基于文獻(xiàn)計(jì)量的全球海洋酸化研究狀況分析

陳 芃,陳新軍,陳長(zhǎng)勝,胡飛飛

1 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306 2 海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過(guò)程功能實(shí)驗(yàn)室,青島國(guó)家海洋科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,青島 266237 3 大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201306 4 國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海 201306 5 農(nóng)業(yè)部大洋漁業(yè)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201306 6 美國(guó)麻省大學(xué)達(dá)特茅斯分校海洋科學(xué)學(xué)院漁業(yè)海洋學(xué)部,新貝德福德 02744,美國(guó)

2003年,海洋酸化(Ocean acidification)的概念由Caldeira等[1]提出,將其特指人類持續(xù)排放二氧化碳增加而導(dǎo)致海水pH降低的現(xiàn)象,他們以聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)提出的IS92a二氧化碳排放模式為依據(jù),認(rèn)為到了2300年左右全球表層海洋的pH將降低0.77個(gè)單位。這種海水酸化的現(xiàn)象可能會(huì)對(duì)海洋生物及生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響,因此,該概念的提出引起了學(xué)者們的廣大興趣,他們基于各自不同的專業(yè)角度對(duì)海洋酸化的現(xiàn)象、機(jī)制和影響展開(kāi)了諸多研究。在該概念提出的十余年后的今天,對(duì)海洋酸化研究現(xiàn)狀的梳理有助于從整體把握其研究現(xiàn)狀,揭示其中存在的問(wèn)題及研究前沿方向。國(guó)內(nèi)外已有不少關(guān)于海洋酸化研究的綜述文獻(xiàn)出現(xiàn)：例如：2011年,Gattuso等[2]出版了專著《Ocean acidification》,該專著匯編了諸多學(xué)者之前對(duì)海洋酸化現(xiàn)象和機(jī)理的研究成果并重點(diǎn)闡述了海洋酸化對(duì)不同類型海洋生物的影響;唐啟升等[3]綜述了海洋酸化及其與海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系的相關(guān)研究;張成龍等[4]則專門(mén)闡述了海洋酸化對(duì)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的影響的相關(guān)成果。然而,文獻(xiàn)綜述雖然能夠?qū)σ欢〞r(shí)期內(nèi)已有研究成果、存在問(wèn)題進(jìn)行分析、歸納、整理和評(píng)述,同時(shí)預(yù)測(cè)發(fā)展、研究的趨勢(shì)[5],但是,這種方法通?；跉w納和總結(jié)已有研究的基礎(chǔ)上,學(xué)者對(duì)文獻(xiàn)的選擇存在很強(qiáng)的主觀性,研究成果較多的情況下難免存在遺漏。此外綜述中未有一篇文獻(xiàn)能夠完全概括目前海洋酸化所涉及的學(xué)科內(nèi)容：以ISI Web of Science期刊引文數(shù)據(jù)庫(kù)為例,以“Ocean acidification”為主題詞同時(shí)標(biāo)題中包含“review”進(jìn)行檢索,共檢索到的文獻(xiàn)有58篇(截至2017年7月),對(duì)這些文獻(xiàn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),幾乎所有的綜述都是總結(jié)海洋酸化對(duì)某一具體問(wèn)題的研究結(jié)果,例如Lemasson等[6]總結(jié)了海洋酸化對(duì)牡蠣生物學(xué)影響的研究成果;Segman等[7]則通過(guò)綜合扇藻屬(Padinasp.)的一些藻類的研究,揭示出海洋酸化對(duì)鈣化藻類的影響。然而,海洋酸化所涉及的整體知識(shí)框架如何？研究熱點(diǎn)隨著時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化及前沿研究問(wèn)題有哪些？

針對(duì)這些問(wèn)題,研究采用文獻(xiàn)計(jì)量分析(Bibliometric analysis)的方法,以海洋酸化概念提出后(2004年以后)ISI Web of Science期刊引文數(shù)據(jù)庫(kù)中涉及到海洋酸化研究的所有文獻(xiàn)為樣本,對(duì)文獻(xiàn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)及期刊分布進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì),并基于關(guān)鍵詞的知識(shí)圖譜及突變分析的方法探究不同時(shí)期研究海洋酸化的熱點(diǎn)關(guān)注方向。研究以期能夠客觀地揭示海洋酸化的研究態(tài)勢(shì),為學(xué)者整體把握其研究現(xiàn)狀提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣本來(lái)源

研究的文獻(xiàn)樣本來(lái)源于ISI Web of Science期刊引文數(shù)據(jù)庫(kù)中的Web of Science核心合集。以“Ocean acidification”為主題詞進(jìn)行文獻(xiàn)檢索,檢索時(shí)間為海洋酸化概念提出后的2004年至2018年2月。提取結(jié)果中的論文題目、發(fā)表年份、作者、關(guān)鍵詞和引用文獻(xiàn)作為分析樣本。

1.2 方法

1.2.1 描述統(tǒng)計(jì)

