由于全球城市化的不断发展, 生态环境日趋恶化、各种突发环境事件、生态问题层出不穷, 生态风险的危害及其不确定性对人体健康和生态环境造成巨大威胁。20世纪80年代后, 产生了“风险管理”这一全新的环境政策, 着重权衡风险级别与减少风险的成本^[1]。生态风险研究因能为风险管理提供有效的理论基础和科学依据而得到迅速发展, 相关文献大量涌现。环境管理和决策的需要推动了生态风险研究领域不断扩展, 研究主题、视角、方法日益丰富, 很有必要对整个生态风险研究领域进行全面系统的分析。

目前, 国内外对生态风险研究的综述多集中在生态风险评价部分, 一种是理论和方法综述, 如生态风险评价内涵及方法研究^[2-3]、生态风险评价研究进展^[4-5], 生态风险评价的模型和评价指标体系^[6-7]等; 一种是对城市^[8-10]、景观^[11]、流域^[12]、海岸带^[13]、矿区^[14]、农药^[15]、个人护理用品^[16]等具体专题部分的生态风险评价研究进展。这些综述各有侧重, 对于具体研究方向上的深入挖掘发挥了重要作用。但要了解当前生态风险研究现状, 前沿热点和主题演进, 则需从宏观的研究领域范畴开展。

面对生态风险研究多学科交叉的海量研究文献, 定量与定性相结合的可视化综述可以对研究领域进行更加全面、精准的分析。引文分析软件Citespace着眼于挖掘文献大数据中蕴含的潜在知识, 能对一定时期内某一学科或研究领域的全部文献进行可视化分析^[17]。国内学者已将其应用于西方经济地理学^[18]、海绵城市^[19]、心理测量学^[20]、生态补偿^[21]、生态安全^[22]等多个研究领域的分析。本文运用Citespace软件, 对1980—2017年间Web of Science核心合集数据库中收录的生态风险相关文献进行全面梳理, 旨在清晰、直观地展示该研究领域的热点趋势、主题演进、研究概况, 为未来的生态风险研究提供有益的参考及启示。

1 数据来源与研究方法

本文所使用的数据来源于Web of Science核心合集, 数据采集时间为2017年11月25日, 检索条件是:标题为ecological risk或ecological risks, 时间段为“1980—2017”年, 共检索得2304篇文献。

利用Citespace软件, 对生态风险研究的热点趋势, 主题演进, 主要研究力量等进行文献可视化分析。Citespace是在科学计量学、数据可视化背景下逐渐发展起来的一款引文可视化分析软件, 能够直观的展示每个节点在知识网络中的位置与大小, 通过不同的功能选择, 分析相关领域研究文献的来源地区、研究学者、研究热点及其演变情况^[23]。

2 结果及分析 2.1 发文数量时间分布

发文数量的时间变化可以反映该研究领域的发展速度。国际生态风险研究的发文数量经历了缓慢增长-平稳增长-迅速增长3个阶段, 生态风险研究不断受到国内外学者们的重视(图 1)。20世纪90年代以前, 国际上主要关注环境风险评价, 从20世纪80年代起, 逐渐将研究热点转向生态风险评价。Web of Science核心合集中, 在1980—1990年间发文数量均在10篇以下, 处于提出问题, 形成基本概念的阶段。此后20年文献数量平稳增长, 理论奠基基本完成, 大量实证研究发表。到2010年后, 突破100篇, 2016年达到最高点206篇, 这期间来源于中国的文献明显增多, 与中国在2011年出台的《国家环境保护“十二五”规划》中强调“加强环境风险防控”的背景相吻合。

2.2 研究热点及趋势

Citespace的时区演化图能直观反映不同时间阶段某一领域的研究前沿及其衍生关系, 进而对未来的发展方向作出合理的预测^[19]。关键词是对文献内容和主题的浓缩与概括, 对整个领域的高频关键词进行分析, 可探究该领域的研究热点与前沿。具有突现性的关键词, 是在某个时间段内频次变化率高的词, 可以反映研究趋势。绘制生态风险研究关键词时区演化图(图 2), 据属性表整理出各时期具有突现性和高频的关键词信息表(表 1)。

