基于知识图谱的根系对土壤侵蚀阻控作用的研究进展

2019-01-16曹丹妮秦嘉惠郭忠录

中国水土保持科学 2018年6期

曹丹妮，钟琦，秦嘉惠，程谅，郭忠录

(华中农业大学水土保持研究中心，430070，武汉)

土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程[1]。土壤侵蚀不仅会导致土壤退化、土地生产力降低，还会使污染物质随径流泥沙迁移，从而造成下游河流湖泊水库水体富营养化、生境破坏、旱涝灾害加剧，影响区域生态系统功能和经济可持续发展[2]。植被是覆盖地表植物群落的总称，也是水土保持中最有效和最根本的方法。植被恢复已成为控制土壤侵蚀最有效的手段之一。植被对土壤侵蚀过程的影响主要通过以下2方面发挥作用：一是植被地上部分拦截降雨，降低雨滴击溅力，减少地表径流并增加土壤入渗；二是根系缠绕、穿插、固结土壤，增加土壤有机质含量，改善土壤结构[3]。作为改善土壤侵蚀环境最重要的因素，根系在土壤侵蚀过程中的作用是无法替代的。

目前，研究者们已从不同角度(根系固坡抗蚀效应、根系增强土壤抗冲性、渗透能力、抗剪强度等)对“根系对土壤侵蚀阻控作用”进行了丰富的研究，其中不乏对该领域的热点与发展趋势探究的成果[4-6]；但这些研究中系统梳理知识结构的文献较少。如何能更直观地表达该领域的发展历程、研究热点和发展趋势，为该领域的科学研究与深入探索提供参考是本文所要解决的关键问题。知识图谱是以知识域为研究对象，通过可视化技术，描述知识资源及其载体，挖掘、分析、构建、绘制和显示知识及其发展进程和结构关系的一系列图形化方法，它具有直观、定量、知识发现等诸多优点[7]。CiteSpace 是一款运用科学计量学，对数据和信息进行分析，通过挖掘其中涉及的规律，得到知识图谱的引文可视化分析软件[8-10]。基于CiteSpace 的知识图谱分析方法已在多个学科的发展历程、研究热点和发展趋势等研究中取得良好效果[11-14]。鉴于此，笔者利用CiteSpace Ⅲ软件，绘制1988—2017年间根系对土壤侵蚀阻控的研究相关知识图谱，探索不同时期该领域发展历程、研究热点和发展趋势，为该领域的相关研究提供参考和借鉴。

1 数据来源与研究方法

学术期刊论文能够较好地反映学科领域的发展动态，所以笔者利用“根系对土壤侵蚀阻控作用”主题相关的中文关键词制定中文检索式，从CNKI中检索1988—2017年本领域的中文核心期刊文献数据源，共检索到1 391篇文献，将检索结果合并去重，最终得到1 193篇有效文献。研究数据的检索日期为2018年1月19日。

首先，利用Excel 2010和Origin 2017软件对检索出文献的年份、来源期刊、基金、机构等分类信息进行统计分析，了解根系对土壤侵蚀阻控研究领域的基本情况；其次，利用知识图谱工具 CiteSpace Ⅲ得到作者聚类图谱和关键词聚类图谱，操作流程包括数据源选择、数据采集、数据处理、数据导入、参数设置以及图谱绘制与分析；最后，结合聚类图谱对该领域的发展历程、研究热点和发展趋势进行梳理分析。

2 结果与分析

2.1 根系对土壤侵蚀阻控主题研究的文献量及时间分布特征

图1 1988—2017年根系对土壤侵蚀阻控主题研究的文献量及年增长率Fig.1 Number and annual growth rate of literature with the title of the role of root in soil erosion control in 1988-2017

某一学科发文量随时间的变化关系，可以反映该学科在一定时间段内学术研究的活跃程度，一定程度上揭示其发展的特点。由图1可知，“根系对土壤侵蚀阻控作用”主题研究的文献量随时间变化总体上呈增大趋势，但其增长率波动幅度较大。1988—2001年，该主题研究的文献量增长较平缓，发文量较少，平均值为16.4篇/a；2002—2011年，该主题研究的文献量平均值为44.7篇/a；2012—2017年，该主题研究的文献量较大，平均值为86篇/a。其中，1988—2001年增长率波动较大，是因为该时段年发文量基数较小。

