國內外暗管排水研究知識圖譜可視化分析

丁新軍 ，田軍倉 *，朱 和

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，銀川 750021； 2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

0 引 言

世界上高產的農業都是建立在排水良好的土地上[1]，約1/3 的雨養農業需要改善排水[2]。2018 年全球耕地排水總面積占全球總可耕作面積的10.679%[3]。暗管排水工程能夠改善農業水土環境，為灌溉農業提供可持續發展保障。暗管排水技術實踐了數千年，歐洲和北美在1940 年左右開始引進暗管排水技術并盛行[4]。經典的排水理論與技術方法在過去已經得到充分運用，其主要目的是降低農田地下水位，解決作物根區的澇漬和鹽漬問題，同時也造成“超排”的問題。近年來，水資源綜合管理推動這一領域的迅速發展，多學科交叉融合促使暗管排水研究領域步入新的范式。現代暗管排水理論在保證農作物根區適宜水分的基礎上還期望服務于更廣泛的社會目標：控制鹽漬化，控制土壤侵蝕，控制洪水，環境保護，農村衛生安全，農村發展和糧食安全[5]。

暗管排水研究領域的長時期發展積累了大量的潛在科技文本數據，這些數據也能反映這一領域發展的內容和演進趨勢。文本數據挖掘可視化軟件VOSviwer[6]凝練了文獻計量學專家的哲學思想與應用數學，使用VOSviwer 軟件有助于挖掘這些潛在數據。本文采用信息文本挖掘可視化軟件VOSviwer 對過去暗管排水領域進行系統性回顧，以便分析暗管排水領域發展動態趨勢及熱點前沿，為農業水利科技工作者提供一定參考依據。

1 材料與方法

1.1 數據采集

國外暗管排水文獻引文數據從科睿唯安WOS核心數據庫下載，以“tile drain*” or “subsurface drain*”作為主題檢索；國內文獻引文數據從CNKI數據庫下載，以“暗管排水”作為全文檢索策略。時間區間都設定為1985—2018。從WOS 下載的數據2 256 條，CNKI 數據636 條。

1.2 方法

VOSviwer 科技文本可視化軟件工具能夠根據引文網絡數據創建知識圖譜，并探索測度這些圖譜。為了得到美觀的圖譜與準確的探索暗管排水知識圖譜，本文的研究方法如下：①基于WOS 的數據構建科學知識疊加圖譜，分析暗管排水所涉及的領域；繪制高影響力研究機構密度可視化圖，辨識暗管排水研究領域高影響力研究機構。②分別構建基于WOS 與CNKI的關鍵詞共現網絡圖譜，分別反映國內外暗管排水具體的研究內容，分析國內外關鍵詞共現圖譜及圖譜數據，比較差異圖譜以揭示國內外研究熱點與國內外差異。③構建國內外作者合作網絡知識圖譜，以識別我國暗管排水研究核心作者并回顧他們為我國暗管排水所做的貢獻，分析國外暗管排水研究領域高影響力學者及其研究方向。

2 結果與分析

2.1 暗管排水研究所涉及研究方向分析

暗管排水研究領域科學疊加圖譜是將暗管排水研究學科領域圖譜與全球科學知識底圖疊加構建而成，它揭示了暗管排水研究在全球知識圖譜當中的位置與主體。圖譜中節點距離在算法引入Rao-string 多樣性度量[7]，不僅考慮到空間上的測度距離還考慮到類別之間的距離。圖中節點大小表示暗管排水研究中涉及該學科文獻多少，距離上遠近可反映跨學科性。用VOSviwer繪制暗管排水科學知識疊加圖譜（圖1）得出：暗管排水研究領域主要活躍在水資源、環境科學、農學、土壤科學、農業工程、地球綜合科學、土木工程、生態學、環境工程、農業綜合學科等領域，并且這一活躍的區域與植物學、工程地質、材料科學接壤。其中水資源、環境工程和地球綜合科學在疊加圖譜上距離較近，土壤科學與農業工程在疊加圖譜上距離較近，說明他們涉及暗管排水研究的跨學科交叉融合程度較高。

