工業生態學研究足跡遷移
——基于Citespace II的分析

項國鵬,寧 鵬,*,黃 瑋,石 磊

1 浙江工商大學工商管理學院, 杭州 310018 2 清華大學環境學院, 北京 100084

工業生態學研究足跡遷移
——基于Citespace II的分析

項國鵬1,寧 鵬1,*,黃 瑋1,石 磊2

1 浙江工商大學工商管理學院, 杭州 310018 2 清華大學環境學院, 北京 100084

由于工業發展與環境關系愈發惡化,可持續發展問題日益突出,有必要通過回顧工業生態學研究來尋找理論指導。利用引文空間分析工具Citespace II,通過繪制工業生態學知識圖譜,以定量與定性結合方法,系統梳理國內外工業生態學研究成果,挖掘工業生態學的知識基礎、發展脈絡和研究熱點。研究發現：工業生態學是一門交叉性學科,涉及環境科學、生態學、管理學和經濟學；生態工業園仍為工業發展重要方向,需要結合生態系統理論與工業流程重構對其加以改善；城市、農業、共生成為當前研究熱點；生命周期評估、投入產出分析和工業代謝仍為重要分析工具；我國工業生態問題將成為未來關注重點。

工業生態學；Citespace II；知識圖譜；演化路徑

工業發展與環境資源的矛盾關系驅動工業生態學研究的不斷發展[1- 5]。目前,工業生產進入數字化時代,環境資源日益枯竭,工業生態學研究也在相應地探索新問題。工業生態學的學科屬性逐漸清晰,工業共生方法持續更新,這使工業生態學研究領域不斷豐富,但是工業生態學演化路徑、時期熱點和方法進展仍不明晰。

工業生態學是一門綜合交叉學科[4- 7]。研究者來自多個學科領域,涉及生態學、管理學和系統科學等；工業生態學研究方法多種多樣,其中生命周期評價法、輸入輸出分析與復雜網絡方法旨在充分利用環境資源；不同時期研究熱點跨度較大,始于生態系統理論,發展于工業系統綜合研究；研究熱點不斷變化,以可持續發展作為研究主線。工業生態學經過30多年的研究進展,一般的文獻梳理難以清晰描述研究內容的寬度與深度,很有必要借助科學分析工具進行整理,其中工業共生方法、研究熱點變遷和學科發展足跡等亟需深入探析。

文獻計量學的發展為解決上述問題提供了科學工具。基于信息計量學分析方法,利用Citespace II工具對以往施引文獻和被引文獻之間關系進行空間描述,形成各學科的知識結構和各時期的研究熱點,繼而廓清工業生態學研究知識基礎。目前國內利用Citespace主要集中在管理學、高新技術專利[8],較少涉及工業生態學。本文借助Citespace工具,通過文獻共被引、關鍵詞共現分析挖掘工業生態學研究歷程的知識結構、學科發展脈絡與研究熱點,再結合時區聚類、突現詞分析厘清工業生態學理論框架和研究演進過程,為理論發展提供研究借鑒。

1 數據來源與研究方法

鑒于數據可獲取性,本文使用的數據來源于Web of Science(以下簡稱WOS)數據庫(SCI-EXPANDED, SSCI,A&HCI,CPCI-S, CPCI-SSH, CCR-EXPANDED, IC),數據采集于2015年5月23日,檢索條件為：主題(topical terms) = industrial ecology,時間段為“1989—2015”。共檢索出2639條記錄,每個記錄均包括每篇引文的標題、作者、摘要、關鍵詞、參考文獻等題錄信息。

本文采用信息可視化和文獻計量學分析法,借助CitespaceII分析工具。信息可視化(Information Visualization)最早由Robertson等于1989年提出,基于計算機技術將數據以圖像等形式展現出來[9]。目前可視化分析軟件中文獻計量使用較好的當屬Citespace,由美國德雷塞爾大學(Drexel University)的陳超美博士團隊開發,它能夠把研究主題的演進情況和最新趨勢進行可視化呈現[10]。

2 工業生態學的知識結構

2.1 知識基礎識別

工業生態學知識基礎和知識結構分析為后期工業生態學研究者提供參考框架。運行知識基礎分析的前提假設是,同一篇論文的參考文獻(即共被引參考文獻)間秉承同一研究脈絡或者有著類似的研究議題,各個參考文獻間的這種關系隨著共被引頻次的增加而強化,通過建立參考文獻網絡可以歸納梳理研究方向,刻畫研究發展脈絡,而在網絡中出現頻次高的參考文獻就可以認為是本學科的知識基礎。關鍵文獻在一段時間內具有較大影響力。本文分析1989年至2015年2639篇文獻,選擇每個時間切片被引頻次前20的文獻參與分析,數據導入Citespace II分析得到167個節點(Nodes), 359條連線(Links)。

