基于文献计量分析作物水肥一体化研究特征、热点和趋势

肖 晶 饶良懿

(北京林业大学 水土保持学院/北京林业大学水土保持国家林业和草原局重点实验室,北京 100083)

水资源是人类赖以生存的基础自然资源,水资源短缺已成为一个全球性问题,农业生产活动往往会消耗大量的水资源。据统计,2019年全球范围内180个主要国家或地区的农业用水总量约为2.90×1012m3,约占全球总用水量的71.49%[1],这说明农业水资源浪费及低效利用现象在全球范围内极其普遍。肥料是农业可持续发展的物质保证,是粮食增产的物质基础。为了减少产量损失,过量施肥在全球范围内已经变得越来越普遍。2020年全球164个主要国家或地区的农用氮肥总量为1.13×108t[2]。过量灌溉和施肥会导致严重的环境问题,包括土壤盐渍化、地下水和地表水污染、硝酸盐淋溶和温室气体排放等问题。2021年全球95个主要国家或地区由于施用化肥而产生的N2O排放量为165.25万t,CO2当量排放约为4.38亿t;中国、印度、美国和巴西4国的N2O排放量为94.88万t,其中我国的N2O排放量最多,为37.79万t[3]。一般来说,无节制的灌溉、落后的灌溉技术以及低效的施肥管理措施等是造成农业水肥资源浪费、低效利用和农田土壤环境污染的主要原因。

作物水肥一体化是指将可溶性肥料溶解在灌溉水中,通过灌溉系统同时进行灌溉和施肥的管理措施[4]。该方法可以直接把水和肥料输送到作物根部,减少运输过程中的水分和养分损失,促进作物生长发育,不仅能够节水省肥,还能增加作物产量、改善果实品质和减少环境污染等[5-6]。水肥一体化最早起源于20世纪50年代的以色列,其主要灌溉形式是微灌,包括滴灌(滴灌器和滴灌带)、微喷灌和地下滴灌[7],其中应用最为广泛的是滴灌水肥一体化和膜下滴灌水肥一体化。以色列具有较高的滴灌系统推广度,滴灌面积约占总灌溉面积的85%以上[4]。美国的滴灌面积从2003到2015年增长了75%,从60万hm2增长到105万hm2[7-8]。我国自20世纪70年代开始研究水肥一体化相关课题,到2020年底水肥一体化技术推广面积已达到1 000万hm2,带动应用超1 333万hm2[9]。

尽管在过去的几十年里众多学者对作物水肥一体化进行了大量研究,但对于作物水肥一体化领域的相关研究仍然缺乏全面深入的总结。面对作物水肥一体化领域发表的海量文献,传统的阅读方法难以进行梳理。因此,需要合理的工具来总结和可视化作物水肥一体化领域的相关研究成果,以便为研究人员提供更为明确的研究方向。文献计量是描述、评价和预测学术研究现状和发展趋势最直接的方法,避免了常规综述中主观性强的缺陷和缺乏基于定量方法的文献系统总结[15]。文献计量方法可以整合以往的研究成果,通过定量分析,评价和预测当前的研究热点和未来的研究趋势[35]。目前,文献计量方法被广泛用于分析各领域的研究热点、研究趋势以及个人、机构和国家的贡献。然而,目前人们缺乏对国际上作物水肥一体化研究现状、热点和发展趋势的了解。因此,本研究使用文献计量分析方法梳理了作物水肥一体化领域相关研究工作的发展历史,评估了个人、机构和国家对作物水肥一体化研究的贡献,归纳和总结了该领域的研究热点,并指出了作物水肥一体化领域未来的研究方向和发展趋势,以期为今后的研究提供思路。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究数据基于Web of Science(WOS)核心合集数据库,引文索引为SCI-EXPANDED,使用高级检索词进行全面检索[15]。检索年份为2003-01-01—2022-09-10,检索时间为2022-09-11。具体的检索词为: TS=(fertigation OR integration of water and fertilizer OR integrated irrigation and fertilization management OR water and fertilizer coupling OR integrated water and nutrient management OR integrated water and fertilizer management OR water-fertilizer-in-one) AND TS=(drip irrigation OR subsurface drip irrigation OR furrow irrigation OR drip fertigation OR nitrogen fertigation) AND TS=(crop yield OR crop growth OR fruit quality OR water use efficiency OR fertilizer use efficiency OR nutrient use efficiency OR nitrate leaching OR nutrient loss OR greenhouse gas)。共检索到1 171篇文献,对文献进行筛选:a) 文献类型为Article或Review;b) 排除书籍章节、在线发表和会议文献等文献类型;c) 排除韩语、西班牙语和葡萄牙语文献;d) 排除WOS中索引为Social Science Citation Index(SSCI)的文献。经过上述筛选后,最终保留了1 076篇文献。