20世纪80年代, 生态风险研究处于人体健康评价阶段, 针对极小尺度的评价对象^[11], 这段时间没有出现具有突现性和高频的关键词, 相关的理论方法尚未达成共识, 标准化。

20世纪90年代关注生态风险评价的基本概念、理论方法, 是该领域的奠基时期。1992年, USEPA将生态风险评价定义为“评价因暴露于一个或多个胁迫性刺激而发生不利生态效应的风险”, 并提出了生态风险评价框架, 被普遍接受。“生态风险评价”在1992年成为关注焦点, 突现性和频次均最大(图 2, 表 1), 是生态风险研究领域最关键且经久不衰的研究热点。“暴露”“响应”过程是重要的生态风险评价要素, 早期的生态风险评价程序中通常需要对其进行描述和评价; 生态风险评价源于“风险管理”这一环境政策, 风险管理是根据风险评价的结果, 采取适当的管理措施来降低或消除风险, 以保护人体健康与生态系统的安全^[24]; 在对风险进行定义时多会涉及“不确定性”, 为使评价结果更为可靠, “不确定性”分析需贯穿整个评价阶段; 风险评价的定量化需要构建相关“模型”, 如概率风险评价模型, 相对风险评价模型等; 以上热点关键词均侧重于对理论方法的完善。其余关键词为:毒性、生态毒理学、化学、人口、鱼、重金属、杀虫剂、水、土壤、沉积物, 可以看出, 这段时间的研究多从生态毒理学角度, 分析环境中污染物, 特别是化学污染物的毒性, 探索对人体健康损害的早期检测指标和生物标记物(如:鱼)^[25], 评定人类健康的潜在危害。

进入21世纪, 研究内容不断细化和深入, 出现大量实证研究文献, 进入生态风险研究的稳定成长期, 发文数量逐年上升(图 1)。过去简单用污染物的总量来衡量污染程度, 而实际上只有被生物吸收利用的部分才是衡量污染程度的有效部分, 因而, 在这个阶段“生物可利用性”成为频次急剧增长的热点(表 1)。在风险受体的选择上, 从对人类健康、个体、种群的关注, 扩大到对“生态系统”、“环境”、“区域”的风险研究。“污染”“管理”依然是研究热点。在中国政府2007年提出建设生态文明的背景下, 中国与生态风险相关的研究成果层出不穷, 中国作为关键词出现高达162次。其余热点关键词较90年代更为细化, 如风险源从重金属到痕量金属。

2010年后, 伴随着新的理论和技术突破, 出现了新的研究热点, 进入拓展期。空间分布、生态系统服务、城市土壤、源解析、海洋沉积物等关键词均在目前引起了广泛关注(图 2, 表 1)。RS和GIS等新技术和新方法加强了对生态风险“空间分布”的描述与现象的可视化表达, GIS的空间关联和分析技术, 与生态模型, 改进算法相结合, 为生态风险的定量化评价和行管模型的建立提供了更加快速、准确和经济可行的方法^[26]。现有研究将“生态系统服务”作为评价终点引入到生态风险评价中, 从人类福祉角度结合生态系统过程进行风险表征可极大提高评价的时效性^[27]。随着城市化的发展, 经济、社会、自然耦合的城市生态系统进入风险评价的研究视野, 成为新的研究热点, 因而“城市土壤”的出现频次快速增加。此外, “海洋沉积物”“废水”“农业土壤”也是同期的风险受体焦点。由对“脆弱性”的关注, 可以看出该领域的研究不仅强调外来风险源的干扰, 也开始重视风险受体自身结构等内在属性。值得一提的是, “人类健康风险”“健康风险”继20世纪80年代后, 再一次成为研究热点, 生态风险研究最终还是要致力于对人类健康的保护。

2.3 研究主题

进行文献共被引分析的前提假设是:同一篇论文的参考文献(即共被引参考文献)间会秉承同一研究脉络或有着类似研究主题, 因此对原始数据的参考文献共被引网络进行聚类, 可得到细分的研究主题。导入2304篇文献, 共65840篇被引参考文献, 对其进行聚类, 从所引文献的标题中提取术语为聚类命名, 并以时间线视图呈现(图 3)。由于聚类较多, 图 3仅显示聚类中文献数量大于25的主题。

