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國內外土地利用研究動態文獻計量與可視化分析

作者:第一論文網 更新時間:2015年10月30日 10:03:34

摘要:為揭示國內外土地利用研究的現狀、進展和未來研究趨勢。以CNKI和Web of Science(WOS)核心合集數據庫中1992—2016年土地利用研究文獻為數據源,運用CiteSpace和X指數,綜合分析了國內(CNKI)與國外(WOS)土地利用研究的文獻計量學特征和主要子領域的研究熱點演進情況。發現:①國內外文年獻累積量增長趨勢呈下開口拋物線復合指數模型,預測各自分別在2018和2038年達到峰值。②X指數評價論文水平科學可行,Verburg Peter H、Veldkamp A、傅伯杰和陳利頂是核心作者,中國科學院、中國科學院研究生院和美國加利福尼亞州大學系統是主要的研究機構,Agriculture Ecosystems Environment、International Journal of Remote Sensing、Land Use Policy、《中國土地科學》《水土保持研究》和《安徽農業科學》是主要載文期刊。③土地利用變化、土地利用的影響(或關系)、土地利用分類、土地利用規劃與設計和土地利用模型是土地利用研究主題中的5個主要子領域。土地利用轉型與棕地再生,土地利用分級體系更新與多影像協同的分類算法,土地規劃監管與雙重耦合空間協同決策模式,土地利用方式對地表潛熱的傳導、土壤有機碳變化、水質和土壤溫室氣體通量的影響,基于生態過程的土地利用(變化)耦合模型分別是以上5個子領域的未來研究主要熱點。④國際研究的持續性和系統性優于中國,耦合生態過程的土地利用動態模型構建、不確定性問題和土地空間數字規劃等是中國未來研究應該加強的方向。

關鍵詞:土地利用;對比分析;CiteSpace;X指數;文獻計量學

DOI:10.13856/j.cn11-1097/s.2017.08.007

基金項目:國家“十二五”科技支撐計劃課題(2015BAD07B06-2)。

作者簡介:張新平(1981—),男,陜西柞水人,博士研究生,講師,研究方向:景觀規劃與遙感監測,E-mail:[email protected]

通訊作者:王得祥,男,教授,博士生導師,研究方向:森林生態與森林可持續經營,E-mail: [email protected]

1引言

土地是人類賴以生存的物質基礎,是一種寶貴的資源,具有多方面的用途和價值[1]。目前,人類正面臨著滿足眼前需求與維持生物圈長期提供物品與服務能力間的權衡管理挑戰,土地利用已經成為全球的研究熱點之一[2]。隨著社會經濟的迅速發展,土地利用領域的研究在不斷深入,并逐漸形成了不同的研究方向,主要包括土地利用現狀[3-5]、土地利用方式[6-7]、土地利用變化及預測[8-10]、土地利用規劃[11-15]及土地利用變化對其他領域的影響[16-17]等,土地利用領域研究的學科交叉趨勢日益凸現,傳統的文字主導型綜述,難以厘清土地利用領域研究的知識網絡和熱點演進狀況。文獻計量學的發展,為研究文獻情報的分布結構、數量關系、變化規律和定量管理供了科學工具[18]。陳悅、陳超美等(2015)開發的文獻計量分析軟件CiteSpaceⅤ能夠可視化地刻畫某個領域的知識圖譜和研究熱點演進關系[19]。肖學斌[20](2015)提出綜合評價論文水平的X指數,綜合考慮了總被引次數、高被引論文數、平均被引次數和論文總數的影響,克服了現有評價指數的缺點。已報道的文獻計量研究僅關注土地利用領域下較具體方向,如土地利用變化[9]、土地利用沖突[21]、土壤侵蝕[22]和土地利用對土壤有機碳的影響[17],缺乏土地利用整個領域的國內外文獻計量與綜合評價研究。本研究擬填補這一空白,從文獻計量和綜合評價的角度,利用CiteSpaceⅤ工具,借助發文量、引用次數、X指標、高頻共現關鍵詞等指標在年際變化、主要研究機構、核心作者、重要期刊和主要子領域等方面分析了國內外土地利用領域研究的熱點及其演進情況,并比較了國內外的研究差異,以期為土地利用領域的后續研究提供理論和實踐啟示。