1.2 研究方法

使用WOS自带的分析工具来分析作物水肥一体化领域已发表文献和引文的年度变化、文献所属的学科分布、主要的文献发表国家和期刊以及主要发文作者,采用年发文量、h-指数、总被引频次、篇均被引频次和影响因子等指标来衡量作物水肥一体化领域的主要发文国家、研究机构、作者和期刊的贡献。基于VOSviewer软件进行主要的文献发表国家、机构和作者的合作网络分析以及高频关键词的共现和聚类分析,网络中圆点大小代表文献发表数量、关键词出现频率或总联系强度(1)总联系强度(TLS)是VOSviewer中的一个指标,用于衡量国家和机构之间合作的密切程度。(Total links strength,TLS)大小,线条数量代表与某个国家、机构或作者具有合作关系的国家、机构或作者数量。通过VOSviewer软件对高频关键词以及通过CiteSpace软件对高被引文献进行共现和聚类分析,得到作物水肥一体化领域的研究热点。基于CiteSpace软件进行关键词突现分析并绘制知识图谱,以分析作物水肥一体化领域的发展趋势。

2 结果与分析

2.1 作物水肥一体化领域研究文献和引文的年度变化分析

文献数量代表学术界对某一领域的重视程度,可以在一定程度上反映该领域的发展速度和受欢迎程度[15]。2003—2022年,作物水肥一体化领域相关文献共计发表1 076篇,年均发表约为54篇(图1)。其中,2003年发表25篇,2021年则为151篇,虽然中间年份发文量略有下降,但总体上呈波动增加趋势。2003—2012年间发文量占发文总数的23.05%,年均发表约为25篇;2013—2022年的发文量占76.95%,年均发表约为83篇,年均发文量为前10年年均发文量的3.34倍。从文献被引频次来看,2003—2022年,总被引频次为15 862.00次,篇均被引频次为14.74次(图1)。2017年的文献年被引频次最多,为1 427.00次,篇均被引19.28次。2022年的文献被引频次最少,为46.00次,篇均被引0.53次。总体来说,从2003到2022年,尽管某些中间年份的被引频次有所增加,但年度被引频次呈波动下降趋势。综上,预计未来几年在作物水肥一体化领域新发表的文献数量将继续增加,但仍需加强对已发表文献的研究。

表1 基于WOS数据库的作物水肥一体化研究领域前10大学科分类

图1 2003—2022年作物水肥一体化领域的发文量和被引频次

2.2 作物水肥一体化领域发表文献的学科分布

作物水肥一体化研究在农艺学、水资源学、植物科学、园艺学和环境科学这5个学科的发文量最多,分别占总发文量的39.87%、23.42%、17.01%、15.80% 和14.13%(表1)。值得一提的是,同一篇文献可能涉及到2类或2类以上学科。此外,作物水肥一体化领域还涉及农业多学科、土壤科学和农业工程等诸多学科,说明作物水肥一体化研究涵盖的内容广泛,是一项跨学科的综合性研究。总的来说,作物水肥一体化相关文献大多来自农业生态系统、灌溉、果园和蔬菜种植系统,主要研究方向为农业、作物、灌溉、土壤和环境等。

