基于文獻(xiàn)計(jì)量的森林和草原可燃物含水率研究

常 暢,常 禹,胡遠(yuǎn)滿,布仁倉(cāng),張 恒

1 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所中國(guó)科學(xué)院森林生態(tài)與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽(yáng) 110016

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

3 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 呼和浩特 010019

森林生態(tài)系統(tǒng)具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、保持水土等生態(tài)功能,在維護(hù)生態(tài)平衡中具有重要作用。草地生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)陸地上面積最大的生態(tài)系統(tǒng),在發(fā)展畜牧業(yè)、保護(hù)生物多樣性、固持水土等方面占有重要地位[1]。森林火災(zāi)、草原火災(zāi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)破壞力強(qiáng),是最普遍的干擾方式之一。2019年年初至同年8月,巴西境內(nèi)森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)超過(guò)7萬(wàn)起[2],多發(fā)生在雨林邊緣,濕度相對(duì)較低且人類活動(dòng)較為頻繁的地區(qū)。2019年9月,澳大利亞山火肆虐[3],至2020年7月底,澳大利亞叢林大火導(dǎo)致30億動(dòng)物死亡,經(jīng)濟(jì)損失更加無(wú)法估量。2020年3月30日,我國(guó)四川涼山西昌發(fā)生森林大火,因空氣濕度極低,氣溫較高,火勢(shì)蔓延迅猛,造成18名消防員和1名林場(chǎng)職工犧牲的慘劇。2018年數(shù)據(jù)顯示,全球草原面積達(dá)32.73億公頃,草原所提供的生產(chǎn)力不容小覷,草原火災(zāi)將威脅牧民的生命財(cái)產(chǎn)安全以及牲畜生存,影響畜牧業(yè)發(fā)展,帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

可燃物是火災(zāi)發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)和重要載體,可燃物含水率的高低程度決定了火的發(fā)生和蔓延[4]?？扇嘉锱c其所處的環(huán)境進(jìn)行水汽交換是影響可燃物含水率變化的主要因素,含水率的多少與其所處的自然環(huán)境的干濕程度和氣溫度高低相關(guān)[5—6]。森林、草原火災(zāi)危害巨大,探究可燃物含水率能夠發(fā)掘林火/草原火點(diǎn)燃的難易程度和蔓延速率,預(yù)測(cè)林火、草原火行為[7],防患于未然,降低火災(zāi)發(fā)生的可能性,減少經(jīng)濟(jì)損失,為生產(chǎn)生活提供便利。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外有關(guān)可燃物含水率的研究已基本成熟,Ertugrul[8]等模擬了正常儲(chǔ)存的卡拉布里亞松(Pinus brutia Ten)地表可燃物的水分含量與土耳其穆格拉省的天氣條件(即溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速)的關(guān)系。Lee等[9]比較了基于3種10 h可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的性能。胡海清[7]等分析了防火期和坡向?qū)Υ笈d安嶺地區(qū)南甕河混交林地表可燃物含水率預(yù)測(cè)模型精度的影響。于宏洲[10]等應(yīng)用時(shí)滯平衡含水率法及氣象要素回歸法,分析了大興安嶺地區(qū)陽(yáng)坡上部落葉松林可燃物含水率的動(dòng)態(tài)變化。國(guó)內(nèi)外可燃物含水率研究大多探究含水率的影響因素和預(yù)測(cè)評(píng)估模型,亦有關(guān)于可燃物含水率研究的綜述性文章,但是,這些綜述一般是基于對(duì)已有研究的總結(jié),鮮有利用文獻(xiàn)計(jì)量的方法理清研究領(lǐng)域研究進(jìn)展、發(fā)展脈絡(luò)的文章。

