绿色基础设施的生态环境领域研究现状及热点

2022-04-11王永衡李春林梁碧苗吕建树

生态学报 2022年6期

王永衡,李春林,王昊,梁碧苗,吕建树

1 山东师范大学地理与环境学院, 济南 250358

2 中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳 110016

3 航天宏图信息技术股份有限公司, 北京 100195

城市化是一个社会全面发展的过程,不仅指经济社会的发展,还包括生态文明的进步。随着中国城市化进程的不断加快,环境污染、资源短缺、生态破坏、洪涝灾害等问题降低了城市的人居环境质量,成为威胁人类健康和城市可持续发展的重要因素[1]。作为自然生命支持系统的绿色基础设施是支撑生态文明建设的重要途径[2],因此,必须将绿色基础设施作为城市化发展所必需依赖的“基础设施”[3]。

绿色基础设施是指由自然空间或者人工及半人工的绿色植被、水体等构成的相互连接的绿色空间网络,并可提供多种类型生态服务功能的基础设施[4—5]。1999年绿色基础设施概念首次在美国提出,成立“绿色基础设施工作小组”并将绿色基础设施定义为国家自然生命支持系统[2]。美国的绿色基础设施建设得到政府的高度支持,迅速的迎来了发展的春天。随后,绿色基础设施的概念传入欧洲,此时欧洲的城市化问题主要集中在生态保护、气候变化和可持续发展上,因此欧洲的绿色基础设施的研究侧重于调解或减缓气候变化、改善环境与人体健康、提升绿色空间与绿色经济、保护生物多样性、构建绿色基础设施体系等方面。如2005年英国东伦敦的绿色网格规划[6]、2008年英国生态城镇建设、2010年瑞典斯德哥尔摩绿色基础设施规划[7]等,均表明了欧美各国在绿色基础设施建设中的不断探索与创新。绿色基础设施虽源于美国,但在中国古代就有类似的概念描述。如周朝时期的古道、春秋时期“天人合一”的自然观[8]等,都体现了适应自然的朴素思想[5]。在2000年前后,此概念被引入国内,以2013年为分水岭,国内绿色基础设施的研究分为两个阶段:2013年之前研究的重点在国外相关概念的引进、国外理论和实践案例介绍与借鉴[9]；2013年之后,研究重点侧重于国外现有绿色基础设施概念下的具体实践,主要集中在城市雨洪管理[10]、屋顶花园[11]、海绵城市[12]等具体案例的本土化研究。

经历了20多年的快速发展,绿色基础设施在改善人居环境[13]、完善生态系统服务[14]、维护国土生态安全[15]、推动可持续发展[5]和构建生态文明[16]等生态环境方面发挥着重要作用。但目前缺乏对绿色基础设施在生态环境领域研究内容和成果的总结和归纳,亟需梳理整体的发展脉络,追踪最新研究热点和趋势。因此,本文以绿色基础设施在生态环境领域的研究为切入点,运用CiteSpace文献计量分析软件,对国内外绿色基础设施的研究现状、热点和趋势进行定量分析,以期为未来绿色基础设施的研究和实践提供参考与借鉴。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

知识图谱科学性依赖于数据的准确性,即关键问题在于如何准确全面的检索研究主题的全部文献[17]。为了保证数据可靠性,本文的外文数据来源于Web of Science(WOS)的核心合集数据库。WOS核心合集作为全球权威的学术信息数据库,收录了SCIE、SSCI、A&HCI等最具影响力的期刊数据集,通过高级检索来进行文献检索,检索式为TS=“Green Infrastructure”,文献类型为“Article”,语种为“English”时间跨度选择默认,截止日期2020年12月31日检索获得文献1228篇(以下简称数据集一),进一步对生态环境领域设定检索式:(TS=“Ecolog*”)OR(TS=“Environment*”)文献类型为“Article”,语种为“English”进行检索获得文献2004055篇(以下简称数据集二),在高级检索中将数据集一和数据集二进行组配检索式AND运算,最终获得数据总计1137篇作为本研究的外文数据。国内数据来源于中国知网(CNKI),采用高级检索:主题=“绿色基础设施”AND主题=“生态”AND主题=“环境”时间跨度选择默认,检索获得数据703篇,剔除学位论文、会议、书评、年鉴、图书、标准等类型文献,最后筛得文献439篇作为中文数据。