根据文献数量变化趋势,将整个研究年份划分为2个阶段:2003—2012年和2013—2022年(表1)。排名前5的学科在第1和第2阶段的发文量均显著增加,而农业工程、生态学和化学分析等学科发文量增长缓慢。值得注意的是,园艺学领域的发文量占比从第1阶段的17.25%下降至第2阶段的9.08%,这主要是因为环境科学领域的发文量占比从第1阶段的4.58%增加到第2阶段的11.56%。环境科学领域作物水肥一体化相关文献的增加可能是由于学者们对环境问题认识的不断提高[15]。

2.3 作物水肥一体化领域发表文献的主要国家及其合作网络分析

一个国家在某领域的发文量、总被引频次和h-指数可反映该国在某领域的科学研究水平和重点[35]。作物水肥一体化研究相关国家的文献计量数据结果显示(表2),发文量前3的国家分别是中国、美国和印度。美国的文献总被引频次最高,而澳大利亚的篇均被引频次最高,分别为4 759.00和27.48次。

表2 基于WOS数据库的2003—2022年作物水肥一体化研究主要发文国家的文献计量数据

h-指数是指一个国家、机构或研究人员有n篇文献被单独引用至少n次,其数值越高,文献影响力越大,通常用于评估国家、机构或个人的学术影响力[15]。美国是总被引频次和h-指数最高的国家(表2),为作物水肥一体化研究领域最具影响力和权威性的国家,其次是中国和西班牙等。值得一提的是,澳大利亚的发文量仅有29篇,但其篇均被引频次(27.48次)最高,表明该国学者非常重视文献的学术质量。然而,尽管印度和巴西的发文量分别排第3和第5,但其篇均被引频次最少,表明该国学者需要更加关注文献的质量和学术影响。一般来说,发达国家的篇均被引频次相对较高,而发展中国家,如中国(13.77次)、印度(8.03次)和巴西(7.10次)等的篇均被引频次相对较低。

此外,VOSviewer软件还用于分析各国在作物水肥一体化领域的合作关系[15]。如图2所示,图中点的大小反映了各个国家或地区的总联系强度,连接线的数量表示与其合作的国家数量。根据VOSviewer的TLS指标,中国(TLS值为95)、美国(80)、西班牙(41)和德国(37)的TLS值相对较高,意味着这些国家在作物水肥一体化领域与其他国家有着密切的国际合作。美国线条最密集,是作物水肥一体化领域学术表现最为活跃的国家,与中国等24个国家有学术合作关系。发展中国家,如中国和印度,分别与19和13个国家保持着合作关系,并且更加积极地发展和追赶发达国家。其他发展中国家如巴西,发文量虽相对较多,但与其他国家的合作较少,仅与4个国家保持着合作关系。总的来说,美国、西班牙、德国和加拿大等发达国家在作物水肥一体化领域具有较高的研究水平和影响力,而发展中国家如中国,在该领域的学术研究影响力和文献质量等方面正在逐步缩小与发达国家的差距。

圆点大小表示各个国家或地区之间的总联系强度大小,连线数量表示与某国有合作关系的国家数量。 The size of the dots represents the total link strength of each country or region, and the number of lines represents the number of countries that have cooperative relations with a certain country.

2.4 作物水肥一体化领域发表文献的主要研究机构及其合作网络分析

随着科学研究的发展,越来越多的研究通过不同国家和机构之间相互合作来开展,以产生更高的影响力和科学研究价值。机构合作分析网络图如图3所示,圆点大小代表各机构间总联系强度大小,颜色代表聚类类别。总联系强度排名前5的机构分别是中国科学院(TLS值为68)、中国农业大学(TLS值为61)、西北农林科技大学(TLS值为36)、中国科学院大学(TLS值为30)和中国农业科学院(TLS值为25)。机构合作网络主要分为7类,分别以中国农业大学、中国科学院、西北农林科技大学、中国农业科学院、美国农业部农业科学研究院(UADA ARS)、新疆农业科学院和以色列农业研究组织(Agricultual research organization,ARO)为主要代表。其中,中国科学院及中国农业大学不仅与上述各主要研究机构的合作关系密切,还与其他机构如佛罗里达大学、石河子大学、美国加州大学河滨分校(UC,Riverside)、美国加州大学戴维斯分校(UC,Davis)、德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruher institut für technologie,KIT)、南昌工程学院和中国水利水电科学研究院等亦有较为密切的合作关系。

圆点大小代表各机构间总联系强度大小,颜色代表聚类类别。 The size of the dots represents the total links strength of each institution, and the color represents the cluster category.