描述統(tǒng)計(jì)分為文獻(xiàn)增長(zhǎng)規(guī)律及期刊分布規(guī)律分析。文獻(xiàn)增長(zhǎng)規(guī)律即分年份統(tǒng)計(jì)涉及海洋酸化的文獻(xiàn)數(shù)量,以期能夠從整體把握學(xué)者對(duì)海洋酸化的關(guān)注趨勢(shì);期刊分布規(guī)律即分不同期刊統(tǒng)計(jì)研究海洋酸化涉及的文章數(shù)量,以期對(duì)海洋酸化所涉及到的學(xué)科有著初步的了解。

1.2.2 基于關(guān)鍵詞的呈現(xiàn)知識(shí)圖譜

知識(shí)圖譜是以科學(xué)知識(shí)為研究對(duì)象,以一定的方法描述科學(xué)知識(shí)的發(fā)展進(jìn)程與結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種圖形[8],顯示了知識(shí)與知識(shí)之間的聯(lián)系[9]。以海洋酸化為例,科學(xué)家們對(duì)海洋酸化的研究側(cè)重點(diǎn)不同,一些研究可能主要描述海洋酸化的現(xiàn)象,而另外一些文獻(xiàn)則可能描述了海洋酸化對(duì)貝類、珊瑚礁的影響;同時(shí)在不同時(shí)期,學(xué)者可能關(guān)注的熱點(diǎn)知識(shí)也不一樣。因此研究利用共詞分析(Co-word analysis)的方法以研究海洋酸化文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞為指標(biāo),畫(huà)出不同時(shí)期研究海洋酸化的共現(xiàn)知識(shí)圖譜,探究海洋酸化熱點(diǎn)關(guān)注方向隨時(shí)間變動(dòng)的規(guī)律?；驹砗筒襟E闡述如下：

(1)基本原理

文章的關(guān)鍵詞能夠集中概括研究的內(nèi)容。共詞分析基本原理和假設(shè)為[10]：同時(shí)出現(xiàn)在一篇文獻(xiàn)的一組(兩個(gè)或兩個(gè)以上)關(guān)鍵詞在內(nèi)容上存在著一定的聯(lián)系;一組關(guān)鍵詞在許多篇文獻(xiàn)中的同時(shí)出現(xiàn)則表示這組關(guān)鍵詞的關(guān)系密切。因此在知識(shí)圖譜中,將關(guān)鍵詞作為一個(gè)節(jié)點(diǎn),這一組關(guān)鍵詞所代表的“密切關(guān)系”就能通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的連線進(jìn)行連接,繪制這樣許多組關(guān)鍵詞的聯(lián)系就形成了基于關(guān)鍵詞的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)圖譜。研究將時(shí)間劃分為三個(gè)時(shí)期：海洋酸化提出初期(2004—2009年)、中期(2010—2015年)和近期(2016年以后)。首先統(tǒng)計(jì)每一個(gè)時(shí)期發(fā)表的文獻(xiàn)中關(guān)鍵詞的出現(xiàn)次數(shù),在去除涉及海洋酸化本身的關(guān)鍵詞(如ocean acidification和seawater acidification)并且合并意思明顯相同的關(guān)鍵詞(如carbon dioxide和CO2)后,以出現(xiàn)頻次排名前30的關(guān)鍵詞作為熱點(diǎn)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析。共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的繪制和優(yōu)化分別利用Kamada&Kawai算法[11]和Pathfinder算法[12]實(shí)現(xiàn)。

(2)聚類分析和關(guān)鍵詞中間中心度(Betweenness centrality)的計(jì)算

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)中的聚類分析是以兩兩關(guān)鍵詞同時(shí)出現(xiàn)的頻率為基礎(chǔ),利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法將復(fù)雜的關(guān)鍵詞網(wǎng)狀關(guān)系簡(jiǎn)化為幾個(gè)相對(duì)較少的幾個(gè)類群的過(guò)程[13],通過(guò)這種辦法可以判斷出一定時(shí)期內(nèi)學(xué)者關(guān)注的幾個(gè)重點(diǎn)。聚類分析具體方法見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。利用模塊性Q值(modularity)判斷聚類分析結(jié)果的好壞[14-15]：模塊性取值為0—1,最佳取值范圍為0.4—0.8,其值較低表示聚類界限不顯著,其值過(guò)高則表示類群間聯(lián)系過(guò)少。類群的具體意義借助關(guān)鍵詞和關(guān)鍵詞的中間中心度判斷：中間中心度為具體的數(shù)值,一個(gè)關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)連接的其它關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)越多則中間中心度越高,中間中心度高的關(guān)鍵詞可以在一定程度上反映出該類群研究的側(cè)重點(diǎn)[16-17],中間中心度的計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。

1.2.3 突變檢測(cè)

