近二十年谷坊研究進展

劉景琦, 魏建兵, 張興義, 王玉璽

(1. 沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110044；2. 中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 黑龍江 哈爾濱 150081；3. 黑龍江省水利科學研究院, 黑龍江 哈爾濱 150080)

第一次全國水利普查成果顯示，中國水土流失面積294.91萬km2，約占整個國土面積的三分之一。中國因水土流失造成的耕地損失年均6.67萬hm2，黃土高原溝壑區(qū)每年流失地表土1 cm 以上，東北黑土地變薄，部分地區(qū)的黑土層流失殆盡[1]。嚴重的水土流失，威脅著國家生態(tài)安全、防洪安全和糧食安全。

谷坊作為一種人工-自然耦合的水土保持工程措施，通過改變流速與水文路徑等，從而影響水文、遷移質(zhì)遷移過程，以實現(xiàn)急流控制、自然災害防控、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務[2]，一般高約3～5 m，英文表述為check dam。谷坊類別，如土谷坊、石谷坊、柳谷坊等，本文歸為谷坊相關研究中的谷坊的形態(tài)研究，不做詳細介紹和區(qū)分。谷坊在中國、日本、法國、意大利、伊朗和西班牙等國家被廣泛應用于水土保持工作。在中國的黃土高原地區(qū)，為了控制水土流失，谷坊已經(jīng)實施了數(shù)百年，到2005年，黃土高原已有122 028座谷坊[3]。據(jù)調(diào)查，谷坊也是東北黑土區(qū)侵蝕溝治理中最常見、最有效的工程措施之一[4]。

谷坊作為水土保持的重要措施，開展以谷坊為主體的相關研究是十分必要的，例如谷坊的設計標準、定量評估谷坊有效性、探究谷坊對水文過程的影響等，但是迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)有關谷坊研究的文獻計量分析，缺乏對谷坊及其相關研究發(fā)展歷程及前沿熱點的相關分析。因此，文章采用CiteSpace文獻計量軟件對全球谷坊相關研究進行整體性分析，評價我國在谷坊及其相關領域研究與國外研究的差距，探討谷坊在研究方向、尺度、內(nèi)容等方面的發(fā)展趨勢，指出未來需要關注的研究重點和方向，為進一步推進谷坊深入研究與管理決策的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以Web of Science作為主要數(shù)據(jù)庫，選取標題，文獻類型，語種三個字段，以檢索式：TS = ((“check dam*”) and ((“article”) and (“review”)) and (“English”))進行檢索，共檢索到文獻211篇，分析檢索日期為2020年8月23日(*為檢索該詞的所有變體)。

1.2 分析方法

在Web of Science的分析檢索界面，獲取歷年文獻量數(shù)據(jù)，來源出版物和機構(gòu)擴展數(shù)據(jù)，以2 a為一個時間段呈現(xiàn)歷年發(fā)文量的變化，并且對1999—2020年谷坊研究的來源出版物和來源機構(gòu)進行分析。在Web of Science 的引文報告界面，獲取1999—2020年中外文獻的H指數(shù)數(shù)據(jù)，用以分析比對中外學者的論文影響力。H指數(shù)是一種評價學術成就的新方法，能夠比較準確地反映一個人的學術成就，一個人的H指數(shù)越高，則表明他的論文影響力越大。

將檢索到的文獻合集，選擇“全記錄與參考文獻”，以純文本格式導出，并且在CiteSpace中進行可視化分析，時間切割設為1 a。引文網(wǎng)絡分析工具CiteSpace是美國德雷克賽爾大學的華裔研究者陳超美博士2004年開發(fā)并不斷更新的基于java的計量和分析科學文獻數(shù)據(jù)的信息可視化軟件[5]。本文使用版本是CiteSpace6.1R8SE(64bit)。

通過CiteSpace進行關鍵詞共現(xiàn)分析。選取時間間隔上有代表性的1999—2012年、2013—2016年、2017—2020年這三個時段，將時間切割間隔設為1 a，術語來源選標題、摘要、著者關鍵詞、關鍵詞擴展，節(jié)點類型選擇關鍵詞，不修枝。輸出關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖，分析谷坊研究的特征和趨勢。

運用CiteSpace進行文獻共被引分析，術語來源選標題、摘要、著者關鍵詞、關鍵詞擴展，節(jié)點類型選擇參考文獻，閾值選擇Top 50，結(jié)合pathfinder算法修枝，可視化得到255個節(jié)點，756條連線的文獻共被引網(wǎng)絡圖。在文獻共被引網(wǎng)絡圖的基礎上通過標題進行聚類分析，導出聚類視圖的引文報告，提取引用次數(shù)、中心性、sigma指數(shù)前10位的共被引文獻做重點分析。通過篩選得到18篇高被引文獻，閱讀這18篇文獻的主體內(nèi)容，總結(jié)谷坊研究主要參考文獻的借鑒意義，討論谷坊研究的知識基礎。

