0 引言

湖泊是陆地水圈的重要组成部分，与大气圈、生物圈和岩石圈有着不可分割的密切关系，是地球表层系统各圈层相互作用的联结点^[1]。湖泊本身对全球变化响应敏感，具有调节区域气候、记录区域环境变化、维持区域生态系统平衡和繁衍生物多样性等特殊功能^[2]。同时，湖泊及其所在流域是人类赖以生存的重要场所，使得对于湖泊的水文现象及其资源开发和利用受到人们的广泛关注^[3]。把湖沼学(湖泊科学)作为一门独立的学科已有100余年的历史，1869年瑞士学者F. A. Forel发表了关于日内瓦湖底栖动物的研究，首次提出“湖沼学”(Limnology)的概念，标志着湖泊科学正式成为一门独立的、涵盖地理学、地质学、气象气候学、物理学、化学和生物学等多学科交叉的综合性学科^[4]。

随着学科的发展，湖泊科学的研究内涵不断丰富，尤其是20世纪80年代中期，“地球系统科学”这一新颖的地学思维被提出^[5]，为我国现代湖泊科学研究体系奠定了基本框架。地球系统科学强调将地球作为一个由大气圈、水圈、岩石圈和生物圈等组成的相互作用的系统，研究其间的物理、化学和生物过程及其机理，并与人类活动紧密结合起来^[6]。湖泊是地球系统的一部分，我国湖泊科学研究是地球表层系统科学研究的一个重要分支，开展湖泊科学研究，旨在在微观尺度上揭示地表水陆、水汽、水生等不同界面的物质和能量过程与输移规律；在中观尺度上理解水陆生态系统的结构与功能演变过程与机制；在宏观尺度上定量区分全球变化和人类活动等对湖泊流域系统的影响。

尽管目前对湖泊科学的理解还没有完全统一，其分支学科与学术框架也不十分明确。但是，强调湖泊科学与其他学科之间的深层次融合，重视湖泊流域系统与各圈层相互作用过程，关注人类活动对湖泊环境的影响以及湖泊为人类社会可持续发展服务的功能，在这些问题上已达成基本共识。

1 地球系统科学时代的湖泊科学发展 1.1 湖泊科学研究的特点

湖泊科学是指以湖泊及其流域作为研究对象，以湖泊流域水生态系统的演变及其对人类活动的响应为主要研究内容的综合性学科。湖泊科学是在传统湖沼学的基础上演变而来，经历了长期的学科发展与交叉融合。早期的湖沼学(Limnology)是对湖沼、河川、地下水等陆地水的物理、化学和生物现象进行研究的学科，被认为是生态学的一个分支，强调湖泊生态系统的封闭性^[7]。湖泊、流域被作为不同的研究对象，其研究是割裂的^[8]。随着学科的发展，面对国民经济建设中出现的一系列资源环境问题，人们逐渐认识到必须将湖泊与流域有机联系起来^[9~10]，就湖论湖、就水治水是没有出路的。流域是湖泊之源，湖泊是流域之汇，湖泊与流域是一个有机联系、与自然与社会均密切相关的复杂、动态变化系统。当前，湖泊科学的学科范围已进一步拓展到与资源科学、生态学、环境科学、信息科学、经济学以及管理学等多学科的交叉融合^[11~12]。《21世纪中国地理学综合研究的主要领域》中将“湖泊和流域”作为地理学重要的研究领域之一^[13]。

与传统湖沼学相比较，现代湖泊科学研究的特点主要体现在两个方面：其一是学科研究的对象，从单纯的湖盆物理凹陷空间及湖泊水体，延伸到包括湖泊的入流、出流在内的湖泊流域系统；其二，学科研究的内容，从湖泊水体的物理、化学、生物学特性，扩展到湖泊流域水生态系统的功能价值，及其对人类社会活动影响的响应和反馈等。

1.2 湖泊科学的学科分支体系

进入21世纪以来，生态环境问题已成为本世纪人类所面临的最大挑战之一，“可持续发展”、“未来地球计划”成为世界各国与时俱进的发展方向^[14~17]。湖泊及流域系统作为与人类生存发展联系最为密切的地理单元，其研究受到国内外的高度关注^[18~21]。我国湖泊科学的发展历史虽不长，但由于受到国家需求的驱动，以任务带学科，学科理论体系发展很快，已逐步形成了较为完整的物理湖泊学、湖泊化学、湖泊生物学、湖泊沉积学、古湖沼学、湖泊流域地表过程、湖泊流域综合管理等分支研究领域。

