基于文獻計量的農業節水領域研究現狀及熱點分析

顧丹丹，董勤各，李 雅，雷會珠，馮 浩

（1.西北農林科技大學農學院，陜西楊凌712100；2.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌712100；3.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100；4.西北農林科技大學圖書館，陜西楊凌712100）

水是人類生產和生活過程中必不可少的基本自然資源，是社會經濟可持續發展得以實現的物質基礎之一[1]。在世界范圍內農業用水占水資源的80%左右，這一數據因不同經濟發展水平和氣候有一定差異[2]。在發達國家，灌溉用水約占可利用水資源的60%，而在發展中國家這一比例可達90%[3]。我國水資源分布呈現出明顯的不平衡性，局部水資源缺乏嚴重，加之較為嚴重的水污染問題，極大地制約了農業和工業的發展[4,5]。作為農業大國，近年來我國農業用水占到總用水量的62.4%[6]。為了維持作物較高的產出，我國絕大部分農作物都需要灌溉，目前灌溉的耕地面積占國家耕地面積的42%，農田灌溉水量占到了農業用水量的90%～95%[7]。但是，由于灌溉方式粗放等原因，我國灌溉水有效利用系數平均僅0.55，糧食水分生產率不足1.5 kg/m3，大量灌溉水被無效浪費，這加劇了水資源的浪費和農業用水的進一步缺乏，也造成農作物生產成本增高、比較效益降低[8]。因此，采取有效的節水灌溉措施，使單位水量發揮可能最大的經濟效益，是我國農業發展的必然趨勢[9]。農業節水的重要途徑包括滴灌、噴灌、溝畦灌等多種方式。關于這些措施對農業生產的影響，前人已有很多研究。綜合分析這些研究結果，深入探討如何更加合理的利用節水措施，對于更好的發展節水灌溉農業具有重要的理論和現實意義。

文獻計量學是借助于文獻的各種特征數量，采用數學與統計學方法來描述、評價和預測科學技術的現狀與發展趨勢的圖書情報學分支學科[10]。美國科技信息研究所（ISI）的科學引文索引數據庫擴展版（SCIE）收錄了世界各學科研究領域內最優秀的科技期刊，其收錄的文獻能在一定程度上反映科學前沿的發展動態。文獻計量學方法作為一個成熟的工具已經廣泛應用于多個學科，如王耕等[11]運用文獻計量的方法分析了海洋生態系統服務的研究熱點和趨勢，張俊等[12]采用文獻計量的方法對凋落物研究現狀和熱點進行了分析，串麗敏等[13]將文獻計量學運用到土壤污染修復領域發展態勢研究中。為了能夠在總體上把握國際上有關農業節水技術領域的研究現狀、熱點和發展趨勢，本文以Web of Science（WoS） 核心合集數據庫為數據源，對1992-2019年發表的農業節水技術相關的文獻進行計量分析，以期了解農業節水技術領域的最新動態，并為農業節水相關領域的進一步研究提供參考。

1 數據來源與分析方法

1.1 檢索詞的選擇與檢索方式

本研究以Web of Science (WoS)中SCIE 核心合集為數據來源，重點關注以節水技術為主的農業節水灌溉方面的研究。這些技術主要包括以灌溉方式進行區分的噴灌、微灌、滴灌、畦灌和溝灌，以及以灌水量進行區分的虧缺灌溉和充分灌溉等。以這些技術措施關鍵詞為基礎，分別從主題（TS）和標題（TI）檢索，兩種方式的檢索結果進行初步分析，并結合科研人員建議，最終確定以下主題檢索方式：TS=(“water saving irrigation” or “ saving irrigation” or “saving water irrigation” or “water-saved irrigation” or “precision irrigation” or “ precise irrigation” or “sprinkl* irrigation” or“spray* irrigation” or “micro irrigation” or “drip irrigation”or “trickl* irrigate*” or “border irrigation” or “strip irrigation” or “ridge irrigation” or “border strip irrigation” or“furrow irrigation” or “ditch irrigation” or “surface irrigation” or “deficit irrigation”) ，文獻類型為Article 或Review，分別限定發表時間為1992-2019年和2010-2019年。檢索時間為2020年2月。

