鄒鈺文, 黃 萱, 佘冬立

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，210098，南京； 2.中國(guó)科學(xué)院 教育部 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌)

黃土高原作為黃河泥沙主要來源地總面積64萬km2，是地球上分布最集中且面積最大的黃土區(qū)，同時(shí)也是全球最嚴(yán)重的水土流失區(qū)域之一。在侵蝕溝道修筑淤地壩既能夠攔蓄泥沙，也能增加耕地面積[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止目前黃土高原淤地壩建壩量超過11萬座[2]，淤地壩有效削減輸入黃河的泥沙，因此淤地壩環(huán)境效應(yīng)研究也逐步成為黃土高原地區(qū)土壤侵蝕研究熱點(diǎn)。目前，學(xué)者們從不同角度對(duì)淤地壩的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行研究闡述。通過量化河流泥沙負(fù)荷隨時(shí)間的變化及其驅(qū)動(dòng)因素，得出淤地壩是20世紀(jì)70—90年代泥沙量減少的主要原因的結(jié)論[3]，并分離出氣候變化和淤地壩對(duì)黃土高原減沙效益的影響，為黃土高原水土保持提供科學(xué)依據(jù)具有重要意義[4]。為了實(shí)現(xiàn)淤地壩可持續(xù)減沙，淤地壩攔沙的時(shí)效性以及壩體淤滿后壩地的攔沙過程成為研究重點(diǎn)[5]，許多研究從淤地壩建設(shè)管理技術(shù)和空間分布格局出發(fā)，探索提升淤地壩減沙效益的方法[6]。同時(shí)，淤地壩的修建改變了土壤性質(zhì)、地上和地下生物量以及土壤侵蝕過程，使碳氮磷的生物地球化學(xué)循環(huán)過程發(fā)生重大變化，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)，通過分析淤地壩土壤碳氮等隨土壤顆粒的重分布特征[7]，結(jié)合淤地壩截留量對(duì)土壤碳、氮的真實(shí)估算，能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量和碳、氮的生物地球化學(xué)循環(huán)過程[8]。雖然目前已有對(duì)該領(lǐng)域熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)的探究成果[9]，但是疏于對(duì)該領(lǐng)域知識(shí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)梳理的關(guān)注。識(shí)別研究前沿對(duì)學(xué)科發(fā)展具有良好的促進(jìn)作用，而對(duì)于研究前沿的識(shí)別方法，主要分為基于引用關(guān)系的方法、基于文本內(nèi)容的方法和基于復(fù)合關(guān)系的方法[10]。為了彌補(bǔ)單一方法的不足，筆者采用多種方法相結(jié)合的方式分析淤地壩對(duì)黃土高原環(huán)境影響中研究的進(jìn)展及熱點(diǎn)，將基于引用關(guān)系的共被引分析法和基于文本內(nèi)容的關(guān)鍵詞分析法相結(jié)合，梳理本領(lǐng)域近10年來的發(fā)展脈絡(luò)，總結(jié)研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)。重點(diǎn)解決如何直觀反映本領(lǐng)域發(fā)展歷程和研究熱點(diǎn)問題，從而預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)并為黃土高原地區(qū)水土保持研究工作的深入開展提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)分析方法

筆者以Web of Science核心合集為數(shù)據(jù)源，采用檢索詞為TS=((erosion* or soil erosion* or soil loss* or sediment*) and (check dam* or check-dam or dam*) and (Loess Plateau*))，時(shí)間跨度為2010—2019年，檢索時(shí)間為2019年10月20日，共檢索到234篇相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)文章的題目、摘要、關(guān)鍵詞等對(duì)文章進(jìn)行篩選分析后，選擇研究性論文和綜述作為數(shù)據(jù)來源，最終獲得有效數(shù)據(jù)樣本212篇。

CiteSpace是一款能夠通過可視化手段呈現(xiàn)該學(xué)科知識(shí)領(lǐng)域發(fā)展過程、規(guī)律和分布情況的Java應(yīng)用程序[11]。筆者主要通過CiteSpace軟件對(duì)從Web of Science文庫(kù)中獲取的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行定性及定量的分析，利用科學(xué)計(jì)量學(xué)、統(tǒng)計(jì)分析方法以及信息可視化的相關(guān)知識(shí)，統(tǒng)計(jì)作者、機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻率與分布情況，從而確定出淤地壩對(duì)黃土高原環(huán)境影響中研究的發(fā)展脈絡(luò)和方向，通過可視化的圖譜準(zhǔn)確直觀的表達(dá)該領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)[12]。

2 總體概況分析

2.1 研究規(guī)模演變

為了解淤地壩對(duì)黃土高原環(huán)境效應(yīng)影響的研究演變規(guī)律，系統(tǒng)分析該領(lǐng)域研究規(guī)模的演變情況。由圖1可見，發(fā)文量在整體上呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，年均發(fā)文數(shù)量從1996年(3篇)到2019年(42篇)增長(zhǎng)了14倍。其中近10年(2010—2019)該領(lǐng)域累積發(fā)文212篇，占總發(fā)文量的80%以上。

