基于知識圖譜的農田土壤水鹽運移研究進展

摘要 農田土壤水鹽運移特征及機理分析在整個作物生長過程中具有重要作用，是灌溉決策、鹽漬化治理以及作物產量提升的重要參考依據。將1973—2023年以水鹽運移為主題在中國知網和Web of Science中檢索到的相關文獻進行統計，運用CiteSpace軟件將相關文獻進行可視化分析，總結了目前水鹽運移相關方面的研究重點和未來發展趨勢。通過對國內外近50年土壤水鹽運移相關領域文獻的發文量、作者和機構合作、關鍵詞共現、聚類、突現時間線圖譜等進行可視化計量分析，結果表明關于水鹽運移的話題熱度將持續增高；國內發文作者間相互聯系較為緊密集中，水鹽運移研究領域核心研究隊伍逐漸擴大；國內發文機構在水鹽運移研究領域具有較強影響力，其中中國科學院研究有著重大的貢獻，但研究具有地域局限性；關于土壤水鹽運移研究的內容主要聚焦在土壤中水鹽含量變化規律和植物滴灌技術及其模擬預測。土壤水鹽運移的研究對我國大面積鹽堿地的治理具有重要意義，同時水鹽運移在不同地域下的不同情況也將成為未來研究重點。

關鍵詞 水鹽運移；CiteSpace；鹽漬化；鹽堿地治理；灌溉決策

中圖分類號 S 058 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）22-0238-10

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.22.048

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Progress of Water-salt Transport in Farmland Soil Based on Knowledge Map

CHAI Ming-tang ZHAO Tian-tian1，SUO Xiao-qin1 et al

（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021; 2.Ningxia Hui Autonomous Region Yellow River Network Digital Water Control Key Laboratory，Yinchuan，Ningxia 750021）

Abstract The analysis of the characteristic and mechanism of water-salt migration in farmland soil plays an important role in the whole crop growth process，and is an important reference for irrigation decision-making，salinization control and crop yield improvement.We analyzed the relevant literatures on water and salt migration retrieved from CNKI and Web of Science from 1973 to 2023，used CiteSpace software to conduct a visual analysis of the relevant literatures，and summarized the current research focus and future development trend of water and salt migration.Visual quantitative analysis of the number of articles published in the field of soil water and salt migration at home and abroad in the past 50 years was adopted，including the number of authors and institutions，the co-occurrence of keywords，clustering and emergence timeline maps.Results showed that the topic heat of water and salt migration continued to increase.The authors of domestic articles were closely related to each other，and the core research team in the field of water and salt migration was gradually expanding.The domestic publishing institutions had a strong influence in the field of water and salt migration research，among which the research of the Chinese Academy of Sciences made a significant contribution，but the research had regional limitations.The research content of soil water and salt migration mainly focused on the change law of water and salt content in soil，plant drip irrigation technology and its simulation prediction.The study of soil water and salt migration was of great significance to the treatment of large area of saline-alkali land in China.Meanwhile，the different conditions of water and salt migration in different regions also became the focus of future research.

Key words Water-salt transportation;CiteSpace;Salinization;Saline-alkali soil treatment;Irrigation decision

鹽漬化是全球性的生態環境問題，也是制約干旱區農業發展的主要障礙，對生態系統安全和農業可持續發展產生了嚴重威脅。全球鹽漬化土壤面積約為9.5億hm2，占陸地面積的7.26%。我國鹽漬化土壤面積約為0.37億hm2，其中鹽漬化耕地面積近0.09億hm2，主要分布在西北、華北、東北及沿海地區，約占全國耕地面積的6.62%^［1-2］。土壤鹽漬化的產生過程是一個多指標參與、多層次驅動的復雜系統，具有模糊性、要素影響的不確定性等特征，這也是水鹽協同變化研究中的的主要問題^［3］。鹽分運移和累積的影響因素眾多，如氣候條件、地下水位、土壤質地、作物類型和灌溉制度等^［4］。鹽堿地治理和改良的關鍵和基礎在于探究土壤水鹽運移規律，而水鹽模型是模擬和預測土壤水鹽動態變化最為有效的途徑。

