基于CiteSpace的华北冬小麦-夏玉米周年优化灌溉制度的节水潜力分析
中国农业大学学报 2022 ,27(6) :01-20
Journal of China Agricultural University
http:/zgnydxxb.ijournals.cn DOI:10.11841/j.issn.1007-4333.2022.06.01
基于 CiteSpace 的华北冬小麦-夏玉米周年优化 灌溉制度的节水潜力分析
刘英博1
周 际2
陈颖露2
姚旭擎2
杨晓琳1 ,2*
杜太生1
(1.中国农业大学 水利与土木工程学院,北京 100083 ;
2.中国农业大学 农学院,北京 100193)
摘 要 为探究华北地区冬小麦-夏玉米一年两熟制周年优化灌溉制度的节水潜力,基于文献计量学方法,系统梳 理了 1995 — 2020 年有关华北地区冬小麦-夏玉米一年两熟制周年优化灌溉制度的文献发文量 、被引量 、高影响力期 刊 、作者 、研究单位 、高频词 、试验站点,以分析其研究态势,并利用 CiteSpace进行了可视化与关联分析 。在此基础 上,进一步整理了该模式中高灌溉需水量作物冬小麦的关键节水技术,包括了工程节水技术(喷灌 、滴灌 、微喷灌) 、 生物节水技术(品种选育) 与典型农艺节水技术(优化灌溉制度) 等,系统分析了各节水技术对冬小麦产量 、耗水量 、 水分利用效率的影响 。 结果表明:1) 华北 地 区 冬 小 麦-夏玉米一年两熟制周年优化灌溉制度研究的 相 关 发 文 量 在 近年来呈明显增加趋势,发展态势良好,但同时缺乏高被引论文 。 中 国农业大学 、中 国科学院遗传与发育生物学研 究所农业资源研究中心 、河南农业大学发文数量排在前三位,分别占总发文数的 27% 、10%和 10%,在该领域具有 较高的活跃度;2) 从高频词来看,该领域主要聚焦 于 水 分 利 用 效 率 、产 量 、光 合 特 性 、生 长 特 性 、模 型 模 拟 等 。但 相 关领域也存在问题,如主要作者 、一 些研究机构间合作不够密切,田 间 实验站点分布不均匀且缺少长期稳定的定位 观测试验等;3) 对于高灌溉需水量作物冬小麦的文献计量研究 表 明,喷 灌 、滴 灌 、微 喷 灌 、选 用 抗 旱 节 水 品 种 等 技 术,可降低田间耗水量 7%~13% 、产量 不 同 程 度 增 加 2% ~10% ,水 分 利 用效 率 提 高 约 5% ~28% 。优 化 灌 溉 制 度,减少灌溉次数,且根据 不 同降 水 年 型 保 证 冬 小 麦 关 键 生 育 期 的 需 水,可 降 低 田 间 耗 水 9% ~25%,产 量 降 低 2%~18%,水分利用效率提高约 6%~9% 。 综上,为进一步保证粮食生产与水资源安全,应将冬小麦-夏玉米一年 两茬作为一个整体来充分考虑周年的水分利用,合理优化周年的灌溉制度,构 建 整 合 配 套 的 农 艺 节 水 技 术 体 系 和 灌溉设备与技术 。
关键词 周年灌溉制度; 冬小麦-夏玉米一年两熟制; 华北; 文献计量学 ;研究态势; 节水潜力
中图分类号 S274;S344 文章编号 1007-4333(2022)06-0001-20 文献标志码 A
Water-saving potential of optimized irrigation system for
winter wheat-summer maize double cropping system
in the North China Plain based on CiteSpace
LIU Yingbo1 ,ZHOU Ji2 ,CHEN Yinglu2 ,YAO Xuqing2 ,YANG Xiaolin 1 ,2 * ,DU Taisheng1
(1. College of Water Resources & Civil Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083;
2. College of Agronomy and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing 100193)
Abstract In order to explore the water-saving potential of optimizing irrigation system in the winter wheat-summer maize double cropping system in the North China Plain ,this study ,based on the bibliometrics method systematically
收稿日期: 2021-10-26
基金项目: 国家自然科学基金项目 (32071975 ,51861125103 ,31601267) ;河北省重点研发计划项目(20326411D-1) ;甘肃武威
绿洲农业高效用水国家野外科学观测研究站开放课题资助(KF2021002)
第一作者 :刘英博,博士研究生,E-mail:liuyingbo@cau.edu.cn
通讯作者: 杨晓琳,副教授,主要从事节水种植制度研究,E-mail:yangxiaolin429@cau.edu.cn
2 中 国 农 业 大 学 学 报 2022 年 第 27 卷
combed the amount of publications,citations,high-impact journals,authors,research units,high-frequency words and experiment sites related to the annual optimization irrigation system of winter wheat-summer maize double cropping system in North China from 1995to 2020 ,for analyzing the research situation and correlation analysis by CiteSpace.On this basis , the key water-saving irrigation water demand of winter wheat crop to high technology were further organized,including the engineering water saving technology (micro sprinkler irrigation and drip irrigation ,sprinkler irrigation) ,biological water saving technology (varieties) and a typical agricultural water saving technology (optimizing irrigation system.The water saving technology on winter wheat yield,water consumption and water use efficiency were systemly analyzed.The results showed that: 1 ) The number of papers related to the