2.5 作物水肥一体化领域发表文献的主要作者及其合作网络分析

表3 基于WOS数据库的2003—2022年作物水肥一体化研究主要相关作者的文献计量数据

图4为作者合作网络图,节点大小代表总联系强度大小,且仅显示合作关系密切的作者之间的联系。由图可知,不同作者主要以核心作者为节点进行合作研究,如西北农林科技大学的张富仓、范军亮、向友珍和吴立峰等,以色列农业研究组织的Yermiyahu Uri、Arnon Dag和Ben-gal Alon,西班牙阿尔梅里亚大学的Gallardo Marisa、Thompson Rodney B.和Farneselli Michela,美国佛罗里达大学的Morgan Kelly T.、Zotarelli Lincoln和Kadyampakeni Davie M.,加拿大农业及农业食品部的Neilsen Denise和Neilsen Gerry H.,中国科学院地理科学与资源研究所的康跃虎和万书勤,中国科学院新疆生态与地理研究所的桂东伟和曾凡江,中国水利水电科学研究院的李久生和栗岩峰以及中国农业大学的林杉、吕浩峰和赵以铭等。此外,根据VOSviewer的TLS值分析,西北农林科技大学的张富仓(TLS值为118)、范军亮(114)和吴立峰(71)的团队合作最为密切,远高于其他合作团队,表明中国学者在作物水肥一体化领域逐渐活跃起来。然而,不同的机构、研究团队以及核心作者之间的合作很少,大多数学者都是独自做研究。这主要是因为不同的研究团队受到地理和学术背景等因素的影响,相互之间的合作较少。因此,未来条件允许下可加强不同研究机构和不同核心作者之间的深度合作。

圆点大小代表各作者间总联系强度大小,连线数量表示与某作者有合作关系的作者数量,颜色代表聚类类别。 The dot size represents the total links strength between the authors, the number of line represents the number of authors who have a cooperative relationship with an author, and the color represents the clustering category.

2.6 作物水肥一体化领域主要发文期刊分析

在作物水肥一体化领域发文量排名前10的期刊中(表4),共有4本期刊隶属于美国,其影响因子近年来迅速增加。有3本期刊属于荷兰,均具有相对较高的影响因子,且在期刊引文报告(Journal citation reports, JCR)数据库中均位于Q1区。其他期刊来自瑞士和印度。AgriculturalWaterManagement是作物水肥一体化领域发文量(155篇)、h-指数(37)、总被引频次(4 633.00次)和影响因子(IF=6.611)均最高的期刊(表4),该期刊的发文量是排名第2期刊的3倍多。由此可见,AgriculturalWaterManagement是作物水肥一体化领域最具影响力和权威性的期刊。其次是Agronomy-Basel和Hortscience,两者发文数量相对接近,但Hortscience的总被引频次、h-指数和篇均被引频次均明显高于Agronomy-Basel。其他发文量较多的期刊为ScientiaHorticulturae和JournalofPlantNutrition等。

表4 WOS数据库2003—2022年作物水肥一体化研究相关期刊的文献计量数据

一般来说,作物水肥一体化领域的主要研究方向是农业、作物、水、养分、土壤和大气环境之间的相互关系。排名前5的期刊发文范围分别为:不同农业灌溉、施肥措施对作物产量和水分生产力的影响及其环境效应(AgriculturalWaterManagement和Agronomy-Basel)[5,11,19,30],土壤、水分和肥料对园艺作物、栽培品种和多年生果树等种植系统的影响(Hortscience和ScientiaHorticulturae)[7,20],植物养分与土壤相互作用的理论和实践(JournalofPlantNutrition)[21]。

