基于計量分析的國際非充分灌溉技術發展趨勢分析

鄭 健，馬 彪，馮正江，齊興赟，王 燕，王 健

（1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院，蘭州 730050；2.蘭州理工大學 西部能源與環境研究中心，蘭州 730050；3.甘肅省生物質能與太陽能互補供能系統重點實驗室，蘭州 730050；4.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

水是農作物生產中最重要的資源之一，而農業被認為是主要的用水部門，其用水量占總用水量的70%[1]。在一些干旱和半干旱地區，農業用水量甚至占到總用水量的85%[2]。同時，隨著社會經濟的發展和產業結構的調整，淡水供應的8%~15%還將從農業轉向滿足日益增長的家庭用水和工業用水需求[3]。因此，減少農業用水量，提高農業水資源利用效率，就成為緩解水資源短缺與保持農業高產穩產之間取得平衡的關鍵因素[4]。

非充分灌溉，也稱“限水灌溉”或“騰發量虧缺灌溉”，最早提出于20世紀60年代[5]，在20世紀80年代中期中國開始進行專門的試驗探索[6]。它是基于作物生理特性，在不完全滿足作物需水的基礎上而保持產量不減少甚至增產，是一種可充分挖掘作物對水分高效利用潛力的灌溉技術[7]，在干旱、半干旱和水資源短缺地區已經得到廣泛應用。全世界100多個國家的學術科研機構針對該技術開展了研究工作，近年來隨著全球水資源問題的加劇，非充分灌溉技術的相關研究得到了快速的發展，大量研究成果發表在國際學術期刊上，但對該技術的研究進展和發展趨勢的分析還顯欠缺。文獻計量學是用數學和統計學的方法，以文獻體系和文獻計量特征為研究對象，定量分析文獻的分布結構、數量關系和變化規律，掌握科學知識體系結構及其演化規律[8]，監測研究領域的演化路徑和變化趨勢。近年來，文獻計量學已經廣泛應用于會計學[9]、經濟學[10]、管理學[11]、控制科學[12]、可再生能源[13]和食品科學[14]等領域，但在灌溉科學領域的應用還鮮見報道。

基于此，以科學引文索引網絡數據庫 Web of Science網絡數據庫之下的Web of ScienceTM核心合集作為數據來源，采用文獻計量學的方法對非充分灌溉技術2005—2018年相關文獻的年份分布、類型、語言分布、被引次數分布、研究國家、研究機構和關鍵詞出現頻次等信息進行定量分析，以期能夠系統全面揭示非充分灌溉技術的研究動態和研究熱點，為從事相關研究的科研人員確立研究方向、開展科學研究和學術交流提供信息和幫助。

1 數據來源與方法

科研文獻是科學研究過程中的重要產出之一，是衡量科研活動和科研產出的最有效的指標之一[15]。而科技文獻在國際權威檢索系統中的收錄情況是該國學術地位的綜合體現，對于推進科學研究和技術進步具有重要的意義[16]。本文以美國科學信息研究所（Institute for Scientific Information，ISI）出版的Web of Science網絡數據庫之下的Web of ScienceTM核心合集作為數據來源。采用的引文數據庫包括科學引文索引擴展（Science Citation Index Expanded，SCI-E）、科學會議引文索引（Conference Proceedings Citation Index-Science，CPCI-S）、化學反應數據庫（Current Chemical Reactions，CCR-Expanded）和化合物索引數據庫（Index Chemicus，IC）。檢索詞選擇國內外非充分灌溉科技文獻中通用的專業英文詞語“deficit irrigation”或“unsufficient irrigation”或“limited irrigation”或“regulated deficit irrigation”作為檢索詞，在標題、摘要和關鍵詞（中檢索2005—2018年的文獻。其中來自英格蘭、蘇格蘭、北愛爾蘭和威爾士的文獻統一劃分為英國。期刊的影響因子來自2018年期刊引用報告（Journal Citation Report，JCR）。利用 Web of Science數據庫自帶的統計分析工具和Origin9.0數據處理軟件進行文獻計量分析，WordArt軟件繪制關鍵詞詞云并進行分析。

2 結果與分析

2.1 研究文獻的年份分布

2005—2018年Web of ScienceTM核心合集數據庫中，標題、摘要和關鍵詞包含“deficit irrigation”或“unsufficient irrigation”或“limited irrigation”或“regulated deficit irrigation”的文獻共3 322篇。從年發文量可以看出（圖1），2005—2007年收錄非充分灌溉的文獻量較少，2006年最少，僅為16篇，2008年收錄文獻量迅速增加至160篇，至2018年收錄文獻量已經達到428篇，并且還有繼續增長的趨勢。這主要是因為隨著世界經濟的發展和人口的增加，人類對水資源的需求不斷增加，而對水資源的不合理開采和利用，導致很多國家和地區出現越來越嚴重的缺水問題，尤其是高度依賴灌溉農業的國家和地區[17]。因此，非充分灌溉技術在農業中的應用得到了越來越多的國家和地區的重視，成為農業節水的重要技術手段。

