基于文獻(xiàn)計量學(xué)分析泥沙來源研究進(jìn)展與熱點

黨 真, 楊明義, 張加瓊

(1.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100;3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4.中國科學(xué)院 第四紀(jì)科學(xué)與全球變化卓越創(chuàng)新中心, 陜西 楊凌 712100)

泥沙是土壤侵蝕的重要產(chǎn)物，其對土地生產(chǎn)力、水環(huán)境健康、人類健康、航運(yùn)、水庫管理、區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等均具有重要的影響。有效的水土保持措施通過防控水土流失削弱泥沙產(chǎn)生的危害。確定侵蝕強(qiáng)度及其空間分布可為水土保持措施的制定提供科學(xué)依據(jù)，明晰泥沙源地及其貢獻(xiàn)則為揭示土壤侵蝕強(qiáng)度及其空間分布提供可行途徑。因而，泥沙來源研究是水土保持措施制定的重要前提之一。只有“因源制宜”，才可以以較低的人力物力成本取得較好的水土保持成果[1]。

泥沙來源研究的技術(shù)與方法隨著泥沙來源研究工作的開展逐漸革新。其從最初的徑流小區(qū)觀測法、水文資料分析法、調(diào)查法，發(fā)展到元素示蹤、指紋識別技術(shù)等，極大地促進(jìn)了泥沙來源研究的發(fā)展。徑流小區(qū)觀測法多用于侵蝕與泥沙輸移典型的區(qū)域，所得結(jié)果較直觀[2-3]。水文資料分析法基于流域內(nèi)不同水文站的水沙數(shù)據(jù)，差減計算不同水文站之間的產(chǎn)沙量，從而間接地確定泥沙來源[4]。調(diào)查法通過結(jié)合人工野外調(diào)查和遙感技術(shù)判定泥沙來源[2,5]。上述傳統(tǒng)方法雖然為泥沙來源研究奠定了基礎(chǔ)，卻存在各種各樣的局限性，如徑流小區(qū)觀測法的應(yīng)用受空間尺度限制；水文資料分析法僅適用于有水文泥沙觀測數(shù)據(jù)的流域；調(diào)查法所得結(jié)果精確度有限，且應(yīng)用費(fèi)時費(fèi)力。相比傳統(tǒng)的方法，示蹤技術(shù)革新了準(zhǔn)確識別泥沙來源的方法，然而示蹤技術(shù)試驗成本高，工作量大，且只適用于小區(qū)域范圍，在較大空間尺度、泥沙源地較多時應(yīng)用受限[6-7]。與上述方法相比，指紋識別法將土壤各種物理[8]、化學(xué)[9]、生物[10]、光學(xué)等[11]性質(zhì)作為指紋因子，不探討研究復(fù)雜的泥沙產(chǎn)生和輸移過程，為泥沙來源研究提供了新思路。然而單一指紋因子對多源地(≥3)泥沙來源辨別力有限且不確定性較大，使用多個指紋因子的復(fù)合指紋識別可提高指紋識別的泥沙來源的可信度。在于全球多個地區(qū)(黃土高原[12]、伊朗山區(qū)[13]、英國[14]等地)的泥沙來源研究中得到廣泛應(yīng)用[15]。雖然國內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法從多角度研究了泥沙來源，也有學(xué)者對研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述[16-18]，但研究成果仍然較分散，缺乏可視化的系統(tǒng)性梳理，不利于準(zhǔn)確把握知識群之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系，從而影響對當(dāng)前的熱點問題以及發(fā)展前景的準(zhǔn)確把握。