2數據來源與研究方法

2.1數據來源

本研究使用的數據來源于國內與國際權威性的學術文獻網絡數據庫,即中國知網(CNKI)數據庫(包括中國國內的SCI、EI和CSSCI來源刊的文獻)、Web of Science(WOS)核心合集數據庫。數據采集時間為:2017年1月28日,檢索條件為:題名(Title)=土地利用(Land use),檢索時段為1992—2016年,分別利用CNKI的文獻管理中心(Refworks)和WOS文獻信息管理(全記錄與引用的參考文獻)在線統輸出文獻信息數據(含引文報告),作為CiteSpace V分析的數據源。

2.2主要計量指標

2.2.1X指數

X指數是作者論文單篇被引次數加c的自然對數的總和[20]。其數學表達式如下:

式中,TCi是第i篇論文的被引次數;c為常數(2≥c≥1),本研究不計算0被引次數的論文影響,取c=1;N是評價對象的全部論文數;ln表示自然對數。本研究中依據X指數,分別從年度出版文獻、載文期刊、作者、研究機構和土地利用子領域方面,對國內外的相關文獻進行排名和評價。

2.2.2關鍵詞共現頻率

共現頻率是指詞匯對在題目、關鍵詞或文獻摘要中出現的次數。本研究中用Jaccard指數(標準化相關指數)表示,簡記為Jcoef:

式中,cij表示詞i和j的共現頻率;ci和cj分別代表詞i和j在各自的文獻集中出現的次數。一般認為詞匯對在同一篇文獻中出現的次數越多,則代表這兩個主題的關系越緊密[23]。

2.3數據分析方法

計量指標的計算與排序在Excel 2013中完成。借助CiteSpaceⅤ(5.0.SE R 32bit)對研究熱點和共引分析[16],主要分析參數設置如下:(c,cc,ccv)閾值為(2,2,20),即被引或出現的頻次2,共被引或共現頻次為2,共被引率或共現率20%;設定單個時間分區抽取值為1年,勾選“裁剪分區的網絡”,網絡裁剪方式為Pathfinder,共現聚類采用譜聚類算法,最小可視聚類數為10。數據呈現作圖在Origin Pro 9.2中完成。

3結果與分析

3.1發文量與被引用數年際變化

圖1表明,CNKI與WOS文獻累積量的年增長模型是以開口向下的拋物線為指數的復合指數函數,依據模型的預測結果表明,目前CNKI文獻累積量在2018年達到峰值約8 604篇,2018年的年文獻量為87篇,2019年以后CNKI文獻量將增長緩慢;WOS文獻累積量還處在快速增長期,預測在2038年達到峰值103 953篇,2039年以后WOS文獻量將增長緩慢,WOS年文獻量將在2024年達到峰值(4 880篇)。預測2019年后,中國的土地利用研究將逐漸轉移到國際土地利用研究的熱點領域,中國土地利用傳統方式的研究將逐漸衰減。

圖2表明,土地利用領域的發文量在CNKI、WOS中均呈現先增加后逐漸下降趨勢,其中國內下降的趨勢出現的時間(2009年)比國外的(2015年)早。這可能與中國科研界的“論文為大”的評價機制有關,土地利用領域大多數方向的高水平論文需要長期的試驗觀測數據,很難實現“短平快”的目標,可能與許多土地利用領域的宏觀層次的研究者,變換研究方向有關。WOS和CNKI土地利用文獻的X指數年際變化趨勢相似,1992—2008年呈現上升趨勢,2008—2016年呈下降走向,其中近3年X指數直線下降,這與近3年的文獻由于刊發的時間遲,研究成果的傳播和結論的證實與接受需要一個時間過程。篇均引用頻次,在1992—1995年,WOS與CNKI呈現相反的變化趨勢,前者先減后增再減,后者先增后減再增,且WOS高于CNKI。這可能與國外土地利用的起始研究(1936年)早于中國(1992年),該階段中國的土地利用研究主要引用WOS中的文獻有關;1995—2007年WOS與CNKI呈現相似的波動變化趨勢,該階段CNKI高于WOS,在1998年有一個低谷。中國國情的特殊性決定了此階段國內的土地利用研究主要圍繞著國內的地情開展工作,加之語言的障礙,國內研究以中文文獻為主;2007—2016年,WOS與CNKI的篇均引用頻次,均呈逐年緩慢下降的趨勢。