文献被引用是业界专家对其研究成果的一种肯定，也是评价其学术影响和社会效益的基本指标之一。通过分析被引量高的论文，可快速找到该领域的经典文献[15]。由表1可知：1990年李勇等[16]发表的《黄土高原植物根系提高土壤抗冲性能的研究——Ⅰ.油松人工林根系对土壤抗冲性的增强效应》被引量最高，达288次；刘定辉等[1]发表的《植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究》被引量为276次，说明这些文献在该学术领域具有较高的影响力与权威性。其次，这些高引用文献还具有以下共性：1)发表时间较早，主要分布在1990—2003年；2)研究区域集中，主要位于黄土高原区；3)抓住该领域关键性问题，对固土护坡植被的选择提供依据；4)具有一定的理论深度和理论突破，创新性强。

表1 被引量最多的前5篇文献Tab.1 Top 5 most cited papers

2.2 根系对土壤侵蚀阻控主题研究的载文期刊

期刊载文量是衡量学术期刊吸收能力的主要指标，也是学者了解该学科在某一阶段研究趋势的有效方法[20]。通过统计某一研究领域期刊的载文量，有助于学者了解该研究领域的特点和研究成果的层次水平。由表2可知，该主题涉及的载文期刊中：排名前10位期刊载文量共计371篇，占总文献量的31.10%；载文量排名前3位期刊分别是：水土保持学报(74篇)、中国水土保持(56篇)和水土保持研究(55篇)。载文量排名前10位的期刊大部分为水土保持类型学术期刊，一定程度上说明该领域在学科交叉方面的研究较少。

2.3 根系对土壤侵蚀阻控主题研究的基金来源

国家科技支撑计划是为贯彻落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》，面向国民经济和社会发展需求，解决经济社会发展中的重大科技问题而新设立的一项国家科技计划[21]。由表3可见，国家自然科学基金和国家科技支撑计划对根系对土壤侵蚀阻控主题研究的支持力度不断加大，受到国家自然科学基金和国家科技支撑计划支持的文献占总文献量的25.23%。一方面表明随着经济快速发展，该领域的发展受到重视，创新科研能力逐渐增强；另一方面也说明越来越多的学者开始加入到国家自然科学基金项目的申报与研究中。

2.4 根系对土壤侵蚀阻控主题研究的突出贡献作者、机构及研究热点

目前，有关根系对土壤侵蚀阻控的研究国内开展较多，图2示出不同时期该主题研究的突出贡献作者、机构及研究热点。由图2可知： 1988—2001年研究热点主要集中在根系对土壤抗冲性影响方面，突出贡献作者是李勇、朱显谟、田积莹等；2002—2011年研究热点主要集中在根系抗剪强度方面，突出贡献作者是胡夏嵩、朱海丽、付江涛等；2012—2017年研究热点主要集中在根系抗剪强度以及根—土复合体等方面，突出贡献作者是陈丽华、刘秀萍、胡夏嵩等。1988—2011年，中国科学院水利部水土保持研究所是该主题研究的最主要机构，此外，北京林业大学近30年来一直是该主题研究的突出贡献机构。

表2 1988—2017年根系对土壤侵蚀阻控主题研究发文量Top 10的期刊Tab.2 Top 10 journals published relevant papers with title of the role of root in soil erosion control in 1988—2017

表3 1988—2017年根系对土壤侵蚀阻控主题研究发文量Top 10的基金Tab.3 Top 10 funds for the research title of role of root in soil erosion control in 1988—2017

图2 1988—2017年根系对土壤侵蚀阻控作用主题研究的突出贡献作者、机构及研究热点Fig.2 Top authors and institutions contributed to the role of root in soil erosion control and its hotspots in 1988-2017

