基于文獻計量分析的土壤水鹽運移研究進展

李陽陽，李王成，2，3，王 潔

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021；3.省部共建西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室，銀川 750021）

0 引 言

土壤鹽漬化問題已經(jīng)造成大面積土壤退化和糧食減產(chǎn)問題，成為制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。目前，我國的鹽堿地總面積高達3 600 萬hm2，其中鹽堿耕地面積920 萬hm2，主要集中分布在東北、西北、華北以及東部沿海等地區(qū)[1]。鹽堿地治理和改良的關鍵在于摸清土壤水鹽運移的規(guī)律。一般情況下，土壤水鹽運移遵循著“鹽隨水來，鹽隨水去”的基本規(guī)律[2]，但是同時又受降水、土壤質(zhì)地、地下水和溫度等多種因素的綜合影響。所以深入研究鹽堿地土壤水鹽運移規(guī)律有利于對鹽堿地進行科學地調(diào)控和治理。

從已有的文獻來看，越來越多的學者開始在研究領域運用文獻計量的方法對學科史的研究趨勢作分析。目前在醫(yī)藥學[3,4]、疾病學[5,6]、建筑學[7]等領域采用可視化軟件挖掘前沿熱點的文章較多。在土壤水鹽運移領域發(fā)文較多的主要包括理論分析和模型研究2個方面，但基于文獻計量方法利用可視化圖譜軟件對土壤水鹽運移研究進展和熱點分析的文獻相對較少。因此，本文采用VOSviewer 知識圖譜可視化分析軟件，對2000-2020年21 a 國內(nèi)外土壤水鹽運移的發(fā)展脈絡、應用前沿等進行歸納總結(jié)，為后期學者作相關方面研究提供參考。

1 研究方法及數(shù)據(jù)來源

科學知識圖譜研究是以科學為基礎，涉及應用數(shù)學、信息科學以及計算機科學的交叉領域，同時也是科學計量學的新發(fā)展領域。而科學知識圖譜的可視化可用于研究相關領域的前沿及熱點問題，也可以對學科發(fā)展、科學結(jié)構等方面進行研究。VOSviewer 軟件是荷蘭萊頓大學的van Eck 和Waltman基于共現(xiàn)聚類思想研發(fā)的一款科學知識可視化工具，提供包括合作分析、共現(xiàn)分析、共被引分析、耦合分析等功能，并可將研究結(jié)果進行可視化展示，在聚類技術、圖譜展示等方面具有獨特優(yōu)勢[8]。

本研究的中文文獻來源于CNKI 數(shù)據(jù)庫，以“土壤水鹽運移”為主題詞進行檢索，時間跨度設定為2000-01-01 到2020-12-31，共檢索到748 篇文獻；外文文獻來源于WOS 核心數(shù)據(jù)庫，以“Soil water and salt transport”為標題進行檢索，時間跨度設定為2000-01-01 到2020-12-31，獲取文獻的全部記錄，包括標題、出版年份、作者、國家(地區(qū))、研究機構、期刊名、關鍵詞和摘要共檢索到1 250篇文獻。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文量趨勢

對納入的748 篇中文文獻和1 250 篇英文文獻按照發(fā)表年度進行統(tǒng)計，并作出年發(fā)文量趨勢圖，見圖1。其中，在2000-2020年21 a，中文文獻發(fā)文總量748 篇，英文文獻發(fā)文總量1 250 篇，兩者都呈波動式逐漸攀升趨勢。采用線性回歸分別將中英文文獻年發(fā)文量進行擬合，得到擬合方程如下。

圖1 中英文文獻年發(fā)文量趨勢Fig.1 Trend of annual publication volume of Chinese and English literature

