來源：即將發表在《農業環境科學學報》
作者：冷思文1，劉迎春2，歐陽威1*，劉宏斌3，王依滴1
單位：1、北京師範大學環境學院，環境模擬與汙染控制國家重點聯合實驗室；2、北京師範大學圖書館；3、中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所
本文旨在簡要分析近三十年非點源汙染研究發展趨勢特徵，為下一階段非點源汙染研究提供技術參考。從Web of Science 核心合集得到1990-2016 年所有非點源汙染研究文獻，然後進行聚焦分析，得出主要文獻來源，對比中外學者H 指數。通過CiteSpace 的關鍵詞共現網絡分析和文獻共被引網絡分析功能，識別了1990-2016 年間三個主要階段的核心關鍵詞（作者關鍵詞與擴展關鍵詞）的變化，梳理了主要的共被引參考文獻，得到非點源汙染研究領域發展趨勢和知識基礎特徵。
國外和國內非點源汙染的最早文獻分別在1975 年和1992 年，1990 年後全球範圍內非點源相關研究快速發展，我國學者的研究在2005 年後發展迅速。中外學者的H 指數差距有減小趨勢，中國學者在全球非點源汙染研究領域的相對影響力在不斷提升。關鍵詞分布中「流域」與「管理」逐漸凸顯，「SWAT (soil and water assessment tool)」、「中國」、「氣候變化」詞頻進入前30 位。研究內容方面，非點源汙染研究從點位尺度的觀測過度到流域尺度水質變化、氮磷汙染輸出規律、模型應用。基於GIS (geographic information system) 空間分析的水文模型在流域尺度的模擬、優化和運用，是非點源汙染控制與評估的基礎。
隨著研究的深入，流域尺度的精細管理、非點源汙染模型開發與耦合、氣候變化效應近期受到更多關注。對1990-2016 年間高被引文獻特徵進行了梳理分析，高被引文獻涉及主題廣泛，中國學者在此也有明顯貢獻，表明中國學者逐步成為非點源汙染研究的主力軍與核心。
按照汙染物進入水體的方式，水環境汙染可分為點源汙染和非點源汙染（面源汙染）。非點源主要包括農業非點源汙染、城市非點源汙染，另外還有植被區（森林、草原等）非點源汙染、採礦業非點源汙染、道路非點源汙染和大氣沉降等。非點源汙染的產生離不開降水、產流和匯流過程，與土壤的累積、截留與侵蝕關係密切，特徵是產生場所、產生時間、產生量是非固定的。因為非點源具有隨機性和不確定性、廣泛性和滯後性，所以其研究治理難度很大。圍繞著非點源汙染形成、遷移與控制，從農業資源與環境、環境工程等學科方向，我國流域水汙染問題正在得到有效控制，環境部發布的水環境公報表明我國主要河流與湖泊的汙染情況得到有效改善，部分水體水質呈好轉趨勢，但流域水體非點源汙染問題成為繼續改善環境質量的瓶頸，在國務院2015年頒布的《水汙染防治行動計劃》中有專門的篇章定義這部分任務。
有學者指出在未來幾十年，如何更好地控制非點源汙染將是我國水環境保護最主要的問題之一。黨的十九大報告也提出「加強農業面源汙染防治，開展農村人居環境整治行動」，說明現階段我國非點源汙染問題嚴重，是亟需解決的民生問題。
文獻計量學以各類文獻為主要研究對象，採用定量的手段分析各類學科發展中存在的數學規律。因其顯著的定量化、客觀性和模型化的宏觀研究優勢已應用於多個學科。但迄今為止，針對非點源汙染問題的文獻計量分析大部分是針對已有文獻的來源（國家、學者和機構等）進行簡單的統計分析，缺乏對該領域發展歷程、研究現狀和前沿動態的細緻分析。
因此，本文採用文獻計量學的方法整體分析了全球非點源汙染的發展歷程，重點探討了該研究領域在研究方向、尺度、內容、對象等方面上的發展趨勢，同時評價了我國在非點源汙染領域研究與國外研究的差距及變化，指出了國內學者需持續和重點關注的研究方向，為進一步推進非點源汙染研究領域的發展與管理決策的制定提供參考。
在Web of Science 核心合集中以檢索式：TS=((((diffuse near/10 pollution) or (「diffuse sources」) or (「non point」) or (nonpoint)) and(pollut* or contaminat* or nutrient or eutrophication)) not (「air pollut*」 or 「atmospheric pollut*」 or 「light pollution」))進行檢索，將1990-2016 年文獻作為分析的主要數據來源，近30 年全球非點源汙染相關研究的總體趨勢。分析檢索日期為2017 年11 月1 日。
