基于CiteSpace的生态风险评价研究进展

2023-01-13余瑞林孙松峰邓伟平

生态学报 2022年24期

余欣,余瑞林,*,孙松峰,邓伟平

1 华中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室, 武汉 430079 2 建德市林业总场, 杭州 311600

生态环境作为人类生存和发展的物质基础和空间载体,支撑着社会经济的不断发展。伴随着生态环境恶化问题的出现,认识和解决生态环境问题也越来越受到重视,1990年美国环保局在风险评价专题讨论会上正式提出生态风险评价的概念[1],生态风险评价由此应运而生。据美国环保局定义,生态风险评价是评估环境因暴露于一个或多个压力源(如化学品、土地利用变化、疾病和入侵物种)而受到影响的可能性的过程,尤其关注人类干扰对生态系统或组分产生不利影响的程度[2]。生态风险评价框架致力于为决策提供科学依据[3],由20世纪80年代的人体健康评价基本框架改编而来[4],可以评价环境事件或人类生产生活活动对动植物及生态系统的负面作用的大小和概率[5]。生态风险评价是收集、整理、表达科学信息以服务于管理决策的过程[6],可以帮助环境管理部门了解和预测生态影响因素和所产生的生态后果之间的关系,有利于环境决策的制定。一方面,从全球视角来看,国内外对绿色生态发展都给予高度重视,生态风险评价的研究有助于推动全球可持续发展,因而有必要对中外生态风险评价研究进行系统性梳理,厘清生态风险评价研究的整体框架及演进脉络,以期客观、科学地把握生态风险评价领域发展方向和发展趋势,指明发展路径。另一方面,我国国内的生态风险评价研究起步较晚,与国外研究存在差异,需从国内外比较研究的基础上进一步探究生态风险评价研究的前沿热点及未来发展趋势,这将有助于为我国学者剖析生态风险评价的研究现状及开拓新的研究前沿提供理论参考和借鉴,并在认识环境问题、分析环境问题、解决环境问题的实践中起到巨大作用。

本文采用科学计量方法,运用可视化知识图谱绘制软件 CitespaceⅤ,对Web of Science(WOS)和中国知网数据库(CNKI)中关于生态风险评价的文献进行可视化分析,分析生态风险评价的知识基础、研究主题和研究前沿,明确国内外生态风险评价研究的演化路径和发展趋势。

1 研究方法与数据处理

1.1 研究方法

信息化社会带来数据分析的变革与进步,科学知识图谱是分析文献的重要工具。科学知识图谱是一种通过数据挖掘、科学计量、信息分析以及图形绘制等多种手段,对某一研究领域进行可视化分析的方法[7]。目前的知识图谱绘制工具至少有五种以上,其中CiteSpace是常用的分析软件,以科学分析潜在知识内容为基础,根据计量学、信息可视化技术、数学模型的结合,形成一种引文可视化分析模式[8]。

1.2 数据来源

为了获取精准且高质量的文献,在CNKI中,将中文核心期刊要目总览、中国科学引文数据库及中文社会科学引文索引中的文献定义为“高质量文献”,将检索条件设置为“关键词=(‘生态风险评价’)或关键词=(‘生态风险’且‘评价’)”。在WOS核心合集数据库中,检索条件设置为“AK=ecological risk assessment OR KP=ecological risk assessment”。为更好地对比国内外研究异同,在WOS中将国别精炼为“people R China”,并经人工筛选,获取第一作者与通讯作者为国内学者的文献,将其与CNKI数据库文献合并,为国内研究成果；剔除国内文献的WOS数据即为国外研究成果。

(1)进行文献数量分析时,为更科学客观地获知领域发展概况,以美国环保局正式提出生态风险评价的概念年份为起始年份,取时间跨度为1990—2020年的1791篇国内高质量文献和2011篇国外高质量文献。