3.2主要共現關鍵詞年際變化

表1表明,中心性和突變性的數值大小(略)分別反映了該關鍵詞在網絡中的重要性和突發程度,關鍵詞共現頻率(Jcoef)代表了與土地利用主題的緊密程度。在CNKI土地利用文獻中,“土地資源”“土地管理”“建設用地”“可持續發展”“農牧交錯帶”“黃河三角洲”和“主成分分析”分別是國內1992、1995、1996、1999、2002、2003和2006年的重要研究熱點,“敏感性指數”“碳排放”和“新型城鎮化”分別是國內2008、2011和2014年的研究熱點。在WOS土地利用文獻中,“deforestation”“conservation”“diversity”和“impact”分別是國外1992、1996、2000和2002年的重要研究熱點,國際上,土地利用領域的研究持續性較強,關鍵詞共現頻率膨脹的現象不明顯。

3.3主要研究機構文獻產出對比

圖3表明,在土地利用領域的研究機構中,中國科學院的發文量和X指數均在國內外位于領先水平。其次是中國科學院研究生院和美國加利福尼亞州大學系統。同名次上,WOS的發文量和X指數均高于CNKI,除第8名外,這主要由于國外土地利用領域的創新研究水平高國內。

3.4主要載文期刊分析

國內外土地利用領域主要期刊所刊登的文獻X指數排名分析表明(圖4),在同名次上,CNKI中土地利用文獻的X指數均高于WOS,前7名中,CNKI期刊的發文量均大于WOS期刊。國際會議期刊IEEE International Symposium on Geoscience and Remote Sensing IGARSS,雖然其發文量較高,但其文獻的影響力不高,故其X指數不高。

3.5核心作者發文對比

圖5表明,土地利用領域的前40位作者,X指數排序表明,荷蘭瓦赫寧根大學研究中心Verburg Peter H和Veldkamp A發文量和科研水平,在國際上處于領先水平。中國科學院生態環境研究中心傅伯杰和陳利頂所發表的論文在CNKI和WOS中都具有較高產出量和影響力。在同名次上,CNKI論文的X指數均高于WOS論文;除第5、6、13和19名外,CNKI的發文量均高于WOS。

3.6國際作者共引與關鍵文獻分析

作者共引網絡分析表明,Nakicenovic N(2000),Richards C(1996),Ramankutty N(1999)、Foley J A(2005),Vitousek P M(1997),Searchinger T(2008),Fargione J(2008),Guo L B(2002),Lambin E F(2003),Houghton R A(1999),Lambin E F(2001),Goldewijk K K(2001),Lambin E F(1997),Richards C(1996),Brown D G(2000),Macdonald D(2000),Carpenter S R(1998),Irwin E G(2001)等是國際土地利用領域研究的高頻引用文獻(圖略)。

3.7主要子領域文獻分析

通過土地利用領域1992—2016年CNKI和WOS所刊發論文的題目、關鍵詞及摘要中的術語詞

頻分析,確定了土地利用變化、土地利用的影響(或關系)、土地利用分類、土地利用規劃與設計和土地利用模型是目前土地利用領域中的5個主要研究分支(子領域)。其中土地利用變化在發文量和X指數上具有絕對優勢,其他4個主要子領域的研究,也呈現穩中上升趨勢。從X指數上看,土地利用的影響和土地利用模型具有較高的關注度(圖略)。

