基于CiteSpace 的農業領域水-能-糧紐帶研究進展

楊改強，夏 爽，霍麗娟，張冬香，丁麗瑞，趙俊楠

（1.太原科技大學環境與安全學院，山西太原 030024；2.晉城市氣象局，山西晉城 048026）

1 研究背景

水資源、能源和糧食之間復雜的反饋循環關系，即水-能源-糧食（WEF）紐帶關系，是目前跨學科研究的一個重要方向［1］。農業活動過程中必然需要投入能源和對水資源的消耗和轉化，水資源的輸送分配也離不開動力的支持，由于它們之間復雜的關系，以其中單一或兩種對象作為核心的管理方式與理念已無法滿足生命共同體協調持續健康發展的內在要求。盡管人們已經采取了一系列措施，但水、能源與食品需求的增長趨勢及其帶來的資源危機問題并沒有得到根本性的改善，只有充分認識WEF 紐帶關系，建立盡可能詳細真實的數學模型，才能夠更完善地解決資源安全問題。

2011 年波恩會議——WEF 紐帶關系會議，首次將這3 種對人類至關重要的資源組成的安全協同關系稱為“紐帶”。在這次會議上，專家們結合聯合國糧食及農業組織（FAO）的建議，倡導聯合水、能、糧等多個領域，制定多學科的綜合性解決措施，以解決資源危機的同時獲得環境、社會和經濟效益［2］。同年，世界經濟論壇發布的《全球風險報告》（第六版）也將紐帶關系下的資源風險列為全球三大主要風險之一。2013 年，聯合國亞太經濟社會理事會發布報告，提出亞太地區未來的發展必然會受到氣候變化、WEF 危機等影響。此時，WEF 研究已經開始在全世界范圍內廣泛開展，學者開始將三者聯系起來，并且通過構建數學模型來模擬不同條件下的配水量、能源消耗量以及可收獲的利益，最終得到滿足約束條件的最優解。

目前國內外關于WEF 的研究大多以城市用水為研究對象，研究范圍也比較宏觀。中國的農田灌溉水量占全社會總用水量的一半以上，對社會經濟發展起到關鍵的制約作用，而北方農業水資源整體不夠豐富，有季節性干旱特征，很多區域內以農為主，因此，隨著人口增長、氣候變化、能源枯竭，諸如黃河流域等地的農業領域水安全、能源安全和糧食安全問題已成為國內3 個最突出的問題。與此同時，隨著城鎮化、工業化進程的推進，農業水資源與工業用水、市政用水的競爭問題日益凸顯［3］。因此，農業領域水-能源-糧食（AWEF）紐帶關系必將成為未來研究的焦點問題之一。本研究將利用CiteSpace 工具，通過文獻計量方法，分析AWEF紐帶關系的英文文獻，找到AWEF 紐帶關系領域的關鍵研究方向、關鍵文獻和熱點領域，并預測了該領域的未來發展趨勢。

2 數據來源與方法

以Web of Science 核心合集為數據源，這是目前提供引文數據回溯最深的數據庫，所收錄的文獻覆蓋了全世界最重要和最有影響力的研究成果，已成為國際公認進行科學統計與科學評價的主要檢索工具。本研究以“(argi* or irrigat*) and (water-energy-food or water-energy-crop or water-food-energy or watercrop-energy or food-water-energy or food-energy-water or crop-water-energy or crop-energy-water or energywater-food or energy-food-water or energy-water-crop or energy-crop-water) near/5 (nexus or tradeoff* or inter*or synerg*)”為檢索主題，采用高級檢索方式篩選跨度為2008—2019 年的文獻，得到相關的文獻共182篇，運用Citespace 對這182 篇文獻進行篩選、去重，最終得到與主題相關的精確文獻156 篇（以下簡稱“樣本文獻”）。

采用Chen 等［4］研發的CiteSpace 的Web of Science 板塊進行數據處理，對AWEF 紐帶相關研究的作者、機構、期刊及關鍵詞和研究熱點前沿等進行分析。該軟件基于共被引分析理論、尋徑網絡算法等方法，通過數據挖掘、信息分析、圖譜繪制，展現特定學科領域的知識結構，可直觀地表現知識群的演化過程。

