基于文献计量分析的土壤水盐运移研究进展

李阳阳，李王成，2，3，王 洁

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.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；3.省部共建西北土地退化与生态恢复国家重点实验室，银川 750021）

0 引 言

土壤盐渍化问题已经造成大面积土壤退化和粮食减产问题，成为制约我国农业可持续发展的重要因素之一。目前，我国的盐碱地总面积高达3 600 万hm²，其中盐碱耕地面积920 万hm²，主要集中分布在东北、西北、华北以及东部沿海等地区[1]。盐碱地治理和改良的关键在于摸清土壤水盐运移的规律。一般情况下，土壤水盐运移遵循着“盐随水来，盐随水去”的基本规律[2]，但是同时又受降水、土壤质地、地下水和温度等多种因素的综合影响。所以深入研究盐碱地土壤水盐运移规律有利于对盐碱地进行科学地调控和治理。

从已有的文献来看，越来越多的学者开始在研究领域运用文献计量的方法对学科史的研究趋势作分析。目前在医药学[3,4]、疾病学[5,6]、建筑学[7]等领域采用可视化软件挖掘前沿热点的文章较多。在土壤水盐运移领域发文较多的主要包括理论分析和模型研究2个方面，但基于文献计量方法利用可视化图谱软件对土壤水盐运移研究进展和热点分析的文献相对较少。因此，本文采用VOSviewer 知识图谱可视化分析软件，对2000-2020年21 a 国内外土壤水盐运移的发展脉络、应用前沿等进行归纳总结，为后期学者作相关方面研究提供参考。

1 研究方法及数据来源

科学知识图谱研究是以科学为基础，涉及应用数学、信息科学以及计算机科学的交叉领域，同时也是科学计量学的新发展领域。而科学知识图谱的可视化可用于研究相关领域的前沿及热点问题，也可以对学科发展、科学结构等方面进行研究。VOSviewer 软件是荷兰莱顿大学的van Eck 和Waltman基于共现聚类思想研发的一款科学知识可视化工具，提供包括合作分析、共现分析、共被引分析、耦合分析等功能，并可将研究结果进行可视化展示，在聚类技术、图谱展示等方面具有独特优势[8]。

本研究的中文文献来源于CNKI 数据库，以“土壤水盐运移”为主题词进行检索，时间跨度设定为2000-01-01 到2020-12-31，共检索到748 篇文献；外文文献来源于WOS 核心数据库，以“Soil water and salt transport”为标题进行检索，时间跨度设定为2000-01-01 到2020-12-31，获取文献的全部记录，包括标题、出版年份、作者、国家(地区)、研究机构、期刊名、关键词和摘要共检索到1 250篇文献。

2 结果与分析

2.1 发文量趋势

对纳入的748 篇中文文献和1 250 篇英文文献按照发表年度进行统计，并作出年发文量趋势图，见图1。其中，在2000-2020年21 a，中文文献发文总量748 篇，英文文献发文总量1 250 篇，两者都呈波动式逐渐攀升趋势。采用线性回归分别将中英文文献年发文量进行拟合，得到拟合方程如下。

图1 中英文文献年发文量趋势Fig.1 Trend of annual publication volume of Chinese and English literature

中文文献年发文量拟合曲线方程：

英文文献年发文量拟合曲线方程：

其中中文文献年发文量变化曲线与拟合曲线的相关系数（R2）为0.879，英文文献年发文量变化曲线与拟合曲线的相关系数（R2）为0.852。两曲线拟合的相关系数均较高，因此可采用拟合曲线方程来预测未来年份的年发文量。通过中英文文献年发文量来看，关于土壤水盐运移的研究整体上呈增长趋势。这就意味着对于土壤控盐、排盐等方面的研究在未来的研究中仍会是一个比较热门的研究话题。

