基于Web of Science文献计量的我国节水农业研究态势分析

陈 雪 袁紫仪 林湘岷 沈宗专* 李 荣

(1.全国农业技术推广服务中心，北京 100125； 2.南京农业大学 资源与环境科学学院/江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室/作物免疫学重点实验室/江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京 210095)

水是生命之源，生产之要，生态之基。我国是世界上水资源最缺乏的国家之一，水资源不足一直是我国可持续发展过程中的一个重要问题。此外，我国气候复杂多样，季风气候显著，降水主要集中在夏季6～9月，而受季风气候的影响，我国水资源的时空分布很不均衡。如西北地区资源性缺水，华北地区地下水严重超采，东北地区地表水难以维系，南方地区虽然总量不缺，但丘陵山地季节性干旱加重，而且水质性缺水日益突出。在进入全面建设社会主义现代化国家的新征程后，我国水资源短缺的形势更加严峻，统筹发展和用水安全面临着重大挑战。农业用水占全球总用水量的三分之二以上，干旱缺水对农业发展的制约更加突出。因此，发展节水农业相关技术成为我国农业可持续发展面临的重大课题。

尽管过去几十年间我国学者对节水农业的进行了大量的研究，但对于节水农业的相关研究仍缺乏全面深入的梳理与总结。面对节水农业领域内发表的海量文献，传统的阅读方式较难进行归类与总结。文献计量法是一种基于数学和统计学的分析方法，其可借助文献的各种特征数量，描述、评价和预测某一研究领域的现状、研究热点和发展趋势。虽然，已有学者利用文献计量法对节水农业的研究进展进行了分析，但此前研究存在一定的局限性，如所搜集的文献仅基于知网核心期刊，缺乏国内发表于国际期刊的最前沿的研究成果支撑；或者所选文献的发表年限较早，忽略了节水农业飞速发展的现阶段研究成果，且关注的是世界范围内相关研究进展，没有针对我国国情进行特别研究。因此，本研究以节水农业为主题，运用文献计量方法，结合CiteSpace与VOSviewer等可视化分析软件对Web of Science检索的文献结果进行深度解析，拟从年度发文量的变化、主要学者及其所属研究机构、主要学科和期刊分布等方面分析我国节水农业研究现状，并利用关键词聚类分析及突发性检测探究该领域的研究热点与前沿，全面阐明我国节水农业研究领域的基础背景、研究现状以及发展趋势，以期为农业水资源的高效利用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文文献计量的数据来源于Web of Science (WOS)核心合集数据库。检索时间设置为1990—2021年，文章类型设置为Article或Review，以“节水农业”为主题，以TS(主题)=("water saving agriculture*" OR "water saving irrigation*" OR "water saving technology*" OR " integration of water and fertilizer*" OR "micro irrigation*" OR "drip irrigation*" OR "sprinkling irrigation*" OR "micro sprinkler irrigation*")为检索条件进行高级检索，检索国家为中国，共获取文献3775篇。

1.2 研究方法

采用CiteSpace、VOSviewer及HistCite等软件工具进行文章数量、学科分布、主要发表期刊、研究学者、研究内容与发展态势的计量分析。基于VOSviewer软件对主要的机构(Organizations)与研究学者(Authors)之间的合作关系进行共现分析(Co-occurrence)，网络中圆圈大小代表文章发表数量(Documents)，线条粗细代表关联总强度(Total link strength，TLS)。通过VOSviewer软件对关键词(Keywords)进行共现分析，阈值设置为48，得出该领域的研究热点。

此外，通过在CiteSpace软件中选择学科类别(Category)，分析不同学科中介中心性；选择2015年前后的关键词突现指标(Burstness)对各阶段的研究热点和发展趋势进行分析。若某个期刊在Web of Science数据库中属于多个学科门类，则其所在学科分别计数一次。