本文采用文獻(xiàn)計量學(xué)和科學(xué)知識圖譜方法，基于引文網(wǎng)絡(luò)可視化工具——CiteSpace，在遵循信息知識單位相似性及測度的基本運(yùn)行原理基礎(chǔ)上，著眼于挖掘文獻(xiàn)中蘊(yùn)含的深層次知識，實現(xiàn)文獻(xiàn)研讀方式從主觀碎片化向客觀全景化的轉(zhuǎn)變，直觀、生動、多元化的展現(xiàn)目標(biāo)領(lǐng)域的發(fā)展情況[19-20]，分析中國知網(wǎng)(CNKI)以及Web of Science數(shù)據(jù)庫中關(guān)于泥沙來源的所有文獻(xiàn)，借助其關(guān)鍵詞( Keywords)和機(jī)構(gòu)( Institution)分析功能厘清泥沙來源研究領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，繪制研究領(lǐng)域的關(guān)鍵演化圖譜，探析泥沙來源研究前沿，分析當(dāng)前的熱點主題與發(fā)展方向，為進(jìn)一步推進(jìn)泥沙來源研究領(lǐng)域的發(fā)展提供有價值的參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究文獻(xiàn)來源于中國知網(wǎng)(CNKI)總庫和Web of Science核心合集。通過中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫，分別以“泥沙來源”和“土壤侵蝕”、“泥沙來源”和“侵蝕”、“泥沙來源”和“土壤流失”、“泥沙來源”和“水土流失”、“泥沙來源”和“水蝕”為關(guān)鍵詞組進(jìn)行檢索。在Web of Science中，以(“sediment source” or “sediment sources” or “the source of sediment”) and (“soil erosion”or“erosion”or“soil loss” or “soil and water loss” or “water erosion”)檢索，在對所獲文獻(xiàn)剔除重復(fù)文獻(xiàn)、會議論文、綜述、征稿和筆記后，最終篩選獲得迄今(截止到2020年12月31日)以“泥沙來源”和“侵蝕”以及“sediment sources”和“erosion”為核心關(guān)鍵詞的所有文獻(xiàn)共計6 284篇。其中包含CNKI數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)217篇，Web of Science數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)6 067篇。

1.2 研究方法

本文基于中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science核心數(shù)據(jù)集，應(yīng)用CiteSpace軟件進(jìn)行關(guān)鍵詞(題目、摘要和關(guān)鍵詞)分析，關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率越高，即受到的關(guān)注度越高，也就是該領(lǐng)域的熱點問題。根據(jù)研究熱點詞和突現(xiàn)圖，可視化呈現(xiàn)泥沙來源研究領(lǐng)域的研究熱點和未來潛在研究熱點，再通過時區(qū)圖對研究階段進(jìn)行劃分，展現(xiàn)該領(lǐng)域的歷史發(fā)展脈絡(luò)。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)文數(shù)量的時空分布特征

中文和英文文獻(xiàn)發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果顯示，英文文獻(xiàn)發(fā)文數(shù)量遠(yuǎn)大于中文發(fā)文數(shù)量，且英文發(fā)文量呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的趨勢，中文發(fā)文量波動變化(圖1)。國家發(fā)文量的變化可以反映出該領(lǐng)域的區(qū)域研究熱度。基于本研究收集的文獻(xiàn)，選取發(fā)文量排名前十的國家，統(tǒng)計分析1985年以來的區(qū)域發(fā)文量變化(圖2)。排名前十的國家以歐洲居多。結(jié)果顯示，發(fā)文量排名前五的國家依次為：美國、中國、英國、法國和德國。這5個國家的發(fā)文量都呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的趨勢，中國在2015—2019年時間段內(nèi)增速最大。上述現(xiàn)象表明對于泥沙來源的研究熱度不斷升高。

圖1 中英文文文獻(xiàn)發(fā)文時間統(tǒng)計

圖2 國家發(fā)文量時間變化

2.2 機(jī)構(gòu)發(fā)文量分析

中心度是用來測試研究機(jī)構(gòu)節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中重要性的指標(biāo)，并以此來發(fā)現(xiàn)和衡量文獻(xiàn)的重要程度。中心度的計算公式如下[22]：

選取兩個主要的國內(nèi)機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)制成圖3，圖譜顯示科研院所是國內(nèi)泥沙來源研究領(lǐng)域的主要力量。其中，以中國科學(xué)院水利部水土保持研究所為中心組成了該領(lǐng)域最大的合作網(wǎng)絡(luò)，但圖譜的密度值僅為0.008 4，表明機(jī)構(gòu)間的合作較為分散。發(fā)文量最多的機(jī)構(gòu)為中國科學(xué)院水利部水土保持研究所和西北科技大學(xué)水土保持研究所，前者中心度最高，為0.02。但是不管是中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，還是西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所根本就是同一個單位，這也進(jìn)一步說明了該研究所在國內(nèi)泥沙來源研究領(lǐng)域的重要地位(圖3)。英文文獻(xiàn)發(fā)文量前三的機(jī)構(gòu)分別為Chinese Academy of Sciences(中國科學(xué)院)、United States Geological Survey(美國地質(zhì)調(diào)查局)以及Usda Agricultural Research Institute(美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究所)，且上述三家機(jī)構(gòu)中心度分別為0.18，0.17，0.06，是該研究領(lǐng)域的核心單位[21](圖4)。總體上，中英文發(fā)文量的分布特征表明，中國科學(xué)院的發(fā)文量和中心度都位居首位，在世界范圍具有較強(qiáng)的影響力。