目前，圍繞土壤水鹽運移基本理論及模型應用的研究已取得諸多進展，包括水鹽運移機理研究及其影響因素和數值模型研究，對于厘清當前鹽堿地水鹽運移特征具有重要貢獻^［5］。土體在凍融過程中的水分遷移和相變是一個水熱耦合問題：①水分遷移會導致土體熱參數發生變化，這對溫度場產生影響；②凍融界面處冰晶對周圍未凍水的抽吸作用產生相變水頭，從而影響水分遷移；③水分相變潛熱對溫度場影響巨大；④土體溫度低于凍結溫度時，其中仍存在未凍水，且含量與負溫保持動態平衡關系^［6］。

在凍融作用的影響下，鹽漬土水鹽運移規律是水-熱-鹽相互影響、耦合作用的結果，熱量傳輸是調控水鹽運移的關鍵因素，各土層由于導熱差異、土壤質地以及剖面熱力結構等的差異，使水熱鹽的相互耦合、相互影響關系較為復雜，且時空上分布特征具有差異性^［7］。影響土壤水分運移的主要驅動力是重力勢、基質勢和溫度勢，土壤溫度變化引起水分相變，相變過程是一種動態平衡狀態^［8］。土體凍融過程中存在著水分和鹽分的二次遷移過程，形成了特殊的水鹽運移規律。土體凍結過程中鹽分運移也較復雜，受土壤類型、初始含水率、溶液濃度、鹽分組成及凍結溫度、熱梯度、凍結速率、凍結方向等因素的綜合影響^［4］。

鑒于此，筆者采用科學計量方法來說明農田土壤水鹽運移的研究進展，運用可視化知識圖譜軟件，對Web of Science和中國知網數據庫中1973—2023年間關于土壤水鹽運移的文獻進行了可視化分析，統計分析了論文發表數量、關鍵詞、學者及機構分布特征，整理了文獻發表、文獻熱點、研究熱點、演化路徑的情況，并對其進行了可視化分析，歸納了水鹽運移方面的研究進展和發展趨勢。

1 材料與方法

1.1 數據來源

利用中國知網（China National Knowledge Infrastructure，CNKI）數據庫，檢索1973—2023年發表的以“水鹽運移”為檢索詞的期刊論文及其引文信息，共檢索到599篇期刊文獻；以Web of Science Core Collection平臺的Web of Science（WOS）核心合集數據庫為數據源，檢索1985—2023年發表的以檢索條件為“TI=water salt AND TS=transport”的論文及其引文信息，共檢索到728篇研究文獻。

1.2 研究方法

采用CiteSpace對上述檢索結果進行分析，通過其對特定研究領域中出現的大量文獻進行處理，不僅可以找到該研究領域中出現的關鍵文獻、研究熱點、主要作者和主要發表機構等，對過去的研究成果進行系統梳理，將文獻之間的關系以科學知識圖譜的方式可視化的展現，同時也可以挖掘學科前沿，對未來研究的發展走向進行預測。

以檢索到的文獻作為研究對象，利用數據平臺自帶分析功能、CiteSpace、Excel等工具進行統計分析、數據挖掘與科學知識圖譜實現，全面掌握水鹽運移研究領域的學科發展趨勢，該研究內容包括：①分析相關國內外研究文章發布特征，包括發文年度趨勢，國家、研究機構和研究人員發文量以及研究機構合作網絡；②探究領域的研究方向、熱點和前沿演進趨勢。

2 文獻發表情況分析

2.1 文獻數量和趨勢統計

1984—2023年文獻發表數量繪制農田土壤水鹽運移研究進展文獻分布見圖1，因2023年數據不滿1年，因此該年數據偏低。由圖1可知，近50年學術界對于農田土壤水鹽運移研究進展呈現明顯的階段特征，大致可分為探索研究階段（1984—1998年）、快速發展階段（1999—2018年）、波動上升階段（2019—2023年）。

