国内外暗管排水研究知识图谱可视化分析

丁新军 ，田军仓 *，朱 和

（1.宁夏大学 土木与水利工程学院，银川 750021； 2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021）

0 引 言

世界上高产的农业都是建立在排水良好的土地上[1]，约1/3 的雨养农业需要改善排水[2]。2018 年全球耕地排水总面积占全球总可耕作面积的10.679%[3]。暗管排水工程能够改善农业水土环境，为灌溉农业提供可持续发展保障。暗管排水技术实践了数千年，欧洲和北美在1940 年左右开始引进暗管排水技术并盛行[4]。经典的排水理论与技术方法在过去已经得到充分运用，其主要目的是降低农田地下水位，解决作物根区的涝渍和盐渍问题，同时也造成“超排”的问题。近年来，水资源综合管理推动这一领域的迅速发展，多学科交叉融合促使暗管排水研究领域步入新的范式。现代暗管排水理论在保证农作物根区适宜水分的基础上还期望服务于更广泛的社会目标：控制盐渍化，控制土壤侵蚀，控制洪水，环境保护，农村卫生安全，农村发展和粮食安全[5]。

暗管排水研究领域的长时期发展积累了大量的潜在科技文本数据，这些数据也能反映这一领域发展的内容和演进趋势。文本数据挖掘可视化软件VOSviwer[6]凝练了文献计量学专家的哲学思想与应用数学，使用VOSviwer 软件有助于挖掘这些潜在数据。本文采用信息文本挖掘可视化软件VOSviwer 对过去暗管排水领域进行系统性回顾，以便分析暗管排水领域发展动态趋势及热点前沿，为农业水利科技工作者提供一定参考依据。

1 材料与方法

1.1 数据采集

国外暗管排水文献引文数据从科睿唯安WOS核心数据库下载，以“tile drain*” or “subsurface drain*”作为主题检索；国内文献引文数据从CNKI数据库下载，以“暗管排水”作为全文检索策略。时间区间都设定为1985—2018。从WOS 下载的数据2 256 条，CNKI 数据636 条。

1.2 方法

VOSviwer 科技文本可视化软件工具能够根据引文网络数据创建知识图谱，并探索测度这些图谱。为了得到美观的图谱与准确的探索暗管排水知识图谱，本文的研究方法如下：①基于WOS 的数据构建科学知识叠加图谱，分析暗管排水所涉及的领域；绘制高影响力研究机构密度可视化图，辨识暗管排水研究领域高影响力研究机构。②分别构建基于WOS 与CNKI的关键词共现网络图谱，分别反映国内外暗管排水具体的研究内容，分析国内外关键词共现图谱及图谱数据，比较差异图谱以揭示国内外研究热点与国内外差异。③构建国内外作者合作网络知识图谱，以识别我国暗管排水研究核心作者并回顾他们为我国暗管排水所做的贡献，分析国外暗管排水研究领域高影响力学者及其研究方向。

2 结果与分析

2.1 暗管排水研究所涉及研究方向分析

暗管排水研究领域科学叠加图谱是将暗管排水研究学科领域图谱与全球科学知识底图叠加构建而成，它揭示了暗管排水研究在全球知识图谱当中的位置与主体。图谱中节点距离在算法引入Rao-string 多样性度量[7]，不仅考虑到空间上的测度距离还考虑到类别之间的距离。图中节点大小表示暗管排水研究中涉及该学科文献多少，距离上远近可反映跨学科性。用VOSviwer绘制暗管排水科学知识叠加图谱（图1）得出：暗管排水研究领域主要活跃在水资源、环境科学、农学、土壤科学、农业工程、地球综合科学、土木工程、生态学、环境工程、农业综合学科等领域，并且这一活跃的区域与植物学、工程地质、材料科学接壤。其中水资源、环境工程和地球综合科学在叠加图谱上距离较近，土壤科学与农业工程在叠加图谱上距离较近，说明他们涉及暗管排水研究的跨学科交叉融合程度较高。

