寒區(qū)土壤水運移研究熱點與進展
——基于科學(xué)計量分析法的可視分析

孫佳歆，杜 崇，胡金輝,2，王 寧,2，李 贊,2

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080;2.中俄寒區(qū)水文水利工程聯(lián)合實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 引言

自國務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動計劃》以來，寒區(qū)水資源保護已取得巨大成就，但還存在不少需要解決的問題，如土壤鹽堿化、地下水超采帶來的地下水漏斗、氨氮元素和重金屬超標等。這些問題都是近期地下水研究的熱點問題，根據(jù)田長彥在2016年的研究結(jié)果表明新疆地區(qū)的鹽堿化耕地約233萬hm2，占總耕地面積的37.7 %[1]。近年來發(fā)現(xiàn)，哈爾濱、綏化等地地下水出現(xiàn)氮氨元素及重金屬含量超標引起的水質(zhì)惡化情況；另外部分地區(qū)如延壽、通河地下水開采量達到70%以上，嚴重破壞了當(dāng)?shù)氐乃Y源合理調(diào)配[2]。因此，土壤水分運移的研究仍具有現(xiàn)實意義。

《中西醫(yī)結(jié)合心血管病雜志》雜志來稿內(nèi)容應(yīng)遵循本刊稿約要求和各欄目說明，除內(nèi)容要求以外，特提醒作者注意以下情況。

土壤水運移的相關(guān)研究一直是水文方面的研究熱點問題。程國棟[3]、陳珊珊[4]、秦越[5]、楮永磊[6]等針對凍土退化方面進行研究發(fā)現(xiàn)，近十幾年來多年凍土隨著氣溫升高而退化，甚至產(chǎn)生一系列森林濕地環(huán)境的問題，嚴重影響了寒區(qū)水資源和水生態(tài)環(huán)境。因此對寒區(qū)土壤水分運移的研究現(xiàn)狀及未來研究前景的分析具有重要意義。本文基于Citespace可視化軟件對寒區(qū)土壤水方向近20年30000余篇學(xué)術(shù)論文進行了統(tǒng)計和分析?；仡櫤畢^(qū)土壤水研究熱點問題，思考并探討寒區(qū)土壤水運移研究的當(dāng)前主要問題和發(fā)展趨勢，為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

2 研究方法

2.1 研究方法

目前，科學(xué)計量分析(Scientometric analysis)中專門針對科學(xué)計量學(xué)開發(fā)的工具有Citespace、VOCviewer等；在進行分析時，選用圖譜相對靈活，聚類時可提取關(guān)鍵信息、具體節(jié)點等信息[7]能更直觀反映出實際情況，故在研究時更適合選用Citespace進行分析。

Citespace是由ChaomeiChen開發(fā)的知識圖譜可視化分析軟件，此軟件通過科學(xué)計量學(xué)對科學(xué)文獻進行定量的分析，從而更全面地了解研究領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)，它可以通過統(tǒng)計學(xué)的方法展示關(guān)鍵詞、作者、科研機構(gòu)、所在國家等文獻的基本特征[8]構(gòu)建對應(yīng)研究目標的知識圖譜，展示一定時間內(nèi)的此研究方向的研究進展。依據(jù)Citespace軟件對寒區(qū)土壤水分運移相關(guān)文章進行的分析圖譜解讀，分析并得到我國寒區(qū)土壤水研究的進展和研究前沿。

2.2 數(shù)據(jù)來源

使用Citespace對CNKI數(shù)據(jù)庫中2000年有關(guān)寒區(qū)土壤水研究的中文相關(guān)文獻的作者分析。對發(fā)文量大于10篇的作者進行統(tǒng)計并檢索部分有關(guān)寒區(qū)土壤水方面被引次數(shù)較高的文獻。如表1所示，其中發(fā)文量較高的學(xué)者集中在中國科學(xué)院、太原理工大學(xué)、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)等機構(gòu)，其中研究地區(qū)大多集中在西北和青藏高原，對東北地區(qū)的研究相對較少。

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)文量分析

研究領(lǐng)域的研究情況可以一定程度地反映發(fā)文量時間分布。如圖1所示，我國文獻寒區(qū)土壤水運移的發(fā)文量總體呈上升趨勢，根據(jù)數(shù)量特征可以將此類研究的發(fā)展分為3個階段：第Ⅰ階段從2000～2007年發(fā)文量較少，研究大多比較零散；第Ⅱ階段從2007到2009年是快速發(fā)展階段，期間發(fā)表的文獻量處于穩(wěn)定上升的狀態(tài)；第Ⅲ階段是在2009年之后，發(fā)文量進入了平穩(wěn)上升階段[10]。

