湖泊富营养化研究热点与发展趋势研究——基于CiteSpace的可视化文献计量分析

葛裕豪，杨 旭，张 婧，张德权

(1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 信息管理学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 引言

富营养化已成为国内外影响水环境安全的重要问题[1～4]。在气候变化和人类活动的双重影响下，大量外源营养物质输入湖泊[5]，叠加沉积物内源营养物质的释放作用，湖内水体营养状态逐渐从低生产力的贫营养状态向高生产力的富营养状态转变[6]。在自然条件下，湖泊缓慢经历着形成、发展、衰竭乃至灭绝的过程[7,8]。在高强度的人类活动影响下，这一演化过程被大大加快[9]。人为因素造成的富营养化引发的生态环境问题日益成为威胁可持续发展的关键问题[10,11]。已有大量研究报道富营养化发生机制、浮游藻类与营养盐负荷相互作用与关系等[12～16]，为了经济-生态的协同绿色发展，有必要对其研究脉络进行梳理，并从中归纳出当前在该领域的机构、学者的脉络关系和研究热点。本文运用CiteSpace软件获取分析近20年湖泊富营养化的高频关键词、发文量和机构、发文作者关系等对湖泊富营养化重点研究领域和发展方向进行探析。旨在为践行我国“一湖一策”“一类一策”的湖泊未来重点研究方向提供一定的借鉴和参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

文献计量软件CiteSpace通过学科相关领域的文献发文量与相关度，可视化分析多个领域之间联系。本研究将采用该软件对中国知网(CNKI)中选取的能够代表当前国内较高研究水平的核心期刊论文进行可视化分析。

本研究以中国知网收录的论文为数据来源，在数据库中将检索时间设定为2002～2022年，主题以“湖泊富营养化”和“蓝藻水华”为条件进行检索，选取“SCI来源期刊”“EI来源期刊”“北大核心”“CSSCI”“CSCD”为来源期刊，检索出文献数量712篇。通过以“水质”为检索主题对所获文献进行筛选。最后，选定“环境科学与资源利用”为学科标签，最终检索出有效论文数量为693篇作为数据源。

2.2 分析方法

本研究先利用Excel对原始数据中近20年的期刊发文量、期刊分布图和研究机构发文量统计图表进行绘制，分析国内湖泊富营养化相关研究的热门期刊、机构和发文趋势。然后，使用CiteSpace软件对作者、机构和关键词进行聚类分析。最终，获取我国湖泊富营养化研究近20年相关文献中的合作网络关系、共现聚类图谱和突现率数据。厘清我国湖泊富营养化研究现状、热点、前沿、变化趋势和发展方向，并对其进行影响分析。

3 湖泊富营养化研究热点分析

3.1 文献与学科分布统计分析

2002～2022年国内湖泊富营养化研究的发文量呈现出先上升后波动的趋势(图1)。2002～2011年间大体呈上升趋势，只有2006年和2010年发文量较上一年有所下降，文献数量在2011年达到峰值，总计61篇。2011年后文献大体呈现出先下降后趋于平稳的小幅波动的形式。2007～2021年间，国内有关湖泊富营养化发文量均保持在30篇以上。截至2022年9月份已发文18篇。近年来，从发文趋势可以看出国内对于湖泊富营养化的研究热度有所提升，说明理论界对于湖泊富营养化的研究热情依旧较高。

图1 2002～2022年国内湖泊富营养化研究文献年度分布

3.2 载文期刊统计分析

期刊是展现、传递和存贮有关学科科研成果的主要载体。通过对CNKI收录的湖泊富营养化期刊论文的可视化定量分析，可以更好地展示出湖泊富营养化的研究现况、研究热点和前沿发展。为更好地分析我国湖泊富营养化所研究文献资料的期刊分布特点，对693篇文献资料加以数据统计分析。

2002～2022年国内湖泊富营养化研究成果的期刊分布较为集中(图2)。刊发湖泊富营养化相关文献数量最多的期刊是《湖泊科学》，达到119篇，占比为27%。《环境科学》《环境科学与技术》《中国环境科学》，刊内载文量达到30余篇，占比为7%。其余16个期刊的载刊量在8～23篇，相对较少。

