基于文獻計量的黃河流域農田灌排研究現狀

陸紅飛，齊學斌，喬冬梅*，李 霞，白芳芳，趙宇龍，韓 洋，龐 穎

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002；2. 河南省桐柏縣水利局，河南 南陽474750）

0 引 言

黃河是中華民族的母親河，中華民族的崛起離不開黃河流域的健康發展。目前，黃河流域34 個地級市的環境和生態發展嚴重制約著黃河流域中游城市的高質量發展[1]。2019 年9 月習近平總書記提出“黃河流域生態保護和高質量發展”，要大力發展節水產業和技術，大力推進農業節水，實施全社會節水行動，推動用水方式由粗放向節約集約轉變[2]。諸多學者也從不同角度為黃河流域的高質量發展建言獻策。張紅武[3]提出實施西線南水北調與藏水外調工程，以解決黃河流域和華北地區水資源緊缺狀況與生態環境嚴重退化的問題。路瑞等[4]提出適時調整山東、河南、內蒙古等農田灌溉用水比重較高、畝均灌溉用水量較大的省區的農業種植面積。王金南[5]提出實施包括黃河干流和主要支流在內的全流域水資源統一調度，減少用水總量。可見黃河流域生態保護和高質量發展已經引起廣泛關注。

【研究意義】黃河流域水資源不足、干旱頻發[6]，水資源供需矛盾突出[7]，灌溉是制約糧食安全最主要的因素之一[8]。但多年不合理的灌溉施肥導致部分灌區地下水位抬升，土壤鹽分累積，嚴重制約了黃河流域農業的可持續發展。此外，農業用水逐漸向非農部門轉移，減少了灌溉水量，對我國糧食安全構成極大威脅[9]。但仍有不少地區在汛期遭遇較大降雨或暴雨襲擊時，發生內澇和漬害，排水設施的建設是保障農業生產的一項基本措施。雖然我國灌溉排水技術取得了長足進步，但灌溉水利用系數、水質水量控制、排水工程等方面與國外仍存在較大差距；黃河流域由于干旱缺水、水中鹽分高，對灌溉排水技術的需求更加迫切。

【研究進展】基于文獻數據庫，采用大數據[10-11]分析，將科學研究熱點、學者（機構）合作關系可視化，成為當前各科學研究的重要手段之一。鄭健等[12]以Web of Science（WOB）數據庫中的論文對國際非充分灌溉技術發展趨勢分析，認為非充分灌溉的研究區域主要集中在干旱和半干旱地區。丁新軍等[13]基于中國知網（CNKI）與WOS 數據庫研究了國內外暗管排水的研究熱點，認為排水管理、工程技術、農藝措施等均是暗管排水未來的研究熱點；金菊良等[14]分析了水文水資源學家陳守煜先生學術研究的知識圖譜。此外，前人通過分析文獻數據，針對水-糧食-能源關聯系統[15]、水生態環境[16]、重金屬污染土壤修復[17]等總結研究熱點，并對未來相應學科的發展進行了預測。基于黃河流域研究的戰略地位和迫切需求，有必要對黃河流域農田灌溉排水技術發展現狀、發展趨勢和研究熱點進行分析和探索。

【切入點】以往通過查閱文獻的方式掌握最新的灌溉排水技術和理論，存在著時間和空間上的缺失，不具有連續性和完整性，而且主要研究機構（研究者）之間的合作情況鮮有涉及。【擬解決的關鍵問題】針對黃河流域近20 a 的科學研究，采用科學計量的方法，依據CNKI 數據庫，統計作者、發表單位、發表時間、期刊名等信息，形成數據集；借助VOSviewer 和COOC4.1 工具，對2000―2019 年CNKI 期刊數據庫中關于黃河流域農田灌溉和排水的論文進行可視化分析，分析黃河流域農田灌溉和排水研究的前沿與熱點，為科技工作者開展研究提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本文采用中國知網（CNKI）數據庫（期刊-所有期刊），研究時段為2000―2019 年，檢索時間為2020年3 月27 日；將研究領域劃分為2 個研究方向：灌溉和排水，分別在CNKI 中的專業檢索中檢索。