annual optimization irrigation system of winter wheat-summer maize double cropping system in North China showed a significant increase in recent years,with a good development trend,but there was a lack of highly cited papers at the same time.China Agricultural University , Agricultural Resources Research Center of Institute of Genetics and Developmental Biology , Chinese Academy of Sciences,and Henan Agricultural University ranked the top three,accounting for 27% ,10% and 10% of the total published papers,respectively,showing high activity in this field.2) From the perspective of high-frequency words ,this field mainly focused on WUE , yield , photosynthetic characteristics , growth characteristics , model simulation,etc.However ,there were also some problems in related fields ,such as the lack of close cooperation between the lead author and some research institutions,uneven distribution of field experiment sites and lack of long- term stable positioning observation experiments ,etc. 3) The literature metrology study of winter wheat with high irrigation water demand showed that sprinkler irrigation , drip irrigation , micro-sprinkler irrigation and selection of drought-resistant water-saving varieties could reduce water consumption by 7%-13% ,increase yield by 2%-10% and increase WUE by 5% -28%. By optimizing irrigation system , reducing irrigation times ,and ensuring water demand in key growth stages of winter wheat according to different precipitation year types,the water consumption in field can be reduced by 9%-25% ,yield can be reduced by 2%-18% ,and water use efficiency by 6% -9%. In conclusion,in order to further ensure food production and water resource security ,two crops of winter wheat and summer corn per year should be taken as a whole to fully consider annual water use,rationally optimize annual irrigation system,and construct integrated agronomic water-saving technology system and irrigation equipment and technology. Keywords optimized irrigation regime; winter wheat-summer maize double cropping system; north China plain; bibliometrics;research trend;water-saving potential
华北地区是我国重要的粮 食生产基地,对于确 保全国粮食安全有重要意义,但该地区水资源紧缺, 地下水超采严重 。 冬 小 麦-夏 玉 米 一 年 两 熟 制 是 该 地区主要的种植模式 。 由于冬小麦生育期降水耦合 度低,使得近 70%的冬小麦生育期需水靠抽取地下 水灌溉来满足[1] ,长期抽取地下水灌溉导致了地下 水水位以 1m/年的速度下降,同时在该地区形成了 严重的地下漏斗,并引发了地面沉降 、海水入侵 、土 地荒漠化等一 系列生态环境问题[2] 。
优化灌溉制度是保证粮食生产 、减少灌溉水投 入,提 高 水 分 利 用 效 率 的 重 要 措 施[3] 。 21 世 纪 以 来,就华北地区冬小麦 、夏玉米单个作物的优化灌溉 制度对产量及水分利用效率的影响,相关研究论文 发表数量大幅度提升 。如曹彩云等[4] 通过田间定位 试验揭示了不同品种的冬小麦春季 5 个灌溉制度对 产量 、耗水量及水分利用效率( WUE) 的 影 响,得 到 节水产量潜力高的冬小麦品种在春灌 2 水(共 150
mm) 时可达到较高的籽粒产量并提高 WUE 。刘影 等[5] 通过 DSSAT模型探究了河南省北部地区夏玉 米不同降水年型下的最优灌溉制度,得到丰水年夏 玉米无需灌溉,在特别干旱年份,则需要在夏玉米苗 期 、拔节期 、开花期共灌溉 180mm才能获得较高产 量同时保持 最 高 WUE 。 Xu 等[6] 通 过 田 间 试 验 探 究了华北冬小麦 6 种不同灌溉制度对产量和 WUE 的影 响,得 出 冬 小 麦 在 拔 节 期和 开 花 期 各 灌 溉 75mm 处理下 产 量 和 WUE 最 高 。 诸 如 此 方 面 的 研究多集中在冬小麦或者夏玉米单个作物 。华北地 区作为典型的一年两熟区[7] ,将冬小麦-夏玉米年内 轮作作为 一 个 整 体 进 行 周 年 灌 溉 制 度 的 考 虑 与 研 究,更为重要 。
目前针对整 个 华 北 地 区 以 及 冬 小 麦-夏 玉 米 一 年两熟的周年体系作为研究对象的优化灌溉制度的 报道较少且不系统,且以作物水分模型模拟较多,长 期田间定位试验较少 。 陈震等[8] 通过干旱灌水指数
第 6 期 刘英博等: 基于 CiteSpace 的华北冬小麦-夏玉米周年优化灌溉制度的节水潜力分析 3
