基于文獻計量的植物WUE研究現狀分析

馬 勤，楊繼濤，琚彤軍，李秧秧*，康博文，同金霞

(1.西北農林科技大學 林學院，陜西 楊陵 712100；2.西北農林科技大學 經濟管理學院，陜西 楊陵 712100；3.西北農林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊陵 712100)

水分是限制世界上大多數地區(qū)植物生產力提高的主要因素，隨著世界范圍水資源日趨短缺和氣候變化導致的干旱程度加劇，提高植物水分利用效率(WUE)已成為農林生產上迫切面對的問題。據統(tǒng)計，世界耕地總面積為1.40×109hm2，80%以上耕地的農業(yè)生產依靠天然降水[1]。全球氣候變化導致CO2質量濃度、溫度、蒸汽壓虧缺升高，干旱及熱波發(fā)生的頻率和強度均會增加，越來越多的植物將面臨水分虧缺的威脅，在此背景下如何提高植物WUE是農林業(yè)面臨的迫切需求，亦是目前農學、林學、生理學、生態(tài)學和農業(yè)水土工程等多門學科研究的熱點。植物WUE是指植物利用單位水所能固定的碳量[2]，研究植物WUE不僅有助于了解植物對干旱的適應對策、篩選高WUE和高產的作物和品種及尋找適于干旱半干旱地區(qū)的農田管理措施，而且對深刻揭示全球氣候變化背景下生態(tài)系統(tǒng)水碳耦合關系亦有重要價值[3]。植物WUE具有明顯的空間(葉—整株植物—種群—生態(tài)系統(tǒng)—景觀)與時間(瞬時—某段時間—年或生活史—多年)屬性，驅動不同空間和時間尺度WUE的因素并不相同[4-5]，因而使得植物WUE研究變得尤為復雜。據Web of Science核心合集，1985-2021年以water use efficiency為主題共有16.5萬條文獻。盡管對植物WUE進行了大量研究，但關于植物WUE相關內容的計量整合分析尚未見到。

文獻計量分析利用數學和統(tǒng)計學的方法對所篩選出的文獻進行多方位、全角度的綜合分析，明晰該研究領域的研究重點和發(fā)展趨勢，因而具有強大的揭示、評價和趨勢預測功能[6]。文獻計量分析通過對某一研究領域進行定量分析，實現對研究領域內的熱點文獻、熱點主題和知識演進等的可視化,有助于研究人員更好地把握相關研究領域的動態(tài)變化和發(fā)展趨勢[7-8]。VOSviewer是荷蘭萊頓大學科技研究中心的van Eck 和Waltman開發(fā)的一款用于構建和可視化文獻計量網絡的工具，因其簡單易用且可視化功能強大而得以普遍應用[9]。為此，本研究基于Web of Science(WoS)核心數據庫，采用該可視化軟件，對國內外2000-2021年植物WUE研究的發(fā)文數量及刊物、主要國家、研究機構和學者、關鍵詞聚類、文獻共被引及高被引論文等進行了計量分析，重點關注植物WUE研究的熱點和有影響力的論文，旨在全面梳理當今植物WUE研究現狀，為未來植物WUE研究和調控提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究文獻來源于WoS核心合集中的科學引文索引數據庫(SCIE)，為了提高檢準率，檢索標題中包含檢索詞Water use efficiency的文獻，檢索時間為2022年3月15日，選擇時間跨度為2000年1月1日-2021年12月31日，同時，從100多個學科類別中選擇與植物水分利用效率最相關的農學、水資源、植物科學、環(huán)境科學、農業(yè)多學科、林學、生態(tài)學、土壤科學和園藝學9個學科以Article與Review形式發(fā)表的論文，共篩選文獻2 829篇。

1.2 研究方法

利用WoS自帶分析檢索結果功能，對2000-2021年發(fā)表的2 829篇文獻進行發(fā)文國家/地區(qū)、期刊的計量分析，并根據被引頻次確定高引用論文。采用VOSviewer[9]的Co-authorship功能分析發(fā)文國家、機構與作者之間合作緊密程度，閾值分別設定為8，18，7；通過共現分析(co-occurence)選定所有關鍵詞(all keywords)選項統(tǒng)計出現頻率較多的關鍵詞，反映該領域的研究熱點，閾值設置為30；通過共引用(co-citation)分析確定研究時段影響較大的文獻。