圖1 文獻被引時區視圖Fig.1 The time-zone view of the cited references Citespace設置為 Time Slicing:2Year; Term Type: Noun Phrases;Node Types: Cited Reference,Select Top 20 most cited from each slice; Pruning: Pathfinder,Pruning the merged network; Clusters: Clustering; 其他采用默認設置

從圖1可見,首先,根據半衰期(half-life)分析,半衰期最大的為1989年由Frosch等(半衰期12)在《科學美國人》發表題為“制造業的戰略”(最初題目為“工業可持續發展戰略”),該文首次提出工業生態學概念[1],使其受到國際學者廣泛關注,工業生態學就此成為研究關注點。該文屬于工業生態學研究初期奠基文獻,提出工業生態學概念、基礎知識及研究對象,被持續不斷引用。

其次,根據突現度分析,突現度反映文獻在一段時間內影響力程度增加速度,也即通過被引用頻次的增加來體現。突現度最高的為Gibbs和Deutz(突現度10.16)在2007年通過生態工業園區發展體現工業生態學實踐意義,證明工業生態學理論應用價值,并且認為工業園區內連接關系有待改善以更好踐行可持續發展目標[11]。O′Rourke等(突現度9.98)進一步對工業生態學概念和理論框架進行辨析,梳理既往研究并建議加強分析方法等方面研究[12]。這兩篇文章在第一階段概念辨析基礎上進一步明晰工業生態學內涵,同時關注工業生態學實踐應用研究,進一步論證工業生態學兼具基礎和應用研究價值。

再者,共被引頻次(Co-citation Frequence)分析,Chertow(網絡中被引頻次139)回顧工業生態學分支領域“工業共生”研究現狀,指出工業共生關鍵在于多方合作及地緣毗鄰,從而提供協作的可能性[13]。Ehrenfeld和Gertler (共被引頻次121)梳理丹麥卡倫堡工業生態系統的運作邏輯,發現其潛在的聯系并非其他地區可以模仿學習,強調產業關聯對工業共生關系的重要作用[10]。工業共生和工業系統作為工業生態學的分支研究受到實踐研究者重視,同時這兩篇文章也為后期生態工業園理論研究奠定堅實基礎,受到長期關注。

最后,根據中心度(Centrality)分析,中心度指網絡中經過某個節點并連接另外兩個節點的最短路徑線占這兩個節點之間最短路徑線總數之比,識別網絡中高度連接的節點,體現網絡結構中文章的相對重要性。Ehrenfeld和Gertler (中心度0.31)通過分析卡倫堡工業生態系統發展模式,明確經濟驅動力及企業間關系在其中發揮的關鍵作用,認為卡倫堡產業共生經驗較難推廣[14]。Frosch和Gallopoulos(中心度0.3)通過工業代謝研究,提出工業生態學及工業生態系統概念內涵,開辟工業生態學研究先河[1]。

經典文獻反映研究領域的知識基礎。該類文獻的被引用頻次以及持續被引用時間(半衰期)反映該文獻在研究領域的堅實地位,通過關注社會實踐熱點并及時總結經驗為理論提煉奠定基礎,具有較高的開拓性和創新性。工業生態學領域早期研究者關注工業活動與自然生態系統相關性,模擬自然生態系統能量傳遞以提升工業材料利用效率,進一步關注生態工業園建設,通過產業間協調實現能源多級利用。從以上32篇經典文獻分析中發現,工業生產與環境和諧共生是歷來關注焦點,未來較長一段時間也將是學術界和實踐者的共同關注重點。

2.2 研究網絡演化分析

共引網絡表征交叉研究集合,聚類代表研究共同脈絡焦點。時間切片內被引文獻構成參考文獻網絡,文章通過分析1989年至2015年的2639篇文獻,選擇每個時間切片被引頻次前25的參考文獻參與分析,數據導入Citespace II分析得到214個節點(Nodes), 504條連線(Links),23個主要分組聚類。

