基于CiteSpace的中国水质基准研究热点分析*

夏 鹏 金 琪 司静宜 巢 铸 黄楠楠 李忠玉 李 杰 冯承莲 白英臣#

(1.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012；2.常州大学环境与安全工程学院,江苏 常州 213164；3.上海海事大学海洋科学与工程学院,上海 200135)

水质基准(WQC)是指水环境中的污染物或有害因素对人体健康和水生态系统不产生有害效应的最大剂量或水平,是制定水质标准的科学依据[1-2]。WQC在环境保护方面发挥着重要作用,是生态环境部门评价水质和进行水质管理不可或缺的理论基础,同时WQC研究也可反映一个国家环境科学研究水平[3-5]。因此,WQC对评价我国水体质量、进行水环境管理具有十分重要的理论和现实意义。目前,WQC领域相关的研究报道较多,但鲜有文章基于文献计量学对已有研究进行统计分析,并以此系统揭示WQC的研究现状和研究趋势。

文献计量学是基于文献学、信息学、数学和统计学的交叉学科,可以通过CiteSpace对现有文献进行定量统计分析,识别文献发表人员和单位的地域分布特征,进行关键词聚类分析和时间阶段性分析等。使用科学统计的方法对文献进行定量分析可以为研究者提供一个全面的学科发展背景和发展趋势参考[6-7]。该研究基于中国知网(CNKI)数据库,利用CiteSpace对1980—2021年发表的WQC领域文献进行计量分析,以期为WQC深入研究和环境管理提供借鉴与参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

以1980年1月1日至2021年12月1日为检索时间段,分别以“水质基准”“水环境基准”“水环境质量基准”“水质量基准”进行全文检索,共获得文献1 582篇,其中相关文献1 281篇。

1.2 研究方法

CiteSpace是基于计量学、数据和信息可视化技术的引文可视化分析软件。该软件不仅可以分析作者、研究机构、国家/地区的信息,也可以对关键词进行聚类分析,探究该研究领域的热点问题和发展趋势[8-9]。使用CiteSpace 5.0 R3对WQC领域进行关键词、发文量、作者和研究机构计量分析,通过词频分析、聚类分析和时序分析等方法对我国WQC的研究现状与发展趋势进行图谱化呈现。

词频分析是文献计量学的传统分析方法之一,常被用来描述某学科领域的研究状况,进而揭示该领域的研究热点和发展轨迹。聚类分析是利用聚类算法将关系紧密、关联强度大的关键词聚在一起形成一类,同一聚类反映了网络中节点的相似性,有助于识别某一领域的代表性知识子群。时序分析可以探究某一个关键词在某一时间段内衰落或者兴起的情况。

2 结果与分析

2.1 发文分析

发文量可以直接反映WQC领域研究的活跃程度,WQC领域每年发文量见图1。由图1(a)可见,1980—2021年WQC研究的发文量总体呈增加趋势,从1980年的4篇/a增至2021年的111篇/a。2007、2011、2020年增幅分别为47.50%、45.05%、19.80%,为增幅最大的3年。图1(b)展示了发文量的自然对数值与年份的线性拟合关系(R2=0.906 7,p<0.05)。2013—2021年发文量基本超过100篇/a。随着社会的发展,在水资源、水生态、水环境统筹(即“三水统筹”)推进转变、协同治理的大背景下,有关WQC的发文量可能还将逐渐增多,质量也将逐步提高。有学者利用CiteSpace对环境内分泌干扰物发文量进行分析,也发现类似规律[10]。

注：图1(b)中的虚线为拟合线,图2同。

对CNKI中经筛选后的1 281篇文章进行研究机构和作者分析,发文量前5位的研究机构分别是中国环境科学研究院、中国科学院生态环境研究中心、南京大学、中国环境监测总站和北京师范大学,其中,中国环境科学研究院发文量最多,中国科学院生态环境研究中心次之,占比分别为35.7%和6.3%。进一步研究表明,研究机构(见图2(a))和作者(见图2(b))的发文量与其排名符合齐夫定律(p<0.05),这表明当发文量与排名在统计学上会遵循一定的幂律分布规律。有学者研究古汉语文本的词频和词序分布,发现二者也符合齐夫定律[11]。在WQC的相关研究中,国家自然科学基金与水体污染控制与治理科技重大专项(以下简称“水专项”)资助论文分别占20.3%和15.4%。在国家自然科学基金的支持下,开展了铝[12]、铊[13]等污染物的分布特征、致毒机理与基准风险研究。在水专项的支持下,探索了长江流域[14]、太湖流域[15]等国内七大流域的生物水系特征,其结果可为不同地域保护水生生物和人群健康WQC的制定提供大力支持。

