基于Web of Science的农业生态安全知识图谱分析

孙 岩，张会芳，段俊枝，齐红志，杨翠苹，樊文杰，燕照玲，陈海燕，刘毓侠，卓文飞

(河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002)

中国农业农村科技发展高峰论坛于2018年发布了《2017年全球农业研究前沿分析解读》，指出当今全球农业研究前沿具有包括农业生态安全在内的14个方向。农业生态安全是指农业生态系统保持持续生产力的同时，对环境不存在污染与破坏，能够满足人们对健康安全农产品的需要，也能够满足农业高效可持续发展的需要。随着我国工业化、城镇化进程的加快，农业资源被社会生产的其他环节所侵占和污染，农业资源后备不足且生态环境脆弱。从各个生产要素入手，学者们针对农业生态安全进行了大量的研究。

知识图谱分析是指在大数据信息资源的基础上，以主题词为核心，统计分析所发表论文的各计量指标间交叉、融合的演变关系，从而对该领域的历史动态进行分析。

CiteSpace是由美国德雷塞尔大学陈超美教授开发，用以分析和可视共被引网络的Java应用程序，通过研究以主题词为核心的知识点，展示知识发展的进程与结构关系，并绘制成二维、三维图谱[1]。利用CiteSpace进行科学知识可视化的研究已经在众多学科得以应用，如对肌腱病研究领域重点关注问题的可视化研究[2]；对编辑出版学科与产业的进展及未来发展研究[3]等；在农业上应用于对政策性金融、面源污染、土地整治与评价等方面的定性和定量分析，并针对性提出了该领域的研究热点和趋势[4-6]。有关农业生态安全的知识图谱分析尚未见报道。鉴于此，利用文献计量学法，对Web of Science数据库中以农业生态安全为主题词的论文进行知识图谱可视化分析，从定性和定量的角度，分析农业生态安全领域研究的历史动态，为我国农业生态安全研究理论和实践提供借鉴。

1 材料和方法

1.1 研究材料

选取Web of Science核心合集中的Science citation index expanded、Social sciences citation index、Arts & Humanities citation index作为数据来源。设定研究时间窗为2008—2018年，以“农业生态安全”较为常用的几种翻译Agricultural eco-security、Agricultural ecological security、Agricultural ecological safety为基础，设定检索式为TS=((agricultural)AND(eco-security OR ecological security OR ecological safety)) 。共得到会议论文(Procceedings paper)20篇，Book chapter(专著)3篇，Article(期刊论文)604篇，选择文献类型为Article，将检出论文精简为604篇。

1.2 研究方法

用CiteSpace 5.3.R4创建检出论文中作者、机构、国家、期刊、关键词等要素的可视化图谱，并结合图谱各节点间连接线由蓝色到红色的变化，分析各要素随时间推进所呈现出的趋势。同时，根据节点大小和外圈颜色，分析该要素出现的频率以及中心度的大小。作者、机构、国家、期刊、关键词等要素频次均以在检出论文中出现的总次数计算。

2 结果与分析

2.1 学科发展时段及特点

从图1可以看出，农业生态安全论文产出数量随年份整体呈现上升趋势。从2008年的12篇，到2018年的103篇，共增长了7.6倍。论文产出数量的上升呈阶段性，2008—2011年为第1个阶段，这个阶段论文数量增长速度较为平稳，属于农业生态安全研究的基础阶段；2012—2014年为第2个阶段，这个阶段农业生态安全研究进入快速增长阶段；2015—2018年为第3个阶段，农业生态安全研究经过前2个阶段的积累，进入新的快速增长阶段。

2008—2011年，大多数农业生态安全的研究定位于发展中国家，如对柬埔寨[7]、叙利亚[8]等国家展开研究，从粮食安全的角度[9]研究农业可持续发展在发展中国家的执行情况[10]。并对特殊生境[11-12]、地理位置[13]的农业生态安全做了针对性研究。同时，综合分析了农业发展的机遇和挑战[14]。对新西兰等农业科技水平较为发达的地区，农业生态安全的研究着眼于技术和模式的优化等方面[15-16]。

