基于文献计量的农业土地资源监测态势分析

梁社芳，魏妍冰，余强毅，查 燕，吴文斌，杨 鹏

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部农业遥感重点实验室，北京100081）

0 引言

农业土地资源是人类农业生产的基本要素，是一切农业活动的重要载体，对人类的生存和发展起着重要作用。随着人类社会需求变化，农业土地资源的类型、数量、分布和质量发生着显著变化［1］，如全球耕地面积不断扩张，土地利用的集约化［2］。这些变化一方面在确保粮食安全中起到重要作用，同时给气候变化、生物多样性、土地退化及水文过程带来深远影响［3-4］。如高强度的农药化肥投入，使得土壤污染加剧、水体富营养化、生物多样性降低［5-8］。及时、准确地掌握农业土地资源变化，不仅为农业土地系统及时、有效调控提供可靠的信息支撑，也逐渐成为农业土地系统可持续发展研究中的热点话题。因此，厘清农业土地资源监测的现状、系统归纳其发展趋势和研究热点演变过程，对掌握农业土地系统的未来趋势有重要意义。

文献计量学是情报学的一个分支，由科学计量学和计量书目学合并发展而来。通过对已有研究成果的统计分析，文献计量法能够定量地分析、评价学科的整体发展特征，预测未来发展趋势。目前，文献计量学被广泛地应用于农业科学、土地科学、生态科学等领域［9-11］。在农业领域，多是基于CNKI、Web of Science等数据库，分析粮食生产系统、农业面源污染、土壤重金属污染、有机农业生物多样性、农业水资源利用等领域的发展现状、主要研究力量、研究的热点问题等［12-17］。在生态科学领域，通过文献计量法与传统综述相结合，系统地梳理了生态系统碳交换、湿地生态价值评估等方向的研究成果，归纳总结了生态系统碳交换、湿地生态系统的演化历史及热点问题［18-19］。除此之外，文献计量学被应用于交叉学科的研究成果分析中，如杨景宁等以美国科学信息研究所的科学引文索引扩展版数据库为数据源，利用Thomson Data Analyzer（TDA）等工具，全面地梳理了1996—2015年国际草地农业生态学研究的变化趋势、研究力量分布、重点领域，研究热点及国际合作［20］。Li等基于CNKI数据库，利用文献计量法对1999—2011年中国城市化过程中的生态环境问题的研究主题、理论和方法演变过程进行了归纳［21］。目前，基于文献计量的农业土地资源监测研究的态势分析还未见报道，因此文章以Science Citation Index Expanded（SCIE）数据库为数据源，采用文献计量学方法，从全球总体发展趋势、主要研究力量、研究热点分析等方面论述农业土地资源监测研究中的发展状况，探究其发展趋势，为该领域的未来发展方向提供参考。

1 数据与方法

该文数据来源于美国信息科学研究所（Institute for Information Science，ISI）的SCIE数据库，该数据库涵盖了自然科学、工程科技、社会科学等领域，是全球最大、涵盖学科最多的综合性学术信息资源数据库，是应用最广泛、最权威的数据库之一［18］。围绕“土地利用”、“耕地”及“监测”的同义词、变形词等制定检索式，检索时间为1999—2018年，共获取文献2.527 6万篇。

采用Journal Citation Reports（JCR）、Essential Science Indicators（ESI）等文献计量分析 指标，利用Derwent Data Analyzer（DDA）等分析数据库和多种数据分析工具，对基于SCIE数据库检索到的农业土地资源监测研究中的相关文献进行计量分析。基于论文发表时间、第一作者国家和机构等字段，统计全球、各国家、各机构的论文发表情况、论文被引情况、期刊水平及关键词词频。进一步分析该领域的发展趋势、主要研究力量及研究热点。

2 结果与分析

2.1 总体发展趋势

在农业土地资源监测研究中，1999—2018年全球该领域核心期刊论文发表量共计2.527 6万篇，论文数量整体上处于上升趋势（图1）。主要分为两个阶段：1999—2005年，全球在该领域论文发表数量呈现缓慢增长的态势，全球年均增长率为17%。2006—2018年，全球论文发表量呈现快速增长态势，年均增长率均为24%。中国在农业土地资源监测研究中，论文发表数量整体呈上升趋势，但经历了相对较长的缓慢发展时期。1999—2018年中国在该领域发文总量为3 729篇，1999—2011年处于缓慢发展阶段，该时期共发文758篇，占中国发文总量的20%，2012—2018 年进入快速发展阶段，该时期论文发表量占中国总发文量的80%（图1）。

