萬兆凱,宋慶臣,萬普強,郭明明,張興義,劉欣,5

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,長春 130118;2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點實驗室,哈爾濱 150081;3.阿榮旗市水利局,內(nèi)蒙古阿榮旗 162750;4.扎蘭屯市水利局,內(nèi)蒙古扎蘭屯 162650;5.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

東北黑土區(qū)總面積達109萬km2,約占全球黑土總面積的12%,該區(qū)糧食總產(chǎn)量占全國總量的1/4,糧食調(diào)出量占全國總量的1/3,是我國重要的商品糧基地,由于其土地肥沃、地域遼闊、人口相對較少,被譽為“耕地中的大熊貓”[1-3]。近幾十年來,由于人類活動和自然因素的影響,黑土區(qū)的水土流失日益加劇,其中以溝道侵蝕最為嚴重。據(jù)全國第1次水利普查侵蝕溝專項調(diào)查,東北黑土區(qū)是我國除黃土高原外,溝道侵蝕程度最為嚴重的區(qū)域,現(xiàn)有＞100 m 侵蝕溝29.6萬條[4]。另據(jù)調(diào)查,尚有相近數(shù)量＜100 m 的侵蝕溝,侵蝕溝總數(shù)量高達60萬條,僅侵蝕溝自身就損毀土地5 000 km2以上[5-6]。溝道侵蝕不僅導(dǎo)致珍貴的黑土層“變瘦、變硬、變薄”,還使作物顯著減產(chǎn),生態(tài)功能退化,嚴重威脅國家糧食安全和生態(tài)安全[7]。

近年來,圍繞黑土地保護和利用的問題,土壤侵蝕和水土保持領(lǐng)域的學(xué)者們在溝道侵蝕的過程與機理、侵蝕溝的時空變化、分布特征、影響因素以及防治對策等方面取得了一定的研究成果[8-12]。然而,關(guān)于該領(lǐng)域研究主題的演化、研究方向和發(fā)展趨勢等方面的定量化可視化梳理的研究成果相對較少,難以直觀地把握該領(lǐng)域的研究動態(tài)和未來研究需求。

因此,本文利用文獻計量學(xué)和科學(xué)知識圖譜的方法,運用CiteSpace等軟件,對中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫中的東北黑土區(qū)溝道侵蝕中文文獻以及Web of Science核心數(shù)據(jù)中的英文文獻進行定量化和可視化分析。旨在深入探究文獻所包含的深層次知識,揭示該領(lǐng)域的研究發(fā)展歷程,分析不同時期的研究熱點和發(fā)展趨勢,并直觀地展示研究主題領(lǐng)域的發(fā)展狀況。為進一步推進東北黑土區(qū)溝道侵蝕研究領(lǐng)域的發(fā)展以及黑土區(qū)侵蝕溝的防治提供參考和借鑒。

1 材料與方法

數(shù)據(jù)源于Web of Science(WOS)核心合集和中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫,檢索日期截至2023 年4 月30日。WOS數(shù)據(jù)庫以“black soil or mollisol”“gully erosion or gully”“the Northeast of China”組合檢索,CNKI數(shù)據(jù)庫以“東北”“東北黑土區(qū)”“黑土”、“溝道”“溝蝕”“侵蝕溝”“溝道侵蝕”組合檢索,再對所獲文獻剔除重復(fù)文獻、會議論文后,最終篩選文獻共計245篇,其中CNKI數(shù)據(jù)庫文獻181篇,Web of Science數(shù)據(jù)庫文獻64篇。

基于 CNKI 和 WOS 核心數(shù)據(jù)集,利用CiteSpace軟件進行關(guān)鍵詞(標題、摘要和關(guān)鍵詞)分析,關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率可用于衡量關(guān)注度,以揭示某一領(lǐng)域的熱點問題。通過研究熱門關(guān)鍵詞并運用突現(xiàn)圖的可視化展示,能更清晰地顯示這些熱點問題,呈現(xiàn)東北黑土區(qū)溝蝕研究領(lǐng)域的當前研究熱點以及未來的潛在研究熱點。

中介中心性是用來表征節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中重要性的指標,并以此來發(fā)現(xiàn)和衡量文獻的重要程度。中介中心性的計算公式(1)如下:

