國際水土保持研究的可視化圖譜分析

張洪偉, 李 華, 未碧貴, 周添紅, 貢 力, 楊 浩

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室,北京 100044；3.中國科學院 蘭州化學物理研究所，甘肅 蘭州 730000； 4.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

國際水土保持研究的可視化圖譜分析

張洪偉1,2, 李 華1, 未碧貴1, 周添紅3, 貢 力4, 楊 浩1

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室,北京 100044；3.中國科學院 蘭州化學物理研究所，甘肅 蘭州 730000； 4.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

國際水土保持研究；CiteSpace軟件；知識圖譜；可視化分析

以Web of Science數據庫1996—2015年水土保持文獻數據為對象，運用CiteSpace可視化分析軟件對引文數據進行了分析和處理，以知識圖譜的方式，梳理了國際水土保持研究的文獻增量趨勢、學科交叉和分布、作者和國家或地區的合作網絡，以及水土保持研究的知識基礎和熱點關鍵詞時間演進等內容。研究認為：國際水土保持研究文獻數量呈明顯增長趨勢；學科領域跨度較大，交叉融合較多；作者合作網絡具有豐滿的樹狀生長圖結構，表現出較好的合作生態鏈；國家或地區合作網絡緊密，部分國家或地區在合作中發揮了重要的媒介聯結作用；篩選的知識基礎文獻具有較好的代表性，是水土保持研究的奠基性基礎知識；突發性關鍵詞的熱點趨勢變化為相關學者的進一步研究及政府管理決策提供了參考。

水土流失是危害人類生存發展的最嚴重的環境問題之一，目前全球約有1 965萬km2的陸地面積受到各種形式土壤退化的影響[1]。FAO(Food and Agriculture Organization,聯合國糧食及農業組織)最新研究成果顯示[2]，水土流失、水質惡化等因素已導致全球近25%的土地目前正在高度退化，8%中度退化，36%趨于穩定或輕度退化。全球每年因水土流失導致2 300萬～4 200萬t的氮通量和1 460萬～2 640萬t的磷通量從農業用地流失，每年因肥料補充需要花費77億～140億美元[3]。許多科學家都在強調水和土壤管理的重要性和保護不佳的嚴重后果[4-7]，水土保持問題已逐漸成為全球學者研究的熱點領域[8-11]。經過檢索，僅Web of Science數據庫在1996—2015年就發表水土保持相關學術論文12 000余篇。由于水土保持研究的跨學科性和氣候、人為因素等對研究方向的影響，因此科研人員很難掌握和梳理水土保持研究領域的文獻成果產量分布、學者貢獻分布、研究關鍵熱點等信息。本研究從文獻計量學角度，運用知識圖譜分析軟件，將國際水土保持研究的基本現狀、科研合作、前沿趨勢進行了系統直觀的分析，以期為水土保持研究人員和管理決策人員提供科學的參考依據。

1 研究方法與數據來源

運用知識圖譜工具進行專業領域的可視化分析，已成為情報學和文獻計量學領域的研究熱點[12]。本研究采用近年來在知識圖譜可視化分析領域具有一定特色和影響力的軟件CiteSpace作為數據分析工具[13]。CiteSpace軟件是由美國德雷賽爾大學計算機與情報學教授陳超美基于Java語言平臺開發的，它不僅提供了引文空間的挖掘，還提供了關鍵詞、主題詞的共詞分析和作者、機構、國家/地區的共現分析，并且具有豐富的圖譜輸出功能。運用CiteSpace軟件可在一定程度上避免研究人員主觀判斷對分析結果的影響，進而增強結果的客觀性[14]。本研究采用CiteSpace軟件4.0.R4版本對國際水土保持研究文獻進行數據分析。

本研究的數據來源于國際最權威的自然科學引文數據庫Web of Science。該數據庫目前收錄了自然科學8 200余種國際性、高影響力的學術期刊，數據最早可以回溯到1900年，其內容涵蓋了農業、工程、環境等150多個學科領域。文獻檢索時間為1996—2015年，文獻類別選擇ARTICLE(論文)和PROCEEDINGS PAPER(會議論文)，累計檢索到12 067篇文獻，檢索時間為2016年5月21日，索引類型為SCI-EXPANDED、SSCI、A&HCI、CPCI-S、CPCI-SSH、ESCI、CCR-EXPANDED，檢索主題為TS=(((“soil and water” or“water and soil”) and (“loss” or “conservation”)) or “soil erosion” or “soil denudation” or ((“Hydraulic erosion” or “gravity erosion” or “wind erosion” or “water erosion”) and (“water loss” or “soil loss”)))。