圖1 2005—2018年非充分灌溉文獻年份分布Fig.1 Publication quantity on deficit irrigation from 2005 to 2018

2.2 研究文獻類型與語言分布

從表1可以看出，包含非充分灌溉的文獻涉及8種文獻類型，其中論文2 694篇，占總文獻數的81.10%；會議文獻505篇，占15.20%；綜述80篇，占2.41%；會議摘要27篇，占0.81%；編輯材料10篇，占0.30%；書籍章節3篇，占0.09%；補充修正2篇，占0.06%；書信1篇，占0.03%，表明對于非充分灌溉的研究文獻主要以論文和會議文獻為主，其文獻質量相對較高。同時，收錄文獻的語種涉及英語、西班牙語、葡萄牙語等 7個語種，英語文獻占到絕大多數，比例為98.50%。這是因為英語是科技文獻發表的主要語言，也是大多數國際會議的官方語言，并且 Web of Science網絡數據庫收錄的大多數期刊為英文期刊。

表1 2005—2018年收錄文獻類型及語種分布Table 1 Language and type of scientific publications on deficit irrigation from 2005 to 2018

2.3 國家發文及國家間合作情況

2.3.1 國家發文情況

基于作者和通訊作者信息可知，3 322篇文獻涉及國家109個。發文前20位的國家中，9個來自歐洲，4個來自亞洲，3個來自南美洲，2個來自北美洲，1個來自非洲，1個來自大洋洲。表明世界各國對非充分灌溉技術均較為重視。從2005—2018年的總發文量來看，西班牙、美國和中國的總發文量（TP）顯著高于其他國家，共發表論文1 814篇，占總數的54.60%，但從篇均被引頻次（TC/TP）排序情況來看，總發文量排在第9位的葡萄牙排名第1，而總發文量排在第2和第3的美國、中國僅排在第10位和第14位。美國對于非充分灌溉的研究開始較早，開始于20世紀60年代，經歷了實踐-理論-實踐的過程，近年來發表的文獻主要集中于應用。中國對非充分灌溉的研究起始于20世紀80年代中期，但發展迅速，發表的文獻也注重于非充分灌溉理論的應用。因此，美國和中國在非充分灌溉方面發文量較多，但篇均被引頻次較低。而葡萄牙、丹麥和意大利注重非充分灌溉的理論研究，相比于應用研究，理論研究發展較慢[8]，發文量低，但篇均被引頻次較高。

表2 2005—2018年發表非充分灌溉文獻前20的國家/地區及其文獻被引用情況Table 2 The top 20 countries/regions on deficit irrigation research publications and their citations in 2005—2018

2.3.2 國家間合作關系

根據某2個國家最少合作次數為15次，并且某個國家至少與3個國家有合作關系的標準，篩選后共得到41個國家和地區的合作網絡關系（圖2）。圖2連接不同國家的連線寬度代表國家間合作作者的數量，連線寬度值越大表明國家間合作越密切。例如，與中國合作最為密切的國家依次為美國、丹麥、澳大利亞、加拿大和巴基斯坦。從圖2可以看出，西班牙、美國、中國和意大利在非充分灌溉領域與其他國家合作最為密切，但除了這些國家以外其他國家相互之間也進行著緊密的合作。說明非充分灌溉的研究引起了世界上各個國家的廣泛關注，并致力于相互合作旨在共同解決非充分灌溉在農業中的問題以及對人類生產生活的影響。

圖2 國家/地區合作網絡分布圖Fig.2 Cooperation full network between countries region

2.4 研究機構分布

統計結果表明，2005—2018年全世界總共有2 226個研究機構發表了關于非充分灌溉的文獻。從表3可以看出，發文量位居前20名的機構中，中國占了3席，分別是中國農業大學、中國科學院和西北農林科技大學。從機構類別中可以看出，大學是主要的研究力量，占到了17席。2005—2018年發文量前3位的機構分別為西班牙國家研究委員會、美國農業部農業研究所和中國農業大學，其發文量均在100篇以上。從篇均被引頻次來看，排在前3名的分別是阿根廷的科爾多瓦大學、西班牙的西班牙國家研究委員會和丹麥的哥本哈根大學，其篇均被引頻次達到了37.3、22.6和20.2。表明西班牙國家研究委員會在非充分灌溉領域發表的成果在數量和質量均較好，而中國研究機構發表的文獻質量優勢明顯不如數量，在質量上競爭優勢略顯不足，需進一步提升。