图1 暗管排水科学知识叠加图谱 Fig. 1 Overlay map of the subsurface drainage research area in cluster visualization

2.2 国际上暗管排水所涉及国家与研究机构分析

通过国家合作信息分析有助于理解对暗管排水研究的国家的分布与合作情况。图2 中节点大小与隶属该国家论文被引用数成比例，节点之间的连线表示国家之间的存在合作关系，粗细表示合作强度。通过分析得出：有88 个涉及暗管排水的国家，筛选出了44 个至少在国际期刊发表5 篇论文以上的国家构建合作网络图谱。按节点大小排序前5 个国家分别是：美国、加拿大、德国、英国、瑞典。说明这些国家发表的论文产生较高影响力。图2 中节点的连线数前五的国家是：美国、法国、荷兰、德国、加拿大，说明这些国家与其他国家展开合作较多。我国与美国、加拿大在暗管排水研究方面联系紧密。

图3 采用文献耦合网络方法回溯文献来源，以显示暗管排水研究领域高影响力研究机构。全球涉及暗管排水研究机构共1 513 所，调整软件阈值筛选出高影响力前100 的研究机构绘制机构耦合图谱。依据被引数作为影响力指标，排名前10 的机构分别是USDA ARS、Iowa State University、University of Illinois、University of Minnesota、Purdue University、Agriculture and Agri-Food Canada、U.S. Geological Survey、Swedish University of Agricultural Sciences、Ohio State University。由图2、图3 可知，美国、加拿大是该研究领域强国，大部分暗管排水研究机构都隶属于欧美国家。

图2 暗管排水研究领域高影响力国家 Fig.2 High-impact countries in the field of subsurface drainage research

图3 暗管排水研究领域高影响力机构 Fig.3 High-impact academic institution in the field of subsurface drainage research

2.3 国内外暗管排水研究关键词共现网络图分析

论文关键词是作者从论文中精心挑选的术语，可以反映论文的核心内容[8]。采用“共词分析”的科学计量学方法，构建“共词矩阵”绘制了国内、国外暗管排水研究领域学术关键词的共现网络图谱（图3 和图4）。由图4 和图5 及软件分析可知，国内、国外关键词总数分别是1 882 个和4 101 个，图谱中软件筛选阈值都选为5，国内、国外达到阈值指标的关键词个数分别为79 个与233 个，说明国内、国外暗管排水研究领域在研究内容上丰富程度存在一定的差异。

网络中节点大小表示这一关键词在整个研究领域影响强弱，由图4 和图5 及表1 可知，国内暗管排水共现较强的关键词为暗管排水、盐碱地、排水、控制排水、暗管、土壤，国外暗管排水共现较强的关键词为subsurface drainage、water quality、drainage、tile drainage 、nitrate。国内外关键词共现网络图揭示我国暗管排水的研究重点是：田间暗管排水工程对盐碱地的治理，其主要内容包括试验发现性研究、模拟优化类研究，试验发现性研究包括农艺措施与暗管排水工程对田间土壤盐分[9]、氮素养分迁移与流失影响，对地下水污染、对田间作物的响应等，模拟优化类研究主要应用于暗管工程铺设前的优化计算，例如采用DRAINMOD、HYDRUS 软件模拟计算不同的方案情境下的暗管排水工程对田间排盐、排水状况的影响，从而选择暗管铺设最佳间距、埋深与最佳的管理措施。国际上控制排水时间比国内控制排水研究时间早一年，说明国内研究与国际研究热点基本同步。

图 4 基于WOS 暗管排水研究关键词共现网络图 Fig.4 Keywords occurrence network based on WOS

图 5 基于CNKI 暗管排水研究关键词共现网络图 Fig.5 Keywords occurrence network based on CNKI

表1 国内外top20 关键词共现数据表 Table1 Top 20 keywords occurrence domestic and international

