科园月刊稿件信息
基于文献计量分析的植物水分利用效率的研究
孟文婷1,2，苏莹1,2，朱林1,2*，张会丽3，袁闯3
(1．宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室、宁夏 银川 750021；2．宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地、宁夏 银川 750021；3．宁夏大学农学院、宁夏 银川 750021)
摘要：本文以Web of ScienceTM核心合集为数据来源，利用文献计量学和Citespace可视化软件对植物水分利用效率领域的年份发文变化、科研作者合作特征、研究国家/地区分布、学科分布、研究热点和研究热点的演进进行了研究。研究表明：（1）国际上，植物水分利用效率研究文献数量呈现“波动式增长”，但是增长缓慢，整体文献总量较低。（2）学者之间合作关系较弱，且发文数量不高，其中Cernusak LA、Winter K、Flexas J和Aranda J是比较权威的作者。（3）总体上植物水分利用效率的研究主要分布在欧洲、北美洲和亚洲，其中美国、中国、澳大利亚和英格兰发文数量较多国家。（4）植物水分利用效率研究学科分布广泛，其中以植物科学、农学和环境生态学为主。（5）植物水分利用的途径以及影响因素是该领域目前研究的热点。（6）国际上主要路径是从植物的生理机制（光合、蒸腾、气体交换、保护细胞、CO2等）-环境因素（干旱、水胁迫、气候变化、温度、土壤）。
关键词：植物水分利用效率；Web of Science；Citespace；影响因素；知识图谱
中图分类号：Q948.1 文献标识码：A 文章编号：1001-6791--
1引言
植物水分利用效率是评价植物生长程度的综合性指标，因此对该领域的研究十分具有意义。虽然到目前为止，国内外对于植物水分利用效率进行了许多研究，但是在很多方面尚未取得突破性进展，同时随着科学的交叉、融合、纵深的快速发展，新兴研究领域和主题不断涌现，所谓的专家也未必能对科学的局部与整体把握得十分准确，实际上从某种角度而言，科学知识图谱工具的使用有助于改善人们的这种认识不足。因此本文借助了可视化工具对国际上相关数据进行了梳理，旨在全面的研究分析出该领域的研究现状，以期望达到抛砖引玉的效果，为该领域的快速发展而贡献自己一份绵薄之力。
2研究方法和数据来源
2.1研究方法
CiteSpace V知识可视化软件是由美国德雷赛尔大学（Drexel University）陈超美（Chaomei Chen）开发的一种多元、分时、动态的知识图谱绘制工具［1］，在java的平台搭载环境下，对科学文献等信息进行提取，生成相对应的可视化图谱。“一图谱春秋，一览无余；一图胜万言，一目了然”［2］，通过对图谱等信息的解读识别并且显示相关领域的科学发展的研究热点以及新的发展趋势和新的态势的一个可视化软件，因此可用来对学科研究前沿变化趋势探测和分析及对前沿与其知识基础之间、不同研究前沿之间的相互关系进行
研究，从而从数量庞大的文献中确定相关领域的研究热点与研究演变的一种文献计量分析法的一种可视化软件。
信息可视化是对一些非空间的数据进行处理，让人们直观的看出数据所呈现出来的特征和关系等，使用户可以直接的对抽象的数据进行解读，获取大量的数据信息，得出科学的结论，从而增加人们对这些抽象数据文献的认识。知识图谱是对科学知识以可视化的形式直观展示，且深入知识内部对其发展进程与结构关系进行系统分析。
文献计量学是根据文献计量特征为研究的主要对象，并结合数学、统计学的方法，分析和探讨学科现状的与发展趋势的分支学科。本文通过对检索得到的文献运用citespace可视化软件进行可视化展示，并结合文献计量学方法展示相关方面的信息及合理科学的知
识图谱，以期对该主题主要研究热点进行剖析解读，挖掘数据的信息，为植物水分利用效率的研究与发展贡献自己一份力量。
2.2数据来源
Web of Science （美国社会科学引文索引数据库）是全球最大、覆盖学科最多的综合性学术信息资源，收录了自然科学、工程技术、生物医学等各个研究领域最具影响力的超过8700多种核心学术期刊。本文以其中的 Web of ScienceTM核心合集作为数据来源，并且在检索主题词的范围确定期间，对国内外学术著作进行查阅，并咨询相关领域多位专家对主题词进行讨论，最终确定检索式为：TS=“Plant* water use efficiency”OR TS="Water use efficiency of plants"，时间跨度选择为所有，然后人工筛选了检索结果，去除了部分杂质，最终得到有效可靠的文献数量179条记录，然后将记录内容设定为“全记录与包含所引用的参考文献”进行下载并保存为纯文本格式（TXT)，并且将下载后的研究数据保存在新建文件夹data之内，且依次修改下载所得数据命名为“download_N.txt”（N为自然数）以备后续的数据处理和研究分析之用。