节点的颜色及大小表示不同时间段关键词出现频次，颜色从左往右表示时间从1988年到2017年的变化，节点间连线粗细代表2作者间合作强度高低。下同。The color from left to right indicate the frequency of occurrence of keyword in different time periods. The change of color from left to right indicates the change of time from 1988 to 2017. The thickness of the connection between nodes represents the strength of cooperation between the two authors. The same below.图3 1988—2017年根系对土壤侵蚀阻控作用主题研究的发文作者知识图谱Fig.3 Map of authors who published the papers on the role of root in soil erosion control in 1988-2017

2.4.1 根系对土壤侵蚀阻控主题研究的发文作者知识图谱作者合作网络图谱(图3)能够反映某一研究领域的核心作者及其合作强度与互引关系。图谱共有89个节点(N)，100条连线(E)，网络密度(Density)为0.025 5，模块值(Q)为0.907 6、平均轮廓值(S)为0.7，说明该图谱划分出来的结构是显著的并且聚类是高效的。从作者合作网络图谱可以看出，作者之间呈现出部分集中、整体分散的状态，并且发文频次较高作者之间的合作仅限于该团队内部。除了胡夏嵩、李国荣和付江涛外，其余研究者的中心性均为0.00，表明该领域作者之间缺少合作研究。图4示出“根系对土壤阻控作用”主题研究的频次排名前10位的作者。可以看出，胡夏嵩发文频次最多，为32次，其次是陈丽华、朱海丽等。由图4可见，胡夏嵩和朱海丽均来自青海大学，2人合作发表的论文较多。另外，1 193篇文献中共有1 468位作者，其中1 031位(70%)仅发表1篇文献，说明该领域核心作者较少。

图4 1988—2017年根系对土壤侵蚀阻控作用主题研究的前10位作者Fig.4 Top 10 authors who published papers on the role of root in soil erosion control in 1988-2017

2.4.2 根系对土壤侵蚀阻控主题研究的研究机构研究机构是一个相对中观的概念，研究人员一般隶属于相应的研究机构，一定数量的研究人员共同构成了研究机构的实体。研究机构的发文量从一定程度可以反映该研究机构的科研能力，通过对其发表文献的统计分析，可以有效地衡量各研究机构的发展历程与研究成效。由图5可知，根系对土壤侵蚀阻控主题研究的主要研究机构为北京林业大学(82篇)和西北农林科技大学(67篇)。

图5 1988—2017年根系对土壤侵蚀阻控作用主题研究发文量Top 10的研究机构Fig.5 Top 10 academic institutions contributed to the role of root in soil erosion control in 1988-2017

2.4.3 根系对土壤侵蚀阻控主题研究的关键词知识图谱图6、图7和图8分别为不同时期“根系对土壤侵蚀阻控作用”主题研究的关键词知识图谱。图中每个节点代表一个关键词，节点大小表示关键词出现的频次，节点之间连线的粗细表示关键词共现强度的高低。节点年轮的颜色和厚度，表示关键词出现的时间和数量。从图中可以看出，随时间推移，关键词逐渐增多并且关键词间的距离逐渐减小、分异程度逐渐降低，说明不同研究领域间的交叉融合不断增强；年轮厚度逐渐增大增多，圈内所包含的内容越来越复杂，说明该领域涉及的关键词数量不断增大，研究内容更加丰富。由表4可知，随时间推移，关键词出现的频次逐渐增多，一定程度上说明越来越多研究者关注该领域。3个时间段内“根系”“水土保持”“土壤抗冲性”等关键词均出现且频次较高，说明这些内容一直是该领域的研究热点；随时间推移，“抗剪强度”“植物护坡”“抗拉强度”“根- 土复合体”“入渗”等逐渐成为高频关键词，说明这些研究内容越来越受到重视。可见，根系对土壤侵蚀阻控作用研究以根系对土壤抗冲性影响为重点，进而发展为以根系固土护坡、根系特征对土壤渗透性影响、根- 土复合体等为主导方向的科学研究。

