谷玥 陆志波 姚俊兰

(1 同济大学环境科学与工程学院,上海 200092; 2 同济大学图书馆,上海 200092)

提要 为了识别中外在北极环境领域的研究差距,构建先进的北极科考框架,基于CiteSpace 工具对国际和国内北极环境领域近30年的文献进行计量。通过共现、聚类和共被引分析发现北极环境研究发展可分为三个阶段; 北极八国和德英法在北极环境研究中占据主导地位; 北极环境研究与地质学和大气科学等学科密切相关; 海冰、冻原、永久冻土和积雪是最热门的北极环境污染物介质,多氯联苯、汞和二氧化碳在污染物研究中占据主导地位; 突现性污染物的研究重点变化趋势是氯代烃—臭氧—重金属—黑碳,持久性有机污染物的突现性始终存在; 通过国际和国内的研究对比分析发现我国生态毒理学研究的不足。最后,从需要进行监测的污染物、可以运用的理论技术以及需要开展的环境领域科研工作等方面,对我国北极环境研究提出建议。

0 引言

在全球气候变化、经济全球化和区域一体化的背景下,北极在战略、经济、科研、环保、航道、资源等方面的价值不断提升[1],受到国际社会的普遍关注。美国、加拿大、俄罗斯、挪威、丹麦、芬兰、瑞典和冰岛这八个北极国家以及北极理事会、北约和欧盟等与北极有关的组织对北极探索表现出浓厚的兴趣,并积极制定北极政策。随着人类对北极的了解逐渐深入。北极的人类健康风险[2]、海洋酸化[3-4]、海平面上升[5-6]等环境问题日益显现,并成为反映全球气候变化的指标。

各个国家和组织的北极政策越来越多的提及环境问题,内容涉及各类污染物的控制[7]、海洋酸化和生物多样性等环境问题[8]以及国家间的科研合作和数据共享[9]。我国在2018年的《中国的北极政策》白皮书中提到保护北极自然环境和生态系统,养护北极生物资源,积极参与应对北极环境和气候变化的挑战[1]。2021年7月,我国已开始中国第十二次北极科学考察。我国在中国第十次北极科学考察中实施了海洋综合调查,完成了水体、沉积物、底栖生物、浮游生物和微塑料的采样,开展了北极海洋酸化、微塑料和人工核素的调查。但我国目前进行的研究主要是从国家科研需求出发,在选择监测指标上存在被动性,科技实力与美国和俄罗斯等北极科技强国相比存在明显不足。因此,本文将基于CiteSpace 软件对国际(Web of Sciences Core Collection 数据库)北极环境领域近30年的文献进行计量研究[10-11],挖掘世界各国及组织在北极进行环境研究的情况,并对前沿热点的研究内容进行分析,以掌握北极环境研究的动态变化,为我国北极科学考察提供思路,为构建先进的北极科考框架提出建议。

1 数据与方法

1.1 数据来源

文献检索使用Web of Sciences Core Collection (WoS),按照主题词对核心合集进行高级检索“TS=(Arctic* OR Greenland OR “Bering Sea” OR Svalbard OR “Barents Sea” OR “Kara sea” OR “Canada Basin” OR “Chukchi Sea” OR “Siberian sea”)”,检索时间限定在1990—2020年,并限定Web of Sciences 类别为环境科学(Environmental Sciences),检索文献类型限定为文章(Article)及会议论文(Proceedings paper)。数据收集时间为2020年8月29日,共检索到相关英文文献11189篇,导出的信息包括题目、作者、关键词、摘要、发表年份和引文等信息。

1.2 研究方法

本文使用CiteSpace(5.6.R2 版本)软件以及统计学方法对经过去重的11189 篇文献的题录以及它们的参考文献进行共现分析、合作分析、聚类分析以及共被引分析,明确北极环境研究的国际趋势和研究热点。软件生成的分析图谱能够直观反映各研究热点词的连接关系,连接线的粗细与两个热点词的关联度呈正相关,热点词圆圈面积与其出现频率呈正相关,时间线视图可以通过关键词出现的时间跨度表达出不同时期的研究热点。

2 发文量概况

研究领域的年度发文数量能够反映研究进程并确定研究阶段,根据近30年国际北极环境研究年发文数量分布(图1),可以将国际北极环境研究分为缓慢发展、高速发展和稳定发展三个阶段,充分体现Logistic 模型S 型曲线。