中文文獻年發(fā)文量擬合曲線方程：

英文文獻年發(fā)文量擬合曲線方程：

其中中文文獻年發(fā)文量變化曲線與擬合曲線的相關系數(shù)（R2）為0.879，英文文獻年發(fā)文量變化曲線與擬合曲線的相關系數(shù)（R2）為0.852。兩曲線擬合的相關系數(shù)均較高，因此可采用擬合曲線方程來預測未來年份的年發(fā)文量。通過中英文文獻年發(fā)文量來看，關于土壤水鹽運移的研究整體上呈增長趨勢。這就意味著對于土壤控鹽、排鹽等方面的研究在未來的研究中仍會是一個比較熱門的研究話題。

2.2 論文發(fā)表期刊分布

對納入的文獻所發(fā)表學術期刊排名前10的期刊進行統(tǒng)計，見圖2。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在土壤水鹽運移領域英文文獻主要發(fā)表于《JOURNAL OF HYDROLOGY》、《AGRICULTURAL WATER MANAGEMENT》、《WATER RESOURCES RESEARCH》等期刊，這些期刊發(fā)文最多的期刊為荷蘭出版的《JOURNAL OF HYDROLOGY》， 排名第2 的期刊仍為荷蘭出版的《AGRICULTURAL WATER MANAGEMENT》，排名第3 的期刊為美國出版的《WATER RESOURCES RESEARCH》。前10 本期刊中，其中荷蘭期刊5 本，瑞士期刊2 本，美國、德國、英國各1本。從期刊數(shù)量來看，荷蘭在土壤水鹽運移領域的研究比較領先。中文文獻的來源主要分布在《灌溉排水學報》、《農(nóng)業(yè)工程學報》、《節(jié)水灌溉》等期刊，其中《灌溉排水學報》期刊載文量最多，2000-2020年關于土壤水鹽運移的載文量多達47篇，其次是《農(nóng)業(yè)工程學報》和《節(jié)水灌溉》，分別為39篇和32篇。

圖2 文獻來源期刊分布Fig.2 Distribution of literature source journals

2.3 主題聚類分析

利用VOSviewer 科技文獻的主題挖掘功能對土壤水鹽運移研究領域的相關主題進行聚類分析，它反應了各個主題之間的相關程度。將WOS 中檢索的文獻導入VOSviewer 軟件得到土壤水鹽運移主題聚類分析圖譜，見圖3。圖譜中，主題的不同顏色代表了主題所屬的不同類別，主題標簽的大小則代表了主題的出現(xiàn)頻率和次數(shù)，主題之間的距離遠近代表了主題之間的相似性，即距離越近則代表主題之間越相似。從主題聚類圖中可以了解到plant、content、model、accumulation、response、 treatment、 soil salinity、 groundwater、 surface、species、source 等主題標簽較大，說明它們出現(xiàn)的頻率和次數(shù)比較多，從這些主題詞中可以看出關于土壤水鹽運移研究的內(nèi)容比較豐富，主要活躍在圍繞植物、土壤中的水鹽運移規(guī)律及含量變化（主題詞包括plant、content、soil salinity、accumulation、response、salt transport、 salt tolerance、surface、salt stress 等）以及水鹽運移模型預測（主題詞包括model、hydrus、mobility、hydrus 1d等）等方面。

圖3 主題聚類分析圖譜Fig.3 Thematic cluster analysis map

從主題聚類分析來看影響比較大的幾個主題主要集中在植物生長、鹽分脅迫、土壤水運動等幾個方面。鹽生植物是改良鹽堿土最有效的方法之一。在鹽堿地中耐鹽植被的大量種植及生長，不僅可以改善土壤自身鹽堿環(huán)境同時也能夠調(diào)節(jié)和改善周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。一直以來，土壤-水-植物系統(tǒng)中的鹽堿化是引起公眾關注的重要環(huán)境問題，所以研究受水文循環(huán)和植物生長影響的土壤中水分和鹽分的遷移規(guī)律以及模型，可以用于預測土壤-水-植物系統(tǒng)中水和鹽的行為，從而為鹽堿地改良提供理論依據(jù)[9-12]。