1.2 分析方法

檢索結果1992-2019年發表文獻9 953 篇，其中2010-2019年間發表6675 篇。首先利用科睿唯安開發的分析工具Derwent Data Analyzer（DDA）進行文獻數據的清理及挖掘，其次將研究論文的發表年度、研究國家、研究機構、來源出版物、學科領域分布、關鍵詞等信息輸入Excel、GraphPad Prism 8 軟件進行統計分析，并繪制戰略坐標圖、熱圖、折線圖及雷達圖等；利用Ucinet 和Netdraw 對關鍵詞合作度進行可視化分析。

2 結果與分析

2.1 1992-2019年間農業節水領域研究概況

2.1.1 研究論文數量變化趨勢

1992-2019年間，農業節水灌溉方面的研究論文呈穩態增長趨勢（圖1）。這表明，農業節水灌溉一直是研究的熱點方向之一。1992-2009年，中國學者發表文獻數量占總發表文獻的比例平均為4.07%，2010-2019年其比例從13.28%快速增長至34.86%。這表明，從1992年以來，尤其是近十年來，中國在農業節水領域的科研取得了巨大的進步，在世界上所處的地位也日益提高。同時，在檢索的總文獻中，2010-2019年間發表的論文總量為6 675 篇，占1992-2019年發文總量（9 953篇）的67.1%。

圖1 1992-2019年農業節水技術文獻年度分布Fig.1 Quantity of publications on agricultural water saving from 1992 to 2019

2.1.2 學科領域分布

根據SCIE 數據庫對期刊進行的學科分類，分析了1992-2019年農業節水領域的研究論文，共涉及115 個學科類別。農業節水技術研究主要涉及農藝學（Agronomy）、水資源（Water Resources）、農業-多學科（Agriculture，Multidisciplinary）、環境科學（Environmental Sciences）、園藝學（Horticulture）、農業工程（Agricultural Engineering）、植物科學（Plant Sciences）、土壤科學（Soil Science）、食品科學與技術（Food Science ＆ Technology）等主題領域。其中以農藝學（Agronomy）、水資源（Water Resources） 領域研究較為集中。

圖2 1992-2019年農業節水技術領域涉及的學科領域Fig.2 The major research area of agricultural water saving from 1992 to 2019

2.1.3 論文發表期刊分析

從表1可以看出，農業節水技術相關論文期刊分布相對比較集中，載文量前10位期刊共計載文量為3 561篇，累計百分比占全部論文數的35.78%。排名第一位的期刊為Agricultural Water Management，其載文量達1 428 篇，占論文總量的14.35%。排名第二和第三位的分別是Irrigation Science 和Journal of Irrigation and Drainage Engineering，其載文量分別為396和333篇。

表1 1992-2019年農業節水技術領發文量前10種期刊來源分析Tab.1 Top 10 journals of publications on agricultural water saving from 1992 to 2019

2.2 近10年來主要研究力量分布

2010-2019年SCI 論文發文量前10（Top10）的國家累計發文量為4 572篇，占該時段總發文量的68.49%。發文總量最高的三個國家為中國、美國和西班牙。從國家層面分析（圖3），處于第一象限的為西班牙，說明其不但論文數量多，而且論文的質量和國際影響力也高；第二象限的有意大利、澳大利亞和葡萄牙，表明這3 個國家的發文量雖然低于平均水平，但文獻的被引情況良好，在全球的影響力較廣，尤其是葡萄牙，其篇均被引頻次居于首位，達24.15；處于第三象限的伊朗、土耳其、印度和巴西在節水研究領域要也進行了較為廣泛的研究，但其研究成果數量和影響力相對于其他Top10國家有所不足；中國和美國處于第四象限，論文數量較多，但篇均被引頻次相對較低，因此其較高的H指數較高與其發表論文數量大有關。

圖3 2010年至2019年內發文量前十位國家研究力量比較Fig.3 Comparation in research strength of top 10 countries on agricultural water saving from 1992 to 2019