4討論與結論

4.1土地利用變化研究熱點與趨勢

歷史土地利用方式的追蹤和未來土地利用方式

的預測,在土地利用領域的研究熱度逐漸消退,現存“危險”“低質”土地的改良和用途轉換,關注度逐漸升高,土地復墾是其主導方向。在土地復墾方面,以礦山土地復墾為主要研究方向,其目的是為保護環境,尤其是礦區水、土壤和植被,其中,仿自然地貌生態修復法和邊采邊復的規劃設計方法是近10年新進展[24]。此外,在國家土地保護政策法律和國際棕地會議的推動下,老工業區的棕地復墾與再生和垃圾填埋場的污染土壤治理,逐漸掀起了研究熱浪。在土地利用變化驅動力機制研究方面,常規線性、指數和對數關系易量化的影響因子方面的研究相對成熟,但在難以量化的社會經濟因子、驅動機制細化(精細和嵌套)和數學方法等方面需要突破。

4.2土地利用分類研究現狀與趨勢

該方向的研究呈現兩個分支,土地利用分類體系的建立和基于遙感圖像的土地利用與覆被解譯。土地利用分類體系主要為國家土地利用政策機構所關注。雖然,中國在2007年頒布了《土地利用現狀分類》國家標準,但是,隨著社會經濟的發展,土地利用方式和類型日趨增多,現有的分類體系需要結合國情更新升級。這方面的研究可以結合發達國家的經驗,尤其是日本,其一級分類與中國相似,但其二級分類結構更加簡明嚴謹,可操性更強(吳亮,2010)。土地利用圖像分類研究逐漸由人工解譯為主的硬分類,逐漸向基于決策樹、學習機、多源影像協同模糊分類[25]等算法的軟分類方向發展。

4.3土地利用規劃研究熱點與趨勢

4.3.1土地利用宏觀政策研究

中國科學院地理科學與自然資源研究所2014年在國際期刊Land Use Policy第40卷刊載了中國土地利用政策的專輯,內容涵蓋了國家范圍內的土地利用問題(坡地保護項目、土地工程、土地利用和土地利用轉換)、加速城鄉轉型相關的土地利用問題產生的影響土地利用的新政策方案、呼吁在中國土地政策制定和實施過程中整合更多的系統性研究、提出中國未來土地政策研究的挑戰(城鄉二元體制帶來的土地利用政策的易變性和復雜性)。在土地利用規劃監管方面,戴建旺等(2012)從國家、省、市、縣、鄉五級提出了中國土地利用規劃實施監管體系[26]。目前,鄉級監管是研究與實施的薄弱環節,此外,“多規合一”、國土生態安全紅線劃定、存量規劃等方面也是學者們的關注熱點。

4.3.2土地利用規劃設計方法研究

規劃設計方案風格雖無定式,但其實踐操作方法卻有規律可循。許多學者為此開展了大量的研究,學者們開發出了一套基于地理信息系統(GIS)的土地利用規劃設計的概念化模型,圖層權重疊加篩選(象偉寧,2001),在上述基礎上,2006年,瓦赫寧根大學Groot提出一個協調土地利用沖突的整合評價生態學服務、社會經濟效益、半自然生態系統和景觀的綜合理論框架,涵蓋了調節、生產、信息和棲息等功能,為土地利用決策者和規劃設計者提供了理論依據和操作框架[27]。卡爾·斯坦尼茲(2012)提出了“四類人、六模型、三循環”的地理設計框架,清華大學周文生等(2014)依據此框架,結合中國國情,在ArcGIS Engine平臺上開發了面向城鄉規劃設計的清華地理設計平臺(THGeoDesign),該設計平臺已經應用到中國的多項土地利用規劃設計項目中,大大提高了工作效率。此外,軟件方面還有廣東省土地勘測規劃院與阿爾法軟件信息技術公司聯合開發的土地利用規劃管理信息系統(α-LPMIS)和土地利用規劃編制軟件(α-Planner)。未來區域土地利用規劃建模的發展方向是基于GIS技術的“自下而上”與“自上而下”雙重耦合空間協同決策模式[14]。

