孫俊龍，張 澤，程 浩，金會(huì)軍，金曉穎

(1. 昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2. 東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院/寒區(qū)工程、科學(xué)與技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040；3. 河南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南 鄭州 451191；4. 東北林業(yè)大學(xué) 東北多年凍土區(qū)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 額爾古納 022250)

黃河—中華民族的母親河，中華文明最主要的發(fā)源地。近年來習(xí)近平總書記多次考察黃河流域，提出要著力加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)治理、保障黃河長(zhǎng)治久安、促進(jìn)全流域高質(zhì)量發(fā)展，讓黃河成為造福人民的幸福河。隨著國(guó)家越來越重視生態(tài)環(huán)境建設(shè)，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略[1]。

黃河是我國(guó)第二大河流，世界第五長(zhǎng)河，黃河源頭于青藏高原的東北部地區(qū)[2]。該地區(qū)位于平均海拔在3000 m以上的高海拔地區(qū)，凍土分布十分廣泛[3-5]。雖然黃河源區(qū)(唐乃亥水文站以上)集水面積占據(jù)了整個(gè)黃河流域面積的約1/7，但對(duì)整個(gè)黃河流域的流量貢獻(xiàn)(利津入海水文站)可達(dá)近1/3[6-8]。因此，黃河源區(qū)對(duì)于位于干旱半干旱區(qū)的黃河流域的水量供需平衡和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義，而凍土對(duì)與黃河源區(qū)相關(guān)問題而言則具有關(guān)鍵科學(xué)意義[9]。氣候變化和人類活動(dòng)的加劇導(dǎo)致多年凍土的退化，從而引起一系列環(huán)境與工程問題[10]。

因此了解“黃河&凍土”的研究現(xiàn)狀，理清該研究領(lǐng)域在我國(guó)當(dāng)前研究力量的宏觀布局，分析該方向研究熱點(diǎn)以及研究領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，將對(duì)下一步開展相關(guān)“黃河&凍土”科學(xué)問題的研究工作具有重要的指導(dǎo)意義與參考價(jià)值。

圖1 黃河流域分布圖

本文通過對(duì)文獻(xiàn)的歸納分析，可以更快速地了解研究?jī)?nèi)容的研究歷程，針對(duì)黃河流域內(nèi)的凍土研究現(xiàn)狀和發(fā)展歷程，本文以在中國(guó)知網(wǎng)上獲取到的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，通過Python語言的數(shù)據(jù)分析以及可視化工具對(duì)1986—2020年的研究情況進(jìn)行梳理和分析，為以后對(duì)黃河流域的凍土研究方向提供借鑒和參考。

1 數(shù)據(jù)來源和分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所研究的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)，對(duì)關(guān)于黃河流域的凍土研究進(jìn)行站內(nèi)檢索，以“黃河&凍土”作為高級(jí)主題詞進(jìn)行搜索，獲取從1986—2020年的所有文獻(xiàn)資料，去除知網(wǎng)內(nèi)無參考文獻(xiàn)的文章，共檢索獲得224篇文獻(xiàn)信息(下稱為有效文獻(xiàn))。然后通過Python網(wǎng)絡(luò)爬蟲進(jìn)行獲取文獻(xiàn)的摘要、關(guān)鍵詞、研究單位以及出版時(shí)間等關(guān)鍵信息。

1.2 研究方法

本文采用了數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過Excel、Python語言中matplotlib、Numpy庫函數(shù)對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行可視化。首先采用Excel軟件對(duì)通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將“文獻(xiàn)名稱+研究單位”“文獻(xiàn)名稱+發(fā)表時(shí)間”“關(guān)鍵詞”等相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行分列表存儲(chǔ)。將預(yù)處理完的數(shù)據(jù)通過matplotlib生成柱狀圖、折線圖等，關(guān)鍵詞信息通過NumPy根據(jù)出現(xiàn)頻次進(jìn)行詞云的自動(dòng)生成。由于從1986—2020年有效文獻(xiàn)僅為224篇，數(shù)量較少，本文將通過中國(guó)知網(wǎng)內(nèi)的計(jì)量可視化分析生成相關(guān)度網(wǎng)絡(luò)可視圖進(jìn)行相關(guān)度分析。

