水是人类赖以生存和社会经济发展不可或缺的物质基础^[1]。水文学主要是研究陆地水循环过程的, 在这个过程中水以多种形态穿过大气降落到地面, 进而由地表蒸发回归大气, 或由河川径流汇入湖、海^[2]。生态水文学是水文学与生态学的交叉学科, 着力于探究生态过程和格局的水文学机制^[3-4]。从流域尺度开展生态水文学研究, 是其中的一个主要方面^[5-7]。气象气候条件是影响流域水文过程的重要因素；土地利用/覆盖变化、水土工程措施等人类活动对流域水文过程会造成显著影响；气候与人类活动的影响相互交织, 共同导致区域的水文水资源状况发生变化^[8-13]。水文模型是对复杂水文现象的一种简化, 是定量研究流域生态水文过程的重要工具。从对流域内空间分异考虑的程度上划分, 水文模型主要包括两部分, 一是集总式水文模型, 包括新安江模型、以及TANK模型(即水箱模型)等；二是分布式水文模型及半分布式水文模型, 以TOPMODEL、SWAT等为代表^[14-16]。在流域水热耦合研究中得到广泛应用的Budyko模型(或曲线)^[17]可归入其中的第一部分。

文献计量学是针对文献的各种特征的数量表现, 采用数理统计等数学方法来描述、评价其研究现状并预测其发展趋势的图书情报学分支学科^[18-20]。国家自然科学基金委员会以“中国陆地表层研究回顾与展望”为题, 利用文献计量学方法阐述学科发展历程和研究进展, 发掘影响学科发展的多重要素, 2016年出版了一套丛书, 其中包括《地理科学三十年：从经典到前沿》^[21]。本研究选取具有国际影响力的美国科学信息研究所的科学英文索引扩展版(Science Citation Index Expanded, SCIE)数据库为数据源, 通过文献计量的方法对流域生态水文学领域的一个热点研究方向——流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应, 进行信息挖掘与统计分析, 以揭示该方向研究产出状况、不同国家及机构的参与程度、研究力量分布以及重点问题等, 以供科研人员参考。

1 数据来源与分析方法

以Web of Science(WOS)中SCIE的核心合集为数据来源, 遴选生态水文学中流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应研究方向的论文, 特别关注基于Budyko(布迪科)模型方面的工作。经过多次试检索并和相关科研人员沟通, 最终确定使用高级检索中的主题方式, 由所选研究方向框定主题词, 用布尔运算符做必要的连接, 形成检索式, 文献类型限定为article、review、letter等, 检索时间为2016年3月15日。根据论文产出情况, 选定的文献期限为1992—2015年, 得到论文共460篇。以此为研究样本, 使用TDA、Ucinet和NetDraw等软件, 用Keywords (Author′s+Plus)+Title (Phrases)(统一简称为关键词)作为主题词, 经过数据清理去掉宽泛冗余的高频词汇, 合并同义词汇, 分析文献主题与热点的阶段变化、主题网络与合作国家/机构等方面的特征。

2 结果与分析 2.1 论文数量的时间变化特征

对事物发展的演进分析可以是时间序列上的逐年跟踪, 也可以划分不同的阶段进行研究。前者可以及时、动态地反映研究领域发展的细节信息；后者则从描述不同发展阶段的整体表现展示趋势特征^[22]。本文结合两种方法进行分析。

通过文献数量的变化来分析学科发展阶段, 可判断和预测科学知识的增长趋势^[23]。据此并结合不同年度研究主题的变化、机构合作特点等划分出3个研究阶段：1992—2002年为低产出探索期, 研究论文年产出数量较少, 年均4.5篇, 为起步发展阶段；2003—2009年为拓展推进期, 年均17.7篇, 论文产出数量提升, 进入快速发展的阶段；2010—2015年为高产出活跃期, 年均发文量达47.7篇。发文量最多的是2013年, 达66篇(图 1)。第一阶段历时11年, 第二与第三阶段历时都较短。3个阶段呈现为3个台阶, 台阶间表现为发文量快速跃升, 年际波动与台阶提升相交织。

2.2 研究主题与热点特征 2.2.1 三阶段Top19关键词与词频分析

以关键词—关键词共现矩阵为基础, 对关键词之间的联系进行分析。首先将3个阶段的数据分别进行处理, 利用TDA软件结合科研人员的建议, 对每个时间段的关键词进行规范, 并依据词频对关键词进行排序, 每个阶段遴选出19个高频关键词(表 1)。