圖1 1996—2019年年均發(fā)文量和累積發(fā)文量變化Fig.1 Annual number of literatures and cumulative number of literatures during 1996—2019

2.2 作者合作網(wǎng)絡(luò)分析

根據(jù)檢索Web of Science得到的數(shù)據(jù)，利用CiteSpace分析作者合作網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步了解主要研究者群體及其之間的合作關(guān)系。根據(jù)發(fā)文量排名前50的研究者繪制結(jié)構(gòu)圖譜(圖2)。主要形成7個(gè)合作團(tuán)體，分別是：中科院水保所的穆興民、趙廣舉、高鵬、孫文義和焦菊英；西安理工大學(xué)的李鵬、徐國(guó)策和高海東；中科院水保所的方怒放和史志華；中科院水保所的楊明義、張風(fēng)寶；湖南大學(xué)的李忠武、聶小東和肖海兵；中科院生態(tài)中心的傅伯杰和汪亞峰；中科院地理所的邵明安和趙培。

圖2 作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.2 Cooperation network map of authors

對(duì)發(fā)文數(shù)量前10的作者進(jìn)行進(jìn)一步分析，穆興民以發(fā)文數(shù)量20篇成為該領(lǐng)域最有影響力的學(xué)者，其次是趙廣舉、高鵬、方怒放，這些學(xué)者在黃土高原淤地壩研究中具有較高的媒介作用和影響力。其中大部分作者的h-index都在15以上，表明黃土高原淤地壩領(lǐng)域的研究者大多具有較高的學(xué)術(shù)影響力和社會(huì)認(rèn)可度。在該領(lǐng)域中，作者之間雖然有合作但是并不集中，尚未形成真正的核心作者群。同時(shí)，高產(chǎn)、高被引作者間合作較多，而非高產(chǎn)、高被引作者間合作較少。

2.3 機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)分析

利用CiteSpace繪制黃土高原淤地壩研究的機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)(圖3)?？梢姡饕难芯繖C(jī)構(gòu)有中國(guó)科學(xué)院(Chinese Academy of Sciences)、西北農(nóng)林科技大學(xué)(Northwest A&F University)和西安理工大學(xué)(Xi′an University of Technology)等，這些機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的研究中有較大的影響力。

圖3 機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.3 Cooperation network map of institutions

3 研究進(jìn)展與熱點(diǎn)分析

3.1 研究進(jìn)展分析

對(duì)212篇檢索的SCI文獻(xiàn)中的10篇高被引論文進(jìn)行分析，探究本學(xué)科的研究進(jìn)展與前沿方向。10篇高被引文獻(xiàn)中，WANG等[13]于2011年發(fā)表的《Check dam in the Loess Plateau of China: Engineering for environmental services and food security》被引頻次26次，該文章通過收集資料實(shí)地調(diào)查，系統(tǒng)估算在過去的50年里，黃土高原大約修建11萬座淤地壩，主要分布在陜西、山西、內(nèi)蒙古、河南、甘肅、寧夏、青海等7省(區(qū))。淤地壩共蓄水210億m3，平均每年攔截3～5萬t泥沙。ZHAO等[14]在2015年發(fā)表的《Sediment yield estimation in a small watershed on the northern Loess Plateau, China》被引頻次26次，并列第一，該研究估算黃土高原北部皇甫川流域一個(gè)小型壩控流域土壤侵蝕強(qiáng)度，采用改進(jìn)的WATEM/SEDEM模型進(jìn)行驗(yàn)證并取得滿意的預(yù)測(cè)結(jié)果，為黃土高原無水文資料流域的土壤侵蝕模擬提供新思路。FU等[15]于2011年發(fā)表的《Assessing the soil erosion control service of ecosystems change in the Loess Plateau of China》一文中，利用遙感影像，采用通用土壤流失方程(universal soil loss equation, USLE)定量評(píng)估2000—2008年間土地利用變化和淤地壩等水保措施對(duì)黃土高原減水減沙的效益。

對(duì)212篇檢索的SCI文獻(xiàn)在CiteSpace中進(jìn)行文獻(xiàn)共被引分析，聚類分析共被引網(wǎng)絡(luò)，得到共被引聚類7組，具體如圖4所示，能夠清楚劃分類別，聚類結(jié)果良好。從文獻(xiàn)共被引圖譜中可以看出，目前關(guān)于黃土高原淤地壩的土壤侵蝕研究主要圍繞5個(gè)部分展開：

