基于CiteSpace的中國水質基準研究熱點分析*

夏 鵬 金 琪 司靜宜 巢 鑄 黃楠楠 李忠玉 李 杰 馮承蓮 白英臣#

(1.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012；2.常州大學環(huán)境與安全工程學院,江蘇 常州 213164；3.上海海事大學海洋科學與工程學院,上海 200135)

水質基準(WQC)是指水環(huán)境中的污染物或有害因素對人體健康和水生態(tài)系統(tǒng)不產生有害效應的最大劑量或水平,是制定水質標準的科學依據[1-2]。WQC在環(huán)境保護方面發(fā)揮著重要作用,是生態(tài)環(huán)境部門評價水質和進行水質管理不可或缺的理論基礎,同時WQC研究也可反映一個國家環(huán)境科學研究水平[3-5]。因此,WQC對評價我國水體質量、進行水環(huán)境管理具有十分重要的理論和現實意義。目前,WQC領域相關的研究報道較多,但鮮有文章基于文獻計量學對已有研究進行統(tǒng)計分析,并以此系統(tǒng)揭示WQC的研究現狀和研究趨勢。

文獻計量學是基于文獻學、信息學、數學和統(tǒng)計學的交叉學科,可以通過CiteSpace對現有文獻進行定量統(tǒng)計分析,識別文獻發(fā)表人員和單位的地域分布特征,進行關鍵詞聚類分析和時間階段性分析等。使用科學統(tǒng)計的方法對文獻進行定量分析可以為研究者提供一個全面的學科發(fā)展背景和發(fā)展趨勢參考[6-7]。該研究基于中國知網(CNKI)數據庫,利用CiteSpace對1980—2021年發(fā)表的WQC領域文獻進行計量分析,以期為WQC深入研究和環(huán)境管理提供借鑒與參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

以1980年1月1日至2021年12月1日為檢索時間段,分別以“水質基準”“水環(huán)境基準”“水環(huán)境質量基準”“水質量基準”進行全文檢索,共獲得文獻1 582篇,其中相關文獻1 281篇。

1.2 研究方法

CiteSpace是基于計量學、數據和信息可視化技術的引文可視化分析軟件。該軟件不僅可以分析作者、研究機構、國家/地區(qū)的信息,也可以對關鍵詞進行聚類分析,探究該研究領域的熱點問題和發(fā)展趨勢[8-9]。使用CiteSpace 5.0 R3對WQC領域進行關鍵詞、發(fā)文量、作者和研究機構計量分析,通過詞頻分析、聚類分析和時序分析等方法對我國WQC的研究現狀與發(fā)展趨勢進行圖譜化呈現。

詞頻分析是文獻計量學的傳統(tǒng)分析方法之一,常被用來描述某學科領域的研究狀況,進而揭示該領域的研究熱點和發(fā)展軌跡。聚類分析是利用聚類算法將關系緊密、關聯強度大的關鍵詞聚在一起形成一類,同一聚類反映了網絡中節(jié)點的相似性,有助于識別某一領域的代表性知識子群。時序分析可以探究某一個關鍵詞在某一時間段內衰落或者興起的情況。

2 結果與分析

2.1 發(fā)文分析

發(fā)文量可以直接反映WQC領域研究的活躍程度,WQC領域每年發(fā)文量見圖1。由圖1(a)可見,1980—2021年WQC研究的發(fā)文量總體呈增加趨勢,從1980年的4篇/a增至2021年的111篇/a。2007、2011、2020年增幅分別為47.50%、45.05%、19.80%,為增幅最大的3年。圖1(b)展示了發(fā)文量的自然對數值與年份的線性擬合關系(R2=0.906 7,p<0.05)。2013—2021年發(fā)文量基本超過100篇/a。隨著社會的發(fā)展,在水資源、水生態(tài)、水環(huán)境統(tǒng)籌(即“三水統(tǒng)籌”)推進轉變、協同治理的大背景下,有關WQC的發(fā)文量可能還將逐漸增多,質量也將逐步提高。有學者利用CiteSpace對環(huán)境內分泌干擾物發(fā)文量進行分析,也發(fā)現類似規(guī)律[10]。