2.4 關鍵詞共現(xiàn)分析

文章的關鍵詞是作者從文章中精心挑選出的術語，是文章主題的概括和作者研究重點的提煉，可以反映該論文的核心內(nèi)容，對其進行共現(xiàn)分析可以對當前學科研究進行歸類，從而發(fā)現(xiàn)研究的方向和熱點[13,14]。本文采用“共詞分析”的科學計量學方法，通過構建“共詞矩陣”對檢索的中英文文獻分別繪制關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜，其中中文文獻關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜見圖4，英文文獻關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖譜見圖5。圖中關鍵詞所在的圓圈越大說明所代表的關鍵詞出現(xiàn)的頻次越高，也代表是該研究領域較為熱的話題；同時關鍵詞越位于圖譜中間，表示該關鍵詞重要性越強，是該研究領域的重要概念[15]。檢索的2000-2020年的748篇中文文獻中，共得到1 374個關鍵詞，其中117 個符合閾值；1 250 篇英文文獻中，共得到6 487 個關鍵詞，其中有478 個符合閾值。圖譜中軟件篩選閾值都選為5（關鍵詞出現(xiàn)的頻次至少為5次）。從篩選出的關鍵詞數(shù)量來看，國內(nèi)外關于土壤水鹽運移方面的研究在豐富程度上存在一定的差異。國內(nèi)土壤水鹽運移共現(xiàn)較強的關鍵詞有水鹽運移、數(shù)值模擬、膜下滴灌、微咸水等；國外土壤水鹽運移共現(xiàn)較強的關鍵詞有water transport、salinity、growth salt tolerance、hydraulic conductivity、model 等。各個節(jié)點之間聯(lián)系緊密，其中中文文獻中研究的熱點主要集中在以下幾個方面。

圖4 基于CNKI土壤水鹽運移研究關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)Fig.4 Co-occurrence network of keywords for soil water and salt transport research based on CNKI

圖5 基于WOS土壤水鹽運移研究關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)Fig.5 Co-occurrence network of keywords for soil water and salt transport research based on WOS

（1）數(shù)值模擬。主要包括HYDRUS 模型、SWAP 模型、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型、SHAW 模型等模擬水、鹽在土壤中的分布以及隨時間變化的趨勢和規(guī)律。其中HYDRUS 模型是最基本和最經(jīng)典的模型，是1991年由美國國家鹽改中心和農(nóng)業(yè)部聯(lián)合開發(fā)的，用來模擬飽和土壤中一維水分與溶質(zhì)運移的數(shù)值模型， 后來被發(fā)展為HYDRUS-1D、 HYDRUS-2D 以及HYDRUS-3D 等模型[16]，目前大部分學者主要研究各個條件下，例如凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等因素影響下的土壤水鹽運移模型。

（2）膜下滴灌。滴灌技術是是治理改良鹽堿地中的一種重要的農(nóng)藝措施，尤其在干旱半干旱地區(qū)被得到了廣泛地應用。膜下滴灌是一種將覆膜種植和滴灌技術相結(jié)合的新型節(jié)水灌溉技術，可以有效減少蒸發(fā)抑制地下鹽分運移。目前大部分學者主要研究灌水量、灌水水質(zhì)、滴灌頻率、膜間處理方式等因素對土壤水鹽運移的影響機理[17-19]。

（3）微咸水灌溉。與傳統(tǒng)的淡水灌溉相比，利用微咸水灌溉一方面提供了作物生長所需要的水分增辟了灌溉水源，另一方面也會增加土壤鹽分含量，然而鹽分的過度積累又會影響土壤質(zhì)量和作物生長發(fā)育。目前，對于利用微咸水灌溉的研究，主要集中在模擬微咸水灌溉條件下土壤水鹽運移的長期變化過程以及如何有效防止土壤次生鹽漬化[20-22]。

外文文獻中研究的熱點主要集中在以下幾個方面。

（1）植物耐鹽機制。土壤鹽漬化是干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的主要威脅，在這些地區(qū)缺水和灌溉地排水不足導致土壤鹽堿化加重，鹽分積累抑制植物生長，降低植物吸收水分和養(yǎng)分的能力，從而導致植物水分虧缺，最終使得作物減產(chǎn)。種植耐鹽性植物可以提高鹽漬土的利用率，所以研究植物在鹽脅迫條件下的耐鹽機制是鹽堿地改良的重要內(nèi)容。主要關鍵詞主要包括：plants、salt stress、salt tolerance、drought。