從機構層面分析（圖4），西班牙高等科學研究理事會（CSIC）位于第一象限，其發文量為206篇，為所有機構最高，且其發表的文章篇均被引頻次和H指數分別為23 和35，均高于其他研究機構。這表明，CSIC 在農業節水技術方面的研究處于世界領先地位。處于第二象限的包括美國加州大學系統（UC）、中國科學院（CAS）和中國農業大學（CAU）。這3 個機構發文量和篇被引頻次也相對較高，這表明其在農業節水領域科研水平較高，也有較強的國際影響力。西北農林科技大學（NWAFU）、印度農業研究理事會(ICAR)、中國河海大學（Hohai Univ）美國佛羅里達大學（UF）、伊朗設拉子大學（Shiraz Unvi）處于第三象限，在Top10研究機構中處于較為邊緣的地位，發文數量和質量均有待進一步提升。美國農業部（USDA）處于一、四象限的坐標軸，其發文量居第二位，但篇均被引頻次較低。

圖4 2010-2019年發文量前十位研究機構研究力量比較Fig.4 Comparation of publications of top 10 institutes on agricultural water saving from 1992 to 2019

2.3 近10年來研究主題和熱點

圖5和圖6分別反映了2010-2019年10年間發表的論文中詞頻超過100 和50 的關鍵詞分布情況。從圖5和圖6可以看出，近10年來，滴灌、虧缺灌溉、產量、作物水分利用效率、水分脅迫、蒸散、氣候變化、精確農業、溫室氣體、碳、抗氧化系統、肥料等關鍵詞出現頻率呈現出明顯的上升趨勢。

整體來看，詞頻≥100 的關鍵詞，不僅節點較大，節點間的連線較多，且較粗的連線也多，交織成密集的網絡。由圖7可以看出，滴灌不僅節點大，且被引頻次多，說明滴灌仍是各種灌溉形式中研究最多的。虧缺灌溉也是研究的重點，有關溝灌、微灌和噴灌也有較多的研究；另外一種水肥耦合的灌溉方式加肥灌溉也是一種研究較多的灌溉方式。產量、蒸散、水分利用效率、水分生產力、氮、土壤水分、鹽分、根等也是研究的核心熱點。

50＜頻次＜100的關鍵詞（圖8），硝酸鹽是研究的核心之一，與加肥灌溉、排水、HYDRUS 間的連線較粗。表明，有關硝酸鹽與加肥灌溉、硝酸鹽與排水、硝酸鹽與HYDRUS 的研究出現在同一篇文章中的幾率較大。氣孔導度不僅節點大，而且其被引也較多，其中與作物系數及冠層間連線較粗。光合色素是另一個研究熱點，有70 篇文獻涉及光合色素，其中研究最多的是葉綠素（54 篇）、其次是類胡蘿卜素（18 篇）。植物激素/生長調節劑的研究也受到關注，這其中包括脫落酸、水楊酸、細胞分裂素、乙烯、茉莉酸、生長素、赤霉素、多胺等多種激素。碳和生物量也是研究的重點。抗氧化系統和花青素的研究同樣受到較多關注，且二者間連線較粗，表明二者同時出現的幾率較大。

3 討 論

論文的年代分布在一定程度上反映了該領域研究狀況、水平和發展速度，以及某時間段內該領域的研究熱點[14]。近10年來，農業節水灌溉方面的研究論文呈穩態增長趨勢。這反映了隨著社會經濟日益快速發展，水資源日益稀缺，國內外學者對于節水農業相關研究的關注更為密切。從1992年到2019年，中國作者所發表的文獻數量也呈現出明顯的增加趨勢，尤其2010年后，中國作者所發表的文獻數量快速增加，其占總發表文獻的比例呈現出快速的增長趨勢。這也說明，節水灌溉在我國也日益受到關注，也是研究的熱點工作。且我國在農業節水灌溉方面的研究主要集中于農藝學和水資源領域，研究方向較為集中，但同時該方面的研究涉及多學科的交叉領域，研究也具有綜合性、跨學科性的特點。

圖5 2010-2019年詞頻≥100的作者關鍵詞分布Fig.5 Authors’keyword distribution with word frequency greater than 100 from 2010 to 2019

圖6 2010-2019年50≤詞頻＜100的作者關鍵詞分布Fig.6 Authors’keyword distribution with 50≤word frequency ＜100 from 2010 to 2019

