基于CiteSpace的華北冬小麥-夏玉米周年優(yōu)化灌溉制度的節(jié)水潛力分析

劉英博 周 際 陳穎露 姚旭擎 楊曉琳,* 杜太生

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，北京 100193)

華北地區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，對于確保全國糧食安全有重要意義，但該地區(qū)水資源緊缺，地下水超采嚴重。冬小麥-夏玉米一年兩熟制是該地區(qū)主要的種植模式。由于冬小麥生育期降水耦合度低，使得近70%的冬小麥生育期需水靠抽取地下水灌溉來滿足，長期抽取地下水灌溉導致了地下水水位以1 m/年的速度下降，同時在該地區(qū)形成了嚴重的地下漏斗，并引發(fā)了地面沉降、海水入侵、土地荒漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。

優(yōu)化灌溉制度是保證糧食生產(chǎn)、減少灌溉水投入，提高水分利用效率的重要措施。21世紀以來，就華北地區(qū)冬小麥、夏玉米單個作物的優(yōu)化灌溉制度對產(chǎn)量及水分利用效率的影響，相關研究論文發(fā)表數(shù)量大幅度提升。如曹彩云等通過田間定位試驗揭示了不同品種的冬小麥春季5個灌溉制度對產(chǎn)量、耗水量及水分利用效率(WUE)的影響，得到節(jié)水產(chǎn)量潛力高的冬小麥品種在春灌2水(共150 mm)時可達到較高的籽粒產(chǎn)量并提高WUE。劉影等通過DSSAT模型探究了河南省北部地區(qū)夏玉米不同降水年型下的最優(yōu)灌溉制度，得到豐水年夏玉米無需灌溉，在特別干旱年份，則需要在夏玉米苗期、拔節(jié)期、開花期共灌溉180 mm才能獲得較高產(chǎn)量同時保持最高WUE。Xu等通過田間試驗探究了華北冬小麥6種不同灌溉制度對產(chǎn)量和WUE的影響，得出冬小麥在拔節(jié)期和開花期各灌溉75 mm 處理下產(chǎn)量和WUE最高。諸如此方面的研究多集中在冬小麥或者夏玉米單個作物。華北地區(qū)作為典型的一年兩熟區(qū)，將冬小麥-夏玉米年內(nèi)輪作作為一個整體進行周年灌溉制度的考慮與研究，更為重要。

目前針對整個華北地區(qū)以及冬小麥-夏玉米一年兩熟的周年體系作為研究對象的優(yōu)化灌溉制度的報道較少且不系統(tǒng)，且以作物水分模型模擬較多，長期田間定位試驗較少。陳震等通過干旱灌水指數(shù)模型計算了華北冬小麥-夏玉米輪作體系灌溉次數(shù)，結果表明近63年來該種植模式每年需灌水2～7次不等，平均需灌溉5.1次。張志宇等通過建立冬小麥-夏玉米全年灌溉制度多目標優(yōu)化模型，得到當全年總灌水量為472 mm時，兩種作物均接近充分灌溉，增加灌水量的邊際效益將逐漸減少。Yang等通過16年田間定位試驗評估了冬小麥-夏玉米輪作在7種灌溉制度下的周年產(chǎn)量、耗水量、水分生產(chǎn)力等指標，得出冬小麥2水夏玉米1水(年灌溉量225 mm)為最優(yōu)灌溉制度。李源方等通過田間試驗系統(tǒng)研究了冬小麥-夏玉米品種匹配及灌溉制度對周年產(chǎn)量及WUE的影響，得出冬小麥(泰科麥30，2水)與夏玉米(鄭單958，1水)品種組合在年灌溉量180 mm下周年產(chǎn)量和WUE最佳。Zhang等報道采用高水效冬小麥品種在其不灌溉條件下也能提高冬小麥-夏玉米輪作體系的年均產(chǎn)量和WUE。

文獻計量學基于文獻事實，是對以往研究的梳理，以期總結研究現(xiàn)狀與不足；它能從多方面多角度揭示學科的整體布局、發(fā)展方向和學科優(yōu)勢，目前已廣泛應用于農(nóng)業(yè)科學分析中。鄔亞文等分析了1998—2009年全球水稻文獻的數(shù)量和質量，發(fā)現(xiàn)中國水稻發(fā)文量增加最為明顯，而英國和美國發(fā)表的水稻文獻質量最好。閆鵬等基于中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science(WOS)數(shù)據(jù)庫，對1980—2015年來有關華北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水問題的文獻進行匯總分析，闡明了該領域的研究重點是農(nóng)業(yè)節(jié)水技術與節(jié)水基礎理論與方法。唐朝臣等基于CNKI和WOS數(shù)據(jù)庫進行文獻計量，系統(tǒng)闡述了國內(nèi)外甘薯體系的研究態(tài)勢。