圖1 2000～2020年寒區(qū)土壤水研究文獻年度發(fā)文量分布

3.2 作者分析

通過檢索中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(CNKI)中中文文獻和WOS數(shù)據(jù)庫(Web of Science核心合計)中英文數(shù)據(jù)庫中與土壤水相關(guān)的關(guān)鍵詞進行可視化分析。中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中的檢索2000年1月1日至2021年4月15日中關(guān)鍵詞包括但不限：“地下水遷移”“土壤水遷移”“未凍水遷移”“土壤凍融”等有關(guān)寒區(qū)地下方面的文獻共2176篇。在WOS數(shù)據(jù)庫中檢索2007年1月1日至2021年4月15日中關(guān)鍵詞包括但不限：“groundwater migration”“seasonal frozen soil area”“soilwatertransport”“unfrozen water migration”的相關(guān)文獻30245篇[9]。

表1 CNKI數(shù)據(jù)庫中寒區(qū)土壤水研究的作者發(fā)文量及其代表文獻

3.3 國家及發(fā)文機構(gòu)分析

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 運用SPSS 20.0統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，計數(shù)資料數(shù)據(jù)以[例(%)]表示，組間比較采用χ2檢驗；計量資料數(shù)據(jù)以表示，組間比較采用t檢驗；P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

3.3.1 基于CNKI數(shù)據(jù)庫的發(fā)文機構(gòu)分析

此處利用分析CNKI數(shù)據(jù)庫中的與寒區(qū)土壤水有關(guān)的文獻，此圖譜可用于分析該領(lǐng)域的研究機構(gòu)情況圖。如圖2所示，其中得到N=480；E=326(Density=0.0028)，即節(jié)點數(shù)為480，連線數(shù)為62，密度為0.0028[22]。它表示合作關(guān)系較松散。在機構(gòu)合作圖譜中：發(fā)文量在20篇以上的機構(gòu)共有9所，居前三位的是中國科學(xué)院大學(xué)、中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院、太原理工大學(xué)，其發(fā)文量占總發(fā)文量的9.6%。

生態(tài)學(xué)解釋?？_爾和懷特的生態(tài)理論模式認為個人因素和環(huán)境因素導(dǎo)致職業(yè)倦怠，因此，高?；鶎有姓芾砣藛T在工作中，由于個人原因和周圍環(huán)境的影響，職業(yè)倦怠漸漸形成并成為一種普遍存在的現(xiàn)象，并且不會因為年齡增長和工作年限的不斷增加而減弱。和諧處理個人與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系是有效擺脫職業(yè)倦怠的方式，必須擁有自我調(diào)適能力，直面工作中的挫折和壓力，堅定職業(yè)信念，注重個人與組織生態(tài)環(huán)境共同體。

圖2 CNKI數(shù)據(jù)庫中寒區(qū)土壤水研究機構(gòu)間合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

3.3.2 基于WOS數(shù)據(jù)庫的發(fā)文國家及發(fā)文機構(gòu)分析

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，信息化的浪潮給人們的生活方式和生活理念帶來了強烈沖擊，使得人們的行為方式發(fā)生了許多改變。信息化發(fā)展給高校的教學(xué)和管理帶來了便利，但同時也把一些不良的思想觀念帶到了高校，這對高校的思想政治教育工作來說是一種挑戰(zhàn)。

CUI Xiaowei， DI Yanqing， LENG Xinyan, et al. Study on the stabilization of Pb2+ by cementitious materials prepared with metallurgical slag[J]. Conservation and utilization of mineral resources, 2018(6):103-106.

ABB一直積極致力于幫助各行各業(yè)的中國客戶實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級，提升運行時間、提高速度和產(chǎn)量，構(gòu)建智能工廠，擁抱第四次工業(yè)革命浪潮下的前沿技術(shù)。基于ABB數(shù)字化先驅(qū)優(yōu)勢，全球750多個工廠的ABB 機器人已經(jīng)實現(xiàn)互聯(lián)，并生成數(shù)據(jù)。ABB AbilityTM互聯(lián)服務(wù)平臺支持對單臺或所有互聯(lián)機器人的狀態(tài)和性能進行監(jiān)控，事故率可減少25%，響應(yīng)速度和問題解決速度可提高60%，全天候運行支持短節(jié)拍、多品種、小批量生產(chǎn)，幫助工廠有效提升運營效率。

圖3 CNKI數(shù)據(jù)庫中寒區(qū)土壤水研究參與國家合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

