基于文献计量的黄河流域农田灌排研究现状

陆红飞，齐学斌，乔冬梅*，李 霞，白芳芳，赵宇龙，韩 洋，庞 颖

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2. 河南省桐柏县水利局，河南 南阳474750）

0 引 言

黄河是中华民族的母亲河，中华民族的崛起离不开黄河流域的健康发展。目前，黄河流域34 个地级市的环境和生态发展严重制约着黄河流域中游城市的高质量发展[1]。2019 年9 月习近平总书记提出“黄河流域生态保护和高质量发展”，要大力发展节水产业和技术，大力推进农业节水，实施全社会节水行动，推动用水方式由粗放向节约集约转变[2]。诸多学者也从不同角度为黄河流域的高质量发展建言献策。张红武[3]提出实施西线南水北调与藏水外调工程，以解决黄河流域和华北地区水资源紧缺状况与生态环境严重退化的问题。路瑞等[4]提出适时调整山东、河南、内蒙古等农田灌溉用水比重较高、亩均灌溉用水量较大的省区的农业种植面积。王金南[5]提出实施包括黄河干流和主要支流在内的全流域水资源统一调度，减少用水总量。可见黄河流域生态保护和高质量发展已经引起广泛关注。

【研究意义】黄河流域水资源不足、干旱频发[6]，水资源供需矛盾突出[7]，灌溉是制约粮食安全最主要的因素之一[8]。但多年不合理的灌溉施肥导致部分灌区地下水位抬升，土壤盐分累积，严重制约了黄河流域农业的可持续发展。此外，农业用水逐渐向非农部门转移，减少了灌溉水量，对我国粮食安全构成极大威胁[9]。但仍有不少地区在汛期遭遇较大降雨或暴雨袭击时，发生内涝和渍害，排水设施的建设是保障农业生产的一项基本措施。虽然我国灌溉排水技术取得了长足进步，但灌溉水利用系数、水质水量控制、排水工程等方面与国外仍存在较大差距；黄河流域由于干旱缺水、水中盐分高，对灌溉排水技术的需求更加迫切。

【研究进展】基于文献数据库，采用大数据[10-11]分析，将科学研究热点、学者（机构）合作关系可视化，成为当前各科学研究的重要手段之一。郑健等[12]以Web of Science（WOB）数据库中的论文对国际非充分灌溉技术发展趋势分析，认为非充分灌溉的研究区域主要集中在干旱和半干旱地区。丁新军等[13]基于中国知网（CNKI）与WOS 数据库研究了国内外暗管排水的研究热点，认为排水管理、工程技术、农艺措施等均是暗管排水未来的研究热点；金菊良等[14]分析了水文水资源学家陈守煜先生学术研究的知识图谱。此外，前人通过分析文献数据，针对水-粮食-能源关联系统[15]、水生态环境[16]、重金属污染土壤修复[17]等总结研究热点，并对未来相应学科的发展进行了预测。基于黄河流域研究的战略地位和迫切需求，有必要对黄河流域农田灌溉排水技术发展现状、发展趋势和研究热点进行分析和探索。

【切入点】以往通过查阅文献的方式掌握最新的灌溉排水技术和理论，存在着时间和空间上的缺失，不具有连续性和完整性，而且主要研究机构（研究者）之间的合作情况鲜有涉及。【拟解决的关键问题】针对黄河流域近20 a 的科学研究，采用科学计量的方法，依据CNKI 数据库，统计作者、发表单位、发表时间、期刊名等信息，形成数据集；借助VOSviewer 和COOC4.1 工具，对2000―2019 年CNKI 期刊数据库中关于黄河流域农田灌溉和排水的论文进行可视化分析，分析黄河流域农田灌溉和排水研究的前沿与热点，为科技工作者开展研究提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本文采用中国知网（CNKI）数据库（期刊-所有期刊），研究时段为2000―2019 年，检索时间为2020年3 月27 日；将研究领域划分为2 个研究方向：灌溉和排水，分别在CNKI 中的专业检索中检索。

