东北黑土区沟蚀研究进展与热点——基于CiteSpace计量分析

万兆凯,宋庆臣,万普强,郭明明,张兴义,刘欣,5

(1.吉林农业大学资源与环境学院,长春 130118;2.中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态院重点实验室,哈尔滨 150081;3.阿荣旗市水利局,内蒙古阿荣旗 162750;4.扎兰屯市水利局,内蒙古扎兰屯 162650;5.中国科学院大学,北京 100049)

东北黑土区总面积达109万km2,约占全球黑土总面积的12%,该区粮食总产量占全国总量的1/4,粮食调出量占全国总量的1/3,是我国重要的商品粮基地,由于其土地肥沃、地域辽阔、人口相对较少,被誉为“耕地中的大熊猫”[1-3]。近几十年来,由于人类活动和自然因素的影响,黑土区的水土流失日益加剧,其中以沟道侵蚀最为严重。据全国第1次水利普查侵蚀沟专项调查,东北黑土区是我国除黄土高原外,沟道侵蚀程度最为严重的区域,现有＞100 m 侵蚀沟29.6万条[4]。另据调查,尚有相近数量＜100 m 的侵蚀沟,侵蚀沟总数量高达60万条,仅侵蚀沟自身就损毁土地5 000 km2以上[5-6]。沟道侵蚀不仅导致珍贵的黑土层“变瘦、变硬、变薄”,还使作物显著减产,生态功能退化,严重威胁国家粮食安全和生态安全[7]。

近年来,围绕黑土地保护和利用的问题,土壤侵蚀和水土保持领域的学者们在沟道侵蚀的过程与机理、侵蚀沟的时空变化、分布特征、影响因素以及防治对策等方面取得了一定的研究成果[8-12]。然而,关于该领域研究主题的演化、研究方向和发展趋势等方面的定量化可视化梳理的研究成果相对较少,难以直观地把握该领域的研究动态和未来研究需求。

因此,本文利用文献计量学和科学知识图谱的方法,运用CiteSpace等软件,对中国知网(CNKI)数据库中的东北黑土区沟道侵蚀中文文献以及Web of Science核心数据中的英文文献进行定量化和可视化分析。旨在深入探究文献所包含的深层次知识,揭示该领域的研究发展历程,分析不同时期的研究热点和发展趋势,并直观地展示研究主题领域的发展状况。为进一步推进东北黑土区沟道侵蚀研究领域的发展以及黑土区侵蚀沟的防治提供参考和借鉴。

1 材料与方法

数据源于Web of Science(WOS)核心合集和中国知网(CNKI)数据库,检索日期截至2023 年4 月30日。WOS数据库以“black soil or mollisol”“gully erosion or gully”“the Northeast of China”组合检索,CNKI数据库以“东北”“东北黑土区”“黑土”、“沟道”“沟蚀”“侵蚀沟”“沟道侵蚀”组合检索,再对所获文献剔除重复文献、会议论文后,最终筛选文献共计245篇,其中CNKI数据库文献181篇,Web of Science数据库文献64篇。

基于 CNKI 和 WOS 核心数据集,利用CiteSpace软件进行关键词(标题、摘要和关键词)分析,关键词出现频率可用于衡量关注度,以揭示某一领域的热点问题。通过研究热门关键词并运用突现图的可视化展示,能更清晰地显示这些热点问题,呈现东北黑土区沟蚀研究领域的当前研究热点以及未来的潜在研究热点。

中介中心性是用来表征节点在网络中重要性的指标,并以此来发现和衡量文献的重要程度。中介中心性的计算公式(1)如下:

式中:gst为节点s到节点t的最短路径数目;nist为从节点s到节点t的gst条最短路径中经过节点i的最短路径数目[13]。

2 结果与分析

2.1 东北黑土区沟蚀主题发文数量及时间特征

中文和英文文献发文数量统计结果显示(图1),中文文献数量远大于英文文献,而中文发文量呈波动变化,英文发文量呈逐步增长的趋势。中文文献发文量可分为两个阶段:20世纪90年代中期至21 世纪初,我国开始对东北黑土区的沟蚀进行了探索性研究,1996年发表了第一篇文献,自至2003年开始,才陆续有论文发表。该阶段的学者主要以沟道治理以及沟道动态变化为研究重点。2012年开始,随着国家颁发了一系列黑土地保护政策,投入了大量资金,推动了黑土区沟蚀防治工作,该时期科研成果突出。在2012年至今的10年间,中文发文量呈现显著上升趋势。英文文献发表起步较晚,但后期发展趋势较好,第一篇论文为胡刚在Catena发表的“Shortterm gully retreat rates over rolling hill areas in black soil of Northeast China”。2007—2017年发展缓慢,但在2018年后发文量明显增加,2021年发文量高达15篇。中文文献和英文文献发文量均在近五年内增高,表明东北黑土区沟蚀的关注度和研究热度在不断升高。

图1 中英文文献发文时间及数量Fig.1 Time and number of the published articles in English and Chinese

2.2 机构发文量分析

图2中的每个节点表示一个研究机构,节点间的连线反映着不同机构之间的合作关系。其中,中文文献发文机构为150个,连线为155条,连线多于节点,密度较高,这表明我国在该研究领域具有紧密的合作关系,且交流程度较高。同时,为确保数据的准确性,避免文献出现交叉统计的情况,在整理和统计数据时只保留文献的第一发文机构。

图2 中文文献发文机构Fig.2 Institutions publishing the literatures in Chinese

图3 英文文献发文机构Fig.3 Institutions publishing the literatures in English

由图2可知,东北黑土区沟蚀的研究机构较少,且发文层次及研究力度差别较大,发文量在10篇以上的机构仅有4个,其余均在6篇以下。总体来看,仅有少数机构对东北黑土区沟蚀研究进行深入的探讨和研究,而多数机构的研究相对较单一。图谱以水利部松辽水利委员会(中心性0.33)为中心,表明了政府部门在研究中的重要性和主导地位,并在资源、资金和政策方面具有重要的支持和引导作用,能够推动相关研究的开展和治理措施的实施。此外,政府还可以促进学术界、科研机构和社会各界的合作,形成多方参与的研究格局。

英文文献发文机构共52个,连线75条,相对于中文文献发文机构较少,这表明了东北黑土区沟蚀问题在国际学术界的关注度较低,一方面是由于黑土区沟蚀过程与机理研究起步较晚导致发文量较少;另一方面可能是因为该问题在全球范围内并不普遍存在,仅限于特定地理区域,国际学术界的关注点可能更多地集中在全球性的环境和土地退化问题上。图谱以Beijing Normal University(北京师范大学)为中心(中介中心性1.02),表明了北京师范大学在世界范围内具有较强的影响力,而Chinese Academy of Sciences(中国科学院)、Institute of Soil& Water Conservation(中国科学院水利部水土保持研究所)、Northeast Institute of Geography&Agroecology Chinese Academy of Agricultural Sciences(中国科学院与东北地理与农业生态研究所)、University of Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学)中介中心性分别为0.77,0.63,0.37,0.27,0.22。以上机构均属于中国科学院,这些机构反映了在东北黑土区沟蚀研究中的紧密联系和协作,推动了该领域沟蚀研究的发展和创新。

2.3 作者发文分析

参与中文文献发表的学者共309位,其中张树文发文最多,共计18篇。参与英文文献发表的作者共196位,其中刘宝元与伍永秋发文最多,均为9篇。利用CiteSpace软件构建作者合作网络(图4,5),节点的大小表示发文量的多少,节点越大代表发文量越多;节点之间的连线越多代表作者之间的联系越紧密。中文文献发文量前五的学者分别是张树文、张兴义、范昊明、王文娟、李浩,英文文献发文量前五的作者分别是刘宝元、伍永秋、张树文、张兴义、范昊明、胡刚(并列)。从图4,5中可知,国内外对该领域有重要贡献的学者具有较为紧密的合作关系,且交流程度较高。

