国际上关于岩溶领域的研究数据来源于WoS核心合集数据库, 以“ Karst” 或“ Stalagmite” 为主题词, 检索2016年发表的论文, 文献类别为“ Article” 、“ Review” 和“ Proceedings paper” 。筛选剔除非该研究领域的文献后共得到795 篇论文, 并将记录内容为“ 全记录与引用的参考文献” 检索结果保存成.txt格式文件。

国内关于岩溶领域的研究数据来源于CNKI, 以“ 岩溶” 或“ 喀斯特” 或“ 石笋” 为主题词, 检索2016年发表的论文, 期刊来源类别包括:EI来源期刊、核心期刊和CSSCI。筛选剔除非该研究领域的文献后共得到677篇论文, 并将记录内容保存为Refworks格式。

采用CiteSpace软件(5.0.R2.SE.11.3.2016版本)分别对通过WoS核心合集数据库和CNKI获得的数据进行定量分析^[2~4]。通过CNKI获得的Refworks数据需进行格式转化, 而通过WoS核心合集数据库获得的数据无需格式转化。在此基础上, 选择Keyword 或Country作为节点类型, 以Top 100(关键词共现分析)、Top 30(国家合作分析)作为节点阈值可视化分析2016年度以“ 岩溶” 或“ 喀斯特” 或“ 石笋” 为主题的文献报道, 探讨2016年度岩溶领域的发展特点、研究热点和合作关系等。

在关键词共现图谱中, 每一个关键词由一个节点表示, 其节点大小表示该词出现的频度, 并将节点之间的连线粗细来表现关键词之间的联系强度, 而节点外轮大小表示该关键词在网络中的重要性^[6]。在国家或机构合作图谱中, 论文所属国家或机构出现的频度由节点大小表示, 并用节点间连线粗细代表两国或机构间合作程度^[6]。

此外, 还利用WoS和CNKI自带功能分析国家、机构以及个人论文发表数量和质量。

利用WoS自带分析检索功能, 对795条检索结果进行国家/地区发文数量分析。结果表明:发文数量前10的国家/地区依次为中国、美国、德国、意大利、西班牙、英格兰、法国、澳大利亚、新西兰和捷克(图1)。中国是岩溶领域发文数量最多的国家, 共发表269篇文章, 充分发挥了中国岩溶研究的地域优势。利用CiteSpace软件对发文前30的国家合作情况进行分析(图2), 结果表明:中国与美国的合作比较密切, 但合作国家却比较单一; 而英格兰、美国、德国与其他国家的合作比较活跃, 因此中国在国际间的合作方面还有待加强。

此外, 利用CiteSpace软件对国际岩溶领域发表的795篇文章进行所属机构、作者和期刊分析。所属机构出现频次最高的是中国科学院(Chinese Academy of Sciences), 随后依次为中国科学院大学(University of Chinese Academy of Sciences)、中国地质大学(China University of Geosciences)、明尼苏达大学(University of Minnesota)、西安交通大学(Xi’ an Jiaotong University)、西南大学(Southwest University)、卢布尔雅那大学(University of Ljubljana)、中国地质科学院(Chinese Academy of Geological Sciences)、萨格勒布大学(University of Zagreb)和圣保罗大学(University of Sã o Paulo), 结果表明国际岩溶领域的成果主要来源于中国科学院以及高校, 而中国地质科学院作为我国唯一专门从事地质研究的机构在国际影响力方面还有待加强(表1)。该领域在国际上的成果集中发表在Environmental Earth Sciences, Journal of Hydrology, Hydrogeology Journal, Acta Carsologica, Scientific Reports, Forest Ecology and Management, Geomorphology, Quaternary International, Geochimica et Cosmochimica Acta和Zootaxa上, 基本位于JCR分区中的Q1或Q2区, 而由斯洛文尼亚喀斯特研究所主办的Acta Carsologica处于Q4可能与该期刊仅刊登岩溶研究成果有关; 同时该领域在国际上的成果主要由Cheng H, Wang K L, Edwards R L, Baker A, Chen H S, Zhang W, Wang S J, Shen C C, Chen F H和Breitenbach S F M贡献(表1)。

