基于CiteSpace 的农业领域水-能-粮纽带研究进展

杨改强，夏 爽，霍丽娟，张冬香，丁丽瑞，赵俊楠

（1.太原科技大学环境与安全学院，山西太原 030024；2.晋城市气象局，山西晋城 048026）

1 研究背景

水资源、能源和粮食之间复杂的反馈循环关系，即水-能源-粮食（WEF）纽带关系，是目前跨学科研究的一个重要方向［1］。农业活动过程中必然需要投入能源和对水资源的消耗和转化，水资源的输送分配也离不开动力的支持，由于它们之间复杂的关系，以其中单一或两种对象作为核心的管理方式与理念已无法满足生命共同体协调持续健康发展的内在要求。尽管人们已经采取了一系列措施，但水、能源与食品需求的增长趋势及其带来的资源危机问题并没有得到根本性的改善，只有充分认识WEF 纽带关系，建立尽可能详细真实的数学模型，才能够更完善地解决资源安全问题。

2011 年波恩会议——WEF 纽带关系会议，首次将这3 种对人类至关重要的资源组成的安全协同关系称为“纽带”。在这次会议上，专家们结合联合国粮食及农业组织（FAO）的建议，倡导联合水、能、粮等多个领域，制定多学科的综合性解决措施，以解决资源危机的同时获得环境、社会和经济效益［2］。同年，世界经济论坛发布的《全球风险报告》（第六版）也将纽带关系下的资源风险列为全球三大主要风险之一。2013 年，联合国亚太经济社会理事会发布报告，提出亚太地区未来的发展必然会受到气候变化、WEF 危机等影响。此时，WEF 研究已经开始在全世界范围内广泛开展，学者开始将三者联系起来，并且通过构建数学模型来模拟不同条件下的配水量、能源消耗量以及可收获的利益，最终得到满足约束条件的最优解。

目前国内外关于WEF 的研究大多以城市用水为研究对象，研究范围也比较宏观。中国的农田灌溉水量占全社会总用水量的一半以上，对社会经济发展起到关键的制约作用，而北方农业水资源整体不够丰富，有季节性干旱特征，很多区域内以农为主，因此，随着人口增长、气候变化、能源枯竭，诸如黄河流域等地的农业领域水安全、能源安全和粮食安全问题已成为国内3 个最突出的问题。与此同时，随着城镇化、工业化进程的推进，农业水资源与工业用水、市政用水的竞争问题日益凸显［3］。因此，农业领域水-能源-粮食（AWEF）纽带关系必将成为未来研究的焦点问题之一。本研究将利用CiteSpace 工具，通过文献计量方法，分析AWEF纽带关系的英文文献，找到AWEF 纽带关系领域的关键研究方向、关键文献和热点领域，并预测了该领域的未来发展趋势。

2 数据来源与方法

以Web of Science 核心合集为数据源，这是目前提供引文数据回溯最深的数据库，所收录的文献覆盖了全世界最重要和最有影响力的研究成果，已成为国际公认进行科学统计与科学评价的主要检索工具。本研究以“(argi* or irrigat*) and (water-energy-food or water-energy-crop or water-food-energy or watercrop-energy or food-water-energy or food-energy-water or crop-water-energy or crop-energy-water or energywater-food or energy-food-water or energy-water-crop or energy-crop-water) near/5 (nexus or tradeoff* or inter*or synerg*)”为检索主题，采用高级检索方式筛选跨度为2008—2019 年的文献，得到相关的文献共182篇，运用Citespace 对这182 篇文献进行筛选、去重，最终得到与主题相关的精确文献156 篇（以下简称“样本文献”）。

采用Chen 等［4］研发的CiteSpace 的Web of Science 板块进行数据处理，对AWEF 纽带相关研究的作者、机构、期刊及关键词和研究热点前沿等进行分析。该软件基于共被引分析理论、寻径网络算法等方法，通过数据挖掘、信息分析、图谱绘制，展现特定学科领域的知识结构，可直观地表现知识群的演化过程。