因此，本文基于CNKI和Web of Science等數(shù)據(jù)庫，采用文獻計量法，對1995—2020年國內(nèi)外發(fā)表的相關科技論文進行系統(tǒng)整理分析，旨在闡明華北地區(qū)冬小麥-夏玉米一年兩熟制的周年優(yōu)化灌溉制度節(jié)水潛力研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為相關研究者提供一定的參考基礎。同時,對麥玉模式中高灌溉需水作物冬小麥的各項節(jié)水技術(如噴灌、微噴灌、滴灌等工程節(jié)水技術以及品種改良、優(yōu)化灌溉制度等農(nóng)藝節(jié)水技術)進行了系統(tǒng)梳理，以定量表征冬小麥的節(jié)水潛力，以期為華北麥玉模式周年節(jié)水技術的再發(fā)展及潛力的再挖掘提供研究基礎，為國內(nèi)外該領域的科研工作者和決策者提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文所研究的華北地區(qū)包括三省二市，分別是北京市、天津市、山東省、河北省和河南省(圖1)。華北地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，光熱資源豐富，雨熱同季，降水量年際間變化大且多集中在夏季，冬季寒冷干燥，年均降水為500～700 mm。

冬小麥-夏玉米一年兩熟制是華北地區(qū)最主要的種植模式，占總耕地面積的72%。圖2展示了1983—2018年華北地區(qū)各類糧食作物的播種面積，得到小麥和玉米的播種面積在35年遠遠高于其他糧食作物的播種面積，是我國重要的小麥和玉米生產(chǎn)基地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究的文獻數(shù)據(jù)來源于兩部分，英文文獻來源于Web of Science核心合集，包括Science Citation Index Expanded (SCIE)、Social Science Citation Index (SSCI)和Conference Proceedings Citation Index (CPCI) 等數(shù)據(jù)庫，中文文獻來源于中國知網(wǎng) (CNKI)，包括中國學術期刊網(wǎng)絡出版總庫、中國碩士和博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫。中文文獻檢索篇名、主題或關鍵詞中含有“冬小麥 AND夏玉米 AND灌溉制度 OR灌水次數(shù)”的文獻。英文文獻檢索篇名、主題或關鍵詞中含有“winter wheat OR summer maize”的文獻。檢索的論文發(fā)表時間范圍為1995-01-01至2020-01-01，共收集223篇文獻，導入NoteExpress，對中英文文獻進行初步篩選和剔除重復。

圖1 研究區(qū)域及田間試驗地點分布Fig.1 Study area and distribution of field experiment sites

圖2 華北地區(qū)主要作物播種面積Fig.2 Sowing areas of different staple crops in the North China Plain

本研究文獻篩選標準為：(1)研究區(qū)域必須位于華北地區(qū)；(2)文獻必須以華北冬小麥-夏玉米一年兩熟制整體為研究對象，單個作物的灌溉制度研究不包含在內(nèi)；(3)文獻具有冬小麥-夏玉米作物全生育期的灌溉處理記錄；(4)文獻必須含有冬小麥或夏玉米生育期降水量、灌溉量、產(chǎn)量及水分利用效率，或可根據(jù)文獻中已有數(shù)據(jù)依據(jù)多數(shù)文獻所采用的簡單水量平衡公式(1)和水分利用效率公式(2)計算獲得。

ET=

P

+

I

+Δ

W

(1)

式中：ET為作物生育期耗水量，mm；

P

為生育期降水量，mm；

I

為生育期灌溉量，mm；Δ

W

為播種、收獲時土體貯水量的變化，mm。

(2)

式中：WUE為作物水分利用率，kg/m；

Y

為作物籽粒產(chǎn)量,(kg /hm)；

ET

為作物生育期耗水量，mm；10為單位轉換系數(shù)。

經(jīng)過對文獻的全文閱讀與篩選，最后得到93篇文獻，其中中文文獻76篇，英文文獻17篇。所查閱的76篇中文文獻包括46篇期刊文獻，29篇學位文獻和1篇會議文獻。所查閱的17篇英文文獻全部為期刊文獻。93篇文獻中采用田間試驗方法的文獻有72篇，采用數(shù)學模型模擬方法的文獻有21篇。所統(tǒng)計文獻中的試驗地點如圖1所示。

