近二十年谷坊研究进展

刘景琦, 魏建兵, 张兴义, 王玉玺

(1. 沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110044；2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所, 黑龙江 哈尔滨 150081；3. 黑龙江省水利科学研究院, 黑龙江 哈尔滨 150080)

第一次全国水利普查成果显示，中国水土流失面积294.91万km2，约占整个国土面积的三分之一。中国因水土流失造成的耕地损失年均6.67万hm2，黄土高原沟壑区每年流失地表土1 cm 以上，东北黑土地变薄，部分地区的黑土层流失殆尽[1]。严重的水土流失，威胁着国家生态安全、防洪安全和粮食安全。

谷坊作为一种人工-自然耦合的水土保持工程措施，通过改变流速与水文路径等，从而影响水文、迁移质迁移过程，以实现急流控制、自然灾害防控、土壤保持等生态系统服务[2]，一般高约3～5 m，英文表述为check dam。谷坊类别，如土谷坊、石谷坊、柳谷坊等，本文归为谷坊相关研究中的谷坊的形态研究，不做详细介绍和区分。谷坊在中国、日本、法国、意大利、伊朗和西班牙等国家被广泛应用于水土保持工作。在中国的黄土高原地区，为了控制水土流失，谷坊已经实施了数百年，到2005年，黄土高原已有122 028座谷坊[3]。据调查，谷坊也是东北黑土区侵蚀沟治理中最常见、最有效的工程措施之一[4]。

谷坊作为水土保持的重要措施，开展以谷坊为主体的相关研究是十分必要的，例如谷坊的设计标准、定量评估谷坊有效性、探究谷坊对水文过程的影响等，但是迄今为止，尚未发现有关谷坊研究的文献计量分析，缺乏对谷坊及其相关研究发展历程及前沿热点的相关分析。因此，文章采用CiteSpace文献计量软件对全球谷坊相关研究进行整体性分析，评价我国在谷坊及其相关领域研究与国外研究的差距，探讨谷坊在研究方向、尺度、内容等方面的发展趋势，指出未来需要关注的研究重点和方向，为进一步推进谷坊深入研究与管理决策的制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究以Web of Science作为主要数据库，选取标题，文献类型，语种三个字段，以检索式：TS = ((“check dam*”) and ((“article”) and (“review”)) and (“English”))进行检索，共检索到文献211篇，分析检索日期为2020年8月23日(*为检索该词的所有变体)。

1.2 分析方法

在Web of Science的分析检索界面，获取历年文献量数据，来源出版物和机构扩展数据，以2 a为一个时间段呈现历年发文量的变化，并且对1999—2020年谷坊研究的来源出版物和来源机构进行分析。在Web of Science 的引文报告界面，获取1999—2020年中外文献的H指数数据，用以分析比对中外学者的论文影响力。H指数是一种评价学术成就的新方法，能够比较准确地反映一个人的学术成就，一个人的H指数越高，则表明他的论文影响力越大。

将检索到的文献合集，选择“全记录与参考文献”，以纯文本格式导出，并且在CiteSpace中进行可视化分析，时间切割设为1 a。引文网络分析工具CiteSpace是美国德雷克赛尔大学的华裔研究者陈超美博士2004年开发并不断更新的基于java的计量和分析科学文献数据的信息可视化软件[5]。本文使用版本是CiteSpace6.1R8SE(64bit)。

通过CiteSpace进行关键词共现分析。选取时间间隔上有代表性的1999—2012年、2013—2016年、2017—2020年这三个时段，将时间切割间隔设为1 a，术语来源选标题、摘要、著者关键词、关键词扩展，节点类型选择关键词，不修枝。输出关键词共现网络图，分析谷坊研究的特征和趋势。

运用CiteSpace进行文献共被引分析，术语来源选标题、摘要、著者关键词、关键词扩展，节点类型选择参考文献，阈值选择Top 50，结合pathfinder算法修枝，可视化得到255个节点，756条连线的文献共被引网络图。在文献共被引网络图的基础上通过标题进行聚类分析，导出聚类视图的引文报告，提取引用次数、中心性、sigma指数前10位的共被引文献做重点分析。通过筛选得到18篇高被引文献，阅读这18篇文献的主体内容，总结谷坊研究主要参考文献的借鉴意义，讨论谷坊研究的知识基础。