圖7 詞頻≥100的作者關鍵詞網絡度分析Fig.7 Keywords network degree analysis of authors with word frequency greater than 100

圖8 50≤詞頻＜100的作者關鍵詞網絡度分析Fig.8 Keywords network degree analysis of authors with 50≤word frequency＜100

在1992年到2019年的檢索的總文獻中，2010-2019年間發表的論文總量為6 675 篇，占1992-2019年發文總量（9 953篇）的67.1%，因此本報告重點分析了近10年（2010-2019年）該領域的研究力量分布和研究主題熱點。論文數量、被引頻次和H指數是分析評價研究成果質量的重要指標，能從論文數量角度反映國家或機構對某領域的關注度，從質的角度反映論文水平和影響力強弱[15]。從國家層面的分析可以看出，中國在農業節水領域的研究在近年取得了很大的進步，發文量位居世界首位。但是，我國文章篇均被引頻次相對不高，低于西班牙、美國、意大利、澳大利亞和葡萄牙等國。在節水灌溉領域，中國科學院（CAS） 和中國農業大學（CAU）取得了相對較好的成績，發文量僅次于西班牙高等科學研究理事會和美國加州大學系統，但CAS 和CAU 文章篇均被引頻次也低于二者。這表明，在農業節水領域，我國科學工作者做了大量的研究，取得了一系列的成果。但是，我國在該領域研究影響力不足。這需要我國科研工作者進一步凝練成果，提高論文的質量，從而增強我國在該領域的科研影響力。

關鍵詞是對文獻研究內容的高度濃縮，出現頻次較高的關鍵詞可以在一定程度上反應某時間段內比較常用的研究方法、研究中的瓶頸問題或者研究人員關注的熱點話題[16]。本研究結果表明，灌溉方式的研究一直是近年來的研究熱點。研究最多的是滴灌（Drip irrigation）。其次，噴灌（Sprinkler irrigation）、分根交替灌溉（Partial root-zone drying irrigation(PRDI)）、加肥灌溉（Fertigation）、溝灌（furrow irrigation）和微灌（Microirrigation）也均有較多的相關研究。同時，圖5表明，滴灌研究相關的文獻數量呈現出快速增加的趨勢。這說明隨著節水觀念的深入，以及水資源利用的日趨緊張，農業節水技術的研究日益受到重視。前人研究表明，滴灌、噴灌能夠顯著提高作物產量（yield）及水分利用效率（water use efficiency）[17,18]。也有研究認為，噴灌、滴灌等措施對技術要求較高，且相關維護成本高，同時可能會造成土壤鹽分（salinity）積累以及鹽分物質堵塞灌溉孔等問題，在小麥等大田作物的應用受到一定的限制[19]。圖7也表明，鹽分和滴灌兩個關鍵詞結合緊密，這說明該問題受到了多個研究者的重視。但是，隨著技術的進步，微噴灌、滴灌等材料成本及價格下降，這使得滴灌和噴灌等在大田作物的應用變得日益廣泛。Wang 等[20]研究表明，配合地膜等技術，滴灌技術在小麥生產上也取得較好的效果。Valentin 等[21]研究表明，噴灌和滴灌在玉米生產中能夠起到節水、增產、增效的效果。同時，滴灌、噴灌結合加肥灌溉，可以顯著促進作物對營養元素的吸收，提高肥料的利用效率，起到節水、減肥的效果。除滴灌、噴灌外，分根交替灌溉，溝灌等節水灌溉方式也有較多的研究。一系列研究表明，分根交替灌溉和溝灌等灌溉方式同樣能顯著提高作物產量，并提高灌溉水利用效率[22]。由于其相對較低的成本，在大田作物生產中應用的可行性相對較大。同時，有研究表明，溝灌等灌溉措施結合溝壟覆膜種植等栽培措施，能夠在冬小麥生產上節水效率達到50%以上，能夠促進作物的高產、高效生產[23]。另外，從研究對象來看，熱點作物除葡萄（grape）、李屬植物（prunus）外，主要包括玉米（maize）、馬鈴薯（tomato）、小麥（wheat）、水稻（rice）、棉花（cotton）、土豆（potato）和豆類（bean）等大田作物，且這些關于作物研究相關的文獻量也呈現明顯的增加趨勢（圖5和圖6）。同時，除水分利用效率、水分生產力（water productivity）外，關于作物產量（yield）、果實品質（fruit quality）等也日益成為研究熱點。這些研究表明，隨著技術的進步以及研究的不斷深入，多種節水灌溉技術在作物生產上得到越來越廣泛的應用，對于農作物生產的貢獻也越來越大。除提高水分利用外，高產、優質、高效相協調也成為農業節水技術研究和應用的一個重要目標。在提高水分利用效率的同時，如何綜合提高農作物產量、品質、資源利用效率，是將來節水灌溉的一個主要研究方向。