突變理論表明[18],一篇文章若在某段時(shí)間內(nèi)被引頻次激增,則表明該篇文獻(xiàn)的內(nèi)容可能為新的研究方向,即研究前沿。利用Kleinberg[19]的突變檢測(cè)算法對(duì)涉及海洋酸化的研究前沿進(jìn)行探測(cè),該算法利用了概率自動(dòng)機(jī)的原理,將一篇文章的被關(guān)注情況與其一段時(shí)間內(nèi)的被引頻次相關(guān),即其被關(guān)注的開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間與被引頻次發(fā)生顯著增加及減少(突變)的狀況有關(guān),由此判斷出該篇文獻(xiàn)是否在一段時(shí)間內(nèi)被學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注,并給出這段時(shí)間的起止年份及突變強(qiáng)度(burst strength),突變強(qiáng)度表示結(jié)果的可信度。取樣本文獻(xiàn)中的被引次數(shù)排名前10%的參考文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)算,分析當(dāng)前(2018年2月)還處于熱點(diǎn)關(guān)注的文獻(xiàn),由此確定目前海洋酸化研究的前沿領(lǐng)域。

1.3 分析軟件

以上分析利用文獻(xiàn)計(jì)量軟件Citespace 5.1.R6進(jìn)行[20]。

2 結(jié)果

2.1 描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.1.1 文獻(xiàn)增長(zhǎng)規(guī)律

圖1 海洋酸化研究歷年(2004年至2018年2月)來(lái)發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量Fig.1 Annual numbers (from 2004 to the February of 2018) of literatures about the studies of ocean acidification

截至2018年2月,關(guān)于海洋酸化的文獻(xiàn)總計(jì)5275篇?？傮w上,涉及海洋酸化的研究文獻(xiàn)數(shù)量呈現(xiàn)激增的態(tài)勢(shì)(圖1)：2004的文獻(xiàn)數(shù)量為6篇;2005—2008年的4年,發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量就由十位數(shù)(17篇,2005年)達(dá)到百位數(shù)(105篇,2008年);2017年的文獻(xiàn)數(shù)量已達(dá)到864篇,為這幾年中發(fā)表文章數(shù)量最高的年份;到了2018年,雖然研究統(tǒng)計(jì)的月份只到2月份,但是其數(shù)量已達(dá)到119篇?？梢?jiàn)基于海洋酸化的研究是這十多年來(lái)科學(xué)界的熱點(diǎn)話題。

2.1.2 期刊分布規(guī)律分析

表1統(tǒng)計(jì)了刊登海洋酸化的研究文獻(xiàn)最多的前20種期刊,它們包含的文獻(xiàn)數(shù)量占所有檢索文獻(xiàn)的44.95%。根據(jù)對(duì)這20種期刊類型的分析,研究海洋酸化不僅包含了如海洋學(xué)(如《ICES Journal of Marine Science》和《Oceanography》)和生物學(xué)(如《Integrative and Comparative Biology》)這樣的傳統(tǒng)學(xué)科,而且涉及到許多學(xué)科交叉的內(nèi)容,如生物地理學(xué)(如《Biogeosciences》)、海洋生物學(xué)(如《Marine Biology》)和地球物理學(xué)(如《Geophysical Research Letters》),這表明海洋酸化的研究需要多學(xué)科的共同參與;同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn),在這20種期刊中總共有19種期刊的影響因子在2.0以上,另外包含著諸如《Scientific Reports》和《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》這樣的綜合類期刊,此外,備受自然科學(xué)界關(guān)注的主流期刊《Science》以50的文獻(xiàn)數(shù)排名第23位,這些都表明了,海洋酸化的研究受到了國(guó)外主流學(xué)術(shù)界的關(guān)注;此外,在這20種期刊中包含一種專門(mén)研究珊瑚礁的期刊——《Coral Reefs》,這在一定程度上表明了海洋酸化對(duì)珊瑚礁的影響是這十年來(lái)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

2.2 基于關(guān)鍵詞的共現(xiàn)知識(shí)圖譜

圖2為基于關(guān)鍵詞的海洋酸化知識(shí)圖譜的呈現(xiàn),其中圓點(diǎn)為關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn),圓點(diǎn)的大小代表其中間中心度。通過(guò)聚類分析,可以將在海洋酸化研究初期(2004—2009年)、中期(2010—2015年)和近期(2016年以后)的研究的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞分別分成的5類、11類和11類(圖2),模塊性Q值分別為0.4625,0.3144和0.663。表明對(duì)海洋酸化研究初期和近期的聚類效果良好,中期效果不佳。在知識(shí)圖譜中,兩個(gè)類群若存在一定的關(guān)系則它們中的關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)就會(huì)越靠近,導(dǎo)致兩個(gè)類群存在重疊(如圖2a中的類群1和類群3);而中期(圖2b)的幾個(gè)大的類群都有著重疊的情況出現(xiàn),即為這個(gè)時(shí)期聚類效果不佳的原因。

表1 刊登海洋酸化的研究文獻(xiàn)最多的前20種期刊

圖2 基于關(guān)鍵詞的呈現(xiàn)知識(shí)圖譜Fig.2 Keywords based co-occurrence mapping knowledge domain