（2）數(shù)值模型。主要研究不同影響因素下的水鹽運移機理及模型構建，例如灌溉、蒸發(fā)、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)等條件下水鹽運移模型，主要關鍵詞包括：irrigation、temperature、groundwater、model、hydrus-1d、hydrus-2d等。

2.5 作者合作分析

通過作者合作分析來反映相關研究領域關鍵作者以及代表性人物。本文利用VOSviewer 軟件采用分數(shù)計數(shù)法對2000-2020年的中文文獻作者進行分析，在中文文獻的1 382位作者中選擇最小發(fā)文量為3篇的作者，共提取作者153人，見圖6。其中可視化圖譜中1 個節(jié)點代表1個作者，節(jié)點的大小代表作者發(fā)文量的多少；連線即關系，線條的粗細代表節(jié)點之間的關聯(lián)強度。從分析的結(jié)果可以看出在土壤水鹽運移領域形成了以最大節(jié)點王全九為主導地位的作者網(wǎng)絡，王全九教授在該領域的發(fā)文量最多，其次是虎膽·吐馬爾白、史海濱、費良軍、李瑞平等。圖中同一種顏色表示各作者之間研究方向一致，且合作關系密切。從圖譜中可以看出在土壤水鹽運移研究領域的研究團體比較多，其中有2個比較顯著的團體，他們分別是王全九教授團隊和虎膽·吐馬爾白教授團隊。①王全九教授團隊[23,24]主要對于膜下滴灌滴頭流量、灌水歷時、土壤含鹽率等因素對滴灌過程中水鹽運移特征方面進行了大量試驗研究，這對合理利用膜下滴灌技術體系來開發(fā)鹽堿地提供了一定的指導。②虎膽·吐馬爾白教授團隊[25-27]主要考慮了膜下滴灌、秸稈覆蓋、凍融等因素在干旱區(qū)棉田土壤中水鹽運移規(guī)律并進行了數(shù)值模擬，還與實測的土壤含水率和含鹽量進行了對比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)凍融過程中溫度變化對土壤水鹽運移規(guī)律的影響較大，同時發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋與滴灌結(jié)合在干旱區(qū)具有良好的應用前景。③此外，在中國西北干旱、寒冷地區(qū),凍融作用是造成土壤鹽堿化的獨特原因，所以史海濱、李瑞平團隊[28-30]基于田間實測資料,對土壤凍融期間多年鹽分、水分以及溫度的變化規(guī)律進行了分析，同時運用水熱耦合模型(SHAW)對土壤凍融期水、熱、鹽的動態(tài)變化進行了模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)SHAW 模型對凍融期土壤水鹽耦合運移規(guī)律的模擬效果好且研究精度高。費良軍團隊[31,32]主要研究了利用渾水膜孔灌的灌溉方式，在肥液入滲條件下土壤水氮運移的規(guī)律等，為渾水膜孔灌的技術研究奠定了科學基礎。

圖6 國內(nèi)土壤水鹽運移研究作者合作網(wǎng)絡圖譜Fig.6 The map of the cooperation network of authors on soil water and salt transport research in China

2.6 國際上土壤水鹽運移所涉及的國家與研究機構

通過國家合作與研究機構合作分析有助于理解關于土壤水鹽運移研究的國家分布與機構合作情況。利用VOSviewer 軟件，從檢索的1 250篇英文文獻中所涉及的86個國家中篩選出了54 個至少在國際期刊上發(fā)表3篇論文以上的國家構建合作網(wǎng)絡圖譜，見圖7。圖中節(jié)點大小與隸屬該國家發(fā)表論文被引用數(shù)成比例關系，節(jié)點之間的連線表示國家之間存在合作關系，連線的粗細表示合作程度的強弱。按節(jié)點大小排序，在土壤水鹽運移研究領域排名前5的國家分別是美國、中國、澳大利亞、德國、英國，說明這些國家發(fā)表的論文產(chǎn)生的影響力比較高，其中我國與美國、澳大利亞在土壤水鹽運移方面研究的聯(lián)系比較緊密。