華北地區(qū)接近2/3的降水發(fā)生在6～9月，而冬小麥生育期約70%的需水需要依靠抽取地下水灌溉滿足。探究有關冬小麥節(jié)水技術的節(jié)水潛力及提升冬小麥生育期的水分利用效率，對華北麥玉周年水分利用效率的提升至關重要。因此，本文對1995-01-01至2020-01-01年有關華北冬小麥單作物的主要工程節(jié)水與農(nóng)藝節(jié)水技術進行了系統(tǒng)梳理，以期進一步挖掘冬小麥的節(jié)水技術帶來的節(jié)水潛力，為有效降低麥玉模式的周年耗水提供參考與支撐。

根據(jù)上文所述的統(tǒng)計方法，從WOS核心合集及CNKI中檢索得到冬小麥、滴灌、噴灌、微噴灌、品種選育及優(yōu)化灌溉制度等節(jié)水技術的相關文獻，只篩選位于華北的田間定位實驗(模型研究不包含在內(nèi))、文獻必須有常規(guī)漫灌做對照，文獻必須包含冬小麥產(chǎn)量、生育期耗水量及水分利用效率數(shù)據(jù)的兩者以上(或可根據(jù)生育期降水量、灌溉量等計算得到耗水量)，通過對符合上文所述篩選標準的文獻進行統(tǒng)計，并與對照(常規(guī)漫灌)相比，在2.2部分定量化了各節(jié)水技術在冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率上的差異。

1.3 研究方法

本研究采用文獻計量學方法，利用NoteExpress進行數(shù)據(jù)提取，借助CiteSpace對主要作者、機構、關鍵詞等進行可視化圖譜分析。

CiteSpace是基于JAVA程序語言編寫的可視化軟件，可通過一定算法處理數(shù)據(jù)，繪制知識圖譜，以節(jié)點、連線、聚類等方式展現(xiàn)相關研究領域的熱點趨勢、核心力量等關鍵信息。

本文整理篩選后的93篇文獻導入Citespace中，設定時區(qū)為1995—2020，設定時間切片為1年，設定節(jié)點類型(Node type)為作者(Author)、關鍵詞(Keyword)，選擇剪輯切片網(wǎng)絡(Pruning sliced networks)的剪切連接方式，并最終采用展示整個網(wǎng)絡(Show merged network)的方式完整呈現(xiàn)所篩選數(shù)據(jù)的分析圖譜。

利用Excel 2019和CiteSpace進行作圖與分析。

2 結果與分析

2.1 研究文獻發(fā)表量的年際變化

根據(jù)文獻發(fā)表年份等信息，分析得到1995—2019年有關華北冬小麥-夏玉米模式優(yōu)化灌溉制度的中英文文獻數(shù)量變化如圖3所示。在2000年之前，相關中英文文獻發(fā)表量均較少；2000年以后，相關研究進入初期發(fā)展階段，中文文獻發(fā)表量雖然有一定波動，但總體呈上升態(tài)勢；英文文獻發(fā)表量明顯少于中文文獻，且發(fā)文量波動程度較大，直到2016年后英文文獻發(fā)表才呈穩(wěn)定上升趨勢。2004年后，該領域研究開始快速發(fā)展，中文文獻數(shù)量開始逐步增加。2010年后，相關文獻發(fā)表數(shù)量大量增加，2010—2019年間中英文文獻發(fā)表量占統(tǒng)計文獻總量的76%。這是因為隨著華北糧食生產(chǎn)與地下水過度開采的矛盾日益嚴重，更多研究者開始關注該地區(qū)冬小麥-夏玉米的優(yōu)化灌溉制度，提高了相關研究熱度。

圖3 1995—2019年華北地區(qū)冬小麥-夏玉米體系優(yōu)化灌溉制度研究中英文文獻發(fā)表數(shù)量Fig.3 Studies on optimized irrigation regime of winter wheat-summer maize system in the North China Plain during 1995-2019

2.2 主要研究機構

根據(jù)第一作者單位統(tǒng)計，發(fā)表文獻數(shù)量排名前10的機構見表1。1995—2019年，發(fā)表關于華北地區(qū)冬小麥-夏玉米模式周年優(yōu)化灌溉制度研究的前三位機構分別是中國農(nóng)業(yè)大學、中國科學院遺傳與發(fā)育生物研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心與河南農(nóng)業(yè)大學。其文獻發(fā)表主要發(fā)生于2010年之后，與圖3文獻發(fā)表趨勢吻合。

