作者介绍
吕连宏
吕连宏，博士，正高级工程师，硕士生导师，现任中国环境科学研究院环境管理研究中心学术委员会主任、能源与环境经济研究室主任，兼任中国环境科学学会碳达峰碳中和专委会委员、中国能源研究会节能与企业能源管理专委会委员、中华环保联合会专家委员会委员，《环境科学研究》编委、《环境保护》青年编委，主要从事能源与环境经济、“双碳”政策与管理研究，发表学术论文、专著近百篇（部），获省部级科技奖励19项，其中一等奖5项，首届中国能源研究会青年科技奖获得者。
张楠
张楠，人口、资源与环境经济学专业硕士研究生，2022年获国家奖学金。
基于文献计量分析的碳中和研究进展
张楠，吕连宏，王斯一，赵明轩，白梓函，罗宏
中国环境科学研究院
摘要
碳中和是应对全球气候变化的重要举措，对于全球气候治理与人类命运共同体建设具有极其重要的理论与实践意义，国内外学者对碳中和的研究也在持续进行。基于Web of Science核心合集中的SCI-E与SSCI网络数据库进行检索，利用文献计量的方法，对1991—2021年碳中和研究相关论文进行数据分析与挖掘。结果表明：1991—2021年碳中和研究领域的发文量呈现显著上升趋势，研究主要集中在自然科学领域，发文量排名前3的期刊分别是Sustainability、Journal of Cleaner Production和Applied Energy；中国国家自然科学基金委员会共资助该领域459篇研究论文，远高于其他国家的相关机构；研究的中坚力量集中在美国和英国，其论文篇均被引频次分别为51.24、43.21次，远高于中国(16.91次)；目前碳中和的相关研究可以概括为碳中和技术与碳中和政策两大方面，而生物质、氢能源、碳捕集和封存等将会成为未来实现碳中和的关键性技术和主要研究方向。
低碳全球化已成为一个全球化的新命题。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的《全球升温1.5 ℃特别报告》指出，若不能在21世纪中叶将温室气体排放量减少到净零，那么把全球气温控制在工业化前水平以上1.5 ℃以内的目标将无法实现。而《巴黎协定》明确规定，全球应在21世纪末将升温幅度控制在2 ℃，并努力控制在1.5 ℃以内。
在此背景下，碳中和概念得到越来越多国家的重视，其也被称作净零温室气体排放[1-2]。在全球气候治理视域下，碳中和已成为一项重要参考指标，唯有实现全球温室气体净零排放，全球气温的升高进程才有可能得到有效控制[3-5]。中国政府于2020年明确提出力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。欧盟、日本、韩国等也都承诺于2050年实现碳中和。碳中和愿景提出以后，国内相关顶层设计与政策部署进程明显加快。
目前，国内外学者对碳中和领域的研究正逐步增加。研究主要围绕整体碳中和实现路径[6-8]、不同行业碳中和路径分析[9-10]、碳中和政策体系[11-12]以及碳中和目标下的相关研究[9,13-14]等领域，但对碳中和领域的研究现状和热点分析的研究较为鲜见。笔者综合利用文献数据可视化软件CiteSpace和VOSviewer，分析碳中和领域的研究论文，对该领域的作者、主题、关键词等进行分析，统计历年发文量、高被引文献、核心关键词等，以可视化图谱的方式呈现该领域的发展脉络与研究态势，探究其研究方向与前沿热点，归纳该领域研究的国内外差异，以期为碳中和的深入研究提供借鉴与参考。
1、数据来源与研究方法
1.1 数据来源
数据来源于Web of Science核心合集(WoS)中的Science Citation Index Expand(SCI-E)与Social Science Citation Index Expand(SSCI)网络数据库。WoS收录了全世界重要和有影响力的研究论文，是公认的世界上最重要的文献检索平台[15]。综合考虑论文来源的全面性、时效性和前沿性，本研究的检索式主要由“碳中和”作为检索词，为TS =(“carbon neutral*” OR “net zero emissions” OR “carbon offset*”)，设定检索语种为English，文献检索类型为论文或综述论文。检索时间范围为1991—2021年，检索时间为2021年12月16日，共得到3 573篇相关论文。
1.2 研究方法