圖7 土壤水鹽運移研究領域高影響力國家Fig.7 Countries with high influence in the field of soil water and salt transport research

采用文獻耦合的方法可以回溯文獻的來源從而顯示相關領域高影響力的研究機構。在土壤水鹽運移研究領域，從檢索的文章中可以發(fā)現(xiàn)涉及該方面的研究機構有1 431 所，通過調(diào)整閾值篩選出了影響力前100 的研究機構。表1為關聯(lián)強度（指研究機構與其他研究機構總的共現(xiàn)次數(shù)，包括重復共現(xiàn)次數(shù)）排名前10 的機構，根據(jù)總關聯(lián)強度，發(fā)現(xiàn)排名前5 的機構分別是Chinese Acad Sci（中國科學院）、Us Geol Survey（美國地質(zhì)調(diào)查局）、China Agr Univ（中國農(nóng)業(yè)大學）、Univ Calif Riverside（加利福尼亞大學河濱分校）、Ben Gurion Univ Negev（內(nèi)蓋夫本·古里安大學），其中有2 個機構屬于中國。從國家、機構合作網(wǎng)絡圖譜來看，美國、中國、澳大利亞等國家在土壤水鹽運移領域發(fā)表的論文影響力較高，而且我國在該領域的高影響力發(fā)文機構也位于世界前列，說明我國在土壤水鹽運移研究領域還是比較強的。

表1 土壤水鹽運移研究領域高影響力機構Tab.1 High-impact institutions in the field of soil water and salt transport research

3 討 論

在過去的研究中，圍繞著土壤水鹽運移的基本理論驗證和模型應用的研究已經(jīng)取得了很多不錯的成果，特別是田間實地試驗觀測過程中數(shù)據(jù)獲取的困難使得學者們更加注重數(shù)值模擬在土壤水鹽運移方面的研究[33]。國內(nèi)土壤水鹽運移理論研究中，張蔚榛[34]首先應用勢能理論研究了飽和與非飽和土壤水以及溶質(zhì)運移的問題，并根據(jù)水鹽運移平衡理論提出了一種比較簡單的動態(tài)土壤水鹽運移預測預報模型；石元春[35]建立了黃淮海平原區(qū)域水鹽運移監(jiān)測預報的模型，并開發(fā)了PWS 1.0 軟件；劉炳成[36]等通過水、熱、鹽耦合運移的數(shù)學模型研究，發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地對鹽分運移的影響較大；李瑞平等通過多年研究分析發(fā)現(xiàn)土壤凍融期間溫度變化導致了水鹽遷移，且鹽分變異系數(shù)更大，這就表明凍融期鹽分的運移機制比水分運移機制更加復雜。SHAW（Simultaneous Heat And Water）模型是研究土壤和融雪凍融比較詳細和有效的模型之一，該模型已經(jīng)被證明可以精確地模擬土壤、氣候以及表面條件很大范圍內(nèi)的凍結(jié)深度，還能夠模擬復雜冬季凍結(jié)現(xiàn)象對水分遷移、溶質(zhì)遷移的影響等[37,38]。

根據(jù)WOS 數(shù)據(jù)庫做出近5 a 的關鍵詞共現(xiàn)可視化知識圖譜，見圖8。可知近幾年干旱區(qū)水鹽、濱海鹽堿地、脫鹽率、土壤含水率、土壤含鹽率、入滲模型等關鍵詞出現(xiàn)的頻率較高。近年來，由于耕地減少和糧食減產(chǎn)的壓力使得鹽堿地改良問題已經(jīng)顯得愈來愈重要，特別是在干旱、半干旱地區(qū)，土壤鹽堿化導致作物生長障礙、減產(chǎn)的問題更為突出。而我國鹽堿地面積分布廣泛，灌溉鹽漬化、干旱鹽漬化等問題日益嚴重，所以摸清各種影響因素下的土壤水鹽運移規(guī)律可為鹽堿地改良提供理論依據(jù)。在此背景下，以下幾點應該重點關注[39,40]：

