基于國內外節水灌溉科技文獻可視化分析

劉嘉斌，田軍倉，2，3，趙廣興，張 萌

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

0 引 言

我國是農業用水大國，但同時也是水資源極度匱乏的國家，水資源短缺已經成為嚴重制約我國農業發展的重要因素之一。2021年《中國水資源公報》數據顯示我國全年用水總量高達5 920.2 億m3，其中農業用水約為3 644.3 億m3，占總用水量的61.5%[1]，但其農田灌溉水有效利用系數僅為0.568，低于世界先進水平0.7～0.8[2]。在水資源極度匱乏且利用效率不高的情況下，根據作物需水規律和外部環境等因素對農作物進行適時、適量的高效節水灌溉[3]，不僅可以用最低限度的水量來實現作物的增產增收[4]，同時也有效解決了我國水資源供需矛盾，促進了農業農村經濟發展[5]。自20世紀70年代中期在我國開展節水灌溉以來，通過優化作物種植結構、發展高效節水灌溉技術、減少渠道水量損失等措施[6]，使得高效節水灌溉面積不斷擴大，截至2020年底，高效節水灌溉面積已達2 300 萬hm2[7]，地下取用水量大幅度減少，但仍存在水資源利用效率低下、節水灌溉技術落后、管理機制不明確等問題[8]。因此專項、深入研究節水灌溉有利于實現對農業水資源進行科學化調控和利用。

基于此，國內眾多學者針對高效節水灌溉技術開展了大量研究，但主要集中在田間試驗和模型研究，而利用文獻計量的方法研究節水灌溉的文獻未見報道。因此，本文采用文獻計量的方法，檢索2002-2021年20 a關于國內外節水灌溉領域發表的科技文獻，利用知識圖譜分析研究當前節水灌溉研究現狀、研究熱點以及未來發展方向和不足，以期為今后節水灌溉研究和發展提供參考依據。

1 研究方法

本文所研究的節水灌溉中文文獻來源于中國知網數據庫（CNKI），以“節水灌溉”為主題詞進行檢索，學科類別為農業類，文獻來源為核心期刊，檢索時間范圍為2002-01-01—2021-12-31，共檢索到3 203 篇文獻；英文文獻主要來源于Web of Science 核心數據庫，以“water-saving irrigation”為主題檢索，文獻類型為論文，研究方向為農業，檢索時間范圍為2002-01-01—2021-12-31，共檢索到1 476篇文獻。檢索得到的中文、英文文獻均包含標題、作者、研究機構、國家、關鍵詞和摘要等重要信息。

VOSviewer 軟件是荷蘭萊頓大學的Van Eck N J 和Waltman L 基于共現聚類思想研發的一款科研軟件[9]，具有數據挖掘功能，可以從大量科研文獻中提取相關的信息構建作者分析、共現分析、引用分析和作者機構合作分析等可視化網絡圖[10-12]，以便學者有效的查看和分析相關研究領域的研究現狀，并且其具有數據分析量大、重疊性小、可視化程度高等獨特優點。

2 結果與分析

2.1 發文量年變化趨勢

發文量是文獻計量學中評價科研生產能力的重要指標[13]，根據發文量動態變化可以充分了解到所研究領域的發展動態以及發展潛力。對檢索得到的3 203 篇中文文獻和1 476 篇英文文獻進行年發文量統計，其統計結果見圖1 所示。由圖1 可知，中文文獻發文趨勢呈“凸物線”變化，在2011年達到峰值，年發文量為211 篇，占20 a 總發文量的6.58%，隨后年發文量整體呈下降趨勢，在2019年達到最小值，年發文量僅為64篇，但在隨后2年年發文量明顯升高；英文文獻發文趨勢呈波動式上升趨勢，其中在2002-2018年英文文獻發文量明顯低于中文文獻數量，這與英文期刊數量、影響因子以及審稿周期都有一定關系，在2019-2021年，英文文獻發文量高于中文文獻數量，且在2021年英文文獻發文量達到最大值，為197篇，占20 a 總發文量的13.35%。綜上，表明在2002-2018年是世界節水灌溉相關研究的起步階段，且該時期國內學者對節水灌溉的研究力度要高于國外學者，在2019年之后，國際上關于節水灌溉的研究進入快速發展階段。

