1 引言

“虚拟水”的概念最初由英国伦敦大学Tony Allan在20世纪90年代初提出,用以计算食品和消费品在生产和销售过程中的用水量^[1]。之后,荷兰学者Chapagain等^[2]在2002年荷兰举办的虚拟水贸易国际专家会议上首次明确提出“水足迹”的概念,虚拟水研究自此开始从环境领域拓展到了社会经济领域,用于深入研究生产与消费过程中消耗的水资源与产生的污染量,从一个更加全面和宏观的角度对全球水循环进行评估分析,对于全面了解水资源流动规律和应对日益严峻的水资源压力具有重要意义。因此,近年来虚拟水研究增长迅速,并在社会经济各个方面发挥积极作用,大大促进了水资源的可持续利用。

我国水资源分布不均衡,随着社会经济的发展对水资源的需求量日益增加,干旱和半干旱地区的水资源压力将更加明显。从虚拟水角度对水资源分布和流动格局开展分析十分必要。程国栋^[3]于2003年将虚拟水的概念引入我国,强调了虚拟水战略对水资源安全和水资源管理的重要意义。之后,国内外科研人员持续关注我国虚拟水流动及其对区域经济的影响。张超等^[4]指出,中国省份间交易的虚拟水总量巨大,而中国“由北向南”的虚拟水贸易流动格局与水资源空间分布相反。冯奎双等^[5]指出,中国的省际虚拟水贸易将大部分水资源压力转移到相对欠发达、贫穷和水资源稀缺的地区。而杨红等^[6]认为,近年来虚拟水概念在区域和国家尺度上的经济和水系统分析中被广泛应用,但目前的虚拟水和水足迹研究在政策关联、数据精度、方法论和概念一致性方面还存在一定的局限性。与国际研究相似,我国虚拟水研究也主要集中在各种尺度上的应用研究方面,王红瑞等^[7]对北京农业虚拟水贸易进行了评估计算,黄姣等^[8]分析了东北地区主要粮食作物虚拟水的变化,孙才志等^[9]对我国的虚拟水贸易流动格局进行了分析,并就我国的虚拟水战略实施提出了相关对策和建议。

在国际虚拟水研究方面,Anronelli等^[10]对虚拟水概念的定义、评述和应用情况进行了综述,并分析了虚拟水概念的理论基础以及与经济理论的关系,指出,尽管虚拟水概念本身不是一个政策工具,但是它可以揭示货币指标所不能体现出的产品生产、消费和贸易中的水问题,在支撑水管理决策和商品贸易方面具有较大潜力。Carole等^[11]指出,中国的农产品虚拟水贸易中,有80%来源于国内的省际间贸易,20%来源于国际农产品贸易。

国内外虚拟水研究已经历了多年的发展并积累了一定的研究成果,而在虚拟水研究的综述方面,主要关注于对概念的评述、研究进展的梳理和研究方法的阐述,尚未发现从文献计量视角对虚拟水研究的相关分析。而文献计量方法可以从定量化文献统计的角度观察国际虚拟水研究的现状,有利于增进对虚拟水国际发展状况的全面了解。因此,本文采用文献计量方法,对国际虚拟水研究的整体状况、国家机构状况和研究热点等方面进行了分析,以便从另一个宏观的角度了解全球虚拟水研究的总体状况,以期为相关研究人员和管理人员提供参考。

2 数据来源与方法

本文文献信息来自于美国汤森路透的科学引文索引(Science Citation Index Expanded,SCIE)数据库和社会科学引文索引(Social Sciences Citation Index,SSCI)数据库1990—2016年收录的虚拟水研究相关的3种文献类型(Article,Review和Proceedings paper)。检索策略采用主题检索:ts=(“virtual water” or “virtual waters” or “virtualwater” or “water footprint” or “water footprints” or “embodied water” or “embedded water” or “green water” or “greenwater” or “blue water” or “blue and green water” or “green and blue water” or “grey water” or “greywater” or “graywater” or “gray water”)。依据上述检索策略,共得到2 588条文献记录(检索日期为2017年1月16日),为了更加精确地进行数量统计,我们对国家、机构和关键词等信息进行了清洗。以上述数据为基础,开展了文献计量分析:通过数量统计得出各主要国家、主要机构的发文量变化及占比情况;通过被引分析得出各主要国家及机构的篇均被引频次、总被引频次和高被引论文占比情况;通过混合量化指标统计,得出各国各机构的H指数;通过利用篇均被引频次、总被引频次和H指数绘制综合影响力图,以便更加清晰和直观地反映出各研究主体的综合影响力;通过基于合作发文的社会网络分析得出各主要国家和机构的研究合作情况;通过学科统计及关键词统计,得出虚拟水研究的主要研究方向。其中,发文量和总被引频次分别指研究主体发表相关论文的总数量和全部论文被引次数的总和,可以反映研究主体该领域的研究体量。篇均被引频次指研究主体发表论文的总被引次数与总发文量的比值,可反映论文的平均受关注程度。H指数可以综合反映论文数量和被引频次的综合影响力,H指数最初是由Hirsch^[12]于2005年提出的,用于衡量研究人员综合影响力。H指数可以定义为:在研究主体发表的N篇论文中,如果有h篇论文的被引次数都大于等于h,而其他N-h篇论文被引频次都小于h,那么此研究主体的H指数为h。尽管H指数在对机构(或国家)规模及内部人员水平的反映程度上尚存在不足,但在反映研究主体研究实力方面,仍具有不可替代的优势^[13]。结合平均被引频次和总被引频次等指标的运用,H指数对全面认识研究主体状况具有一定意义。