在探索研究階段（1984—1998年），中文發表數量每年有1～2篇，外文發表數量暫時為0；在快速發展階段（1999—2018年），在前大半段的年中英文發表數量呈相互上下波動的狀態，后小半段的年英文發表數量明顯高于中文發表數量；在波動上升階段（2019—2023年），中英文發文數量快速上升，英文發表數量持續高于中文發表數量。

2.2 主要發文作者分析

表1為中文文獻發文量排名前10位作者統計結果。其中王全九發文數量最多，發表文章24篇，其次是虎膽·吐馬爾白發文21篇，史海濱發文19篇，何新林11篇，均為該領域內的核心作者，形成了很大影響力。排名前10位的作者發文總量為115篇，占所有作者發文數量的19.20%，這表明水鹽運移研究領域核心研究隊伍正在初步形成，且規模正在不斷壯大。英文文獻中，王全九與Geise Geoffrey M發文數量最多，其次為Cerny R、Freeman Benny D和Aryal Dipak。排名前10位的作者發文總量為37篇，占所有作者發文數量的5.08%。王全九在中文與外文文獻發文量均為第1，其主要研究方向為滴灌條件下水鹽運移特征、微咸水對水鹽運移的影響等，為水鹽運移相關研究領域做出了重要貢獻。發文作者及其相關合作網絡結構圖可以揭示出特定研究領域內的核心作者群體以及合作關系特點，文字大小和圓圈大小與作者發文量成正比，連線數量與合作緊密程度成正比。

圖2為國內文獻作者共現圖，總體來看，該領域研究作者間相互聯系較為緊密集中，如以王全九為中心，與韋開、李宗昱、孫燕、張繼紅等學者形成了緊密的合作群體；以虎膽·吐馬爾白為中心，與谷新保、曹偉、吳爭光等學者形成了緊密的合作群體，且不同合作群體之間也有著較為緊密的聯系。但同時，受地域與學緣所限，該研究領域內也存在著諸多的小規模研究團隊和獨立研究者，如屈忠義、楊勁松等作者。

圖3為國外文獻作者共現圖，總體來看，與國內相比，國外該領域研究作者間相互聯系不是很緊密，僅形成了2個較大的合作群體，并且群體之間沒有合作關系。其余均為小規模研究團隊以及獨立研究者。

2.3 發文機構及合作網絡分析

由表2可知，中文文獻中，排名第1位的為新疆農業大學水利與土木工程學院，發文量為30篇；其次是內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，發文29篇；石河子大學水利建筑工程學院發文27篇，中國科學院大學發文21篇。前10的機構總發文量為183篇，占全部文獻的30.55%，表明這些研究機構在水鹽運移研究領域具有較強影響力。

通過統計WOS發文量排名前10的機構可知，排名第1位的為Chinese Academy of Sciences，發文量為37篇，其次是Centre National de la Recherche Scientifique （CNRS）發文20篇，United States Department of Energy （DOE）發文16篇。前10的機構總發文量為152篇，占全部文獻的20.88%，說明這些研究機構在水鹽運移研究領域具有較強影響力，其中中國科學院在知網和WOS的發文數量均在前5，可見中國科學院在水鹽運移相關方面的研究已經較為成熟，擁有豐富的經驗以及卓越的成就，為全球水鹽運移相關研究作出了巨大的貢獻。

圖4為國內發文機構共現，展示了研究機構網絡結構情況。從研究機構的可視化分析可看出，以新疆農業大學水利與土木工程學院、石河子大學水利建筑工程學院、中國科學院大學等為主導，與中國科學院新疆生態與地理研究所、西安理工大學水資源研究所、新疆水利水電科學研究院等研究機構開展了廣泛的合作，形成了緊密的關系網絡，但也有諸多獨立的研究機構和小規模合作的研究機構。