文獻(xiàn)計(jì)量是一種常見(jiàn)的定量分析方法,它基于數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,以可獲取文獻(xiàn)的諸多特征為研究對(duì)象,探究其分布結(jié)構(gòu)、數(shù)量關(guān)系和變化規(guī)律等[11],通過(guò)知識(shí)圖譜將文獻(xiàn)計(jì)量可視化結(jié)果展示出來(lái)[12],并以此為依據(jù)分析有關(guān)研究的發(fā)展特征和規(guī)律,是一種成熟的文獻(xiàn)分析和信息挖掘方法[13]。CiteSpace文獻(xiàn)計(jì)量分析軟件由美國(guó)德雷賽爾大學(xué)陳超美博士設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[14—15],用于文獻(xiàn)信息的計(jì)量與可視化,在諸多領(lǐng)域中被廣泛使用[16—17]。因此,本文以CiteSpace 5.7.R2為輔助手段,探究當(dāng)前國(guó)際上關(guān)于森林和草原可燃物含水率的研究進(jìn)展,旨在理清當(dāng)前相關(guān)研究的主要方向,尋求新的突破,從而促進(jìn)森林和草原可燃物含水率研究的未來(lái)發(fā)展,更好地預(yù)測(cè)火行為,增進(jìn)人類福祉。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究基于WEB OF SCIENCE數(shù)據(jù)庫(kù)核心合集,檢索主題中同時(shí)包含“fuel moisture”和“forest”,以及同時(shí)包含“fuel moisture”和“grassland”的文獻(xiàn),輸入檢索式TS=((fuel moisture) AND (forest)),記為#1,TS=((fuel moisture) AND (grassland)),記為#2,在WEB OF SCIENCE中組配兩個(gè)檢索式檢索到的結(jié)果,記為#1OR#2,由于web of science 核心合集所收錄文獻(xiàn)最早為1980年,因此檢索的時(shí)間范圍是1980至2020年10月,剔除無(wú)效、重復(fù)的文獻(xiàn),共計(jì)檢索到文章1298篇。

1.2 研究方法

可視化軟件CiteSpace能夠清晰準(zhǔn)確地解讀某一知識(shí)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)、研究前沿、研究熱點(diǎn)等信息。目前比較常見(jiàn)的可視化有CiteSpace,Bibexcel,Sati,VOSviewer等,CiteSpace因其可視化效果好,功能全面,布局合理,在眾學(xué)科領(lǐng)域中被學(xué)者們廣泛使用[18—19]。以此1298篇有關(guān)森林/草原可燃物含水率研究的文章為研究對(duì)象,導(dǎo)出文章題錄信息,再基于web of science內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合Excel對(duì)文章數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),基于Java環(huán)境下的CiteSpace 5.7.R2進(jìn)行學(xué)科領(lǐng)域分析、研究力量分析、對(duì)文章關(guān)鍵詞根據(jù)時(shí)間序列進(jìn)行分析,以及根據(jù)引文的聚類分析和突現(xiàn)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻(xiàn)基本特征分析

2.1.1文獻(xiàn)數(shù)量變化規(guī)律分析

根據(jù)檢索到的1298篇有關(guān)森林/草原可燃物含水率文章的出版年份繪制出發(fā)文數(shù)量變化圖(圖1)。根據(jù)圖1的發(fā)文數(shù)量,可以將研究的發(fā)展歷程分為3個(gè)階段:1980—2000年為緩慢發(fā)展階段,年發(fā)文數(shù)量少,增長(zhǎng)緩慢,增長(zhǎng)率浮動(dòng)較大,20世紀(jì)末,相關(guān)研究大多處于起步階段,技術(shù)手段落后,國(guó)際合作交流較少,導(dǎo)致文獻(xiàn)數(shù)量較少。2001—2010年為快速發(fā)展階段,這一時(shí)期增長(zhǎng)率趨于平緩,除個(gè)別年份小幅下降外,大部分年份處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),21世紀(jì)以來(lái)網(wǎng)絡(luò)通訊發(fā)展完善,信息數(shù)據(jù)全球共享,全球衛(wèi)星遙感事業(yè)取得長(zhǎng)足發(fā)展,這些都為研究提供了極大的支持。2011至今為波動(dòng)增長(zhǎng)階段,這一時(shí)期發(fā)文數(shù)量整體上波動(dòng)較大,2016年和2019年為負(fù)增長(zhǎng)率,由于統(tǒng)計(jì)時(shí)間在2020年中葉,因此2020文獻(xiàn)數(shù)量不具有代表性。2010年7月俄羅斯多地發(fā)生森林大火,同年9月美國(guó)科羅多州發(fā)生森林大火,2013年美國(guó)亞利桑那州森林大火,因此推測(cè)特大火災(zāi)的發(fā)生是導(dǎo)致次年研究數(shù)量大量增加的原因。

