基于知識圖譜的城市生活垃圾研究前沿分析

陳海濱，楊 禹，姜 維，楊 龑

（華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

作為一個世界性難題，城市生活垃圾困擾著世界上許多國家的城市管理者。2011年，僅中國的城市生活垃圾產(chǎn)生量就達(dá)1.64億t［1］，大量垃圾若不妥善有效處理，將給地方城市的發(fā)展帶來極大的環(huán)境壓力和負(fù)面形象影響。鑒于此，近幾十年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者從不同方面對城市生活垃圾的處理展開了多方位的研究，大體來說，這些方面主要集中在生活垃圾的優(yōu)化管理［2］、生活垃圾處理技術(shù)的改進(jìn)開發(fā)［3-4］、生活垃圾環(huán)境影響［5］等研究上，并取得了一系列卓有成效的研究結(jié)果，極大地提高和改善了區(qū)域生活垃圾污染的治理水平和區(qū)域環(huán)境衛(wèi)生狀況。針對這些研究，部分學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)的回顧和總結(jié)，如生活垃圾處理決策研究綜述［6］、生活垃圾處理系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)回顧［7］等，但是從現(xiàn)有各類出版物來看，鮮有學(xué)者從文獻(xiàn)計量學(xué)的角度系統(tǒng)、綜合地展開研究。

文獻(xiàn)計量學(xué)是以文獻(xiàn)體系和文獻(xiàn)計量特征為研究對象［8］，廣泛用于測量科學(xué)家、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)及科學(xué)出版物［9］，進(jìn)而對科學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀和水平做出客觀的評價。筆者引入文獻(xiàn)計量學(xué)中的引文共引分析法展開城市生活垃圾研究領(lǐng)域的計量學(xué)研究，并借助科學(xué)文獻(xiàn)分析與知識圖譜可視化軟件CiteSpace，利用引文分析可視化技術(shù)，試圖探測和分析本研究領(lǐng)域的主要學(xué)術(shù)期刊、研究熱點(diǎn)、研究前沿及其演變路徑。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

研究數(shù)據(jù)來源于美國科學(xué)情報所（Institute for Scientific Information，ISI）出版的Web of Science（WoS）數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是科學(xué)界中文獻(xiàn)計量學(xué)最為重要的數(shù)據(jù)來源［10］。檢索數(shù)據(jù)庫為WoS下Science Citation Index（SCI）及Social Science Citation Index（SSCI）2個子數(shù)據(jù)庫，檢索詞為“Municipal Solid Waste*”，檢索時間跨度為1998—2013年。

研究方法涉及文獻(xiàn)計量學(xué)及其共引分析方法。文獻(xiàn)計量學(xué)（bibliometric） 是一系列定量分析科學(xué)和技術(shù)文獻(xiàn)的方法集合［11］。共引（co-citation） 表述的是2篇文獻(xiàn)同時被另外一篇文獻(xiàn)引用的一種關(guān)系。共引可以用來測度文獻(xiàn)之間在主題內(nèi)容上的相關(guān)度，共引強(qiáng)度越高，文獻(xiàn)相關(guān)度越高［12］。共引分析（co-citation analysis） 是以具有一定學(xué)科代表性的一批文獻(xiàn)為分析對象，利用聚類分析、多維尺度等多元統(tǒng)計分析方法，借助計算機(jī)，把眾多的分析對象之間錯綜復(fù)雜的共引網(wǎng)狀關(guān)系簡化為數(shù)目相對較少的若干類群之間的關(guān)系并直觀地表示出來，在此基礎(chǔ)上分析研究分析對象所代表的學(xué)科及文獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)［13］。