模型计算了华北冬小麦-夏玉米轮作体系灌溉次数, 结果表明近 63 年来该种植模式每年需灌水 2~7 次 不等,平均需灌溉 5.1 次 。 张志宇等[9] 通过建立冬 小麦-夏玉米全年灌溉制度多目标优化模型,得到当 全年总灌水量为 472 mm 时,两种 作 物 均 接 近 充 分 灌溉,增 加 灌 水 量 的 边 际 效 益 将 逐 渐 减 少 。 Yang 等[10] 通过 16 年 田 间 定 位 试 验 评 估 了 冬 小 麦-夏 玉 米轮作在 7 种灌溉制度下的周年产量 、耗水量 、水分 生产力等指标,得出冬小麦 2 水夏玉米 1 水(年灌溉 量 225mm) 为最优灌溉 制 度 。 李 源 方 等[11] 通 过 田 间试验系统研 究 了 冬 小 麦-夏 玉 米 品 种 匹 配 及 灌 溉 制度对周年产量及 WUE 的影响,得出冬小麦(泰科 麦 30 ,2 水) 与夏玉米(郑单 958 ,1 水) 品种组合在年 灌溉量 180mm 下 周 年 产 量 和 WUE 最 佳 。 Zhang 等[12] 报道采用 高 水 效 冬 小 麦 品 种 在 其 不 灌 溉 条 件 下也能提高冬 小 麦-夏 玉 米 轮 作 体 系 的 年 均 产 量 和 WUE 。
文献计量学基于文献事实,是对以往研究的梳 理,以期总结研究现状与不足;它能从多方面多角度 揭示学科的整体布局 、发展方向和学科优势,目前已 广泛应用 于 农 业 科 学 分 析 中[13-17] 。 邬 亚 文 等[13] 分 析了 1998 — 2009 年全球水稻文献的数量和质量,发 现中国水稻发文量增加最为明显,而英国和美国发 表的水稻文 献 质 量 最 好 。 闫 鹏 等[16] 基 于 中 国 知 网 (CNKI) 和 Web of Science ( WOS) 数 据 库,对 1980 — 2015 年 来 有 关 华 北 地 区 农 业 用 水 问 题 的 文 献进行汇总分析,阐明了该领域的研究重点是农业 节水技术与 节 水 基 础 理 论 与 方 法 。 唐 朝 臣 等[17] 基 于 CNKI 和 WOS数 据 库 进 行 文 献 计 量,系 统 阐 述 了国内外甘薯体系的研究态势 。
因此,本文基于 CNKI 和 Web of Science 等 数 据库,采用文献计量 法,对 1995 — 2020 年 国 内 外 发 表的相关科技论文进行系统整理分析,旨在阐明华 北地区冬小麦-夏 玉 米 一 年 两 熟 制 的 周 年 优 化 灌 溉 制度节水潜力研究的现状和发展趋势,为相关研究 者提供一定的参考基础 。 同时,对麦玉模式中高灌 溉需水作物 冬 小 麦 的 各 项 节 水 技 术(如 喷 灌 、微 喷 灌 、滴灌等工程节水技术以及品种改良 、优化灌溉制 度等农艺节水技术) 进行了系统梳理,以定量表征冬 小麦的节水潜力,以期为华北麦玉模式周年节水技 术的再发展及潜力的再挖掘提供研究基础,为国内 外该领域的科研工作者和决策者提供参考 。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
本文所研究的华北地区包括三省二市,分别是 北京 市 、天 津 市 、山 东 省 、河 北 省 和 河 南 省(图 1)。 华北地区属于温带大陆性季风气候[18] ,光热资源丰 富,雨热同季,降 水 量 年 际 间 变 化 大 且 多 集 中 在 夏 季,冬季寒冷干燥,年均降水为 。
冬小麦-夏玉米 一 年 两 熟 制 是 华 北 地 区 最 主 要 的种植模式,占总耕地面积的 72% [20] 。 图 2 展示了 1983 — 2018 年华北地区各类粮食作物的播种面积, 得到小麦和玉米的播种面积在 35 年远远高于其他 粮食作物的播种面积,是我国重要的小麦和玉米生 产基地 。
1.2 数据来源
本研究的文献数据来源于两部分,英文文献来 源 于 Web of Science 核 心 合 集,包 括 Science Citation Index Expanded (SCIE)、Social Science Citation Index (SSCI) 和 Conference Proceedings Citation Index (CPCI) 等数据库,中文文献来源于 中国知网 (CNKI),包括中 国 学 术 期 刊 网 络 出 版 总 库 、中国硕士和博士学位论文全文数据库 。 中文文 献检索篇名 、主题或关键词中含有“冬小麦 AND 夏 玉米 AND 灌溉制度 OR 灌水次数”的文献 。 英 文 文献检索篇名 、主题或关键词中含有“winter wheat OR summer maize”的 文 献 。 检 索 的 论 文 发 表 时 间 范围为 1995-01-01 至 2020-01-01 ,共收集 223 篇文 献,导入 NoteExpress,对中英文文献进行初步筛选 和剔除重复 。
本研究文献筛选标准为:(1) 研究区域必须位于 华北地区;(2) 文献必 须 以 华 北 冬 小 麦-夏 玉 米 一 年 两熟制整体为研究对象,单个作物的灌溉制度研究 不包含在内;(3) 文献 具 有 冬 小 麦-夏 玉 米 作 物 全 生 育期的灌溉处理记录;(4) 文献必须含有冬小麦或夏 玉米生育期降水量 、灌溉量 、产量及水分利用效率, 或可根据文献中已有数据依据多数文献所采用的简 单水量平衡公 式(1) 和 水 分 利 用 效 率 公 式(2) 计 算 获得 。
ET = P +I+ΔW (1)
式中:ET 为作物生育期耗水量,mm;P 为生育期降 水量,mm;I 为 生 育 期 灌 溉 量,mm;ΔW 为 播 种 、收 获时土体贮水量的变化,mm 。
4 中 国 农 业 大 学 学 报 2022 年 第 27 卷
图 1 研究区域及田间试验地点分布
Fig.1 Study area and distribution of field experiment sites
图 2 华北地区主要作物播种面积
Fig.2 Sowing areas of different staple crops in the North China Plain
WUE = (2)
式中:WUE为作物水分利用率,kg/m3 ;Y 为作物籽 粒产量,(kg /hm2 );ET 为作物生育期耗水量,mm;
10 为单位转换系数 。
经过对文献的全文阅读与筛选,最后得到 93 篇 文献,其中中文文献 76 篇,英文文献 17 篇 。所查阅 的 76 篇中文文献包括 46 篇期刊文献,29 篇学位文
第 6 期 刘英博等: 基于 CiteSpace 的华北冬小麦-夏玉米周年优化灌溉制度的节水潜力分析 5
献和 1 篇会议文献 。所查阅的 17 篇英文文献全部 为期刊文献 。 93 篇 文 献 中 采 用 田 间 试 验 方 法 的 文 献有 72 篇,采用数学模型模拟方法的文献有 21 篇 。 所统计文献中的试验地点如图 1 所示 。
华北地区接近 2/3 的降水发生在 6~9 月,而冬 小麦生育期约 70%的 需 水 需 要 依 靠 抽 取 地 下 水 灌 溉满足[20] 。探究 有 关 冬 小 麦 节 水 技 术 的 节 水 潜 力 及提升冬小麦生育期的水分利用效率,对华北麦玉 周年水分利用效率的提升至关重要 。 因此,本文对 1995-01-01 至 2020-01-01 年 有 关 华 北 冬 小 麦 单 作 物的主要工 程 节 水 与 农 艺 节 水 技 术 进 行 了 系 统 梳 理,以期进一 步挖掘冬小麦的节水技术带来的节水 潜力,为有效降低麦玉模式的周年耗水提供参考与 支撑 。