通過Web of Science「分析檢索結果」功能，得到歷年文獻量數據。為了更簡潔清晰地呈現發文量的歷史變化，以三年為一個時間段來展示，並且分析1990-2016 年非點源汙染研究的來源出版物和來源機構。通過「創建引文報告」功能，得出1990-1999，2000-2009，2010-2013，2014-2016，1990-2016 中外文獻的h-index數據，以及發文量前十位的學者所發文獻的h-index 數據，以此對比中外研究的h-index。
將1990-2016 年這27 年的文獻集按「全記錄與參考文獻」導出，在CiteSpace 中做文獻計量學與可視化分析。時間切割設為3 年，因而1990-2016 分成9 個時間段，即1990-1992， 1993-1995， 1996-1998， 1999-2001， 2002-2004， 2005-2007， 2008-2010， 2010-2013， 2014-2016。引文網絡分析工具CiteSpace 是美國德雷克賽爾大學的華裔研究者陳超美博士2004 年開發並不斷更新的基於java 的計量和分析科學文獻數據的信息可視化軟體，本文使用版本是CiteSpace5.1R8 SE（64 bit）。
運用CiteSpace 進行關鍵詞共現網絡分析。時期為1990-2016年，時間切割設為3 年，術語來源選標題、摘要、著者關鍵詞、關鍵詞擴展，閾值設置為Top50、不修枝(pruning)。對一些同義關鍵詞做了合併處理。具體是：nonpoint source pollution的多種變體和diffuse pollution，river和stream，pollution 和contamination，GIS及其全寫，BMP及其全寫，model和modeling，watershed、catchment和river basin，SWAT和SWAT model。合併網絡圖有131 個節點，616 條連線。選取時間間隔和關鍵詞特徵上有代表性的1993-1995， 2002-2004， 2014-2016 這三個時段輸出關鍵詞共現網絡圖，分析非點源汙染研究的特徵和趨勢。其中1993-1995 年關鍵詞詞頻較小，分析前20 位，2002-2004 與2014-2016 年均分析前30 位。
進一步運用CiteSpace 進行文獻共被引網絡分析，結合pathfinder 算法修枝，得到482 個節點，595 條連線的簡要分析自動聚類圖。為清晰地分析重要的研究節點文獻的特徵，在CiteSpace 中導出文獻共被引合併網絡圖的總結表，提取引用次數(frequency)、突現度(burst)、中心度（centrality）、sigma 指數前15 位的共被引參考文獻做重點分析，共可獲得29 篇。其中sigma 指數是科學新穎性的度量，是突現度和中心度的函數。閱讀這29 篇文獻的標題與摘要，總結非點源汙染研究主要參考文獻的借鑑意義，討論非點源汙染研究的知識基礎（intellectual base）。
國外和國內非點源汙染研究文獻分別起始於1975 年和1992 年。1990 年前世界非點源汙染研究發文速度緩慢，之後才開始快速發展。我國針對非點源汙染的相關研究在2005 年以後發展迅速（圖 1），且目前已成為非點源汙染研究的大國，影響力也在逐步提升。2014-2016 年期間我國學者發文量約佔到總發文量的三分之一。發文量前十的機構中，我國佔兩席。我國學者文獻的h-index與國外有接近趨勢（圖 2）。25 篇ESI 高被引論文中，4 篇為我國第一作者。
從1990-2016 年總體看，我國學者所發文獻的h-index 是46，國外學者所發文獻的h-index 是127，中外前十位高發文學者所發文獻的h-index 分別是27 和46（圖 2）。我國與國外學者在h-index 方面還存在較大差距。一方面由於我國起步較晚，發文量少；另一方面可能是文章質量上還存在一定差距。1990-1999 年我國學者所發文獻的h-index 約是國外學者所發文獻h-index 十分之一。然而近年來，我國學者發文量大幅提升，也在頂級期刊上發表非點源氮磷汙染管理和預警相關文章，到2014-2016 年中外h-index 僅相差8，可以看出中外文獻h-index 差距正在逐漸縮小。