3结果与分析
3.1植物水分利用效率研究的时间特征
植物水分利用效率的领域一直是学者关注的焦点，只是在不同年代的不同环境以及社会背景下，关注的程度有所不同。因此根据发文数量按照年份对比可以分析该领域学者的关注情况并且看出不同年份文献量变化以及总体情况，衡量一个主题领域研究的深度等。下图1是根据以植物水分利用效率为主题检索数据年份发文数量计量统计绘制得到的。首先从图1直观的反映出，国际上植物水分利用效率的研究发展起源于21世纪初并且总体属于“波动式增长”。其次在2003-2010年份期间，该领域研究发展比较缓慢，年份发文数量很少，且平均每年发文数量为6.2篇，仅仅在2007年首次超过10篇/年的水平，且处于初期发展阶段；在2010-2011年份期间，植物水分利用效率的研究取得了一定的成果，并且在该阶段年份发文增长比率最大为300%，是该领域发展研究的关键时期；在2012-2018年份期间整体波动比较明显，其中在2015-2016年增长比为160%，与此同时值得注意的是在2016年，达到了目前数据统计年份发文的峰值为26篇。（注：2018由于数据不全不做考虑）综合以上可以看出，国际上植物水分利用效率领域的研究总体较少，研究有限不够深入，其中2007年、2011年和2016年是该领域发展关键时期，2006-2007、2010-2011、2015-2016是该领域发展重要阶段。
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图1 植物水分利用效率年份发文数量变化趋势
Fig. 1 the trend of the number of messages sent in the year of plant water utilization efficiency
3.2植物水分利用效率研究的合作特征
对作者分布情况的分析是深刻把握某一学科研究领域及科研动态的前提，对于在相关领域有深入见解和科研成果的作者进行研究，可以有效地掌握本领域科研活动的发展进程，对研究主题的现状分析、总结、提炼和前瞻性研究都有积极的意义［3］。下图2是根据检索得到的文献记录，将节点设置为作者，在2003-2018年份范围内，时间切割设置为2年，即timeslice=2，这样便分成了6个阶段。然后阈值设置为c、cc、ccv分别为1，2，20、2，2，20、1，2，20，即选取片前、片中、片尾的作者发文数量在1篇、2篇和1篇来显示，其中片中是线性内插的，最终可视化得到了节点为589个连线为1179条，密集程度为0.0068的植物水分利用效率究作者可视化图谱，并选取了发文量排名前10的作者进行统计，如下表1。其中图中的圆形节点代表发文的作者，谱中的节点半径代表作者的发文量，半径越大，对应的作者字体相对越大，体现了发文量越多，并且节点之间的连线表示了发文作者之间的合作关系，其中线条较粗表示彼此之间合作关系相对较强。
根据图2以及表1可以看出，在国际上植物水分利用效率的研究发文数量最多的是Cernusak LA和Winter K，自2007年到2018年总共发文7篇，占总文献数量的3.91%，并且以Cernusak LA和Winter K为首的合作团队包括了6位作者是该领域重要的研究团队之一，其主要对热带植物水分利用效率进行了研究，例如生活在热带的树木以及树木间的植物等等，其次发文数量为5篇的Flexas J、Aranda J和Turner BL排在第二位，其中以Flexas J为首的团队主要从园艺的角度出发，研究了大气中二氧化碳含量对植物水分利用效率的影响；发文数量为4篇的Ribas-Carbo M和Martorell S排在第三位，依次还有Griffiths H、Shao HB、Morgan JA、Tissue DT、Cook BI、Jakli B、Ma XM、Berry JA、Duursma RA等等都为该领域的研究发展做出了巨大的贡献。综合以上可以看出，在国际上植物水分利用效率的研究领域中，Cernusak LA、Winter K、Flexas J、Aranda J和Turner BL是比较权威的作者，且以Cernusak LA和Winter K为首的团队以及以Flexas J为首的团队是该领域发展的重要团队，但是在总体上核心作者发文较少，合作关系较弱，亟待加强。
图2 植物水分利用效率研究作者合作图谱
Fig. 2 a collaborative map of the authors of the study on plant water utilization efficiency