1)1988—2001年根系对土壤侵蚀阻控作用领域研究态势。1988—2001年文献计量网络图谱中，关键词数量较少且聚类圈之间相对离散。根据图6中的高频关键词可将其归纳为水土保持植物、根系对土壤抗冲性影响和植被与生态环境相互作用3个方面。图中显示根系对土壤抗冲性影响的研究区域主要位于黄土高原地区，研究对象主要是现有的水土保持植物(沙棘Hippophaerhamnoides、香根草Vetiveriazizanioides、刺槐Robiniapseudoacacia等)。此阶段研究者在明确黄土高原土壤抗冲性成因的基础上，对不同植被根系提高土壤抗冲性的力学性质进行了系统研究，并对根系强化土壤抗冲性的有效性及其改善土壤物理和水文性质的作用机制进行了深入研究，提出了植被根系提高土壤抗冲性的有效性方程，建立了黄土高原土壤抗冲性能的分级系统，开辟了植被根系提高土壤抗冲性研究的新领域[22]。植被与生态环境相互作用聚类圈中，主要围绕“植物措施”“立地条件”“生态效益”等关键词进行研究，这些研究阐明了植被根系在生态环境治理和恢复过程中的重要意义，为合理选择与配置水土保持树种提供科学依据。

表4 根系对土壤侵蚀阻控主题不同时期前10位高频关键词Tab.4 Top 10 high-frequency keywords in studying the role of root in soil erosion control during different periods

(1) Soil erosion. (2) Forest floor. (3) Soil aeration. (4) Infiltration. (5) Surface runoff. (6) Protection benefit. (7) Loess hilly area. (8) Ecological environment. (9) Plant measure. (10) Water and soil conservation harnessing. (11) Drought and barren. (12) Engineering of soil and water conservation. (13) Slope surface. (14) Introduction of plant species. (15) Biomass. (16) Herbage. (17) Hippophae rhamnoides. (18) Pioneer tree species. (19) Development and utilization. (20) Soil and water conservation. (21) Vegetation establishment. (22) Soil conservation. (23) Ecological benefit. (24) Soil moisture content. (25) Site conditions. (26) Excellent species. (27) Nitrogen-fixing capacity. (28) Cultivation technique. (29) Forest for soil and water conservation. (30) Root. (31) Soil anti-scourability. (32) Shear strength. (33) The Loess Plateau. (34) Water-stable index. (35) Tensile force. (36) Soil and water conservation benefits. (37) Water and soil conservation plants. (38) Windy desert area. (39) Stress resistance. (40) Soil loss region. (41) The second year. (42) Vetiveria zizanioides. (43) Purple soils. (44) Hill. (45) Hillside. (46) Along the Great Wall. (47) Soil and water conservation experiment. (48) Robinia pseudoacacia forest. (49) Yield of grasses. (50) Vegetation. (51) Soil amelioration. (52) Perennial herb. (53) Morphology feature. (54) Roots distribution. 每个节点代表一个出现频次>2的关键词，节点大小表示关键词出现的频次，节点之间连线的粗细表示关键词共现强度的高低，节点年轮的颜色和厚度，表示该关键词出现的时间和数量。下同。Each node represents a keyword of occurring frequency >2. The node size indicates the frequency at which the keyword appears. The thickness of the connection between the nodes indicates the strength of the keyword co-occurrence. The color and thickness of a node annual ring indicates the time and number of occurrences of the keyword. The same below.图6 1988—2001年根系对土壤侵蚀阻控作用主题研究的关键词知识图谱Fig.6 Keyword map in studying the role of root in soil erosion control in 1988-2001

2)2002—2011年根系对土壤侵蚀阻控作用领域研究态势。与1988—2001年相比，此阶段该主题涉及的研究中“抗剪强度”“抗拉强度”“植被固土”等关键词频次有所增加，说明研究者开始对植被根系固岸护坡方面进行研究。根据图7中的高频关键词可将其归纳为水土保持植物、植被水土保持作用、根系固坡抗蚀效应和根系对土壤抗剪强度影响4个方面。