图1 1999—2018年农业土地资源监测领域全球和中国研究趋势分析Fig.1 Scientific output of the globe and China on agricultural land resource monitoring from 1999 to 2018

2.2 主要国家研究力量分析

从农业土地资源监测领域中各个国家/地区的论文发表量看，1999—2018年论文发表量最高的5个国家/地区分别是欧盟、美国、中国、加拿大和澳大利亚，其发文总量为2.030 5万篇，占全球总发文量的80%。其中欧盟论文发表量最多，占总发文量的35%，美国占比23%，中国占15%，加拿大和澳大利亚各占4%（表1）。1999—2018年，各主要国家/地区发文量均呈上升趋势，其中中国2016 年之后发展迅速，超越美国，位居第2（图2）。

从发文质量看，1999—2018年，美国在该领域占据主导地位，而中国论文质量相对较差。虽然欧盟发文量最高，但篇均被引频次在主要国家/地区中排名倒数第2，说明其发文数量占优，但质量相对较差。美国发文量第2，篇均被引次数也是第2，但论文总被引频次位居第1，整体而言其论文数量和质量协调发展，在该领域占据主导地位。澳大利亚发文量第5，仅有920 篇，但篇均被引频次最高，论文质量较高。相比较而言，中国在该领域的发文量排名第3，但篇均被引频次在主要国家/地区中排名最低，说明中国该领域的论文质量有待提高（表1），这可能与中国在该领域主要发文期刊有关。对比中国与主要国家/地区论文发表量排名前10 的期刊发现，农业土地资源监测研究中，主要国家/地区发文量前10 的期刊，影响因子在2.78以上，其中影响因子最高的期刊为“Global Change Biology”，影响因子为8.88；中国发文量最多的期刊为“Science of the Total Environment”，其影响因子为5.59。而中国主要发文期刊的影响因子在1.46 以上，发文量最多的期刊为“Sustainability”，其影响因子为2.59，与主要国家/地区有一定差距（表2）。

图2 1999—2018年农业土地资源监测领域主要国家研究趋势Fig. 2 Annual number of published papers on agricultural land resource monitoring in major countries/regions from 1999 to 2018

表1农业土地资源监测领域中主要国家/地区的论文发表情况Table 1 The number and citations of published papers on agricultural land resource monitoring in major countries/regions

表2 农业土地资源监测领域中主要国家/地区、中国发文量前10期刊Table 2 Top 10 journals of published papers on agricultural land resource monitoring in major countries/regions and China

续表2

2.3 主要机构研究力量对比

1999—2018年，农业土地资源监测研究中，发文量最高的5个机构，总发文量为2 050篇，占全球发文量的8%。其中中国有3家，分别是中国科学院、北京师范大学及西北农林科技大学，美国有2家，分别是美国地质调查局和美国农业部。从论文发表量看，中国科学院共发表论文1 258篇，占总发文量的4.98%，具有绝对优势。而美国地质调查局、北京师范大学、美国农业部及西北农林科技大学论文发表量差异不大。从论文被引情况看，中国科学院总被引频次最高，为8 977 次，但篇均被引频次最低为7 次/篇。其他两家中国机构（北京师范大学和西北农林科技大学）总被引频次分别位居第4、第5位，篇均被引频次较低，分别为10次/篇和7次/篇。美国的两家机构总被引频次分别位居第2、第3，篇均被引频次分别位居第1、第2，分别是31次/篇和23次/篇。而中国的3家机构篇均被引频次相对较低，最高为10次/篇。整体来看，中国机构虽然在论文数量上占据优势，但质量上相对较差（表3）。

表3 农业土地资源监测领域中主要研究机构论文发表情况Table 3 The number and citations of published papers on agricultural land resource monitoring in major institutes