由圖2可知,基于時間切片內引用頻次前25位的重點文獻聚類,工業共生、工業生態園和環境研究之間相關度較為緊密,同時工業生態學和工業生態園研究聚類突現度較高(聚類區域為紅色)。綜合參考文獻時間線視圖(圖2)和共現網絡聚類主要信息表(表2)來看,工業生態學研究充滿學科交叉。

通過對工業生態學研究聚類進行歸納集群,形成更加集中的6個研究群落,如表2所示。工業生態學源于環境變化引發思考,結合生態學理論重新認知工業組織與環境資源的關系,以及對可持續發展目標的重要作用,伴隨生態意識在工業發展中不斷深化,結晶于生態工業園研究。

20世紀50年代之后,工業發展帶來的環境壓力日趨明顯。1971年,Bryan等基于生態學理論分析重金屬污染對物種變化的影響,認為生態環境保護需要得到重視[15],工業生產模仿自然系統構建生態工程復合系統[16- 17],成為實現循環經濟的重要方法[18]。1988年,Ackers和Smith基于案例研究,發現適應環境變化能夠減小環境危害[19]。隨著組織管理方法完善,工業生產更加重視績效產出,Freeman和Hannan提出組織生態學概念,以改進組織生產效率[20]。基于此,工業組織和生態學在利用環境資源時都加深了理解。Christensen等梳理生態系統管理,尋找自然資源最優利用方式以實現可持續發展[21]。Ayres發現有毒重金屬任意流動破壞可持續發展目標,源頭控制和高效利用成為有效緩解手段[22]。伴隨著生態環境研究的增加,公眾生態意識也在不斷提高。Graedel類比工業生態活動與生物生態系統,指出在工業活動中需要加強生態意識,注意生態邏輯運用[23]。綜合以往研究,工業生態學理論體系基本形成。Graedel等系統梳理工業生態學研究,初步形成理論框架[24],Desrochers進一步探索工業生態學與企業生產之間的關系,以及市場扭曲和政策障礙對資源循環利用的影響[25],企業構建綠色供應鏈有效強化生態工業發展[26- 27],延伸生產者責任實現經濟效率和環境利用更優組合[28]。工業生態學在理論完善過程中,一直關注工業企業實踐,生態工業園區建設逐漸成為工業生態學最好的實踐體現。根據工業生態學研究演進路徑,歸納出工業生態學演進視圖(圖3)。

表2 共現網絡聚類主要信息表

圖3 工業生態學研究演進視圖Fig.3 The evolution view of industrial ecology research

3 工業生態學研究演進識別

研究主題的分布及演化能夠直觀地體現不同時期內的熱點領域、研究視角分布、研究方法變化。關鍵詞是學術論文研究主題的核心表征,可以通過它來發現研究主題變化,一定程度上可以揭示學科領域中知識分布的內在聯系。因此,本文通過關鍵詞共現分析來鑒別工業生態學研究的主要研究方向和熱點,并判斷研究主體結構的發展變化。數據導入到Citespace II中,節點類型選擇關鍵詞(Keyword),經過137次迭代,得到節點(Nodes)170個,連線(Links)379條,再選擇時間區(Timezone)視圖結果,如圖4所示。

圖4 熱點關鍵詞時區視圖Fig.4 The time-zone view of Hot Keywords Citespace設置為 Time Slicing:2Year;Node Types: Keyword，Select Top 25 most cited from each slice；Pruning：Pathfinder，Pruning the merged network；Clusters：Clustering;其他采用默認設置

從圖4可見,工業生態學主題演化路徑較為清晰。早期關注生態學(ecology)[29-31]、工業生態學(industrial ecology)[32]及污染(pollution)[33]和環境(environment)[34]問題,中期關注可持續發展(sustainable development)[35]、生態系統(ecosystem)[36]研究工業發展和環境和諧共處之道,再到關注工業共生(industrialsymbiosis)[37]、投入產出分析(input-output analysis)[38]與生態產業園(eco-industrial parks)[39-40]等問題。對比圖2與圖4可以看出,隨著環境變化,工業生態學研究主題逐步深入,呈現出“描述環境現象,探討解決方式,明確解決方案”的路徑。

針對主題演化路徑,根據頻次和中心度,整合出關鍵詞共現網絡主要信息表,如表3所示。可見,工業生態學和自然生態學受到持續重視,也證明其在該領域的重要地位。同時,可持續性、管理和能源問題作為“老大難”問題被不斷討論,也為未來研究提出重要挑戰。網絡(network)[30]作為新興主題被較多學者關注,包括工業循環網絡[41]、工業共生網絡[13,42]、社會-物料網絡[43]、研究合作網絡[44]等。在實踐中,工業企業之間不再是簡單的線性鏈狀關系,優化不同工業企業間網絡關系可以更好地提升效率。