采用文献计量的方法对论文的相关特征进行分析。文献计量学是集数学、统计学、文献学为一体的交叉学科，注重量化的综合性知识体系，通常利用CiteSpace和VOSviewer软件对相关论文进行科学统计分析[16-17]。CiteSpace是由陈超美教授开发的信息可视化软件，着眼于分析科学论文中蕴含的潜在知识，是在科学计量学、数据和信息可视化背景下逐渐发展起来的一款多元、分时、动态的文献可视化分析软件。它可以提供引文空间的知识聚类和分布，也可以提供作者、机构、国家/地区等知识单元的共现分析[18]。VOSviewer是由Nees Jan van Eck和Ludo Waltman于2009年开发的用于绘制科学知识图谱的文献计量分析软件，该软件具备如文献耦合、共被引、合作以及共此分析等所有常见的文献计量分析功能[19]。综合考虑2款软件的优点，本研究利用CiteSpace和VOSviewer软件进行碳中和领域的论文计量分析[20-21]。
2、 结果与分析
2.1 碳中和研究特征概述
2.1.1 发文量演变特征
1991—2021年碳中和领域历年发文量的分布情况见图1。由图1可知，整体来看，碳中和领域的发文量呈逐年上升趋势，说明碳中和研究不断受到学者们的关注和重视。其研究态势大致经历了3个阶段：1）1991—1997年，为碳中和研究领域的萌芽期。该阶段碳中和相关论文开始出现，但研究较少且部分年份存在空缺，学界对碳中和领域关注度较低。2）1998—2016年，为碳中和研究领域的发展期。该阶段碳中和相关论文的研究数量平稳增加，该领域逐渐受到学者们的重视。1997年12月，《联合国气候变化框架公约》第3次缔约方大会在日本京都召开。149个国家和地区的代表通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的《京都议定书》，吸引了大量学者进一步投入到气候变化的研究领域中[22-25]，但该阶段对于碳中和领域的相关研究还较少。3）2017年至今，为碳中和研究领域的爆发期。该阶段，受自然和人类活动的共同影响，全球发生了以变暖为显著特征的气候变化。2016年《巴黎协定》的正式签署，开启了全球气候治理的新起点。2020年9月，中国国家主席习近平宣布中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。随后，随着日本、韩国等国家碳中和目标的提出，碳中和相关研究呈现出爆发式上升的趋势，研究成果迅速增加，这在一定程度上也体现了研究的热度与政策导向的关系。
图 1 1991—2021年碳中和研究领域发文量变化
2.1.2 研究领域学科类别分布
表1列出了碳中和研究领域主要学科类别排名的统计情况(仅展示排名前10的学科类别)。WoS共涵盖252个学科类别，检索得到的碳中和相关论文共涉及其中的142个类别，占总类别的56.35%，碳中和的研究学科分布较为广泛，主要集中在自然科学的能源燃料(energy fuels)和环境科学(environmental sciences)类别，社会科学领域研究较少。
表 1 碳中和研究领域不同学科类别发文量及占比
2.1.3 发文期刊
对某一研究领域论文的来源期刊进行分析，可确定该领域来源期刊中的核心期刊。1991—2021年碳中和研究领域发文量排名前10的期刊如表2所示。该领域发文期刊共有919家，主要发文期刊集中于顶级期刊，且影响因子较高。发文量排名前3的期刊分别是Sustainability、Journal of Cleaner Production和Applied Energy，其发文量分别为116、109和96篇。由此可见，碳中和研究领域虽然起步较晚，但随着全球气候变化形势的日益严峻，各界学者和权威专业期刊对其关注度逐渐提高。
表 2 碳中和研究领域主要发文期刊
2.1.4 碳中和基金投入情况
对1991—2021年碳中和研究领域论文中有基金资助的论文进行分析，结果表明，资助论文数量超过100篇的基金机构有5个，分别是中国国家自然科学基金委员会(459篇)、欧盟委员会(159篇)、英国国家科研与创新署(144篇)、美国能源部(132篇)和美国国家科学基金会(124篇)。表明中国、美国、英国在碳中和研究领域的基金投入力度较大。
2.2 碳中和主要研究力量与合作分析
2.2.1 地区分布
碳中和研究领域论文来自于110个国家/地区，利用VOSviewer对论文来源国家进行分析，得出国际合作关系图如图2所示。图中节点越大，表示该国发文量越多，连线粗细与合作紧密程度成正比，连线越粗，代表国家之间合作越紧密[26]。由图2可知，各国家间合作密切，共同致力于碳中和研究，其中中国、美国、英国在合作图中中心性较强，代表这3个国家在碳中和研究领域与世界各国有着较为紧密的合作关系。
图 2 国际合作关系网络
对碳中和研究领域主要发文国家历年的发文量进行统计，结果如图3所示。统计了1991—2021年碳中和研究领域论文产出较多的10个国家及其论文篇均被引频次，结果如表3所示。由图3、表3可知，在碳中和研究领域，发文量大于300篇的国家为美国、中国和英国，分别占总发文量的25.33%、24.13%、11.95%，其中美国起步较早，实力最强；澳大利亚、德国与加拿大3个国家均超过200篇，日本、印度、韩国、意大利、瑞典、法国、西班牙、荷兰和芬兰9个国家均超过100篇。发文量超过100篇的15个国家中，中国是唯一的发展中国家，可见此领域的研究发达国家明显强于发展中国家。发文量超过50篇的9个国家/地区中，欧洲占6个，亚洲为2个，而巴西是唯一来自南美洲的国家。
