近40年來中國水環境承載力研究知識圖譜分析

蘇迎慶，劉 庚，牛俊杰，李 貞，趙源思

(太原師范學院 汾河流域科學發展研究中心，山西 晉中 030619)

中國是全球水問題最為突出的國家，人均水資源占有量不足世界人均水平的1/4，且水資源時空分布不均[1]。多年來，水環境污染、水資源短缺等問題日益成為阻礙我國社會經濟可持續發展的重要因素。水環境承載力作為衡量水環境系統所支持人類社會發展能力的有效手段[2]，旨在表征水環境與人類活動間的辯證關系，為人口、社會、經濟與環境的協調發展提供了科學依據[3-4]。目前，國內學術界對水環境承載力的研究認識上存在分歧，一些學者認為，水環境承載力是指一定時空范圍內，水環境系統能夠保證自身正常納污自凈功能和生產、生活、生態功能的前提下，所能承載的社會經濟活動的閾值[5-6]。另有觀點認為水環境承載力應特指傾向于水環境容量等水環境納污及自凈能力的研究[7-8]。近40年來，水環境承載力的研究由概念、內涵探討開始，逐漸轉向定量化分析方法、構建預測評價模型[9]。其中的難點之一是對水環境承載力指標體系的規范化篩選[10]。度量具有環境、資源、生態多重屬性的水環境系統所承載各種壓力的閾值，需要自然環境與社會經濟等多方面指標的集成反饋，而指標的有效獲取受制于各系統大量信息的收集[11]。為此，我國學者開展了以城市或區域、流域等為研究單元的水環境評價、預警等方面研究工作，采用了指標體系、系統動力學、人工神經網絡、單或多目標最優化等多種方法。如葉龍浩等[12]通過構建水環境承載力核算模型,采用流域系統優化調控的方法應用在沁河流域，預測該流域2015和2020年經濟狀況下水環境承載力。李磊等[13]采用層次分析-熵值定權法和向量模法對武漢市水環境承載力進行了評價，得出武漢市2006～2010年水環境承載力逐年增大的結果。主要成果應用在城市或區域規劃[14]、城市地下水安全評估[15]、流域綜合治理與預警[16]、國家或區域可持續發展戰略的制定[17]等多個領域。經過國內大量研究團隊的多年努力，水環境承載力的研究內涵、研究重心、研究方法及計算模型、應用領域等已經發生很大改變[18]。為系統揭示多年來中國水環境承載力研究演變的內在發生規律，本文采用近年來文獻計量學中新興起的知識圖譜方法，對1979～2019年中國知網(CNKI)收錄的“水環境承載力”的中文核心期刊進行了可視化分析，總結研究面臨的問題，以期推進水環境承載力的研究。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

本文選擇CNKI(China National Knowledge Infrastructure)作為文獻搜索的引擎，以“水環境承載力”為檢索主題，年限為1979～2019年，限定期刊來源為北京大學中文核心期刊總覽、CSCD、CSSCI、EI國內核心期刊。經過數據的篩選剔除，保留與限定主題高度相關的文獻。結果得到382篇關于水環境承載力的文獻，以此作為本文研究的數據。

1.2 研究方法

國內外研發了大量的技術軟件對知識圖譜進行分析識別，如PaperLens、ArnetMiner、HistCite、TDA(Thomson data analysis)和Citespace等[19]。相比較而言，Citespace軟件是集聚類分析、網絡分析、多尺度分析等多種功能為一體的技術應用，適合側重于研究進展及熱點趨勢等方面的相關分析研究[20]。本文將在文獻研究的基礎上，利用Citespace V軟件，通過在中國知網CNKI(China National Knowledge Infrastructure)上篩選出文獻并轉換成符合軟件所支持的Refworks格式導出，啟動應用Citespace V 軟件，繪制近40年來水環境承載力的知識圖譜并進行可視化分析。

