基于Citespace的矿业废弃地复垦与生态修复研究热点和趋势分析

陈 飞,尹 炳,沈 强,胡青青,邹宏光,张世文*

(1. 安徽理工大学地球与环境学院, 安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学测绘学院, 安徽 淮南 232001)

【研究意义】矿业废弃地是指因采矿活动被破坏和和占用的，非经治理而无法使用的土地。它主要包括采空区、排土场、废石堆、尾矿等。中国现有的国营矿山企业 8000 多个，个体矿山达到 23 万多个[1]。根据其来源，可分为3种类型：一是由剥离的表土、开采的废石及低品位矿石堆积形成的废石堆废弃地；二是随着矿物开采形成的大量的采空区域及塌陷区，即开采坑废弃地；三是利用各种分选方法分选出精矿物后的剩余物排放形成的尾矿废弃地矿业废弃地[2]。再生利用是中国绿色矿山建设和可持续发展战略的重要组成部分[3]。矿业废弃地的复垦利用对改善生态环境、优化国土空间开放格局、促进资源节约和生态文明建设具有重要作用[4]。人类生活质量、经济可持续发展乃至整个社会的和谐稳定都与生态环境的优劣有着密切的联系，因此，矿产资源的不当利用而引起的一系列问题，比如，生态环境承载力下降、资源浪费、环境污染等状况已成为当前急需解决的问题。国内外学者对于矿区生态环境的研究层出不穷，国外学者对于矿区生态的研究主要侧重于对矿区生态环境评估、综合治理及矿区生态重建。国内学者也对矿区生态环境质量综合评价、恢复治理以及矿区整体生态环境特征分析等多方面开展了研究[5]。【前人研究进展】由于数据库比较庞大，传统的文献综述无法将这些文献数据进行快速、准确的定量分析和可视化表达。Gemmel 曾指出，废弃地如果存在不利的条件、盐浓度或者高浓度毒性的重金属离子，那么，即使对废弃物添加各种主要养分也不能促进植物生长[6]。Lin Gao 等[7]认为，在生态环境恢复与重建的过程中，研究用于废弃地基质改良的复垦材料和土地整理技术是非常重要的。束文圣等[8]认为，尾矿的重金属毒性，尤其是有效态 Zn 和 Cd 的毒性是铅锌尾矿影响植物定居的限制因子。【本研究切入点】虽然学者们不断地在矿业废弃地复垦与生态修复的研究领域探索，研究成果也已经达到了一定的高度，但是，当前矿业废弃地复垦与生态修复的研究内容还没有形成一个完整的体系，依然存在着诸多不足，这在某些方面影响了研究的进展。【拟解决的关键问题】本文依据科学计量学、数据可视化技术的知识图谱，将 Web of Science 核心合集数据库中从 2009-2019 年近十年国际上矿业废弃地复垦与生态修复的相关文献进行批判性的阅读，准确地了解矿业废弃地复垦与生态修复的发展趋势、热点和现状，为矿业废弃地复垦与生态修复相关领域的进一步拓展打下坚实的基础。

1 材料与方法

本文采用由美国德雷赛尔大学计算机与情报学陈超美教授利用 Java 语言开发的 Information VisualizationCiteSpace 信息可视化软件进行知识图谱可视化分析[9]。CiteSpace 软件是一款着眼于分析科学文献中蕴含的潜在知识，并在科学计量学、数据和信息可视化基础上发展起来的一款多元、分时、动态的引文可视化分析软件[10]。通过可视化的手段来呈现科学知识的结构、规律和分布情况，因此也将由此类方法分析得到的可视化图形称为“科学知识图谱”[11]。目前该方法已经成为建模与仿真、情报学、信息科学与管理科学等各学科领域用来预测发展态势的重要手段[12-17]。