图1

Fig.1

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	图1 2016年度国际岩溶领域国家发文量表1 2016年国际岩溶领域发文机构、作者和期刊Fig.1 The number of published articles of major countries in 2016

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 2016年国际岩溶领域发文机构、作者和期刊 Table 1 The number of published international articles of karst in 2016 序号 机构 篇 作者 篇 期刊 JCR分区 篇 1 Chinese Academy of Sciences 92 Cheng H 19 Environmental Earth Sciences Q2 72 2 University of Chinese Academy of Sciences 31 Wang K L 14 Journal of Hydrology Q1 23 3 China University of Geosciences 28 Edwards R L 13 Hydrogeology Journal Q2 20 4 University of Minnesota 20 Baker A 10 Acta Carsologica Q4 17 5 Xi’ an Jiaotong University 18 Chen H S 9 Scientific Reports Q1 16 6 Southwest University 15 Zhang W 8 Forest Ecology and Management Q1 15 7 University of Ljubljana 13 Wang S J 8 Geomorphology Q1 15 8 Chinese Academy of Geological Sciences 12 Shen C C 8 Quaternary International Q2 15 9 University of Zagreb 11 Chen F H 6 Geochimica et Cosmochimica Acta Q1 14 10 University of Sã o Paulo 10 Breitenbach S F M 6 Zootaxa Q2 14

表1 2016年国际岩溶领域发文机构、作者和期刊 Table 1 The number of published international articles of karst in 2016

利用CiteSpace软件对795篇论文的关键词进行定量分析, 共获得110个节点, 220条连线, 其中前20位高频关键词依次为岩溶(Karst)、水(Water)、演化(Evolution)、系统(System)、模型(Model)、洞穴 (Cave)、洞穴堆积物(Speleothem)、地下水(Groundwater)、含水层(Aquifer)、岩溶含水层(Karst aquifer)、流动(Flow)、中国(China)、稳定同位素(Stable isotope)、全球变化(Climate change)、地区(Area)、气候(Climate)、石笋(Stalagmite)、沉积(Precipitation)、盆地(Basin)和漏斗(Sinkhole), 反映出2016年度岩溶领域在国际上的研究热点(表2)。2016年度中国学者在岩溶领域使用的前20位高频关键词依次为Karst, China, Water, System, 西南(Southwest China), Model, 石漠化(Rocky desertification), Groundwater, 土地利用(Land use), 变化(Variability), Climate change, 地区(Region), 高分辨(High resolution), Flow, 影响(Impact), Climate, Precipitation, 岩溶地区(Karst region)和贵州(Guizhou), 表明中国与国际研究的热点问题基本一致, 并反映出地域研究特征(表2)。目前, 中国学者主要研究中国西南岩溶区的问题, 对北方岩溶问题关注程度还有待加强。此外, 将795篇论文的前100位高频关键词进行聚类, 可以聚成4个相对独立的聚类圈(图3), 即“ 岩溶水文地球化学” 、“ 岩溶石漠化与岩溶生物地球化学” 、“ 全球变化与古环境重建” 和“ 岩溶工程与地质灾害” 。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 2016 年国际上关于岩溶领域的高频关键词 Table 2 TOP 20 high-frequency keywords of international karst in 2016 序号 国际刊物上 刊登的论文 中国学者在国际刊 物上发表的论文 关键词 频次 关键词 频次 1 Karst 165 Karst 34 2 Water 67 China 31 3 Evolution 53 Water 21 4 System 52 System 19 5 Model 47 Southwest China 18 6 Cave 46 Model 17 7 Speleothem 44 Rocky desertification 17 8 Groundwater 44 Groundwater 15 9 Aquifer 41 Land use 13 10 Karst aquifer 40 Variability 12 11 Flow 39 Climate change 12 12 China 38 Region 12 13 Stable isotope 36 High resolution 12 14 Climate change 32 Flow 11 15 Area 32 Impact 11 16 Climate 31 Climate 11 17 Stalagmite 29 Evolution 11 18 Precipitation 28 Precipitation 10 19 Basin 28 Karst region 10 20 Sinkhole 27 Guizhou 10