3 分析结果

3.1 总体状况

对发文量的年度变化进行统计后发现(图1),虚拟水研究从20世纪90年代概念产生以来整体上平稳发展,基本保持持续增长的基本态势。21世纪初期虚拟水研究论文的数量逐步开始形成一定的规模,2008年之后发文量增长较为迅速,年均增长率达到25%以上。

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图1   1990—2016年全球发文量变化情况

Fig.1   Annual changes of the paper numbers of virtual water research from 1990 to 2016

3.2 国家统计分析

按全部国家统计,发文量最多的国家为美国、中国、荷兰、英国、澳大利亚、德国、意大利、西班牙和日本等国,这些国家的发文量均超过100篇,其中美国发文量为566篇,占总发文量的21.87%;中国发文量为306篇,占11.82%;荷兰发文量230篇,占比为8.88%。考虑到国家体量的因素,荷兰对于虚拟水研究的重视可见一斑,这也与荷兰先进的水资源研究和保护水平相吻合。图2为主要国家(前20位)的发文情况。从近5年发文情况来看(图3),美国和中国在虚拟水研究方面增长迅速,荷兰增长略有放缓。总体来看,虚拟水研究的传统强国在发文量上依然保持着一定优势,但中国的后发优势十分明显,近年来发文数量持续增长。这表明我国的虚拟水研究热度正在上升,从虚拟水角度认识和评估水资源循环过程是应对我国不断加剧的水资源压力的一个有效途径。

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图2   1990—2016年主要国家(前20位)的发文量

Fig.2   Top twenty countries based on published articles number from 1990 to 2016

在主要国家(前20位)中,美国、荷兰、英国、德国、澳大利亚、中国和瑞士等国的总被引频次较高,总被引次数均超过3 000次;篇均被引频次较高的国家有荷兰、瑞士、瑞典、德国和挪威,均超过20次/篇;被引频次≥50次的论文比例较高的国家是瑞士、荷兰和瑞典;高H指数的国家依次是美国、荷兰、英国、瑞士、德国和澳大利亚。具体统计指标见表1。

中国发文总量306篇,排名第2位;总被引频次3 308次,排名第6位;篇均被引频次10.81次/篇,仅排名第17位;被引频次≥50的论文比例为4.90%,排在第16位;H指数为29,排在第7位。总体来看,我国虚拟水研究论文规模占据一定优势,但研究质量和影响力稍显欠缺。

为了更直观地了解主要国家虚拟水研究的影响力和研究质量,我们制作了国家虚拟水研究综合影响力图(图4),即将国家虚拟水研究领域论文的篇均被引频次作为横坐标,反映研究成果的平均质量;国家虚拟水研究领域H指数作为纵坐标,反映研究数量和质量的综合水平;以圆圈面积作为总被引频次,反映国家研究的总体影响力。可以看出,荷兰、美国和瑞士的综合影响力较强,中国的综合影响力处于中偏下的位置。

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图3   2012—2016年主要国家发文变化情况

Fig.3   The paper numbers changes in major countries from 2012 to 2016

结合表1和图4可以发现,虽然我国在发文数量方面具有比较明显的优势,总被引频次和H指数方面的表现也不断提升,但整体上中国的综合研究影响力与国际先进国家相比,还具有较大的差距,最主要表现是篇均被引频次不高(仅位列第12位)和高被引论文比例不高(例如被引频次≥50次/篇的论文比例仅位列第11位)。因此提高研究成果的学术质量和学界影响力是今后我国虚拟水研究的一个重要方向。

在国际合作方面(图5),美国是国际虚拟水研究合作中最重要的合作国家,其次是荷兰、德国、英国和中国等。各国合作还呈现出一定的区域性特点,如欧洲国家间合作较为紧密,美国与墨西哥、加拿大等国的合作较多。中国的合作国家主要是美国,其次是沙特和奥地利等。研究成果的国际合作情况可以反映出该研究领域的国际化程度,也是体现研究领域国际影响力的重要方面,我国的虚拟水研究国际合作仍有较大的提升空间,比如应进一步寻求加强与虚拟水研究的传统强国荷兰、德国、英国及澳大利亚等的合作。