通過突增算法得到的結(jié)果，可以識別出主題在時間上的變化趨勢，運用CiteSpace進行關鍵詞突現(xiàn)分析，在關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖的基礎上，輸出關鍵詞突現(xiàn)圖，分析谷坊的發(fā)展趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 整體分析

國外和國內(nèi)的谷坊相關研究文獻最早發(fā)表于1954年[6]和1952年[7]。全球范圍內(nèi)的谷坊研究在2005年開始緩慢發(fā)展，2012后發(fā)展迅速(圖1)。近年來，中國學者發(fā)文數(shù)量有所增加，包括在頂級期刊上發(fā)表的谷坊相關文章，共計56篇。1999—2020年間中國學者的發(fā)文數(shù)量約占總數(shù)的四分之一。從整體來看，中國學者發(fā)表的文獻H指數(shù)是14，國外學者發(fā)表的文獻H指數(shù)是25(圖2)，中外學者在H指數(shù)方面存在一定差距。1999—2008年中國學者發(fā)表的文獻H指數(shù)為0。2017—2020年H指數(shù)僅相差2，表明中外學者的差距正在逐漸縮小。1999—2020年共有209篇與谷坊直接相關的文獻，排名前10位的來源機構(gòu)(表1)發(fā)文數(shù)量約占總的60%。全球前10名的機構(gòu)中包括5所中國機構(gòu)，分別是中國科學院、中國科學院水土保持研究所、水利部、中國科學院山地災害與環(huán)境研究所、西北大學。

圖1 谷坊研究發(fā)文量變化圖

圖2 中外谷坊研究H指數(shù)比較圖

表1 1999—2020年谷坊研究文獻發(fā)表的前10位來源學術機構(gòu)

2.2 關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡分析

谷坊相關研究近四年關鍵詞發(fā)展迅速，其出現(xiàn)頻次和相關性明顯提高。在近二十年的過程中，研究持續(xù)關注了土壤侵蝕、沉積物、產(chǎn)沙量、流域治理、泥石流防治等圍繞谷坊展開的問題。

初期階段的1999—2012年，谷坊關鍵詞較少，多數(shù)關鍵詞出現(xiàn)頻次很低，見圖3(a)，除谷坊外，“西班牙東南部”、“土壤侵蝕”、“沉積物”是頻次相對較高的關鍵詞，表明最早時期的谷坊相關研究較少，集中在西班牙東南部，關注水土流失機理和谷坊作用的過程分析，主要研究方法為傳統(tǒng)的實地勘測與采樣。

2013—2016年期間，谷坊的詞頻增加了2倍，詞頻超過10的關鍵詞數(shù)量小幅度增加，見圖3(b)，關鍵詞不再以谷坊為中心輻射展開，出現(xiàn)了土壤侵蝕，流域等關鍵詞，表明谷坊研究的廣度與深度略有提高。此階段的谷坊相關研究日益向以下主題轉(zhuǎn)移：沉積物，產(chǎn)沙量，有效性，土地利用，徑流控制，溝道控制等，有關評估的方法和建模的文章大量出現(xiàn)。

圖3 三個代表性時段谷坊高頻關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖

2017—2020年期間，谷坊相關研究的發(fā)展呈指數(shù)型增長，高頻詞數(shù)量大幅增多，表明該領域得到了快速的發(fā)展，見圖3(c)。 “泥石流”“保護”“遷移”“黃土高原”等關鍵詞的出現(xiàn)，反映出本階段的研究開始注重泥石流防治及生態(tài)保護，研究區(qū)域也集中在黃土高原地區(qū)。

2.3 關鍵詞突現(xiàn)分析

CiteSpace提供Burst detection的功能可以探測某一時段主題詞、關鍵詞頻次有較大變化的情況，用以發(fā)現(xiàn)某一個主題詞、關鍵詞衰落或者興起的情況。表2是谷坊研究關鍵詞突現(xiàn)信息表，展現(xiàn)了谷坊相關研究的發(fā)展方向和演化路徑，其中年份表示用以檢測的樣本文獻最早的年份是1999年，由于1999年至2005年的這段時間內(nèi)國內(nèi)外學者的發(fā)文量較少，因此谷坊研究關鍵詞突現(xiàn)最早開始于2006年。關鍵詞突現(xiàn)的進程分析表明，在2006—2013這個階段，谷坊相關研究主要集中在谷坊的應用方面，例如谷坊的形態(tài)研究，谷坊工程的開發(fā)建設等；從2012年開始到2016年，沉積物和產(chǎn)沙量估算，植被覆蓋，谷坊對于溝道、河道控制的有效性分析及地貌影響，對于泥石流強度的影響等研究逐步增多；2016—2018年期間，谷坊的相關研究逐步穩(wěn)定集中在沉積物，產(chǎn)沙量，有效性，土地利用，徑流控制，溝道控制等方面，有關評估的方法和建模的文章大量出現(xiàn)；2018年至今，谷坊的相關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、森林火災、地下水等主題。值得一提的是，土壤侵蝕、產(chǎn)沙量、中國三個關鍵詞分別在2012年、2016年、2017年期間突現(xiàn)，而這也印證了上述2.2的分析。