從機構分布來看，絕大多數機構位于北方地區。鹽漬土在我國廣泛分布，而主要分布在西北、華北、東北及沿海等地，因此研究機構集中分布在這些地方，能夠更加便利地利用環境優勢，進行水鹽運移相關研究，各個機構之間也能夠優勢互補，資源共享。但我國其他地區缺少相關研究機構，從研究機構的可視化分析中看出，僅有河海大學水利水電學院進行了相關研究，這使得水鹽運移相關研究具有地域局限性，也缺失了與北方區各研究機構優勢互補、資源共享的機會。

圖5為國外發文機構共現圖，從研究機構的可視化分析可看出，外文發文機構之間的合作非常緊密和廣泛。以Chinese Academy of Sciences、Centre National de la Recherche Scientifique （CNRS）等機構為核心，與周邊機構形成了緊密的關系網絡，獨立的研究機構和小規模合作的研究機構較少。

3 文獻熱點和趨勢可視化分析

3.1 關鍵詞圖譜

關鍵詞是論文的核心研究觀點，是文章主題的高度概括，對關鍵詞進行統計分析有助于科學把握研究領域內的研究方向與重點。CiteSpace基于特定算法提供了模塊值（即Modularity Q值）和平均輪廓值（即Mean Silhouette S值）2個指標。研究表明，當Q值>0.3時，聚類結構就是顯著的，當S值>0.7就可以判斷聚類是令人信服的^［9］。圖6關鍵詞共現圖譜的Q值為0.626 5，S值為0.905，因此該聚類圖譜的聚類結構十分顯著，結果可信。

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網絡圖譜（圖6、7）。圖中關鍵詞所占的圓面積越大，說明所代表的關鍵詞出現的頻次越高，是該研究領域較為熱點的話題；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^［10］。圖6中共有498個節點，1 167條連線，網絡密度為0.009 4；圖7中共有496個節點，1 073條連線，網絡密度為0.008 7，關鍵詞之間均存在較強的相互關聯。

中文文獻關鍵詞圖譜研究熱度較高的關鍵詞有水鹽運移、數值模擬、膜下滴灌、微咸水、滴灌棉田、滴灌、凍融作用、含水率、溶質運移等。英文文獻關鍵詞圖譜研究熱度較高的關鍵詞有transport、dynamics、growth、salinity、desalination、diffusion、hydraulic conductivity、model等。總體來看，關鍵詞共現圖譜反映了國內外研究水鹽運移的方向具有一定差異，土壤水鹽運移相關研究主要體現在土壤水鹽含量及其模擬與滴灌技術等問題。

3.2 關鍵詞圖譜聚類分析

為了提高研究熱點判斷精確度，反映各個主題之間的相關程度，進一步將同義或相近的關鍵詞匯總聚類。把中國知網和Web of Science中檢索的文獻導入CiteSpace軟件繪制中英文農田土壤水鹽運移主題聚類分析圖譜，中文聚類分析圖譜排名前10的聚類模塊分別為水鹽運移、膜下滴灌、微咸水、滴灌棉田、滴灌、數值模擬、凍融作用、含水率、溶質運移、鹽分，英文聚類分析圖譜排名前10的聚類模塊分別為transport、salt stress、desalination、soil salinity、aqueous solutions、salt transport、counter-current multiplication、aikanol、alveolar epitheliun、electrochemical stability window，聚類圖譜如圖8和9。

每個聚類中的包含文獻研究重點與主題同質性高，研究聚類綜合表明了當前研究的主要關注點和熱點方向^［9］。圖譜中，主題之間的不同顏色代表其所屬的類別不同，主題面積的大小則代表了主題的出現頻率和次數，主題之間的距離遠近可以反映主題之間的相似性，即距離越近則代表主題之間越相似。從這些主題詞中可以得出關于土壤水鹽運移研究的內容主要圍繞在土壤中水鹽含量變化規律及其預測和植物滴灌等方面。

