基于计量分析的国际非充分灌溉技术发展趋势分析

郑 健，马 彪，冯正江，齐兴赟，王 燕，王 健

（1.兰州理工大学 能源与动力工程学院，兰州 730050；2.兰州理工大学 西部能源与环境研究中心，兰州 730050；3.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室，兰州 730050；4.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100）

0 引 言

水是农作物生产中最重要的资源之一，而农业被认为是主要的用水部门，其用水量占总用水量的70%[1]。在一些干旱和半干旱地区，农业用水量甚至占到总用水量的85%[2]。同时，随着社会经济的发展和产业结构的调整，淡水供应的8%~15%还将从农业转向满足日益增长的家庭用水和工业用水需求[3]。因此，减少农业用水量，提高农业水资源利用效率，就成为缓解水资源短缺与保持农业高产稳产之间取得平衡的关键因素[4]。

非充分灌溉，也称“限水灌溉”或“腾发量亏缺灌溉”，最早提出于20世纪60年代[5]，在20世纪80年代中期中国开始进行专门的试验探索[6]。它是基于作物生理特性，在不完全满足作物需水的基础上而保持产量不减少甚至增产，是一种可充分挖掘作物对水分高效利用潜力的灌溉技术[7]，在干旱、半干旱和水资源短缺地区已经得到广泛应用。全世界100多个国家的学术科研机构针对该技术开展了研究工作，近年来随着全球水资源问题的加剧，非充分灌溉技术的相关研究得到了快速的发展，大量研究成果发表在国际学术期刊上，但对该技术的研究进展和发展趋势的分析还显欠缺。文献计量学是用数学和统计学的方法，以文献体系和文献计量特征为研究对象，定量分析文献的分布结构、数量关系和变化规律，掌握科学知识体系结构及其演化规律[8]，监测研究领域的演化路径和变化趋势。近年来，文献计量学已经广泛应用于会计学[9]、经济学[10]、管理学[11]、控制科学[12]、可再生能源[13]和食品科学[14]等领域，但在灌溉科学领域的应用还鲜见报道。

基于此，以科学引文索引网络数据库 Web of Science网络数据库之下的Web of ScienceTM核心合集作为数据来源，采用文献计量学的方法对非充分灌溉技术2005—2018年相关文献的年份分布、类型、语言分布、被引次数分布、研究国家、研究机构和关键词出现频次等信息进行定量分析，以期能够系统全面揭示非充分灌溉技术的研究动态和研究热点，为从事相关研究的科研人员确立研究方向、开展科学研究和学术交流提供信息和帮助。

1 数据来源与方法

科研文献是科学研究过程中的重要产出之一，是衡量科研活动和科研产出的最有效的指标之一[15]。而科技文献在国际权威检索系统中的收录情况是该国学术地位的综合体现，对于推进科学研究和技术进步具有重要的意义[16]。本文以美国科学信息研究所（Institute for Scientific Information，ISI）出版的Web of Science网络数据库之下的Web of ScienceTM核心合集作为数据来源。采用的引文数据库包括科学引文索引扩展（Science Citation Index Expanded，SCI-E）、科学会议引文索引（Conference Proceedings Citation Index-Science，CPCI-S）、化学反应数据库（Current Chemical Reactions，CCR-Expanded）和化合物索引数据库（Index Chemicus，IC）。检索词选择国内外非充分灌溉科技文献中通用的专业英文词语“deficit irrigation”或“unsufficient irrigation”或“limited irrigation”或“regulated deficit irrigation”作为检索词，在标题、摘要和关键词（中检索2005—2018年的文献。其中来自英格兰、苏格兰、北爱尔兰和威尔士的文献统一划分为英国。期刊的影响因子来自2018年期刊引用报告（Journal Citation Report，JCR）。利用 Web of Science数据库自带的统计分析工具和Origin9.0数据处理软件进行文献计量分析，WordArt软件绘制关键词词云并进行分析。

2 结果与分析

2.1 研究文献的年份分布

2005—2018年Web of ScienceTM核心合集数据库中，标题、摘要和关键词包含“deficit irrigation”或“unsufficient irrigation”或“limited irrigation”或“regulated deficit irrigation”的文献共3 322篇。从年发文量可以看出（图1），2005—2007年收录非充分灌溉的文献量较少，2006年最少，仅为16篇，2008年收录文献量迅速增加至160篇，至2018年收录文献量已经达到428篇，并且还有继续增长的趋势。这主要是因为随着世界经济的发展和人口的增加，人类对水资源的需求不断增加，而对水资源的不合理开采和利用，导致很多国家和地区出现越来越严重的缺水问题，尤其是高度依赖灌溉农业的国家和地区[17]。因此，非充分灌溉技术在农业中的应用得到了越来越多的国家和地区的重视，成为农业节水的重要技术手段。

