于 洋, 劉 堯, 華 廷, 查同剛, 許曉明, 張曉霞, 張恒碩, 左啟林

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083；2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 100083；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊陵 712100；4.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 陸地表層系統(tǒng)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，北京 100875；5.北京林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，北京 100083；6.中建一局集團(tuán)第三建筑有限公司，北京 100161)

1 研究背景

水是維系和限制生態(tài)系統(tǒng)生物活動(dòng)的主要因子，水文連通性與諸多生態(tài)過(guò)程聯(lián)系緊密，作為當(dāng)前水文學(xué)研究的熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水文水資源、水土保持、地貌學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、河流生態(tài)學(xué)、水生生物學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域[1-12]。作為表征水循環(huán)過(guò)程中物質(zhì)、能量和生物體在景觀單元之間傳輸?shù)倪^(guò)程，水文連通性建立了地表水循環(huán)過(guò)程中景觀單元物質(zhì)流與能量流之間的相互聯(lián)系。雖然人們已對(duì)水文連通性的定義進(jìn)行過(guò)深入探討，實(shí)際上并未對(duì)水文連通性建立一個(gè)單一的且多學(xué)科都認(rèn)同的定義，但明確了水文連通性的兩大類型，即靜態(tài)/結(jié)構(gòu)連通性和動(dòng)態(tài)/功能連通性，通過(guò)這種方式，一種景觀內(nèi)的結(jié)構(gòu)模式能隨徑流量的變化產(chǎn)生不同的水文響應(yīng)，并產(chǎn)生不同次降水事件或不同時(shí)間段的水文過(guò)程[13]。與此同時(shí)，人們都強(qiáng)調(diào)了地形控制與流域多生態(tài)過(guò)程之間的重要性，并認(rèn)為這是理解水文連通性的關(guān)鍵。影響景觀的自然結(jié)構(gòu)或特征可能有所不同，但通常以地形、植被、土壤和地質(zhì)單元等因素為主導(dǎo)[14-23]。具體來(lái)說(shuō)，水文連通性主要涵蓋3類，一是基于地形單元空間關(guān)系的景觀連通性，二是關(guān)注水流在地表運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的水文連通性，三是側(cè)重于泥沙輸移過(guò)程的泥沙連通性。在開展長(zhǎng)期生態(tài)建設(shè)背景下，流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化顯著影響流域水文連通性的改變[13, 24-29]。因此，在開展流域綜合治理、河流生態(tài)恢復(fù)以及“山水田林湖草”規(guī)劃方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。較之國(guó)外水文連通性開展的廣泛研究，國(guó)內(nèi)相關(guān)報(bào)道較少，那么如何基于水文連通性角度分析不同生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過(guò)程演變，以此提升資源利用效率并保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是當(dāng)前流域綜合治理需要考慮的研究重點(diǎn)。基于文獻(xiàn)計(jì)量方法，系統(tǒng)梳理國(guó)內(nèi)外水文連通性研究的相關(guān)進(jìn)展，能夠明晰該研究領(lǐng)域當(dāng)前熱點(diǎn)，同時(shí)為分析水文聯(lián)通性研究趨勢(shì)以及梳理未來(lái)研究方向提供思路。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

以WEB OF SCIENCE數(shù)據(jù)庫(kù)中的Web of ScienceTM核心合集為數(shù)據(jù)源檢索國(guó)外文獻(xiàn)，檢索關(guān)鍵詞為“hydrological connectivity”，檢索年份截止2020年6月，文獻(xiàn)類型精煉為article，包含相關(guān)國(guó)際會(huì)議的會(huì)議論文，并在此基礎(chǔ)上排除相關(guān)度較低的Web of Science類別，共檢索到1 952篇文獻(xiàn)。以中國(guó)知網(wǎng)CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)源，檢索主題為“水文連通性”的國(guó)內(nèi)期刊文獻(xiàn)，并根據(jù)文獻(xiàn)篇名和摘要內(nèi)容進(jìn)行甄別，將相關(guān)度低的文獻(xiàn)進(jìn)行排除，共得到中文文獻(xiàn)47篇。將搜索到的國(guó)外1 952篇文獻(xiàn)導(dǎo)入Bibexcel，選取出現(xiàn)頻率在10以上的關(guān)鍵詞，在此基礎(chǔ)上將相同或相近的關(guān)鍵詞合并后，得到最終的關(guān)鍵詞，由于國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)檢索數(shù)量較少，故檢索結(jié)果均以國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道為主。將生成的矩陣分別導(dǎo)入U(xiǎn)cinet，保存為.##h格式文件。運(yùn)用Citespace生成高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖，并根據(jù)關(guān)鍵詞詞頻進(jìn)行群集與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)文趨勢(shì)分析

