要關(guān)鍵詞見表2。高頻關(guān)鍵詞內(nèi)容繁雜,其中包括污染物、地理位置、環(huán)境問題以及污染物介質(zhì)。為了更加清晰地分辨研究內(nèi)容與趨勢,通過專家咨詢對關(guān)鍵詞進行篩選,并按照研究地點、環(huán)境監(jiān)測的介質(zhì)和污染物進行分類并統(tǒng)計出現(xiàn)頻率,得到環(huán)境研究的具體對象及熱點問題。

圖6 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.6.Co-occurrence atlas of keywords

表2 1990—2020年北極環(huán)境研究高頻關(guān)鍵詞Table 2.Top 20 keywords in Arctic environmental research from 1990 to 2020

從涉及研究地理位置的關(guān)鍵詞表(表3)中發(fā)現(xiàn),北極環(huán)境研究主要在北美大陸、北極島嶼和大洋中進行,在格陵蘭進行的研究最多(667 篇),其次是阿拉斯加(479 篇)、斯瓦爾巴群島(254 篇)和北冰洋(240 篇); 其中格陵蘭、阿拉斯加、斯瓦爾巴群島、北冰洋和巴倫支海的研究均具有中心性。圖7a 將環(huán)境研究的污染物介質(zhì)分為動物、植物、水體、大氣、土地、沉積物和冰雪,其中海冰、凍原、永久凍土和積雪是出現(xiàn)頻率較高的污染物介質(zhì),分別為774、708、366 和358; 海冰具有最大的中心性(0.08),表明在海冰中進行了交叉學(xué)科的研究。圖7b 將環(huán)境研究關(guān)注的污染物分為金屬、無機物、有機氯及其他有機物; 多氯聯(lián)苯、汞和二氧化碳具有最高的出現(xiàn)頻率和中心性,其出現(xiàn)頻率分別為695、341、271,中心性分別為0.07、0.04、0.02,這三種污染物在北極環(huán)境研究中的重要性可見一斑。

表3 研究地點關(guān)鍵詞分布Table 3.Distribution of keywords of research location

圖7 污染物及介質(zhì)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率.a)按污染物介質(zhì)分類; b)按污染物分類Fig.7.Frequency of keywords of pollutants and media.a) classified keywords by different environmental media; b) classified keywords by different types of pollutant

3.3.2 突現(xiàn)分析

使用突現(xiàn)詞功能對關(guān)鍵詞進行分析,通過考察詞頻,選出在某段時間內(nèi)出現(xiàn)頻次突然增大的關(guān)鍵詞,以此反映研究關(guān)鍵詞的時間發(fā)展趨勢。數(shù)據(jù)篩選為(Top 50 per slice),得到131 個突現(xiàn)詞及其突現(xiàn)性動態(tài)變化,通過對關(guān)鍵詞進行篩選,得到與污染物相關(guān)的22 個關(guān)鍵詞,獲取22 種污染物的突現(xiàn)強度,并得到年份變化,突現(xiàn)強度越大,填充顏色越深,見表4。

表4 突現(xiàn)性污染物時間趨勢Table 4.Time trend of burst of pollutant

有機氯污染物(Organochlorine Contaminant)、鎘(Cadmium)和溴化阻燃劑(Brominated Flame Retardant,BFR)是近30年的研究中突現(xiàn)強度最大的三個污染物關(guān)鍵詞,在多個年份保持著突現(xiàn)性。多氯代二惡英(PCDD)、硫酸鹽(Sulfate)、硝酸鹽(Nitrate)和氯代烴(Chlorinated Hydrocarbon)[24-25]等在早期具有突現(xiàn)性,但隨著時間變化,研究重點逐漸向有機氯污染物(Organochlorine Contaminant)[26]、臭氧(Ozone)、鉛(Lead)和鎘(Cadmium)等重金屬(Heavy Metal)[27]轉(zhuǎn)移,并與生態(tài)毒理學(xué)相聯(lián)系[28-30],近十年的突現(xiàn)性污染物是多環(huán)芳烴(PAHs)、多溴二苯醚(PBDEs)和黑碳(Black Carbon)。