本研究数据来源于 Web of Science 核心合集数据库。在 Web of Science 核心合集数据库中输入主题词“Land reclamation” or “Ecological restoration” And “Mining wasteland”进行检索，检索与下载日期为 2019 年 6 月 11 日，检索时间跨度限定为“2009-2019”，共检索下载了 2138 篇，其中下载的每条文献记录内容包括全记录(作者、机构、摘要、关键词等)与引用的参考文献。统计表明，2009-2018 年期间，国际上关于矿业废弃地复垦与生态修复研究领域共发表论文 2001 篇，2019 年截至 6 月 11 号，已发表论文 137 篇。

图1 2009-2019 年矿业废弃地复垦与生态修复研究文献年度分布Fig.1 Time distribution of land reclamation and ecological restoration of mining waste land research literature by years from 2009 to 2019

某一研究领域发文数量的统计分析，可以很好的揭示该研究领域的发展状况，从而为预测其研究前景和发展趋势提供基础信息[18]。通过对 Web of Science 核心合集数据库中的矿业废弃地复垦与生态修复相关论文进行检索，得到 2009-2019 年间的发文量，用 office 2016 进行数据统计，绘出矿业废弃地复垦与生态修复研究文献年度分布图(图 1)。矿业废弃地复垦与生态修复文献数量整体上呈逐年上升趋势， 2009-2018年间，发文量增加超过一倍。通过对发文量分布图的整体趋势观察可以预测，2019 年关于矿业废弃地的发文量将达到 480 篇，2021 年有望突破 500 篇。

2 结果与分析

2.1 国家、机构和作者合作图谱分析

合作网络图谱能够快速简洁的表明某研究领域的国家、机构和学者等之间的社会关系，通过对图谱的解读分析，不仅可以快速发现具有关注价值的机构或学者，同时也可以为评价其学术影响力和价值提供参考依据[19]。

根据图 2，在 Web of Science 核心合集数据库的基础上，矿业废弃地复垦与生态修复的研究国家中形成了以美国和中国为主要的聚类群，具有很高的中介中心性[20]。根据国家合作图谱显示，在矿业废弃地复垦与生态修复研究领域，共有60个国家存在着不同程度、不同方式的合作。图中圆形节点表示不同的国家，圆形节点大小与该国以合作方式发表的论文频数成正比，紫色外圈代表中介中心性，其厚度与合作研究活跃程度成正比。而圆形节点的年轮颜色及厚度表示出现年份，某个年份的年轮越厚，对应年份合作发表的论文频次越高。圆形节点间的连线则反映二者共现或共被引关系颜色对应首次共现或共被引年份，粗细反应关系强弱。

图2 国家合作特征图谱 Fig.2 Network map of co-authors’ countries

图3 研究机构合作特征图谱 Fig.3 Feature map of network of co-authors institutions

表1 2009-2019 年国别合作特征及频次统计

利用 CiteSpace 软件同样可以绘出矿业废弃地复垦与生态修复研究机构的合作特征图谱(图 3)，并统计出各机构发文频数(数量)和中介中心性。

发文贡献率用发文量来表示。根据表 1，发文贡献率最高的国家是中国，其次是美国、加拿大和印度等；表 2 显示，中国科学院中介中心性最高，首次发文时间亦最早；其次是南京农业大学，中国农业大学位列第三。发文贡献率最高的机构排在首位是中国科学院，其次是中国科学院大学、加拿大阿尔伯塔大学、北京师范大学和中国地质大学等。节点的中心性代表了国家或机构的研究在该领域的重要程度，节点中心性越高，说明这个机构的研究越重要，从节点的中心性角度来看，排在前面的国家依次是美国(0.34)、英国(0.29)、中国(0.23)、意大利(0.17)和加拿大(0.14)；排在前面的研究机构依次是中国科学院(0.41)和加拿大阿尔伯塔大学(0.13)。