圖4 WOS數(shù)據(jù)庫寒區(qū)土壤水研究機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)

整理并得到發(fā)文量大于250篇的機構(gòu)如表2所示，可以看出發(fā)文量排名前5的依次是中國科學(xué)院、美國地質(zhì)調(diào)查局、美國農(nóng)業(yè)部、中國科學(xué)院大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)。

表2 WOS數(shù)據(jù)庫中寒區(qū)土壤水研究機構(gòu)及發(fā)文量統(tǒng)計

3.4 關(guān)鍵詞分析

模型右邊的M(θ)為5×5慣性力矩陣，它是由機械手自身運動所產(chǎn)生的；為5×1矩陣，它是離心力和科氏力；G(θ)表示機械手自身重力。要考慮到系統(tǒng)運動時平臺和機械手之間的相互作用力對模型的影響，那么等式的右邊應(yīng)該還包括由平臺的運動在機械手上產(chǎn)生的慣性力離心力和科氏力表示移動平臺的速度。這些力和力矩可以由平臺部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)和機械手的動力學(xué)方程計算得到，即機械手的逆動力學(xué)模型為：

3.4.2 基于WOS核心合集相關(guān)主題詞統(tǒng)計分析

表3 CNKI數(shù)據(jù)庫中關(guān)于寒區(qū)土壤水關(guān)鍵詞出現(xiàn)次數(shù)

續(xù)表3

對關(guān)鍵詞出現(xiàn)超過20次的詞進行統(tǒng)計并歸類，如表3所示。可以看出：與研究區(qū)相關(guān)的關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率從高到底依次為青藏高原、松嫩平原、黑河流域、黃土高原、天山林區(qū)等；有關(guān)研究對象關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率從高到底依次為黑土、紫色土、黃土、林區(qū)土壤、濕地土壤、非飽和土、高寒草甸土、鹽堿土、坡面土壤、坡面土壤等；有關(guān)研究內(nèi)容的關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率從高到低依次為熱量傳遞、水鹽運移、核素運移、土壤水分、土壤氮素、力學(xué)性能等方面；有關(guān)研究方法的關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率從高到低依次為室外凍融試驗、室外觀測試驗、模型模擬、數(shù)值模擬、遙感觀測等。

通過對2007～2021年WOS中土壤凍融文獻的關(guān)鍵詞進行分析，得到寒區(qū)土壤水運移研究文獻共被引圖。如圖5 所示，其主要的關(guān)鍵詞有：transport、model、solute transport、sediment、nitrogen、climate change、contamination、organic matter、nitrate、soil erosion等，即在土壤水運移過程中關(guān)鍵詞多集中于模型、溶質(zhì)運移、氮元素運移、有機物變化、硝酸鹽。這是由于一方面土壤水分運移過程中伴隨著熱通量和溶質(zhì)的運移，另一方面由于凍土活動的變化有關(guān)寒區(qū)土壤水分運移帶來的風(fēng)險和危害逐漸成為人們關(guān)注的重點[23]。

3.5 研究熱點分析

研究熱點可以采用時間線圖譜和關(guān)鍵詞聚類圖表示，基于Citespace繪制了文獻共被引時間線圖。如圖5所示，時間線圖譜可直觀的反映研究課題出現(xiàn)的時間，關(guān)鍵詞聚類圖譜則可展示研究比較集中的方向?？梢钥闯鰞鋈谧饔?，土壤溫度，入滲方面的研究寒區(qū)土壤水分運移的基礎(chǔ)，而隨著人類活動和氣候變化愈發(fā)的不穩(wěn)定，人們的研究重點開始轉(zhuǎn)向土壤侵蝕的危害及土壤污染物如；氨氮、水鹽、有機農(nóng)藥等。

圖5 CNKI數(shù)據(jù)庫中寒區(qū)土壤水文獻共被引時間線

4 討論

在對中文文獻的分析中可以看出我國有關(guān)寒區(qū)土壤水運移方向的研究自2000年以來發(fā)文量就一直呈上升趨勢，在對英文文獻的分析中可以看出，中科院是有關(guān)寒區(qū)土壤水研究最大的發(fā)文機構(gòu)，然而我國的總發(fā)文量仍遠低于美國，說明了我國對于寒區(qū)土壤水的研究還不夠深入。其中中文文獻中出現(xiàn)頻率較高的關(guān)鍵詞是土壤水，多年凍土，核素，重金屬等，而國外文獻中溶質(zhì)運移，氮元素運移，有機物，硝酸鹽等的出現(xiàn)頻次較高。