国外暗管排水研究中共现较强的是排水水质研究，美国是这一方向研究强国，美国在这一领域发表的论文占总数的18.6%。非点源污染（NPS）是美国水质受损的一个主要原因[10]，许多项目关于评估农业实践对水质的影响，促进了这一方向的研究[11]。关于氮磷、杀虫剂定量化迁移机理研究国外领先，并且开发、运用的不同尺度的水文模型囊括越来越多的物理化学机制。例如 Luo 等[12]将冻融过程考虑，将DRAINMOD 加以改进以适应寒冷地区的排水环境；关于磷的迁移考虑到土壤特性（优先流、磷吸附过程、氧化还原过程），暗管排水设计（间距、埋深），初始条件（原先土壤含磷量、磷在土壤中的不同化学形式、耕地状况、当地种植的作物、施肥时间与施肥量），当地水文地质状况与气候特点[13]。Kladivko 等[14]回顾并且总结超过30 多个北美农药迁移到排水暗管中的研究报告，发现农药迁移机制主要与下雨产生优先流有关；Nangia 等[15]采用根区水质模型ADAPT 模型模拟暗管不同埋深与间距条件下排水暗管的NO3-N 淋失与作物产量，以寻求最佳暗管埋深与间距布置。模型中关于N 的吸附和解吸计算上把N 在土壤中状态分为稳定和活跃2个区，2个区根据土壤有机质中C/N函数、土壤温度与含水率，来计算氨化与矿化，并且还考虑豆科作物固氮作用。

图谱中节点不同的颜色代表不同的年份，近年来国外期刊上新兴的热点共现关键词是drainage water management, climate change, cover crops, hydrological modeling, woodchip bioreactor。说明国外期刊研究较多的是暗管排水工程景观地区排水管理的研究，将控制排水作为最佳排水管理策略；从SPAC 视角研究气候变化对暗管排水的影响；不同覆盖作物种植与氮淋失对水质的影响；开发改进水文模型；以及新兴的木片生物反应器对排水水质反硝化的处理研究。国内的新兴共现关键词有微咸水、脱盐率、土壤理化性质、日光温室、水盐运移，说明国内暗管排水研究重点在于暗管排水工程治理盐碱地与防止灌溉带来的次生盐渍化问题。随着节水尺度的推进，暗管排水景观地区非常规水源灌溉试验的规律与机理正在被揭示[16-17]。

2.4 国内外暗管排水研究学者分析

采用合作网络的方法可以揭示研究人员和合作模式与分布。据图6 分析，我国暗管排水研究领域研究人员主要来自河海大学、武汉大学、中国水科院、西安理工大学等单位。图中较大节点有：张展羽、邵孝侯、罗纨、王少丽、王修贵、张瑜芳、黄介生等。张蔚榛等[18]在国内最早展开排水条件下氮素、化肥流失及其在土壤和地下水运移规律的研究，发展了流线追踪法与探索了有限元计算方法模拟田间水氮迁移转化规律。袁念念等[19]、孙怀卫等[20]、曾文治等[21]应用RZWQM 和DRAINMOD 进行控制排水管理下氮素迁移实验研究。陶园等[22-23]对暗管功能性试验进行研究以改善暗管排水与防淤堵试验研究，罗纨等[24]提出排水管理应兼顾农业生产与环境保护并且应用DRAINMOD 模型用到生产实践中。张展羽等[25]、张洁等等[26]调查了暗管排水对作物指标及土壤理化性质的影响，并提出DRAINMOD-S 可作为改良盐碱地暗管排水工程设计有效工具。王少丽等[27]2008 年对我国农田排水进行系统性回顾，提出了我国农田排水的发展方向。

