水土流失会导致土地生产力下降，恶化生态环境，威胁人类社会的可持续发展，防治水土流失一直是世界各国共同关注的环境问题^[1-3]。植物措施是防治水土流失的主要措施之一，广泛应用于坡面和江河湖库堤岸防护^[4-7]。植物在江河湖库的岸滩和浅水区域广泛存在，承担着净化水质、加固堤岸等的重要作用。植物的水土保持作用可以追溯到宋嘉定年间(1208—1224年)魏岘的著作《四明它山水利备览》^[8]，在20世纪90年代“植物生物力学特性”首次作为专有词被国际植物学家和工程师群体使用^[9-10]，是生物物理学的分支。本研究认为，当前“植物生物力学特性”可以定义为植物各部分单独或整体，植物个体或群体表现出的力学特性，及其在水土保持上体现出的功能和作用，是衡量植物地下和地上部分与侵蚀营力(如水流、波浪、风力、冻融等)相互作用的重要参数集合，主要包括且不限于断裂力、断裂应力、断裂应变、断裂功、挠度、强度、刚度、弹性、韧性等参数，以及在外营力作用下，植物内在生理及结构变化所表现出的外在力学特性变化。植物生物力学特性这一专有词自出现后在水土保持领域的研究受到越来越多研究者的重视。植物地下部分在固土抗蚀方面起着重要的作用，植物的根系能提高土体强度从而抑制表层土体的侵蚀，根系的抗拉强度是影响表层土体稳定性主要因素之一^[11-13]。植物地上部分在拦截水流和风沙等方面发挥着重要作用，植物在水和风的作用下会发生弯曲和倒伏^[14-15]，这种弯曲和倒伏的程度受到水流特性和植物自身的生物力学特性影响。植物在水流等的作用下弯曲和倒伏后自身的阻流面积发生变化^[16]，又会反过来影响流场特性，影响水流和泥沙等的输移，形成复杂的植物—流场响应过程^[17-18]。植物地上部分和地下部分的生物力学特性在保持水土、防风固沙等方面起着无法替代的作用，植物生物力学特性研究是水土保持植物措施研究的重要基础。

Citespace等文献计量软件可以通过可视化的方式呈现研究领域的动态与进展^[19]。近年来，文献计量软件在水土保持和土壤侵蚀研究中已经被广泛地应用。例如，土壤侵蚀现状分析^[20]、国土生态修复^[21]、土壤有机碳矿化^[22]、生物土壤结皮^[23]、耕作侵蚀等^[24]。本文以最常用的两个文献计量工具Citespace和VOSviewer对植物生物力学特性在水土保持研究领域中的研究现状进行分析。拟通过分析发表论文数量、作者、热点期刊分布、关键词分析和研究热点演变，展示植物生物力学特性在水土保持研究领域的演变过程和发展方向，为该领域后续研究提供科学参考。

1 材料与方法

数据来源于中国知网(CNKI)和Web of Science (WOS)核心合集数据库，检索日期截至2022年6月1日。CNKI数据库检索式为SU=(′植物′+′植被′+′根系′+′茎′+′叶′) AND SU=(′力学特性′+′生物力学′)。WOS数据库检索式为TS=(("biomechanical" OR "biomechanics" OR "mechanical properties" OR "mechanical traits") AND ("plant*" OR "vegetation" OR "root*") AND ("soil erosion" OR "soil loss" OR "sediment*" OR "floodplain" OR "riparian" OR "coast" OR "river" or "lake"))，文献类型为“Artical”和“Review”，语言类型为“English”。结合人工筛选，剔除会议论文、书评等，得到“植物生物力学特性与水土保持”研究的中文文章112篇，英文文章162篇。

2 结果与分析 2.1 总体概况

年发文数量在一定程度上体现了该研究领域受关注的程度^[25]。通过对检索出的112篇中文文献和162篇英文文献统计分析，得出“植物生物力学特性与水土保持”研究主题每年的发文量变化趋势，结果如图 1所示。中国对植物生物力学特性与水土保持研究的文献数量从1990—2005年仅有3篇。从2005年开始发文量呈不规则上升趋势，在2021年达到峰值(图 1)。国际上关于植物生物力学特性与水土保持主题研究的发文量大致可以分为两个阶段：第一阶段为1991—2010年，该阶段植物生物力学特性与水土保持主题相关研究较少，受关注程度不高，20 a内仅有22篇相关文献，占总发文量的13.6%；从2010年开始该主题研究受到了更多研究人员的关注，发文量出现明显的上升趋势(图 1)。

学术期刊是科研成果展示的重要平台和载体。CNKI数据库中的112篇文献来自53个期刊，载文量大于2篇的期刊共10个(如表 1所示)。载文量最高的期刊是《农业工程学报》，共发布8篇相关文献，占总发文量的7.14%，篇均被引用率最高的期刊是《水土保持学报》，达60次。WOS数据库中162篇文献共来自88个期刊，载文量大于2篇的期刊共22个(如表 2所示)。文献发表期刊多集中于水利、生态、植物学等领域，从1990年至今载文量最高的期刊是《Journal of Hydraulic Research》，共发布7篇相关文献，占总发文量的4.32%，篇均被引用率最高的期刊是《Earth Surface Processes and Landforms》，达138次。

机构发文量能展现科研机构在相关领域的研究成效。表 3为1990—2022年CNKI数据库中发文量前10的团队，发文量排名前4位的是内蒙古农业大学沙漠治理学院(28篇)、北京林业大学水土保持学院(14篇)、青海大学地质工程系(11篇)、水利部牧区水利科学研究所(9篇)。其中内蒙古农业大学沙漠治理学院发文量名列前茅，在该领域中内蒙古农业大学科研实力较强。对发表相关文献的国家进行研究发现，在植物生物力学特性与水土保持研究领域中，美国学者在该领域发表文献数量最多，其次是中国和英国(表 4)。从发文量来看，中国发文量较高，但均篇文献引用率不高，约13次/篇，排名世界第18名。

