基于文獻(xiàn)計量法的國內(nèi)外SWAT模型研究趨勢對比分析

李詩琦，劉俊雁，嚴(yán)賢春，廖雨辰，陳 琪，謝 雨，吳 彥

(1.西華師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637009；2.中國科學(xué)院成都生物研究所，成都 610041)

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國農(nóng)業(yè)部于20世紀(jì)80年代研發(fā)的一種分布式水文模型，主要用于評估大流域地區(qū)土地利用類型、土壤類型和土地管理措施對水分、泥沙、化學(xué)物質(zhì)的較為長期的影響[1-2]。此外，SWAT還被用于各種流域和水質(zhì)模型的研究，其優(yōu)點在于能夠在資料缺乏的地區(qū)構(gòu)建模型，模擬流域水文過程的變化；能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行修改從而進(jìn)行二次開發(fā)；能夠聯(lián)合其他模型共同開展研究，如Kim等[3]將SWAT與MODFLOW模型耦合，成功解決了地下水補給速率、含水層蒸散量、地下水位的時空分布等一系列問題，Loukika等[4]通過將SWAT模型中的HRU與MODFLOW單元進(jìn)行交換，從而估算了地下水補給速率。

目前，國內(nèi)外研究者利用SWAT模型開展了大量研究[5-8]，研究主要圍繞利用SWAT模型評估流域地區(qū)土地利用類型變化[9-10]、氣候變化[11]以及農(nóng)業(yè)管理措施對生態(tài)水文的影響[12]等方面。然而，對該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和熱點分析的研究卻很少[13-14]，且對該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對比分析的研究還未見報道。過去對某一領(lǐng)域的研究進(jìn)行梳理時，往往是通過抽象梳理和歸納總結(jié)的方法，耗時且片面，難以定量地梳理出該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[15-16]。利用文獻(xiàn)計量工具對國內(nèi)外SWAT模型應(yīng)用研究領(lǐng)域歷年來發(fā)表的文獻(xiàn)信息進(jìn)行綜合梳理和統(tǒng)計分析，有助于了解該領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)及趨勢，為未來國內(nèi)的研究提供指導(dǎo)。

CiteSpace作為一個文獻(xiàn)計量分析的可視化工具，用于分析某個領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、研究熱點及發(fā)展趨勢等[17]，因而被運用到生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域[18]?；诖?，本文以SWAT模型為主題，采用文獻(xiàn)計量分析方法，利用CiteSpace軟件對關(guān)鍵詞共現(xiàn)、突現(xiàn)強度等方面對比分析國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究態(tài)勢與熱點[19]，以期為推動未來國內(nèi)SWAT模型相關(guān)研究發(fā)展提供借鑒參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文以中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science(WOS)核心合集為數(shù)據(jù)來源，均以“SWAT”為主題詞進(jìn)行檢索。將中國知網(wǎng)的文獻(xiàn)類型設(shè)定為“期刊文獻(xiàn)”，語言設(shè)置為中文；將WOS數(shù)據(jù)庫的文獻(xiàn)類型設(shè)置為“article”，語言設(shè)置為英文，分別對2000—2020年的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索。將2個數(shù)據(jù)庫中檢索到的文獻(xiàn)分別以refworks和純文本的格式導(dǎo)出到本地數(shù)據(jù)庫。最終，CNKI檢索到1 076篇，WOS數(shù)據(jù)庫檢索到1 214篇，通過查看文獻(xiàn)摘要人工剔除非相關(guān)文獻(xiàn)，并對文獻(xiàn)進(jìn)行合并去重后，最終確定了992篇中文文獻(xiàn)和1 042篇英文文獻(xiàn)。

1.2 研究方法

在分析該領(lǐng)域年度發(fā)文量變化趨勢的基礎(chǔ)上，運用CiteSpace 5.6.R2分析工具繪制機構(gòu)、作者和學(xué)科布局共現(xiàn)等網(wǎng)絡(luò)圖譜[20]。將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CiteSpace中，時間設(shè)置為2000.01—2020.12，時間切片設(shè)置為1，選擇標(biāo)準(zhǔn)使用Thresholds。通過構(gòu)建關(guān)鍵詞圖譜分析國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究熱點與趨勢[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年發(fā)文量分析