2 研究情況現(xiàn)狀分析

2.1 發(fā)文趨勢(shì)分析

1986—2020年有關(guān)黃河流域的凍土研究整體發(fā)文情況如圖2所示，總文章量224篇。2001年以前發(fā)文量基本維持在每年1～2篇，自2001—2019年，發(fā)文量整體上升，但呈現(xiàn)較大的波動(dòng)。其中2001—2006年發(fā)文量從2001年1篇逐漸增長(zhǎng)到2006年的19篇，達(dá)到1986—2020年間相關(guān)發(fā)文量的最高年份。這可能由于黃河源區(qū)三次斷流事件以及凍土退化在其中可能扮演的重要角色引發(fā)的廣泛關(guān)注。從2002—2019年，每年的發(fā)文量整體維持在平均10篇左右。這可能歸結(jié)于黃河源區(qū)的生態(tài)和水文問題以及黃河流域高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展以及三江源國(guó)家公園試點(diǎn)工程等，引起大家對(duì)黃河源區(qū)凍土退化的水文和生態(tài)效應(yīng)的持續(xù)關(guān)注有關(guān)。

圖2 1986—2020年間“黃河&凍土”為關(guān)鍵詞在CNKI文獻(xiàn)庫中搜索出的文獻(xiàn)出版物數(shù)量

2.2 發(fā)文期刊分析

在本文所分析的全部文獻(xiàn)中，有11篇是出自會(huì)議論文集，74篇出自碩博論文，其余139篇?jiǎng)t分別出自《冰川凍土》、《人民黃河》等68個(gè)國(guó)內(nèi)核心期刊。在各個(gè)期刊的發(fā)文情況上，《冰川凍土》以33篇(占比14.73%)居于首位，其次則是《人民黃河》9篇和《地理學(xué)報(bào)》5篇。具體發(fā)文期刊情況如圖3所示(僅展示發(fā)文次數(shù)>1的期刊)。通過對(duì)于發(fā)文所屬期刊的分析顯示，將黃河流域內(nèi)凍土研究作為碩博論文主題詞的文獻(xiàn)占了33.03%，而《冰川凍土》、《人民黃河》、《地理學(xué)報(bào)》作為該領(lǐng)域主要專業(yè)性學(xué)術(shù)期刊承擔(dān)了近年來研究發(fā)文量的33.81%(不含碩博論文和會(huì)議文章)。

圖3 1986—2020年間“黃河&凍土”作為關(guān)鍵詞在CNKI文獻(xiàn)庫中搜索出的文獻(xiàn)出版物數(shù)量在中國(guó)大陸主要中文核心學(xué)術(shù)期刊中的分布餅狀圖

圖4 1986—2020年間“黃河&凍土”作為關(guān)鍵詞在CNKI文獻(xiàn)庫中搜索出的文獻(xiàn)出版物數(shù)量在中國(guó)大陸主要中文核心學(xué)術(shù)論文在各個(gè)主要相關(guān)研究省份的分布

圖5 1986—2020年間“黃河&凍土”作為關(guān)鍵詞在CNKI文獻(xiàn)庫中搜索出的文獻(xiàn)出版物數(shù)量在中國(guó)大陸主要中文核心學(xué)術(shù)論文在各個(gè)主要相關(guān)研究單位的分布

2.3 研究單位分析

通過對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的研究單位進(jìn)行分析，研究單位所屬的省份大多為我國(guó)西北、華中和華北黃河流域內(nèi)的省份，其中主要以甘肅、青海和陜西為研究者的主要分布區(qū)域。具體各省份的研究發(fā)文情況如圖4所示。上述三省作為黃河上游區(qū)域主要研究機(jī)構(gòu)所在地其研究發(fā)文量分別為83、22和27，超過總發(fā)文量的一半。