表3 關鍵詞共現網絡主要信息表

4 研究前沿趨勢分析

研究熱點是在近期較短的一段時間內,有內在聯系的、數量相對較多的一組論文所探討的科學問題或專題。通過對研究前沿趨勢分析,能夠把握研究變化動態,預測未來研究動向。對于研究領域趨勢分析,Citespace提供了獨特的對突變詞(Burst Words)的探測技術,即通過探測在某一時間段內被引頻次或共現頻次突現度增加的節點來預測領域內的研究方向[10]。數據導入到Citespace II中,節點類型選擇關鍵詞(Keyword),結合軟件突現檢測算法選擇突現詞(Burst Terms)并篩選突現關鍵詞,再選擇名詞短語(Noun Phrases)后運行分析,選擇時間區(Timezone)視圖,得到節點(Nodes)104個,連線(Links)197條(圖5)。

圖5 研究前沿時區視圖Fig.5 The zone view of research frontier 紅色字體表示突現關鍵詞,黑色字體表示引文關鍵詞; Citespace設置為 Time Slicing:3Year;Node Types: Keyword，Select Top 20 most cited from each slicePruning：Pathfinder，Pruning the merged network; Clusters: Clustering; 其他采用默認設置; 圖中方形節點代表突現詞語,方形大小表示突現詞的權重,方形位置體現突現詞出現的時間,圖中圓形節點反映高被引論文,圓形大小反映該論文被引頻次,通過高被引論文作為參照,可以反映出該突現詞出現的背景特征

表4顯示,工業生態學研究趨勢可以劃分為4個階段：

(1)探索萌芽階段(1989—1994年) 20世紀50、60年代,生態學蓬勃發展,尤其是仿生學快速發展,使人們萌生模仿自然生態系統研究工業活動的想法[1]。經過生態學長期發展和工業仿生學逐漸成熟,70年代以后工業生態學思想初具雛形。然而,“工業生態學”核心思想醞釀于1989年前后,Forsch等通過研究產業代謝(旨在模擬生物新陳代謝和生態系統循環再生過程),該年9月在《科學美國人》(Scientific American)發表題為“工業可持續發展戰略”,正式提出工業生態學,并受到國際學者關注[1,45]。此時“工業生態學(industrial ecology)[46-47]”和“工業生態活動(industrial activity)[48-49]”成為突現詞,表明初期工業生態學研究伴隨著工業活動一起進入研究者視野,其初始目的是為了解決環境資源和工業發展的矛盾。

表4 關鍵詞共現網絡突現詞語信息表

(2)蓬勃發展階段(1995—2001年) 期間產生大量突現詞,表明工業生態學開始成為學術熱點,受到學者廣泛關注。“可持續發展(sustainable development)[50]”和“工業系統(industrial systems)[51]”等突現詞形成多樣化研究熱點。1997年,麻省理工學院和耶魯大學合辦全球第一個工業生態學期刊《Journal of Industrial Ecology》,專門刊發工業生態學研究論文。2000年,國際工業生態學會(International Society of Industrial Ecology)成立,為各國該領域學者提供交流平臺,各國學者更加重視工業生態學,出現大量交流平臺和高質量學術期刊。

(3)平穩振蕩階段(2002—2006年) 在此時期,學者就工業生態學研究的合法性展開深入討論,工業生態學也逐漸獲取學科合法性[52],相關學者反思工業生態學研究的科學性和獨立性[53],及其對可持續發展目標的有效性[54],繼而明晰其政策價值和研究意義[55]并獲得學術、產業及制度合法性[56]。2004年,工業生態學術討論會在耶魯大學召開,與會學者重新界定了工業生態學相關理論。經過十多年發展,工業生態學理論不斷增加同時,學者開始對其概念理論進行重新界定和優化,論證學科合法性。

(4)成長成熟階段(2007—2013年) 期間工業生態學研究領域出現“生命周期評估(life cycle assessment)[30]”、“工業共生(industrial-symbiosis)[57-58]”、“演化論(evolution)[59]”、“生態城市(cities)[60]”以及“中國(china)[61-62]”等突現詞,集中分析具體現實問題。其中生命周期評估突現度高達8.5,表明工業生態學在關注可持續發展的同時,也在積極尋求具體方法以指導操作層面工作。其中,“中國”問題在2013年引起國際學者廣泛關注[62],突現度為3.67,說明中國工業化發展模式正在引起世界關注。