3.4 研究主題演進

研究主題的時間變化可以表明研究主題的熱度變化與趨勢,通過文獻的共被引分析可以對被引文獻進行相關(guān)分析,并將有共同研究內(nèi)容、相同施引文獻的文獻進行聚類,共引文獻數(shù)量越多,文獻間的相關(guān)性越大,聚成一類的概率也越高,從而理清北極環(huán)境研究主題的演進。參數(shù)設(shè)置為(Top 50 per slice),從11189 篇文獻中共產(chǎn)生了278262 篇被引文獻,選取特征詞(Term),采用對數(shù)極大似然率算法(LLR)進行共被引分析和聚類分析,共產(chǎn)生了113 個聚類,舍去較小的聚類,在時間線視圖下得到最大的24 個聚類的時間線分布(圖8)。聚類模塊性指數(shù)Q=0.8345,24 個聚類的平均聚類輪廓性指數(shù)S=0.96,劃分出的聚類結(jié)構(gòu)顯著,聚類合理[17]。

圖8 聚類時間線分布Fig.8.Timeline view of cluster distribution

聚類結(jié)果涉及北極環(huán)境研究的污染物、北極生物、研究地點和科學(xué)技術(shù)等方面,最大的四個聚類分別是北極犬類(#0)、加拿大雷索盧特灣(#1)、北極熊(#2)和黑碳(#3),平均引用年份分別是2000、1991、2010 和2011年。犬類(#0)聚類內(nèi)部包含了北極狐、北極熊、哺乳動物、浮游動物和食物網(wǎng)等特征詞,可以將其看作是描述北極環(huán)境生物的一個聚類,與生態(tài)毒理學(xué)相聯(lián)系,被引持續(xù)到2010年; 而北極熊(#2)作為一個單獨的聚類標簽,被引從2000年開始活躍至今,成為研究北極乃至全球氣候變化的重要抓手; 鯨類(#15、#20)和鳥類(#17)雖然也單獨成聚類,但聚類很小,且被引量很低。加拿大雷索盧特灣(#1)和埃爾斯米爾島(#12)作為聚類標簽單獨出現(xiàn),顯示出加拿大北極研究的重要地位,與前文加拿大的發(fā)文優(yōu)勢相印證,關(guān)于這兩個地區(qū)的研究從20 世紀80年代開始進行,2000年以后被引量大幅減少。此外,2000年之前的聚類還有大氣采樣系統(tǒng)(#4)、水文學(xué)(#9)、冰間湖(#19)、放射性評價(#13)和二氧化碳通量(#5); 隨著時間的推進,聚類主題向大氣邊界層(#6)和環(huán)境變化(#7)轉(zhuǎn)移; 關(guān)于北極熊(#2)、黑碳(#3)、全氟辛烷磺酸鹽(#8)、汞(#11)和微塑料(#23)的研究在近十年仍是熱點,除微塑料(#23)外均保持突現(xiàn)性; 微塑料作為新型污染物,預(yù)計相關(guān)研究會逐步發(fā)展完善。聚類內(nèi)部引用密集,但聚類之間的引用較少,尤其是在新興的研究主題之間。北極熊等哺乳動物與環(huán)境變化和全氟辛烷磺酸鹽存在很強的共被引關(guān)系[31-32],微塑料、汞、大氣邊界層和全氟辛烷磺酸鹽分別與黑碳[33-34]存在較弱共被引關(guān)系,研究主題之間相互借鑒、共同發(fā)展。

4 國內(nèi)北極環(huán)境研究分析

在收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,篩選出發(fā)文國家包括“PEOPLES R CHINA”的數(shù)據(jù),共得到646 條數(shù)據(jù),下文將對國內(nèi)參與北極環(huán)境研究的學(xué)科和機構(gòu)合作情況以及研究主題演進進行分析,以明確國內(nèi)研究與國際研究的區(qū)別與差距,從而提出我國北極環(huán)境研究建議。

4.1 研究概況

4.1.1 學(xué)科分析

對我國的646 篇文獻進行學(xué)科共現(xiàn)分析,查 看除環(huán)境科學(xué)這一學(xué)科分支外其他學(xué)科的分布情況,列出出現(xiàn)頻率大于20 的學(xué)科及其中介中心性(表5)。除環(huán)境科學(xué)外,發(fā)文涉及最多的學(xué)科是氣象與大氣科學(xué)(167 篇)、地質(zhì)學(xué)(83 篇)和工程學(xué)(75篇),中介中心性最高的學(xué)科是工程學(xué)(0.09)、水資源(0.06)和地質(zhì)學(xué)(0.04)。說明我國北極環(huán)境研究離不開對大氣和地質(zhì)工程的探索,且工程學(xué)能夠最大程度地促成我國各個學(xué)科在北極環(huán)境研究的合作。

表5 國內(nèi)發(fā)文學(xué)科共現(xiàn)分析Table 5.Co-occurrence analysis of domestic articles