(2)在可视化分析中,需以关键词为节点进行分析,由于受WOS核心文集数据库全数据获取限制,最早的时间节点限定为2005年,因而取时间跨度为2005—2020年的国内高质量文献和国外高质量文献,经过人工筛选、去重等步骤去除无效论文后,最终获得1763篇国内文献和1727篇国外文献。因可视化数据识别处理需要,故将国内文献中的WOS数据库文献的英文关键词全部转化为中文后进行可视化分析。

进行可视化数据处理时,在时区分割选项下,设定跨度时间是2005—2020年,时间切片为一年,术语来源为作者关键词DE及附加关键词ID,剪切方法选取Minimum Spanning Tree和Pruning Sliced Networks,其余选项保留默认设置。

2 生态风险评价研究概况

2.1 生态风险评价的基本流程

人们对全球气候变化、栖息地丧失、生物多样性减少以及杀虫剂和有毒化学品对生态的影响等生态问题的越发重视促使了生态风险评价的产生。继生态风险评价概念正式提出之后,1992年美国环保局发布了《生态风险评价框架报告》[9],1998年发布的《生态风险评价指南》[10]取代了前者,成为生态风险评价的指导性文件,其主要受众是美国环保局的风险评估人员和风险管理人员,后也为各专业研究者所参考。

两份文件指出,问题制定、分析、风险表征是生态风险评价的三阶段,这基本成为了未来生态风险评价的研究范式。在问题制定中,风险评估人员评估目标,选择需要评价的环境要素,并制定分析计划；在分析阶段,评估人员评估应激源暴露以及应激水平与生态效应之间的关系；在第三阶段,风险表征,评估人员通过综合暴露和应激反应情况来评估风险,通过讨论证据和确定生态逆境来描述风险,并形成报告[10]。如下图所示。

图1 生态风险评价框架[10]Fig.1 The ecological risk assessment framework

2.2 生态风险评价研究文献数量时间分布概况

研究成果的时间分布特征可历时性地反映该研究领域的发展状况。文献数量的年度分布如图2所示。

从国内文献发表的年度分布来看,文献数量整体变化趋势为先平稳缓慢增加后快速增加。第一篇将“生态风险评价”纳入关键词的相关研究出现在1994年,文章以环境风险评价的方法、现状简述为主要内容,详细介绍了人体风险评价的方法并予以举例,指出国外环境风险评价已由人体风险评价转变为生态风险评价[11]。

由图可知,在2005年以前,国内生态风险评价成果寥寥,每年的文献数量在7篇及以下,而2005年开始达到12篇及以上,并在2008、2011、2015、2018年有相对明显的增长,近3年呈爆炸性增长,每年数量均在200篇以上。在我国科学发展观及“美丽中国”的指引下,国内学者对生态风险评价研究领域的关注和重视不断加强,相关政策也成为了生态风险评价研究的导向标。

从国外文献发表情况来看,国外文献数量增加速度先慢后快,呈现指数型的增长态势。1990—2000年为起步期,大多年份在0—2篇,第一篇将生态风险评价纳入关键词的文章发表于1991年,该文评估了不同臭氧浓度中树皮甲虫对某片森林范围内不同土地覆盖特征区域的有害影响[12]。文献数量在2000—2005年开始增加,2005年后增加速度加快,2017年以后更是井喷式增加。美国环保局于2017年向公众发布生态风险评价工具箱,工具箱由评价流程、压力源、受体、暴露途径、暴露源、影响这六部分组成,提供美国环保局指导文件、数据库、模型、参考资料和其他相关资源的链接。[13]

比较国内外生态风险评价文献数量变化及趋势预测,20年间国内外文献数量增加趋势大体一致,增加速度均为先缓慢后迅速。以2011年为节点,国内文献数量及其增长幅度开始超过国外,且预测将继续超过国外文献。总体而言,国内外文献数量均自2005年及以后开始显著增长,这与本文可视化分析的起始年份相吻合。从当前时代发展整体趋势来看,生态环境问题将日益得到关注,生态风险评价研究相关研究文献数量将继续增长,我国的研究成果贡献也将越来越大。