注：圖1(b)中的虛線為擬合線,圖2同。

對CNKI中經篩選后的1 281篇文章進行研究機構和作者分析,發(fā)文量前5位的研究機構分別是中國環(huán)境科學研究院、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心、南京大學、中國環(huán)境監(jiān)測總站和北京師范大學,其中,中國環(huán)境科學研究院發(fā)文量最多,中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心次之,占比分別為35.7%和6.3%。進一步研究表明,研究機構(見圖2(a))和作者(見圖2(b))的發(fā)文量與其排名符合齊夫定律(p<0.05),這表明當發(fā)文量與排名在統(tǒng)計學上會遵循一定的冪律分布規(guī)律。有學者研究古漢語文本的詞頻和詞序分布,發(fā)現二者也符合齊夫定律[11]。在WQC的相關研究中,國家自然科學基金與水體污染控制與治理科技重大專項(以下簡稱“水專項”)資助論文分別占20.3%和15.4%。在國家自然科學基金的支持下,開展了鋁[12]、鉈[13]等污染物的分布特征、致毒機理與基準風險研究。在水專項的支持下,探索了長江流域[14]、太湖流域[15]等國內七大流域的生物水系特征,其結果可為不同地域保護水生生物和人群健康WQC的制定提供大力支持。

圖2 WQC領域研究機構、作者排名與發(fā)文量關系Fig.2 The relationship between the number of published papers and rank of research institutions and authors in the field of WQC

2.2 關鍵詞聚類分析

關鍵詞聚類分析可以在一定程度上反映WQC領域研究主題的分布情況[16-17]。在CiteSpace中選擇關鍵詞為節(jié)點類型,獲得“急性毒性”“水質”“重金屬”“水質標準”“化學物質”等核心關鍵詞,并對聚類結果進行圖譜化呈現(見圖3)。

圖3 WQC領域文章關鍵詞的聚類圖譜Fig.3 The clustering mapping of keywords for articles in the field of WQC

1#是以“急性毒性”為核心關鍵詞的詞群落。在“急性毒性”的詞群落中,包含了水生生物、慢性毒性、斑馬魚等主題,反映出在WQC制定過程中涉及大量水生生物毒性效應研究。因此水生生物的急慢性毒性測定方法、檢測數據和數據收集整理是WQC制定的重要組成部分。吳豐昌等[18]研究了銅的淡水WQC,收集了21個物種的急性毒性數據和4個物種的慢性毒性數據,水生生物類別覆蓋環(huán)節(jié)動物類、兩棲動物類、重要的經濟魚類、浮游甲殼類和昆蟲類等；閆振廣等[19]研究了淡水中氨氮的水生生物WQC,收集了35種淡水氨氮的急性毒性數據和7種慢性毒性數據,覆蓋了脊索動物、環(huán)節(jié)動物、兩棲動物、昆蟲和貝類等。因此,水生生物毒性數據的積累是WQC制定的基礎。

2#是以“水質”為核心關鍵詞的詞群落。在“水質”的詞群落中,包含了飲用水、富營養(yǎng)化、對策等主題,反映了WQC研究與飲用水等水質富營養(yǎng)化問題的解決對策有關,制定相應流域的WQC可以有效防范水質富營養(yǎng)化等問題。盧金友等[20]在研究漢江水生態(tài)環(huán)境問題時發(fā)現部分支流水質污染形勢嚴峻、富營養(yǎng)化的發(fā)生風險加劇等,并提出了建立生態(tài)環(huán)境協同保護機制、加強生態(tài)環(huán)境保護科技支撐的防范對策。因此, WQC研究可以為流域水污染治理提供強有力的科技支撐。