图1 2005—2018年非充分灌溉文献年份分布Fig.1 Publication quantity on deficit irrigation from 2005 to 2018

2.2 研究文献类型与语言分布

从表1可以看出，包含非充分灌溉的文献涉及8种文献类型，其中论文2 694篇，占总文献数的81.10%；会议文献505篇，占15.20%；综述80篇，占2.41%；会议摘要27篇，占0.81%；编辑材料10篇，占0.30%；书籍章节3篇，占0.09%；补充修正2篇，占0.06%；书信1篇，占0.03%，表明对于非充分灌溉的研究文献主要以论文和会议文献为主，其文献质量相对较高。同时，收录文献的语种涉及英语、西班牙语、葡萄牙语等 7个语种，英语文献占到绝大多数，比例为98.50%。这是因为英语是科技文献发表的主要语言，也是大多数国际会议的官方语言，并且 Web of Science网络数据库收录的大多数期刊为英文期刊。

表1 2005—2018年收录文献类型及语种分布Table 1 Language and type of scientific publications on deficit irrigation from 2005 to 2018

2.3 国家发文及国家间合作情况

2.3.1 国家发文情况

基于作者和通讯作者信息可知，3 322篇文献涉及国家109个。发文前20位的国家中，9个来自欧洲，4个来自亚洲，3个来自南美洲，2个来自北美洲，1个来自非洲，1个来自大洋洲。表明世界各国对非充分灌溉技术均较为重视。从2005—2018年的总发文量来看，西班牙、美国和中国的总发文量（TP）显著高于其他国家，共发表论文1 814篇，占总数的54.60%，但从篇均被引频次（TC/TP）排序情况来看，总发文量排在第9位的葡萄牙排名第1，而总发文量排在第2和第3的美国、中国仅排在第10位和第14位。美国对于非充分灌溉的研究开始较早，开始于20世纪60年代，经历了实践-理论-实践的过程，近年来发表的文献主要集中于应用。中国对非充分灌溉的研究起始于20世纪80年代中期，但发展迅速，发表的文献也注重于非充分灌溉理论的应用。因此，美国和中国在非充分灌溉方面发文量较多，但篇均被引频次较低。而葡萄牙、丹麦和意大利注重非充分灌溉的理论研究，相比于应用研究，理论研究发展较慢[8]，发文量低，但篇均被引频次较高。

表2 2005—2018年发表非充分灌溉文献前20的国家/地区及其文献被引用情况Table 2 The top 20 countries/regions on deficit irrigation research publications and their citations in 2005—2018

2.3.2 国家间合作关系

根据某2个国家最少合作次数为15次，并且某个国家至少与3个国家有合作关系的标准，筛选后共得到41个国家和地区的合作网络关系（图2）。图2连接不同国家的连线宽度代表国家间合作作者的数量，连线宽度值越大表明国家间合作越密切。例如，与中国合作最为密切的国家依次为美国、丹麦、澳大利亚、加拿大和巴基斯坦。从图2可以看出，西班牙、美国、中国和意大利在非充分灌溉领域与其他国家合作最为密切，但除了这些国家以外其他国家相互之间也进行着紧密的合作。说明非充分灌溉的研究引起了世界上各个国家的广泛关注，并致力于相互合作旨在共同解决非充分灌溉在农业中的问题以及对人类生产生活的影响。

图2 国家/地区合作网络分布图Fig.2 Cooperation full network between countries region

2.4 研究机构分布

统计结果表明，2005—2018年全世界总共有2 226个研究机构发表了关于非充分灌溉的文献。从表3可以看出，发文量位居前20名的机构中，中国占了3席，分别是中国农业大学、中国科学院和西北农林科技大学。从机构类别中可以看出，大学是主要的研究力量，占到了17席。2005—2018年发文量前3位的机构分别为西班牙国家研究委员会、美国农业部农业研究所和中国农业大学，其发文量均在100篇以上。从篇均被引频次来看，排在前3名的分别是阿根廷的科尔多瓦大学、西班牙的西班牙国家研究委员会和丹麦的哥本哈根大学，其篇均被引频次达到了37.3、22.6和20.2。表明西班牙国家研究委员会在非充分灌溉领域发表的成果在数量和质量均较好，而中国研究机构发表的文献质量优势明显不如数量，在质量上竞争优势略显不足，需进一步提升。

