劉景琦, 魏建兵, 張興義, 王玉璽

(1. 沈陽大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，遼寧 沈陽 110044；2. 中國科學(xué)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(xué)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?fù)p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(yán)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(shí)現(xiàn)急流控制、自然災(zāi)害防控、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[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(guān)研究中的谷坊的形態(tài)研究，不做詳細(xì)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(yīng)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(shí)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(guān)研究是十分必要的，例如谷坊的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、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(guān)谷坊研究的文獻(xiàn)計量分析，缺乏對谷坊及其相關(guān)研究發(fā)展歷程及前沿?zé)狳c(diǎn)的相關(guān)分析。因此，文章采用CiteSpace文獻(xiàn)計量軟件對全球谷坊相關(guān)研究進(jìn)行整體性分析，評價我國在谷坊及其相關(guān)領(lǐng)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(guān)注的研究重點(diǎn)和方向，為進(jìn)一步推進(jìn)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(biāo)題，文獻(xiàn)類型，語種三個字段，以檢索式：TS = ((“check dam*”) and ((“article”) and (“review”)) and (“English”))進(jìn)行檢索，共檢索到文獻(xiàn)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(xiàn)量數(shù)據(jù)，來源出版物和機(jī)構(gòu)擴(kuò)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(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。在Web of Science 的引文報告界面，獲取1999—2020年中外文獻(xiàn)的H指數(shù)數(shù)據(jù)，用以分析比對中外學(xué)者的論文影響力。H指數(shù)是一種評價學(xué)術(shù)成就的新方法，能夠比較準(zhǔn)確地反映一個人的學(xué)術(shù)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(xiàn)合集，選擇“全記錄與參考文獻(xiàn)”，以純文本格式導(dǎo)出，并且在CiteSpace中進(jìn)行可視化分析，時間切割設(shè)為1 a。引文網(wǎng)絡(luò)分析工具CiteSpace是美國德雷克賽爾大學(xué)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(xué)文獻(xiàn)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(jìn)行關(guān)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(shè)為1 a，術(shù)語來源選標(biāo)題、摘要、著者關(guān)鍵詞、關(guān)鍵詞擴(kuò)展，節(jié)點(diǎn)類型選擇關(guān)鍵詞，不修枝。輸出關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖，分析谷坊研究的特征和趨勢。

運(yùn)用CiteSpace進(jìn)行文獻(xiàn)共被引分析，術(shù)語來源選標(biāo)題、摘要、著者關(guān)鍵詞、關(guān)鍵詞擴(kuò)展，節(jié)點(diǎn)類型選擇參考文獻(xiàn)，閾值選擇Top 50，結(jié)合pathfinder算法修枝，可視化得到255個節(jié)點(diǎn)，756條連線的文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)圖。在文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)圖的基礎(chǔ)上通過標(biāo)題進(jìn)行聚類分析，導(dǎo)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(xiàn)做重點(diǎn)分析。通過篩選得到18篇高被引文獻(xiàn)，閱讀這18篇文獻(xiàn)的主體內(nèi)容，總結(jié)谷坊研究主要參考文獻(xiàn)的借鑒意義，討論谷坊研究的知識基礎(chǔ)。

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(yùn)用CiteSpace進(jìn)行關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析，在關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖的基礎(chǔ)上，輸出關(guān)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(guān)研究文獻(xiàn)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(xué)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(guān)文章，共計56篇。1999—2020年間中國學(xué)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(xué)者發(fā)表的文獻(xiàn)H指數(shù)是14，國外學(xué)者發(fā)表的文獻(xiàn)H指數(shù)是25(圖2)，中外學(xué)者在H指數(shù)方面存在一定差距。1999—2008年中國學(xué)者發(fā)表的文獻(xiàn)H指數(shù)為0。2017—2020年H指數(shù)僅相差2，表明中外學(xué)者的差距正在逐漸縮小。1999—2020年共有209篇與谷坊直接相關(guān)的文獻(xiàn)，排名前10位的來源機(jī)構(gòu)(表1)發(fā)文數(shù)量約占總的60%。全球前10名的機(jī)構(gòu)中包括5所中國機(jī)構(gòu)，分別是中國科學(xué)院、中國科學(xué)院水土保持研究所、水利部、中國科學(xué)院山地災(zāi)害與環(huán)境研究所、西北大學(xué)。

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(xiàn)發(fā)表的前10位來源學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)