“灌溉”檢索式為篇名（TI）=（'灌溉'+'滴灌'+'漫灌'+'噴灌'+'淹灌'+'地面灌'+'微灌'+'微潤灌'）or 關鍵詞（KY）=（'灌溉'+'滴灌'+'漫灌'+'噴灌'+'淹灌'+'地面灌'+'微灌'+'微潤灌'）；“排水”檢索式為：TI=（'排水'）and 主題（SU）=（'農田'+'稻田'+'麥田'+'玉米田'+'棉田'+'鹽堿地'+'耕地'+'蔬菜'+'土壤鹽漬化'+'鹽漬化土壤'）or KY=（'暗管排水'+'澇漬'+'淹澇'+'控制排水'+'控制灌排'+'農田排水'）and TI=（'農田'+'水稻'+'小麥'+'玉米'+'棉花'+'番茄'+'作物'+'蔬菜'+'西紅柿'+'辣椒'+'花生'+'大豆'）。

進一步在結果中檢索全文（FT）=（'黃河流域'+'河套灌區'+'引黃灌區'+'銀南灌區'+'汾河灌區'+'引沁灌區'+'人民勝利渠灌區'+'趙口灌區'+'中牟縣灌區'+'大功灌區'+'韓董莊灌區'+'南小堤灌區'+'彭樓灌區'+'關中平原'+'渭河'+'汾河'+'湟水'+'清水河'+'無定河'+'窟野河'+'白河'+'黑河'+'洮河'+'大黑河'+'洛河'+'沁河'+'金堤河'+'大汶河'+'扎陵湖'+'鄂陵湖'+'東平湖'+'北岸灌區'+'位山灌區'+'青銅峽灌區'+'銀北灌區'），得到黃河流域灌溉和排水論文信息，選擇所有文獻-導出參考文獻-選擇EndNote 格式，保存后導入EndNote X7。同時在知網上下載論文數量、學科分布、期刊、關鍵詞、發文機構、基金項目、高被引論文等信息。

1.2 研究方法

在EndNote X7 中將所有黃河流域農田灌溉方面的論文信息按年份劃分。灌溉方面的論文分為2 個階段進行分析。①2000―2009 年（共計1 018 篇）：設定關鍵詞詞頻≥5，得到120 個關鍵詞，作者頻次≥2，得到372 位作者；設定機構頻次≥5，得到101 個機構進行分析。②2010―2019 年（共計1 904 篇）：設定關鍵詞詞頻≥7，得到153 個關鍵詞；設定作者頻次≥4，得到180 位作者；設定機構頻次≥5，得到90 個機構進行分析。因排水方面的論文較少（共計92 篇），僅分析2000―2019 年排水論文關鍵詞網絡、作者合作網絡、機構合作網絡。設定關鍵詞詞頻≥2，得到48 個關鍵詞進行分析；設定作者頻次≥2，得到47 位作者進行分析；設定機構頻次≥1，得到120 個機構進行分析。

采用VOSviewer 制作關鍵詞和作者知識圖譜；采用 COOC4.10 對機構共現網絡進行分析，采用Excel2010 進行數據整理和作圖。

2 結果與分析

2.1 黃河流域農田灌溉和排水論文數量分布

圖1 為2000―2019 年農田灌溉和排水論文數量分布情況。

圖1 2000―2019 年農田灌溉和排水論文數量分布 Figure 1 Distribution of papers on farmland irrigation and drainage from 2000 to 2019

從圖1 可以看出，2000―2019 年，黃河流域農田灌溉方面的論文數量呈先波動上升后降低趨勢，年均發文量為146 篇，2016 年發文量最多，達235 篇；而黃河流域農田排水方面的論文數量處于周期性變化，每4～6 年有一次起伏變化，年均發文量為6 篇左右，2012 年發文量最多，僅為13 篇，可見排水方面的學術成果遠少于灌溉方面的。

2.2 黃河流域灌溉和排水論文學科分布和主要發文期刊

黃河流域2000―2019 年農田灌溉和排水論文的學科分布如圖2 所示。從圖2 可以看出，黃河流域灌溉和排水的主要學科均為農業工程、作物、農業資源與環境，其中農業工程的占比分別為59%和56%；灌溉涉及的學科比排水多，如蔬菜、瓜果、草學、林學等，但灌溉學科與排水學科存在明顯的區別，如生態和法學等。

圖2 2000―2019 年農田灌溉和排水中文論文的學科分布 Fig. 2 Subject distributions of Chinese papers on farmland irrigation and drainage from 2000 to 2019

黃河流域農田灌溉和排水研究論文發表最多的期刊（前10）排序如圖3 所示。由圖3（a）可知，黃河流域灌溉方面的論文主要發表在《節水灌溉》、《灌溉排水學報》、《農業工程學報》、《內蒙古水利》、《中國農村水利水電》等，分別為170、135、110、106、99 篇，黃河流域沿線省級刊物如《河南水利與南水北調》、《陜西水利》、《山西水利》等發文量也較多。由圖3（b）可知，黃河流域排水方面的論文主要發表在《農業工程學報》、《灌溉排水學報》、《水利學報》、《內蒙古水利》、《中國農村水利水電》等，發文量分別為14、11、5、4、4 篇，其他刊物如《排灌機械工程學報》、《河南水利與南水北調》等也有少量發文。總體來看，《節水灌溉》、《灌溉排水學報》、《農業工程學報》是發表黃河流域灌溉和排水方面研究論文的主要刊物。