4.1.2 合作網(wǎng)絡(luò)分析

對我國的646 篇文獻進行國家合作網(wǎng)絡(luò)分析,并使用尋徑剪枝功能進行網(wǎng)絡(luò)簡化,共發(fā)現(xiàn)21 個與我國有合作關(guān)系的國家(圖9)。節(jié)點的大小對應(yīng)國家發(fā)文量的多少,紫色外圈的節(jié)點表現(xiàn)出高中心性; 紅色圈的節(jié)點表現(xiàn)出當(dāng)年的突現(xiàn)性; 節(jié)點之間的連線表示合作關(guān)系,其粗細表示合作強度; 連線顏色對應(yīng)國家之間第一次進行合作的年份,顏色從紫色到黃色表示年份從1990 到2020 的變化。其中,發(fā)文量最高的為美國(173 篇)、加拿大(70 篇)和英國(39 篇); 中介中心性最大的三個國家,德國(1.26)、日本(0.64)和瑞典(0.51),它們在促成我國和其他國家合作中起到了重要作用; 德國(4.34)是唯一具有突現(xiàn)性的國家。在北極環(huán)境領(lǐng)域與我國合作關(guān)系最強的是美國和韓國,合作強度分別為1.0 和0.32,合作分別從2003 和2009年開始。

圖9 我國國際合作圖譜Fig.9.Cooperation atlas of China

對我國的646 篇文獻進行機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析,共發(fā)現(xiàn)146 個相關(guān)的研究機構(gòu)(圖10),圖中節(jié)點的大小對應(yīng)國家發(fā)文量的多少,紫色外圈的節(jié)點表現(xiàn)出高中心性; 紅色圈的節(jié)點表現(xiàn)出當(dāng)年的突現(xiàn)性; 節(jié)點之間的連線表示合作關(guān)系,其粗細表示合作強度; 連線顏色對應(yīng)國家之間第一次進行合作的年份,顏色從紫色到黃色表示年份從1990到2020 的變化。中國科學(xué)院(Chinese Acad Sci)、中國科學(xué)院大學(xué)(Univ Chinese Acad Sci)、蘭州大學(xué)(Lanzhou Univ)、北京大學(xué)(Peking Univ)和北京師范大學(xué)(Beijing Normal Univ)發(fā)文量最大,分別達到276、57、38、33 和31 篇; 中心性排在前三位的機構(gòu)分別是美國阿拉斯加大學(xué)費爾班克斯分校(Univ Alaska Fairbanks)、廈門大學(xué)(Xiamen Univ)和中國極地研究中心(Polar Res Inst China),中心性分別為0.34、0.33 和0.27,對促成我國北極環(huán)境領(lǐng)域合作具有重要作用; 中國科學(xué)院(Chinese Acad Sci)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)(Univ Sci & Technol China)和中國極地研究中心(Polar Res Inst China)的突現(xiàn)性最高,分別為19.98、6.65、5.92,但三個機構(gòu)的突現(xiàn)性集中在2006—2015 這十年之間,近五年并未表現(xiàn)出突現(xiàn)性。從總體來看,中國科學(xué)院具有高發(fā)文量和突現(xiàn)性,中國極地研究中心具有高中心性和突現(xiàn)性,對北極環(huán)境研究較為集中并促成了國內(nèi)外科研機構(gòu)的合作,這兩個機構(gòu)在我國北極環(huán)境研究中占據(jù)重要地位。

圖10 我國機構(gòu)合作圖譜Fig.10.Institutions cooperation atlas of China

4.1.3 關(guān)鍵詞分析

對國內(nèi)的數(shù)據(jù)進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,共得到189 個關(guān)鍵詞(圖11)。知識圖譜中共現(xiàn)詞頻最高的前20 個重要關(guān)鍵詞見表6。高頻關(guān)鍵詞內(nèi)容繁雜,包括多氯聯(lián)苯和農(nóng)藥等有機污染物,北冰洋和格陵蘭等地理位置以及水、海冰和大氣等污染物介質(zhì),還出現(xiàn)了宏觀性的描述性詞語,如氣候變化和趨勢等。氣候變化、變化性和持久性有機污染物為出現(xiàn)頻率最高的關(guān)鍵詞,分別達到86、51、46 篇; 沉淀、黑碳、西藏高原、持久性有機污染物、多環(huán)芳烴和二氧化碳均具有超過0.1 的中介性,分別為0.3、0.25、0.2、0.1、0.1 和0.1,在連接不同主題的北極環(huán)境研究中十分重要。此外,分析共發(fā)現(xiàn)7 個突現(xiàn)詞,它們的突現(xiàn)強度以及時間分布見表7,突現(xiàn)強度差別很小,均處于3.5 至5.0 之間,從時間趨勢發(fā)現(xiàn),突現(xiàn)詞由空氣、記錄、有機氯農(nóng)藥和雪轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g分布、趨勢和模型。