對(duì)初期類群中的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析(表2),類群1圍繞著鈣化一詞,中間中心度最大(0.79),其次為氣候變化(0.34),其中珊瑚礁相關(guān)的詞匯最多,可見(jiàn)其表示著海洋酸化對(duì)珊瑚礁等生物影響的研究;類群2圍繞著二氧化碳一詞,中間中心度最大(0.32),同時(shí)包含著一些涉及海洋酸化的基礎(chǔ)詞匯(如海水、酸堿度和方解石等),表明該類群的關(guān)鍵詞重點(diǎn)為對(duì)海洋酸化本身現(xiàn)象的認(rèn)識(shí);類群3圍繞著赫氏顆石藻(emilianiahuxleyi)一詞,中間中心度最大(0.42),同時(shí)還包含著與類群1相似的關(guān)鍵詞如鈣化率,表明類群3與類群1相似,都是研究海洋酸化對(duì)海洋浮游生物的影響,這一點(diǎn)也可以從圖2a中的類群1與類群3存在部分重疊上看出;類群4中心度最大的兩個(gè)詞為影響(0.13)和人類排放二氧化碳(0.1),推測(cè)這一部分關(guān)鍵詞可能代表是人類二氧化碳排放造成海洋酸化影響機(jī)制的研究;類群5中的關(guān)鍵詞過(guò)少,無(wú)法直接判斷該類群代表的具體內(nèi)容,但是該類群與類群2存在重疊現(xiàn)象,同樣類群4與類群2也存在重疊現(xiàn)象(圖2a),根據(jù)詞義可知該類群可能代表結(jié)合模型對(duì)海洋酸化現(xiàn)象的一些研究。

表2對(duì)不同時(shí)期研究海洋酸化文獻(xiàn)中出現(xiàn)頻次最高(前30)的關(guān)鍵詞聚類分析結(jié)果

Table2Resultsofclusteranalysistothekeywordswiththehighestfrequency(the top 30)fortheliteraturesofoceanacidificationindifferentstage

對(duì)中期類群中的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析(表2),與初期類似,類群1圍繞著鈣化一詞,中間中心度最大(0.27),同樣也包含著較多的珊瑚礁相關(guān)的詞匯,表明該類群同樣代表海洋酸化對(duì)珊瑚礁等生物影響的研究;類群3則代表了海洋酸化對(duì)海洋浮游生物的影響,相較于初期,赫氏顆石藻的中心度降低,而海洋浮游植物和光合作用的中心度最高(0.15),但是類群1與類群3存在重疊,此外類群4包含了關(guān)鍵詞海膽,與類群1也有著重疊(圖2中期),表明這三個(gè)類群都是海洋酸化對(duì)生物影響研究的體現(xiàn);類群2圍繞著二氧化碳一詞,中間中心度最大(0.34),結(jié)合其它關(guān)鍵詞(如海水和碳酸等)可以判斷出這個(gè)類群與初期類似,為對(duì)海洋酸化本身現(xiàn)象的認(rèn)識(shí),與初期不同的是,該類群同時(shí)與類群1和類群3都具有重疊(圖2中期),表明這一時(shí)期的海洋酸化研究在海洋生物上的傾斜;類群4以后的7個(gè)類群僅包含著1個(gè)或2個(gè)關(guān)鍵詞,大多無(wú)法直接判斷具體的研究?jī)?nèi)容且節(jié)點(diǎn)與其它類群不存在聯(lián)系(圖2中期),但類群8和類群9可以分別表明新的熱點(diǎn)研究區(qū)域(南大洋)和研究方向(海洋酸化與生物多樣性)。

對(duì)近期類群中的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析(表2),類群1中關(guān)鍵詞生長(zhǎng)的中心度最高(0.42),同時(shí)還包含了海洋浮游植物、光合作用等生物方面的詞匯,可以看出類群1代表的是海洋酸化浮游植物的影響,同時(shí)可以看出該類群除了與類群4重疊以外,與其它類群均沒(méi)有發(fā)生重疊,表明與初期類似,該研究又重新單獨(dú)出現(xiàn)為一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域;類群2圍繞二氧化碳一詞,中間中心度最大(0.6),與中期類似,為對(duì)海洋酸化本身現(xiàn)象的認(rèn)識(shí);類群3氣候變化的中間中心度最高(0.87),同時(shí)包含著海洋生態(tài)系統(tǒng)和魚(yú)類等詞表明,該類群代表了海洋酸化對(duì)生物及生態(tài)系統(tǒng)的影響,同時(shí)研究對(duì)象擴(kuò)展到魚(yú)類;類群4除了群落一詞以外,均是關(guān)于珊瑚礁的詞匯,表示著海洋酸化對(duì)珊瑚礁等生物影響的研究;類群5以后的7個(gè)類群關(guān)鍵詞較少(圖2后期),但是類群8紫貽貝(mytilusedul)一詞的出現(xiàn)可以表明海洋酸化對(duì)該種類影響的研究為目前新的內(nèi)容。總的來(lái)說(shuō),雖然近期的類群聚類效果較好,類群較為分開(kāi),但是主要的幾個(gè)類群均含有生物相關(guān)的詞匯表明海洋酸化對(duì)海洋生物的影響研究依舊占據(jù)著主流方向,其研究?jī)?nèi)容與初期類似。