2.2 论文发表期刊分布

对纳入的文献所发表学术期刊排名前10的期刊进行统计，见图2。结果发现在土壤水盐运移领域英文文献主要发表于《JOURNAL OF HYDROLOGY》、《AGRICULTURAL WATER MANAGEMENT》、《WATER RESOURCES RESEARCH》等期刊，这些期刊发文最多的期刊为荷兰出版的《JOURNAL OF HYDROLOGY》， 排名第2 的期刊仍为荷兰出版的《AGRICULTURAL WATER MANAGEMENT》，排名第3 的期刊为美国出版的《WATER RESOURCES RESEARCH》。前10 本期刊中，其中荷兰期刊5 本，瑞士期刊2 本，美国、德国、英国各1本。从期刊数量来看，荷兰在土壤水盐运移领域的研究比较领先。中文文献的来源主要分布在《灌溉排水学报》、《农业工程学报》、《节水灌溉》等期刊，其中《灌溉排水学报》期刊载文量最多，2000-2020年关于土壤水盐运移的载文量多达47篇，其次是《农业工程学报》和《节水灌溉》，分别为39篇和32篇。

图2 文献来源期刊分布Fig.2 Distribution of literature source journals

2.3 主题聚类分析

利用VOSviewer 科技文献的主题挖掘功能对土壤水盐运移研究领域的相关主题进行聚类分析，它反应了各个主题之间的相关程度。将WOS 中检索的文献导入VOSviewer 软件得到土壤水盐运移主题聚类分析图谱，见图3。图谱中，主题的不同颜色代表了主题所属的不同类别，主题标签的大小则代表了主题的出现频率和次数，主题之间的距离远近代表了主题之间的相似性，即距离越近则代表主题之间越相似。从主题聚类图中可以了解到plant、content、model、accumulation、response、 treatment、 soil salinity、 groundwater、 surface、species、source 等主题标签较大，说明它们出现的频率和次数比较多，从这些主题词中可以看出关于土壤水盐运移研究的内容比较丰富，主要活跃在围绕植物、土壤中的水盐运移规律及含量变化（主题词包括plant、content、soil salinity、accumulation、response、salt transport、 salt tolerance、surface、salt stress 等）以及水盐运移模型预测（主题词包括model、hydrus、mobility、hydrus 1d等）等方面。

图3 主题聚类分析图谱Fig.3 Thematic cluster analysis map

从主题聚类分析来看影响比较大的几个主题主要集中在植物生长、盐分胁迫、土壤水运动等几个方面。盐生植物是改良盐碱土最有效的方法之一。在盐碱地中耐盐植被的大量种植及生长，不仅可以改善土壤自身盐碱环境同时也能够调节和改善周边区域的生态环境。一直以来，土壤-水-植物系统中的盐碱化是引起公众关注的重要环境问题，所以研究受水文循环和植物生长影响的土壤中水分和盐分的迁移规律以及模型，可以用于预测土壤-水-植物系统中水和盐的行为，从而为盐碱地改良提供理论依据[9-12]。

2.4 关键词共现分析

文章的关键词是作者从文章中精心挑选出的术语，是文章主题的概括和作者研究重点的提炼，可以反映该论文的核心内容，对其进行共现分析可以对当前学科研究进行归类，从而发现研究的方向和热点[13,14]。本文采用“共词分析”的科学计量学方法，通过构建“共词矩阵”对检索的中英文文献分别绘制关键词共现网络图谱，其中中文文献关键词共现网络图谱见图4，英文文献关键词共现网络图谱见图5。图中关键词所在的圆圈越大说明所代表的关键词出现的频次越高，也代表是该研究领域较为热的话题；同时关键词越位于图谱中间，表示该关键词重要性越强，是该研究领域的重要概念[15]。检索的2000-2020年的748篇中文文献中，共得到1 374个关键词，其中117 个符合阈值；1 250 篇英文文献中，共得到6 487 个关键词，其中有478 个符合阈值。图谱中软件筛选阈值都选为5（关键词出现的频次至少为5次）。从筛选出的关键词数量来看，国内外关于土壤水盐运移方面的研究在丰富程度上存在一定的差异。国内土壤水盐运移共现较强的关键词有水盐运移、数值模拟、膜下滴灌、微咸水等；国外土壤水盐运移共现较强的关键词有water transport、salinity、growth salt tolerance、hydraulic conductivity、model 等。各个节点之间联系紧密，其中中文文献中研究的热点主要集中在以下几个方面。

