基于CiteSpace對蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面的研究進展和趨勢的可視化分析

尹 萌，張金霞，丁 林，劉興榮

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省科學院自然災害防治研究所，甘肅 蘭州 730000)

為緩解水資源短缺與農田生產之間的矛盾，最有效的解決辦法無疑是節水灌溉，發展節水農業，促進農業可持續發展[1]。而制定合理灌溉制度的基礎是準確測定作物的蒸發蒸騰量[2]，作物蒸發蒸騰量是農業生產的主要要素之一，其主要由土壤蒸發和作物蒸騰兩部分構成。準確測定和估算作物蒸發蒸騰量可以了解作物需水耗水的規律，達到精準灌溉，實現農田用水高效管理，從而達到節水農業和實現作物增產的目的。而影響作物蒸發蒸騰量的因素有很多[3]，蒸滲儀可以直接測定作物蒸發蒸騰量，被認為是最精確的直接測定方法。器內土柱的重量變化及其滲漏量能夠被高精度稱重式傳感器來測定，蒸滲儀法在農田作物觀測已被普遍使用[4]。蒸滲儀由于其獲得的數據精度較高常用于校正和比較其他方法獲得的數據，現已是測定蒸發蒸騰量的標準試驗儀器[5-6]。

近年來，已有一些學者對蒸滲儀的研究成果進行了整理分析。例如，葛帆和王釗綜述了不同類型的蒸滲儀在農田水文的應用，其中大型蒸滲儀已處于世界領先水平，并指出蒸滲儀的應用將在環境工程等更廣泛的領域等到新的應用[7]。王怡寧和朱月靈總結了國內外應用蒸滲儀的研究領域以及進展，通過對其分析提出了一些關于蒸滲儀設計方面的建議[8]。劉翠紅等以蒸滲儀法直接測定騰發量為切入點，系統闡述了蒸滲儀的類型、組成、工作原理及應用現狀[9]。這些都對蒸滲儀的發展做出了重要貢獻，縱觀國內已有研究成果，從內容上看，屬于蒸滲儀大方向的研究進展，鮮有研究蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定這個小方面的分析；就方法而言，以主觀的內容解讀為主，運用科學計量工具客觀分析的基本沒有，而基于科學計量工具的可視化分析可以更加客觀地反映研究熱點及趨勢。鑒于此，本文嘗試用當前學界較為認可的文獻計量工具CiteSpace作為研究工具，力求客觀呈現蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定的研究及進展，以期為國內研究提供新的思路與方向。

1 數據來源及分析方法

1.1 數據來源

為保證數據的全面性，本文數據選取中國知網(CNKI)、維普(VIP)以及萬方(Wanfang)3個數據庫為數據來源。其中，CNKI數據以主題途徑進行專業檢索，檢索式=”蒸滲儀”AND”蒸發蒸騰+蒸散+騰發量+蒸發+作物系數+作物需水量+作物耗水量”，并且選擇中文文獻；VIP數據使用全部字段進行高級檢索，檢索式=”蒸滲儀”AND”蒸發蒸騰OR蒸散OR騰發量OR蒸發OR作物系數OR作物需水量OR作物耗水量”，語言選擇中文；Wanfang數據庫使用主題途徑進行高級檢索，檢索式為：主題=(蒸滲儀)and(蒸發蒸騰or蒸散or騰發量or蒸發or作物系數or作物需水量or作物耗水量)，限定條件選擇中文；3個數據庫的時間跨度為從各數據庫建庫至2023年2月16日。通過檢索，CNKI獲得261篇相關文獻，VIP獲得708篇，Wanfang獲得1207篇，總計相關文獻2176篇。

1.2 數據篩選及清洗

將通過檢索獲得的數據2176篇全部導入NoteExpress V3.7中進行文獻數據管理，通過NoteExpress V3.7去除重復文獻并剔除會議論文、學術論文、專利等不相關文獻，只保留期刊論文，再進行人工刪減，手動進一步剔除與主題不相關的文獻，經多次修補以及檢查，最終獲得蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面相關文獻470篇作為分析數據樣本。