式中:gst為節(jié)點s到節(jié)點t的最短路徑數(shù)目;nist為從節(jié)點s到節(jié)點t的gst條最短路徑中經(jīng)過節(jié)點i的最短路徑數(shù)目[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 東北黑土區(qū)溝蝕主題發(fā)文數(shù)量及時間特征

中文和英文文獻發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果顯示(圖1),中文文獻數(shù)量遠大于英文文獻,而中文發(fā)文量呈波動變化,英文發(fā)文量呈逐步增長的趨勢。中文文獻發(fā)文量可分為兩個階段:20世紀90年代中期至21 世紀初,我國開始對東北黑土區(qū)的溝蝕進行了探索性研究,1996年發(fā)表了第一篇文獻,自至2003年開始,才陸續(xù)有論文發(fā)表。該階段的學(xué)者主要以溝道治理以及溝道動態(tài)變化為研究重點。2012年開始,隨著國家頒發(fā)了一系列黑土地保護政策,投入了大量資金,推動了黑土區(qū)溝蝕防治工作,該時期科研成果突出。在2012年至今的10年間,中文發(fā)文量呈現(xiàn)顯著上升趨勢。英文文獻發(fā)表起步較晚,但后期發(fā)展趨勢較好,第一篇論文為胡剛在Catena發(fā)表的“Shortterm gully retreat rates over rolling hill areas in black soil of Northeast China”。2007—2017年發(fā)展緩慢,但在2018年后發(fā)文量明顯增加,2021年發(fā)文量高達15篇。中文文獻和英文文獻發(fā)文量均在近五年內(nèi)增高,表明東北黑土區(qū)溝蝕的關(guān)注度和研究熱度在不斷升高。

圖1 中英文文獻發(fā)文時間及數(shù)量Fig.1 Time and number of the published articles in English and Chinese

2.2 機構(gòu)發(fā)文量分析

圖2中的每個節(jié)點表示一個研究機構(gòu),節(jié)點間的連線反映著不同機構(gòu)之間的合作關(guān)系。其中,中文文獻發(fā)文機構(gòu)為150個,連線為155條,連線多于節(jié)點,密度較高,這表明我國在該研究領(lǐng)域具有緊密的合作關(guān)系,且交流程度較高。同時,為確保數(shù)據(jù)的準確性,避免文獻出現(xiàn)交叉統(tǒng)計的情況,在整理和統(tǒng)計數(shù)據(jù)時只保留文獻的第一發(fā)文機構(gòu)。

圖2 中文文獻發(fā)文機構(gòu)Fig.2 Institutions publishing the literatures in Chinese

圖3 英文文獻發(fā)文機構(gòu)Fig.3 Institutions publishing the literatures in English

由圖2可知,東北黑土區(qū)溝蝕的研究機構(gòu)較少,且發(fā)文層次及研究力度差別較大,發(fā)文量在10篇以上的機構(gòu)僅有4個,其余均在6篇以下?？傮w來看,僅有少數(shù)機構(gòu)對東北黑土區(qū)溝蝕研究進行深入的探討和研究,而多數(shù)機構(gòu)的研究相對較單一。圖譜以水利部松遼水利委員會(中心性0.33)為中心,表明了政府部門在研究中的重要性和主導(dǎo)地位,并在資源、資金和政策方面具有重要的支持和引導(dǎo)作用,能夠推動相關(guān)研究的開展和治理措施的實施。此外,政府還可以促進學(xué)術(shù)界、科研機構(gòu)和社會各界的合作,形成多方參與的研究格局。