5 結論及建議

本文利用信息可視化軟件Citespace II分析了27年間的工業生態學研究變遷路徑,其中包括知識基礎框架、主題發展脈絡和研究前沿演進等,這是對工業生態學研究綜述的一個新嘗試。通過關鍵詞貢獻網絡分析,發現各時期研究主題遷移過程。進一步分析突現詞視圖,辨識當前工業生態學研究前沿動態,為以后研究指明方向。研究還發現,目前工業生態學研究呈現如下特點：

(1)工業生態學是一門日趨成熟的綜合交叉學科 20世紀中期,環境惡化引起學者關注。繼而以環境科學和生態學等學科為基礎,結合工業組織管理理論研究生態工業園區建設,隨著生態意識提升和分析工具完善,研究城市環境資源與工業生產的和諧發展。可見工業生態學是一門由現象觀察到理論探索再到指導實踐的學科。

(2)國內工業生態問題受到更多關注 中國作為關鍵詞多次被提到,一定程度體現我國工業生態現狀對世界范圍的工業生態研究的吸引力日益增強。同時,我國作為資源大國,如何合理利用資源成為未來很長一段時間的重要議題。另外,我國工業發展水平有待提高,加強工業化與信息化的融合建設成為重要方向。

(3)我國工業生態學研究需要結合中國情境進行本土化應用 中國處于工業化快速發展階段,環境資源條件日趨惡化。同時,生態工業建設中政策發揮主導作用,市場配置資源的基礎性作用尚未充分發揮。工業生態學理論研究、生態工業園區建設與環境保護工作均需適應中國情境。

本文的不足之處在于,最新文獻未得到計量方法足夠重視,部分文獻聚類會出現時滯現象。再者,數據庫搜索“工業生態學”未包含1989年之前研究文獻,造成檢索不充分情況。總之,數據科技(Data Technology)時代到來之際,工業生態學需要借助互聯網工具實現環境、資源、污染治理與工業發展的和諧共生。

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The migration footprint of industrial ecology research: visualized research based on Citespace II

XIANG Guopeng1, NING Peng1,*, HUANG Wei1, SHI Lei2

1SchoolofBusinessAdministration,ZhejiangGongshangUniversity,Hangzhou310018,China2SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China

Recently, the relationship between industrial development and the environment has deteriorated, and sustainable development has become a prominent issue, facilitating a general review of industrial ecology research for theoretical guidance. In the present paper, a citation spatial analysis tool (Citespace II) was used to draw a knowledge map of industrial ecology, based on global qualitative and quantitative research, focusing on the knowledge base, development trails, and research hotspots. Industrial ecology research in China first began in the early 1980s, and after tireless efforts and theoretical explorations, has been developed in a Chinese context with practical extensive investigations. Simultaneously, the development of national ecological demonstration areas has progressed considerably over the past 15 years, and 45 ecological parks had been approved and named as national ecological demonstration zones. With the development of ecological civilization, national environmental protection has improved substantially. However, improvement is needed regarding ecological industry development and green manufacturing, to develop industrial ecology in a Chinese context. It has been proposed that industrial ecology is an interdisciplinary study, including environmental science, ecology, management, and economics; eco-industrial parks are an important aspect of industrial development, requiring effective integration of ecosystem theory and industrial process reconstruction. Urban and agricultural development and their symbiosis are still the current research focus, and life cycle assessment and input-output analysis are important analytical tools for this development. The ecological problems facing industrial development in China will be a key issue in future research.

industrial ecology; Citespace II; knowledge mapping; evolutionary path

國家自然科學基金項目(71372010);浙江省軟科學研究項目(2015C25038); 教育部人文社會科學基金項目(15YJA630044)

2015- 07- 07;

日期:2016- 10- 21

10.5846/stxb201507071442

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ningpeng0810@163.com

項國鵬,寧鵬,黃瑋,石磊.工業生態學研究足跡遷移——基于Citespace II的分析.生態學報,2016,36(22):7168- 7178.

Xiang G P, Ning P, Huang W, Shi L.The migration footprint of industrial ecology research: visualized research based on Citespace II.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7168- 7178.