表1 国际植物水分利用效率研究发文数量排名前十位
Table 1 the number of international studies on plant water use efficiency ranked in the top ten
|
序号 |
作者 |
发文数量 |
初次发文时间 |
发文数量占比/% |
|
1 |
Cernusak LA |
7 |
2007 |
3.91 |
|
2 |
Winter K |
7 |
2007 |
3.91 |
|
3 |
Flexas J |
5 |
2012 |
2.79 |
|
4 |
Aranda J |
5 |
2007 |
2.79 |
|
5 |
Turner BL |
5 |
2007 |
2.79 |
|
6 |
Ribas-Carbo M |
4 |
2012 |
2.23 |
|
7 |
Martorell S |
4 |
2012 |
2.23 |
|
8 |
Griffiths H |
3 |
2005 |
1.68 |
|
9 |
Shao HB |
3 |
2008 |
1.68 |
|
10 |
Morgan JA |
3 |
2011 |
1.68 |
3.3植物水分利用效率研究的地理分布特征
研究一个领域的国家/地区分布可以看出该领域的时空分布特征，下图3是根据数据将节点设置为国家/地区，并选取每段发文最多的前50国家进行可视化得到，同时列取了发文数量排名前10的国家/地区，如下表2所示。其中图谱中每一个节点代表一个国家（机构），随着这一国家（机构）学者发文量的递增，其所代表的圆圈也就越大；圆圈之间的连线表明了节点与节点之间的联系，线条越粗表明节点之间的联系也就越紧密；圆圈最外层的紫色圆环表示有较高的中心性，而中心性是在知识图谱网络中起连接作用大小的度量，即表示了对应节点的重要性。
根据图中显示，植物水分利用效率的研究得到了23个国家的关注，其中USA（美国）对应的节点面积最大，表示是该领域研究发文最多的国家，并结合表2发现其发文数量为56篇，其次PEOPLES R CHINA（中国）发文数量为28，排在第二位，AUSTRALIA（澳大利亚）和ENGLAND（英格兰）发文数量为18篇，排在第三位，SPAIN（西班牙）发文数量为13篇占排在第四位，依次还有CANADA（加拿大）、BELGIUM（比利时）、ITALY（意大利）和ISRAEL（以色列）等等。与此同时根据中心性看出，USA（0.91）、ENGLAND（0.37）和AUSTRALIA（0.18）具有较高的中心性，表示了这些国家在该领域研究具有十分重要的意义。其次根据统计的初次发文时间可以看出，发文较多的USA（美国）和ENGLAND（英格兰）起步较早，PEOPLES R CHINA（中国）和AUSTRALIA（澳大利亚）起步较晚，但是进展较快。最后根据国家/地区地理位置分布可以发现，植物水分利用效率的研究主要分布在欧洲、北美洲和亚洲，但是欧洲的研究总体最多。
图3 植物水分利用效率研究国家/地区分布可视化
Fig. 3 national/regional distribution visualization of plant water utilization efficiency
表2 植物水分利用效率研究国家/地区分布
Table 2 national/regional distribution of plant water utilization efficiency
|
序号 |
国家/地区 |
初次发文时间 |
发文数量 |
中心性 |
|
1 |
USA（美国） |
2003 |
56 |
0.91 |
|
2 |
PEOPLES R CHINA（中国） |
2007 |
28 |
0.01 |
|
3 |
AUSTRALIA（澳大利亚） |
2009 |
18 |
0.18 |
|
4 |
ENGLAND（英格兰） |
2003 |
18 |
0.37 |
|
5 |
SPAIN（西班牙） |
2007 |
13 |
0.04 |
|
6 |
CANADA（加拿大） |
2006 |
10 |
0.01 |
|
7 |
PANAMA（巴拿马） |
2007 |
7 |
0.00 |
|
8 |
BELGIUM（比利时） |
2009 |
7 |
0.09 |
|
9 |
ITALY（意大利） |
2012 |
6 |
0.01 |
|
10 |
ISRAEL（以色列） |
2013 |
5 |
0.02 |
3.4植物水分利用效率研究的学科分布特征
