基于Web of Science数据库的黄土高原淤地坝环境效应文献计量分析

邹钰文, 黄 萱, 佘冬立

(1.河海大学农业科学与工程学院，210098，南京； 2.中国科学院 教育部 水土保持与生态环境研究中心黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌)

黄土高原作为黄河泥沙主要来源地总面积64万km2，是地球上分布最集中且面积最大的黄土区，同时也是全球最严重的水土流失区域之一。在侵蚀沟道修筑淤地坝既能够拦蓄泥沙，也能增加耕地面积[1]。据统计，截止目前黄土高原淤地坝建坝量超过11万座[2]，淤地坝有效削减输入黄河的泥沙，因此淤地坝环境效应研究也逐步成为黄土高原地区土壤侵蚀研究热点。目前，学者们从不同角度对淤地坝的环境效应进行研究阐述。通过量化河流泥沙负荷随时间的变化及其驱动因素，得出淤地坝是20世纪70—90年代泥沙量减少的主要原因的结论[3]，并分离出气候变化和淤地坝对黄土高原减沙效益的影响，为黄土高原水土保持提供科学依据具有重要意义[4]。为了实现淤地坝可持续减沙，淤地坝拦沙的时效性以及坝体淤满后坝地的拦沙过程成为研究重点[5]，许多研究从淤地坝建设管理技术和空间分布格局出发，探索提升淤地坝减沙效益的方法[6]。同时，淤地坝的修建改变了土壤性质、地上和地下生物量以及土壤侵蚀过程，使碳氮磷的生物地球化学循环过程发生重大变化，进而影响生态系统物质循环，通过分析淤地坝土壤碳氮等随土壤颗粒的重分布特征[7]，结合淤地坝截留量对土壤碳、氮的真实估算，能够准确评价陆地生态系统土壤质量和碳、氮的生物地球化学循环过程[8]。虽然目前已有对该领域热点和发展趋势的探究成果[9]，但是疏于对该领域知识结构系统梳理的关注。识别研究前沿对学科发展具有良好的促进作用，而对于研究前沿的识别方法，主要分为基于引用关系的方法、基于文本内容的方法和基于复合关系的方法[10]。为了弥补单一方法的不足，笔者采用多种方法相结合的方式分析淤地坝对黄土高原环境影响中研究的进展及热点，将基于引用关系的共被引分析法和基于文本内容的关键词分析法相结合，梳理本领域近10年来的发展脉络，总结研究热点与趋势。重点解决如何直观反映本领域发展历程和研究热点问题，从而预测发展趋势并为黄土高原地区水土保持研究工作的深入开展提供参考依据。

1 数据分析方法

笔者以Web of Science核心合集为数据源，采用检索词为TS=((erosion* or soil erosion* or soil loss* or sediment*) and (check dam* or check-dam or dam*) and (Loess Plateau*))，时间跨度为2010—2019年，检索时间为2019年10月20日，共检索到234篇相关文献，根据文章的题目、摘要、关键词等对文章进行筛选分析后，选择研究性论文和综述作为数据来源，最终获得有效数据样本212篇。

CiteSpace是一款能够通过可视化手段呈现该学科知识领域发展过程、规律和分布情况的Java应用程序[11]。笔者主要通过CiteSpace软件对从Web of Science文库中获取的相关文献进行定性及定量的分析，利用科学计量学、统计分析方法以及信息可视化的相关知识，统计作者、机构和关键词的出现频率与分布情况，从而确定出淤地坝对黄土高原环境影响中研究的发展脉络和方向，通过可视化的图谱准确直观的表达该领域的前沿热点[12]。

2 总体概况分析

2.1 研究规模演变

为了解淤地坝对黄土高原环境效应影响的研究演变规律，系统分析该领域研究规模的演变情况。由图1可见，发文量在整体上呈现明显的上升趋势，年均发文数量从1996年(3篇)到2019年(42篇)增长了14倍。其中近10年(2010—2019)该领域累积发文212篇，占总发文量的80%以上。

图1 1996—2019年年均发文量和累积发文量变化Fig.1 Annual number of literatures and cumulative number of literatures during 1996—2019

2.2 作者合作网络分析

根据检索Web of Science得到的数据，利用CiteSpace分析作者合作网络，进一步了解主要研究者群体及其之间的合作关系。根据发文量排名前50的研究者绘制结构图谱(图2)。主要形成7个合作团体，分别是：中科院水保所的穆兴民、赵广举、高鹏、孙文义和焦菊英；西安理工大学的李鹏、徐国策和高海东；中科院水保所的方怒放和史志华；中科院水保所的杨明义、张风宝；湖南大学的李忠武、聂小东和肖海兵；中科院生态中心的傅伯杰和汪亚峰；中科院地理所的邵明安和赵培。