圖1 2002-2021年中英文年發文量變化Fig.1 Changes in the number of Chinese and English annual publications from 2002 to 2021

2.2 國家和機構發文量分析

科研論文被Web of Science 核心數據庫收錄的數量可以真實反應一個國家或一個科研機構科研能力的強弱[14]。對WOS核心數據庫所檢索到的20 a 文獻分別進行國家和科研機構發文量統計，并對發文量前十的國家和科研機構進行發文量百分比統計，如圖2 和圖3 所示。由圖2 可知，中國發文量位居首位，20 a 累計發文量達到512 篇，占發文量前十國家總量的36.44%，并且中國發文量高于排名第2 的美國和排名第3 的西班牙發文量總和，是發文量排名第4 的印度的3.97 倍；由圖3可知，發文量排名前10的機構中有4家機構來源于中國，2家機構來源于美國，僅有1家機構來源于西班牙，并且中國農業大學和中國科學院分別以發文量占比15.70%和15.55%占據第1名和第2名，國際農業研究磋商組織以發文量占比13.30%位居第3名。另外，中國農業農村部和西北農林科技大學均以51篇的成績進入發文量排名前10 的機構，并且4 所中國機構總發文量占比高達46.49%。由此可以看出，中國科研機構及科研工作者已經成為國際節水灌溉研究中不可缺少的力量。

圖2 2002-2021年WOS核心數據庫發文量排名前10國家占比Fig.2 Proportion of top 10 countries in WOS core database publication volume, 2002-2021

圖3 2002-2021年WOS核心數據庫發文量排名前10機構占比Fig.3 Proportion of top 10 institutions in WOS core database publication volume, 2002-2021

圖4 為CKNI 核心數據庫發文量排名前十的機構。發文量排名前10的機構在20 a中累計發文量為1 058篇，占檢索文獻總量的33.03%。由圖可知，發文量最高的機構為河海大學，20 a 累計發文量達到182 篇，占前十機構總發文量的17.2%，其次是西北農林科技大學，發文量為176 篇，占比16.64%，然后是武漢大學和石河子大學均以113 篇的發文量位居第3。其余科研機構發文量均保持在50篇以上，占比不少于4%。

圖4 2002-2021年CNKI核心數據庫發文量排名前10機構占比Fig.4 Proportion of top 10 institutions in CNKI core database from 2002 to 2021

2.3 期刊發文量統計分析

學術期刊是展現科研工作者學術成果的重要途徑，根據檢索得到的中文和英文文獻統計了發文量前10 的期刊，見表1。由表1 可知，中文期刊發文量前3 的期刊分別為《節水灌溉》、《中國農村水利水電》、《灌溉排水學報》，其中《節水灌溉》以752 篇的文獻數量穩居第1，約占檢索文獻總量的23.48%，其復合影響因子為1.345。在中文期刊中《農業工程學報》影響因子最高，為3.446，并且以118 篇的發文量位居第4。 英文文獻來源主要分布在《Agricultural Water Management》、《Irrigation and Drainage》、《Field Crops Research》等期刊，其中《Agricultural Water Management》發文量最多，在2002-2021年關于節水灌溉發文量高達425 篇，約占檢索文獻總量的28.79%，并且超越了發文量排名2～10 名的期刊發文量總和，并且其為2021年中國科學院1 區top 期刊，影響因子高達6.611。綜上表明，關于節水灌溉研究的論文發表期刊較為集中，且期刊影響因子良好。

表1 中英文核心期刊發文量統計Tab.1 Statistics of papers published in Chinese and English core journals

