谷玥 陸志波 姚俊蘭

(1 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092; 2 同濟(jì)大學(xué)圖書(shū)館,上海 200092)

提要 為了識(shí)別中外在北極環(huán)境領(lǐng)域的研究差距,構(gòu)建先進(jìn)的北極科考框架,基于CiteSpace 工具對(duì)國(guó)際和國(guó)內(nèi)北極環(huán)境領(lǐng)域近30年的文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量。通過(guò)共現(xiàn)、聚類和共被引分析發(fā)現(xiàn)北極環(huán)境研究發(fā)展可分為三個(gè)階段; 北極八國(guó)和德英法在北極環(huán)境研究中占據(jù)主導(dǎo)地位; 北極環(huán)境研究與地質(zhì)學(xué)和大氣科學(xué)等學(xué)科密切相關(guān); 海冰、凍原、永久凍土和積雪是最熱門(mén)的北極環(huán)境污染物介質(zhì),多氯聯(lián)苯、汞和二氧化碳在污染物研究中占據(jù)主導(dǎo)地位; 突現(xiàn)性污染物的研究重點(diǎn)變化趨勢(shì)是氯代烴—臭氧—重金屬—黑碳,持久性有機(jī)污染物的突現(xiàn)性始終存在; 通過(guò)國(guó)際和國(guó)內(nèi)的研究對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)我國(guó)生態(tài)毒理學(xué)研究的不足。最后,從需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的污染物、可以運(yùn)用的理論技術(shù)以及需要開(kāi)展的環(huán)境領(lǐng)域科研工作等方面,對(duì)我國(guó)北極環(huán)境研究提出建議。

0 引言

在全球氣候變化、經(jīng)濟(jì)全球化和區(qū)域一體化的背景下,北極在戰(zhàn)略、經(jīng)濟(jì)、科研、環(huán)保、航道、資源等方面的價(jià)值不斷提升[1],受到國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注。美國(guó)、加拿大、俄羅斯、挪威、丹麥、芬蘭、瑞典和冰島這八個(gè)北極國(guó)家以及北極理事會(huì)、北約和歐盟等與北極有關(guān)的組織對(duì)北極探索表現(xiàn)出濃厚的興趣,并積極制定北極政策。隨著人類對(duì)北極的了解逐漸深入。北極的人類健康風(fēng)險(xiǎn)[2]、海洋酸化[3-4]、海平面上升[5-6]等環(huán)境問(wèn)題日益顯現(xiàn),并成為反映全球氣候變化的指標(biāo)。

各個(gè)國(guó)家和組織的北極政策越來(lái)越多的提及環(huán)境問(wèn)題,內(nèi)容涉及各類污染物的控制[7]、海洋酸化和生物多樣性等環(huán)境問(wèn)題[8]以及國(guó)家間的科研合作和數(shù)據(jù)共享[9]。我國(guó)在2018年的《中國(guó)的北極政策》白皮書(shū)中提到保護(hù)北極自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng),養(yǎng)護(hù)北極生物資源,積極參與應(yīng)對(duì)北極環(huán)境和氣候變化的挑戰(zhàn)[1]。2021年7月,我國(guó)已開(kāi)始中國(guó)第十二次北極科學(xué)考察。我國(guó)在中國(guó)第十次北極科學(xué)考察中實(shí)施了海洋綜合調(diào)查,完成了水體、沉積物、底棲生物、浮游生物和微塑料的采樣,開(kāi)展了北極海洋酸化、微塑料和人工核素的調(diào)查。但我國(guó)目前進(jìn)行的研究主要是從國(guó)家科研需求出發(fā),在選擇監(jiān)測(cè)指標(biāo)上存在被動(dòng)性,科技實(shí)力與美國(guó)和俄羅斯等北極科技強(qiáng)國(guó)相比存在明顯不足。因此,本文將基于CiteSpace 軟件對(duì)國(guó)際(Web of Sciences Core Collection 數(shù)據(jù)庫(kù))北極環(huán)境領(lǐng)域近30年的文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量研究[10-11],挖掘世界各國(guó)及組織在北極進(jìn)行環(huán)境研究的情況,并對(duì)前沿?zé)狳c(diǎn)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行分析,以掌握北極環(huán)境研究的動(dòng)態(tài)變化,為我國(guó)北極科學(xué)考察提供思路,為構(gòu)建先進(jìn)的北極科考框架提出建議。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

文獻(xiàn)檢索使用Web of Sciences Core Collection (WoS),按照主題詞對(duì)核心合集進(jìn)行高級(jí)檢索“TS=(Arctic* OR Greenland OR “Bering Sea” OR Svalbard OR “Barents Sea” OR “Kara sea” OR “Canada Basin” OR “Chukchi Sea” OR “Siberian sea”)”,檢索時(shí)間限定在1990—2020年,并限定Web of Sciences 類別為環(huán)境科學(xué)(Environmental Sciences),檢索文獻(xiàn)類型限定為文章(Article)及會(huì)議論文(Proceedings paper)。數(shù)據(jù)收集時(shí)間為2020年8月29日,共檢索到相關(guān)英文文獻(xiàn)11189篇,導(dǎo)出的信息包括題目、作者、關(guān)鍵詞、摘要、發(fā)表年份和引文等信息。

1.2 研究方法

本文使用CiteSpace(5.6.R2 版本)軟件以及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)經(jīng)過(guò)去重的11189 篇文獻(xiàn)的題錄以及它們的參考文獻(xiàn)進(jìn)行共現(xiàn)分析、合作分析、聚類分析以及共被引分析,明確北極環(huán)境研究的國(guó)際趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。軟件生成的分析圖譜能夠直觀反映各研究熱點(diǎn)詞的連接關(guān)系,連接線的粗細(xì)與兩個(gè)熱點(diǎn)詞的關(guān)聯(lián)度呈正相關(guān),熱點(diǎn)詞圓圈面積與其出現(xiàn)頻率呈正相關(guān),時(shí)間線視圖可以通過(guò)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時(shí)間跨度表達(dá)出不同時(shí)期的研究熱點(diǎn)。