圖3 黃河流域農田灌溉和排水研究中文論文發表最多的期刊 Fig. 3 The most published journals of Chinese papers on farmland irrigation and drainage in the Yellow River Basin

2.3 主要發文機構和基金項目

黃河流域農田灌溉研究論文發表最多的機構和主要基金項目（前10）如表1 所示。由表1 可知，2000—2019 年發文最多的機構包括西北農林科技大學、內蒙古農業大學、中國農業大學、寧夏大學、甘肅農業大學等，發文占比分別為6.64%、3.59%、2.60%、2.22%、1.75%，說明黃河流域農田灌溉的研究主要集中在地處黃河流域內的研究機構，河海大學、武漢大學等國內農田水利重點高校發文量也較高。論文資助方主要有國家自然科學基金項目、國家科技支撐計劃（863）、國家高技術研究發展計劃（973）等，資助論文數量分別為480、486、98 篇，說明黃河流域農田灌溉研究項目主要由國家層面的資金資助。黃河流域農田排水研究中文論文發表最多的機構和主要基金項目（前10）如表2 所示。由表2 可知，2000—2019 年發文最多的機構包括西安理工大學、武漢大學、河海大學等，發文量分別為16、15、10 篇。主要資助方為國家自然科學基金項目、國家科技支撐計劃項目，資助的論文數量分別為41、23 篇。

表1 黃河流域農田灌溉研究中文論文發表最多的機構和主要基金項目 Table 1 Institutions and major fund projects with the most published papers on farmland irrigation research in the Yellow River Basin

表2 黃河流域農田排水研究中文論文發表最多的機構和主要基金項目 Table 2 Institutions and major fund projects with the most published papers on farmland drainage research in the Yellow River Basin

表3 2000―2019 年黃河流域農田灌溉和排水領域引用排名前5 的論文信息 Table 3 Top 5 papers cited in the field of farmland irrigation and drainage in the Yellow River Basin from 2000 to 2019

2.4 研究熱點分析

2.4.1 高被引論文

從中國知網抽取了2000―2019 年黃河流域農田灌溉領域引用排名前50 和排水領域前10 的論文，限于篇幅列出了前5 的論文信息，見表3。由表3 可知，灌溉領域50 篇論文的平均引用次數為105，平均下載量為1203，主要發表在《農業工程學報》、《灌溉排水學報》、《水科學進展》、《中國農業科學》、《節水灌溉》、《農業機械學報》、《水利學報》等期刊上，刊文量分別為16、7、3、3、2、2 篇；被引前20 的論文研究內容主要集中在作物需水量、節水灌溉技術、膜下滴灌、非常規水灌溉、水肥（鹽）運移等方面。排水領域10 篇論文的平均引用次數為40，平均下載量為711，主要發表在《農業工程學報》、《水利學報》、《灌溉排水學報》等期刊上，刊文量分別為7、5、3篇；被引前10 的論文研究內容主要集中在暗管排水、控制排水、DRAINMOD、土壤鹽分等方面，這些論文對于農田排水排鹽的研究具有重要參考價值。

2.4.2 關鍵詞和作者共現網絡

從圖4（a）可以看出，2000―2009 年，黃河流域農田灌溉研究熱點包括：①節水灌溉，主要研究農田節水灌溉的技術、對策、管理方法和存在的主要問題以及農業的可持續發展；②灌區管理與發展，主要研究用水戶（農民）的灌水量和水價、灌溉效益、渠道防滲、井渠結合以及灌水技術的推廣與應用（微灌、噴灌等）；③引黃灌溉，主要研究大型灌區灌溉水利用系數、渠道建設以及節水灌溉技術；④膜下滴灌，主要研究玉米、小麥的產量和水分利用效率，并結合數值模擬的方法進行研究；⑤咸水灌溉，主要研究咸水（微咸水）在農田中的應用，主要關注農田排水、地下水、水環境等；⑥其他，包括灌溉制度、鹽堿地改良、水土保持、節水工程和措施等。內蒙古、甘肅、山西等是熱點地區，位山灌區、寶雞峽灌區等是熱點灌區。