1992年1月-2020年6月間國(guó)內(nèi)外水文連通性方面的研究逐年發(fā)文數(shù)量的變化如圖1所示。由圖1可以看出，圍繞水文連通性的研究大體可分為兩個(gè)階段，第1階段為1992-2008年，此階段關(guān)于水文連通性的報(bào)道未超過(guò)100篇，2007年之前年均發(fā)文量不足50篇，尚未體現(xiàn)顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，且已發(fā)表的研究中尚未對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)的定義達(dá)成共識(shí)。2007年，Bracken等[1]提出了水文連通性的概念模型，概述了既有研究在水文學(xué)與生態(tài)學(xué)上與連通性這個(gè)概念之間的聯(lián)系，并指出在過(guò)往研究中對(duì)于“水文連通性”術(shù)語(yǔ)的使用方式以及如何實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有研究的相互聯(lián)系。此外，初步地將連通性在水文學(xué)和地貌學(xué)范疇內(nèi)歸納為3類：(1)景觀連通性，即與某一流域內(nèi)地貌(例如山坡和河道)的物理耦合相關(guān)；(2)水文連通性，即水從景觀的某一區(qū)域流至另一區(qū)域的路徑，預(yù)計(jì)會(huì)形成某些流域徑流響應(yīng)，通過(guò)水與其他物質(zhì)的輸移影響并改變了景觀單元屬性及空間分布，形成了景觀格局與水文過(guò)程之間的非線性關(guān)系；(3)泥沙連通性，即泥沙及其附著的污染物通過(guò)流域的物理轉(zhuǎn)移。景觀連通性屬于結(jié)構(gòu)連通性，水文連通性和泥沙連通性屬于功能連通性。生態(tài)學(xué)家一直將連通性的概念視為空間結(jié)構(gòu)種群持續(xù)性的關(guān)鍵屬性，并據(jù)此將水文連通性定義為“水文循環(huán)內(nèi)部或水文要素之間水、物質(zhì)、能量和生物的傳遞[30]?！眹@這個(gè)定義，許多生態(tài)學(xué)研究已聚焦于為什么水文連通性對(duì)景觀生態(tài)完整性至關(guān)重要以及減少或增強(qiáng)連通性的變化均具有潛在的環(huán)境影響[31]。第2階段為2008年至今。在這個(gè)階段，學(xué)者們以水文連通性為切入點(diǎn)，對(duì)自然因素和人為活動(dòng)耦合作用下不同類型生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與生態(tài)過(guò)程之間的聯(lián)系開展研究，年均發(fā)文量突破100篇，伴隨著生態(tài)水文學(xué)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，研究表明水文連通性的喪失會(huì)導(dǎo)致全球生物多樣性下降，而特定方向的連通性(例如沿水流方向、沿梯度或者跨梯度、源和匯之間)能夠提供關(guān)鍵信息，用以預(yù)測(cè)污染物運(yùn)移、規(guī)劃保護(hù)廊道設(shè)計(jì)以及了解景觀或水景如何響應(yīng)風(fēng)或水流等方向性力[32-35]。圍繞景觀格局與過(guò)程，學(xué)者們嘗試基于圖論方法構(gòu)建水文連通性指數(shù)用以表征景觀格局變化對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響，并意識(shí)到連通性評(píng)估對(duì)于正確解決水沙相關(guān)問(wèn)題以及提升水文-地貌系統(tǒng)管理策略的重要性[36-37]。在國(guó)內(nèi)方面，自2003年以來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞水文連通性與河湖關(guān)系、水利工程建設(shè)對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響、濕地生態(tài)系統(tǒng)水文連通性、景觀格局變化對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響以及景觀格局指數(shù)的意義與評(píng)價(jià)等方面相繼開展了深入探索，并提出了綜合水文連通性的修復(fù)模型框架[38-41]，但從中文文獻(xiàn)檢索結(jié)果來(lái)看，國(guó)內(nèi)圍繞水文連通性的研究仍在起步階段，對(duì)水文連通性與流域綜合治理，尤其是長(zhǎng)期人類活動(dòng)背景下生態(tài)系統(tǒng)格局與過(guò)程的演變對(duì)水文連通性的影響等方面的研究尚少。

