基于文獻計量的水文連通性研究熱點與趨勢

于 洋, 劉 堯, 華 廷, 查同剛, 許曉明, 張曉霞, 張恒碩, 左啟林

(1.北京林業(yè)大學 水土保持學院，北京 100083；2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，北京 100083；3.西北農(nóng)林科技大學 生命科學學院，陜西 楊陵 712100；4.北京師范大學 地理科學學部 陸地表層系統(tǒng)科學與可持續(xù)發(fā)展研究院，北京 100875；5.北京林業(yè)大學 園林學院，北京 100083；6.中建一局集團第三建筑有限公司，北京 100161)

1 研究背景

水是維系和限制生態(tài)系統(tǒng)生物活動的主要因子，水文連通性與諸多生態(tài)過程聯(lián)系緊密，作為當前水文學研究的熱點，被廣泛應用于水文水資源、水土保持、地貌學、景觀生態(tài)學、河流生態(tài)學、水生生物學等多學科領域[1-12]。作為表征水循環(huán)過程中物質(zhì)、能量和生物體在景觀單元之間傳輸?shù)倪^程，水文連通性建立了地表水循環(huán)過程中景觀單元物質(zhì)流與能量流之間的相互聯(lián)系。雖然人們已對水文連通性的定義進行過深入探討，實際上并未對水文連通性建立一個單一的且多學科都認同的定義，但明確了水文連通性的兩大類型，即靜態(tài)/結(jié)構連通性和動態(tài)/功能連通性，通過這種方式，一種景觀內(nèi)的結(jié)構模式能隨徑流量的變化產(chǎn)生不同的水文響應，并產(chǎn)生不同次降水事件或不同時間段的水文過程[13]。與此同時，人們都強調(diào)了地形控制與流域多生態(tài)過程之間的重要性，并認為這是理解水文連通性的關鍵。影響景觀的自然結(jié)構或特征可能有所不同，但通常以地形、植被、土壤和地質(zhì)單元等因素為主導[14-23]。具體來說，水文連通性主要涵蓋3類，一是基于地形單元空間關系的景觀連通性，二是關注水流在地表運動過程中的水文連通性，三是側(cè)重于泥沙輸移過程的泥沙連通性。在開展長期生態(tài)建設背景下，流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構和功能的變化顯著影響流域水文連通性的改變[13, 24-29]。因此，在開展流域綜合治理、河流生態(tài)恢復以及“山水田林湖草”規(guī)劃方面具有重要的應用價值。較之國外水文連通性開展的廣泛研究，國內(nèi)相關報道較少，那么如何基于水文連通性角度分析不同生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程演變，以此提升資源利用效率并保護生態(tài)環(huán)境，是當前流域綜合治理需要考慮的研究重點。基于文獻計量方法，系統(tǒng)梳理國內(nèi)外水文連通性研究的相關進展，能夠明晰該研究領域當前熱點，同時為分析水文聯(lián)通性研究趨勢以及梳理未來研究方向提供思路。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

以WEB OF SCIENCE數(shù)據(jù)庫中的Web of ScienceTM核心合集為數(shù)據(jù)源檢索國外文獻，檢索關鍵詞為“hydrological connectivity”，檢索年份截止2020年6月，文獻類型精煉為article，包含相關國際會議的會議論文，并在此基礎上排除相關度較低的Web of Science類別，共檢索到1 952篇文獻。以中國知網(wǎng)CNKI數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，檢索主題為“水文連通性”的國內(nèi)期刊文獻，并根據(jù)文獻篇名和摘要內(nèi)容進行甄別，將相關度低的文獻進行排除，共得到中文文獻47篇。將搜索到的國外1 952篇文獻導入Bibexcel，選取出現(xiàn)頻率在10以上的關鍵詞，在此基礎上將相同或相近的關鍵詞合并后，得到最終的關鍵詞，由于國內(nèi)文獻檢索數(shù)量較少，故檢索結(jié)果均以國外文獻報道為主。將生成的矩陣分別導入Ucinet，保存為.##h格式文件。運用Citespace生成高頻關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡可視圖，并根據(jù)關鍵詞詞頻進行群集與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)文趨勢分析

