近40年来中国水环境承载力研究知识图谱分析

2020-07-31苏迎庆牛俊杰赵源思

江西农业学报 2020年7期

苏迎庆，刘庚，牛俊杰，李贞，赵源思

(太原师范学院汾河流域科学发展研究中心，山西晋中 030619)

中国是全球水问题最为突出的国家，人均水资源占有量不足世界人均水平的1/4，且水资源时空分布不均[1]。多年来，水环境污染、水资源短缺等问题日益成为阻碍我国社会经济可持续发展的重要因素。水环境承载力作为衡量水环境系统所支持人类社会发展能力的有效手段[2]，旨在表征水环境与人类活动间的辩证关系，为人口、社会、经济与环境的协调发展提供了科学依据[3-4]。目前，国内学术界对水环境承载力的研究认识上存在分歧，一些学者认为，水环境承载力是指一定时空范围内，水环境系统能够保证自身正常纳污自净功能和生产、生活、生态功能的前提下，所能承载的社会经济活动的阈值[5-6]。另有观点认为水环境承载力应特指倾向于水环境容量等水环境纳污及自净能力的研究[7-8]。近40年来，水环境承载力的研究由概念、内涵探讨开始，逐渐转向定量化分析方法、构建预测评价模型[9]。其中的难点之一是对水环境承载力指标体系的规范化筛选[10]。度量具有环境、资源、生态多重属性的水环境系统所承载各种压力的阈值，需要自然环境与社会经济等多方面指标的集成反馈，而指标的有效获取受制于各系统大量信息的收集[11]。为此，我国学者开展了以城市或区域、流域等为研究单元的水环境评价、预警等方面研究工作，采用了指标体系、系统动力学、人工神经网络、单或多目标最优化等多种方法。如叶龙浩等[12]通过构建水环境承载力核算模型,采用流域系统优化调控的方法应用在沁河流域，预测该流域2015和2020年经济状况下水环境承载力。李磊等[13]采用层次分析-熵值定权法和向量模法对武汉市水环境承载力进行了评价，得出武汉市2006～2010年水环境承载力逐年增大的结果。主要成果应用在城市或区域规划[14]、城市地下水安全评估[15]、流域综合治理与预警[16]、国家或区域可持续发展战略的制定[17]等多个领域。经过国内大量研究团队的多年努力，水环境承载力的研究内涵、研究重心、研究方法及计算模型、应用领域等已经发生很大改变[18]。为系统揭示多年来中国水环境承载力研究演变的内在发生规律，本文采用近年来文献计量学中新兴起的知识图谱方法，对1979～2019年中国知网(CNKI)收录的“水环境承载力”的中文核心期刊进行了可视化分析，总结研究面临的问题，以期推进水环境承载力的研究。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本文选择CNKI(China National Knowledge Infrastructure)作为文献搜索的引擎，以“水环境承载力”为检索主题，年限为1979～2019年，限定期刊来源为北京大学中文核心期刊总览、CSCD、CSSCI、EI国内核心期刊。经过数据的筛选剔除，保留与限定主题高度相关的文献。结果得到382篇关于水环境承载力的文献，以此作为本文研究的数据。

1.2 研究方法

国内外研发了大量的技术软件对知识图谱进行分析识别，如PaperLens、ArnetMiner、HistCite、TDA(Thomson data analysis)和Citespace等[19]。相比较而言，Citespace软件是集聚类分析、网络分析、多尺度分析等多种功能为一体的技术应用，适合侧重于研究进展及热点趋势等方面的相关分析研究[20]。本文将在文献研究的基础上，利用Citespace V软件，通过在中国知网CNKI(China National Knowledge Infrastructure)上筛选出文献并转换成符合软件所支持的Refworks格式导出，启动应用Citespace V 软件，绘制近40年来水环境承载力的知识图谱并进行可视化分析。