年發(fā)文量在一定程度上能反映該研究領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r及研究熱度的變化[22]。由圖1可示，自本世紀(jì)以來，SWAT模型應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)入一個快速發(fā)展階段。然而，相比國外，國內(nèi)SWAT模型的應(yīng)用研究起步較晚，在2003年以前的發(fā)文量為零。在之后的很長一段時間內(nèi)(2008—2015年)，國內(nèi)的年度發(fā)文量已超過國外，然而，近年來國內(nèi)的年度發(fā)文量明顯低于國外。盡管2016年后的發(fā)文量有所下降，但從整體上來看，國內(nèi)外SWAT模型研究相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)文量均呈快速上升趨勢。

2.2 主要研究力量分布

2.2.1 高產(chǎn)作者關(guān)系網(wǎng)絡(luò)分析

作者是科學(xué)研究的主體，通過對文獻(xiàn)計量高產(chǎn)作者之間的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析，反映領(lǐng)域內(nèi)核心作者之間的合作關(guān)系，幫助快速理解文獻(xiàn)之間的聯(lián)系[23-24]。國內(nèi)外論文發(fā)文量最高的作者分別為徐宗學(xué)(21篇)和R SRINIVASAN(71篇)，其論文發(fā)表量占相應(yīng)國內(nèi)外總論文發(fā)表量的2.12%和6.81%(表1)。從合作網(wǎng)絡(luò)圖中可以看出，國內(nèi)形成了以杜鵬飛[25]、徐宗學(xué)[26]等為首的研究團隊，而國外是以Srinivasan[27]和Arnold[28]為首的研究團隊(圖2)。國內(nèi)與國外都形成了一定的研究團隊，但通過對比節(jié)點層數(shù)得知，國外主要研究人員的發(fā)文量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國內(nèi)。

表1 SWAT模型運用研究2000—2020年高產(chǎn)作者文獻(xiàn)發(fā)文數(shù)量

2.2.2 研究機構(gòu)分析

通過對發(fā)文作者所在機構(gòu)進(jìn)行分析，有助于了解SWAT模型應(yīng)用領(lǐng)域的核心研究機構(gòu)[29]。表2為國內(nèi)外SWAT模型應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)文量排名前5的機構(gòu)。從表中可以看出，國內(nèi)的河海大學(xué)在SWAT模型應(yīng)用領(lǐng)域方面取得了較好的成果，其發(fā)文數(shù)量約占國內(nèi)總數(shù)量的4.60%；而USDA ARS(美國農(nóng)業(yè)部)和Texas A&M Univ(美國德克薩斯大學(xué))兩所國外研究機構(gòu)，其發(fā)文數(shù)分別占國外在該領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量的11.13%和9.30%。通過對比發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外研究機構(gòu)的發(fā)文量還存在一定的差距。盡管河海大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)等國內(nèi)機構(gòu)在該領(lǐng)域也取得了一定的成果，但相比國外尚且不足。從不同機構(gòu)間合作網(wǎng)絡(luò)圖中可以看出(圖3)，國外該領(lǐng)域排名前5的主要機構(gòu)與其他機構(gòu)之間聯(lián)系較為緊密，而國內(nèi)研究機構(gòu)間的合作更為局限，機構(gòu)之間的聯(lián)系交流相對較少。

表2 SWAT模型運用研究2000—2020年發(fā)文機構(gòu)文獻(xiàn)數(shù)量

2.3 學(xué)科布局分析

SWAT模型應(yīng)用研究領(lǐng)域的學(xué)科屬性分析結(jié)果顯示(表3)：從總體上看，國內(nèi)與國外SWAT模型研究領(lǐng)域隸屬學(xué)科相似。然而，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域所屬學(xué)科占比最多的為“地球物理學(xué)”，覆蓋本領(lǐng)域發(fā)文量的52.60%；其次為“環(huán)境科學(xué)與資源利用(28.85%)”和“水利水電工程(26.20%)”。而國外SWAT模型應(yīng)用領(lǐng)域研究的所屬學(xué)科占比最多是“Water resouces(水資源)”，占比為56.95%，其次是“Enviromental sciences(環(huán)境科學(xué))”，占比為36.24%，以及“Geosciences Multidisciplinary(地球科學(xué))”，占比為23.59%。