图2 WQC领域研究机构、作者排名与发文量关系Fig.2 The relationship between the number of published papers and rank of research institutions and authors in the field of WQC

2.2 关键词聚类分析

关键词聚类分析可以在一定程度上反映WQC领域研究主题的分布情况[16-17]。在CiteSpace中选择关键词为节点类型,获得“急性毒性”“水质”“重金属”“水质标准”“化学物质”等核心关键词,并对聚类结果进行图谱化呈现(见图3)。

图3 WQC领域文章关键词的聚类图谱Fig.3 The clustering mapping of keywords for articles in the field of WQC

1#是以“急性毒性”为核心关键词的词群落。在“急性毒性”的词群落中,包含了水生生物、慢性毒性、斑马鱼等主题,反映出在WQC制定过程中涉及大量水生生物毒性效应研究。因此水生生物的急慢性毒性测定方法、检测数据和数据收集整理是WQC制定的重要组成部分。吴丰昌等[18]研究了铜的淡水WQC,收集了21个物种的急性毒性数据和4个物种的慢性毒性数据,水生生物类别覆盖环节动物类、两栖动物类、重要的经济鱼类、浮游甲壳类和昆虫类等；闫振广等[19]研究了淡水中氨氮的水生生物WQC,收集了35种淡水氨氮的急性毒性数据和7种慢性毒性数据,覆盖了脊索动物、环节动物、两栖动物、昆虫和贝类等。因此,水生生物毒性数据的积累是WQC制定的基础。

2#是以“水质”为核心关键词的词群落。在“水质”的词群落中,包含了饮用水、富营养化、对策等主题,反映了WQC研究与饮用水等水质富营养化问题的解决对策有关,制定相应流域的WQC可以有效防范水质富营养化等问题。卢金友等[20]在研究汉江水生态环境问题时发现部分支流水质污染形势严峻、富营养化的发生风险加剧等,并提出了建立生态环境协同保护机制、加强生态环境保护科技支撑的防范对策。因此, WQC研究可以为流域水污染治理提供强有力的科技支撑。

3#是以“重金属”为核心关键词的词群落。在“重金属”的词群落中,包含了沉积物、毒性效应、风险评估等主题,反映了WQC是评价水质中沉积物污染和生态风险的基础,是环境管理部门确定沉积物污染状况和修复目标的重要依据。因此,针对重金属的毒性效应和风险评价也开展了大量研究,有学者探究鄱阳湖的铜、铅、锌、铬4种沉积物重金属,发现铬的毒性最高,锌的毒性最低,重金属污染对湖区水生生物具有一定的毒性风险[21]。因此,重金属的风险评估与WQC的制定也是密切相关的。

4#是以“水质标准”为核心关键词的词群落。水质标准是国家水生态环境管理的基石,是水质监测、评估和管理的重要依据,而WQC是制定水质标准的科学基础。我国现行水质标准主要参考借鉴国外,具有一定的局限性,还需进一步修订和完善。我国有部分学者也对水质标准进行了研究,如探索了美国的水质标准,并凝练了它们对制定中国水质标准的借鉴意义,包括考虑WQC的区域差异和季节性变化等[22]。

5#是以“化学物质”为核心关键词的词群落。在“化学物质”的词群落中,包含了水污染、人体健康、大型溞等主题。有学者根据本土化人体暴露参数、水质参数、双酚AF和双酚S的生物积累系数等相关数据推导了太湖流域的双酚AF和双酚S的人体健康质量基准[23],这反映了在制定WQC的过程中,也应该考虑相应水体中化学物质的浓度。

由于我国幅员辽阔,不同地区地理地质背景、水质参数、生物区系不同,WQC建议值存在着一定的差别。镉在珠江流域和辽河流域的急性基准值比国家层面的镉基准值高98.8%和62.9%[24]。依据我国不同的流域制定其相应的WQC,可以为当地水环境管理提供有效的技术支持,为不同流域的生物提供全面保护。因此,考虑不同地域的水生态系统的完整性和生物多样性来制定WQC,也更契合新时代“三水统筹”的发展要求。