圖1 森林/草原可燃物含水率研究發(fā)文數(shù)量變化

2.1.2學(xué)科領(lǐng)域

在WEB OF SCIENCE數(shù)據(jù)庫(kù)核心合集中,每篇文章會(huì)涉及一個(gè)或多個(gè)學(xué)科類別的學(xué)科標(biāo)簽加以顯示,得出學(xué)科領(lǐng)域的分類圖(圖2),圖中帶有玫粉色圈層的節(jié)點(diǎn)代表了該學(xué)科突現(xiàn)性。由圖2可知,在森林/草原可燃物含水率的研究中,Forestry(林學(xué)),Environmental science and ecology(環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)),Environmental science(環(huán)境科學(xué)),Ecology(生態(tài)學(xué)),Remote sensing(遙感),Engineering(工程學(xué)),Meteorology and atmospheric science(氣象和大氣科學(xué)),Energy and Fuels(能源與燃料),Geosciences multidisciplinary(地理科學(xué)多學(xué)科),Geology(地質(zhì)學(xué)),Agriculture(農(nóng)學(xué))等學(xué)科是其涉及得的主要研究領(lǐng)域。其中林學(xué)所占的數(shù)量最多,說(shuō)明對(duì)于森林可燃物含水率的研究居多,這是由于森林火災(zāi)強(qiáng)大的破壞性和頻發(fā)性使這類研究數(shù)量居多。在分析過(guò)程中得知,環(huán)境科學(xué)這一學(xué)科的中心性最高,達(dá)到0.43,說(shuō)明研究森林/草原可燃物含水率這一研究方向主要致力于環(huán)境研究,為提高人類賴以生存的地球環(huán)境而服務(wù)。這一方向是一個(gè)綜合了林學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地理科學(xué)、遙感等學(xué)科的多學(xué)科交叉領(lǐng)域,與地理科學(xué)和氣象大氣科學(xué)的學(xué)科交叉,體現(xiàn)對(duì)含水率的研究不只是考慮小范圍的區(qū)域生態(tài)而是更具有空間維度,與能源燃料和工程學(xué)的交叉體現(xiàn)了研究向?qū)嶋H應(yīng)用的邁進(jìn)。

圖2 森林/草原可燃物含水率研究學(xué)科領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)圖

2.1.3研究力量分析

利用CiteSpace 5.7.R2,對(duì)文獻(xiàn)來(lái)源國(guó)家(Country)進(jìn)行分析,將發(fā)文數(shù)量大于30的國(guó)家標(biāo)簽加以顯示,共13個(gè)國(guó)家,得出國(guó)際合作關(guān)系圖(圖3),得出13個(gè)國(guó)家科研實(shí)力信息表(表1)。

圖3 國(guó)際合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖

結(jié)合表1和圖3可知,(1)在有關(guān)森林/草原可燃物含水率相關(guān)研究中,美國(guó)的研究實(shí)力在世界各國(guó)中居于領(lǐng)先地位,相關(guān)文獻(xiàn)中由美國(guó)作者發(fā)表或合作發(fā)表的數(shù)量達(dá)到496次,文獻(xiàn)首次發(fā)表年份最早,遠(yuǎn)超居第二位的澳大利亞180次,h-指數(shù)和被引次數(shù)也遠(yuǎn)超各國(guó),說(shuō)明美國(guó)科研實(shí)力最高,其中心性也最高,代表美國(guó)與世界各國(guó)有著較為緊密的合作關(guān)系。(2)我國(guó)相關(guān)研究起步較晚,國(guó)際文獻(xiàn)最早出現(xiàn)在2004年,按照文獻(xiàn)數(shù)量,我國(guó)位居世界第五,但我國(guó)的h-指數(shù)和被引次數(shù)均低于文獻(xiàn)數(shù)量少于我國(guó)的兩個(gè)國(guó)家,這一現(xiàn)象表明我國(guó)在這一領(lǐng)域的科研實(shí)力有待加強(qiáng),在提高研究數(shù)量的同時(shí)更要保證研究質(zhì)量。(3)位居前3位的國(guó)家都是國(guó)土面積較大且森林面積廣闊的發(fā)達(dá)國(guó)家,此外,在前13位的國(guó)家中,只有中國(guó)和巴西兩個(gè)發(fā)展中國(guó)家,這與兩個(gè)國(guó)家擁有大面積森林和草原的自然地理特征有關(guān),由此說(shuō)明,森林/草原可燃物含水率研究是各國(guó)專家學(xué)者為解決實(shí)際問(wèn)題而產(chǎn)生,有較強(qiáng)的地理相關(guān)性。