2.4 研究热点及演变趋势

通过对农业土地资源监测领域主要国家/地区研究中关键词的统计分析，梳理该领域的研究热点和技术演变。1999—2018年，该领域出现频率最高的关键词是土地利用（land-use），出现了4 042 次，其次是动态变化（dynamics）、气候变化（climatechange）、土地利用变化（land-use change）、模型（model）、管理（management）、影响（impact）、氮（nitrogen）、植被（vegetation）、土壤（soil）、森林（forest）、生物多样性（biodiversity）、模式（patterns）、土壤湿度（soil-moisture）、系统（systems）、保护（conservation）、生态系统（ecosystems）、水（water）、碳（carbon）、中国（China）等（图3）。整体来看，农业土地资源监测领域主要侧重对土地利用变化、气候变化的影响、土壤等监测，模型是主要的监测手段，中国是较为热点的区域。

图3 1999—2018年农业土地资源监测领域中关键词词频分布Fig.3 The frequency of keywords of published papers on agricultural land resource monitoring in major countries/regions from 1999 to 2018

从技术演变看，研究内容上，1999—2003年，出现频率最高的关键词是动态变化（dynamic），出现了284次，其次是土地利用（land-use）、氮（nitrogen）、土壤（soil）等。2004—2008年，该领域出现频率最高的关键词是土地利用（land-use），出现543次，其次是动态变化（dynamic）、土地利用变化（land-use change）、氮（nitrogen）等。2009—2013年，出现频率最高的关键词是土地利用（land-use），出现1 158次，其次是动态变化（dynamic）、土地利用变化（land-use change）、气候变化（climate-change）等。2014—2018年，出现频率最高的词是土地利用（land-use），出现2101次，其次是动态变化（dynamic）、气候变化（climate-change）、土地利用变化（land-use change）、影响（impact）等。从研究方法看，1999—2003年，模型（model）出现频率最高，出现195次，其次是地理信息系统（GIS）、模拟（simulation）。2004—2013年，出现频率最高的关键词均为模型（model），其次是地理信息系统（GIS）、遥感（remote sensing）。而2014—2018 年，出现频率最高的关键词是模型（model），出现908 次，其次是遥感（remote sensing）、模拟（simulation）等。从研究区域看，1999—2003 年，研究最多的区域是美国，其次是澳大利亚、加拿大等。2004—2013 年，研究的热点区域是美国、中国、欧盟等。2014—2018 年，研究最多的地区是中国，其次是美国、欧盟等。整体而言，从研究内容看，“土地利用变化”、“田间管理”、“氮”是该领域持续监测的热点，除此之外，前10 年多集中在“土壤”、“碳”的研究；近10 年，“气候变化及其影响”和“生物多样性”成为关注的热点。从研究方法上看，“模型”是该领域监测中的常用手段，前期“地理信息系统（GIS）”应用较多，近五年“遥感”成为主要方法。而从研究区域上看，早期对美国、澳大利亚、加拿大研究较多，近五年中国、欧洲、加拿大、非洲成为新的热点地区（表4）。

表4 1999—2018 年农业土地资源监测领域的研究热点及变化趋势Table 4 The research hotspot and trend of major countries/regions on agricultural land resource monitoring from 1999 to 2018

通过分析1999—2018年农业土地资源监测领域主要机构研究的热点发现，在研究内容上，中国科学院研究最多的是土地利用变化（land-use change），出现286次，其次是影响（impact）、气候变化（climate change）等。北京师范大学主要集中在土地利用变化（land-use change）、气候变化（climate change）、影响（impact）等。西北农林科技大学研究中词频最高的关键词是黄土高原（loess plateau），出现43次，其次是土地利用变化（land-use change）、氮（nitrogen）等。美国地质调查局研究中最高频的关键词是土地利用变化（land-use change），出现64次，其次是气候变化（climate change）、影响（impact）、生态系统（ecosystems）等。而美国农业部的研究主要集中在管理（management），其次是氮（nitrogen）、土壤（soil）、土地利用（land-use）及有机质（organic matter）方面。在研究方法上，中国科学院、北京师范大学及美国农业部主要是利用模型（model）及遥感（remote sensing）手段进行监测，而西北农林科技大学及美国地质调查局则偏重于模型（model）。进一步对比中外主要研究机构发现，从内容上看中国的科研机构侧重土地利用变化、城镇化监测及气候变化的影响，国外的科研机构则更多地关注对土地利用变化、生态系统、氮及土壤有机质的监测。从研究方法上看，各机构方法上较为相似，多基于“模型”与“遥感”（表5）。

表5 1999—2018 年农业土地资源监测领域主要机构研究热点及变化趋势Table 5 The research hotspot and trend of major institutes on agricultural land resource monitoring from 1999 to 2018