根据上文所 述 的 统 计 方 法,从 WOS 核 心 合 集 及 CNKI 中检索得到冬小麦 、滴灌 、喷灌 、微喷灌 、品 种选育及优化灌溉制度等节水技术的相关文献,只 筛选位于华北的田间定位实验(模型研究不包含在 内)、文献必须有常规漫灌做对照,文献必须包含冬 小麦产量 、生育期耗水量及水分利用效率数据的两 者以上(或可根据生育期降水量 、灌溉量等计算得到 耗水量),通过对符合上文所述筛选标准的文献进行统 计,并与对照(常规漫灌) 相比,在 2.2 部分定量化了各 节水技术在冬小麦产量、水分利用效率上的差异。
1.3 研究方法
本研究采用文献计量学方法,利用 NoteExpress
进行数 据 提 取,借 助 CiteSpace 对 主 要 作 者 、机 构 、 关键词等进行可视化图谱分析 。
CiteSpace是基于 JAVA 程序语言编写 的 可 视 化软件,可通过一 定算法处理数据,绘制知识图谱, 以节点 、连线 、聚类等方式展现相关研究领域的热点 趋势 、核心力量等关键信息[21] 。
本文 整 理 筛 选 后 的 93 篇 文 献 导 入 Citespace 中,设定时区为 1995 — 2020 ,设定时间切片为 1 年, 设定节点类型(Node type) 为作者(Author)、关键词 (Keyword),选 择 剪 辑 切 片 网 络 (Pruning sliced networks) 的剪切连接方式,并最终采用展示整个网 络(Show merged network) 的方式完整呈现所筛选 数据的分析图谱 。
利 用 Excel 2019 和 CiteSpace 进 行 作 图 与 分析 。
2 结果与分析
2.1 研究文献发表量的年际变化
根据文 献 发 表 年 份 等 信 息,分 析 得 到 1995 — 2019 年有关华北冬小麦-夏玉米模式优化灌溉 制度 的中英文文献数量变化如图 3 所示 。 在 2000 年之 前,相关中英文文献发表量均较少;2000 年以后,相 关研究进入初期发展阶段,中文文献发表量虽然有 一定波动,但总体呈上升态势;英文文献发表量明显 少于中文文献,且 发 文 量 波 动 程 度 较 大,直 到 2016 年后英文文献发表才呈稳定上升趋势 。 2004 年后 ,
图 3 1995 — 2019 年华北地区冬小麦-夏玉米体系优化灌溉制度研究中英文文献发表数量
Fig.3 Studies on optimized irrigation regime of winter wheat-summer
maize system in the North China Plain during 1995-2019
6 中 国 农 业 大 学 学 报 2022 年 第 27 卷
该领域研究开始快速发展,中文文献数量开始逐步 增加 。2010 年 后,相 关 文 献 发 表 数 量 大 量 增 加, 2010 — 2019 年 间 中 英 文 文 献 发 表 量 占 统 计 文 献 总 量的 76% 。这是 因 为 随 着 华 北 粮 食 生 产 与 地 下 水 过度开采的矛盾日益严重,更多研究者开始关注该 地区冬小麦-夏玉米的优化灌溉制度,提高了相关研 究热度 。
2.2 主要研究机构
根据第一作者单位统计,发表文献数量排名前 10 的机构见表 1 。 1995 — 2019 年,发表关于华北地 区冬小麦-夏玉米 模 式 周 年 优 化 灌 溉 制 度 研 究 的 前
三位机构分别是中国农业大学 、中国科学院遗传与 发育生物研 究 所 农 业 资 源 研 究 中 心 与 河 南 农 业 大 学 。其文献发表主要发生于 2010 年之后,与图 3 文 献发表趋势吻合 。
在总发文量排名前 10 的机构中,大学占 60% , 尤其农科类大学是我国华北地区麦玉模式周年优化 灌溉制度研究的重要力量 。其中中国农业大学累计 发表 中 英 文 文 献 共 计 25 篇,占 总 文 献 数 量 的 26.88% ,主要集中在河北省吴桥试验站 。其次为中 国科学院栾城农业生态系统试验站,多为长期定位 实验和冬小麦或夏玉米为对象 。
表 1 华北地区冬小麦-夏玉米模式周年优化灌溉制度发表文献数量前 10 名机构统计
Table 1 Top ten institutions on optimized irrigation regime of winter
wheat-summer maize system in the North China Plain
排序 Rank |
研究机构 Research institution |
数量/篇 Number |
占发文总量比例/% Proportion in total published literatures |
1 |
中国农业大学 China Agricultural University |
25 |
26.88 |
2 |
中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 Agricultural Resources Research Center , Institute of Genetics and Developmental Biology,Chinese Academy of Sciences |
9 |
9.68 |
3 |
河南农业大学 Henan Agricultural University |
9 |
9.68 |
4 |
中国科学院地理科学与资源研究所 Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Cas |
7 |
7.53 |
5 |
山东农业大学 Shandong Agricultural University |
7 |
7.53 |
6 |
华北水利水电大学 North China University of Water Resources and Electric Power |
7 |
7.53 |
7 |
中国农业科学院农田灌溉研究所 Institute of Farmland Irrigation , Chinese Academy of Agricultural Sciences |
6 |
6.45 |
8 |
中国农业科学院作物科学研究所 Institute of Crop Sciences,Chinese Academy of Agricultural Sciences |
3 |
3.23 |
9 |
河北农业大学 Hebei Agricultural University |
3 |
3.23 |
10 |
青岛农业大学 Qingdao Agricultural University |
3 |
3.23 |
6 中 国 农 业 大 学 学 报 2022 年 第 27 卷
2.3 试验站点分布
共收集到田间试验站点有 27 个,如图 1 所示 。 发表文献数目排名前 10 的站点如图 4 所示 。其中 发表文献最 多 的 试 验 站 点 是 中 国 科 学 院 栾 城 试 验 站,共有 14 篇分别为英文文献 7 篇,中文文献 7 篇 。
其次是中国农业大学 吴桥试验站,共有 13 篇(英文 3 篇,中文 10 篇)。 除此之外,中科院禹城综合实验 站 、中国农业科学院河 南新乡农业水土环境野外科 学观测试验站 、山东省泰安农业气象试验站 、中国农 业大学 北 京 通 州 试 验 站 、郑 州 农 业 气 象 试 验 站 等
第 6 期 刘英博等: 基于 CiteSpace 的华北冬小麦-夏玉米周年优化灌溉制度的节水潜力分析 7