表1 科研實(shí)力信息表

2.2 研究進(jìn)展分析

2.2.1關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞是每一篇學(xué)術(shù)論文的組成部分,是對(duì)文章的高度概括和凝練[20]。同時(shí),關(guān)鍵詞又代表著不同研究領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)[21]。因此,透過(guò)關(guān)鍵詞往往能夠理清某一研究領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)與趨勢(shì),進(jìn)而整體把握該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,有助于進(jìn)一步展開(kāi)深入研究。本研究提取了檢索到的1298篇森林/草原可燃物含水率研究的關(guān)鍵詞,導(dǎo)入CiteSpace 5.7.R2中,文獻(xiàn)篩選范圍從1990—2020年,設(shè)置兩年為一個(gè)時(shí)間切片,將出現(xiàn)頻次大于30的關(guān)鍵詞標(biāo)簽加以顯示,對(duì)共現(xiàn)情況進(jìn)行可視化,并選擇時(shí)區(qū)視圖加以呈現(xiàn)如圖4。

圖4 森林/草原可燃物含水率關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)圖(時(shí)區(qū)視圖)

如圖4,圖中節(jié)點(diǎn)和線條不同的顏色代表不同的時(shí)間切片,顏色越深,年代越久。每個(gè)圓形節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)關(guān)鍵詞,節(jié)點(diǎn)越大代表其出現(xiàn)頻次越多,節(jié)點(diǎn)所在位置代表其最早出現(xiàn)的時(shí)間,關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)年輪的顏色由中心向四周逐漸變淺,某一層越厚,說(shuō)明這一關(guān)鍵詞在該顏色所代表的時(shí)間切片中出現(xiàn)次數(shù)越多；節(jié)點(diǎn)間的連線代表兩個(gè)關(guān)鍵詞共同出現(xiàn)在同一篇文獻(xiàn)中的事件,線條顏色代表兩個(gè)關(guān)鍵詞第一次出現(xiàn)在同一篇文章中的年份,線條越粗,共現(xiàn)次數(shù)越多[12]。

結(jié)合圖4按照時(shí)間脈絡(luò),可以歸納出森林/草原可燃物含水率研究的大致發(fā)展特點(diǎn)。(1)20世紀(jì)90年代的關(guān)鍵詞主要是forest(森林)、fire(火)、climate change(氣候變化)、biomass(生物量)、vegetation(植被)等,此時(shí)的研究大多是探究森林地區(qū)的可燃物含水率與氣象條件如溫度和濕度、氣候變化、區(qū)域生物量等一些變量的內(nèi)在聯(lián)系,或火災(zāi)現(xiàn)象對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響。California(加利福尼亞)作為關(guān)鍵詞出現(xiàn),說(shuō)明當(dāng)時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)研究以州/省域?yàn)檠芯繀^(qū)域。Fire regime(管理體制)一詞在20世紀(jì)90年代末出現(xiàn),這表明可燃物含水率研究不再停留于理論層面,開(kāi)始面向?qū)嶋H應(yīng)用。(2)21世紀(jì)開(kāi)始出現(xiàn)model(模型)、modi(程序)、index(指數(shù))、remote sensing(遙感)、fire severity(火烈度)、fire danger(火險(xiǎn))等詞,說(shuō)明這一時(shí)期伴隨著計(jì)算機(jī)的普及、全球衛(wèi)星事業(yè)的發(fā)展,研究工具得以改進(jìn),人們對(duì)于可燃物含水率的估測(cè)以及火災(zāi)的量化評(píng)估開(kāi)始穩(wěn)步推進(jìn)。(3)2008年左右出現(xiàn)了United States(美國(guó)),標(biāo)志著研究區(qū)域已經(jīng)從州/省域擴(kuò)大到國(guó)家層面。(4)2010年以后logging residue(采伐殘?jiān)?一詞的出現(xiàn),體現(xiàn)了森林可燃物含水率的研究中考慮了更加多樣的可燃物種類,將人類活動(dòng)影響加以考慮,研究更加客觀、精確、符合實(shí)地情況。

