基于文獻計量的農業土地資源監測態勢分析

梁社芳，魏妍冰，余強毅，查 燕，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

農業土地資源是人類農業生產的基本要素，是一切農業活動的重要載體，對人類的生存和發展起著重要作用。隨著人類社會需求變化，農業土地資源的類型、數量、分布和質量發生著顯著變化［1］，如全球耕地面積不斷擴張，土地利用的集約化［2］。這些變化一方面在確保糧食安全中起到重要作用，同時給氣候變化、生物多樣性、土地退化及水文過程帶來深遠影響［3-4］。如高強度的農藥化肥投入，使得土壤污染加劇、水體富營養化、生物多樣性降低［5-8］。及時、準確地掌握農業土地資源變化，不僅為農業土地系統及時、有效調控提供可靠的信息支撐，也逐漸成為農業土地系統可持續發展研究中的熱點話題。因此，厘清農業土地資源監測的現狀、系統歸納其發展趨勢和研究熱點演變過程，對掌握農業土地系統的未來趨勢有重要意義。

文獻計量學是情報學的一個分支，由科學計量學和計量書目學合并發展而來。通過對已有研究成果的統計分析，文獻計量法能夠定量地分析、評價學科的整體發展特征，預測未來發展趨勢。目前，文獻計量學被廣泛地應用于農業科學、土地科學、生態科學等領域［9-11］。在農業領域，多是基于CNKI、Web of Science等數據庫，分析糧食生產系統、農業面源污染、土壤重金屬污染、有機農業生物多樣性、農業水資源利用等領域的發展現狀、主要研究力量、研究的熱點問題等［12-17］。在生態科學領域，通過文獻計量法與傳統綜述相結合，系統地梳理了生態系統碳交換、濕地生態價值評估等方向的研究成果，歸納總結了生態系統碳交換、濕地生態系統的演化歷史及熱點問題［18-19］。除此之外，文獻計量學被應用于交叉學科的研究成果分析中，如楊景寧等以美國科學信息研究所的科學引文索引擴展版數據庫為數據源，利用Thomson Data Analyzer（TDA）等工具，全面地梳理了1996—2015年國際草地農業生態學研究的變化趨勢、研究力量分布、重點領域，研究熱點及國際合作［20］。Li等基于CNKI數據庫，利用文獻計量法對1999—2011年中國城市化過程中的生態環境問題的研究主題、理論和方法演變過程進行了歸納［21］。目前，基于文獻計量的農業土地資源監測研究的態勢分析還未見報道，因此文章以Science Citation Index Expanded（SCIE）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、主要研究力量、研究熱點分析等方面論述農業土地資源監測研究中的發展狀況，探究其發展趨勢，為該領域的未來發展方向提供參考。

1 數據與方法

該文數據來源于美國信息科學研究所（Institute for Information Science，ISI）的SCIE數據庫，該數據庫涵蓋了自然科學、工程科技、社會科學等領域，是全球最大、涵蓋學科最多的綜合性學術信息資源數據庫，是應用最廣泛、最權威的數據庫之一［18］。圍繞“土地利用”、“耕地”及“監測”的同義詞、變形詞等制定檢索式，檢索時間為1999—2018年，共獲取文獻2.527 6萬篇。

采用Journal Citation Reports（JCR）、Essential Science Indicators（ESI）等文獻計量分析 指標，利用Derwent Data Analyzer（DDA）等分析數據庫和多種數據分析工具，對基于SCIE數據庫檢索到的農業土地資源監測研究中的相關文獻進行計量分析。基于論文發表時間、第一作者國家和機構等字段，統計全球、各國家、各機構的論文發表情況、論文被引情況、期刊水平及關鍵詞詞頻。進一步分析該領域的發展趨勢、主要研究力量及研究熱點。

2 結果與分析

2.1 總體發展趨勢

在農業土地資源監測研究中，1999—2018年全球該領域核心期刊論文發表量共計2.527 6萬篇，論文數量整體上處于上升趨勢（圖1）。主要分為兩個階段：1999—2005年，全球在該領域論文發表數量呈現緩慢增長的態勢，全球年均增長率為17%。2006—2018年，全球論文發表量呈現快速增長態勢，年均增長率均為24%。中國在農業土地資源監測研究中，論文發表數量整體呈上升趨勢，但經歷了相對較長的緩慢發展時期。1999—2018年中國在該領域發文總量為3 729篇，1999—2011年處于緩慢發展階段，該時期共發文758篇，占中國發文總量的20%，2012—2018 年進入快速發展階段，該時期論文發表量占中國總發文量的80%（圖1）。