2.3 时序分析

在时区图中,节点位置表示该关键词首次出现的时间段,节点大小表示关键词出现频次的高低[25-26]。时区图中标志性参数有模块指数(Q)和轮廓性指数(S),Q>0.3意味着聚类结构显著；S>0.7时认为分析结果可以令人信服[27-28]。绘制出WQC领域文章关键词的时区图,Q为0.750 2,S为0.910 8,表明该时区分析结果合理可靠。可将我国WQC研究大致分为4个时期,分别是起步发展期(1980—1990年)、缓慢发展期(1991—2000年)、快速发展期(2001—2010年)和平稳发展期(2011—2021年)。

在WQC起步发展期,受当时经济技术条件的限制,WQC主要参照欧美的研究方法,此阶段进行水生生物的急慢性基准值推导的初步探索。在WQC缓慢发展期,多处流域的水环境污染严重,我国进行了大规模的水质污染治理,积极开展了重金属毒性效应和污染防治对策研究。WQC快速发展期,随着我国经济、社会技术水平获得较大幅度进步,一场以整治饮用水水源水质污染问题为重点的“环保风暴”在多地刮起,在该时期国内发生了蓝藻暴发、硝基苯污染等重大环境污染事件,因此这一时期水环境污染治理和生态风险评估研究较多,同时也探索了氨氮等无机盐基准和人体健康基准等,为保障饮用水安全初步提供了科学策略。WQC平稳发展期,我国大力推进生态文明建设,生态环境管理进入了高质量发展时期,该时期WQC研究主要集中在国家生态环境基准系统化和水环境中新型污染物的生态风险评估等。

关键词的时序分析在一定程度上可以聚焦该领域的研究趋势[29-31]。为了解WQC研究领域的最新发展趋势,对WQC研究前沿进行动态分析,通过提取WQC领域的关键词,对研究前沿进行识别与追踪,反映主题研究变化趋势,结果见表1。

“环保局”首次出现在1982年,此时国家社会经济快速发展,环保局作为环境污染防治的主管部门,在WQC研究的起步发展期起着重要的领导作用。出现时间较早的关键词还有“基准”“标准”“对策”“水质标准”“毒性”“饮用水”等,大致集中在WQC研究的缓慢发展期和快速发展期。在这两个时期内,经济社会的快速发展带来了饮用水水质污染等问题,国家开始逐步重视环境污染的治理。因此,在以上两个时期,WQC研究主要工作为环境基准、标准的制定,环境污染防治对策的研制,饮用水水质安全的研究,水生生物毒性数据的积累等。

“水生生物”“急性毒性”“生态风险”“三氯生”等关键词的强度较高,且这些关键词出现时间段都在WQC平稳发展时期,在这一时期,国家大力推进生态文明建设,努力建设“美丽中国”,而WQC研究作为环境高质量管理的重要科学基础也迈上系统化研究的台阶。水生生物的急慢性毒性和生态风险评估作为WQC研究的重要组成部分在这一时期也研究得较为广泛和深入。在新时代“三水统筹、协同共治”的环境发展要求下,未来WQC的研究方向可能会聚焦于保护生物多样性和人体健康,开展新型污染物、水生态完整性以及不同生物区系和不同流域的基准研究。

表1 1980—2021年WQC研究领域关键词Table 1 Keywords in WQC research field from 1980 to 2021

3 结 论

(1) 我国WQC研究的发文量逐渐增多,研究热度正在不断提高,发文量的自然对数值与年份满足线性关系,其R2=0.906 7(p<0.05)。2013—2021年发文量基本均超过100篇/a,2007、2011、2020年增幅分别为47.50%、45.05%、19.80%。主要研究机构包含中国环境科学研究院、中国科学院生态环境研究中心等,其发文量占比分别为35.7%和6.3%。WQC领域主要研究机构和作者的发文量与排名符合齐夫定律,具有显著相关性(p<0.05)。同时,WQC是国家自然科学基金与水专项共同支持的重点方向之一。

(2) 利用CiteSpace进行关键词聚类分析,获得“急性毒性”“水质”“重金属”“水质标准”“化学物质”等核心关键词,表明以上研究为WQC近40年来的研究热点。由于我国不同地区的地理地质背景、水质参数和生物区系不同,考虑不同地域的水生态系统的完整性和生物多样性来制定WQC,更契合新时代“三水统筹”的发展要求。

(3) WQC研究的时区图显示我国WQC研究历程可大致分为4个时期,分别是起步发展期(1980—1990年)、缓慢发展期(1991—2000年)、快速发展期(2001—2010年)和平稳发展期(2011—2021年)。未来WQC的研究方向可能会聚焦于保护生物多样性和人体健康,开展新型污染物、水生态完整性以及不同生物区系和不同流域的基准研究。