可以看出, 3个阶段中流域、水文模拟、径流、水量平衡和气候变化一直处于前5的位置, 这表明在1992—2015年间这5个主题是流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应研究的核心热点。土地利用/覆盖变化在3个阶段中分居第八、七、六位, 位次逐渐上升。植被是研究的另一个核心热点, 词频统计在3个阶段中均处于前10位。尺度、降水、土壤水分、蒸散、气候和蒸发等也是关注的热点词汇, 3个阶段中均处于Top19之列。其中“蒸发”的位次逐渐有所下降, 而“蒸散”在后两个阶段的位次显著提升, 一方面说明蒸散概念, 即evapotranspiration (ET), 更为学界接受, 另一方面也说明对实际蒸散的研究愈来愈得到重视。有关模型的研究在后两个阶段受到更多的关注, 这里面包括分布式模型和集总式模型, 2010—2015年基于Budyko模型的研究更凸显出来。水文要素的时间趋势与年际变化也在新近的研究中成为热点。

2.2.2 1992—2015分阶段研究主题网络分析

随着研究工作的深入与论文篇数的不断增加, 网络图谱中关键词不仅数量增多, 各关键词间的共现几率也明显增加, 尤其是2010—2015年间, 关键词间的连线交织成密集网络(图 2)。关键词出现频率越高, 网络图中节点越大；节点间连线越粗, 其共现几率越大。1992—2002年, 流域、水文模拟、径流、水量平衡、植被和气候变化等6个关键词共同形成研究的核心节点, 表明这些主题是该阶段研究的重心, 这与上一节对词频的分析是一致的。6个关键词间也有较为紧密的联系, 土地利用/覆盖变化、森林、土壤水、蒸散和尺度(包括空间的与时间的)处于网络的次核心位置, 也是该阶段研究的热点。这一研究阶段中, 人类活动和水资源管理受到关注。2003—2009年, 研究核心扩大, 6个研究主题依旧是核心, 同时土地利用/覆盖变化和蒸散研究更受到重视。分布式水文模型、尺度、降水和土壤水等也成为研究的热点。土地利用/覆盖变化是人类影响流域下垫面的重要形式和表现, 植被变化与其紧密相关。

随着研究主题的扩大, 研究方法也更加多样化。无资料流域的研究受到进一步关注, 选取对照流域的方法对下垫面变化的水文效应进行分析也成为一个重要方面。除继续应用遥感手段(包括广泛使用的NDVI等遥感数据)外, 分布式水文模型和Budyko模型等更多的得到运用。2010—2015年, 研究主题进一步深入和扩大, 各研究主题词间连线更加密集、交错。在这一阶段, 前期的研究核心依旧保持, 土壤水、降水、尺度、分布式水文模型仍然处于网络的次核心位置。此外, 有关Budykos曲线模型的研究增多, 人类活动受到更多的关注。使用的遥感方法中, 地球重力场观测卫星(GRACE)数据也被考虑进去。受人类活动与气候变化交织影响, 流域蒸散与径流变化所表现出来的水文效应其具体的归因分析、敏感性分析及贡献比例研究在第三阶段得到加强。有关半干旱区与土壤侵蚀的研究成为另一关注热点。以上研究主题的变化, 也是应对当前气候变暖、极端天气出现频繁、荒漠化扩大等全球环境变化的一种反映。

2.3 研究力量分布特征 2.3.1 1992—2015年期间主要研究国家(或地区)及机构分布

分析460篇研究论文, 发现65个国家的575个机构参与了流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应的研究。主要的发文国家和机构的相关发文信息如表 2和表 3所示。发文量居于前13位的国家中只有中国为发展中国家, 其余12个国家均为发达国家。中国发文量占发文总量的20.7%, 居第1位, 但是其篇均被引频次只有14.6, 位列13, 说明中国发文量虽高但文章水平还有待进一步提升。篇均被引频次居第1位的是瑞典, 其篇均被引频次达48.3, 但其发文量居第8位, 说明其发文量虽不多, 但文章水平较高。篇均被引频次超过30的分别为瑞典、澳大利亚、加拿大和美国等4个国家, 其中澳大利亚和美国的发文量分居第2和第3位, 在该研究方向有较强的影响力。

从机构分布来看, 主要来自发达国家。发文量居前14位的机构分别属于7个国家, 其中中国、澳大利亚和法国均为3个, 英国2个, 挪威、瑞典和美国各1个。发文量居第一位的是澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO), 其发文量占论文总量的10.9%, 同时该机构发文的篇均被引频次达51.9。篇均被引频次居第1位的是美国亚利桑那大学, 其发表的文章篇均被引频次达61.7。美国亚利桑那大学、墨尔本大学、澳大利亚联邦科学与工业研究组织、英国生态水文研究中心和英国自然环境研究理事会等5个机构产出论文的篇均被引频次均超过了40。

