農業(yè)水資源監(jiān)測文獻計量分析

魏妍冰，梁社芳，查 燕，余強毅，吳文斌

（中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/農業(yè)農村部農業(yè)遙感重點實驗室，北京100081）

0 引言

農業(yè)水資源作為重要的自然資源，是社會發(fā)展和農業(yè)生產活動的基礎，對保障糧食安全具有舉足輕重的作用。現階段，農業(yè)生產從蓄水層、溪流和湖泊等抽水占比超70%，并且需求量將持續(xù)增加，成為全球最大的水資源利用活動［1-2］。至2050 年，區(qū)域性的水資源短缺問題逐漸嚴峻，這在限制農業(yè)生產的同時影響農村和城市地區(qū)居民的經濟收入和生計［3］。此外，在農業(yè)生產措施的開發(fā)與利用發(fā)展下，農田灌排水中氮、磷等元素含量迅速增加，水資源污染問題逐漸顯露，導致對地表水體生態(tài)環(huán)境負面影響日益加劇［4］。中國作為農業(yè)大國，水資源數量短缺、利用效率低、污染嚴重等問題十分突出，未來水資源形勢面臨嚴峻挑戰(zhàn)［5-7］。因此，進行農業(yè)水資源監(jiān)測，促進合理的優(yōu)化配置、提高水資源利用效率以實現水資源系統的可持續(xù)利用至關重要。

國內外學者們從不同層面、不同對象、不同角度對農業(yè)水資源進行監(jiān)測。如在降水資源監(jiān)測方面，研究通過田間實驗、統計分析、作物模型等方法構建降水—作物模擬監(jiān)測技術，模擬不同降水對作物生長與產量等影響［8-10］；在灌溉水資源方面，側重于對灌溉用水數量和農田灌排的水質量進行監(jiān)測［11-13］；在作物與土壤層面，通過監(jiān)測農田土壤水分、作物的水分脅迫現象等分析土壤含水量與作物需水量間的供需關系［14-16］；在風險評估方面，通過模擬區(qū)域性農業(yè)水資源供需量，對農業(yè)水資源管理、承載力和利用風險進行評估［17-19］。截至目前，農業(yè)水資源監(jiān)測在研究方法和研究內容方面不斷發(fā)生更新演替，從不同區(qū)域尺度歸納總結此領域的發(fā)展態(tài)勢，總結研究熱點與方向，對掌握此領域發(fā)展現狀，提高科研工作效率至關重要。

文獻計量學是在文獻數量特征的基礎上，通過數學與統計學方法對學科領域的發(fā)展趨勢進行歸納描述的情報學分支學科［20］。目前，文獻計量學已廣泛應用于眾多學科發(fā)展態(tài)勢分析，期刊機構影響力評價等，包括農業(yè)面源污染、農業(yè)生態(tài)學、氣候變化研究、糧食系統、土壤微觀等方面［21-27］。同時，文獻計量學在農業(yè)水資源領域的應用逐漸廣泛。基于中國知網（CNKI）和Web of Science數據庫，閆鵬等［28］從多個研究方向展開華北地區(qū)農業(yè)用水問題研究的文獻計量分析。曹永強等［29］以Web of Science核心集合數據庫為數據源，從國家、機構、期刊等層面對1985—2016 年作物耗水領域的相關文獻進行計量，分析總體發(fā)展趨勢及研究熱點。楊雨寒［30］基于Web of Science數據庫，通過劃分不同水體類型，對2008—2018年農業(yè)污水處理研究方向的文獻進行檢索分析。金菊良等［31］基于CNKI 和WOS數據庫，對2003—2018年水資源承載力研究的文獻進行計量分析。雖然眾多學者對農業(yè)水資源的分支研究進行文獻計量，但目前缺少對農業(yè)水資源學科的整體歸納分析。因此，文章采取文獻計量學方法，以Web of Science數據庫為數據源，對1999—2018年國內外農業(yè)水資源監(jiān)測研究的文獻進行計量分析，在總體上把握發(fā)展態(tài)勢與研究熱點，為農業(yè)水資源領域研究提供參考依據。

