基于文献计量的水环境保护研究现状及热点分析

　　摘要：借助于CNKI、WOS数据库，利用文献计量学，对国内外水环境保护发文量、被引量和高频关键词方面的数据和资料进行了定量分析。结果表明：①近几年来，国内外水环境保护发文量均呈现为增加的趋势，学科发展态势良好，但二者研究的侧重点有所不同；②从发文量来看，国内高发文方向集中在水污染防治技术方面，国际高发文方向集中在水质监测技术方面；③从高被引论文来看，国内的关注重点在污染机理研究及其治理技术方面，国际的关注重点在水质净化和监测技术方面；④从高频关键词来看，国内的研究热点是水质自动监测技术方面，国际的研究热点是重金属对鱼类的毒性效应、水处理技术、水体污染物及检测技术方面。

　　关键词：水环境保护；研究现状；研究热点；文献计量

　　1研究背景

　　随着我国经济的快速发展，水体富营养化、黑臭水体、重金属污染、有机污染等水环境新老问题日益突出，严重威胁着生态环境和人体健康，水环境保护已成为我国重要发展战略[1-3]。近些年来，我国在水环境保护方面的科研投入在持续加大，科技成果产出丰富，但同时也存在着研究内容庞杂而创新性不足等问题。因此，为了找准该学科的研究热点和方向，本研究借助于文献计量学，通过关键词来检索2013～2017年国内、国际与水环境保护相关的文章，以便获取水环境保护领域的发文量、被引量、高频关键词、高被引论文等指标；在此基础上，初步揭示了水环境保护的研究现状、研究热点及其发展趋势。研究成果可为科技工作者更有针对性地开展水环境保护方面的研究提供支撑和参考。

　　2数据和方法

　　2.1数据来源

　　通过查阅文献和咨询专家，研究确定了当前水利行业内水环境保护领域重点关注的5个子方向：水污染防治技术、水质监测、水质净化技术、面源污染防治和纳污能力核定。本研究采用布尔逻辑算符、临近算符、通配符等确定关键词的检索式，在CNKI和WOS核心合集SCI数据库中进行文献数据的抓取。其中，将中文文献类型设定为期刊论文，将英文文献类型设定为Article和Review，将发表时间限定为2013.01.01～2017.12.31。

　　2.2研究方法

　　本研究依托文献计量学进行统计分析。文献计量学是以各类文献数据为基础，采用数学、统计学、文献学等方法来定量描述、评价和预测学科的研究热点与发展趋势的新兴学科，已受到地球科学、土壤科学以及环境科学等领域专家学者的高度关注[4-7]。例如，宋国香等利用文献计量学对水体修复技术进行了分析，结果发现我国水体修复技术SCI发文量较高，但研究层次和论文质量还有待提升[8]。陈华等利用文献计量学开展了生态水文学、环境治理、三峡库区水环境等方面研究热点及发展趋势的研究[9-11]。可见，文献计量学已成为学科研究热点及其发展趋势分析的成熟方法。另外，本研究利用了SQLServer进行数据提取，运用MicrosoftExcel2013进行数据处理和分析，并借助于CiteSpace对关键词进行可视化图谱分析。

　　3结果与分析

　　3.1期刊论文发文量分析

　　通过检索、统计和分析，得出了2013～2017年水环境保护领域及其子方向CNKI论文和SCI论文的发文量和被引量，如表1所示。图1展示了水环境保护领域发文量随时间变化的情况，图2展示了各方向的发文量。由上述图表可以看出：国内外水环境保护领域5a发文量分别为44216篇和54004篇，均呈上升的趋势，发展态势良好。其中，水污染防治技术是国内的首要发文方向，发文量达30099篇；其次是水质监测方面的文章，发文量为8882篇。可见，我国学者在水污染防治技术方面投入了大量研究，特别是随着2015年《水污染防治行动计划》的印发，防治水污染、保护水环境、修复水生态成为了我国科研工作者急需攻关的重要课题[12]。