表2 2016 年国际上关于岩溶领域的高频关键词 Table 2 TOP 20 high-frequency keywords of international karst in 2016

图2

Fig.2

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	图2 2016年度国际岩溶领域国家合作关系网络Fig.2 Country collaborative networks of SCI articles in 2016

图3

Fig.3

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	图3 2016年国际上关于岩溶领域期刊论文关键词的共现关系Fig.3 Keyword co-occurring networks of international articles in 2016

3.2.1 岩溶石漠化与岩溶生物地球化学

通过图3聚类结果可以看出, Land use为该研究方向的关键节点, 并被中国学者广泛使用。与该节点直接相连的关键词分别为:Rocky desertification、土壤侵蚀(Soil erosion)和氮(Nitrogen), 表明土地利用方式是影响土壤侵蚀强度和石漠化进程的重要因素, 并能改变地区生物地球化学循环过程, 进而成为大家关注的重点和热点问题。Sonneveld等^[7]通过设置模拟试验场证明人们追求岩溶区土地高产是造成水土流失和石漠化的关键因素, 而Tong等^[8]利用2001— 2013年MODIS卫星数据分析广西和贵州石漠化与植被之间的关系时发现, 人类活动是造成岩溶区水土流失和石漠化的重要因素, 而提高植被覆盖率或者将裸露土壤覆盖能降低水土流失程度。Cerd等^[9]通过模拟实验证明将农作物收获之后废弃的秸秆(75 g/m²)覆盖于农田上能够使水土流失量从60%降低到13%, 即水土流失程度从5.1 mg/(hm²· h)降到0.2 mg/(hm²· h)。随着岩溶区水土流失和石漠化进程的加剧, 岩溶土壤含水量也发生变化, 并且降雨期间土壤水的再分配以及旱季土壤水的空间变化与岩石裸露程度密切相关^[10]。此外, 岩溶区土地利用的改变还将影响元素的生物地球化学循环过程, Zeng等^[11]通过分析贵州普定板寨、皇后和后寨流域2007— 2013年岩溶碳通量数据时发现土壤覆盖度和植被类型是重要的影响因子, Cheng等^[12]认为减少土壤的扰动能增加土壤的氮贮, Zhu等^[13]采用¹⁵NH₄NO₃和N H415NO₃同位素双标记结合MCMC优化数值模型, 通过计算碳酸盐岩石灰土和碎屑岩红壤2种林地土壤不同形态氮库的转化速率发现:石灰土无机氮的总供应能力低, 但铵态氮氧化为硝态氮的自养硝化速率较高并且硝态氮的微生物同化速率降低, 从而造成石灰土以无机硝态氮为主。

3.2.2 全球变化与古环境重建

聚类图中关键词主要有Climate, Stalagmite, Speleothem, 微量元素(Trace element)和Variability, 从而表明该方向主要利用石笋和洞穴堆积物来揭示全球变化并进行古环境重建。Lechleitner等^[14]利用石笋证明太阳活动是影响中美洲过去1 500年区域降水的重要因素; 而由于地震能够扰动石笋的生长, Rajendran等^[15]利用石笋记录了喜马拉雅地域发生于1176— 1470年的地震以及1050— 1250年和1259— 1433年发生的中世纪大地震。Kato等^[16]通过分析洞穴石笋的¹⁸O值认识到日本过去1 100年发生的饥荒和灾害主要是由于降雨不均造成的。在夏季, 来自太平洋的潮湿气流到达日本造成降雨的¹⁸O值偏高, 而冬季来自日本海的雨雪造成¹⁸O值偏低, 并将这一信息反映在洞穴滴水和石笋中。以上研究结果表明石笋仍然是研究过去全球环境变化记录的重要介质。

