基于文獻計量的PM2.5研究熱點及趨勢分析

李 穎, 鞏世鈺

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

PM2.5是環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)中當量直徑≤2.5 μm 的顆粒物，是監(jiān)測環(huán)境空氣污染程度的重要指標之一[1].近年來，傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)引發(fā)的大氣污染問題日益突出，高濃度的PM2.5是造成我國霧霾天氣的主要因素之一[2-3]；同時PM2.5對人體健康的危害更是引起社會廣泛關(guān)注[4].為改善空氣質(zhì)量，增強人民的藍天幸福感，我國先后出臺了一系列重大決策部署：國務(wù)院頒布《大氣十條》[5]將治理大氣污染作為生態(tài)文明建設(shè)與治理環(huán)境問題的關(guān)鍵；《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》[6]強調(diào)突出精準施策，加強重點地區(qū)及污染源治理，促進多污染源協(xié)同控制.加強對PM2.5污染問題研究有利于引導(dǎo)發(fā)展綠色可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟，加快推進生態(tài)文明建設(shè).

目前，國內(nèi)外許多研究學(xué)者對PM2.5進行了廣泛的研究，如基本污染特征[7-9]、形成機制[10-11]、來源解析[12-14]、對人體的健康影響[15-16]和對氣候的影響[17-18]等方面.但目前鮮有對監(jiān)測方法改進、源解析模型開發(fā)、多污染源協(xié)同控制等問題的研究.

文獻計量法是以科技文獻的外部特征為研究對象，采用數(shù)理統(tǒng)計方法描述、評價和預(yù)測科學(xué)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的定量分析方法[19].李兆林[20]雖利用文獻計量法對PM2.5進行分析，但大多以Web of Science為數(shù)據(jù)源，對于系統(tǒng)把握國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及熱點尚顯不足[21-23].因此從發(fā)文量及高頻詞可視化分析等方面剖析國內(nèi)外研究熱點及趨勢，以期了解研究領(lǐng)域前沿動態(tài)，為進一步研究提供借鑒與參考.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

國外文獻以Web of Science為數(shù)據(jù)源，檢索文獻中含有“PM2.5”并精煉文獻類型為ARTICLE，搜索年份范圍為1990—2018年，最后得出16 304篇有效文獻.國內(nèi)文獻采用CNKI中主題為“PM2.5”的文獻為數(shù)據(jù)源，搜索年份范圍為1990—2018年，最后得出6 309篇有效文獻.將有效文獻導(dǎo)入Bibexcel中，導(dǎo)出文獻年度發(fā)文量及高頻關(guān)鍵詞，并合并關(guān)鍵詞中的近義詞與同義詞.本文篩選出國外文獻詞頻大于70的關(guān)鍵詞共52個，國內(nèi)文獻篩選出詞頻大于30的關(guān)鍵詞共47個.利用Bibexcel構(gòu)建共詞矩陣并導(dǎo)入Ucinet中，再用Netdraw構(gòu)建高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖進行共詞分析，最后利用Ochiia系數(shù)法對共詞矩陣進行包容化處理，具體計算公式為

(1)

最后導(dǎo)入SPSS中進行聚類分析，分析得出系統(tǒng)聚類分析譜系圖及群集.

2 結(jié)果分析

2.1 研究現(xiàn)狀

國外研究整體呈上升趨勢(圖1)：第一階段(1992—1997年)萌芽發(fā)展階段，此階段發(fā)文量為33篇，處于起步階段.第二階段(1998—2009年)穩(wěn)定增長階段，發(fā)文量為3 632篇，推測是由于1997年美國將PM2.5納入空氣質(zhì)量檢測指標之一[24]；第三階段(2010—2018年)快速增長階段，發(fā)文量為12 639篇，推測原因是自2010年起，美國及歐盟為了使PM2.5達到國家標準，根據(jù)經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展與時俱進地采取更為嚴格的措施[25].

國內(nèi)研究呈快速增長趨勢(圖2)：第一階段(1999—2003年)初步發(fā)展階段，此階段發(fā)文量為38篇，推測原因是2000年《中華人民共和國大氣污染防治法》的頒布促使國內(nèi)相關(guān)研究開始起步.第二階段(2004—2010年)波動發(fā)展階段，發(fā)文量為377篇，特別是在2009年發(fā)文量達到了峰值，推測原因是2008年我國舉辦夏季奧運會，加大了對北京和協(xié)辦城市的空氣污染科研及整治力度[26]，由于項目結(jié)題需要一定的時間，故在2009年出現(xiàn)了發(fā)文峰值.第三階段(2011—2016年)快速發(fā)展階段，發(fā)文量為3 896篇，推測原因是2012年我國生態(tài)環(huán)境部新頒發(fā)了《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[27].2017—2018年發(fā)文量下降的原因推測是國家政策的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致研究方向發(fā)生改變，但未來總體發(fā)文量呈上升趨勢.