表3 2005—2018年非充分灌溉發文前20的機構及其文獻被引用情況Table 3 The top 20 institutions on deficit irrigation research publications and their citations in 2005—2018

2.5 期刊分布及論文引用情況

2.5.1 期刊及學科類別

2005—2018年，3 322篇非充分灌溉相關文獻發表在568個學術期刊上，表4列出了發表非充分灌溉相關文獻前10種期刊的情況，包括發文量、篇均被引頻次、影響因子（2018）以及期刊所屬的學科類別和期刊分區。這10種期刊總共刊發非充分灌溉相關文獻 1 168篇，占總發文量的 35.16%，其中《Agricultural Water Management》是刊載有關非充分灌溉研究最多的期刊，發文量達到了554篇，占總發文量的 16.68%。從期刊影響因子（2018）來看，這10種期刊的影響因子并不是很高，最高的僅為3.868，平均影響因子為 2.091，這主要是受到學科熱度和研究內容的影響。但從JCR分區看，這10種期刊主要分布在一區和二區，說明發表非充分灌溉相關研究成果最多的10本期刊影響力較大，是研究人員進行非充分灌溉學術成果展示和探討的主流期刊。按照 ISI數據庫對期刊的學科分類可知，2005—2018年非充分灌溉的研究主要集中在農學、農林科學、農業與生物科學、園藝學、農業工程、農學和作物科學、土壤科學、水資源以及食品科學中。

表4 2005—2018年發表非充分灌溉文獻前10的期刊及學科分類別和被引用情況Table 4 The top 10 Journals with publication on deficit irrigation and their citation and discipline classification in 2005—2018

表5 2005—2018年非充分灌溉文獻被引用情況Table 5 Citations of publications on deficit irrigation in 2005—2018

2.5.2 文獻被引次數分析

由表5可知，2005—2018年非充分灌溉相關文獻中，從未被引用過的文獻有602篇，占18.12%；被引次數在1~50的文獻最多，有2 593篇，占78.06%；被引次數在51~100的文獻有90篇，101~200的文獻有30篇，在200次以上的文獻有7篇。西班牙學者Fereres和 Soriano于 2007年發表在《Journal of Experimental Botany》的綜述性論文“Deficit irrigation for reducing agricultural water use”[18]被引次數最高，達到了721次。文章主要對非充分灌溉對于一年生和多年生作物的應用方面進行了綜述，說明非充分灌溉是減少灌溉用水最有效的方法之一。最近1篇引用次數在 200次以上的論文是西班牙學者ZARCO-TEJADA等 2012年發表在《Remote Sensing of Environment》的研究論文“Fluorescence,temperature and narrow-band indices acquired from a UAV platform for water stress detection using a micro-hyperspectral imager and a thermal camera”[19]，總引用次數為351次，該文利用無人機獲取高分辨率圖像，采用熱光譜和多光譜分析方法，研究非充分灌溉對作物產生的水分脅迫情況。從期刊上看，2篇文獻所發表的期刊均位于植物科學和農業與生物科學一區，文章質量較好。從發表的內容上看，隨著現代農業的高速發展，農業逐漸成為遙感的重要領域[20]，非充分灌溉的研究尺度和內容也隨著無人機技術、遙感技術、成像科學及照相技術的發展向定量化和精細化邁入[21-23]。

2.6 文獻作者分析

通過對2005—2018年非充分灌溉領域發文作者的統計分析（表6），有7 895名研究人員作為作者發文。發文量最多的是來自伊朗設拉子大學的Sepaskhah教授，發文量50篇。前20位作者總共發文646篇，占總發文量的19.45%。一般認為文獻的被引用次數越多，其文獻的學術價值越大，同時也從側面可以反映該作者的學術地位[14]。西班牙的ELIAS FERERES教授在總被引次數、篇均被引次數和單篇最高被引次數（HCP）均為最高，分別是1 833、47.0和721次。H指數最高的是來自西班牙的Fernandez教授，為17。發文量前20位的作者中有13位來自西班牙，Fernandez教授表明了西班牙在非充分灌溉領域的研究實力很強。中國有2所大學的3位學者在非充分灌溉領域的發文量進入了世界前20位，分別是來自西北農林科技大學的劉福來教授、中國農業大學的康紹忠教授和杜太生教授。

表6 2005—2018年非充分灌溉研究發文量前20的作者及論文被引用情況Table 6 The top 20 authors on deficit irrigation research publications and their citations in 2005—2018