表3 SWAT模型應(yīng)用研究2000—2020年文獻(xiàn)的學(xué)科領(lǐng)域分布

2.4 研究熱點與趨勢分析

2.4.1 高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞是對文章研究內(nèi)容的高度濃縮[30]，高頻關(guān)鍵詞則代表了一個領(lǐng)域研究的相關(guān)熱點，而關(guān)鍵詞與其他關(guān)鍵詞之間的聯(lián)系越多就有著更大的中心度[31]。關(guān)鍵詞中心度可以識別研究對象發(fā)展過程中核心主題的變化趨勢。通過對SWAT模型應(yīng)用研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞進(jìn)行詞頻統(tǒng)計，得到國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(排名前7位)(表4)。從表中可以看出，國內(nèi)外SWAT領(lǐng)域研究熱點存在差異，國內(nèi)出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞為“徑流模擬”“氣候變化”“敏感性分析”等，說明國內(nèi)主要是通過利用模型模擬未來的徑流量變化，為制定管理措施提供科學(xué)依據(jù)。國外出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞為“River basin(流域)”“Suif-2”“Sediment(沉積物)”“Management(管理)”“Nutrient(營養(yǎng)物)”和“Water quality(水質(zhì))”等?！癝uif-2”之所以出現(xiàn)頻次較高，是由于國外根據(jù)研究得出了“在所有的率定方法中“Suif-2”方法最佳”的結(jié)論，因此該方法的使用最為普遍[32]。而“沉積物”“水質(zhì)”“管理”“營養(yǎng)物”等詞有著較高的出現(xiàn)頻次，可能是由于國外更多地關(guān)注農(nóng)業(yè)管理的集約化影響以及水土保持和治理等方面[33-34]。

表4 SWAT模型運用研究2000—2020年文獻(xiàn)高頻關(guān)鍵詞

2.4.2 關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析

突現(xiàn)詞指某些年份發(fā)表文獻(xiàn)中突然出現(xiàn)的專業(yè)術(shù)語，用以表征研究前沿或發(fā)展趨勢；突現(xiàn)強度是指某領(lǐng)域在某些年份的文獻(xiàn)中突然新增詞的強度，用以表征劇烈程度[35]。由表5可知，國內(nèi)外SWAT模型應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點既有相似又有區(qū)別，其中“徑流(Runoff)”“水文模擬(Modeling)”在國內(nèi)外均受到關(guān)注。2010年前國內(nèi)研究圍繞“非點源污染”“水質(zhì)”等水體污染防治問題的成因提出解決方案[36-37]；2010—2016年圍繞提高模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究，因此“敏感性分析”作為關(guān)鍵詞突現(xiàn)；“水文模擬”“水文響應(yīng)”這2個關(guān)鍵詞一直持續(xù)至今，說明在未來一段時間內(nèi)仍可能是國內(nèi)SWAT研究的熱點。相比國內(nèi)，國外的突現(xiàn)強度從整體上都高于國內(nèi)，除對徑流的模擬、預(yù)測外，國外將關(guān)注點放在了對水土流失的治理以及水體富營養(yǎng)化的改善等方面[38-40]。

表5 SWAT模型運用研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共線網(wǎng)絡(luò)突現(xiàn)詞

3 結(jié)論與展望

本研究利用CiteSpace軟件通過對年度發(fā)文量、主要研究力量、學(xué)科布局以及研究熱點與趨勢的分析可知，我國在利用SWAT模型進(jìn)行水文模擬研究已逐漸形成了系統(tǒng)，其發(fā)文量呈快速上升趨勢。然而，相比國外，由于國內(nèi)在SWAT模型應(yīng)用研究領(lǐng)域起步較晚，且研究實力相對較弱，無論從整體發(fā)文量、研究機構(gòu)間聯(lián)系和高產(chǎn)研究學(xué)者發(fā)文量等方面都與國外存在一定的差距，這導(dǎo)致我國的在一定程度上滯后于國外的研究。國內(nèi)的相關(guān)研究主要集中在探討土地利用變化、氣候變化對徑流量的變化，而國外的研究方向已經(jīng)逐步向解決農(nóng)業(yè)管理、水土治理等方向發(fā)展，這表明國內(nèi)尚未擴大研究視角進(jìn)行深入挖掘，許多研究還處于基礎(chǔ)研究的狀態(tài)，研究質(zhì)量尚待提高。此外，國外近年來致力于將SWAT模型與其他模型相結(jié)合，利用新模型將研究的精度提高或是將研究的范圍變廣，這也為未來我國在該領(lǐng)域的研究提供了方向。綜上所述，本研究基于CNKI以及Web of Science數(shù)據(jù)庫探討SWAT模型在國內(nèi)與國外使用方面的區(qū)別，對明確我國水文模型的研究方向具有一定的指導(dǎo)意義。但本研究還存在一些不足和需要完善的地方，比如僅選取了核心數(shù)據(jù)庫中的文獻(xiàn)，未對核心數(shù)據(jù)庫以外的文獻(xiàn)一并考慮，因此研究結(jié)果可能缺乏一定的完整性，這些需在今后的研究中進(jìn)一步完善。