　　国际主要发文方向是水质监测和水质净化技术，发文量分别为39661篇和9809篇。由此可见，水质监测作为水资源保护和水污染防治的重要前提，国内外对其均投入了较大的研究力度。

　　国内外水环境保护领域总被引量分别为82242次和27902次，篇均被引量分别为1.86次和0.55次。分析各方向被引情况发现，国内发文量较高的研究方向往往篇均被引量较低，而国际上则相反。在国内，水污染防治技术发文量较高，但篇均被引量较低，表明该方向产出丰富，但论文平均水平较低；面源污染防治发文量不占优势，但篇均被引量高达2.31次，论文平均水平较高。国际上，水质监测、水质净化技术发文量、篇均被引量都相对较高，表明这两个方向产出丰富，而且论文平均水平较高。鉴于SCI论文研究内容的前沿性，水质监测作为SCI论文主要发文方向，且影响力较高，可能是我国水环境保护研究的发展趋势。水质监测是指监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况，为防治污染提供技术支撑。我国对水质监测的研究起步较晚，但是发展速度比较快[13]，已经逐步实现了将水质自动在线监测和常规检测相结合，多重评价方法相结合，并开始重视生物技术和遥感技术的应用[14-15]。但是应注重将地表水的水质监测与实际情况相结合，采取多方位的监测方式[16-17]。

　　3.2高被引文章分析

　　论文在一段时期内的被引量可以反映该时期内学术界对某一领域重点关注的内容及关注的程度[8，18-19]。表2列举了2013～2017年间年均被引量前10位的文章。由表2可以看出：近几年来，CNKI高被引论文关注的环境问题主要集中在农业面源污染、水体富营养化和城市黑臭水体，重点关注的污染物包括药物、个人护理品、重金属、氮磷以及挥发性有机硫化物等。其中，农田重金属原位钝化修复技术、半导体催化技术、水质监测技术是近几年重点关注的污染控制和治理技术，“4R”理论是较先进的农业面源污染控制理论。此外，污染物的形成机理、污染特征、迁移转化、成因分析以及污染评价也是国内关注的重点研究内容。

　　表3列举了年均被引量前10位的SCI论文。由表3可以看出：近几年来，SCI高被引论文研究内容主要集中在水质净化技术和水质监测方面。由篇名和关键词分析可知，水质净化技术热点是膜纳滤技术、光催化技术。其中，纳滤技术中关注度较高的膜是石墨烯膜，光催化技术中关注度较高的催化剂是TiO2。环境DNA技术是水质监测技术热点，用于监测生物多样性、丰度和占有率等。

　　通过对比分析CNKI和SCI高被引论文的主要研究内容，可以发现：国际水环境保护领域整体而言更加关注技术研究，而国内在技术研究方面相对较弱，在机理研究方面的关注度相对较高。

　　3.3研究热点分析

　　关键词是学术论文研究主题的直接体现，通过对关键词的频次和聚类进行分析，能够探测出某一领域的研究热点、主题和趋势[20-21]。本研究所采用的CiteSpace，是美国德雷赛尔大学陈超美教授于2004年研发的用于文献分析的信息可视化工具，运用该工具，可对关键词进行聚类分析、社会网络分析、多维尺度分析，从而获得关键词的中心度和聚类结果[22]。获得的图谱中色环的大小代表着关键词出现的频次，不同颜色代表了关键词出现的不同时段。关键词节点标签的大小代表着关键词的中心度。中心度是根据文章的互引关系，结合关键词的出现频次以及共现情况等得到的影响力指标，中心度高的关键词反映了学科研究的热点[21]。图中连线代表了关键词的共现情况，连线越粗说明共现频次越大。同一颜色的连线代表一个聚类结果，即一个热点主题。