物理湖泊学(Physical Limnology)聚焦各种空间尺度的水的运动(从大尺度的水量平衡到湍流)、热量和气体的转移、水体光学性质、水体物理性质对化学反应或有机体功能的影响等。湖泊化学(Chemical Limnology)尝试弄清楚水体化学成分的分布规律、水体化学成分的输移和滞留、控制这些化学成分形态的化学和生物学反应。由于生物有机体尤其是微生物有机体对于很多湖泊化学成分直接或间接的强烈作用，化学湖泊学又常常被归类为生物地球化学湖泊学。湖泊生物学(Biological Limnology)关注栖息于内陆水体中的生物有机体的种类和数量，以及它们的进化适应、亲缘关系和个体生态学，它们的营养行为与其他生物有机体的相互作用，食物网，生物有机体对生态系统过程如整个系统的新陈代谢的影响，以及对主要的生物地球化学循环的影响。湖泊沉积学(Lake Sedimentology)以不同构造-气候类型区湖泊沉积为研究对象，通过湖泊沉积物中保存的各种物理、化学及生物等有效信息的提取，揭示地质和历史时期湖泊流域生态环境演化的过程和区域分异规律，区分人类活动与气候对湖泊生态环境的影响，阐明区域湖泊生态环境演化的驱动要素和动力学机制，预测未来湖泊演化的发展趋势。古湖沼学(Paleolimnology)，它被视为地质学的一个分支学科，古湖沼学利用保存在沉积物中的地质、化学和生物学记录去恢复重建水体系统、流域甚至更大范围内的古气候学情景^[22]。湖泊流域地表过程研究主要包括主要生源要素(如C、N、P等)在湖泊流域地表的迁移转化规律，污染物质输移过程及环境灾害研究等。湖泊流域综合管理主要针对流域人口、资源、环境与发展(PRED)等问题^[11]，重点研究湖泊流域人地关系的复杂过程、时空分异规律与调控机理，为湖泊流域实现可持续发展目标提供理论基础和科学依据。

1.3 湖泊科学的发展现状及研究热点

随着当前湖泊流域生态环境问题的日益突出，尤其是湖泊富营养化与生态退化等问题日趋严重，环境湖泊学和流域管理学已经成为湖泊科学发展的热点^[23]。如在环境湖泊学方面，由于非点源污染造成的河湖水体富营养化问题日趋严重^[24]，已成为全球范围水环境污染突出的表现形式，以湖泊流域生态环境建设和保护为目标的湖泊流域系统营养物质产生、输移、转化与控制研究成为学术界及各国政府长期以来的工作重点^[25]，研究涉及湖泊沉积环境演变^[1]，湖泊水资源的时空分布、湖泊水量、沙量平衡、营养盐平衡^[26]，以及湖泊中各种水文现象的发生、发展以及内在联系，流域径流特征、湖泊水文-营养盐过程及两者间的耦合水文模型等^[27~30]。

在流域管理学方面，国际上普遍关注湖泊流域的发展规划与管理研究，研究内容涉及其发展规划和管理的起源、类型、管理的目的、面临的问题等多个方面^[31]，这也引起了我国学者对湖泊及其流域治理的关注^[32]；同时，国内外许多学者在流域人地系统相互作用的过程模拟和情景分析，以及流域人地关系地域系统作用机理方面也进行了一定的研究^[33]。湖泊流域管理措施包括引发不同的湖泊生态与环境问题的鉴定、修复评估、修复的规划与实施，以及各种社会的、政治的、科学的、经济方面的与水体有关的、重要的系统管理行动的执行，是基础科学研究与管理决策及湖泊流域资源可持续利用之间非常重要的纽带。

近年来，随着湖泊科学研究的不断深入和深度融合，一些新的分支学科和交叉方向不断涌现，如湖泊渔业^[34~35]、湖泊光学^[36]、湖泊水环境遥感^[37]等分支学科领域，极大地丰富了湖泊科学研究的内涵，促进了学科发展和相关原创成果的产出。

如在湖泊渔业研究方面，世界渔业中心(World Fish Center)的研究表明，水产养殖是目前世界上发展最快的食品生产行业，提供了全球将近一半的水产品市场供应^[23]。近10年来，多数西方国家以及众多欧美国家的湖泊研究机构，都非常重视渔业水产方向的学术研究，湖泊等内陆淡水水体为发展渔业养殖提供了良好的环境条件。渔业作为传统产业，在我国经济社会发展中具有不可缺失的重要地位，其资源变动是湖泊流域生态系统演变的重要影响因子，国内现阶段主要开展了湖泊水环境管理、湖泊生态系统修复、湖泊渔业可持续发展等关系研究^[34]。