2.4 东北黑土区沟蚀主题研究高频关键词分析

关键词是作者用于概括论文主题的精炼词汇,它们承载着作者在特定研究领域的学术思想、研究主题和内容的高度概括和提炼。因此,关键词不仅是分析研究主题的一种途径和方法,也是了解和掌握特定领域研究动态的重要手段。通过考察该领域中关键词的频率出现,可以了解该领域的研究热点,判断该领域研究内容的更新速度以及学科研究的活力水平[14]。通过CiteSpace软件进行关键词共现分析,得到以下图(图6,7),其中除主题词外,中文关键词“水土流失”“土壤侵蚀”“遥感”的出现频次高于其他关键词,英文关键词“soil erosion”“area”“retreat rates”“catchment”出现频次高于其他关键词。目前对于东北黑土区沟蚀的关注重点主要集中在水土流失以及土壤侵蚀机理的探究。然而,尽管已经取得了一定的研究成果,但对于该领域的研究还没有形成完整的框架和全面的认识。

图6 中文文献关键词共现Fig.6 Keywords co-occurrences from literatures in Chinese

图7 英文文献关键词共现Fig.7 Keywords co-occurrence from literatures in English

2.5 东北黑土区沟蚀主题关键词聚类分析

关键词聚类分析是使用CiteSpace对提取的所有关键词进行分类,一般认为当聚类当平均轮廓值(S值)＞0.7时,聚类是高效率且令人信服的[15]。将中英文文献分别导入CiteSpace软件进行分析,共得到中文文献关键词聚类12个,英文文献关键词聚类8个(图8,9,表1,2),聚类编号越小,则表示聚类范围越大。选取中英文前4个聚类分析。

表1 中文文献关键词聚类Table 1 Keywords clustering from Chinese literatures

表2 英文文献关键词聚类Table 2 Keywords clustering from literatures in English

图8 中文文献关键词聚类Fig.8 Keywords clustering from Chinese literatures

图9 英文文献关键词聚类Fig.9 Keywords clustering from literatures in English

聚类0:以侵蚀沟为中心,主要关键词为成活率、治理对策、水土流失、东北黑土区等,通过提高柳桩、灌木等成活率和采取相应的治理对策,可以有效减缓水土流失速率,保护土壤资源,维护生态平衡[16]。这些研究为东北黑土区侵蚀沟治理提供了重要的参考和支持。

聚类1:以黑土区为中心,主要关键词为治理、工程措施、植被措施、发育等。针对黑土区的治理,学者们提出了一系列的工程措施。其中包括但不限于梯田建设、水土保持工程、水资源管理等。通过修建梯田,可以有效减缓水流速度,延缓沟道发育。水土保持工程的建设,如构筑护坡、设置排水系统等,可以减少沟道侵蚀,保护耕地资源。除了工程措施,植被措施在黑土区治理中也起到重要作用。学者们研究发现,适当选择并种植具有固土、抗旱的植被物种,可以有效地减缓沟道侵蚀速率。通过建立植被覆盖系统,增加植被的根系和地上部分,可以提高土壤的结构稳定性,防止沟道侵蚀的发生。

聚类2:以临界条件为中心,主要关键词为沟道侵蚀、遥感解译等。学者们通过研究发现,沟道侵蚀的临界条件包括降雨、地形、土壤性质等因素[17]。为了监测和评估沟道侵蚀的情况,学者们采用了遥感解译技术。遥感解译能够获取大范围的地表信息,包括沟道的形态特征、植被覆盖度等[18]。通过分析遥感图像和提取沟道特征参数,学者们能够定量化地评估沟道侵蚀的程度,并为沟道侵蚀的防治提供科学依据。

聚类3:以水土保持为中心,主要关键词为比较、水土流失治理、趋势等。学者们通过比较不同沟蚀治理措施的实施效果,评估其对水土保持和沟道侵蚀的控制。评估其对水土保持和沟道侵蚀的控制效果,并关注治理后效益分析[19]。这些研究成果为深入了解侵蚀沟治理的效果提供了重要的科学依据,为保护土壤资源、实现可持续发展提供了有益的支持。