2 水环境承载力研究演变及图谱分析

2.1 水环境承载力研究总体表现

2.1.1 发文量及分布期刊纵观40年来关于水环境承载力研究的发文总量(图1)，从1979～2019年整体呈现上升趋势。在可持续发展理论的大背景下，日趋严重的水环境问题迫使人类积极探索环境承载力的研究。数据显示，中国知网收录的第1篇关于水环境承载力的中文核心期刊于1994年发表[21]。按时间分布，将我国水环境承载力的研究文献发文量及分布期刊大体划分为3个阶段(图2)，1979～1993年为酝酿期，此时期尚未明确提出水环境承载力的概念，主要以容纳能力、生态极限等形式替代表征，多数研究为国家及区域层面宏观政策的支持，还未以学术论文形式呈现，研究方法以定性分析为主[22]。1994～2010年为平稳增长期：此阶段由于我国新经济开发区大量建设，亟需制定相应水环境规划，为此，多个相关国家“九五”攻关计划和自然科学基金项目实施，共发文153篇，其中环境科学、环境工程类期刊75篇，占总发文量的49%；地理学类期刊有52篇，占总发文量的34%；其他类型期刊及各高校学报共26篇，占总发文量的17%。2011～2019年为迅速增长期：该阶段受国家环境保护与治理政策的影响，相关科学基金项目增长明显，发文量达229篇，其中环境科学、环境工程类期刊投稿量为77篇，占总数的34%；地理学类期刊发文量为99篇，占总数的43%；其他类期刊及各高校学报共53篇，占总数的23%。所发文章大多集中在环境科学、环境工程类期刊，如《环境科学学报》《环境科学与技术》《中国环境科学》《中国农村水利水电》等，其中《环境科学学报》在此类文献中见刊数最大，高达19篇。地理学类期刊，如《中国人口·资源与环境》《干旱区资源与环境》《水资源保护》《资源科学》《水土保持通报》《水科学进展》《地理科学进展》等。《中国人口·资源与环境》在地理类期刊中发文量最高，达18篇。期刊来源涉及多学科领域，说明水环境承载力研究的综合性与复杂性。

2.1.2 研究团队及机构对水环境承载力研究团队进行可视化分析(图3)，发现国内有大量学术团队从事该方面研究。例如曾维华等[23]站在特定条件下水环境与社会经济发展规模的视角采用指标评价法对水环境承载力展开研究。封志明等[24]从资源环境承载力综合角度解读了水资源环境承载力，多用社会经济指标如“人口承载力”来衡量地区水环境承载力的水平。赵卫等[25]通过建立水环境承载力多目标规划模型，运用情景分析法对区域水环境承载力进行了分析讨论。洪阳等[26]从表征环境承载力为多维向量出发，在多维向量的基础上建立了多维指标应用于水环境承载力的研究。李翀等[27]以水环境系统功能可持续正常发挥为基础的最大纳污能力和系统调节能力定义水环境承载力采用指数—指标—变量的分级框架模式的指标体系研究水环境承载力等。各学术团队的工作极大地丰富了水环境承载力的相关研究，对该领域研究进展做出了良好推动。

图1 1979～2019年CNKI收录的有关水环境承载力的中文核心期刊文献发文量汇总及趋势

图2 1979年以来CNKI收录的有关水环境承载力的中文核心期刊见刊分布

根据研究机构的图谱分析(图4)，显示1979年至今CNKI收录的水环境承载力发文的主要研究机构包括中国科学院各级院所和国内各高校。其中：中国科学院地理与资源研究所在水环境承载力研究热度较大。另外，中国科学院大学资源与环境学院、中国科学院研究生院，其他研究单位如北京师范大学、四川大学、北京大学、中国环境科学院等也热度显著。这从一定程度上表现了国内大量研究机构与高校对水环境承载力研究所作的重要贡献。从其他视角来看，也说明了该领域在国内学术界的热度，大量的研究机构与团队为此研究预备充足的生力军，依托各研究平台开展相关研究提供了便利。