1.2 研究方法

CiteSpace软件是美国德雷塞尔大学陈超美教授研发的一种基于JAVA环境下的信息可视化的文献计量软件[18]。2006年陈超美等将其引入到国内。侯建华等较早的采用CiteSpace对战略管理学前沿领域进行可视化研究[19]。随后CiteSpace被广泛的应用于图书情报学、管理学、科技政策、教育学以及具体的技术科学等学科[20]。本研究借助CiteSpace 5.5 R2版本基于外文中文两种数据,对国内外绿色基础设施生态研究现状进行分析。根据文献的时间排序设定时间跨度为2000—2020,时间切片根据研究而定,网络裁剪设置选择pathfinder,其他设置默认。

根据普赖斯定律,撰写全部论文一半的核心作者的数量等于全部科学学者的平方根,即公式为:

式中,M为确定核心作者的最低论文篇数；Nmax为发文最多作者的发文篇数[21]。

2 绿色基础设施研究现状分析

2.1 发文量年度分布

发文量是衡量一定时期内学术研究热度和发展速度的重要指标之一,对分析研究动态和预测发展趋势具有重要的意义[22]。据图1可知,国内绿色基础设施生态环境领域的研究起步较晚。国内最早对绿色基础设施生态环境领域的研究是2004年张秋明在《国土资源情报》上发表的“绿色基础设施”一文,该文章系统的介绍了美国绿色基础设施的发展历程,并首次提出了绿色基础设施有益于人类健康、野生动植物保护和经济发展[23]。国外最早研究是2000年Theodore Webert通过建立生态参数和威胁参数对绿色基础设施生态网络的建设进行评估[24]。从发文量来看,国内的文献数量明显少于国外,2013年之前国内该领域的研究态势和国外基本保持一致,总量少,发展缓慢。从2013年开始国内外绿色基础设施生态环境领域发文数量差距明显扩大,国外的文献量呈快速增长趋势,而国内的文献处于一种平稳增长状态。这可能主要是由于国内研究者未能完全接受绿色基础设施的概念,而采用绿色空间、绿地、生态用地等名称进行研究。未来国内外绿色基础设施的发文数量差距可能会进一步加大,而国内则需要加强对绿色基础设施概念的普及和其生态环境效应的认识。

图1 2000—2020年绿色基础设施文献数量年度分布

2.2 文献地理空间分布

学术研究是以知识为基础的技术密集型国家的重要标志之一,学术的贡献量是一个国家科技发展的基本变量[25]。WOS收录了全球的最具代表性的期刊,因此作者以WOS作为文献地理分布的分析对象,分析发现绿色基础设施在生态环境领域的1137篇文献共分布在81个国家。欧美等发达国家在绿色基础设施生态环境领域开展大量的研究,但不同国家之间发文数量分布不均。结合表1可以看到文献产量最高的10个国家占该领域文献总发文量的65.44%,主要以美国、英国、德国等发达国家为主,这主要由于绿色基础设施生态研究与城市化密切相关,发达国家城市化水平高,更早的关注于该领域的研究。中国发文量92篇,占文献总产量的8.09%,这与我国新时期“推进生态文明,建设美丽中国”[13]的理念息息相关,此外其他国家研究较少,而发文数量一定程度上反映了国家绿色基础设施研究的发展阶段和发展态势。

表1 2000—2020年绿色基础设施发文量最高的10个国家

2.3 期刊共被引分析

将外文的数据导入到CiteSpace中,Node Type设置为Cited Journal,时间切片设置为2,运行之后得到绿色基础设施在生态环境领域的期刊共被引图谱(图2),图中圆圈的大小、厚度分别代表共被引的频次数和当年被引的频次。紫色圈表示中心度的强弱,是衡量结点在图谱中重要性的指标。外文期刊中,Landscape and Urban Planning、Urban Forestry &Urban Greening、Journal of Environmental Management、Ecological Economics、Landscape Ecology五种期刊被引频次最高,依次是854次、494次、424次、357次、352次。将全部期刊进行学科分类可知外文的绿色基础设施生态研究集中在景观生态学、城市规划学、环境科学、生态学等领域。期刊中心度最强的5种期刊分别是LandscapeandUrbanPlanning、ConservationBiology、JournalofEnvironmentalManagement、EnvironmentandBehavior、JournalofArboriculture,中心性分别为0.92、0.53、0.51、0.47、0.41,表明以上期刊对绿色基础设施研究具有支撑作用。其中LandscapeandUrbanPlanning期刊的被引频次和中心度都是最高的,说明该期刊在此研究领域具有较高的核心地位。

