東北黑土區溝蝕研究進展與熱點
——基于CiteSpace計量分析

萬兆凱,宋慶臣,萬普強,郭明明,張興義,劉欣,5

(1.吉林農業大學資源與環境學院,長春 130118;2.中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土區農業生態院重點實驗室,哈爾濱 150081;3.阿榮旗市水利局,內蒙古阿榮旗 162750;4.扎蘭屯市水利局,內蒙古扎蘭屯 162650;5.中國科學院大學,北京 100049)

東北黑土區總面積達109萬km2,約占全球黑土總面積的12%,該區糧食總產量占全國總量的1/4,糧食調出量占全國總量的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,黑土區的水土流失日益加劇,其中以溝道侵蝕最為嚴重。據全國第1次水利普查侵蝕溝專項調查,東北黑土區是我國除黃土高原外,溝道侵蝕程度最為嚴重的區域,現有＞100 m 侵蝕溝29.6萬條[4]。另據調查,尚有相近數量＜100 m 的侵蝕溝,侵蝕溝總數量高達60萬條,僅侵蝕溝自身就損毀土地5 000 km2以上[5-6]。溝道侵蝕不僅導致珍貴的黑土層“變瘦、變硬、變薄”,還使作物顯著減產,生態功能退化,嚴重威脅國家糧食安全和生態安全[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域的學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,關于該領域研究主題的演化、研究方向和發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域的研究動態和未來研究需求。

因此,本文利用文獻計量學和科學知識圖譜的方法,運用CiteSpace等軟件,對中國知網(CNKI)數據庫中的東北黑土區溝道侵蝕中文文獻以及Web of Science核心數據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,揭示該領域的研究發展歷程,分析不同時期的研究熱點和發展趨勢,并直觀地展示研究主題領域的發展狀況。為進一步推進東北黑土區溝道侵蝕研究領域的發展以及黑土區侵蝕溝的防治提供參考和借鑒。

1 材料與方法

數據源于Web of Science(WOS)核心合集和中國知網(CNKI)數據庫,檢索日期截至2023 年4 月30日。WOS數據庫以“black soil or mollisol”“gully erosion or gully”“the Northeast of China”組合檢索,CNKI數據庫以“東北”“東北黑土區”“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文獻、會議論文后,最終篩選文獻共計245篇,其中CNKI數據庫文獻181篇,Web of Science數據庫文獻64篇。

基于 CNKI 和 WOS 核心數據集,利用CiteSpace軟件進行關鍵詞(標題、摘要和關鍵詞)分析,關鍵詞出現頻率可用于衡量關注度,以揭示某一領域的熱點問題。通過研究熱門關鍵詞并運用突現圖的可視化展示,能更清晰地顯示這些熱點問題,呈現東北黑土區溝蝕研究領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點在網絡中重要性的指標,并以此來發現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為節點s到節點t的最短路徑數目;nist為從節點s到節點t的gst條最短路徑中經過節點i的最短路徑數目[13]。

2 結果與分析

2.1 東北黑土區溝蝕主題發文數量及時間特征

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

圖1 中英文文獻發文時間及數量Fig.1 Time and number of the published articles in English and Chinese

2.2 機構發文量分析

圖2中的每個節點表示一個研究機構,節點間的連線反映著不同機構之間的合作關系。其中,中文文獻發文機構為150個,連線為155條,連線多于節點,密度較高,這表明我國在該研究領域具有緊密的合作關系,且交流程度較高。同時,為確保數據的準確性,避免文獻出現交叉統計的情況,在整理和統計數據時只保留文獻的第一發文機構。

圖2 中文文獻發文機構Fig.2 Institutions publishing the literatures in Chinese

圖3 英文文獻發文機構Fig.3 Institutions publishing the literatures in English

由圖2可知,東北黑土區溝蝕的研究機構較少,且發文層次及研究力度差別較大,發文量在10篇以上的機構僅有4個,其余均在6篇以下?？傮w來看,僅有少數機構對東北黑土區溝蝕研究進行深入的探討和研究,而多數機構的研究相對較單一。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地位,并在資源、資金和政策方面具有重要的支持和引導作用,能夠推動相關研究的開展和治理措施的實施。此外,政府還可以促進學術界、科研機構和社會各界的合作,形成多方參與的研究格局。

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

2.3 作者發文分析

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

2.4 東北黑土區溝蝕主題研究高頻關鍵詞分析

關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域的學術思想、研究主題和內容的高度概括和提煉。因此,關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域研究動態的重要手段。通過考察該領域中關鍵詞的頻率出現,可以了解該領域的研究熱點,判斷該領域研究內容的更新速度以及學科研究的活力水平[14]。通過CiteSpace軟件進行關鍵詞共現分析,得到以下圖(圖6,7),其中除主題詞外,中文關鍵詞“水土流失”“土壤侵蝕”“遙感”的出現頻次高于其他關鍵詞,英文關鍵詞“soil erosion”“area”“retreat rates”“catchment”出現頻次高于其他關鍵詞。目前對于東北黑土區溝蝕的關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,盡管已經取得了一定的研究成果,但對于該領域的研究還沒有形成完整的框架和全面的認識。