2.3.2 1992—2015年Top10高被引论文及期刊分布

1992—2015年Web of Science流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应研究高被引论文排名前10位即Top10论文(表 4), 其第一作者机构分布在4个国家：澳大利亚、美国、加拿大和瑞典。其中, 澳大利亚有4篇论文, 且2篇论文被引频次分居第一和第二位。澳大利亚的4篇论文分别属于CSIRO(联邦科学与工业研究组织)水土研究所和澳大利亚国立大学。美国4篇论文, 2篇出自杜克大学, 1篇出自亚利桑那大学, 另1篇出自塔夫茨大学, 这4篇论文均有较高的影响力, 其被引频次排名分居第3—6位。另外2篇论文分别出自加拿大的维多利亚大学和瑞典的斯德哥尔摩大学。这些机构中, 澳大利亚的2所研究机构或大学及美国的3所大学不仅其本身有较强的研究水平和很高的影响力, 而且均与其他机构有较好的合作关系(图 4)。维多利亚大学和斯德哥尔摩大学, 也都是国际知名的综合性大学。这也印证了良好的合作关系有助于提升机构的发文水平和国际影响力, 实力强的研究机构能吸引更多的合作, 进一步促进其影响力的提升, 两者相互促进。明晰高影响力论文期刊分布, 对于查阅相关的研究文献和为作者选择投稿方向大有裨益。1992—2015年流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应研究方向Top10高被引论文分布于美国、荷兰和德国的6个期刊上, 其中WATER RESOURCES RESEARCH(水资源研究)和JOURNAL OF HYDROLOGY(水文学报)的载文量均为3篇；ECOLOGY(生态学)、ECOLOGICAL APPLICATIONS(生态学应用)、AMERICAN NATURALIST(美国博物学家)和HYDROLOGY AND EARTH SYSTEM SCIENCES(水文学与地球系统科学)载文量各为1篇。从发表年度来看, 10篇论文均发表在2000—2007年间。被引频次居第一位的是2001年澳大利亚CSIRO水土研究所的Zhang L(张橹)等合著发表在WATER RESOURCES RESEARCH上的文章^[24], 被引频次高达700次。该文提出了一个Budyko框架下的流域蒸散模型, 以评估流域尺度年均蒸散量对植被变化的响应。文章分析了世界上250多个流域的数据, 表明森林覆盖度给定时, 多年平均蒸散量和降水量之间存在密切的关系。同样属于TOP10的Zhang L等2004年在WATER RESOURCES RESEARCH上发表的论文, 介绍并应用了我国著名气候学家傅抱璞教授推导的流域尺度陆面蒸散计算模型, 学界常常称之为傅抱璞公式。傅抱璞公式最早是于1981年在我国的《大气科学》刊物发表的^[25], 但由于语言的原因, 未能在国际上得到大的传播, 受到Zhang L论文的推介, 近十多年来傅抱璞公式已被国际学界广泛应用。我国学者的论文虽然未在TOP10之列, 但近年来在WATER RESOURCES RESEARCH等刊物上也有重要表现, 被引频次也在不断提升, 包括清华大学的杨大文、杨汉波等的工作^[26-27], 其中杨汉波等通过严密的数学推导, 论证了国外学者给出的关于Budyko曲线的一个公式表达, 以描述流域水热耦合过程, 被称为Mezentsev-Choudhury-Yang公式, 目前这一公式与傅抱璞公式一道成为国际生态水文学界的一大亮点。

2.4 国家(或地区)/机构合作网络分析 2.4.1 国际合作动态网络分析

明确国际层面的合作关系, 可为开展国际合作选择方向, 同时有助于提升国家(或地区)的研究水平。分析流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应研究方向不同阶段的国际合作状况发现, 在1992—2002年, 国际合作只在少数几个国家之间开展(图 3)。其中, 以美国和德国为核心, 俄罗斯、捷克、瑞士、瑞典、澳大利亚、阿根廷、爱尔兰等参与其中形成了一个合作群体, 丹麦、新西兰、印度和泰国也分别通过与德国、澳大利亚、美国和瑞典合作参与到合作群体中；西班牙和斯洛伐克两个国家形成了合作对关系。这个阶段的合作关系较为单一, 具体到特定国家, 合作数量最多的美国、德国也仅与8—9个国家有合作关系。2003—2009年, 参与合作的国家数量增多, 国际的合作也较为密切。形成了以美国和瑞典为中心, 德国、英国、南非、中国、意大利、挪威等众多国家参与组成的较大的合作团体；此外还有两个聚类群体, 一是以法国为关键节点, 包括尼日尔、肯尼亚、突尼斯和墨西哥共同组成的聚类团体；二是以荷兰为关键节点, 奥地利和埃塞俄比亚等3个国家组成的聚类团体。两个聚类团体分别通过法国—南非及荷兰—法国、荷兰—加拿大与以美国、瑞典为中心的较大的合作团体建立联系, 澳大利亚通过与奥地利的合作也参与到该合作团体中。中国在这个时期也加大了国际合作的步伐, 与其合作密切的主要是美国、瑞典、挪威和加拿大等国家。蒙古和日本则形成了一个合作对。2010—2015年, 较前两个阶段, 国际合作范围明显扩大, 不仅参与合作的国家数量急剧增多, 国际合作更加交错、密切, 形成了较为密集的网络图谱。美国依旧保持其核心地位, 英国、法国、荷兰、德国和瑞士也成为了研究流域生态水文的主要国家。瑞典、挪威、澳大利亚和中国也处于网络中心区域。处于网络边缘的埃塞俄比亚、比利时、奥地利和日本等国家也与多个国家有合作。这一阶段与中国合作最密切的仍旧是美国, 其次是澳大利亚、德国、瑞士和挪威, 与英国、法国、瑞典、加拿大及奥地利等国家也均有合作关系, 这表明我国参与的国际合作显著增多, 有利于提升我国在该方向的研究水平和影响力。