2 發(fā)文量概況

研究領(lǐng)域的年度發(fā)文數(shù)量能夠反映研究進(jìn)程并確定研究階段,根據(jù)近30年國(guó)際北極環(huán)境研究年發(fā)文數(shù)量分布(圖1),可以將國(guó)際北極環(huán)境研究分為緩慢發(fā)展、高速發(fā)展和穩(wěn)定發(fā)展三個(gè)階段,充分體現(xiàn)Logistic 模型S 型曲線。

圖1 1990—2020年北極環(huán)境研究發(fā)文數(shù)量年度分布Fig.1.Annual distribution of the number of publications on Arctic environmental research from 1990 to 2020

1990—1995年為緩慢發(fā)展階段。1995年之前的國(guó)際北極環(huán)境研究年發(fā)文數(shù)量不超過(guò)150 篇。這一階段更多的從理論出發(fā)論述全球氣候變化的趨勢(shì)以及污染物的發(fā)生和轉(zhuǎn)移途徑[12-14],但由于數(shù)據(jù)的缺失,并不能對(duì)污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的遷移產(chǎn)生明確的認(rèn)識(shí)[15-16],而我國(guó)在這一階段的相關(guān)研究處于空白狀態(tài)。

1996—2016年為高速發(fā)展階段。1996年以后,年發(fā)文數(shù)量快速上升,研究?jī)?nèi)容趨向多元化: 逐漸出現(xiàn)遙感和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等用于數(shù)據(jù)收集的新技術(shù),一定程度上彌補(bǔ)了北極數(shù)據(jù)缺口; 注重對(duì)生態(tài)毒理學(xué)的研究; 出現(xiàn)了對(duì)新型持久性有機(jī)污染物的研究,并開(kāi)始了對(duì)底棲生物的探索。我國(guó)也是從這個(gè)階段才開(kāi)始參與到北極環(huán)境研究當(dāng)中,但初期發(fā)展緩慢,直至2007年,國(guó)內(nèi)年發(fā)文數(shù)量才達(dá)到10 篇,之后中國(guó)發(fā)文數(shù)量的國(guó)際占比逐年提升,在2016年達(dá)到10.10%,我國(guó)的北極環(huán)境研究在國(guó)際占據(jù)的地位越來(lái)越重要。

2017年起北極環(huán)境研究進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展階段。近三年的年發(fā)文數(shù)量差別不大,最高點(diǎn)出現(xiàn)在2018年(774 篇)。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,許多國(guó)家已經(jīng)制定起了北極政策,對(duì)北極的探索也成為各國(guó)戰(zhàn)略的重要組成部分。

從各國(guó)的發(fā)文數(shù)量(表1)來(lái)看,美國(guó)和加拿大具有發(fā)文數(shù)量上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),發(fā)文數(shù)量分別占總數(shù)的35.4%和27.8%,遠(yuǎn)高于其他國(guó)家; 同為北極八國(guó)的挪威、丹麥、瑞典和俄羅斯均居于前十位,芬蘭居于十一位,冰島居于二十四位; 德國(guó)、英國(guó)和法國(guó)作為非北極國(guó)家,卻對(duì)北極環(huán)境領(lǐng)域進(jìn)行了許多研究,均位列前十; 我國(guó)由于起步較晚,發(fā)文數(shù)量占比為6.2%,位于第九位。

表1 各國(guó)發(fā)文數(shù)量分布(發(fā)文數(shù)量＞100)Table 1.Distribution of the number of national publications

3 國(guó)際北極環(huán)境研究分析

3.1 學(xué)科分析

環(huán)境科學(xué)是一個(gè)交叉學(xué)科,在北極環(huán)境的研究中涉及到的學(xué)科眾多,掌握學(xué)科交叉的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)才能夠協(xié)調(diào)學(xué)科之間的發(fā)展,促進(jìn)我國(guó)對(duì)極地環(huán)境的探索。對(duì)收集到的11189 篇文獻(xiàn)進(jìn)行學(xué)科共現(xiàn)分析,查看除環(huán)境科學(xué)這一學(xué)科分支外其他學(xué)科的分布情況,列出出現(xiàn)頻率大于40 的學(xué)科及其中介中心性(圖2)。節(jié)點(diǎn)的中介中心性是指網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過(guò)某節(jié)點(diǎn)連接兩點(diǎn)的最短路徑占這兩點(diǎn)之間的最短路徑總數(shù)之比,它能夠測(cè)度節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性。

除環(huán)境科學(xué)外,11189 篇文獻(xiàn)還涉及到較多的學(xué)科是氣象與大氣科學(xué)(2565 篇)、地質(zhì)學(xué)(2292篇)、地理學(xué)(1425 篇)、生態(tài)學(xué)(1185 篇)和工程學(xué)(994 篇),學(xué)科之間的合作也是研究中不可缺少的一部分。其中,工程學(xué)的中心性(0.11)最大,它最大程度地連接了不同學(xué)科的研究; 地質(zhì)學(xué)、水資源學(xué)、氣象與大氣科學(xué)和生態(tài)學(xué)也起到了良好的連接作用,中心性分別為0.08、0.07、0.04 和0.04。在進(jìn)行環(huán)境研究的過(guò)程中也要重點(diǎn)關(guān)注起到中心作用的學(xué)科,可以借鑒這些中介性學(xué)科以及與它們相連學(xué)科的研究技術(shù)和原理,為極地環(huán)境研究提供思路和方法。

