糧食生產系統適應氣候變化研究態勢分析

梁社芳，陸 苗，范玲玲，吳文斌，楊 鵬

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業農村部農業遙感重點實驗室，北京 100081）

0 引言

2013 年 IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告指出，近100年來，人類活動使得大氣中CO2、CH4等溫室氣體不斷增加，平均地表溫度上升0.85℃，而1951—2012年全球平均地表溫度的升溫速率為0.12℃/10a，幾乎是1880年以來升溫速率的兩倍［1］。我國平均地表溫度比同期全球增溫平均值略高，近50年來增加了1.10℃。氣溫升高和溫室氣體濃度的增加，明顯地促使糧食生產區光、溫、水等氣候資源要素的時空分布格局發生變化［2］，導致土壤有機質、微生物及土壤肥力變化［3］，加劇了局部地區生物災害的爆發及氣象災害（主要是旱澇災害）的頻發，并通過環境要素的變化誘導糧食作物品種生理生態特征發生變化［4］。此外，溫度上升會使作物的生育期縮短，生物量發生變化，進而影響作物產量，對糧食產量、種植制度、生產方式、結構布局等產生較為深遠的影響［5］。糧食生產系統如何有效地應對氣候變化帶來的影響，人類活動如何有效地幫助糧食生產系統應對氣候變化帶來的巨大影響，是目前糧食生產系統研究亟須解決的關鍵科學問題之一。

目前已有不少學者對糧食生產系統適應氣候變化的相關研究進行了梳理，主要是通過查閱文獻歸納了氣候變化對農業水熱土資源要素時空變化、農作物品種改良、農作物種植制度與生產布局、農業病蟲害及主要農作物產量的影響［6-10］，分析了氣候變化對主要農產品價格、貿易及農戶收入的影響［11］，探究了氣候變化與糧食生產系統之間的相互關系，揭示其內在影響機理和適應機制［4］，梳理了目前政府和農戶應對氣候變化采取的適應措施［11］。而現有研究多是利用傳統的綜述方法，定性地從研究內容上分析該領域的現狀，且文獻數量相對較少，難以全面地反映本領域的發展狀況和趨勢。針對上述問題，本文利用文獻計量的方法，對該領域已有研究進行梳理。文獻計量學作為圖書情報學的分支學科，以各種文獻的外部特征作為研究對象，采用數學與統計學方法來定量地描述、評價和預測科學技術的現狀與發展趨勢［12］。隨著其理論方法的創新和發展，文獻計量學方法已被廣泛應用到各個學科。如吳建等［13］以Web of Science核心合集及CNKI為數據源，對濕地生態價值評估研究的總體趨勢、主要國家、研究熱點等進行了統計分析；高懋芳等［14］基于Web of Science和CNKI數據庫，根據發文量、發文期刊、被引頻次等指標，分析了近30年來農業面源污染研究的發展態勢、前沿領域及國際合作狀況等；何紫娟等［15］以CNKI數據庫為數據源，對《中國土地科學》的2 284篇學術性文章進行文獻計量統計，通過研究文獻基本統計量、作者、發文單位、研究重點與熱點，分析了中國土地科學研究的特點。但基于文獻計量的糧食生產系統適應氣候變化研究發展態勢分析還未見報道。因此本研究以Web of Science核心合集數據庫為數據源，采用文獻計量學方法，從全球總體發展趨勢、國際主要研究力量、研究熱點分析及研究關聯性分析等4個方面論述糧食生產系統適應氣候變化研究的發展態勢，探究其發展趨勢，為本領域的未來研究發展提供參考。

1 數據與方法

本研究數據源是美國信息科學研究所（ISI）的Web of Science（WOS）網絡版數據庫，該數據庫是ISI建設的SCI、SSCI、A&HCI、CPSI-S和ISSHP五大引文數據庫的網絡版，涵蓋了自然科學、工程技術、社會科學、藝術與人文等領域，是全球最大、涵蓋學科最多的綜合性學術信息資源數據庫，該數據庫收錄了世界各個學科領域內最優秀的科技期刊，其收錄的論文能在一定程度上及時反映學科前沿的發展動態［16-17］。通過大量閱讀本領域的相關文獻，歸納總結糧食生產系統適應氣候變化研究中的子技術及其同義詞，如子技術 climate change，其同義詞有 climate warming，global change 等。根據 Web of Science中Journal Citation Report（JCR）選擇本研究領域涉及的農業、環境、地理、遙感、氣象等研究方向中的主要權威期刊，建立包括關鍵詞、同義詞、變形詞、主要權威期刊等綜合性檢索策略，在Web of Science數據庫中進行文獻檢索，文獻發表時間設定為1995—2016年，最終篩選出SCI論文3 105篇。