1.3 分析方法

將470篇最終數據從NoteExpress V3.7中以Refworks-CiteSpace2021格式導出命名為download_*的txt文件，使用美國德雷塞爾大學陳超美博士開發的文獻計量分析軟件CiteSpace(6.1.R6)，對蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面的研究進展和趨勢進行可視化分析[10]，包括年發文量、作者、發文機構、關鍵詞情況，通過知識圖譜的分析，獲得該領域的研究現狀、研究熱點及未來發展趨勢。

2 結果與分析

2.1 文獻年發文量分析

將所納入的數據樣本按時間順序統計發文數量，并使用微軟Excel 2016軟件繪制圖表。在過去40余年蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面的發文量及趨勢如圖1所示，總體在波動中上升，根據其增長趨勢得出增長方程y=0.6843x-1358.9，R2=0.7312(R2>0.7，模型擬合程度較高)，說明文獻增長穩定增長，且成線性增長模式。其整體發展趨勢可分為3個階段：第一階段：1980年—1995年呈現平穩低發文量狀態，平均年發文量為1篇；第二階段：1996年—2003年呈現穩定小幅度增長趨勢，平均年發文量為5篇；第三階段：2014年至今，呈現顯著增長趨勢，整體每年發文量有所回落，但平均年發文量大于21篇。其中，2021年發文量最多，為32篇，占比6.17%。呈上升趨勢的發文量表明蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面的研究與應用受到學者的廣泛關注，隨著研究技術發展和相關工作的持續完善，蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面的相關研究將繼續趨于深入。

圖1 蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面的發文量及趨勢

2.2 文獻作者分析

經統計一共有612名學者參與發表有關蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面的相關研究，利用微軟Excel 2016將發文量排名前10的作者進行羅列，見表1。其中，發文量最多的作者是蔡煥杰(西北農林科技大學，17篇)，其次為王振龍(安徽省水利科學研究院，15篇)、呂海深(河海大學，9篇)。

表1 蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面發文量前10的作者

通過發文作者合作關系圖譜可以發掘學術研究的團隊效應，提供相關領域的主要研究人員及其側重方向。通過CiteSpace(6.1.R6)軟件，將節點選擇為”Author”，為使作者全部顯示，將閾值設置為1，分析繪制出發文作者合作關系圖譜如圖2所示。由圖2分析可知，作者群體整體網絡連線比較密集，該領域以團隊研究居多，形成了以蔡煥杰、王健等人，王振龍、呂海深、胡永勝等人，徐俊增、彭世彰等人以及孫景生等人為核心的研究群；研究群體之間密切聯系，交集較多，研究力量比較集中。

圖2 發文作者合作關系圖譜

2.3 發文機構分析

通過對發文機構分析，可以清晰地看出研究領域內的研究布局。通過CiteSpace(6.1.R6)軟件，將節點選擇為”Institution”，為使結果清晰明了，將閾值設置為3，表示發文次數大于3次的機構將會在圖中顯示出來，分析結果如圖3所示。經統計470篇文獻涉及327個機構，利用微軟Excel 2016將發文量排名前10的機構進行排列，見表2。從圖3整體可以看出，機構間的合作主要以各研究所之間合作為主，各個大學機構間溝通合作不足。其中，發文量最多的機構為河海大學以及中國農業大學，都是累計16篇，分別占發文量的3.4%，由圖3可看出兩所機構與其他機構之間缺少交流與合作，不利于其在該領域內的發展，建議在保持自身研究優勢的情況下，多與其他機構進行學術交流、學習，以促進該領域的發展；發文量其次的分別是中國科學院寒區旱區環境與工程研究所(13篇)、中國農業科學院農田灌溉研究所(12篇)，這2所機構與其他機構有著較為活躍的交流與合作，對該領域的影響較大，分別占發文量的2.77%和2.55%。

