基于文献计量学的EPIC模型应用综述_翟钰钰.pdf

第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：国家重点研发课题“黑土地耕地质量立体监测认知理论与指标体系”（）；国家自然科学面上基金项目“黑土区不同坡形坡耕地侵蚀及其对降雨和水保措施的响应”（）；国家自然科学基金面上项目“东北黑土区农田道路网对小流域侵蚀产沙的影响”（）第一作者：翟钰钰（），女（汉族），山东省聊城市人，硕士研究生，研究方向为土壤侵蚀与水土保持。：。通信作者：方海燕（），男（汉族），山东省济宁市人，博士，研究员，主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。：。基于文献计量学的 模型应用综述翟钰钰，方海燕，（中国科学院 地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点试验室，北京 ；中国科学院大学 资源与环境学院，北京 ）摘要：目的检索 年 模型的应用情况，进行文献计量和聚类分析，为 模型未来的应用和发展指出方向。方法通过检索 核心数据库，基于检索到的 年与 模型相关的 篇论文和软件包 文献计量和聚类分析法，分析了 模型的研究热点和历史发展趋势。结果 年，模型应用年发文量呈增加趋势，已有研究侧重于水文水资源与气候变化、土壤侵蚀与养分流失、农业干旱和作物生长等个方面。该模型模拟精度高，能够很好地评价和预测过去、现在和未来的水、土、土壤养分流失和作物产量，但模型也存在参数多，输入数据制备难的缺点。结论 模型可应用于多个研究领域，与其他模型及深度学习等方法的耦合，为深入开展“双碳”和水土流失研究、作物生产及对气候变化的响应模拟和预测等工作提供支撑。关键词：文献计量；土壤侵蚀；文献标识码：文章编号：（）中图分类号：文献参数：翟钰钰，方海燕基于文献计量学的 模型应用综述水土保持通报，（）：；，（）：，（.，；.，）：（），：，“”，：；（）；（）是一个基于物理过程的定量评价“气候土壤作物管理”系统的综合动力学模型。它是 世纪 年代初期由美国德克萨斯农工大学黑土地研究中心和美国农业部草地、土壤和水分研究所共同研究开发的适用于多种土壤、气候和作物类型的模型。该模型常用于评估管理策略变化对土壤侵蚀和土地生产力的影响。最初的 版本称为侵蚀生产力影响 计 算 器（），之后 逐步完善，在增加了与水质和大气 变化有关的模拟功能后，于 年更名为环境政策综合气候模型（），现在已经更新维护到 。在官网（：）上公开了 源 码 和 （基 于 构建的），方便用户修改和使用自己的数据运行模型模拟。此外，与 交互的软件程序 具有内置的图形功能，可以通过 数据库格式导入模型所需的操作数据控制运行和报告，并提供了一个创建输入和输出表的界面。该模型输入数据包括土壤、气候和农业管理措施及耕作方式和实施肥料等。模型包含 个模块，包括气候、水文、侵蚀、养分、农药、土壤温度、作物生长、栽培、作物环境、经济和碳循环模块，可用于水文过程、气候变化、土壤侵蚀、养分运移、植物生长、土壤温度、耕作措施和经济管理等的模拟与预测工作。范兰等简述了 模型的主要结构和功能并总结了主要应用领域及在中国的应用情况。等结合系统评价和 分析，综述了 作物生长模型的应用，包括改善作物生长模型精度，探究气候变化影响和缓解农业干旱，并讨论了农业生产如何适应气候变化。目前，该模型在全世界得到了广泛的推广，其应用包括运用 进行模型模拟、计算土壤可蚀性及与其他模型耦合开展相关研究等。等评估了 种土壤水力侵蚀模型，认为 （）、（）、（）和 等模型适用于亚洲地区，且在世界范围内具有良好的适用性。因此，应用 模型可开展的研究广泛，它在全世界不同土壤和气候区都得到了不同程度的应用。然而，采用该模型开展的研究主要集中在哪些方面，取得了哪些成果，未来的研究趋势是什么等还不清楚，在一定程度上限制了该模型的进一步发展与应用。因此，非常有必要对该模型在全世界的应用情况进行系统的综述。