图1 1990—2020年北极环境研究发文数量年度分布Fig.1.Annual distribution of the number of publications on Arctic environmental research from 1990 to 2020

1990—1995年为缓慢发展阶段。1995年之前的国际北极环境研究年发文数量不超过150 篇。这一阶段更多的从理论出发论述全球气候变化的趋势以及污染物的发生和转移途径[12-14],但由于数据的缺失,并不能对污染物在生态系统中的迁移产生明确的认识[15-16],而我国在这一阶段的相关研究处于空白状态。

1996—2016年为高速发展阶段。1996年以后,年发文数量快速上升,研究内容趋向多元化: 逐渐出现遥感和实时监测系统等用于数据收集的新技术,一定程度上弥补了北极数据缺口; 注重对生态毒理学的研究; 出现了对新型持久性有机污染物的研究,并开始了对底栖生物的探索。我国也是从这个阶段才开始参与到北极环境研究当中,但初期发展缓慢,直至2007年,国内年发文数量才达到10 篇,之后中国发文数量的国际占比逐年提升,在2016年达到10.10%,我国的北极环境研究在国际占据的地位越来越重要。

2017年起北极环境研究进入稳定发展阶段。近三年的年发文数量差别不大,最高点出现在2018年(774 篇)。经过数十年的发展,许多国家已经制定起了北极政策,对北极的探索也成为各国战略的重要组成部分。

从各国的发文数量(表1)来看,美国和加拿大具有发文数量上的绝对优势,发文数量分别占总数的35.4%和27.8%,远高于其他国家; 同为北极八国的挪威、丹麦、瑞典和俄罗斯均居于前十位,芬兰居于十一位,冰岛居于二十四位; 德国、英国和法国作为非北极国家,却对北极环境领域进行了许多研究,均位列前十; 我国由于起步较晚,发文数量占比为6.2%,位于第九位。

表1 各国发文数量分布(发文数量＞100)Table 1.Distribution of the number of national publications

3 国际北极环境研究分析

3.1 学科分析

环境科学是一个交叉学科,在北极环境的研究中涉及到的学科众多,掌握学科交叉的动态趋势才能够协调学科之间的发展,促进我国对极地环境的探索。对收集到的11189 篇文献进行学科共现分析,查看除环境科学这一学科分支外其他学科的分布情况,列出出现频率大于40 的学科及其中介中心性(图2)。节点的中介中心性是指网络中经过某节点连接两点的最短路径占这两点之间的最短路径总数之比,它能够测度节点在网络中的重要性。

除环境科学外,11189 篇文献还涉及到较多的学科是气象与大气科学(2565 篇)、地质学(2292篇)、地理学(1425 篇)、生态学(1185 篇)和工程学(994 篇),学科之间的合作也是研究中不可缺少的一部分。其中,工程学的中心性(0.11)最大,它最大程度地连接了不同学科的研究; 地质学、水资源学、气象与大气科学和生态学也起到了良好的连接作用,中心性分别为0.08、0.07、0.04 和0.04。在进行环境研究的过程中也要重点关注起到中心作用的学科,可以借鉴这些中介性学科以及与它们相连学科的研究技术和原理,为极地环境研究提供思路和方法。

使用寻径剪枝功能对学科共现结果进行处理[17],运用较小生成树及复杂连接删除算法,保留最重要连接,简化网络并突出其重要的结构特征,处理结果具有唯一性。运用此方法处理文献后的结果如图3 所示。其中,节点的大小对应该学科出现频率的大小,有紫色外圈的节点表现出高中心性; 节点之间的连线表示共现关系,其粗细表示共现强度,线上数字表示强度数值; 连线颜色对应节点第一次共现的年份,颜色从紫色到黄色表示年份从1990 到2020 的变化。结果表明,与北极环境科学(Environmental Sciences)最相关的学科分别是地质学(Geology)、动物学(Zoology)和生物技术与应用微生物学(Biotechnology & Applied Microbiology),连接强度分别是 0.74、0.05 和0.05(图3)。在进行北极环境研究的过程中也要与地质和生物等学科进行配合与协调,为北极环境研究提供理论基础和途径方法。如遥感技术和模型测试被大量用于污染源的识别[18-20]及长期监测[21-22],气溶胶和黑碳等污染物的浓度很大程度上受到气象条件的影响[23],北极的哺乳动物和浮游生物被用于食物网和生态毒理学的研究。