在全國(guó)的眾多研究單位中，發(fā)表過關(guān)于黃河流域凍土研究文章的單位僅有73個(gè)，而在上述研究單位中，超過75.34%的單位發(fā)文量?jī)H為1～2篇。其中，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)資源環(huán)境研究院(原中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所、中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京，原名北京地質(zhì)學(xué)院)、蘭州大學(xué)以及長(zhǎng)安大學(xué)(原名西安公路學(xué)院和西安地質(zhì)學(xué)院等)為主要研究單位，發(fā)文量均大于10篇。具體各個(gè)研究單位發(fā)文情況如圖5所示(僅展示發(fā)文量>1的研究單位)。如圖所示，在發(fā)文量大于10篇的研究單位中，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院以53篇發(fā)文量占國(guó)內(nèi)整體研究發(fā)文量的23.67%，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)占8.04%、蘭州大學(xué)占7.14%、長(zhǎng)安大學(xué)占4.91%。

2.4 關(guān)鍵詞分析

通過關(guān)鍵詞提取，在224篇文獻(xiàn)中共提取576個(gè)關(guān)鍵詞，為了更好地研究與黃河區(qū)域凍土相關(guān)的研究熱點(diǎn)，本文篩選出現(xiàn)次數(shù)>5的關(guān)鍵詞為主要研究對(duì)象，共20個(gè)進(jìn)一步分析(如表1)。由于不同的文章作者對(duì)同一事物的表達(dá)不盡相同，本文對(duì)相近詞匯進(jìn)行合并處理，例如“黃河源區(qū)”和“黃河源”都以合并后的“黃河源區(qū)”呈現(xiàn)，“地理信息系統(tǒng)”“遙感”和“GIS”都以“以GIS”呈現(xiàn)。這些詞可以形象說明1986—2020年的關(guān)于黃河流域凍土研究的熱點(diǎn)情況。

表1 1986—2020年間在CNKI文獻(xiàn)庫“黃河流域凍土研究”相關(guān)的224篇論文中的中文關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次

通過表1對(duì)關(guān)鍵詞詞頻>5的關(guān)鍵詞信息的統(tǒng)計(jì)，有3個(gè)關(guān)鍵詞是與研究點(diǎn)的地理位置有關(guān)的，分別為黃河源區(qū)、青藏高原、黃河上游。關(guān)于黃河流域內(nèi)的凍土研究主要集中在黃河上游等區(qū)域，屬于研究?jī)鐾羺^(qū)、多年凍土區(qū)的主要地區(qū)。有2個(gè)是與研究方法相關(guān)的，包含GIS、數(shù)值模擬，通過各種技術(shù)手段勘測(cè)、監(jiān)察、計(jì)算分析黃河流域內(nèi)凍土區(qū)內(nèi)氣候和環(huán)境的變化，而研究的主要關(guān)鍵點(diǎn)也是圍繞氣候和環(huán)境展開的，其中有3個(gè)關(guān)鍵詞是與氣候有關(guān)的，分別為氣候變化、降水、氣溫，有5個(gè)是與環(huán)境相關(guān)的，如水資源/水文、植被/生態(tài)、沙漠化/沙化等。

從詞頻上看，對(duì)于黃河流域內(nèi)的凍土研究，氣候和環(huán)境明顯處于突出地位，通過數(shù)值模擬、GIS等技術(shù)方法研究?jī)鐾僚c環(huán)境和氣候之間的相互影響。不管是直接研究還是通過對(duì)凍土的勘察分析，都離不開與環(huán)境和氣候的相互作用。而在氣候中，對(duì)于氣溫和降水的研究則更為突出，更加凸顯出氣溫和降水是影響凍土變化的兩個(gè)重要因素。在環(huán)境方面則是凍土與黃河水資源之間的關(guān)聯(lián)性更為突出。