3 結果與分析

3.1 文獻產出時間序列分析

時間是投射客觀存在的一個普遍維度，一些理論在時間發展序列中會表現出規律性。樣本文獻數量的年度分布統計如圖1 所示。由圖1 可見，對AWEF 與環境之間復雜的紐帶關系提出“紐帶”的相關研究共156 篇，其中最早的1 篇發表于2008 年，McCornick 等［5］通過印度、埃塞俄比亞、約旦和美國的4 個案例，說明了水、能源、糧食沖突協調、權衡的潛在政策選擇，為WEF 紐帶理論的發展提供了必要的基礎。至2012 年，相關研究的發文量基本沒有增加。從2013 年開始，發文量呈穩定增長趨勢，2014—2019 年年均增加8 篇，其中部分原因在于2011 年1 月世界經濟論壇發布的《全球風險報告》第一次正式提出了“水-能源-糧食紐帶”的基本概念［6］。而與農業相關的AWEF 紐帶作為其中的一個重要組成部分，也日益得到科學界和政府的關注，甚至在一些國家已經上升到國家安全層面的高度。從圖1 中可以看出，經過十余年的發展，AWEF 紐帶的研究從無到有，已經呈現出明顯的、穩定的上升趨勢。在未來，隨著人口的增長、可用資源的減少、環境的惡化，AWEF 的研究必將成為研究的熱點話題之一。

圖1 AWEF 樣本文獻年度發文數量統計

3.2 主要發文機構與國家

通過Web of Science 機構擴展精煉功能得到樣本文獻的主要發文機構排名（見表1），可見目前在該領域發文量總體數量還不算多，且發文大多集中在高校和研究所等機構。在這些機構中，發文量最多的是國際水管理協會，共發文8 篇；其次是德克薩斯農工大學學院站分校、德克薩斯農工大學、中國科學院、瑞典皇家理工學院、加州大學、馬里蘭大學。這7 所大學和機構共發文43 篇，占樣本文獻總量的23.07%，這也說明AWEF 紐帶研究的機構相對集中。國際水管理協會對AWEF 的研究主要為模型/框架體系和環境風險評價，如Bekchanov 等［7］提出的處理灌溉與發電沖突的全系統經濟水能模型，Closas 等［8］研究太陽能灌溉系統的可持續性和對周邊環境的影響，Miller-Robbie 等［9］研究城市農業廢水處理和再利用對人體健康的協同作用。

表1 AWEF 樣本文獻發文量排名前7 位機構統計

通過Web of Science 國家/地區精煉功能得到樣本文獻的發文量國家占比，如圖2 所示。通過CiteSpace 的Country 分析功能對發文國家進行分析，得到國家合作知識圖譜，如圖3 所示。在這些研究機構中，有多個隸屬于美國，如發文量排名前七的機構中就有4 個屬于美國。美國的機構發文量共計74 篇，占樣本文獻總量的21.76%；結合國家合作圖譜來看，圖3 中節點最大的國家是美國，其中介中心性為1.19。最多的發文量和最大的中心性表明美國在AWEF 紐帶領域的研究深度和與其他國家合作密度及其在國際上的影響力。綜合來看，美國在AWEF 紐帶研究中處于領先的位置，中國、英國、德國次之。

圖2 AWEF 樣本文獻發文量的國家占比統計

圖3 AWEF 樣本文獻的國家合作圖譜

根據圖2 和表1 可知，在2020 年年初，中國處于發文量國家排名的第2 位，僅次于美國，占樣本文獻總量的6.47%，其中中國科學院是中國具有較高研究水平的機構，承擔著大量相關研究，共發文5 篇，處于發文量機構排名的第4 名。但中國與美國在AWEF 領域的研究仍然存在不小的差距，不僅表現在研究的機構數量上，也體現在發文的數量上。美國對資源、能源消耗的規劃和對環境危機的認識都要早于中國，因此研究起步較早；而中國隨著經濟的快速發展，在這方面的認識才明顯加強，再加上中國是人口大國，農業水資源的消耗對社會經濟發展的矛盾日益加劇，國內學者對AWEF 紐帶的關系近年也開始著手研究，因此中國的研究起步較晚，在2017 年才發表了首篇相關文獻，近3 年共發文22 篇（見圖4），但是到了2019 年發文量迅速增長至18 篇，超過了英國、德國等國家。中國在AWEF紐帶方面的研究發展非常迅速，與同年的國際發文量相比，發文量的增速基本保持一致，而其他國家或組織2017—2019 年的年發文量總和基本維持在30篇左右，這也說明這幾年國際上關于AWEF 紐帶研究的增長點主要來自于中國的研究機構或作者。