“灌溉”检索式为篇名（TI）=（'灌溉'+'滴灌'+'漫灌'+'喷灌'+'淹灌'+'地面灌'+'微灌'+'微润灌'）or 关键词（KY）=（'灌溉'+'滴灌'+'漫灌'+'喷灌'+'淹灌'+'地面灌'+'微灌'+'微润灌'）；“排水”检索式为：TI=（'排水'）and 主题（SU）=（'农田'+'稻田'+'麦田'+'玉米田'+'棉田'+'盐碱地'+'耕地'+'蔬菜'+'土壤盐渍化'+'盐渍化土壤'）or KY=（'暗管排水'+'涝渍'+'淹涝'+'控制排水'+'控制灌排'+'农田排水'）and TI=（'农田'+'水稻'+'小麦'+'玉米'+'棉花'+'番茄'+'作物'+'蔬菜'+'西红柿'+'辣椒'+'花生'+'大豆'）。

进一步在结果中检索全文（FT）=（'黄河流域'+'河套灌区'+'引黄灌区'+'银南灌区'+'汾河灌区'+'引沁灌区'+'人民胜利渠灌区'+'赵口灌区'+'中牟县灌区'+'大功灌区'+'韩董庄灌区'+'南小堤灌区'+'彭楼灌区'+'关中平原'+'渭河'+'汾河'+'湟水'+'清水河'+'无定河'+'窟野河'+'白河'+'黑河'+'洮河'+'大黑河'+'洛河'+'沁河'+'金堤河'+'大汶河'+'扎陵湖'+'鄂陵湖'+'东平湖'+'北岸灌区'+'位山灌区'+'青铜峡灌区'+'银北灌区'），得到黄河流域灌溉和排水论文信息，选择所有文献-导出参考文献-选择EndNote 格式，保存后导入EndNote X7。同时在知网上下载论文数量、学科分布、期刊、关键词、发文机构、基金项目、高被引论文等信息。

1.2 研究方法

在EndNote X7 中将所有黄河流域农田灌溉方面的论文信息按年份划分。灌溉方面的论文分为2 个阶段进行分析。①2000―2009 年（共计1 018 篇）：设定关键词词频≥5，得到120 个关键词，作者频次≥2，得到372 位作者；设定机构频次≥5，得到101 个机构进行分析。②2010―2019 年（共计1 904 篇）：设定关键词词频≥7，得到153 个关键词；设定作者频次≥4，得到180 位作者；设定机构频次≥5，得到90 个机构进行分析。因排水方面的论文较少（共计92 篇），仅分析2000―2019 年排水论文关键词网络、作者合作网络、机构合作网络。设定关键词词频≥2，得到48 个关键词进行分析；设定作者频次≥2，得到47 位作者进行分析；设定机构频次≥1，得到120 个机构进行分析。

采用VOSviewer 制作关键词和作者知识图谱；采用 COOC4.10 对机构共现网络进行分析，采用Excel2010 进行数据整理和作图。

2 结果与分析

2.1 黄河流域农田灌溉和排水论文数量分布

图1 为2000―2019 年农田灌溉和排水论文数量分布情况。

图1 2000―2019 年农田灌溉和排水论文数量分布 Figure 1 Distribution of papers on farmland irrigation and drainage from 2000 to 2019

从图1 可以看出，2000―2019 年，黄河流域农田灌溉方面的论文数量呈先波动上升后降低趋势，年均发文量为146 篇，2016 年发文量最多，达235 篇；而黄河流域农田排水方面的论文数量处于周期性变化，每4～6 年有一次起伏变化，年均发文量为6 篇左右，2012 年发文量最多，仅为13 篇，可见排水方面的学术成果远少于灌溉方面的。

2.2 黄河流域灌溉和排水论文学科分布和主要发文期刊

黄河流域2000―2019 年农田灌溉和排水论文的学科分布如图2 所示。从图2 可以看出，黄河流域灌溉和排水的主要学科均为农业工程、作物、农业资源与环境，其中农业工程的占比分别为59%和56%；灌溉涉及的学科比排水多，如蔬菜、瓜果、草学、林学等，但灌溉学科与排水学科存在明显的区别，如生态和法学等。

图2 2000―2019 年农田灌溉和排水中文论文的学科分布 Fig. 2 Subject distributions of Chinese papers on farmland irrigation and drainage from 2000 to 2019

黄河流域农田灌溉和排水研究论文发表最多的期刊（前10）排序如图3 所示。由图3（a）可知，黄河流域灌溉方面的论文主要发表在《节水灌溉》、《灌溉排水学报》、《农业工程学报》、《内蒙古水利》、《中国农村水利水电》等，分别为170、135、110、106、99 篇，黄河流域沿线省级刊物如《河南水利与南水北调》、《陕西水利》、《山西水利》等发文量也较多。由图3（b）可知，黄河流域排水方面的论文主要发表在《农业工程学报》、《灌溉排水学报》、《水利学报》、《内蒙古水利》、《中国农村水利水电》等，发文量分别为14、11、5、4、4 篇，其他刊物如《排灌机械工程学报》、《河南水利与南水北调》等也有少量发文。总体来看，《节水灌溉》、《灌溉排水学报》、《农业工程学报》是发表黄河流域灌溉和排水方面研究论文的主要刊物。