圖1 國外有關(guān)PM2.5研究文獻發(fā)文量Fig.1 The number of PM2.5 literatures in foreign

圖2 國內(nèi)有關(guān)PM2.5研究文獻發(fā)文量Fig.2 The number of PM2.5 literatures in domestic

2.2 研究熱點

2.2.1 高頻關(guān)鍵詞

關(guān)鍵詞是文獻研究方向的核心體現(xiàn)，通過對關(guān)鍵詞分析可以明確該領(lǐng)域的研究熱點及趨勢[28].分別得到國外與國內(nèi)高頻關(guān)鍵詞(表1、表2).

表1 國外高頻關(guān)鍵詞及其出現(xiàn)頻次

表2 國內(nèi)高頻關(guān)鍵詞及其出現(xiàn)頻次

國外研究中頻次最高的為PM2.5，PM，Air Pollution，均超過2 000，占被統(tǒng)計關(guān)鍵詞的43.3%，說明重視基本污染特征研究.關(guān)鍵詞中Source Apportionment，Aerosol，Positive Matrix Factorization(PMF)，Black Carbon，Organic Carbon，Elemental Carbon占被統(tǒng)計關(guān)鍵詞的12.6%，說明來源解析及形成機制為研究熱點.由于PM2.5粒徑微小，攜帶的金屬及有機化合物進入呼吸道后會對機體產(chǎn)生不利影響，因此有關(guān)Exposure，Epidemiology，Health Effects等與人體健康的研究日益增多.

國內(nèi)研究高頻關(guān)鍵詞為PM2.5，頻次超過5 000，占被統(tǒng)計高頻關(guān)鍵詞的48.9%.次高頻關(guān)鍵詞為大氣污染、PM10、PM、霧霾、氣象條件等，占比為20.7%，說明較為重視環(huán)境空氣污染問題.北京、京津冀作為高頻關(guān)鍵詞反映出北京及周圍地區(qū)為重點研究區(qū).綜合分析國內(nèi)外高頻關(guān)鍵詞，共同研究熱點為基本污染特征及環(huán)境空氣污染，但國外更側(cè)重研究來源解析、形成機制和對人體健康的影響.

2.2.2 高頻關(guān)鍵詞共詞分析

高頻關(guān)鍵詞分析雖然在一定程度上能反映研究現(xiàn)狀，但未能反映出內(nèi)在關(guān)系，因此引入共詞分析法[29]解決這一問題.

國外關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖(圖3)中52個關(guān)鍵詞之間聯(lián)系緊密，各節(jié)點間連線縱橫交錯，其中,PM2.5，PM10，Air Pollution，Air Quality，Aerosol，Source Apportionment等節(jié)點較大且與其他關(guān)鍵詞共現(xiàn)次數(shù)多，一定程度上為研究熱點.另外，Aerosol，Black Carbon，Ozone，Exposure等關(guān)鍵詞間連線較粗，關(guān)系較為緊密.

國內(nèi)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖(圖4)中，PM2.5這一關(guān)鍵詞所代表的節(jié)點最大，且與周圍各節(jié)點的連線較粗，可判斷這一關(guān)鍵詞為研究熱點.另外，PM10、PM、相關(guān)性、霧霾、氣象條件、北京等關(guān)鍵詞間的關(guān)系較為緊密.

圖3 國外PM2.5高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖Fig.3 The foreign PM2.5 key words co-occurrence netview graph

圖4 國內(nèi)PM2.5高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可視圖Fig.4 The domestic PM2.5 key words co-occurrence netview graph