圖1 1992-2020年國(guó)內(nèi)外水文連通性研究的文獻(xiàn)數(shù)量

3.2 關(guān)鍵詞詞頻分析

通過(guò)對(duì)所有檢索文章的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，提煉出頻率大于10次的關(guān)鍵詞作為高頻詞，并根據(jù)高頻詞分析水文連通性的相關(guān)研究熱點(diǎn)，關(guān)鍵詞檢索情況如圖2所示。由圖2可知，出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞為“hydrological connectivity(水文連通性)”，“runoff(徑流)”，“climate change(氣候變化)”，“pattern(格局)”，“scale(尺度)”，“ecosystem services(生態(tài)系統(tǒng)服務(wù))”和“biodiversity(生物多樣性)”等?？傮w上看，關(guān)鍵詞中涵蓋水文、生態(tài)、土壤、地貌等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，涉及水資源與水工程、生物地球化學(xué)循環(huán)、景觀生態(tài)學(xué)、洪水管理、水生態(tài)水環(huán)境、水力學(xué)與河流動(dòng)力學(xué)、水土保持學(xué)、流域治理與生態(tài)恢復(fù)等多個(gè)研究方向，包含氣候變化、降水、土地利用、植被、城鎮(zhèn)化等自然和人類活動(dòng)等影響因素以及尺度效應(yīng)與臨界/閾值現(xiàn)象。并且關(guān)鍵詞中涉及入滲、產(chǎn)流、水量平衡等多個(gè)水文環(huán)節(jié)以及雷達(dá)、地理信息系統(tǒng)、穩(wěn)定同位素、水文模型等相關(guān)研究方法。

圖2 1992-2020年國(guó)外水文連通性研究文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞與頻次及詞云圖

國(guó)內(nèi)的文獻(xiàn)檢索關(guān)鍵詞主要包括水文模擬、水系規(guī)劃、水系連通性、優(yōu)先恢復(fù)節(jié)點(diǎn)、河流生態(tài)系統(tǒng)等。由此也可以看出，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究側(cè)重點(diǎn)略有不同，國(guó)外相關(guān)報(bào)道聚焦于水文連通性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系和氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水文連通性的影響，國(guó)內(nèi)較為關(guān)注河湖生態(tài)系統(tǒng)方面的研究。

3.3 爆發(fā)詞詞頻分析

在關(guān)鍵詞詞頻分析的基礎(chǔ)上，對(duì)爆發(fā)詞詞頻進(jìn)行分析，能夠看出水文連通性在不同階段的研究熱點(diǎn)?；谇拔年P(guān)鍵詞分析，提取了20個(gè)爆發(fā)詞，國(guó)外水文連通性研究文獻(xiàn)的爆發(fā)詞與頻次如圖3所示。受限于中文文獻(xiàn)數(shù)量以及關(guān)鍵詞較為分散的影響，無(wú)法對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)的爆發(fā)詞進(jìn)行提取，所以爆發(fā)詞詞頻主要以國(guó)外文獻(xiàn)為主。