图2 学科分布情况(出现频率＞50)Fig.2.Distribution of disciplines (frequency of occurrence＞ 50)

图3 北极环境研究相关学科Fig.3.Related disciplines of Arctic environmental research

3.2 合作网络分析

通过合作网络分析可以得到各个国家和机构的合作图谱,识别出中心性较高的国家和研究机构,明确国家和机构合作开始的时间,并指出各个国家和机构的合作强度。合作分析中共出现106个参与北极环境研究的国家(图4),图中节点的大小对应国家发文量的多少; 紫色外圈的节点表现出高中心性; 节点之间的连线表示合作关系,其粗细表示合作强度; 连线颜色对应国家之间第一次进行合作的年份,颜色从紫色到黄色表示年份从1990 到2020 的变化。结果表明,北极环境研究的合作主要在北极国家和欧美国家之间展开,瑞士、美国、希腊、保加利亚和加拿大在国家合作中起到了重要作用,中心性分别为0.92、0.69、0.51、0.40 和0.39。前文提到,美国和加拿大的研究具有发文数量上的绝对优势,即图4 中最大的两个节点,他们的节点周围呈发散状,与其他许多国家都有合作且均是从早些年份就开始的,但两国与其他国家的连线均较细,表明合作强度较弱,且美、加两国之间的连接强度也极低。许多小国家发表的文章数量虽然很少,但近五年开始进行合作,且相互之间联系密切。突现性词汇是通过考察词频,选出的在某段时间内出现频次突然增大的词汇(含红圈的节点),能够反映研究主题发展的热度。其中中国的突现性最高(27.09),反映了中国北极环境研究发展迅速,此外美国(17.01)、加拿大(16.45)、俄罗斯(11.12)和波兰(10.07)的突现性也较高,表明北极地区逐渐引起更多国家的关注。

图4 国家合作图谱Fig.4.Cooperation atlas of countries

在机构合作分析中,共出现231 个与北极环境领域有关的研究机构(图5),图中节点的大小对应机构发文量的多少; 紫色外圈的节点表现出高中心性; 红色外圈的节点表现出当年的突现性; 节点之间的连线表示合作关系,其粗细表示合作强度; 连线颜色对应机构之间第一次进行合作的年份,颜色从紫色到黄色表示年份从 1990 到2020 的变化。加拿大环境署(Environm Canada)发文量最大,达到了450 篇,其次是丹麦奥胡斯大学(Univ Aarhus)和美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校(Univ Alaska Fairbanks)分别达到了389 和381 篇,三个机构的合作路线均比较单一,相互之间几乎没有合作。加拿大环境署和美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校从1990年左右就开始与其他机构进行合作,而丹麦奥胡斯大学则是近10年才开始合作研究。中心性排在前五位的机构分别是美国国家海洋和大气管理局(NOAA)、法国国家科学研究中心(CNRS)、利物浦大学(Univ Liverpool)、怀俄明大学(Univ Wyoming)和阿比斯库科学研究站(Abisko Sci Res Stn),中心性分别为0.94、0.44、0.39、0.39 和0.35,对北极环境领域研究合作具有重要作用。有79 个研究机构出现过发文量爆发的情况,曾经加强了对北极环境的研究,其中突现性最高的是加拿大环境与气候变化(Environm & Climate Change Canada)、丹麦国家环境研究所(Natl Environm Res Inst)和挪威北极大学(UiT Arctic Univ Norway),突现性分别为54.32、37.86 和31.36,三个机构从20 世纪90年代开始,直至2015年左右始终保持突现性,说明这三个机构开展北极环境研究较早且发展较快。整体来看,进行北极环境领域研究的机构之间的合作较为分散,主要是国家内部的机构进行合作,但强度很低。中国在合作网络中处于边缘位置,与其他国家机构的合作很少。

图5 机构合作图谱Fig.5.Cooperation atlas of institutions

3.3 关键词分析

3.3.1 共现分析

关键词能够反映文章的核心和主要研究对象,采用CiteSpace 进行关键词共现分析可以掌握研究领域的热点,找到关键节点(图 6),对识别出的关键词进行大小写、缩写与全称合并,共得到274 个关键词。知识图谱中共现词频最高的前20 个重要关键词见表2。高频关键词内容繁杂,其中包括污染物、地理位置、环境问题以及污染物介质。为了更加清晰地分辨研究内容与趋势,通过专家咨询对关键词进行筛选,并按照研究地点、环境监测的介质和污染物进行分类并统计出现频率,得到环境研究的具体对象及热点问题。

