基于文献计量的植物WUE研究现状分析

马 勤，杨继涛，琚彤军，李秧秧*，康博文，同金霞

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100；2.西北农林科技大学 经济管理学院，陕西 杨陵 712100；3.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨陵 712100)

水分是限制世界上大多数地区植物生产力提高的主要因素，随着世界范围水资源日趋短缺和气候变化导致的干旱程度加剧，提高植物水分利用效率(WUE)已成为农林生产上迫切面对的问题。据统计，世界耕地总面积为1.40×109hm2，80%以上耕地的农业生产依靠天然降水[1]。全球气候变化导致CO2质量浓度、温度、蒸汽压亏缺升高，干旱及热波发生的频率和强度均会增加，越来越多的植物将面临水分亏缺的威胁，在此背景下如何提高植物WUE是农林业面临的迫切需求，亦是目前农学、林学、生理学、生态学和农业水土工程等多门学科研究的热点。植物WUE是指植物利用单位水所能固定的碳量[2]，研究植物WUE不仅有助于了解植物对干旱的适应对策、筛选高WUE和高产的作物和品种及寻找适于干旱半干旱地区的农田管理措施，而且对深刻揭示全球气候变化背景下生态系统水碳耦合关系亦有重要价值[3]。植物WUE具有明显的空间(叶—整株植物—种群—生态系统—景观)与时间(瞬时—某段时间—年或生活史—多年)属性，驱动不同空间和时间尺度WUE的因素并不相同[4-5]，因而使得植物WUE研究变得尤为复杂。据Web of Science核心合集，1985-2021年以water use efficiency为主题共有16.5万条文献。尽管对植物WUE进行了大量研究，但关于植物WUE相关内容的计量整合分析尚未见到。

文献计量分析利用数学和统计学的方法对所筛选出的文献进行多方位、全角度的综合分析，明晰该研究领域的研究重点和发展趋势，因而具有强大的揭示、评价和趋势预测功能[6]。文献计量分析通过对某一研究领域进行定量分析，实现对研究领域内的热点文献、热点主题和知识演进等的可视化,有助于研究人员更好地把握相关研究领域的动态变化和发展趋势[7-8]。VOSviewer是荷兰莱顿大学科技研究中心的van Eck 和Waltman开发的一款用于构建和可视化文献计量网络的工具，因其简单易用且可视化功能强大而得以普遍应用[9]。为此，本研究基于Web of Science(WoS)核心数据库，采用该可视化软件，对国内外2000-2021年植物WUE研究的发文数量及刊物、主要国家、研究机构和学者、关键词聚类、文献共被引及高被引论文等进行了计量分析，重点关注植物WUE研究的热点和有影响力的论文，旨在全面梳理当今植物WUE研究现状，为未来植物WUE研究和调控提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究文献来源于WoS核心合集中的科学引文索引数据库(SCIE)，为了提高检准率，检索标题中包含检索词Water use efficiency的文献，检索时间为2022年3月15日，选择时间跨度为2000年1月1日-2021年12月31日，同时，从100多个学科类别中选择与植物水分利用效率最相关的农学、水资源、植物科学、环境科学、农业多学科、林学、生态学、土壤科学和园艺学9个学科以Article与Review形式发表的论文，共筛选文献2 829篇。

1.2 研究方法

利用WoS自带分析检索结果功能，对2000-2021年发表的2 829篇文献进行发文国家/地区、期刊的计量分析，并根据被引频次确定高引用论文。采用VOSviewer[9]的Co-authorship功能分析发文国家、机构与作者之间合作紧密程度，阈值分别设定为8，18，7；通过共现分析(co-occurence)选定所有关键词(all keywords)选项统计出现频率较多的关键词，反映该领域的研究热点，阈值设置为30；通过共引用(co-citation)分析确定研究时段影响较大的文献。

2 结果与分析

2.1 文献产出趋势分析

基于WoS核心合集的SCIE数据库共检索到符合条件的论文2 829篇。2006年之前，每年的发文数量在50篇左右，其后年发文数量呈抛物线式增长，到2021年，年发文数量已达364篇，比2000年增加了7.9倍；累积发文量亦呈抛物线式增长(图1)，表明有关植物WUE相关研究在近20 a来呈快速增长的态势。发文主要集中在农学、水资源、植物科学和环境科学等领域，其中农学类发文数量(1 088篇)最多，所占比例为38.5%；水资源、植物科学、环境科学发文数量分别为627、611、563篇，所占比例分别为22.2%、21.6%、19.9%，相互之间差异不大。由于植物水分利用效率研究目前在农作物(小麦、玉米、水稻、棉花、马铃薯、葡萄等)上研究得较多，因而农学类刊物发文数量最多。