通过突增算法得到的结果，可以识别出主题在时间上的变化趋势，运用CiteSpace进行关键词突现分析，在关键词共现网络图的基础上，输出关键词突现图，分析谷坊的发展趋势。

2 结果与分析

2.1 整体分析

国外和国内的谷坊相关研究文献最早发表于1954年[6]和1952年[7]。全球范围内的谷坊研究在2005年开始缓慢发展，2012后发展迅速(图1)。近年来，中国学者发文数量有所增加，包括在顶级期刊上发表的谷坊相关文章，共计56篇。1999—2020年间中国学者的发文数量约占总数的四分之一。从整体来看，中国学者发表的文献H指数是14，国外学者发表的文献H指数是25(图2)，中外学者在H指数方面存在一定差距。1999—2008年中国学者发表的文献H指数为0。2017—2020年H指数仅相差2，表明中外学者的差距正在逐渐缩小。1999—2020年共有209篇与谷坊直接相关的文献，排名前10位的来源机构(表1)发文数量约占总的60%。全球前10名的机构中包括5所中国机构，分别是中国科学院、中国科学院水土保持研究所、水利部、中国科学院山地灾害与环境研究所、西北大学。

图1 谷坊研究发文量变化图

图2 中外谷坊研究H指数比较图

表1 1999—2020年谷坊研究文献发表的前10位来源学术机构

2.2 关键词共现网络分析

谷坊相关研究近四年关键词发展迅速，其出现频次和相关性明显提高。在近二十年的过程中，研究持续关注了土壤侵蚀、沉积物、产沙量、流域治理、泥石流防治等围绕谷坊展开的问题。

初期阶段的1999—2012年，谷坊关键词较少，多数关键词出现频次很低，见图3(a)，除谷坊外，“西班牙东南部”、“土壤侵蚀”、“沉积物”是频次相对较高的关键词，表明最早时期的谷坊相关研究较少，集中在西班牙东南部，关注水土流失机理和谷坊作用的过程分析，主要研究方法为传统的实地勘测与采样。

2013—2016年期间，谷坊的词频增加了2倍，词频超过10的关键词数量小幅度增加，见图3(b)，关键词不再以谷坊为中心辐射展开，出现了土壤侵蚀，流域等关键词，表明谷坊研究的广度与深度略有提高。此阶段的谷坊相关研究日益向以下主题转移：沉积物，产沙量，有效性，土地利用，径流控制，沟道控制等，有关评估的方法和建模的文章大量出现。

图3 三个代表性时段谷坊高频关键词共现网络图

2017—2020年期间，谷坊相关研究的发展呈指数型增长，高频词数量大幅增多，表明该领域得到了快速的发展，见图3(c)。 “泥石流”“保护”“迁移”“黄土高原”等关键词的出现，反映出本阶段的研究开始注重泥石流防治及生态保护，研究区域也集中在黄土高原地区。

2.3 关键词突现分析

CiteSpace提供Burst detection的功能可以探测某一时段主题词、关键词频次有较大变化的情况，用以发现某一个主题词、关键词衰落或者兴起的情况。表2是谷坊研究关键词突现信息表，展现了谷坊相关研究的发展方向和演化路径，其中年份表示用以检测的样本文献最早的年份是1999年，由于1999年至2005年的这段时间内国内外学者的发文量较少，因此谷坊研究关键词突现最早开始于2006年。关键词突现的进程分析表明，在2006—2013这个阶段，谷坊相关研究主要集中在谷坊的应用方面，例如谷坊的形态研究，谷坊工程的开发建设等；从2012年开始到2016年，沉积物和产沙量估算，植被覆盖，谷坊对于沟道、河道控制的有效性分析及地貌影响，对于泥石流强度的影响等研究逐步增多；2016—2018年期间，谷坊的相关研究逐步稳定集中在沉积物，产沙量，有效性，土地利用，径流控制，沟道控制等方面，有关评估的方法和建模的文章大量出现；2018年至今，谷坊的相关研究在保持之前的研究方向之外，有了新的分支方向，即生境、森林火灾、地下水等主题。值得一提的是，土壤侵蚀、产沙量、中国三个关键词分别在2012年、2016年、2017年期间突现，而这也印证了上述2.2的分析。