3.2.3 岩溶水文地球化学

该研究方向通过聚类可以发现Karst aquifer, System, Model, Flow, Groundwater, Aquifer, Basin, Sinkhole, 流域(Catchment), 搬运(Transport)以及Southwest China等关键词, 表明岩溶地区由于溶蚀裂隙、管道、落水洞、竖井等高度发育, 使含水层更易受地表状况的影响, 因此需要专门的模型评价岩溶含水层。此外, 通过进一步分析还可以发现2016年度针对岩溶含水层的研究成果主要集中体现在中国西南岩溶区。Kaufmann^[17]通过模拟实验证明增加岩石的孔隙率能够促进岩溶含水层的发育, 而Dvory等^[18]通过分析耶路撒冷城西监测井1990— 2014年的资料发现60%~80%的地下水补给发生在雨季, 地下水补给程度受控于管道流速的快慢, Fu等^[19]利用改进的Maillet, Mangin和Boussinesq模型证明:岩溶含水层的记忆能力在年度上仅为4天, 而对68 mm的降雨事件记忆能力仅为8小时, 表明岩溶含水层由于其不均一性能够对降雨做出快速响应。此外, Lan等^[20]通过分析重庆老龙洞地下河系统, 发现水体中的多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)浓度为81.5~8 089 ng/L, 而土壤中的PAHs 浓度为277~3 301 ng/g, 表明PAHs通过落水洞进入岩溶含水层, 并影响水质。

3.2.4 岩溶工程与地质灾害

针对岩溶工程与地质灾害研究方向, 通过图3聚类结果可以看出, 灾害(Hazard)、塌陷(Collapse)和地质雷达(Ground penetrating radar)为主要关键词, 并且塌陷位于关键节点, 从而表明主要利用地质雷达研究岩溶工程与地质灾害问题。Gu等^[21]在广清高速公路改扩建时指出:岩溶发育程度, 特别是覆盖层厚度是决定地面塌陷的直接因素, 并与降雨和地下水是否受到破坏有关; Siska等^[22]为减少岩溶塌陷对经济发展造成的损失, 提出加强岩溶塌陷易发生区数据库建设, 并调查与塌陷有关的一些指标; Billi等^[23]除利用航空照片发现隐伏塌陷或洞穴外, 还利用地质雷达寻找这些隐伏塌陷, 并特别适用于城市等人口或建筑物密集区, 进而减少岩溶地质灾害发生造成的损失。以上研究均表明, 该研究方向主要服务于国民经济发展, 并与群众利益息息相关。

3.3 2016年国内关于岩溶领域发文分析

利用CNKI自带分析检索功能, 对677条检索结果进行发文机构、作者和期刊来源进行分析。结果表明:发文数量前10的机构依次为中国地质科学院岩溶地质研究所、贵州师范大学、西南大学、贵州大学、中国地质大学(武汉)、中国科学院大学、桂林理工大学、中科院亚热带农业生态研究所、成都理工大学、中国科学院(表3), 其中中国地质科学院岩溶地质研究所是国内岩溶领域发文数量最多的科研院所, 共发表77篇文章, 充分发挥了专门研究机构的优势, 但通过分析作者成果数量发现, 该所仅有2位作者的发文进入前10。此外, 2016年国内岩溶领域的成果主要发表在《中国岩溶》、《生态学报》、《江苏农业科学》、《水文地质工程地质》、《环境科学》、《石油与天然气地质》、《水土保持学报》、《桂林理工大学学报》、《科学技术与工程》、《矿物岩石地球化学通报》上。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 2016年度国内岩溶领域发文机构、作者和期刊 Table 3 The number of published domestic articles of karst in 2016 序号 机构 篇 作者 篇 期刊 期刊来源 篇 1 中国地质科学院岩溶地质研究所 77 王克林 16 中国岩溶 核心期刊 68 2 贵州师范大学 57 周忠发 11 生态学报 核心期刊 17 3 西南大学 40 张伟 11 江苏农业科学 核心期刊 14 4 贵州大学 35 熊康宁 10 水文地质工程地质 核心期刊 14 5 中国地质大学(武汉) 29 苏维词 9 环境科学 EI期刊 14 6 中国科学院大学 26 谭秀成 9 石油与天然气地质 EI期刊 13 7 桂林理工大学 23 曹建华 8 水土保持学报 核心期刊 13 8 中科院亚热带农业生态研究所 22 孙玉川 8 桂林理工大学学报 核心期刊 10 9 成都理工大学 21 梁彬 7 科学技术与工程 核心期刊 9 10 中国科学院 20 彭旭东 7 矿物岩石地球化学通报 核心期刊 9