1990-2016 年總發文量是7195 篇，其中國內機構學者發文量1227 篇，國外機構學者發發文量5968 篇。包含至少5 篇文獻的Web of Science 期刊類別有80 個，來源出版物和來源機構超過500 個。文獻數量前十位來源出版物和前十位來源機構（表 1）發文量分別約佔27%和19%。中國科學院系統和北京師範大學在此領域進入了全球前10 名。
近30 年來非點源汙染研究前20 位關鍵詞發展迅速，尤其是不同關鍵詞的出現頻次和關聯度都有明顯提高。在這過程中，非點源汙染相關研究始終圍繞改善水質的目標，持續關注了氮、磷和與之聯繫的水體富營養化問題，營養元素、沉積物的重要來源——土壤以及重要的物質輸送驅動力——徑流等問題。除此之外，近30 年非點源汙染研究在流域尺度綜合管理方面的研究穩步增強，「流域」與「管理」這兩個詞的關鍵地位愈發凸顯且趨向於共現。
初期階段的1993-1995 年，非點源汙染研究詞頻大於20 的關鍵詞較少（圖3A）。除非點源外，「氮」、「磷」及「水質」是頻次高的關鍵詞，這表明非點源汙染研究主要針對地表水或者地下水體富營養化中氮磷來源與過程分析，主要的研究方法為傳統的實地採樣與監測。進入本世紀初，非點源汙染的詞頻在相同的3 年內增加了3 倍，詞頻超過30 次的關鍵詞數量也大幅增加（圖3B），表明非點源汙染研究的廣度與深度明顯提高。
在汙染物方面，除總氮外，硝態氮和重金屬的研究逐步深入。對河流、遷移、模擬和沉積物的關注度也穩步提高，這個階段，非點源汙染研究方法和工具也迅速發展，尤其是隨著GIS 的出現，基於空間分析進行水文模型模擬使得流域綜合管理、不同土地利用效應等方面的研究得以開展。
2014-2016 年期間，高頻詞數量劇增，表明該研究領域得到了快速發展（圖3C）。「流域」是第3 位高頻詞，「管理」是第6 位高頻詞，「管理」與「氮磷」「徑流」「沉積物」「模型」「系統」等詞的共現，反映出本階段的研究重點是對包括氮磷、沉積物、徑流過程等加以管理。
目前，應用於流域範圍內研究非點源汙染負荷的模型主要有HSPF（Hydrological Simulation Program-FORTRAN）、ANSWERS（Areal Nonpoint Source Watershed Environmental Response Simulation）、AGNPS（Agricultural non-point source）和SWAT （Soil and water assessment tool）。由於所用參數、率定時間、模擬流域的空間尺度、對管理措施的模擬和對營養元素的模擬效果等諸多因素的考慮，SWAT 逐漸成為應用最為廣泛的模型，SWAT 在2011-2013 年進入前20 位，到2014-2016「SWAT」達到第16 位。在這一階段，流域的非點源汙染負荷量計算的研究趨於基於GIS 空間分析將SWAT 模型模擬手段和實地監測方法相結合，從而得到較真實的計算值。隨著氣候變暖這個全球性環境問題的日益嚴重，針對氣候變化對非點源汙染的影響研究也逐漸引起了各國學者的重視，2014-2016「氣候變化」一詞也位列前30 位高頻關鍵詞之中。2014-2016 年期間「中國」這一關鍵詞強勁增長位列第13 位，反映出我國學者的研究發展迅速，另一方面也反映了學界對我國非點源汙染問題越來越重視。對我國各地區非點源汙染研究的推進將有助於我國環境質量的改善。
在CiteSpace 中做關鍵詞共現分析，系統能對關鍵詞在各年段的出現情況進行突現詞檢查，如果一個詞在某個年段的波動相對於整個時期來說變動顯著，那麼這個詞就是突現詞(burst terms）。值得注意的是，SWAT、中國、氣候變化三詞分別在2005、2008 和2014 年突現，且突現度(burst)較高，均大於20，進一步印證了上述分析。
非點源汙染研究文獻共被引網絡圖自動聚類圖（圖 4）顯示了主要的類及類標籤，482 個文獻節點共有108 個類，自動聚類圖直觀表現出了非點源汙染研究的發展方向。