在湖泊光学研究方面，作为国内的新兴学科，其研究理论框架主要包括各光学组分吸收、散射、漫射衰减及辐射传输方程；近年来，逐步发展了野外时空格局调查、水动力水华过程连续观测、生物光学参数高频自动监测、室内模拟控制实验等相结合的一系列研究方法^[36]；湖泊水色遥感是湖泊光学研究的重要内容，建立了湖泊水质参数包括悬浮物、叶绿素a浓度及浮游植物、CDOM吸收系数等遥感反演算法，并应用到卫星影像对富营养化湖泊蓝藻水华开展遥感监测^[37]。目前，湖泊水环境遥感模型已开始与地球系统学科的其他模型，如湖泊水生态模型、湖泊水动力模型等相结合^[38]，一并纳入到相关行业领域的业务化运行中，共同服务于湖泊水体污染事件的预测预警。

综上所述，从当前湖泊科学的研究内容看，国内湖泊科学研究领域已经形成了相对较为完整的研究思路和研究体系。但是与国外研究相比，虽然学科发展迅速但仍处于起步阶段，研究大部分集中在对理论和机制的探讨和研究结果的验证上，其研究尺度仍存在局限性，综合性也相对较低，理论上尚未有重要突破。亟待拓展研究思路，拓展研究分支，加强与国内外研究机构的合作，使我国湖泊科学研究形成具有自身特色的、系统的、综合的研究体系和完善而实用的学科服务功能。

2 基于文献计量的湖泊科学发展态势研究 2.1 近50年来湖泊科学发展的总体情况分析

利用科睿唯安公司Web of Science数据库进行湖泊科学研究主题检索，数据库包含SCI-EXPANDED、SSCI和CPCI-S，文献类型包括ARTICLE和PROCEEDINGS PAPER及REVIEW，另外有针对性地进行了数据精炼，得到有效数据50393条，最早开始有记录的年份是1965年，截止到2018年底，湖泊科学主题研究年度论文发表量变化如图 1所示。

从历年论文成果发表数量来看，虽然中间少数年份有回落趋势，但总发文量整体呈现稳定上升，表明学科发展态势良好。根据湖泊科学主题论文发表的变化情况，可将该学科的发展历程划分为5个时间段，分别为1965~1980年(缓慢变化期)、1981~1990年(上升期)、1991~2000年(高速发展期)、2001~2010年(持续期)和2011~2018年(稳定期)。特别是20世纪90年代以来，发文量处于持续高速增长阶段，体现了湖泊科学研究具有较高的活跃程度。

总发文量位列前10位的国家(地区)中，美国以17763篇遥遥领先于其他国家，其次是加拿大、中国、德国、英国、俄罗斯、法国、澳大利亚、意大利、西班牙(图 2)，表明美国在该学科领域的优势地位，其中美国地质调查局、威斯康星大学、美国国家海洋和大气管理局、密歇根大学、明尼苏达大学、密歇根州立大学和亚利桑那大学是主要文章贡献机构。中国在该领域的发文总量位居第三，其中中国科学院成为国内在湖泊科学领域发表文章数量最多的机构^[39]。

2.2 近50年来湖泊科学研究主题分析

在5个发展时段划分的基础上提取全部湖泊科学主题研究论文的关键词，进行学科研究主题分析。按照关键词出现频次进行排序，从近27000个关键词当中，挑选出现频次排名前10位的论文关键词的年度分布(图 3)，分析不同时期的湖泊研究主题热点。

对不同阶段湖泊科学论文发表高频关键词变化的统计分析可以看到，在缓慢变化期(图 3a)，高频关键词主要集中在水、利用、影响、测定；在上升期(图 3b)，沉积物、分布、评价等新的关键词出现；在高速发展期(图 3c)，出现了磷、硅藻、浮游植物、地下水、模拟等关键词；在持续发展期(图 3d)，关键词进一步丰富，河流、动力、流量、输移、模拟等新词出现；在稳定期，出现了同位素、入侵种、水质、富营养化、气候变化等新的关键词。