2.2 水环境承载力内涵演变

水环境承载力是承载力概念与水环境领域的自然结合[28]。回顾其研究历程，可从承载力的引入作为出发。承载力(carrying capacity)的概念起源较为古老，赋有其含义的思想可追溯到17世纪中后期。其中，Malthus[29]掀起了承载力定量化研究的开端。1920年，出现了(生态)环境承载力的研究，Hawden等[30]基于美国阿拉斯加州驯鹿种群数量变化进行了观察论述。资源环境承载力研究紧随其后，水资源承载力“Water Carrying Capacity”这一术语最早出现于1886年《Irrigation Development》的著作中[31]。而水环境承载力问题研究起步较晚，20世纪中后期，随着联合国《人类环境宣言》《我们共同的未来》以及《21世纪议程》的宣告，逐步加强可持续发展战略并从中强调水环境承载力的研究[32]。1968年，日本学者西村肇、中田喜三郎和矢野雄幸提出了水环境容量的理论雏形，被认为是水环境承载力研究的肇始[33]。国内有关水环境承载力的研究起步比国外要迟滞很多，受西方学术思潮的影响，我国较早开展的是水资源承载力的研究，此阶段的代表是新疆水资源软科学课题研究组(1989)[34]。20世纪末，受可持续发展思想的影响，《本溪市新经济开发区水环境规划》的提出，标志着我国水环境承载力的概念正式问世[35]。

图3 1979年至今CNKI收录的水环境承载力发文的主要研究团队

图4 1979年至今CNKI收录的水环境承载力发文的主要研究机构

观察水环境承载力的研究发轫和发展，可以发现研究是建立在对水资源环境进行的长期探索，并不断引入新的学科领域的理论成果而逐渐形成的。早期人类对水的基础性研究，包括水的理化性质、水的时空分布研究等。但随着人类对水的认识不断加深，人们意识到水不仅是普通的物质存在，更是生产生活所必需的基本资源。于是将最初物理学中承载力的思想引入到水资源的研究当中，在19世纪80年代，水资源承载力的概念应运而生。旨在探讨人口社会经济发展水资源的最大承受。随着水资源问题的日益突出，单从资源角度探讨水资源对社会发展的衡量已难以解决所面临的水资源困境，人们重新审视水资源的价值属性。从生态环境角度出发，强调水作为生态环境复杂系统重要组成的地位。20世纪60年代，以水体纳污阈值的水质检测为标尺衡量水环境容量的研究被日本学者最早应用。借此理论为雏形与水环境领域的再结合，形成了水环境承载力的理论基础。现今，对水环境承载力概念的界定与基础理论的建设不断丰富。根据国内主要观点整理分类，发现水环境承载力的概念存在广义与狭义之分(表1)。广义水环境承载力着重于一定时空条件下水环境对人类活动的支撑能力，更强调人类的社会经济活动对水环境实施的影响及水体的反馈。狭义水环境承载力往往倾向于水环境容量、水体的纳污能力、水环境的纳污负荷等相关研究，更强调水环境本身的纳污和自净能力。水环境承载力的研究内涵多年来从无到有再到出现概念认识上的分歧，无论是广义狭义概念都强调了水环境的纳污功能，关键分歧在于水环境供给功能上以及以此建立的参考对象与指标[4,36-37]。由于水环境具有环境、资源、生态等多重属性，因此，水环境承载力研究的中心将是下一步研究的一项重点。

2.3 水环境承载力研究重心演变

由于水资源具有包括环境、资源、社会、经济以及生态等多维属性特征，决定了其对水资源的研究具有多元化与复杂化。现将已有成果进行整理可分为2类，一类是侧重于水的资源属性特征，探讨水资源演变规律、水资源利用、管理及保护等，研究水资源与人口社会经济发展之间的关系[48-49]；另一类是偏重于水资源的生态环境属性特征，分析水资源自身的理化性质、生态环境容量及自净能力、水资源环境承载力等，研究自然水体自身所能承受的人类活动的最大负载量[50]。无论是偏重于水资源的资源属性还是环境属性，两者都是站在使水资源可持续利用与人类社会永续发展达到平衡、使人-水之间相互和谐的目标。不同点在于研究角度、考虑的对象以及所参照的指标标准等不同而已。