进一步从微观层面对学者合作网络进行分析，近 10 年来有 430 位研究者和他人合作开展了矿业废弃地复垦与生态修复研究，合作发表学术论文696 篇。其中，从发文频数出发，中国地质大学 BAI ZK (白中科)教授和 WANG JM(王金满)教授分别发表论文 23 和 20 篇，位居第1和第2；节点突现值反应发文量增长的指标，节点突现值越大，说明其发文量增长速度很快，对该领域的研究兴趣以及获得的研究成果增长很快，从突现值，加拿大阿尔伯塔大学 M.Anne Naeth 教授突现强度最高(3.63)；从中介中心性，排在首位的是 LIU Y(0.11)和安徽理工大学 ZHANG SW(张世文)教授(0.10)(表 2 和图 4)。发表论文数量排名前 20 位的作者，共有 16 名中国学者，占 80 %，体现了我国学者在矿业废弃地复垦与生态修复领域有较高参与度。

图4 学者合作网络图谱 Fig.4 Map of cooperative network of scholars

表2 2009-2019 年作者合作特征及频次统计

2.2 学科分布特征分析

利用 CiteSpace 软件进行文献的研究领域共现分析，可以得到被引用次数最多的相关学科类别，通过对不同时间段的学科被引突现进行分析，可以更好地了解和把握该领域的研究背景和现状，从而为科学的分析预测其研究热点和发展动态提供指导。

图 5 表明，矿业废弃地复垦与生态修复在不同的年份均有新的研究领域突现。“ZOOLOGY”、“AGRICULTURAL ENGINEERING”、“ENERGY &FUELS”、“CHEMISTRY ANALYTICAL”、“FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY ”、“ CHEMISTRY ”、“ METEOROLOGY & ATMOSPHERIC SCIENCES ”和 “ENGINEERING,OCEAN”等词的激增反映了矿业废弃地复垦与生态修复研究领域的多学科化发展迅猛，且该研究领域涉及的学科范围广泛，将分析化学、气象学和大气科学和食品科学与技术等学科进行拓展研究是近 10 年来国际上矿业废弃地复垦与生态修复的研究现状。

3 讨 论

3.1 文献共被引图谱分析

被引文献是指在文章阐述过程中需要来佐证作者观点和研究的其他相关文献。共被引分析(Co-Citation analysis)是指在文献空间数据集合中，对文献之间的共被引关系(两篇文献因同时作为第三篇施引文献的参考文献而形成的共被引关系)的挖掘过程[21]。通过对文献进行共被引分析，可以得到某研究领域的知识基础，从而为掌握该领域的核心提供重要依据。通过在网络类型(Node Types)中选择被引文献(Reference)选项并运行 CiteSpace 软件，聚类分析得到文献共被引网络图谱(图 6)，并在被引频次和突现值等基础上进行关键文献统计。

图5 矿业废弃地复垦与生态修复研究相关学科领域共现分析的被引突现 Fig.5 Cited emergence of co-occurrence analysis in relevant disciplines and fields of land reclamation and ecological restoration of mining waste land

图6 高频次被引文献共被引分析知识图谱聚类结果 Fig.6 Clustering results of knowledge map of co-citation analysis of frequently cited literatures

524 个节点与 1306 条连线构成了 7 个较大的群组，其中#0 群组(ecological engineering)共有 101篇参考文献，最小的#22 群组(crop group)，亦包含 10 篇共被引参考文献。表明有关矿业废弃地复垦与生态修复的研究有较高的集中性，同时也形成了一定数量的分支。

表3 基于被引文献频次、突现值和半衰期的关键文献统计

图7 2009-2019 年土地复垦研究文献的关键词共现密度图 Fig.7 Keyword co-occurrence density map of land reclamation literature 2009-2019