2 文獻產出情況

1996—2015年水土保持領域文獻產出趨勢見圖1。由圖1可以看出，1996年以來，國際水土保持研究文獻總量呈明顯上升趨勢，總量由1996年的238篇增加到2015年的1 045篇，論文數量與文獻總量均呈上升趨勢，會議論文數量基本平穩，稍有下降。從論文作者數量變化情況可以看出，從事水土保持研究的學者越來越多，由1996年的567人次增加到2015年的4 011人次，說明水土保持研究已經引起了越來越多學者的關注，逐漸成為當前的熱點研究領域。

圖1 1996—2015年水土保持領域文獻產出趨勢

3 文獻學科分布情況

在CiteSpace軟件中選擇“Time Slicing”時間切片值為2年，將1996—2015年的數據分割成10個時段進行分析，節點類型為Category，閾值選擇Top40，運行后生成學科分布圖，如圖2所示。由圖2可知，學科分布經過軟件優化共生成53個共線學科節點，225條學科交叉連線。節點圓環越大代表該學科論文產出數量越多。與分布圖最上方時間段顏色對應，節點間連線顏色代表兩個學科間第一篇學科交叉論文的發表時間，連線粗細代表兩個學科間交叉論文數量的多少。從節點大小和顏色可以看出，水土保持研究文獻產量最高的學科領域首先是環境科學、農業科學、地質學，其次是地球科學、土壤科學、水資源學、地理學、工程學、生態學等(如圖中月牙形虛線圈注所示)，這些學科領域研究時間較早，也是與水土保持相關性最大、最經典的學科領域，具有永久性持續性熱點研究的特點。圖中橢圓形虛線圈注的節點時間分布集中在2000—2010年，是新興學科和早期學科的過渡學科，主要以環境應用研究、計算機科學、化學、物理學、古生物學、植物學、電信學、生物技術、儀器儀表及應用微生物學為代表。而過渡學科中，計算機學科節點中介中心性最大，為其他學科發展提供了很好的聯結媒介作用。圖中右下角橢圓形實線圈注的節點代表水土保持的最新學科研究領域，時間分布集中在2010—2015年。能夠看出，受計算機模型、化學等過渡學科技術發展影響，最新發展的學科領域主要有數學、運籌學、材料學、機械學等。

圖2 水土保持研究文獻學科分布網絡圖譜

從軟件界面參數“Space Status”中進一步獲得每兩年的文獻發表學科數量，如圖3所示。從雷達圖可知，學科數量隨著時間推移呈整體上升趨勢，由1996—1997年的70個學科，上升到2014—2015年的97個學科，說明水土保持研究的跨學科性逐漸增強，新興學科日益繁榮。

圖3 水土保持研究文獻學科數量分布雷達圖

4 科研合作網絡分析

4.1 作者合作情況

將CiteSpace功能與參數設置區的“Node Type”選擇為Author，“Pruning”選擇為Pathfinder以優化精簡網絡，其他參數同學科分布設置，運行得到作者合作網絡圖譜如圖4所示，圖中包括220個節點和175條連線。

圖4 水土保持研究文獻作者合作網絡圖譜

從圖4可以看出，220個作者節點形成了以POESEN J、GOVERS G、WALLING D E、LAL R、NEARING M A、ZHANG G H為代表和紐帶的樹狀作者合作網絡。經過進一步優化調整，繪制了以以上6位代表作者為中心的5個作者合作網絡分區，即圖中A1/(A1-1、A1-2)、A2、A3、A4、A5橢圓形虛線區域。分區內代表性作者論文產出及來源機構情況如表1所示。A1分區規模較大，是論文產出數量最多的合作分區，進一步將其劃分為A1-1、A1-2兩個子分區，代表性作者GOVERS的圖譜中介中心性達到0.45(圓環最外層線條最粗)，圓環最外層線條粗細代表著中介中心性的大小，具有高中心性的文獻通常是連接兩個不同領域的“樞紐”[15]，說明GOVERS在水土保持研究領域多個作者合作中起到了較好的聯結媒介作用，同時由于兩個子分區代表性作者均來自比利時，因此可見比利時在水土保持研究上處于世界的領先地位；A2分區的代表性作者是英國?？巳卮髮W的WALLING，合作論文數量也超過了100篇，且具有較高的中介中心性；A3分區的代表性作者只有美國俄亥俄州立大學的LAL，合作論文數量86篇，但該分區樹狀網絡較簡單，說明作者合作并不廣泛；A4分區的代表性作者均來自美國國家土壤侵蝕實驗室，其中NEARING不僅論文數量達到73篇，中介中心性也達到0.36，在較為廣泛的合作網絡中扮演了重要角色；A5分區的最大特點是代表性作者以來自中國的為主，論文產出數量最多的作者是中科院的傅伯杰院士，但其中介中心性為零，說明其合作網絡相對單一，而北京師范大學的張光輝教授雖然只有40篇論文，但其中介中心性達到0.28，與張勛昌在整個分區多國合作網絡中起到了重要紐帶作用?？傮w來看，5個分區內具有較清晰的合作脈絡，分區之間也存在著較強的合作聯系。5個分區中單個作者論文產量按國家排序分別為比利時、英國、美國、中國。