图1 论文产出数量随时间的变化Fig.1 Change of the number of outputted papers with years

2012—2014年，农业生态安全研究依然围绕着粮食安全这一主题进行[17-18]，但与第1个阶段不同的是，以粮食安全为基点发散开来，研究方向、角度、对象丰富且多元化发展。将粮食安全与生物多样性相结合，为保护生物多样性、实现粮食安全提出了一系列举措建议[19]；分析农业体系面临的社会-生态问题，并站在不同利益主体的角度，重新思考农业政策的调整和优化[20]；从保护生物多样性和农业生产力的角度，结合气候变化与粮食安全，研究资金援助、项目支持等优惠政策的统筹与倾斜[21]；同时，从可持续发展角度提出了一系列农业生态质量评价的量化指标特征[22]。

2015—2018年，现代农业技术和方法逐步运用到农业生态安全研究中来。从气候变化延伸开来，通过物候参数衍生出的预测模型，辅助种植户调整、优化种植模式，从而加强粮食安全的保障[23]；对气候变化提出了应对措施[24]：利用遥感和GIS技术识别潜在湿地，为防止湿地损失、应对气候变化提供了保障[25]；开始对农业生态系统进行优化，使其既具有社会、经济效益，又具有生物多样性[26]；建立了农业价值链修复的框架和评价方法[27]；发展中国家的研究重点从粮食安全上升到粮食健康(Food wellbeing)层面[28]。

2.2 检出论文关键词共现分析

CiteSpace知识网络的可视化图谱中，节点越大说明该关键词出现的频次越高，带有紫色外圈代表此节点对于该领域的研究来说较为重要。从图2可以看出，2008—2018年，农业生态安全关键词随时间推进有向外延伸的趋势，但总体来说基本围绕几个固定的中心点不变，如粮食安全(Food security)、管理(Management)、气候变化(Climate change)、农业(Agriculture)、生物多样性(Biodiversity)等。这几个中心点大小较为均匀，没有较大、带有紫色外圈的节点，说明农业生态安全研究热点在研究时间窗内相对集中，且这几个研究热点上投入的科研资源基本一致。节点间的连线颜色代表关键词在研究时间窗内的转移和延伸，从图2左下角节点间的连线可以看出，研究时间窗内的前几年，农业生态安全研究热点在以Food security为中心点的基础之上，没有做过多的延伸；从图2 的左上角和右下角节点间的连线可以看出，研究时间窗内的后几年，农业生态安全研究热点在以粮食安全为中心点的基础之上，延伸到了评价(Evaluation)、空间格局(Spatial pattern)、生态危险评价(Ecological risk assessment)等方面，与2.1中的分析相呼应。

图2 检出论文关键词共现分析Fig.2 Analysis of keywords co-occurrence of searched papers

在CiteSpace知识网络可视化图谱中，Mean silhouette(平均轮廓)介于0～1，用来衡量网络同质性，越接近1，说明同一聚类的相似性越高。从图3可知，基于关键词构建的农业生态安全研究知识网络共得到8个聚类，从大到小依次排序为：可持续农业(Sustainable agriculture)、农业体系(Agricultural system)、印度半干旱德干高原(Indian semi-arid deccan)、重金属(Heavy metal)、家庭持有水平分析(Household level analyses)、空间表征(Spatial representation)、土壤退化(Soil regeneration)、浙江省(Zhejiang Province)。Mean silhouette=0.714，说明各聚类间的相似性较好。聚类Sustainable agriculture下有47个小类，Silhouette value(轮廓值)为0.529；聚类Agricultural system下有42个小类，Silhouette value为0.740；聚类Indian semi-arid deccan下有37个小类，Silhouette value为0.618。