2 結果與分析

2.1 文獻產出趨勢分析

基于WoS核心合集的SCIE數據庫共檢索到符合條件的論文2 829篇。2006年之前，每年的發(fā)文數量在50篇左右，其后年發(fā)文數量呈拋物線式增長，到2021年，年發(fā)文數量已達364篇，比2000年增加了7.9倍；累積發(fā)文量亦呈拋物線式增長(圖1)，表明有關植物WUE相關研究在近20 a來呈快速增長的態(tài)勢。發(fā)文主要集中在農學、水資源、植物科學和環(huán)境科學等領域，其中農學類發(fā)文數量(1 088篇)最多，所占比例為38.5%；水資源、植物科學、環(huán)境科學發(fā)文數量分別為627、611、563篇，所占比例分別為22.2%、21.6%、19.9%，相互之間差異不大。由于植物水分利用效率研究目前在農作物(小麥、玉米、水稻、棉花、馬鈴薯、葡萄等)上研究得較多，因而農學類刊物發(fā)文數量最多。

圖1 植物WUE研究文獻2000-2021年發(fā)文量

發(fā)文數量位列前10的學術期刊詳見表1，發(fā)文量較多的學術期刊包括《Agricultural Water Management》(344篇)、《Field Crops Research》(99篇)、《Agricultural and Forest Meteorology》(58篇)、《Scientia Horticulturae》(53篇)和《Water》(51篇)等，其中，影響因子>5.0的期刊有《Science of the Total Environment》《Frontiers in Plant Science》《Agricultural and Forest Meteorology》和《Field Crops Research》?？傄么螖底罡叩氖恰禔gricultural Water Management》(11 791次)，其次分別為《Field Crops Research》(4 960次)和《Agricultural and Forest Meteorology》(2 076次)，平均單篇引用次數最高的是《Field Crops Research》和《Agronomy Journal》，均為50次，而《Agricultural and Forest Meteorology》(36次)和《Agricultural Water Management》(34次)次之。

表1 植物WUE研究文獻2000-2021年發(fā)文量前10期刊

2.2 發(fā)文的國家/地區(qū)與機構間合作關系

在VOSviewer合作網絡中分析圖中(圖2)，圓圈大小表征相應國家或機構的發(fā)文情況，圓圈越大表明發(fā)文數量越多；各圓圈之間連線表征個體之間的聯系，連線愈密集合作關系愈強。在所搜集的2 829篇文獻中，以中國發(fā)文量最多(983篇，所占比例為34.7%)，其次為美國(537篇，所占比例為19.0%)、澳大利亞(263篇，所占比例為9.3%)、印度(207篇，所占比例為7.3%)和西班牙(159篇，所占比例為5.9%)。這些國家農業(yè)生產都面臨嚴重的干旱問題，因而發(fā)文數量多。網絡分析顯示中國、美國與其他國家聯系最為密切，與中國聯系最多的國家/地區(qū)為美國、澳大利亞和加拿大等。研究機構中，以中國科學院發(fā)文數量最多(308篇，所占比例為10.9%)，其次為西北農林科技大學(166篇，所占比例為5.9%)，中國農業(yè)大學(113篇，所占比例為4.0%)、中國科學院大學(90篇，所占比例為3.2%)和美國農工部(68篇，所占比例為2.4%)；中國科學院、西北農林科技大學和中國科學院大學和其他機構的聯系最為密切(圖3)。