使用尋徑剪枝功能對(duì)學(xué)科共現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行處理[17],運(yùn)用較小生成樹(shù)及復(fù)雜連接刪除算法,保留最重要連接,簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)并突出其重要的結(jié)構(gòu)特征,處理結(jié)果具有唯一性。運(yùn)用此方法處理文獻(xiàn)后的結(jié)果如圖3 所示。其中,節(jié)點(diǎn)的大小對(duì)應(yīng)該學(xué)科出現(xiàn)頻率的大小,有紫色外圈的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出高中心性; 節(jié)點(diǎn)之間的連線表示共現(xiàn)關(guān)系,其粗細(xì)表示共現(xiàn)強(qiáng)度,線上數(shù)字表示強(qiáng)度數(shù)值; 連線顏色對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)第一次共現(xiàn)的年份,顏色從紫色到黃色表示年份從1990 到2020 的變化。結(jié)果表明,與北極環(huán)境科學(xué)(Environmental Sciences)最相關(guān)的學(xué)科分別是地質(zhì)學(xué)(Geology)、動(dòng)物學(xué)(Zoology)和生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)(Biotechnology & Applied Microbiology),連接強(qiáng)度分別是 0.74、0.05 和0.05(圖3)。在進(jìn)行北極環(huán)境研究的過(guò)程中也要與地質(zhì)和生物等學(xué)科進(jìn)行配合與協(xié)調(diào),為北極環(huán)境研究提供理論基礎(chǔ)和途徑方法。如遙感技術(shù)和模型測(cè)試被大量用于污染源的識(shí)別[18-20]及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[21-22],氣溶膠和黑碳等污染物的濃度很大程度上受到氣象條件的影響[23],北極的哺乳動(dòng)物和浮游生物被用于食物網(wǎng)和生態(tài)毒理學(xué)的研究。

圖2 學(xué)科分布情況(出現(xiàn)頻率＞50)Fig.2.Distribution of disciplines (frequency of occurrence＞ 50)

圖3 北極環(huán)境研究相關(guān)學(xué)科Fig.3.Related disciplines of Arctic environmental research

3.2 合作網(wǎng)絡(luò)分析

通過(guò)合作網(wǎng)絡(luò)分析可以得到各個(gè)國(guó)家和機(jī)構(gòu)的合作圖譜,識(shí)別出中心性較高的國(guó)家和研究機(jī)構(gòu),明確國(guó)家和機(jī)構(gòu)合作開(kāi)始的時(shí)間,并指出各個(gè)國(guó)家和機(jī)構(gòu)的合作強(qiáng)度。合作分析中共出現(xiàn)106個(gè)參與北極環(huán)境研究的國(guó)家(圖4),圖中節(jié)點(diǎn)的大小對(duì)應(yīng)國(guó)家發(fā)文量的多少; 紫色外圈的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出高中心性; 節(jié)點(diǎn)之間的連線表示合作關(guān)系,其粗細(xì)表示合作強(qiáng)度; 連線顏色對(duì)應(yīng)國(guó)家之間第一次進(jìn)行合作的年份,顏色從紫色到黃色表示年份從1990 到2020 的變化。結(jié)果表明,北極環(huán)境研究的合作主要在北極國(guó)家和歐美國(guó)家之間展開(kāi),瑞士、美國(guó)、希臘、保加利亞和加拿大在國(guó)家合作中起到了重要作用,中心性分別為0.92、0.69、0.51、0.40 和0.39。前文提到,美國(guó)和加拿大的研究具有發(fā)文數(shù)量上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),即圖4 中最大的兩個(gè)節(jié)點(diǎn),他們的節(jié)點(diǎn)周?chē)拾l(fā)散狀,與其他許多國(guó)家都有合作且均是從早些年份就開(kāi)始的,但兩國(guó)與其他國(guó)家的連線均較細(xì),表明合作強(qiáng)度較弱,且美、加兩國(guó)之間的連接強(qiáng)度也極低。許多小國(guó)家發(fā)表的文章數(shù)量雖然很少,但近五年開(kāi)始進(jìn)行合作,且相互之間聯(lián)系密切。突現(xiàn)性詞匯是通過(guò)考察詞頻,選出的在某段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)頻次突然增大的詞匯(含紅圈的節(jié)點(diǎn)),能夠反映研究主題發(fā)展的熱度。其中中國(guó)的突現(xiàn)性最高(27.09),反映了中國(guó)北極環(huán)境研究發(fā)展迅速,此外美國(guó)(17.01)、加拿大(16.45)、俄羅斯(11.12)和波蘭(10.07)的突現(xiàn)性也較高,表明北極地區(qū)逐漸引起更多國(guó)家的關(guān)注。