图3 黄河流域农田灌溉和排水研究中文论文发表最多的期刊 Fig. 3 The most published journals of Chinese papers on farmland irrigation and drainage in the Yellow River Basin

2.3 主要发文机构和基金项目

黄河流域农田灌溉研究论文发表最多的机构和主要基金项目（前10）如表1 所示。由表1 可知，2000—2019 年发文最多的机构包括西北农林科技大学、内蒙古农业大学、中国农业大学、宁夏大学、甘肃农业大学等，发文占比分别为6.64%、3.59%、2.60%、2.22%、1.75%，说明黄河流域农田灌溉的研究主要集中在地处黄河流域内的研究机构，河海大学、武汉大学等国内农田水利重点高校发文量也较高。论文资助方主要有国家自然科学基金项目、国家科技支撑计划（863）、国家高技术研究发展计划（973）等，资助论文数量分别为480、486、98 篇，说明黄河流域农田灌溉研究项目主要由国家层面的资金资助。黄河流域农田排水研究中文论文发表最多的机构和主要基金项目（前10）如表2 所示。由表2 可知，2000—2019 年发文最多的机构包括西安理工大学、武汉大学、河海大学等，发文量分别为16、15、10 篇。主要资助方为国家自然科学基金项目、国家科技支撑计划项目，资助的论文数量分别为41、23 篇。

表1 黄河流域农田灌溉研究中文论文发表最多的机构和主要基金项目 Table 1 Institutions and major fund projects with the most published papers on farmland irrigation research in the Yellow River Basin

表2 黄河流域农田排水研究中文论文发表最多的机构和主要基金项目 Table 2 Institutions and major fund projects with the most published papers on farmland drainage research in the Yellow River Basin

表3 2000―2019 年黄河流域农田灌溉和排水领域引用排名前5 的论文信息 Table 3 Top 5 papers cited in the field of farmland irrigation and drainage in the Yellow River Basin from 2000 to 2019

2.4 研究热点分析

2.4.1 高被引论文

从中国知网抽取了2000―2019 年黄河流域农田灌溉领域引用排名前50 和排水领域前10 的论文，限于篇幅列出了前5 的论文信息，见表3。由表3 可知，灌溉领域50 篇论文的平均引用次数为105，平均下载量为1203，主要发表在《农业工程学报》、《灌溉排水学报》、《水科学进展》、《中国农业科学》、《节水灌溉》、《农业机械学报》、《水利学报》等期刊上，刊文量分别为16、7、3、3、2、2 篇；被引前20 的论文研究内容主要集中在作物需水量、节水灌溉技术、膜下滴灌、非常规水灌溉、水肥（盐）运移等方面。排水领域10 篇论文的平均引用次数为40，平均下载量为711，主要发表在《农业工程学报》、《水利学报》、《灌溉排水学报》等期刊上，刊文量分别为7、5、3篇；被引前10 的论文研究内容主要集中在暗管排水、控制排水、DRAINMOD、土壤盐分等方面，这些论文对于农田排水排盐的研究具有重要参考价值。

2.4.2 关键词和作者共现网络

从图4（a）可以看出，2000―2009 年，黄河流域农田灌溉研究热点包括：①节水灌溉，主要研究农田节水灌溉的技术、对策、管理方法和存在的主要问题以及农业的可持续发展；②灌区管理与发展，主要研究用水户（农民）的灌水量和水价、灌溉效益、渠道防渗、井渠结合以及灌水技术的推广与应用（微灌、喷灌等）；③引黄灌溉，主要研究大型灌区灌溉水利用系数、渠道建设以及节水灌溉技术；④膜下滴灌，主要研究玉米、小麦的产量和水分利用效率，并结合数值模拟的方法进行研究；⑤咸水灌溉，主要研究咸水（微咸水）在农田中的应用，主要关注农田排水、地下水、水环境等；⑥其他，包括灌溉制度、盐碱地改良、水土保持、节水工程和措施等。内蒙古、甘肃、山西等是热点地区，位山灌区、宝鸡峡灌区等是热点灌区。