通过关键词的变化，分析其表征的主要研究内容可以发现：20世纪80年代以前，湖泊环境影响评价、湖泊水资源利用研究等是湖泊科学主要研究内容。国际上侧重于研究包括氮的作用、鱼类和浮游动物对营养级联和浮游植物群落结构的影响、细菌等微生物的作用以及水生态系统中微型浮游动物对藻类生产力和有机质与营养盐流动的决定作用等；而我国湖泊科学研究主要针对当时国家需求，重点集中在湖泊资源的开发利用方面，如在湖盆油气资源勘探与开发、湖泊水资源调配、湖泊滩地围垦、水体农业与大水面围网养鱼等生物资源开发利用方面取得了诸多成果^[12]，该阶段研究主要是就水论水，内容相对单一且局限。进入80年代，研究范围有所发展，开始涉及到湖泊沉积物研究、湖泊的空间变化等。欧美地质工作者对非洲裂谷湖泊的构造、沉积、环境变迁与生物群演化等方面开展了深入研究，80年代后期，欧洲、北美和日本等地区又开展了湖泊沉积物年纹层序列研究，旨在获取以年甚至于季节为时间尺度的高分辨率古气候记录^[39]；随着地球系统科学观念影响的不断深入，湖泊对全球变化的响应开始受到关注，在全球变化和国际大陆钻探计划的影响和倡导下，我国先后在不同地貌阶梯上实施了湖泊钻探，由此获得了百万年以来长时间尺度湖泊环境演化和古气候变化的信息，揭示了不同地貌阶梯响应的差异^[40~42]。从20世纪90年代初到2010年湖泊学科进入快速发展期，随着研究技术方法不断进步，研究内容得到充实，大量研究开始集中到湖泊生态系统，如硅藻、磷、浮游植物、湖泊水质、湖泊沉积物、各种研究模型等主题^[43~46]，同时研究对象也由湖泊本身拓展到与湖泊紧密关联的地下水、河流等地表系统。随着经济快速发展，湖泊生态环境不断恶化，尤其是湖泊水体富营养化问题日趋严重，湖沼学关注的重点又转移到研究湖泊生态环境退化和修复的理论与实践研究方面，在入湖污染物调查与控制、湖泊水环境变化规律、湖泊富营养化形成机理、富营养化湖泊藻华控制与治理、湖泊退化生态系统修复、湖泊生态系统稳态转换、湖泊沉积与全球变化等方面开展了大量研究工作，积累了大量的数据和资料，大大促进了国内湖沼学的发展^[47]。近10年来全球变化已成为地学研究热点，湖泊科学研究体系也不断成熟完善，气候变化、富营养化、湖泊生态系统等主题以及新理论新技术的运用成为该学科重点关注的领域。

2.3 基于关键词的近年来湖泊科学发展态势分析

从全部关键词中提取近5年首次出现的关键词，在一定程度上可以反映出湖泊科学研究当前的热点及趋势^[23]。选择出现频次大于等于6次的关键词共63个，具体如表 1所示。对新出现的高频关键词进行分析发现：1)湖泊科学研究的对象不仅仅局限于湖泊水体及底泥沉积物，而是扩展到湖泊流域层面的土壤、地下水等。包括土壤含水量、多孔介质中的溶质运移，土壤优先流、二相流、多相流、潜流交换等；2)更多的数学模型和技术方法被广泛应用到研究过程中，湖泊科学研究有朝量化和精准化方向发展的趋势。如逆向建模、陆面模式、统计模型、降雨径流模型、区域气候模式、分布式水文模型，以及集合卡尔曼滤波算法、贝叶斯推理方法、解析法、统计分析法、不确定性量化法、情景分析法、多目标优化法和宏基因组学等；3)鲋、鳙鱼、肫鲥鱼、白鲑、大菱鲆、梭鱼等关键词指示水产养殖、鱼类繁殖以及鱼类捕食、栖息地等以及鱼类产卵栖息地等，逐步被纳入湖泊科学研究范畴；4)鄱阳湖、博斯腾湖、太湖等作为高频词在近年出现，则表明国内湖泊学研究范围进一步拓展，面向国家重大需求围绕代表性湖泊问题的研究不断涌现。