文献计量学可以快速了解领域内的研究动态、热点及发展脉络。此外，和 还提出了一个开源的 软件包 ，基于因子分析进行文本挖掘，可以进行文献计量统计分析，并可对未来研究方向进行预测等，这为该模型的应用与发展提供了很好的技术手段。本文基于 核心数据库，采用关键词“”“”和“”，检索了 来（年）模型的应用情况，并基于软件包 进行文献计量和聚类分析，进而综 述了 模型的应用进展，并指出了 模型未来的应用和发展方向。文献计量分析结果在 年，基于以上关键词检索到的论文有 篇，其中正式发表的期刊论文 篇，即将发表的论文 篇，书中章节篇，数据文章篇，会议论文篇。研究时段有 位作者在 个期刊上发表了 篇论文，引用的参考文献达 篇；平均每年发表的论文有 篇，论文年均引用量为 ，平均每年每篇论文有 的引用量。独立完成论文的作者有位，每篇论文平均有 个共同作者完成，协作指数为（表）。表应用 模型发表的相关论文统计信息 发表论文数量（）出现的作者数（）独立完成论文的作者数（）所发表期刊的数量 （，）年均发表数（）年均引用量（）年均每年每篇论文引用量（）参考文献（）平均每篇论文中的作者数（）协作指数（）水土保持通报第 卷 年，模型受到了不少学者的关注，年发文量整体上呈增加趋势，其中 年、年、年、年论文发表数较多（图）。应用 模型发表论文前 位的国家有美国、中国、澳大利亚、加拿大、德国、意大利、日本、瑞士、法国和韩国等（图）。与其他前位国家相比，近年来中国采用该模型开展的工作越来越多（图）。然而，国内外应用 模型发表相关论文数量前 位的作者所在机构多分布在国外，其中美国居多，中国作者仅有一人，这表明 模型在中国的应用还不够深入，还有十分广阔的应用前景（图）。图 年应用 模型发表的论文情况 图应用 模型发表论文前 位的国家（）以及应用该模型发表论文前位国家的发文量（）（），（）图应用 模型发表论文量前 位的作者 应用 模型发表论文数量前 位的期刊中，在 上发表的论文最多为 篇（表），其次为 和 期刊，在其上发表的论文分别有 篇和 篇。表应用 相关论文投稿前 位的期刊 期刊名称发文量篇 应用 模型开展研究的前 位高被引论文内容涉及了作物生长模拟、气候变化及碳循环等（表）。其中直接引文中年均被引篇次排名第一的是 年发表在 期刊上的论文，该文介绍了基于 模型机理开发的碳氮模型，第期翟钰钰等：基于文献计量学的 模型应用综述将土壤碳动态模拟与作物管理、耕作方法和 模型的侵蚀过程联系起来，并与 中的土壤湿度、温度、侵蚀、耕作、淋滤和迁移功能直接相互作用，建立了土壤质地对土壤碳稳定性的影响方程。该文的高引表明，模型对模拟土壤碳含量变化有较好的适用性，也表明全世界对土壤碳平衡的关注。该工作对于目前土壤侵蚀作用下的“双碳”研究将会有重要意义。表 年有关 模型的引文前 位论文情况 年份文献发表期刊引用量年均被引创新点及应用 等 土壤碳平衡 等 遥感影像反演与 结合模拟春小麦产量 等 介绍了 和 模型组成、校准参数 和 基于 的 模拟全球范围内的作物生产力 等 将 与耦合，评估氮通量 等 （）评估气候变化的敏感性 等 ，模拟不同二氧化碳浓度下的作物生产 和 .研究气候变化对农业生产的潜在影响 等 耦合 和 评估作物产量 等 生物燃料生物产量通过对文献耦合、共引和共现数据进行归一化，以计算 其 相 似 度 并 进 行 共 词 分 析（见 图）。轴（）解释了总方差的 ，轴（）解释了总方差的，累计解释率达 ，不同关键词节点间距离越小越相似，反之差异越大。关键词概念结构图被分为类：在聚类中，主要有径流（）、率定（）、灌溉（）、运移（）、系统（）等关键词，体现了 模型在水文、养分运移方面的应用；在聚类中在水资源利用（）、大气二氧化碳（）、敏感性（）、响应（）等关键词，体现了 模型在水资源利用、气候变化方面的应用；在聚类中，沉积（）、产量（）、温度（）、蒸散发（）、评估（）、适应（）等关键词，体现了 模型在作物生长、农业干旱方面的应用；在聚类中，侵蚀（）、土壤有机碳（）、尺度（）、长序列（）等关键词，体现了 模型在土壤侵蚀、有机物流失方面的应用。