表2 谷坊研究关键词共现网络突现词信息表

2.4 文献共被引网络分析

谷坊研究文献共被引聚类图(图4)显示了主要的类及标签，其中聚类序号不连续是由于聚类集团较小，CiteSpce自动进行了筛选。255个文献节点共有37个类，聚类视图直观地表现出了谷坊研究的发展方向。图4椭圆外部4区域、12区域的文献发表时间较早，研究较为关注流域河道形态的治理，实例以西班牙中部居多，表明这个阶段的研究较为单一，主要关注在谷坊的实际应用；椭圆内部下方区域的文献代表了发展中期谷坊研究特征，大都是流域管理项目及几何模型，表明这个阶段的研究逐渐进入到谷坊对环境响应的研究，注重流域治理；近期的研究主要集中在椭圆内部中上方的区域，该期间谷坊研究的重点更多的是以沉积物为主体的相关研究，从泥石流防治方面展开的谷坊研究也逐步增多，研究区域集中在黄土高原地区。

图4 谷坊研究文献共被引网络自动聚类图

2.5 高被引文献主要内容分析

高被引文献具有基础性强、创新性好、参考价值大等特点，本文对筛选出的18篇高被引文献进行了梳理。在内容上，关于模型的文献共有6篇，其中WATEM-SEDEM模型居多；关于方法的文献共有17篇；关于综述的文献1篇。18篇高被引文献涉及的研究以沉积物为主体展开，例如沉积物评估、产沙量评估、谷坊有效性评估、肥力损失和碳保留效应的研究等，也有传统的土壤侵蚀和水力侵蚀问题及模型方法类的研究，其中模型方法类的研究是国内外学者关注的焦点，引用频次较高，体现了模型方法对谷坊研究的重要意义。此外，近二十年谷坊研究中，中国学者研究水平逐步提高，有关中国的研究文献数量和被引次数显著增加。其中，多篇高被引文献是关于中国谷坊研究的模型使用问题以及研究过程中的方式方法。表3总结了高被引参考文献的主要内容及特征。

表3 1999—2020年期间谷坊相关高被引文献特征分析

3 结 论

(1)1999—2012年是谷坊研究的初期阶段。在水土流失严峻的形势促进下，近年来中国谷坊研究发展加快，成为全球重要的研究区域。随着我国学者不断地完善和改进模型的本地化操作，精细化模型模拟方面的研究，有关中国的研究文献数量和被引次数显著增加，在全球范围内，中国机构的排名稳步上升，中外学者的差距也在逐步缩小。

(2)谷坊相关研究围绕水土保持的目标展开，核心研究内容有土壤侵蚀、沉积物、产沙量、水力侵蚀、模型方法、流域治理、泥石流防治等。在模型仿真方面，WATEM-SEDEM模型，基于GIS空间分析的SWAT模型，SPH水-机械耦合模型得到了广泛的应用，实现了不同尺度下产沙量的估算。

(3)通过关键词共现分析、文献共被引分析和高被引文献的梳理总结，表明谷坊相关研究一直围绕着谷坊作用及作用过程展开，未来将继续以土壤侵蚀、沉积物、产沙量、水力侵蚀、模型方法、流域治理、泥石流防治等作为主要研究内容，有关生境、森林火灾、地下水等主题将会是未来谷坊相关研究的新方向。

(4)围绕着水土保持、小流域治理以及泥石流防治，通过水利工程、水土保持工程、环境生态工程等多学科交叉，中国水土流失问题得到了有效控制，截至2015年，全国水土保持措施保存面积已达到107万km2，累计综合治理小流域7万多条，实施封育保护80多万km2。但水土流失问题仍是继续改善环境质量的重点，其中谷坊的基础研究、应用研究方兴未艾。