图2 2000—2020年外文期刊共被引图谱

将国内该领域的439篇文献汇总,统计分析了载文量最高的15种期刊。国内期刊中,风景园林和中国园林期刊的绿色基础设施载文量较大,起到了学科支撑性作用(图3)。从期刊类型来看,园林规划类的期刊占绝大多数,主要集中在园林学、城市规划学科等。

图3 2000—2020年中文期刊载文量

通过国内外期刊对比可知,国外的绿色基础设施生态环境领域的期刊呈现全面化、多元化和体系化特点,期刊涉及生态学、城市规划学、地理科学、环境科学、生物学等众多领域,而国内期刊领域单一,还未与其他学科有较强的交叉融合。

2.4 重要作者分析

作者共被引分析(author co-citation analysis)是文献研究的主要分析方法之一,能够刻画研究结构,揭示研究现状,把握复杂学科下的发展态势[26—27]。作者共被引最多的是Konstantinos Tzoulas教授,被引用次数高达220次(图4)。Konstantinos Tzoulas教授是绿色基础设施生态环境领域的重要研究者,他提出了绿色基础设施、生态系统健康和人类健康福祉三者结合的概念框架,强调了影响城市生态系统健康和人类健康的多种动态因素及其复杂的相互作用[28]。从而推动了绿色基础设施的跨学科发展。中心性最高的作者是Jack Ahern,中心性为0.61。Jack Ahern教授主要从事绿色基础设施规划设计和风景园林生态方面的研究,比如《Urban landscape sustainability and resilience: the promise and challenges of integrating ecology with urban planning and design》将生态与城市规划进行整合,通过对城市生态网络、连通性、多功能性、冗余性、模块化等进行设计来适应城市的发展[29]。

图4 2000—2020年国外作者共被引图谱

利用普赖斯指数对中文文献进行统计分析,共计得到18位核心作者。普莱斯定律认为当核心作者发文量占发文总量一半的时,才会形成该研究领域的高影响力作者或团队。作者计算国内核心作者发文量占发文总量的16.5%,同理,计算得出国外核心作者发文数占发文总数的19.4%,均未达到50%。表明国内的作者比国外的作者合作性差,国内外虽形成少数的核心作者,但尚未形成高产和高影响力的作者及研究团队[30]。

国内绿色基础设施方面发文最多的是同济大学的王云才(表2),其发表了一系列城市绿色基础设施模式构建、供需测度和生态系统服务优化[14,31—32]等方面的文章。北京林业大学刘晓明和张炜对绿色基础设施生态系统服务应用进展进行评述[33],北京林业大学的李雄和张云路则对绿色基础设施的生态景观规划有较为深入的研究[34]。

表2 2000—2020年中文核心作者及发文数量

近20年来,国内外对绿色基础设施的概念、应用、发展进行了大量的研究,其中,根据作者共被引分析,生态系统服务和人类健康福祉是国外较多学者引用的重点,国内的核心作者则在理论综述和具体应用上进行了较多研究。此外,国内外关于绿色基础设施的研究尚未形成高产和高影响力的作者及研究团队,国内比国外的研究者间的合作性要差。

3 绿色基础设施研究热点及趋势分析

3.1 研究热点分析

关键词是文章的高度凝练和标识,对文章具有重要的统领作用。为了使关键词的聚类结果更加全面且有说服力,本研究参数选取阈值为Top50,时间切片设为4,采用寻径分析得到共现网络后,以LLR算法进行聚类,得到外文关键词知识图谱(图5),图中节点的大小表示关键词的频次,聚类的模块为研究热点。

图5 国外绿色基础设施研究热点图谱

据图5可知,高频关键词有绿色基础设施(green infrastructure)、生态系统服务(ecosystem service)、城市(city)、生物多样性(biodiversity)、管理(management)、影响(impact)、气候变化(climate change)等,五个聚类分别是生物多样性(biodiversity)、空间(space)、感知(perception)、恢复(restoration)和城市热岛(urban heat island)。通过纵向比较关键词及所属聚类发现,绿色基础设施与生物多样性两者之间关系紧密,这是因为随着城市不透水面及灰色基础设施的扩建,保护城市生物多样性已成为城市化发展优先考虑的事项[35]。处理好城市化发展与生物多样性保护之间的关系需要搭建绿色基础设施这个桥梁,通过城市绿色基础设施来保护动植物的栖息地,提升城市生物多样性[36]。城市与空间联系紧密,主要是区别于传统规划意义上的城市生态系统规划,联合国住房与可持续城市发展大会在2017年《新城市议程》中呼吁可持续紧凑城市的建设。因此使得旨在通过有限的城市空间网络,实现城市可持续性发展,构建生态宜居城市的生态系统规划成为研究热点。此外,城市热岛是目前基于气候变化与快速城市化双重背景下的热点问题。近年来对城市热岛、热舒适、气候适应性、凉爽城市等相关研究不断增加,如2010年Bowler等认为增加城市的植被数量或绿色基础设施是减少表面温度的最大值和变化的一种有效方法[37]；2015年Norton等对气候变化下的热舒适度进行研究,提出了基于绿色基础设施的凉爽城市规划的分层决策框架[38]；2018年Herath等通过ENVI met气候软件模拟,提出了城市热岛微尺度适应战略[39]。