将所有关键词进一步生成聚类分析树形图（图）。图应用 模型发表的相关论文关键词概念结构图 水土保持通报第 卷图应用 模型发表的相关论文关键词聚类图（图中聚类，标识 模型的个主要应用方面）（，）图和图也进一步表明，模型在地理学、农学、生态学以及水土保持学等领域都有应用，研究内容涉及水盐动态、有机碳、氮磷钾的淋溶、作物估产、土壤温度模拟、土壤侵蚀以及气候变化演变等（图）。图 模型主要应用关系 模型的主要应用图和图表明，模型在水资源、土壤、气候、土壤有机碳、养分运移等方面具有广泛运用，可以用来评估和预测水资源、土壤侵蚀和养分流失、干旱评估及作物产量等，具体分为以下个方面。水资源及气候变化 模 型 可 以 模 拟 小 流 域 尺 度 上 的 水 文 平衡，包括融雪、地表径流、入渗、土壤含水量、地下侧向流、地下水位动力学和蒸散发等。通过输入现有的降水、气温、太阳辐射、风速和相对湿度等参数，天气发生器子程序可以生成未来的每日天气，进而可应用于气候变化相关研究。基于 模型的水文模块和作物模块，许多学者对水盐动态、养分迁移、地下水等物理过程进行了探讨。模型集成了描述农田降水、径流、渗透、蒸散、吸收、胁迫等过程的数学方程，可用于农田水分动态管理与定量评价研究，预测年蒸散发量、渗透量、模拟地下水水分平衡，模拟作物影响下的土壤湿度 及土壤水盐动态，也可构建农田尺度土壤水盐动态与作物生长耦合模型等。朱焱等 基于 根系 生 长 子 模 块 与 土 壤 氮 素 迁 移 转 化 模 型 耦合，得到了作物生长条件下土壤水氮迁移转化过程。等 评估了加拿大安大略省第期翟钰钰等：基于文献计量学的 模型应用综述伊利湖盆地上玉米大豆轮作下的作物产量、地表径流、灌溉排水和溶解活性磷损失，径流模拟精度可达。也有研究 利用 模型评估了四川盆地不同氮肥处理下黑麦草的土壤水分变化，发现模型模拟的黑麦草产量、高度和叶面积指数和试验值具有良好的相关性。因此，该模型对于径流和水盐的模拟精度较高，但也有研究指出，在评估水体富营养化风险时，发现 模型的模拟精度较低。因此，模型在进行水文环境模拟时，与水溶性元素迁移模型耦合还可以进一步提高模拟精度。此外，已被证实可以评估气候变化对作物生长和农业生态系统的影响，特别是常见的粮食作物和经济作物。有学者基于 评估了中国北方不同灌溉类型和不同农业区域水分胁迫因子和温度胁迫因子对小麦产量波动的影响。还有学者基于 模型探究了气候变化对中国东部种主要作物（油菜籽、玉米、马铃薯、水稻和冬小麦）产量的潜在影响，识别了未来气候条件下的脆弱区域和新兴区域，发现气候变化比土壤性质的变化更能驱动产量的变化。此外，等 使用 模型用于长期有机菜田试验，并且评估了气候变化下种农业生态措施的性能。气候变化背景下水资源及相关研究，为该模型的进一步应用提供了很好的平台。作物生产作物产量是影响国计民生的大事。大量研究表明，在作物估产上应用广泛且具有良好的适用性。许多学者应用或改良 模型对常见作物（小麦、玉米、水稻等）产量进行了模拟评估，在不同尺度、不同研究区都取得了理想的效 果。例如，等 基于 农业生态系统模型，量化了不同农业管理下的未来小麦产量，评估了气候变化下全球小麦产量，并且模拟产量与监测产量相关性高达 ；等 基于 模型，使用全球网格建模方法，模拟了全球 年期间水蚀对玉米和小麦产量的影响。和 使用 对泰国的水稻产量进行估计，并与泰国农业与合作部农业经济办公室的农业统计报告进行了比较，发现其预测精度高达，验证了 模型在农作物产量模拟上具有良好的性能。在中国，王宗明等 修订了 模型部分作物参数，验证了黄土塬区冬小麦和春玉米的作物生产潜力的适用性；范兰等 也基于 对华北平原冬小麦与夏玉米生长和产量进行了模拟。在作物估产方面，随着遥感技术的发展，可以快速获取长时间序列较高分辨率的作物产量数据。模型有上百种作物生长的参数，因而其可以模拟作物生长过程和创设作物生长情景进行未来预测，但也存在参数多、数据较难制备的缺点。在作物产量方面研究较多，模型可以考虑土壤侵蚀，预计在侵蚀区会有更好的适用性。土壤侵蚀和养分流失 模型