2.4 作者發文量統計分析

中英文數據庫作者發文量前10 如表2 所示。根據普賴斯公式計算核心作者最低發文量，即M=0.749（Nmax）1/2，Nmax為發文量最高作者的論文篇數，M為核心作者最低發文量[15]。在CNKI 數據庫共檢索到6 761 位作者發表過與節水灌溉研究相關科技文獻，其中河海大學彭世彰教授以42 篇的發文量位居第1，根據普賴斯公式計算得到M=4.85，表明發文量高于5 篇的作者可以稱為核心作者，通過統計發現共檢索到259 位核心作者。由表可知，中文發文量排名前10 的作者共計發文296 篇，占總發文量9.24%，10 位作者分別來自5 所科研機構，其中河海大學和石河子大學分別有3 位作者入選。在WOS 數據庫中共檢索到5 506 位作者，其中佛羅里達大學Dukes Michael D 教授發文量最高，為28 篇，然后依次是里斯本技術大學Pereira Luis S 教授和設拉子大學Sepaskhah Ali Reza 教授位居第2 和第3，這10 位作者中有6位來自中國，分別是李仸生、徐俊增、張建華、康紹忠、黃冠華、楊士紅，發文量共計89 篇，占排名前10 作者總發文量的50.86%。根據普賴斯公式得到M=3.96，所以核心作者發文量至少4 篇，經過檢索發現有152 位作者為該領域核心作者。

表2 中英文發文量作者統計Tab.2 Author Statistics of Chinese and English Papers

2.5 文獻引用頻次數據分析

文獻被引用次數可以有效反應科技成果的影響力和權威性[16]，因此對中英文數據庫檢索文獻進行引用頻次統計分析，如表3 和表4 所示。由表3 可知，CNKI 數據庫中10篇高引用文章的引用頻次均高于194 次，且有4 篇來源于《農業工程學報》，并包攬前3 名，其中康紹忠院士在2004年發表題目為《現代農業與生態節水的技術創新與未來研究重點》的文章以引用次數331 次位居第1，喬曉軍在2005年發表的《無線傳感器網絡在農業中的應用》和劉增進在2004年發表的《冬小麥水分利用效率與最優灌溉制度的研究》 引用次數分別為316 和312，占據第2和第3。

表3 CNKI數據庫文獻引用頻次數據統計Tab.3 CNKI database literature citation frequency data statistics

表4 WOS數據庫文獻引用頻次數據統計Tab.4 WOS database literature citation frequency data statistics

由表4 可知，WOS 數據庫檢索的引用頻次前10 的文章被引頻次均高于200 次，且有6 篇文獻來源于《Agricultural Water Management》，其中引用頻次最高的是來自中科院的Deng Xipeng 在2006年發表題為《Improving agricultural water use efficiency in arid and semiarid areas of China》的文章，引用頻次高達599 次，其次是Belder P 在2004年發表題為《Effect of water-saving irrigation on rice yield and water use in typical lowland conditions in Asia》的文章，然后是Liu Changming 2002年發表在《Agricultural and Forest Meteorology》期刊上題目為《Determination of daily evaporation and evapotranspiration of winter wheat and maize by large-scale weighing lysimeter and micro-lysimeter》的文章，以413次的引用量位居第3。綜上表明，各數據庫高引用文章具有一定的影響力和權威性，且發文期刊較為集中。

2.6 研究主題聚類分析

利用VOSviewer 軟件對檢索得到文獻進行主題挖掘，將WOS 數據庫檢索文獻導入VOSviewer 軟件中，主題詞閾值為10，共檢索到滿足閾值的主題詞為468個，然后按系統設定條件最終確定281 個主題詞，得到節水灌溉主題聚類分析圖譜，如圖5所示。圖譜中，不同顏色代表主題類別不同，不同大小代表主題出現頻次不同，越大表示出現頻率越高，主題之間的距離代表主題相關性，距離越近相關性越強[11]。由圖5 可知， saving、 model、 content、 grain yield、 rice、 irrigation system、 deficit irrigation、 wue、 management、 water stress、irrigation treatment 等主題詞標簽較大，表明它們出現的頻率較高，由這些主題詞得知近20 a 節水灌溉研究主要集中在灌溉制度、作物產量以及作物模型研究等方面，以不足額灌溉為宗旨，通過節水灌溉技術來提升水分利用效率，保障糧食產量。其中水稻和作物產量在圖譜中距離較近，主要因為水稻耗水量高，是節水灌溉研究熱點，且已有研究表明不足額灌溉可以對水稻造成一定程度的干旱脅迫，促進水稻根系生長，增加有效分蘗數[17]，提高灌溉水分利用效率，保障稻谷產量[18]。