图3 检出论文关键词聚类分析Fig.3 Analysis of keywords clusters of searched papers

2.3 检出论文共被引作者分析

从图4可知，农业生态安全领域具有影响力且研究主题相近的前10名共被引作者分别是：FAO、ANONYMOUS、TILMAN D、GODFRAY H C J、FOLEY J A、ALTIERI M A、LOBELL D B、WORLD B、FOLKE C、PRETTY J。其中，ANONYMOUS为研究时间窗内所有不能确定的作者，FAO为联合国粮食及农业组织，WORLD B为世界银行。其余7位作者的共被引总频次分别为83、65、55、51、42、34、32。图4的中心性较为明显，因此可以说明，在研究时间窗内，这7位学者为农业生态安全研究领域的发展做出了较大的贡献，为该领域的领军学者。如表1所示，TILMAN D为美国明尼苏达州大学生物科学学院的杰出教授，主要从事基于人类主导行为的生态影响(包括生态体系服务价值对社会的影响)，控制物种进化、群落分类、物种迁徙进化、生物多样性保持机制等方面的研究。该学者署名的一篇名为《Human alteration of the global nitrogen cycle:Sources and consequences》的论文，单篇被引频次达到3 184。该学者的h指数为119，平均单篇被引频次287.63。GODFRAY H C J 为牛津大学动物学系的教授，该作者为第一作者、篇名为《Food security:The challenge of feeding 9 billion people》的论文，单篇被引频次达到3 318。FOLEY J A就职于美国威斯康星大学麦迪逊分校，该学者为第一作者、篇名为《Global consequences of land use》的论文，单篇被引频次达到4 751。ALTIERI M A就职于美国加州大学伯克利分校，该学者署名的一篇名为《The ecological role of biodiversity in agroecosystems》的论文，单篇被引频次达到1 011。LOBELL D B就职于美国斯坦福大学，该学者署名的篇名为《Prioritizing climate change adaptation needs for food security in 2030》的论文，单篇被引频次达到1 197。FOLKE C就职于瑞典斯德哥尔摩大学和瑞典皇家科学院，该学者署名的一篇名为《A safe operating space for humanity》的论文，单篇被引频次达到3 829。PRETTY J就职于英国埃塞克斯大学，该作者与GODFRAY H C J 合著的名为《Food security:The challenge of feeding 9 billion people》的论文，单篇被引频次达到3 318。

图4 检出论文共被引作者分析Fig.4 Analysis of co-cited authors of searched papers

姓名Name机构Institution高被引论文High-citedpapers被引频次CitationfrequencyTILMAND明尼苏达州大学Humanalterationoftheglobalnitrogencycle:Sourcesandconsequences3184GODFRAYHCJ牛津大学Foodsecurity:Thechallengeoffeeding9billionpeople3318FOLEYJA威斯康星大学麦迪逊分校Globalconsequencesoflanduse4751ALTIERIMA加州大学伯克利分校Theecologicalroleofbiodiversityinagroecosystems1011LOBELLDB斯坦福大学Prioritizingclimatechangeadaptationneedsforfoodsecu-rityin20301197FOLKEC斯德哥尔摩大学、瑞典皇家科学院Asafeoperatingspaceforhumanity3829PRETTYJ埃塞克斯大学Foodsecurity:Thechallengeoffeeding9billionpeople3318

2.4 检出论文产出期刊分析

本研究所检出的604篇论文产出自278种期刊，取刊载量前10%(28种)期刊进行分析，见表2。研究时间窗内，这28种期刊共发表农业生态安全领域内约40%的论文。这28种期刊大多为Springer 或Elsevier旗下产品。其中，Sustainability为国际化、交叉学科的开放获取类的学术期刊，主要发表环境、文化、经济、可持续发展等方面的论文，在研究时间窗内的载文量共计35篇，3 a影响因子3.01。Food Security是国际植物病理学会的官方出版物，主要发表食品科学、社会与经济、农业发展等方面的论文，在研究时间窗内的载文量共计21篇，3 a影响因子2.91。Land Use Policy为国家化、多学科交叉的学术期刊，主要发表社会、经济、政治、法律和城市与农村的土地规划类论文，在研究时间窗内的载文量共计18篇，3 a影响因子4.22。PloS One为公益性、开放获取生物类期刊,在研究时间窗内的载文量共计12篇，3 a影响因子3.02。Journal of Agricultural Environmental Ethics与Journal of Food Agriculture Environment 3 a影响因子未检索出。