利用TDA（Thomson Data Analyzer，TDA）工具對糧食生產系統適應氣候變化研究中的文獻進行文獻計量分析。首先對檢索到的文獻數據分別針對國家（countries）、作者機構（author affiliation）、關鍵詞（keyword）等進行數據清理，去除重復要素，其中包括將國家及作者機構字段中有包含關系的進行合并，如將Taiwan并入China，將關鍵詞等字段中的變形詞和同義詞合并，如 maize 并入 corn，land use changes與 land use change合并。然后，分別以文章發表年份、第一作者國家、第一作者機構等字段來統計不同年份、不同國家及機構的發文量、被引用量及關鍵詞詞頻，并利用文章發表年份與被引用量、關鍵詞詞頻等字段生成共現矩陣，計算主要國家相對產出率、平均引證指數及研究相似度矩陣，分析該領域的發展狀況及主要研究力量間的關聯性。其中研究相似度矩陣是基于研究機構或作者使用的關鍵詞來計算任意兩家研究單位或作者間的研究相似度，用來反映關鍵研究機構或個人在該領域研究中的相關性。相似度取值在0～1之間，其中0表示無相關，1表示完全相關。相對產出率指標判斷某國家的競爭位置，產出率越高，則競爭力越大。

式中，P為相對產出率，NA是指某國家在某一領域的發文量，NTotal是該領域全部競爭者的發文量。

平均引證指數表示某國的研究是否屬于基礎性或領先性，引證指數越高，表示該國家處于核心地位。

式中，CAve為平均引證指數，CNt是指某國某年的文獻被引總量，NNTot是某國某年的發文量。

2 結果與分析

2.1 總體發展趨勢

在糧食生產系統適應氣候變化研究中，1995—2016年該領域核心期刊的論文發表量共計3 105篇，總體處于上升趨勢（圖1）。過去20年，全球糧食生產系統適應氣候變化研究發展趨勢大致可分為兩個階段：（1）1995—2007年，全球論文發表量處于緩慢上升階段，年均增長率約為10%；（2）2008—2016年，全球論文發表量處于快速增長階段，年均增長率約為19%。主要原因是2007年IPCC發布了第四次評估報告，報告指出全球地表溫度呈現更為顯著的上升趨勢，氣候變暖成為熱議話題。2015—2016年的發文量呈現較高的水平，反映了該領域仍然是目前研究的熱點。

圖1 1995—2016年糧食生產系統適應氣候變化研究的全球研究趨勢Fig.1 Publication volume of international researches on food production system adapting to climate change from 1995 to 2016

中國在糧食生產系統適應氣候變化研究中的發展趨勢基本與全球發展保持一致，整體處于上升趨勢，但起步較晚（圖2）。1996年中國在該領域核心期刊發表了最早的2篇文章后，一直保持上升態勢，在1996—2016年間共發表文章383篇，其中1995—2007年處于小幅增長階段，2008—2012年處于穩定增長階段，而2013—2016年間則處于快速增長階段，年均發文量60多篇，這在一定程度上反映了中國對氣候變化研究日愈加強。

2.2 主要國家研究力量分析

通過統計糧食生產系統適應氣候變化研究中各個國家的發文量，分析主要國家科研力量（圖3）。論文數量最多的前10個國家發表的論文總量為2 256篇，占總發文量的72.66%，其他國家的發文量占27.34%。其中美國在該領域的發文量占主導地位，發表文章737篇，占總發文量的23.74%，約是中國的2倍，這在一定程度上顯示了美國在糧食生產系統適應變化研究中的積極性和實力。其次是中國，發文量為383篇，占總發文量的12.33%。英國發表文章269篇位居第三，澳大利亞以257篇位居第四，德國160篇位居第五，加拿大、西班牙、法國、荷蘭、西班牙分別發表文章118、94、85、84、69篇分別位居第六至第十位。

圖2 1995—2016年中國糧食生產系統適應氣候變化研究趨勢Fig.2 Publication volume of domestic researches on food production system adapting to climate change from 1995 to 2016