图 4 华北地区各试验站点相关中英文文献发表数量
Fig.4 Number of publications from the referred experiment stations in the North China Plain
5 个试验 站 点 所 发 表 文 献 数 量 也 均 大 于 或 等 于 5 篇,以上试验站点为华北地区冬小麦-夏玉米模式周 年优化灌溉制度研究做出了很大贡献 。
2.4 发表期刊分析
在搜集到的 76 篇 中 文 文 献 中,46 篇 期 刊 文 献 共涉及 17 个期刊,其文献发表数量与期刊所属省份 等信息如表 2 所示 。近年来发表相关文献最多的期 刊是农业工程学报,发表文献数 目 占中文文献总数 的 13% ,其 次 为 中 国 生 态 农 业 学 报 发 表(中 英 文) 7 篇 。此外,灌溉 排 水 学 报 与 中 国 农 业 科 学 等 期 刊 也都在该研究主题发表过多篇文献,占有重要地位 。
17 篇英文文献全部为国际期刊文献(表 3),共 涉及 11 个不同英文期刊,期刊总部涉及 5 个不同国 家,其中 4 个期刊总部来 自 荷兰,3 个来自美国,2 个 来自瑞士,2个来自英国,其中总部来自荷兰的期刊影 响相对较高,如 AgriculturalWaterManagement 在 该 领域发表英 文 文 献 最 多,占 英 文 文 献 总 数 的 41% , 除此期刊之外的 10 个英文期刊发表文献数量均为 1 篇,这表明 AgriculturalWaterManagement 是该 领域的热门期刊,被同行认可度较高 。 2018 年后发 表的英文期刊文献占英文期刊文献总数的 47% ,说 明相关学者近年来更加重视高水平国际期刊的论文 发表,这也表明了近年来我国相关研究机构和研究 人员更加倾向于将该领域领先进的研究内容发表在
国际期刊中 。
2.5 高影响力文献
关于华北冬 小 麦-夏 玉 米 周 年 优 化 灌 溉 制 度 的 发表文献中被引用次数排名前 10 的论文情况如表 4 和 5 所示 。被引次数排名前 10 的中文文献中有 5 篇发表于 2010 年后,占文献总数 45.5% ,同期发表 的英文文献占被引次数排名前 10 的英文文献总数 的 50% 。 这 说 明 在 2010 年 之 后,该 领 域 的 相 关 研 究较之前取得了较大进步 。
2.6 主要发文作者
利用 CiteSpace 中 Author 分 析 功 能 对 发 文 作 者进行分析,得到发文作者图谱如图 5 所示 。来 自 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究 中心的张喜 英 在 该 领 域 发 文 数 量 最 多,李 潮 海 、任 理 、孙宏勇 、孙景生等科研人员同样在该领域有较大 贡献 。 由图 5 可以看出,不同作者间主要以核心作 者为节点开展合作研究,但核心作者彼此之间合作 较少,这主要是因为不同作者所属团队 、单位不同, 同时地理距离较远,联系相对较少 。 未来该领域研 究应当加强不同团队 、不同作者间的合作 。
2.7 关键词分析
关键词可视化分析在很大程度上能反映学科的 主要研究内容 、研究现状 、研究热点和发展趋势等内 容[41] 。选择 CiteSpace软件“Keyword”功 能 绘 制 关
8 中 国 农 业 大 学 学 报 2022 年 第 27 卷
表 2 中国知网数据库中华北地区冬小麦-夏玉米模式周年优化灌溉制度研究相关期刊
Table 2 Journals and number of publications on optimized irrigation regime of winter
wheat-summer maize system in the North China Plain from CNKI database
期刊 Journal |
文献数量/篇 Number of literatures |
是否为核心期刊 Corejournal or not |
农业工程学报 Transactions oftheChineseSociety ofAgriculturalEngineering 中国生态农业学报(中英文) ChineseJournalofEco-Agriculture 灌溉排水学报 Journalof Irrigationand Drainage 中国农业科学 ScientiaAgricultura Sinica 水土保持学报 Journalof Soiland WaterConservation 干旱地区农业研究 AgriculturalResearchintheAridAreas 作物杂志 Crops 水利学报 Journalof HydraulicEngineering 应用生态学报 ChineseJournalofAppliedEcology 生态学报 ActaEcologica Sinica 农业机械学报 TransactionsofTheChineseSociety ofAgriculturalMachinery 作物学报 ActaAgronomica Sinica 核农学报 ActaAgriculturae Nucleatae Sinica 中国农村水利水电 ChinaRuralWaterand Hydropower 河南农业科学 Journalof HenanAgricultural Sciences 人民黄河 Yellow River 节水灌溉 WaterSaving Irrigation |
10
7
5 5 4 4 2 2 1 1 1
1 1 1 1 1 1 |
是
是
是 是 是 是 是 是 是 是 是
是 是 是 是 是 是 |
表 3 Web ofScience数据库中华北地区冬小麦-夏玉米模式周年优化灌溉制度研究相关期刊
Table 3 Journals and number of publications on optimized irrigation regime of
winter wheat-summer maize system in the North China Plain from Web of Science database
期刊 Journal |
文献数量/篇 Number of literatures |
国家 Country |
||
AgriculturalWaterManagement |
7 |
荷兰 the Netherlands |
||
Scienceof the TotalEnvironment |
1 |
荷兰 the Netherlands |
||
Journalof Integrative PlantBiology |
1 |
英国 UK |
||
Agronomy-Basel |
1 |
瑞士 Switzerland |
||
AgriculturalSystems |
1 |
英国 UK |
||
IrrigationScience |
1 |
美国 USA |
||
Frontiersinplant science |
1 |
瑞士 Switzerland |
||
Irrigationand Drainage |
1 |
美国 USA |
||
Agronomy Journal |
1 |
美国 USA |
||
ComputersandElectronicsinAgriculture |
