基于VOSviewer的国际虚拟水贸易研究进展

李 明

(华中农业大学经济管理学院，湖北 武汉 430074)

伴随经济和社会的不断进步，全球对水资源的需求以每年1%的速度增长[1]，与此同时，现代工业和城市化的加速使得水资源形势日趋严峻，水资源逐渐成为生态环境保护和社会经济发展的限制性因素[2]。随着联合国确立2030年全球可持续发展目标，水资源的可持续利用在世界各国受到越来越多的重视。

英国伦敦大学Allan[3]教授于1993年提出“虚拟水”这一概念，意指生产农产品所需要的水资源量，后于1996年完善虚拟水的内涵，即生产商品或服务的过程中所消耗的水资源量。虚拟水这一概念的诞生打破了传统水资源研究模式，对于全面了解水资源流动规律具有重要意义。虚拟水贸易则属于虚拟水概念的拓展和延伸，指贫水国家或地区通过从富水国家或地区进口如粮食等水资源密集型产品，以缓解国内水资源紧张局势，满足国内粮食安全和水安全的目标[4]。近十几年，有关虚拟水贸易的研究得到了国内外学者的广泛关注，积累了丰富的研究成果。目前，虚拟水贸易的研究主要集中于贸易产品虚拟水含量的测算[5]、产业部门间的虚拟水贸易量化研究[6]、虚拟水贸易的适应性评价及驱动因素研究[7]、虚拟水贸易战略的影响研究[8]等，也不乏聚焦虚拟水贸易的综述研究。张灿灿等[9]利用CiteSpace文献计量软件对国内外水足迹的态势进行了对比研究；王金平等[10]基于H指数重点探究了虚拟水研究组织机构的实力和学术影响力；M.Anronelli et al.[11]对虚拟水及虚拟水贸易进行了概念和应用的综述，并讨论了虚拟水贸易的理论基础及政策含义。以上的研究主要侧重于虚拟水贸易定义和发展现状的定性评述，或侧重于更广泛的水足迹或虚拟水的定量研究，尚无从文献计量学视角对虚拟水贸易这一具体研究领域进行的系统定量分析。

文献计量学是对特定领域的研究文献开展定量分析的常用方法，采用多种数学和统计学方法量化某一具体领域的主要文献特征，挖掘知识基础，发现研究热点，揭示未来的研究趋势[12]。VOSviewer由荷兰莱顿大学开发，是一个用于构建和可视化文献计量网络的专业工具，不仅提供文本挖掘功能，还可用于构建和可视化重要标签的共现网络[13]。与CiteSpace、Bibexcel等软件相比，VOSviewer适合于分析复杂网络和关键词共现产生的大规模数据，在绘制知识图谱方面独具特色[14]。该软件问世以来，在国际学术界得到了广泛的应用和认可。内容分析是对文献进行客观、定量分析的一种研究方法[15]，通常以文献中的核心词语和句子作为分析的基础，从统计数据中得出定性结论。

鉴于此，本文试图在系统收集虚拟水贸易研究文献的基础上，通过文献计量和内容分析等方法，在国际视阈下对虚拟水贸易的研究现状和热点进行分析，旨在更加客观地揭示国际虚拟水贸易的研究态势，以期为相关虚拟水贸易研究提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

首先，本研究基于SSCI-Web of Science数据库，为适当控制数据量兼顾学术研究质量，选择Web of Science核心合集进行检索；其次，确定检索字段等其他检索条件。在基本检索中以“virtual water trade”作为主题，鉴于虚拟水的概念是于1993年提出的，故时间跨度自定义为1993—2019年，检索时间为2020年6月17日。经过剔除不相关文献和文献去重等，最终获得样本文献数据681篇，这些文献数据年度分布范围主要是1998—2019年。

1.2 研究方法

文献计量分析方法被广泛应用于绘制各个领域的知识图谱，用于帮助作者进行回顾性分析[16]。本研究以WOS核心合集数据库的681篇文献数据为样本，首先对样本文献进行基本发文统计，探索年度变化规律；其次，利用科学知识映射工具VOSviewer软件，展示核心作者、主要期刊和高产国家分布，重点分析文献引文网络和关键文章，以及关键词共现可视化网络；最后，结合内容分析法对关键文章和关键词共现结果的内容进行识别与分析，以揭示虚拟水贸易领域的应用现状和研究热点，并对未来研究方向作出展望。文献数据处理采用的是VOSviewer最新版本1.6.15版本(于2020年4月1日发布)。