圖3 1995—2016年糧食生產系統適應氣候變化研究主要國家比較Fig.3 Publication volume of researches on food production system adapting to climate change in major countries from 1995 to 2016

針對發文量占據主要地位的前5個國家，對比其在糧食生產系統適應氣候變化研究中的文獻相對產出率，分析各國在該領域中的競爭力（圖4）。結果表明，美國在該研究領域文獻相對產出率一直在19%以上，遠高于其他國家。2006年后隨著其他國家在該研究領域的興起，美國文獻相對產出率呈現下降趨勢，但仍具有較強競爭力。我國在該研究領域競爭力呈現不斷增強趨勢，文獻相對產出率在2006年之前一直低于5%，競爭力較低；2016年后文獻相對產出率達到19.73%，僅次于美國成為新生力量。澳大利亞和英國情況較為相似，呈高走低開，2002年之前其文獻相對產出率均值分別為14.54%和13.99%，僅次于美國，但2002年之后競爭力不斷下降。德國的文獻相對產出率雖然呈上升態勢，但一直處于相對較低的水平，競爭力較低。

圖4 1995—2016年糧食生產系統適應氣候變化研究的主要國家文獻相對產出率Fig.4 The relative output rate of paper on food production system adapting to climate change in major countries from 1995 to 2016

針對發文量占據主要地位的前5個國家，進一步對比其在糧食生產系統適應氣候變化研究中的平均文獻引證指數（圖5），分析主要國家的創新性。結果表明，各國波動性較強，但整體平均水平美國最高為46.86，其次是德國為34.92，英國均值為41.57，澳大利亞是29.93，中國相對較弱為19.07。美國在該領域的平均文獻引證指數相對較為平穩，整體處于領先地位，英國、澳大利亞及德國在該領域的平均文獻引證指數起伏較大，英國平均引證指數在1995年、2004年及2005年處于領先位置，平均引證指數最高達到208；德國在1995年及2001年處于較高的水平，平均引證指數分別為216和137；澳大利亞則在2009年以110.70位居第一。

2.3 主要機構研究力量對比

表1是1995—2016年糧食生產系統適應氣候變化研究主要機構的發文情況，發文量排名前10的研究機構中有3個來自中國，3個來自美國，澳大利亞、法國、英國、荷蘭各1個，這10個研究機構的發文量占全球總發文量的11.85%。其中，中國科學院是該領域發文量最多的研究機構，占總發文量的3.32%，該機構在本領域核心期刊發文始于1997年，其近3年（2014—2016年）的發文量占1995—2016年總發文量的40.78%。中國農業大學總發文量42篇位居第二，其最近3年發文量占比54.76%。中國農業科學院發文量40篇位居第三，其第一篇核心文獻發表于2004年，但近3年發文量占總發文量比重最高為67.50%。起步很早（1995年甚至之前）的英國雷丁大學總發文量25篇，但近3年的發文量占比最低，僅占4%。

圖5 1995—2016年糧食生產系統適應氣候變化研究的主要國家平均文獻引證指數Fig.5 The average citation index of published paper on food production system adapting to climate change in major countries from 1995 to 2016

表1 糧食生產系統適應氣候變化研究論文發表排名前10的機構Table 1 The number of published papers of top 10 institutions on food production system adapting to climate change

2.4 研究熱點及演變趨勢

關鍵詞能大致反映文章的研究內容，通過對文獻中關鍵詞的分析，可以大致反映出該領域的總體特征、研究熱點及重點方向。通過對糧食生產系統適應氣候變化研究中主要研究機構文獻的關鍵詞進行詞頻分析，提煉出該領域主要的技術主題詞和近期技術主題詞（表2）。圖6可以看出，1995—2016年間，糧食生產適應氣候變化研究領域中出現頻次較高的關鍵詞有氣候變化（climate change）、作物產量（crop yield）、玉米（maize）、農業（agriculture）、糧食安全（food security）、適應（adaptation）、土地利用（land use）、作物模型（crop model）、溫度（temperature）、二氧化碳（carbon dioxide）、小麥（wheat）、生物能（bioenergy）、中國（China）、蒸散發（evapotranspiration）、干旱（drought）、水稻（rice）、物候（phenology）等。其中氣候變化出現頻次最高，出現了655次；其次為作物產量，出現了150次；玉米、農業、適應分別出現了147次、145次、115次。整體而言，目前糧食生產系統適應氣候變化研究中側重于對主要糧食作物產量的適應性研究。