根據(jù)檢索策略所得檢索結(jié)果共5 693條，文獻(xiàn)類型較多，包括期刊文獻(xiàn)（article，5 335，所占比例 93.7%）、會議論文 （proceeding，446）、評論（review，260），以及少量其他類型的出版物，如編輯資料（editorial material，45）、會議摘要（meeting abstract，35）、校正 （correction，12）、簡訊期刊（letter，4）、書目 （book chapter，3）、新聞條目（newsitem，1） 和再版資料（reprint，1） 等。一般來說，科學(xué)界最為重要的知識來源是經(jīng)過嚴(yán)格的同行評審（peer-reviewed） 程序的、發(fā)表在科學(xué)期刊上的期刊文獻(xiàn)［14］，因此，本研究的后續(xù)內(nèi)容均基于所檢索出的期刊文獻(xiàn)（article）分析。為更好地表現(xiàn)和理解檢索結(jié)果，本文引入CiteSpace軟件［15-16］進(jìn)行可視化研究并對生成的文獻(xiàn)計量圖深入解釋說明。

2 結(jié)果與討論

2.1 期刊分布

城市生活垃圾相關(guān)研究的文章在各個期刊中的分布基本符合布拉德福定律（Bradford’s Law），布拉德福定律是文獻(xiàn)計量學(xué)經(jīng)典定律之一，用于描述科技論文在期刊中的分布規(guī)律，該定律指出在某個研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)計量學(xué)中，少數(shù)的期刊登載著大量的相關(guān)文章，而大部分的期刊僅僅只有少數(shù)的相關(guān)文章登載量，并且包含著大量的只刊登1篇文章的期刊［17］。在本次搜索結(jié)果中，載文量超過100的期刊總共有8種，如表1所示，這8種期刊載文量占據(jù)著文章總數(shù)的39.7%，而期刊數(shù)量僅占總期刊數(shù)的0.01%。

載文量最大的期刊為Waste Management，主要收錄各種固體廢棄物，包括生活垃圾、農(nóng)業(yè)垃圾和特種垃圾的產(chǎn)生、防治、特征、監(jiān)測、處理及處置、再利用等相關(guān)研究的研究成果，其載文量幾近是第2位Waste Management&Research的2倍，占總量的12.43%。Waste Management&Research及Bio-resource Technology載文量也較多，載文比例均超總量的5%。表1中同時也列出了各個期刊的影響因子，從中可以看出各期刊的影響因子與該期刊的載文量并無直接關(guān)系，而與ATGCS表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。在某種意義上，一篇文獻(xiàn)ATGCS可以通過被引數(shù)來說明該文獻(xiàn)的總體質(zhì)量，被引數(shù)越高則代表該文越有價值，期刊中文章整體質(zhì)量則反映著該期刊的質(zhì)量。從期刊的IF及ATGCS來看，Environmental Science&Technology、Chemosphere及Bioresource Technology排名較高，顯示著這3種期刊在城市生活垃圾研究領(lǐng)域中的重要地位。

表1 文章發(fā)表數(shù)前8位的期刊

2.2 研究前沿及其演進(jìn)

本節(jié)利用CiteSpace軟件進(jìn)行文獻(xiàn)共引分析，時間區(qū)間為 2 a，閾值選擇為 （3，3，18）、（4，3，20）、 （7，4，20），分別在前、中、后 3個時間區(qū)間中設(shè)定引文數(shù)量、共引頻次和共引系數(shù)3個層次的閾值，其中具體每個時間區(qū)間的閾值由線性內(nèi)插值確定。術(shù)語來源范圍為題名、摘要、關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)類型為被引文獻(xiàn)（Cited Reference），術(shù)語類型為突現(xiàn)詞（Burst Terms）。使用pathfinder修剪網(wǎng)絡(luò)，靜態(tài)顯示可視化圖并顯示合并網(wǎng)絡(luò)，最后獲得包含785個節(jié)點(diǎn)，2 908條連線，25個聚類的城市生活垃圾引文共引網(wǎng)絡(luò)聚類圖，如圖1所示。