在總發(fā)文量排名前10的機構中，大學占60%，尤其農(nóng)科類大學是我國華北地區(qū)麥玉模式周年優(yōu)化灌溉制度研究的重要力量。其中中國農(nóng)業(yè)大學累計發(fā)表中英文文獻共計25篇，占總文獻數(shù)量的26.88%，主要集中在河北省吳橋試驗站。其次為中國科學院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站，多為長期定位實驗和冬小麥或夏玉米為對象。

表1 華北地區(qū)冬小麥-夏玉米模式周年優(yōu)化灌溉制度發(fā)表文獻數(shù)量前10名機構統(tǒng)計
Table 1 Top ten institutions on optimized irrigation regime of winter wheat-summer maize system in the North China Plain

排序Rank研究機構Research institution數(shù)量/篇Number占發(fā)文總量比例/%Proportion in totalpublished literatures1中國農(nóng)業(yè)大學 China Agricultural University2526.882中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心Agricultural Resources Research Center, Institute of Genetics and De-velopmental Biology, Chinese Academy of Sciences99.683河南農(nóng)業(yè)大學 Henan Agricultural University99.684中國科學院地理科學與資源研究所Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Cas77.535山東農(nóng)業(yè)大學 Shandong Agricultural University77.536華北水利水電大學North China University of Water Resources and Electric Power77.537中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所Institute of Farmland Irrigation, Chinese Academy of Agricultural Sci-ences66.458中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences33.239河北農(nóng)業(yè)大學 Hebei Agricultural University 33.2310青島農(nóng)業(yè)大學 Qingdao Agricultural University33.23

2.3 試驗站點分布

圖4 華北地區(qū)各試驗站點相關中英文文獻發(fā)表數(shù)量Fig.4 Number of publications from the referred experiment stations in the North China Plain

共收集到田間試驗站點有27個，如圖1所示。發(fā)表文獻數(shù)目排名前10的站點如圖4所示。其中發(fā)表文獻最多的試驗站點是中國科學院欒城試驗站，共有14篇分別為英文文獻7篇，中文文獻7篇。其次是中國農(nóng)業(yè)大學吳橋試驗站，共有13篇(英文3篇，中文10篇)。除此之外，中科院禹城綜合實驗站、中國農(nóng)業(yè)科學院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學觀測試驗站、山東省泰安農(nóng)業(yè)氣象試驗站、中國農(nóng)業(yè)大學北京通州試驗站、鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗站等5個試驗站點所發(fā)表文獻數(shù)量也均大于或等于5篇，以上試驗站點為華北地區(qū)冬小麥-夏玉米模式周年優(yōu)化灌溉制度研究做出了很大貢獻。

2.4 發(fā)表期刊分析

在搜集到的76篇中文文獻中，46篇期刊文獻共涉及17個期刊，其文獻發(fā)表數(shù)量與期刊所屬省份等信息如表2所示。近年來發(fā)表相關文獻最多的期刊是農(nóng)業(yè)工程學報，發(fā)表文獻數(shù)目占中文文獻總數(shù)的13%，其次為中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報發(fā)表(中英文)7篇。此外，灌溉排水學報與中國農(nóng)業(yè)科學等期刊也都在該研究主題發(fā)表過多篇文獻，占有重要地位。

17篇英文文獻全部為國際期刊文獻(表3)，共涉及11個不同英文期刊，期刊總部涉及5個不同國家，其中4個期刊總部來自荷蘭，3個來自美國，2個來自瑞士，2個來自英國，其中總部來自荷蘭的期刊影響相對較高，如

Agricultural

Water

Management

在該領域發(fā)表英文文獻最多，占英文文獻總數(shù)的41%，除此期刊之外的10個英文期刊發(fā)表文獻數(shù)量均為1篇，這表明

Agricultural

Water

Management

是該領域的熱門期刊，被同行認可度較高。2018年后發(fā)表的英文期刊文獻占英文期刊文獻總數(shù)的47%，說明相關學者近年來更加重視高水平國際期刊的論文發(fā)表，這也表明了近年來我國相關研究機構和研究人員更加傾向于將該領域領先進的研究內(nèi)容發(fā)表在國際期刊中。

2.5 高影響力文獻

關于華北冬小麥-夏玉米周年優(yōu)化灌溉制度的發(fā)表文獻中被引用次數(shù)排名前10的論文情況如表4和5所示。被引次數(shù)排名前10的中文文獻中有5篇發(fā)表于2010年后，占文獻總數(shù)45.5%，同期發(fā)表的英文文獻占被引次數(shù)排名前10的英文文獻總數(shù)的50%。這說明在2010年之后，該領域的相關研究較之前取得了較大進步。

