国际能值研究热点和前沿的可视化分析

2014-10-22李春发曹莹莹

生态环境学报 2014年6期

李春发，曹莹莹

天津理工大学管理学院，天津 300384

生态学家Odum H T的能值理论思想最早起源于20世纪70年代，80年代后期，他首次对能值理论及相关一系列概念进行了阐述，他将能值定义为：一种流动或储存的能量所包含另一种类别能量的数量（陆宏芳等，2005；Odum，1987；Odum，1998;蓝盛芳和钦佩，2001；Odum 等，1987；Odum，1996）。能值理论创造性地将各种不同能量区分成不同的等级后，转换成同一标准“能值”，从而实现了不同系统与物质生态效益及结构功能的统一评价。目前，能值理论已广泛应用于生态环境系统、经济系统以及产业系统的研究中。（Vega-Azamar等，2013）等用能值分析方法对加拿大蒙特利尔岛的环境可持续性进行了评估。而（Arbault等，2013）等以4个污水处理厂为案例对能值评估方法的适用性及鲁棒性进行了检验，并将其与生命周期评估方法进行了比较。在国内，（刘浩和宋阳，2008）运用能值分析方法对辽宁省循环经济发展情况进行了评价，他认为辽宁省经济发展的重点在于减少废弃物的排放，强化资源的循环合理利用。（李丽锋等，2013）基于能值理论对盘锦双台河口湿地生态系统服务价值进行了分析与评价。（宋阳等，2012）将能值分析与生态足迹方法相结合，构建了民用建筑生命周期各阶段固体废弃物排放的资源环境压力计算模型，并进行了实证研究。（张丽君等，2013）则整合能值分析与物质流分析方法，并结合空间分析技术，对以河南为例的县域绿色经济发展的地域类型及空间特征进行了分析。（刘耕源等，2013）利用能值分析方法，对北京的城市代谢过程进行了研究。此外，将能值理论与生态足迹法（王耕等，2014；王耕等，2013；王志杰和高洁，2013；张清华等，2012；楚芳芳和蒋涤非，2012）、生命周期评价法（Wang X L，2014；Reza B等，2014）、数据包络分析（孙露等，2014；宋涛等，2013）、脱钩理论（ZHANG 等，2014），遥感和GIS（李松，2014）、生态系统服务功能理论（吴霜，2014）等其它理论及方法结合应用也成为学术界的探索热点。

本文通过对能值相关文献信息进行搜集与分析，厘清能值研究领域的研究脉络，准确把握其研究前沿、热点问题及研究应用趋势，将对生态学、环境学等相关学科领域研究提供指导，促进相关研究的长足发展。同时，借助于能值理论正确分析和处理人、自然、资源以及经济之间的关系，将为决策制定者们在制定经济与环境政策时提供借鉴。

1 数据来源和研究方法

本文数据均取自以ISI Web of Knowledge作为检索平台的Web of Science数据库。为保证检索数据的全面性，以“主题=emergy”为检索式，选择文献类型为article、proceedings paper和review，时间跨度设置为“所有年份”，确保获取的数据能涵盖能值研究相关的所有内容。检索所得的记录包括作者、篇名等文献全记录以及引用的参考文献。通过检索获得了1998─2013年间发表的481篇文献记录，其中包含了6943条引文记录，这些文献记录均来源于SCI子库。数据最后更新时间为2013年11月4日。

科学知识图谱是集数学、计算科学、图形学、计量学、引文分析和共现分析等多学科多方法为一体的以定量分析为主的研究方法（陈悦和刘则渊，2005）。它可以对研究对象的发展脉络及相互关系进行形象化展示，并对其未来发展态势进行预测（Chen，2004）。CiteSpace可视化软件由陈超美博士基于Java平台开发而成，它通过绘制知识图谱显示某个学科或领域在一定时期中形成的若干研究前沿领域的演进历程（刘则渊等，2009）。本文以科学知识图谱为基本定量分析方法，以CiteSpace为研究工具，在能值分析相关文献进行分析基础上，绘制出相关可视化知识图谱，对能值研究演进脉络进行梳理，从而窥探其研究热点和研究前沿。