1992年1月-2020年6月間國內(nèi)外水文連通性方面的研究逐年發(fā)文數(shù)量的變化如圖1所示。由圖1可以看出，圍繞水文連通性的研究大體可分為兩個階段，第1階段為1992-2008年，此階段關于水文連通性的報道未超過100篇，2007年之前年均發(fā)文量不足50篇，尚未體現(xiàn)顯著增長趨勢，且已發(fā)表的研究中尚未對其標準的定義達成共識。2007年，Bracken等[1]提出了水文連通性的概念模型，概述了既有研究在水文學與生態(tài)學上與連通性這個概念之間的聯(lián)系，并指出在過往研究中對于“水文連通性”術語的使用方式以及如何實現(xiàn)與現(xiàn)有研究的相互聯(lián)系。此外，初步地將連通性在水文學和地貌學范疇內(nèi)歸納為3類：(1)景觀連通性，即與某一流域內(nèi)地貌(例如山坡和河道)的物理耦合相關；(2)水文連通性，即水從景觀的某一區(qū)域流至另一區(qū)域的路徑，預計會形成某些流域徑流響應，通過水與其他物質(zhì)的輸移影響并改變了景觀單元屬性及空間分布，形成了景觀格局與水文過程之間的非線性關系；(3)泥沙連通性，即泥沙及其附著的污染物通過流域的物理轉(zhuǎn)移。景觀連通性屬于結(jié)構連通性，水文連通性和泥沙連通性屬于功能連通性。生態(tài)學家一直將連通性的概念視為空間結(jié)構種群持續(xù)性的關鍵屬性，并據(jù)此將水文連通性定義為“水文循環(huán)內(nèi)部或水文要素之間水、物質(zhì)、能量和生物的傳遞[30]?！眹@這個定義，許多生態(tài)學研究已聚焦于為什么水文連通性對景觀生態(tài)完整性至關重要以及減少或增強連通性的變化均具有潛在的環(huán)境影響[31]。第2階段為2008年至今。在這個階段，學者們以水文連通性為切入點，對自然因素和人為活動耦合作用下不同類型生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構與生態(tài)過程之間的聯(lián)系開展研究，年均發(fā)文量突破100篇，伴隨著生態(tài)水文學領域的持續(xù)發(fā)展，研究表明水文連通性的喪失會導致全球生物多樣性下降，而特定方向的連通性(例如沿水流方向、沿梯度或者跨梯度、源和匯之間)能夠提供關鍵信息，用以預測污染物運移、規(guī)劃保護廊道設計以及了解景觀或水景如何響應風或水流等方向性力[32-35]。圍繞景觀格局與過程，學者們嘗試基于圖論方法構建水文連通性指數(shù)用以表征景觀格局變化對生態(tài)過程的影響，并意識到連通性評估對于正確解決水沙相關問題以及提升水文-地貌系統(tǒng)管理策略的重要性[36-37]。在國內(nèi)方面，自2003年以來，國內(nèi)學者圍繞水文連通性與河湖關系、水利工程建設對水生態(tài)環(huán)境的影響、濕地生態(tài)系統(tǒng)水文連通性、景觀格局變化對土壤侵蝕過程的影響以及景觀格局指數(shù)的意義與評價等方面相繼開展了深入探索，并提出了綜合水文連通性的修復模型框架[38-41]，但從中文文獻檢索結(jié)果來看，國內(nèi)圍繞水文連通性的研究仍在起步階段，對水文連通性與流域綜合治理，尤其是長期人類活動背景下生態(tài)系統(tǒng)格局與過程的演變對水文連通性的影響等方面的研究尚少。

圖1 1992-2020年國內(nèi)外水文連通性研究的文獻數(shù)量

3.2 關鍵詞詞頻分析

通過對所有檢索文章的關鍵詞進行分析，提煉出頻率大于10次的關鍵詞作為高頻詞，并根據(jù)高頻詞分析水文連通性的相關研究熱點，關鍵詞檢索情況如圖2所示。由圖2可知，出現(xiàn)頻次較高的關鍵詞為“hydrological connectivity(水文連通性)”，“runoff(徑流)”，“climate change(氣候變化)”，“pattern(格局)”，“scale(尺度)”，“ecosystem services(生態(tài)系統(tǒng)服務)”和“biodiversity(生物多樣性)”等。總體上看，關鍵詞中涵蓋水文、生態(tài)、土壤、地貌等多個學科領域，涉及水資源與水工程、生物地球化學循環(huán)、景觀生態(tài)學、洪水管理、水生態(tài)水環(huán)境、水力學與河流動力學、水土保持學、流域治理與生態(tài)恢復等多個研究方向，包含氣候變化、降水、土地利用、植被、城鎮(zhèn)化等自然和人類活動等影響因素以及尺度效應與臨界/閾值現(xiàn)象。并且關鍵詞中涉及入滲、產(chǎn)流、水量平衡等多個水文環(huán)節(jié)以及雷達、地理信息系統(tǒng)、穩(wěn)定同位素、水文模型等相關研究方法。

