基于CiteSpace的重金屬時(shí)空污染熱點(diǎn)及前沿可視化研究

高煜 楊寧寧 梁青芳 張軍

摘要：為了解國(guó)內(nèi)GIS技術(shù)支持下的重金屬污染研究現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展路徑，采用文獻(xiàn)計(jì)量方法和信息可視化軟件CiteSpace V，對(duì)CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中1996—2018年GIS技術(shù)支持下的重金屬污染領(lǐng)域的1 128篇文獻(xiàn)進(jìn)行了基礎(chǔ)知識(shí)框架、研究熱點(diǎn)、研究前沿分析，并繪制了網(wǎng)絡(luò)知識(shí)圖譜。結(jié)果表明，重金屬污染相關(guān)主題研究熱點(diǎn)和前沿大致分為3個(gè)階段，即1996—2005年，研究熱點(diǎn)和前沿為基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的重金屬空間分布;2005—2010年，研究熱點(diǎn)和前沿為基于GIS的重金屬時(shí)空分布與空間變異;2010年至今，研究熱點(diǎn)為沉積物重金屬，前沿為重金屬的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與源解析。

關(guān)鍵詞：重金屬;GIS;時(shí)空分布;文獻(xiàn)計(jì)量;CiteSpace V

中圖分類號(hào)：X53? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）16-0160-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.037? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： In order to understand the research status and future development path of heavy metal pollution supported by domestic GIS technology， using the literature measurement method and information visualization software CiteSpace V， the basic knowledge framework， research hotspots and research frontiers were studied in the 1 128 papers in the field of heavy metal pollution supported by GIS technology in the CNKI database from 1996 to 2018， and the network knowledge map was drawn. The results show that the research hotspots and frontiers of heavy metal pollution are divided into three stages， namely， from 1996 to 2005， research hotspots and frontiers are spatial distribution of heavy metals based on geostatistics; from 2005 to 2010， research hotspots and frontiers are spatial and temporal distributions and spatial variability of heavy metals based on GIS; and since 2010， the research focus has been on heavy metals in sediments， and the frontier is the risk assessment and source analysis of heavy metals.

Key words： heavy metal; GIS; spatial and temporal distribution; bibliometrics; CiteSpace V

重金屬是一類典型的環(huán)境污染物，能對(duì)生物和生態(tài)環(huán)境造成傷害，尤其對(duì)人體健康會(huì)造成嚴(yán)重威脅。重金屬能通過(guò)各種介質(zhì)包括土壤、水體、空氣等[1，2]，給人類社會(huì)及自然環(huán)境帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。地理信息系統(tǒng)（GIS）作為一門空間科學(xué)，以其獨(dú)特的空間觀點(diǎn)和空間思維，從空間相互聯(lián)系和相互作用出發(fā)，揭示各種事物與現(xiàn)象的空間分布特征和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[3]。目前，重金屬的時(shí)空分布研究大多都借助于GIS分析。

借助知識(shí)圖譜法及文獻(xiàn)計(jì)量軟件，對(duì)研究熱點(diǎn)及前沿進(jìn)行分析具有圖譜可視化特點(diǎn)，越來(lái)越受到研究者的重視。信息可視化軟件CiteSpace可通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)引文網(wǎng)絡(luò)的分析，繪制整個(gè)學(xué)科或知識(shí)域在一定時(shí)期內(nèi)的歷史演進(jìn)過(guò)程、研究前沿?zé)狳c(diǎn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[4，5]。國(guó)內(nèi)最早引入和應(yīng)用該軟件的是大連理工大學(xué)WISE實(shí)驗(yàn)室的劉則淵教授團(tuán)隊(duì)，國(guó)內(nèi)第一個(gè)以CiteSpace為分析軟件發(fā)表論文的是侯劍華等人，并首次于2007年將“CiteSpace”列入文章關(guān)鍵詞[6]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外基于GIS的重金屬污染研究已有大量成果，研究者可以通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)把握研究進(jìn)展，但大量文獻(xiàn)閱讀需要時(shí)間，再加上個(gè)人學(xué)術(shù)水平及個(gè)人偏好等主觀因素，導(dǎo)致研究者很難短時(shí)間把握當(dāng)前研究熱點(diǎn)及前沿。

本研究基于CNKI相關(guān)文獻(xiàn)分析，采用知識(shí)圖譜法及文獻(xiàn)計(jì)量軟件CiteSpace，對(duì)國(guó)內(nèi)GIS技術(shù)支持下的重金屬污染的研究熱點(diǎn)和前沿進(jìn)行可視化分析，對(duì)其研究熱點(diǎn)、前沿及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為重金屬污染防治提供理論依據(jù)。