表3 2005—2018年非充分灌溉发文前20的机构及其文献被引用情况Table 3 The top 20 institutions on deficit irrigation research publications and their citations in 2005—2018

2.5 期刊分布及论文引用情况

2.5.1 期刊及学科类别

2005—2018年，3 322篇非充分灌溉相关文献发表在568个学术期刊上，表4列出了发表非充分灌溉相关文献前10种期刊的情况，包括发文量、篇均被引频次、影响因子（2018）以及期刊所属的学科类别和期刊分区。这10种期刊总共刊发非充分灌溉相关文献 1 168篇，占总发文量的 35.16%，其中《Agricultural Water Management》是刊载有关非充分灌溉研究最多的期刊，发文量达到了554篇，占总发文量的 16.68%。从期刊影响因子（2018）来看，这10种期刊的影响因子并不是很高，最高的仅为3.868，平均影响因子为 2.091，这主要是受到学科热度和研究内容的影响。但从JCR分区看，这10种期刊主要分布在一区和二区，说明发表非充分灌溉相关研究成果最多的10本期刊影响力较大，是研究人员进行非充分灌溉学术成果展示和探讨的主流期刊。按照 ISI数据库对期刊的学科分类可知，2005—2018年非充分灌溉的研究主要集中在农学、农林科学、农业与生物科学、园艺学、农业工程、农学和作物科学、土壤科学、水资源以及食品科学中。

表4 2005—2018年发表非充分灌溉文献前10的期刊及学科分类别和被引用情况Table 4 The top 10 Journals with publication on deficit irrigation and their citation and discipline classification in 2005—2018

表5 2005—2018年非充分灌溉文献被引用情况Table 5 Citations of publications on deficit irrigation in 2005—2018

2.5.2 文献被引次数分析

由表5可知，2005—2018年非充分灌溉相关文献中，从未被引用过的文献有602篇，占18.12%；被引次数在1~50的文献最多，有2 593篇，占78.06%；被引次数在51~100的文献有90篇，101~200的文献有30篇，在200次以上的文献有7篇。西班牙学者Fereres和 Soriano于 2007年发表在《Journal of Experimental Botany》的综述性论文“Deficit irrigation for reducing agricultural water use”[18]被引次数最高，达到了721次。文章主要对非充分灌溉对于一年生和多年生作物的应用方面进行了综述，说明非充分灌溉是减少灌溉用水最有效的方法之一。最近1篇引用次数在 200次以上的论文是西班牙学者ZARCO-TEJADA等 2012年发表在《Remote Sensing of Environment》的研究论文“Fluorescence,temperature and narrow-band indices acquired from a UAV platform for water stress detection using a micro-hyperspectral imager and a thermal camera”[19]，总引用次数为351次，该文利用无人机获取高分辨率图像，采用热光谱和多光谱分析方法，研究非充分灌溉对作物产生的水分胁迫情况。从期刊上看，2篇文献所发表的期刊均位于植物科学和农业与生物科学一区，文章质量较好。从发表的内容上看，随着现代农业的高速发展，农业逐渐成为遥感的重要领域[20]，非充分灌溉的研究尺度和内容也随着无人机技术、遥感技术、成像科学及照相技术的发展向定量化和精细化迈入[21-23]。

2.6 文献作者分析

通过对2005—2018年非充分灌溉领域发文作者的统计分析（表6），有7 895名研究人员作为作者发文。发文量最多的是来自伊朗设拉子大学的Sepaskhah教授，发文量50篇。前20位作者总共发文646篇，占总发文量的19.45%。一般认为文献的被引用次数越多，其文献的学术价值越大，同时也从侧面可以反映该作者的学术地位[14]。西班牙的ELIAS FERERES教授在总被引次数、篇均被引次数和单篇最高被引次数（HCP）均为最高，分别是1 833、47.0和721次。H指数最高的是来自西班牙的Fernandez教授，为17。发文量前20位的作者中有13位来自西班牙，Fernandez教授表明了西班牙在非充分灌溉领域的研究实力很强。中国有2所大学的3位学者在非充分灌溉领域的发文量进入了世界前20位，分别是来自西北农林科技大学的刘福来教授、中国农业大学的康绍忠教授和杜太生教授。

表6 2005—2018年非充分灌溉研究发文量前20的作者及论文被引用情况Table 6 The top 20 authors on deficit irrigation research publications and their citations in 2005—2018