图4 基于CNKI土壤水盐运移研究关键词共现网Fig.4 Co-occurrence network of keywords for soil water and salt transport research based on CNKI

图5 基于WOS土壤水盐运移研究关键词共现网Fig.5 Co-occurrence network of keywords for soil water and salt transport research based on WOS

（1）数值模拟。主要包括HYDRUS 模型、SWAP 模型、BP 神经网络模型、SHAW 模型等模拟水、盐在土壤中的分布以及随时间变化的趋势和规律。其中HYDRUS 模型是最基本和最经典的模型，是1991年由美国国家盐改中心和农业部联合开发的，用来模拟饱和土壤中一维水分与溶质运移的数值模型， 后来被发展为HYDRUS-1D、 HYDRUS-2D 以及HYDRUS-3D 等模型[16]，目前大部分学者主要研究各个条件下，例如冻融循环、干湿循环等因素影响下的土壤水盐运移模型。

（2）膜下滴灌。滴灌技术是是治理改良盐碱地中的一种重要的农艺措施，尤其在干旱半干旱地区被得到了广泛地应用。膜下滴灌是一种将覆膜种植和滴灌技术相结合的新型节水灌溉技术，可以有效减少蒸发抑制地下盐分运移。目前大部分学者主要研究灌水量、灌水水质、滴灌频率、膜间处理方式等因素对土壤水盐运移的影响机理[17-19]。

（3）微咸水灌溉。与传统的淡水灌溉相比，利用微咸水灌溉一方面提供了作物生长所需要的水分增辟了灌溉水源，另一方面也会增加土壤盐分含量，然而盐分的过度积累又会影响土壤质量和作物生长发育。目前，对于利用微咸水灌溉的研究，主要集中在模拟微咸水灌溉条件下土壤水盐运移的长期变化过程以及如何有效防止土壤次生盐渍化[20-22]。

外文文献中研究的热点主要集中在以下几个方面。

（1）植物耐盐机制。土壤盐渍化是干旱和半干旱地区农业的主要威胁，在这些地区缺水和灌溉地排水不足导致土壤盐碱化加重，盐分积累抑制植物生长，降低植物吸收水分和养分的能力，从而导致植物水分亏缺，最终使得作物减产。种植耐盐性植物可以提高盐渍土的利用率，所以研究植物在盐胁迫条件下的耐盐机制是盐碱地改良的重要内容。主要关键词主要包括：plants、salt stress、salt tolerance、drought。

（2）数值模型。主要研究不同影响因素下的水盐运移机理及模型构建，例如灌溉、蒸发、冻融循环、干湿循环等条件下水盐运移模型，主要关键词包括：irrigation、temperature、groundwater、model、hydrus-1d、hydrus-2d等。

2.5 作者合作分析

通过作者合作分析来反映相关研究领域关键作者以及代表性人物。本文利用VOSviewer 软件采用分数计数法对2000-2020年的中文文献作者进行分析，在中文文献的1 382位作者中选择最小发文量为3篇的作者，共提取作者153人，见图6。其中可视化图谱中1 个节点代表1个作者，节点的大小代表作者发文量的多少；连线即关系，线条的粗细代表节点之间的关联强度。从分析的结果可以看出在土壤水盐运移领域形成了以最大节点王全九为主导地位的作者网络，王全九教授在该领域的发文量最多，其次是虎胆·吐马尔白、史海滨、费良军、李瑞平等。图中同一种颜色表示各作者之间研究方向一致，且合作关系密切。从图谱中可以看出在土壤水盐运移研究领域的研究团体比较多，其中有2个比较显著的团体，他们分别是王全九教授团队和虎胆·吐马尔白教授团队。①王全九教授团队[23,24]主要对于膜下滴灌滴头流量、灌水历时、土壤含盐率等因素对滴灌过程中水盐运移特征方面进行了大量试验研究，这对合理利用膜下滴灌技术体系来开发盐碱地提供了一定的指导。②虎胆·吐马尔白教授团队[25-27]主要考虑了膜下滴灌、秸秆覆盖、冻融等因素在干旱区棉田土壤中水盐运移规律并进行了数值模拟，还与实测的土壤含水率和含盐量进行了对比分析。结果发现冻融过程中温度变化对土壤水盐运移规律的影响较大，同时发现秸秆覆盖与滴灌结合在干旱区具有良好的应用前景。③此外，在中国西北干旱、寒冷地区,冻融作用是造成土壤盐碱化的独特原因，所以史海滨、李瑞平团队[28-30]基于田间实测资料,对土壤冻融期间多年盐分、水分以及温度的变化规律进行了分析，同时运用水热耦合模型(SHAW)对土壤冻融期水、热、盐的动态变化进行了模拟。结果发现SHAW 模型对冻融期土壤水盐耦合运移规律的模拟效果好且研究精度高。费良军团队[31,32]主要研究了利用浑水膜孔灌的灌溉方式，在肥液入渗条件下土壤水氮运移的规律等，为浑水膜孔灌的技术研究奠定了科学基础。