2010―2019 年（圖4（b）），黃河流域農田灌溉研究熱點包括：①節水灌溉，主要研究農田節水灌溉的技術、對策、管理方法和問題，重點關注高效節水、技術模式的應用與發展、農田水利和節水措施等；②灌區管理與發展，主要研究灌區水量測算、作物需水量的變化、種植結構和灌區發展的影響因素，特別關注氣候變化的影響和遙感技術在灌區的應用；③引黃灌溉，主要研究黃河流域的水資源、灌區節水改造、井渠結合灌溉、地下水的變化等；④滴灌和膜下滴灌，主要研究玉米、小麥、枸杞、番茄、大豆、葡萄、苜蓿等作物的產量、水分利用效率、品質等，重點關注作物耗水規律、水分生產率、作物系數等；⑤非常規水的利用，主要研究咸水（微咸水）灌溉、污水灌溉，主要關注水鹽運移、地下水埋深等。河套灌區、位山灌區、汾河灌區、涇惠渠灌區、河西走廊等是主要研究區域。

從圖5 可以看出，2010―2019 年黃河流域農田排水研究熱點包括：①控制排水，主要研究農田排水量和氮磷流失等；②暗管排水，主要應用于鹽堿地改良，重點關注土壤鹽分的變化；③排水管理，主要包括排水系統和排水工程的設計以及排水再利用，減輕澇漬對作物的傷害；④模型研究，主要采用Drainmod模型研究地下水位、土壤氮素、作物產量等。河套灌區、銀南灌區、平原河網地區等是重點研究區域；水稻、棉花、小麥等是主要研究作物類型。

圖4 2000―2020 年灌溉研究熱點 Fig.4 Irrigation research hotspots in 2000-2020

圖5 2000―2020 年排水研究熱點 Fig.5 Drainage research hotspots in 2000―2020

2.4.3 發文機構共現網絡

通過繪制了2000―2019 年黃河流域農田灌溉領域的主要研究機構共現網絡（圖略），2000―2009 年，黃河流域農田灌溉的研究主要以流域內相關機構為主，如西北農林科技大學、內蒙古農業大學、黃河水利委員會、灌區管理局等；機構間合作度較低，僅部分單位間合作密切（圖6（a）），如武漢大學-內蒙古農業大學、寧夏大學-寧夏農林科學院、中國科學院-西北農林科技大學-中國農業科學院農田灌溉研究所、華北水利水電學院-山東省水利廳等。而2010―2019年，黃河流域農田灌溉領域的主要研究機構與2000―2009 年基本相似，但也涌現了一批新的機構，例如塔里木大學、北京師范大學、揚州大學等；機構間合作更加密切（圖6（b）），以武漢大學、中國科學院、西北農林科技大學、內蒙古大學、寧夏大學、中國水利水電研究院為核心機構，河海大學、內蒙古農業大學、東北農業大學、新疆農業大學、西安理工大學、塔里木大學、中國農業科學院農田灌溉研究所、內蒙古河套灌區管理局等機構參與合作，說明黃河流域的農田灌溉研究更加注重多單位協作與交流。

圖6 灌溉研究機構共現網絡 Fig.6 Co-occurrence network of irrigation research institutions

2000—2019 年黃河流域農田排水領域的主要研究機構共現網絡如圖7 所示。由圖7 可知，主要研究機構間的合作并不緊密，僅有1/2 左右的機構間有合作；其中以中國水利水電科學研究院、西安理工大學、寧夏大學、中國科學院為核心研究機構，與武漢大學、寧夏水文局、中國農業科學院農田灌溉研究所、河北省土地整理服務中心等機構展開合作，說明排水方面的研究主要集中在少部分機構，而且合作度較低。

3 結論與展望

3.1 主要結論

1）2000—2019 年，黃河流域農田灌溉方面的論文數量遠超農田排水方面的，前者是后者的31 倍之多，形成“重灌輕排”的局面。黃河流域干旱少雨，大中型灌區均以引黃灌溉為主。2016 年后，灌溉方面的論文數量呈降低趨勢，2012 年后排水論文數量也處于較低水平，可能與近年來科研項目數量的減少有關。國家級項目是黃河流域農田灌溉和排水研究的主要資金來源，需要國家主管部門持續穩定支持黃河流域農田灌溉和排水的科學研究，同時地方政府也要重視灌區的發展，解決農田灌溉和排水實際的關鍵問題。