1 |
荷兰 the Netherlands |
||
Agriculturaland ForestMeteorology |
1 |
荷兰 the Netherlands |
||
表 4 CN$I数据库华北地区冬小麦-夏玉米模式周年优化灌溉制度高被引!排名前 10"文献
Table4 Numberofhighly-citedpublicationsonoptimizedirigationregimeofwinterwheat-summermaizesystem intheNorthChinaPlainfrom CNKIdatabase!Top10)
排序 Rank |
文献题目 Titleoftheliterature |
第 一作者 First author |
第 一单位 Firstafiliation |
文献来源 Literatureresources |
被引次数 Timesof citation |
发表年份 Published year |
1 |
太行山山前平原冬小麦和夏玉米灌溉指标研究 Indexsystem forwinterwheatandmaizeinthepiedmont ofmountainTaihagn |
张喜英[21] ZhangX Y |
中国科学院石 家 庄 农 业 现 代 化 研 究所 ShiJiazhuangInstituteofAg- riculturalModernization%Chinese AcademyofSciences |
农 业 工 程 学 报 TranSactionS oftheChineSeSocietyofAg- riculturalEnginering |
86 |
2002 |
2 |
鲁西北平原冬小麦和夏玉米耗水量的实验研究 Experimentalstudyonwaterconsumptionofwinterwheat andsummermaizeinnorthwestShandongPlain |
任鸿瑞[22] RenH R |
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文献题目 Titleoftheliterature |
第 一作者 First author |
第 一单位 Firstafiliation |
文献来源 Literatureresources |
被引次数 Timesof citation |
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8 |
基于最优保留策略遗传算法的玉米小麦优化灌溉模型研究 StudyonmaizeandwheatOptimalIrigationModelbased onGeneticAlgorithm withoptimalretentionstrategy |
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表 5 webofScience数据库华北地区冬小麦-夏玉米模式周年优化灌溉制度高被引!排名前 10"文献
Table5 Numberofhighly-citedpublicationsonoptimizedirigationregimeofwinterwheat-summermaizesystem intheNorthChinaPlainfrom WebofSciencedatabase!Top10)
排序 Rank |
文献题目 Titleoftheliterature |
第 一作者 First author |
第 一单位 Firstafiliation |
文献来源 Literature resources |
被引次数 Timesof citation |
发表年份 Published year |
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Efectofsoilwater deficiton evapotranspiration%crop yield%andwateruseeficiencyintheNorthChinaPlain |
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表 5!续)
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文献题目 Titleoftheliterature |
第 一作者 First author |
第 一单位 Firstafiliation |
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12 中 国 农 业 大 学 学 报 2022 年 第 27 卷
图 5 华北冬小麦-夏玉米轮作周年优化灌溉制度主要发文作者分析
Fig.5 Analysis of main authors of winter wheat-summer maize double cropping system in the North China Plain
键词共现图谱(图 6),其 中 圆 圈 大 小 和 字 体 大 小 以 及所处位置和中心点的距离均与关键词出现次数呈 正相关 。 图中共有节点 256 个,连线 713 条,网络整 体密度 0.021 8 ,关 键 词 共 现 网 络 结 构 整 体 密 度 不 高,但网络结构形态较好,说明相关主题研究较为集 中 。 图 6 表明 华 北 地 区 冬 小 麦-夏 玉 米 模 式 灌 溉 制 度的研究点主要集中在产量与水分利用效率上,同 时作物光合特性 、生长特性 、耗水规律 、模型模拟 、水 分生产函数 、土壤水分 、滴灌 、种植方式等出现的次 数同样较高,并且与冬小麦-夏玉米模式水分研究联 系较为紧密,与高频词产量结合关系较近 。
为明 确 各 个 关 键 词 在 研 究 中 的 关 系,通 过 CiteSpace对关键词做聚类分析,得到关键词共现聚 类图谱(图 7),其 中 去 除 了 聚 类 词 不 能 合 理 表 达 聚 类结果的聚类标签 。关键词聚类图谱清晰地将关键 词 的 强 聚 类 性 在 图 中 表 现 出 来,聚 类 模 块 值 ( Modularity) 为 0.691 9 ,聚 类 结 构 显 著,聚 类 平 均 轮廓值 0.901 4 ,聚类类别令人信服,结果中聚类大 小和聚类强度就是聚类图谱中关键词字体大小和词 组紧凑程度的指征 。 图 7 可以看出非充分灌溉条件 与产量及水分利用效率紧凑强度非常高,说明非充 分灌溉条件下的产量及水分利用效率是该研究主题
的主要内容 。此外,土壤水分与土壤棵间蒸发 、非充 分灌溉条件与水分生产函数同样联系紧密 。冬小麦 与非充分灌溉 、水分利用效率联系密切,作为生育期 需大量补充灌溉的作物,其研究热点相较于夏玉米 更贴近与灌溉方向 。