表3 2016年度国内岩溶领域发文机构、作者和期刊 Table 3 The number of published domestic articles of karst in 2016

利用CiteSpace软件对677篇论文的关键词进行定量分析, 共获得140个节点, 157条连线, 其中前20位高频关键词依次为喀斯特、石漠化、奥陶系、碳酸盐岩、塔里木盆地、水化学特征、数值模拟、岩溶地区、岩溶区、喀斯特地区、塔河油田、四川盆地、岩溶储层、岩溶塌陷、地下河、岩溶隧道、岩溶地下水、多样性、影响因素和喀斯特山区(表4), 并可以聚成4个相对独立的聚类圈(图4), 即“ 岩溶水文地球化学” 、“ 岩溶石漠化与岩溶生物地球化学” 、“ 岩溶油气资源” 和“ 岩溶工程与地质灾害” , 这与国际研究热点有所区别。

3.4.1 岩溶石漠化与岩溶生物地球化学

通过图4聚类结果可以看出, 土地利用和植被类型为该研究方向的关键节点。通过土地利用节点延伸出去的关键词分别为:生态环境、相关性、土壤理化性质、植被恢复和土壤侵蚀, 而通过植被类型节点延伸出去的关键词分别为:NDVI、土壤养分、石漠化治理和多样性, 从而表明土地利用方式或植被类型的改变是影响岩溶土壤质量的重要因素, 并能改变地区生物地球化学循环过程。任扬航等^[24]基于2001— 2014年MOD13Q1数据集、数字地面高程数据以及中梁山地区多期土地覆盖数据, 认为植被退化现象受人类活动的影响较大, 但人类活动对植被改善不大, 植被改善主要与自然演替有关; 汪明冲等^[25]以环江古周生态恢复重建区为研究区, 通过野外调查与室内分析认为:石漠化生态恢复过程中生物量增加, 土壤质量提高, 岩溶作用及其碳汇效应增强^[26]。此外, 在石漠化演变过程中, Simpson指数逐渐下降, Shannon-Winner多样性指数表现出先增大后减小的规律, Pielou均匀度指数逐渐上升, Margalef丰富度指数呈现出先扬后抑的规律, 而通过施肥和合理的植被恢复能有效改善石漠化土壤理化性质和养分含量^[27~30]。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 2016年度国内关于岩溶领域的高频关键词 Table 4 TOP 20 high-frequency keywords of domestic karst in 2016 序号 关键词 频次 1 喀斯特 55 2 石漠化 28 3 奥陶系 27 4 碳酸盐岩 27 5 塔里木盆地 21 6 水化学特征 16 7 数值模拟 16 8 岩溶地区 15 9 岩溶区 15 10 喀斯特地区 14 11 塔河油田 13 12 四川盆地 13 13 岩溶储层 12 14 岩溶塌陷 12 15 地下河 12 16 岩溶隧道 12 17 岩溶地下水 11 18 多样性 11 19 影响因素 10 20 喀斯特山区 10

表4 2016年度国内关于岩溶领域的高频关键词 Table 4 TOP 20 high-frequency keywords of domestic karst in 2016