3 结果与分析

3.1 文献产出时间序列分析

时间是投射客观存在的一个普遍维度，一些理论在时间发展序列中会表现出规律性。样本文献数量的年度分布统计如图1 所示。由图1 可见，对AWEF 与环境之间复杂的纽带关系提出“纽带”的相关研究共156 篇，其中最早的1 篇发表于2008 年，McCornick 等［5］通过印度、埃塞俄比亚、约旦和美国的4 个案例，说明了水、能源、粮食冲突协调、权衡的潜在政策选择，为WEF 纽带理论的发展提供了必要的基础。至2012 年，相关研究的发文量基本没有增加。从2013 年开始，发文量呈稳定增长趋势，2014—2019 年年均增加8 篇，其中部分原因在于2011 年1 月世界经济论坛发布的《全球风险报告》第一次正式提出了“水-能源-粮食纽带”的基本概念［6］。而与农业相关的AWEF 纽带作为其中的一个重要组成部分，也日益得到科学界和政府的关注，甚至在一些国家已经上升到国家安全层面的高度。从图1 中可以看出，经过十余年的发展，AWEF 纽带的研究从无到有，已经呈现出明显的、稳定的上升趋势。在未来，随着人口的增长、可用资源的减少、环境的恶化，AWEF 的研究必将成为研究的热点话题之一。

图1 AWEF 样本文献年度发文数量统计

3.2 主要发文机构与国家

通过Web of Science 机构扩展精炼功能得到样本文献的主要发文机构排名（见表1），可见目前在该领域发文量总体数量还不算多，且发文大多集中在高校和研究所等机构。在这些机构中，发文量最多的是国际水管理协会，共发文8 篇；其次是德克萨斯农工大学学院站分校、德克萨斯农工大学、中国科学院、瑞典皇家理工学院、加州大学、马里兰大学。这7 所大学和机构共发文43 篇，占样本文献总量的23.07%，这也说明AWEF 纽带研究的机构相对集中。国际水管理协会对AWEF 的研究主要为模型/框架体系和环境风险评价，如Bekchanov 等［7］提出的处理灌溉与发电冲突的全系统经济水能模型，Closas 等［8］研究太阳能灌溉系统的可持续性和对周边环境的影响，Miller-Robbie 等［9］研究城市农业废水处理和再利用对人体健康的协同作用。

表1 AWEF 样本文献发文量排名前7 位机构统计

通过Web of Science 国家/地区精炼功能得到样本文献的发文量国家占比，如图2 所示。通过CiteSpace 的Country 分析功能对发文国家进行分析，得到国家合作知识图谱，如图3 所示。在这些研究机构中，有多个隶属于美国，如发文量排名前七的机构中就有4 个属于美国。美国的机构发文量共计74 篇，占样本文献总量的21.76%；结合国家合作图谱来看，图3 中节点最大的国家是美国，其中介中心性为1.19。最多的发文量和最大的中心性表明美国在AWEF 纽带领域的研究深度和与其他国家合作密度及其在国际上的影响力。综合来看，美国在AWEF 纽带研究中处于领先的位置，中国、英国、德国次之。

图2 AWEF 样本文献发文量的国家占比统计

图3 AWEF 样本文献的国家合作图谱

根据图2 和表1 可知，在2020 年年初，中国处于发文量国家排名的第2 位，仅次于美国，占样本文献总量的6.47%，其中中国科学院是中国具有较高研究水平的机构，承担着大量相关研究，共发文5 篇，处于发文量机构排名的第4 名。但中国与美国在AWEF 领域的研究仍然存在不小的差距，不仅表现在研究的机构数量上，也体现在发文的数量上。美国对资源、能源消耗的规划和对环境危机的认识都要早于中国，因此研究起步较早；而中国随着经济的快速发展，在这方面的认识才明显加强，再加上中国是人口大国，农业水资源的消耗对社会经济发展的矛盾日益加剧，国内学者对AWEF 纽带的关系近年也开始着手研究，因此中国的研究起步较晚，在2017 年才发表了首篇相关文献，近3 年共发文22 篇（见图4），但是到了2019 年发文量迅速增长至18 篇，超过了英国、德国等国家。中国在AWEF纽带方面的研究发展非常迅速，与同年的国际发文量相比，发文量的增速基本保持一致，而其他国家或组织2017—2019 年的年发文量总和基本维持在30篇左右，这也说明这几年国际上关于AWEF 纽带研究的增长点主要来自于中国的研究机构或作者。