　　3.3.1国内研究热点分析

　　(1)关键词中心度分析。对水环境保护领域2013～2017年的CNKI核心期刊(北大核心、南大核心、CSCD和统计源核心)论文题录中所给出的关键词进行了可视化分析。设置CiteSpace软件的文献被引量阈值为30，保留文献被引量高的前5.0%作为节点，获得关键词可视化图谱(见图3)。由图3可以看出：水质监测出现的频次、中心度均较高，是近几年来国内水环境保护领域的研究热点；农业面源污染、饮用水、地理信息系统的中心度高，但出现的频次较低，说明这3个主题近5a的产出较少，是潜在的研究热点。

　　由已有研究发现：流域尺度的面源污染治理与过程模拟是当前农业面源污染的研究前沿，而农业面源污染物在沟渠与河流网络中的迁移转化机理将成为未来的研究热点[23]。地理信息系统(GIS)在重点污染源管理、紧急事故处理、水环境监测和管理以及在水环境管理决策支持系统中的应用，是当前的研究重点；同时，还应注重发掘其在水环境保护领域其他方面的应用[24]。

　　(2)关键词聚类分析。国内水环境保护领域根据关键词的共现关系，主要聚成一个以水质监测为中心词的聚类。其中：①监测的水体类型主要包括饮用水(特别是农村饮用水)、自来水、湖泊和河流；②水质监测点位主要包括自来水厂、供水管网、入河排污口、交界断面和水功能区；③重点研究的水质参数包括硝酸盐氮、六价铬、粪便细菌和叶绿素a。

　　自动监测系统主要分为水质参数采集和处理、水质参数远程传输、水质参数管理和分析、水质指标模拟预测4个部分[25]。其中，水质参数采集主要采用ATP生物荧光法、pH传感器、光纤光谱仪等，而PID控制、压缩感知去噪算法是调节水质参数、提高检测精度的常用方法；水质参数远程传输常采用GPRS网络、分布式无线网络、3G远传、ZigBee组网等；水质参数管理和分析常采用B/S模式、专家系统以及交互式数据分析。21世纪以来，我国在自动监测技术方面有了很大提升，主要是将该技术应用于监测水质变化及变化趋势、实时掌握水质状况等方面，然而仍存在灵敏度低等问题[26]。

　　3.3.2国际研究热点分析

　　(1)关键词中心度分析。对水环境保护领域2013～2017年的SCI论文题录中所给出的关键词进行了可视化处理，设置CiteSpace软件的文献被引频次阈值为30，将保留文献被引频次高的前3.0%作为节点，从而获得到关键词的可视化图谱(见图4)。由图4可以看出，除了研究对象“水(water)”的中心度最高之外，沉积物(sediment)、废水(wastewater)、重金属(heavymetal)、吸附(adsorption)等词的中心度较高，是近几年国际水环境保护的研究热点。重金属因其在自然环境中的不可降解性、累积性和毒性而受到国内外学者的关注。目前，对于沉积物重金属的研究主要集中在重金属的总量、分布特征及规律、来源分析、化学形态以及风险评估等方面，不过还需注重对重金属不同化学形态的变化过程的研究[27-28]。

　　(2)关键词聚类分析。国际水环境保护领域根据关键词的共现关系，主要聚成以下3个聚类，分别是：①水处理技术；②重金属对鱼类的毒性效应；③水体污染物及检测技术。具体研究内容描述如下。

　　水处理技术。本聚类中心词为吸附(adsorption)，主要的水处理技术包括吸附(adsorption)、膜处理技术(membrane)、二氧化钛光催化降解法(TiO2，photocatalyticdegradation)、电Fenton法(Electro-Fenton)、过氧化氢氧化法(oxide、hydrogenperoxide)。其中，膜处理技术主要包括：反渗透(reverseosmosis)、超滤(ultrafiltration)、纳滤(nanofiltration)、微滤(microfiltration)；重点研究的污染物类型是亚甲蓝(methyleneblue)等染料废水(dyeremoval)有机污染物(organicpollutant)；所采用的吸附材料主要是活性炭(activatedcarbon)，以及纳米纤维(nanofiber)、壳聚糖(chitosan)、石墨烯(graphene)、氧化石墨烯(grapheneoxide)形成的纳米复合材料(nanocomposite)和水凝胶(hydrogel)，而静电纺丝(electrospinning)是重要的纳米纤维制备技术。