2.4.2 机构合作动态网络分析

国际机构间的合作是国际合作具体表现。关注不同机构间的国际合作有助于了解其运作过程。纵观3个不同的发展阶段, 经过了少数机构参与的个别合作团体, 到多数机构参与的多个合作团体, 进而到更多机构参与的合作网络(图 4)。1992—2002年, 分别形成了2个较大的和2个较小的合作团体。2003—2009年, 参与合作的机构数量明显增多, 形成了6个合作团体, 其中3个较大的均超过10个机构组成。此阶段, 中国在该研究方向参与的国际合作主要在两个群体间展开。其中, 中国科学院、香港中文大学、中山大学、河海大学等与瑞典的乌普萨拉大学、挪威的奥斯陆大学、美国的德州农工大学和路易斯安那州立大学等多个国外机构有合作关系；中国林业科学院、南京大学、云南大学等与加拿大的不列颠哥伦比亚大学有合作, 且形成了一个联系较为密切的合作团体。这2个合作团体通过中国科学院与中国林业科学院间的合作对发生联系。2010—2015年, 参与合作的机构数量迅速增加, 机构间合作更加密切, 形成了一个较大的密集合作网络图谱。此阶段, 更多的中国研究机构(大学)参与到国际合作中, 中国科学院和清华大学同时成为合作的中心, 处于网络图的核心位置, 与国内外多个机构均有合作。此外, 中国水利部、武汉大学、南京大学、西安理工大学、陕西师范大学、北京师范大学、河海大学、中国气象科学研究院等均与国内外多个机构有合作关系。澳大利亚的联邦科学与工业研究组织(主要为其下属的水土研究所)、挪威的奥斯陆大学、美国的亚利桑那州立大学、加拿大特伦特大学、美国农业部等多个机构也是此阶段主要研究机构和合作中心。西北农林科技大学在2010—2015年间在流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应研究方面主要与中国科学院、美国的普渡大学等有合作关系。

3 结论

流域生态水文学近年来得到长足发展, 流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应是该领域的一个重要的热点研究方向。结合相关文章发表数量、主题变化、合作特点等, 其研究可分为低产出探索期、拓展推进期和高产出活跃期3个阶段。相关研究主题在不断深入和扩展的同时, 气候变化、径流、水量平衡、水文模拟、土地利用与覆盖变化等核心主题热度不减, 同时遥感与GIS技术的应用在不断得到加强, 人类活动的水文效应及其年际变化等的研究逐渐受到更多的关注, 时空尺度的不同对流域水热耦合过程的影响在3个阶段都是重要问题。Top10高被引论文, 其第一作者机构分布在澳大利亚、美国、加拿大和瑞典等4个国家。其中, 澳大利亚4篇论文, 美国4篇论文, 加拿大和瑞典各1篇。这些论文分别发表于美国、荷兰和德国等出版的6种期刊上。

积极开展国家和机构层面的合作对于提升研究水平, 产出高水平成果具有重要意义。流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应研究方向发文水平较高的国家和机构绝大部分是发达国家的综合实力强的国际知名机构。发文量前13位的国家中12个发达国家, 前14位的机构中11个均为发达国家的知名研究机构, 另外3个中国机构也有较强的综合实力, 尤其中国科学院, 拥有涉及多领域遍及中国多个区域的实力较强的研究所。这些领先的国家和机构同时也与其他的国家和机构保持良好的合作关系, 如美国、澳大利亚、英国在3个研究阶段一直在合作网络中保持核心地位。由此可以看出, 良好的合作关系有助于提升机构的发文水平和国际影响力, 实力强的研究机构能吸引更多的合作, 进一步促进其影响力的提升, 两者相互促进。

中国在流域水热耦合过程及其对气候与下垫面变化的响应研究方向的科研实力不断增强, 国际地位逐渐提升, 科研论文的数量显著增加, 部分论文水平已进入国际前沿, 产生重要影响, 但整体而论, 与国外的相关研究比较还存在一定的差距, 国际合作还需要进一步加强和提升。