圖1 暗管排水科學知識疊加圖譜 Fig. 1 Overlay map of the subsurface drainage research area in cluster visualization

2.2 國際上暗管排水所涉及國家與研究機構分析

通過國家合作信息分析有助于理解對暗管排水研究的國家的分布與合作情況。圖2 中節點大小與隸屬該國家論文被引用數成比例，節點之間的連線表示國家之間的存在合作關系，粗細表示合作強度。通過分析得出：有88 個涉及暗管排水的國家，篩選出了44 個至少在國際期刊發表5 篇論文以上的國家構建合作網絡圖譜。按節點大小排序前5 個國家分別是：美國、加拿大、德國、英國、瑞典。說明這些國家發表的論文產生較高影響力。圖2 中節點的連線數前五的國家是：美國、法國、荷蘭、德國、加拿大，說明這些國家與其他國家展開合作較多。我國與美國、加拿大在暗管排水研究方面聯系緊密。

圖3 采用文獻耦合網絡方法回溯文獻來源，以顯示暗管排水研究領域高影響力研究機構。全球涉及暗管排水研究機構共1 513 所，調整軟件閾值篩選出高影響力前100 的研究機構繪制機構耦合圖譜。依據被引數作為影響力指標，排名前10 的機構分別是USDA ARS、Iowa State University、University of Illinois、University of Minnesota、Purdue University、Agriculture and Agri-Food Canada、U.S. Geological Survey、Swedish University of Agricultural Sciences、Ohio State University。由圖2、圖3 可知，美國、加拿大是該研究領域強國，大部分暗管排水研究機構都隸屬于歐美國家。

圖2 暗管排水研究領域高影響力國家 Fig.2 High-impact countries in the field of subsurface drainage research

圖3 暗管排水研究領域高影響力機構 Fig.3 High-impact academic institution in the field of subsurface drainage research

2.3 國內外暗管排水研究關鍵詞共現網絡圖分析

論文關鍵詞是作者從論文中精心挑選的術語，可以反映論文的核心內容[8]。采用“共詞分析”的科學計量學方法，構建“共詞矩陣”繪制了國內、國外暗管排水研究領域學術關鍵詞的共現網絡圖譜（圖3 和圖4）。由圖4 和圖5 及軟件分析可知，國內、國外關鍵詞總數分別是1 882 個和4 101 個，圖譜中軟件篩選閾值都選為5，國內、國外達到閾值指標的關鍵詞個數分別為79 個與233 個，說明國內、國外暗管排水研究領域在研究內容上豐富程度存在一定的差異。

網絡中節點大小表示這一關鍵詞在整個研究領域影響強弱，由圖4 和圖5 及表1 可知，國內暗管排水共現較強的關鍵詞為暗管排水、鹽堿地、排水、控制排水、暗管、土壤，國外暗管排水共現較強的關鍵詞為subsurface drainage、water quality、drainage、tile drainage 、nitrate。國內外關鍵詞共現網絡圖揭示我國暗管排水的研究重點是：田間暗管排水工程對鹽堿地的治理，其主要內容包括試驗發現性研究、模擬優化類研究，試驗發現性研究包括農藝措施與暗管排水工程對田間土壤鹽分[9]、氮素養分遷移與流失影響，對地下水污染、對田間作物的響應等，模擬優化類研究主要應用于暗管工程鋪設前的優化計算，例如采用DRAINMOD、HYDRUS 軟件模擬計算不同的方案情境下的暗管排水工程對田間排鹽、排水狀況的影響，從而選擇暗管鋪設最佳間距、埋深與最佳的管理措施。國際上控制排水時間比國內控制排水研究時間早一年，說明國內研究與國際研究熱點基本同步。

圖 4 基于WOS 暗管排水研究關鍵詞共現網絡圖 Fig.4 Keywords occurrence network based on WOS

圖 5 基于CNKI 暗管排水研究關鍵詞共現網絡圖 Fig.5 Keywords occurrence network based on CNKI

表1 國內外top20 關鍵詞共現數據表 Table1 Top 20 keywords occurrence domestic and international