2.6 主要發(fā)文作者

利用CiteSpace中Author分析功能對發(fā)文作者進行分析，得到發(fā)文作者圖譜如圖5所示。來自中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心的張喜英在該領域發(fā)文數(shù)量最多，李潮海、任理、孫宏勇、孫景生等科研人員同樣在該領域有較大貢獻。由圖5可以看出，不同作者間主要以核心作者為節(jié)點開展合作研究，但核心作者彼此之間合作較少，這主要是因為不同作者所屬團隊、單位不同，同時地理距離較遠，聯(lián)系相對較少。未來該領域研究應當加強不同團隊、不同作者間的合作。

2.7 關鍵詞分析

關鍵詞可視化分析在很大程度上能反映學科的主要研究內(nèi)容、研究現(xiàn)狀、研究熱點和發(fā)展趨勢等內(nèi)容。選擇CiteSpace軟件“Keyword”功能繪制關

表2 中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中華北地區(qū)冬小麥-夏玉米模式周年優(yōu)化灌溉制度研究相關期刊
Table 2 Journals and number of publications on optimized irrigation regime of winter wheat-summer maize system in the North China Plain from CNKI database

期刊Journal文獻數(shù)量/篇Number ofliteratures是否為核心期刊Core journal or not農(nóng)業(yè)工程學報Transacti ons of the Chinese Society of Agricultural Engineering10 是中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文)Chinese Journal of Eco-Agriculture7是灌溉排水學報 Journal of Irrigation and Drainage5是中國農(nóng)業(yè)科學 Scientia Agricultura Sinica5是水土保持學報 Journal of Soil and Water Conservation4是 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究 Agricultural Research in the Arid Areas4是作物雜志 Crops2是水利學報 Journal of Hydraulic Engineering2是 應用生態(tài)學報 Chinese Journal of Applied Ecology1是生態(tài)學報 Acta Ecologica Sinica1是農(nóng)業(yè)機械學報Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery1是作物學報 Acta Agronomica Sinica1是核農(nóng)學報 Acta Agriculturae Nucleatae Sinica1是中國農(nóng)村水利水電 China Rural Water and Hydropower1是河南農(nóng)業(yè)科學 Journal of Henan Agricultural Sciences1是人民黃河 Yellow River1是節(jié)水灌溉 Water Saving Irrigation1是

表3 Web of Science數(shù)據(jù)庫中華北地區(qū)冬小麥-夏玉米模式周年優(yōu)化灌溉制度研究相關期刊
Table 3 Journals and number of publications on optimized irrigation regime of winter wheat-summer maize system in the North China Plain from Web of Science database

期刊Journal文獻數(shù)量/篇Number of literatures國家CountryAgricultural Water Management7荷蘭 the NetherlandsScience of the Total Environment1荷蘭 the NetherlandsJournal of Integrative Plant Biology1英國 UKAgronomy-Basel1瑞士 SwitzerlandAgricultural Systems1英國 UKIrrigation Science1美國 USAFrontiers in plant science1瑞士 SwitzerlandIrrigation and Drainage1美國 USAAgronomy Journal1美國 USAComputers and Electronics in Agriculture1荷蘭 the NetherlandsAgricultural and Forest Meteorology1荷蘭 the Netherlands

圖5 華北冬小麥-夏玉米輪作周年優(yōu)化灌溉制度主要發(fā)文作者分析Fig.5 Analysis of main authors of winter wheat-summer maize double cropping system in the North China Plain

鍵詞共現(xiàn)圖譜(圖6)，其中圓圈大小和字體大小以及所處位置和中心點的距離均與關鍵詞出現(xiàn)次數(shù)呈正相關。圖中共有節(jié)點256個，連線713條，網(wǎng)絡整體密度0.021 8，關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡結構整體密度不高，但網(wǎng)絡結構形態(tài)較好，說明相關主題研究較為集中。圖6表明華北地區(qū)冬小麥-夏玉米模式灌溉制度的研究點主要集中在產(chǎn)量與水分利用效率上，同時作物光合特性、生長特性、耗水規(guī)律、模型模擬、水分生產(chǎn)函數(shù)、土壤水分、滴灌、種植方式等出現(xiàn)的次數(shù)同樣較高，并且與冬小麥-夏玉米模式水分研究聯(lián)系較為緊密，與高頻詞產(chǎn)量結合關系較近。