图4

Fig.4

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	图4 2016年国内关于岩溶领域期刊论文关键词的共现关系Fig.4 Keyword co-occurring networks of domestic articles in 2016

3.4.2 岩溶油气资源

通过图4聚类结果可以看出, 寒武系、成藏模式、震旦系、灯影组、主控因素和储层特征为主要关键词, 表明油气资源与地层有关, 并在国民经济发展中具有重要的作用。韩杰等^[31]认为塔里木盆地轮古油田奥陶系油藏属于典型的非均质碳酸盐岩潜山油藏, 油气主要富集于轮古油田奥陶系潜山残丘高部位, 并可用沟谷趋势面指示原始的油水界面, 而刘树根等^[32]以四川盆地为例提出微生物碳酸盐岩是油气勘探储层的新类型, 并主要发育在上震旦统灯影组和中三叠统雷口坡组, 谭聪等^[33]基于碳酸盐岩水岩反应溶解— 沉淀平衡原理, 利用塔里木盆地塔中和塔北地区奥陶系孔、洞和裂缝充填物流体包裹体数据, 认为流体包裹体分析法是一种切实可行的埋藏期孔洞充填强度评价的新方法。

3.4.3 岩溶水文地球化学

通过图4聚类结果可以看出, 水化学为该研究方向的关键节点。通过水化学节点延伸出去的关键词分别为:岩溶地下水、青木关、地下河、多环芳烃, 从而表明水化学特征仍是当前的研究热点, 并涉及到同位素分析、水污染等问题, 以及具有浓厚的地域特征。詹兆君等^[34]以重庆青木关和老龙洞地下河为例分析其水文地球化学特征, 发现水— 岩作用是控制水化学特征的关键因子, 青木关主要受农业活动影响, 老龙洞则主要受城镇活动、工业活动影响; 张远瞩等^[35]认为老龙洞地下河流域表层岩溶泉中的三氮主要来源于与农业活动有关的非点源污染, 并在土壤、表层岩溶带中经氨化、吸附、硝化作用等过程以扩散流形式运移至地表; 而谢正兰等^[36]发现老龙洞地下河流域表土中存在着20种有机氯农药(Organochlorine Pesticides, OCPs), 氯丹类和滴滴涕(Dichloro Diphenyl Trichloroethanes, DDTs)是主要污染物。马燕华等^[37]通过采集枣庄市南部不同深度地下水和地表水样并分析其δ D, δ ¹⁸O和δ ³⁴S同位素, 认为区内地下水主要受碳酸盐岩和硫酸盐矿物溶解、黄铁矿氧化以及人为活动的影响, 并且硫酸盐污染日益突出。

3.4.4 岩溶工程与地质灾害

通过图4聚类结果可以看出岩溶工程与地质灾害研究方向主要包括岩溶陷落柱、地质构造、岩溶地貌、断层破碎带、施工技术、超前地质预报等主要关键词, 并与“ 岩溶石漠化与岩溶生物地球化学” 有所交集, 从而反映出为发展经济改变土地利用方式并在施工过程遇到大量的地质问题。蒋小珍等^[38]在湖南煤炭坝煤矿调查时发现:疏干区岩溶管道裂隙系统中水气压力突变是诱发岩溶塌陷的动力来源, 年最大变幅达54.72 m, 瞬时水气压力变化速率最大为70.6 cm/min, 进而造成气爆、地下洞穴(溶洞、土洞)垮塌, 而电法勘探、地震勘探及重力勘探是进行岩溶塌陷调查的重要手段^[39], 并能通过岩性、岩溶发育程度、地形地貌、地质构造、土层厚度、土层岩性、地下水位距基岩面距离、地下水位变幅、地下水径流强度、地表水入渗、人工抽水强度和其他人类工程活动12个指标判定岩溶塌陷危险性等级^[40]。而工程建设过程中, 采用多层加筋垫层防治路基下部岩溶塌陷可有效降低工程造价、确保运营安全^[41]。