图1 植物WUE研究文献2000-2021年发文量

发文数量位列前10的学术期刊详见表1，发文量较多的学术期刊包括《Agricultural Water Management》(344篇)、《Field Crops Research》(99篇)、《Agricultural and Forest Meteorology》(58篇)、《Scientia Horticulturae》(53篇)和《Water》(51篇)等，其中，影响因子>5.0的期刊有《Science of the Total Environment》《Frontiers in Plant Science》《Agricultural and Forest Meteorology》和《Field Crops Research》。总引用次数最高的是《Agricultural Water Management》(11 791次)，其次分别为《Field Crops Research》(4 960次)和《Agricultural and Forest Meteorology》(2 076次)，平均单篇引用次数最高的是《Field Crops Research》和《Agronomy Journal》，均为50次，而《Agricultural and Forest Meteorology》(36次)和《Agricultural Water Management》(34次)次之。

表1 植物WUE研究文献2000-2021年发文量前10期刊

2.2 发文的国家/地区与机构间合作关系

在VOSviewer合作网络中分析图中(图2)，圆圈大小表征相应国家或机构的发文情况，圆圈越大表明发文数量越多；各圆圈之间连线表征个体之间的联系，连线愈密集合作关系愈强。在所搜集的2 829篇文献中，以中国发文量最多(983篇，所占比例为34.7%)，其次为美国(537篇，所占比例为19.0%)、澳大利亚(263篇，所占比例为9.3%)、印度(207篇，所占比例为7.3%)和西班牙(159篇，所占比例为5.9%)。这些国家农业生产都面临严重的干旱问题，因而发文数量多。网络分析显示中国、美国与其他国家联系最为密切，与中国联系最多的国家/地区为美国、澳大利亚和加拿大等。研究机构中，以中国科学院发文数量最多(308篇，所占比例为10.9%)，其次为西北农林科技大学(166篇，所占比例为5.9%)，中国农业大学(113篇，所占比例为4.0%)、中国科学院大学(90篇，所占比例为3.2%)和美国农工部(68篇，所占比例为2.4%)；中国科学院、西北农林科技大学和中国科学院大学和其他机构的联系最为密切(图3)。

图2 植物WUE研究文献产出国家/地区之间合作网络分析

图3 植物WUE研究文献产出机构之间合作网络分析

2.3 发文作者间合作分析

作者发文量排名前10的详见表2。其中Liu Fulai(丹麦哥本哈根大学)发表文章最多，共27篇，该学者主要从事灌溉技术及施肥措施等影响植物水分利用效率的生理机制研究。排名第2的作者为中国农业大学康绍忠院士，发表相关论文24篇，其研究领域主要为节水灌溉技术对作物需水量、水分利用效率的影响。排名第3和第4的H.Medrano和J.Flexas(均为西班牙巴利阿里群岛大学)发文数量分别为21篇和20篇，这2位学者的研究主要集中在地中海园艺植物，特别是葡萄水分利用效率相关生理和调控研究；其引文总联系强度高达45和40，说明这2位专家与同领域专家的交流合作更多且发表的文章更有影响力(图4)。发文数量排名前10的作者中，中国学者占7个，说明我国在植物水分利用效率研究领域处于世界先进水平。植物WUE研究领域除部分研究者(H.Medrano,J.Flexas,Kang Shaozhong等)的合作关系网较密集外，大部分研究者的合作相对较少。

表2 植物WUE研究发文量排名前10的作者

图4 植物WUE研究论文作者之间合作网络分析

2.4 关键词共现分析

基于VOSviewer可视化软件对文献的关键词进行共现分析，结果如图5所示。其中节点大小代表关键词出现的次数，不同颜色代表不同的聚类。筛选后的关键词可分为3类：第1类主要包括yield，productivity，nitrogen，irrigation，management，wheat，maize等(cluster 1，红色)，这类研究主要关注水肥、灌溉等管理措施对作物产量和WUE的影响，且多为田间试验。第2类主要包括growth，carbon isotope discrimination，drought，stress，gas-exchange，photosynthesis，stomatal conductance等(cluster 2，绿色)，主要研究干旱等胁迫影响植物水分利用效率的生理机制，特别是利用碳同位素技术研究水分利用效率是这方面的一个重要研究内容。第3类研究主要包括water use efficiency，evapotranspiration，carbon dioxide，climate change等，这类研究更关注全球气候变化对森林生态系统蒸散发和水分利用效率的影响(cluster 1，蓝色)，研究的尺度更大。在搜集的2 829篇文献中，共有35篇热点论文，其中偏重WUE生理机理和分子生物学研究为16篇，偏重全球气候变化与陆地生态系统WUE关系的比例为14篇，而灌溉等管理措施对WUE影响与调控的仅为5篇，说明前2个领域是目前植物WUE研究的相对热点领域。