2 能值研究概况

2.1 学科分布

1998 年至今，SCI数据库中能值研究文献分布情况（按学科）如图 1所示。从图1中发现，SCI数据库中能值领域的研究文献主要集中地生态环境相关学科，约占同时期发文总数的89%，且排名较靠前，依次为环境科学（243篇，31%）、生态学（181篇，23%）、环境工程（103篇，13%）、能源燃料（81篇，10%）、环境研究（66篇，8%）和生物品种保护（32篇，4%）。能值分析在其它诸如热力学、应用数学等学科也有研究文献，但所占比例较小。

2.2 时间分布

通过对图2分析可知，在数据库SCI中，1998年至2004年间能值领域研究年发文数量较小，但呈缓慢上升状态。2005年小幅回落后，相关研究文献数量大幅度上长，并于2011年达到最高峰，年发文数量达到77篇。2012年有所回落，但后续呈上升趋势（2013年仅有部分数据）。

2.3 研究实力分布

通过对发文数量少于10的地区进行排除，得到SCI数据库1998年以来能值研究相关文献的地域分布图（如图3所示）。由图3可知，SCI数据库中能值分析相关文献发表比较集中，主要分布在中国、美国以及意大利，发文量均大于100篇。其后的巴西、台湾等发文较少，均不足 50篇。我国发文172篇高居榜首，在对研究基金资助情况进行研究后发现，其中有58篇文章受国家自然基金资助，14篇分别受中科院和国家重点基础研究发展计划基金资助，远超过其它国家受资助文章数量，说明我国这些科研成果得益于政府对环境问题的重视，同时显示我国在相关领域科研能力的提升。根据对文献著者所属机构的发文量的统计，得到发文量超过10篇的8所研究机构如表1所示。

发文量排在首位是意大利的锡耶纳大学，约占意大利发文总量的58%，说明其能值领域研究集中度很高。而意大利勒斯帕斯诺普大学排名第 7（25篇）。我国北京师范大学、北京大学及中国科学院分列2、3和4位，美国环保局和俄亥俄州立大学跻身前8。

表1 SCI数据库中能值研究文献分布图（按机构）Table 1 Distribution of emergy research literatures in database of SCI(distributed by institution)

3 能值研究知识脉络分析

在运行 CiteSpace进行分析前，设置整个分析时区为1998─2013年，每个时间切片为1年，软件中主题词从文献标题、摘要、描述符以及标识符中提取，选取被引文献和术语作为节点，3个时区阈值分别设置为（5，2，20）、（5，2，20）、（7，3，20），选择探索关键路径算法（Pathfinder）和网络路径简化算法。通过运行得到如图4所示的能值研究文献共被引知识图谱，它包括节点118个，连线318条。

3.1 能值研究早期基础文献及作者分析

从图4中可以看出，能值研究相关引用文献最早可追溯到1922年Lotka A J在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上发表的文章“Contribution to the Energetics of Evolution”，在web of science中检索其被引情况，结果显示仅在SCI中本文的施引文献就达281篇，而在 google学术中发现该文引用频数高达 664次（2013年11月8日），可见其在此领域的重要性与启发性作用。Lotka A J是美国著名生态学家，同时也是优秀的统计学家、数学家和物理化学家，他因提出从能量学视角来看待生物的演化而闻名于学术界。文中Lotka A J认为自然选择过程中生物间的竞争优势体现在其对能源的使用率与使用效率上，同时指出人类从使用可再生的能源转向使用不可再生能源，将对生态环境造成严重危害，而最为重要的是他总结出了最大功率原理（maximum power principle），即具有活力的系统的最佳设计是：在竞争压力下，系统能从可用输入能源中获得更多有用功而达到输出功率最大（Lotka，1922；Lotka，1925；Lotka，1939）。这一理论后来被Odum H T等进行了改进并应用到了不同领域的研究中（Odum，1992）。