采用HistCite中本地引用次数(Total local citation score, TLCS)及总引用次数(Total global citation score, TGCS)分析节水农业研究领域的主要发表期刊。值得注意的是，TLCS计算的是某一篇文章被导入HistCite进行分析的所有文献所引用的次数。而TGCS则表示某一篇文章被整个WOS数据库中的文献所引用的次数。由于导入Histcite的文章均是与检索词有关的该领域文章，所以若某一篇文献的TLCS值越高，可表明该文献在领域内的影响越大。

2 结果与分析

2.1 文献发表量年度变化分析

通过对文献发表数量年份间的统计，可以在一定程度上了解节水农业的研究历程。如图1所示，发文量呈逐年增加趋势，亦即节水农业越来越受到人们的重视。在1990—2001年期间，每年发表的文献数量不超过10篇，发表的文献总量为26篇，仅占文献总数的0.69%，文献的年增长量低，增长缓慢，说明这一阶段我国对节水农业的研究尚处于探索期；随后在2002—2015年间，发文量出现较大的增长，年发文量从13篇稳步增加到189篇，说明在这期间我国节水农业研究成为农业发展的重要一环，越来越受到学者们的重视。在2015年后，节水农业发文数量持续大幅度增加，2021年年发文量达到692篇，可见节水农业是当前农业科学研究关注的热点和前沿。

图1 我国节水农业领域的年度文献产出量Fig.1 Annual literature output in the field of water-saving agriculture in China

2.2 文献发表的学科分布和期刊分布

在发文所属学科方面，如图2所示，节水农业在水资源学、农艺学、环境科学、能源燃料和工程环境这5个学科中的发文量较多，占总发文量的比例分别为28.9%、27.2%、25.8%、8.4%和7.4%。此外，节水农业的研究领域还涉及绿色可持续发展技术、土壤科学、工程化学等诸多学科，说明节水农业涉及的学科众多，涵盖的内容广泛。

图2 1990—2021年我国节水农业研究领域发文量排名前10学科Fig.2 Top 10 subjects of the published papers regarding the field of water-saving agricultural research from 1990 to 2021 in China

学科的中介中心性能反映该学科与其他学科的交叉情况。如表1所示，基于CiteSpace的学科共现分析对学科中介中心性进行排序，发文量前十的学科中，中介中心性最高的是能源燃料，最低的则是土壤科学和农业工程，且与其他学科的交叉几乎没有。水资源学和农艺学虽然在发文量前十的学科中位居前列，但其中介中心性较低(仅为0.01)，说明水资源学和农艺学与其它学科的交叉也较少。水资源学在节水农业研究领域具有优势，加强水资源学工作者对节水农业的研究，将促进节水农业与水资源学领域的协同发展。

表1 论文发表数量与中介中心性排名前十的学科
Table 1 Top 10 disciplines based on the number of published papers and intermediary centrality

学科分类Category中介中心性Intermediary centrality水资源学 Water resources0.01农艺学 Agronomy0.01环境科学 Environmental sciences0.10能源燃料 Energy fuels0.12工程环境 Engineering environment0.02绿色可持续发展技术 Green sustainable science technology0.03土壤科学 Soil science0.00工程化学 Engineering chemistry0.02植物科学 Plant sciences0.03农业工程 Agricultural engineering0.00

由HistCite软件分析结果可见(表2)，发文数量排名前3的期刊是Agricultural Water Management(发文474篇)、Water(发文156篇)和Journal of Cleaner Production(发文116篇)。本地引用(TLCS)、总引用(TGCS)次数较高的期刊有Agricultural Water Management、Field Crops Research等，其中大多数期刊属于水资源学(Water Resources)领域。

表2 1990—2021年节水农业研究领域发文量排名前10期刊
Table 2 Top 10 journals of the published papers in the field of water-saving agricultural research from 1990 to 2021

期刊名称Journal发文量/篇Number ofpublished papers本地引用Total local citationscore (TLCS)总引用Total global citationscore (TGCS)篇均被引Citation frequencyper paperAgricultural Water Management47435691237226.10Water156467945.09Journal of Cleaner Production11693195016.81Irrigation and Drainage962296176.43Sustainability82113694.50Field Crops Research76912348645.87Irrigation Science74743164522.23Science of the Total Environment71142138719.54Agronomy-Basel4701643.49Plos One4403928.91