3 CiteSpace可视化分析结果

3.1 作者及发文机构可视化结果

以“Institution”为节点类型,以“年”为默认切割频率,对2005—2020年国内外生态风险评价研究高质量文献的作者和机构进行可视化分析,得图3和图4。

图3 国内文献作者及机构分布Fig.3 Knowledge mapping of institutions and authors in China

图4 国外文献作者及机构分布Fig.4 Knowledge mapping of institutions and authors abroad

作者及机构合作图谱显示,国内文献数量最多的机构为中国科学院,为214篇,其次是中国科学院大学84篇、中国环境科学研究院66篇。具体到作者,刘征涛、吴丰昌、冯承莲、王业耀等学者发表的文献数量较多。综合来看,国内生态风险评价研究作者及机构集中度高、分散性小,以中国科学院为中心,部分高校为主体,合作广泛,相关研究机构和政府机构如中国环境科学研究院、国家海洋局、中国环境监测总站等也成为重要组成部分。

国外文献数量最多的机构为美国环保护,文献数量61篇,阿维罗大学(Univ Aveiro)52篇、荷兰瓦格宁根大学研究中心(Univ Wageningen & Res Ctr)33篇。国外文献的合作图谱显示,美国环境保护局作为主中心、阿维罗大学为次中心引领研究,相比国内,研究分支相对更多、分散性较大。综合来看,研究机构在全球生态风险评价研究领域占据了重要地位,高校也成为孕育研究成果的重要场所。

3.2 关键词知识图谱

3.2.1关键词共现网络

运用CiteSpace可视化软件,以关键词为节点,以年为时间片段,选择高频节点数据并结合图谱修剪及人工调整等技术处理[14],得到生态风险评价研究的关键词共现网络图谱(图5和图6)。节点越大表明出现的频次越多,出现的时间越早,连接线越宽表示相关度越高。

图5 国内文献高频关键词图谱Fig.5 The high frequency keywords of papers in China

图6 国外文献同频关键词图谱Fig.6 The high frequency keywords of papers abroad

2005年以来生态风险评价研究围绕着重金属、沉积物、污染、多环芳烃、空间分布等关键词展开。将关键词按照频次统计,分别列举了国内外文献中词频次数最高的25项关键词,这些关键词涉及了暴露源、环境等多个维度,如表1所示。

关键词统计对比可知,国内外文献关键词超过半数相同,频次超过100以上的关键词数目相同,相对而言,国外文献的研究主题更分散化,领域细化明显。国内外生态风险评价研究中出现频次最高的前2项关键词一致,分别是“生态风险评价”和“重金属”,这表明在生态风险领域中,重金属是极为重要的风险元素,一直是生态风险评价研究的热点,受到国内外学者广泛的关注。在14个国内外相同的关键词上,除却“多环芳烃”,国内关键词均滞后国外出现,但大多国内关键词频次高于国外。在相异的关键词上,国内文献关注点集中在土地(“土地利用”“农田土壤”),特定地区(“长江”“太湖”),来源(“源解析”、“源识别”)等主题；而国外文献则多关注“微量元素(trace element)”,“影响(bioaccumulation)”、“管理(management)”等话题,相较之下,国内更为注重研究区域及来源分析,而国外文献的研究更为注重受体影响及风险处理。国外高频关键词大多首次出现于2005—2007年,而国内关键词大多出现于2008—2011年；2015年之后,国内外均未出现新的高频关键词,这表明生态风险评价研究已构建了相对成熟稳定的框架结构和内容体系,研究热点日益集中,相关主题包括水环境、生物、毒理学等方面,核心关键词包括重金属、沉积物、多环芳烃、毒性、空间分布等。