圖1 1999—2018年農業土地資源監測領域全球和中國研究趨勢分析Fig.1 Scientific output of the globe and China on agricultural land resource monitoring from 1999 to 2018

2.2 主要國家研究力量分析

從農業土地資源監測領域中各個國家/地區的論文發表量看，1999—2018年論文發表量最高的5個國家/地區分別是歐盟、美國、中國、加拿大和澳大利亞，其發文總量為2.030 5萬篇，占全球總發文量的80%。其中歐盟論文發表量最多，占總發文量的35%，美國占比23%，中國占15%，加拿大和澳大利亞各占4%（表1）。1999—2018年，各主要國家/地區發文量均呈上升趨勢，其中中國2016 年之后發展迅速，超越美國，位居第2（圖2）。

從發文質量看，1999—2018年，美國在該領域占據主導地位，而中國論文質量相對較差。雖然歐盟發文量最高，但篇均被引頻次在主要國家/地區中排名倒數第2，說明其發文數量占優，但質量相對較差。美國發文量第2，篇均被引次數也是第2，但論文總被引頻次位居第1，整體而言其論文數量和質量協調發展，在該領域占據主導地位。澳大利亞發文量第5，僅有920 篇，但篇均被引頻次最高，論文質量較高。相比較而言，中國在該領域的發文量排名第3，但篇均被引頻次在主要國家/地區中排名最低，說明中國該領域的論文質量有待提高（表1），這可能與中國在該領域主要發文期刊有關。對比中國與主要國家/地區論文發表量排名前10 的期刊發現，農業土地資源監測研究中，主要國家/地區發文量前10 的期刊，影響因子在2.78以上，其中影響因子最高的期刊為“Global Change Biology”，影響因子為8.88；中國發文量最多的期刊為“Science of the Total Environment”，其影響因子為5.59。而中國主要發文期刊的影響因子在1.46 以上，發文量最多的期刊為“Sustainability”，其影響因子為2.59，與主要國家/地區有一定差距（表2）。

圖2 1999—2018年農業土地資源監測領域主要國家研究趨勢Fig. 2 Annual number of published papers on agricultural land resource monitoring in major countries/regions from 1999 to 2018

表1農業土地資源監測領域中主要國家/地區的論文發表情況Table 1 The number and citations of published papers on agricultural land resource monitoring in major countries/regions

表2 農業土地資源監測領域中主要國家/地區、中國發文量前10期刊Table 2 Top 10 journals of published papers on agricultural land resource monitoring in major countries/regions and China

續表2

2.3 主要機構研究力量對比

1999—2018年，農業土地資源監測研究中，發文量最高的5個機構，總發文量為2 050篇，占全球發文量的8%。其中中國有3家，分別是中國科學院、北京師范大學及西北農林科技大學，美國有2家，分別是美國地質調查局和美國農業部。從論文發表量看，中國科學院共發表論文1 258篇，占總發文量的4.98%，具有絕對優勢。而美國地質調查局、北京師范大學、美國農業部及西北農林科技大學論文發表量差異不大。從論文被引情況看，中國科學院總被引頻次最高，為8 977 次，但篇均被引頻次最低為7 次/篇。其他兩家中國機構（北京師范大學和西北農林科技大學）總被引頻次分別位居第4、第5位，篇均被引頻次較低，分別為10次/篇和7次/篇。美國的兩家機構總被引頻次分別位居第2、第3，篇均被引頻次分別位居第1、第2，分別是31次/篇和23次/篇。而中國的3家機構篇均被引頻次相對較低，最高為10次/篇。整體來看，中國機構雖然在論文數量上占據優勢，但質量上相對較差（表3）。

表3 農業土地資源監測領域中主要研究機構論文發表情況Table 3 The number and citations of published papers on agricultural land resource monitoring in major institutes

2.4 研究熱點及演變趨勢

通過對農業土地資源監測領域主要國家/地區研究中關鍵詞的統計分析，梳理該領域的研究熱點和技術演變。1999—2018年，該領域出現頻率最高的關鍵詞是土地利用（land-use），出現了4 042 次，其次是動態變化（dynamics）、氣候變化（climatechange）、土地利用變化（land-use change）、模型（model）、管理（management）、影響（impact）、氮（nitrogen）、植被（vegetation）、土壤（soil）、森林（forest）、生物多樣性（biodiversity）、模式（patterns）、土壤濕度（soil-moisture）、系統（systems）、保護（conservation）、生態系統（ecosystems）、水（water）、碳（carbon）、中國（China）等（圖3）。整體來看，農業土地資源監測領域主要側重對土地利用變化、氣候變化的影響、土壤等監測，模型是主要的監測手段，中國是較為熱點的區域。