3.4.1 基于CNKI數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵詞分析

通過Citespace軟件中的發(fā)文國家分析得到國家合作圖譜。如圖3、4所示，從中可以看出：中國和美國在寒區(qū)土壤水方面的發(fā)文量上最多，而德國、法國、加拿大在寒區(qū)土壤水方面也有較大程度的研究。

表4 WOS數(shù)據(jù)庫中關(guān)于寒區(qū)土壤水關(guān)鍵詞出現(xiàn)次數(shù)

目前我國在寒區(qū)土壤水方向的研究中微生物群落、重金屬運移、放射性核素、凍土退化、改善土壤結(jié)構(gòu)等方面是當(dāng)前研究的重點。隨著氣候變化和人類活動強度的增強，凍土退化、地下水過度開發(fā)等問題逐漸顯現(xiàn)，需要對凍土退化顯著地區(qū)的水文、地理及工程等反向進行進一步研究。

目前主要的研究內(nèi)容體現(xiàn)在以下幾個方面：第一是針對寒區(qū)土壤水及溶質(zhì)運移方面的研究：2017年唐文政通過田間實驗分析了不同地表覆蓋條件下的水鹽運移，并得到了土壤水分和鹽水隨土壤深度正價而遞減的趨勢[24]；2019年趙顯波對東北黑土通過室外檢測室內(nèi)實驗等方式分析了黑土坡耕地季節(jié)融化成的發(fā)育過程、土壤營養(yǎng)、氮磷的分布特征及凍融過程中的水熱時間分布[25]。第二方面是針對不同土壤經(jīng)歷凍融過程后的強度方面的研究：2020年左小鋒針對黑龍江賓縣黑土區(qū)進行了黑土凍融作用及抗剪強度的研究。第三方面是針對寒區(qū)土壤水中重金屬及核素運移的研究[26]：包括2015年劉文祥通過選用棕壤與風(fēng)砂土通過研究85Sr、137Cs、60Co進實驗研究得到核素隨土壤水運移的規(guī)律[27]；2020年魏亮利用室外取樣和室內(nèi)模擬，探討了污灌對土壤砷及金屬的分布影響[28]。第四方面是以青藏高原為特色的永久性地下水凍土特色研究：丁明軍在2010年利用遙感對青藏高原的水熱變化進一步進行了研究[29]；2015年王轉(zhuǎn)基于GIS軟件的支持下對土壤凍融侵蝕的分布特征進行了相關(guān)研究[30]；程國棟于2019年總結(jié)了青藏高原近年來由于氣候變暖引發(fā)的凍土特征參數(shù)和活動層，凍土熱機器凍土層中的水文效應(yīng)及其碳循環(huán)的變化趨勢，總結(jié)了近年由于凍土退化帶來青藏高原水文方面的凍土變化[31]。

5 結(jié)論與展望

基于Citespace分析了國內(nèi)外近20年國內(nèi)外有關(guān)寒區(qū)土壤水分運移的學(xué)術(shù)論文，通過整理發(fā)文量、發(fā)文作者、國家與發(fā)文機構(gòu)、文章關(guān)鍵詞、文章研究熱點5個描述學(xué)科發(fā)展方向的要素，并進行分析得到以下結(jié)論。

(1)有關(guān)寒區(qū)土壤水水分運移方面的研究發(fā)文量呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢，在2008年發(fā)文量上升明顯。

(2)在發(fā)文量上來看中國在寒區(qū)土壤水分運移方面已經(jīng)取得了大量的研究成果，主要的研究機構(gòu)集中在中國中西部及東北地區(qū)。其中，在此方向上穆彥虎、鄭秀清、陳軍鋒等學(xué)者在中文期刊發(fā)文量較高，他們分別從實驗?zāi)M，數(shù)值分析與氣候變化角度對寒區(qū)土壤水分運移進行了研究。

(3)基于關(guān)鍵詞的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬研究寒區(qū)土壤水分運移的主要手段；青藏高原，松嫩平原，黃土高原，天山林區(qū)是研究的主要地區(qū)；多年凍土、凍結(jié)活動層、季節(jié)性凍土是研究的主要對象；土壤溫度、土壤水分、核素運移是主要的研究目標。

(4)基于研究熱點的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：凍融循環(huán)及水熱耦合運移是本研究的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)水土工程、水鹽活動、同位素、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面又是近20年來的研究重點，此外研究發(fā)現(xiàn)，近幾年出現(xiàn)的海綿城市、土壤改良、微生物群落等方向與寒區(qū)土壤水分運移的結(jié)合研究，是未來該方向新興的研究趨勢。