图4 AWEF 样本文献中中国与国际上年发文量对比

3.3 主要发文作者

利用CiteSpace 的Author 分析功能，对样本文献作者发文量和共被引作者进行分析，快速了解该领域研究的前沿研究者，得到发文作者共被引网络如图5 所示。从图5 可以看出，Bazilian 等［6］和Hoff［2］是处于共被引的核心位置。早在2011年，Bazilian等［6］就提出了能源、水和粮食政策领域的纽带关系，并提出了一个模型框架用于处理这些复杂的相互关系，以期达到三者的统一平衡；同年Hoff［2］也在波恩会议上就能源、能源和粮食安全的纽带关系作出详细的阐述。因为这两篇文献出现较早且理论概念相对完整，因此在后期的文献中对这两篇文献的引用也较多。但是在领域内个人发文量还不多，且存在多个作者共同发表论文的现象，可见AWEF 纽带研究还是一个新兴的领域。如，Siciliano［10］和Rosa［11-13］就与多名不同作者在近年共同发表了多篇论文，利用资源评估方法，从水文角度综合考虑水的供应和需求，检验水资源短缺的潜在变化，评估页岩资源开发对水和粮食安全的影响；Olsson 等［14］主要研究干旱条件下的AWEF 模型，并建立了农业碳汇活动分析模型；Zhang 等［15］和campana 等［16］结合实时干旱监测或空间分析，建立综合的AWEF 关系模型；Mpandel 等［17］、Mpandeli 等［18］和Nhamo 等［19］则对南非的粮食和能源安全问题以及缺水等敏感问题，基于层次分析法建立综合AWEF 分析模型，从其纽带关系分析评价南非灌溉农业的现状，并评估改善灌溉农业的可能性；Zeng 等［20］使用机器学习技术和多源数据集，在全球层面评估水力发电与灌溉水供应的关系，同时进一步分析了气候变量对水电与灌溉关系的影响。可见在该领域，发文量多的作者还不多见，研究的思路也大多集中在模型、框架、风险评价等几个方面，研究的地域也主要是水资源不充足、农业用水压力大、政策改变对农业用水量影响大的地区，且这些作者发文绝大多数是在2018—2019 年间，表明在近几年该领域的受重视程度明显增强，学者已经开始更加深入和广泛的研究。

图5 AWEF 样本文献作者共被引知识图谱

其中，中国作者的个人发文量也同样不多，发文最多的是浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院的朱廷举研究员，为3 篇，研究主要集中在综合建模与优化方法，并用于解决美国等国家气候变化环境下的可持续水资源管理、粮食安全及相关社会经济问题。

3.4 期刊共被引和研究领域

利用CiteSpace 的期刊共被引功能进行分析，能够在很大程度上反映出领域内的研究重点，得到样本文献的共被引期刊排名如表2 所示。其中，共被引频次最高的期刊是Energy Policy，其次为Environmental Science Policy，这两个期刊共被引47次；然后为Agricultural Water Managemen、Science of The Total Environment及Environmental Research Letters等期刊。可见AWEF 纽带研究主要还是以政策性的文献为主，从经济、社会和环境等方面探讨水资源与能源供给对粮食安全的影响，这些政策的研究对于地方政策制定和管理部门等来说可能会更具吸引力；另外一部分研究的方向集中于农业工程和环境影响评价等方面。从期刊水平上看，排名前十的共被引期刊中有9 个属于中科院分区（2020 年12 月基础版）的1 区或2 区，期刊影响因子（2019 年）最高为20.893，可见论文质量非常好。AWEF 纽带研究在国际上也处于研究的热点，足以引起国际同行和高质量期刊的关注。

表2 AWEF 样本文献发文排名前十共被引期刊统计

排名在前10 位的共被引期刊在相关领域权威性很高，通过观察共被引频次，在一定程度上能够找出AWEF 纽带研究的重点领域（见图6）。AWEF纽带研究涉及领域主要为环境科学、水资源、绿色可持续技术、环境工程、环境研究、化学工程、土木工程以及气象与大气科学等，其中环境科学占首位，其次为水资源、绿色可持续技术等相关领域。这说明目前的AWEF 研究主要还是以模型、框架等理论研究为主，其次才是工程方面的研究，也进一步说明目前的理论研究还未完全成熟，还有待继续深入探索。AWEF 纽带框架受到水、能源、粮食、土壤、气候等多种生物与环境因子的共同影响，其研究也涉及到多个领域，这充分体现了该领域研究的复杂性、广泛性、交叉性的特点。