以鄱阳湖为例，从表 1可见该湖位于近5年新出现的高频关键词首位，表明对该湖的关注度近5年来快速提升。鄱阳湖是我国第一大淡水湖泊，也是世界生命湖泊网的重要成员，自鄱阳湖生态经济区建设上升为国家战略之后，对鄱阳湖的生态研究显得越来越重要^[48]。鄱阳湖是由江、湖、河(入湖河流)三者长期相互作用而形成的独特生态系统，因此，流域水文状况对鄱阳湖的生态系统具有决定作用^[49]。目前，在全球气候变化的大背景下，鄱阳湖的径流变化特征研究^[50]、降水变化趋势研究^[51]等是鄱阳湖湖泊生态研究的热点内容之一，相关模型及数值模拟研究也非常活跃，如开展了长江倒灌对鄱阳湖水文水动力影响的数值模拟研究^[52]，基于平稳与非平稳GEV模型的鄱阳湖流域极值降水模拟研究^[53]，构建了适合大尺度流域研究的分布式水文模型WATLAC^[54]在鄱阳湖流域得到了良好的应用和验证。相关关键词如径流、GRACE、非平稳、降雨径流、分布式水文模型等也都在近5年出现的高频关键词中得到体现。近年来，鄱阳湖的水生态安全也是最直接最关键的热点问题，水生态安全直接影响到鄱阳湖湖泊生态系统的稳定性，对湖泊生物多样性的保护非常重要，与湖区人民的生产生活安全也息息相关^[48]。对鄱阳湖水生态安全的研究主要集中在两个方面，一是鄱阳湖水文地理学特征研究，如水情季节变化规律研究^[55]、水旱灾害变化特征研究^[56]等，相关关键词也高频出现；二是鄱阳湖水质变化研究^[57~59]，鄱阳湖的水质变化主要受自然因素控制，人类活动对其水质的影响比较严重，鄱阳湖水体中的COD、TN、TP主要来源于城镇生活污水和非点源污染，农业生产中氮、磷等营养盐的输入以及赣江、抚河、信江、修河、饶河等五大水系的主要营养盐输入和水文水动力条件也是影响鄱阳湖水质的重要因素。在此基础上鄱阳湖水质评价的相关数学和遥感模型研究也得到快速发展，如基于GRACE反演了鄱阳湖水量和生态服务价值^[60]并开展了鄱阳湖区水资源承载力、水质评价研究^[61]。此外，随着全球生物多样性危机的不断显现，生物多样性的减少导致生态服务功能下降，关于鄱阳湖生物多样性的研究，如湖滩草洲植被的重大演变、底栖动物产量和种类减少、渔业资源持续衰减、珍稀候鸟越冬栖息地受到威胁、外来物种入侵持续加剧问题等也受到重视^[62~63]，成为了近年鄱阳湖生态研究关注的重点。

综上所述，近年来湖泊科学研究出现的新趋势主要表现为：持续关注在湖泊沉积、古湖沼、气候变化、湖泊水资源、水生生物及其群落等当前国际湖泊科学热点问题的研究；重点关注水体富营养化、湖泊水质、饮用水安全、渔业与水产养殖、生物多样性、内陆淡水水体、模型与模拟、湖泊管理、湖泊-流域生态系统等研究领域；学科领域向淡水生态系统研究层面进一步拓展。

3 机遇与挑战

湖泊及其所在流域是地表水资源的重要载体，湖泊流域系统也是地球系统最为复杂的地质-地理-资源-生态耦合系统之一，对区域、全国乃至全球环境变化和人类安全具有重要的影响。近年来，未来地球计划(Future Earth)将“水资源”、“健康和人类安全”等问题及其相互关系作为满足全球可持续发展最重要的需求，对全面理解和研究湖泊流域系统以及相关学科的发展提出了新要求。我国《国家“十三五”规划纲要》指出“要实施山水林田湖草生态保护和修复工程”，《国家中长期科学与技术发展规划纲要》也指出“要解决湖泊及其流域生态环境保护与治理中的重大科技问题”，将湖泊科学研究推向全新的高度。

同时，湖泊流域系统对全球气候环境变化及周边人类活动亦响应敏感，与海洋圈和冰冻圈一样受到科技界的高度重视。国际湖沼学专家Carpenter等^[64]曾提出了“社会-生态综合系统跨国研究”的观点，由此可以引申出湖泊科学研究从“湖泊水体”到“湖泊流域系统”、进一步过渡到“自然-社会综合系统”的发展新思路，即从湖泊单一学科研究层面向复杂系统层面延伸。湖泊科学作为一门古老而年轻的学科，目前仍然处于不断发展完善之中。湖泊科学的产生，基于自然科学与人文、社会科学的交叉融合，其研究对象从单一目标向复杂的自然-社会系统过渡，并由此有力推动了原有的湖沼学、水文学以及流域科学从单纯基础理论研究向应用-基础研究转型。

在人与自然这一复杂巨系统中，我国湖泊科学研究将立足于湖泊流域系统，紧密围绕国家生态文明建设的重大目标，重点关注人类活动对自然环境的响应及相互作用，重点关注区域经济可持续发展等国计民生问题，契合国家经济发展重大战略需求。可以预见的是，随着时间的推移，我国湖泊科学研究将逐步形成自身的研究特色和核心优势，在国家未来的总体学科发展布局中占据越来越重要的地位。

致谢: 感谢中国科学院武汉文献情报中心吕新华研究员团队帮助提供本文文献计量分析相关数据资料。