圖11 國內(nèi)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.11.Keywords co-occurrence atlas of China

表6 1990—2020年我國北極環(huán)境研究高頻關(guān)鍵詞Table 6.Top 20 keywords in Arctic environmental research of China from 1990 to 2020

表7 突現(xiàn)性關(guān)鍵詞時間趨勢Table 7.Time trend of burst of keywords

4.2 研究主題演進

通過發(fā)文量和合作網(wǎng)絡(luò)分析已經(jīng)能初步看出國內(nèi)外在北極環(huán)境領(lǐng)域的差異,下文將對國內(nèi)的北極環(huán)境研究主題進行聚類分析。通過對比聚類詞及其時間演化得到我國與國際北極研究的側(cè)重點與差異,為我國的北極環(huán)境研究發(fā)展提供對策和建議。在收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,篩選出發(fā)文國 家為中國的數(shù)據(jù),參數(shù)設(shè)置為(Top 50 per slice),從646 篇文獻中共產(chǎn)生了26379 篇被引文獻,選取特征詞(Term),采用對數(shù)極大似然率算法(LLR)進行共被引分析和聚類分析,共產(chǎn)生了159 個聚類,舍去較小的聚類,在時間線視圖下得到最大的24 個聚類的時間線分布(圖12)。聚類模塊性指數(shù)Q=0.8943,24 個聚類的平均聚類輪廓性指數(shù)S=0.98,劃分出的聚類結(jié)構(gòu)顯著,聚類合理[17]。

國內(nèi)研究聚類結(jié)果涉及污染物、科學(xué)技術(shù)、研究地點等方面,最大的24 個聚類的平均引用年份均處于2004—2015 之間,研究主題已從農(nóng)藥(#3)、水文模型(#11)和中國東北部(#21),演進到新型污染物[黑碳(#0)、多環(huán)芳烴(#4)、細顆粒物氣溶膠(#6)、全氟辛烷磺酸鹽(#7)、有機磷酸酯(#8)、微塑料(#9)])、環(huán)境現(xiàn)象[(臭氧異常(#14)、時空變化(#17)、海平面波動(#20)、青藏高原(#10、#22)]和先進的觀測系統(tǒng)研究(#2)。聚類內(nèi)部引用密集,但聚類之間的引用很少,黑碳(#0)和有機碳(#1)分別與青藏高原(#10、#22)[35]之間引用較為密集,觀測系統(tǒng)和細顆粒物[36]之間引用較為密集,其他聚類之間基本無引用關(guān)系。

4.3 中外對比分析

在學(xué)科分析中,中外共現(xiàn)學(xué)科中出現(xiàn)頻率較高的均包括氣象與大氣科學(xué)、地質(zhì)學(xué)和工程學(xué); 工程學(xué)、地質(zhì)學(xué)和水資源均具有較高的中介性,中外結(jié)果保持一致。國際與北極環(huán)境科學(xué)最相關(guān)的學(xué)科為動物學(xué)和生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué),但在我國的學(xué)科分析中并未出現(xiàn)與動物相關(guān)的學(xué)科,表明我國在北極環(huán)境生物研究領(lǐng)域的缺失。從關(guān)鍵詞分析中能夠看出,中外頻率最高的20 個關(guān)鍵詞差別很小,都包括了多氯聯(lián)苯等持久性有機污染物,海冰、凍原等污染物介質(zhì),格陵蘭等地理位置。從聚類結(jié)果來看,我國北極區(qū)域研究的聚類從2000年后才開始出現(xiàn),與國際相比缺少了17年的研究歷史。雖然我國的發(fā)文總量在國際上存在突現(xiàn),但國內(nèi)的研究較為分散,沒有形成具有突現(xiàn)性的研究主題,我國的北極研究尚處于探索階段。從研究主題的演進來看,我國關(guān)于黑碳、 微塑料和全氟辛烷磺酸鹽的研究熱點能夠緊跟國際研究趨勢,并且發(fā)揮了青藏高原這一地區(qū)的海拔優(yōu)勢,進行了北極濤動與高原氣候之間的相關(guān)性探索[37-38]; 但相比于國際研究中出現(xiàn)的鳥類、哺乳類以及浮游生物等特征詞,我國聚類中未出現(xiàn)與生物有關(guān)的信息,在有關(guān)生態(tài)毒理學(xué)的研究中存在明顯不足,這一現(xiàn)象極有可能是我國對于北極生物數(shù)據(jù)的獲取不足以及對生物數(shù)據(jù)的處理分析方法不完善導(dǎo)致的。目前我國的國家極地數(shù)據(jù)中心記載了與浮游生物、底棲生物、魚類等水中生物有關(guān)的數(shù)據(jù),但對于陸地的大型哺乳動物知之甚少,在不擾亂北極生態(tài)系統(tǒng)條件下的生物數(shù)據(jù)獲取和分析是值得進一步研究的問題。

