基于CiteSpace的重金屬時空污染熱點及前沿可視化研究

高煜 楊寧寧 梁青芳 張軍

摘要：為了解國內GIS技術支持下的重金屬污染研究現狀和未來發展路徑，采用文獻計量方法和信息可視化軟件CiteSpace V，對CNKI數據庫中1996—2018年GIS技術支持下的重金屬污染領域的1 128篇文獻進行了基礎知識框架、研究熱點、研究前沿分析，并繪制了網絡知識圖譜。結果表明，重金屬污染相關主題研究熱點和前沿大致分為3個階段，即1996—2005年，研究熱點和前沿為基于地統計學的重金屬空間分布;2005—2010年，研究熱點和前沿為基于GIS的重金屬時空分布與空間變異;2010年至今，研究熱點為沉積物重金屬，前沿為重金屬的風險評價與源解析。

關鍵詞：重金屬;GIS;時空分布;文獻計量;CiteSpace V

中圖分類號：X53? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）16-0160-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.16.037? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： In order to understand the research status and future development path of heavy metal pollution supported by domestic GIS technology， using the literature measurement method and information visualization software CiteSpace V， the basic knowledge framework， research hotspots and research frontiers were studied in the 1 128 papers in the field of heavy metal pollution supported by GIS technology in the CNKI database from 1996 to 2018， and the network knowledge map was drawn. The results show that the research hotspots and frontiers of heavy metal pollution are divided into three stages， namely， from 1996 to 2005， research hotspots and frontiers are spatial distribution of heavy metals based on geostatistics; from 2005 to 2010， research hotspots and frontiers are spatial and temporal distributions and spatial variability of heavy metals based on GIS; and since 2010， the research focus has been on heavy metals in sediments， and the frontier is the risk assessment and source analysis of heavy metals.

Key words： heavy metal; GIS; spatial and temporal distribution; bibliometrics; CiteSpace V

重金屬是一類典型的環境污染物，能對生物和生態環境造成傷害，尤其對人體健康會造成嚴重威脅。重金屬能通過各種介質包括土壤、水體、空氣等[1，2]，給人類社會及自然環境帶來巨大的經濟損失和環境污染。地理信息系統（GIS）作為一門空間科學，以其獨特的空間觀點和空間思維，從空間相互聯系和相互作用出發，揭示各種事物與現象的空間分布特征和動態變化規律[3]。目前，重金屬的時空分布研究大多都借助于GIS分析。

借助知識圖譜法及文獻計量軟件，對研究熱點及前沿進行分析具有圖譜可視化特點，越來越受到研究者的重視。信息可視化軟件CiteSpace可通過對文獻引文網絡的分析，繪制整個學科或知識域在一定時期內的歷史演進過程、研究前沿熱點及未來發展趨勢[4，5]。國內最早引入和應用該軟件的是大連理工大學WISE實驗室的劉則淵教授團隊，國內第一個以CiteSpace為分析軟件發表論文的是侯劍華等人，并首次于2007年將“CiteSpace”列入文章關鍵詞[6]。當前，國內外基于GIS的重金屬污染研究已有大量成果，研究者可以通過相關文獻來把握研究進展，但大量文獻閱讀需要時間，再加上個人學術水平及個人偏好等主觀因素，導致研究者很難短時間把握當前研究熱點及前沿。

本研究基于CNKI相關文獻分析，采用知識圖譜法及文獻計量軟件CiteSpace，對國內GIS技術支持下的重金屬污染的研究熱點和前沿進行可視化分析，對其研究熱點、前沿及發展趨勢進行預測，以期為重金屬污染防治提供理論依據。

1? 數據來源與研究方法

1.1? 數據來源

數據來源于CNKI，通過專業檢索：SU=（‘重金屬）*（‘GIS+‘時空分布+‘空間分布），時間閾值為1996年1月1日—2019年1月31日，人工剔除會議、報紙、無作者及與主題無相關性的論文，共得到與主題相關的論文1 128篇。

1.2? 研究方法

1.2.1? 關鍵詞共現頻率計量? 共現頻率是指詞匯在題目、關鍵詞或文獻摘要中出現的次數[7]。本研究中采用夾角余弦指數公式計算關鍵詞共現頻率，余弦指數取值范圍[0，1]，指數越接近于1，說明兩個詞或兩個文獻集的相似度越高，取值接近于0，說明兩個詞或兩個文獻集的相似度越低[8]。