在1971年，Odum H T的著作《Environment,Power and Society》一书出版（Odum，1971），在google学术中的被引频次高达1000多次。作者分析了人为及自然力量二者的相同之处，即它们都通过引用功率对一些看起来分离的能量过程进行了统一分析测算。同时作者还指出，除了像太阳辐射、碳循环等自然能源可以用功率来表示外，人类的社会、政治及经济活动也有定量的功率等级（William，1971）。此书中，作者将能量研究视角从传统自然系统领域扩展到人类活动层次上，解答了生态经济、宗教、法律等方面的多个问题，（Liu等，2013）促进了多学科集成与交叉合作，提升了新生学科知识的共享与发展能力。

3.2 能值研究核心文献及代表作者分析

选取共被引文献图谱中中心度（≥0.1）和频次（≥50）的节点分别按从高到低顺序进行排列，得表2。在表2中，中心度大于0.1的节点文献共13篇且共被引频次均大于50，它们的排序基本占据了前12的位置，可以看出中心性较高的文献往往共被引频次也高。由于中心度大于 0.1的关键节点，它对相关研究从一个方向另一方向的转变过程进行了连接与标识，同时对并未直接连接的节点和聚类起着重要的关联作用，由此，可认为高中心度的节点处于相关领域研究的核心地位（陈超美等，2009）。而共被引频次则代表了相关文献的影响力，频次越高则文献影响力越大。综上，把中心度高且频次也高的文献定义为相关领域的核心文献，表2中的13篇文献均属核心文献，由于这些文章中存在一个作者发表过多篇文献的情况，在此对相关信息作了简化处理，得到表3。

表2 高中心性和高被引文献Table 2 High centrality and highly cited literatures

结合表2和表3知，中心度和文献被引频次最高的作者是Odum H T，他是能值（Emergy）理论及分析方法的创立者，在生态学、系统学以及能量学等学科领域作了巨大贡献。他和Odum EP共同出版了《生态学基础》（Fundamentals of Ecolog），掀起了生态系统研究热潮（包庆德和张秀芬，2013）。他创立了能量系统符号语言，对能量、物质和信息等共同作用机理进行探索。为表彰其在相关领域卓越的研究贡献，瑞典科学院在1987年向其颁发了克拉夫奖（Crafort Prize）。SCI数据库中Odum H T有3篇核心文献，中心度和被引频次均排在前四位，由此可以看出作者在此领域占据举足轻重地位。1988年，Odum HT在“Self-organization, transformity,and information”一文中，对生态系统这一自组织系统的运行模式及能量流动进行了分析，提出并论证了用太阳能值和转换率对信息在内的不同级别能量进行评估的相关假设（Odum，1988），此文的中心度和被引频次均排在第一位。1996年，在由Wiley-Inter science 出版的 “Environmental Accounting: Emergy and Environmental Decision Making”一书中，Odum H T列举了相关能值计算公式、程序以及评估指标，同时展示了如何使用能值对环境、能源及经济等进行评估与管理（Odum，1996）。Odum H T另一影响力较大的研究成果是他与 Brown M T等合作的“Handbook of Emergy Evaluation”，在手册中他们对地球生物圈的能值功率等数值进行了计算，并利用能值对地球生物圈中诸如大气层、海洋、地表等系统进行了评估（Odum等，2000；Odum，2000）。Odum H T的研究为系统生态学研究奠定了基础，其能值分析理论为环境政策制定者、生态学家、城市规划家等专业人士在对环境和经济进行评估时提供了一个系统化的方法，从而有助于实现对资源、经济和环境的最优化管理。