表2 载文量前28种期刊Tab.2 Journals with Top 28 published papers amount

2.5 检出论文机构共现分析

机构共现网络体现了不同机构间为产生新的科学知识而进行的合作关系。由图5可知，在机构共现网络中，共有80个节点，110条连接线，网络密度0.034 8，表示各机构之间合作关系比较紧密。中国科学院发文数量较高，在农业生态安全研究领域占据有绝对的中心性。该领域的合作关系以中国科学院为中心点向外延伸，与其有紧密合作关系的机构有中国地质大学、北京大学、北京林业大学等。另外还有分别以浙江大学、哥本哈根大学、奥胡斯大学、瑞典农业科学大学等为中心点形成的合作关系，其在农业生态安全研究领域的重要程度小于中国科学院。从节点间连线的颜色可以看出，浙江大学、奥胡斯大学、瑞典农业科学大学近几年在积极拓展合作网络，而中国科学院则主要依靠自身的科研力量致力于农业生态安全领域研究，合作性略差。

2.6 检出论文基金资助项目/机构分析

研究时间窗内，农业生态安全研究领域检出论文共来自834个基金资助项目/机构，其中，仅有1篇检出论文的基金资助项目/机构753个，占基金资助项目/机构总数的90.3%。对产出论文篇数前10名的基金资助项目/机构进行分析，如表3所示。研究时间窗内，农业生态安全研究领域基金资助项目/机构大多属于中国，如中国国家自然科学基金会、国家基础研究计划、中国科学院、国家重点研究开发项目、中国博士后科学基金会，这5个基金资助项目/机构的检出论文共109篇，占研究时间窗所检出论文总数的17.5%。可见，我国在农业生态安全研究领域倾注了大量的科研投入，相应也获得了较多的科研产出，与2.5的研究结果相呼应。

图5 检出论文机构共现分析Fig.5 Analysis of institutions co-occurrence of searched papers

表3 前10名基金资助项目/机构分析

3 结论与讨论

学科的知识图谱分析是文献计量学结合大数据理念的新的分析方法和技术的阶段性进展，可视化图谱的创建为知识图谱分析提供了新的角度和维度。目前常用的科技文本挖掘及可视化软件有CiteSpace、Pajek、SATI、GPS Visualizer等。其中，CiteSpace主要用于科学计量与可视化分析；Pajek主要用于网络可视化分析；SATI主要用于矩阵的提取和统计(中文)；GPS Visualizer主要用于辅助地理可视化。从检出论文的数量来看，我国学科知识图谱可视化研究从2013年左右进入快速发展阶段。知识图谱可视化逐渐成为大数据环境下图书馆、信息、情报服务新的业务增长点和切入点。一些科研团队成立了相应的科技情报研究中心，并将知识图谱分析可视化作为智库产品系列，从学科脉络的历史梳理中形成学科发展的蓝皮书、竞争力分析报告、科技人才报告等。

本研究以Web of Science为数据源、以CiteSpace为工具，对农业生态安全研究在2008—2018年的知识发展脉络进行分析。结果表明，研究时间窗内，农业生态安全研究大致划分为3个阶段：基础阶段(2008—2011年)、快速增长阶段(2012—2014年)、新的快速增长阶段(2015—2018年)。不同阶段的研究重点也有变化：基础阶段，农业生态安全的研究多在发展中国家开展，以粮食安全为中心，研究了特殊生境[11-12]、地理位置[13]等对农业生态安全造成的影响，并提出相应的应对措施。在此阶段，我国国内的农业生态安全研究的趋势与此相同。快速增长阶段，农业生态安全研究以粮食安全为基点发散开来，研究方向、角度、对象丰富且多元化发展。在此阶段，我国国内的农业生态安全研究并没有得到快速发展，并且研究方向较为单一，多从经济、社会角度对农业生态安全进行综合评估[29]。新的快速增长阶段，秉承粮食安全的中心和重点，现代农业技术和方法在农业生态安全领域得到应用。在此阶段，现代农业技术对我国国内的农业生态研究介入不明显，依然是以宏观、经济性研究为主，结合时代背景，将农业生态安全与“一带一路”等经济政策进行结合与评价[30]。今后，我国国内的农业生态安全研究可以借鉴国际上的发展趋势，积极引入现代农业、数学模型等新技术、新理念，将农业生态安全研究更加细化和精尖化。