圖6 中文文獻關鍵詞共現Fig.6 Keywords co-occurrences from literatures in Chinese

圖7 英文文獻關鍵詞共現Fig.7 Keywords co-occurrence from literatures in English

2.5 東北黑土區溝蝕主題關鍵詞聚類分析

關鍵詞聚類分析是使用CiteSpace對提取的所有關鍵詞進行分類,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入CiteSpace軟件進行分析,共得到中文文獻關鍵詞聚類12個,英文文獻關鍵詞聚類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 中文文獻關鍵詞聚類Table 1 Keywords clustering from Chinese literatures

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

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

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

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

聚類1:以黑土區為中心,主要關鍵詞為治理、工程措施、植被措施、發育等。針對黑土區的治理,學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、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,延緩溝道發育。水土保持工程的建設,如構筑護坡、設置排水系統等,可以減少溝道侵蝕,保護耕地資源。除了工程措施,植被措施在黑土區治理中也起到重要作用。學者們研究發現,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,增加植被的根系和地上部分,可以提高土壤的結構穩定性,防止溝道侵蝕的發生。

聚類2:以臨界條件為中心,主要關鍵詞為溝道侵蝕、遙感解譯等。學者們通過研究發現,溝道侵蝕的臨界條件包括降雨、地形、土壤性質等因素[17]。為了監測和評估溝道侵蝕的情況,學者們采用了遙感解譯技術。遙感解譯能夠獲取大范圍的地表信息,包括溝道的形態特征、植被覆蓋度等[18]。通過分析遙感圖像和提取溝道特征參數,學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依據。

聚類3:以水土保持為中心,主要關鍵詞為比較、水土流失治理、趨勢等。學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依據,為保護土壤資源、實現可持續發展提供了有益的支持。

聚類0 以black soil為中心,關鍵詞為critical water content,root mass density,soil collapse 等。學者們關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控和植物生長的影響。通過野外調查和試驗測定,學者們對在黑土中的根系質量密度進行了研究,以評估其對土壤結構的影響和保持能力[20]。另外,學者們還關注黑土溝道崩塌問題,通過對土壤物理性質和水分變化的監測,學者們探討了黑土的溝道崩塌機制和相應的保護措施[21]。

聚類1以slope gradient為中心,關鍵詞為aspect and shape,crop yield,slope-gully system等。學者們的研究揭示了坡度與坡向對于溝道發育的重要性[22]。通過深入分析坡向和坡形的影響機制,提出了相應的水土保持和管理策略,以減少溝道侵蝕發生的風險。聚類2以global positioning system為中心,關鍵詞為digital terrain model,black soil region-northeastern China等,學者們通過GPS和DTM 的應用,能夠測量和描述溝道侵蝕的特征和演變趨勢,為東北黑土區的溝道侵蝕治理提供科學依據[23]。聚類3以land degradation為中心,關鍵詞為topographical variation,rainfall erosivity,climate change等。不同地形的坡度、坡向和地貌形態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育的重要條件之一[25]。

2.6 國內研究前沿分析

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

由圖10可知,突現強度較高的關鍵詞有“水土保持”“水土流失”“黑土區”“綜合治理”等,說明這些關鍵詞在其所對應的時間段里都是學者們較為關注的前沿主題。從突現持續時間的跨度來看,持續時間較長的有“水土保持”(16 a)、“水土流失”(5 a)、“坡耕地”(5 a),說明這些關鍵詞在很長一段時間內都是學者們關注的焦點。按照時間劃分,總體可分為兩個階段:1996—2012年,90年代末爆發了特大洪災,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解譯出了共29.6萬條侵蝕溝,引起了學術界的廣泛關注,而基礎研究無法滿足侵蝕溝治理的需求,缺乏基礎研究支撐,因此在2013年后,學者們更多注重于溝道侵蝕機理等基礎研究。

圖10 中文文獻突現關鍵詞Fig.10 Keywords with the strongest citation bursts in literatures in Chinese

3 結論

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

(2)該領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、中國科學院東北地理與農業生態研究所、東北農業大學、沈陽農業大學等機構貢獻突出、影響較大;張樹文是該領域中文發文量最多的學者,劉寶元和伍永秋是英文發文量最多的學者。

(3)文獻關鍵詞共現表明,東北黑土區溝蝕的關注重點主要集中在侵蝕溝分布、發育特征、影響因素、溝蝕防治措施等方面,但對于該領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溝蝕的過程和機理研究,深入分析地質、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展中的作用機制。同時,結合遙感技術和地理信息系統分析,定量監測和評估溝蝕的時空演化規律。最終,結合溝蝕治理技術的研發和應用,為侵蝕溝的治理提供更加全面的解決方案。