图6 AWEF 样本文献研究领域分布统计

通过对中国作者或机构发文进行统计（见表3），可见发文最多的期刊为Science of the Total Environment，达到5 篇，其余期刊发文1～2 篇；期刊影响因子（2019 年）最高为12.121。根据中科院分区（2020 年12 月基础版），中国作者或机构发文的期刊中有9 篇为1 区、11 篇为2 区、10 篇为3 区、1 篇为4 区，总体保持在1～3 区的范围，与国际上前10 位共被引期刊的统计数据相比存在一些差距。虽然中国在AWEF 纽带方面的研究起步较晚，但发文质量仍处于较高的水平。

表3 AWEF 样本文献中中国作者和机构发文统计

中国作者或机构关于AWEF 纽带的研究主要为环境科学、水资源和工程技术（见图7），这与国际上的研究方向是完全一致的。中国关于AWEF 纽带的研究对象也多以模型为主，研究范围包括流域、灌区等多种尺度，比如Zeng 等［21］提出泾河流域的基于多重不确定性决策风险模型；Si 等［22］提出黄河上游流域的WEF 纽带关系模型；Li 等［23］提出东北某灌区在不确定条件下的资源配置优化模型；Nie等［24］提出中国某实验站的多目标优化策略分析模型。这也进一步说明中国目前的AWEF 理论研究同样还不够深入，学者们仍然在理论方面继续探索。

图7 AWEF 样本文献中中国作者或机构研究领域分布统计

3.5 关键词分析

（1）关键词发展路径分析。关键词是文档的核心和本质，是论文内容的高级摘要，因此通过对关键词出现频率的分析，可以明确领域的研究热点和发展方向［25］。选择节点类型为关键词，时间片阈值设置为前50 个，可视化方法选择静态视图，运行CiteSpace 软件，以可视方式分析样本文献大数据字段中相关文档的关键词，并获得关键词共现图，如图8 所示。其中，每个交叉节点表示一个关键词，并且节点的大小表示关键词的出现频率高低，标签的临界值设置为15，关键词是频率大于或等于15。从图8 可见，AWEF 纽带研究的主要关键词包括气候变化、能源、灌溉、农业、持续性、影响、政策、纽带和管理等。

图8 AWEF 样本文献关键词共现网络

Chen 等［4］认为可以通过科学文献引文网络中关键节点的中介中心性分析来确定一个学科发展演进的过程，预测学科发展的趋势。将样本文献关键词按中介中心性降序排列，中心性最高的关键词是land（土地）和uncertainty（不确定性），其中介中心性均为0.38，充分说明了land 和uncertainty 在AWEF 纽带领域的重要影响力，同时也说明AWEF纽带研究的现状，即自然条件和人类活动存在大量的不确定性，使资源、能源的分配变得复杂，很多学者已经开始从研究土地利用和水资源分配等方面着手研究，以解决这些不确定性带来的风险。

根据关键词出现频率排名，得到前10 个高频关键词，如表4 所示。其中，出现频率最高的是water-energy-food nexus，围绕这个关键词，学者从irrigation、climate change、sustainability 等方面展开研究。在这些高频关键词中，除了WEF 纽带，根据中介中心性排序，security 最高，表明研究以粮食安全为主，接着依次是：system，表明研究以系统的框架研究为主；irrigation，表明研究涉及的是农业的水资源灌溉量；climate change，表明涉及气候变化对灌溉水量的影响；另外也与可持续发展、政策管理、优化模型或评价模型有关。总之，可以看到，AWEF纽带研究主要解决的还是因气候变化引起的灌溉水资源不足和粮食安全问题。

表4 AWEF 样本文献高频关键词统计

由于中国作者或机构发文数量还不多，关键词也比较离散，其中使用频率最多的为water-energyfood nexus，几乎全部文献都有这一关键词或其相近的表达形式；使用频率次之的为uncertainty 和model，共出现了6 次；另外irrigation 也出现了4 次。可见，中国相关研究多以不确定性模型为主，应用领域主要是农业灌溉；结合图8 可知，中国作者或机构研究处于关键词共现可视化知识图谱的中心位置，也进一步说明中国作者或机构的相关研究在国际上也处于研究方向的主流，但是研究的范围还不够宽泛。