圖1 城市生活垃圾引文共引網(wǎng)絡(luò)聚類示意

在圖1中，每個節(jié)點(diǎn)代表1篇文獻(xiàn)，節(jié)點(diǎn)上環(huán)繞的不同顏色的圓圈代表該文獻(xiàn)在不同年份的引文時間序列，顏色所代表的年份與圖片上方時間軸所顯示的年份保持一致，圓圈的厚度與相應(yīng)年份的引文數(shù)成正比。帶有紫色外圈的節(jié)點(diǎn)表示聚類之間相互關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，紅色節(jié)點(diǎn)則表示該節(jié)點(diǎn)突現(xiàn)值較高，短時間內(nèi)被大量引用［19］。從各聚類的關(guān)鍵成員、聚類特征以及突現(xiàn)詞的深入分析中，可探測到城市生活垃圾研究的研究熱點(diǎn)、研究前沿及其演進(jìn)特點(diǎn)。

2.2.1 研究前沿

研究前沿是指突現(xiàn)的動態(tài)概念和潛在的研究問題，是研究的新趨勢和新動態(tài)，常以施引文獻(xiàn)中的短詞術(shù)語來表現(xiàn)［16］，其特征通常用趨勢（Emergency）和突現(xiàn)（Burst）來表現(xiàn)。CiteSpace可通過檢測突現(xiàn)詞（Burst Terms）和突現(xiàn)文獻(xiàn)，形成突現(xiàn)文獻(xiàn)的施引文獻(xiàn)聚類（Citing Articles Cluster），進(jìn)而探尋某個科學(xué)領(lǐng)域的研究前沿。

本研究在Burst Terms和Cited Reference共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜的基礎(chǔ)上，進(jìn)行聚類分析，并使用LLR算法對聚類網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)注［20］。通過研究聚類名及高突現(xiàn)值的突現(xiàn)詞可確定主要的研究前沿。此外各個聚類中活躍的施引文獻(xiàn)是學(xué)科知識領(lǐng)域研究前沿問題的突出代表，要探測該學(xué)科知識領(lǐng)域在一定時期內(nèi)前沿研究問題，有必要結(jié)合此類施引文獻(xiàn)進(jìn)行分析。

在生成的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜中，聚類圖Q值（模塊性Modularity） 為0.740 5，模塊性較大，說明單個聚類內(nèi)節(jié)點(diǎn)聯(lián)系較多而聚類間節(jié)點(diǎn)聯(lián)系較少。從聚類的結(jié)果來看，城市生活垃圾共被引網(wǎng)絡(luò)共形成25個聚類，各聚類大小差別較大，最大的聚類為聚類13，成員數(shù)202個，最小的為聚類8，成員數(shù)僅1個，不均勻的聚類大小反映出研究前沿問題集中化研究。表2列出了成員數(shù)最多的前4個聚類，以及由LLR算法得出的每個聚類的聚類名稱、剪影度（Silhouette）、平均年份、主要的3篇施引文獻(xiàn)等。剪影度用于評價聚類質(zhì)量，剪影度越高說明該聚類成員相似度越高。

聚類13為主題相關(guān)研究，聚類名為城市生活垃圾（MSW），較高的剪影度表明該聚類成員之間的相似性程度也較高，研究方向比較集中。最為活躍的3篇施引文獻(xiàn)研究的內(nèi)容分別為MSW管理尤其是填埋中的甲烷等溫室氣體的產(chǎn)生于排放、有機(jī)生活垃圾與污泥聯(lián)合厭氧堆肥產(chǎn)氣研究、有機(jī)生活垃圾的厭氧及好氧條件下的模擬填埋等。這3篇文章中的2篇研究對象均是針對生活垃圾中的有機(jī)成分，這與突現(xiàn)詞“有機(jī)組分”相互呼應(yīng)，表明MSW的有機(jī)組分研究是相關(guān)研究的一個研究前沿。