圖4 AWEF 樣本文獻中中國與國際上年發文量對比

3.3 主要發文作者

利用CiteSpace 的Author 分析功能，對樣本文獻作者發文量和共被引作者進行分析，快速了解該領域研究的前沿研究者，得到發文作者共被引網絡如圖5 所示。從圖5 可以看出，Bazilian 等［6］和Hoff［2］是處于共被引的核心位置。早在2011年，Bazilian等［6］就提出了能源、水和糧食政策領域的紐帶關系，并提出了一個模型框架用于處理這些復雜的相互關系，以期達到三者的統一平衡；同年Hoff［2］也在波恩會議上就能源、能源和糧食安全的紐帶關系作出詳細的闡述。因為這兩篇文獻出現較早且理論概念相對完整，因此在后期的文獻中對這兩篇文獻的引用也較多。但是在領域內個人發文量還不多，且存在多個作者共同發表論文的現象，可見AWEF 紐帶研究還是一個新興的領域。如，Siciliano［10］和Rosa［11-13］就與多名不同作者在近年共同發表了多篇論文，利用資源評估方法，從水文角度綜合考慮水的供應和需求，檢驗水資源短缺的潛在變化，評估頁巖資源開發對水和糧食安全的影響；Olsson 等［14］主要研究干旱條件下的AWEF 模型，并建立了農業碳匯活動分析模型；Zhang 等［15］和campana 等［16］結合實時干旱監測或空間分析，建立綜合的AWEF 關系模型；Mpandel 等［17］、Mpandeli 等［18］和Nhamo 等［19］則對南非的糧食和能源安全問題以及缺水等敏感問題，基于層次分析法建立綜合AWEF 分析模型，從其紐帶關系分析評價南非灌溉農業的現狀，并評估改善灌溉農業的可能性；Zeng 等［20］使用機器學習技術和多源數據集，在全球層面評估水力發電與灌溉水供應的關系，同時進一步分析了氣候變量對水電與灌溉關系的影響。可見在該領域，發文量多的作者還不多見，研究的思路也大多集中在模型、框架、風險評價等幾個方面，研究的地域也主要是水資源不充足、農業用水壓力大、政策改變對農業用水量影響大的地區，且這些作者發文絕大多數是在2018—2019 年間，表明在近幾年該領域的受重視程度明顯增強，學者已經開始更加深入和廣泛的研究。

圖5 AWEF 樣本文獻作者共被引知識圖譜

其中，中國作者的個人發文量也同樣不多，發文最多的是浙江大學伊利諾伊大學厄巴納香檳校區聯合學院的朱廷舉研究員，為3 篇，研究主要集中在綜合建模與優化方法，并用于解決美國等國家氣候變化環境下的可持續水資源管理、糧食安全及相關社會經濟問題。

3.4 期刊共被引和研究領域

利用CiteSpace 的期刊共被引功能進行分析，能夠在很大程度上反映出領域內的研究重點，得到樣本文獻的共被引期刊排名如表2 所示。其中，共被引頻次最高的期刊是Energy Policy，其次為Environmental Science Policy，這兩個期刊共被引47次；然后為Agricultural Water Managemen、Science of The Total Environment及Environmental Research Letters等期刊。可見AWEF 紐帶研究主要還是以政策性的文獻為主，從經濟、社會和環境等方面探討水資源與能源供給對糧食安全的影響，這些政策的研究對于地方政策制定和管理部門等來說可能會更具吸引力；另外一部分研究的方向集中于農業工程和環境影響評價等方面。從期刊水平上看，排名前十的共被引期刊中有9 個屬于中科院分區（2020 年12 月基礎版）的1 區或2 區，期刊影響因子（2019 年）最高為20.893，可見論文質量非常好。AWEF 紐帶研究在國際上也處于研究的熱點，足以引起國際同行和高質量期刊的關注。

表2 AWEF 樣本文獻發文排名前十共被引期刊統計

排名在前10 位的共被引期刊在相關領域權威性很高，通過觀察共被引頻次，在一定程度上能夠找出AWEF 紐帶研究的重點領域（見圖6）。AWEF紐帶研究涉及領域主要為環境科學、水資源、綠色可持續技術、環境工程、環境研究、化學工程、土木工程以及氣象與大氣科學等，其中環境科學占首位，其次為水資源、綠色可持續技術等相關領域。這說明目前的AWEF 研究主要還是以模型、框架等理論研究為主，其次才是工程方面的研究，也進一步說明目前的理論研究還未完全成熟，還有待繼續深入探索。AWEF 紐帶框架受到水、能源、糧食、土壤、氣候等多種生物與環境因子的共同影響，其研究也涉及到多個領域，這充分體現了該領域研究的復雜性、廣泛性、交叉性的特點。