圖3 1999—2018年農業土地資源監測領域中關鍵詞詞頻分布Fig.3 The frequency of keywords of published papers on agricultural land resource monitoring in major countries/regions from 1999 to 2018

從技術演變看，研究內容上，1999—2003年，出現頻率最高的關鍵詞是動態變化（dynamic），出現了284次，其次是土地利用（land-use）、氮（nitrogen）、土壤（soil）等。2004—2008年，該領域出現頻率最高的關鍵詞是土地利用（land-use），出現543次，其次是動態變化（dynamic）、土地利用變化（land-use change）、氮（nitrogen）等。2009—2013年，出現頻率最高的關鍵詞是土地利用（land-use），出現1 158次，其次是動態變化（dynamic）、土地利用變化（land-use change）、氣候變化（climate-change）等。2014—2018年，出現頻率最高的詞是土地利用（land-use），出現2101次，其次是動態變化（dynamic）、氣候變化（climate-change）、土地利用變化（land-use change）、影響（impact）等。從研究方法看，1999—2003年，模型（model）出現頻率最高，出現195次，其次是地理信息系統（GIS）、模擬（simulation）。2004—2013年，出現頻率最高的關鍵詞均為模型（model），其次是地理信息系統（GIS）、遙感（remote sensing）。而2014—2018 年，出現頻率最高的關鍵詞是模型（model），出現908 次，其次是遙感（remote sensing）、模擬（simulation）等。從研究區域看，1999—2003 年，研究最多的區域是美國，其次是澳大利亞、加拿大等。2004—2013 年，研究的熱點區域是美國、中國、歐盟等。2014—2018 年，研究最多的地區是中國，其次是美國、歐盟等。整體而言，從研究內容看，“土地利用變化”、“田間管理”、“氮”是該領域持續監測的熱點，除此之外，前10 年多集中在“土壤”、“碳”的研究；近10 年，“氣候變化及其影響”和“生物多樣性”成為關注的熱點。從研究方法上看，“模型”是該領域監測中的常用手段，前期“地理信息系統（GIS）”應用較多，近五年“遙感”成為主要方法。而從研究區域上看，早期對美國、澳大利亞、加拿大研究較多，近五年中國、歐洲、加拿大、非洲成為新的熱點地區（表4）。

表4 1999—2018 年農業土地資源監測領域的研究熱點及變化趨勢Table 4 The research hotspot and trend of major countries/regions on agricultural land resource monitoring from 1999 to 2018

通過分析1999—2018年農業土地資源監測領域主要機構研究的熱點發現，在研究內容上，中國科學院研究最多的是土地利用變化（land-use change），出現286次，其次是影響（impact）、氣候變化（climate change）等。北京師范大學主要集中在土地利用變化（land-use change）、氣候變化（climate change）、影響（impact）等。西北農林科技大學研究中詞頻最高的關鍵詞是黃土高原（loess plateau），出現43次，其次是土地利用變化（land-use change）、氮（nitrogen）等。美國地質調查局研究中最高頻的關鍵詞是土地利用變化（land-use change），出現64次，其次是氣候變化（climate change）、影響（impact）、生態系統（ecosystems）等。而美國農業部的研究主要集中在管理（management），其次是氮（nitrogen）、土壤（soil）、土地利用（land-use）及有機質（organic matter）方面。在研究方法上，中國科學院、北京師范大學及美國農業部主要是利用模型（model）及遙感（remote sensing）手段進行監測，而西北農林科技大學及美國地質調查局則偏重于模型（model）。進一步對比中外主要研究機構發現，從內容上看中國的科研機構側重土地利用變化、城鎮化監測及氣候變化的影響，國外的科研機構則更多地關注對土地利用變化、生態系統、氮及土壤有機質的監測。從研究方法上看，各機構方法上較為相似，多基于“模型”與“遙感”（表5）。

表5 1999—2018 年農業土地資源監測領域主要機構研究熱點及變化趨勢Table 5 The research hotspot and trend of major institutes on agricultural land resource monitoring from 1999 to 2018