3 结论与展望

农业土地资源是农业生产、生活的重要基础，是地球陆地系统的重要组成部分。随着技术的进步，农业土地资源监测研究逐渐成为农业土地系统研究中的热点问题。通过对1999—2018年农业土地资源监测研究领域的发文量进行文献计量分析，发现该领域全球文献发文量呈现出逐年递增趋势，说明了该领域仍是当前农业领域研究的热点之一。相比于其他国家，中国自2012年开始呈显著增加态势，虽然在论文数量上位居世界第3位，但论文质量与其他主要国家/地区相比仍有较大的差距。论文发表量排名前5的研究机构中，中国有3家，美国有2 家，其中中国科学院发文量最多。相比于美国科研机构，中国科研机构虽然在发文数量上占据一定优势，但论文篇均被引频次远落后于美国的科研机构。从研究内容看，前期各主要国家/地区多关注景观、土壤水分、氮等方面，近年来，生态系统服务、生物多样性、有机碳、镉污染成为新的趋势。研究方法上，遥感成为新的主流技术。前期对模型、GIS应用较多，随着遥感技术的发展及数据类型的丰富，遥感监测成为主导，情景分析及数据同化成为新的趋势。对比主要研究机构的研究趋势发现，研究内容上，该领域主要集中在土地利用变化、土壤湿度及重金属等监测方面，中国多侧重于土地利用变化、退耕还林、城镇化、有机质、土壤污染等监测。研究方法上，基于模型、遥感、GIS及地面观测是该领域较为常用的手段。

农业土地资源监测的对象具有多样性、复杂性和综合性，涉及到自然科学、工程科学和社会科学等多个学科，未来还需要开展多数据、多尺度、多方法的综合研究，可重点在以下几个方面进行深入研究：（1）搭建天空地一体化平台，开展多源数据融合技术研究，提高数据利用效率。数据是农业土地资源监测、分析、决策、服务和应用的基础。一方面，由于我国地形多样、多云多雨天气频发、种植制度复杂和农业生产高度动态变化，使得快速、高效、准确的农业土地资源信息采集面临许多重大技术难题，信息获取保障率低。另一方面，目前农业土地资源监测中的数据来源主要是地面观测数据、统计数据、多源遥感数据等，由于数据获取、处理方法等不同，导致数据的集成应用较为滞后，数据利用效率较低。因此通过搭建天空地一体化协同平台，提高多源数据融合技术，能够有效地提高数据利用效率，为农业土地资源实时、高效监测提供充足的数据基础。（2）提高农业土地资源监测的精度和时效性。农业土地资源监测的方法各具特色，但也存在不同的缺陷，影响监测精度。目前，农业土地资源监测方法主要有传统的地面调查、遥感监测及模型模拟。传统地面调查精度较高，但费时费力，难以实现大区域监测。遥感因其低成本、高效率、大范围等优势被广泛应用，但存在混合像元、大气校正、尺度转换等诸多亟待解决的问题［22］。模拟模型可应用于不同尺度的监测模拟，但其精度相对较低。因此，需要发展多尺度、多技术融合的农业土地资源监测方法，提高监测的精度。同时，长期以来，农业土地资源监测多以静态（单一时间点/段）为主，监测空间分辨率较粗，缺乏长时间序列的时空变化动态监测，监测时效性有待加强。（3）加强对农业土地利用变化的结果和效应的区域监测。农业土地资源是人类从事农业生产、生活和经营的载体，在农业土地开发利用的过程中，通过改变地表覆盖和利用强度状况，改变地球表面的物理特征和生物地球化学循环过程，影响地表与大气之间的能量、水分和元素的交换过程，以及土壤—植被之间的营养物质输送过程，进而对农业气候、水和土壤等资源环境产生影响［23］，如温室气体排放、土壤污染、生物多样性降低等。开展农业土地利用变化效应监测（如农田温室气体排放监测、农田生物多样性监测、土壤重金属污染监测等）是农业土地利用效应评估的重要基础，是实现农业土地资源可持续利用的重要环节。但是目前针对农业土地利用中的生态环境效应监测中多是基于地面观测，监测效率较低，成本投入较大，难以实现大面积、高时效监测，而基于遥感的大尺度监测又相对较少。因此，加强基于多源数据融合的大区域农业生态环境监测是未来农业土地资源监测领域的重点发展方向之一。