4.4土地利用影響研究熱點與趨勢

4.4.1土地利用對地表熱量傳導的影響

世界范圍內,城鎮化進程的加快,使得城中村、城郊的大量農業用地轉化為以不透水面為主的商業用地,導致城市熱島效應增強,城市居民的舒適度降低。郊區工礦作業產生大量的裸露地表,也會影響地表潛熱傳導。不同土地利用方式下,地表潛熱的傳導機理將是未來研究的主攻方向。

4.4.2土地利用對土壤養分的影響

不同土地利用方式下土壤有機碳的變化,是該子領域中關注最多的方向。森林、草地、農田等土地利用類型及土地利用變化與管理對土壤有機碳的影響是目前研究的熱點[16]。土壤有機碳變化研究呈現指標具體化、模型多樣化的趨勢,但還未成體系。土壤有機碳變化趨勢預測是未來研究的重點。

4.4.3土地利用對水質的影響

土地利用對水質的影響主要分為農業活動和城鎮化兩個方面,其研究體系基本形成,具體如下:水質的常用評價指標為潛在污染指數(CPI)和水質指數(WQI),影響水質變化的解釋(土地利用)變量為香農多樣性指數(SHDI)和景觀發展指數(LDI)等。常采用的分析技術:水利/水質模型(如濃度影響指數、附在影響指數、單位子流域面積負載指數和單位面積負載指數等)、統計模型(普通最小二乘法、地理加權回歸、貝葉斯分層線性回歸、逐步回歸分析、線性混合效應模型、偏差最小二乘法和主成分分析等)和監測(小范圍研究區域比較適用)等。水質解釋變量的識別途徑主要有:非空間土地利用指標(如城市面積或不透水面積的百分比)、反距離權重法、消落區方法、水文敏感區和關鍵源區等。水質保護是全世界的關注焦點,其中北美洲、歐洲和亞洲研究案例較多。針對不同的科學問題,研究中需要篩選合適的評價指標、解釋變量及數據分析技術。目前,分布式水文土壤植被模型—水質(DHSVM-WQ)是該子領域較為先進的方法(Sun Ning et al.,2016)。

4.4.4土地利用對土壤微生物的影響

目前,這方面的研究有,通過微生物高通量測序,研究不同土地利用方式和利用強度下,土壤微生物群種類、活性及其代謝規律。其中研究區域主要集中在丘陵區、喀斯特巖溶山地、玉溪紅塔區、塔吉克斯坦和干熱河區等,地面覆被以草本植物為主,目標微生物群以氮循環類為主。土地利用對林地土壤微生物影響的研究較少,后續研究需要加強。

4.4.5土地利用對土壤氣體的影響

劉慧峰等(2014)指出土壤是大氣中主要溫室氣體(如CO2、CH4和N2O)重要的源或匯,由于土地利用轉變過程中,影響土壤溫室氣體排放通量的不確定因素較多,目前人們對土地利用轉變影響土壤溫室氣體排放機理研究較少并且對機理認識不夠清晰。土地利用轉變的綜合增溫效應、土壤溫室氣體通量的機理和通量觀測強化等方面,將成未來該子領域研究的關注點。

4.5土地利用模型研究熱點與趨勢

按照模型與社會經濟的相關程度,分為經濟結構模型和非經濟結構模型。前者,如全球經濟模型(GTAP)、綜合評價模型(IMAGE);后者,如馬爾科夫(Markov)鏈數學模型、元胞自動機(CA)、小區域尺度土地利用轉換及其影響模型(CLUE-S)、人工神經網絡(ANN)等。基于Agent的模塊化建模方法(ABM/LUCC),是解決復雜問題的通用研究方法,例如,戶外空氣質量與土地利用回歸模型,可以成功地預測相應土地利用方式下的空氣中NO2、NOx、PM2.5等的年均濃度。針對生態過程研究的目的,土地利用(變化)模型與其他環境相關模型的耦合研究,如WRF模型、熵權物元模型、InVEST模型、雨洪管理模型(SWMM)等與CLUE-S的耦合,將是該子領域的熱點方向。

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