圖2 植物WUE研究文獻產出國家/地區(qū)之間合作網絡分析

圖3 植物WUE研究文獻產出機構之間合作網絡分析

2.3 發(fā)文作者間合作分析

作者發(fā)文量排名前10的詳見表2。其中Liu Fulai(丹麥哥本哈根大學)發(fā)表文章最多，共27篇，該學者主要從事灌溉技術及施肥措施等影響植物水分利用效率的生理機制研究。排名第2的作者為中國農業(yè)大學康紹忠院士，發(fā)表相關論文24篇，其研究領域主要為節(jié)水灌溉技術對作物需水量、水分利用效率的影響。排名第3和第4的H.Medrano和J.Flexas(均為西班牙巴利阿里群島大學)發(fā)文數量分別為21篇和20篇，這2位學者的研究主要集中在地中海園藝植物，特別是葡萄水分利用效率相關生理和調控研究；其引文總聯系強度高達45和40，說明這2位專家與同領域專家的交流合作更多且發(fā)表的文章更有影響力(圖4)。發(fā)文數量排名前10的作者中，中國學者占7個，說明我國在植物水分利用效率研究領域處于世界先進水平。植物WUE研究領域除部分研究者(H.Medrano,J.Flexas,Kang Shaozhong等)的合作關系網較密集外，大部分研究者的合作相對較少。

表2 植物WUE研究發(fā)文量排名前10的作者

圖4 植物WUE研究論文作者之間合作網絡分析

2.4 關鍵詞共現分析

基于VOSviewer可視化軟件對文獻的關鍵詞進行共現分析，結果如圖5所示。其中節(jié)點大小代表關鍵詞出現的次數，不同顏色代表不同的聚類。篩選后的關鍵詞可分為3類：第1類主要包括yield，productivity，nitrogen，irrigation，management，wheat，maize等(cluster 1，紅色)，這類研究主要關注水肥、灌溉等管理措施對作物產量和WUE的影響，且多為田間試驗。第2類主要包括growth，carbon isotope discrimination，drought，stress，gas-exchange，photosynthesis，stomatal conductance等(cluster 2，綠色)，主要研究干旱等脅迫影響植物水分利用效率的生理機制，特別是利用碳同位素技術研究水分利用效率是這方面的一個重要研究內容。第3類研究主要包括water use efficiency，evapotranspiration，carbon dioxide，climate change等，這類研究更關注全球氣候變化對森林生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)和水分利用效率的影響(cluster 1，藍色)，研究的尺度更大。在搜集的2 829篇文獻中，共有35篇熱點論文，其中偏重WUE生理機理和分子生物學研究為16篇，偏重全球氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE關系的比例為14篇，而灌溉等管理措施對WUE影響與調控的僅為5篇，說明前2個領域是目前植物WUE研究的相對熱點領域。

圖5 植物WUE研究文獻關鍵詞共現網絡分析

2.5 文獻共被引分析

文獻共被引(co-citation)是可以反映文獻之間的緊密關系。由圖6可以看出，植物WUE領域有2篇重要論文，一篇為Farquhar等[10]發(fā)表在《Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology》上的綜述性論文“Carbon isotope discrimination and photosynthesis”，該論文系統(tǒng)論述了不同功能型植物(C3，C4，C3-C4中間型、CAM植物、水生植物和海藻)光合作用中的碳同位素辨別力、環(huán)境因素(光、水、鹽和空氣污染等)對碳同位素辨別力的影響，及C3植物中碳同位素辨別力和光合作用的關系，從而為碳同位素辨別力作為一種認識光合作用的工具和在植物水分生理生態(tài)研究中的普遍應用奠定了基礎；目前該篇論文已被共引311次。另一篇為Allen等[11]發(fā)表在《FAO irrigation and Drainage》上的論文“Crop evapotranspiration:guidelines for computing crop water requirements”，該篇方法性論文系統(tǒng)介紹了作物蒸散發(fā)的計算方法，為作物需水量估算奠定了基礎；該篇論文目前已被共引用306次。此外，Farquhar等[12]的論文“On the relationship between carbon isotope discrimination and the intercellular carbon dioxide concentration in leaves”，Farquhar等[13]的論文“Isotopic composition of plant carbon correlates with water-use efficiency of wheat genotypes”，Keenan等[14]的論文“Increase in forest water-use efficiency as atmospheric carbon dioxide concentrations rise”亦有相對重要的學術影響力。