3#是以“重金屬”為核心關鍵詞的詞群落。在“重金屬”的詞群落中,包含了沉積物、毒性效應、風險評估等主題,反映了WQC是評價水質中沉積物污染和生態(tài)風險的基礎,是環(huán)境管理部門確定沉積物污染狀況和修復目標的重要依據。因此,針對重金屬的毒性效應和風險評價也開展了大量研究,有學者探究鄱陽湖的銅、鉛、鋅、鉻4種沉積物重金屬,發(fā)現鉻的毒性最高,鋅的毒性最低,重金屬污染對湖區(qū)水生生物具有一定的毒性風險[21]。因此,重金屬的風險評估與WQC的制定也是密切相關的。

4#是以“水質標準”為核心關鍵詞的詞群落。水質標準是國家水生態(tài)環(huán)境管理的基石,是水質監(jiān)測、評估和管理的重要依據,而WQC是制定水質標準的科學基礎。我國現行水質標準主要參考借鑒國外,具有一定的局限性,還需進一步修訂和完善。我國有部分學者也對水質標準進行了研究,如探索了美國的水質標準,并凝練了它們對制定中國水質標準的借鑒意義,包括考慮WQC的區(qū)域差異和季節(jié)性變化等[22]。

5#是以“化學物質”為核心關鍵詞的詞群落。在“化學物質”的詞群落中,包含了水污染、人體健康、大型溞等主題。有學者根據本土化人體暴露參數、水質參數、雙酚AF和雙酚S的生物積累系數等相關數據推導了太湖流域的雙酚AF和雙酚S的人體健康質量基準[23],這反映了在制定WQC的過程中,也應該考慮相應水體中化學物質的濃度。

由于我國幅員遼闊,不同地區(qū)地理地質背景、水質參數、生物區(qū)系不同,WQC建議值存在著一定的差別。鎘在珠江流域和遼河流域的急性基準值比國家層面的鎘基準值高98.8%和62.9%[24]。依據我國不同的流域制定其相應的WQC,可以為當地水環(huán)境管理提供有效的技術支持,為不同流域的生物提供全面保護。因此,考慮不同地域的水生態(tài)系統(tǒng)的完整性和生物多樣性來制定WQC,也更契合新時代“三水統(tǒng)籌”的發(fā)展要求。

2.3 時序分析

在時區(qū)圖中,節(jié)點位置表示該關鍵詞首次出現的時間段,節(jié)點大小表示關鍵詞出現頻次的高低[25-26]。時區(qū)圖中標志性參數有模塊指數(Q)和輪廓性指數(S),Q>0.3意味著聚類結構顯著；S>0.7時認為分析結果可以令人信服[27-28]。繪制出WQC領域文章關鍵詞的時區(qū)圖,Q為0.750 2,S為0.910 8,表明該時區(qū)分析結果合理可靠?？蓪⑽覈鳺QC研究大致分為4個時期,分別是起步發(fā)展期(1980—1990年)、緩慢發(fā)展期(1991—2000年)、快速發(fā)展期(2001—2010年)和平穩(wěn)發(fā)展期(2011—2021年)。

在WQC起步發(fā)展期,受當時經濟技術條件的限制,WQC主要參照歐美的研究方法,此階段進行水生生物的急慢性基準值推導的初步探索。在WQC緩慢發(fā)展期,多處流域的水環(huán)境污染嚴重,我國進行了大規(guī)模的水質污染治理,積極開展了重金屬毒性效應和污染防治對策研究。WQC快速發(fā)展期,隨著我國經濟、社會技術水平獲得較大幅度進步,一場以整治飲用水水源水質污染問題為重點的“環(huán)保風暴”在多地刮起,在該時期國內發(fā)生了藍藻暴發(fā)、硝基苯污染等重大環(huán)境污染事件,因此這一時期水環(huán)境污染治理和生態(tài)風險評估研究較多,同時也探索了氨氮等無機鹽基準和人體健康基準等,為保障飲用水安全初步提供了科學策略。WQC平穩(wěn)發(fā)展期,我國大力推進生態(tài)文明建設,生態(tài)環(huán)境管理進入了高質量發(fā)展時期,該時期WQC研究主要集中在國家生態(tài)環(huán)境基準系統(tǒng)化和水環(huán)境中新型污染物的生態(tài)風險評估等。