圖5 主題聚類分析圖譜Fig.5 Topic clustering analysis map

2.7 關鍵詞共現分析

關鍵詞是作者對文章主體內容的精煉概括，可以快速、準確的反應文章核心內容[19]，利用VOSviewer 軟件對文章關鍵詞進行共現分析，可以得出當前研究方向和熱點。將CNKI 數據庫和WOS 數據庫檢索得到科技文獻分別導入VOSviewer 軟件中，關鍵詞閾值均設置為10 個，CNKI 數據庫和WOS 數據庫檢索得到滿足閾值條件的關鍵詞分別為151 個和80 個，最終得到各數據庫關鍵詞共現圖譜，其中CNKI 數據庫關鍵詞共現圖譜見圖6，WOS 數據庫關鍵詞共現圖譜見圖7。圖中關鍵詞標簽越大代表其出現頻率越高，關鍵詞標簽越位于中心，代表其受到的關注度越高[20]。由圖可知，CNKI 數據庫中有關節水灌溉研究共現性較強的關鍵詞有節水灌溉、滴灌、水稻、產量、水資源、灌溉模式、灌溉、水分利用效率、噴灌等；WOS數據庫中關于節水灌溉研究共現性較強的關鍵詞有yield、growth、 water saving、 management、 productivity、 deficit irrigation、use efficiency 等。綜上表明，各數據庫關于節水灌溉研究熱點相對集中。

圖6 基于CNKI數據庫關鍵詞共現圖譜Fig.6 Keyword co-occurrence map based on CNKI database

圖7 基于WOS數據庫關鍵詞共現圖譜Fig.7 Keyword co-occurrence map based on WOS database

3 討 論

文獻作為科技成果的重要載體，可以反應科研人員對節水灌溉相關研究的關注度。研究發現，WOS 數據庫中發文量前3的國家分別是中國、美國和西班牙，中國發文量高于美國和西班牙發文量總和，并且在發文量排名前10 的機構中有4家來源于中國，發文量占比均超過7%，表明中國科研機構對節水灌溉進行了大量研究，且具有一定的權威性。CNKI 數據庫中河海大學、西北農林科技大學、石河子大學、武漢大學和中國農業大學是發文主力軍，近20a 發文總量超694 篇，約占總發文的21.67%。總體來說，由于中國是農業用水大國，且水資源長期匱乏，利用效率不高，因此發展節水灌溉是保障農業經濟發展的必要舉措。

通過對作者發文量統計分析表明，在WOS 數據庫中，發文量前3的作者分別來自美國、葡萄牙和伊朗，其中來自美國佛羅里達大學Dukes Michael D 教授發文量最高，為28 篇，他主要從事農業灌溉技術研究，其研究表明降低噴灌系統壓力可有效節約用水，且不影響作物產量[21]。而來自廣西大學的Li Fusheng 教授是發文量最高的中國學者，主要從事水土資源利用和植物營養學研究，其研究表明作物根區滴灌可有效降低作物耗水量，提高水分利用效率，同時氮肥利用效率也有所提高[22]。在CNKI數據庫中，發文量排名前10 的作者發文量均在19 篇以上，其中河海大學彭世彰教授發文量最高，主要研究方向為水資源高效利用、節水灌溉理論及其農田環境效應，是我國著名的節水專家，首先提出了“水稻控制灌溉”，其研究表明稻田控制灌溉較大田淹灌溉可以有效減少土壤Cd、Cr 元素流失[23]，顯著降低CH4排放量[24]。綜上表明，國內眾多學者針對節水灌溉已開展大量研究，且成果豐富。