1 數據與方法

WOS（Web of Science）是一個綜合性、多學科、綜合性學術信息資源數據庫［32-33］。該文利用WOS核心數據庫中SCIE（Science Citation Index Expanded）子庫對1999—2018年農業(yè)水資源監(jiān)測研究領域的文獻進行檢索。通過反復修正和補充檢索詞，確定最終農業(yè)水資源包括：“rainfall”，“precipitation”，“surface water”，“underground water”，“agricultural water resource”；檢索學科包括：“agriculture or environmental sciences or water resources or ecology or remote sensing or multidisciplinary sciences or engineering or computer science or meteorology&atmospheric sciences or geography or imaging science photographic technology”。通過檢索后篩選整理，共計文獻1.761 3萬篇。

在檢索的文獻數據基礎上，以第一作者國家、第一作者機構、發(fā)表期刊、發(fā)表年份、關鍵詞等字段進行歸納合并，統計不同年份、國家/地區(qū)、機構和期刊的發(fā)文量、被引量及關鍵詞詞頻等。采用2018 年期刊引用報告（JCR，Journal Citation Reports）、基本科學指標數據庫（ESI，Essential Science Indicators）和學科規(guī)范化引文影響力（CNCI，Category Normalized Citation Impact）等文獻計量分析指標。利用基于文獻計量方法的知識圖譜軟件VOSviewer［34］和Excel，構建文獻數據的關系和可視化分析，主要涉及發(fā)文量趨勢變化、主要國家/地區(qū)、科研機構、重要期刊來源等。將文獻關鍵詞導入CiteSpace 中分析不同階段下農業(yè)水資源監(jiān)測的研究熱點和變化趨勢，并利用DDA（Derwent Data Analyzer）軟件構建自相關矩陣，以可視化方式分析水資源監(jiān)測研究方面各個國家/地區(qū)之間的合作關系。

2 結果與分析

2.1 發(fā)文趨勢分析

1999—2018年全球和中國的農業(yè)水資源監(jiān)測研究領域的發(fā)文數量情況如圖1 所示。在檢索時間段內，該領域核心期刊的論文發(fā)表量共計1.761 3 萬篇，在總體上呈上升趨勢。過去20年，全球農業(yè)水資源環(huán)境監(jiān)測研究發(fā)展趨勢大致可分為2 個階段：（1）1999— 2007年，全球論文發(fā)表量處于緩慢上升階段，年均增長率為9%左右，且年際間發(fā)表量差距較小。該時期的農業(yè)水資源監(jiān)測研究仍處于初步階段。（2）2008—2018年，全球論文發(fā)表量存在顯著增加。對比2007年前后該領域全球的發(fā)文趨勢線，2008年后的文獻發(fā)表數量增長顯著，年均增長率為11%左右。在現階段，農業(yè)發(fā)展迅速，農業(yè)水資源問題逐漸凸顯，此研究領域的重要性逐漸受到關注，針對性研究逐漸開展。中國作為農業(yè)大國，其在農業(yè)水資源環(huán)境監(jiān)測研究的發(fā)展趨勢與全球發(fā)展基本保持一致。1999—2007年，論文發(fā)表量增長較為緩慢，處于研究初期，期間共發(fā)表文獻170 篇。2007—2018年發(fā)文量處于快速增長階段，至2018年發(fā)文量達到412 篇，體現出中國在農業(yè)水資源監(jiān)測研究領域的關注度和科研力量逐漸加強。

圖1 1999—2018年農業(yè)水資源監(jiān)測領域全球和中國年度發(fā)文量對比Fig.1 Comparison of global and China annual publication volume on agricultural water resources monitoring from 1999 to 2018