圖6 AWEF 樣本文獻研究領域分布統計

通過對中國作者或機構發文進行統計（見表3），可見發文最多的期刊為Science of the Total Environment，達到5 篇，其余期刊發文1～2 篇；期刊影響因子（2019 年）最高為12.121。根據中科院分區（2020 年12 月基礎版），中國作者或機構發文的期刊中有9 篇為1 區、11 篇為2 區、10 篇為3 區、1 篇為4 區，總體保持在1～3 區的范圍，與國際上前10 位共被引期刊的統計數據相比存在一些差距。雖然中國在AWEF 紐帶方面的研究起步較晚，但發文質量仍處于較高的水平。

表3 AWEF 樣本文獻中中國作者和機構發文統計

中國作者或機構關于AWEF 紐帶的研究主要為環境科學、水資源和工程技術（見圖7），這與國際上的研究方向是完全一致的。中國關于AWEF 紐帶的研究對象也多以模型為主，研究范圍包括流域、灌區等多種尺度，比如Zeng 等［21］提出涇河流域的基于多重不確定性決策風險模型；Si 等［22］提出黃河上游流域的WEF 紐帶關系模型；Li 等［23］提出東北某灌區在不確定條件下的資源配置優化模型；Nie等［24］提出中國某實驗站的多目標優化策略分析模型。這也進一步說明中國目前的AWEF 理論研究同樣還不夠深入，學者們仍然在理論方面繼續探索。

圖7 AWEF 樣本文獻中中國作者或機構研究領域分布統計

3.5 關鍵詞分析

（1）關鍵詞發展路徑分析。關鍵詞是文檔的核心和本質，是論文內容的高級摘要，因此通過對關鍵詞出現頻率的分析，可以明確領域的研究熱點和發展方向［25］。選擇節點類型為關鍵詞，時間片閾值設置為前50 個，可視化方法選擇靜態視圖，運行CiteSpace 軟件，以可視方式分析樣本文獻大數據字段中相關文檔的關鍵詞，并獲得關鍵詞共現圖，如圖8 所示。其中，每個交叉節點表示一個關鍵詞，并且節點的大小表示關鍵詞的出現頻率高低，標簽的臨界值設置為15，關鍵詞是頻率大于或等于15。從圖8 可見，AWEF 紐帶研究的主要關鍵詞包括氣候變化、能源、灌溉、農業、持續性、影響、政策、紐帶和管理等。

圖8 AWEF 樣本文獻關鍵詞共現網絡

Chen 等［4］認為可以通過科學文獻引文網絡中關鍵節點的中介中心性分析來確定一個學科發展演進的過程，預測學科發展的趨勢。將樣本文獻關鍵詞按中介中心性降序排列，中心性最高的關鍵詞是land（土地）和uncertainty（不確定性），其中介中心性均為0.38，充分說明了land 和uncertainty 在AWEF 紐帶領域的重要影響力，同時也說明AWEF紐帶研究的現狀，即自然條件和人類活動存在大量的不確定性，使資源、能源的分配變得復雜，很多學者已經開始從研究土地利用和水資源分配等方面著手研究，以解決這些不確定性帶來的風險。

根據關鍵詞出現頻率排名，得到前10 個高頻關鍵詞，如表4 所示。其中，出現頻率最高的是water-energy-food nexus，圍繞這個關鍵詞，學者從irrigation、climate change、sustainability 等方面展開研究。在這些高頻關鍵詞中，除了WEF 紐帶，根據中介中心性排序，security 最高，表明研究以糧食安全為主，接著依次是：system，表明研究以系統的框架研究為主；irrigation，表明研究涉及的是農業的水資源灌溉量；climate change，表明涉及氣候變化對灌溉水量的影響；另外也與可持續發展、政策管理、優化模型或評價模型有關。總之，可以看到，AWEF紐帶研究主要解決的還是因氣候變化引起的灌溉水資源不足和糧食安全問題。

表4 AWEF 樣本文獻高頻關鍵詞統計

由于中國作者或機構發文數量還不多，關鍵詞也比較離散，其中使用頻率最多的為water-energyfood nexus，幾乎全部文獻都有這一關鍵詞或其相近的表達形式；使用頻率次之的為uncertainty 和model，共出現了6 次；另外irrigation 也出現了4 次。可見，中國相關研究多以不確定性模型為主，應用領域主要是農業灌溉；結合圖8 可知，中國作者或機構研究處于關鍵詞共現可視化知識圖譜的中心位置，也進一步說明中國作者或機構的相關研究在國際上也處于研究方向的主流，但是研究的范圍還不夠寬泛。