2.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析

谷坊相關(guān)研究近四年關(guān)鍵詞發(fā)展迅速，其出現(xiàn)頻次和相關(guān)性明顯提高。在近二十年的過程中，研究持續(xù)關(guān)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(guān)鍵詞較少，多數(shù)關(guān)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(guān)鍵詞，表明最早時期的谷坊相關(guān)研究較少，集中在西班牙東南部，關(guān)注水土流失機(jī)理和谷坊作用的過程分析，主要研究方法為傳統(tǒng)的實(shí)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(guān)鍵詞數(shù)量小幅度增加，見圖3(b)，關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖

2017—2020年期間，谷坊相關(guān)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(lǐng)域得到了快速的發(fā)展，見圖3(c)。 “泥石流”“保護(hù)”“遷移”“黃土高原”等關(guān)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(hù)，研究區(qū)域也集中在黃土高原地區(qū)。

2.3 關(guān)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(guān)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(guān)鍵詞衰落或者興起的情況。表2是谷坊研究關(guān)鍵詞突現(xiàn)信息表，展現(xiàn)了谷坊相關(guān)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(xiàn)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(xué)者的發(fā)文量較少，因此谷坊研究關(guān)鍵詞突現(xiàn)最早開始于2006年。關(guān)鍵詞突現(xiàn)的進(jìn)程分析表明，在2006—2013這個階段，谷坊相關(guān)研究主要集中在谷坊的應(yīng)用方面，例如谷坊的形態(tài)研究，谷坊工程的開發(fā)建設(shè)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(qiáng)度的影響等研究逐步增多；2016—2018年期間，谷坊的相關(guān)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(guān)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(guān)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(zāi)、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(guān)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(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)突現(xiàn)詞信息表

2.4 文獻(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)分析

谷坊研究文獻(xiàn)共被引聚類圖(圖4)顯示了主要的類及標(biāo)簽，其中聚類序號不連續(xù)是由于聚類集團(tuán)較小，CiteSpce自動進(jìn)行了篩選。255個文獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)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(xiàn)發(fā)表時間較早，研究較為關(guān)注流域河道形態(tài)的治理，實(shí)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(guān)注在谷坊的實(shí)際應(yīng)用；橢圓內(nèi)部下方區(qū)域的文獻(xiàn)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(jìn)入到谷坊對環(huán)境響應(yīng)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(diǎn)更多的是以沉積物為主體的相關(guān)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(xiàn)共被引網(wǎng)絡(luò)自動聚類圖

2.5 高被引文獻(xiàn)主要內(nèi)容分析

高被引文獻(xiàn)具有基礎(chǔ)性強(qiáng)、創(chuàng)新性好、參考價值大等特點(diǎn)，本文對篩選出的18篇高被引文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理。在內(nèi)容上，關(guān)于模型的文獻(xiàn)共有6篇，其中WATEM-SEDEM模型居多；關(guān)于方法的文獻(xiàn)共有17篇；關(guān)于綜述的文獻(xiàn)1篇。18篇高被引文獻(xiàn)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(yīng)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(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，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(xué)者研究水平逐步提高，有關(guān)中國的研究文獻(xiàn)數(shù)量和被引次數(shù)顯著增加。其中，多篇高被引文獻(xiàn)是關(guān)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(xiàn)的主要內(nèi)容及特征。

表3 1999—2020年期間谷坊相關(guān)高被引文獻(xiàn)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(yán)峻的形勢促進(jìn)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(xué)者不斷地完善和改進(jìn)模型的本地化操作，精細(xì)化模型模擬方面的研究，有關(guān)中國的研究文獻(xiàn)數(shù)量和被引次數(shù)顯著增加，在全球范圍內(nèi)，中國機(jī)構(gòu)的排名穩(wěn)步上升，中外學(xué)者的差距也在逐步縮小。

(2)谷坊相關(guān)研究圍繞水土保持的目標(biāo)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(jī)械耦合模型得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了不同尺度下產(chǎn)沙量的估算。

(3)通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析、文獻(xiàn)共被引分析和高被引文獻(xiàn)的梳理總結(jié)，表明谷坊相關(guān)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(guān)生境、森林火災(zāi)、地下水等主題將會是未來谷坊相關(guān)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(xué)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(dá)到107萬km2，累計綜合治理小流域7萬多條，實(shí)施封育保護(hù)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(diǎn)，其中谷坊的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究方興未艾。