2 文献计量研究概况

2.1 文献年度发展规律

此次检索共获取虚拟水贸易领域的研究文献681篇，主要分布在1998—2019年间，平均每年发文量约为31篇。有关虚拟水贸易研究领域的年度发文量分布情况见图1。

图1 1998—2019年虚拟水贸易年度文献数量分布情况

从总体发展趋势来看，虚拟水贸易领域研究文献的数量呈平稳上升趋势。具体来看，可将相关文献的发表划分为3个演化阶段：1998—2005年(起步时期)、2005—2013年(波动上升时期)、2013—2019年(成熟发展时期)。2005年之前，虚拟水贸易发文量基本上为个位数，年度变化差异小，这是因为虚拟水贸易这一概念诞生时间短，国际虚拟水会议和论坛刚开始引发学界关注。2000年海牙会议发布的《21世纪水安全》宣言和2002年Hoekstra提出的水足迹理论推动了虚拟水贸易量化的研究进程，同年在荷兰举办的虚拟水贸易国际专家会议和2003年在日本举办的第三界世界水论坛促进了有关虚拟水贸易的讨论[17]。2005—2013年这一领域研究成果呈波动增长趋势，年度平均发文量达20篇。这是因为德国和社会生态学研究所率先成立的虚拟水贸易工作站及第四届水资源论坛使虚拟水贸易研究引发了更多的关注，这一时期研究成果增长缓慢。2013—2019年研究成果呈阶梯式上升趋势，研究势头方兴未艾。这一时期，水资源可持续发展受到了学界的普遍关注，虚拟水贸易的研究主题和方法日益成熟。

2.2 文献基本特征分析

2.2.1 核心作者分布

为发掘虚拟水贸易研究领域的中坚力量，需要探寻这一领域的核心作者群体[18]，虚拟水贸易领域文献发文量超过12篇的核心作者分布情况见表1。681篇文献共有1385位作者，发文量超过3篇及以上的有129位，占总人数的9.30%。由表1可以看到，A.Y.Hoekstra是该领域最具影响力的研究人物，发文量以37篇高居首位，而且高被引频次显示了他的学术研究成果得到了业界的普遍认可，A.Y.Hoekstra被称作“水足迹之父”，他提出的水足迹理论使虚拟水贸易的研究得到了进一步拓展。其次是H.Yang，发文量有28篇，占比达4.11%，是该领域的重要贡献人物。发文量达到15篇及以上的作者还有B.Chen(27篇)、M.Konar(19篇)、J.G.Liu(17篇)、P.D’odorico(15篇)，这些虚拟水贸易研究的学者为该研究领域的推进和未来学者的探讨提供了丰富的借鉴成果。

表1 虚拟水贸易领域文献的核心作者分布情况

2.2.2. 主要期刊分布

载文期刊的分析有助于为学者和研究人员提供学术溯源和高质量成果参考[19]。按照Web of Science刊物类别划分，主要有环境科学、绿色可持续发展、经济学、生态学、地球科学、工程学、农业经济学等相关类别，可见虚拟水贸易是一个多学科交叉的复合型研究领域，该领域聚集了广泛的科研知识和学科分布。虚拟水贸易领域文献发文量达10篇以上的主要期刊分布情况见表2。

表2 虚拟水贸易领域文献的主要期刊分布

由表2可以看出，《Journal of Cleaner Production》在虚拟水贸易领域发文数量最多，达57篇，占比8.37%。同时，该杂志的期刊影响因子有6.395，是极具影响力的期刊。排在第二位的期刊是《Science of the Total Environment》，发文量达31篇，占比4.55%。《Ecological Economics》《Water Resources Management》《Environmental Research Letters》和《Hydrology and Earth System Sciences》四大期刊发文量均超过20篇，占比分别为4.26%、4.11%、3.38%和3.23%。《Ecological Indicators》《Sustainability》和《Water》等其他期刊发文量在10～20篇之间。其中，《Sustainability》受中国学者关注更多。然而，通过观察期刊影响因子发现，如《Environmental Science Technology》《Applied Energy》和《Resources Conservation and Recycling》等期刊发文数量不多但期刊影响因子比较高。因此，这些期刊应该成为该领域科研人员关注的重点期刊。