2.3 机构与作者间的合作研究特征

由发文机构合作分析网络中可见(图3)，中国科学院与论文产出各主要机构的合作关系密切。总联系强度参数(TLS)排名前五的机构分别为中国科学院(TLS值为645)、中国农业大学(TLS值为382)、中国科学院大学(TLS值为266)、西北农林科技大学(TLS值为213)以及中国农业科学院(TLS值为154)。发表文章数量排名前5的机构是中国科学院(发文690篇)、中国农业大学(发文477篇)、西北农林科技大学(发文279篇)、中国科学院大学(发文204篇)以及河海大学(发文189篇)，其中中国科学院与中国科学院大学、北京林业大学、水利部水土保持监测中心等均有较为密切的合作。

图3 我国节水农业领域主要发文机构间的合作关系Fig.3 Cooperation between main contributing institutions of the published papers regarding the field of water-saving agricultural research in China

如图4所示，圆圈大小表示发文数量，图中仅显示合作关系密切的作者之间的联系。从发文数量上来看，来自中国科学院大学的Kang Yaohu(康跃虎，发文63篇)、中国农业大学的Kang Shaozhong(康绍忠，发文61篇)、中国农业大学的Li Yunkai(李云开，发文56篇)等是节水农业领域内的主要高产研究学者。根据VOSviewer的总联系强度参数(TLS)分析表明，Kang Shaozhong(康绍忠，TLS值为135)、Du Taisheng(杜太生，TLS值为111)、Li Yunkai(李云开，TLS值为82)、Kang Yaohu(康跃虎，TLS值为82)、Tong Ling(佟玲，TLS值为80)等与其他作者间合作密切。

图4 我国节水农业领域主要发文作者间的合作关系Fig.4 Cooperation between main contributing authors of the published papers regarding the field of water-saving agricultural research in China

2.4 节水农业的研究热点

关键词出现的频次与相关研究主题的受关注程度紧密相关。在本研究中(图5)，产量(Yield)是出现次数最高的关键词，出现次数为678次，表明对于节水农业的研究产量是目前的研究热点。在关键词共现网络中，与产量关系密切的有滴灌(Drip irrigation)、蒸散(Evapotranspiration)、质量(Quality)等。根据关键词共现网络，节水农业研究领域关键词可划分为4个聚类，图中不同的颜色表示不同的聚类。关键词聚类1(红色)主要是水资源管理技术，其中包括的主要关键词有管理、灌溉、生产率、温度和气候变化等。关键词聚类2(绿色)主要是不同灌溉方式对作物生长的影响，其中包括的主要关键词有产量、滴灌、蒸散、玉米和质量等。关键词聚类3(蓝色)主要是干旱地区水资源的利用，其中包括的主要关键词有使用效率、水资源利用率、冬小麦、黄土高原和华北平原等。关键词聚类4(黄色)主要是水肥一体化技术的影响，其中包括的主要关键词有土壤、水肥一体化、施肥、氮素利用率和肥料等。

图5 我国节水农业领域发文文献中关键词的共现网络Fig.5 Co-occurrence network of key words of the published papers regarding the field of water-saving agricultural research in China

2.5 节水农业的发展趋势

通过对关键词突发性的检测，可以得知特定时间内的研究前沿。基于CiteSpace对节水农业领域关键词突现指标的分析，将1990—2021年间关键词突现强度划分为2个时间段：1990—2015年和2016—2021年，来描述节水农业研究领域的发展趋势。如表3所示，1990—2015年突现关键词主要围绕水分，其中节水(Water saving)、压力(Stress)、蒸发(Evaporation)的突现强度相对较强，脱落酸(Phytohormone abscisic acid)、蒸发(Evaporation)突现时间相对较久。