时区图可以展示某学科领域内热点关键词随时 间的发展,突发性检测被认为是高度活跃研究领域 的指示器,它可以探索新兴趋势和转瞬即逝的潮流, 为国内学术界对研究热点的持续时间提供较为清晰 的可视化分析[42] 。利用 CiteSpace得到时区图谱和 突显词功能进而绘制图 8 ,得到近五年华北冬小麦- 夏玉米模式周年优化灌溉制度的研究在作物生长特 性以及 水 分 生 产 函 数 上 有 较 高 热 度,研 究 起 始 为 1995 年对于冬小麦耗水量的相关研究,1998 年引入 灌溉制度的相关研究,并在 2000 年之后开展了大量 有关节水 、增产及土壤水分相关的研究,通过图中同 时可看出,有关土壤水分 、耗水特性相关研究都与产 量密不可分,近年来有关冬小麦-夏玉米周年水分利 用的研究仍然主要围绕作物需水规律和产量开展, 随着研究的深入,越来越多的研究方法与思想融入 了该研究体系,如多 目标优化 、水分生产函数 、光合 特性等方面的研究关键词的出现也证实了这一点 。
第 6 期 刘英博等: 基于 CiteSpace 的华北冬小麦-夏玉米周年优化灌溉制度的节水潜力分析 13
图 6 华北冬小麦-夏玉米轮作周年优化灌溉制度关键词共现图谱
Fig.6 Keywords co-occurrence map of winter wheat-summer maize double cropping system in the North China Plain
2.8 华北地区高耗水作物冬小麦节水技术研究态势
华北地 区 近 60% 的 降 水 发 生 在 夏 玉 米 生 长 季[43] ,导致冬小麦生育期约 300 mm 的需水要依靠 地下水 灌 溉 满 足[44] 。 因 此,提 高 华 北 冬 小 麦-夏 玉 米体系的水分利用效率,重点在冬小麦的水分利用 效率的提升上 。前人对冬小麦单个作物的节水技术 进行了广泛研究 。传统大水漫灌不仅容易产生深层 渗漏,并且不易控制灌水量,无法做到精量灌溉 、浪 费水资源[45] ,良 好 的 农 艺 节 水 技 术 如 优 化 灌 溉 制 度 、生物节水技术如选育抗旱品种 、以及结合工程节 水技术如滴灌 、喷灌 、微喷灌等,可减少田间水分无 效散失 、提高作物产量进而提高作物水分利用效率 。
本文接下来对过去 25 年来有关华北冬小麦的 主要 工 程 节 水 与 农 艺 节 水 技 术 进 行 了 系 统 梳 理 (表 6),以期进一 步挖掘冬小麦的节水潜力,为有效
降低麦玉模式的周年水分消耗提供依据 。通过对符 合上文所述筛选标准的文献进行统计,并计算与对 照(常规漫灌) 相比,各节水技术在冬小麦产量 、水分 利用效率上的差异,见表 6 。
结果表明,与 常 规 漫 灌(3 水,约 225 mm 总 灌 溉量) 相比,喷灌 、滴灌 、微喷灌 、选用抗旱节水品种 等技术具有较为稳定的节水增产潜力,可降低田间 耗水 量 7% ~13% 、产 量 不 同 程 度 地 增 加 2% ~ 10% ,进而提高 了 冬 小 麦 的 水 分 利 用 效 率 约 5% ~ 28% 。优化灌溉制度,减少灌溉次数,根据不同的降 水年型保证冬小麦关键生育期的需水,可明显提高 冬小麦生育期的水分利用效率 。 据不完全统计,雨 养(0 次灌水) 情况下,产量约降低 18% ,耗水量降低 约 25% ,WUE提高约 9% 。 1 水(多为 75mm 的拔 节水) 情况下,产量约降低 9% ,耗水量降低约 14% ,
14 中 国 农 业 大 学 学 报 2022 年 第 27 卷
图 7 华北冬小麦-夏玉米轮作周年优化灌溉制度关键词共现聚类图谱
Fig.7 Keywords co-occurrence cluster atlas of winter wheat-summer
maize double cropping system in the North China Plain
图 8 华北冬小麦-夏玉米轮作周年优化灌溉制度关键词时区图谱
Fig.8 Keywords of time-zone map of winter wheat-summer maize double cropping system in the North China Plain
WUE提高约 6% 。 2 水(多为拔节,开花或灌浆水, 75mm/次) 情况下,产量约降低 2% ,耗水量降低约 9% ,WUE提高约 7% 。
有些研究对秸秆覆盖和地膜覆盖进行了探究,发 现秸秆覆盖可减少土壤蒸发、少量增产,但也有不少
研究表明 秸 秆 覆 盖 会 导 致 冬 小 麦 穗 数 降 低 进 而 减 产[46] 。地膜覆盖,在华北有一些田间试验探索,但存在 不易机械化播种、追肥不便[47] 、更易使冬小麦发生倒 伏[48] ,更重要的是增加成本和环境污染等问题,故此地 膜覆盖、秸秆覆盖在华北冬小麦上并不宜使用推广。
14 中 国 农 业 大 学 学 报 2022 年 第 27 卷
第 6 期 刘英博等 :基于 CiteSpace 的华北冬小麦-夏玉米周年优化灌溉制度的节水潜力分析 15
表 6 华北冬小麦节水技术下产量、耗水量与水分利用效率变化情况
Table 6 Differences of yield,ET and WUE of winter wheat under water-saving technologies in the North China Plain
节水技术 Water-saving techniques |
产量变化/% Yield change |
ET变化/% Evapotran- spiration change |
WUE变化/% Water use efficiency change |
中文数量 Number of literatures in Chinese |
英文数量 Number of literatures in English |
总文献 数量/篇 Number of total literatures |
喷灌 Spray irrigation
滴灌 Drip irrigation |
+10% |
-9% |
+21% |
16 |
4 |
20 |
(0~44%) |
(-24%~0) |
(0~52%) |
|
|
|
|
+9% |
-13% |
+28% |
4 |
7 |
11 |
|
(-4%~56%) |
(-32%~1%) |
(1%~100%) |
|
|
|
|
微喷灌 |
+2% |
-7% |
+14% |
8 |
3 |
11 |
Micro-spray irrigation |
(-6%~15%) |
(-26%~14%) |
(3%~34%) |
|
|
|
品种选育 Breeding
灌溉制度优化 Irrigation regime optimize |
+7% (6%~7%) |
+1% (-2%~5%) |
+5% (1%~9%) |
2 |
0 |
2 |
0 水 Zero irrigation |
-18% |
-25% |
9% |
|
|
|
(-29%~1%) |
(-30%~-20%) |
(-6%~33%) |
|
|
|
|
1 水 One irrigation |
-9% (-19%~3%) |
-14% (-20%~-6%) |
6% (-7%~28%) |
2 |
7 |
9 |
2 水 Two irrigations |
-2% |
-9% |
7% |
|
|
|
(-9%~4%) |
(-12%~-7%) |
(3%~11%) |
|
|
|
注:1 水多为 75mm 的拔节水;2 水多为拔节 、开花或灌浆水,75mm/次 。
Note:One irrigation is mostly at jointing stage of 75 mm ;Two irrigation are mostly at jointing stage ,anthesis or filling stage with
75mm/time.