图2 载文期刊分布数量及占比

3.3 湖泊富营养化研究机构分布的可视化分析

用CiteSpace研究发文机构的突现率(表1)。从表1可以看出，2002～2022年，中国科学院南京地理与湖泊研究所是发文最频繁的机构，发文量高达132篇；其次为中国科学院水生生物研究所，发文量累计65篇。同时，中国科学院南京地理所与湖泊研究所也是突现率最高的发文机构，突现率数值达14.33，说明该机构在湖泊富营养化领域的研究在横向与纵向范围上较为全面与深入，其研究成果相对其他机构更具权威性与说服力。

表1 湖泊富营养化研究领域高频机构统计

3.4 湖泊富营养化作者分布的可视化分析

作者分为高产作者、影响作者和活跃作者。这些作者发表的高水平文献推动着科研领域的发展和前进。利用CiteSpace软件绘制作者共现聚类图可以更直观地显示湖泊富营养化相关领域科研人员的脉络和研究状况[17](图3)。

图3 作者共现聚类

图3为2002～2022年从事湖泊富营养化研究作者的CiteSpace聚类分析图谱。其中节点越大代表作者发文量多，线段越粗颜色越粗代表作者之间的合作越密切。图3中，朱广伟[18，19]是最大的节点，其次是孔繁祥[20，21]、许海[22]、秦伯强[23]，这些研究学者近年发文量较多。此外，在作者分布方面，孔繁翔、秦伯强、高俊峰[24]等研究人员与其他学者渐渐形成了较为紧密的联系，并占据了相对应的联络中心节点。如以孔繁翔为中心形成了较为广泛的关系网络。总体而言从事湖泊富营养化研究的学者在合作网络上呈现出“大分散，小聚集”的特点。

研究表明，大多数研究热点都是由高产作者提出的[4]。因此，为更好地展现2002-2022年国内湖泊富营养化研究热点，从CiteSpace处理过的数据中提取前12位作者数据，并比较排名较为靠前的作者(表2)。经过比较，研究湖泊富营养化的作者发文量相对稳定。其中，文章数量最多的作者是朱广伟(21篇)、秦伯强(18篇)、孔繁翔(15篇)，其中秦伯强是国内最早进行湖泊富营养化领域相关研究的，孔繁祥的研究时间比较短。朱广伟、许海、秦伯强等是近20年来产出率较高的作者，表明了近年来国内这3位作者对湖泊富营养化的关注和研究较多。

表2 湖泊富营养化研究领域高频作者统计

3.5 湖泊富营养化研究关键词分布的可视化分析

关键词是作品的核心词汇，最能代表作品的研究重点和方向[25]。CiteSpace软件可以对关键词进行聚类分块。本研究将收集到的文献按关键词分组，得到563个节点，如图4所示，说明2002～2022年中国海洋富营养化研究主要围绕563个关键词展开。由该聚类图谱得出，蓝藻水华出现的频次最多，富营养化与蓝藻紧随其后，说明湖泊富营养化导致藻类生长从而引起的水质污染现象一直是从事湖泊水质研究学者的热门研究方向。而洱海[26]、巢湖[27]与城市湖泊也显示在该聚类图中，区域块面积较小，表明自然湖泊与城市湖泊中出现的水体富营养化也在近20年里逐渐引起了理论界的重视。

关键词的数量和增长能够有效反映研究领域的热点话题，关键词频率越高，研究的焦点越强。为更全面突出国内湖泊富营养化的研究热点和前沿问题，利用CiteSpace软件的扩展词检测算法计算出现频率，提取出现频率和频率排名前9位的关键词如表3所示。从表3可以看出，中心度高的关键词分别是蓝藻水华和富营养化。关键词词频最高的是“蓝藻水华”(260)，中心性0.64；其次关键词词频是“富营养化”(159)，中心性0.54；之后关键词词频是“蓝藻”(91)，中心性是0.29。说明对蓝藻水华、富营养化领域的理论研究一直以来都是湖泊富营养化研究的重点。“巢湖”(35)和“洱海”(9)的中心性分别为0.04和0.01，表明两个湖泊的富营养化研究较多。“总磷”(10)的中心性为0.02说明国内研究者对富营养化研究主要集中在受总磷影响为主的湖泊[28]，在未来的理论研究者可以更加深入探析水华发生机理，将研究对象向其他湖泊进行扩散，同时多加运用至实践中，以更好的解决国内湖泊富营养化问题[29]。