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图4   1990—2016年主要国家发文综合影响力
圆圈面积代表总被引频次

Fig.4   Comprehensive influence based on papers of the major countries from 1990 to 2016
Circle area represents the total times cited

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图5   1990—2016年主要国家合作情况

Fig.5   Cooperation among major countries from 1990 to 2016

3.3 研究机构分析

从虚拟水研究的发文数量来看,全球主要研究机构的发文量差距并不十分明显(图6)。发文数量较为突出的是荷兰特温特大学,有84篇。澳大利亚联邦科工组织、中国科学院和荷兰瓦格宁根大学的发文量也较多。除中国科学院外,中国的北京师范大学、北京林业大学发文量也进入前10位,中国研究机构的虚拟水研究成果数量方面已经颇具规模。

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图6   1990—2016年发文量前15位的机构

Fig.6   Top fifteen institutions based on published articles number from 1990 to 2016

在主要机构(前15位)中,荷兰特温特大学、澳大利亚联邦科工组织和联合国教科文组织的总被引频次较高,总被引次数均超过1 000次;篇均被引频次较高的机构有荷兰特温特大学、联合国教科文组织和瑞士联邦理工学院,都超过了30次/篇;被引频次≥50次的论文比例较高的是联合国教科文组织和荷兰特温特大学,超过20%;H指数最高的机构是荷兰特温特大学,为34;澳大利亚联邦科工组织和荷兰瓦格宁根大学排名第2位,为16;中国科学院、联合国教科文组织和荷兰代尔夫特理工大学并列第3位,均为15(表2)。可以看出,中国科学院、北京师范大学和北京林业大学等中国机构在总被引频次、篇均被引和H指数方面与荷兰特温特大学等机构有着较大的差距。

参照国家影响力图(图5),我们制作了国际主要机构虚拟水研究综合影响力图(图7),将机构虚拟水研究领域论文的篇均被引频次作为横坐标,反映研究成果的平均质量;机构虚拟水研究领域H指数作为纵坐标,反映研究数量和质量的综合水平;以圆圈面积作为总被引频次,反映机构研究的规模影响力。可以直观地看出,荷兰特温特大学、联合国教科文组织的综合影响力较为突出,中国3个机构的综合影响力处于中等水平。与中国整体所处的位置相似,我国相关机构研究成果的篇均被引频次指标是与国际领先机构综合影响力拉开差距的主要因素。

在研究机构层面的国际合作方面(图8),荷兰特温特大学和瓦格宁根大学、中国的北京师范大学和中国科学院、美国普渡大学、日本国家环境研究所、联合国教科文组织、澳大利亚联邦科工组织等是国际虚拟水研究合作的核心机构。

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图7   1990—2016年主要机构发文综合影响力

Fig.7   Comprehensive influence based on papers of the major institutions from 1990 to 2016

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图8   1990—2016年主要机构国际合作情况

Fig.8   Cooperation among major institutions from 1990 to 2016

3.4 主要研究热点

根据Web of Science的研究领域分类,我们对国际虚拟水研究的研究论文进行了统计(表3)。根据统计,可以发现虚拟水研究主要涉及“环境科学与生态学”、“工程学”和“水资源”3个研究领域,其中“环境科学与生态学”和“工程学”领域的发文均超过1 000篇。

从关键词角度统计发现,虚拟水研究所涉及的关键词除“虚拟水”(Virtual water)本身外,还包括“灰水”(Greywater)、“水足迹”(Water footprint)、“绿水”(Green water)等(图9)。表明虚拟水研究更倾向于在水循环评估的应用层面展开,其研究重点在于基于虚拟水概念,对水资源在工农业中的循环利用和转移情况开展研究评估。

在各国研究论文所关注的关键词可以看出,不同国家所关注的方向不尽相同。例如,美国对于“灰水”研究、水资源利用的“可持续性”(Sustainability)的关注度比较高;中国对于从虚拟水角度的水资源评估和基于虚拟水分析方法的区域水资源利用方面更为关注,并侧重于采用“投入产出”分析方法开展研究;荷兰更侧重于对“灰水”、“水资源短缺”和国家间“虚拟水贸易”等方面的研究和评估(表4)。整体来看,20世纪90年代以来,虚拟水研究的相关概念逐渐细化和清晰,基于虚拟水相关概念的应用研究也得到广泛应用和不断深化。