农业生态安全研究关键词共现分析与发展时段及特点的研究结果一致，以粮食安全为中心，向进化、空间格局、生态危机等方面拓展。并且关键词之间形成了具有高同质性的聚类，将农业生态安全研究划分成可持续农业、农业体系、印度半干旱德干高原、重金属、家庭持有水平分析、空间表征、土壤退化、浙江省8个相似的研究簇。

作者的共被引分析不仅可以得到某个领域中高被引作者的分布，确定该领域中有影响的学者，而且通过学者的共被引网络及其聚类能够了解某一领域中相似作者的研究主题及其学科领域分布[31]。农业生态安全研究领域内，TILMAN D、GODFRAY H C J、FOLEY J A、ALTIERI M A、LOBELL D B、FOLKE C、PRETTY J为领军人物，在该领域具有较大的贡献，尤其在近些年，以上7位作者在该领域获得了较高的关注度和影响力。在今后的研究中，可以对这7位作者的科研产出进行重点追踪，把握最新研究前沿，布局未来新兴热点。

农业生态安全研究领域中，前10%的期刊共计发表研究时窗内约40%的论文。其中，Sustainability、PloS One等为开放获取类期刊，便于作者与读者阅读下载；Sustainability、Land Use Policy、PloS One等为多学科交叉的学术期刊。以上特性决定了这几种期刊作者群和认可度都要多于该研究领域内的其他期刊。因此，在学术期刊吸引优秀作者和论文方面，可以重点做好两方面的工作：一是提高刊载论文的易获取性，提高科研成果的流通和推广速度，增强作者、读者粘度；二是适当增加栏目、学科的多元性，保持期刊影响力的同时尽可能涵盖多方面的报道内容。

我国国内的研究机构以中国科学院为中心和重点，与其有紧密合作关系的机构有中国地质大学、北京大学、北京林业大学等。浙江大学、奥胡斯大学、瑞典农业科学大学近几年在积极拓展合作网络，而中国科学院则主要依靠自身的科研力量致力于农业生态安全研究领域，合作性略差。在今后的研究中，中国科学院可进一步拓展合作网络，以巩固其在农业生态安全研究领域的学术地位。

科学基金作为基础科学研究的重要资助渠道，在促进科学知识产出与科研成果影响力上发挥着不可替代的作用[32]。基金资助项目的科研产出也成为基金资助绩效的重要指标。中国国家自然科学基金会是我国基础研究和科学前沿探索的主要资助渠道。本研究结果显示，农业生态安全研究领域论文产出主要来自于中国国家自然科学基金会的基金支持。研究时间窗内，农业生态安全研究领域中国国家自然科学基金会支持的论文占所统计论文总数的12.9%，居第1位，说明中国国家自然科学基金会对中国科技的发展起到了巨大的推动作用，为增强我国源头创新能力和夯实世界科技强国建设的根基作出了根本性贡献[33]。

本研究所检出论文较多出自Social sciences citation index、Arts & Humanities citation index数据库，较少出自Science citation index expanded数据库，因此该领域的知识图谱呈现结果多为理论、宏观层次的历史动态，技术、应用层次的历史动态未得到完全展示。因此，在今后的研究中，将进一步细化农业生态安全领域的知识结构，从技术、应用层面如土壤修复、重金属污染等方面进行知识发展的历史动态分析，以便为相关学者提供更多的借鉴，为该学科的发展提供更加优良的知识服务。