图 3 1991—2021 年主要国家在碳中和研究领域的发文量
表 3 1991—2021年碳中和研究领域主要发文国家发文量及论文被引情况
此外，美国和英国无论是发文量还是论文篇均被引频次都处于领先水平，表明英美两国在碳中和领域具有较高影响力和国际话语权。碳中和研究领域早期的5篇论文中有4篇来自美国，另有1篇来自德国，2010年之前的论文有60%来自于美国，较早的起步奠定了美国在此领域的主导地位。相比之下，虽然中国论文产出居前3，但是论文的篇均被引频次较低。可见，中国在碳中和研究领域的发文量稳步上升，但中国论文的总体影响力还有待进一步提升，在提高研究数量的同时更要保证研究质量。
2.2.2 研究机构
通过对发文作者所在机构进行分析，有助于了解碳中和研究领域的核心机构[27]。对1991—2021年碳中和研究领域发文量较高的10个机构及其论文篇均被引频次进行统计，结果见表4。从表4可以看出，发文量排名前10的机构中有7个位于发达国家，仅有中国科学院、清华大学、中国科学院大学来自发展中国家。伦敦帝国理工学院的论文篇均被引频次远高于其他机构，显示了英国在碳中和研究领域的强劲实力。近年来，我国多个研究机构在碳中和研究领域发文量较多，发展加快，但存在篇均被引频次不高的问题。
表 4 1991—2021 年碳中和研究领域主要发文机构论文被引情况
碳中和研究重要研究机构之间的合作关系如图4所示。由图4可知，中国科学院(Chinese Academy of Sciences)、天津大学(Tianjin University)、澳大利亚昆士兰大学(The University of Queensland)、新加坡国立大学(National University of Singapore)、加拿大阿尔伯塔大学(University of Alberta)等机构存在较为紧密的合作关系。
图 4 碳中和相关研究重要机构之间的合作关系
2.3 碳中和研究热点及前沿分析
2.3.1 研究热点主题分析
论文的关键词可以揭示碳中和领域研究的特点和发展趋势[28-29]。VOSviewer提供4种视图之一的“Label View”，图中节点与字体的大小取决于该节点的权重，权重越大，字体与节点越大；节点间的连线表示节点间曾经共同出现过[19,30]。通过VOSviewer对相关论文关键词进行热点分析，结果如图5所示。由图5可知，气候变化(climate change)、可再生能源(renewable energy)、转换 (conversion)、生物质(biomass)等节点所在区域是重要的研究领域。
图 5 碳中和领域的研究热点分布
为进一步深化关键节点的研究内容，通过对关键词节点和重点节点论文进行合并、整理，分析得出碳中和领域主要可以分为碳中和技术和碳中和政策两大研究热点，其中碳中和技术主要集中在能源使用、碳捕集和封存以及能量转换等领域的研究，而碳中和政策的覆盖范围较为广阔，主要包括碳市场、碳足迹、绿色发展等领域。
在碳中和技术方面，重要的节点论文研究包括：Zeman等[31]研究指出，CNHCs是氢气或传统生物燃料的可行替代物；Newton等[32]研究指出，可以通过改造建成环境，使城市走向碳中和性蓝绿城市；Lewis等[33]探究了以化学键的形式储存太阳能转换的能量的可能性；Ragauskas等[34]研究发现，农业能源作物和生物精炼厂制造技术整合的新制造模式，为开发可持续的生物动力和生物材料提供了潜力；Brennan等[35]对生物质燃料的生产、加工和提取生物燃料及副产品进行了回顾与展望；另有相关学者探究了电化学[36]、碳氢燃料[37]、电活性材料[38]、电催化析氢[39]等技术前沿问题[35,40-41]。
在碳中和政策方面，重要的节点论文包括：Booth[42]指出，利用 NEI 加权生物源将二氧化碳纳入碳交易计划，并对生物能源进行可再生能源补贴能更有效地减少排放；Zeng 等[43]研究了在碳中性环境下能源管理中油耗评价的直接方法；Ahmad 等[44]利用 STIRPAT 方法探究了能源使用强度、土地集聚、二氧化碳排放和经济进步在不同发展水平的动态关联程度；Luyssaert 等[45]研究指出，老龄森林是全球二氧化碳的汇集地，全球 15% 的森林面积至少占全球净生态系统生产力的10%；Mitchard[46]探究了热带森林碳循环与气候变化的关系，指出由于热带森林可能成为一个碳源，将使全球变暖限制在 2 ℃ 以下变得更加困难；Song 等[47]探究了二氧化碳的高效、选择性和可持续催化作用，指出由于二氧化碳在热力学上的稳定性和动力学上的惰性，以经济有效和对环境无害的方式进行二氧化碳转化是很有希望的，但仍然具有挑战性。