作物模型（Crop model）是借助信息技術進行農業生產精準管理的基礎，是農業生產和研究進步的標志之一。HYDRUS 模型的應用較為廣泛（圖5），除此之外，本研究文獻中涉及的作物模型主要包括AquaCrop、SIMDualKc、APSIM、CERES model （Maize/ Rice/ Wheat）系列、CROPWAT、DSSAT 以及SWAP-WOFOST 等。這些模型側重點不同， 關注的方向及其適應性也存在一定差異，這可能是不同研究采用不同模型的主要原因。除此之外，有關精準農業（Precision agriculture）、灌溉管理（irrigation management）和灌溉制度（irrigation regime）的研究也是研究的熱點（圖5和圖6）。這些結果表明，國家對農業節水技術的研究與模型的結合日益緊密，同時越來越注重從管理和制定政策制度方面入手，農業節水技術宏觀方面的研究日益受到重視。

除宏觀研究外，關于農業節水技術增產、增效機制方面的研究也是研究的熱點。這其中，碳（Carbon） 和氮（Nitrogen）代謝是研究的熱點之一（圖5～圖8）。碳水化合物合成及其積累是作物產量形成的決定因素。前人研究表明，合理的節水灌溉措施能夠顯著調控作物植株的葉面積指數（Leaf area index）， 進而改善作物的葉片光合作用（Photosynthesis），從而促進作物生長發育并提高其生物量（Biomass）和產量[24]。也有研究發現，適度的虧缺灌溉能夠促進碳水化合物向籽粒等結實器官轉運，提高作物的收獲指數進而提高產量[25]。除此之外，前人研究發現節水灌溉更能夠顯著影響葉片氣孔導度（Stomatal conductance），在不影響作物光合作用的前提下顯著降低水分蒸騰，從而提高水分利用效率[26]。這些研究表明，植株碳水化合物代謝受到灌溉措施的顯著影響，并影響作物產量形成。除產量外，不同灌溉措施下，碳水化合物代謝和作物品質也存在密切關系。Xu 等[27]研究表明，節水灌溉措施顯著影響水稻直鏈淀粉含量和稻米淀粉直支比，進而顯著影響稻米蒸煮食味品質。除碳外，氮也是作物的重要組成部分，顯著影響作物產量和品質。作物氮吸收代謝與灌溉存在密切聯系，水氮之間存在顯著的互作效應，適度的灌溉能夠促進作物對土壤氮素的吸收、利用，進而提高作物氮素利用效率[23]。除此之外，適度的節水灌溉一方面減少水分向深層土壤滲透，促進作物對深層水分的利用，同時能夠減少硝態氮（Nitrate）的淋溶損失，起到節水節肥、減水增肥的功效，促進作物的高產、高效[28]。除碳氮代謝外，植物激素（phytohormone）的研究也受到關注（圖6和圖8）。分析植物激素出現的文獻，其中脫落酸出現頻次最高，其次水楊酸、細胞分裂素、乙烯、茉莉酸、生長素、赤霉素、多胺等也均有涉及。前人研究表明，適度的節水灌溉措施能夠通過調控激素信號途徑調控作物生長對水分的響應，這其中脫落酸起著關鍵作用[29]。脫落酸信號能夠調控作物氣孔開閉，影響作物的光合作用和水分利用，進而調節水分利用效率[30]。除ABA 外，其他激素也在作物響應不同灌溉中起著重要作用。Liu 等[31研究發現，溝壟集雨補灌措施通過影響籽粒多胺和乙烯等激素含量調控了小麥籽粒灌漿。也有研究發現，覆膜節水灌溉對玉米粒重的影響與細胞分裂素和生長素等激素有關[32]。這些研究表明，作為植物信號，激素在節水灌溉調控作物生長過程中起著重要作用。除此之外，抗氧化系統（antioxidant systems）的研究同樣受到較多關注，其在節水灌溉調控作物生長過程中同樣起著重要作用。研究作物生長發育響應節水灌溉的生理生化機制，對于構建合理的灌溉系統，促進作物生長及其產量、品質形成具有重要影響。這可能是今后節水灌溉研究的一個重要方向。