圖4 國(guó)家合作圖譜Fig.4.Cooperation atlas of countries

在機(jī)構(gòu)合作分析中,共出現(xiàn)231 個(gè)與北極環(huán)境領(lǐng)域有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)(圖5),圖中節(jié)點(diǎn)的大小對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)發(fā)文量的多少; 紫色外圈的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出高中心性; 紅色外圈的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出當(dāng)年的突現(xiàn)性; 節(jié)點(diǎn)之間的連線表示合作關(guān)系,其粗細(xì)表示合作強(qiáng)度; 連線顏色對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)之間第一次進(jìn)行合作的年份,顏色從紫色到黃色表示年份從 1990 到2020 的變化。加拿大環(huán)境署(Environm Canada)發(fā)文量最大,達(dá)到了450 篇,其次是丹麥奧胡斯大學(xué)(Univ Aarhus)和美國(guó)阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克斯分校(Univ Alaska Fairbanks)分別達(dá)到了389 和381 篇,三個(gè)機(jī)構(gòu)的合作路線均比較單一,相互之間幾乎沒(méi)有合作。加拿大環(huán)境署和美國(guó)阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克斯分校從1990年左右就開(kāi)始與其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作,而丹麥奧胡斯大學(xué)則是近10年才開(kāi)始合作研究。中心性排在前五位的機(jī)構(gòu)分別是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)、法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心(CNRS)、利物浦大學(xué)(Univ Liverpool)、懷俄明大學(xué)(Univ Wyoming)和阿比斯庫(kù)科學(xué)研究站(Abisko Sci Res Stn),中心性分別為0.94、0.44、0.39、0.39 和0.35,對(duì)北極環(huán)境領(lǐng)域研究合作具有重要作用。有79 個(gè)研究機(jī)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)發(fā)文量爆發(fā)的情況,曾經(jīng)加強(qiáng)了對(duì)北極環(huán)境的研究,其中突現(xiàn)性最高的是加拿大環(huán)境與氣候變化(Environm & Climate Change Canada)、丹麥國(guó)家環(huán)境研究所(Natl Environm Res Inst)和挪威北極大學(xué)(UiT Arctic Univ Norway),突現(xiàn)性分別為54.32、37.86 和31.36,三個(gè)機(jī)構(gòu)從20 世紀(jì)90年代開(kāi)始,直至2015年左右始終保持突現(xiàn)性,說(shuō)明這三個(gè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展北極環(huán)境研究較早且發(fā)展較快。整體來(lái)看,進(jìn)行北極環(huán)境領(lǐng)域研究的機(jī)構(gòu)之間的合作較為分散,主要是國(guó)家內(nèi)部的機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作,但強(qiáng)度很低。中國(guó)在合作網(wǎng)絡(luò)中處于邊緣位置,與其他國(guó)家機(jī)構(gòu)的合作很少。

圖5 機(jī)構(gòu)合作圖譜Fig.5.Cooperation atlas of institutions

3.3 關(guān)鍵詞分析

3.3.1 共現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞能夠反映文章的核心和主要研究對(duì)象,采用CiteSpace 進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析可以掌握研究領(lǐng)域的熱點(diǎn),找到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(圖 6),對(duì)識(shí)別出的關(guān)鍵詞進(jìn)行大小寫(xiě)、縮寫(xiě)與全稱合并,共得到274 個(gè)關(guān)鍵詞。知識(shí)圖譜中共現(xiàn)詞頻最高的前20 個(gè)重要關(guān)鍵詞見(jiàn)表2。高頻關(guān)鍵詞內(nèi)容繁雜,其中包括污染物、地理位置、環(huán)境問(wèn)題以及污染物介質(zhì)。為了更加清晰地分辨研究?jī)?nèi)容與趨勢(shì),通過(guò)專家咨詢對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行篩選,并按照研究地點(diǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)的介質(zhì)和污染物進(jìn)行分類并統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)頻率,得到環(huán)境研究的具體對(duì)象及熱點(diǎn)問(wèn)題。

圖6 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.6.Co-occurrence atlas of keywords

表2 1990—2020年北極環(huán)境研究高頻關(guān)鍵詞Table 2.Top 20 keywords in Arctic environmental research from 1990 to 2020

從涉及研究地理位置的關(guān)鍵詞表(表3)中發(fā)現(xiàn),北極環(huán)境研究主要在北美大陸、北極島嶼和大洋中進(jìn)行,在格陵蘭進(jìn)行的研究最多(667 篇),其次是阿拉斯加(479 篇)、斯瓦爾巴群島(254 篇)和北冰洋(240 篇); 其中格陵蘭、阿拉斯加、斯瓦爾巴群島、北冰洋和巴倫支海的研究均具有中心性。圖7a 將環(huán)境研究的污染物介質(zhì)分為動(dòng)物、植物、水體、大氣、土地、沉積物和冰雪,其中海冰、凍原、永久凍土和積雪是出現(xiàn)頻率較高的污染物介質(zhì),分別為774、708、366 和358; 海冰具有最大的中心性(0.08),表明在海冰中進(jìn)行了交叉學(xué)科的研究。圖7b 將環(huán)境研究關(guān)注的污染物分為金屬、無(wú)機(jī)物、有機(jī)氯及其他有機(jī)物; 多氯聯(lián)苯、汞和二氧化碳具有最高的出現(xiàn)頻率和中心性,其出現(xiàn)頻率分別為695、341、271,中心性分別為0.07、0.04、0.02,這三種污染物在北極環(huán)境研究中的重要性可見(jiàn)一斑。

表3 研究地點(diǎn)關(guān)鍵詞分布Table 3.Distribution of keywords of research location

圖7 污染物及介質(zhì)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率.a)按污染物介質(zhì)分類; b)按污染物分類Fig.7.Frequency of keywords of pollutants and media.a) classified keywords by different environmental media; b) classified keywords by different types of pollutant

3.3.2 突現(xiàn)分析

使用突現(xiàn)詞功能對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析,通過(guò)考察詞頻,選出在某段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)頻次突然增大的關(guān)鍵詞,以此反映研究關(guān)鍵詞的時(shí)間發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)據(jù)篩選為(Top 50 per slice),得到131 個(gè)突現(xiàn)詞及其突現(xiàn)性動(dòng)態(tài)變化,通過(guò)對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行篩選,得到與污染物相關(guān)的22 個(gè)關(guān)鍵詞,獲取22 種污染物的突現(xiàn)強(qiáng)度,并得到年份變化,突現(xiàn)強(qiáng)度越大,填充顏色越深,見(jiàn)表4。