英文文獻發(fā)文機構(gòu)共52個,連線75條,相對于中文文獻發(fā)文機構(gòu)較少,這表明了東北黑土區(qū)溝蝕問題在國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注度較低,一方面是由于黑土區(qū)溝蝕過程與機理研究起步較晚導(dǎo)致發(fā)文量較少;另一方面可能是因為該問題在全球范圍內(nèi)并不普遍存在,僅限于特定地理區(qū)域,國際學(xué)術(shù)界的關(guān)注點可能更多地集中在全球性的環(huán)境和土地退化問題上。圖譜以Beijing Normal University(北京師范大學(xué))為中心(中介中心性1.02),表明了北京師范大學(xué)在世界范圍內(nèi)具有較強的影響力,而Chinese Academy of Sciences(中國科學(xué)院)、Institute of Soil& Water Conservation(中國科學(xué)院水利部水土保持研究所)、Northeast Institute of Geography&Agroecology Chinese Academy of Agricultural Sciences(中國科學(xué)院與東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所)、University of Chinese Academy of Sciences(中國科學(xué)院大學(xué))中介中心性分別為0.77,0.63,0.37,0.27,0.22。以上機構(gòu)均屬于中國科學(xué)院,這些機構(gòu)反映了在東北黑土區(qū)溝蝕研究中的緊密聯(lián)系和協(xié)作,推動了該領(lǐng)域溝蝕研究的發(fā)展和創(chuàng)新。

2.3 作者發(fā)文分析

參與中文文獻發(fā)表的學(xué)者共309位,其中張樹文發(fā)文最多,共計18篇。參與英文文獻發(fā)表的作者共196位,其中劉寶元與伍永秋發(fā)文最多,均為9篇。利用CiteSpace軟件構(gòu)建作者合作網(wǎng)絡(luò)(圖4,5),節(jié)點的大小表示發(fā)文量的多少,節(jié)點越大代表發(fā)文量越多;節(jié)點之間的連線越多代表作者之間的聯(lián)系越緊密。中文文獻發(fā)文量前五的學(xué)者分別是張樹文、張興義、范昊明、王文娟、李浩,英文文獻發(fā)文量前五的作者分別是劉寶元、伍永秋、張樹文、張興義、范昊明、胡剛(并列)。從圖4,5中可知,國內(nèi)外對該領(lǐng)域有重要貢獻的學(xué)者具有較為緊密的合作關(guān)系,且交流程度較高。

2.4 東北黑土區(qū)溝蝕主題研究高頻關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞是作者用于概括論文主題的精煉詞匯,它們承載著作者在特定研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)思想、研究主題和內(nèi)容的高度概括和提煉。因此,關(guān)鍵詞不僅是分析研究主題的一種途徑和方法,也是了解和掌握特定領(lǐng)域研究動態(tài)的重要手段。通過考察該領(lǐng)域中關(guān)鍵詞的頻率出現(xiàn),可以了解該領(lǐng)域的研究熱點,判斷該領(lǐng)域研究內(nèi)容的更新速度以及學(xué)科研究的活力水平[14]。通過CiteSpace軟件進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,得到以下圖(圖6,7),其中除主題詞外,中文關(guān)鍵詞“水土流失”“土壤侵蝕”“遙感”的出現(xiàn)頻次高于其他關(guān)鍵詞,英文關(guān)鍵詞“soil erosion”“area”“retreat rates”“catchment”出現(xiàn)頻次高于其他關(guān)鍵詞。目前對于東北黑土區(qū)溝蝕的關(guān)注重點主要集中在水土流失以及土壤侵蝕機理的探究。然而,盡管已經(jīng)取得了一定的研究成果,但對于該領(lǐng)域的研究還沒有形成完整的框架和全面的認識。

圖6 中文文獻關(guān)鍵詞共現(xiàn)Fig.6 Keywords co-occurrences from literatures in Chinese

圖7 英文文獻關(guān)鍵詞共現(xiàn)Fig.7 Keywords co-occurrence from literatures in English

2.5 東北黑土區(qū)溝蝕主題關(guān)鍵詞聚類分析

關(guān)鍵詞聚類分析是使用CiteSpace對提取的所有關(guān)鍵詞進行分類,一般認為當聚類當平均輪廓值(S值)＞0.7時,聚類是高效率且令人信服的[15]。將中英文文獻分別導(dǎo)入CiteSpace軟件進行分析,共得到中文文獻關(guān)鍵詞聚類12個,英文文獻關(guān)鍵詞聚類8個(圖8,9,表1,2),聚類編號越小,則表示聚類范圍越大。選取中英文前4個聚類分析。