國外暗管排水研究中共現較強的是排水水質研究，美國是這一方向研究強國，美國在這一領域發表的論文占總數的18.6%。非點源污染（NPS）是美國水質受損的一個主要原因[10]，許多項目關于評估農業實踐對水質的影響，促進了這一方向的研究[11]。關于氮磷、殺蟲劑定量化遷移機理研究國外領先，并且開發、運用的不同尺度的水文模型囊括越來越多的物理化學機制。例如 Luo 等[12]將凍融過程考慮，將DRAINMOD 加以改進以適應寒冷地區的排水環境；關于磷的遷移考慮到土壤特性（優先流、磷吸附過程、氧化還原過程），暗管排水設計（間距、埋深），初始條件（原先土壤含磷量、磷在土壤中的不同化學形式、耕地狀況、當地種植的作物、施肥時間與施肥量），當地水文地質狀況與氣候特點[13]。Kladivko 等[14]回顧并且總結超過30 多個北美農藥遷移到排水暗管中的研究報告，發現農藥遷移機制主要與下雨產生優先流有關；Nangia 等[15]采用根區水質模型ADAPT 模型模擬暗管不同埋深與間距條件下排水暗管的NO3-N 淋失與作物產量，以尋求最佳暗管埋深與間距布置。模型中關于N 的吸附和解吸計算上把N 在土壤中狀態分為穩定和活躍2個區，2個區根據土壤有機質中C/N函數、土壤溫度與含水率，來計算氨化與礦化，并且還考慮豆科作物固氮作用。

圖譜中節點不同的顏色代表不同的年份，近年來國外期刊上新興的熱點共現關鍵詞是drainage water management, climate change, cover crops, hydrological modeling, woodchip bioreactor。說明國外期刊研究較多的是暗管排水工程景觀地區排水管理的研究，將控制排水作為最佳排水管理策略；從SPAC 視角研究氣候變化對暗管排水的影響；不同覆蓋作物種植與氮淋失對水質的影響；開發改進水文模型；以及新興的木片生物反應器對排水水質反硝化的處理研究。國內的新興共現關鍵詞有微咸水、脫鹽率、土壤理化性質、日光溫室、水鹽運移，說明國內暗管排水研究重點在于暗管排水工程治理鹽堿地與防止灌溉帶來的次生鹽漬化問題。隨著節水尺度的推進，暗管排水景觀地區非常規水源灌溉試驗的規律與機理正在被揭示[16-17]。

2.4 國內外暗管排水研究學者分析

采用合作網絡的方法可以揭示研究人員和合作模式與分布。據圖6 分析，我國暗管排水研究領域研究人員主要來自河海大學、武漢大學、中國水科院、西安理工大學等單位。圖中較大節點有：張展羽、邵孝侯、羅紈、王少麗、王修貴、張瑜芳、黃介生等。張蔚榛等[18]在國內最早展開排水條件下氮素、化肥流失及其在土壤和地下水運移規律的研究，發展了流線追蹤法與探索了有限元計算方法模擬田間水氮遷移轉化規律。袁念念等[19]、孫懷衛等[20]、曾文治等[21]應用RZWQM 和DRAINMOD 進行控制排水管理下氮素遷移實驗研究。陶園等[22-23]對暗管功能性試驗進行研究以改善暗管排水與防淤堵試驗研究，羅紈等[24]提出排水管理應兼顧農業生產與環境保護并且應用DRAINMOD 模型用到生產實踐中。張展羽等[25]、張潔等等[26]調查了暗管排水對作物指標及土壤理化性質的影響，并提出DRAINMOD-S 可作為改良鹽堿地暗管排水工程設計有效工具。王少麗等[27]2008 年對我國農田排水進行系統性回顧，提出了我國農田排水的發展方向。