2.2.2聚類分析

每一篇文獻(xiàn)都會(huì)引用數(shù)篇同領(lǐng)域的,或與文章內(nèi)容相近的文獻(xiàn),頻繁的共同引用表明它們具有共同相關(guān)的研究主題,因此探究文章的共被引情況,共引分析可以根據(jù)內(nèi)容的相似程度將相關(guān)參考文獻(xiàn)分組聚類,從而分析這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[22]。Citespace的共被引分析是基于檢索到的文章及其引用文章進(jìn)行分析,得出文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)可視圖之后,對(duì)所呈現(xiàn)的點(diǎn)進(jìn)行聚類,從施引文獻(xiàn)的標(biāo)題、關(guān)鍵詞或摘要中提取聚類命名術(shù)語(yǔ)。本文對(duì)有關(guān)森林/草原可燃物含水率的1298篇文章進(jìn)行聚類,兩年為一個(gè)切片,得出13個(gè)群集,群集名稱選取LLR(Log-likelihood Ratio)算法計(jì)算得到,采用時(shí)間線視圖(Timeline)加以顯示,每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一篇文獻(xiàn),節(jié)點(diǎn)間連線代表其共同被引用的關(guān)系,得出引文聚類情況網(wǎng)絡(luò)圖(圖5)。

圖5 引文聚類情況網(wǎng)絡(luò)圖(時(shí)間線視圖)

聚類后得出Q值(Modularity聚類模塊值)和S值(Silhouette)聚類平均輪廓值,一般認(rèn)為Q>0.3時(shí),聚類結(jié)構(gòu)顯著,S>0.5聚類是合理的,S>0.7,聚類是可信的。本次聚類中Q值為0.8489,代表聚類結(jié)構(gòu)顯著；S值為0.9318,說(shuō)明聚類可信度高。群集標(biāo)簽從0—5依次為#0 radiative transfer modeling(輻射傳輸建模),#1 assessing crown fire potential(樹(shù)冠火潛力評(píng)估),#2 shoot flammability(枝條可燃性),#3 western USA(美國(guó)西部),#4 fire science(火災(zāi)科學(xué)),#5 predicting temperate ecosystem sensitivity(生態(tài)系統(tǒng)敏感性預(yù)測(cè)),#6 inter-hemispheric synchrony(兩半球同步),#7 fire risk assessment(火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估),#8 dead fuel(死可燃物),#10 wildfire consumption(野火消耗),#11 forest floor duff(森林半腐層),#12 beetle attack(甲蟲(chóng)攻擊),#13 dominant forest cover(主要森林覆蓋)。群集序號(hào)越小,所包含的文獻(xiàn)數(shù)量越多。由于群集標(biāo)簽是從影響力最強(qiáng)的文章題目中提取,導(dǎo)致標(biāo)簽不能準(zhǔn)確地概括群集中的所有文章內(nèi)容,因此本文選取了前5個(gè)群集對(duì)文章進(jìn)行具體分析,剩余群集中包含的文獻(xiàn)由于數(shù)量少,代表性不強(qiáng),因此不做具體分析。