表2 共引網(wǎng)絡(luò)聚類中的四大聚類

第二大聚類為聚類22，其聚類主題為生活垃圾焚燒（爐）（Municipal Solid WasteIncineration（Incinerator），MSWI）。最為活躍的3篇施引文獻(xiàn)均出自S.V.Vassilev，他的系列文章關(guān)注于生活垃圾熱解后的垃圾衍生炭的理化特性分析，包括衍生炭的礦相、化學(xué)成分，痕量元素的分布、來源、富集等，以及垃圾衍生炭燃燒時痕量元素的行為、捕捉、固化等方面。作為一種主流的垃圾處理方式［21］，垃圾焚燒相關(guān)研究一直保持著較高的熱度。垃圾的焚燒過程會產(chǎn)生大量的灰塵，這些灰塵通常含有各種重金屬和鹽類而被歸為危險廢物［22］，如何有效處理焚燒所產(chǎn)生的灰塵受到人們的普遍關(guān)注。垃圾焚燒灰塵包括飛灰和底灰［23］，本聚類中其他較為活躍的施引文獻(xiàn)多關(guān)注于生活垃圾焚燒所產(chǎn)飛灰與底灰的處理研究。同時聚類21也與垃圾焚燒相關(guān)。聚類21主要是針對焚燒所產(chǎn)生飛灰的重金屬（Heavy Metal）污染與治理相關(guān)，如該聚類中最為活躍的施引文獻(xiàn)為E.Bontempi（2010）［24］，該研究提出了一種新的生活垃圾焚燒飛灰固化法，該法以硅溶膠作為重金屬的固化劑對飛灰進(jìn)行無害化處理。除此之外，第四大聚類聚類19也是垃圾焚燒相關(guān)研究。聚類19的研究前沿主題詞為土壤（Soil），從3篇活躍的施引文獻(xiàn)來看，主要是指通過土壤來監(jiān)測生活垃圾焚燒所造成的環(huán)境影響，包括土壤和植物中PCDD/F的含量水平［25-26］。這些聚類及其所代表的研究表明生活垃圾研究前沿的一個重要的方向就是生活垃圾焚燒相關(guān)研究，包括垃圾熱解產(chǎn)生的垃圾衍生炭、垃圾焚燒飛灰處理、垃圾焚燒的環(huán)境影響等。

聚類16剪影度也較高，表明聚類中的研究方向較為集中。聚類16表現(xiàn)出的研究前沿為MSW的堆肥（Composting） 處理。相應(yīng)于該聚類名稱，主要的施引文獻(xiàn)研究方向也集中于堆肥研究。作為三大垃圾處理處置的基本技術(shù)（填埋、焚燒、堆肥），生活垃圾堆肥處理的應(yīng)用十分普遍。垃圾堆肥（MSW-Compost）也是該聚類中出現(xiàn)的一個突現(xiàn)詞。

在文獻(xiàn)計量中，研究前沿最大的表現(xiàn)特征就是突現(xiàn)性，利用CiteSpace提供的突現(xiàn)詞，可進(jìn)一步確認(rèn)和補(bǔ)充城市生活垃圾研究前沿。表3為突現(xiàn)值最高的10個突現(xiàn)詞。對突現(xiàn)詞的分析可以得出，這些研究前沿的主題主要分布在3個方面，其一為垃圾的管理方面，如城市生活垃圾管理（Municipal-Solid-Waste-Management），這些研究包括生活垃圾綜合管理［2］，生活垃圾生命周期管理［27］等；其次為生活垃圾的處理處置相關(guān)研究，如垃圾填埋中甲烷的生產(chǎn)（Methane-Production）、垃圾焚燒（Waste-Incineration）及焚燒中的煙氣（Flue-Gas）處理等；第三為處理對象的研究，如城市生活垃圾（Municipal-Solid-Wastes）、生活垃圾中的有機(jī)成分（Organic-Matter）、市政污泥（Sewage-Sludge，與生活垃圾聯(lián)合處理）等。此外，生活垃圾及生活垃圾處理的環(huán)境影響，全球變暖（Global-Warming）影響、發(fā)展中國家（Developing-Countries）的生活垃圾污染及處理問題也頗受關(guān)注。

表3 突現(xiàn)值最高的10個突現(xiàn)詞

2.2.2 研究前沿的演進(jìn)

CiteSpace使用中心度衡量節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性，中心度高的節(jié)點(diǎn)是聚類之間相互連接的重要樞紐。研究2個聚類間的節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)，結(jié)合聚類的時間分布特征以及內(nèi)部關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時間，利用CiteSpace中的時間軸視圖（圖2），可以較為清晰地梳理出研究前沿的演進(jìn)路徑。