图6 关键词共现图谱Fig.6.Co-occurrence atlas of keywords

表2 1990—2020年北极环境研究高频关键词Table 2.Top 20 keywords in Arctic environmental research from 1990 to 2020

从涉及研究地理位置的关键词表(表3)中发现,北极环境研究主要在北美大陆、北极岛屿和大洋中进行,在格陵兰进行的研究最多(667 篇),其次是阿拉斯加(479 篇)、斯瓦尔巴群岛(254 篇)和北冰洋(240 篇); 其中格陵兰、阿拉斯加、斯瓦尔巴群岛、北冰洋和巴伦支海的研究均具有中心性。图7a 将环境研究的污染物介质分为动物、植物、水体、大气、土地、沉积物和冰雪,其中海冰、冻原、永久冻土和积雪是出现频率较高的污染物介质,分别为774、708、366 和358; 海冰具有最大的中心性(0.08),表明在海冰中进行了交叉学科的研究。图7b 将环境研究关注的污染物分为金属、无机物、有机氯及其他有机物; 多氯联苯、汞和二氧化碳具有最高的出现频率和中心性,其出现频率分别为695、341、271,中心性分别为0.07、0.04、0.02,这三种污染物在北极环境研究中的重要性可见一斑。

表3 研究地点关键词分布Table 3.Distribution of keywords of research location

图7 污染物及介质关键词出现频率.a)按污染物介质分类; b)按污染物分类Fig.7.Frequency of keywords of pollutants and media.a) classified keywords by different environmental media; b) classified keywords by different types of pollutant

3.3.2 突现分析

使用突现词功能对关键词进行分析,通过考察词频,选出在某段时间内出现频次突然增大的关键词,以此反映研究关键词的时间发展趋势。数据筛选为(Top 50 per slice),得到131 个突现词及其突现性动态变化,通过对关键词进行筛选,得到与污染物相关的22 个关键词,获取22 种污染物的突现强度,并得到年份变化,突现强度越大,填充颜色越深,见表4。

表4 突现性污染物时间趋势Table 4.Time trend of burst of pollutant

有机氯污染物(Organochlorine Contaminant)、镉(Cadmium)和溴化阻燃剂(Brominated Flame Retardant,BFR)是近30年的研究中突现强度最大的三个污染物关键词,在多个年份保持着突现性。多氯代二恶英(PCDD)、硫酸盐(Sulfate)、硝酸盐(Nitrate)和氯代烃(Chlorinated Hydrocarbon)[24-25]等在早期具有突现性,但随着时间变化,研究重点逐渐向有机氯污染物(Organochlorine Contaminant)[26]、臭氧(Ozone)、铅(Lead)和镉(Cadmium)等重金属(Heavy Metal)[27]转移,并与生态毒理学相联系[28-30],近十年的突现性污染物是多环芳烃(PAHs)、多溴二苯醚(PBDEs)和黑碳(Black Carbon)。

3.4 研究主题演进

研究主题的时间变化可以表明研究主题的热度变化与趋势,通过文献的共被引分析可以对被引文献进行相关分析,并将有共同研究内容、相同施引文献的文献进行聚类,共引文献数量越多,文献间的相关性越大,聚成一类的概率也越高,从而理清北极环境研究主题的演进。参数设置为(Top 50 per slice),从11189 篇文献中共产生了278262 篇被引文献,选取特征词(Term),采用对数极大似然率算法(LLR)进行共被引分析和聚类分析,共产生了113 个聚类,舍去较小的聚类,在时间线视图下得到最大的24 个聚类的时间线分布(图8)。聚类模块性指数Q=0.8345,24 个聚类的平均聚类轮廓性指数S=0.96,划分出的聚类结构显著,聚类合理[17]。