2.7 論文獻關鍵詞分析

一篇研究成果的研究主題可以通過作者選取的關鍵詞來確定。因此如果將多篇文獻所總結的所有關鍵詞進行分析評價可以得出某一特定領域的研究趨勢[24]。本文收集了 2005—2018年非充分灌溉領域中作者發文所采用的所有關鍵詞進行分析，共收集到4 239個關鍵詞，出現次數在10次及以上的有618個，本文選取了出現次數排在前50名關鍵詞進行整理和分析，合并了如“Growth”和“Grown”、“Crop”和“Plant”等同義詞，去除了“Deficit”和“Irrigation”等數據庫檢索用詞，共得到35個高頻關鍵詞。圖3中以不同顏色對關鍵詞進行分類，以字號來表示關鍵詞出現的頻次。通過關鍵詞詞云可以看出第1類出現較多的關鍵詞為“Arid”、“Drought”、“Drying”、“Semiarid”、“China”和“Climate”（圖3中紅色字體），這些詞反映了非充分灌溉的研究區域主要集中在干旱和半干旱地區或者是氣候干燥區域，中國近年來在非充分灌溉領域發文量增加迅速，使得“China”出現在了高頻關鍵詞中。第2類出現次數較多的關鍵詞是非充分灌溉涉及的控制因素（圖3中藍色字體），出現最多的是“Crop”、“Soil”和“Stress”，表明非充分灌溉主要的關注對象是作物、土壤類型和脅迫水平。而“Drip”、“Partial”、“Nitrogen”和“Field”分別反映了非充分灌溉中采用的灌溉方式以滴灌居多，局部灌溉正在成為研究非充分灌溉的主要方式，氮素的利用率一直是非充分灌溉領域的主要研究關注點，而非充分灌溉試驗研究方式主要采用大田試驗。第3類出現較多的關鍵詞主要包含植物的生理活動（圖3中紫色字體），包括“Yield”、“Quality”、“Growth”、“Production”、 “Fruit”、“ Root”、“Leaf” 和“Physiological”，表明在非充分灌溉試驗和研究中觀測的指標主要包含果實、根系、葉片、生理指標、生長、產量和品質。第4類出現次數較多的關鍵詞是研究的植物種類（圖3中綠色字體），出現次數最多的是“Olive”、“Maize”、“Wheat”和“Tomato”，其中橄欖是西班牙最主要的經濟作物，而西班牙也是在非充分灌溉領域發表文獻最多的國家，小麥和玉米作為世界主要的糧食作物，其種植區域主要集中在干旱和半干旱地區，而番茄是全世界種植面積最大和最受歡迎的蔬菜之一，使得這4種作物出現頻次較高。第5類出現次數較多的關鍵詞是非充分灌溉研究采用的試驗分析方式和最終成果（圖3中的黃色字體），比如“Different”和“Efficiency”分別表示差異和效率，是非充分灌溉研究中最常采用的數據分析方法，而“Management”（管理）和“Strategies”（策略）的提出一定是基于數據分析的結果。

圖3 2005—2018年非充分灌溉關鍵詞詞云Fig.3 Keywords cloud in the research of deficit irrigation

3 結 論

1）非充分灌溉的研究文獻呈穩步增長趨勢，研究文獻以期刊文獻、英語文獻為主。西班牙、美國和中國是非充分灌溉研究文獻發文量最多的3個國家，西班牙、美國、中國和意大利在非充分灌溉領域與其他國家合作最為密切。

2）大學是非充分灌溉研究的主要研究機構；西班牙國家研究委員會、美國農業部農業研究所和中國農業大學是發文量最多的3個研究機構；阿根廷的科爾多瓦大學、西班牙的西班牙國家研究委員會和丹麥的哥本哈根大學是所發表文獻篇均被引頻次最高的3個研究機構；西班牙在世界非充分灌溉領域的研究實力最強，西北農林科技大學和中國農業大學是目前中國在非充分灌溉領域研究實力最強的研究機構。

3）《Agricultural Water Management》是刊載有關非充分灌溉研究最多的期刊，達到了554篇，占總發文量的16.68%；西班牙的ELIAS FERERES教授在非充分灌溉領域發表文獻的總被引次數、篇均被引次數和單篇最高被引次數均為最高；非充分灌溉的研究主要分布在農學、農林科學、農業與生物科學、園藝學、農業工程、農學和作物科學、土壤科學、水資源以及食品科學中。

4）非充分灌溉的研究區域主要集中在干旱和半干旱地區，且主要采用大田試驗方式；橄欖、玉米、小麥和番茄是最主要的研究對象；研究內容主要集中在通過對作物生理生態指標、產量、品質指標的測定分析，獲得最優的灌溉策略和模式。