根據近20 a 的數據庫關鍵詞共現圖譜，見圖6 和圖7。可知，灌溉方式（滴灌、噴灌）、灌溉制度、水分利用效率以及對作物生長和產量的影響是國內外關于節水灌溉研究的共同熱點問題。其中滴灌作為國際公認的最先進的精量灌溉技術[25]，可以有效提高水分利用效率，且成本低廉、實用，因此引起了國內外學者的研究浪潮。趙波[26]等通過田間冬灌試驗研究表明滴灌可有效提高土壤水分均勻度，降低土壤鹽分，提高棉花產量；Roman[27]等在輕質沙壤土中采用滴灌栽培蘆筍，結果表明蘆筍的高度、數量和直徑都得到顯著增加；嚴程明[28]等通過田間試驗研究表明滴灌施肥較常規施肥而言，可有效提升菠蘿產量及品質，節約施肥成本。與此同時，根據灌溉作物、氣候條件和土壤條件等因素制定合理的灌溉制度也是節約水資源，促進農業持續發展的重要途徑。王興鵬[29]等基于AquaCrop 模型研究表明在南疆地區采用灌水周期5 d、灌溉定額540 mm 的灌溉制度可保證無膜滴灌棉花具有較高的產量和水分利用率；Pérez-álvarez E.P[30]等通過田間試驗研究表明調虧灌溉可提高葡萄的釀酒潛力，反而充分灌溉會降低葡萄產量及品質；Chen[31]等通過溫室番茄試驗表明加氣灌溉可有效提升番茄產量，且虧缺灌溉可有效降低土壤CO2和N2O 排放量；徐利崗[32]等通過大田滴灌枸杞試驗表明，在干旱區平水偏豐年型（P=40%）條件下，枸杞滴灌最優灌溉制度為灌溉定額3 750 m3/hm2,灌水次數為14 次,其中萌芽期灌水1 次,營養生長期2 次,盛花期、盛果期各4 次,秋季生長期灌水3 次。綜上，國內外研究主要集中在灌溉方式的改良以及灌溉制度的優化對水分利用效率和作物生長和產量的影響。

4 結論與展望

本文以“節水灌溉”為主題詞，使用CNKI數據庫和WOS數據庫以2002-2021年相關文獻為數據樣本，借助Excel 和VOSviewer 軟件對數據樣本年發文量、發文國家和機構、期刊、研究主題、關鍵詞共現以及高產作者和高引用文章進行可視化分析，最終得出以下結論與展望：

（1）近20 a 來，各數據庫在節水灌溉領域的發文量居高不下，且隨著水資源供需矛盾的日益突出，在未來節水灌溉的研究仍將是一個熱點話題。在WOS 數據庫中，中國科研機構已經成為發文主力軍，中國農業大學以105篇發文量位居第一，遠超其他國家科研機構，對此國內眾多學者為節水灌溉領域的研究和發展作出了不可磨滅的貢獻，涌現出了一大批優秀的科研工作者。目前，發表節水灌溉相關文獻的期刊目前主要集中在農業和水利方面，其中CNKI和WOS數據庫發文量榜首分別為《節水灌溉》 和《Agricultural Water Management》，發文期刊分布較為集中。從研究主題以及關鍵詞共現等方面來分析，各數據庫研究熱點較為統一，主要集中在改變灌溉方式，制定合理灌溉制度對作物生長和產量以及水利利用效率的影響，其中水稻因需水量巨大，是節水灌溉研究的重點作物。

（2）節水灌溉作為今后農業發展的重要舉措，其發展趨勢主要表現在以下3個方面。一是研究區域需要從單一的田塊向灌區尺度轉變，從區域水循環的角度實現節水灌溉；二是節水灌溉需要實現智能化和精準化，依靠智能體系實時監測土壤環境和作物生長狀況，實現精準灌溉；三是對農業用水進行改革，完善計量設備，建立農業用水機制，科普節水知識，增強節水意識。