2.7 作物水肥一体化领域的研究热点分析

2.7.1高频关键词共现及聚类分析

高频关键词共现分析有助于确定某领域的研究重点和研究热点。关键词知识图谱绘制于文献中的所有关键词,可以直观地显示该领域的重点和热点研究方向[36]。本研究利用VOSviewer软件分析得到作物水肥一体化领域出现频率最高的60个高频关键词(图5)。水肥一体化(Fertigation)和产量(Yield)是出现频率最高的关键词,共计773次,表明产量是作物水肥一体化领域的研究重点和热点;氮(Nitrogen,265次)、生长(Growth,262次)、水分利用效率和利用效率(Water use efficiency &Use efficirncy,221次)、滴灌(Drip irrigation,213次)、灌溉(Irrigation,211次)、土壤(Soil,184次)、管理(Management,183次)、品质(Quality,175次)、水分(Water,130次)和硝酸盐(Nitrate,102次)等反映了作物水肥一体化领域的主要研究内容。对这些高频关键词进行进一步研究表明,农业生产、作物、水分、养分、土壤和大气环境问题在作物水肥一体化领域占据着主导地位。作物水肥一体化领域的研究方向主要集中在:水肥耦合对不同作物生长、产量和果实品质研究,作物水肥利用效率的提升与水肥精准调控,土壤水分、养分运移规律和硝酸盐淋溶的模拟研究,水肥一体化过程导致的温室气体排放和减排农艺管理措施等。除关于研究内容和对象的关键词外,还出现了与研究方法相关的关键词,如系统(System)、模型(Model)和建模(Modelling)。建模是一种重要的科学方法,广泛应用于气候变化、温室气体排放、土壤水分及养分运移、硝酸盐淋溶、作物蒸散量测定、作物不同生育期的需水需肥规律、水肥耦合机制和作物对水肥一体化的响应等的研究[37-38]。

圆点大小表示关键词出现频率及重要性,圆点颜色表示关键词聚类类别。 The dot size represents the frequency and importance of keywords, and the dot color represents the keyword clustering category.

高频关键词聚类分析可以直接反映作物水肥一体化领域的重要研究方向和研究热点,与作物水肥一体化相关的主要高频关键词有滴灌、产量、氮、水分和模型等。根据关键词聚类分析网络(图5),作物水肥一体化研究领域关键词可划分为4个聚类:聚类1(蓝色)主要是运用各种模型来模拟水肥一体化过程中的土壤硝酸盐淋溶和水分以及养分运移动态,包括的主要关键词有水肥一体化、模型、模拟、水力传导率、硝酸盐淋溶和动态等;聚类2(绿色)主要是对不同施肥管理措施下不同作物的生长、产量和果实品质的研究,包括的主要关键词有产量、生长、氮、品质和施肥等;聚类3(红色)主要是水肥一体化条件下不同作物的水、氮利用效率和生产力研究,包括的主要关键词有滴灌、利用效率、水分利用效率、氮利用效率和生产力等;聚类4(黄色)主要是水肥一体化过程中水分和灌溉管理措施对土壤和大气环境产生的硝酸盐和温室气体排放等的研究,包括的主要关键词有灌溉、土壤、管理、水分、硝酸盐和N2O排放等。

2.7.2高被引文献分析

运用CiteSpace软件对作物水肥一体化领域的相关文献进行共被引分析,通过高被引以及高中介中心性的参考文献来研究该领域的研究热点。作物水肥一体化研究领域的共被引网络由844个节点和1 954条连接线组成,网络密度为0.006(图6(a))。节点的标签名称为第一作者和文献发表年份,节点的大小代表文献的被引频次及重要性,节点的颜色从蓝紫色向黄色过渡,黄色节点代表该文献接近2022年,蓝紫色节点代表该文献接近2003年,而红色节点文献则表示该文献的被引频次具有较高突现性,为作物水肥一体化领域的重点和热点文献。图6(a)有2个关联性较大的节点,说明这2篇文献被引频次较高,在作物水肥一体化领域具有较高的影响力,其作者分别为Kennedy等[39]和Abalos等[40]。被引频次最高的为Kennedy等[39]于2013年发表在Agriculture,Ecosystems&Environment的文章,该文通过番茄种植系统的田间试验研究得出滴灌水肥一体化不仅可以增加作物产量、提高水肥利用效率,还能降低N2O排放量。