3.2.2知识图谱网络聚类分析

在Citespace操作界面中,节点类型选择“Keyword”,时间间隔为1年,分别对国内外生态风险评价研究文献关键词进行聚类可视化分析(图7、图8)。

基于关键词构建的国内文献知识图谱前10个网络聚类分别为生态风险、水质标准、多环芳烃、重金属、沉积物、富集因子、空间分布、抗生素、生态系统服务、珠江口。从国内文献关键词聚类可看出,研究主题集中在污染物、环境治理等方面。国外文献知识图谱10个网络聚类包括风险评价(risk assessment)、富集因子(enrichment factor)、重金属(heavy metals)、种群建模(population modeling)、表层水(surface water)、mon0818、基因工程(genetically engineered)、重金属浓度(metal concentrations)、溢油(oil spill)、生态风险(ecological risk)。国外文献的关键词集中在生态风险来源、生态环境修复等方面,研究主题相对多元化微观化,更偏向生态毒理学、生物学方向,领域细分较为明显。综合而言,生态风险评价研究关注环境问题对生物的影响,尤其是有机化合物和重金属的污染影响,为此,对生态风险的溯源研究及其实践应用也是研究的重点。

表1 关键词统计表(频次排序前25)

图7 国内文献关键词构建的知识网络聚类Fig.7 Knowledge graph of keywords clustering of papers in China

图8 国外文献关键词构建的知识网络聚类Fig.8 Knowledge graph of keywords clustering of papers abroad

4 研究热点与进展

4.1 热点词突现分析

4.1.1国内文献的热点词突现分析

构建国内文献热点词突现的可视化图谱,本文选取前15个突现关键词(图9)。从突现强度来看,各关键词差别相对较小,整体强度较低且较平均化,近年的突现热点相对较少,突现词出现时间大多集中在2010—2014年间。突现强度最大的热点词包括“评价”(9.1)、“沉积物”(8.61)和“重金属污染”(5.89)。其中,“重金属污染”等热点关键词2018年才首次出现,并延续到2020年。结合突现词中出现的“太湖”“水生生物”“淡水生物”等关键词,表明水环境污染是当前生态风险评价研究关注较高的热门领域。从突现词的时间跨度来看,时间跨度超过五年的是“评价”、“ddt”、“生态系统”和“水生生物”,这说明有机化合物污染及水生生物研究受到国内学术界的持续关注。

4.1.2国外文献的热点词突现分析

构建国外文献热点词突现的可视化图谱,图10涵盖了前15个突现关键词。从突现强度和时间来看,国外文献生态风险评价突现词的整体突现强度大,且强度差异较大,强度最高的为“表层沉积物(surface sediment)”(10.64),其次是“空间分布(spacial distribution)”(10.24)；强度最低的为“急性毒性(acute toxicity)”(5.11)。突现词首次出现的时间在2005—2018年,时间分布较均衡。突现时间持续到2020年的有五个,分别为2016年首次出现的“富集因子(enrichment factor)”,2017年首次出现的“表层沉积物(surface sediment)”和“空间分布(spatial distribution)”,2018年首次出现的“微量元素(trace element)”和“海洋沉积物(marine sediment)”,这表明水环境尤其是海洋环境的风险源研究及空间分布是当下国外研究的重点和热点。从突现词出现的时间跨度来看,国外的突现词大多比国内的时间跨度更长,跨度五年以上的是“生长(growth)”“急性毒性(acute toxicity)”“铜(copper)”“物种敏感度分布(species sensitivity distribution)”“富集因子(enrichment factor)”,这些突现词分属毒理学、生态学、生物学,表明相关研究多为环境化学、环境生物学的交叉学科,学科间合作较为频繁。

图9 国内文献生态风险评价突现词图 Fig.9 Top 15 keywords with the strongest citation bursts of papers in China

图10 国外文献生态风险评价突现词图 Fig.10 Top 15 keywords with the strongest citation bursts of papers abroad

4.2 时间分区与演化路径分析

4.2.1国内研究热点及演化路径

图11 国内生态风险评价研究时空分区图谱Fig.11 The evolution of hotspot knowledge of ecological risk assessment research of domestic research

2005—2009年国内的研究是以农业相关的环境问题研究为主,多数研究集中在重金属及农药的污染评价上,多借鉴美国环保局发布的各类质量准则,或与潜在风险指数等评价方法相结合[15]进行生态风险评价。