2.2 主要研究力量分析

2.2.1 國家/地區(qū)構成分析

不同國家/地區(qū)論文發(fā)表情況反映其對此研究領域的關注度和影響力。歸納總結發(fā)文量位居前5的國家/地區(qū)，如表1所示。1999—2018年，歐盟、美國、中國、澳大利亞和加拿大已經成為全球在農業(yè)水資源監(jiān)測領域的主要研究國家/地區(qū)。同時，這5個國家/地區(qū)能夠覆蓋全球大部分水資源監(jiān)測科技論文且發(fā)文量呈現逐年增長趨勢。在發(fā)文量方面，歐盟地區(qū)發(fā)文量位居第1，占比高達31.60%，這一定程度上顯示了歐盟在水資源環(huán)境監(jiān)測研究中的積極性和實力。其次是美國（22.63%）和中國（13.08%），澳大利亞和加拿大分別位居4、5名。從篇均被引頻次來看，美國位居第1，表明其擁有巨大的科研影響力。我國科研產出量實力較強，位于第3位，但是在文獻被引頻次方面與其他主要國家/地區(qū)差距較大。圖2 為主要國家/地區(qū)年度發(fā)文量對比，其中橫軸為年份，縱軸為國家，氣泡大小為發(fā)文量。中國在水資源監(jiān)測領域起步較晚，但從2016年起發(fā)文量已經趕超美國，并且與歐盟之間的差距在逐漸縮小。澳大利亞和加拿大的年度發(fā)文量相對較少，均小于100 篇。

表1農業(yè)水資源監(jiān)測領域主要國家/地區(qū)發(fā)文情況Table 1 Main countries/regions of publication volume on agricultural water resources monitoring

圖2 1999-2018年農業(yè)水資源監(jiān)測領域主要國家/地區(qū)年度發(fā)文量對比Fig. 2 Annual publication volume of main countries/regions on agricultural water resources monitoring from 1999 to 2018

圖3顯示的是發(fā)文量前10名國家之間的合作情況，圓圈代表國家，國家之間的連線代表合作關系。歐盟具有最多的合作關系，共與7個國家在農業(yè)水資源監(jiān)測研究方面有合作，包括土耳其、巴西、印度、加拿大、澳大利亞、中國和美國。排名第2的是美國，共與6個國家/地區(qū)存在合作，為歐盟、巴西、日本、印度、加拿大、澳大利亞和中國。中國共與5個國家存在合作關系，其次是澳大利亞。加拿大和印度分別與3個國家/地區(qū)存在合作，均為歐盟、美國和中國。日本、韓國和土耳其在農業(yè)水資源監(jiān)測的研究領域的國際合作相對較少，分別為美國、澳大利亞和歐盟。

圖3 農業(yè)水資源監(jiān)測領域Top10主要國家/地區(qū)合作圖Fig.3 The cooperation of Top 10 countries/regions on agricultural water resources monitoring

2.2.2 科研機構對比

1999—2018年農業(yè)水資源監(jiān)測研究領域發(fā)文量位居前5的科研機構如表2所示。發(fā)文量最多的機構為中國科學院，占比達到3.67%，其次是美國農業(yè)部（1.33%）、美國地質調查局（1.29%）、西班牙高等科學研究理事會（0.66%）和美國佛羅里達大學（0.66%）。美國相關機構占據3個，發(fā)文量達到3.29%?？偙灰螖底罡呤侵袊茖W院，遠高于其他機構。在篇均被引方面，美國地質調查局位居第1，其次是西班牙高等科學研究理事會。雖然中國科學院具有最高的發(fā)文量和總被引次數，但篇均被引頻次與其他機構相比差距較大。

表2 農業(yè)水資源監(jiān)測領域主要科研機構發(fā)文情況Table 2 Main institutions of publication volume on agricultural water resources monitoring