为了更直观地了解虚拟水研究的热点变化,我们对主要关键词(前20位)出现频次的年度变化情况进行了统计(图10)。可以发现,2007年以来,虚拟水研究领域对于灰水(Greywater)的研究热度开始提升,直到近几年灰水研究也一直成为虚拟水研究的重要方向之一,反映出对于从虚拟水角度认识和解决水污染问题的研究稳步推进。水足迹研究自21世纪初相关概念提出以来,相关研究于2011年开始大幅增长,截止2016年已成为虚拟水研究中出现频次最高的关键词。此外,水资源缺乏、水资源可持续利用以及气候变化等问题也是虚拟水研究涉及的重要研究方向。

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图9   1990—2016年国际研究主要涉及的关键词

Fig.9   Main key words relating to international virtual water research from 1990 to 2016

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图10   主要关键词2000—2016年变化情况
圆圈的大小代表关键词出现的频次;圆点越大代表出现频次越高,圆点越小代表关键词出现频次越低

Fig.10   The number changes of the main keywords from 2000 to 2016
The size of the circle indicates the frequency of keyword occurrences. The larger circle means the higher frequency, and the smaller circle means the lower the frequency of the keywords

4 结 论

虚拟水研究及虚拟水战略研究为全球水资源评估和利用研究提供了一个独特的视角,对于系统认识和管理日益减少的水资源具有重要意义。通过对全球虚拟水研究领域的相关文献进行统计分析,我们对于整体国际虚拟水研究的研究力量(国家和机构)状况以及主要研究方向有了一个全面量化的认识。基于定量化的统计分析,从文献计量视角,我们对于国际虚拟水研究有以下几个方面的认识:

(1) 全球虚拟水研究方兴未艾

自20世纪90年代“虚拟水”及其衍生的相关概念产生以来,虚拟水及虚拟水战略的相关的研究稳步推进,研究成果的数量经历了最初的缓慢增长到快速增长的过程。2008年之后,虚拟水研究进入一个快速增长的时期,10年内已经增长了数倍之多,研究体量已经初具规模。值得注意的是,中国是近年来研究论文数量增长最快的国家之一,研究成果总量已跃居全球第二。在全球水资源压力持续增加的背景下,虚拟水研究将在未来水循环研究评估中发挥更重要的作用,继续加强相关理论研究和应用研究,从虚拟水战略角度对相关区域、工农业领域、水资源贸易流动等方面开展有针对性的评估和研究,对当前我国乃至全球面临的水资源短缺、水污染和水资源分配不平衡等问题具有很好的借鉴意义。

(2) 欧美主要国家研究实力较强

作为科技大国的美国、中国以及虚拟水研究传统强国荷兰等国是发文量最多的国家,而美国和中国的发文量增长速度远超荷兰。综合研究影响力来看,美国、荷兰和瑞士等国的综合实力较强。我国与上述国家的差距依然较大,主要体现在研究成果的受关注度不高、高影响力论文缺乏等方面。以荷兰特温特大学为代表的欧洲研究机构的综合影响力十分显著,成为全球虚拟水研究的核心。我国应积极开展国际合作,特别是应着力加强与荷兰等国际虚拟水研究强国的合作,以提升我国的相关研究实力和影响力。

(3) 国际合作呈现地缘合作特点

虚拟水研究的国际合作呈现出一定的区域性合作特点。从国际发文合作关系可以看出,除了重点国家之间的合作外,国家间更倾向于选择毗邻国家和邻近国家开展合作,例如,美国与墨西哥、加拿大等国的合作发文较多,德国与芬兰、法国等邻国的合作较为紧密。除了人员合作的便利性因素之外,全流域虚拟水评估普遍受到重视以及虚拟水在邻国的流动较其他国家更为便捷也是重要的影响因素。

(4) 虚拟水研究致力于解决经济社会发展中的水问题

虚拟水概念和虚拟水战略将水资源问题引入社会经济系统,拓展了解决水资源短缺问题的方案选择集^[14]。虚拟水研究所涉及的研究领域和学科较为广泛,但整体上聚焦于“环境科学与生态学”和“工程学”两大领域。各国在虚拟水研究方面的侧重点略有不同,但整体趋向于基于虚拟水视角分析和评估水资源的分布和流动问题以及提高水资源利用率方面,如流域内水资源评估、虚拟水贸易研究、农业水资源利用等。虚拟水概念本身决定了其跨学科的特性,也决定了其应用的广泛性。而基于虚拟水概念的相关研究和应用,在不同领域中的侧重点也不尽相同,例如,农业领域的绿水资源研究、工业领域中的灰水研究、商品贸易中的水足迹研究等^[15,16]。毋庸置疑的是,虚拟水及其战略研究将为全球水资源的可持续利用提供更为广阔和科学的视角。因此,加强虚拟水相关研究对于系统了解社会经济系统中的水资源流动状况,促进水资源可持续利用十分重要。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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