Citespace根据图谱的网络结构和聚类清晰度计算出模块值Q和平均轮廓值S两个指标, 用来评判绘图效果。Modularity Q值在0.4—0.8视为符合要求的图谱, 本图谱中Q值达0.9382, 即网络结构十分显著。聚类内部相似程度的指标Silhouette为0到1之间的小数, 数值越大, 相似度越高。表 2中的聚类S值均接近1, 即各聚类内部的研究主题明确; 而图 3的Mean Silhouette仅为0.2531, 表明生态风险研究的内容广泛, 主题丰富, 各聚类间的相似度较低。对研究主题进行分类, 分为风险源, 理论方法, 风险受体3个主题集群。结合图 3、表 2及文献阅读, 对各主题集群的演化路径做一个梳理。

风险源分为自然风险源和人为风险源。前者主要是台风、地震等突发型灾害, 其风险评价侧重于估算风险源发生的概率、强度, 评价危险性, 划分风险等级; 还有全球气候变化, 水土流失等与人类活动密切相关的缓发型风险源。人为风险源包括化学污染物、重金属、城市化进程、国际旅游和贸易导致的外来物种与病原菌入侵等^[44]。对于人为污染物, 早期研究多从生态毒理学角度分析其毒性对健康的影响。相比自然风险源, 目前更关注人为活动引起的生态风险。重金属污染和持久性有机污染物是最受关注的风险源类型(表 2), 因能在环境中长时间存在而具有更大的潜在生态风险。城市化进程等复合风险源的出现, 表明生态风险评价不再局限于单一风险源, 发展为多重风险源, 多胁迫因子。

理论方法主要围绕生态风险评价展开。荷兰、美国、澳大利亚、新西兰、英国、加拿大等国家都曾致力于构建生态风险评价框架^[45]。最终USEPA在1992年提出的框架被普遍接受, 从而推动了整个领域的发展。该框架将评价过程分为问题表述、分析、风险表征三步, 风险表征是指将评价结果以一定的方式组织成表格、图片、报告等材料, 供管理者制定相关环境政策。确定评价程序后, 构建模型方法是定量化评价的关键。目前已取得一系列成果, 如在微观的污染物风险评价上主要有:潜在生态风险指数法、地累积指数法、内梅罗指数法、等; 宏观生态功能的风险评价方法主要有:相对风险评价模型、3MRA模型、景观生态分析法等。早期对水生态系统的研究最为丰富, 较陆地生态系统成熟, 图 3、表 2中出现的概率水生生态风险评价、底栖生物多样性验证了这一点。生态风险评价的理论、框架、模型逐渐成熟, 全面综合的评价不仅包括风险的概率、强度, 还兼顾时空分布特征。

20世纪90年代初, 美国科学家Joshua Lipton等提出, 环境风险的最终受体不仅限于人类, 还包括生态系统要素。逐步在人体健康风险评价的基础上演进为以生态系统及其组分为风险受体的生态风险评价概念。风险受体的尺度不断扩大, 已由个体、种群、群落、生态系统风险评价发展到区域生态风险评价的阶段, 如从水生生物到湖泊、河流、河口、海岸带再到整个流域的风险评价, 由单一风险受体发展到多种风险受体。除了以土壤、水体为环境介质的自然风险受体, 城市生态风险也越来越受关注(图 3, 表 2)。城市生态风险评价具有大尺度、综合性、社会自然经济耦合、人为干扰强等复杂特点, 边界界定也与一般区域不同^[8]。随着城市化的发展, 对可持续城市建设的需要, 城市生态风险的原理和方法研究将成为焦点。

2.4 主要研究力量分析 2.4.1 主要研究国家(或地区)

美国在生态风险研究领域, 发文数量最多(720篇), 中心度0.56, 突现性133.38, 3项指标均远超过其他国家, 表明美国奠定了该领域的研究基础, 在理论和研究创新上发挥过重要作用, 影响深远。中国起步较晚, 但发展迅速, 发文量居第二, 这得益于中国政府对生态文明建设的重视; 中心性0.13, 可见中国在生态风险研究上发表的相关论文具有一定的影响力(图 4, 表 3)。发文量居前十的国家中, 美国(1992年)、荷兰(1989年)、德国(1995年)、加拿大(1991年)、英国(1995年)等在20世纪90年代都先后提出了生态风险管理框架^[45], 在该领域起步较早。

