黃河流域生態狀況研究熱點遷移與評價方法演變分析

趙 旭，謝慧鈺，李俊龍，馬 煜,3，劉海江，賈世琪，王業耀，金小偉*

1.中國環境科學研究院，北京 100012

2.中國環境監測總站，北京 100012

3.北京師范大學水科學研究院，北京 100875

黃河流域是我國的重要經濟活動區，也是我國重要的生態屏障，其生態環境健康狀況直接關系到西北、華北地區的生態安全和可持續發展[1-3].然而，在過去的幾十年內，由于人類活動和自然環境變化等多種原因，黃河的生態環境遭受了嚴重破壞，水污染、水資源短缺、水土流失和生物多樣性喪失等問題日益凸顯[4-6].為保護黃河流域生態狀況，我國制定了《黃河保護法》《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》等相關政策法規，并取得了一定的成效.但生態與發展之間的矛盾仍然存在，隨著黃河中下游城市群社會經濟的發展，流域內依然面臨水質污染、土壤侵蝕、水生生物多樣性下降和生態系統退化等突出的生態環境問題[2,7-9].

黃河流域的生態環境一直是國內外學者研究的重點之一.現有研究通過對黃河流域的水質[10]、水資源[11]、重金屬[12]、水生生物[13]等方面進行監測分析，評價了黃河流域的生態健康狀況，并給出了相應的治理建議[10-14].但目前鮮有研究從全流域的整體性和系統性角度，針對不同區域、要素、方法對黃河流域生態狀況及其評價方法進行系統的論述[15].鑒于此，本文基于文獻計量學分析手段，借助CiteSpace 6.1.R6知識圖譜軟件和R 語言Bibliometrix 軟件包等工具，對Web of Science (WoS)核心合集數據庫和中國期刊全文數據庫CNKI 進行數據檢索，歸納出“黃河流域生態狀況”的研究現狀及研究熱點，并將其分為3個研究階段(萌芽期、穩定發展期和高速增長期).針對黃河流域生態系統復雜多樣、生態評價方法體系不完善等問題，著重對第三階段(高速增長期)的研究內容進行深入分析，以期了解黃河流域最新的研究方向及其對應的評價方法，為后續不同區域的研究選擇適合的研究對象和影響因素提供理論依據.

1 研究方法

研究數據來源于Web of Science (WoS)核心合集數據庫和中國期刊全文數據庫CNKI.在WoS 核心合集數據庫中，以“((TS=(ecosystem or ecolog*)) and(ALL=(yellow river*))) not TS=(atmosphere or air)”為檢索式進行高級檢索，檢索結果有4 310 條數據.在CNKI 中，以“FT=(‘黃河’*‘評價’) AND TKA=(‘黃河’*‘生態’)”為檢索式進行專業檢索，檢索結果共有10 202 條數據，剔除會議論文、報紙、碩博論文以及無關冗余論文后，剩余5 090 條數據.檢索時間范圍均為自建庫起至2022 年12 月31 日，檢索結果共9 400 篇.

CiteSpace 軟件是Chen 等[16]基于Java 語言開發的一款文獻計量分析軟件，目前軟件發展成熟、應用廣泛，支持多種中英文數據庫；Bibliometrix 包是Aria等[17]利用R 語言編寫的程序包，利用該包編程或利用其在線應用均可進行文獻分析.本文基于CiteSpace 6.1.R6軟件和R 語言Bibliometrix 軟件包，對1981-2022 年黃河流域生態狀況研究相關文獻進行關鍵詞分析.在CiteSpace 軟件中，WoS 時間設置為1991-2022年，CNKI 時間設置為1981-2022 年，時間切片均設置為1 年；關鍵詞突現圖譜CNKI 參數設置為γ=1，WoS 參數設置為γ=0.8，其他參數默認.