表1 国内水环境承载力研究的主要观点

利用Citespace V软件，通过对1979～2019年中国知网CNKI共收录的国内关于水环境承载力的核心期刊文献数据进行关键词聚类分析，可以得出近40年来我国水环境承载力研究的热点导向(图5)。发现近40年来我国水环境承载力研究聚焦的重点是不断变化的，研究演变历程中包括“可持续发展”“环境承载力”“环境承载力”“水资源承载力”“指标体系”“资源环境承载力”“水环境容量”“系统动力学”“层次分析法”和“水生态承载力”等研究热点。这些热点反映了每一阶段学术界对水环境承载力研究不同的关注。

图5 1979～2019年水环境承载力研究时区图

通过分析，水环境承载力的研究在1980年代处于早期探索阶段，研究成果相对较少。直到可持续发展概念由联合国率先提出，在各国间犹如“涟漪效应”逐渐扩散传播。20世纪90年代，我国受到该思想的影响，在可持续发展背景下开展水环境承载力、环境承载力、水资源承载力的研究，并考虑如何建立科学可靠的指标体系。进入21世纪以来，资源环境承载力、生态环境承载力、承载力等成为新的研究焦点。2010年至今，环境容量、生态承载力、水环境容量、水生态承载力又成为焦点，在研究方法上更倚重于系统动力学和层次分析法。由此可见，多年来水环境承载力研究聚焦的核心是逐渐演变的。

2.4 水环境承载力研究方法

通过梳理近40年来我国学者对水环境承载力研究所采用的研究方法(表2)，发现最主要的研究方法为指标体系法、系统动力学法、多目标模型及单目标最优化方法、人工神经网络法等以及上述方法的交叉运用[51]。由于水环境系统的综合复杂性决定了多年来对其进行研究的方法偏向于2类：一是基于综合评价方法；二是基于系统动力学或优化模型方法[14]。基于综合评价方法研究的技术路线主要是对特定区域(流域)监测数据、统计数据、空间数据等的采集解译，以特定目标或标准筛选关联指标，构建评价指标体系，对各指标赋值定权，模拟计算出水环境承载力的实际大小。评价指标体系构建及赋值定权量化方法主要有定量评价方法(如层次分析、灰色关联分析、模糊综合评价、人工神经网络、熵权法等)；统计分析方法(如向量模法、主成分分析、因子分析、聚类分析等)；目标规划模型评价方法(如TOPSIS等)以及多方法的融合评价[52]。基于系统动力学或优化模型方法技术路线主要是将水环境系统看成一个整体并系统分析关联变量，收集相关数据，分析系统结构建立模型，对参数的确定与赋值进行模拟评估，计算特定状态下的水环境承载力。两类研究方法的关注角度及侧重点有所不同，基于综合评价方法用来评估当前和历史时期特定区域(流域)的水环境承载力，系统动力学方法或优化模型方法用来预测未来的水环境承载力的状况[37]。研究尺度与分析方法以宏观视角及宏观定量、定性研究为特征，介于水环境系统的综合复杂的特点以及受监测技术手段和认识水平的影响，决定了承载力指标选择及计算目前一些参考指标只能采取无量纲表示，采取宏观定量、定性研究更易抓取主要信息，小尺度、微观研究缺乏相应数据的支撑。

表2 水环境承载力主要研究方法

2.5 水环境承载力应用领域

水环境承载力是环境承载力的重要组成，研究的目标一直以来以可持续发展为宗旨，服务于规划建设、生态治理、国家层面大政方针的制定。为此，对水环境承载力的研究应用领域进行统计分析(表3)，可以发现大致可划分为4项基础领域的应用：一是用于城市或城市圈(群)以及区域建设规划、产业选择与布局等[32,53-54]，此类应用较多。二是城市或区域地下水安全的预警与评价，在城市地表水环境承载力研究的基础上展开对地下水环境承载力的综合评价，预测模拟一定地区范围内地下水环境支撑城市或区域社会经济发展的最大承载，合理调度城市或区域地下水用量等[17,55]。三是流域(河流、湖泊以及水库等)综合评价与治理[56-57]，目前我国绝大多数的河流湖泊以及人工水库都作了相应的水环境承载力的研究工作。四是服务于国家或区域可持续发展战略的制定[58-59]，以资源环境承载力为基础，从整体上论证以承载力为约束的国土空间规划，引导社会经济活动科学发展，从而实现区域的可持续发展。