图6 国内土壤水盐运移研究作者合作网络图谱Fig.6 The map of the cooperation network of authors on soil water and salt transport research in China

2.6 国际上土壤水盐运移所涉及的国家与研究机构

通过国家合作与研究机构合作分析有助于理解关于土壤水盐运移研究的国家分布与机构合作情况。利用VOSviewer 软件，从检索的1 250篇英文文献中所涉及的86个国家中筛选出了54 个至少在国际期刊上发表3篇论文以上的国家构建合作网络图谱，见图7。图中节点大小与隶属该国家发表论文被引用数成比例关系，节点之间的连线表示国家之间存在合作关系，连线的粗细表示合作程度的强弱。按节点大小排序，在土壤水盐运移研究领域排名前5的国家分别是美国、中国、澳大利亚、德国、英国，说明这些国家发表的论文产生的影响力比较高，其中我国与美国、澳大利亚在土壤水盐运移方面研究的联系比较紧密。

图7 土壤水盐运移研究领域高影响力国家Fig.7 Countries with high influence in the field of soil water and salt transport research

采用文献耦合的方法可以回溯文献的来源从而显示相关领域高影响力的研究机构。在土壤水盐运移研究领域，从检索的文章中可以发现涉及该方面的研究机构有1 431 所，通过调整阈值筛选出了影响力前100 的研究机构。表1为关联强度（指研究机构与其他研究机构总的共现次数，包括重复共现次数）排名前10 的机构，根据总关联强度，发现排名前5 的机构分别是Chinese Acad Sci（中国科学院）、Us Geol Survey（美国地质调查局）、China Agr Univ（中国农业大学）、Univ Calif Riverside（加利福尼亚大学河滨分校）、Ben Gurion Univ Negev（内盖夫本·古里安大学），其中有2 个机构属于中国。从国家、机构合作网络图谱来看，美国、中国、澳大利亚等国家在土壤水盐运移领域发表的论文影响力较高，而且我国在该领域的高影响力发文机构也位于世界前列，说明我国在土壤水盐运移研究领域还是比较强的。

表1 土壤水盐运移研究领域高影响力机构Tab.1 High-impact institutions in the field of soil water and salt transport research

3 讨 论

在过去的研究中，围绕着土壤水盐运移的基本理论验证和模型应用的研究已经取得了很多不错的成果，特别是田间实地试验观测过程中数据获取的困难使得学者们更加注重数值模拟在土壤水盐运移方面的研究[33]。国内土壤水盐运移理论研究中，张蔚榛[34]首先应用势能理论研究了饱和与非饱和土壤水以及溶质运移的问题，并根据水盐运移平衡理论提出了一种比较简单的动态土壤水盐运移预测预报模型；石元春[35]建立了黄淮海平原区域水盐运移监测预报的模型，并开发了PWS 1.0 软件；刘炳成[36]等通过水、热、盐耦合运移的数学模型研究，发现土壤质地对盐分运移的影响较大；李瑞平等通过多年研究分析发现土壤冻融期间温度变化导致了水盐迁移，且盐分变异系数更大，这就表明冻融期盐分的运移机制比水分运移机制更加复杂。SHAW（Simultaneous Heat And Water）模型是研究土壤和融雪冻融比较详细和有效的模型之一，该模型已经被证明可以精确地模拟土壤、气候以及表面条件很大范围内的冻结深度，还能够模拟复杂冬季冻结现象对水分迁移、溶质迁移的影响等[37,38]。