1? 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1? 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于CNKI，通過(guò)專業(yè)檢索：SU=（‘重金屬）*（‘GIS+‘時(shí)空分布+‘空間分布），時(shí)間閾值為1996年1月1日—2019年1月31日，人工剔除會(huì)議、報(bào)紙、無(wú)作者及與主題無(wú)相關(guān)性的論文，共得到與主題相關(guān)的論文1 128篇。

1.2? 研究方法

1.2.1? 關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻率計(jì)量? 共現(xiàn)頻率是指詞匯在題目、關(guān)鍵詞或文獻(xiàn)摘要中出現(xiàn)的次數(shù)[7]。本研究中采用夾角余弦指數(shù)公式計(jì)算關(guān)鍵詞共現(xiàn)頻率，余弦指數(shù)取值范圍[0，1]，指數(shù)越接近于1，說(shuō)明兩個(gè)詞或兩個(gè)文獻(xiàn)集的相似度越高，取值接近于0，說(shuō)明兩個(gè)詞或兩個(gè)文獻(xiàn)集的相似度越低[8]。

式中，Cij表示詞i和j的共現(xiàn)頻率，Ci和Cj分別代表詞i和j在各自的文獻(xiàn)集中出現(xiàn)的次數(shù)，d1、d2代表文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2出現(xiàn)的次數(shù)。

1.2.2? 數(shù)據(jù)分析方法? 借助CiteSpace V對(duì)研究熱點(diǎn)和共引進(jìn)行分析，主要分析參數(shù)設(shè)置為（c，cc，ccv）閾值為（2，2，20），即被引或出現(xiàn)的頻次為2，共被引或共現(xiàn)頻次為2，共被引率或共現(xiàn)率為20%;設(shè)定單個(gè)時(shí)間分區(qū)抽取值為1年，選用最短路徑方式裁剪，共現(xiàn)聚類采用譜聚類算法，最小可視聚類數(shù)為軟件默認(rèn)值[9，10]。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 發(fā)文量

通過(guò)詞條專業(yè)檢索，繪制年發(fā)文量趨勢(shì)（圖1）。由圖1可以看出，相關(guān)文獻(xiàn)從1997年開(kāi)始發(fā)表，2006年發(fā)文量突增，2017年為發(fā)文量最多的一年，2014—2018年發(fā)文量基本持平，表明該主題研究熱度趨于飽和，預(yù)計(jì)2019年發(fā)文量將繼續(xù)持平。

2.2? 主要研究機(jī)構(gòu)及團(tuán)隊(duì)

將獲取的文獻(xiàn)導(dǎo)入CiteSpace Ⅴ中，在節(jié)點(diǎn)類型處選擇“Institution”，閾值設(shè)定為Top N=20，進(jìn)行機(jī)構(gòu)知識(shí)圖譜的可視化，獲得機(jī)構(gòu)被引共現(xiàn)圖譜（圖2），圖中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)機(jī)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)的大小代表節(jié)點(diǎn)機(jī)構(gòu)被引頻次，節(jié)點(diǎn)越大，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)被引越多，中介中心性越大。中介中心性（Betweenness centrality）是測(cè)量節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖譜中重要性的一個(gè)指標(biāo)，在CiteSpaceⅤ可視化分析軟件中，該指標(biāo)可以表示數(shù)據(jù)庫(kù)中文獻(xiàn)的重要性[11，12]，共引頻次越高則相關(guān)性越強(qiáng)[13]。圖2中中心性最強(qiáng)的是中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，表明中國(guó)科學(xué)院大學(xué)在該主題研究上具有一定的權(quán)威性（中國(guó)科學(xué)院研究生院于2012年更名為中國(guó)科學(xué)院大學(xué)）。被引排行前十的機(jī)構(gòu)中，被引頻次最高的是中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，共被引10次;其次是中國(guó)科學(xué)院研究生院，共被引8次;排名第三的是南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，共被引6次。排行前十的機(jī)構(gòu)，有7所是資源與地理、環(huán)境機(jī)構(gòu)，說(shuō)明重金屬污染、時(shí)空分布及空間分布研究主要集中在資源與地理、環(huán)境機(jī)構(gòu)，且具有一定的權(quán)威性。