2.2.3 高产国家分布

国家关于虚拟水贸易领域的发文量和被引频次，能够间接反映出国家的科研水平和学术成就。经统计，涉及虚拟水贸易研究的681篇文献分布在59个国家，发文量达10篇及以上的有17个国家，这些国家属于虚拟水贸易领域的高生产力国家。虚拟水贸易领域文献发文量排名前15的高产国家分布情况见表3。从表3可以看出，发文量最多的国家为中国、美国、荷兰、英国、意大利、瑞士、德国、日本和西班牙，这些国家的发文量均超过30篇，其中中国发文量为248篇，占总发文量的36.42%，被引频次达3564；美国发文量为185篇，占27.17%，被引频次达3200；荷兰发文量80篇，占比为11.75%，被引频次达1295。不难发现，如澳大利亚、奥地利等国发文量不多但是被引频次却相对较高，这说明两国的科研实力比较强，注重学术研究价值。

表3 虚拟水贸易领域文献的高产国家分布

3 文献内容分析

3.1 文献的引文分析以及关键文章识别

引文分析可以用来研究该领域已发表文献的内在联系，有利于识别高被引文献，分析领域内关键文章可以为其他学者提供研究基础。利用VOSviewer软件，在分析类型中选择“citation”功能，在分析单元中选择“document”，将最小引用频次设置为10，共有240篇文献入选，得到的引文网络见图2。其中每个节点代表1篇文章，连接节点的连线代表引文关系；节点越大，连线越密集，文章被引用次数越多。这些被高度引用的文章被认为是国际虚拟水贸易的关键研究文章。由于不同的颜色代表不同的类别，240篇关键文献形成了包含1030个链接的13个聚类。在某种程度上，这种多群聚类结果表明，虚拟水贸易的研究主题是分散的。

表4列出了引文不少于85条的前16篇关键文章。引用最多的文章是Manfred et al.于2013年发表在《Ecological Economics》杂志上的一篇文章，该研究解决了一个新的问题：对虚拟水贸易的研究是否需要考虑到水的稀缺性，并区分从缺水地区流出的水和从富水地区流出的水。因此，作者将水资源短缺作为一个因素纳入全球虚拟水流量的评估。该研究通过使用多区域投入产出框架来量化稀缺水的直接和间接消耗，填补了研究空白，因此被众多学者引用和借鉴。同年发表在《Ecological Indicators》杂志上的《Virtual water accounting for the globalized world economy: National water footprint and international virtual water trade》被引用次数排名第二[21]。这项研究基于多区域投入产出模型，计算了112个国家及地区的水足迹，并通过引入虚拟水依赖指数，揭示了中美与其主要贸易伙伴的虚拟水贸易联系。该研究也是较早将多区域投入产出模型应用到国际虚拟水贸易测算中的，研究设计严谨，值得后人阅读和参考。

Xu et al.[22]等报告了在省级层面对中国虚拟水流的量化，此研究被引用次数排名第三。它首次绘制了2007—2030年中国各省之间的虚拟水流量图，并得出比较新颖的结论：需要更加关注水资源需求管理，而不是当前对供应导向管理的关注。该文也拉开了国际上对中国虚拟水贸易开展研究的序幕。基于多区域投入产出模型，Zhang et al.[23]探讨了国内省际贸易对中国虚拟水贸易格局的影响，并从最终使用产品和副产品两个方面揭示了我国省际水足迹的空间结构特征，该项研究在被引用次数上排名第四。多区域投入产出方法在其他关键文章中也得到了广泛应用，Feng et al.[24]将水资源短缺和生态系统影响纳入多区域投入产出分析，以评估中国30个省份的虚拟水流量及其相关影响。在投入产出分析基础上，Fang et al.[25]结合关联分析法，以北京市为例，研究了水、能源消费的协同效应和经济部门间的相互作用。