表3 我国节水农业领域2015年前发文关键词的突现指标
Table 3 Burst detection of key words from the published papers regarding the field of water-saving agricultural research in China before 2015

关键词Keywords年份Year突现强度Strength起始Beginning结束Ending突现时间段Time period气孔运动Stomatal behavior19903.9419982002脱落酸Phytohormone abscisic acid19903.5720002008节水 Water saving19907.0920042007压力 Stress19904.4420052009旱稻 Aerobic rice19904.0520052010水分利用率Water use efficiency19903.9720052008蒸发 Evaporation19904.1920062012地下水 Groundwater19903.5620082013流动 Flow19903.8120102013节水灌溉Water-saving irrigation19903.7320122015

2016—2021年关于节水农业的研究有了一些转变(表4)，突现关键词中出现了沟灌(Furrow irrigation)与增氧灌溉(Aerated irrigation)，说明该时间段内不同灌溉技术引入到了该研究领域。开垦(Reclamation)和华北平原(North china plain)的突现强度较高，说明北方地区对节水农业的研究较多，我国节水农业研究重心仍在我国北方地区。

表4 我国节水农业领域2015年后发文关键词的突现指标
Table 4 Burst detection of key words from the published papers regarding the field of water-saving agricultural research in China after 2015

关键词Keywords年份Year突现强度Strength起始Beginning结束Ending突现时间段Time period开垦 Reclamation20163.8020162019华北平原 North china plain20163.4520162018水溶液 Aqueous solution20162.1320162018水分利用率 Water use efficiency20161.9020162018水资源管理 Water management20161.6120162018需求 Demand20163.1720172019频率 Frequency20162.7520172019沟灌 Furrow irrigation20162.0320182021差异 Diversity20161.7920182021增氧灌溉 Aerated irrigation20161.5520182021

3 讨 论

水资源高效利用的核心是农业水资源高效利用。随着科学技术的不断发展，我国农业生产的效率得到提高，但由于人口数量众多，水资源时空分布不均，我国仍然面临着严重的农业水资源匮乏的问题。因此，大力发展节水农业不仅可以缓解目前我国水资源短缺的现状、提高水资源的利用效率，而且对促进我国农业生态可持续发展也具有十分重要的意义。

文献计量分析的结果表明，我国节水农业研究虽然起步较晚，但发展迅速。自2016年以来年发文量持续快速增长，年度文献发表数量整体呈上升趋势。康跃虎、康绍忠和李云开等学者是我国节水领域内科学研究的高产学者。该领域的研究机构主要有中国科学院、中国农业大学、西北农林科技大学、中国科学院大学、河海大学及中国农业科学院等，其中主要的研究机构大部分分布在我国北方地区，说明北方的研究机构切实承担起了攻关节水增效、节水增粮等重大科研任务。

关键词的共现分析和突发性检测结果分析表明，不同的灌溉方式是近些年的研究热点，对于农业发展来说，灌溉是农业用水的重要组成要素之一，实施合理有效地灌溉技术，实现节约用水的重要目标，有利于促进我国农业的快速发展。为提高灌溉效益，我国大力推行水肥一体化技术，并且已经成为我国农作物高产栽培应用的主要栽培管理技术。发展和应用水肥一体化技术不仅可以达到节水省肥的目的，还是实现农业精确定量、智慧管理的重要途径。

节水农业领域过去的相关研究主要集中于作物高效用水机理、作物耗水对环境变化的响应、农业用水精量调配与控制、灌溉设备与技术开发等方面。然而，对节水农业下作物用水与产量、品质的相互作用关系，以及对土壤健康、环境保护的系统评价等缺乏深入的研究。此外，智能水肥一体化技术及智能水肥一体化管控设计是实现节水农业的一个重要途径，也是未来的一个研究热点与难点。总而言之，我国节水农业的研究已有良好和广泛的研究成果，但节水农业的实际推广与应用方面还面临一些智能化、精准化的问题，仍需广大科研工作者持续努力研究与攻关。