根系固坡抗蚀效应聚类圈中，在明确根系固岸护坡作用和对水流的阻碍作用的基础上，提出植被根系固土护岸能力的评价方式和评价指标[23]。根系对土壤抗剪强度影响聚类圈中出现了“直剪试验”“抗剪强度”“抗拉强度”等关键词，说明此阶段主要是通过对含根土体进行剪切试验及根系抗拉试验来测定其抗剪强度与抗拉强度，深入探究根系增强土壤抗剪强度机理和抗拉力学特性[24]。植被水土保持作用聚类圈中，出现了“坡耕地”“生态修复”“植物篱”“退耕还草”等关键词，说明研究者加强了对坡耕地农作物根系保持水土方面和退耕还草和生态工程有机结合方面的研究，一为发展植物篱技术、少耕免耕等保护性耕作技术提供理论支撑，二为水土保持生物措施组配和农业综合发展提供新的技术途径。

(1) Forest for soil and water conservation. (2) Plant of soil and water conservation. (3) Excellent tree species. (4) Cold and drought resistant. (5) Aphididae. (6) Container cultivation. (7) Afforestation in barren mountain. (8) Pioneer tree species. (9) Stability. (10) Ecological river channel. (11) Slope protection with plant. (12) In-situ determination. (13) Ecological environment. (14) Mechanical model. (15) Slope. (16) Biomass. (17) Dietary value. (18) Cultivation technique. (19) Yield of grasses. (20) Growing speed. (21) Herbs. (22) Tensile strength. (23) Ecological protection. (24) Direct shear test. (25) Shear strength. (26) Robinia pseudoacacia. (27) Forest vegetation. (28) Vegetation. (29) Forest floor. (30) Vegetation coverage. (31) Soil and water loss. (32) Soil moisture content. (33) Benefit of water and soil conservation. (34) Soil erosion. (35) Mechanism. (36) Introduction of plant trees. (37) Loess hilly region. (38) Ecological restoration. (39) The Loess Plateau. (40) Forages. (41) Returning farmland to grass. (42) Mixed seeding. (43) Barren land. (44) Important tree species. (45) Economic benefit. (46) Ecological benefit. (47) Semi-arid area. (48) Development and utilization. (49) Hippophae rhamnoides. (50) Vetiveria zizanioides. (51) Afforestation methods. (52) Surface runoff. (53) Soil and water conservation. (54) Drought and barren. (55) Sloping land. (56) Masson pine. (57) The Three Gorges Reservoir Area. (58) Fluctuating belt. (59) Ecological rehabilitation. (60) Soil amelioration. (61) Filtration body. (62) Humectant. (63) Plant fence. (64) Erosion ditch. (65) Soil fixation and slope protection. (66) Revetment. (67) Soil-root composite. (68) Root. (69) Soil anti-scourability. (70) Infiltration. (71) Irrigation. (72) Soil erosion resistance. (73) Soil. (74) Soil moisture. (75) Soil structure.图7 2002—2011年根系对土壤侵蚀阻控作用主题研究的关键词知识图谱Fig.7 Keyword map in studying the role of root in soil erosion control in 2002-2011

3) 2012—2017年根系对土壤侵蚀阻控作用领域研究态势。根据图8中的高频关键词可将其归纳为根系抗拉力学特性、根系固土护坡效应、根系对土壤抗冲性影响、根系对土壤抗剪强度影响、根系特征对土壤渗透性影响和根系对土壤理化性质影响6个方面。与前2个时间段文献计量网络图谱相比，2012—2017年最大的特点是关键词增多且各学科间的交叉融合明显增强。

