馬 勤，楊繼濤，琚彤軍，李秧秧*，康博文，同金霞

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西 楊陵 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊陵 712100)

水分是限制世界上大多數(shù)地區(qū)植物生產(chǎn)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(dǎo)致的干旱程度加劇，提高植物水分利用效率(WUE)已成為農(nóng)林生產(chǎn)上迫切面對(duì)的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界耕地總面積為1.40×109hm2，80%以上耕地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)依靠天然降水[1]。全球氣候變化導(dǎo)致CO2質(zhì)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(qiáng)度均會(huì)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(nóng)林業(yè)面臨的迫切需求，亦是目前農(nóng)學(xué)、林學(xué)、生理學(xué)、生態(tài)學(xué)和農(nóng)業(yè)水土工程等多門學(xué)科研究的熱點(diǎn)。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(duì)干旱的適應(yīng)對(duì)策、篩選高WUE和高產(chǎn)的作物和品種及尋找適于干旱半干旱地區(qū)的農(nóng)田管理措施，而且對(duì)深刻揭示全球氣候變化背景下生態(tài)系統(tǒng)水碳耦合關(guān)系亦有重要價(jià)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(shí)間(瞬時(shí)—某段時(shí)間—年或生活史—多年)屬性，驅(qū)動(dòng)不同空間和時(shí)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(fù)雜。據(jù)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(xiàn)。盡管對(duì)植物WUE進(jìn)行了大量研究，但關(guān)于植物WUE相關(guān)內(nèi)容的計(jì)量整合分析尚未見到。

文獻(xiàn)計(jì)量分析利用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)所篩選出的文獻(xiàn)進(jìn)行多方位、全角度的綜合分析，明晰該研究領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，因而具有強(qiáng)大的揭示、評(píng)價(jià)和趨勢(shì)預(yù)測(cè)功能[6]。文獻(xiàn)計(jì)量分析通過對(duì)某一研究領(lǐng)域進(jìn)行定量分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)文獻(xiàn)、熱點(diǎn)主題和知識(shí)演進(jìn)等的可視化,有助于研究人員更好地把握相關(guān)研究領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)變化和發(fā)展趨勢(shì)[7-8]。VOSviewer是荷蘭萊頓大學(xué)科技研究中心的van Eck 和Waltman開發(fā)的一款用于構(gòu)建和可視化文獻(xiàn)計(jì)量網(wǎng)絡(luò)的工具，因其簡(jiǎn)單易用且可視化功能強(qiáng)大而得以普遍應(yīng)用[9]。為此，本研究基于Web of Science(WoS)核心數(shù)據(jù)庫(kù)，采用該可視化軟件，對(duì)國(guó)內(nèi)外2000-2021年植物WUE研究的發(fā)文數(shù)量及刊物、主要國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者、關(guān)鍵詞聚類、文獻(xiàn)共被引及高被引論文等進(jìn)行了計(jì)量分析，重點(diǎn)關(guān)注植物WUE研究的熱點(diǎn)和有影響力的論文，旨在全面梳理當(dāng)今植物WUE研究現(xiàn)狀，為未來植物WUE研究和調(diào)控提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究文獻(xiàn)來源于WoS核心合集中的科學(xué)引文索引數(shù)據(jù)庫(kù)(SCIE)，為了提高檢準(zhǔn)率，檢索標(biāo)題中包含檢索詞Water use efficiency的文獻(xiàn)，檢索時(shí)間為2022年3月15日，選擇時(shí)間跨度為2000年1月1日-2021年12月31日，同時(shí)，從100多個(gè)學(xué)科類別中選擇與植物水分利用效率最相關(guān)的農(nóng)學(xué)、水資源、植物科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、農(nóng)業(yè)多學(xué)科、林學(xué)、生態(tài)學(xué)、土壤科學(xué)和園藝學(xué)9個(gè)學(xué)科以Article與Review形式發(fā)表的論文，共篩選文獻(xiàn)2 829篇。

1.2 研究方法

利用WoS自帶分析檢索結(jié)果功能，對(duì)2000-2021年發(fā)表的2 829篇文獻(xiàn)進(jìn)行發(fā)文國(guó)家/地區(qū)、期刊的計(jì)量分析，并根據(jù)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(guó)家、機(jī)構(gòu)與作者之間合作緊密程度，閾值分別設(shè)定為8，18，7；通過共現(xiàn)分析(co-occurence)選定所有關(guān)鍵詞(all keywords)選項(xiàng)統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)頻率較多的關(guān)鍵詞，反映該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，閾值設(shè)置為30；通過共引用(co-citation)分析確定研究時(shí)段影響較大的文獻(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻(xiàn)產(chǎn)出趨勢(shì)分析