2.7 论文献关键词分析

一篇研究成果的研究主题可以通过作者选取的关键词来确定。因此如果将多篇文献所总结的所有关键词进行分析评价可以得出某一特定领域的研究趋势[24]。本文收集了 2005—2018年非充分灌溉领域中作者发文所采用的所有关键词进行分析，共收集到4 239个关键词，出现次数在10次及以上的有618个，本文选取了出现次数排在前50名关键词进行整理和分析，合并了如“Growth”和“Grown”、“Crop”和“Plant”等同义词，去除了“Deficit”和“Irrigation”等数据库检索用词，共得到35个高频关键词。图3中以不同颜色对关键词进行分类，以字号来表示关键词出现的频次。通过关键词词云可以看出第1类出现较多的关键词为“Arid”、“Drought”、“Drying”、“Semiarid”、“China”和“Climate”（图3中红色字体），这些词反映了非充分灌溉的研究区域主要集中在干旱和半干旱地区或者是气候干燥区域，中国近年来在非充分灌溉领域发文量增加迅速，使得“China”出现在了高频关键词中。第2类出现次数较多的关键词是非充分灌溉涉及的控制因素（图3中蓝色字体），出现最多的是“Crop”、“Soil”和“Stress”，表明非充分灌溉主要的关注对象是作物、土壤类型和胁迫水平。而“Drip”、“Partial”、“Nitrogen”和“Field”分别反映了非充分灌溉中采用的灌溉方式以滴灌居多，局部灌溉正在成为研究非充分灌溉的主要方式，氮素的利用率一直是非充分灌溉领域的主要研究关注点，而非充分灌溉试验研究方式主要采用大田试验。第3类出现较多的关键词主要包含植物的生理活动（图3中紫色字体），包括“Yield”、“Quality”、“Growth”、“Production”、 “Fruit”、“ Root”、“Leaf” 和“Physiological”，表明在非充分灌溉试验和研究中观测的指标主要包含果实、根系、叶片、生理指标、生长、产量和品质。第4类出现次数较多的关键词是研究的植物种类（图3中绿色字体），出现次数最多的是“Olive”、“Maize”、“Wheat”和“Tomato”，其中橄榄是西班牙最主要的经济作物，而西班牙也是在非充分灌溉领域发表文献最多的国家，小麦和玉米作为世界主要的粮食作物，其种植区域主要集中在干旱和半干旱地区，而番茄是全世界种植面积最大和最受欢迎的蔬菜之一，使得这4种作物出现频次较高。第5类出现次数较多的关键词是非充分灌溉研究采用的试验分析方式和最终成果（图3中的黄色字体），比如“Different”和“Efficiency”分别表示差异和效率，是非充分灌溉研究中最常采用的数据分析方法，而“Management”（管理）和“Strategies”（策略）的提出一定是基于数据分析的结果。

图3 2005—2018年非充分灌溉关键词词云Fig.3 Keywords cloud in the research of deficit irrigation

3 结 论

1）非充分灌溉的研究文献呈稳步增长趋势，研究文献以期刊文献、英语文献为主。西班牙、美国和中国是非充分灌溉研究文献发文量最多的3个国家，西班牙、美国、中国和意大利在非充分灌溉领域与其他国家合作最为密切。

2）大学是非充分灌溉研究的主要研究机构；西班牙国家研究委员会、美国农业部农业研究所和中国农业大学是发文量最多的3个研究机构；阿根廷的科尔多瓦大学、西班牙的西班牙国家研究委员会和丹麦的哥本哈根大学是所发表文献篇均被引频次最高的3个研究机构；西班牙在世界非充分灌溉领域的研究实力最强，西北农林科技大学和中国农业大学是目前中国在非充分灌溉领域研究实力最强的研究机构。

3）《Agricultural Water Management》是刊载有关非充分灌溉研究最多的期刊，达到了554篇，占总发文量的16.68%；西班牙的ELIAS FERERES教授在非充分灌溉领域发表文献的总被引次数、篇均被引次数和单篇最高被引次数均为最高；非充分灌溉的研究主要分布在农学、农林科学、农业与生物科学、园艺学、农业工程、农学和作物科学、土壤科学、水资源以及食品科学中。

4）非充分灌溉的研究区域主要集中在干旱和半干旱地区，且主要采用大田试验方式；橄榄、玉米、小麦和番茄是最主要的研究对象；研究内容主要集中在通过对作物生理生态指标、产量、品质指标的测定分析，获得最优的灌溉策略和模式。