圖2 生活垃圾引文共被引網(wǎng)絡(luò)聚類的時間演進(jìn)示意

整體來看，各個聚類長度（時間跨度）不一，共引關(guān)系及節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布也不盡一致。有些聚類出現(xiàn)的時間很短，且比較獨(dú)立，與其他聚類聯(lián)系較少，也沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)折意義的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，出現(xiàn)一段時間很快就消失了，如視圖上方的聚類0到聚類9及聚類24、25，涉及生活垃圾的特性、預(yù)處理研究、聚乙烯垃圾的焚燒、垃圾焚燒底灰處理、有機(jī)組分的土壤修復(fù)效果等，說明這些方面的研究未能引起其他研究者的注意而無后續(xù)研究。另外有一部分聚類長度不是很長，但聚類內(nèi)聯(lián)系緊密，且從共被引發(fā)生的時間來看，聚類出現(xiàn)的年代較早，如聚類15（好氧填埋）、聚類19（土壤）、聚類20（二苯并呋喃）、聚類21（生活垃圾焚燒爐飛灰）、聚類23（好氧生物降解）等，上述方面研究較為成熟但仍缺乏后來研究者的持續(xù)研究。時區(qū)圖中值得注意的是部分研究出現(xiàn)時間較近的聚類，包括聚類10（不確定性）、聚類16（堆肥）、聚類18（生命周期評價）、聚類22（垃圾焚燒） 等，這些聚類內(nèi)部及聚類間聯(lián)系均十分緊密，代表著現(xiàn)今城市生活垃圾研究的最新方向和熱點(diǎn)。其中不確定性研究始于20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的文獻(xiàn)L.A.Zadeh（1965），蓬勃發(fā)展于90年代初期；垃圾堆肥貫穿于整個研究區(qū)間，但早期研究較為零星，經(jīng)A.Tessier（1979） 的推動和R.T.Haug（1993） 的發(fā)展步入迅速發(fā)展期，并自21世紀(jì)來涌現(xiàn)眾多研究前沿如生活垃圾與市政污泥的聯(lián)合堆肥、有機(jī)垃圾堆肥及最近的微生物活性研究等；相對來說，生命周期評價發(fā)展較晚，出現(xiàn)于20世紀(jì)末，對于其發(fā)展，ISO 14040—2006功不可沒；圖中反映出生活垃圾焚燒相關(guān)研究始于20世紀(jì)70年代末80年代初，經(jīng)過近10 a的緩慢發(fā)展，于90年代步入快速發(fā)展階段，關(guān)鍵研究成果包括C.S.Kirby（1993）、T.T.Eighmy（1995） 和 J.A.Meima（1997） 等。

3 結(jié)論

利用CiteSpace，應(yīng)用文獻(xiàn)計量學(xué)中的文獻(xiàn)共被引分析來深入探討特定領(lǐng)域的研究前沿及其演進(jìn)路徑，研究結(jié)果表明在該法中，通過聚類分析及對關(guān)鍵詞及關(guān)鍵文獻(xiàn)的共被引頻次、突現(xiàn)值、中心度等的分析可以有效地探測研究領(lǐng)域的前沿問題，對把握該領(lǐng)域的曾經(jīng)的熱點(diǎn)問題、最新研究進(jìn)展及發(fā)展軌跡等方面意義重大。此外，本研究中的數(shù)據(jù)來源、研究方法和研究結(jié)果在城市生活垃圾研究中也有一定的現(xiàn)實(shí)啟發(fā)意義?？傮w來說，本研究探索性較強(qiáng)，初始條件的設(shè)定和結(jié)果的解讀均具有一定的主觀性。另外結(jié)果中關(guān)鍵文獻(xiàn)的分析仍需要通過各文獻(xiàn)作者及相關(guān)方面專家的進(jìn)一步驗證判讀，后續(xù)研究中需展開進(jìn)一步深入的研究。

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