將發(fā)文量前十的機(jī)構(gòu)及發(fā)文量導(dǎo)出（表1），發(fā)文前三的機(jī)構(gòu)為華東師范大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)，分別發(fā)文40、37、28篇。由表1可知，排行前十的機(jī)構(gòu)有9所為高校，其中有2所農(nóng)業(yè)大學(xué)、3所師范大學(xué)、3所綜合性大學(xué)及1所地質(zhì)大學(xué)。可以預(yù)測(cè)，該主題研究仍將會(huì)集中于高校。對(duì)各機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)發(fā)文被引頻次進(jìn)行分析，可以得到各機(jī)構(gòu)主要研究團(tuán)隊(duì)及研究方向，通過(guò)跟蹤這些團(tuán)隊(duì)可以了解當(dāng)前該主題的研究進(jìn)展及前沿。

2.3? 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

將所得文獻(xiàn)導(dǎo)入CiteSpace V，在節(jié)點(diǎn)類型處選擇“Key word”，設(shè)定閾值為Top N=50，其余選項(xiàng)為默認(rèn)，進(jìn)行關(guān)鍵詞知識(shí)圖譜可視化分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。產(chǎn)生294個(gè)節(jié)點(diǎn)，表示有294個(gè)關(guān)鍵詞，圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)越大表示被引頻次越高。被引排名前十的關(guān)鍵詞有“重金屬”“空間分布”“污染評(píng)價(jià)”“土壤”“土壤重金屬”“重金屬污染”“地統(tǒng)計(jì)學(xué)”“GIS”“沉積物”“空間變異”。

2.4? 關(guān)鍵詞聚類分析

知識(shí)基礎(chǔ)反映科學(xué)領(lǐng)域前沿本質(zhì)，通常由一系列高被引文獻(xiàn)組成[14]。因此，通過(guò)共被引時(shí)間線可視化圖譜分析基礎(chǔ)研究對(duì)后續(xù)研究可能產(chǎn)生的影響[15]。將文獻(xiàn)導(dǎo)入CiteSpaceⅤ，共得到11個(gè)聚類、205個(gè)節(jié)點(diǎn)、502條連線的共被引網(wǎng)絡(luò)圖譜（圖4）。由圖4可知，圖譜網(wǎng)絡(luò)聚類效果良好（Modularity Q為0.487 3），聚類主題明確（Mean silhouette為0.508 9）。從聚類時(shí)間軸來(lái)看，最早研究追溯到1997年張朝生等在《地理學(xué)報(bào)》上發(fā)表的《長(zhǎng)江水系沉積物重金屬含量空間分布特征研究——地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法》;20世紀(jì)末，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶來(lái)大量重金屬污染環(huán)境問(wèn)題，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和規(guī)模增加，一批代表性學(xué)者貢獻(xiàn)的經(jīng)典文獻(xiàn)為該主題的發(fā)展奠定了知識(shí)基礎(chǔ)。

3? 研究熱點(diǎn)與前沿

3.1? 研究主題分析

關(guān)鍵詞中心度反映了其在整個(gè)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的重要性，代表了一定時(shí)期內(nèi)核心的研究主題，根據(jù)中心度對(duì)關(guān)鍵路徑圖譜中的關(guān)鍵詞進(jìn)行篩選[16]，選取前十高頻高中心性關(guān)鍵詞，結(jié)果見(jiàn)表2。

本研究數(shù)據(jù)中最早出現(xiàn)的關(guān)鍵詞為“重金屬”，共被引666次，1996年“重金屬”的中心度為0.05，表明重金屬作為一個(gè)新的研究主題開(kāi)始被關(guān)注;1997年關(guān)鍵詞“地統(tǒng)計(jì)學(xué)”中心度達(dá)到0.16，說(shuō)明在該研究主題下，地統(tǒng)計(jì)學(xué)成為了當(dāng)時(shí)的熱點(diǎn)研究方法;1998年中心度最高的為“空間分布”，空間分布成為該主題的研究熱點(diǎn);2005年關(guān)鍵詞“重金屬”共現(xiàn)周圍出現(xiàn)了“地統(tǒng)計(jì)學(xué)”“空間分布”“重金屬污染”等關(guān)鍵詞，但“重金屬污染”為中心度最高的節(jié)點(diǎn)，表明基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)重金屬污染的空間分布成為該研究的熱點(diǎn);2006年關(guān)鍵詞“重金屬”周圍出現(xiàn)了“污染評(píng)價(jià)”“空間變異”“土壤”“GIS”等關(guān)鍵詞，且出現(xiàn)了4個(gè)高中心度的關(guān)鍵詞，表明基于GIS的重金屬污染形成了新的研究方向，成為重金屬研究的熱點(diǎn);2007年“重金屬”關(guān)鍵詞周圍又出現(xiàn)了“土壤重金屬”“城市土壤”“生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”等關(guān)鍵詞，而中心度最高的“土壤重金屬”以0.09的中心度成為最大的節(jié)點(diǎn)，表明基于GIS的重金屬時(shí)空分布研究以土壤重金屬為主，成為2007年的研究熱點(diǎn);2010年出現(xiàn)了新的關(guān)鍵詞，即“沉積物”“潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”“污染”等，關(guān)鍵詞“沉積物”以0.19的中心度成為最大的節(jié)點(diǎn)，表明該主題研究出現(xiàn)了新熱點(diǎn)，集中于沉積物重金屬研究。