表4 突現(xiàn)性污染物時(shí)間趨勢(shì)Table 4.Time trend of burst of pollutant

有機(jī)氯污染物(Organochlorine Contaminant)、鎘(Cadmium)和溴化阻燃劑(Brominated Flame Retardant,BFR)是近30年的研究中突現(xiàn)強(qiáng)度最大的三個(gè)污染物關(guān)鍵詞,在多個(gè)年份保持著突現(xiàn)性。多氯代二惡英(PCDD)、硫酸鹽(Sulfate)、硝酸鹽(Nitrate)和氯代烴(Chlorinated Hydrocarbon)[24-25]等在早期具有突現(xiàn)性,但隨著時(shí)間變化,研究重點(diǎn)逐漸向有機(jī)氯污染物(Organochlorine Contaminant)[26]、臭氧(Ozone)、鉛(Lead)和鎘(Cadmium)等重金屬(Heavy Metal)[27]轉(zhuǎn)移,并與生態(tài)毒理學(xué)相聯(lián)系[28-30],近十年的突現(xiàn)性污染物是多環(huán)芳烴(PAHs)、多溴二苯醚(PBDEs)和黑碳(Black Carbon)。

3.4 研究主題演進(jìn)

研究主題的時(shí)間變化可以表明研究主題的熱度變化與趨勢(shì),通過(guò)文獻(xiàn)的共被引分析可以對(duì)被引文獻(xiàn)進(jìn)行相關(guān)分析,并將有共同研究?jī)?nèi)容、相同施引文獻(xiàn)的文獻(xiàn)進(jìn)行聚類,共引文獻(xiàn)數(shù)量越多,文獻(xiàn)間的相關(guān)性越大,聚成一類的概率也越高,從而理清北極環(huán)境研究主題的演進(jìn)。參數(shù)設(shè)置為(Top 50 per slice),從11189 篇文獻(xiàn)中共產(chǎn)生了278262 篇被引文獻(xiàn),選取特征詞(Term),采用對(duì)數(shù)極大似然率算法(LLR)進(jìn)行共被引分析和聚類分析,共產(chǎn)生了113 個(gè)聚類,舍去較小的聚類,在時(shí)間線視圖下得到最大的24 個(gè)聚類的時(shí)間線分布(圖8)。聚類模塊性指數(shù)Q=0.8345,24 個(gè)聚類的平均聚類輪廓性指數(shù)S=0.96,劃分出的聚類結(jié)構(gòu)顯著,聚類合理[17]。

圖8 聚類時(shí)間線分布Fig.8.Timeline view of cluster distribution

聚類結(jié)果涉及北極環(huán)境研究的污染物、北極生物、研究地點(diǎn)和科學(xué)技術(shù)等方面,最大的四個(gè)聚類分別是北極犬類(#0)、加拿大雷索盧特灣(#1)、北極熊(#2)和黑碳(#3),平均引用年份分別是2000、1991、2010 和2011年。犬類(#0)聚類內(nèi)部包含了北極狐、北極熊、哺乳動(dòng)物、浮游動(dòng)物和食物網(wǎng)等特征詞,可以將其看作是描述北極環(huán)境生物的一個(gè)聚類,與生態(tài)毒理學(xué)相聯(lián)系,被引持續(xù)到2010年; 而北極熊(#2)作為一個(gè)單獨(dú)的聚類標(biāo)簽,被引從2000年開(kāi)始活躍至今,成為研究北極乃至全球氣候變化的重要抓手; 鯨類(#15、#20)和鳥(niǎo)類(#17)雖然也單獨(dú)成聚類,但聚類很小,且被引量很低。加拿大雷索盧特灣(#1)和埃爾斯米爾島(#12)作為聚類標(biāo)簽單獨(dú)出現(xiàn),顯示出加拿大北極研究的重要地位,與前文加拿大的發(fā)文優(yōu)勢(shì)相印證,關(guān)于這兩個(gè)地區(qū)的研究從20 世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行,2000年以后被引量大幅減少。此外,2000年之前的聚類還有大氣采樣系統(tǒng)(#4)、水文學(xué)(#9)、冰間湖(#19)、放射性評(píng)價(jià)(#13)和二氧化碳通量(#5); 隨著時(shí)間的推進(jìn),聚類主題向大氣邊界層(#6)和環(huán)境變化(#7)轉(zhuǎn)移; 關(guān)于北極熊(#2)、黑碳(#3)、全氟辛烷磺酸鹽(#8)、汞(#11)和微塑料(#23)的研究在近十年仍是熱點(diǎn),除微塑料(#23)外均保持突現(xiàn)性; 微塑料作為新型污染物,預(yù)計(jì)相關(guān)研究會(huì)逐步發(fā)展完善。聚類內(nèi)部引用密集,但聚類之間的引用較少,尤其是在新興的研究主題之間。北極熊等哺乳動(dòng)物與環(huán)境變化和全氟辛烷磺酸鹽存在很強(qiáng)的共被引關(guān)系[31-32],微塑料、汞、大氣邊界層和全氟辛烷磺酸鹽分別與黑碳[33-34]存在較弱共被引關(guān)系,研究主題之間相互借鑒、共同發(fā)展。

4 國(guó)內(nèi)北極環(huán)境研究分析

在收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,篩選出發(fā)文國(guó)家包括“PEOPLES R CHINA”的數(shù)據(jù),共得到646 條數(shù)據(jù),下文將對(duì)國(guó)內(nèi)參與北極環(huán)境研究的學(xué)科和機(jī)構(gòu)合作情況以及研究主題演進(jìn)進(jìn)行分析,以明確國(guó)內(nèi)研究與國(guó)際研究的區(qū)別與差距,從而提出我國(guó)北極環(huán)境研究建議。