表2 糧食生產系統適應氣候變化研究主要機構研究熱點分析Table 2 The research hotspot of major institutions on food production system adapting to climate change

圖6 1995—2016年糧食生產系統適應氣候變化研究文獻關鍵詞詞頻分布Fig.6 The frequency of keywords of published paper on food production system adapting to climate change from 1995 to 2016

通過前期的對比分析，選取了中國科學院、中國農業科學院及荷蘭瓦赫寧根大學等主要研究機構對研究熱點進行分析（表2）。從主要技術主題詞看，中國科學院的研究中出現較多的高頻詞是氣候變化（climate change）出現28次，其次是中國（China）、農業（agriculture），說明中國科學院研究主要關注中國農業適應氣候變化的相關研究。中國農業科學院主要技術主題詞與中國科學院相比，除氣候變化、中國及農業外，還比較關注糧食安全（food security），而荷蘭瓦赫寧根大學的主要技術主題詞除氣候變化、糧食安全、農業之外，還重點研究作物模型（crop model）。從近期技術主題詞看，中國科學院研究中出現頻率最高的是物候（phenology），出現7次，其次是作物（crops）、土壤濕度（soil moisture）、水稻（paddy rice）、大豆（soybean）、產量差（yield gap）、氮肥（nitrogen fertilizer）、植物光合模型（VPM）等。而中國農業科學院詞頻較高的是東北平原（North China Plain），出現4次，其次是小麥（wheat）、干旱（drought）、區域響應（regional response）等。荷蘭瓦赫寧根大學近期熱點詞主要是作物模型（crop model）、場景模擬（scenarios）、系統分析（system analysis）、估產（yield potential）、氮元素有效利用（nitrogen use efficiency）及溫室氣體（greenhouse gases）。綜上所述，“糧食安全”及“作物模型”是一直以來的研究核心，研究熱點從核心主題詞外延到作物物候、農田系統、區域響應、作物產量、產量差、生產潛力、溫室氣體、土壤濕度、生物碳及氮利用效率等。

2.5 研究機構的關聯性分析

從表3可以看出糧食生產系統適應氣候變化研究領域中主要研究機構間均有不同程度的合作研究，研究內容上也不盡相同。該領域中中國科學院與中國農業科學院的合作研究最多，主要集中在適應（adaptation）、氣候變暖（climate warming）、影響（impact）、物候（phenology）、碳匯（carbon sequestration）、華南地區（South China）等熱點研究，其中“適應”出現的次數最多為9次，其次為氣候變化、影響。中國科學院與美國伊利諾伊大學也有較多的合作交流，主要是生物能（bioenergy）、生物量（biomass）、土地利用變化（land use change）、氮肥（nitrogen fertilizer）、全球變暖（global warming）、作物（crop）、熱量脅迫（heat stress）等方面，其中關鍵詞詞頻較高的是生物能（8次），其次是生物量和土地利用變化。中國科學院與美國農業部農業研究所的合作較多地集中在溫室氣體（greenhouse gas）、作物生長模型（crop growth model）、土壤侵蝕（soil erosion）、水分脅迫（water stress）、蒸騰作用（transpiration）及碳足跡（carbon footprint）研究方向，其中詞頻最高的為溫室氣體（4次）和作物生長模型。相比較而言，其他研究機構之間的相互合作較少，中國科學院與中國農業大學在本領域的合作主要是農業生產系統模型（APSIM）及土壤濕度（soil moisture），中國農業大學與美國農業部農業研究所之間的合作研究多是馬鈴薯（potato）、土壤溫度（soil temperature）及氣體交換（gas exchange）的相關研究，美國農業部農業研究所與伊利諾伊大學的合作研究主要有光合作用（photosynthesis）、CO2濃度及亞洲稻（oryza sativa）等。

表3 糧食生產系統適應氣候變化研究主要機構合作研究矩陣Table 3 The cooperation matrix of major institutions on food production system adapting to climate change