3 結論與展望

農業土地資源是農業生產、生活的重要基礎，是地球陸地系統的重要組成部分。隨著技術的進步，農業土地資源監測研究逐漸成為農業土地系統研究中的熱點問題。通過對1999—2018年農業土地資源監測研究領域的發文量進行文獻計量分析，發現該領域全球文獻發文量呈現出逐年遞增趨勢，說明了該領域仍是當前農業領域研究的熱點之一。相比于其他國家，中國自2012年開始呈顯著增加態勢，雖然在論文數量上位居世界第3位，但論文質量與其他主要國家/地區相比仍有較大的差距。論文發表量排名前5的研究機構中，中國有3家，美國有2 家，其中中國科學院發文量最多。相比于美國科研機構，中國科研機構雖然在發文數量上占據一定優勢，但論文篇均被引頻次遠落后于美國的科研機構。從研究內容看，前期各主要國家/地區多關注景觀、土壤水分、氮等方面，近年來，生態系統服務、生物多樣性、有機碳、鎘污染成為新的趨勢。研究方法上，遙感成為新的主流技術。前期對模型、GIS應用較多，隨著遙感技術的發展及數據類型的豐富，遙感監測成為主導，情景分析及數據同化成為新的趨勢。對比主要研究機構的研究趨勢發現，研究內容上，該領域主要集中在土地利用變化、土壤濕度及重金屬等監測方面，中國多側重于土地利用變化、退耕還林、城鎮化、有機質、土壤污染等監測。研究方法上，基于模型、遙感、GIS及地面觀測是該領域較為常用的手段。

農業土地資源監測的對象具有多樣性、復雜性和綜合性，涉及到自然科學、工程科學和社會科學等多個學科，未來還需要開展多數據、多尺度、多方法的綜合研究，可重點在以下幾個方面進行深入研究：（1）搭建天空地一體化平臺，開展多源數據融合技術研究，提高數據利用效率。數據是農業土地資源監測、分析、決策、服務和應用的基礎。一方面，由于我國地形多樣、多云多雨天氣頻發、種植制度復雜和農業生產高度動態變化，使得快速、高效、準確的農業土地資源信息采集面臨許多重大技術難題，信息獲取保障率低。另一方面，目前農業土地資源監測中的數據來源主要是地面觀測數據、統計數據、多源遙感數據等，由于數據獲取、處理方法等不同，導致數據的集成應用較為滯后，數據利用效率較低。因此通過搭建天空地一體化協同平臺，提高多源數據融合技術，能夠有效地提高數據利用效率，為農業土地資源實時、高效監測提供充足的數據基礎。（2）提高農業土地資源監測的精度和時效性。農業土地資源監測的方法各具特色，但也存在不同的缺陷，影響監測精度。目前，農業土地資源監測方法主要有傳統的地面調查、遙感監測及模型模擬。傳統地面調查精度較高，但費時費力，難以實現大區域監測。遙感因其低成本、高效率、大范圍等優勢被廣泛應用，但存在混合像元、大氣校正、尺度轉換等諸多亟待解決的問題［22］。模擬模型可應用于不同尺度的監測模擬，但其精度相對較低。因此，需要發展多尺度、多技術融合的農業土地資源監測方法，提高監測的精度。同時，長期以來，農業土地資源監測多以靜態（單一時間點/段）為主，監測空間分辨率較粗，缺乏長時間序列的時空變化動態監測，監測時效性有待加強。（3）加強對農業土地利用變化的結果和效應的區域監測。農業土地資源是人類從事農業生產、生活和經營的載體，在農業土地開發利用的過程中，通過改變地表覆蓋和利用強度狀況，改變地球表面的物理特征和生物地球化學循環過程，影響地表與大氣之間的能量、水分和元素的交換過程，以及土壤—植被之間的營養物質輸送過程，進而對農業氣候、水和土壤等資源環境產生影響［23］，如溫室氣體排放、土壤污染、生物多樣性降低等。開展農業土地利用變化效應監測（如農田溫室氣體排放監測、農田生物多樣性監測、土壤重金屬污染監測等）是農業土地利用效應評估的重要基礎，是實現農業土地資源可持續利用的重要環節。但是目前針對農業土地利用中的生態環境效應監測中多是基于地面觀測，監測效率較低，成本投入較大，難以實現大面積、高時效監測，而基于遙感的大尺度監測又相對較少。因此，加強基于多源數據融合的大區域農業生態環境監測是未來農業土地資源監測領域的重點發展方向之一。