2.4.2 主要研究机构分析

在发文量TOP10的机构中, 中国机构占了7家, 中国科学院(Chinese Acad Sci)135篇, 北京师范大学(Beijing Normal Univ)61篇, 北京大学(Peking Univ)31篇, 中国科学院大学(Univ Chinese Acad Sci)30篇, 中国环境科学研究院(Chinese Res Inst Environm Sci)30篇, 南京大学(Nanjing Univ)30篇, 中国海洋大学(Ocean Univ China)19篇。美国环保局(US EPA)92篇位居第二, 美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge Natl Lab)15篇居第十位。荷兰瓦格宁根大学研究中心(Univ Wageningen & Res Ctr)18篇居第九位(图 5)。结合表 1, 中国在该领域发文总量居世界第二, 但研究力量主要集中在上述七个机构中。而美国在生态风险领域中, 美国环保局占主导地位, 其余研究力量较为分散。中心度在0.1以上的机构有五个, 依然是来自于中美荷:中国科学院0.38, 荷兰瓦格宁根大学0.14, 北京师范大学0.12, 美国环保局0.11, 荷兰瓦格宁根大学研究中心0.1。荷兰瓦格宁根大学的发文量虽然只有6篇, 但具有较高的中心性, 可见其所发表论文具有重要学术价值。

2.4.3 关键作者及其代表文献

在文献计量中, 通常采用普赖斯定律确定的最低发文数作为核心作者候选人入选标准。发文数量能反映作者的科研产出能力, 但忽视了发文质量, 不能有效的反映其学术影响力。被引频次的高低可以更准确客观的表征作者的学术地位。关键作者发表的重要文献, 通常是具有基础性, 奠基性的经典文献, 在领域内具有关键作用或转折意义。因此, 本文绘制作者共被引网络知识图谱(图 6), 综合共被引频次, 突现性, 半衰期这3个能反映作者在研究领域地位的指标, 选取生态风险研究领域的关键作者(表 4), 并简要阐述排名靠前的关键作者代表文献。

节点最大的是Suter GW和Hakanson L(图 6)。Suter GW在1993年出版了《Ecological Risk Assessment》, 2011年又更新了第二版。作者详细阐述了生态风险评价(ERA)的理论、框架和实践过程。对ERA进行定义, 探讨重要概念如不确定性、尺度、暴露分析、风险表征等; 从对化学污染的评价扩展到其他胁迫因子, 介绍不同ERA实践的过程。作为该领域的权威专著, 为后来的研究奠定了理论基础, 影响深远。此外, 在期刊上也发表了大量论文, 如在1990年就开展了景观尺度的生态风险评估, 被广泛引用^[46]。Hakanson L在1980年提出了潜在生态危害指数法, 是目前最为常用的评价重金属污染程度的方法之一^[47-49]。理论方法上的创新使他不仅被引频次高同时也是突现性最大的作者。

USEPA是美国环境保护局(United States Environmental Protection Agency), 作为机构作者, 在1992年公布ERA框架, 1996年提出ERA准则(Guidelines for Ecological Risk Assessment), 1998年4月通过了ERA准则, 叙述了ERA的一般原理、方法、程序。逐步完善准则的过程也代表了ERA研究的发展历程, 其研究方向从传统的人类健康风险评估扩展到包括气候变化、生物多样性丧失、多种化学品对生物影响的风险评估^[24]。目前, 许多国家都用该准则来指导本国化学品和农药的生态风险评价。

Long ER、Macdonald DD、Chapman PM均关注沉积物质量基准(SQG), 以此评价沉积物中重金属、化学污染物的毒性效应, 开展实证研究, 或评述各种方法的优缺点^[50-53]。Chapman PM还介绍了证据权重法的应用, 讨论了重点用于沉积物质量评估的证据权重法问题及框架^[54]。证据权重法是现存唯一的可为沉积物环境质量状况提供确定性结论的方法^[55]。Landis WG于1997年提出相对风险模型, 是一种对区域复合压力风险评价模型, 诸多研究证明了其实用性^[56-57]。Muller G提出了地累积指数法。该方法不但考虑了人为污染因素和环境地球化学对背景值的影响, 还考虑了由于自然成岩作用可能引起的背景值的变动的影响, 因此常被用来分析土壤重金属污染的评价^[58]。