4 研究熱點與進展

圖10展示了1993—2023年來我國水鹽運移研究領域前13個關鍵詞突現情況。關鍵詞突現強度最高為5.51，最低為2.97，平均值為3.62。從突現強度來看，各關鍵詞差別較小，整體強度較低且較平均化。從突現詞的時間跨度來看，時間跨度最長的是水鹽動態，從1993年一直持續到2006年，這說明國內學術界一直在持續關注水鹽運移相關方面的發展動態。在2000—2013年區間，主要關鍵詞為模型、膜下滴灌、棉花等，說明早期的研究主要為水鹽運移的基本理論模型，以及田間實地試驗觀測。其中，突現強度最高的關鍵詞是鹽堿地，在2017年才首次出現，一直延續至今。結合與其同時期出現并且也一直延續至今的關鍵詞，如鹽堿土、水鹽分布、暗管排水、入滲模型，可見隨著鹽堿地改良問題的日益嚴重性，水鹽運移相關研究將為鹽堿地治理提供有利的理論依據^［11］。

圖11展示了1993—2023年來國外水鹽運移研究領域前18個關鍵詞突現情況。關鍵詞突現強度最高為4.91，最低為2.48，平均值為3.29。從突現強度來看，各關鍵詞差別較小，整體強度較低且較平均化。從突現詞的時間跨度來看，時間跨度最長的是sodium chlor，2011—2019年，相關研究者一直在持續關注研究水鹽的變化動態。其中，突現強度最高的關鍵詞是“molecular dynamics”，于2017年出現，一直到2020年。結合與其大致時間段相同出現的關鍵詞，如diffusion、yield、ionic liquids等，以及近年來的關鍵詞，如soil salinity、management、plants，可見英文文獻中對水鹽運移相關研究的方向主要是鹽溶液性能、植物耐鹽機制等。

5 時間線聚類圖分析

時間線聚類圖譜可以從時間跨度顯示研究主題，用以分析時間序列下研究脈絡與熱點變遷，其中縱軸為聚類名稱及編號，橫軸為時間。為了更清晰地捕獲研究熱點變化軌跡，將關鍵詞按頻次高低進行排序，進而獲得聚類網絡時間線圖譜。圖12為國內水鹽運移相關文獻時間線聚類，可分為以下2個階段：①探索研究階段（1993—1998年）。這一時期，我國對水鹽運移有了初步的認識與研究，多是以土壤鹽分運移，溶質運移研究為主。因在干旱地區工程建筑中遭遇了鹽堿危害問題，學術界開始關注到水鹽運移相關問題，并對此領域進行了探索與研究。該階段的研究多是以理論模型分析、室內及現場實驗等形式為主，用以分析土壤中水鹽運移規律，為后續水鹽運移相關研究提供了基礎^［12］。②波動上升階段（1999年至今）。從1999年起，我國對水鹽運移相關方面的研究開始逐漸深入、更加的全面，發文數量基本呈上升趨勢，我國對水鹽運移相關方面的研究進入了快速發展階段。大量的新的關鍵詞涌現出來，如膜下滴灌、滴灌棉田、水鹽運動、鹽分運移等，對水鹽運移的研究主要集中在滴灌、微咸水灌溉、凍融等條件下的實驗研究和數值模擬方面，通過上述分析能夠精準揭示水鹽運移機制和驅動力^［13-14］。

