寒区土壤水运移研究热点与进展——基于科学计量分析法的可视分析

孙佳歆，杜 崇，胡金辉,2，王 宁,2，李 赞,2

(1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080;2.中俄寒区水文水利工程联合实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 引言

自国务院发布《水污染防治行动计划》以来，寒区水资源保护已取得巨大成就，但还存在不少需要解决的问题，如土壤盐碱化、地下水超采带来的地下水漏斗、氨氮元素和重金属超标等。这些问题都是近期地下水研究的热点问题，根据田长彦在2016年的研究结果表明新疆地区的盐碱化耕地约233万hm2，占总耕地面积的37.7 %[1]。近年来发现，哈尔滨、绥化等地地下水出现氮氨元素及重金属含量超标引起的水质恶化情况；另外部分地区如延寿、通河地下水开采量达到70%以上，严重破坏了当地的水资源合理调配[2]。因此，土壤水分运移的研究仍具有现实意义。

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土壤水运移的相关研究一直是水文方面的研究热点问题。程国栋[3]、陈珊珊[4]、秦越[5]、楮永磊[6]等针对冻土退化方面进行研究发现，近十几年来多年冻土随着气温升高而退化，甚至产生一系列森林湿地环境的问题，严重影响了寒区水资源和水生态环境。因此对寒区土壤水分运移的研究现状及未来研究前景的分析具有重要意义。本文基于Citespace可视化软件对寒区土壤水方向近20年30000余篇学术论文进行了统计和分析。回顾寒区土壤水研究热点问题，思考并探讨寒区土壤水运移研究的当前主要问题和发展趋势，为后续相关研究提供参考。

2 研究方法

2.1 研究方法

目前，科学计量分析(Scientometric analysis)中专门针对科学计量学开发的工具有Citespace、VOCviewer等；在进行分析时，选用图谱相对灵活，聚类时可提取关键信息、具体节点等信息[7]能更直观反映出实际情况，故在研究时更适合选用Citespace进行分析。

Citespace是由ChaomeiChen开发的知识图谱可视化分析软件，此软件通过科学计量学对科学文献进行定量的分析，从而更全面地了解研究领域的知识结构，它可以通过统计学的方法展示关键词、作者、科研机构、所在国家等文献的基本特征[8]构建对应研究目标的知识图谱，展示一定时间内的此研究方向的研究进展。依据Citespace软件对寒区土壤水分运移相关文章进行的分析图谱解读，分析并得到我国寒区土壤水研究的进展和研究前沿。

2.2 数据来源

使用Citespace对CNKI数据库中2000年有关寒区土壤水研究的中文相关文献的作者分析。对发文量大于10篇的作者进行统计并检索部分有关寒区土壤水方面被引次数较高的文献。如表1所示，其中发文量较高的学者集中在中国科学院、太原理工大学、四川农业大学、东北农业大学等机构，其中研究地区大多集中在西北和青藏高原，对东北地区的研究相对较少。

3 结果与分析

3.1 发文量分析

研究领域的研究情况可以一定程度地反映发文量时间分布。如图1所示，我国文献寒区土壤水运移的发文量总体呈上升趋势，根据数量特征可以将此类研究的发展分为3个阶段：第Ⅰ阶段从2000～2007年发文量较少，研究大多比较零散；第Ⅱ阶段从2007到2009年是快速发展阶段，期间发表的文献量处于稳定上升的状态；第Ⅲ阶段是在2009年之后，发文量进入了平稳上升阶段[10]。

图1 2000～2020年寒区土壤水研究文献年度发文量分布

3.2 作者分析

通过检索中国知网数据库(CNKI)中中文文献和WOS数据库(Web of Science核心合计)中英文数据库中与土壤水相关的关键词进行可视化分析。中国知网数据库中的检索2000年1月1日至2021年4月15日中关键词包括但不限：“地下水迁移”“土壤水迁移”“未冻水迁移”“土壤冻融”等有关寒区地下方面的文献共2176篇。在WOS数据库中检索2007年1月1日至2021年4月15日中关键词包括但不限：“groundwater migration”“seasonal frozen soil area”“soilwatertransport”“unfrozen water migration”的相关文献30245篇[9]。

表1 CNKI数据库中寒区土壤水研究的作者发文量及其代表文献

3.3 国家及发文机构分析

1.4 统计学分析 运用SPSS 20.0统计学软件对数据进行统计学分析，计数资料数据以[例(%)]表示，组间比较采用χ2检验；计量资料数据以表示，组间比较采用t检验；P<0.05为差异有统计学意义。