為明確各個關鍵詞在研究中的關系，通過CiteSpace對關鍵詞做聚類分析，得到關鍵詞共現(xiàn)聚類圖譜(圖7)，其中去除了聚類詞不能合理表達聚類結果的聚類標簽。關鍵詞聚類圖譜清晰地將關鍵詞的強聚類性在圖中表現(xiàn)出來，聚類模塊值(Modularity)為0.691 9，聚類結構顯著，聚類平均輪廓值0.901 4，聚類類別令人信服，結果中聚類大小和聚類強度就是聚類圖譜中關鍵詞字體大小和詞組緊湊程度的指征。圖7可以看出非充分灌溉條件與產(chǎn)量及水分利用效率緊湊強度非常高，說明非充分灌溉條件下的產(chǎn)量及水分利用效率是該研究主題的主要內(nèi)容。此外，土壤水分與土壤棵間蒸發(fā)、非充分灌溉條件與水分生產(chǎn)函數(shù)同樣聯(lián)系緊密。冬小麥與非充分灌溉、水分利用效率聯(lián)系密切，作為生育期需大量補充灌溉的作物，其研究熱點相較于夏玉米更貼近與灌溉方向。

時區(qū)圖可以展示某學科領域內(nèi)熱點關鍵詞隨時間的發(fā)展，突發(fā)性檢測被認為是高度活躍研究領域的指示器，它可以探索新興趨勢和轉瞬即逝的潮流，為國內(nèi)學術界對研究熱點的持續(xù)時間提供較為清晰的可視化分析。利用CiteSpace得到時區(qū)圖譜和突顯詞功能進而繪制圖8，得到近五年華北冬小麥-夏玉米模式周年優(yōu)化灌溉制度的研究在作物生長特性以及水分生產(chǎn)函數(shù)上有較高熱度，研究起始為1995年對于冬小麥耗水量的相關研究，1998年引入灌溉制度的相關研究，并在2000年之后開展了大量有關節(jié)水、增產(chǎn)及土壤水分相關的研究，通過圖中同時可看出，有關土壤水分、耗水特性相關研究都與產(chǎn)量密不可分，近年來有關冬小麥-夏玉米周年水分利用的研究仍然主要圍繞作物需水規(guī)律和產(chǎn)量開展，隨著研究的深入，越來越多的研究方法與思想融入了該研究體系，如多目標優(yōu)化、水分生產(chǎn)函數(shù)、光合特性等方面的研究關鍵詞的出現(xiàn)也證實了這一點。

圖6 華北冬小麥-夏玉米輪作周年優(yōu)化灌溉制度關鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.6 Keywords co-occurrence map of winter wheat-summer maize double cropping system in the North China Plain

2.8 華北地區(qū)高耗水作物冬小麥節(jié)水技術研究態(tài)勢

華北地區(qū)近60%的降水發(fā)生在夏玉米生長季，導致冬小麥生育期約300 mm的需水要依靠地下水灌溉滿足。因此，提高華北冬小麥-夏玉米體系的水分利用效率，重點在冬小麥的水分利用效率的提升上。前人對冬小麥單個作物的節(jié)水技術進行了廣泛研究。傳統(tǒng)大水漫灌不僅容易產(chǎn)生深層滲漏，并且不易控制灌水量，無法做到精量灌溉、浪費水資源，良好的農(nóng)藝節(jié)水技術如優(yōu)化灌溉制度、生物節(jié)水技術如選育抗旱品種、以及結合工程節(jié)水技術如滴灌、噴灌、微噴灌等，可減少田間水分無效散失、提高作物產(chǎn)量進而提高作物水分利用效率。

本文接下來對過去25年來有關華北冬小麥的主要工程節(jié)水與農(nóng)藝節(jié)水技術進行了系統(tǒng)梳理(表6)，以期進一步挖掘冬小麥的節(jié)水潛力，為有效降低麥玉模式的周年水分消耗提供依據(jù)。通過對符合上文所述篩選標準的文獻進行統(tǒng)計，并計算與對照(常規(guī)漫灌)相比，各節(jié)水技術在冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率上的差異，見表6。

結果表明，與常規(guī)漫灌(3水，約225 mm總灌溉量)相比，噴灌、滴灌、微噴灌、選用抗旱節(jié)水品種等技術具有較為穩(wěn)定的節(jié)水增產(chǎn)潛力，可降低田間耗水量7%～13%、產(chǎn)量不同程度地增加2%～10%，進而提高了冬小麥的水分利用效率約5%～28%。優(yōu)化灌溉制度，減少灌溉次數(shù)，根據(jù)不同的降水年型保證冬小麥關鍵生育期的需水，可明顯提高冬小麥生育期的水分利用效率。據(jù)不完全統(tǒng)計，雨養(yǎng)(0次灌水)情況下，產(chǎn)量約降低18%，耗水量降低約25%，WUE提高約9%。1水(多為75 mm的拔節(jié)水)情況下，產(chǎn)量約降低9%，耗水量降低約14%，WUE提高約6%。2水(多為拔節(jié)，開花或灌漿水，75 mm/次)情況下，產(chǎn)量約降低2%，耗水量降低約9%，WUE提高約7%。