圖13為水鹽運移相關英文文獻時間線聚類圖，可分為以下3個階段：①探索研究階段（1993—1998年）。該階段對水鹽運移的研究才剛剛開始，發文數量并不多，僅僅提出幾個關鍵詞概念，如atmosphere blue green algae、modelling studies、concentrated electrolyte solutions、bioelectric property等。②穩定上升階段（1999—2017年）。從1999年開始，與水鹽運移相關的文章發文量開始逐漸上升，學術界開始對該領域有了關注與研究探索。該階段對于土壤水鹽運移研究的內容比較豐富，主要活躍在圍繞植物、土壤中的水鹽運移規律及含量變化以及水鹽運移模型預測等方面。因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分的能力，從而導致植物水分虧缺，最終使得作物減產，通過種植耐鹽性植物可以提高鹽漬土的利用率，因此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容^［15］。③快速上升階段（2017年至今）。2017年以后，與水鹽運移相關的英文發文數量快速上升，逐漸超過了中文發文數量。water in salt、potassium transport、drought tolerance、saline water、sulfonated polymers kinetics等關鍵詞首次出現。一些新的研究成果開始出現，如采用分子動力學、三維水動力學等模擬方法研究水鹽運移特性^［16-17］；采用改良劑如生物炭等進行保水控鹽，為干旱半干旱地區鹽堿地的改良提供依據和參考，這些成果為后續水鹽運移相關研究提供了更多更好的基礎。

6 結論

鹽堿地是潛在的耕地資源，盤活存量、合理挖潛可以有效增加糧食種植面積，實現耕地資源擴容、提質、增效。在耕地資源趨緊的背景下，鹽堿地綜合利用對保障國家糧食安全具有重要戰略意義，鹽堿地治理的關鍵是進行水鹽運移的研究，通過將1973—2023年從中國知網和Web of Science檢索出來的相關文獻進行分析后得出以下結論：

（1）從近4年中英文發表數量的趨勢以及目前鹽堿地改良的現狀和相關學者對其的關注程度來看，關于水鹽運移的話題熱度將持續增高。目前，國內發文作者間相互聯系較為緊密集中，有以王全九為中心和虎膽·吐馬爾白為中心的學者形成了緊密的合作群體，且不同合作群體之間也有著較為緊密的聯系。排名前10位的作者發文總量占所有作者發文數量的近20%，說明水鹽運移研究領域核心研究隊伍正在初步形成，規模逐漸擴大。英文論文中研究作者間相互聯系不是很緊密，其中王全九在中文與外文文獻發文量均為第1。

（2）中文發文機構以新疆農業大學水利與土木工程學院、石河子大學水利建筑工程學院、中國科學院大學等為主導，與中國科學院新疆生態與地理研究所、西安理工大學水資源研究所、新疆水利水電科學研究院等研究機構開展了廣泛的合作，形成了緊密的關系網絡。排名前10的機構總發文量占全部文獻的30.55%，可見這些研究機構在水鹽運移研究領域具有較強影響力，其中大多數研究機構和我國鹽堿地分布均在北方地區，便于利用地區優勢對水鹽運移進行相關研究。

（3）國外研究機構之間的合作非常緊密和廣泛，以Chinese Academy of Sciences，Centre National de la Recherche Scientifique （CNRS）等機構為核心，與周邊機構形成了緊密的關系網絡。排名前10的機構總發文量占全部文獻的20.88%，說明這些研究機構在水鹽運移研究領域影響力較大，其中中國科學院在中國知網和Web of Science的發文數量均在前5，可見中國科學院在水鹽運移相關方面的研究已經較為成熟，擁有豐富的經驗和卓越的成就，為未來水鹽運移相關領域的研究奠定了堅實基礎。

（4）從國內外關鍵詞圖譜、聚類分析圖譜、研究熱點和時間線聚類圖可以看出，近年水鹽運移相關研究的關注點主要集中在鹽堿地、數值模擬、膜下滴灌、微咸水、凍融作用和sodium chlor、molecular dynamics、salt stress、desalination、soil salinity、aqueous solutions等方面。這說明鹽堿地的范圍逐步擴大，早期水鹽運移的研究主要是依靠模擬模型和田間試驗為主，在此后新的理論和方法不斷被發現和應用，水鹽運移的研究手段逐漸趨于成熟，植物滴灌技術及其模擬預測的出現使得鹽堿地治理邁入新的階段，但在改良大范圍大尺度的鹽堿地方面，仍需不斷創新推出新的技術與方法以適宜各地區的鹽堿地治理。

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