基于WoS核心合集的SCIE數(shù)據(jù)庫(kù)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(shù)量在50篇左右，其后年發(fā)文數(shù)量呈拋物線式增長(zhǎng)，到2021年，年發(fā)文數(shù)量已達(dá)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(zhǎng)(圖1)，表明有關(guān)植物WUE相關(guān)研究在近20 a來呈快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。發(fā)文主要集中在農(nóng)學(xué)、水資源、植物科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域，其中農(nóng)學(xué)類發(fā)文數(shù)量(1 088篇)最多，所占比例為38.5%；水資源、植物科學(xué)、環(huán)境科學(xué)發(fā)文數(shù)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(nóng)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(nóng)學(xué)類刊物發(fā)文數(shù)量最多。

圖1 植物WUE研究文獻(xiàn)2000-2021年發(fā)文量

發(fā)文數(shù)量位列前10的學(xué)術(shù)期刊詳見表1，發(fā)文量較多的學(xué)術(shù)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?shù)最高的是《Agricultural 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(shù)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(xiàn)2000-2021年發(fā)文量前10期刊

2.2 發(fā)文的國(guó)家/地區(qū)與機(jī)構(gòu)間合作關(guān)系

在VOSviewer合作網(wǎng)絡(luò)中分析圖中(圖2)，圓圈大小表征相應(yīng)國(guó)家或機(jī)構(gòu)的發(fā)文情況，圓圈越大表明發(fā)文數(shù)量越多；各圓圈之間連線表征個(gè)體之間的聯(lián)系，連線愈密集合作關(guān)系愈強(qiáng)。在所搜集的2 829篇文獻(xiàn)中，以中國(guó)發(fā)文量最多(983篇，所占比例為34.7%)，其次為美國(guó)(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(guó)家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都面臨嚴(yán)重的干旱問題，因而發(fā)文數(shù)量多。網(wǎng)絡(luò)分析顯示中國(guó)、美國(guó)與其他國(guó)家聯(lián)系最為密切，與中國(guó)聯(lián)系最多的國(guó)家/地區(qū)為美國(guó)、澳大利亞和加拿大等。研究機(jī)構(gòu)中，以中國(guó)科學(xué)院發(fā)文數(shù)量最多(308篇，所占比例為10.9%)，其次為西北農(nóng)林科技大學(xué)(166篇，所占比例為5.9%)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)(113篇，所占比例為4.0%)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(90篇，所占比例為3.2%)和美國(guó)農(nóng)工部(68篇，所占比例為2.4%)；中國(guó)科學(xué)院、西北農(nóng)林科技大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的聯(lián)系最為密切(圖3)。

圖2 植物WUE研究文獻(xiàn)產(chǎn)出國(guó)家/地區(qū)之間合作網(wǎng)絡(luò)分析

圖3 植物WUE研究文獻(xiàn)產(chǎn)出機(jī)構(gòu)之間合作網(wǎng)絡(luò)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(xué))發(fā)表文章最多，共27篇，該學(xué)者主要從事灌溉技術(shù)及施肥措施等影響植物水分利用效率的生理機(jī)制研究。排名第2的作者為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)康紹忠院士，發(fā)表相關(guān)論文24篇，其研究領(lǐng)域主要為節(jié)水灌溉技術(shù)對(duì)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(xué))發(fā)文數(shù)量分別為21篇和20篇，這2位學(xué)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(guān)生理和調(diào)控研究；其引文總聯(lián)系強(qiáng)度高達(dá)45和40，說明這2位專家與同領(lǐng)域?qū)＜业慕涣骱献鞲嗲野l(fā)表的文章更有影響力(圖4)。發(fā)文數(shù)量排名前10的作者中，中國(guó)學(xué)者占7個(gè)，說明我國(guó)在植物水分利用效率研究領(lǐng)域處于世界先進(jìn)水平。植物WUE研究領(lǐng)域除部分研究者(H.Medrano,J.Flexas,Kang Shaozhong等)的合作關(guān)系網(wǎng)較密集外，大部分研究者的合作相對(duì)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(wǎng)絡(luò)分析

2.4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

基于VOSviewer可視化軟件對(duì)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析，結(jié)果如圖5所示。其中節(jié)點(diǎn)大小代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)，不同顏色代表不同的聚類。篩選后的關(guān)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(guān)注水肥、灌溉等管理措施對(duì)作物產(chǎn)量和WUE的影響，且多為田間試驗(yàn)。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(jī)制，特別是利用碳同位素技術(shù)研究水分利用效率是這方面的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)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(guān)注全球氣候變化對(duì)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(lán)色)，研究的尺度更大。在搜集的2 829篇文獻(xiàn)中，共有35篇熱點(diǎn)論文，其中偏重WUE生理機(jī)理和分子生物學(xué)研究為16篇，偏重全球氣候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)WUE關(guān)系的比例為14篇，而灌溉等管理措施對(duì)WUE影響與調(diào)控的僅為5篇，說明前2個(gè)領(lǐng)域是目前植物WUE研究的相對(duì)熱點(diǎn)領(lǐng)域。