聚类0 以black soil为中心,关键词为critical water content,root mass density,soil collapse 等。学者们关注黑土中的临界含水量,对植物生长和土壤保持起着重要作用。他们通过实地采样和研究,深入分析其对土壤水分调控和植物生长的影响。通过野外调查和试验测定,学者们对在黑土中的根系质量密度进行了研究,以评估其对土壤结构的影响和保持能力[20]。另外,学者们还关注黑土沟道崩塌问题,通过对土壤物理性质和水分变化的监测,学者们探讨了黑土的沟道崩塌机制和相应的保护措施[21]。

聚类1以slope gradient为中心,关键词为aspect and shape,crop yield,slope-gully system等。学者们的研究揭示了坡度与坡向对于沟道发育的重要性[22]。通过深入分析坡向和坡形的影响机制,提出了相应的水土保持和管理策略,以减少沟道侵蚀发生的风险。聚类2以global positioning system为中心,关键词为digital terrain model,black soil region-northeastern China等,学者们通过GPS和DTM 的应用,能够测量和描述沟道侵蚀的特征和演变趋势,为东北黑土区的沟道侵蚀治理提供科学依据[23]。聚类3以land degradation为中心,关键词为topographical variation,rainfall erosivity,climate change等。不同地形的坡度、坡向和地貌形态会影响水分的分布和径流流动路径,进而影响沟道侵蚀的程度[24]。同时,降雨和气候变化也是沟道发育的重要条件之一[25]。

2.6 国内研究前沿分析

研究前沿作为研究领域中最活跃的部分,有助于把握学科领域未来的研究方向和发展趋势,促进学术研究的理论升华。研究前沿是相对于特定研究领域、特定时间来说的,具体指某一领域中被科学家们积极引用的文献所表征的研究主题,关键词突现是指某研究领域在某一特定时期内对某种主题关注程度的变化情况[26]。使用CiteSpace 软件提取中文文献中Strength(突现强度)前15个突现关键词,按照突现开始的年代由远到近排列,分析结果如下:

由图10可知,突现强度较高的关键词有“水土保持”“水土流失”“黑土区”“综合治理”等,说明这些关键词在其所对应的时间段里都是学者们较为关注的前沿主题。从突现持续时间的跨度来看,持续时间较长的有“水土保持”(16 a)、“水土流失”(5 a)、“坡耕地”(5 a),说明这些关键词在很长一段时间内都是学者们关注的焦点。按照时间划分,总体可分为两个阶段:1996—2012年,90年代末爆发了特大洪灾,归因于极端天气和人类乱砍滥伐,引起了水利部的重视,因此学者们更多注重于水土保持、水土流失及侵蚀沟的治理。2011年我国进行了全国第一次水利普查,2013年水利部松辽流域委员会利用遥感影像在东北黑土区解译出了共29.6万条侵蚀沟,引起了学术界的广泛关注,而基础研究无法满足侵蚀沟治理的需求,缺乏基础研究支撑,因此在2013年后,学者们更多注重于沟道侵蚀机理等基础研究。

图10 中文文献突现关键词Fig.10 Keywords with the strongest citation bursts in literatures in Chinese

3 结论

(1)“东北黑土区沟蚀”主题文献随着时间的变化总体呈上升趋势,中文发文量从2012年快速增长,其中最大年发文量是2021年的18篇,英文发文量起步较晚,后期发展趋势较好,2021年发文达15篇。

(2)该领域研究力量主要分布在我国东北部,水利部松辽流域委员会、北京师范大学、中国科学院东北地理与农业生态研究所、东北农业大学、沈阳农业大学等机构贡献突出、影响较大;张树文是该领域中文发文量最多的学者,刘宝元和伍永秋是英文发文量最多的学者。

(3)文献关键词共现表明,东北黑土区沟蚀的关注重点主要集中在侵蚀沟分布、发育特征、影响因素、沟蚀防治措施等方面,但对于该领域的研究还没有形成完整的框架和全面的认识。

(4)在未来的研究中,要进一步注重于东北黑土区沟蚀的过程和机理研究,深入分析地质、地形、水文和人类活动等因素的影响,并揭示其在沟蚀形成和发展中的作用机制。同时,结合遥感技术和地理信息系统分析,定量监测和评估沟蚀的时空演化规律。最终,结合沟蚀治理技术的研发和应用,为侵蚀沟的治理提供更加全面的解决方案。