表1 中文文獻關(guān)鍵詞聚類Table 1 Keywords clustering from Chinese literatures

表2 英文文獻關(guān)鍵詞聚類Table 2 Keywords clustering from literatures in English

圖8 中文文獻關(guān)鍵詞聚類Fig.8 Keywords clustering from Chinese literatures

圖9 英文文獻關(guān)鍵詞聚類Fig.9 Keywords clustering from literatures in English

聚類0:以侵蝕溝為中心,主要關(guān)鍵詞為成活率、治理對策、水土流失、東北黑土區(qū)等,通過提高柳樁、灌木等成活率和采取相應(yīng)的治理對策,可以有效減緩水土流失速率,保護土壤資源,維護生態(tài)平衡[16]。這些研究為東北黑土區(qū)侵蝕溝治理提供了重要的參考和支持。

聚類1:以黑土區(qū)為中心,主要關(guān)鍵詞為治理、工程措施、植被措施、發(fā)育等。針對黑土區(qū)的治理,學(xué)者們提出了一系列的工程措施。其中包括但不限于梯田建設(shè)、水土保持工程、水資源管理等。通過修建梯田,可以有效減緩水流速度,延緩溝道發(fā)育。水土保持工程的建設(shè),如構(gòu)筑護坡、設(shè)置排水系統(tǒng)等,可以減少溝道侵蝕,保護耕地資源。除了工程措施,植被措施在黑土區(qū)治理中也起到重要作用。學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn),適當選擇并種植具有固土、抗旱的植被物種,可以有效地減緩溝道侵蝕速率。通過建立植被覆蓋系統(tǒng),增加植被的根系和地上部分,可以提高土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,防止溝道侵蝕的發(fā)生。

聚類2:以臨界條件為中心,主要關(guān)鍵詞為溝道侵蝕、遙感解譯等。學(xué)者們通過研究發(fā)現(xiàn),溝道侵蝕的臨界條件包括降雨、地形、土壤性質(zhì)等因素[17]。為了監(jiān)測和評估溝道侵蝕的情況,學(xué)者們采用了遙感解譯技術(shù)。遙感解譯能夠獲取大范圍的地表信息,包括溝道的形態(tài)特征、植被覆蓋度等[18]。通過分析遙感圖像和提取溝道特征參數(shù),學(xué)者們能夠定量化地評估溝道侵蝕的程度,并為溝道侵蝕的防治提供科學(xué)依據(jù)。

聚類3:以水土保持為中心,主要關(guān)鍵詞為比較、水土流失治理、趨勢等。學(xué)者們通過比較不同溝蝕治理措施的實施效果,評估其對水土保持和溝道侵蝕的控制。評估其對水土保持和溝道侵蝕的控制效果,并關(guān)注治理后效益分析[19]。這些研究成果為深入了解侵蝕溝治理的效果提供了重要的科學(xué)依據(jù),為保護土壤資源、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供了有益的支持。

聚類0 以black soil為中心,關(guān)鍵詞為critical water content,root mass density,soil collapse 等。學(xué)者們關(guān)注黑土中的臨界含水量,對植物生長和土壤保持起著重要作用。他們通過實地采樣和研究,深入分析其對土壤水分調(diào)控和植物生長的影響。通過野外調(diào)查和試驗測定,學(xué)者們對在黑土中的根系質(zhì)量密度進行了研究,以評估其對土壤結(jié)構(gòu)的影響和保持能力[20]。另外,學(xué)者們還關(guān)注黑土溝道崩塌問題,通過對土壤物理性質(zhì)和水分變化的監(jiān)測,學(xué)者們探討了黑土的溝道崩塌機制和相應(yīng)的保護措施[21]。

聚類1以slope gradient為中心,關(guān)鍵詞為aspect and shape,crop yield,slope-gully system等。學(xué)者們的研究揭示了坡度與坡向?qū)τ跍系腊l(fā)育的重要性[22]。通過深入分析坡向和坡形的影響機制,提出了相應(yīng)的水土保持和管理策略,以減少溝道侵蝕發(fā)生的風險。聚類2以global positioning system為中心,關(guān)鍵詞為digital terrain model,black soil region-northeastern China等,學(xué)者們通過GPS和DTM 的應(yīng)用,能夠測量和描述溝道侵蝕的特征和演變趨勢,為東北黑土區(qū)的溝道侵蝕治理提供科學(xué)依據(jù)[23]。聚類3以land degradation為中心,關(guān)鍵詞為topographical variation,rainfall erosivity,climate change等。不同地形的坡度、坡向和地貌形態(tài)會影響水分的分布和徑流流動路徑,進而影響溝道侵蝕的程度[24]。同時,降雨和氣候變化也是溝道發(fā)育的重要條件之一[25]。