圖12 國內(nèi)研究聚類時間線分布Fig.12.Timeline view of domestic cluster distribution

5 結(jié)論

本文基于全球北極環(huán)境研究發(fā)文情況,從發(fā)文量、研究合作情況、研究主題及熱點的變化,對近30年的北極環(huán)境研究情況進行討論,并對中國北極環(huán)境研究的發(fā)展提出建議。

1.從發(fā)文數(shù)量來看,可以將國際北極環(huán)境研究分為緩慢發(fā)展、高速發(fā)展和穩(wěn)定發(fā)展三個階段。美國和加拿大在發(fā)文量上占據(jù)絕對優(yōu)勢,中國雖然起步較晚,但發(fā)文量占比逐年上升,總體來看,北極八國以及德、英、法在北極環(huán)境研究中占據(jù)主導(dǎo)地位。作為交叉學(xué)科,北極環(huán)境研究與地質(zhì)學(xué)、動物學(xué)和生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)科密切相關(guān),但中國在北極環(huán)境動物方面的研究缺失,在進行環(huán)境研究時可以參考相關(guān)學(xué)科理論與技術(shù),如遙感、模型測試和生物技術(shù)等,完善環(huán)境研究體系。

2.從研究的合作情況來看,共有106 個國家的231 個機構(gòu)參與到北極環(huán)境研究中來。國家之間的合作非常有限,主要在北極國家和歐美國家之間展開。美國與加拿大雖然發(fā)文數(shù)量最多,但兩國之間的連接度極低。機構(gòu)之間的合作分散,主要限于國家內(nèi)部。中國主要的合作伙伴是美國和韓國,中國科學(xué)院和中國極地研究中心在中國北極環(huán)境研究中占據(jù)重要地位。

3.將關(guān)鍵詞按照研究地點、污染物及其介質(zhì)進行分類,發(fā)現(xiàn)北極環(huán)境研究主要在北美大陸、北極島嶼和大洋中進行,海冰、凍原、永久凍土和積雪是出現(xiàn)頻次較高的污染物介質(zhì),多氯聯(lián)苯、汞和二氧化碳在環(huán)境污染物研究中占據(jù)主導(dǎo)地位,污染物研究熱點的變化趨勢是氯代烴—臭氧—重金屬—黑碳,而持久性有機污染物關(guān)鍵詞突現(xiàn)性始終存在[39-40]。

4.通過對國際和國內(nèi)的研究主題演進對比,發(fā)現(xiàn)近十年國際北極環(huán)境研究主題是北極熊、黑碳、全氟辛烷磺酸鹽、汞和微塑料。中國在黑碳、微塑料和全氟辛烷磺酸鹽的研究能夠緊跟國際局勢,并發(fā)揮西藏高原的高度優(yōu)勢進行大尺度的氣候變化研究,但中國關(guān)于生態(tài)毒理學(xué)的研究存在明顯不足。在進行北極環(huán)境研究時,中國需關(guān)注多氯聯(lián)苯、汞和二氧化碳等近三十年來占據(jù)研究主導(dǎo)地位的污染物以及黑碳、多環(huán)芳烴和多溴二苯醚等近十年的新興污染物; 從海冰、凍原、永久凍土和積雪等污染物介質(zhì)入手,研究污染物的賦存形式、濃度水平與空間分布; 運用地質(zhì)和生物等學(xué)科的理論技術(shù),使用遙感和模型測試等方法識別污染源,獲取粒徑分布信息,獲取北極生物數(shù)據(jù)并創(chuàng)新分析方法,進行污染物的生物放大效應(yīng)、累積效應(yīng)及潛在生態(tài)毒性的分析; 開辟多元化國際合作渠道,積極建立北極環(huán)境領(lǐng)域科研合作關(guān)系。進一步提升中國在北極地區(qū)的長期監(jiān)測能力,進行北極氣候變化時間趨勢的觀察與預(yù)測。