半衰期在科学计量学中常用来表示文献的衰老速度，半衰期越长代表文献越经典[22]。对各组的最高被引频次统计分析，结果列于表 3，其中#0 群组“Wang Wei[23]发表的论文 Development and management of land reclamation in China”共被引次数最高，达 56 次；#1 群组 Carl E. Zipper[24]的“Restoring Forests and Associated Ecosystem Services on Appalachian Coal Surface Mines”次之，共被引 51 次；而#2 群组的 Anderson, Jonathan D[34]发表的“Influence of reclamation management practices on microbial biomass carbon and soil organic carbon accumulation in semiarid mined lands of Wyoming”半衰期为 7 年，时间最长，说明该文是矿业废弃地复垦与生态修复领域最经典的文献之一。随着时间的推移，这些文献将被更多的同行借鉴和引用，在未来的一段时间将起到引领学科的重要作用，这些成果也将沉积为矿业废弃地复垦与生态修复领域的重要知识基础。

3.2 关键词共现图谱分析

关键词是对一篇文章研究主题和核心内容的高度浓缩与提炼，其与正文的关联性在某种程度上可以揭示学科研究领域中的内在联系，借助某一领域关键词之间的共现关系和连接强度，可以识别该研究领域当前所关注的核心热点与前沿动态[38]。在 CiteSpace 软件网络类型(Node Types)中选择关键词(Keywords)选项，筛选合适的阈值，对关键词共现关系进行可视化分析，从而得到矿业废弃地复垦与生态修复研究领域的高频关键词分布情况(表 4)。在 CiteSpace 分析的数据基础上，利用 VOSviewer 软件对文献进行关键词共现密度图的绘制，从而可以清晰地看出矿业废弃地复垦与生态修复领域的知识结构和研究热点(图 7)。

从图7可以看出，近 10 年来，矿业废弃地复垦与生态修复研究的热点集中在土地复垦、修复、有机物、植被、土地利用、模式、景观、土壤等[39]。

关键词共现密度图定性地展现了矿业废弃地复垦与生态修复研究的热点，但还不能体现出其具体的变化强度以及突现出新涌现的研究方向，而关键词突现值则可以定量地表示出不同研究热点的热度以及突现大小(表 4)。近 10 年来，复垦(reclamation)、土地复垦(land reclamation)、中国(China)和治理(management)等被引频次相对较高，一些新涌现的关键词有土地(land)、林地(forest)、气候变化(climate change)、力学(dynamics)、重金属(heavy metal)和植被(vegetation)。

综合被引文献与关键词频次共现分析，相对于有责任主体的矿山而言，矿业废弃地土地复垦与生态修复研究相对落后，不被国内外学者重视，大约落后 15 年，中国在此领域走在世界的前列，近 10 年来国际上关于矿业废弃地复垦与生态修复研究的热点主要集中在以下几个方面：①矿业废弃地复垦与生态修复共性技术问题。包括废弃矿山土地复垦与生态修复规划设计、工程技术选型(地貌重塑、土壤重构)、土地复垦生态环境监测、评估、预警及监管等。总体而言，该方面研究侧重于恢复土地的利用功能的手段和技术方面，研究层次相对较低；②矿业废弃地以及复垦后土地生态环境演变规律及影响机制研究。借助于遥感、地理信息系统、采样实测等手段，研究生态环境演变规律及其对周边环境的影响，并针对不同的演变特征，提出相应的治理措施。如针对复垦土壤—矿业废弃基质—修复的生态系统—矿山及周边人民群众系统，开展了一些历史废弃矿山生产产生的有害物质元素，特别是重金属，迁移、转化以及由此带来的生态环境响应机制和健康风险。③矿业废弃地复垦与生态修复基础性研究。重点研究了污染物的诊断与快速检测技术、各种复垦与修复技术的基础理论和机制性问题、复垦与修复质量的检测与评定方法、土地复垦的监管机制与方法等。

表4 2009-2019 年土地复垦研究文献的高频关键词列表

3.3 主题词分布特征分析

与利用代表性关键词出现的频率变化，对领域发展趋势的把握和追踪以及最新演化动态的识别和预测，在实际操作过程中则更适合于利用该领域内的突现主题词汇来进行分析预测[40]。设置时间跨度为 2009-2019 年，选择名词短语(Noun Phrases)和主题词(Term)选项，通过突现词探测技术和算法，利用 CiteSpace 软件，分析得到 2009-2019 年突现主题分布情况(图 8)。