表2 蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面發文量前10的機構

圖3 發文機構合作關系圖譜

2.4 關鍵詞共現及研究領域分析

2.4.1關鍵詞共現分析

基于CiteSpace(6.1.R6)對關于蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面相關文獻470篇的關鍵詞進行分析，如圖4所示，470篇文獻涉及472個關鍵詞，紫色輪廓圓形代表中心，并將出現出現頻次前20的關鍵詞通過微軟Excel 2016列表顯示，見表3，出現頻次最高的關鍵詞是蒸滲儀(79次)，其中介中心性為0.42，較為突出，可以看出蒸滲儀在眾多研究方向中起著橋梁作用。其中，蒸散量(34次)、土壤水分(19次)、土壤蒸發(24次)、冬小麥(44次)、蒸發(22次)、蒸散(40次)、作物系數(39次)以及潛水蒸發(14次)的中介中心性均大于0.1，代表了這些關鍵詞在蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面研究中關注度比較高，反映了本領域的研究熱點。

表3 蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面研究中排名前20的關鍵詞

圖4 高頻關鍵詞共現圖譜

2.4.2關鍵詞聚類分析

在關鍵詞聚類分析網絡中，當聚類模塊值Q>0.3表示社團結構是顯著的；當聚類平均輪廓值S>0.7意味著聚類是高效率且令人信服的[11]。對關鍵詞進行K均值聚類分析，得到一個從#0至#12、有13個聚類編號組成的聚類圖譜，聚類重疊部分代表其聯系密切，如圖5所示，參數結果分別為Q=0.6411和S=0.8715，圖中顯示聚類結構顯著，結果可信。

圖5 關鍵詞聚類圖譜

將圖5的聚類結果進行整合，該研究領域的聚類標簽可分為3類，即蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面的應用。第一類為蒸滲儀在測定作物蒸發蒸騰量方面的應用，主要包括#0、#1、#3、#6和#9共5個聚類，涉及的關鍵詞有棵間蒸發、時間尺度、蒸散、蒸騰、蒸滲儀測量、作物系數、土壤水分等。如何準確測定作物蒸發蒸騰量這一熱點問題始終被眾多學者關注[12]，相比較于回填土，胡永勝等[13]建議使用原狀土蒸滲儀測定作物蒸發蒸騰量。也有學者對比分析用蒸滲儀與其他方法測定的作物蒸發蒸騰量的精確性[14-16]，強小嫚等[17]為了更加準確地估算作物蒸發蒸騰量，對比分析了波文比計算值和蒸滲儀實測值，發現其二者變化趨勢基本一致且相關性好，但蒸滲儀實測值由于受風速的影響，其日變化起伏較大，比較敏感。為了進一步提高蒸滲儀的分辨率和準確性，許多學者對蒸滲儀以及系統進行了各種研制和改造[18]，其中謝永玉等[19]研制的小型地中式稱重蒸滲儀系統，結構簡單、造價低，分辨率可達0.005mm。為了將作物葉面蒸騰和棵間土壤蒸發兩部分分解，常采用大型蒸滲儀和小型蒸滲儀相結合的方法[20]，可準確監測作物生長期間的逐日蒸發蒸騰和棵間土壤蒸發過程。在依據蒸滲儀實測數據開展蒸發蒸騰量時間尺度擴展中，對于如何由瞬時蒸發蒸騰量數據擴展到日蒸發蒸騰量及整個生育期的蒸發蒸騰量，劉國水等[21]認為需綜合考慮當地的氣候氣象條件、作物種植狀況、土壤水分和時間尺度擴展類型等因素，選擇合適的蒸發蒸騰量時間尺度擴展方法。

第二類為蒸滲儀在檢驗和評估蒸發蒸騰理論模型方面的應用，主要包括#2、#4、#5和#12共4個聚類，涉及的關鍵詞有模型、數值模擬、作物、直接測定等。量化作物蒸騰和土壤蒸發尤為重要，但有時進行直接觀測會消耗人力物力，并且直接觀測容易受自然因素影響，因此學者們也在考慮采用蒸發蒸騰量理論模型計算蒸發蒸騰量[22]。而各個蒸發蒸騰量理論模型大多有其適用性和限制性條件，因此在農業生產實踐中基于不同估算模型合理模擬作物蒸發蒸騰量時，利用蒸滲儀實測數據對模型進行檢驗和評估顯得尤為重要[23-25]；基于模型估算作物蒸發蒸騰量的方法已取得長足進展，但在干旱半干旱地區，復雜的下墊面會使作物蒸發蒸騰量估算偏差增大[26]，故分析作物蒸發蒸騰量的影響因子對于準確測定和估算作物蒸發蒸騰量尤為重要。