运用同样的方法对中文关键词进行聚类分析,国内绿色基础设施生态环境领域研究的高频关键词是绿色基础设施、风景园林、海绵城市、生态系统服务、城市绿色基础设施等,主要聚类包括城市绿色基础设施、生态系统服务、景观规划、生态网络、低影响开发(图6)。风景园林属于生态系统服务聚类中的核心关键词,说明风景园林研究者对生态系统服务的研究较多,主要通过风景园林合理布局规划城市绿色基础设施,提高生态系统服务价值,保证生态安全,构建生态宜居城市。海绵城市主要是通过低影响开发技术来实现的。2003年俞孔坚等在《城市景观之路:与市长们交流》一书中提及“海绵”的概念[40],随后推广为海绵城市在国内迅速发展。车伍等分析并指出了我国《绿色建筑评价标准》中存在的一些问题,对绿色建筑雨水管理及其评价标准的修编提出了意见[41]。仇保兴等阐述了海绵城市的四项基本内涵和三个基本途径,并指出要走一条中国特色的海绵城市建设健康发展之路[42]。海绵城市适应了中国快速城市化、气候变化双重压力,考虑了城市的脆弱性,提升了城市的恢复力,因此使得“海绵城市”的研究不断升温。此外,生态网络是随着我国城市化水平的提高以及社会经济的转型逐渐成为了研究热点。当前的生态网络的构建具有很强的操作性,国内主要采用形态学空间格局分析(MSPA)方法和景观指数方法与最小阻力模型(MCR)结合等方法,来重构城市生态网络[43],这对提升城市品质、优化人居环境[44]及保护生物多样性[45]具有重要意义。

图6 国内绿色基础设施在生态环境领域的研究热点图谱

通过对比发现,国内的关键词及聚类偏向于风景园林、生态系统服务、城市规划等,国外研究在涵盖国内研究的同时并在生物多样性、气候变化、城市热舒适度等方面延伸。可见国外研究更立足于全球气候变化与快速城市化双重背景。

3.2 研究趋势分析

(1)国外研究趋势

为了了解关键词的演变情况,把握研究趋势,作者对外文数据进行了关键词Timezone可视化分析,得到了2000年以来国外绿色基础设施生态环境领域关键词时间变化趋势(图7)。多数关键词主要集中在2008—2020年这一时间段,对该时间段进行细分,可大致分为3个阶段:① 2008—2010年,绿色基础设施的研究开始备受关注,这一阶段的高频关键词有绿色基础设施、生物多样性、可持续发展、管理、保护等,构建起了绿色基础设施研究的基本框架与此后的研究联系紧密,奠定了国外绿色基础设施生态环境研究的主要方向。② 2011—2013年,对绿色基础设施结构和功能(景观格局、生态系统服务、弹性、多样性)的研究增多,主要目的是为了解决实际的生态环境问题(气候变化、健康、土地利用)。③ 2014—2020年,高频关键词逐渐分散且数量多达80多个,有系统、质量、表现、感知等,这一时期的研究内容更加细分,表现为对城市空间质量、城市生态环境等方向具体问题的深入研究。