綜上所述,總體上,在海洋酸化研究初期,研究?jī)?nèi)容主要分為兩個(gè)部分,一是海洋酸化對(duì)海洋生物(尤其是珊瑚礁生物及浮游植物)及生態(tài)系統(tǒng)的影響;二是對(duì)海洋酸化現(xiàn)象的認(rèn)識(shí);中期,研究?jī)?nèi)容與初期相似,研究重點(diǎn)往海洋生物上傾斜,同時(shí)有新的熱點(diǎn)研究區(qū)域和研究方向的出現(xiàn);近期,海洋酸化對(duì)海洋生物影響的研究依舊占據(jù)著主流方向。

2.3 突變分析結(jié)果

對(duì)樣本文獻(xiàn)中的參考文獻(xiàn)進(jìn)行突變檢測(cè),共檢測(cè)到182篇文獻(xiàn)。其中當(dāng)前(2018年2月)還處于熱點(diǎn)關(guān)注狀態(tài)的文獻(xiàn)共有39篇(表3),根據(jù)對(duì)這些文獻(xiàn)的分析,發(fā)現(xiàn)可以分成以下5個(gè)類別：

類別1：海洋酸化對(duì)海洋生物的影響;類別2：海洋酸化現(xiàn)象及機(jī)理;類別3：海洋酸化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響;類別4：海洋酸化與生物進(jìn)化;類別5：其它,為背景及應(yīng)用文獻(xiàn),如氣候變化現(xiàn)狀的研究(Bopp等和Stocker等,表3)。

表3 基于突變分析得到的當(dāng)前海洋酸化研究的熱點(diǎn)關(guān)注的文獻(xiàn)(截至2018年2月)

3 討論與分析

3.1 文獻(xiàn)計(jì)量分析效果的評(píng)價(jià)

相對(duì)于文獻(xiàn)綜述,文獻(xiàn)計(jì)量分析方法可以避免分析研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)時(shí)對(duì)文獻(xiàn)選擇的主觀性,利用文獻(xiàn)本身的內(nèi)在聯(lián)系客觀地描述問(wèn)題[21]。如本研究中,利用描述統(tǒng)計(jì)對(duì)研究海洋酸化的文獻(xiàn)增長(zhǎng)及期刊分布規(guī)律進(jìn)行分析,得到了這10年來(lái)海洋酸化研究的基本情況：2004—2017年,涉及海洋酸化的研究文獻(xiàn)數(shù)量呈現(xiàn)激增的態(tài)勢(shì)(圖1),研究學(xué)科交叉明顯,海洋酸化對(duì)珊瑚礁及海洋浮游植物的影響是這十年來(lái)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域(表2)。但是對(duì)基于關(guān)鍵詞的知識(shí)圖譜進(jìn)行聚類時(shí),雖然能夠看出不同時(shí)期研究的熱點(diǎn)方向,研究中期的聚類效果并不好(圖2),這一方面是研究本身的現(xiàn)狀決定的,另一方面,該方法的不確定性來(lái)源于高頻關(guān)鍵詞數(shù)量的選擇[13],高頻詞數(shù)量過(guò)少,可能不能涵蓋分析的所有內(nèi)容,數(shù)量過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致最終聚類類群過(guò)多。因此研究后續(xù)加入突變分析進(jìn)行補(bǔ)充,突變分析使用到的被引次數(shù)排名前10%的參考文獻(xiàn)實(shí)際最低的引用次數(shù)為2,基本涵蓋了學(xué)者們的關(guān)注內(nèi)容,而得到的目前還處于熱點(diǎn)關(guān)注文獻(xiàn)中(表3),共有26篇(類別1和類別4)涉及到生物方向,這也側(cè)面佐證了海洋酸化對(duì)海洋生物影響的研究占據(jù)著研究的主流方向的結(jié)果。此外通過(guò)閱讀突變分析得到的熱點(diǎn)關(guān)注文獻(xiàn)內(nèi)容,還可以對(duì)研究前沿方向有著清晰的判斷。

3.2 海洋酸化的前沿問(wèn)題

圖3 當(dāng)前海洋酸化研究?jī)?nèi)容總結(jié)Fig.3 Summary of present studies for the ocean acidification

根據(jù)對(duì)表3文獻(xiàn)的分析,研究認(rèn)為當(dāng)前海洋酸化的研究可以分為海洋學(xué)、生物學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)層面(圖3)。具體來(lái)說(shuō),存在以下5個(gè)前沿方向：