圖6 國內暗管排水研究作者合作網絡圖譜 Fig.6 Authors Cooperation Network based on CNKI

圖7 國外暗管排水研究作者合作網絡圖譜圖 Fig.7 Authors Cooperation Network based on WOS

國外較早從事暗管排水的研究人員有愛荷華州立大學的Jaynes 等[28]、和普渡大學的Kladivko 等[29-30]。由圖7 可知，與Jaynes 有較強合作關系的研究學者包括：Moorman，Kaspar，Malone，Ahuja。他們的研究興趣涉及排水管理[31]、脫氮生物反應器[32]、農業化學用品與暗管排水實驗研究[33]、暗管排水景觀模擬[34]。Kladivko 等[35-36]的研究興趣是田間尺度農藥、養分遷移規律試驗研究與覆蓋作物非耕作期間種植改善養分淋失。美國農業部King 與Williams、Smith 在流域水質研究合作密切，他們的研究興趣是通過建立美國中西部流域水質監測網絡[37]、流域尺度水文模型，分析農業管理對暗管排水景觀區域水質的影響[38]，為流域尺度4R（the right source of nutrients，at the right rate, at the right time，and in the right place）肥料管理等提供依據。伊利諾伊大學Kovacic[39]的研究內容涉及流域農業生態系統的營養物質循環遷移，通過建立連接暗管排水農田和河流、河口海岸的水質響應模型[40]，從農業系統源頭為農業措施實踐提供依據，減輕水體富營養化。Skaggs 等[41]開發了DRAINMOD 模型，Youssef 等[42]改進開發了DRAINMOD-N II，用于模擬不同農業管理實踐和土壤環境條件下的土壤-水-植物系統中的氮動態。

3 結 論

目前我國暗管排水研究處于學習吸收引進并逐步發展的階段。國際上暗管排水研究方向多樣性，大體上我國暗管排水緊跟國際研究趨勢，能夠及時引進一些國際上通用軟件與新方法，其中最流行的水管理模型是DRAINMOD。

在田間尺度的暗管排水方面，國外提出許多新興理論與開發的通用軟件，模擬類論文中，模型考慮的物理化學過程、條件越來越多，與實際生產情況越來越接近。磷肥在土壤中可以以多組分形式淋失，并且與土壤質地、土壤先前含水率、氣候有關，它的排放規律可以用hysteresis loops 描述[43]。國際上認為優先流理論用于描述對建有暗管排水工程的農田中一些溶質排放規律更符合實際情況。Kladivko 等[35]通過長期田間實驗觀測與分析，發現優先流是田間殺蟲劑排放的主要流動機制。Lasson 等[44-45]基于雙孔隙理論開發了MACRO 和MIM-CDE 等模型用于定量描述優先流對農田養分遷移。我國展開了許多試驗，為生產管理提供了理論依據。但國內關于農藥、磷的遷移規律機制研究較少，在刻畫田間溶質遷移的新的物理化學機制描述上還有待加強。

在流域尺度的暗管排水研究方面，國際上以暗管排水地區溶質排放規律及對流域生態環境影響的定量描述為主，以水文角度研究暗管排水以尋求流域尺度水管理的措施，其中所建立的監測網絡系統描述了從排水釋放源頭到河流直至入海口整個體系的水文過程。在流域尺度上的管理措施通常是在流域上游暗管排水景觀地區展開管控，如肥料管理措施、排水管理、脫氮反硝化工程技術措施、農藝措施。我國在流域尺度上研究暗管排水地區對流域環境影響機制研究缺乏。

排水管理的研究趨勢傾向于兼顧農業生產與環境友好。國外新興的技術措施是在田間排水源頭建立反硝化除氮生物反應池，它們把水力特征參數與生物化學特性參數測定作為合理布置的依據[46-47]。新興的農藝研究熱點通過不同作物覆蓋種植以建設生態農田，通過調查土壤、地下水、地表水硝酸鹽量的季節性變化規律，尋找最佳作物、種植方式及其他農藝措施，減少田間硝酸鹽的季節性排放、肥料養分的流失。面對氣候變化條件下的暗管排水學科研究也是未來研究熱點之一。

關于排水暗管外包材料、施工工藝、暗管排水施工機械類論文多發表于一些會議論文與國家標準，本文選取的是核心數據庫期刊論文，所以不在本文檢索范圍。感興趣讀者可參考FAO28[48]、FAO60[49]及一些專著規范，近期Ritzema 等[4]綜述了暗管排水施工設備、排水管材、外包材料等，更多細節可以參閱Lambert 文獻[2]。國內許多專家對這方面也做了介紹[50-52]。