圖7 華北冬小麥-夏玉米輪作周年優(yōu)化灌溉制度關鍵詞共現(xiàn)聚類圖譜Fig.7 Keywords co-occurrence cluster atlas of winter wheat-summer maize double cropping system in the North China Plain

圖8 華北冬小麥-夏玉米輪作周年優(yōu)化灌溉制度關鍵詞時區(qū)圖譜Fig.8 Keywords of time-zone map of winter wheat-summer maize double cropping system in the North China Plain

有些研究對秸稈覆蓋和地膜覆蓋進行了探究，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋可減少土壤蒸發(fā)、少量增產(chǎn)，但也有不少研究表明秸稈覆蓋會導致冬小麥穗數(shù)降低進而減產(chǎn)。地膜覆蓋，在華北有一些田間試驗探索，但存在不易機械化播種、追肥不便、更易使冬小麥發(fā)生倒伏，更重要的是增加成本和環(huán)境污染等問題，故此地膜覆蓋、秸稈覆蓋在華北冬小麥上并不宜使用推廣。

表6 華北冬小麥節(jié)水技術下產(chǎn)量、耗水量與水分利用效率變化情況
Table 6 Differences of yield, ET and WUE of winter wheat under water-saving technologies in the North China Plain

節(jié)水技術Water-savingtechniques產(chǎn)量變化/%Yield change ET變化/%Evapotran-spirationchange WUE變化/%Water useefficiencychange 中文數(shù)量Number ofliteratures inChinese英文數(shù)量Number ofliteratures inEnglish總文獻數(shù)量/篇Number oftotalliteratures噴灌 Spray irrigation+10%(0～44%)-9%(-24%～0)+21%(0～52%)16420滴灌 Drip irrigation+9%(-4%～56%)-13%(-32%～1%)+28%(1%～100%)4711微噴灌Micro-spray irrigation+2%(-6%～15%)-7%(-26%～14%)+14%(3%～34%)8311品種選育 Breeding+7%(6%～7%)+1%(-2%～5%)+5%(1%～9%)202灌溉制度優(yōu)化Irrigation regime optimize0水 Zero irrigation-18%(-29%～1%)-25%(-30%～-20%) 9%(-6%～33%)1水 One irrigation-9%(-19%～3%)-14%(-20%～-6%)6%(-7%～28%)2792水 Two irrigations-2%(-9%～4%)-9%(-12%～-7%)7%(3%～11%)

注：1水多為75 mm的拔節(jié)水；2水多為拔節(jié)、開花或灌漿水，75 mm/次。

Note: One irrigation is mostly at jointing stage of 75 mm; Two irrigation are mostly at jointing stage, anthesis or filling stage with 75 mm/time.

3 討 論

3.1 華北冬小麥-夏玉米周年灌溉制度優(yōu)化文獻計量發(fā)展態(tài)勢

之前大多數(shù)學者主要關注華北冬小麥或夏玉米單一作物而不是整個種植模式的水分利用研究。有關冬小麥或夏玉米單一作物優(yōu)化灌溉制度的發(fā)文量較多，但研究冬小麥-夏玉米周年種植模式上的優(yōu)化灌溉制度發(fā)文量就相對較少。在近十年內(nèi)，華北地區(qū)冬小麥-夏玉米一年兩熟制的優(yōu)化灌溉制度研究熱度迅速增加。2010年以前的相關研究，發(fā)表文獻數(shù)量少且主要以中文為主。在2010年之后，相關研究發(fā)表文獻數(shù)量和引用量較2010年之前有明顯增加，英文文獻的發(fā)表量迅速增長。2010年以來我國科研工作者在該領域發(fā)表文獻數(shù)量和質量不斷提高。但目前有關冬小麥-夏玉米一年兩熟周年水分利用及水分生產(chǎn)力進一步提升的機理還有待于進一步挖掘與闡釋。