圖4 文獻(xiàn)共被引聚類圖譜Fig.4 Cluster map of co-cited references

1)“WATEM/SEDEM”模型的應(yīng)用。WATEM/SEDEM模型除了可以用來模擬土壤侵蝕，還可以利用附加的輸入?yún)?shù)模擬侵蝕物質(zhì)的運(yùn)輸過程。模型常被用來模擬淤地壩庫(kù)容隨時(shí)間的變化以及泥沙產(chǎn)量，比較淤地壩在預(yù)期壽命和輸沙率方面的性能。

2) 同位素和指紋識(shí)別技術(shù)確定小流域的泥沙來源。在黃土高原地區(qū)主要以137CS、210Pb、TN、低頻磁化率、Cu、226Ra等作為泥沙來源識(shí)別因子揭示淤地壩壩地沉積旋迴的形成過程。

3)產(chǎn)沙量與產(chǎn)沙模數(shù)的計(jì)算。淤地壩產(chǎn)沙量與產(chǎn)沙模數(shù)的計(jì)算是衡量淤地壩減沙效益的根本指標(biāo)，對(duì)于淤地壩的工程設(shè)計(jì)與管理都具有重要意義。常用的產(chǎn)沙量預(yù)測(cè)模型主要有雙累計(jì)曲線法、泥沙平衡模型、SWAT模型等。

4)淤地壩對(duì)黃河的減沙效益。淤地壩具有很強(qiáng)的攔泥減沙作用，黃河中游地區(qū)淤地壩的攔泥量可以達(dá)到水保措施總攔泥量的66%～84%，減沙量占總減沙量的60%～70%。

5)多時(shí)間尺度下淤地壩對(duì)黃河水沙關(guān)系的影響。通過分析年度、季度、月度以及事件尺度等多時(shí)間尺度下的水沙關(guān)系，可以定量得出水沙關(guān)系對(duì)淤地壩等生態(tài)恢復(fù)措施的響應(yīng)，從而為黃土高原未來生態(tài)恢復(fù)與流域管理提供有效參考依據(jù)。

3.2 研究熱點(diǎn)分析

關(guān)鍵詞是文章核心內(nèi)容的濃縮概括，能夠反映研究方向與熱點(diǎn)。根據(jù)CiteSpace軟件中“關(guān)鍵詞keywords”功能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制了淤地壩對(duì)黃土高原環(huán)境影響中研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖(圖5)。

圖5 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Key words co-occurrence map

由圖5可見，黃土高原淤地壩減沙及其環(huán)境效應(yīng)的研究熱點(diǎn)主要集中在徑流(runoff，60次)、輸沙量(sediment load，56次)、影響(impact，45次)、氣候變化(climate change，21次)、土壤有機(jī)碳(soil organic carbon，20次)、水保措施(soil and water conservation，19次)、沉積(deposition，18次)、降雨(precipitation，13次)、植被(vegetation，12次)、模型(model，11次)、泥沙來源(sediment source，10次)、137Cs (137Cs，9次) 和指紋識(shí)別(fingerprinting，7次)。

研究熱點(diǎn)主要包含以下4類：一是淤地壩建設(shè)的減沙效益研究。由于淤地壩攔沙的高效性，學(xué)者多將淤地壩內(nèi)沉積泥沙量近似作為小流域產(chǎn)沙量，結(jié)合淤地壩運(yùn)行年限以及沉積旋廻時(shí)間信息，定量分析植被(vegetation)、土地利用(land use)、人類活動(dòng)(human activity)對(duì)小流域侵蝕產(chǎn)沙的影響；通過WATEM/SEDEM、SEDD等模型(model)的應(yīng)用，定量分離淤地壩建設(shè)、氣候變化、植被覆蓋變化對(duì)黃河輸沙量減少的貢獻(xiàn)，確定淤地壩的減沙效益[16]，淤地壩的泥沙淤積信息也為極端暴雨事件的防控提供了寶貴資料。二是泥沙來源識(shí)別(sediment source)的研究。與傳統(tǒng)研究方法相比，近年來研究方向集中于以壩地淤積泥沙為研究對(duì)象，結(jié)合土壤顆粒構(gòu)成、同位素示蹤(137Cs)、復(fù)合指紋分析(fingerprinting)等研究方法，大幅提高泥沙來源識(shí)別的適用性[17]，為合理布置水土保持措施提供參考。三是淤地壩建設(shè)的環(huán)境效應(yīng)。關(guān)鍵詞共現(xiàn)關(guān)系圖中還出現(xiàn)了土壤有機(jī)碳(soil organic carbon)、氮(nitrogen)等關(guān)鍵詞，表明淤地壩建設(shè)引發(fā)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)受到廣泛關(guān)注[18]。四是對(duì)淤地壩減少溝道侵蝕機(jī)理的揭示。淤地壩一方面通過抬高侵蝕基準(zhǔn)面，抑制溝道的下切、坍塌，使淤泥面以下的溝谷和溝床在泥沙淤積(deposition)后不再侵蝕，另一方面能夠降低暴雨時(shí)期徑流流速，削減洪峰，攔截泥沙，降低泥沙輸移(sediment transport)效率[19]。