图8 聚类时间线分布Fig.8.Timeline view of cluster distribution

聚类结果涉及北极环境研究的污染物、北极生物、研究地点和科学技术等方面,最大的四个聚类分别是北极犬类(#0)、加拿大雷索卢特湾(#1)、北极熊(#2)和黑碳(#3),平均引用年份分别是2000、1991、2010 和2011年。犬类(#0)聚类内部包含了北极狐、北极熊、哺乳动物、浮游动物和食物网等特征词,可以将其看作是描述北极环境生物的一个聚类,与生态毒理学相联系,被引持续到2010年; 而北极熊(#2)作为一个单独的聚类标签,被引从2000年开始活跃至今,成为研究北极乃至全球气候变化的重要抓手; 鲸类(#15、#20)和鸟类(#17)虽然也单独成聚类,但聚类很小,且被引量很低。加拿大雷索卢特湾(#1)和埃尔斯米尔岛(#12)作为聚类标签单独出现,显示出加拿大北极研究的重要地位,与前文加拿大的发文优势相印证,关于这两个地区的研究从20 世纪80年代开始进行,2000年以后被引量大幅减少。此外,2000年之前的聚类还有大气采样系统(#4)、水文学(#9)、冰间湖(#19)、放射性评价(#13)和二氧化碳通量(#5); 随着时间的推进,聚类主题向大气边界层(#6)和环境变化(#7)转移; 关于北极熊(#2)、黑碳(#3)、全氟辛烷磺酸盐(#8)、汞(#11)和微塑料(#23)的研究在近十年仍是热点,除微塑料(#23)外均保持突现性; 微塑料作为新型污染物,预计相关研究会逐步发展完善。聚类内部引用密集,但聚类之间的引用较少,尤其是在新兴的研究主题之间。北极熊等哺乳动物与环境变化和全氟辛烷磺酸盐存在很强的共被引关系[31-32],微塑料、汞、大气边界层和全氟辛烷磺酸盐分别与黑碳[33-34]存在较弱共被引关系,研究主题之间相互借鉴、共同发展。

4 国内北极环境研究分析

在收集到的数据基础上,筛选出发文国家包括“PEOPLES R CHINA”的数据,共得到646 条数据,下文将对国内参与北极环境研究的学科和机构合作情况以及研究主题演进进行分析,以明确国内研究与国际研究的区别与差距,从而提出我国北极环境研究建议。

4.1 研究概况

4.1.1 学科分析

对我国的646 篇文献进行学科共现分析,查 看除环境科学这一学科分支外其他学科的分布情况,列出出现频率大于20 的学科及其中介中心性(表5)。除环境科学外,发文涉及最多的学科是气象与大气科学(167 篇)、地质学(83 篇)和工程学(75篇),中介中心性最高的学科是工程学(0.09)、水资源(0.06)和地质学(0.04)。说明我国北极环境研究离不开对大气和地质工程的探索,且工程学能够最大程度地促成我国各个学科在北极环境研究的合作。

表5 国内发文学科共现分析Table 5.Co-occurrence analysis of domestic articles

4.1.2 合作网络分析

对我国的646 篇文献进行国家合作网络分析,并使用寻径剪枝功能进行网络简化,共发现21 个与我国有合作关系的国家(图9)。节点的大小对应国家发文量的多少,紫色外圈的节点表现出高中心性; 红色圈的节点表现出当年的突现性; 节点之间的连线表示合作关系,其粗细表示合作强度; 连线颜色对应国家之间第一次进行合作的年份,颜色从紫色到黄色表示年份从1990 到2020 的变化。其中,发文量最高的为美国(173 篇)、加拿大(70 篇)和英国(39 篇); 中介中心性最大的三个国家,德国(1.26)、日本(0.64)和瑞典(0.51),它们在促成我国和其他国家合作中起到了重要作用; 德国(4.34)是唯一具有突现性的国家。在北极环境领域与我国合作关系最强的是美国和韩国,合作强度分别为1.0 和0.32,合作分别从2003 和2009年开始。