3.2.1在探究海洋酸化與生物的關(guān)系之時(shí)需結(jié)合多因子討論

在涉及海洋酸化對(duì)生物影響研究的文章中,一些研究以海洋酸化作為單一因子,分析其對(duì)生物的不利影響,例如Beniash等[22]發(fā)現(xiàn),東牡蠣(Crassostreavirginica)的幼體在高酸性海水的條件下,其死亡率會(huì)增加,同時(shí)酸性海水還會(huì)降低東牡蠣殼的硬度及韌性。然而也有研究者發(fā)現(xiàn),將海洋酸化結(jié)合其它因子共同探究其對(duì)生物的影響后,有可能產(chǎn)生其它不同的結(jié)果,這種結(jié)果可能是更加不利的,也有可能其它因子會(huì)緩和海洋酸化帶來(lái)的不利影響：例如Byrne等[23]通過(guò)對(duì)海洋酸化和海水變暖海洋無(wú)脊椎生物影響的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述分析發(fā)現(xiàn),一些物種會(huì)受到來(lái)自海洋酸化和海水變暖兩方面的負(fù)影響,這種影響不僅可以是累加的(additive,如巴拿馬濱珊瑚Poritespanamensis)也可以是協(xié)調(diào)的(synergistic,即兩種因素同時(shí)還存在交互產(chǎn)生額外負(fù)影響,如柔枝軸孔珊瑚Acroporatenuis);但是對(duì)于一些種類,兩種因素的會(huì)相互抵消(antagonistic)：如白棘三列海膽(Tripneustesgratilla)在海水溫度增加3℃的條件下會(huì)減少海洋酸化對(duì)其骨質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的負(fù)影響。Mcculloch等[24]也曾發(fā)現(xiàn),雖然萼柱珊瑚(Stylophorapistillata)和濱珊瑚屬(Poritesspp.)種類的鈣化情況在海洋酸化條件下會(huì)惡化,但是由于其體內(nèi)與溫度相關(guān)的pH上調(diào)(up-regulation)機(jī)制的存在,在結(jié)合全球變暖因素后,其鈣化情況甚至可能會(huì)提高。還有研究表明[25],海洋酸化對(duì)海洋生物的影響會(huì)隨著種類生活史階段的不同而不同：一般成熟的個(gè)體或大型種類對(duì)抗海洋酸化的能力比幼年個(gè)體或小型種類強(qiáng)。以上例子表明,結(jié)合單一一個(gè)因子對(duì)問(wèn)題的探究有可能造成認(rèn)識(shí)的偏差,若要正確認(rèn)識(shí)海洋酸化對(duì)生物的影響,需考慮物種生活史及其它環(huán)境因子的共同作用。

3.2.2 探索生物在海洋酸化下的內(nèi)在應(yīng)對(duì)機(jī)制

此外,生物對(duì)于海洋酸化條件存在著馴化：例如Dupont等[28]等在對(duì)一種橈足類(Pseudocalanusacuspes)的培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn),與生活在低二氧化碳的條件的親體相比,高二氧化碳的條件下會(huì)造成其繁殖力的下降,但是若將生活在低二氧化碳條件的親體暴露于高二氧化碳的環(huán)境,其繁殖力下降程度要比已經(jīng)生活在高二氧化碳的條件一個(gè)世代的親體高28%。這表明生物對(duì)于海洋酸化條件存在著馴化機(jī)制。此外,在海洋酸化的條件下由于表觀遺傳多樣性及基因多樣性,物種同樣存在著適應(yīng)及進(jìn)化的可能性[29]。例如對(duì)在低pH條件下培養(yǎng)了七天的紫色球海膽(Strongylocentrotuspurpuratus)幼體檢測(cè)發(fā)現(xiàn),涉及骨架構(gòu)成及pH調(diào)節(jié)的等位基因發(fā)生改變,這種改變能夠使得該物種更適應(yīng)海洋酸化的環(huán)境[30]。然而,一般的探究海洋酸化與生物關(guān)系的實(shí)驗(yàn)常常是短期、單世代的[31],海洋酸化卻是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的氣候變化,物種存在馴化和進(jìn)化的可能性很高。因此,在探究生物在海洋酸化下的應(yīng)對(duì)機(jī)制時(shí),還需要關(guān)注物種自身由于馴化和進(jìn)化產(chǎn)生的適應(yīng)性,對(duì)于這方面的研究,一方面我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,基于保證海洋生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的目的,進(jìn)化并不是拯救海洋生物的萬(wàn)靈藥,而是要將這一部分的不確定性應(yīng)用到后續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)測(cè)和管理中[29];另一方面,雖然我們不能研究所有生物的進(jìn)化,但是可以有所選擇：首先應(yīng)該結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能選取其中的關(guān)鍵種,同時(shí),優(yōu)先研究進(jìn)化可能性較高的動(dòng)物,比如世代轉(zhuǎn)化快、種群有著龐大物種(基因庫(kù))的小型浮游植物[31]。

3.2.3 海洋酸化影響下的生物響應(yīng)的綜合評(píng)估及預(yù)測(cè)