综上, 关键作者通常对研究领域的理论和方法有创新, 对研究领域的发展有突出贡献。高被引作者关注的生态风险评价、沉积物质量基准、重金属污染、潜在生态危害指数法、证据权重法、地累积指数法、相对风险模型等也是领域内的研究热点。

3 结论与展望

本文基于Citespace知识图谱对生态风险的发文时间分布、研究热点及趋势、研究主题、主要研究国家(或地区)/机构、关键作者等进行全面分析。发现:

国际生态风险研究的发文数量经历了缓慢增长-平稳增长-迅速增长3个阶段。欧美国家、学者逐步建立了生态风险研究的理论框架、模型方法, 奠定了该领域的研究基础, 其中美国占主导地位, Suter GW、Hakanson L、USEPA等关键作者具有突出贡献。中国起步较晚但发展迅速, 发文数量居第二, 中国科学院等机构研究力量世界领先, 得益于中国政府对生态环境保护的支持。

从1980—2017近40年的时间里, 研究热点不断发生变化:从20世纪90年代关注“生态风险评价、毒性、模型、重金属、沉积物、暴露等”等的基本概念、理论方法的奠基时期, 到2000—2010年关注“污染、中国、生物可利用性、表面沉积物、管理、痕量金属”等的成长期, 再到2010年后关注“空间分布、生态系统服务、城市土壤、源解析、海洋沉积物”等的拓展期, 研究尺度从极小尺度的人类健康扩大到区域生态系统, 研究内容不断细化深入, 随着新的理论和技术突破, 研究方法、角度日益丰富。生态风险评价始终是领域内最关键的研究热点。

生态风险评价的理论方法从确定评价的程序框架, 到构建各种定量的评价模型逐步完善。最初局限在用生态毒理学的方法评价污染物对人类健康和生态系统的影响, 目前开展的综合评价兼顾风险的概率、强度、时空分布特征和源解析等。由单一风险源、风险受体、小尺度的评价演化为多种风险源、多种风险受体的大尺度综合评价, 在评价中, 不仅关注外来的胁迫, 亦考虑风险受体本身的空间结构、脆弱性等自身属性。当前学界更关注人为活动引起的风险源及人类干扰强烈的风险受体, 如重金属污染、持久性有机污染和城市、区域生态系统。

迄今, 生态风险研究的理论框架, 模型方法已有相当丰富的研究成果, 综合前文的分析结果, 认为未来的研究应关注以下几方面:

(1) 建立长期观测的环境数据库, 依托环境物联网技术构建实时动态的在线生态风险管理平台。目前多关注静态的生态风险现状, 如污染物在某一时间节点的浓度、含量、分布等, 而生态系统的格局、过程、功能处在动态的变化中, 还需利用环境大数据, GIS、RS等工具构建动态模型, 模拟预测风险的迁移路径、未来的时空分布变化等。集生态风险评价、模拟、预测、预警于一体的大数据决策支持系统, 将极大提高环境管理和决策水平。

(2) 对风险源的辨识既要考虑外来的胁迫, 还要对风险受体本身进行脆弱性、易损性分析, 尤其是生态脆弱区。在评价终点的选择上, 可更加关注生态系统的结构、功能, 生态系统服务, 景观空间格局等角度。未来应充分了解多风险源, 多胁迫因子, 多暴露途径, 多风险受体之间的多重生态效应, 通过对风险源的源解析、空间分布、多种风险源之间的复合效应深入分析, 探究风险发生的过程、机制。

(3) 伴随城市化进程的加快, 人口和产业聚集带来的潜在生态风险成为制约可持续发展的关键因素, 需加强对城市生态风险的研究。城市是社会-自然-经济复合的生态系统, 涵盖诸多要素。风险源及风险受体多元化、行政边界的确定、内部功能分区的空间异质性等复杂特点使得城市生态系统无法沿用一般区域生态系统的评价方法, 构建适用的城市生态风险评价框架和模型方法将是未来的研究热点。