2 結果與討論

2.1 研究趨勢及熱點

2.1.1 發文趨勢

研究領域的熱度往往可以從年發文量中反映出來，熱門研究方向的發文量一般呈現指數上升趨勢[18].本文共篩選出論文9 400 篇，其中中文論文4 310 篇，英文論文5 090 篇，并整理了1981-2022年黃河流域生態狀況研究發文量變化情況(見圖1).整體趨勢顯示，我國黃河流域生態狀況相關研究正在快速發展.從21 世紀初開始，有關黃河流域生態狀況相關研究不斷增加，大致可分為以下3 個階段.

a) 萌芽期/緩慢發展期(1981-2004 年)：該階段中英文論文的年總發文量大部分少于100 篇，黃河水生態狀況評價尚未受到重視，處于摸索階段.該領域英文論文首篇發表比中文論文晚10 年，在1981-1990 年的10 年范圍內，全部論文總量僅48 篇，且均為中文論文，直到1991 年，第一篇相關的英文論文才發表.隨后10 多年內，中文論文年發表量仍然領先于英文論文，相關研究逐漸發展，但總體還處在緩慢的萌芽階段.

b) 穩定發展期(2005-2018 年)：2005 年黃河流域生態狀況相關論文年發表量首次突破200 篇，相關研究開始穩定發展，中英文論文年發文量逐漸持平，甚至英文論文發文量開始多于中文論文發文量.此階段發文量穩定上升，平均年增長率為16.3%.

c) 高 速 增 長 期(2019-2022 年)：2019 年9 月18 日，習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上，將黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略.2019 年之后，黃河流域生態狀況研究相關論文數量變化接近指數增長，此階段年發文量平均年增長率約為55.2%，是穩定發展期的3.4 倍.該階段時間跨度僅有4 年，其發文量卻有4 646 篇，幾乎占據了近40 年發文量的一半.預計在較長的時間內，黃河流域生態狀況研究都將是研究熱點.

2.1.2 研究熱點

關鍵詞常被用來揭示熱點、發現科學研究中的新興趨勢，其中關鍵詞是對文獻內容的濃縮，是對文獻主旨的表達[19-20].黃河流域生態狀況研究關鍵詞隨時間的演變規律圖譜如圖2 所示，節點的大小代表關鍵詞的重現次數，節點顏色由灰到紅代表時間線的推進，越靠近紅色說明論文發表距離現在越近，連線粗細反映關鍵詞間聯系的強弱[21].每一組關鍵詞代表一個聚類，聚類內由左至右代表關鍵詞隨時間的演變情況.通過分析關鍵詞重現、聚類及演變規律，可識別研究領域的發展動態[22]，跟蹤研究熱點變化.

圖2 黃河流域生態狀況研究關鍵詞隨時間演變規律圖譜Fig.2 Keywords clustering and changing along time on ecological conditions of the Yellow River Basin

中文論文關鍵詞聚類圖譜〔見圖2(a)〕表明，“黃河流域”“黃河”和“黃土高原”是在所有論文中出現最多的地點類關鍵詞，對于這些地點的研究已經開始并持續了很長時間.此外，“水資源”和“生態環境”是較早開始研究的內容，在此基礎上，“生態文明”“重金屬”和“湖長制”等研究內容逐漸興起.“重金屬”是包含關鍵詞最多的聚類標簽，它的研究起步于20 世紀末，是黃河流域水資源研究中的一個細分領域[23].重金屬分布具有時空變異性，因此與之有關的研究可能出現在黃河各河段，以黃河上游、黃河源區和黃河河口的研究居多.

英文論文關鍵詞聚類圖譜〔見圖2(b)〕與中文論文關鍵詞圖譜具有高度相似性，圖2(b)所示結果也說明了黃河全流域、黃土高原在研究區域上的重要性[24-27]，此外，黃河三角洲和黃河河口同樣也是研究的重點區域.英文論文關鍵詞線索攜帶的信息與中文論文相差不大，對于共同結論(如“重金屬”“黃河三角洲”標簽)不再贅述，僅對英文論文獨有信息(“Google Earth Engine”聚類標簽)進行介紹.該標簽起步較晚，其關鍵詞最早出現于2020 年，代表了遙感類監測手段在黃河流域生態狀況評價中的應用[28-29].除“遙感”以外，“水文”“模型”與“動力學”在英文論文中出現頻率明顯高于中文論文，由此可以看出，英文論文更快應用了新方法，在“動力學”研究上也更加深入.