(1)农业生态风险评价研究。通过计算土壤、水域中的有机氯农药如ddt[16]、hch[17]等浓度水平,从而评估农药对水环境[18]、农田土壤[19]、农作物的危害。

(2)重金属及多环芳烃生态风险评价研究。重金属生态风险评价主要集中在土壤及水域的污染评价上。水环境中的重金属生态风险评价对表层沉积物尤为关注[20—21]；另外,水域中的多环芳烃(PAHs)生态风险评价研究[22]也是研究关注的重点。

2010—2015年,国内对于特定水域的研究越加深入,集中在长江、太湖、三峡库区、黄河、珠江等地。研究区域从土壤、淡水流域更多向城市区域、海洋转移,从生态风险评价本身向生态风险形成机制原理的探究、生态修复等方面拓展；评价方法的应用趋向多指数对比研究,大量运用多种类型的指数进行综合性科学评价。

(1) 质量标准研究。这一阶段开始注重生态风险评价准则、指标体系的研究,将研究结果与美国环保局的质量基准、中国国家环境标准数值进行比较分析[23],致力于我国水环境、土壤环境等质量标准的规范建立[24]。

(2) 生态风险源分析。对源解析和评价方法的研究更为深入,模型与方法的交叉应用显著,多以主成分分析、相关分析、趋势分析等方法[25]的综合应用进行源解析,以模拟预测[26]、潜在危害指数[27]、生态风险指数[28]等方法得出生态风险评价指数,更直观清晰地检验评价指标的科学性,为资源分配和管理提供借鉴[29]。

(3) 地理学方法的应用。在地理学技术遥感(RS)和地理信息技术(GIS)的支持下[30],分析风险源和风险受体的空间分布[31],以便更科学准确地提出政策建议。

2016—2020年,国内研究的成果增加,应用性和学科融合性进一步加强,研究热点从重金属进一步向有机污染物及新兴污染物转变,更为关注人体健康与生态风险的关系,突显以人为本、人与自然和谐共生的原则理念。

(1) 新兴污染物研究。个人护理品[32]、抗生素[33]、杀菌剂[34]等新兴污染物及有机污染物的降解途径[35]进一步受到重视,并关注空气污染[36]带来的人体健康影响[37],以生态修复、生态系统服务等绿色方式进行生态风险的管理[38]。

(2) 气候变化影响研究。结合土地利用/覆盖变化(LUCC)[39],探究气候变化引发的对植被、动物的生态风险,尤其是对高原地区[40]、沿海湿地[41]等生态脆弱区的影响。

4.2.2国外研究热点及演化路径

图12 国外生态风险评价时空分区图谱Fig.12 The evolution of hotspot knowledge of ecological risk assessment research of foreign research

从上图可看出,国外生态风险评价研究可以分为三个阶段,第一个阶段为2005—2009年,第二个阶段为2010—2015年,第三个阶段为2016—2020年。

第一阶段为2005—2009年,这个阶段国外出现的重点关键词最多,表明这一时期是国外生态风险评价研究的基础研究时期,奠定了往后研究的主线。这一阶段呈现出生物学、化学与环境学相融合的态势,聚焦生态毒理学,以农业和工业污染影响为核心展开研究。

(1)生态毒理学研究。以物种敏感性分布[42]、阈值检验[43]、生物标记[44]等方法,在淡水、土壤环境中,测试或监测农药、重金属等压力源对于哺乳动物[45]、无脊椎动物[46]、植物[47]等的有害影响,重点在水生生物的研究,主要目的是保护水生生态系统[48]。

(2)环境质量管理。结合生态风险评价研究,提出管理策略,为流域管理[49]、沉积物管理[50]、渔业管理[51]等提供建议和指导,以达到环境质量目标。

第二阶段为2010—2015年,生态毒理学特征相对弱化,重金属污染评价研究受到进一步的重视,海洋区域成为重要的研究区,以药品污染为主的有机污染物对生物的危害成为这一时期的热点研究主题；除农业污染以外,工业污染日益成为了生态风险评价溯源的重点。