2.3 現(xiàn)行研究熱點

對中英文文獻(xiàn)出現(xiàn)頻率排名前十關(guān)鍵詞的提取和整合發(fā)現(xiàn)，熱點關(guān)鍵詞主要涉及研究對象、方法和主題3個方面(表1)。研究的熱點對象主要涉及catchment(流域)、river(河流)和basin(盆地)等不同尺度，主要包括淤地壩、黃土高原、黃河中游以及崩崗侵蝕區(qū)；研究方法主要包括指紋識別和model(模型)；研究主題囊括erosion(侵蝕)、suspended sediment(懸浮泥沙)、sediment(沉積物)、evolution(演變)、transport(輸移)過程。可見，現(xiàn)行的熱點研究主要是運(yùn)用各種方法探索不同種類的侵蝕泥沙來源及其變化過程。獲得泥沙來源的信息有助于河流及流域管理，從河流到流域再到盆地，表明泥沙來源的研究領(lǐng)域向著更廣泛的空間尺度發(fā)展，這也進(jìn)一步說明了研究泥沙來源的重要性。

圖3 中文文獻(xiàn)發(fā)文機(jī)構(gòu)圖

圖4 英文文獻(xiàn)發(fā)文機(jī)構(gòu)圖

表1 泥沙來源研究熱點詞分類

本研究以五年為時間切片，繪制的泥沙來源研究前沿時區(qū)圖譜(圖5，6)，清晰地展現(xiàn)了泥沙來源研究的發(fā)展演進(jìn)過程[23]。關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間及其后繼時段中出現(xiàn)頻次形成的累加效應(yīng)(用關(guān)鍵詞所在節(jié)點斑塊面積的大小表示)展示了相關(guān)研究出現(xiàn)的時間和重要性。結(jié)果表明在1990年之前，中文文獻(xiàn)研究側(cè)重于土壤侵蝕量、產(chǎn)沙量、土壤流失量等關(guān)于泥沙量的定量研究[24-25]，而1990年后，研究者開始關(guān)注泥沙來源的主要影響因素，例如土地利用、人類活動等(圖5)。近年來，極端氣候(暴雨、洪水等)對泥沙來源的影響引起矚目[26-27]，在暴雨情況下，明晰流域、河流泥沙來源的特征，對優(yōu)化水土保持措施，提高其抵御極端降雨的危害具有重要作用。在整個研究過程中，“黃河中游”、“粗泥沙”、“粗泥沙集中來源區(qū)”一直備受關(guān)注，可見在黃河中游區(qū)域，黃土高原作為重要的產(chǎn)沙源地，對黃河的健康運(yùn)行影響深遠(yuǎn)。

圖5 中文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞時區(qū)圖

圖6 英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞時區(qū)圖

中英文文獻(xiàn)的統(tǒng)計結(jié)果表明在研究泥沙來源的同時，均十分關(guān)注泥沙來源的影響因素，如“climate change”、“management/ management practices”、“l(fā)and use”、“environmental change”等。而英文文獻(xiàn)同時也關(guān)注指紋識別法方法本身的發(fā)展，通過分析“model/ mixing model”、 “organic carbon”、“particle size”等影響復(fù)合指紋識別準(zhǔn)確性的關(guān)鍵方面，分析方法的不足對泥沙來源判別結(jié)果不確定性的影響(圖6)。