根据图 8 可知，2009-2019 年期间关于矿业废弃地复垦与生态修复的研究进展和发展趋势主要可以分为两个阶段。

(1) 2009-2015年间，国际上矿业废弃地复垦与生态修复研究领域出现了较多的高突现度和高中心度主题词汇，其中突现强度较高的主题词主要是土地覆盖变化(land cover change)、总氮(total nitrogen)、堆积密度(bulk density)和灌溉用水(irrigation water)，说明这段时间内国际上关于矿业废弃地复垦与生态修复的研究主要聚焦在物理等领域，主要从不同土地覆盖变化、堆积密度和植物种群等几方面展开研究。

(2) 2016-2019年间，除去华东地区(eastern China)、采矿工程(mining activity)、mg ha 和矿区(mining area)，其它主题词围海造地(coastal reclamation)、生态系统服务(ecosystem service)、滨海湿地(coastal wetlands)和可持续发展(sustainable development)的突现周期均为 2017-2019 年。突现的主题词中大部分与矿区有着直接或间接的联系，说明在该阶段的研究主要集中在采矿工程领域，针对采矿活动以及矿业废弃地对周边的影响等展开相关研究。其中突现强度相对较高的几个主题词分别是围海造地、生态系统服务和滨海湿地，几个突现主题词均开始于 2017 年，在 2019 年仍处在突现高涨期，说明最近几年乃至未来一段时期，关于矿业废弃地复垦与生态修复的研究趋势重点在采矿活动对周边的影响。主要通过对矿区生态环境的影响的时间分析，探究矿业废弃地对人类生活的影响。

4 结 论

CiteSpace 软件是一款能进行知识图谱分析的有效工具，可以应用于探测和可视化研究矿业废弃地复垦与生态修复领域的发展趋势和发展过程中的重要变化。进一步可以更清晰的表达出国家、研究机构及作者之间的合作关系，通过学科共现分析、关键词共现密度分析，研究人员可以客观的了解到矿业废弃地复垦与生态修复研究的方向、前言热点和发展趋势，为矿业废弃地复垦与生态修复的相关研究提供更有价值的资料和基础知识。本文利用科学知识图谱可视化技术对 Web of Science 核心合集数据库中 2009-2019 年国内外学者发表的有关矿业废弃地复垦与生态修复研究文章的数量分布、国家和机构分布、学科分布和关键词等进行数据挖掘和计量分析，以可视化的方式探寻矿业废弃地复垦与生态修复领域的研究历程、研究热点以及发展趋势和动态。

图8 2009-2019 年土地复垦研究主题词共现分析的被引突现 Fig.8 Cited emergence of co-occurrence analysis of land reclamation keywords from 2009 to 2019

(1)国际合作中中介中心性最高的 5 个国家依次是美国、英国、中国、意大利和加拿大。中国已然成为世界上矿业废弃地复垦与生态修复发表学术论文数量最多的国家。中国科学院、加拿大阿尔伯塔大学和北京师范大学是国际上开展矿业废弃地复垦与生态修复研究中介中心性最高的 3 大机构。

(2)文献共被引聚类分析表明，目前国际上矿业废弃地复垦与生态修复研究热点较为集中地聚集在 7 个群组，归结起来可以看出，矿业废弃地复垦与生态修复的发展和管理的相关文献是目前引用频次最高的内容，说明该领域的研究需要进一步加强。

需要说明的是，对于矿业废弃地复垦与生态修复的可视化分析，本文主要基于 Web of Science 核心合集数据库的基础文献，在国内，中国知网(CNKI)上也发表了大量关于矿业废弃地复垦与生态修复研究领域的相关文献。在接下来的工作中，我们将以中国知网(CNKI)数据库为主要数据源，对国内关于矿业废弃地复垦与生态修复的研究进行更为详细的可视化分析。