为了研究学科的分布特点和该领域研究足迹，将 Note types (节点类型)选择了category，运行得到了植物水分利用效率的学科分布可视化图谱（图4），并且选取了文献数量前20的学科绘制了表如下表3所示。
根据图4以及表3可以看出，植物水分利用效率研究分布学科十分广泛，大约有50种。其中主要有PLANT SCIENCES(植物科学)、AGRICULTURE（农业）、AGRONOMY（农学）、ENVIRONMENTAL SCIENCES & ECOLOGY（环境科学与生态学）、ENVIRONMENTAL SCIENCES（环境科学）、SCIENCE & TECHNOLOGY - OTHER TOPICS（科技-其他主题）、ECOLOGY（生态）、FORESTRY（林业）、SOIL SCIENCE（土壤科学）、MULTIDISCIPLINARY SCIENCES（多学科科学）、HORTICULTURE（园艺）、METEOROLOGY & ATMOSPHERIC SCIENCES（气象学和大气科学）、WATER RESOURCES（水资源）、AGRICULTURE, MULTIDISCIPLINARY（农业，多学科）、GEOSCIENCES, MULTIDISCIPLINARY（地球科学，多学科）、BIOTECHNOLOGY & APPLIED MICROBIOLOGY（生物技术和应用微生物学）、GEOLOGY（地质）、CHEMISTRY（化学）、BIOCHEMISTRY & MOLECULAR BIOLOGY（生化与分子生物学）、GENETICS & HEREDITY（遗传学和遗传）、CHEMISTRY, MULTIDISCIPLINARY（化学，多学科）、FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY（食品科学与技术）、GREEN & SUSTAINABLE SCIENCE & TECHNOLOGY（绿色可持续科技）、ENERGY & FUELS（能源和燃料）、BIOLOGY（生物）、MICROBIOLOGY（微生物学）、BIODIVERSITY CONSERVATION（生物多样性保护）、AGRICULTURAL ENGINEERING（地理自然）等等学科，与此同时根据发文数量可以看出，植物水分利用效率的研究主要是以植物科学、农学和环境生态学为主。
图4植物水分利用效率研究学科分布可视化
Fig. 4 visual distribution of plant water utilization efficiency
3.5植物水分利用效率研究的热点分析
文献研究主题和内容的高度总结，对关键词的正确的分析能够知道此文献的研究基本内容,并且通过对关键词出现的次数的多少的计量能够清楚知道某一个时间段内的学科、机构和研究知识基础热点［4］。在关键词共现知识图谱中，不同的节点代表着不同关键词，并且节点大小表示了对应关键词在数据文献中出现的频次高低，节点越大频次越多，同时连线表示共现关系。下图5是将节点选择为关键词，设置阈值为每阶段频次前30，并选取Minimum Spanning Tree（最小生成树）网络修剪，然后进行可视化得到，与此同时统计列出了频次前30个关键词绘制了表4。其中根据图5可以看出water use efficiency（水分利用效率）和gas exchange（气体交换）、Drought（干旱）和Photosynthesis（光合作用）、stomatal conductance（气孔导度）和gas exchange（气体交换）、elevated CO2（二氧化碳升高）和atmospheric CO2（大气中的二氧化碳）、climate change（气候变化）和water stress（水分胁迫）、abscisic acid（脱落酸）和Drought（干旱）、Soil（土壤）和abscisic acid（脱落酸）、drought stress（干旱胁迫）和atmospheric co2（大气中的二氧化碳）等等存在共现关系，并且结合中心性和频次可以看出，Drought（33，0.06）、Photosynthesis（32，0.02）、gas exchange（26，0.04）、stomatal conductance（23.0.13）、abscisic acid（17，0.1）、carbon dioxide（9，0.1）是主要研究热点关键词，因此综合以上，主要分为以下2个研究热点主题进行分析讨论。
表3 植物水分利用效率研究文献数量排名前20学科
Table 3 research literature on plant water use efficiency ranked among the top 20 disciplines