3.3.1 基于CNKI数据库的发文机构分析

此处利用分析CNKI数据库中的与寒区土壤水有关的文献，此图谱可用于分析该领域的研究机构情况图。如图2所示，其中得到N=480；E=326(Density=0.0028)，即节点数为480，连线数为62，密度为0.0028[22]。它表示合作关系较松散。在机构合作图谱中：发文量在20篇以上的机构共有9所，居前三位的是中国科学院大学、中国科学院西北生态环境资源研究院、太原理工大学，其发文量占总发文量的9.6%。

生态学解释。卡罗尔和怀特的生态理论模式认为个人因素和环境因素导致职业倦怠，因此，高校基层行政管理人员在工作中，由于个人原因和周围环境的影响，职业倦怠渐渐形成并成为一种普遍存在的现象，并且不会因为年龄增长和工作年限的不断增加而减弱。和谐处理个人与生态环境的关系是有效摆脱职业倦怠的方式，必须拥有自我调适能力，直面工作中的挫折和压力，坚定职业信念，注重个人与组织生态环境共同体。

图2 CNKI数据库中寒区土壤水研究机构间合作网络图谱

3.3.2 基于WOS数据库的发文国家及发文机构分析

随着“互联网+”时代的到来，信息化的浪潮给人们的生活方式和生活理念带来了强烈冲击，使得人们的行为方式发生了许多改变。信息化发展给高校的教学和管理带来了便利，但同时也把一些不良的思想观念带到了高校，这对高校的思想政治教育工作来说是一种挑战。

CUI Xiaowei， DI Yanqing， LENG Xinyan, et al. Study on the stabilization of Pb2+ by cementitious materials prepared with metallurgical slag[J]. Conservation and utilization of mineral resources, 2018(6):103-106.

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图3 CNKI数据库中寒区土壤水研究参与国家合作网络图谱

图4 WOS数据库寒区土壤水研究机构合作网络

整理并得到发文量大于250篇的机构如表2所示，可以看出发文量排名前5的依次是中国科学院、美国地质调查局、美国农业部、中国科学院大学、中国地质大学。

表2 WOS数据库中寒区土壤水研究机构及发文量统计

3.4 关键词分析

模型右边的M(θ)为5×5惯性力矩阵，它是由机械手自身运动所产生的；为5×1矩阵，它是离心力和科氏力；G(θ)表示机械手自身重力。要考虑到系统运动时平台和机械手之间的相互作用力对模型的影响，那么等式的右边应该还包括由平台的运动在机械手上产生的惯性力离心力和科氏力表示移动平台的速度。这些力和力矩可以由平台部分的结构参数和机械手的动力学方程计算得到，即机械手的逆动力学模型为：

3.4.2 基于WOS核心合集相关主题词统计分析

表3 CNKI数据库中关于寒区土壤水关键词出现次数

续表3

对关键词出现超过20次的词进行统计并归类，如表3所示。可以看出：与研究区相关的关键词出现频率从高到底依次为青藏高原、松嫩平原、黑河流域、黄土高原、天山林区等；有关研究对象关键词出现的频率从高到底依次为黑土、紫色土、黄土、林区土壤、湿地土壤、非饱和土、高寒草甸土、盐碱土、坡面土壤、坡面土壤等；有关研究内容的关键词出现的频率从高到低依次为热量传递、水盐运移、核素运移、土壤水分、土壤氮素、力学性能等方面；有关研究方法的关键词出现频率从高到低依次为室外冻融试验、室外观测试验、模型模拟、数值模拟、遥感观测等。

通过对2007～2021年WOS中土壤冻融文献的关键词进行分析，得到寒区土壤水运移研究文献共被引图。如图5 所示，其主要的关键词有：transport、model、solute transport、sediment、nitrogen、climate change、contamination、organic matter、nitrate、soil erosion等，即在土壤水运移过程中关键词多集中于模型、溶质运移、氮元素运移、有机物变化、硝酸盐。这是由于一方面土壤水分运移过程中伴随着热通量和溶质的运移，另一方面由于冻土活动的变化有关寒区土壤水分运移带来的风险和危害逐渐成为人们关注的重点[23]。

3.5 研究热点分析

研究热点可以采用时间线图谱和关键词聚类图表示，基于Citespace绘制了文献共被引时间线图。如图5所示，时间线图谱可直观的反映研究课题出现的时间，关键词聚类图谱则可展示研究比较集中的方向。可以看出冻融作用，土壤温度，入渗方面的研究寒区土壤水分运移的基础，而随着人类活动和气候变化愈发的不稳定，人们的研究重点开始转向土壤侵蚀的危害及土壤污染物如；氨氮、水盐、有机农药等。