表3 湖泊富营养化研究领域高频关键词统计分析

3.6 湖泊富营养化主题演化的可视化分析

主题的演化过程是指主题的出现、衍生和消亡，是以时间线的形式呈现出学科领域文献的研究主题，比单纯通过主题聚类来分析词频变化更加全面直观[30]。CiteSpace软件可以通过制作时间维度的主题发展图表清楚地看到相关文献中包含的关键词的发展情况以及关键词之间的关系。为挖掘湖泊富营养化的研究趋势，本文主要以高频关键词为代表分析该学科研究前沿，绘制的时间轴视图可以清晰地展示湖泊富营养化研究前沿随时间的演化。根据图5可以看出，2002～2022年，我国湖泊富营养化的研究始终围绕蓝藻水华这一主题展开并逐渐往外扩展，衍生出“富营养化”“蓝藻”等热门词汇。从关键词时间轴聚类图谱(图5)情况来看，湖泊富营养化研究的演变呈现出以下特点：①国内浅水富营养湖泊的生态修复和治理是重点关注内容；②遥感技术主要应用于湖泊水质变化的监测[31]；③多种生物技术应用于湖体中微生物的测量；④通过调查湖泊底栖动物的生物量和生物种类来反映湖泊水质变化[32]；⑤蓝藻水华的发生机制、影响因素和分析预测方法成为近几年的研究热点；⑥有关气候因素、发生机制和模型预测的水体富营养化研究将成为未来几年的研究趋势[33～35]。

图5 2002～2022年国内湖泊富营养化高频关键词聚类时间图谱

在CiteSpace软件中，从文献中的标题和摘要中提取出来的是研究前沿的新兴词组，它的强弱可以反映外界对文献的关注程度。选取2002～2022年高突现率的关键词，分析湖泊富营养化近20年的演化路径，如图6所示。突现率较高的关键词有富营养化、湖泊、底泥等。关键词中湖泊、时空分布、富营养化、底泥、生态恢复等领域的研究时间跨度较长，2011年后，水体富营养化的时空分布成为了研究的主要方向，研究TN、TP浓度的时空分布及其与Chl-a的相关性，对了解湖泊富营养化机制具有重要意义。

图6 2002～2022年国内湖泊富营养化高突现率关键词可视化图谱

4 结论与展望

4.1 结论

本研究以2002～2022年在中国知网(CNKI)数据库中有关湖泊富营养化研究的693篇论文为研究对象，借助CiteSpace软件进行数据可视化，研究了当前湖泊富营养化研究的现状和未来发展趋势，结论如下：

(1)从个人发文量来看当前国内湖泊富营养化研究主要以朱广伟、秦伯强、许海、孔繁翔等人为代表，主要研究南方浅水湖泊富营养化。从发文机构来看国内当前在研究湖泊富营养化上有一定成果的主要机构有中国科学院南京地理与湖泊研究所、中国科学院水生生物研究所、中国科学院大学、南京大学和中国环境科学研究院等。

(2)从关键词共现聚类图谱和关键词聚类时间图谱上来看，总磷是造成湖泊富营养化的主控因子；研究重点表现出由自然湖泊向人工湖泊、由低纬湖泊向高纬湖泊转变的趋势。湖泊富营养化发生机制、气候变化对湖泊富营养化的影响、富营养化的智慧监测和模拟预测是当前研究的重点和难点。

(3)高纬湖泊富营养化发生机制、多技术耦合的富营养化模拟预测和富营养化智慧监控和管理平台构建将成为未来的研究趋势和方向。

4.2 展望

经综合分析后，建议国内有关学者能够更多地对高纬度湖泊富营养化发生机制进行深入研究。具体措施建议如下：

(1)加强冰封期湖泊营养盐迁移转化规律、湖冰结构对富营养化发生的作用及高纬湖泊富营养化发生对气候变化的响应等方面的富营养化发生机制的研究。

(2)建立全季节“空-天-地”一体化监测体系，加强高纬湖泊的水质指标的实时监测。

(3)在湖泊富营养化预测上，可以将机理模型和机器学习方法耦合，更好地预测富营养化发生应对变化环境的响应，为决策机构保留更多的响应时间。