突現(xiàn)關(guān)鍵詞是某一時期出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞，是某一時期研究熱點的集中反映，是預(yù)測未來研究趨勢的重要依據(jù)[28-29]。通過分析篩選了5個中文突現(xiàn)關(guān)鍵詞、11個英文突現(xiàn)關(guān)鍵詞。在國內(nèi)研究中，“侵蝕模數(shù)”在1966—1985年持續(xù)突現(xiàn)，是早期研究的熱點問題之一，最新的突現(xiàn)關(guān)鍵詞 “淤地壩”和“復(fù)合指紋法”表明相關(guān)研究是在目前的研究熱點(圖7)。英文文獻(xiàn)的主要突現(xiàn)關(guān)鍵詞中l(wèi)oess plateau(黃土高原)，還包括fine sediment(細(xì)顆粒泥沙)、sediment fingerprinting(指紋識別)、spatial distribution(空間分布)、trend(趨勢)、speciation(形態(tài))、land use change(土地利用變化)、check dam(淤地壩)、sediment provenance(沉積物來源)、surface sediment(表面泥沙)和fluvial sediment(河流泥沙)的突現(xiàn)時間均持續(xù)到文獻(xiàn)檢索的最新時間(2020年)(圖8)。上述現(xiàn)象表明，未來研究的潛在熱點很可能是上述突現(xiàn)時間較新的關(guān)鍵詞相關(guān)的研究領(lǐng)域，并對其結(jié)果的準(zhǔn)確性、環(huán)境效應(yīng)、影響因素等進(jìn)行綜合研究。

3 研究展望

通過文獻(xiàn)計量學(xué)對泥沙來源研究的總體分析，從研究對象來看，“淤地壩”、“check dam(淤地壩)”、“Loess Plateau(黃土高原)” 、“basin/river”(盆地/河流)仍是未來研究的熱點對象/區(qū)域。其中黃土高原的突變強(qiáng)度高達(dá)17.95，這與其重要的生態(tài)功能密切相關(guān)。黃土高原的生態(tài)環(huán)境是影響黃河安瀾的重要因素之一，該區(qū)域的侵蝕產(chǎn)沙對黃河流域的健康運(yùn)行和高質(zhì)量發(fā)展均具有重要影響。

可見在研究對象/區(qū)域?qū)用妫瑹狳c研究區(qū)域直接受國家需求的影響。將來的研究重點應(yīng)體現(xiàn)在：(1) 借助壩地或壩庫的淤積泥沙重建流域泥沙來源的演變規(guī)律；(2) 不僅要評估重大生態(tài)工程的直接減沙效益，還要借助新手段評估間接減沙效益，比如黃土高原溝間地大規(guī)模退耕，退耕的林草地能直接減少侵蝕，同時溝間地的減沙也會影響溝谷地的產(chǎn)沙(間接減沙效益)。

圖7 中文文獻(xiàn)突現(xiàn)關(guān)鍵詞圖

圖8 英文文獻(xiàn)突現(xiàn)關(guān)鍵詞圖

從研究方法來看，“復(fù)合指紋法”、“sediment fingerprinting(指紋識別)”作為泥沙來源研究的核心中英文關(guān)鍵詞，是目前研究泥沙來源最先進(jìn)的方法。然而，現(xiàn)行的復(fù)合指紋識別技術(shù)是在其運(yùn)用過程中逐漸發(fā)展的，由于前人的研究注重運(yùn)用該方法判別不同時空尺度的泥沙來源而缺乏對方法本身的系統(tǒng)研究，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合指紋識別法發(fā)展出了不同的指紋因子組篩選方法[30]，多種貢獻(xiàn)率估算模型和多樣的關(guān)鍵因子校正方法[31-32]，卻一直缺乏對上述繁雜關(guān)鍵技術(shù)選擇的可靠驗證。因此，通過科學(xué)的試驗設(shè)計提供精準(zhǔn)驗證，規(guī)范復(fù)合指紋識別法是目前亟待解決的問題，對提高其判別泥沙來源的準(zhǔn)確性意義重大。

從研究內(nèi)容來看，泥沙來源研究已經(jīng)從定量分析發(fā)展到綜合分析泥沙來源指示的環(huán)境/氣候變化，土地利用類型的影響、流域連通性的作用等方面，注重對環(huán)境效應(yīng)、影響因素等進(jìn)行綜合研究。復(fù)合指紋識別法不僅是準(zhǔn)確定量泥沙來源的方法，更是流域管理的工具，預(yù)測未來泥沙來源變化的手段[33]。因此，在目前研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理已有研究成果，建立標(biāo)準(zhǔn)的研究方法，開發(fā)軟件系統(tǒng)，形成類似“復(fù)合指紋系統(tǒng)工具”的工具[34]，為泥沙來源研究及其影響因素剖析、流域管理、侵蝕泥沙產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險(小流域健康、河流安全)預(yù)測等服務(wù)。