群集#0所包含的文章主題相似,主要是以遙感技術(shù)為依托,評(píng)估葉片含水量,從而對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[23]。Emilio[24]基于AVHRR數(shù)據(jù)的多時(shí)相分析,提出了一種提取地中海地區(qū)草地和灌木物種燃料含水率的方法。K?tz[25]通過(guò)對(duì)針葉林上的成像光譜儀數(shù)據(jù)的采集,獲取植被冠層結(jié)構(gòu)和葉面含水量的空間分布信息,用于評(píng)估森林火災(zāi)對(duì)樹(shù)木的影響。這一群集的文獻(xiàn)平均發(fā)表年份在2002年,由于20世紀(jì)90年代國(guó)際遙感技術(shù)發(fā)展成熟,影像分辨率得到較大提升,使遙感影像在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛使用,導(dǎo)致這一時(shí)期通過(guò)遙感影像評(píng)估植被冠層含水率的方法模型的相關(guān)研究大量涌向。

群集#1中的文章以評(píng)估形式為主[26],探究森林火災(zāi)的發(fā)生與不同變量之間的聯(lián)系,其中對(duì)于氣候變化與火災(zāi)間的關(guān)系研究較為常見(jiàn)。如Flannigan[27]分析了加拿大火災(zāi)天氣指數(shù)(FWI)與加拿大生態(tài)區(qū)域歷史燃燒面積之間關(guān)系,并結(jié)合加拿大和哈德利中心GCMs的產(chǎn)品,預(yù)測(cè)未來(lái)的燃燒面積。Cochrane[28]探究了亞馬遜地區(qū)火災(zāi)與土地利用、氣候變化間的協(xié)同作用。Dymond[29]提出了一種基于衛(wèi)星火災(zāi)探測(cè)(hotspot)數(shù)據(jù)的火險(xiǎn)分級(jí)系統(tǒng)校準(zhǔn)的方法,探究西印度尼西亞和馬來(lái)西亞森林火災(zāi)問(wèn)題與加拿大森林火災(zāi)天氣指標(biāo)體系的兩個(gè)組成部分之間的關(guān)系。這部分文章多以辯證思維展開(kāi)探究,對(duì)已有的方法展開(kāi)評(píng)估或驗(yàn)證其準(zhǔn)確程度。

群集#2包含的文章以植被或其凋落物的可燃性為主要研究對(duì)象[30]。研究可燃物含水率的目的是為了探究可燃物燃燒的可能性,從而對(duì)燃燒行為加以利用或規(guī)避,因此可以說(shuō),植被或凋落物的可燃性是森林/草原可燃物含水率的研究的核心部分。專家學(xué)者以不同的視角、方法分析不同植被的可燃性。Essaghi[31]以可燃物含水率的兩個(gè)相關(guān)參數(shù)——點(diǎn)火時(shí)間和火焰高度作為可燃性的指數(shù),對(duì)摩洛哥森林燃料的可燃性進(jìn)行評(píng)估。Alam[32]分析了新西蘭的43中本地多年生植物的葉片和莖部的可燃性數(shù)據(jù),解耦了莖部可燃性和葉片可燃性間的聯(lián)系。Cawson[33]分析了潮濕氣候條件下桉樹(shù)林可燃性的驅(qū)動(dòng)因素,結(jié)合了從21位火災(zāi)專家技術(shù)中獲取的啟發(fā),建立了濕潤(rùn)桉樹(shù)林區(qū)可燃性的概念模型。

群集#3軟件生成的標(biāo)簽為western USA,主要是由于這一群集的文章中大部分以美國(guó)西部為研究區(qū),通過(guò)上文分析,美國(guó)在這一方向的研究中一直處于遙遙領(lǐng)先的地位,因此美國(guó)學(xué)者也往往會(huì)選擇本土作為自己的研究區(qū)。美國(guó)西部地形高大的山地、高原為主,科迪勒拉山系高度大、寬度廣,包括海岸山脈、內(nèi)華達(dá)山脈和落基山脈,森林覆蓋面積大,物種多樣,生態(tài)環(huán)境復(fù)雜,是森林火災(zāi)的頻發(fā)地區(qū)。幾十年來(lái)美國(guó)西部野火的頻繁出現(xiàn),人們逐漸發(fā)現(xiàn)火災(zāi)與氣候之間的聯(lián)系,Abatzoglou[34]探究了美國(guó)西部八個(gè)地理區(qū)域協(xié)調(diào)中心的地區(qū)氣候與大型火災(zāi)面積的關(guān)系。Gabrielle[35]探究了科學(xué)地管理野火對(duì)內(nèi)華達(dá)山脈植被變化的影響、植被變化對(duì)當(dāng)?shù)厮牡挠绊懸约爸脖蛔兓瘜?duì)森林火災(zāi)燃燒特征和生態(tài)系統(tǒng)彈性的影響。