表3 核心文献及代表作者Table 3 Core documents and representative authors

中心度排列在第二位的是美国 Florida大学的Brown M T教授，他是被选研究作者中发表核心文献最多的作者（统计包括第二作者）。从发表论文情况来看，Brown M T、Odum H T和Ulgiati S三人合作关系较为密切，共同发表过多篇能值研究领域经典论文。作为Odum H T的学生，Brown MT曾担任过 Florida佛罗里达大学环境政策中心主任，和Odum HT一同做很多能值方面的研究。此外，他和排名第四的意大利生态学家Ulgiati S合作颇多，被选核心文献中有4篇由他们共同完成。1995年，两人在“Emergy-based indices and ratios to evaluate the sustainable use of resources”中，利用能值评价指标对自然资源可持续性进行了评估（Ulgiati等，1995）。1997年，在“Emergy-based indices and ratios to evaluate sustainability monitoring economies and technology toward environmentally sound innovation”一文中，提出能值可持续指标 ESI（Emergy sustainable indices）为能值产出率（EYR）与环境负载率（ELD）二者的比值，并确定了其量化标准（Brown和Ulgiati，1997）。此文开创了能值研究又一崭新领域，即将基础能值指标进行灵活组合和再创新，此后学者们纷纷效仿，相继提出了一些新的综合评价指标（陆宏芳等，2003；张妍和杨志峰，2007）。他们还合作发表了“Monitoring patterns of sustainability in natural and man-made ecosystems”、“Emergy evaluations and environmental loading of electricity production systems”和 “Energy quality,emergy, and transformity: HT.Odum’s contributions to quantifying and understanding systems”等产生重要影响的论文。在上述论文中，他们对ESI进行了具体论述与仿真模拟，对城市和电力生产系统的可持续发展进行了评估，指出可再生能源比不可再生能源具有更高的环境可持续性（Ulgiati和Mark，1998；Brown和Ulgiati，2002），并对Odum在能值方面的研究工作进行总结和回顾（Brown和Ulgiati，2004）。Brown M T 还在“Embodied energy analysis and emergy analysis: a comparative view”和“Emergy indices and ratios for sustainable material cycles and recycle options”两篇论文中，利用能值分别对以泰国泥公河大坝为例的区域生态系统及以建筑材料为例的物质循环系统的生态和经济进行了定量的评估，诸如能质、能质链、能量转换率等概念被提出（Brown和Herendeen，1996；Brown和Buranakarn，2003），实现了能、经济及信息3大流内在关系的联系。而 Ulgiati S则在另一篇被引频次较高的文章“Energy use, environmental loading and sustainability:an emergy analysis of Italy”中，以意大利为研究对象，对盐沼地、江河、海岸以及热带雨林等自然生态系统进行了能值分析（Ulgiati等，1994）。

列第三位的是Jorge L H和Bhavik R B二人合作的论文“Promise and problems of emergy analysis”的中心度达到 0.21。该文对能值的主要特点及能值理论存在的批判性意见进行了讨论，并对能值与工程热力学里的一些概念间的关系进行了分析。在肯定Odum的研究工作的同时，对能值理论的一些批判性观点进行了反驳，指出能值与生态能量的累计消耗有着密切关系，对能值理论持批判意见的学者要么是用常用的整体方法来对生态系统和其它微小系统进行评价而忽视了系统边界，要么就是对多学科间的相互联系缺乏理解，或者就是偏离了工程应用这一边界（Jorge等，2004）。论文纠正学术界对Odum能值理论的误解，确立了能值理论的正确性与重要意义，同时还考虑到研究方法与研究对象的适用性问题，对能值研究的向前推进与健康发展起到了关键性作用。

另一关键节点文献是由Sciubba E和Ulgiati S完成的“Emergy and exergy analyses: complementary methods or irreducible ideological options”，该文 2005年在Energy上发表，作者以玉米生产乙醇为例，对2种不同的能量（有效能与能值）分析形式的相似之处与不同之处进行了讨论，指出有效能分析可以对任何系统运行中热力学特征进行准确的洞察与评估，也能够对废旧资源、不可再使用材料和能量流动的不可逆性及匹配程度提供定量化的评估指标，文中还将成本考虑其中，实现了热力学与经济学的结合，为系统优化提供了一种极好的工程评估方法。而能值分析进一步扩充了对生物界的评估范围，并对支撑复杂生命系统的能量流和资源流的整体性做了解释。两种方法既相似又有着不同的范式，可以在不同的领域中发挥自身的优势（Sciubba和Ulgiati，2005）。