總的來看，黃河流域生態狀況的研究中，生態環境、水資源和水土保持等方面是熱點內容.生態系統、植被和水生生物等是研究的熱門對象.黃河全流域包括濕地、黃河源區、黃河下游和黃土高原等地區都是熱點研究區域.同時，人類活動、環境因子和時空因素等也是影響黃河流域生態狀況的重要因素.目前中文論文在研究內容上更為廣泛，而英文論文則更加深入，二者相輔相成，共同推動了黃河流域生態狀況研究的發展.

2.2 研究內容對比分析

2.2.1 中英文論文研究內容對比

黃河流域生態狀況熱點研究內容為生態環境、水資源、水土保持等，熱點研究對象為生態系統、植被和水生生物等，研究區域涵蓋黃河全流域.然而，中英文論文的研究熱點存在差異性，本文對高速增長期研究型中英文論文從研究區域、研究因素、研究對象、研究方法和評價指標5 個方面進行對比，結果如圖3所示.從研究區域〔見圖3(a)〕來看，中文論文研究較多的區域為黃河全流域，而英文論文研究較多的區域為黃河三角洲.綜合來看，黃河全流域、黃河上游、黃河下游以及黃河三角洲是研究的熱門區域.從影響生態狀況的因素〔見圖3(b)〕來看，中文論文中研究較多的為人類活動和時空因素[30-31]，英文論文中研究較多的影響因素有人類活動、環境因子[12,23]，可以看出人類活動是影響生態狀況變化的最重要的因素.

圖3 黃河流域生態狀況研究中英文文獻研究區域、研究因素、研究對象、研究方法和評價方法對比圖譜Fig.3 Research area, factors, objects, methods and evaluation methods of Chinese and English literature on ecological conditions of the Yellow River

研究對象指論文生態狀況的研究主體，從研究對象〔見圖3(c)〕來看，中英文論文多以生態系統、植被和水生生物作為研究對象，中文論文突出生態系統的研究，約占總研究的70%.從研究方法〔見圖3(d)〕來看，黃河流域生態狀況研究主要采用遙感等新興技術手段、統計分析和壓力狀態響應(PSR)模型等復雜系統模型[32]，這三類方法在整體研究中的占比分別為46.4%、41.1%和12.5%，并且都屬于定量研究范疇.這表明在黃河流域生態狀況研究中，研究方法正在向深入分析轉型.未來的發展趨勢可能是將復雜系統建模分析方法與現有分析手段結合起來，構建完備的模型分析系統，如在進行壓力-狀態-響應(PSR)模型構建時，采用環境DNA 技術收集基礎數據，再利用統計分析、機器學習方法探究壓力-狀態-響應關系，復雜系統建模分析方法作為研究的核心，正在成為當前及未來發展階段的主流研究手段.

從研究方法和評價方法進行對比分析，結果〔見圖3(d)(e)〕顯示中文論文研究手段較多，除遙感手段應用相對廣泛外，不存在其他突出的分析手段和分析方法.評價方法中，中文論文多研究生態系統評價方法和生態狀態指數.與中文論文不同，英文論文的研究方法更加豐富，分析生態狀況的主要研究手段有遙感、統計分析、高通量測序、生態水文學方法等，其采用評價方法多為生物評價方法、生態系統評價方法和植被指數.對比結果顯示，中文論文的研究手段和評價方法較落后于英文論文，其在新方法和綜合評價指標的使用上進步相對較慢.值得注意的是，英文期刊論文并不全是由國外科研工作者研究發表的.本文通過對英文論文作者的國別進行統計，發現英文論文中的作者國別以中國為主，約占英文文論總發文量的3/4，這說明中國的學者們非常積極地選擇在英文期刊上發表論文.然而，需要進一步研究來確定中國作者在英文期刊上發表的論文水平是否普遍高于在中文期刊上發表的論文.研究因素、研究對象、研究方法和評價方法相對應的分類依據 見表1.