　　重金属对鱼类的毒性效应。本聚类中心词为重金属(heavymetal)。由于重金属具有毒性(toxicity)、生物累积性(bioaccumulation)、不可生物降解性(biodegradation)，一旦进入鱼(fish)体内，将会影响鱼的基因表达(geneexpression)，危害鱼类健康，进而威胁到水生态系统的生物多样性(bioavailability)。因此，重金属对鱼类的毒性效应受到了广泛关注。

　　根据关键词聚类结果，重点研究的重金属包括：砷(arsenic)、铅(lead)、镉(cadmium)、汞(mercury)、铜(copper)、铁(iron)、锌(zinc)。水生态系统重金属检测的方法有：生物监测(biomonitoring)、生物传感器(biosensor)、稳定同位素(stableisotope)；水生态系统健康的评价方法有：生物标志法(biomarkers)、富集因子(enrichmentfactor)；鱼类对重金属污染胁迫的主要响应指标包括：遗传毒性(genotoxicity)、组织病理学(histopathology)；产生毒性的主要通道是氧化应激(oxidativestress)。国际上对水体重金属的研究，已从总量测定转到了形态(speciation)分析和生物有效性的研究。

　　水体污染物及检测技术。国际上主要研究的水体污染物包括：药物(pharmaceuticals)、农药(pesticides)、多环芳烃(PAHs)、抗生素(antibiotics)、蛋白质(protein)、多糖(polysaccharide)、细菌(bacteria)、细胞代谢物(cell，metabolite)、氟(fluoride)、微量元素(traceelements)以及亚硝酸盐(nitrite)等；水样采集技术主要包括：被动采样(passivesampling)、POCIS采样；样品分离技术主要是固相萃取(solidphaseextraction)；水质检测技术主要包括：串联质谱(tandemmassspectrometry)、液相色谱(liquidchromatography)、高效液相色谱(performanceliquidchromatography)、液相二级质谱(LC-MS/MS)、气相色谱法(gaschromatography)、气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)。此外，水体污染物检测方法的优化(optimization)、设计(design)和验证(validation)，也是近几年来国际水环境保护领域的研究热点。

　　4结论

　　本文基于CNKI、WOS核心合集SCI数据库，借助于文献计量方法，对国内外水环境保护领域的研究热点和发展趋势进行了探究、分析；基于分析结果，可以得出以下主要结论。

　　(1)从发文量来看，近5a的国内外水环境保护领域的发文量呈上升的趋势，发展态势良好。其中，水污染防治技术是国内学术论文的主要产出方向，但论文平均水平较低；水质监测是国际学术论文的主要产出方向，且论文平均水平较高。

　　(2)从高被引论文来看，近5a来国内水环境保护领域的关注热点是污染治理技术，研究的重点是污染物形成机理、污染特征、迁移转化、成因分析和污染评价。国际水环境保护领域的关注热点是水质净化技术、水质监测技术，研究的重点是纳滤技术、光催化技术和环境DNA技术。

　　(3)从高频关键词来看，水质监测，尤其是水质自动监测技术，是国内水环境保护领域的研究热点，饮用水、地理信息系统、农业面源污染近5a来出现的频次不高但其中心度较高，是潜在的研究热点。重金属污染、吸附技术是国际水环境保护领域的研究热点，其中，重金属对鱼类的毒性效应、水处理技术、水体污染物以及检测技术是国际上的热点研究主题。