4.1 研究概況

4.1.1 學(xué)科分析

對(duì)我國(guó)的646 篇文獻(xiàn)進(jìn)行學(xué)科共現(xiàn)分析,查 看除環(huán)境科學(xué)這一學(xué)科分支外其他學(xué)科的分布情況,列出出現(xiàn)頻率大于20 的學(xué)科及其中介中心性(表5)。除環(huán)境科學(xué)外,發(fā)文涉及最多的學(xué)科是氣象與大氣科學(xué)(167 篇)、地質(zhì)學(xué)(83 篇)和工程學(xué)(75篇),中介中心性最高的學(xué)科是工程學(xué)(0.09)、水資源(0.06)和地質(zhì)學(xué)(0.04)。說(shuō)明我國(guó)北極環(huán)境研究離不開(kāi)對(duì)大氣和地質(zhì)工程的探索,且工程學(xué)能夠最大程度地促成我國(guó)各個(gè)學(xué)科在北極環(huán)境研究的合作。

表5 國(guó)內(nèi)發(fā)文學(xué)科共現(xiàn)分析Table 5.Co-occurrence analysis of domestic articles

4.1.2 合作網(wǎng)絡(luò)分析

對(duì)我國(guó)的646 篇文獻(xiàn)進(jìn)行國(guó)家合作網(wǎng)絡(luò)分析,并使用尋徑剪枝功能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化,共發(fā)現(xiàn)21 個(gè)與我國(guó)有合作關(guān)系的國(guó)家(圖9)。節(jié)點(diǎn)的大小對(duì)應(yīng)國(guó)家發(fā)文量的多少,紫色外圈的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出高中心性; 紅色圈的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出當(dāng)年的突現(xiàn)性; 節(jié)點(diǎn)之間的連線表示合作關(guān)系,其粗細(xì)表示合作強(qiáng)度; 連線顏色對(duì)應(yīng)國(guó)家之間第一次進(jìn)行合作的年份,顏色從紫色到黃色表示年份從1990 到2020 的變化。其中,發(fā)文量最高的為美國(guó)(173 篇)、加拿大(70 篇)和英國(guó)(39 篇); 中介中心性最大的三個(gè)國(guó)家,德國(guó)(1.26)、日本(0.64)和瑞典(0.51),它們?cè)诖俪晌覈?guó)和其他國(guó)家合作中起到了重要作用; 德國(guó)(4.34)是唯一具有突現(xiàn)性的國(guó)家。在北極環(huán)境領(lǐng)域與我國(guó)合作關(guān)系最強(qiáng)的是美國(guó)和韓國(guó),合作強(qiáng)度分別為1.0 和0.32,合作分別從2003 和2009年開(kāi)始。

圖9 我國(guó)國(guó)際合作圖譜Fig.9.Cooperation atlas of China

對(duì)我國(guó)的646 篇文獻(xiàn)進(jìn)行機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析,共發(fā)現(xiàn)146 個(gè)相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)(圖10),圖中節(jié)點(diǎn)的大小對(duì)應(yīng)國(guó)家發(fā)文量的多少,紫色外圈的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出高中心性; 紅色圈的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出當(dāng)年的突現(xiàn)性; 節(jié)點(diǎn)之間的連線表示合作關(guān)系,其粗細(xì)表示合作強(qiáng)度; 連線顏色對(duì)應(yīng)國(guó)家之間第一次進(jìn)行合作的年份,顏色從紫色到黃色表示年份從1990到2020 的變化。中國(guó)科學(xué)院(Chinese Acad Sci)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(Univ Chinese Acad Sci)、蘭州大學(xué)(Lanzhou Univ)、北京大學(xué)(Peking Univ)和北京師范大學(xué)(Beijing Normal Univ)發(fā)文量最大,分別達(dá)到276、57、38、33 和31 篇; 中心性排在前三位的機(jī)構(gòu)分別是美國(guó)阿拉斯加大學(xué)費(fèi)爾班克斯分校(Univ Alaska Fairbanks)、廈門(mén)大學(xué)(Xiamen Univ)和中國(guó)極地研究中心(Polar Res Inst China),中心性分別為0.34、0.33 和0.27,對(duì)促成我國(guó)北極環(huán)境領(lǐng)域合作具有重要作用; 中國(guó)科學(xué)院(Chinese Acad Sci)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)(Univ Sci & Technol China)和中國(guó)極地研究中心(Polar Res Inst China)的突現(xiàn)性最高,分別為19.98、6.65、5.92,但三個(gè)機(jī)構(gòu)的突現(xiàn)性集中在2006—2015 這十年之間,近五年并未表現(xiàn)出突現(xiàn)性。從總體來(lái)看,中國(guó)科學(xué)院具有高發(fā)文量和突現(xiàn)性,中國(guó)極地研究中心具有高中心性和突現(xiàn)性,對(duì)北極環(huán)境研究較為集中并促成了國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的合作,這兩個(gè)機(jī)構(gòu)在我國(guó)北極環(huán)境研究中占據(jù)重要地位。