2.2.3 發(fā)文期刊

根據發(fā)文量篩選出農業(yè)水資源監(jiān)測領域在全球和中國的Top10 發(fā)文期刊，并分別列舉出發(fā)文量、發(fā)文量占比和2018年期刊影響因子，如表3和表4 所示。從發(fā)文量方面，全球發(fā)文量首位期刊是“Journal of hydrology”，發(fā)文量占比達到3.66%，并具有較高影響因子4.405。其次是期刊“Science of the total environment”，發(fā)文量占比為3.20%，影響因子位居第二（5.589）。通過分析Top10發(fā)文期刊，發(fā)現農業(yè)水資源監(jiān)測的研究領域主要以水文、農業(yè)和環(huán)境類為主，并涉及到地球系統和遙感領域。中國發(fā)文量首位的期刊是“Remote sensing”，其次是“Journal of hydrology”，均具有較高的影響因子。然而，中國Top10期刊平均影響因子（3.173）低于全球的平均影響因子（4.694）。同時，中國發(fā)文量最高的Top10 期刊中影響因子最高的期刊為“Science of the total environment”，其影響因子為5.589，低于全球的最高影響因子（7.913）。

表3農業(yè)水資源監(jiān)測領域全球發(fā)文量Top10期刊情況Table 3 Top 10 journals of global publication volume on agricultural water resources monitoring

表4農業(yè)水資源監(jiān)測領域中國發(fā)文量Top10期刊情況Table 4 Top 10 journals of China publication volume on agricultural water resources monitoring

2.3 研究熱點分析

2.3.1 主要國家/地區(qū)研究熱點

關鍵詞直觀地表現出文章主題和研究方向，選擇主要國家/地區(qū)，根據檢索文獻的關鍵詞，對1999—2018年農業(yè)水資源監(jiān)測領域的熱點變化進行分析。按照4 個時間段（即1999—2003年，2004—2008年，2009—2013年和2014—2018年），基于關鍵詞共現矩陣進行研究熱點趨勢分析。表5為1999-2018年熱點詞頻匯總，側重于內容、方法和區(qū)域3個部分。從內容方面分析，水質（water quality）是農業(yè)水資源持續(xù)監(jiān)測的熱點，前10 年多集中在地表水（surface-water）、地下水（groundwater）及徑流（runoff）；近10年，氣候變化（climate-change）成為關注的熱點，相應地對干旱（drought）、降水（precipitation）、土壤濕度（soil-moisture）及蒸散發(fā)（evapotranspiration）研究較多。在方法層面，多是利用模型（model）、遙感（remote sensing）、地理信息系統（GIS）等，近年來，遙感技術逐漸成為主流。在區(qū)域尺度上，澳大利亞（Australia）、西班牙（Spain）、中國（China）是監(jiān)測的熱點地區(qū)，近年來，中國逐漸成為重點區(qū)域，非洲（Africa）成為新的研究熱點區(qū)域。

表5 1999—2018 年農業(yè)水資源監(jiān)測研究熱點詞頻匯總Table 5 High-frequency keywords of publications on agricultural water resources monitoring from 1999 to 2018

2.3.2 科研機構研究熱點

根據發(fā)文量，選出國內外Top5科研機構，對1999—2018年農業(yè)水資源監(jiān)測領域的研究內容與研究方法進行匯總和比較，如表6所示。在研究內容方面，國內如中國科學院，主要集中在與氣候變化（climate change）相關的降水（precipitation）、蒸散發(fā)（evapotranspiration）、干旱（drought）及土壤濕度（soil-moisture）等監(jiān)測。國外科研機構除此之外更多地關注灌溉（irrigation）、地下水（groundwater）、徑流（runoff）及微量元素的監(jiān)測。例如，美國農業(yè)部具有在水質（water quality）和磷（phosphorus）方面的研究；西班牙高等理學研究理事會進行劣地（badlands）和水分脅迫（water stress）的研究；佛羅里達大學進行水文（hydrology）和氮（nitrogen）等監(jiān)測。在方法層面，國內外科研機構監(jiān)測均在遙感（remote sensing）方面具有最高的頻次，其次是渦度相關法（eddy covariance）、傳感器（sensor）和地理信息系統（GIS）。

表6 1999—2018年主要科研機構研究熱點詞頻匯總Table 6 High-frequency keywords of main institutions publications on agricultural water resources monitoring from 1999 to 2018