對于該領域的研究機構來說，固定的試驗站點和長期定位試驗需要加強重視。處于領先地位的中國農(nóng)業(yè)大學和中科院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心分別在河北吳橋和欒城有固定試驗站，并在站內(nèi)設定長期定位實驗，為其科研人員進行冬小麥-夏玉米模式優(yōu)化灌溉制度的節(jié)水潛力研究打下了堅實基礎。目前相關研究不同作者間以核心作者為節(jié)點展開的合作較多，但是核心作者間合作少，導致大多數(shù)作者間聯(lián)系少，需要在未來加強不同單位、不同團隊、不同作者間的合作。

盡管國內(nèi)學者對于華北冬小麥-夏玉米實際生產(chǎn)情況更為了解，但從文獻計量結果來看目前關于華北冬小麥-夏玉米模式優(yōu)化灌溉制度的研究很少與美國康奈爾大學、丹麥哥本哈根大學、荷蘭瓦赫寧根大學等國際知名機構展開合作交流。國內(nèi)學者應利用自身對華北實際生產(chǎn)非常熟悉的優(yōu)勢，并且加強與國際知名研究單位的合作，以期引入新節(jié)水技術、節(jié)水設備以及相關領域的研究內(nèi)容、算法或模型，提高該領域科研的整體水準，既服務實際生產(chǎn)，又與國際接軌。本研究采用文獻計量法進行系統(tǒng)總結，文獻計量學所有文獻來自各類數(shù)據(jù)庫，而數(shù)據(jù)庫內(nèi)的文章數(shù)量、被引次數(shù)等在不斷更新。因此，針對特定學科領域的文獻計量學研究可能會受到所選數(shù)據(jù)庫類型、檢索關鍵詞、檢索時間等的影響。考慮到數(shù)據(jù)庫的不斷更新，本研究只能力求客觀公正的研究某一時間段內(nèi)該領域的發(fā)展態(tài)勢。

3.2 關于華北地區(qū)冬小麥-夏玉米輪作模式周年節(jié)水發(fā)展的建議

前人對于冬小麥、夏玉米單個作物的單項農(nóng)藝、工程等節(jié)水技術研究較多，本文考慮應將冬小麥、夏玉米的農(nóng)藝節(jié)水措施與工程節(jié)水措施等單一技術相互融合，從品種選育、優(yōu)化灌溉制度(優(yōu)化灌溉時間和灌溉量等)、栽培方式(播期、密度、化學調控等)、灌溉技術等多方面出發(fā)，選用節(jié)水抗旱小麥、玉米品種、精量灌溉、覆蓋保墑、水肥一體化、滴灌與微噴等技術相互結合，構建整合的配套節(jié)水技術體系和灌溉設備與技術。同時將冬小麥-夏玉米一年兩茬作為一個體系來充分考慮周年的水分利用，合理優(yōu)化周年的灌溉制度，促進冬小麥的根系下扎，擴大冬小麥收獲后的土壤水庫空庫容，便于更多地接納汛期多余的降水，減少水分的滲漏流失，同時也更好地截留夏季未被利用的速效氮素，減少養(yǎng)分的流失。

4 結論與展望

近十年來，關于華北地區(qū)冬小麥-夏玉米一年兩熟制周年優(yōu)化灌溉制度的研究熱度不斷上升，2010—2019年間在該領域發(fā)表的中英文文獻數(shù)量占檢索條件下(1995初—2019年末)總文獻量的76%，且發(fā)文質量明顯提升。主要由于華北地區(qū)地下水漏斗問題日益嚴峻，與糧食生產(chǎn)矛盾日益加劇，相關問題引起了學術界重視，另外國家近些年對于該領域科研的持續(xù)投入，使得相關研究可以在華北地區(qū)大規(guī)模進行。

雖然該領域研究熱度不斷上升，但是引起學術共同體的整體關注度不足，且存在著如試驗站點分布不均、作者間合作較少、缺少長期穩(wěn)定的定位試驗等問題。未來，應當繼續(xù)加強華北地區(qū)冬小麥-夏玉米一年兩熟制周年優(yōu)化灌溉方面的研究，挖掘該模式的最大節(jié)水產(chǎn)糧潛力，著重于解決現(xiàn)存問題并同時結合先進的工程、農(nóng)藝、生物及管理措施，以形成整合的配套麥玉一年兩熟制的節(jié)水技術體系。同時，在相關領域的研究和技術發(fā)展落實離不開節(jié)水政策的支持，故此在未來也應該提高節(jié)水政策的關注度，為解決華北地區(qū)水資源匱乏與糧食生產(chǎn)的矛盾問題提供切實可行的節(jié)水技術與實踐依據(jù)，為服務三農(nóng)提供支撐。