圖10 我國(guó)機(jī)構(gòu)合作圖譜Fig.10.Institutions cooperation atlas of China

4.1.3 關(guān)鍵詞分析

對(duì)國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,共得到189 個(gè)關(guān)鍵詞(圖11)。知識(shí)圖譜中共現(xiàn)詞頻最高的前20 個(gè)重要關(guān)鍵詞見(jiàn)表6。高頻關(guān)鍵詞內(nèi)容繁雜,包括多氯聯(lián)苯和農(nóng)藥等有機(jī)污染物,北冰洋和格陵蘭等地理位置以及水、海冰和大氣等污染物介質(zhì),還出現(xiàn)了宏觀性的描述性詞語(yǔ),如氣候變化和趨勢(shì)等。氣候變化、變化性和持久性有機(jī)污染物為出現(xiàn)頻率最高的關(guān)鍵詞,分別達(dá)到86、51、46 篇; 沉淀、黑碳、西藏高原、持久性有機(jī)污染物、多環(huán)芳烴和二氧化碳均具有超過(guò)0.1 的中介性,分別為0.3、0.25、0.2、0.1、0.1 和0.1,在連接不同主題的北極環(huán)境研究中十分重要。此外,分析共發(fā)現(xiàn)7 個(gè)突現(xiàn)詞,它們的突現(xiàn)強(qiáng)度以及時(shí)間分布見(jiàn)表7,突現(xiàn)強(qiáng)度差別很小,均處于3.5 至5.0 之間,從時(shí)間趨勢(shì)發(fā)現(xiàn),突現(xiàn)詞由空氣、記錄、有機(jī)氯農(nóng)藥和雪轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g分布、趨勢(shì)和模型。

圖11 國(guó)內(nèi)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.11.Keywords co-occurrence atlas of China

表6 1990—2020年我國(guó)北極環(huán)境研究高頻關(guān)鍵詞Table 6.Top 20 keywords in Arctic environmental research of China from 1990 to 2020

表7 突現(xiàn)性關(guān)鍵詞時(shí)間趨勢(shì)Table 7.Time trend of burst of keywords

4.2 研究主題演進(jìn)

通過(guò)發(fā)文量和合作網(wǎng)絡(luò)分析已經(jīng)能初步看出國(guó)內(nèi)外在北極環(huán)境領(lǐng)域的差異,下文將對(duì)國(guó)內(nèi)的北極環(huán)境研究主題進(jìn)行聚類分析。通過(guò)對(duì)比聚類詞及其時(shí)間演化得到我國(guó)與國(guó)際北極研究的側(cè)重點(diǎn)與差異,為我國(guó)的北極環(huán)境研究發(fā)展提供對(duì)策和建議。在收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,篩選出發(fā)文國(guó) 家為中國(guó)的數(shù)據(jù),參數(shù)設(shè)置為(Top 50 per slice),從646 篇文獻(xiàn)中共產(chǎn)生了26379 篇被引文獻(xiàn),選取特征詞(Term),采用對(duì)數(shù)極大似然率算法(LLR)進(jìn)行共被引分析和聚類分析,共產(chǎn)生了159 個(gè)聚類,舍去較小的聚類,在時(shí)間線視圖下得到最大的24 個(gè)聚類的時(shí)間線分布(圖12)。聚類模塊性指數(shù)Q=0.8943,24 個(gè)聚類的平均聚類輪廓性指數(shù)S=0.98,劃分出的聚類結(jié)構(gòu)顯著,聚類合理[17]。

國(guó)內(nèi)研究聚類結(jié)果涉及污染物、科學(xué)技術(shù)、研究地點(diǎn)等方面,最大的24 個(gè)聚類的平均引用年份均處于2004—2015 之間,研究主題已從農(nóng)藥(#3)、水文模型(#11)和中國(guó)東北部(#21),演進(jìn)到新型污染物[黑碳(#0)、多環(huán)芳烴(#4)、細(xì)顆粒物氣溶膠(#6)、全氟辛烷磺酸鹽(#7)、有機(jī)磷酸酯(#8)、微塑料(#9)])、環(huán)境現(xiàn)象[(臭氧異常(#14)、時(shí)空變化(#17)、海平面波動(dòng)(#20)、青藏高原(#10、#22)]和先進(jìn)的觀測(cè)系統(tǒng)研究(#2)。聚類內(nèi)部引用密集,但聚類之間的引用很少,黑碳(#0)和有機(jī)碳(#1)分別與青藏高原(#10、#22)[35]之間引用較為密集,觀測(cè)系統(tǒng)和細(xì)顆粒物[36]之間引用較為密集,其他聚類之間基本無(wú)引用關(guān)系。

4.3 中外對(duì)比分析

在學(xué)科分析中,中外共現(xiàn)學(xué)科中出現(xiàn)頻率較高的均包括氣象與大氣科學(xué)、地質(zhì)學(xué)和工程學(xué); 工程學(xué)、地質(zhì)學(xué)和水資源均具有較高的中介性,中外結(jié)果保持一致。國(guó)際與北極環(huán)境科學(xué)最相關(guān)的學(xué)科為動(dòng)物學(xué)和生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué),但在我國(guó)的學(xué)科分析中并未出現(xiàn)與動(dòng)物相關(guān)的學(xué)科,表明我國(guó)在北極環(huán)境生物研究領(lǐng)域的缺失。從關(guān)鍵詞分析中能夠看出,中外頻率最高的20 個(gè)關(guān)鍵詞差別很小,都包括了多氯聯(lián)苯等持久性有機(jī)污染物,海冰、凍原等污染物介質(zhì),格陵蘭等地理位置。從聚類結(jié)果來(lái)看,我國(guó)北極區(qū)域研究的聚類從2000年后才開(kāi)始出現(xiàn),與國(guó)際相比缺少了17年的研究歷史。雖然我國(guó)的發(fā)文總量在國(guó)際上存在突現(xiàn),但國(guó)內(nèi)的研究較為分散,沒(méi)有形成具有突現(xiàn)性的研究主題,我國(guó)的北極研究尚處于探索階段。從研究主題的演進(jìn)來(lái)看,我國(guó)關(guān)于黑碳、 微塑料和全氟辛烷磺酸鹽的研究熱點(diǎn)能夠緊跟國(guó)際研究趨勢(shì),并且發(fā)揮了青藏高原這一地區(qū)的海拔優(yōu)勢(shì),進(jìn)行了北極濤動(dòng)與高原氣候之間的相關(guān)性探索[37-38]; 但相比于國(guó)際研究中出現(xiàn)的鳥(niǎo)類、哺乳類以及浮游生物等特征詞,我國(guó)聚類中未出現(xiàn)與生物有關(guān)的信息,在有關(guān)生態(tài)毒理學(xué)的研究中存在明顯不足,這一現(xiàn)象極有可能是我國(guó)對(duì)于北極生物數(shù)據(jù)的獲取不足以及對(duì)生物數(shù)據(jù)的處理分析方法不完善導(dǎo)致的。目前我國(guó)的國(guó)家極地?cái)?shù)據(jù)中心記載了與浮游生物、底棲生物、魚(yú)類等水中生物有關(guān)的數(shù)據(jù),但對(duì)于陸地的大型哺乳動(dòng)物知之甚少,在不擾亂北極生態(tài)系統(tǒng)條件下的生物數(shù)據(jù)獲取和分析是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