圖中左上角藍色的聚類區，文獻發表時間較早，研究較為關注耕地管理和非點源汙染物具體類型的輸出負荷，表明這個階段的非點源汙染研究主要集中在點位尺度，尤其注重原位觀測。右上部的綠色的節點代表了發展中期非點源汙染研究特徵，大都是關於不同空間尺度條件下氮、磷汙染輸出特徵、對河口生態系統影響以及多種控制措施的評價，表明這個階段的研究已擴展到環境效應及汙染控制。
近期的研究集中在右下角的棕色節點聚類標籤區，期間SWAT是出現頻次最多的模擬模型。在流域非點源汙染管理方面，重點已從常規的流域綜合管理上升到考慮流域自然特徵的優先控制區，而從流域水環境與生態保護角度出發的非點源汙染研究也逐步成為主流。除營養物質氮磷、重金屬和農藥之外，近期的非點源汙染研究對生物學類指標的研究逐步推進，節點聚類標籤區中部右邊的節點表明這部分研究已經基本成熟，尤其是涉及的畜禽養殖廢棄物、下水道洩漏及人體健康研究，表明非點源汙染環境健康效應研究將是未來發展熱點，目前這部分雖還未和傳統的非點源汙染進行深入耦合，然而一旦將物理、化學層面的非點源汙染模型發展到生物學層面，不同尺度時空效應分析的實現將指日可待。
由於高被引文獻信息量大、參考價值大、典型性強，因此本文也對其中的25 篇ESI 高被引文獻開展了特徵分析。25 篇高被引文獻中包含了綜述類文獻7 篇，在內容上，關於模型的文獻共有4 篇，均為SWAT 模型的應用發展，關於某個代表性研究地點文獻共有5 篇，如美國印第安河潟湖、伊利湖和我國太湖的研究。此外，有 5 篇文獻為國際合作，表明加強非點源汙染研究的國際合作將更有效的提高研究成果的關注度。25 篇高被引文獻涉及的研究熱點廣泛，如傳統的氮磷汙染以及富營養化問題研究，也有關於痕量非點源汙染物，如重金屬、有機汙染物、生物炭、沉積物、農作物殘留物的研究，模型方法類研究，尤其是模型綜述類文獻引用頻次較高，這些特徵均表明非點源汙染研究在汙染物類型、遷移過程分析方面取得了較為明顯的進步。
表 2 總結了主要的高被引參考文獻的基本特徵。分析表明GIS 和SWAT 相關的文獻被引機率高，可見方法類研究仍然是同行關注的熱點，也反映了這兩種工具對於非點源汙染研究的重要意義。非點源汙染具有明顯的不確定性和滯後性，該領域的研究是典型的流域尺度跨學科研究，涉及大量空間數據。GIS 的輔助實現了不同尺度的高效模擬，經過三十多年的完善，SWAT 實現了模型的研究尺度從田間向流域的擴展，對流域的研究與管理起到推動作用。然而由於模型在概化自然系統的過程中進行了一系列簡化和假設，加之模型運用時輸入信息的缺乏或者誤差，以及獲取的參數值不確定使得模型模擬結果的不確定性問題日益凸顯。如何認識和定量評價非點源汙染模型模擬結果的不確定性仍然是非點源汙染模型研究的前沿領域。
國內外學者也通過構建人工模擬降雨徑流實驗裝置，研究分析不同降雨、不同下墊麵條件下非點源汙染流失規律，並且結合非點源汙染模型及河流水質分析模型，研究模擬不同降雨重現期、不同降雨歷時條件下非點源汙染流失特徵，分析汙染物入河後濃度變化規律，定量模擬分析汙染源防控措施的汙染削減效果。此外，近三十年非點源汙染研究最明顯的特徵是中國學者逐步成為研究的中流砥柱，有關中國的研究文獻在數量和被引量上都有大幅提升。有多篇高被引文獻是關於中國非點源汙染研究估算準確性問題和模型使用問題，說明快速發展中的中國本土非點源汙染研究正在努力發展更準確的結果、更有效的模型與方法。
（1）1990-2016 年是非點源汙染研究快速發展的階段。在水環境管理與汙染控制的促進下，近十年來我國非點源汙染研究發展迅速，已經成為全球重要的研究基地和創新基地。隨著我國學者在模型本地化改進和精細化模擬管理方面研究的深入，非點源汙染研究團隊和學者在全球範圍內的排名穩步上升，H 指數的差距也在逐步縮小，中國必將成為非點源汙染研究的領跑者。（2）非點源汙染研究圍繞改善水質的目標，核心研究內容為氮磷汙染輸出、模型模擬、模型優化以及徑流變化和土壤屬性對非點源汙染輸出的影響等。模型模擬方面，基於GIS 空間分析的SWAT 模型逐步成為運用最為廣泛的工具，實現了對不同地理尺度下非點源汙染輸出特徵的分析，並逐步開展氣候變化帶來的非點源輸出效應研究。
（3）通過對關鍵詞共現網絡、文獻共被引網絡和高被引文獻的分析，表明非點源汙染研究逐漸從點位尺度的輸出負荷分析與控制，過渡到流域尺度不同類型汙染物在不同尺度下的精細化模擬與管理。下一階段，非點源汙染模擬將由物理化學層面提升到生物層面，實現生物學類非點源汙染模擬分析和健康效應評價。