2010―2019 年（图4（b）），黄河流域农田灌溉研究热点包括：①节水灌溉，主要研究农田节水灌溉的技术、对策、管理方法和问题，重点关注高效节水、技术模式的应用与发展、农田水利和节水措施等；②灌区管理与发展，主要研究灌区水量测算、作物需水量的变化、种植结构和灌区发展的影响因素，特别关注气候变化的影响和遥感技术在灌区的应用；③引黄灌溉，主要研究黄河流域的水资源、灌区节水改造、井渠结合灌溉、地下水的变化等；④滴灌和膜下滴灌，主要研究玉米、小麦、枸杞、番茄、大豆、葡萄、苜蓿等作物的产量、水分利用效率、品质等，重点关注作物耗水规律、水分生产率、作物系数等；⑤非常规水的利用，主要研究咸水（微咸水）灌溉、污水灌溉，主要关注水盐运移、地下水埋深等。河套灌区、位山灌区、汾河灌区、泾惠渠灌区、河西走廊等是主要研究区域。

从图5 可以看出，2010―2019 年黄河流域农田排水研究热点包括：①控制排水，主要研究农田排水量和氮磷流失等；②暗管排水，主要应用于盐碱地改良，重点关注土壤盐分的变化；③排水管理，主要包括排水系统和排水工程的设计以及排水再利用，减轻涝渍对作物的伤害；④模型研究，主要采用Drainmod模型研究地下水位、土壤氮素、作物产量等。河套灌区、银南灌区、平原河网地区等是重点研究区域；水稻、棉花、小麦等是主要研究作物类型。

图4 2000―2020 年灌溉研究热点 Fig.4 Irrigation research hotspots in 2000-2020

图5 2000―2020 年排水研究热点 Fig.5 Drainage research hotspots in 2000―2020

2.4.3 发文机构共现网络

通过绘制了2000―2019 年黄河流域农田灌溉领域的主要研究机构共现网络（图略），2000―2009 年，黄河流域农田灌溉的研究主要以流域内相关机构为主，如西北农林科技大学、内蒙古农业大学、黄河水利委员会、灌区管理局等；机构间合作度较低，仅部分单位间合作密切（图6（a）），如武汉大学-内蒙古农业大学、宁夏大学-宁夏农林科学院、中国科学院-西北农林科技大学-中国农业科学院农田灌溉研究所、华北水利水电学院-山东省水利厅等。而2010―2019年，黄河流域农田灌溉领域的主要研究机构与2000―2009 年基本相似，但也涌现了一批新的机构，例如塔里木大学、北京师范大学、扬州大学等；机构间合作更加密切（图6（b）），以武汉大学、中国科学院、西北农林科技大学、内蒙古大学、宁夏大学、中国水利水电研究院为核心机构，河海大学、内蒙古农业大学、东北农业大学、新疆农业大学、西安理工大学、塔里木大学、中国农业科学院农田灌溉研究所、内蒙古河套灌区管理局等机构参与合作，说明黄河流域的农田灌溉研究更加注重多单位协作与交流。

图6 灌溉研究机构共现网络 Fig.6 Co-occurrence network of irrigation research institutions

2000—2019 年黄河流域农田排水领域的主要研究机构共现网络如图7 所示。由图7 可知，主要研究机构间的合作并不紧密，仅有1/2 左右的机构间有合作；其中以中国水利水电科学研究院、西安理工大学、宁夏大学、中国科学院为核心研究机构，与武汉大学、宁夏水文局、中国农业科学院农田灌溉研究所、河北省土地整理服务中心等机构展开合作，说明排水方面的研究主要集中在少部分机构，而且合作度较低。

3 结论与展望

3.1 主要结论

1）2000—2019 年，黄河流域农田灌溉方面的论文数量远超农田排水方面的，前者是后者的31 倍之多，形成“重灌轻排”的局面。黄河流域干旱少雨，大中型灌区均以引黄灌溉为主。2016 年后，灌溉方面的论文数量呈降低趋势，2012 年后排水论文数量也处于较低水平，可能与近年来科研项目数量的减少有关。国家级项目是黄河流域农田灌溉和排水研究的主要资金来源，需要国家主管部门持续稳定支持黄河流域农田灌溉和排水的科学研究，同时地方政府也要重视灌区的发展，解决农田灌溉和排水实际的关键问题。