（2）研究前沿趨勢分析。AWEF 紐帶研究是一個逐漸演變演化的過程，根據文獻關鍵詞的發展路徑和發文時間分析，利用CiteSpace 的關鍵詞突變檢測功能，設置Upward Transition Cost 為0.7，Minimum Duration 為2，得到7 個突變關鍵詞，如圖9 所示，并據此來探究AWEF 紐帶研究的熱點。由圖9 可見，從關鍵詞突現強度看，突現強度為2.635的environment 在7 個關鍵詞中排名第一，這說明環境問題在AWEF 紐帶研究中有很大的關注度，由于WEF 紐帶的理論起源于氣候變化等環境問題，落腳點也是保持環境資源的可持續利用發展，因此自2014 年開始，AWEF 紐帶的研究基本都是與環境的問題相關；agriculture 和policy 關鍵詞突現也表明改善農業生產、資源消耗與經濟產出的制約關系受到關注，如Taloiz 等［26］提出綜合的自然資源管理方法，Doukkali 等［27］提出農業水資源管理的建議，Wichelns 等［28］則給出農業補貼等政策建議；water和groundwater 的突現強度說明對于干旱地區的農業系統來講，由于地表水的匱乏，人們更希望采用地表水和地下水聯合利用等方式提高農業的生產效率；Security 突現表明研究的目標是為了確保水資源、糧食和能源的安全；同時，footprint 的突現強度也很高，為1.908，說明自2018 年以來研究更趨于系統化，對于農業活動當中的物質能量流動會通過建立動態模型展開系統性的研究，包括農業系統中的水足跡、碳足跡、能源足跡等，其中尤以水足跡研究頗多。因此，從關鍵詞的時間順序來看，AWEF 紐帶研究初期主要關注于環境問題和農業（糧食安全）問題，環境的變化給農業生產造成巨大的挑戰，為了應對這一挑戰，人們開始尋求將多水源、能源與糧食聯系起來的方法構建模型或框架，以分析可行的技術措施并評估實施效果；而后期學者對糧食安全問題和足跡的研究更加關注，這將成為AWEF 研究的一個新熱點。

圖9 AWEF 樣本文獻關鍵詞共現網絡突現詞

（3）總體來講，研究的前沿由環境問題引出，提出相關政策建議、研究多水資源分配，再到足跡研究，整個研究過程呈現由表面到內在、由靜態到動態、由單一到綜合的趨勢。

4 結論

本研究以2000—2019 年Web of Science 核心數據庫中有關AWEF 紐帶的156 篇論文為研究對象，運用CiteSpace 可視化分析軟件分析了國際上AWEF紐帶研究的現狀及發展趨勢，結論如下：

（1）2013 年以前，AWEF 紐帶研究尚未大范圍開展，2014 年開始出現快速增長的態勢，這得益于2011 年世界經濟論壇發布的《全球風險報告》正式提出WEF 紐帶的概念，同時Bazilian 等［6］和Hoff［2］的研究起到了重要的奠基作用。

（2）美國在AWEF 紐帶領域起步早，研究深度最深，與其他國家合作密度最大，在國際上的影響力最強；中國起步晚，但近些年發展迅速，目前發文量仍次于美國。

（3）AWEF 紐帶是一個跨多學科的研究領域，具有較高的復雜性和交叉性，涉及環境科學、水資源、綠色可持續技術、環境工程、環境研究、化學工程、土木工程以及氣象與大氣科學等學科，其中環境科學、水資源為重點研究領域。中國關于AWEF 紐帶的重點研究領域與國際保持一致。

（4）糧食、水資源和能源安全是大部分AWEF紐帶研究的主要發出點，系統的框架研究和政策建議主要是早期研究的內容，足跡研究是近些年研究的熱點，基于不確定性的AWEF 關聯模型研究是發展的一個重要方向。

總之，國際上AWEF 紐帶研究已具備比較成熟的理論基礎，在模型應用、框架研究、風險評估等方面也已有很多成功的經驗。雖然近幾年中國在AWEF 紐帶方面的研究發展迅速，在國際上的發文量也快速增長，但由于研究起步晚，研究方法和技術手段仍然受國外的影響較大，研究成果不具有顯著創新，因此在國際影響力方面仍顯不足。為快速追趕國際發展前沿，中國除了要提高相關發文量，還應注重提高研究成果質量，根據AWEF 紐帶多學科交叉的特點，發揮學科的互補優勢，促進國際合作，結合不確定性技術手段和足跡理論展開大量研究。