圖2 1992-2020年國外水文連通性研究文獻的關鍵詞與頻次及詞云圖

國內(nèi)的文獻檢索關鍵詞主要包括水文模擬、水系規(guī)劃、水系連通性、優(yōu)先恢復節(jié)點、河流生態(tài)系統(tǒng)等。由此也可以看出，國內(nèi)外相關研究側(cè)重點略有不同，國外相關報道聚焦于水文連通性與生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系和氣候變化和人類活動對水文連通性的影響，國內(nèi)較為關注河湖生態(tài)系統(tǒng)方面的研究。

3.3 爆發(fā)詞詞頻分析

在關鍵詞詞頻分析的基礎上，對爆發(fā)詞詞頻進行分析，能夠看出水文連通性在不同階段的研究熱點。基于前文關鍵詞分析，提取了20個爆發(fā)詞，國外水文連通性研究文獻的爆發(fā)詞與頻次如圖3所示。受限于中文文獻數(shù)量以及關鍵詞較為分散的影響，無法對國內(nèi)相關文獻的爆發(fā)詞進行提取，所以爆發(fā)詞詞頻主要以國外文獻為主。

圖3 1992-2020年國外水文連通性研究文獻的爆發(fā)詞與頻次

由圖3可知，除表征研究地點的多瑙河和表征研究領域的生態(tài)學外，連通性、生態(tài)系統(tǒng)服務、生態(tài)學、氣候變化、洪泛區(qū)、生物多樣性、河岸帶、流量調(diào)節(jié)、浮游生物、生態(tài)恢復、豐富度、有機質(zhì)、氮、磷、養(yǎng)分、富營養(yǎng)化、閾值和入滲為1992-2020年不同時間段內(nèi)集中出現(xiàn)的爆發(fā)詞，由此也可以發(fā)現(xiàn)，水文連通性在氣候變化和人類活動背景下，植被格局對生物多樣性、養(yǎng)分傳輸和水文過程的影響是近十幾年的研究熱點。值得注意的是，作為表征水文連通性的景觀格局指數(shù)并未呈現(xiàn)階段性的爆發(fā)詞，這一方面說明了指數(shù)自身屬性與相關生態(tài)過程，例如土壤侵蝕過程的復雜性，同時也意味著構建表征生態(tài)過程的相關指數(shù)或在現(xiàn)有指數(shù)基礎上改進，依舊是開展景觀格局-生態(tài)過程關系研究的重要方向。此外，基于前文的關鍵詞詞頻分析，根據(jù)檢索到的文獻數(shù)量，統(tǒng)計了報道水文連通性的主要期刊和主要國家，結(jié)果如圖4所示。

圖4 1992-2020年水文連通性研究文獻主要發(fā)表期刊及國家

由圖4可知，Hydrological Processes為刊發(fā)水文連通性研究文獻最多的雜志，達155篇，其次是Science of the Total Environment(87篇)、Journal of Hydrology(74篇)、Freshwater Biology(68篇)、Water Resources Research(50篇)，地貌學期刊Geomorphology和Earth Surface Processes and Landforms分別刊發(fā)37篇和28篇，土壤學期刊CATENA、Land Degradation & Development分別刊發(fā)30篇和26篇，生態(tài)學期刊Ecological Engineering、Ecological Indicators分別刊發(fā)25篇和23篇，Landscape Ecology、Journal of Applied Ecology 各刊發(fā)10篇。上述數(shù)據(jù)再次表明水文連通性涵蓋水文水資源、生態(tài)、環(huán)境、土壤和水生生物學等多個學科，是一個涉及多學科交叉的領域和研究方向。而從開展水文連通性研究的國家分布來看，多集中在歐洲和美洲，來自美國和英國的文獻數(shù)量約占總文獻比例的30%。值得提及的是，雖然關于水文連通性研究的中文文獻檢索數(shù)量較少，但來自中國的研究報道在國際期刊的發(fā)文量總體位居中游。

3.4 高頻關鍵詞共現(xiàn)可視化分析

共詞分析是開展文獻計量的常規(guī)手段，因每篇文章研究內(nèi)容并不是用孤立的單一關鍵詞概括，需要結(jié)合多個關鍵詞進行共同表達。與此同時，相同領域的關鍵詞大概限定在一個范圍內(nèi)，不同研究文獻常具有相似的關鍵詞，所以，根據(jù)前文高頻關鍵詞的統(tǒng)計結(jié)果，對高頻關鍵詞進行共詞分析，其結(jié)果能夠體現(xiàn)本領域研究主題與研究熱點。