2.5 關(guān)鍵詞可視化

通過對(duì)文獻(xiàn)信息預(yù)處理后的出現(xiàn)頻次>1次的131個(gè)熱點(diǎn)詞語進(jìn)行提取，為了能更清晰、直觀的了解關(guān)鍵詞的熱點(diǎn)程度，運(yùn)用Python生成詞云進(jìn)行可視化，形成了按出現(xiàn)頻次決定的字體大小呈現(xiàn)的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞的平面分布，如圖6所示。其中字體越大則表示關(guān)鍵詞頻次越高，反之越低。

圖6 關(guān)鍵詞頻次詞云圖

通過中國(guó)知網(wǎng)自帶的文獻(xiàn)分析功能(無法進(jìn)行關(guān)鍵詞同意合并)，對(duì)所涉及文章中的頻次>5的關(guān)鍵詞生成相關(guān)度網(wǎng)絡(luò)可視圖，如圖7所示，節(jié)點(diǎn)的大小則對(duì)應(yīng)表示中心度高低情況，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連線則表示相連節(jié)點(diǎn)的相關(guān)關(guān)系。結(jié)合圖6和圖7，清晰表明黃河源區(qū)字體最大且中心度最高，表示作為研究的主要區(qū)域，圖中氣候變化、生態(tài)環(huán)境和凍土與多年凍土為次節(jié)點(diǎn)，表明研究以凍土作為研究對(duì)象，主要研究目的為生態(tài)環(huán)境和氣候變化兩個(gè)方面。

圖7 關(guān)鍵詞相關(guān)度網(wǎng)絡(luò)可視圖

3 結(jié) 論

通過上述對(duì)于從1986—2020年黃河流域內(nèi)凍土研究總體發(fā)文情況的分析與統(tǒng)計(jì)，得出結(jié)論，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)黃河流域的(多年)凍土研究具有重要的參考價(jià)值。

(1)從發(fā)文趨勢(shì)來看，我國(guó)的整體研究趨勢(shì)分為1986—2001年和2002—2020年兩個(gè)階段，第一個(gè)階段研究較少，每年僅有1～2篇文章，第二個(gè)階段發(fā)文量整體上升，最高則為2006年達(dá)到了19篇，但仍呈現(xiàn)出很大波動(dòng)。

(2)受地理位置、氣候等影響，黃河流域的(多年)凍土主要分布在黃河源區(qū)。通過對(duì)關(guān)鍵詞的頻次進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)以黃河凍土區(qū)內(nèi)的環(huán)境和氣候?yàn)橹饕芯繜狳c(diǎn)。

(3)通過關(guān)鍵詞的可視化以及相關(guān)度網(wǎng)絡(luò)可視圖顯示，生成的三個(gè)中心點(diǎn)為黃河源區(qū)、氣候變化和多年凍土。雖然對(duì)于黃河流域內(nèi)的研究目的為氣候變化和生態(tài)環(huán)境，但關(guān)于生態(tài)環(huán)境的研究還相對(duì)薄弱。其中“水文”在相關(guān)度網(wǎng)絡(luò)可視圖中呈邊緣化分布，與中心點(diǎn)相關(guān)度較低，由于凍土與水文息息相關(guān)，因此急需加強(qiáng)對(duì)黃河凍土區(qū)內(nèi)水文與凍土相互作用而引起的生態(tài)環(huán)境變化的研究。

(4)由于該方向的研究文獻(xiàn)較少，本文僅對(duì)CNKI收錄的中文文獻(xiàn)(有效文獻(xiàn))進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，缺少對(duì)未發(fā)表文獻(xiàn)的研究進(jìn)行總結(jié)。但通過對(duì)已有文獻(xiàn)的分析，需要加大黃河流域凍土研究力度，以保證時(shí)刻掌握黃河流域內(nèi)凍土對(duì)環(huán)境和氣候的影響。