隨著氣候變化（Climate change），關于環境以及溫室氣體（greenhouse gas）排放的研究也日益成為熱點。其中，在農業節水技術方面，氧化亞氮的研究最多，其次為甲烷和二氧化碳。Deng 等[33]研究表明，節水灌溉能夠顯著降低農田氧化亞氮排放強度，對節能減排具有顯著影響。Guo 等[34]研究發現，滴灌能夠顯著降低二氧化碳的排放，提高土壤碳匯。研究認為，在水稻上干濕交替灌溉方式能夠有效降低甲烷排放，達到增產增效的作用[35]。關于節水灌溉措施影響溫室氣體排放的機理，前人也從土壤微生物、土壤水分、溫度等方面進行了研究[36]。目前，隨著對環境的日益重視，農藝措施的環境效應研究也逐漸受到重視。節水灌溉措施對于農田碳氮排放具有顯著影響，如何從水分-土壤-微生物-碳氮排放的角度綜合研究節水灌溉措施對于農田碳氮減排的影響機制，有利于深化節水灌溉的研究內涵，加深其與其他研究的聯系，促進學科的深入發展。

這些研究表明，關于農業節水灌溉措施，前人從產量、品質、植物生長、碳氮代謝、激素、溫室氣體排放、生理機制等方面進行了較為全面的研究。在今后的研究中，應該注重多因素的協同作用，以及節水措施的綜合效應研究，使得農業節水灌溉措施能夠在農業發展中起到更加重要的作用。

4 結 論

通過對WoS 中1992-2019年（重點2010-2019年）節水技術文獻的年度發文量、主要研究國家/機構、來源期刊分布、學科分布、研究熱點分析，得出如下結論：

（1）1992-2019年間，國內外有關農業節水技術相關研究文獻日益增多，表明研究人員對該領域的關注度越來越高。農業節水技術研究是一個多學科交叉領域，文獻學科分布非常廣泛，主要涉及農學、水資源、環境科學、園藝學、農業工程等學科。該領域的期刊分布較為集中，其中農田水管理（Agricultural Water Management）載文量占14.35%。

（2）中國在農業節水技術研究領域發文量最多，但文獻篇均被引頻次較低，文獻質量有待進步提升。美國和西班牙發文量分居第二和第三位。眾多研究機構中，西班牙高等科研理事會（CSIC）表現最為突出，發文量和篇均被引頻次均居世界首位。中國有4 所機構發文量進入世界前10 位，分別為中國農業大學、中國科學院、西北農林科技大學和河海大學。其中，中國農業大學和中國科學院篇均被引頻次超過平均水平，有較強的影響力；西北農林科技大學和河海大學文獻被引情況較弱，更應注重高質量論文的發表，以提高在該領域的影響力。

（3）灌溉方式的研究是近年來的研究熱點，其中對滴灌的研究最多，噴灌、分根交替灌溉、加肥灌溉、溝灌和微灌也均有較多的研究。關于農業節水技術增產、增效機制方面的研究也是研究的熱點，這其中研究較為集中的包括對碳氮代謝、植物激素和抗氧化系統等方面的研究。關于環境以及溫室氣體（greenhouse gas）排放的研究也日益成為熱點，研究較多的溫室氣體包括氧化亞氮、甲烷和二氧化碳等。綜上，關于農業節水灌溉措施的作用和效應，研究人員分別從產量、品質、植物生長、碳氮代謝、激素、溫室氣體排放、生理機制等方面進行了較為全面的研究。