通過(guò)前兩點(diǎn)的描述,可以看到生物在海洋酸化條件下的豐富的響應(yīng)情況,那么在這種包含有利和不利響應(yīng)的證據(jù)下,整體或者未來(lái)的生物的狀況如何？例如,Chan等[32]就發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)在海洋酸化的條件下,不同的研究對(duì)珊瑚蟲(chóng)的鈣化率變化得到的結(jié)果不同：每下降一個(gè)單位的方解石飽和度鈣化率變化有正有負(fù),為- 66%—25%,因此他們利用Meta分析的方法綜合分析了25組現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為對(duì)于整個(gè)海洋珊瑚蟲(chóng)群落,當(dāng)前這個(gè)數(shù)值應(yīng)為- 15%,同時(shí)預(yù)測(cè)在2100年總體珊瑚礁的鈣化率會(huì)下降22%。Wittmann等[33]則預(yù)測(cè)在2100年(預(yù)測(cè)到的大氣二氧化碳分壓的摩爾分?jǐn)?shù)為0.0936%)時(shí),魚(yú)類、甲殼類,珊瑚蟲(chóng)、棘皮動(dòng)物和軟體動(dòng)物都會(huì)受到海洋酸化帶來(lái)的負(fù)的影響,其中后面三個(gè)種類受到的影響比前面兩個(gè)大。Chan等[32]和Wittmann等[33]的研究都用了Meta分析的方法,相同的方法還可見(jiàn)Harvey等[25]。但是,Meta分析存在著其分析固有的缺陷,Harvey等[25]就指出,它是對(duì)研究者所選研究結(jié)果的量化總結(jié), Meta分析的極大依賴于研究者對(duì)研究結(jié)果的主觀選擇,將物種合成一大類同時(shí)還會(huì)掩蓋住物種的特異性。今后的分析中,建議在充分了解物種對(duì)海洋酸化響應(yīng)、物種的中間關(guān)系的基礎(chǔ)上,結(jié)合物理海洋學(xué)和生態(tài)學(xué)的方法,采用生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行綜合研究。

3.2.4 探索海洋酸化對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響

生物在海洋酸化下的豐富的響應(yīng)同樣會(huì)帶來(lái)物種關(guān)系的改變,最終可能改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。雖然突變分析探測(cè)出相關(guān)方面的文章較少,只有5篇,且大多都為綜述類理論研究文章(表3),但是這可以表明學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始將視野逐漸轉(zhuǎn)到生態(tài)系統(tǒng)這一整個(gè)海洋大系統(tǒng)上。這里僅分析Gaylord等提供的相關(guān)理論研究結(jié)果以具體描述目前的研究?jī)?nèi)容[34]：基于海洋生態(tài)系統(tǒng)的角度海洋酸化的研究存在以下3個(gè)基本觀點(diǎn)：觀點(diǎn)一：海水二氧化碳的增加為初級(jí)生產(chǎn)者提供了生產(chǎn)力;觀點(diǎn)二：海洋酸化會(huì)給許多消費(fèi)者生存帶來(lái)能量消耗;觀點(diǎn)三：生物間的相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)是研究海洋酸化對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)影響的關(guān)鍵所在。具體來(lái)說(shuō),觀點(diǎn)一有可能會(huì)是正影響,因?yàn)楹Ｑ笏峄瘜?duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了更多的碳源;觀點(diǎn)二表明了各種消費(fèi)者在海洋酸化條件下維持生存的額外消耗,這屬于生物學(xué)層面的研究?jī)?nèi)容;而觀點(diǎn)三中的相互聯(lián)系包含了很多方面的內(nèi)容：海洋酸化可能會(huì)對(duì)消費(fèi)者的初級(jí)生產(chǎn)力利用產(chǎn)生的負(fù)影響、對(duì)種群內(nèi)部以及種群間過(guò)程和聯(lián)系(競(jìng)爭(zhēng)、捕食和互助關(guān)系)的影響、對(duì)群落結(jié)構(gòu)的影響、種群結(jié)構(gòu)和群落結(jié)構(gòu)對(duì)海洋酸化的馴化和適應(yīng)及生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性變化。由此可見(jiàn),探索海洋酸化對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響研究需要在生物學(xué)層面認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上(生物個(gè)體的變化),重點(diǎn)研究以下兩點(diǎn)：第一：生產(chǎn)者對(duì)高碳環(huán)境的響應(yīng);第二：海洋酸化條件下涉及種群、群落及生態(tài)系統(tǒng)層面的各種復(fù)雜聯(lián)系的變化。