图6 国内暗管排水研究作者合作网络图谱 Fig.6 Authors Cooperation Network based on CNKI

图7 国外暗管排水研究作者合作网络图谱图 Fig.7 Authors Cooperation Network based on WOS

国外较早从事暗管排水的研究人员有爱荷华州立大学的Jaynes 等[28]、和普渡大学的Kladivko 等[29-30]。由图7 可知，与Jaynes 有较强合作关系的研究学者包括：Moorman，Kaspar，Malone，Ahuja。他们的研究兴趣涉及排水管理[31]、脱氮生物反应器[32]、农业化学用品与暗管排水实验研究[33]、暗管排水景观模拟[34]。Kladivko 等[35-36]的研究兴趣是田间尺度农药、养分迁移规律试验研究与覆盖作物非耕作期间种植改善养分淋失。美国农业部King 与Williams、Smith 在流域水质研究合作密切，他们的研究兴趣是通过建立美国中西部流域水质监测网络[37]、流域尺度水文模型，分析农业管理对暗管排水景观区域水质的影响[38]，为流域尺度4R（the right source of nutrients，at the right rate, at the right time，and in the right place）肥料管理等提供依据。伊利诺伊大学Kovacic[39]的研究内容涉及流域农业生态系统的营养物质循环迁移，通过建立连接暗管排水农田和河流、河口海岸的水质响应模型[40]，从农业系统源头为农业措施实践提供依据，减轻水体富营养化。Skaggs 等[41]开发了DRAINMOD 模型，Youssef 等[42]改进开发了DRAINMOD-N II，用于模拟不同农业管理实践和土壤环境条件下的土壤-水-植物系统中的氮动态。

3 结 论

目前我国暗管排水研究处于学习吸收引进并逐步发展的阶段。国际上暗管排水研究方向多样性，大体上我国暗管排水紧跟国际研究趋势，能够及时引进一些国际上通用软件与新方法，其中最流行的水管理模型是DRAINMOD。

在田间尺度的暗管排水方面，国外提出许多新兴理论与开发的通用软件，模拟类论文中，模型考虑的物理化学过程、条件越来越多，与实际生产情况越来越接近。磷肥在土壤中可以以多组分形式淋失，并且与土壤质地、土壤先前含水率、气候有关，它的排放规律可以用hysteresis loops 描述[43]。国际上认为优先流理论用于描述对建有暗管排水工程的农田中一些溶质排放规律更符合实际情况。Kladivko 等[35]通过长期田间实验观测与分析，发现优先流是田间杀虫剂排放的主要流动机制。Lasson 等[44-45]基于双孔隙理论开发了MACRO 和MIM-CDE 等模型用于定量描述优先流对农田养分迁移。我国展开了许多试验，为生产管理提供了理论依据。但国内关于农药、磷的迁移规律机制研究较少，在刻画田间溶质迁移的新的物理化学机制描述上还有待加强。

在流域尺度的暗管排水研究方面，国际上以暗管排水地区溶质排放规律及对流域生态环境影响的定量描述为主，以水文角度研究暗管排水以寻求流域尺度水管理的措施，其中所建立的监测网络系统描述了从排水释放源头到河流直至入海口整个体系的水文过程。在流域尺度上的管理措施通常是在流域上游暗管排水景观地区展开管控，如肥料管理措施、排水管理、脱氮反硝化工程技术措施、农艺措施。我国在流域尺度上研究暗管排水地区对流域环境影响机制研究缺乏。

排水管理的研究趋势倾向于兼顾农业生产与环境友好。国外新兴的技术措施是在田间排水源头建立反硝化除氮生物反应池，它们把水力特征参数与生物化学特性参数测定作为合理布置的依据[46-47]。新兴的农艺研究热点通过不同作物覆盖种植以建设生态农田，通过调查土壤、地下水、地表水硝酸盐量的季节性变化规律，寻找最佳作物、种植方式及其他农艺措施，减少田间硝酸盐的季节性排放、肥料养分的流失。面对气候变化条件下的暗管排水学科研究也是未来研究热点之一。

关于排水暗管外包材料、施工工艺、暗管排水施工机械类论文多发表于一些会议论文与国家标准，本文选取的是核心数据库期刊论文，所以不在本文检索范围。感兴趣读者可参考FAO28[48]、FAO60[49]及一些专著规范，近期Ritzema 等[4]综述了暗管排水施工设备、排水管材、外包材料等，更多细节可以参阅Lambert 文献[2]。国内许多专家对这方面也做了介绍[50-52]。