3.3 能值研究热点演进脉络

通过共词分析和词频分析对文献术语间的连接强度及词频高低进行统计分析，可以得出所研究的学科领域的研究热点及发展趋势（Monarch，2000）。而关键词是对文献核心内容的提炼与浓缩，相关学科领域中反复出现的关键词可视为该学科领域的研究热点（刘则渊和尹丽春，2006）。因此，本文借助于基于共词分析与词频分析的CiteSpaceⅡ软件，对能值研究文献关键词出现的频次及共现频次进行统计，绘制出能值研究热点演进脉络（如图5所示）。节点越大代表该节点关键词出现的频次越高，即相关学科领域的研究热点之所在。从图谱中看到能值分析领域有emergy（能值）、sustainability（可持续性）、systems（系统）、emergy analysis（能值分析）、energy（能量）、indexes（指标）等研究热点，详见表4。

由图 5节点颜色分布及表 4可知，emergy、sustainability、systems等至今仍是能值分析领域的研究热点，且在最近几年出现频次较高，结合前面对核心文献及代表作者的分析，发现这些关键词在核心文献及代表作者的研究成果中出现频次也较高，说明这些关键词代表的研究热点在能值分析领域占据着重要的地位。emergy自1998年提出以来（SCI数据库收录1998年以后发表的文献），迅速成为一大热门研究主题，到目前为止累计出现频次达198次，它还是一个关键节点，与其它的热点节点间有着紧密联系。与emergy并列第一的是2000年出现的sustainability，频次同样达到198次，它是能值分析领域中又一大热门研究主题，同时它还是中心度排名第一的关键节点，在与其它领域的衔接中有着至关重要的影响。除了 sustainability，2000年后还出现了一个热点关键词，即排在第六位的exergy（有效能）。2001年emergy analysis和energy analysis两大研究热点开始显现，学者们在对相关领域概念的研究后，将研究深入到了具体分析方法之上。2002年出现的热点关键词是排在第五位energy（能量）。2004年后能值分析相关研究开始向具体系统研究和能值转换率的应用上倾斜。到了2005年，能值指标的构建受到相关学者的青睐。排名和时间最靠后的是China这一具有明显地域性的关键词，它在SCI数据库中作为关键词首次出现于2009年，由此可见，随着中国政府对环境问题的关注，用能值对中国的生态环境进行分析评价已成为学者们又一新的研究热点。

表4 能值研究领域文献中出现频次排名前10位的关键词Table 4 Top 10 keywords appeared in emergy research literatures distributed by frequency

3.4 能值研究前沿探析

陈超美将研究前沿定义为一组突现的动态概念和潜在的研究问题，并将研究前沿术语定义为出现频次增长率较高的专业术语，它反映了正在兴起的理论趋势与即将涌现的新主题（陈超美等，2009）。本文利用CiteSpace中膨胀词探测技术与算法，将频次变化率高的术语从主题词中探测出来，通过分析词频的时间分布和变化趋势，对能值研究前沿进行探析，得到能值分析研究前沿膨胀词的时区视图（如图6所示）。