式中，Cij表示詞i和j的共現頻率，Ci和Cj分別代表詞i和j在各自的文獻集中出現的次數，d1、d2代表文獻1和文獻2出現的次數。

1.2.2? 數據分析方法? 借助CiteSpace V對研究熱點和共引進行分析，主要分析參數設置為（c，cc，ccv）閾值為（2，2，20），即被引或出現的頻次為2，共被引或共現頻次為2，共被引率或共現率為20%;設定單個時間分區抽取值為1年，選用最短路徑方式裁剪，共現聚類采用譜聚類算法，最小可視聚類數為軟件默認值[9，10]。

2? 結果與分析

2.1? 發文量

通過詞條專業檢索，繪制年發文量趨勢（圖1）。由圖1可以看出，相關文獻從1997年開始發表，2006年發文量突增，2017年為發文量最多的一年，2014—2018年發文量基本持平，表明該主題研究熱度趨于飽和，預計2019年發文量將繼續持平。

2.2? 主要研究機構及團隊

將獲取的文獻導入CiteSpace Ⅴ中，在節點類型處選擇“Institution”，閾值設定為Top N=20，進行機構知識圖譜的可視化，獲得機構被引共現圖譜（圖2），圖中每一個節點代表一個機構，節點的大小代表節點機構被引頻次，節點越大，說明該節點被引越多，中介中心性越大。中介中心性（Betweenness centrality）是測量節點在整個網絡圖譜中重要性的一個指標，在CiteSpaceⅤ可視化分析軟件中，該指標可以表示數據庫中文獻的重要性[11，12]，共引頻次越高則相關性越強[13]。圖2中中心性最強的是中國科學院大學，表明中國科學院大學在該主題研究上具有一定的權威性（中國科學院研究生院于2012年更名為中國科學院大學）。被引排行前十的機構中，被引頻次最高的是中國科學院大學，共被引10次;其次是中國科學院研究生院，共被引8次;排名第三的是南京農業大學資源與環境科學學院，共被引6次。排行前十的機構，有7所是資源與地理、環境機構，說明重金屬污染、時空分布及空間分布研究主要集中在資源與地理、環境機構，且具有一定的權威性。

將發文量前十的機構及發文量導出（表1），發文前三的機構為華東師范大學、南京農業大學、浙江大學，分別發文40、37、28篇。由表1可知，排行前十的機構有9所為高校，其中有2所農業大學、3所師范大學、3所綜合性大學及1所地質大學。可以預測，該主題研究仍將會集中于高校。對各機構團隊發文被引頻次進行分析，可以得到各機構主要研究團隊及研究方向，通過跟蹤這些團隊可以了解當前該主題的研究進展及前沿。

2.3? 關鍵詞共現分析

將所得文獻導入CiteSpace V，在節點類型處選擇“Key word”，設定閾值為Top N=50，其余選項為默認，進行關鍵詞知識圖譜可視化分析，結果見圖3。產生294個節點，表示有294個關鍵詞，圖中每個節點代表一個關鍵詞，節點越大表示被引頻次越高。被引排名前十的關鍵詞有“重金屬”“空間分布”“污染評價”“土壤”“土壤重金屬”“重金屬污染”“地統計學”“GIS”“沉積物”“空間變異”。

2.4? 關鍵詞聚類分析

知識基礎反映科學領域前沿本質，通常由一系列高被引文獻組成[14]。因此，通過共被引時間線可視化圖譜分析基礎研究對后續研究可能產生的影響[15]。將文獻導入CiteSpaceⅤ，共得到11個聚類、205個節點、502條連線的共被引網絡圖譜（圖4）。由圖4可知，圖譜網絡聚類效果良好（Modularity Q為0.487 3），聚類主題明確（Mean silhouette為0.508 9）。從聚類時間軸來看，最早研究追溯到1997年張朝生等在《地理學報》上發表的《長江水系沉積物重金屬含量空間分布特征研究——地統計學方法》;20世紀末，經濟快速發展帶來大量重金屬污染環境問題，表現為節點的數量和規模增加，一批代表性學者貢獻的經典文獻為該主題的發展奠定了知識基礎。