2 水環境承載力研究演變及圖譜分析

2.1 水環境承載力研究總體表現

2.1.1 發文量及分布期刊 縱觀40年來關于水環境承載力研究的發文總量(圖1)，從1979～2019年整體呈現上升趨勢。在可持續發展理論的大背景下，日趨嚴重的水環境問題迫使人類積極探索環境承載力的研究。數據顯示，中國知網收錄的第1篇關于水環境承載力的中文核心期刊于1994年發表[21]。按時間分布，將我國水環境承載力的研究文獻發文量及分布期刊大體劃分為3個階段(圖2)，1979～1993年為醞釀期，此時期尚未明確提出水環境承載力的概念，主要以容納能力、生態極限等形式替代表征，多數研究為國家及區域層面宏觀政策的支持，還未以學術論文形式呈現，研究方法以定性分析為主[22]。1994～2010年為平穩增長期：此階段由于我國新經濟開發區大量建設，亟需制定相應水環境規劃，為此，多個相關國家“九五”攻關計劃和自然科學基金項目實施，共發文153篇，其中環境科學、環境工程類期刊75篇，占總發文量的49%；地理學類期刊有52篇，占總發文量的34%；其他類型期刊及各高校學報共26篇，占總發文量的17%。2011～2019年為迅速增長期：該階段受國家環境保護與治理政策的影響，相關科學基金項目增長明顯，發文量達229篇，其中環境科學、環境工程類期刊投稿量為77篇，占總數的34%；地理學類期刊發文量為99篇，占總數的43%；其他類期刊及各高校學報共53篇，占總數的23%。所發文章大多集中在環境科學、環境工程類期刊，如《環境科學學報》《環境科學與技術》《中國環境科學》《中國農村水利水電》等，其中《環境科學學報》在此類文獻中見刊數最大，高達19篇。地理學類期刊，如《中國人口·資源與環境》《干旱區資源與環境》《水資源保護》《資源科學》《水土保持通報》《水科學進展》《地理科學進展》等。《中國人口·資源與環境》在地理類期刊中發文量最高，達18篇。期刊來源涉及多學科領域，說明水環境承載力研究的綜合性與復雜性。

2.1.2 研究團隊及機構 對水環境承載力研究團隊進行可視化分析(圖3)，發現國內有大量學術團隊從事該方面研究。例如曾維華等[23]站在特定條件下水環境與社會經濟發展規模的視角采用指標評價法對水環境承載力展開研究。封志明等[24]從資源環境承載力綜合角度解讀了水資源環境承載力，多用社會經濟指標如“人口承載力”來衡量地區水環境承載力的水平。趙衛等[25]通過建立水環境承載力多目標規劃模型，運用情景分析法對區域水環境承載力進行了分析討論。洪陽等[26]從表征環境承載力為多維向量出發，在多維向量的基礎上建立了多維指標應用于水環境承載力的研究。李翀等[27]以水環境系統功能可持續正常發揮為基礎的最大納污能力和系統調節能力定義水環境承載力采用指數—指標—變量的分級框架模式的指標體系研究水環境承載力等。各學術團隊的工作極大地豐富了水環境承載力的相關研究，對該領域研究進展做出了良好推動。

圖1 1979～2019年CNKI收錄的有關水環境承載力的中文核心期刊文獻發文量匯總及趨勢

圖2 1979年以來CNKI收錄的有關水環境承載力的中文核心期刊見刊分布

根據研究機構的圖譜分析(圖4)，顯示1979年至今CNKI收錄的水環境承載力發文的主要研究機構包括中國科學院各級院所和國內各高校。其中：中國科學院地理與資源研究所在水環境承載力研究熱度較大。另外，中國科學院大學資源與環境學院、中國科學院研究生院，其他研究單位如北京師范大學、四川大學、北京大學、中國環境科學院等也熱度顯著。這從一定程度上表現了國內大量研究機構與高校對水環境承載力研究所作的重要貢獻。從其他視角來看，也說明了該領域在國內學術界的熱度，大量的研究機構與團隊為此研究預備充足的生力軍，依托各研究平臺開展相關研究提供了便利。

2.2 水環境承載力內涵演變

水環境承載力是承載力概念與水環境領域的自然結合[28]。回顧其研究歷程，可從承載力的引入作為出發。承載力(carrying capacity)的概念起源較為古老，賦有其含義的思想可追溯到17世紀中后期。其中，Malthus[29]掀起了承載力定量化研究的開端。1920年，出現了(生態)環境承載力的研究，Hawden等[30]基于美國阿拉斯加州馴鹿種群數量變化進行了觀察論述。資源環境承載力研究緊隨其后，水資源承載力“Water Carrying Capacity”這一術語最早出現于1886年《Irrigation Development》的著作中[31]。而水環境承載力問題研究起步較晚，20世紀中后期，隨著聯合國《人類環境宣言》《我們共同的未來》以及《21世紀議程》的宣告，逐步加強可持續發展戰略并從中強調水環境承載力的研究[32]。1968年，日本學者西村肇、中田喜三郎和矢野雄幸提出了水環境容量的理論雛形，被認為是水環境承載力研究的肇始[33]。國內有關水環境承載力的研究起步比國外要遲滯很多，受西方學術思潮的影響，我國較早開展的是水資源承載力的研究，此階段的代表是新疆水資源軟科學課題研究組(1989)[34]。20世紀末，受可持續發展思想的影響，《本溪市新經濟開發區水環境規劃》的提出，標志著我國水環境承載力的概念正式問世[35]。