表4是糧食生產系統適應氣候變化研究中主要研究機構研究相似度矩陣，其中相似度取值越小表示研究重疊越少，取值越大表示相關性越強。發文量排名前5的研究機構中，中國國內研究機構之間的研究相似度比與國際研究機構的研究相似度整體偏高，其中中國科學院與中國農業科學院的研究相似度最高為0.67，其次是中國農業科學院與中國農業大學，研究相似度為0.45，中國科學院與中國農業大學研究相似度為0.43。美國農業部農業研究所與我國各研究機構之間的研究相似度比伊利諾伊大學高，與中國農業科學院研究相似度最高為0.29，其次為中國科學院是0.27，與中國農業大學研究相似度為0.27。伊利諾伊大學與其他各研究機構的研究相似度都偏低，在0.15～0.13之間。綜上所述，中國國內各研究機構間的研究相似度比其他國外機構要高。

表4 糧食生產系統適應氣候變化研究中主要研究機構研究相似度矩陣Table 4 The similarity matrix of major institutions on food production system adapting to climate change

3 結論與展望

糧食生產是人類生存發展的重要基礎，由于受到氣候變化的影響，近年來糧食生產系統適應氣候變化研究成為農業領域的熱點話題，有關氣候變化對糧食生產系統的影響研究也取得了許多重要成果。通過對糧食生產系統適應氣候變化領域研究論文的定量分析，得出以下結論：（1）從發文量、文獻相對產出率、平均引證指數來看，1995—2016年全球發文量呈現整體上升趨勢，2012年之后處于較高發展水平。美國是該領域的產出大國，具有較強的競爭力和領先地位。中國后期發展速度較快，發文量及文獻相對產出率躍居全球第二位，但平均引證指數與美國之間仍有較大的差距，創新性有待增強。（2）從發文量來看，中國科學院、中國農業大學、中國農業科學院、美國農業部農業研究所、伊利諾伊大學等機構的糧食生產系統適應氣候變化研究論文綜合發文量較高。（3）從研究熱點分析，研究的熱點從氣候變化、農業、糧食安全等較為宏觀的層面轉向作物物候、土壤、生物碳、植物光合作用等較為微觀的研究。（4）從機構間研究合作看，各個研究機構之間均存在不同程度的合作研究，研究內容不一。相比較而言，中國國內研究機構之間的研究相似度要高于與國際研究機構之間的合作，其中中國科學院與中國農業科學院之間的研究相似度高達0.67，而中國科學院與伊利諾伊大學之間的研究相似度僅0.18。

糧食生產系統適應氣候變化研究由于其復雜性、系統性和綜合性，也面臨很多理論、技術方法和集成分析的問題，未來還需要綜合多學科、多方法、多模型進行集成研究，可重點在以下幾個方面進行深入研究：（1）研究氣候變化（溫度、降水、極端氣候等）、品種、社會經濟要素等對糧食生產系統的影響機理及其影響份額。通過對研究熱點分析發現，雖然目前已開展了許多相關研究，但多是分析氣候變化因素對糧食生產系統的影響分析，缺少綜合各類因素的影響機理及影響份額研究。通過定量解析氣候變化與品種、社會經濟等因素對糧食生產系統影響的貢獻份額，為糧食生產系統應對氣候變化的適應調控途徑和技術優化模式提供有力支撐。（2）針對不同糧食生產區制定糧食生產系統適應氣候變化的應對體系。中國幅員遼闊，氣候類型多樣，對氣候變化的敏感程度、響應和適應能力有所不同。雖然從研究熱點分析看，目前研究熱點區域從“全國”區域研究深入到“東北”等糧食主產區，但并未形成完整的適應體系，因此需要針對不同區域的特點從作物種植結構、種植制度、作物品種、農業技術、田間管理等方面綜合制定適應體系，確保糧食安全。（3）建立綜合評價體系。糧食生產系統在適應環境變化的過程中對生態環境帶來一定的影響，如氣候變化對東北地區水稻生產具有促進作用，生長期積溫增高，生育期延長，播種面積增加［18］，但在水稻擴張中侵占了大量濕地，對東北地區生態環境造成破壞［19］。氣候變化使得華北地區干旱加重［20］，同時溫度增高會使得華北地區復種指數升高，一年兩熟制北界在華北平原北部北移［21-22］，灌溉用水需求在不斷增加，一方面造成華北地區水資源危機，另一方面可能使華北平原的致命熱浪加重，影響人類生活［23］。因此應該研究如何合理地建立綜合評價體系，對糧食生產系統適應氣候變化過程進行多方面綜合評估，避免在保證糧食安全過程中造成的生態破壞，實現氣候變化背景下農業生產系統的可持續發展。