關鍵詞的時序分析在一定程度上可以聚焦該領域的研究趨勢[29-31]。為了解WQC研究領域的最新發(fā)展趨勢,對WQC研究前沿進行動態(tài)分析,通過提取WQC領域的關鍵詞,對研究前沿進行識別與追蹤,反映主題研究變化趨勢,結果見表1。

“環(huán)保局”首次出現在1982年,此時國家社會經濟快速發(fā)展,環(huán)保局作為環(huán)境污染防治的主管部門,在WQC研究的起步發(fā)展期起著重要的領導作用。出現時間較早的關鍵詞還有“基準”“標準”“對策”“水質標準”“毒性”“飲用水”等,大致集中在WQC研究的緩慢發(fā)展期和快速發(fā)展期。在這兩個時期內,經濟社會的快速發(fā)展帶來了飲用水水質污染等問題,國家開始逐步重視環(huán)境污染的治理。因此,在以上兩個時期,WQC研究主要工作為環(huán)境基準、標準的制定,環(huán)境污染防治對策的研制,飲用水水質安全的研究,水生生物毒性數據的積累等。

“水生生物”“急性毒性”“生態(tài)風險”“三氯生”等關鍵詞的強度較高,且這些關鍵詞出現時間段都在WQC平穩(wěn)發(fā)展時期,在這一時期,國家大力推進生態(tài)文明建設,努力建設“美麗中國”,而WQC研究作為環(huán)境高質量管理的重要科學基礎也邁上系統(tǒng)化研究的臺階。水生生物的急慢性毒性和生態(tài)風險評估作為WQC研究的重要組成部分在這一時期也研究得較為廣泛和深入。在新時代“三水統(tǒng)籌、協同共治”的環(huán)境發(fā)展要求下,未來WQC的研究方向可能會聚焦于保護生物多樣性和人體健康,開展新型污染物、水生態(tài)完整性以及不同生物區(qū)系和不同流域的基準研究。

表1 1980—2021年WQC研究領域關鍵詞Table 1 Keywords in WQC research field from 1980 to 2021

3 結 論

(1) 我國WQC研究的發(fā)文量逐漸增多,研究熱度正在不斷提高,發(fā)文量的自然對數值與年份滿足線性關系,其R2=0.906 7(p<0.05)。2013—2021年發(fā)文量基本均超過100篇/a,2007、2011、2020年增幅分別為47.50%、45.05%、19.80%。主要研究機構包含中國環(huán)境科學研究院、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心等,其發(fā)文量占比分別為35.7%和6.3%。WQC領域主要研究機構和作者的發(fā)文量與排名符合齊夫定律,具有顯著相關性(p<0.05)。同時,WQC是國家自然科學基金與水專項共同支持的重點方向之一。

(2) 利用CiteSpace進行關鍵詞聚類分析,獲得“急性毒性”“水質”“重金屬”“水質標準”“化學物質”等核心關鍵詞,表明以上研究為WQC近40年來的研究熱點。由于我國不同地區(qū)的地理地質背景、水質參數和生物區(qū)系不同,考慮不同地域的水生態(tài)系統(tǒng)的完整性和生物多樣性來制定WQC,更契合新時代“三水統(tǒng)籌”的發(fā)展要求。

(3) WQC研究的時區(qū)圖顯示我國WQC研究歷程可大致分為4個時期,分別是起步發(fā)展期(1980—1990年)、緩慢發(fā)展期(1991—2000年)、快速發(fā)展期(2001—2010年)和平穩(wěn)發(fā)展期(2011—2021年)。未來WQC的研究方向可能會聚焦于保護生物多樣性和人體健康,開展新型污染物、水生態(tài)完整性以及不同生物區(qū)系和不同流域的基準研究。