采用Citespace制圖，進行共詞分析結(jié)果可視化，建立關鍵詞之間的共現(xiàn)關系?？梢晥D中節(jié)點的大小表示該關鍵詞同其他關鍵詞共現(xiàn)頻次，節(jié)點越大，則頻次越高，關鍵詞中心度也越大；兩節(jié)點之間的連線表示這兩個關鍵詞出現(xiàn)在同一篇文獻中，連線越粗表示共現(xiàn)次數(shù)越多，關系越密切。國外水文連通性文獻中相關關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡如圖5所示。

圖5 國外水文連通性研究高頻關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡可視圖

由圖5可知，節(jié)點較大的關鍵詞有“hydrological connectivity(水文連通性)”、“runoff(徑流)”、“climate change(氣候變化)”、“floodplain(洪泛區(qū))”、“l(fā)and use(土地利用)”和“scale(尺度)”等，這也在一定程度上代表了與水文連通性較為密切的研究方向。在小流域綜合治理方面，長期植被恢復以及人類活動影響流域生態(tài)過程，直接影響流域內(nèi)景觀單元的連通性，如圖6所示，坡面-溝道水土保持工程措施的修建，以及大規(guī)模植被恢復，均會改變流域內(nèi)的“源-匯”格局，那么如何識別且高效開展植被恢復以實現(xiàn)流域可持續(xù)治理，水文連通性為開展小流域綜合治理提供了新的視角。國內(nèi)方面受限于文獻數(shù)量與關鍵詞數(shù)量較少，共詞現(xiàn)象不明顯，故對國內(nèi)以水文連通性為主題的相關報道將在相關文獻以及關鍵詞累積到一定數(shù)量后再做分析。

圖6 小流域綜合治理對流域內(nèi)景觀單元連通性的影響示意圖

4 結(jié)論與展望

本文運用文獻計量方法，對1992-2020年國內(nèi)外水文連通性方面的研究文獻，從發(fā)表數(shù)量、關鍵詞出現(xiàn)頻次、高頻關鍵詞統(tǒng)計和關鍵爆發(fā)詞強度進行提煉和解析，并對高頻關鍵詞進行共現(xiàn)可視化制圖，分析了當前水文連通性領域的研究熱點和發(fā)展趨勢，得出如下結(jié)論：

(1)國外水文連通性方面的研究起步較早，發(fā)文數(shù)量穩(wěn)中有升，2019年全年發(fā)文量已超過250篇。主要方向包括不同生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)內(nèi)部或水文要素之間水、物質(zhì)、能量和生物之間的交互作用對水文連通性的影響、氣候變化和人類活動背景下水文連通性的多尺度效應以及水文連通性與生態(tài)系統(tǒng)服務等方面[42-50]。國內(nèi)水文連通性方面的研究起步較晚，近些年研究成果呈增加趨勢。隨著對水文連通性認識的不斷深入，相關方向的拓展不斷加大，成熟的案例研究會逐漸增多。

(2)在研究內(nèi)容方面，學者將現(xiàn)有研究水文連通性的內(nèi)容分為5類，一是評價土壤-水分格局；二是研究坡面徑流格局和過程，三是包括地形控制(比如道路網(wǎng)絡)對水文連通性和流域徑流的影響，四是模型開發(fā)探索并預測水文連通性，五是制定反映水文連通性指標[1]。水文連通性與生態(tài)過程、不同類型生態(tài)系統(tǒng)水文連通性對物質(zhì)傳輸?shù)挠绊?、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構和功能的變化對水文連通性的影響等方面是較為成熟的研究熱點。國外圍繞水文連通性、景觀連通性以及泥沙連通性在不同類型生態(tài)系統(tǒng)及不同尺度均開展了深入的研究。國內(nèi)方面由于起步較晚，目前更多側(cè)重于河湖生態(tài)系統(tǒng)水系連通演變及其驅(qū)動因素研究，圍繞小流域綜合治理，以及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構的改變對水文連通性的影響等方面相關報道較少，尤其是基于水文連通性評價人類活動對流域生態(tài)環(huán)境影響方面的研究還需加強。

(3)在研究方法方面，人們已總結(jié)了多種水文連通性的評價方法，包括基于水文監(jiān)測指標的定位監(jiān)測、基于關鍵水文過程的水文模型、反映景觀類型和動態(tài)變化對水文連通性影響的景觀格局指數(shù)以及結(jié)合數(shù)字化水系網(wǎng)絡中的點、線拓撲關系的圖論方法。目前開展多尺度水文連通性制圖、地下水依賴型生態(tài)系統(tǒng)水文連通性表征、基于地理信息技術與長期野外監(jiān)測資料開展多尺度水文連通性對生態(tài)系統(tǒng)的影響和模型模擬，是未來該領域研究的核心方法與技術手段[51-54]。