图7 排水研究机构共现网络 Fig.7 Co-occurrence network of drainage research institutions

2）黄河流域农田灌溉研究以节水灌溉、灌区管理为主，其中引黄灌区是最主要的研究对象，滴灌（膜下滴灌）、喷灌等是应用最广泛的灌溉技术；非常规水（微咸水、再生水等）在农田中的应用研究逐渐兴起，并且井渠结合灌溉也成为解决部分地区地下水位抬升、土壤盐渍化的重要方案。

3）黄河流域农田排水研究以暗管排水和控制排水为主，是盐碱地改良的研究重点，氮素流失导致的面源污染问题备受关注；一些新方法新方案也逐渐涌现，如太阳能暗管排水[18]、排水再利用[19]等。此外，黄河下游滩区洪水风险图的编制为洪水调度决策和滩区避洪转移、农田排涝除渍等提供了重要技术参考[20]；采用ArcGIS 软件对暗管排水工程进行规划设计，可以提高效率[21]。

4）高校和科研院所是黄河流域从事农田灌溉和排水研究的主力军。农田灌溉方面研究的主要机构是西北农林科技大学、内蒙古农业大学、中国农业大学、宁夏大学等，农田排水方面研究的主要机构是西安理工大学、武汉大学、河海大学等，不断有新的机构开展灌溉和排水方面的研究。高产作者、高被引论文等主要来自上述主要科研机构，并且机构之间、作者之间的合作在不断增强，但排水研究的合作度弱于灌溉研究。许多合作机构局限在小区域内，如宁夏地区、陕西地区等。

3.2 展 望

1）黄河流域农业灌溉生态环境问题是近年出现的新问题和新挑战。如河套灌区排水系统中的微塑料污染问题[22]，黄河流域上游灌溉施肥引起的土壤CO2和N2O 排放[23]，黄河中下游多数主要支流的水质均较差[24]，可见，灌区生态环境问题比较突出，应加强关注黄河流域农业生态环境问题。同时需要加强干支流水环境与水生态系统保护、推进水资源节约集约利用；注重灌区生态需水，避免植被消失、土地荒漠化，如在非灌溉期，荒地地下水和海子耗水较多，应给海子补水[25]等。

2）加强节水灌溉理论与技术研究以及与之相适应的灌排设施建设。研发经济适用的节水灌溉装备，进而不断提高灌溉水利用效率。黄河流域农业灌溉用水占91%左右，且用水方式比较粗放，浪费较为严重[26]。需积极探索节水灌溉的新方法、新途径，才能将节水技术迅速推广，促进黄河灌区节水灌溉的新发展。同时也应把暗管排水工程置于灌溉排水配套规划的大格局中统筹规划[27]。

3）加强渠道疏浚、减少输水损失。黄河水含沙量高，容易引起河道淤积，降低河道过流能力，严重影响输水效率，引黄灌溉时需加强渠道疏浚，上游地区加强水库排沙[28]，同时加强水土保持工程的建设和管理。实行中上游防风固沙、保水固堤、调水调沙，下游及引黄灌区疏浚河道、减少渗漏、合理调配，从供给方到需求端进行全流程科学管理，保障灌区用水。

4）气候变化对黄河流域水资源调控的影响不容忽视。水资源决策调控是水资源管理的核心和落脚点[29]，尤其是当下黄河流域可供利用的水资源量正逐渐减少，水资源的调配关系着真个流域农业的健康发展。研究发现1958—2015 年黄河流域夏季降水量总体呈减少趋势，尤其在河套北部有显著减少趋势[30]。1960—2017 年黄河流域春、夏和秋季极端高温天气日数在大多数地区呈增加趋势，而冬季极端高温天气日数在整个研究区均呈增加趋势，最显著的区域集中在黄河中游大部分地区[31]。比如干旱程度每提高一个等级，上游青铜峡灌区、河套灌区灌溉需水量平均增加约1.04 亿m3，中游汾河灌区、渭河灌区需水量增加约2.19 亿m3，下游引黄灌区需水量增加约6.22 亿m3[7]。因此，有必要开展气候变化条件下黄河流域水资源的优化配置与调控研究，为水资源的区域均衡发展提供保障。

5）切实推行水价改革，完善水权交易。2018 年，黄河流域九省区水资源总量为5 900.4 亿m3，占全国水资源总量的21.49%[32]，但水资源承载力均未达到可承载水平，空间差异性明显[33]。水资源的不足需要持续推行农业水价综合改革，并完善与推广黄河流域水权交易机制，从而让有限的水资源转变成最大的生产力。水价和水权交易作为灌区管理的重要杠杆，必须发挥好引导作用，促进水交易市场的健康运转。