群集#4所包含的文章大多以火災(zāi)科學(xué)為主題,或最終目的致力于火災(zāi)的防控。這些文章發(fā)表時(shí)間較晚,平均年份為2016年,是在可燃物含水率研究發(fā)展到一定時(shí)期必然興起的產(chǎn)物,經(jīng)過(guò)了早期的對(duì)可燃物的可燃性研究,以及對(duì)燃燒過(guò)后的生態(tài)恢復(fù)研究,消防任務(wù)顯得尤為重要。因此,Collins[36]使用陸地衛(wèi)星圖像生成準(zhǔn)確的火災(zāi)嚴(yán)重程度地圖,這對(duì)于記錄火災(zāi)狀態(tài)、為火災(zāi)后管理反應(yīng)以及在研究應(yīng)用設(shè)定優(yōu)先級(jí)具有重要意義。Chuvieco[37]總結(jié)了衛(wèi)星遙感在消防科學(xué)與火災(zāi)管理上的貢獻(xiàn)。全球氣候變暖、人類活動(dòng)增強(qiáng)的大背景下,森林/草原消防工作的重要性日益凸顯,消防工作需要科學(xué)化系統(tǒng)化的管理才能將不必要的火災(zāi)防患于未然,一旦火災(zāi)出現(xiàn),可以以最迅速地?fù)錅?將損失降到最低,因此有關(guān)消防科學(xué)的研究應(yīng)運(yùn)而生。

綜上,森林/草原可燃物含水率相關(guān)研究在研究方法上以遙感反演為主流研究方法,氣候變化是最常見(jiàn)的研究視角,植被或枯落物的可燃性是研究的核心內(nèi)容,美國(guó)西部是研究最多的區(qū)域,消防科學(xué)是最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.3 研究前沿分析

為了了解當(dāng)前森林/草原可燃物含水率的研究前沿,本文利用CiteSpace 5.7.R2分析文獻(xiàn)的突現(xiàn)性,突現(xiàn)性是指某一篇文獻(xiàn)在某一時(shí)期被引次數(shù)陡然增加,被引次數(shù)越多,說(shuō)明在這一段時(shí)期里相關(guān)研究大量出現(xiàn),因此近期的突現(xiàn)性一定程度上可以代表研究前沿。本文篩選出突現(xiàn)性最強(qiáng)的25篇文獻(xiàn),并選取其中突現(xiàn)階段距今最近的7篇文獻(xiàn),如表2(每個(gè)條塊代表一年,較粗條塊代表突現(xiàn)時(shí)期),將其作為當(dāng)前的研究前沿。

表2 森林/草原可燃物含水率研究近期突現(xiàn)文獻(xiàn)

結(jié)合表2以及相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)出當(dāng)前的研究前沿為以下3個(gè)方面:

1)大尺度的全球火險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究。全球氣候變化的大環(huán)境推進(jìn)大尺度的全球火險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究,大尺度全球火險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究反之將豐富全球氣候變化對(duì)人類影響的研究,對(duì)全球范圍內(nèi)人類共同應(yīng)對(duì)氣候變化提出新看法,推動(dòng)全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略部署。相比于遙感影像等地面數(shù)據(jù),氣象數(shù)據(jù)往往更容易獲取,因此大尺度研究通常以大量的氣象數(shù)據(jù)加以分析佐證,結(jié)合氣候模型進(jìn)行分析[40,43]。

2)可燃物可燃性的多維度分析?？扇夹允强扇嘉锖恃芯康暮诵膬?nèi)容,早期研究大多集中在可燃物含水率預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建,或探究其與氣象因子的關(guān)系,這些研究大多分析可燃物時(shí)空間變化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)火險(xiǎn)的預(yù)測(cè)目的。進(jìn)一步剖析可燃性的屬性,可將其劃分為可燃性、熱釋放和火災(zāi)蔓延率3個(gè)維度[42],用于分析燃燒產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)以及從空間上探究火災(zāi)蔓延態(tài)勢(shì),便于人們掌握不同尺度下可燃性的可變性,從而為進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。