圖3 1992-2020年國(guó)外水文連通性研究文獻(xiàn)的爆發(fā)詞與頻次

由圖3可知，除表征研究地點(diǎn)的多瑙河和表征研究領(lǐng)域的生態(tài)學(xué)外，連通性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)學(xué)、氣候變化、洪泛區(qū)、生物多樣性、河岸帶、流量調(diào)節(jié)、浮游生物、生態(tài)恢復(fù)、豐富度、有機(jī)質(zhì)、氮、磷、養(yǎng)分、富營(yíng)養(yǎng)化、閾值和入滲為1992-2020年不同時(shí)間段內(nèi)集中出現(xiàn)的爆發(fā)詞，由此也可以發(fā)現(xiàn)，水文連通性在氣候變化和人類活動(dòng)背景下，植被格局對(duì)生物多樣性、養(yǎng)分傳輸和水文過(guò)程的影響是近十幾年的研究熱點(diǎn)。值得注意的是，作為表征水文連通性的景觀格局指數(shù)并未呈現(xiàn)階段性的爆發(fā)詞，這一方面說(shuō)明了指數(shù)自身屬性與相關(guān)生態(tài)過(guò)程，例如土壤侵蝕過(guò)程的復(fù)雜性，同時(shí)也意味著構(gòu)建表征生態(tài)過(guò)程的相關(guān)指數(shù)或在現(xiàn)有指數(shù)基礎(chǔ)上改進(jìn)，依舊是開展景觀格局-生態(tài)過(guò)程關(guān)系研究的重要方向。此外，基于前文的關(guān)鍵詞詞頻分析，根據(jù)檢索到的文獻(xiàn)數(shù)量，統(tǒng)計(jì)了報(bào)道水文連通性的主要期刊和主要國(guó)家，結(jié)果如圖4所示。

圖4 1992-2020年水文連通性研究文獻(xiàn)主要發(fā)表期刊及國(guó)家

由圖4可知，Hydrological Processes為刊發(fā)水文連通性研究文獻(xiàn)最多的雜志，達(dá)155篇，其次是Science of the Total Environment(87篇)、Journal of Hydrology(74篇)、Freshwater Biology(68篇)、Water Resources Research(50篇)，地貌學(xué)期刊Geomorphology和Earth Surface Processes and Landforms分別刊發(fā)37篇和28篇，土壤學(xué)期刊CATENA、Land Degradation & Development分別刊發(fā)30篇和26篇，生態(tài)學(xué)期刊Ecological Engineering、Ecological Indicators分別刊發(fā)25篇和23篇，Landscape Ecology、Journal of Applied Ecology 各刊發(fā)10篇。上述數(shù)據(jù)再次表明水文連通性涵蓋水文水資源、生態(tài)、環(huán)境、土壤和水生生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科，是一個(gè)涉及多學(xué)科交叉的領(lǐng)域和研究方向。而從開展水文連通性研究的國(guó)家分布來(lái)看，多集中在歐洲和美洲，來(lái)自美國(guó)和英國(guó)的文獻(xiàn)數(shù)量約占總文獻(xiàn)比例的30%。值得提及的是，雖然關(guān)于水文連通性研究的中文文獻(xiàn)檢索數(shù)量較少，但來(lái)自中國(guó)的研究報(bào)道在國(guó)際期刊的發(fā)文量總體位居中游。

3.4 高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)可視化分析

共詞分析是開展文獻(xiàn)計(jì)量的常規(guī)手段，因每篇文章研究?jī)?nèi)容并不是用孤立的單一關(guān)鍵詞概括，需要結(jié)合多個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行共同表達(dá)。與此同時(shí)，相同領(lǐng)域的關(guān)鍵詞大概限定在一個(gè)范圍內(nèi)，不同研究文獻(xiàn)常具有相似的關(guān)鍵詞，所以，根據(jù)前文高頻關(guān)鍵詞的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行共詞分析，其結(jié)果能夠體現(xiàn)本領(lǐng)域研究主題與研究熱點(diǎn)。

采用Citespace制圖，進(jìn)行共詞分析結(jié)果可視化，建立關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)關(guān)系。可視圖中節(jié)點(diǎn)的大小表示該關(guān)鍵詞同其他關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻次，節(jié)點(diǎn)越大，則頻次越高，關(guān)鍵詞中心度也越大；兩節(jié)點(diǎn)之間的連線表示這兩個(gè)關(guān)鍵詞出現(xiàn)在同一篇文獻(xiàn)中，連線越粗表示共現(xiàn)次數(shù)越多，關(guān)系越密切。國(guó)外水文連通性文獻(xiàn)中相關(guān)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 國(guó)外水文連通性研究高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖

由圖5可知，節(jié)點(diǎn)較大的關(guān)鍵詞有“hydrological connectivity(水文連通性)”、“runoff(徑流)”、“climate change(氣候變化)”、“floodplain(洪泛區(qū))”、“l(fā)and use(土地利用)”和“scale(尺度)”等，這也在一定程度上代表了與水文連通性較為密切的研究方向。在小流域綜合治理方面，長(zhǎng)期植被恢復(fù)以及人類活動(dòng)影響流域生態(tài)過(guò)程，直接影響流域內(nèi)景觀單元的連通性，如圖6所示，坡面-溝道水土保持工程措施的修建，以及大規(guī)模植被恢復(fù)，均會(huì)改變流域內(nèi)的“源-匯”格局，那么如何識(shí)別且高效開展植被恢復(fù)以實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)治理，水文連通性為開展小流域綜合治理提供了新的視角。國(guó)內(nèi)方面受限于文獻(xiàn)數(shù)量與關(guān)鍵詞數(shù)量較少，共詞現(xiàn)象不明顯，故對(duì)國(guó)內(nèi)以水文連通性為主題的相關(guān)報(bào)道將在相關(guān)文獻(xiàn)以及關(guān)鍵詞累積到一定數(shù)量后再做分析。

圖6 小流域綜合治理對(duì)流域內(nèi)景觀單元連通性的影響示意圖

4 結(jié)論與展望

本文運(yùn)用文獻(xiàn)計(jì)量方法，對(duì)1992-2020年國(guó)內(nèi)外水文連通性方面的研究文獻(xiàn)，從發(fā)表數(shù)量、關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次、高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)和關(guān)鍵爆發(fā)詞強(qiáng)度進(jìn)行提煉和解析，并對(duì)高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)可視化制圖，分析了當(dāng)前水文連通性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，得出如下結(jié)論：

(1)國(guó)外水文連通性方面的研究起步較早，發(fā)文數(shù)量穩(wěn)中有升，2019年全年發(fā)文量已超過(guò)250篇。主要方向包括不同生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)內(nèi)部或水文要素之間水、物質(zhì)、能量和生物之間的交互作用對(duì)水文連通性的影響、氣候變化和人類活動(dòng)背景下水文連通性的多尺度效應(yīng)以及水文連通性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等方面[42-50]。國(guó)內(nèi)水文連通性方面的研究起步較晚，近些年研究成果呈增加趨勢(shì)。隨著對(duì)水文連通性認(rèn)識(shí)的不斷深入，相關(guān)方向的拓展不斷加大，成熟的案例研究會(huì)逐漸增多。

(2)在研究?jī)?nèi)容方面，學(xué)者將現(xiàn)有研究水文連通性的內(nèi)容分為5類，一是評(píng)價(jià)土壤-水分格局；二是研究坡面徑流格局和過(guò)程，三是包括地形控制(比如道路網(wǎng)絡(luò))對(duì)水文連通性和流域徑流的影響，四是模型開發(fā)探索并預(yù)測(cè)水文連通性，五是制定反映水文連通性指標(biāo)[1]。水文連通性與生態(tài)過(guò)程、不同類型生態(tài)系統(tǒng)水文連通性對(duì)物質(zhì)傳輸?shù)挠绊?、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化對(duì)水文連通性的影響等方面是較為成熟的研究熱點(diǎn)。國(guó)外圍繞水文連通性、景觀連通性以及泥沙連通性在不同類型生態(tài)系統(tǒng)及不同尺度均開展了深入的研究。國(guó)內(nèi)方面由于起步較晚，目前更多側(cè)重于河湖生態(tài)系統(tǒng)水系連通演變及其驅(qū)動(dòng)因素研究，圍繞小流域綜合治理，以及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變對(duì)水文連通性的影響等方面相關(guān)報(bào)道較少，尤其是基于水文連通性評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)環(huán)境影響方面的研究還需加強(qiáng)。

(3)在研究方法方面，人們已總結(jié)了多種水文連通性的評(píng)價(jià)方法，包括基于水文監(jiān)測(cè)指標(biāo)的定位監(jiān)測(cè)、基于關(guān)鍵水文過(guò)程的水文模型、反映景觀類型和動(dòng)態(tài)變化對(duì)水文連通性影響的景觀格局指數(shù)以及結(jié)合數(shù)字化水系網(wǎng)絡(luò)中的點(diǎn)、線拓?fù)潢P(guān)系的圖論方法。目前開展多尺度水文連通性制圖、地下水依賴型生態(tài)系統(tǒng)水文連通性表征、基于地理信息技術(shù)與長(zhǎng)期野外監(jiān)測(cè)資料開展多尺度水文連通性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響和模型模擬，是未來(lái)該領(lǐng)域研究的核心方法與技術(shù)手段[51-54]。