圖6 植物WUE研究文獻被共引分析

2.6 高被引文獻分析

利用SCIE數據庫的被引頻次，排列出了被引次數最高的前5名論文(表3)，其中Condon等[15]的論文系統(tǒng)總結提高作物水分利用效率的3個途徑：盡可能使更多的水分經過植物而不是被蒸發(fā)、滲漏或遺留在收獲后的土壤；蒸騰的水分盡可能生產更多的碳(如提高蒸騰效率)；盡可能使更多生物量分配到收獲產品中，并提出基于碳同位素篩選的高葉水平水分利用效率并不一定代表高的作物群體水分利用效率或產量。Blum[16]的論文首次區(qū)分了耐旱性、水分利用效率和產量勢3個名詞之間的差異。Deng[17]則給出了中國干旱半干旱地區(qū)主要作物的水分利用效率，并提出了改善作物WUE途徑。Blum[18]的論文認為有限水分條件下以篩選高WUE為目標的育種會導致作物產量或抗旱性的降低，以最大攝取蒸騰用土壤水分才是干旱脅迫下產量改進的重要目標。上述4篇綜述性論文都是圍繞農作物WUE方面研究。Leakey等[19]研究首次發(fā)現北半球溫帶和北方森林的WUE近20 a來大量增加，這種增加與CO2肥的效應有關，表明陸地植被碳水經濟的轉變，該研究為后來大尺度生態(tài)系統(tǒng)WUE研究奠定了基礎。

表3 植物WUE研究被引頻次排名前5的文獻

3 結論與展望

VOSviewer文獻計量分析能夠很好地展示研究領域內的知識圖譜，能夠對所篩選出的文獻進行多方位、全角度的綜合分析，能夠構建植物WUE研究領域內熱點文獻計量學指標可視化分析以及學科圖譜，有助于學者們更好地把握該研究領域的動態(tài)變化和發(fā)展趨勢。利用VOSviewer軟件對近來植物WUE研究領域的文獻進行計量分析，得到如下主要結論：1)2000-2021年與植物WUE相關研究發(fā)表數量呈拋物線式增長，發(fā)文最多的學科為農學類，發(fā)文量前10期刊里農學類刊物比例為70%。2)我國在植物WUE研究方面的發(fā)文數量位列世界第1，發(fā)文量位列世界前5的研究機構中中國占4個，發(fā)文數量位居前10的作者中國有7個，表明我國在植物WUE研究領域的水平處于世界先進水平，但發(fā)表的有影響力的重要論文和高被引論文、熱點論文相對較少，表明我國學者的論文水平和影響力仍有待進一步提高。3)近22 a來植物WUE研究主要集中在植物WUE差異的生理與分子機制、灌溉和施肥等管理措施對作物產量和WUE的影響與調控及全球氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)WUE影響與預測。

未來植物WUE研究在以下方面有待加強：1)隨著分子生物學的發(fā)展和全球氣候變化加劇，未來植物WUE研究從微觀上，將集成表型、模型模擬、生理學、遺傳學和分子生物學手段，系統(tǒng)研究不同調控基因對植物WUE影響[19]；從宏觀上，將更注重大尺度和長時段生態(tài)系統(tǒng)WUE與全球氣候變化關系的研究，從而為陸地生態(tài)系統(tǒng)物質和能量模擬提供支撐。2)由于植物WUE研究涉及不同空間尺度(葉片—個體—種群—生態(tài)系統(tǒng)—景觀)與時間尺度(瞬時—某段時間—年或生活史—多年)，不同尺度WUE的區(qū)別與聯系如何？如何將個體水平上的WUE通過尺度擴展上推至區(qū)域乃至全球是當前面臨的重大挑戰(zhàn)。3)WUE和產量、作物生長之間的聯系怎樣？對于農田作物，高WUE不一定等于高產；對森林植被，20世紀WUE的增加并未引起樹木生長的增加[20]，熱帶森林150 a來CO2肥引起WUE增加但也未增加樹木生長[21]，因而需要對不同作物不同森林、草地和農地類型開展大規(guī)模研究，從而系統(tǒng)評價WUE和產量、生長等生理過程之間的聯系。

(卷終)