由图6可知，1998─2000年，几乎没有膨胀词出现，表明此时能值分析领域研究活动主要集中对已有理论研究基础之上，研究前沿不明显。2000─2007年，在已有研究的基础上一些新的研究主题开始显现，出现了 wastewater-treatmentsystems（污水处理系统）、emergy indices（能值指标）、sustainability-indices（可持续指标）等膨胀词，但是在相关领域反映并不强烈，频次增长幅度不大。2007年后，能值理论在可持续发展、具体系统评估及生态效益核算等领域的应用受到了学者们广泛关注，相关学科领域研究前沿明显突显出来，一些新主题集中出现并迅速膨胀，environmental sustainability（环境可持续性）、sustainable development（可持续发展）、ecological footprint（生态足迹）、resource analysis（资源分析）、constructed wetland（人造湿地）、embodied energy（体现能）、ecosystem services（生态系统服务）、emergy evaluation（能值评估）、electricity production（电力生产）、emergy accounting（能值核算）、life cycle assessment（生命周期研究法）等成为现今能值研究的前沿命题，即将引领能值分析研究步入新的繁荣时期。

4 总结与研究展望

能值作为链接经济学和生态学的桥梁，为资源、环境、劳务、信息和发展决策等的评价提供了统一的度量标准，对分析自然资源与经济活动关系，促进资源的科学合理利用及真实财富的合理分配，实现经济环境最大限度的可持续发展具有战略性意义（高阳等，2011）。本文选取Web of Science数据库中1998─2013年间收录主题为“emergy”的文献，借助Web of Science数据库中自带的文献数据分析功能及CiteSpace的可视化分析功能，对能值研究概况及知识脉络进行了统计与可视化分析发现，目前能值领域研究呈现出以下特点：

第一、能值研究热点从理论分析转向实际应用，研究范围从宏观向微观收缩。从时间、学科及地域维度来看，能值研究的推进表现在数量的递增，学科范围的拓宽与研究实力地域上的集中。能值研究主要集中在环境、生态与能源相关学科，研究实力较强的主要有中国、美国以及意大利三个国家，它们除了发文数量遥遥领先以外，研究也较集中，表现突出的有意大利的锡耶纳大学、中国的北京师范大学、北京大学、中国科学院和美国的佛罗里达大学。

第二、能值研究已经形成了坚实的知识基础、核心的文献作品及代表的作者群体。Lotka AJ、Odum HT、Brown MT、Ulgiati S等为能值理论发展作出了卓越的贡献，其相关能值研究核心文献为后续研究的推进与扩展奠定了坚实的知识基础。

第三、能值研究开始关注对研究对象的尺度及类别的划分，对实际应用对象的能值分析评估成为能值研究的热点。本文通过绘制关键词聚类图谱及膨胀词的时区视图，发现如今能值研究将在environmental sustainability（环境可持续性）、sustainable development（可持续发展）、ecosystem services（生态系统服务）、emergy evaluation（能值评估）、electricity production（电力生产）、emergy accounting（能值核算）、life cycle assessment（生命周期研究法）等前沿研究领域取得新的突破。

通过以上分析可知，国内外能值研究成果已经相当丰富，且文献数量持续增长趋势，形成了坚实的知识基础与较强的研究实力，然而核心作者及代表作品主要集中在研究早期，后期研究影响力不足，缺少核心作者及代表成果。Odum争对宏观系统创立的能值转换率及评价指标体系已无法满足小区域、微观小系统的研究需求，导致相关理论在应用时出现指标不统一或不完善等问题。系统能值是动态变化的，但已有能值研究成果局限于静态研究，不能对系统能值及相关评价指标的未来发展动态进行整体把握，从而不能对系统的可持续发展动态进行分析。因此，笔者认为未来能值研究应在以下几方面有所侧重：首先，加强能值理论及方法的完善与应用范围的延伸。譬如，探索科技发展下能值相关数据获取的新方法，小区域、微观系统能值转换率的计算与统一。其次，对能值研究对象类别进行划分及对能值评价指标的统一。即探索能值研究对象的分类原则与标准，对不同特性的系统进行归类，并制定出对应类别统一的能值转换率及评价指标。最后，将能值方法应用在系统未来发展的动态评价研究中。即将能值方法与动态模型、仿真技术等相结合，通过构建模型对系统未来能值及能值评价指标的动态发展情况进行计算分析，为政策的制定及评估提供科学的依据。

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