第 6 期 刘英博等 :基于 CiteSpace 的华北冬小麦-夏玉米周年优化灌溉制度的节水潜力分析 15
3 讨 论
3.1 华北冬小麦-夏玉米周年灌溉制度优化文献计
量发展态势
之前大多数学者主要关注华北冬小麦或夏玉米 单一作物而不是整个种植模式的水分利用研究 。有 关冬小麦或夏玉米单一作物优化灌溉制度的发文量 较多,但研究冬小麦-夏玉米周年种植模式上的优化 灌溉制度发文量就相对较少 。 在近十年内,华北地 区冬小麦-夏玉米 一 年 两 熟 制 的 优 化 灌 溉 制 度 研 究 热度迅速增加 。2010 年以前的相关研究,发表文献 数量少且主要以中文为主 。在 2010 年之后,相关研 究发表文献数量和引用量较 2010 年之前有明显增
加,英文文献的发表量迅速增长 。 2010 年以来我国 科研工作者 在 该 领 域 发 表 文 献 数 量 和 质 量 不 断 提 高 。但目前有关冬 小 麦-夏 玉 米 一 年 两 熟 周 年 水 分 利用及水分生产力进一 步提升的机理还有待于进一 步挖掘与阐释 。
对于该领域的研究机构来说,固定的试验站点 和长期定位试验需要加强重视 。处于领先地位的中 国农业大学和中科院遗传与发育生物学研究所农业 资源研究中 心 分 别 在 河 北 吴 桥 和 栾 城 有 固 定 试 验 站,并在站内设定长期定位实验,为其科研人员进行 冬小麦-夏玉米模 式 优 化 灌 溉 制 度 的 节 水 潜 力 研 究 打下了坚实基础 。 目前相关研究不同作者间以核心 作者为节点展开的合作较多,但是核心作者间合作
16 中 国 农 业 大 学 学 报 2022 年 第 27 卷
少,导致大多数作者间联系少,需要在未来加强不同 单位 、不同团队 、不同作者间的合作 。
尽管国内学 者 对 于 华 北 冬 小 麦-夏 玉 米 实 际 生 产情况更为了解,但从文献计量结果来看 目前关于 华北冬小麦-夏玉 米 模 式 优 化 灌 溉 制 度 的 研 究 很 少 与美国康奈尔大学 、丹麦哥本哈根大学 、荷兰瓦赫宁 根大学等国际知名机构展开合作交流 。 国内学者应 利用自身对华北实际生产非常熟悉的优势,并且加 强与国际知名研究单位的合作,以期引入新节水技 术 、节水设备 以 及 相 关 领 域 的 研 究 内 容 、算 法 或 模 型,提高该领域科研的整体水准,既服务实际生产, 又与国际接轨 。本研究采用文献计量法进行系统总 结,文献计量学所有文献来自各类数据库,而数据库 内的文章数量 、被引次数等在不断更新 。 因此,针对 特定学科领域的文献计量学研究可能会受到所选数 据库类型 、检索关键词 、检索时间等的影响 。考虑到 数据库的不断更新,本研究只能力求客观公正的研 究某一 时间段内该领域的发展态势 。
3.2 关于华北地区冬小麦-夏玉米轮作模式周年节
水发展的建议
前人对于冬小麦 、夏玉米单个作物的单项农艺 、 工程等节水技术研究较多,本文考虑应将冬小麦 、夏 玉米的农艺节水措施与工程节水措施等单一技术相 互融合,从品种选育[49-50] 、优化灌溉制度(优化灌溉 时 间 和 灌 溉 量 等) [51-53] 、栽 培 方 式 ( 播 期[54-56] 、密 度[54-56] 、化学调控[57] 等)、灌溉技术[58-59] 等多方面出 发,选 用 节 水 抗 旱 小 麦[60] 、玉 米 品 种[61] 、精 量 灌 溉[62] 、覆 盖 保 墒[63] 、水 肥 一 体 化[64] 、滴 灌 与 微 喷[65-66] 等技术相互结合,构建整合的配套节水技术 体系和灌溉设备 与 技 术 。 同 时 将 冬 小 麦-夏 玉 米 一 年两茬作为一个体系来充分考虑周年的水分利用, 合理优化周年的灌溉制度,促进冬小麦的根系下扎, 扩大冬小麦收获后的土壤水库空库容,便于更多地 接纳汛期多余的降水,减少水分的渗漏流失,同时也 更好地截留夏季未被利用的速效氮素,减少养分的 流失[67] 。
4 结论与展望
近十年来,关于华北地区冬小麦-夏玉米一年两 熟制 周 年 优 化 灌 溉 制 度 的 研 究 热 度 不 断 上 升, 2010 — 2019 年 间 在 该 领 域 发 表 的 中 英 文 文 献 数 量 占 检 索 条 件 下 (1995 初 — 2019 年 末) 总 文 献 量 的 76% ,且发文质量明显提升 。 主要由于华北地区地
下水漏斗问题日益严峻,与粮食生产矛盾日益加剧, 相关问题引起了学术界重视,另外国家近些年对于 该领域科研的持续投入,使得相关研究可以在华北 地区大规模进行 。
虽然该领域研究热度不断上升,但是引起学术 共同体的整体关注度不足,且存在着如试验站点分 布不均 、作者间合作较少 、缺少长期稳定的定位试验 等问题 。未来,应当继续加强华北地区冬小麦-夏玉 米一年两熟制周年优化灌溉方面的研究,挖掘该模 式的最大节水产粮潜力,着重于解决现存问题并同 时结合先进的工程 、农艺 、生物及管理措施,以形成 整合的配 套 麦 玉 一 年 两 熟 制 的 节 水 技 术 体 系 。 同 时,在相关领域的研究和技术发展落实离不开节水 政策的支持,故此在未来也应该提高节水政策的关 注度,为解决华北地区水资源匮乏与粮食生产的矛 盾问题提供切实可行的节水技术与实践依据,为服 务三农提供支撑 。
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责任编辑:秦梅
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