3? 研究熱點與前沿

3.1? 研究主題分析

關鍵詞中心度反映了其在整個關鍵詞共現網絡中的重要性，代表了一定時期內核心的研究主題，根據中心度對關鍵路徑圖譜中的關鍵詞進行篩選[16]，選取前十高頻高中心性關鍵詞，結果見表2。

本研究數據中最早出現的關鍵詞為“重金屬”，共被引666次，1996年“重金屬”的中心度為0.05，表明重金屬作為一個新的研究主題開始被關注;1997年關鍵詞“地統計學”中心度達到0.16，說明在該研究主題下，地統計學成為了當時的熱點研究方法;1998年中心度最高的為“空間分布”，空間分布成為該主題的研究熱點;2005年關鍵詞“重金屬”共現周圍出現了“地統計學”“空間分布”“重金屬污染”等關鍵詞，但“重金屬污染”為中心度最高的節點，表明基于地統計學重金屬污染的空間分布成為該研究的熱點;2006年關鍵詞“重金屬”周圍出現了“污染評價”“空間變異”“土壤”“GIS”等關鍵詞，且出現了4個高中心度的關鍵詞，表明基于GIS的重金屬污染形成了新的研究方向，成為重金屬研究的熱點;2007年“重金屬”關鍵詞周圍又出現了“土壤重金屬”“城市土壤”“生態風險評價”等關鍵詞，而中心度最高的“土壤重金屬”以0.09的中心度成為最大的節點，表明基于GIS的重金屬時空分布研究以土壤重金屬為主，成為2007年的研究熱點;2010年出現了新的關鍵詞，即“沉積物”“潛在生態風險評價”“污染”等，關鍵詞“沉積物”以0.19的中心度成為最大的節點，表明該主題研究出現了新熱點，集中于沉積物重金屬研究。

3.2? 研究主題演化路徑

“重金屬”作為研究主題，首次出現是在1996年，在這之后“地統計學”“空間分布”成為研究熱點，到2006年“基于GIS的重金屬污染”這一主題研究才趨于成熟。2006年至今，中國經濟快速發展，尤其是東南沿海地區，但經濟發展帶來眾多環境問題，因此，研究主題也隨之增多，出現了“污染評價”“空間變異”“土壤”“GIS”等熱點主題，主題比較分散。

3.3? 研究前沿分析

研究前沿分析能夠追蹤研究主題的最新發展狀況，為研究者提供一定的指向作用，運用CiteSpace關鍵詞及突現詞共現，能夠把握主題的研究前沿。在突現詞導出時，閾值范圍為默認，共導出突現性強的12個突現關鍵詞（圖5）。由圖5可知，1996年以重金屬為主題的研究才開始，“重金屬”為突現詞最強的關鍵詞（19.519 4），1997年地統計學開始進入重金屬的研究，并與重金屬研究一起成為研究前沿，直到2009年該主題研究突現性消失，表明該主題研究趨于成熟;2006—2007年，“GIS”“空間變異”“空間分析”及“評價”等高突現性關鍵詞出現，重金屬主題研究轉向基于GIS的重金屬時空分布及影響評價，并且新主題作為研究前沿持續了7年，2012年該主題研究趨于成熟;2013—2014年，沒有新的高突現詞關鍵詞，表明該時間段依然為前研究主題方向;2015—2016年，突現出“生態風險評價”“健康風險評價”“健康風險“分布特征”及“源解析”等高突現詞關鍵詞，表明從2015年開始，以這些高突現詞關鍵詞為主題的新研究方向增多，且一直持續到2019年。

4? 結論

1）重金屬污染相關主題文獻發文始于1997年，至2015年發文量持續上升，2018年之后漸趨平穩;中國科學院大學為被引最多的權威型發文機構，華東師范大學發文量最多（40篇），主要團隊為陳振樓等，主要研究領域是生態環境安全與風險評估。

2）關鍵詞圖譜共現分析中，被引最多的為“重金屬”，其中“沉積物”為近幾年被引最多的關鍵詞。關鍵詞聚類分析得出，近幾年主要研究主題為“基于GIS的地表沉積物重金屬時空分布”。

3）該主題研究熱點和前沿大致分為3個階段，即1996—2005年，研究熱點和前沿為基于地統計學的重金屬空間分布;2005—2010年，研究熱點和前沿為基于GIS的重金屬時空分布與空間變異;2010年至今，研究熱點為沉積物重金屬，前沿為重金屬的風險評價與源解析。

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