图9 我国国际合作图谱Fig.9.Cooperation atlas of China

对我国的646 篇文献进行机构合作网络分析,共发现146 个相关的研究机构(图10),图中节点的大小对应国家发文量的多少,紫色外圈的节点表现出高中心性; 红色圈的节点表现出当年的突现性; 节点之间的连线表示合作关系,其粗细表示合作强度; 连线颜色对应国家之间第一次进行合作的年份,颜色从紫色到黄色表示年份从1990到2020 的变化。中国科学院(Chinese Acad Sci)、中国科学院大学(Univ Chinese Acad Sci)、兰州大学(Lanzhou Univ)、北京大学(Peking Univ)和北京师范大学(Beijing Normal Univ)发文量最大,分别达到276、57、38、33 和31 篇; 中心性排在前三位的机构分别是美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校(Univ Alaska Fairbanks)、厦门大学(Xiamen Univ)和中国极地研究中心(Polar Res Inst China),中心性分别为0.34、0.33 和0.27,对促成我国北极环境领域合作具有重要作用; 中国科学院(Chinese Acad Sci)、中国科学技术大学(Univ Sci & Technol China)和中国极地研究中心(Polar Res Inst China)的突现性最高,分别为19.98、6.65、5.92,但三个机构的突现性集中在2006—2015 这十年之间,近五年并未表现出突现性。从总体来看,中国科学院具有高发文量和突现性,中国极地研究中心具有高中心性和突现性,对北极环境研究较为集中并促成了国内外科研机构的合作,这两个机构在我国北极环境研究中占据重要地位。

图10 我国机构合作图谱Fig.10.Institutions cooperation atlas of China

4.1.3 关键词分析

对国内的数据进行关键词共现分析,共得到189 个关键词(图11)。知识图谱中共现词频最高的前20 个重要关键词见表6。高频关键词内容繁杂,包括多氯联苯和农药等有机污染物,北冰洋和格陵兰等地理位置以及水、海冰和大气等污染物介质,还出现了宏观性的描述性词语,如气候变化和趋势等。气候变化、变化性和持久性有机污染物为出现频率最高的关键词,分别达到86、51、46 篇; 沉淀、黑碳、西藏高原、持久性有机污染物、多环芳烃和二氧化碳均具有超过0.1 的中介性,分别为0.3、0.25、0.2、0.1、0.1 和0.1,在连接不同主题的北极环境研究中十分重要。此外,分析共发现7 个突现词,它们的突现强度以及时间分布见表7,突现强度差别很小,均处于3.5 至5.0 之间,从时间趋势发现,突现词由空气、记录、有机氯农药和雪转变为空间分布、趋势和模型。

图11 国内关键词共现图谱Fig.11.Keywords co-occurrence atlas of China

表6 1990—2020年我国北极环境研究高频关键词Table 6.Top 20 keywords in Arctic environmental research of China from 1990 to 2020

表7 突现性关键词时间趋势Table 7.Time trend of burst of keywords

4.2 研究主题演进

通过发文量和合作网络分析已经能初步看出国内外在北极环境领域的差异,下文将对国内的北极环境研究主题进行聚类分析。通过对比聚类词及其时间演化得到我国与国际北极研究的侧重点与差异,为我国的北极环境研究发展提供对策和建议。在收集到的数据基础上,筛选出发文国 家为中国的数据,参数设置为(Top 50 per slice),从646 篇文献中共产生了26379 篇被引文献,选取特征词(Term),采用对数极大似然率算法(LLR)进行共被引分析和聚类分析,共产生了159 个聚类,舍去较小的聚类,在时间线视图下得到最大的24 个聚类的时间线分布(图12)。聚类模块性指数Q=0.8943,24 个聚类的平均聚类轮廓性指数S=0.98,划分出的聚类结构显著,聚类合理[17]。

国内研究聚类结果涉及污染物、科学技术、研究地点等方面,最大的24 个聚类的平均引用年份均处于2004—2015 之间,研究主题已从农药(#3)、水文模型(#11)和中国东北部(#21),演进到新型污染物[黑碳(#0)、多环芳烃(#4)、细颗粒物气溶胶(#6)、全氟辛烷磺酸盐(#7)、有机磷酸酯(#8)、微塑料(#9)])、环境现象[(臭氧异常(#14)、时空变化(#17)、海平面波动(#20)、青藏高原(#10、#22)]和先进的观测系统研究(#2)。聚类内部引用密集,但聚类之间的引用很少,黑碳(#0)和有机碳(#1)分别与青藏高原(#10、#22)[35]之间引用较为密集,观测系统和细颗粒物[36]之间引用较为密集,其他聚类之间基本无引用关系。