4 討論

淤地壩作為黃土高原上分布廣泛的水土保持工程，一方面對(duì)于減沙和陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)具有重要作用，另一方面壩內(nèi)泥沙承載著大量環(huán)境變遷、泥沙來源、泥沙運(yùn)移過程等信息，這為深入研究土壤侵蝕機(jī)理提供了重要途徑。在目前研究中仍然存在一些需要繼續(xù)深入挖掘的地方：

1)流域侵蝕產(chǎn)沙過程受到包括淤地壩在內(nèi)的多個(gè)環(huán)境因子的影響，各環(huán)境因子之間高度相關(guān)或存在共線性，且對(duì)于侵蝕產(chǎn)沙過程的影響呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性。為了更準(zhǔn)確反映侵蝕產(chǎn)沙過程對(duì)于環(huán)境因子的響應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)空尺度的定量表達(dá)，未來應(yīng)當(dāng)建立新的非線性模型更準(zhǔn)確模擬侵蝕過程。

2)目前在利用復(fù)合指紋識(shí)別淤地壩泥沙來源的研究中較少考慮泥沙運(yùn)輸過程中的分選性，致使產(chǎn)生誤差，精確性較低，且鮮有評(píng)估其準(zhǔn)確性的方法。如何結(jié)合紅外光譜，微生物等新的檢測(cè)分析方法，提高復(fù)合指紋分析的精確度仍有待進(jìn)一步深入研究。同時(shí)復(fù)合指紋識(shí)別模型的運(yùn)用較為單一，主要以多元混合模型為主，而對(duì)貝葉斯算法、Collins修正模型等其他模型的運(yùn)用較少，應(yīng)當(dāng)發(fā)展多種模型交叉應(yīng)用，使其能夠相互驗(yàn)證，從而加強(qiáng)結(jié)論的可靠性。

3)淤地壩建設(shè)改變土壤有機(jī)碳的含量與組分，進(jìn)而對(duì)全球生源要素循環(huán)都產(chǎn)生影響。但是仍不清楚土壤侵蝕是如何影響有機(jī)碳“源”“匯”的時(shí)空分布。對(duì)于淤地壩引起的固碳效應(yīng)以及對(duì)全球碳氮循環(huán)的影響機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入研究。

4)由于大多數(shù)中小型淤地壩建于20世紀(jì)60、70年代，目前許多淤地壩都存在庫(kù)容淤滿的情況，如何利用信息化手段，計(jì)量和監(jiān)測(cè)淤地壩淤積情況也有待進(jìn)一步發(fā)展。

5 結(jié)論

通過CiteSpace軟件對(duì)Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中的文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，總結(jié)了黃土高原淤地壩環(huán)境效應(yīng)研究的進(jìn)展和熱點(diǎn)如下：

1)自從20世紀(jì)90年代國(guó)家高度重視黃土高原地區(qū)的生態(tài)治理以來，對(duì)于淤地壩的土壤減沙研究便逐步發(fā)展深入，目前主要采用模型模擬的研究手段和方法，對(duì)其減沙機(jī)理進(jìn)行梳理探索，重點(diǎn)關(guān)注對(duì)淤地壩減沙效益的定量評(píng)價(jià)、不同泥沙源地的產(chǎn)沙貢獻(xiàn)比以及淤地壩建設(shè)帶來的生態(tài)環(huán)境變化。

2)我國(guó)在黃土高原淤地壩環(huán)境效應(yīng)研究領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)有中科院水保所、西北農(nóng)林科技大學(xué)、西安理工大學(xué)等，主要的核心作者包括穆興民、趙廣舉、高鵬、方怒放等。

3)通過對(duì)關(guān)鍵詞圖譜以及共被引文獻(xiàn)的分析，未來淤地壩在黃土高原侵蝕研究中應(yīng)當(dāng)關(guān)注現(xiàn)有模型的改良與試驗(yàn)技術(shù)精確性的提高。淤地壩建設(shè)顯著改變了流域的洪水過程，但現(xiàn)有模型在模擬淤地壩對(duì)侵蝕過程的影響仍有一定的局限，不適合時(shí)間尺度的外推，因此需要考慮建立用于黃土高原的非線性動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行水土流失和水保措施的評(píng)價(jià)。同時(shí)，針對(duì)核素半衰期短，指紋識(shí)別技術(shù)在地質(zhì)條件差異較小條件下準(zhǔn)確性低的問題，如何結(jié)合微生物、紅外光譜等技術(shù)識(shí)別淤地壩泥沙來源過程也應(yīng)為未來研究關(guān)注熱點(diǎn)。