3.2? 研究主題演化路徑

“重金屬”作為研究主題，首次出現(xiàn)是在1996年，在這之后“地統(tǒng)計(jì)學(xué)”“空間分布”成為研究熱點(diǎn)，到2006年“基于GIS的重金屬污染”這一主題研究才趨于成熟。2006年至今，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，尤其是東南沿海地區(qū)，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)眾多環(huán)境問(wèn)題，因此，研究主題也隨之增多，出現(xiàn)了“污染評(píng)價(jià)”“空間變異”“土壤”“GIS”等熱點(diǎn)主題，主題比較分散。

3.3? 研究前沿分析

研究前沿分析能夠追蹤研究主題的最新發(fā)展?fàn)顩r，為研究者提供一定的指向作用，運(yùn)用CiteSpace關(guān)鍵詞及突現(xiàn)詞共現(xiàn)，能夠把握主題的研究前沿。在突現(xiàn)詞導(dǎo)出時(shí)，閾值范圍為默認(rèn)，共導(dǎo)出突現(xiàn)性強(qiáng)的12個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞（圖5）。由圖5可知，1996年以重金屬為主題的研究才開(kāi)始，“重金屬”為突現(xiàn)詞最強(qiáng)的關(guān)鍵詞（19.519 4），1997年地統(tǒng)計(jì)學(xué)開(kāi)始進(jìn)入重金屬的研究，并與重金屬研究一起成為研究前沿，直到2009年該主題研究突現(xiàn)性消失，表明該主題研究趨于成熟;2006—2007年，“GIS”“空間變異”“空間分析”及“評(píng)價(jià)”等高突現(xiàn)性關(guān)鍵詞出現(xiàn)，重金屬主題研究轉(zhuǎn)向基于GIS的重金屬時(shí)空分布及影響評(píng)價(jià)，并且新主題作為研究前沿持續(xù)了7年，2012年該主題研究趨于成熟;2013—2014年，沒(méi)有新的高突現(xiàn)詞關(guān)鍵詞，表明該時(shí)間段依然為前研究主題方向;2015—2016年，突現(xiàn)出“生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”“健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”“健康風(fēng)險(xiǎn)“分布特征”及“源解析”等高突現(xiàn)詞關(guān)鍵詞，表明從2015年開(kāi)始，以這些高突現(xiàn)詞關(guān)鍵詞為主題的新研究方向增多，且一直持續(xù)到2019年。

4? 結(jié)論

1）重金屬污染相關(guān)主題文獻(xiàn)發(fā)文始于1997年，至2015年發(fā)文量持續(xù)上升，2018年之后漸趨平穩(wěn);中國(guó)科學(xué)院大學(xué)為被引最多的權(quán)威型發(fā)文機(jī)構(gòu)，華東師范大學(xué)發(fā)文量最多（40篇），主要團(tuán)隊(duì)為陳振樓等，主要研究領(lǐng)域是生態(tài)環(huán)境安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2）關(guān)鍵詞圖譜共現(xiàn)分析中，被引最多的為“重金屬”，其中“沉積物”為近幾年被引最多的關(guān)鍵詞。關(guān)鍵詞聚類分析得出，近幾年主要研究主題為“基于GIS的地表沉積物重金屬時(shí)空分布”。

3）該主題研究熱點(diǎn)和前沿大致分為3個(gè)階段，即1996—2005年，研究熱點(diǎn)和前沿為基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)的重金屬空間分布;2005—2010年，研究熱點(diǎn)和前沿為基于GIS的重金屬時(shí)空分布與空間變異;2010年至今，研究熱點(diǎn)為沉積物重金屬，前沿為重金屬的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與源解析。

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