3 結論與展望

農業(yè)水資源是人類進行農業(yè)生產活動的重要基礎。過去20年，國內外學者圍繞農業(yè)水資源監(jiān)測展開大量研究，在基礎理論、技術方法和應用系統等方面取得顯著進展。為歸納總結此領域的發(fā)展態(tài)勢，該文基于文獻計量學方法，對1999—2018年的17 613篇國內外農業(yè)水資源監(jiān)測研究領域的文獻數據進行分析，得到以下結論：（1）在發(fā)文趨勢方面，在全球尺度上發(fā)文量呈上升趨勢。1999—2007年，全球論文發(fā)表量處于緩慢上升階段，2008年后文獻發(fā)表數量增長顯著。中國的發(fā)文量趨勢與全球發(fā)展基本保持一致，整體處于上升趨勢。（2）在研究力量方面，歐盟、美國、中國、澳大利亞和加拿大成為全球在農業(yè)水資源監(jiān)測領域的主要研究國家/地區(qū)。其中，歐盟和美國具有較高的發(fā)文量和篇均被引頻次，中國的發(fā)文量持續(xù)攀升但篇均被引較低。中國科學院具有最高的發(fā)文量但篇均被引較低，美國地質調查局的篇均被引位居第一。從發(fā)文期刊分析，中國Top10期刊平均影響因子低于全球水平，并且中國發(fā)文量Top10 中最高的期刊影響因子低于全球Top10 中最高值。（3）在研究熱點方面，在全球尺度上水質（water quality）是農業(yè)水資源持續(xù)監(jiān)測的熱點，近10年，氣候變化（climate-change）成為關注的熱點。國內科研機構的監(jiān)測熱點主要集中在降水（precipitation）、蒸散發(fā)（evapotranspiration）及土壤濕度（soil-moisture）等方面。國外科研機構除此之外更多地關注灌溉（irrigation）、地下水（groundwater）及微量元素的監(jiān)測。

農業(yè)水資源監(jiān)測研究隨著農業(yè)水資源的重要性增加而不斷發(fā)展，高效的農業(yè)水資源監(jiān)測對資源優(yōu)化配置、提高水資源利用效率十分重要，成為國內外學者們研究的熱點話題，未來可重點在以下方面開展研究：（1）農業(yè)水資源監(jiān)測涉及多學科領域，不僅需要對農業(yè)水資源的數量、質量和分布變化進行監(jiān)測，同時需要考慮社會經濟及自然要素。目前，農業(yè)水資源監(jiān)測與氣候變化的響應分析成為研究熱點，但多以單一影響因素分析為主，需加強綜合各類因素的定量解析。通過量化氣候變化、農作物種植特征、社會經濟等對農業(yè)水資源的影響份額，為農業(yè)水資源應對氣候變化的調控途徑與管理模式提供技術數據支撐。（2）依靠單數據源的監(jiān)測手段一定程度地限制了研究區(qū)域范圍與方法創(chuàng)新，需應用多源數據進行農業(yè)水資源監(jiān)測，從而擴大監(jiān)測區(qū)域與提高監(jiān)測精度。充分利用統計數據、實驗點數據、遙感數據與地理數據等優(yōu)勢特征，加強多源數據的處理與應用算法等關鍵技術研究，為進行大規(guī)模農業(yè)水資源監(jiān)測提供充足基礎數據，保障監(jiān)測效率與結果精度。（3）田間水資源動態(tài)監(jiān)測是掌握農業(yè)水資源現狀的基礎數據，田間傳感器與監(jiān)測設備的不斷研發(fā)將促進高效監(jiān)測。在物聯網和大數據的快速發(fā)展時代，通過無線網絡的大數據平臺匯總和處理分析，將田間傳感器與物聯網數據平臺相結合成為當前技術的發(fā)展前沿。因此，未來從系統性和整體性多角度開展研究，綜合集成多源數據、多技術研發(fā)、大數據平臺是未來農業(yè)水資源監(jiān)測研究的重點發(fā)展方向，為實現農業(yè)水資源的可持續(xù)發(fā)展提供技術支撐。