图5 CNKI数据库中寒区土壤水文献共被引时间线

4 讨论

在对中文文献的分析中可以看出我国有关寒区土壤水运移方向的研究自2000年以来发文量就一直呈上升趋势，在对英文文献的分析中可以看出，中科院是有关寒区土壤水研究最大的发文机构，然而我国的总发文量仍远低于美国，说明了我国对于寒区土壤水的研究还不够深入。其中中文文献中出现频率较高的关键词是土壤水，多年冻土，核素，重金属等，而国外文献中溶质运移，氮元素运移，有机物，硝酸盐等的出现频次较高。

3.4.1 基于CNKI数据库关键词分析

通过Citespace软件中的发文国家分析得到国家合作图谱。如图3、4所示，从中可以看出：中国和美国在寒区土壤水方面的发文量上最多，而德国、法国、加拿大在寒区土壤水方面也有较大程度的研究。

表4 WOS数据库中关于寒区土壤水关键词出现次数

目前我国在寒区土壤水方向的研究中微生物群落、重金属运移、放射性核素、冻土退化、改善土壤结构等方面是当前研究的重点。随着气候变化和人类活动强度的增强，冻土退化、地下水过度开发等问题逐渐显现，需要对冻土退化显著地区的水文、地理及工程等反向进行进一步研究。

目前主要的研究内容体现在以下几个方面：第一是针对寒区土壤水及溶质运移方面的研究：2017年唐文政通过田间实验分析了不同地表覆盖条件下的水盐运移，并得到了土壤水分和盐水随土壤深度正价而递减的趋势[24]；2019年赵显波对东北黑土通过室外检测室内实验等方式分析了黑土坡耕地季节融化成的发育过程、土壤营养、氮磷的分布特征及冻融过程中的水热时间分布[25]。第二方面是针对不同土壤经历冻融过程后的强度方面的研究：2020年左小锋针对黑龙江宾县黑土区进行了黑土冻融作用及抗剪强度的研究。第三方面是针对寒区土壤水中重金属及核素运移的研究[26]：包括2015年刘文祥通过选用棕壤与风砂土通过研究85Sr、137Cs、60Co进实验研究得到核素随土壤水运移的规律[27]；2020年魏亮利用室外取样和室内模拟，探讨了污灌对土壤砷及金属的分布影响[28]。第四方面是以青藏高原为特色的永久性地下水冻土特色研究：丁明军在2010年利用遥感对青藏高原的水热变化进一步进行了研究[29]；2015年王转基于GIS软件的支持下对土壤冻融侵蚀的分布特征进行了相关研究[30]；程国栋于2019年总结了青藏高原近年来由于气候变暖引发的冻土特征参数和活动层，冻土热机器冻土层中的水文效应及其碳循环的变化趋势，总结了近年由于冻土退化带来青藏高原水文方面的冻土变化[31]。

5 结论与展望

基于Citespace分析了国内外近20年国内外有关寒区土壤水分运移的学术论文，通过整理发文量、发文作者、国家与发文机构、文章关键词、文章研究热点5个描述学科发展方向的要素，并进行分析得到以下结论。

(1)有关寒区土壤水水分运移方面的研究发文量呈现出显著的上升趋势，在2008年发文量上升明显。

(2)在发文量上来看中国在寒区土壤水分运移方面已经取得了大量的研究成果，主要的研究机构集中在中国中西部及东北地区。其中，在此方向上穆彦虎、郑秀清、陈军锋等学者在中文期刊发文量较高，他们分别从实验模拟，数值分析与气候变化角度对寒区土壤水分运移进行了研究。

(3)基于关键词的分析结果发现：室内实验和数值模拟研究寒区土壤水分运移的主要手段；青藏高原，松嫩平原，黄土高原，天山林区是研究的主要地区；多年冻土、冻结活动层、季节性冻土是研究的主要对象；土壤温度、土壤水分、核素运移是主要的研究目标。

(4)基于研究热点的分析结果发现：冻融循环及水热耦合运移是本研究的基础，农业水土工程、水盐活动、同位素、BP神经网络等方面又是近20年来的研究重点，此外研究发现，近几年出现的海绵城市、土壤改良、微生物群落等方向与寒区土壤水分运移的结合研究，是未来该方向新兴的研究趋势。