食物消费、食品贸易为研究虚拟水贸易的另一个关键领域。D’Odorico et al.[26]重建了全球食物卡路里贸易网络，探讨了食品卡路里贸易与生产用水虚拟转移之间的关系。Dalin et al.[27]对我国省际食品贸易进行了建模，并将这些贸易流量与省级商品虚拟水含量估算相结合，构建了我国内外虚拟水贸易网络。其他关键文章还涉及虚拟水贸易变化的驱动因素研究[28]、大规模环境扩展多区域投入产出模型的编制[29]等。表4中的16篇文章对虚拟水贸易领域的研究影响较大，其中8篇发表在虚拟水贸易文献的主要期刊上，如高影响因子的《Environmental Science Technology》《Applied Energy》和《Environmental Research Letters》等。这在一定程度上说明虚拟水贸易领域发表的关键文章质量较高，影响显著。

3.2 文献的关键词共现分析及研究热点探究

文献的关键词是整个文献的高级概述和细化，这是作者核心思想的体现，并且在某种程度上可以代表文献的主题内容。关键词共现分析通过统计方法和知识图谱的形式展示研究领域的共现网络，有利于把握虚拟水贸易领域的研究主题和热点。本研究利用VOSviewer软件，在分析类型中选择“Co-occurrence”功能，在分析单元中选择“All keywords”，可以看到681篇文献共涉及1795个关键词，将最小出现频次设置为10，共有85个关键词入选，得到关键词共现网络可视化图谱和关键词共现聚类密度可视化图谱，见图3和图4。

图3 关键词共线网络可视化图谱

图4 关键词共线聚类密度可视化图谱

基于图3的可视化结果可以发现，85个高频关键词被划分为4个聚类，不同聚类之间具有紧密的联系。每一个节点代表1个关键词，连接节点的连线代表共现关系；节点越大，连线越密集，关键词之间的关系越紧密。结合内容分析方法，对4个聚类的文献主题进行归纳概括，得到虚拟水贸易领域的4个研究热点：ⓐ虚拟水贸易的效益评价研究，包括virtual water trade、sustainability、impact、environment、flows等关键词；ⓑ虚拟水贸易的定量研究方法，包括virtual water、consumption、input-output analysis、life cycle assessment、structural decomposition analysis、ecological network analysis等关键词；ⓒ虚拟水贸易与食物贸易和气候变化的关系，包括footprint、crop production、food trade、climate-change等关键词；ⓓ水足迹在虚拟水贸易中的拓展，包括water footprint、resources、trade等关键词。

3.2.1 研究热点一：虚拟水贸易的效益评价研究

贸易效益评价是国际贸易领域重点关注的内容，提升贸易积极效益，规避贸易风险成为虚拟水贸易领域亟待解决的问题。虚拟水贸易诞生以来，学者们分别从生产、消费及社会环境等视角开展了效益评价。

基于生产视角，相关学者认为虚拟水贸易可以优化水资源配置，提升水资源生产力。如D. Wichelns[30]认为虚拟水贸易对于调节生产结构，优化市场活动从而提升稀缺资源的经济价值具有重大意义。基于消费视角，部分学者认为虚拟水贸易能够优化消费结构，保障地区消费水平。如Chapagain et al.[31]发现虚拟水贸易战略在区域水安全中发挥着重要作用，并且可以为整个流域的水调运提供强有力的补充；Wahba et al.[32]基于埃及与世界的水资源贸易关系发现，埃及家庭消费尤其是水产品与动物产品的消费会受到虚拟水贸易的影响。基于社会环境的视角，相关学者认为虚拟水贸易增加可以改善缺水国家和地区用水状况，缓解干旱地区用水压力。日本教授M.S. Islam[33]通过实证研究发现虚拟水贸易缓解了全球水资源分配不均匀的情况，非洲北部等干旱半干旱地区通过进口虚拟水的确减轻了水资源压力；Zhao[34]也发现通过进口虚拟水可以帮助我国缓解水资源短缺压力，促进水的可持续发展。另外，一些学者还从政治和经济视角对虚拟水贸易效益评价进行了探讨。