根据WOS 数据库做出近5 a 的关键词共现可视化知识图谱，见图8。可知近几年干旱区水盐、滨海盐碱地、脱盐率、土壤含水率、土壤含盐率、入渗模型等关键词出现的频率较高。近年来，由于耕地减少和粮食减产的压力使得盐碱地改良问题已经显得愈来愈重要，特别是在干旱、半干旱地区，土壤盐碱化导致作物生长障碍、减产的问题更为突出。而我国盐碱地面积分布广泛，灌溉盐渍化、干旱盐渍化等问题日益严重，所以摸清各种影响因素下的土壤水盐运移规律可为盐碱地改良提供理论依据。在此背景下，以下几点应该重点关注[39,40]：

图8 基于WOS土壤水盐运移研究近5 a关键词共现网Fig.8 Key word co-occurrence network in recent 5 years based on WOS soil water and salt transport research

（1）土壤盐渍化与地下水埋深密切相关，土壤孔隙等物理结构同样对于盐分累积和迁移产生一定的影响，所以研究地下水埋深、土壤结构影响下土壤水盐运移规律对土壤盐渍化改良具有重要作用。

（2）“盐随水来，盐随水去”是研究水盐动态运移变化规律的重要依据，而盐类的移动和水的运动密切相关，所以土壤水分的水利工程调节是控制土壤盐渍化重要的措施。覆膜、滴灌、咸淡轮灌、咸水灌溉、秸秆覆盖、暗管排水等不同种植耕作与管理方式对于土壤中盐分离子迁移和累积有很大的影响，所以对这些因素下的土壤盐分运移与模拟的研究是盐碱地改良的关键。

（3）模型预测可以监测和预报土壤水盐运移的状态从而有效控制土壤盐渍化，所以基于水盐运移理论并进行数值模拟可以对土壤水盐平衡状态进行预报和评价分析。例如最具代表性的HYDRUS模型、SHAW模型等。

（4）滨海盐碱地约占总盐碱地面积的1/6，因此研究滨海高盐区水盐运移规律是盐碱地改良很重要的一部分。

（5）种植耐盐性植物可以提高盐渍土的利用率，所以耐盐性农作物和植被将会是今后研究的热点方向。研究土壤-植物系统中水和盐的运输机制对于耐盐性植物的培育有一定的参考价值。

4 结 论

（1）2000-2020年21 a，国内外在土壤水盐运移领域的发文量都呈上升趋势，而且随着盐碱地改良问题的日益严重性，对于土壤水盐运移规律的探讨及研究在未来仍然是一个比较热的话题。

（2）从土壤水盐运移领域发表文献来源来看，该领域核心期刊刊出论文较多的英文期刊有《AGRICULTURAL WATER MANAGEMENT》、《WATER RESOURCES RESEARCH》等,中文期刊有《灌溉排水学报》、《农业工程学报》、《节水灌溉》等，这些期刊对研究土壤水盐运移具有很好的参考价值。

（3）从关键词共现，作者、国家、机构合作等方面来看，对于土壤水盐运移的研究各个国家都有所涉及主要活跃在滴灌、微咸水灌溉、冻融等条件下的实验研究和数值模型的模拟，我国在该领域的高影响力发文机构也位于世界前列。

（4）土壤盐渍化问题已经成为全球性的生态问题，而土壤水盐运移规律的研究将为盐碱地治理提供有利的理论依据，未来关于土壤水盐运移的研究将主要集中在土壤结构、种植耕作与管理方式、模型预测、滨海盐碱地、耐盐性植被的盐分适应性等几个方面。

（5）目前关于土壤水盐运移的研究多集中于田间尺度或单一因素的研究，而对于大区域或多因素影响下的土壤水盐运移规律研究较少，所以摸清多因素影响下土壤水盐运移规律是对盐碱地进行科学调控和治理的关键。