表1 作者合作網絡分區及代表性作者

4.2 國家或地區合作情況

在CiteSpace軟件中將功能與參數設置區的“Node Type”選擇為Country，其他參數同作者合作網絡設置，運行得到國家或地區合作網絡圖譜，見圖5。圖5中得到49個國家或地區節點和47條國家或地區合作連線。

圖5 水土保持研究文獻國家或地區合作網絡圖譜

從圖中可以明顯看出，美國和中國的節點圓環最大，說明兩國論文產出數量最多。根據軟件“Network Summary Table”功能，能夠查詢到兩國的論文產量分別是2 644和2 403篇，同時也能夠查詢到論文產量排名前10的其他國家分別是英國、西班牙、德國、澳大利亞、意大利、印度、加拿大、比利時，其論文數量分別是651、609、589、553、451、448、389、371篇?？梢娭忻纼蓢恼撐漠a量遠遠居上，兩國文獻之和超過了全球文獻總量的1/3。圖中圓環最外層線條粗細代表中介中心性值的大小，也代表了該國家或地區在國際學術合作中扮演角色的重要程度。中美兩國雖然論文產量較高，但中介中心性值并不大，尤其是美國偏低，說明兩國與其他國家或地區之間在該領域沒有構成較好的合作關系。而埃塞俄比亞、丹麥、奧地利、瑞士、巴西等國的中介中心性非常高，與各國間建立了良好的學術合作關系。

5 奠基性基礎文獻分析

高引文頻次文獻所含的觀點、知識容易得到業界的長期廣泛認同，所以通常稱高引文頻次論文為該領域研究的知識基礎[16]。在CiteSpace軟件中可以通過知識圖譜界面左側表格的頻次(Freq)篩選高引文頻次文獻。除此以外，CiteSpace軟件還提供了中介中心性、Sigma(對網絡中節點中介中心性和突變性綜合考慮的度量指標)等計算方法來計算重要節點文獻，該類節點文獻一般均具有較高的引文頻次，且在領域合作、學者引證行為、突發性關鍵詞探測中發揮著重要的奠基性、轉折性和標志性作用，該類經典文獻亦可作為進一步研究的知識基礎。

運行CiteSpace軟件，節點類型參數選擇為Cited Reference，時間切片為4年，“Selection Criteria”閾值選擇為Top50，得到國際水土保持研究的文獻共被引時區圖。通過時區圖界面“Network Summary Table”功能獲取了高引文頻次文獻、高中介中心性文獻、高Sigma值文獻各3篇，經過去重最終獲得6篇知識基礎文獻，見表2。