3.2.5 對(duì)海洋酸化概念的挑戰(zhàn)——海洋酸化形成原因的探索

Caldeira等[1]的海洋酸化概念將海洋酸化形成原因完全歸結(jié)于人類排放二氧化碳持續(xù)增加。在該概念提出的后續(xù)幾年,不少觀測(cè)資料確實(shí)證明了這一點(diǎn)：其中最為著名的證據(jù)是在北太平洋的莫納羅(Mauna Loa)站點(diǎn)觀測(cè)大氣二氧化碳濃度與其臨近海域阿羅哈(Aloha)站點(diǎn)觀測(cè)海水二氧化碳濃度兩條曲線的年間變動(dòng)幾乎完全一致的現(xiàn)象[35]。這種人類排放二氧化碳持續(xù)增加導(dǎo)致了海洋酸化的觀點(diǎn)幾乎被大多研究者所接受,然而,最近的研究表明,這一觀點(diǎn)實(shí)際上是偏頗的。Hofmann等[36]比較了不同海域pH的變動(dòng),發(fā)現(xiàn)相比于開(kāi)闊的大洋區(qū)域,近岸的pH變動(dòng)非常劇烈,他們指出,這種劇烈的變動(dòng)其實(shí)源自于近岸復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過(guò)程。Duarte等[37]對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行了歸納(表4),可以看出,海水對(duì)人類排放二氧化碳的吸收僅為這些過(guò)程的其中一個(gè)因素。那么,其它因素是否也能引起海水的pH降低？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題目前已有研究：Cai等[38]對(duì)墨西哥灣的海洋酸化情況進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn),人類排放的二氧化碳使得海水pH降低了0.27,該值低于由富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致的pH降低數(shù)值(為0.34)。Wallace等[39]對(duì)北美州大西洋沿岸的研究也有相似的結(jié)果。Duarte等[37]觀察了一些沿岸生態(tài)系統(tǒng)海水pH的年間變動(dòng),發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的pH變動(dòng)情況不同,有些地方保持平穩(wěn)波動(dòng)而有些地方甚至出現(xiàn)了上升：例如美國(guó)切薩皮克灣(Chesapeake Bay)的海水由于同時(shí)存在著高pH和低pH河流水的匯入,不同河流水匯入的多少的年間差異導(dǎo)致其海水pH常年保持著波動(dòng)狀態(tài);而美國(guó)坦帕灣(Tampa Bay)的海水pH除了在1980- 1985年有著迅速的下降以外,在1985年以后都保持著上升的趨勢(shì),1980年以后幾年的下降來(lái)源于當(dāng)時(shí)海灣附近人口的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的無(wú)節(jié)制排放,而在這之后由于實(shí)行了有效的管理,海草及水質(zhì)的改善使得坦帕灣海水的pH逐年升高。此外,研究發(fā)現(xiàn),沿岸的pH變化還很大的受到了季節(jié)性因素的影響：沿岸pH不管在大時(shí)間尺度還是小的季節(jié)尺度其pH的變動(dòng)幅度(數(shù)十年變化0.5左右,季節(jié)性變化大于0.1)都要遠(yuǎn)大于相對(duì)穩(wěn)定的開(kāi)闊的大洋(數(shù)十年來(lái)總體減少了0.1,季節(jié)性變化小于0.05)[35-37]?？梢?jiàn),在沿岸區(qū)域,海洋酸化的原因不一定完全由人類排放二氧化碳增加導(dǎo)致的,其它因素也有可能是海洋酸化的主要原因。

表4 海水pH變動(dòng)因素總結(jié)[37]

綜上所述,在開(kāi)闊的大洋,人類排放二氧化碳增加確實(shí)是導(dǎo)致的海洋酸化的主要原因;而在沿岸區(qū)域,我們還需要了解除這一因素以外,海洋酸化形成的其它原因。對(duì)海洋酸化概念的挑戰(zhàn)并不是要否定海洋酸化這一現(xiàn)象,畢竟人類二氧化碳排放的增加是不爭(zhēng)的事實(shí)。要探究的是,在不同的沿岸海域,哪一種因素才是海洋酸化的主要原因,這樣人們?cè)趹?yīng)對(duì)時(shí),除了采取減少二氧化碳排放這一主要措施以外,還能夠因地制宜,針對(duì)具體的原因,采取其它更加有效的方法進(jìn)行治理達(dá)到保護(hù)海洋生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的最終目的。

3.3 展望

本研究利用文獻(xiàn)計(jì)量分析的方法對(duì)目前海洋酸化的研究進(jìn)行了概括。可以發(fā)現(xiàn),海洋酸化所涉及的研究通常需要多個(gè)學(xué)科的支持,例如在研究富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生的海水酸化時(shí)除了需要海洋學(xué)科的幫助得到海洋水文的具體數(shù)據(jù),也需要生物和生態(tài)學(xué)知識(shí)以對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化有著較深的認(rèn)識(shí),因此今后海洋酸化的研究建議應(yīng)開(kāi)展多學(xué)科的共同合作。除外,海洋酸化研究涉及學(xué)科面廣這個(gè)特點(diǎn)也可能造成本研究的不足,研究的樣本是ISI Web of Science期刊引文數(shù)據(jù)庫(kù)中的Web of Science核心合集以海洋酸化主題詞的文獻(xiàn),分析結(jié)果有可能會(huì)過(guò)于籠統(tǒng),無(wú)法闡述某一問(wèn)題或方向研究的具體變動(dòng)趨勢(shì),今后的研究可以將問(wèn)題細(xì)化在海洋酸化文獻(xiàn)檢索中增加主題詞進(jìn)行具體分析。

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