2.6 國內(nèi)研究前沿分析

研究前沿作為研究領(lǐng)域中最活躍的部分,有助于把握學(xué)科領(lǐng)域未來的研究方向和發(fā)展趨勢,促進學(xué)術(shù)研究的理論升華。研究前沿是相對于特定研究領(lǐng)域、特定時間來說的,具體指某一領(lǐng)域中被科學(xué)家們積極引用的文獻所表征的研究主題,關(guān)鍵詞突現(xiàn)是指某研究領(lǐng)域在某一特定時期內(nèi)對某種主題關(guān)注程度的變化情況[26]。使用CiteSpace 軟件提取中文文獻中Strength(突現(xiàn)強度)前15個突現(xiàn)關(guān)鍵詞,按照突現(xiàn)開始的年代由遠到近排列,分析結(jié)果如下:

由圖10可知,突現(xiàn)強度較高的關(guān)鍵詞有“水土保持”“水土流失”“黑土區(qū)”“綜合治理”等,說明這些關(guān)鍵詞在其所對應(yīng)的時間段里都是學(xué)者們較為關(guān)注的前沿主題。從突現(xiàn)持續(xù)時間的跨度來看,持續(xù)時間較長的有“水土保持”(16 a)、“水土流失”(5 a)、“坡耕地”(5 a),說明這些關(guān)鍵詞在很長一段時間內(nèi)都是學(xué)者們關(guān)注的焦點。按照時間劃分,總體可分為兩個階段:1996—2012年,90年代末爆發(fā)了特大洪災(zāi),歸因于極端天氣和人類亂砍濫伐,引起了水利部的重視,因此學(xué)者們更多注重于水土保持、水土流失及侵蝕溝的治理。2011年我國進行了全國第一次水利普查,2013年水利部松遼流域委員會利用遙感影像在東北黑土區(qū)解譯出了共29.6萬條侵蝕溝,引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,而基礎(chǔ)研究無法滿足侵蝕溝治理的需求,缺乏基礎(chǔ)研究支撐,因此在2013年后,學(xué)者們更多注重于溝道侵蝕機理等基礎(chǔ)研究。

圖10 中文文獻突現(xiàn)關(guān)鍵詞Fig.10 Keywords with the strongest citation bursts in literatures in Chinese

3 結(jié)論

(1)“東北黑土區(qū)溝蝕”主題文獻隨著時間的變化總體呈上升趨勢,中文發(fā)文量從2012年快速增長,其中最大年發(fā)文量是2021年的18篇,英文發(fā)文量起步較晚,后期發(fā)展趨勢較好,2021年發(fā)文達15篇。

(2)該領(lǐng)域研究力量主要分布在我國東北部,水利部松遼流域委員會、北京師范大學(xué)、中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)等機構(gòu)貢獻突出、影響較大;張樹文是該領(lǐng)域中文發(fā)文量最多的學(xué)者,劉寶元和伍永秋是英文發(fā)文量最多的學(xué)者。

(3)文獻關(guān)鍵詞共現(xiàn)表明,東北黑土區(qū)溝蝕的關(guān)注重點主要集中在侵蝕溝分布、發(fā)育特征、影響因素、溝蝕防治措施等方面,但對于該領(lǐng)域的研究還沒有形成完整的框架和全面的認識。

(4)在未來的研究中,要進一步注重于東北黑土區(qū)溝蝕的過程和機理研究,深入分析地質(zhì)、地形、水文和人類活動等因素的影響,并揭示其在溝蝕形成和發(fā)展中的作用機制。同時,結(jié)合遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)分析,定量監(jiān)測和評估溝蝕的時空演化規(guī)律。最終,結(jié)合溝蝕治理技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用,為侵蝕溝的治理提供更加全面的解決方案。