图7 国外关键词时间线可视化图谱

作者对近四年的高频关键词进行汇总,表3中所列即2017—2020年绿色基础设施生态环境领域的前沿关键词,其中代表性的关键词有“nature-based solution”、“environmental justice”、“public health”、“microclimate”。与2008—2016年相比,自2017年基于自然的解决方案成为国外绿色基础设施应用中的重要指导理念。根据世界自然保护联盟(IUCN)的定义,基于自然的解决方案(Nature-based Solutions,NbS)是指保护、可持续利用和修复自然的或被改变的生态系统的行动,从而有效地和适应性地应对当今社会面临的挑战,同时提供人类福祉和生物多样性[46]。绿色基础设施在NbS中具有多重“价值”[47],在促进可持续的城市化、生态系统恢复、气候变化适应性以及风险管理和生态系统韧性等方面发挥更大作用[48—49]。虽然当前对NbS的研究有限,但已经出现多样化发展趋势。绿色基础设施作为城市中最重要的自然生态系统,对建立整体性的环境公平具有重要作用[50]。当前对实现环境公平的解决方案较少,但通过跨学科来分析评价绿色基础设施中的环境正义[51]、生态系统服务不平衡与环境正义[52]、人类健康与环境正义的关系[53]等多学科交叉是生态环境领域一个新的趋势。绿色基础设施对人类健康的影响包括:身体(胃肠道、心血管)、思想(心理健康、注意力、压力)、行为(犯罪、交流)等,当前对绿色基础设施与人类健康的研究成果较为薄弱[54],需要通过不同学科的交叉融合来推动发展,从而使绿色基础设施提高居民的健康福祉。

表3 2017—2020年外文关键词分布

通过对研究进程和研究内容的分析,发现国外对绿色基础设施在研究尺度上实现了由宏观尺度过渡到中观尺度再到垂直细分领域的深入,研究内容上实现了从概念到框架再到应用的场景转换,在尺度、维度上进一步加深,多学科交叉,多功能叠加成为趋势。同时,气候变化、生物多样性、公共健康等关键词体现了国外绿色基础设施的研究趋势逐渐与地理学、生态学的发展相贴合,与社会的需求相衔接,与当前国际的热点问题相吻合。

(2)国内研究趋势

对国内的关键词进行Timezone可视化分析(图8),从中可知,国内的研究集中在2005—2020年这个时间段。对该时间段进行细分,可大致分为3个阶段:①2005—2010年,国内在该领域的研究总量多(52篇)而关键词单一,表明这是我国绿色基础设施研究的兴起时期,且国内学者的研究方向相对比较集中。2009年风景园林的研究明显增加,景观规划领域的研究占据重要地位。②2011—2013年,研究重点集中在生态系统服务、城市雨洪管理和绿色基础设施规划等应用方面,主要是为解决城市发展过程中遇到的各种生态环境问题进行实证研究。③2014—2020年,该阶段绿色基础设施的研究紧扣国家需求,核心关键词有海绵城市、生态文明、绿色发展等,体现了本时期绿色基础设施研究目标是为实现区域可持续发展和国家生态文明建设提供支撑。

图8 国内绿色基础设施研究前沿知识图谱

通过对国内近四年的关键词进行排序(表4),发现国内虽然在该领域研究数量较少,但是国内的研究有着独特的特征。“乡村”、“乡村振兴”、“人居环境”、“社区生活圈”等新型关键词,体现了国内研究尺度不断细化,内容不断融合中国特色。当前绿色基础设施的研究主要集中在城市,对乡村的研究有限,缺乏整体性的理论体系,但通过绿色基础构建乡村生态网络[55]、宜居社区[56],优化人居环境格局[57],促进生态旅游[58]等方面的研究,能够从生态角度助力乡村振兴,走乡村高质量发展之路。

表4 2017—2020年中文关键词分布

对比国内外研究趋势发现,国内绿色基础设施的研究从国外引入较晚,因此相比于国外具有“滞后性”。2016年以后国外的研究紧紧贴合气候变化、公共健康等全球热点问题,而国内与全球热点问题结合不紧密,但逐渐关注中国的特色问题。

4 结论与建议

4.1 结论

本文运用CiteSpace软件从发文量、文献地理空间分布、期刊共被引、重要作者、研究热点、研究趋势等方面定量分析了中外文献在绿色基础设施生态环境领域的研究现状与热点。通过国内外对比分析,发现国外绿色基础设施生态环境领域的研究起步早、发文量大,且研究呈现多元化、多领域、多层次的特点。国内研究起步较晚,且国内作者较国外合作性较差,存在“单打独斗”的现象,国内外都未形成高产及高影响力的作者和团队。国内外的研究热点都集中在生态系统服务、城市规划、雨洪管理等方面,但国内研究热点相比于国外具有滞后性。国外研究在尺度、维度上实现纵深发展,且与国际环境背景和热点结合密切,研究前沿更多的关注于生物多样性、基于自然的解决方案、人类健康福祉方面,国内的前沿对此研究较少,但开始向具有中国特色的研究方向发展。