表1 關鍵詞分類依據或釋義Table 1 Classification basis or meaning of keywords

總體來看，中文論文研究區域多為黃河全流域，研究對象多為生態系統，側重于整體概況和整體評價，多采用生態系統評價方法和生態狀態指數表征黃河流域生態狀況；英文論文研究區域多為黃河三角洲，研究對象多為生態系統、植被和水生生物，側重于區域深入研究，多采用生物評價方法、生態系統評價方法和植被指數作為評價方法.

2.2.2 不同河段研究內容對比

不同河段的研究內容同樣具有差異性，從研究因素、研究對象、研究方法和評價指標4 個方面對不同區域研究進行分類統計，對比其研究差異，結果如圖4 所示.結果表明，影響黃河流域生態狀況的因素主要分為10 類〔見圖4(a)〕，其中影響較大的因素有人類活動、環境因子和時空因素.有關人類活動對生態環境影響的研究在各河段都很多，在黃河上、中、下游以及黃河三角洲地區，人類活動對黃河水生態狀況的研究接近1/5.水質、重金屬等是影響黃河水生態狀況的主要環境因子，其在黃河中下游、黃河河口及三角洲的研究較多，這與下游人類活動密集、污染物排放不斷累積等因素有關.時空因素對黃河流域生態狀況的影響也很大，在黃河全流域和黃河源區的研究較多.此外，水文地貌、氣候變化和自然因素在每個河段也都有研究.

圖4 黃河流域生態狀況研究不同河段研究因素、研究對象、研究方法和評價方法對比圖譜Fig.4 Research factors, objects, methods and evaluation methods on ecological conditions of different reaches of the Yellow River

在不同研究區域內，生態系統、植被和水生生物是被關注最多的3 個研究對象〔見圖4(b)〕.以生態系統作為生態狀況的研究是最多的，其在全流域中的比例高達70%.以植被為研究對象的研究區域主要為黃河源區和黃河上游，黃河源區的主要植被類型為草地，其他地區的主要植被均為樹木或農作物.以水生生物為研究對象的區域主要為黃河河口，研究的水生生物主要為底棲動物、浮游植物、浮游動物、魚類.

對比不同河段時還發現，在進行生態狀況研究時，論文所采用的研究方法和評價方法與研究對象密不可分，一般依據研究對象來選擇合適的研究方法和評價方法.以生態系統為研究對象時，常用的研究手段為遙感，常用的評價方法為生態系統評價方法和生態狀態指數；以植被為對象時，常用的研究手段為遙感，常用的評價方法為植被指數；以水生生物、土壤生物和微生物為研究對象時，常用的研究手段為統計學方法，常用的評價方法為生物評價方法.

2.2.3 評價方法及應用分析

生態狀況評價方法分為生物評價方法、生態系統評價方法、植被指數、生態狀態指數和其他評價方法五大類，每類評價方法中又包含各種評價指數(見表1).各評價指數在不同研究區域的應用頻率如圖5所示.在生物評價方法中，生物多樣性評價的應用最多，常用的生物多樣性指數有Shannon-Wiener 多樣性指數、Simpson 多樣性指數和Pielou 均勻度指數以及Margalef 豐富度指數等.在生態系統評價方法中，黃河全流域采用較多的方法有生態風險評估、生態系統服務價值和生態經濟效益；黃河源區主要采用生態脆弱性評價和生態完整性評價；黃河上游和黃河下游多采用生態系統服務價值評估；黃河中游、黃河三角洲和黃河河口主要采用生態風險評估.在植被指數評估中，植被指數是主要的評價手段，常用的植被指數有歸一化植被指數(NDVI)、凈初級生產力(NPP)等.生態狀態指數和其他評價指數在研究中應用較少，生態狀態指數主要采用的評價指標有生態環境質量指數和生態狀態指標，其他評價指數中常用的評價指 標為生態保護指數.