图2 作者合作网络图谱Fig.2 Cooperation network map of authors

对发文数量前10的作者进行进一步分析，穆兴民以发文数量20篇成为该领域最有影响力的学者，其次是赵广举、高鹏、方怒放，这些学者在黄土高原淤地坝研究中具有较高的媒介作用和影响力。其中大部分作者的h-index都在15以上，表明黄土高原淤地坝领域的研究者大多具有较高的学术影响力和社会认可度。在该领域中，作者之间虽然有合作但是并不集中，尚未形成真正的核心作者群。同时，高产、高被引作者间合作较多，而非高产、高被引作者间合作较少。

2.3 机构合作网络分析

利用CiteSpace绘制黄土高原淤地坝研究的机构合作网络(图3)。可见，主要的研究机构有中国科学院(Chinese Academy of Sciences)、西北农林科技大学(Northwest A&F University)和西安理工大学(Xi′an University of Technology)等，这些机构在该领域的研究中有较大的影响力。

图3 机构合作网络图谱Fig.3 Cooperation network map of institutions

3 研究进展与热点分析

3.1 研究进展分析

对212篇检索的SCI文献中的10篇高被引论文进行分析，探究本学科的研究进展与前沿方向。10篇高被引文献中，WANG等[13]于2011年发表的《Check dam in the Loess Plateau of China: Engineering for environmental services and food security》被引频次26次，该文章通过收集资料实地调查，系统估算在过去的50年里，黄土高原大约修建11万座淤地坝，主要分布在陕西、山西、内蒙古、河南、甘肃、宁夏、青海等7省(区)。淤地坝共蓄水210亿m3，平均每年拦截3～5万t泥沙。ZHAO等[14]在2015年发表的《Sediment yield estimation in a small watershed on the northern Loess Plateau, China》被引频次26次，并列第一，该研究估算黄土高原北部皇甫川流域一个小型坝控流域土壤侵蚀强度，采用改进的WATEM/SEDEM模型进行验证并取得满意的预测结果，为黄土高原无水文资料流域的土壤侵蚀模拟提供新思路。FU等[15]于2011年发表的《Assessing the soil erosion control service of ecosystems change in the Loess Plateau of China》一文中，利用遥感影像，采用通用土壤流失方程(universal soil loss equation, USLE)定量评估2000—2008年间土地利用变化和淤地坝等水保措施对黄土高原减水减沙的效益。

对212篇检索的SCI文献在CiteSpace中进行文献共被引分析，聚类分析共被引网络，得到共被引聚类7组，具体如图4所示，能够清楚划分类别，聚类结果良好。从文献共被引图谱中可以看出，目前关于黄土高原淤地坝的土壤侵蚀研究主要围绕5个部分展开：

图4 文献共被引聚类图谱Fig.4 Cluster map of co-cited references

1)“WATEM/SEDEM”模型的应用。WATEM/SEDEM模型除了可以用来模拟土壤侵蚀，还可以利用附加的输入参数模拟侵蚀物质的运输过程。模型常被用来模拟淤地坝库容随时间的变化以及泥沙产量，比较淤地坝在预期寿命和输沙率方面的性能。

2) 同位素和指纹识别技术确定小流域的泥沙来源。在黄土高原地区主要以137CS、210Pb、TN、低频磁化率、Cu、226Ra等作为泥沙来源识别因子揭示淤地坝坝地沉积旋迴的形成过程。

3)产沙量与产沙模数的计算。淤地坝产沙量与产沙模数的计算是衡量淤地坝减沙效益的根本指标，对于淤地坝的工程设计与管理都具有重要意义。常用的产沙量预测模型主要有双累计曲线法、泥沙平衡模型、SWAT模型等。

4)淤地坝对黄河的减沙效益。淤地坝具有很强的拦泥减沙作用，黄河中游地区淤地坝的拦泥量可以达到水保措施总拦泥量的66%～84%，减沙量占总减沙量的60%～70%。

5)多时间尺度下淤地坝对黄河水沙关系的影响。通过分析年度、季度、月度以及事件尺度等多时间尺度下的水沙关系，可以定量得出水沙关系对淤地坝等生态恢复措施的响应，从而为黄土高原未来生态恢复与流域管理提供有效参考依据。

3.2 研究热点分析

关键词是文章核心内容的浓缩概括，能够反映研究方向与热点。根据CiteSpace软件中“关键词keywords”功能对数据进行分析，绘制了淤地坝对黄土高原环境影响中研究的关键词共现网络图(图5)。

图5 关键词共现网络Fig.5 Key words co-occurrence map

由图5可见，黄土高原淤地坝减沙及其环境效应的研究热点主要集中在径流(runoff，60次)、输沙量(sediment load，56次)、影响(impact，45次)、气候变化(climate change，21次)、土壤有机碳(soil organic carbon，20次)、水保措施(soil and water conservation，19次)、沉积(deposition，18次)、降雨(precipitation，13次)、植被(vegetation，12次)、模型(model，11次)、泥沙来源(sediment source，10次)、137Cs (137Cs，9次) 和指纹识别(fingerprinting，7次)。