圖3 1979年至今CNKI收錄的水環境承載力發文的主要研究團隊

圖4 1979年至今CNKI收錄的水環境承載力發文的主要研究機構

觀察水環境承載力的研究發軔和發展，可以發現研究是建立在對水資源環境進行的長期探索，并不斷引入新的學科領域的理論成果而逐漸形成的。早期人類對水的基礎性研究，包括水的理化性質、水的時空分布研究等。但隨著人類對水的認識不斷加深，人們意識到水不僅是普通的物質存在，更是生產生活所必需的基本資源。于是將最初物理學中承載力的思想引入到水資源的研究當中，在19世紀80年代，水資源承載力的概念應運而生。旨在探討人口社會經濟發展水資源的最大承受。隨著水資源問題的日益突出，單從資源角度探討水資源對社會發展的衡量已難以解決所面臨的水資源困境，人們重新審視水資源的價值屬性。從生態環境角度出發，強調水作為生態環境復雜系統重要組成的地位。20世紀60年代，以水體納污閾值的水質檢測為標尺衡量水環境容量的研究被日本學者最早應用。借此理論為雛形與水環境領域的再結合，形成了水環境承載力的理論基礎。現今，對水環境承載力概念的界定與基礎理論的建設不斷豐富。根據國內主要觀點整理分類，發現水環境承載力的概念存在廣義與狹義之分(表1)。廣義水環境承載力著重于一定時空條件下水環境對人類活動的支撐能力，更強調人類的社會經濟活動對水環境實施的影響及水體的反饋。狹義水環境承載力往往傾向于水環境容量、水體的納污能力、水環境的納污負荷等相關研究，更強調水環境本身的納污和自凈能力。水環境承載力的研究內涵多年來從無到有再到出現概念認識上的分歧，無論是廣義狹義概念都強調了水環境的納污功能，關鍵分歧在于水環境供給功能上以及以此建立的參考對象與指標[4,36-37]。由于水環境具有環境、資源、生態等多重屬性，因此，水環境承載力研究的中心將是下一步研究的一項重點。

2.3 水環境承載力研究重心演變

由于水資源具有包括環境、資源、社會、經濟以及生態等多維屬性特征，決定了其對水資源的研究具有多元化與復雜化。現將已有成果進行整理可分為2類，一類是側重于水的資源屬性特征，探討水資源演變規律、水資源利用、管理及保護等，研究水資源與人口社會經濟發展之間的關系[48-49]；另一類是偏重于水資源的生態環境屬性特征，分析水資源自身的理化性質、生態環境容量及自凈能力、水資源環境承載力等，研究自然水體自身所能承受的人類活動的最大負載量[50]。無論是偏重于水資源的資源屬性還是環境屬性，兩者都是站在使水資源可持續利用與人類社會永續發展達到平衡、使人-水之間相互和諧的目標。不同點在于研究角度、考慮的對象以及所參照的指標標準等不同而已。

表1 國內水環境承載力研究的主要觀點

利用Citespace V軟件，通過對1979～2019年中國知網CNKI共收錄的國內關于水環境承載力的核心期刊文獻數據進行關鍵詞聚類分析，可以得出近40年來我國水環境承載力研究的熱點導向(圖5)。發現近40年來我國水環境承載力研究聚焦的重點是不斷變化的，研究演變歷程中包括“可持續發展”“環境承載力”“環境承載力”“水資源承載力”“指標體系”“資源環境承載力”“水環境容量”“系統動力學”“層次分析法”和“水生態承載力”等研究熱點。這些熱點反映了每一階段學術界對水環境承載力研究不同的關注。

圖5 1979～2019年水環境承載力研究時區圖

通過分析，水環境承載力的研究在1980年代處于早期探索階段，研究成果相對較少。直到可持續發展概念由聯合國率先提出，在各國間猶如“漣漪效應”逐漸擴散傳播。20世紀90年代，我國受到該思想的影響，在可持續發展背景下開展水環境承載力、環境承載力、水資源承載力的研究，并考慮如何建立科學可靠的指標體系。進入21世紀以來，資源環境承載力、生態環境承載力、承載力等成為新的研究焦點。2010年至今，環境容量、生態承載力、水環境容量、水生態承載力又成為焦點，在研究方法上更倚重于系統動力學和層次分析法。由此可見，多年來水環境承載力研究聚焦的核心是逐漸演變的。