圆点大小表示文献被引频次及重要性;红色圆点表示该文献的被引频次具有较高突现性;圆点的颜色从蓝紫色向黄色过渡,黄色节点代表该文献接近2022年,蓝紫色节点代表该文献接近2003年;连线表示某文献被其他文献引用的关系网络。 The size of the dots represents the citation frequency and importance of the literature. The red dots indicate that the citation frequency of the literature is highly burst strength. The color of the dots transitions from blue-purple to yellow. The yellow node represents that the literature is close to 2022, and the blue-purple node represents that the literature is close to 2003. The line represents the relationship network of a literature cited by other literature.

在文献共被引的基础上,对参考文献进行共被引聚类分析,使用对数似然率算法(LLR)生成了9个最为显著的共被引聚类(图6(b))。由于有些聚类的内容相近,故将作物水肥一体化划分为8个研究类别和4个热点研究方向:不同作物(冬小麦、马铃薯、果树和蔬菜等)种植条件下的水肥一体化研究是主要的研究基础,田间试验和基于模型的土壤-作物-水分-养分模拟研究是作物水肥一体化研究的主要基础方法和手段,不同灌溉管理措施(微喷灌、滴灌、覆膜滴灌、根区交替滴灌和地下滴灌等)、不同施氮量条件下的水肥耦合、水肥管理措施优化和水肥利用效率提升、温室气体排放和减排农艺管理措施是主要的研究内容。综上,由高被引文献分析得到的作物水肥一体化领域热点研究方向与由高频关键词聚类分析得到的研究热点基本一致。

2.8 作物水肥一体化领域的发展趋势分析

通过对已发表文献中关键词的发展路径和发表时间的分析可以得出特定时间段的研究前沿。基于CiteSpace对作物水肥一体化领域关键词突现指标的分析,得到突现关键词、突现强度和发生的时间跨度,没有关键词突现的年份由蓝色条表示,而红色条代表突现关键词的发生年份[35](表5)。将2003—2022年间关键词突现强度划分为2003—2009、2010—2016和2017—2022年等3个时间段来描述作物水肥一体化领域的发展趋势。2003—2009年的研究方向主要围绕果树(Tree)和甜椒(Bell pepper)等栽培作物(Cultivar)的产量及果实品质研究,其中甜椒的突现时间最长,表明其是该时间段内的主要研究作物,而果树的突现强度最高,表明其为该时间段内的热点研究内容。2010—2016年的研究方向主要集中在运用各种模型模拟不同作物种植条件下土壤水分、养分运移、养分吸收以及硝酸盐淋溶动态研究等,其中养分(Nutrition)、溶质运移(Solute transport)和硝酸盐(Nitrate)的突现强度相对较强,但该时间段内的所有关键词的突现时间均相对较短。2017—2022年的作物水肥一体化研究有了新转变,粮食产量(Grain yield)又重新回到研究者们的视野当中,且在该时间段内具有最高的突现强度,为5.52,表明产量研究一直是作物水肥一体化领域的重点和热点。突现关键词中还出现了施氮肥(Nitrogen fertilization)、氮素利用效率(Nitrogen use efficiency)和灌溉管理(Irrigation management),说明该时间段内研究者比较关注冬小麦(Winter wheat)等作物的灌溉和施肥的综合优化管理措施,着重提高作物的水肥利用效率。