3)基于MODIS反演可燃物含水率。隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的成熟發(fā)展,使得遙感影像愈加容易獲取。MODIS數(shù)據(jù)可免費(fèi)獲取,光譜范圍廣,更新頻率高,在實(shí)時(shí)地球觀測(cè)和應(yīng)急處理方面(如森林和草原火災(zāi)監(jiān)測(cè)和救災(zāi))有較大的實(shí)用價(jià)值。因此利用MODIS數(shù)據(jù)反演地表可燃物含水率[39,44]在近期成為研究熱點(diǎn),學(xué)者們的數(shù)據(jù)獲取不再只局限于實(shí)地測(cè)量和利用氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,而是利用MODIS數(shù)據(jù)反演后利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。遙感反演有著比氣象模擬更準(zhǔn)確,比實(shí)地測(cè)量覆蓋面積更廣、更加省時(shí)省力的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)森林/草原可燃物含水率相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量分析,分析研究數(shù)量的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)、所涉及的研究領(lǐng)域、主要研究力量、研究進(jìn)展與前沿,為未來(lái)學(xué)者對(duì)森林/草原可燃物含水率的深入研究提供借鑒。

從研究的基本特征上看,相關(guān)研究在可以分成3個(gè)研究階段,緩慢發(fā)展階段、快速發(fā)展階段和波動(dòng)增長(zhǎng)階段；這一方向綜合了林學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地理科學(xué)、遙感等學(xué)科具有一定的空間維度和實(shí)際應(yīng)用性；美國(guó)的研究實(shí)力在世界各國(guó)中居于領(lǐng)先地位,我國(guó)相關(guān)研究起步較晚,且我國(guó)在未來(lái)的研究中要注重提高研究質(zhì)量,可燃物含水率研究數(shù)量較多的國(guó)家往往有較大的森林面積。

從研究進(jìn)展上看,伴隨著科學(xué)技術(shù)的提高,信息獲取難度大大降低,研究區(qū)面積逐漸擴(kuò)大,由州域擴(kuò)大到全國(guó),進(jìn)而擴(kuò)大到全球范圍；關(guān)于研究方法,20世紀(jì)90年代相關(guān)研究主要以探究可燃物含水率與氣象因子或其他環(huán)境條件之間的關(guān)系為主,實(shí)際應(yīng)用研究也于90年代末期開(kāi)始出現(xiàn)。21世紀(jì)隨著科技進(jìn)步,研究工具得以改進(jìn),依賴于遙感影像、數(shù)學(xué)建模等方法大量出現(xiàn),對(duì)于可燃物含水率的估測(cè)的準(zhǔn)確性得以提升,火災(zāi)的量化評(píng)估開(kāi)始穩(wěn)步推進(jìn)。整體上看,森林/草原可燃物含水率相關(guān)研究在研究方法上以遙感反演為主流研究方法,氣候變化是最常見(jiàn)的研究視角,植被或枯落物的可燃性是研究的核心內(nèi)容,美國(guó)西部是研究最多的區(qū)域,消防科學(xué)是最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

總結(jié)出當(dāng)前的研究前沿主要有3個(gè)方面,大尺度的全球火險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究、可燃物可燃性的多維度分析和基于MODIS反演可燃物含水率。與早期研究相比,當(dāng)前的前沿在研究尺度上更廣闊,在研究視角上更深入透徹,在研究數(shù)據(jù)上的精度更高,更準(zhǔn)確。因此,未來(lái)我國(guó)在森林/草原可燃物含水率研究中,應(yīng)注重對(duì)深度和廣度的挖掘,利用遙感空間信息,增加對(duì)森林/草原可燃物含水率空間異質(zhì)性的研究,形成對(duì)整體區(qū)域上的火險(xiǎn)預(yù)測(cè),注重研究的實(shí)用性。