2.4 水環境承載力研究方法

通過梳理近40年來我國學者對水環境承載力研究所采用的研究方法(表2)，發現最主要的研究方法為指標體系法、系統動力學法、多目標模型及單目標最優化方法、人工神經網絡法等以及上述方法的交叉運用[51]。由于水環境系統的綜合復雜性決定了多年來對其進行研究的方法偏向于2類：一是基于綜合評價方法；二是基于系統動力學或優化模型方法[14]。基于綜合評價方法研究的技術路線主要是對特定區域(流域)監測數據、統計數據、空間數據等的采集解譯，以特定目標或標準篩選關聯指標，構建評價指標體系，對各指標賦值定權，模擬計算出水環境承載力的實際大小。評價指標體系構建及賦值定權量化方法主要有定量評價方法(如層次分析、灰色關聯分析、模糊綜合評價、人工神經網絡、熵權法等)；統計分析方法(如向量模法、主成分分析、因子分析、聚類分析等)；目標規劃模型評價方法(如TOPSIS等)以及多方法的融合評價[52]。基于系統動力學或優化模型方法技術路線主要是將水環境系統看成一個整體并系統分析關聯變量，收集相關數據，分析系統結構建立模型，對參數的確定與賦值進行模擬評估，計算特定狀態下的水環境承載力。兩類研究方法的關注角度及側重點有所不同，基于綜合評價方法用來評估當前和歷史時期特定區域(流域)的水環境承載力，系統動力學方法或優化模型方法用來預測未來的水環境承載力的狀況[37]。研究尺度與分析方法以宏觀視角及宏觀定量、定性研究為特征，介于水環境系統的綜合復雜的特點以及受監測技術手段和認識水平的影響，決定了承載力指標選擇及計算目前一些參考指標只能采取無量綱表示，采取宏觀定量、定性研究更易抓取主要信息，小尺度、微觀研究缺乏相應數據的支撐。

表2 水環境承載力主要研究方法

2.5 水環境承載力應用領域

水環境承載力是環境承載力的重要組成，研究的目標一直以來以可持續發展為宗旨，服務于規劃建設、生態治理、國家層面大政方針的制定。為此，對水環境承載力的研究應用領域進行統計分析(表3)，可以發現大致可劃分為4項基礎領域的應用：一是用于城市或城市圈(群)以及區域建設規劃、產業選擇與布局等[32,53-54]，此類應用較多。二是城市或區域地下水安全的預警與評價，在城市地表水環境承載力研究的基礎上展開對地下水環境承載力的綜合評價，預測模擬一定地區范圍內地下水環境支撐城市或區域社會經濟發展的最大承載，合理調度城市或區域地下水用量等[17,55]。三是流域(河流、湖泊以及水庫等)綜合評價與治理[56-57]，目前我國絕大多數的河流湖泊以及人工水庫都作了相應的水環境承載力的研究工作。四是服務于國家或區域可持續發展戰略的制定[58-59]，以資源環境承載力為基礎，從整體上論證以承載力為約束的國土空間規劃，引導社會經濟活動科學發展，從而實現區域的可持續發展。

表3 水環境承載力主要應用領域

3 結論

(1)40年來中國水環境承載力研究引起國內各研究團隊及機構的高度重視，發文量呈現指數增長趨勢，且從2011年以來增長迅速，研究得到長足發展。其中研究團隊與機構以中國科學院為主，國內各高校為輔組成，發表文章主要見刊于地理類與環境科學類期刊。

(2)水環境承載力的研究內涵與研究重心多年來持續演變，從單一聚焦水環境承載力的資源屬性、環境屬性逐漸過渡到關注水環境系統與社會系統之間的動態協調程度。

(3)應用領域與研究范圍從最早用于城市或城市圈(群)以及區域建設規劃、產業選擇與布局等擴展到流域(河流、湖泊以及水庫等)綜合評價與治理，由地表水環境承載力評價逐漸拓展到地下水環境承載力評價研究，更加強調國家或區域可持續發展戰略的研究。

(4)研究方法與計算方法形成基于綜合評價方法與基于系統動力學或優化模型方法的研究范式，定量、定性、統計等權重確定的方法多樣發展。研究尺度與分析方法以宏觀視角及宏觀定量、定性研究為特征，更加注重考慮水環境系統動態復雜性。