表2 水土保持領域奠基性基礎文獻

從表2可以看出，所有文獻均為高引文頻次論文，文獻內容以模型應用、模型構建標準、侵蝕管控措施及土壤侵蝕對農業生產的影響為主。第一篇為GOVERS G, et al.[17]1996年利用137Cs技術在英國兩個土壤再分配模式農業區進行實證研究，得出了土壤耕作侵蝕相對于坡面徑流侵蝕在農業土壤再分配中占據主導作用的結論，文章具有較高的中介中心性和Sigma值，相關研究結果為土壤侵蝕預測和陸地景觀演進研究奠定了基礎。第二篇為MORGAN R P C,et al.根據歐洲土壤侵蝕的研究成果開發了用于田間和流域土壤侵蝕預報的EUROSEM模型，該模型考慮了植被截流對降雨下滲、降雨動能的影響，以及土壤表層巖石碎塊覆蓋對降雨下滲、濺蝕的影響[18-19]，被廣泛應用于平原地區的土壤侵蝕計算和模擬，該篇文獻中介中心性、Sigma值分別高達0.41和113 826.9，具有很強的中介中心性和突變性。第三篇為VAN ROMPAEY A J J, et al.對比利時中部地區的24個流域進行了泥沙模擬研究，結果表明用分布式模型預測產沙結果比用傳統的集中式回歸模型要準確得多，還可以對不同的土地利用類型和水土保持技術實施效果進行模擬[20]，該文獻不僅具有較高的中介中心性，而且半衰期較長，是經典文獻，使得該模型長期成為水文研究領域的知識基礎。第四篇為POESEN J,et al. 系統研究了溝蝕在不同時空尺度上對土壤流失的貢獻、水土流失監測技術、水土流失危險閾值識別、侵蝕模型構建及防治措施等[21-22]，對于認知、防治溝蝕發揮了重要的作用。第五篇為VAN OOST K,et al.[23]估計了每年全球農業用地因侵蝕產生的碳匯，對于深入認知土壤耕作侵蝕對全球碳循環的影響有重要意義，這篇文章也因此被《Science》雜志公開發表。第六篇為MORIASI D N,et al.研究了流域模擬模型的評估技術，并制定了評價模型的參考指南，同時還提供了案例研究[24-25]，研究成果至今仍是SWAT等模型應用的重要參考基準，該文獻引用頻次達到1 530次，作為知識基礎文獻得到了研究者的普遍認可。

6 熱點關鍵詞時間演進分析

在軟件中將“Node Type”參數選擇為Keyword，時間切片為2年，每個時間切片“Selection Criteria”閾值選擇為Top200，連線強度選擇Cosine，網絡裁剪使用MST+ Pruning the merged network + Pruning the sliced networks，運行得到熱點關鍵詞共詞網絡，網絡中共產生熱點關鍵詞467個。為便于分析，對以上關鍵詞進行了“Citation/Frequency Burst”檢測，即突發性關鍵詞探測。突發性探測是美國康奈爾大學的KLEINBERG J教授于2002年提出的，用來探測某研究領域在某時段的活躍詞語，也可以用來分析該領域研究熱點和研究趨勢的動態變化[26]。經探測，共產生146個突發性詞語，突發性強度值在3.32～16.91之間，筆者從水土流失成因、水土保持研究方法和管理措施3個方面對突發性詞語進行了進一步分類、篩選和分析。

6.1 水土流失成因熱點趨勢變化

根據突發性熱點關鍵詞性質，結合水土保持領域研究文獻及名詞術語，共篩選出與水土流失成因相關的熱點關鍵詞16個，見表3。從表中能夠看出熱點關鍵詞產生時間、持續時間，即突現時間。不難看出，細溝侵蝕、風力侵蝕、土壤剝蝕等水土流失自然因素及酸化、除草劑、灌溉、氣候變化等人為因素均在表中，其中細溝侵蝕、凍融、溝蝕、酸化、風力侵蝕、溝灌、除草劑在1996—1998年開始成為水土保持研究領域的熱點，耕作侵蝕、浸潤、泥沙輸移在1999—2001年開始成為熱點研究方向，而長期耕作、土壤剝蝕、氣候變化、徑流、降雨侵蝕力在2002年以后逐漸成為研究熱點。表中氣候變化的突發性強度值最高，說明氣候變化在水土保持研究中具有較強的突變性，在研究時段內非?；钴S。

表3 水土流失成因突發性關鍵詞

6.2 水土保持研究方法熱點趨勢變化

針對水土保持研究方法共篩選出突發性熱點關鍵詞13個,見表4。其中1997—2000年的關鍵詞分別是銫-137、建模和鉛-210，說明該時段水土保持研究中針對示蹤方法和建模方法的研究比較集中。利用自然界某些元素尤其是銫-137和鉛-210的獨特性質作為示蹤劑，選擇定量轉換模型對土壤侵蝕進行不同時間和空間尺度的研究理論一度成為國際學術界的研究熱點和趨勢[27]，現已成為理論研究較多、實例應用較廣的一種方法。2001—2003年研究仍是以數理統計和模型計算為主，主要關鍵詞包括侵蝕模型、入滲率、侵蝕率、流失方程、土壤侵蝕模型等。2004年以后則是以土壤物理性質如疏水性、碳通量、沉降物放射性及水文評估工具為主，尤其近幾年針對SWAT水文評估模型的研究較多，至今仍然是國際學者研究的熱點。