(1) 新兴有机污染物。个人护理品即生活用品所含的杀菌剂成为重点的研究对象[52][53],也成为新兴有机污染物生态风险评价研究[54]的重要组成部分。对于陆生生物的关注增多,从宏观视角上对生物多样性[55]加以重视。

(2) 海洋生态风险评价研究。2008年欧盟发布《海洋战略框架指令》,目标是到2020年实现欧洲区域海洋的良好环境状况(GES)[56],因而研究区域从农田土壤和淡水流域更多转向海洋,评价多环芳烃等有机污染物[57]及重金属[58]对海洋生态环境及渔业[59]的影响。

第三阶段为2016—2020年,聚焦重金属和多样化的新兴污染源,风险源的分析、污染环境的修复愈加受到学者的广泛关注。将生态系统服务纳入生态风险评价中,并应用于生态管理也是这一阶段乃至未来的研究方向[60]。

(1) 生态风险源分析。这一阶段国外学者多关注源自于现代化生产的有机污染物,如来自于纳米和微塑料[61]、紫外线滤光片[62]等的有机污染物的影响,注重污染物的时空分布和来源分析。

(2) 城市生态风险评价。城市成为重要的研究区域,包括城市道路扬尘污染风险评价[63]、城市河流与土壤的污染风险评价[64],分析城市环境的污染对人体健康与生物造成的有害影响,致力于城市及人类生活更好的发展。

(3)污染处理法研究。注重指导实践的应用性,以连续提取法[65]等方法来分析污染元素,以生物降解[66]、吸附法[67]等方式来进行废水处理、指导生态恢复工作。

5 结论与启示

5.1 结论

本文借助 CiteSpace V 软件,从宏观层面对国内外生态风险评价的相关文献进行分析,探讨该领域的知识演变、发展脉络以及近期研究热点,并对国内外前沿研究的热点及路径进行梳理。

(1)从发文量来看,1990—2020年生态风险评价相关文献数量不断增加,国内外文献均呈现指数型增加态势,且国内文献数量增加速度更快,并在2011年超过国外文献量。

(2)从作者及机构发文来看,在生态风险评价研究领域中,以高校和研究机构为主体,国内外文献均已基本形成了广泛合作研究的态势；国内研究成果多出自于中国科学院,集中度高、分散性小,而国外研究主体相对更多样化、分散化。

(3)关键词聚类分析可得,国内文献关键词聚类前10个包括生态风险、水质标准、多环芳烃、重金属、沉积物、富集因子、空间分布、抗生素、生态系统服务、珠江口；国外10个聚类为风险评价、富集因子、重金属、种群建模、表层水、mon0818、基因工程、重金属浓度、溢油、生态风险。总体而言,国内外生态风险评价的研究关注点重合度较高,长期密切关注重金属、有机化合物、水环境的污染影响。

(4)热点词突现分析表明,国内文献的突现词整体突现强度较低且平均化,重金属污染是当下研究的前沿热点；而国外文献的突现词突现强度更大,富集因子、表层沉积物、空间分布、海洋环境的研究是当下的先进热点。相较之下,国外的研究范围更广,热点更分散化。

(5)国内外研究热点的演化过程分析可得,在2010年前国内研究多滞后于国外,但2010年后同步性高。国内研究起步较晚但发展迅速,研究热点从借鉴国外研究框架、污染元素检测研究向自主构建综合性评价框架、多元化研究转变；国外研究随时间发展逐渐弱化毒理学研究和农药污染研究,热点向重金属污染、新兴有机化合物研究转变。国内外的研究区域均从水环境为主向水土环境与城市环境并重转变、从生态风险评价本身逐渐转向风险产生机制和解决办法的研究上。但相较之下,国内研究更注重风险源、质量标准研究,国外研究与生物学联系更为紧密,对新兴污染物及生物入侵、气候变化、转基因等国际性话题更为重视。