圖8 基于WOS土壤水鹽運移研究近5 a關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)Fig.8 Key word co-occurrence network in recent 5 years based on WOS soil water and salt transport research

（1）土壤鹽漬化與地下水埋深密切相關，土壤孔隙等物理結(jié)構同樣對于鹽分累積和遷移產(chǎn)生一定的影響，所以研究地下水埋深、土壤結(jié)構影響下土壤水鹽運移規(guī)律對土壤鹽漬化改良具有重要作用。

（2）“鹽隨水來，鹽隨水去”是研究水鹽動態(tài)運移變化規(guī)律的重要依據(jù)，而鹽類的移動和水的運動密切相關，所以土壤水分的水利工程調(diào)節(jié)是控制土壤鹽漬化重要的措施。覆膜、滴灌、咸淡輪灌、咸水灌溉、秸稈覆蓋、暗管排水等不同種植耕作與管理方式對于土壤中鹽分離子遷移和累積有很大的影響，所以對這些因素下的土壤鹽分運移與模擬的研究是鹽堿地改良的關鍵。

（3）模型預測可以監(jiān)測和預報土壤水鹽運移的狀態(tài)從而有效控制土壤鹽漬化，所以基于水鹽運移理論并進行數(shù)值模擬可以對土壤水鹽平衡狀態(tài)進行預報和評價分析。例如最具代表性的HYDRUS模型、SHAW模型等。

（4）濱海鹽堿地約占總鹽堿地面積的1/6，因此研究濱海高鹽區(qū)水鹽運移規(guī)律是鹽堿地改良很重要的一部分。

（5）種植耐鹽性植物可以提高鹽漬土的利用率，所以耐鹽性農(nóng)作物和植被將會是今后研究的熱點方向。研究土壤-植物系統(tǒng)中水和鹽的運輸機制對于耐鹽性植物的培育有一定的參考價值。

4 結(jié) 論

（1）2000-2020年21 a，國內(nèi)外在土壤水鹽運移領域的發(fā)文量都呈上升趨勢，而且隨著鹽堿地改良問題的日益嚴重性，對于土壤水鹽運移規(guī)律的探討及研究在未來仍然是一個比較熱的話題。

（2）從土壤水鹽運移領域發(fā)表文獻來源來看，該領域核心期刊刊出論文較多的英文期刊有《AGRICULTURAL WATER MANAGEMENT》、《WATER RESOURCES RESEARCH》等,中文期刊有《灌溉排水學報》、《農(nóng)業(yè)工程學報》、《節(jié)水灌溉》等，這些期刊對研究土壤水鹽運移具有很好的參考價值。

（3）從關鍵詞共現(xiàn)，作者、國家、機構合作等方面來看，對于土壤水鹽運移的研究各個國家都有所涉及主要活躍在滴灌、微咸水灌溉、凍融等條件下的實驗研究和數(shù)值模型的模擬，我國在該領域的高影響力發(fā)文機構也位于世界前列。

（4）土壤鹽漬化問題已經(jīng)成為全球性的生態(tài)問題，而土壤水鹽運移規(guī)律的研究將為鹽堿地治理提供有利的理論依據(jù)，未來關于土壤水鹽運移的研究將主要集中在土壤結(jié)構、種植耕作與管理方式、模型預測、濱海鹽堿地、耐鹽性植被的鹽分適應性等幾個方面。

（5）目前關于土壤水鹽運移的研究多集中于田間尺度或單一因素的研究，而對于大區(qū)域或多因素影響下的土壤水鹽運移規(guī)律研究較少，所以摸清多因素影響下土壤水鹽運移規(guī)律是對鹽堿地進行科學調(diào)控和治理的關鍵。