圖5 植物WUE研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析

2.5 文獻(xiàn)共被引分析

文獻(xiàn)共被引(co-citation)是可以反映文獻(xiàn)之間的緊密關(guān)系。由圖6可以看出，植物WUE領(lǐng)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(duì)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(guān)系，從而為碳同位素辨別力作為一種認(rèn)識(shí)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；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(jì)算方法，為作物需水量估算奠定了基礎(chǔ)；該篇論文目前已被共引用306次。此外，F(xiàn)arquhar等[12]的論文“On the relationship between carbon isotope discrimination and the intercellular carbon dioxide concentration in leaves”，F(xiàn)arquhar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(duì)重要的學(xué)術(shù)影響力。

圖6 植物WUE研究文獻(xiàn)被共引分析

2.6 高被引文獻(xiàn)分析

利用SCIE數(shù)據(jù)庫(kù)的被引頻次，排列出了被引次數(shù)最高的前5名論文(表3)，其中Condon等[15]的論文系統(tǒng)總結(jié)提高作物水分利用效率的3個(gè)途徑：盡可能使更多的水分經(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量。Blum[16]的論文首次區(qū)分了耐旱性、水分利用效率和產(chǎn)量勢(shì)3個(gè)名詞之間的差異。Deng[17]則給出了中國(guó)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(rèn)為有限水分條件下以篩選高WUE為目標(biāo)的育種會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)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(chǎn)量改進(jìn)的重要目標(biāo)。上述4篇綜述性論文都是圍繞農(nóng)作物WUE方面研究。Leakey等[19]研究首次發(fā)現(xiàn)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(yīng)有關(guān)，表明陸地植被碳水經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)變，該研究為后來大尺度生態(tài)系統(tǒng)WUE研究奠定了基礎(chǔ)。

表3 植物WUE研究被引頻次排名前5的文獻(xiàn)

3 結(jié)論與展望

VOSviewer文獻(xiàn)計(jì)量分析能夠很好地展示研究領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)圖譜，能夠?qū)λY選出的文獻(xiàn)進(jìn)行多方位、全角度的綜合分析，能夠構(gòu)建植物WUE研究領(lǐng)域內(nèi)熱點(diǎn)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)指標(biāo)可視化分析以及學(xué)科圖譜，有助于學(xué)者們更好地把握該研究領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)變化和發(fā)展趨勢(shì)。利用VOSviewer軟件對(duì)近來植物WUE研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量分析，得到如下主要結(jié)論：1)2000-2021年與植物WUE相關(guān)研究發(fā)表數(shù)量呈拋物線式增長(zhǎng)，發(fā)文最多的學(xué)科為農(nóng)學(xué)類，發(fā)文量前10期刊里農(nóng)學(xué)類刊物比例為70%。2)我國(guó)在植物WUE研究方面的發(fā)文數(shù)量位列世界第1，發(fā)文量位列世界前5的研究機(jī)構(gòu)中中國(guó)占4個(gè)，發(fā)文數(shù)量位居前10的作者中國(guó)有7個(gè)，表明我國(guó)在植物WUE研究領(lǐng)域的水平處于世界先進(jìn)水平，但發(fā)表的有影響力的重要論文和高被引論文、熱點(diǎn)論文相對(duì)較少，表明我國(guó)學(xué)者的論文水平和影響力仍有待進(jìn)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(jī)制、灌溉和施肥等管理措施對(duì)作物產(chǎn)量和WUE的影響與調(diào)控及全球氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)WUE影響與預(yù)測(cè)。

未來植物WUE研究在以下方面有待加強(qiáng)：1)隨著分子生物學(xué)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(xué)、遺傳學(xué)和分子生物學(xué)手段，系統(tǒng)研究不同調(diào)控基因?qū)χ参颳UE影響[19]；從宏觀上，將更注重大尺度和長(zhǎng)時(shí)段生態(tài)系統(tǒng)WUE與全球氣候變化關(guān)系的研究，從而為陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)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(gè)體—種群—生態(tài)系統(tǒng)—景觀)與時(shí)間尺度(瞬時(shí)—某段時(shí)間—年或生活史—多年)，不同尺度WUE的區(qū)別與聯(lián)系如何？如何將個(gè)體水平上的WUE通過尺度擴(kuò)展上推至區(qū)域乃至全球是當(dāng)前面臨的重大挑戰(zhàn)。3)WUE和產(chǎn)量、作物生長(zhǎng)之間的聯(lián)系怎樣？對(duì)于農(nóng)田作物，高WUE不一定等于高產(chǎn)；對(duì)森林植被，20世紀(jì)WUE的增加并未引起樹木生長(zhǎng)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(zhǎng)[21]，因而需要對(duì)不同作物不同森林、草地和農(nóng)地類型開展大規(guī)模研究，從而系統(tǒng)評(píng)價(jià)WUE和產(chǎn)量、生長(zhǎng)等生理過程之間的聯(lián)系。

(卷終)