3 讨 论

本研究基于WOS数据库,利用WOS自带的分析工具、CiteSpace和VOSviewer等可视化软件,通过文献计量方法从年度发文量和年度引文分析、学科分布、国家和机构合作网络、高被引期刊和作者、关键词共现、聚类和突现分析、高被引文献共现和聚类分析等方面,系统总结了作物水肥一体化领域的研究特征、研究热点和发展趋势。作物水肥一体化研究相关文献主要涉及农艺学、园艺学、水资源学、植物科学和环境科学等学科,农艺学和环境科学领域的文献占比随着时间推移而逐渐增大,而园艺学领域的文献占比减小,这意味着研究人员的环境意识在不断提高,开始关注由水肥一体化过程引起的环境效应。AgriculturalWaterManagement期刊由于其发文量、总被引频次、篇均被引频次、h-指数和影响因子均为最高,在作物水肥一体化领域相关期刊中具有最高的权威性和影响力。在国际合作方面,今后需要加强不同国家、不同机构和不同核心作者之间的跨学科及交叉学科的合作力度。共现、聚类和突现分析方面,由于本研究只选择了以WOS为数据源,同时随着WOS数据库的发文量、被引频次和h-指数等的不断更新,可能会影响文献计量的时效性,因此本研究只能客观地评价某个时间段的研究热点和发展趋势。

作物水肥一体化领域的相关研究主要集中在:不同灌溉和施肥管理措施下水肥耦合对作物生长、产量和果实品质效应研究,水肥耦合条件下土壤水分、养分运移和硝酸盐淋溶动态的模拟研究,不同作物水肥利用效率的提升与水肥精准调控、水肥一体化过程中导致的温室气体排放及减排农艺措施等4个方面。作物的生长和产量一直是近些年的研究重点和热点,对于作物水肥一体化研究来说,灌溉和施肥是最重要的2个手段,这意味着基于灌溉和施肥的作物生长和产量研究是水肥一体化研究领域的重要方向。灌溉和施肥导致诸多环境问题,农业增产、农业用水量和化肥施用量与环境保护之间存在一定的冲突,而缓解这一冲突的办法之一就是实行水肥一体化技术。目前各国在大力推行水肥一体化技术,我国也在积极推广,并取得了一定成效。

然而,目前对水肥一体化条件下的作物水肥施用与经济因素、环境因素和农艺管理措施的相互作用关系,以及对土壤健康和最优水肥管理措施的系统决策和评价等还缺乏较深入的研究。此外,基于物联网和人工智能的水肥一体化技术是实现智能水肥一体化技术的重要途径,也是未来的研究热点和难点。总而言之,作物水肥一体化研究虽已有广泛的研究成果,但水肥一体化的设备及产品、实际推广和应用等方面还面临一些数字化、精准化和智能化的问题,仍需科研工作者做进一步研究和探索。

4 结 论

本研究以2003—2022年WOS核心数据库中1 076篇文献为原始数据,通过文献计量可视化方法对作物水肥一体化领域的研究现状和趋势进行了研究。结论如下:

1)2003—2022年,作物水肥一体化领域的文献数量总体上波动增加,研究涉及农艺学、水资源学、植物科学、园艺学和环境科学等诸多学科领域,并形成了以张富仓、范军亮、向友珍、康跃虎、万书勤、李久生、林杉、Yermiyahu Uri、Morgan Kelly T.和Gallardo Marisa为主的核心作者群体;中国农业大学、佛罗里达大学、西北农林科技大学、中国科学院和中国农业科学院是主要的发文机构;AgriculturalWaterManagement在作物水肥一体化领域的影响力和权威性最高。

2)水肥一体化、产量和氮等关键词的共现频率最高。此外,基于高频关键词、高被引文献的共现和聚类分析结果,得到作物水肥一体化领域主要研究热点集中在水肥一体化过程中的土壤水分、养分运移和硝酸盐淋溶等的模拟研究;不同施肥管理措施下不同作物的生长、产量和果实品质效应研究;水肥一体化条件下不同作物的水、氮利用效率和生产力研究;水肥一体化过程中水分和灌溉管理措施对土壤硝酸盐淋溶及N2O、NO等温室气体排放影响研究。

3)未来作物水肥一体化研究将结合模型模拟、无线传感器网络和机器学习等先进技术,朝着数字化、智能化和精准化的方向发展。