有关虚拟水贸易的效益评价，部分学者也持有相反的意见。虚拟水贸易对于虚拟水进口国能够产生节水效应，但也可能会增加对国外水资源依赖性，对于虚拟水出口国能够刺激当地经济发展，也可能造成资源过度开发利用。如Liu Xian[35]运用虚拟水贸易理论研究发现，合理的粮食贸易将减缓区域水资源的压力，但是会加剧区域水危机；ROSA et al.[8]量化了贸易对水的可持续性和河道过度干燥的影响，认为通过虚拟水贸易实现水的全球化导致了河流干涸，这是贸易政策通常忽视的环境外部性。

3.2.2 研究热点二：虚拟水贸易的定量研究方法

产品虚拟水含量测算、虚拟水贸易特征识别、影响因素分析及贸易效益评价等皆涉及各种定量研究方法。虚拟水贸易量化始于具体农产品贸易的研究，测算思路来自FAO推荐的标准彭曼公式，主要有产品生产树计算法[36]和产品分类计算法[37]，这些方法主要适用于农产品、动物产品虚拟水含量的测算。在虚拟水贸易特征识别方面，投入产出分析[24-25]、结构分解分析[38]、生态网络分析[39]、迪氏分解分析[40]等方法比较成熟。投入产出分析模型有单区域投入产出模型、多区域投入产出模型、区域间投入产出模型和多尺度投入产出模型等，它们在分析产业部门和区域虚拟水贸易方面独具优势。生态网络分析和结构分解分析等方法为探究虚拟水贸易时空差异和变化机制提供了有力的工具。

虚拟水贸易影响因素分析主要涉及贸易引力模型及拓展[22]、H-V-O模型[41]、BP-DEMATEL模型[42]、全球贸易分析模型等。引力模型在国际贸易领域中得到普遍应用，构建贸易引力模型可以实证分析不同因素对虚拟水贸易的影响。结合当前气候变化的趋势，采用GTAP模型模拟可以分析未来不同气候情境下及不同贸易政策下虚拟水贸易的变化机制。在虚拟水贸易效益评价方面，数据包络分析[43]、生命周期评估[44]等方法成为常用的分析方法。此外，也有学者采用一般均衡模型[45]、加权平均分解模型[46]研究虚拟水贸易。空间视图技术、地理信息系统等空间分析方法[47]为虚拟水贸易研究注入新鲜元素，将虚拟水贸易格局可视化，对深刻理解虚拟水贸易规律和提出有效的政策建议具有较大的帮助。

3.2.3 研究热点三：虚拟水贸易与食物贸易和气候变化的关系

虚拟水贸易诞生之初其实就是为了保障缺水国家和地区粮食安全和水安全，早期研究多关注粮食生产与虚拟水贸易的关系。Chapagain et al.[48]以日本和印度为例、Roson et el.[49]以地中海地区为例研究了这些国家的虚拟水贸易流动, 指出虚拟水贸易将成为平衡粮食生产和水资源节约的有效途径。随着消费者饮食结构的升级，食品贸易、饮食结构与虚拟水贸易间关系的应用推广开来。Wahba[32]基于埃及与世界的水资源贸易关系，发现埃及家庭消费尤其是水产品与动物产品的消费会加剧对国外水资源的依赖。Zhai et.al.[50]建立了一个虚拟的水-食物关系模型，以量化水在食物中的省际转移，发现区域间粮食交易未能实现水资源调度管理。

近年来气候变化热度持续增加，随着巴黎会议通过应对气候变化的全球协议，可持续发展日益受到更多的重视。在气候变化背景下探讨未来虚拟水贸易，可以说是该领域一个新的思路。如Munir et al.[51]在气候变化、水资源短缺、能源危机等背景下，审查了全球水供应和需求以及水供应与粮食安全之间的联系；Konar et al.[52]和Zhao et al.[53]分别探讨了2030年气候变化对全球虚拟水贸易流量和相关储蓄的影响，以及气候变化下全球贸易面临的虚拟水资源短缺风险。未来有关气候变化和虚拟水贸易关系的研究将会日益成熟。