(1) Tree species for soil and water conservation. (2) Nutrient loss. (3) Cultivation technique. (4) Ecological benefit. (5) Slope. (6) Vetiveria zizanioides. (7) Direct shear test. (8) Moisture content. (9) Root amount. (10) Revetment. (11) Runoff. (12) Hydraulics parameters. (13) Roots distribution. (14) Sloping land. (15) Red soil. (16) Morphology feature. (17) Soil and water conservation. (18) Herb species. (19) Forest floor. (20) Function of soil and water conservation. (21) The Three Gorges Reservoir area. (22) Dyeing tracer. (23) Preferential flow. (24) Special distribution. (25) Soil erosion. (26) Rainfall simulation. (27) Corn. (28) Soil and water loss. (29) Soil moisture content. (30) Root length density. (31) Soil anti-erodibility. (32) Root surface area density. (33) Soil anti-scourability. (34) Purple soils. (35) Root morphology. (36) Root density. (37) Stability. (38) Soil penetrability. (39) Vegetation restoration. (40) Fluctuating belt. (41) Forest for soil and water conservation. (42) Soil nutrient. (43) Afforestation methods. (44) Pioneer tree species. (45) Slope gradient. (46) Robinia pseudoacacia. (47) Platycladus orientalis. (48) Loess hilly area. (49) Safety coefficient. (50) Mechanical models. (51) Vegetation. (52) Vegetation slope protection. (53) Hydrologic effect. (54) Main component analysis. (55) Soil-reinforcement by roots. (56) Fibred bundle model. (57) Root-soil interaction. (58) Soil separation ability. (59) Land usage. (60) Hill. (61) Seasonal changes. (62) Soil. (63) Mechanical characteristics. (64) Shrub. (65) Root biomass. (66) Cohesion. (67) Root exudation. (68) Inner friction angle. (69) Anti-scourability index. (70) Plant fence. (71) Shear strength. (72) Soil-root composite. (73) Triaxial compression test. (74) Reinforced earth. (75) Ecological bank. (76) Soil-wetted front. (77) Physical and chemical properties of soil. (78) Infiltration. (79) Macropore. (80) Soil moisture. (81) Saturated conductivity. (82) Induced landslide. (83) Organic matter. (84) Bulk density. (85) Aggregate stability. (86) Single root. (87) Elastic models. (88) Tensile strength. (89) Tensile force. (90) Root system. (91) Mathematical simulation. (92) Class of root diameter.Note:The same below.图8 2012—2017年根系对土壤侵蚀阻控作用主题研究的关键词知识图谱Fig.8 Keyword map in studying the role of root in soil erosion control in 2012-2017

根系抗拉力学特性聚类圈中，研究者开始关注不同径级根系间抗拉强度的差异[25-26]；另外，根系抗拉力学特性聚类圈向根系固土护坡效应聚类圈靠拢，说明此阶段是以根系的抗拉特性与边坡稳定性为主要研究内容。根系特征对土壤渗透性影响的聚类圈中，围绕根系特征、入渗、染色示踪等内容展开研究，利用根系分析系统系统分析根长、根系直径、根系密度、根长密度以及根表面积密度等根系参数，探究根系参数与土壤入渗模型参数之间的关系[27]，并采用染色示踪试验测定根系对土体优先流区及其对水分入渗的影响，进一步探明土壤水分运移规律[28]。从图中还可以看出，土壤有机质、密度、孔隙度、水分含量、团聚体稳定性等土壤理化性质指标与根系特征之间的研究明显增强，关键词“入渗”“抗剪强度”出现的频次明显增大，说明根系稳定土壤结构、提高土壤入渗速率和土壤抗剪强度方面的研究可能是今后该领域的研究热点。图谱中还出现关键词“根系分泌物”，根系分泌物是植物与土壤进行物质交换与信息传递的重要载体[29]，研究植物—土壤—微生物三者之间的相互关系，可以更好地揭示根—土界面物理、化学、生物环境之间的互馈机制，为该领域的后续研究提供参考和借鉴。此外，图谱中首次出现关键词“季节变化”，说明研究者开始对不同侵蚀环境下根系特征及季节变化对土壤侵蚀过程影响及机制进行研究[30]。目前，针对不同立地条件下植物群落根系在土壤中发生演变的时空动态过程及土壤侵蚀能力的动态耦合研究还相对比较薄弱，因此，未来应加强这方面的研究，进一步为土壤侵蚀机理模型的推广应用以及区域水土保持与植被恢复提供理论指导。