图5 植物WUE研究文献关键词共现网络分析

2.5 文献共被引分析

文献共被引(co-citation)是可以反映文献之间的紧密关系。由图6可以看出，植物WUE领域有2篇重要论文，一篇为Farquhar等[10]发表在《Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology》上的综述性论文“Carbon isotope discrimination and photosynthesis”，该论文系统论述了不同功能型植物(C3，C4，C3-C4中间型、CAM植物、水生植物和海藻)光合作用中的碳同位素辨别力、环境因素(光、水、盐和空气污染等)对碳同位素辨别力的影响，及C3植物中碳同位素辨别力和光合作用的关系，从而为碳同位素辨别力作为一种认识光合作用的工具和在植物水分生理生态研究中的普遍应用奠定了基础；目前该篇论文已被共引311次。另一篇为Allen等[11]发表在《FAO irrigation and Drainage》上的论文“Crop evapotranspiration:guidelines for computing crop water requirements”，该篇方法性论文系统介绍了作物蒸散发的计算方法，为作物需水量估算奠定了基础；该篇论文目前已被共引用306次。此外，Farquhar等[12]的论文“On the relationship between carbon isotope discrimination and the intercellular carbon dioxide concentration in leaves”，Farquhar等[13]的论文“Isotopic composition of plant carbon correlates with water-use efficiency of wheat genotypes”，Keenan等[14]的论文“Increase in forest water-use efficiency as atmospheric carbon dioxide concentrations rise”亦有相对重要的学术影响力。

图6 植物WUE研究文献被共引分析

2.6 高被引文献分析

利用SCIE数据库的被引频次，排列出了被引次数最高的前5名论文(表3)，其中Condon等[15]的论文系统总结提高作物水分利用效率的3个途径：尽可能使更多的水分经过植物而不是被蒸发、渗漏或遗留在收获后的土壤；蒸腾的水分尽可能生产更多的碳(如提高蒸腾效率)；尽可能使更多生物量分配到收获产品中，并提出基于碳同位素筛选的高叶水平水分利用效率并不一定代表高的作物群体水分利用效率或产量。Blum[16]的论文首次区分了耐旱性、水分利用效率和产量势3个名词之间的差异。Deng[17]则给出了中国干旱半干旱地区主要作物的水分利用效率，并提出了改善作物WUE途径。Blum[18]的论文认为有限水分条件下以筛选高WUE为目标的育种会导致作物产量或抗旱性的降低，以最大摄取蒸腾用土壤水分才是干旱胁迫下产量改进的重要目标。上述4篇综述性论文都是围绕农作物WUE方面研究。Leakey等[19]研究首次发现北半球温带和北方森林的WUE近20 a来大量增加，这种增加与CO2肥的效应有关，表明陆地植被碳水经济的转变，该研究为后来大尺度生态系统WUE研究奠定了基础。

表3 植物WUE研究被引频次排名前5的文献

3 结论与展望

VOSviewer文献计量分析能够很好地展示研究领域内的知识图谱，能够对所筛选出的文献进行多方位、全角度的综合分析，能够构建植物WUE研究领域内热点文献计量学指标可视化分析以及学科图谱，有助于学者们更好地把握该研究领域的动态变化和发展趋势。利用VOSviewer软件对近来植物WUE研究领域的文献进行计量分析，得到如下主要结论：1)2000-2021年与植物WUE相关研究发表数量呈抛物线式增长，发文最多的学科为农学类，发文量前10期刊里农学类刊物比例为70%。2)我国在植物WUE研究方面的发文数量位列世界第1，发文量位列世界前5的研究机构中中国占4个，发文数量位居前10的作者中国有7个，表明我国在植物WUE研究领域的水平处于世界先进水平，但发表的有影响力的重要论文和高被引论文、热点论文相对较少，表明我国学者的论文水平和影响力仍有待进一步提高。3)近22 a来植物WUE研究主要集中在植物WUE差异的生理与分子机制、灌溉和施肥等管理措施对作物产量和WUE的影响与调控及全球气候变化对生态系统WUE影响与预测。

未来植物WUE研究在以下方面有待加强：1)随着分子生物学的发展和全球气候变化加剧，未来植物WUE研究从微观上，将集成表型、模型模拟、生理学、遗传学和分子生物学手段，系统研究不同调控基因对植物WUE影响[19]；从宏观上，将更注重大尺度和长时段生态系统WUE与全球气候变化关系的研究，从而为陆地生态系统物质和能量模拟提供支撑。2)由于植物WUE研究涉及不同空间尺度(叶片—个体—种群—生态系统—景观)与时间尺度(瞬时—某段时间—年或生活史—多年)，不同尺度WUE的区别与联系如何？如何将个体水平上的WUE通过尺度扩展上推至区域乃至全球是当前面临的重大挑战。3)WUE和产量、作物生长之间的联系怎样？对于农田作物，高WUE不一定等于高产；对森林植被，20世纪WUE的增加并未引起树木生长的增加[20]，热带森林150 a来CO2肥引起WUE增加但也未增加树木生长[21]，因而需要对不同作物不同森林、草地和农地类型开展大规模研究，从而系统评价WUE和产量、生长等生理过程之间的联系。

(卷终)