圖7 排水研究機構共現網絡 Fig.7 Co-occurrence network of drainage research institutions

2）黃河流域農田灌溉研究以節水灌溉、灌區管理為主，其中引黃灌區是最主要的研究對象，滴灌（膜下滴灌）、噴灌等是應用最廣泛的灌溉技術；非常規水（微咸水、再生水等）在農田中的應用研究逐漸興起，并且井渠結合灌溉也成為解決部分地區地下水位抬升、土壤鹽漬化的重要方案。

3）黃河流域農田排水研究以暗管排水和控制排水為主，是鹽堿地改良的研究重點，氮素流失導致的面源污染問題備受關注；一些新方法新方案也逐漸涌現，如太陽能暗管排水[18]、排水再利用[19]等。此外，黃河下游灘區洪水風險圖的編制為洪水調度決策和灘區避洪轉移、農田排澇除漬等提供了重要技術參考[20]；采用ArcGIS 軟件對暗管排水工程進行規劃設計，可以提高效率[21]。

4）高校和科研院所是黃河流域從事農田灌溉和排水研究的主力軍。農田灌溉方面研究的主要機構是西北農林科技大學、內蒙古農業大學、中國農業大學、寧夏大學等，農田排水方面研究的主要機構是西安理工大學、武漢大學、河海大學等，不斷有新的機構開展灌溉和排水方面的研究。高產作者、高被引論文等主要來自上述主要科研機構，并且機構之間、作者之間的合作在不斷增強，但排水研究的合作度弱于灌溉研究。許多合作機構局限在小區域內，如寧夏地區、陜西地區等。

3.2 展 望

1）黃河流域農業灌溉生態環境問題是近年出現的新問題和新挑戰。如河套灌區排水系統中的微塑料污染問題[22]，黃河流域上游灌溉施肥引起的土壤CO2和N2O 排放[23]，黃河中下游多數主要支流的水質均較差[24]，可見，灌區生態環境問題比較突出，應加強關注黃河流域農業生態環境問題。同時需要加強干支流水環境與水生態系統保護、推進水資源節約集約利用；注重灌區生態需水，避免植被消失、土地荒漠化，如在非灌溉期，荒地地下水和海子耗水較多，應給海子補水[25]等。

2）加強節水灌溉理論與技術研究以及與之相適應的灌排設施建設。研發經濟適用的節水灌溉裝備，進而不斷提高灌溉水利用效率。黃河流域農業灌溉用水占91%左右，且用水方式比較粗放，浪費較為嚴重[26]。需積極探索節水灌溉的新方法、新途徑，才能將節水技術迅速推廣，促進黃河灌區節水灌溉的新發展。同時也應把暗管排水工程置于灌溉排水配套規劃的大格局中統籌規劃[27]。

3）加強渠道疏浚、減少輸水損失。黃河水含沙量高，容易引起河道淤積，降低河道過流能力，嚴重影響輸水效率，引黃灌溉時需加強渠道疏浚，上游地區加強水庫排沙[28]，同時加強水土保持工程的建設和管理。實行中上游防風固沙、保水固堤、調水調沙，下游及引黃灌區疏浚河道、減少滲漏、合理調配，從供給方到需求端進行全流程科學管理，保障灌區用水。

4）氣候變化對黃河流域水資源調控的影響不容忽視。水資源決策調控是水資源管理的核心和落腳點[29]，尤其是當下黃河流域可供利用的水資源量正逐漸減少，水資源的調配關系著真個流域農業的健康發展。研究發現1958—2015 年黃河流域夏季降水量總體呈減少趨勢，尤其在河套北部有顯著減少趨勢[30]。1960—2017 年黃河流域春、夏和秋季極端高溫天氣日數在大多數地區呈增加趨勢，而冬季極端高溫天氣日數在整個研究區均呈增加趨勢，最顯著的區域集中在黃河中游大部分地區[31]。比如干旱程度每提高一個等級，上游青銅峽灌區、河套灌區灌溉需水量平均增加約1.04 億m3，中游汾河灌區、渭河灌區需水量增加約2.19 億m3，下游引黃灌區需水量增加約6.22 億m3[7]。因此，有必要開展氣候變化條件下黃河流域水資源的優化配置與調控研究，為水資源的區域均衡發展提供保障。

5）切實推行水價改革，完善水權交易。2018 年，黃河流域九省區水資源總量為5 900.4 億m3，占全國水資源總量的21.49%[32]，但水資源承載力均未達到可承載水平，空間差異性明顯[33]。水資源的不足需要持續推行農業水價綜合改革，并完善與推廣黃河流域水權交易機制，從而讓有限的水資源轉變成最大的生產力。水價和水權交易作為灌區管理的重要杠桿，必須發揮好引導作用，促進水交易市場的健康運轉。