2.3.2 研究知识演进分析
关键词突发检测可以识别研究领域的新兴趋势，反映某一话题在一定时期内受到了学术界的特别关注[48-49]。借助于CiteSpace软件的突现词功能，对1991—2021年碳中和相关研究的关键词进行最小持续时长为1年的突现分析，将突现词按照突现时间的长短进行排序，结果见表5。红色范围表示出现频率变化最大的时间段，即在该时间段内影响力最大[50]。
表 5 1991—2021年突现关键词图谱
通过分析1991—2021年突现关键词图谱，得出关键词carbon market(碳市场)开始突现时间为2009年，结束突现时间为2017年，持续时长为8年，突现强度为11.13，说明carbon market(碳市场)是2009—2017年时间段内的研究热点。同时对突现时间为2017—2021年且突现强度大于4的关键词进行整合，结果见表6。
表 6 2017—2021年关键词突现整合
从表6可以看出，catalyst(催化剂)、hydrogen evolution (氢气进化)、conversion (转化)、methanol(甲醇)等关键词从突现开始年持续到2021年，表明对具体的热量转化以及能源利用的讨论已经成为碳中和的前沿动态与发展趋势。
从突现强度看，electroreduction（电还原）突现强度最大(11.81)，突现时间为2018年，表明该领域逐渐注重二氧化碳等温室气体减排技术的发展与创新。从时间周期看，carbon sequestration(碳封存)、carbon offset(碳抵消)、forestry (林业)、forest (森林)、carbon storage (碳储存)等突现的时间周期较长，说明该领域对碳捕集和封存等方面研究一直较为关注。从突现的开始时间看，自2016年起，electroreduction(电还原)、catalyst (催化剂)、conversion(转换)、hydrogen evolution (氢气进化)、methanol green(绿色甲醇)、electrochemical reduction (电化学还原)、carbon footprint (碳足迹)、nitrogen (氮气)等词活跃涌现，是近几年该领域重点聚焦的热点前沿。
3、结论与建议
（1）碳中和研究领域发文量不断增加。1991—2021年，该领域共发文3 573篇，且呈现上升趋势，中国在2020年发文量首次超过美国，位居世界第一。各国在该领域的合作日趋密切，其中中国、美国、英国之间有着较为紧密的合作关系。
（2）碳中和领域研究方向主要集中在自然科学方面，发文期刊多以自然科学内容为主，其中Sustainability、Journal of Cleaner Production和Applied Energy发文量较大。
（3）碳中和领域的研究力量主要集中在发达国家，发文量排名前10的机构中仅有3个属于发展中国家。伦敦帝国理工学院是该领域的主要研究机构，在发文量及论文篇均被引频次方面均具有明显优势；中国科学院、清华大学和中国科学院大学一直保持较高的发文量，但存在论文篇均被引频次较低的问题。
（4）目前碳中和的相关研究可以概括包括能源使用、碳捕集和封存以及能量转换等领域的碳中和技术和包括碳市场、碳足迹、绿色发展等领域的碳中和政策。综合分析热点分布图与突现关键词，生物质、氢能源、碳捕集和封存等是未来实现碳中和的关键性技术和主要发展方向。
（5）建议中国要进一步加大碳中和领域的科研投入，提升论文整体水平，提高国际影响力；进一步把握研究热点，在生物质、氢能源、碳捕集和封存等方面开展深入研究，在国际上发出更多声音；进一步加强国内外交流合作，加强不同学科、不同方向的研究作者及团队的交流，实现碳中和研究的交叉融合；进一步加深能源技术创新力度，深入研究与发展“绿氢”，解决氢能储存、运输和加注等重点/难点问题，为更好地实现碳中和目标助力。
本文引用格式/
张楠，吕连宏，王斯一，等.基于文献计量分析的碳中和研究进展[J].环境工程技术学报，2023，13（2）：464-472
ZHANG N,LÜ L H,WANG S Y,et al.Analysis of research progress in carbon neutrality based on bibliometrics[J].Journal of Environmental Engineering Technology，2023，13（2）：464-472
转自：“量化研究方法”微信公众号
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