表2 谷坊研究關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡突現(xiàn)詞信息表

2.4 文獻共被引網(wǎng)絡分析

谷坊研究文獻共被引聚類圖(圖4)顯示了主要的類及標簽，其中聚類序號不連續(xù)是由于聚類集團較小，CiteSpce自動進行了篩選。255個文獻節(jié)點共有37個類，聚類視圖直觀地表現(xiàn)出了谷坊研究的發(fā)展方向。圖4橢圓外部4區(qū)域、12區(qū)域的文獻發(fā)表時間較早，研究較為關注流域河道形態(tài)的治理，實例以西班牙中部居多，表明這個階段的研究較為單一，主要關注在谷坊的實際應用；橢圓內(nèi)部下方區(qū)域的文獻代表了發(fā)展中期谷坊研究特征，大都是流域管理項目及幾何模型，表明這個階段的研究逐漸進入到谷坊對環(huán)境響應的研究，注重流域治理；近期的研究主要集中在橢圓內(nèi)部中上方的區(qū)域，該期間谷坊研究的重點更多的是以沉積物為主體的相關研究，從泥石流防治方面展開的谷坊研究也逐步增多，研究區(qū)域集中在黃土高原地區(qū)。

圖4 谷坊研究文獻共被引網(wǎng)絡自動聚類圖

2.5 高被引文獻主要內(nèi)容分析

高被引文獻具有基礎性強、創(chuàng)新性好、參考價值大等特點，本文對篩選出的18篇高被引文獻進行了梳理。在內(nèi)容上，關于模型的文獻共有6篇，其中WATEM-SEDEM模型居多；關于方法的文獻共有17篇；關于綜述的文獻1篇。18篇高被引文獻涉及的研究以沉積物為主體展開，例如沉積物評估、產(chǎn)沙量評估、谷坊有效性評估、肥力損失和碳保留效應的研究等，也有傳統(tǒng)的土壤侵蝕和水力侵蝕問題及模型方法類的研究，其中模型方法類的研究是國內(nèi)外學者關注的焦點，引用頻次較高，體現(xiàn)了模型方法對谷坊研究的重要意義。此外，近二十年谷坊研究中，中國學者研究水平逐步提高，有關中國的研究文獻數(shù)量和被引次數(shù)顯著增加。其中，多篇高被引文獻是關于中國谷坊研究的模型使用問題以及研究過程中的方式方法。表3總結(jié)了高被引參考文獻的主要內(nèi)容及特征。

表3 1999—2020年期間谷坊相關高被引文獻特征分析

3 結(jié) 論

(1)1999—2012年是谷坊研究的初期階段。在水土流失嚴峻的形勢促進下，近年來中國谷坊研究發(fā)展加快，成為全球重要的研究區(qū)域。隨著我國學者不斷地完善和改進模型的本地化操作，精細化模型模擬方面的研究，有關中國的研究文獻數(shù)量和被引次數(shù)顯著增加，在全球范圍內(nèi)，中國機構(gòu)的排名穩(wěn)步上升，中外學者的差距也在逐步縮小。

(2)谷坊相關研究圍繞水土保持的目標展開，核心研究內(nèi)容有土壤侵蝕、沉積物、產(chǎn)沙量、水力侵蝕、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空間分析的SWAT模型，SPH水-機械耦合模型得到了廣泛的應用，實現(xiàn)了不同尺度下產(chǎn)沙量的估算。

(3)通過關鍵詞共現(xiàn)分析、文獻共被引分析和高被引文獻的梳理總結(jié)，表明谷坊相關研究一直圍繞著谷坊作用及作用過程展開，未來將繼續(xù)以土壤侵蝕、沉積物、產(chǎn)沙量、水力侵蝕、模型方法、流域治理、泥石流防治等作為主要研究內(nèi)容，有關生境、森林火災、地下水等主題將會是未來谷坊相關研究的新方向。

(4)圍繞著水土保持、小流域治理以及泥石流防治，通過水利工程、水土保持工程、環(huán)境生態(tài)工程等多學科交叉，中國水土流失問題得到了有效控制，截至2015年，全國水土保持措施保存面積已達到107萬km2，累計綜合治理小流域7萬多條，實施封育保護80多萬km2。但水土流失問題仍是繼續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量的重點，其中谷坊的基礎研究、應用研究方興未艾。