第三類為蒸滲儀在確定蒸發蒸騰量的影響因子方面的應用，主要包括#7、#8、#10和#11共4個聚類，涉及的關鍵詞有影響因素、氣象因子、環境因子、氣象因素、農田等。作物的蒸發蒸騰量會受作物自身生理特征以及外界環境的影響，總的來說其影響因素包括氣象[27]、作物、土壤[28]及農業技術水平幾方面因素。其中氣象因素包括光合有效輻射、日照時間、氣溫以及風速等；作物因素包括作物株高以及葉面積等；土壤因素包括土壤溫度以及濕度等。有很多學者基于蒸滲儀針對國內不同地區探究了影響作物蒸發蒸騰量的影響因子及其之間相互作用，發現不同地區的主要影響因子大不相同[29-30]。

2.4.3關鍵詞時間線圖

在關鍵詞聚類的基礎上，繪制時間線圖譜，如圖6所示，從圖譜中可以清晰的看出各個聚類的時間跨度以及各個聚類間的聯系，各個關鍵詞之間的連線代表關鍵詞共現的年份，從圖中可以看出蒸滲儀自1996年就用于作物蒸發蒸騰量的測定，一直延續至今，其中研究對象主要為玉米以及小麥旱區作物。不同農田作物蒸發蒸騰量所表現出的變化規律有所差別，袁宏偉等[31]利用大型稱重式蒸滲儀測定夏玉米生育期內的蒸發蒸騰量并分析其變化規律，探究了夏玉米蒸發蒸騰量與土壤含水率以及葉面積指數之間的關系，結果表明夏玉米蒸發蒸騰量受0～40cm土層土壤含水率的影響最為顯著。在探究冬小麥蒸發蒸騰量的變化規律中，也發現冬小麥蒸發蒸騰量主要受0～40cm土層土壤含水率的影響[32]。為探討作物蒸發蒸騰量變化規律及其產量與水分之間的關系，張寶珠等[33]設置了春玉米在不同供水量下其蒸發蒸騰量測定試驗，發現各處理的蒸發蒸騰量總體都呈現出先增大后減小的趨勢，在春玉米的中期其蒸散量最大，達到最整個生育期占比的70%以上。

圖6 關鍵詞聚類時間序列圖譜

自1996年學者開始關注蒸發蒸騰量理論模型所估算的作物蒸發蒸騰量準確性這一科學問題，許多學者進行了相關探討和研究，可以看出模型的適用性受到地區、作物種類以及作物生育階段等的影響。肖璐等[34]利用大型稱重式蒸滲儀對夏玉米各生育期蒸發蒸騰量的實測值對基于單作物系數法的參考作物蒸發蒸騰量估算經驗模型(H-M4)、單源模型以及雙源模型進行修正和評價，發現單源模型及H-M4雖輸入的參數較少但估算得到的蒸發蒸騰量比較精確。為分析不同作物蒸發蒸騰量估算方法的適用性，姚瑤等[35]將稱重式蒸滲儀測定冬小麥全生育期的實際蒸發蒸騰量與7種不同估算模型進行綜合對比，表明Hargreaves-Samani模型得到的冬小麥蒸發蒸騰量與實際差異最小。鄭珍等[36]采用大型稱重式蒸滲儀對冬小麥蒸發蒸騰量的實測值對SIMDual_Kc模型進行參數校核與檢驗，發現在冬小麥生育期模型估算值與蒸滲儀實測值的變化趨勢一致，但在生長后期二者存在較大的偏差，并且對于峰值的估算偏低，認為該模型不適合短期內波動數值模擬，更適合模擬長時段的趨勢變化。敬峰等[37]借助大型稱重式蒸滲儀群組(9臺)，探究不同土壤水分條件(70%、60%、50%田間持水率)下冬小麥蒸發蒸騰量適宜估算模型(單作物系數法、雙作物系數法以及BP人工神經網絡法)，通過統計指標對不同模型經行綜合評價，認為雙作物系數模型是最適宜不同土壤水分脅迫水平下估算作物蒸發蒸騰量。唐德秀等[38]為準確估算砂石覆蓋條件下夏玉米蒸發蒸騰量，利用先前已測數據修正并且評估了單、雙作物系數法計算公式，認為在估算砂石覆蓋條件下夏玉米蒸發蒸騰量時，雙作物系數法比單作物系數法更精準。蔡甲冰等[39]利用24個群集式蒸滲儀(12個稱重式和12個固定式(非稱重式))測量冬小麥-夏玉米實際日蒸發蒸騰量來對比用S-I模型計算的作物蒸發蒸騰量，從而率定S-I模型特征參數，獲得農田蒸散量估算模型。利用蒸滲儀的實測數據對模型進行檢驗、評估和修正具有重要意義。