研究热点主要包含以下4类：一是淤地坝建设的减沙效益研究。由于淤地坝拦沙的高效性，学者多将淤地坝内沉积泥沙量近似作为小流域产沙量，结合淤地坝运行年限以及沉积旋廻时间信息，定量分析植被(vegetation)、土地利用(land use)、人类活动(human activity)对小流域侵蚀产沙的影响；通过WATEM/SEDEM、SEDD等模型(model)的应用，定量分离淤地坝建设、气候变化、植被覆盖变化对黄河输沙量减少的贡献，确定淤地坝的减沙效益[16]，淤地坝的泥沙淤积信息也为极端暴雨事件的防控提供了宝贵资料。二是泥沙来源识别(sediment source)的研究。与传统研究方法相比，近年来研究方向集中于以坝地淤积泥沙为研究对象，结合土壤颗粒构成、同位素示踪(137Cs)、复合指纹分析(fingerprinting)等研究方法，大幅提高泥沙来源识别的适用性[17]，为合理布置水土保持措施提供参考。三是淤地坝建设的环境效应。关键词共现关系图中还出现了土壤有机碳(soil organic carbon)、氮(nitrogen)等关键词，表明淤地坝建设引发的生态环境效应受到广泛关注[18]。四是对淤地坝减少沟道侵蚀机理的揭示。淤地坝一方面通过抬高侵蚀基准面，抑制沟道的下切、坍塌，使淤泥面以下的沟谷和沟床在泥沙淤积(deposition)后不再侵蚀，另一方面能够降低暴雨时期径流流速，削减洪峰，拦截泥沙，降低泥沙输移(sediment transport)效率[19]。

4 讨论

淤地坝作为黄土高原上分布广泛的水土保持工程，一方面对于减沙和陆地生态系统的碳氮循环具有重要作用，另一方面坝内泥沙承载着大量环境变迁、泥沙来源、泥沙运移过程等信息，这为深入研究土壤侵蚀机理提供了重要途径。在目前研究中仍然存在一些需要继续深入挖掘的地方：

1)流域侵蚀产沙过程受到包括淤地坝在内的多个环境因子的影响，各环境因子之间高度相关或存在共线性，且对于侵蚀产沙过程的影响呈现出复杂的非线性。为了更准确反映侵蚀产沙过程对于环境因子的响应机制，实现不同时空尺度的定量表达，未来应当建立新的非线性模型更准确模拟侵蚀过程。

2)目前在利用复合指纹识别淤地坝泥沙来源的研究中较少考虑泥沙运输过程中的分选性，致使产生误差，精确性较低，且鲜有评估其准确性的方法。如何结合红外光谱，微生物等新的检测分析方法，提高复合指纹分析的精确度仍有待进一步深入研究。同时复合指纹识别模型的运用较为单一，主要以多元混合模型为主，而对贝叶斯算法、Collins修正模型等其他模型的运用较少，应当发展多种模型交叉应用，使其能够相互验证，从而加强结论的可靠性。

3)淤地坝建设改变土壤有机碳的含量与组分，进而对全球生源要素循环都产生影响。但是仍不清楚土壤侵蚀是如何影响有机碳“源”“汇”的时空分布。对于淤地坝引起的固碳效应以及对全球碳氮循环的影响机制仍有待进一步深入研究。

4)由于大多数中小型淤地坝建于20世纪60、70年代，目前许多淤地坝都存在库容淤满的情况，如何利用信息化手段，计量和监测淤地坝淤积情况也有待进一步发展。

5 结论

通过CiteSpace软件对Web of Science数据库中的文献进行可视化分析，总结了黄土高原淤地坝环境效应研究的进展和热点如下：

1)自从20世纪90年代国家高度重视黄土高原地区的生态治理以来，对于淤地坝的土壤减沙研究便逐步发展深入，目前主要采用模型模拟的研究手段和方法，对其减沙机理进行梳理探索，重点关注对淤地坝减沙效益的定量评价、不同泥沙源地的产沙贡献比以及淤地坝建设带来的生态环境变化。

2)我国在黄土高原淤地坝环境效应研究领域的主要研究机构有中科院水保所、西北农林科技大学、西安理工大学等，主要的核心作者包括穆兴民、赵广举、高鹏、方怒放等。

3)通过对关键词图谱以及共被引文献的分析，未来淤地坝在黄土高原侵蚀研究中应当关注现有模型的改良与试验技术精确性的提高。淤地坝建设显著改变了流域的洪水过程，但现有模型在模拟淤地坝对侵蚀过程的影响仍有一定的局限，不适合时间尺度的外推，因此需要考虑建立用于黄土高原的非线性动态模型进行水土流失和水保措施的评价。同时，针对核素半衰期短，指纹识别技术在地质条件差异较小条件下准确性低的问题，如何结合微生物、红外光谱等技术识别淤地坝泥沙来源过程也应为未来研究关注热点。