4.3 中外对比分析

在学科分析中,中外共现学科中出现频率较高的均包括气象与大气科学、地质学和工程学; 工程学、地质学和水资源均具有较高的中介性,中外结果保持一致。国际与北极环境科学最相关的学科为动物学和生物技术与应用微生物学,但在我国的学科分析中并未出现与动物相关的学科,表明我国在北极环境生物研究领域的缺失。从关键词分析中能够看出,中外频率最高的20 个关键词差别很小,都包括了多氯联苯等持久性有机污染物,海冰、冻原等污染物介质,格陵兰等地理位置。从聚类结果来看,我国北极区域研究的聚类从2000年后才开始出现,与国际相比缺少了17年的研究历史。虽然我国的发文总量在国际上存在突现,但国内的研究较为分散,没有形成具有突现性的研究主题,我国的北极研究尚处于探索阶段。从研究主题的演进来看,我国关于黑碳、 微塑料和全氟辛烷磺酸盐的研究热点能够紧跟国际研究趋势,并且发挥了青藏高原这一地区的海拔优势,进行了北极涛动与高原气候之间的相关性探索[37-38]; 但相比于国际研究中出现的鸟类、哺乳类以及浮游生物等特征词,我国聚类中未出现与生物有关的信息,在有关生态毒理学的研究中存在明显不足,这一现象极有可能是我国对于北极生物数据的获取不足以及对生物数据的处理分析方法不完善导致的。目前我国的国家极地数据中心记载了与浮游生物、底栖生物、鱼类等水中生物有关的数据,但对于陆地的大型哺乳动物知之甚少,在不扰乱北极生态系统条件下的生物数据获取和分析是值得进一步研究的问题。

图12 国内研究聚类时间线分布Fig.12.Timeline view of domestic cluster distribution

5 结论

本文基于全球北极环境研究发文情况,从发文量、研究合作情况、研究主题及热点的变化,对近30年的北极环境研究情况进行讨论,并对中国北极环境研究的发展提出建议。

1.从发文数量来看,可以将国际北极环境研究分为缓慢发展、高速发展和稳定发展三个阶段。美国和加拿大在发文量上占据绝对优势,中国虽然起步较晚,但发文量占比逐年上升,总体来看,北极八国以及德、英、法在北极环境研究中占据主导地位。作为交叉学科,北极环境研究与地质学、动物学和生物技术与应用微生物学科密切相关,但中国在北极环境动物方面的研究缺失,在进行环境研究时可以参考相关学科理论与技术,如遥感、模型测试和生物技术等,完善环境研究体系。

2.从研究的合作情况来看,共有106 个国家的231 个机构参与到北极环境研究中来。国家之间的合作非常有限,主要在北极国家和欧美国家之间展开。美国与加拿大虽然发文数量最多,但两国之间的连接度极低。机构之间的合作分散,主要限于国家内部。中国主要的合作伙伴是美国和韩国,中国科学院和中国极地研究中心在中国北极环境研究中占据重要地位。

3.将关键词按照研究地点、污染物及其介质进行分类,发现北极环境研究主要在北美大陆、北极岛屿和大洋中进行,海冰、冻原、永久冻土和积雪是出现频次较高的污染物介质,多氯联苯、汞和二氧化碳在环境污染物研究中占据主导地位,污染物研究热点的变化趋势是氯代烃—臭氧—重金属—黑碳,而持久性有机污染物关键词突现性始终存在[39-40]。

4.通过对国际和国内的研究主题演进对比,发现近十年国际北极环境研究主题是北极熊、黑碳、全氟辛烷磺酸盐、汞和微塑料。中国在黑碳、微塑料和全氟辛烷磺酸盐的研究能够紧跟国际局势,并发挥西藏高原的高度优势进行大尺度的气候变化研究,但中国关于生态毒理学的研究存在明显不足。在进行北极环境研究时,中国需关注多氯联苯、汞和二氧化碳等近三十年来占据研究主导地位的污染物以及黑碳、多环芳烃和多溴二苯醚等近十年的新兴污染物; 从海冰、冻原、永久冻土和积雪等污染物介质入手,研究污染物的赋存形式、浓度水平与空间分布; 运用地质和生物等学科的理论技术,使用遥感和模型测试等方法识别污染源,获取粒径分布信息,获取北极生物数据并创新分析方法,进行污染物的生物放大效应、累积效应及潜在生态毒性的分析; 开辟多元化国际合作渠道,积极建立北极环境领域科研合作关系。进一步提升中国在北极地区的长期监测能力,进行北极气候变化时间趋势的观察与预测。