（2）研究前沿趋势分析。AWEF 纽带研究是一个逐渐演变演化的过程，根据文献关键词的发展路径和发文时间分析，利用CiteSpace 的关键词突变检测功能，设置Upward Transition Cost 为0.7，Minimum Duration 为2，得到7 个突变关键词，如图9 所示，并据此来探究AWEF 纽带研究的热点。由图9 可见，从关键词突现强度看，突现强度为2.635的environment 在7 个关键词中排名第一，这说明环境问题在AWEF 纽带研究中有很大的关注度，由于WEF 纽带的理论起源于气候变化等环境问题，落脚点也是保持环境资源的可持续利用发展，因此自2014 年开始，AWEF 纽带的研究基本都是与环境的问题相关；agriculture 和policy 关键词突现也表明改善农业生产、资源消耗与经济产出的制约关系受到关注，如Taloiz 等［26］提出综合的自然资源管理方法，Doukkali 等［27］提出农业水资源管理的建议，Wichelns 等［28］则给出农业补贴等政策建议；water和groundwater 的突现强度说明对于干旱地区的农业系统来讲，由于地表水的匮乏，人们更希望采用地表水和地下水联合利用等方式提高农业的生产效率；Security 突现表明研究的目标是为了确保水资源、粮食和能源的安全；同时，footprint 的突现强度也很高，为1.908，说明自2018 年以来研究更趋于系统化，对于农业活动当中的物质能量流动会通过建立动态模型展开系统性的研究，包括农业系统中的水足迹、碳足迹、能源足迹等，其中尤以水足迹研究颇多。因此，从关键词的时间顺序来看，AWEF 纽带研究初期主要关注于环境问题和农业（粮食安全）问题，环境的变化给农业生产造成巨大的挑战，为了应对这一挑战，人们开始寻求将多水源、能源与粮食联系起来的方法构建模型或框架，以分析可行的技术措施并评估实施效果；而后期学者对粮食安全问题和足迹的研究更加关注，这将成为AWEF 研究的一个新热点。

图9 AWEF 样本文献关键词共现网络突现词

（3）总体来讲，研究的前沿由环境问题引出，提出相关政策建议、研究多水资源分配，再到足迹研究，整个研究过程呈现由表面到内在、由静态到动态、由单一到综合的趋势。

4 结论

本研究以2000—2019 年Web of Science 核心数据库中有关AWEF 纽带的156 篇论文为研究对象，运用CiteSpace 可视化分析软件分析了国际上AWEF纽带研究的现状及发展趋势，结论如下：

（1）2013 年以前，AWEF 纽带研究尚未大范围开展，2014 年开始出现快速增长的态势，这得益于2011 年世界经济论坛发布的《全球风险报告》正式提出WEF 纽带的概念，同时Bazilian 等［6］和Hoff［2］的研究起到了重要的奠基作用。

（2）美国在AWEF 纽带领域起步早，研究深度最深，与其他国家合作密度最大，在国际上的影响力最强；中国起步晚，但近些年发展迅速，目前发文量仍次于美国。

（3）AWEF 纽带是一个跨多学科的研究领域，具有较高的复杂性和交叉性，涉及环境科学、水资源、绿色可持续技术、环境工程、环境研究、化学工程、土木工程以及气象与大气科学等学科，其中环境科学、水资源为重点研究领域。中国关于AWEF 纽带的重点研究领域与国际保持一致。

（4）粮食、水资源和能源安全是大部分AWEF纽带研究的主要发出点，系统的框架研究和政策建议主要是早期研究的内容，足迹研究是近些年研究的热点，基于不确定性的AWEF 关联模型研究是发展的一个重要方向。

总之，国际上AWEF 纽带研究已具备比较成熟的理论基础，在模型应用、框架研究、风险评估等方面也已有很多成功的经验。虽然近几年中国在AWEF 纽带方面的研究发展迅速，在国际上的发文量也快速增长，但由于研究起步晚，研究方法和技术手段仍然受国外的影响较大，研究成果不具有显著创新，因此在国际影响力方面仍显不足。为快速追赶国际发展前沿，中国除了要提高相关发文量，还应注重提高研究成果质量，根据AWEF 纽带多学科交叉的特点，发挥学科的互补优势，促进国际合作，结合不确定性技术手段和足迹理论展开大量研究。