3.2.4 研究热点四：水足迹在虚拟水贸易中的拓展

水足迹是虚拟水贸易研究的延伸，在国内外研究中得到广泛应用。目前水足迹的研究集中于具体产品的水足迹测算[54]、水足迹的时空差异分析[55]、蓝水绿水灰水足迹研究[56]、水足迹可持续性评价[57]等。在这些层面，典型研究为：Feng et al.[58]比较和探讨了水足迹领域自上而下和自下而上两种研究方法的优缺点，为其他学者开展水足迹测算提供了研究方法的选择依据。M.M.Mekonnen[59]以126种作物为例量化了1996—2005年间全球作物生产的绿色、蓝色和灰色水足迹，该文章为后期学界对水足迹进行类别划分提供了范式。A.Hoekstra撰写了《水足迹评价手册》，该书为水足迹评价研究制定了全面的国际标准[60]，在水足迹研究领域被较高引用和借鉴。然而，水足迹领域也存在一些需要完善的地方，如工业和第三产业水足迹研究、灰水足迹测算精度和研究力度需要加深，数据资料的可获得性和可信度需要加强等。

4 结语与展望

本研究基于Web of Science核心合集数据库，以1993—2019年间681篇虚拟水贸易研究的文献为对象，利用文献计量和内容分析等方法描述文献年度分布规律和基本特征，将引文网络和关键词共现网络可视化，从定量研究视角揭示出国际视阈下的虚拟水贸易研究进展。此外，通过对文献的梳理，可以发现已有研究取得了丰硕的成果，但是也存在一些不足之处，这也构成了未来可能研究的方向。如深入研究虚拟水贸易的消极影响，在政治、经济、生态环境等多方面开展整合研究；虚拟水贸易结构和贸易稳定性的评价研究值得进一步探讨；在宏观数据基础上，尝试引入微观调查数据来对虚拟水贸易进行更精准的测度；将气候变化经济学与虚拟水贸易相结合，气候变化对虚拟水贸易的影响研究可能会得到更多的关注；灰水足迹及其对生态环境的影响研究可以进一步深化；虚拟水贸易领域定性的政策设计和定量的优化方案的结合研究有待创新等。

通过对国际视阈下虚拟水贸易的文献进行总结，发现国内虚拟水贸易尚处于新发展阶段，需要和我国的国情紧密结合。在我国人均水资源量相对较低的资源禀赋约束下，虚拟水贸易的应用具有较大的推广价值和意义。推行虚拟水贸易，与我国“十四五”期间新发展理念中的绿色发展相吻合，与我国双循环新发展格局中的供求动态平衡相接轨，便于国家“碳减排、碳达峰、碳中和”目标的推进，对后疫情时代加速低碳转型和长期低碳发展战略的实施，以及推进全球气候治理都会产生重要指引作用。在全国碳排放权交易市场的建设和运行背景下，水权交易及水贸易成为新的尝试。最严格水资源管理制度、水权制度改革和试点、海绵城市的建设和水权交易平台的运行等都是我国为完善国内水市场和高质量发展国民经济所采取的新手段。因此，未来我国的水贸易可以继续探索，如水与生态、水与社会的关系研究，人水和谐的实现路径研究，水资源确权与分配方法研究，虚拟水期权契约的设计，水贸易的保障体系和补偿措施，水法律法规政策的跟进以及水资源监控体系的建立与评价等。虚拟水贸易在未来仍有诸多研究空间和价值,将会给国内学者带来更多的启示。

利用VOSviewer文献计量学软件对国际虚拟水贸易进行综述能够为其他学者开展研究提供新的启发和动力，但也存在一定局限性：ⓐ尽管WOS被认为是大多数出版物最权威的数据来源，但其他数据库中包含的一些文献可能被忽略了，或许会对研究结果造成一定的影响；ⓑ由于本研究中使用的数据是从Web of Science收集的，因此文章的组织机构信息可能不一致，所以本研究没有分析文献组织机构的特征。未来的研究可以通过考虑其他类型的数据库(如Scopus数据库)来扩展这项研究，从而为虚拟水贸易研究提供一个更全面、更完整的知识地图。