表4 水土保持研究方法突發性關鍵詞

6.3 水土保持管理措施熱點趨勢變化

表5共篩選出水土保持管理措施相關突發性關鍵詞16個。從研究時間能夠明顯看出，可持續農業、耕作制度(農作制度)兩個關鍵詞得到了長達10年的持續活躍研究，一方面可持續農業、耕作制度體系的構建和完善需要長期的研究和探索，另一方面也說明了其對于水土保持的重要意義。同時，土壤壓實、土壤保持和高分子聚合物作為突發性關鍵詞也得到了較為長期的關注。在時間節點上，1997年以前學者重點關注的問題可以分為兩類，一類是水土資源保護制度建設，如保護性耕作、農作制度、土壤保護、可持續農業、耕作制度、流域管理等，另一類是保護措施，如綠籬截留、聚丙烯酰胺等高分子聚合物保水控制等。1998—2003年學者研究熱點重點在土壤改良、降水再分配、作物輪作等具體措施上，也是水土保持制度建設和保護措施的延續。而2004年以后研究熱點又回歸到大的政策系統上來，如調節水庫、渣土管理及生態系統服務等。以上關鍵詞活躍時間雖然在2004年以后，但產生時間都很早，這與各個國家的政策方針調整等不無關系，如在渣土管理方面，日本東京都城市整備局于2003年基于“建筑循環法案”制定了有關建筑垃圾處理的指導方針，韓國政府于2003年制定了《建設廢棄物再生促進法》，中國建設部于2005年發布了《城市建筑垃圾管理規定》，等等。政府的重視會促進學者的進一步研究，而學者的研究成果又會加快政府政策的制定和改變，這也是有些關鍵詞在某個時期異?；钴S的一個重要原因。

表5 水土保持管理措施突發性關鍵詞

7 結 論

利用CiteSpace文獻計量軟件對1996—2015年Web of Science收錄的水土保持相關的科技文獻進行了分析，結果表明：

(1)研究文獻產出方面。從文獻產出數量看，由1996年的238篇增長到2015年的1 045篇，呈現持續穩定增長的趨勢，且年均增幅較大；研究學者數量也相應地呈現出較大幅度的增長。

(2)研究學科分布方面。學科領域跨度較大，新興學科數量增長明顯，由1996年的70個增加到2015年的97個；研究領域主要是環境科學、生態學和農業科學，均為早期研究領域并有較持續熱點研究的特點。目前學者研究關注的領域已發展到材料學、機械學和運籌學等。

(3)科研合作方面。比利時的POESEN J、DECKERS J等是水土保持研究領域個人產出最多的學者，同時也在世界各國學者合作中起到了重要的紐帶作用，使得整個作者合作網絡異常緊密，從作者節點中介中心性、標志圓環分析也能夠看出國際合作對學者國際影響力和文獻總產量的重要性；國家或地區合作方面，單個國家或地區文獻產量最高的分別是美國和中國，兩國合計文獻數量超出了文獻總數的1/3，國際合作較為緊密的國家分別是埃塞俄比亞、丹麥、奧地利等。

(4)知識基礎研究方面。研究篩選的6篇知識基礎文獻均為高引文頻次論文，且大多具有高中介中心性、高Sigma值或長半衰期等多重特性，文獻內容以模型應用、模型構建標準、侵蝕管控措施及土壤侵蝕對農業生產的影響為主，是水土保持研究必須掌握的知識基礎，具有典型的知識基礎文獻代表性。

(5)熱點領域關鍵詞研究方面。對探測到的146個突發性關鍵詞進行分類篩選分析，主要集中在水土流失成因、水土保持研究方法和管理措施3個方面：細溝侵蝕、濺蝕、凍融、氣候變化等16個關鍵詞涉及水土流失成因，尤其是氣候變化突發性的高強度值使其成為水土流失成因研究的重要活躍點；銫-137、鉛-210、侵蝕模型、LISEM模型、SWAT模型、疏水性、通量、土壤物理性質等13個關鍵詞構成了從示蹤技術到模型模擬再到土壤物理特性等多方面多角度多方法研究的整體；隨著生態文明、環境保護意識的不斷增強，可持續農業、流域管理、生態系統服務、保護性耕作、土壤改良、作物輪作等管理措施將會成為水土保持研究領域持續而永恒的熱點。以上成因、方法、措施的新近關鍵詞將對國內外水土保持領域學者的進一步研究提供有益的借鑒。

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(責任編輯 李楊楊)

“黃河上游水環境綜合整治技術體系研究”教育部創新團隊課題資助項目(IRT_14R25)；甘肅省科技計劃項目(1604ZCRA014，1606RJZA039)

S157.9

A

1000-0941(2017)03-0044-07

張洪偉(1979—)，男，吉林公主嶺市人，講師，博士研究生，主要從事水土保持及水環境健康風險研究。

2016-10-01