圖12 國(guó)內(nèi)研究聚類時(shí)間線分布Fig.12.Timeline view of domestic cluster distribution

5 結(jié)論

本文基于全球北極環(huán)境研究發(fā)文情況,從發(fā)文量、研究合作情況、研究主題及熱點(diǎn)的變化,對(duì)近30年的北極環(huán)境研究情況進(jìn)行討論,并對(duì)中國(guó)北極環(huán)境研究的發(fā)展提出建議。

1.從發(fā)文數(shù)量來(lái)看,可以將國(guó)際北極環(huán)境研究分為緩慢發(fā)展、高速發(fā)展和穩(wěn)定發(fā)展三個(gè)階段。美國(guó)和加拿大在發(fā)文量上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),中國(guó)雖然起步較晚,但發(fā)文量占比逐年上升,總體來(lái)看,北極八國(guó)以及德、英、法在北極環(huán)境研究中占據(jù)主導(dǎo)地位。作為交叉學(xué)科,北極環(huán)境研究與地質(zhì)學(xué)、動(dòng)物學(xué)和生物技術(shù)與應(yīng)用微生物學(xué)科密切相關(guān),但中國(guó)在北極環(huán)境動(dòng)物方面的研究缺失,在進(jìn)行環(huán)境研究時(shí)可以參考相關(guān)學(xué)科理論與技術(shù),如遙感、模型測(cè)試和生物技術(shù)等,完善環(huán)境研究體系。

2.從研究的合作情況來(lái)看,共有106 個(gè)國(guó)家的231 個(gè)機(jī)構(gòu)參與到北極環(huán)境研究中來(lái)。國(guó)家之間的合作非常有限,主要在北極國(guó)家和歐美國(guó)家之間展開(kāi)。美國(guó)與加拿大雖然發(fā)文數(shù)量最多,但兩國(guó)之間的連接度極低。機(jī)構(gòu)之間的合作分散,主要限于國(guó)家內(nèi)部。中國(guó)主要的合作伙伴是美國(guó)和韓國(guó),中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)極地研究中心在中國(guó)北極環(huán)境研究中占據(jù)重要地位。

3.將關(guān)鍵詞按照研究地點(diǎn)、污染物及其介質(zhì)進(jìn)行分類,發(fā)現(xiàn)北極環(huán)境研究主要在北美大陸、北極島嶼和大洋中進(jìn)行,海冰、凍原、永久凍土和積雪是出現(xiàn)頻次較高的污染物介質(zhì),多氯聯(lián)苯、汞和二氧化碳在環(huán)境污染物研究中占據(jù)主導(dǎo)地位,污染物研究熱點(diǎn)的變化趨勢(shì)是氯代烴—臭氧—重金屬—黑碳,而持久性有機(jī)污染物關(guān)鍵詞突現(xiàn)性始終存在[39-40]。

4.通過(guò)對(duì)國(guó)際和國(guó)內(nèi)的研究主題演進(jìn)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)近十年國(guó)際北極環(huán)境研究主題是北極熊、黑碳、全氟辛烷磺酸鹽、汞和微塑料。中國(guó)在黑碳、微塑料和全氟辛烷磺酸鹽的研究能夠緊跟國(guó)際局勢(shì),并發(fā)揮西藏高原的高度優(yōu)勢(shì)進(jìn)行大尺度的氣候變化研究,但中國(guó)關(guān)于生態(tài)毒理學(xué)的研究存在明顯不足。在進(jìn)行北極環(huán)境研究時(shí),中國(guó)需關(guān)注多氯聯(lián)苯、汞和二氧化碳等近三十年來(lái)占據(jù)研究主導(dǎo)地位的污染物以及黑碳、多環(huán)芳烴和多溴二苯醚等近十年的新興污染物; 從海冰、凍原、永久凍土和積雪等污染物介質(zhì)入手,研究污染物的賦存形式、濃度水平與空間分布; 運(yùn)用地質(zhì)和生物等學(xué)科的理論技術(shù),使用遙感和模型測(cè)試等方法識(shí)別污染源,獲取粒徑分布信息,獲取北極生物數(shù)據(jù)并創(chuàng)新分析方法,進(jìn)行污染物的生物放大效應(yīng)、累積效應(yīng)及潛在生態(tài)毒性的分析; 開(kāi)辟多元化國(guó)際合作渠道,積極建立北極環(huán)境領(lǐng)域科研合作關(guān)系。進(jìn)一步提升中國(guó)在北極地區(qū)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)能力,進(jìn)行北極氣候變化時(shí)間趨勢(shì)的觀察與預(yù)測(cè)。