2.2.3 高頻關(guān)鍵詞聚類分析

采用聚類分析得出系統(tǒng)聚類譜系圖(圖5、圖6)，以及關(guān)鍵詞聚類四個群集劃分(表3、表4).群集1包含大多研究熱點，如：Aerosol，Air Pollution，Biomass Burning，Principal Component Analysis(PCA)，Source Apportionment等，隨著監(jiān)測手段的增多，來源分析方法呈現(xiàn)日益多樣化的趨勢.群集2中包含China，說明較為重視中國地區(qū)的研究；另外此群集中也包含PM2.5對人體健康影響的研究，如Cardiovascular Disease，Epidemiology，Asthma，Lung Function等，其大致可分為兩類：一是PM2.5的流行病學(xué)研究；二是PM2.5引發(fā)的疾病研究.群集3中包含PM2.5與其他污染源的關(guān)系，如Carbon Monoxide，Heavy Metals，NO2，Ozone.群集4為MODIS數(shù)據(jù)反演氣溶膠光學(xué)厚度及氣溶膠分類,同時對氣溶膠進行分類，如Elemental Carbon，Organ Carbon等，根據(jù)不同種類的氣溶膠輻射強迫大小模擬對氣候的影響.

圖5 國外關(guān)鍵詞系統(tǒng)聚類分析譜系圖Fig.5 Pedigree chart of hierarchical cluster analysis of key words in foreign

圖6 國內(nèi)關(guān)鍵詞系統(tǒng)聚類分析譜系圖Fig.6 Pedigree chart of hierarchical cluster analysis of key words in domestic

表3 國外PM2.5高頻關(guān)鍵詞聚類群集劃分

群集1中包含了污染源的研究，如O3，PM，PM10，TSP，氣溶膠等，近年來在京津冀等污染嚴重地區(qū)開展了PM2.5基本污染特征以及來源的相應(yīng)工作[30-32]；群集中也包含了我國區(qū)域性PM2.5污染研究，如：京津冀，采暖期，燃煤電廠.群集2主要包含基本污染特征.群集3主要包含來源及化學(xué)成分問題，如：來源，多環(huán)芳烴，影響因素，有機碳，元素碳.群集4包含 PM2.5對人體健康的影響研究，如：呼吸系統(tǒng)疾病，健康風險評價，危害，氧化應(yīng)激等.

表4 國內(nèi)PM2.5高頻關(guān)鍵詞聚類群集劃分

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)國內(nèi)外發(fā)文量增長趨勢具有階段性，國外分為萌芽發(fā)展、穩(wěn)定增長和快速增長三個階段；國內(nèi)分為初步發(fā)展、波動發(fā)展和快速發(fā)展階段.

(2)國外高頻關(guān)鍵詞為PM2.5，PM10，Air Pollution，PM，Source Apportionment，Aerosol，Exposure等，一定程度為國外研究熱點.國內(nèi)高頻關(guān)鍵詞為PM2.5、大氣污染、PM10、PM、霧霾、氣象條件等，其中,PM2.5代表的節(jié)點最大成為國內(nèi)研究熱點.國內(nèi)外共同研究熱點為基本污染特征及環(huán)境空氣污染，但國外更側(cè)重來源解析、形成機制及對人體健康影響等研究.

(3)國內(nèi)外涉及基本污染特征、來源解析、污染源以及對人體健康影響的研究，但國外對來源解析、人體健康、污染源等有深入研究；而國內(nèi)側(cè)重基本污染特征及區(qū)域性研究，其他研究熱點雖有涉及但不甚透徹，因此國內(nèi)亟待加強相關(guān)熱點的研究.

3.2 討論

綜上所述，PM2.5是國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科研究熱點之一，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果及相關(guān)文獻對未來的PM2.5研究進行總結(jié)：

(1)建立多污染源與多污染物的監(jiān)控，優(yōu)化監(jiān)測指標.不僅要加強SO2，NOx等污染源治理，同時也要繼續(xù)加強二次顆粒物前體物的合理控制，以促進多污染源的協(xié)同控制，逐步完善顆粒物排放清單，加強揮發(fā)性有機物研究，為各行各業(yè)制定排放標準提供借鑒參考.

(2)完善PM2.5監(jiān)測方法.繼續(xù)鞏固并重視對重點地區(qū)PM2.5監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，在β射線法[33]、振蕩天平法[34]等方法的基礎(chǔ)上進行改進，并繼續(xù)開發(fā)新的監(jiān)測方法；同時結(jié)合區(qū)域污染特征，綜合運用多種監(jiān)測方法，逐步完善PM2.5預(yù)警機制.

(3)開發(fā)新的源解析模型并加強二次源解析研究.當前源解析的主流方法有源清單法[35]、源模型法[36]和受體模型法[37].在此基礎(chǔ)上開發(fā)源解析新模型，繼續(xù)加強二次源解析研究，以便更加了解各污染源對PM2.5的貢獻率；同時完善突發(fā)性污染事件的源解析工作，增強應(yīng)急機制.