圖5 黃河流域生態狀況不同河段評價方法對比圖譜Fig.5 Evaluation methods on ecological conditions of different regions of the Yellow River

3 結論與展望

3.1 結論

a) 1981-2022 年，黃河流域生態狀況領域論文數量呈上升趨勢.1981-2004 年處于萌芽期/緩慢發展期，論文發表數量較少，總體進程緩慢；2005-2018 年處于發展階段，總體發文量穩定上升；2019 年之后則進入增長階段，發文量快速增長.預計在較長的時間內，黃河流域生態狀況研究都將是研究的熱點.

b) 黃河流域生態狀況熱點研究內容包括生態環境、水資源和水土保持；熱點研究對象包括生態系統、植被和水生生物；熱點研究區域涵蓋黃河全流域，主要包括黃河源區、黃河上下游、黃土高原和濕地等；影響黃河流域生態狀況的熱點研究因素包括人類活動、環境因子和時空因素.

c) 不同研究區域所涉及的影響因素和研究對象具有差異性.從影響因素看，在黃河上、中、下游地區主要關注人類活動的影響，而在黃河三角洲和黃河河口地區重點關注水質和重金屬等環境因子，在黃河全流域和黃河源區更注重時空因素的影響；從研究對象看，在黃河源區主要關注草地生態系統，而在黃河上、中、下游以及黃河三角洲地區主要集中在生態系統和植被方面，黃河河口的研究則更加側重水生生物群落.研究方法和評價方法一般與研究對象相對應，如以水生生物為研究對象時，通常采用統計分析等研究方法和生物多樣性指數等評價方法，多學科交叉研究成為黃河流域生態狀況評估的必然趨勢.

3.2 展望

近幾十年來，全球淡水生態系統生物多樣性不斷下降，水生態狀況研究是水生態健康評估、保護與修復的重要基礎.在未來的研究中，研究區域將從小的區域/流域單元擴展到整個黃河流域，這有助于從流域的整體性和系統性全面地了解流域的生態狀況變化趨勢.同時，影響因素也將面臨由單一污染因素向氣候變化和人類活動干擾多重壓力因素擴展的挑戰，即影響流域生態的因素變得更加復雜多樣.為了適應未來研究的需求，技術手段和評價方法也在不斷更新.其中，環境DNA 和遙感等技術手段正與傳統方法相結合，以提供更準確、高覆蓋度的數據支持.此外，評價指標的選擇也在發生變化，從過去單一的理化指標轉向更加綜合的評估指標.這些發展意味著未來的研究將更加注重整體性和綜合性，以全面了解黃河流域的生態狀況.科學家們將會以新的技術手段和評價方法來揭示流域尺度下的生態變化和影響因素，并為流域管理和生態保護提供更可靠的科學依據.

a) 未來水生態狀況研究區域將不斷擴大，主要包括兩個方面：一是由河流、湖泊、濕地等水生態系統向流域、水生態單元等水陸兩棲生態系統擴大，對流域生態系統進行綜合評估，揭示不同部分之間的相互關系影響；二是由河段、小的流域單元向全流域的擴大，流域一般涉及多個行政區劃，全流域的監測有助于促進跨界合作和共同管理，形成統一的流域治理方案.

b) 就流域生態狀況影響因素來看，未來研究正在由單影響因素研究向多重壓力因素(如氣候變化、土地利用、水文過程等)轉變.水生態系統高度復雜，傳統的營養物質、重金屬污染等單因素研究難以全面評估流域生態狀況，將單一影響因素擴展到多個影響因素可以更好地反映流域生態系統狀況的復雜性；流域生態系統中不同因素之間會相互影響，綜合考慮多個影響因素及其相互作用，可以更全面地分析和預測流域生態系統的響應和變化.

c) 流域生態狀況研究的技術手段和評價方法也在不斷發展更新.未來流域生態狀況研究技術手段正在向遙感、環境DNA、人工智能等新的方式轉化.與傳統的生物分類、計數相比，新技術手段能夠提高監測效率、增加數據量，同時，這些高科技手段也為實現智慧流域水生態監測提供了可能.未來評價指標將更加注重綜合評估.單一的理化指標只能提供某一方面的信息，而生態系統指標可綜合考慮生物多樣性和生態功能，從遺傳組成、物種種群、物種性狀、群落組成、生態系統結構和生態系統功能等方面出發，更全面評估流域生態系統的健康狀況.