自2008年學者開始關注氣象因子對蒸滲儀的影響。李杰等[40]基于大型稱重式蒸滲儀研究了北疆地區滴灌模式下冬小麥不同時段(生育階段、日、時)的農田水分蒸發蒸騰規律，分析氣溫、相對濕度、風速等因子對農田水分蒸發蒸騰的影響及產量和蒸發蒸騰量的關系。劉美含等[41]采用大型稱重式蒸滲儀研究了內蒙古河套灌區玉米蒸散動態規律，并運用通徑分析法探討了玉米蒸發蒸騰量與各影響因子間的相關關系，發現影響河套灌區玉米蒸發蒸騰量的主要氣象因子是飽和水氣壓與氣溫，最小因子是風速。劉月娥等[42]利用稱重式蒸滲儀探討了玉米不同生育階段影響其日蒸發蒸騰量的氣象因素，發現不同生育階段影響日耗水量的主要氣象因素有所不同，在出苗至吐絲和播種至收獲階段主要受空氣溫度、光輻射和平均風速影響；而在吐絲至收獲階段主要受空氣溫度和光輻射影響。

2.4.4關鍵詞突發性分析

關鍵詞的爆發強度越高表明關鍵詞在某一時段快速產生的數量，據此能夠反映某一時段內某一關鍵詞的研究熱度，對關鍵詞進行突現分析有利于把握某一時刻研究熱點[43]。通過CiteSpace(6.1.R6)整理獲得爆發強度前25的爆發詞，如圖7所示，爆發強度最強的是作物系數高達5.02，持續時間為2009—2011年，而蒸散量、凝結水以及蒸散發近幾年呈現較高爆發程度，預計成為該領域新的研究熱點。

圖7 關鍵詞突現圖譜

3 結語

蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面的文獻發文量總體呈現上升趨勢，近幾年發文量有所增加。研究作者主要是蔡煥杰、王振龍以及呂海深，核心研究群體之間交集較多，聯系密切。研究主要集中在大學機構以及研究所，研究所之間的學術交流比較多，而大學機構間缺少交流與合作。通過對關鍵詞進行聚類分析和時區圖分析發現研究熱點主要集中在3個方面，即測定作物蒸發蒸騰量、檢驗和評估蒸發蒸騰量理論模型以及確定影響蒸發蒸騰量因子3個方面。

蒸滲儀作為農田測定作物蒸發蒸騰量的標準儀器目前使用頻率較高的是大型稱重蒸滲儀。蒸滲儀的精度隨著現代工業水平的提高而提高，并且其性能趨向自動化、精細化以及信息化方向發展。為使數據更具有代表性應增加蒸滲儀的密度；完善測量方法，避免由于測量誤差導致的數據不準確；同時需進一步研究蒸滲儀測定的數據的影響因子的規律性和系統性，將有利于蒸滲儀在蒸發蒸騰量測定方面的應用。