相关研究作者的发文量是研究人员在该领域生产力的表现，通过作者合作网络图谱可以发现该研究领域内科研实力较强的研究人员和团队。对国内研究团队分析发现，在植物生物力学特性与水土保持研究领域形成了胡夏嵩、格日乐、刘静、陈丽华为首的4大研究团队(图 2)。内蒙古农业大学沙漠治理学院形成了以刘静和格日乐为首的两大研究团队，且两个研究团队有一定的交流；青海大学地质工程系形成了以胡夏嵩为核心的研究团队，北京林业大学水土保持学院形成了以陈丽华为核心的研究团队。国内研究主要聚焦于植物根系力学特性对其固土作用的影响。

国际植物生物力学特性与水土保持研究领域中形成了以Anna M.L.，Gurnell A.M.，Lee Jungtai，Ni Leyi，Sara P.这5位作者为首的5个小团队，但尚未形成权威的大型团队。发文量前3的作者是De Langre Emmanuel，Gurnell A.M.，Anna M L，均发表相关文献6篇(图 3)。

2.2 研究热点分析

为了挖掘研究热点，通过VOSVIEW软件设置关键词出现最小频次设置为4，出现次数大于等于4次的关键词进行共现分析(图 4—5)。其中圆节点越大，表明关键词出现的次数越多，研究领域受到的关注越多，连线表示两个关键词的连接强度，连线越粗表明两个关键词在同一篇文献中出现的频次更高。

在CNKI数据库关键词共现图中聚类1的核心词汇为弹性模量、枝条、极限抗拉强度等。该聚类研究主要内容是植物枝条的生物力学特性。植物地上部分的枝条等通过增加地表粗糙度、改变近地面流场从而削弱风对地表沙粒和土粒的侵蚀作用。植物枝条在风力作用下会产生弯曲变形，植物枝条弯曲刚度越大，承载能力越强，随风沙摆动较小，泥沙颗粒更容易沉降堆积，因此植物自身的力学特性在风蚀研究中非常重要。格日乐等研究了常见防风固沙植物沙棘、柠条和白沙蒿等的枝条在不同加载速度、直径、水分影响下力学特性的变化^[26-27]，未来还需结合风洞试验和水槽试验进一步探究枝条生物力学特性变化对流场影响以及植物枝条对风力和水流变化的生物力学响应。

在CNKI数据库关键词共现图中聚类2的核心词汇为抗拉强度、植物根系、固土护坡、抗拉力等。该聚类研究内容主要是对植物根系抗拉特性进行了研究。土体中的植物根系通常会受到茎向弯力、茎向折力、轴向拉力。国内研究人员认为植物根系在承受极限弯曲力时，根系发生弯曲变形从而失去抗弯能力，但并不会导致根系断裂。因此土体中植物根系主要是茎向折力和轴向拉力作用下发生断裂^[28-30]。植物根系抗拉和抗折强度越大，对土体的锚固作用也更强，抵抗土体下滑的能力越强，能有效的增强边坡稳定性。目前国内研究人员对土体中植物根系的抗拉特性进行了大量的研究^[31-36]，从力学机理的角度为植物根系固土作用提供理论基础。但对于植物根系茎向折力的研究还比较少^[37-38]，应继续扩大植物根系抗折力数据库，深入探究根系力学特性与其固土抗蚀作用的关系。

在WOS数据库中聚类1的核心词汇为河岸植被、边坡稳定、根系抗拉强度等。该聚类研究内容主要是植物根系形态特性和生物力学特性对边坡稳定的影响。植被作为生物工程措施来控制水土流失，主要是由于植物根系可以通过锚定土层和改变水文特性来提高土壤抗剪强度，从而防止滑坡等地质灾害事件的发生^[39]。例如Pollen-Bankhead等研究表明，Sparganium的根系和地上部分都有较强的力学强度，使它能够抵抗破坏和连根拔起^[40]。随着植物根系直径增加，根的弹性和抗拉强度降低^[41]。不同物种根系的锚定能力和抗拉能力存在显著差异^[42]。季节变化对根系稳定边坡的能力也有影响。例如Makarova等^[43-44]研究表明，Beech根系在2月的抗拉力比12月强15%~128%，该物种在春季对边坡的加固作用也更强。关于植物根系直径变化对生物力学特性的影响已经进行了大量的研究，但关于不同物种，以及时间和空间尺度的变化，对植物根系生物力学特性以及对边坡稳定的影响还需要进一步研究，构建更加完善的植物生物力学特性数据库，为坡面生态恢复提供理论依据。

在WOS数据库中聚类2的核心词汇为水生植物、柔性、拖曳力等。该聚类研究内容主要是大型藻类等水生植物的生物力学特性对水流结构的影响。研究结果表明，植物的弯曲刚度决定着植物在水流作用下的重构，而植物的重构与其后方的尾迹长度^[45-46]和河流中的养分等的传递^[47-48]密切相关，植物弯曲变形越大阻流面积越小，有效拦截泥沙和其他物质的面积也减小。此外，有学者关注植物生物力学特性对水流作用的响应。相对于静水条件，在水流动力作用下，Egeria densa的断裂力和抗拉强度显著升高^[49]；更靠近海滩的红树林，常年在风浪和水流作用下有更强的枝条强度，叶片更容易脱落，能更好地抵抗破坏力^[50]。未来研究应扩大常见水生植物的生物力学特性数据库，同时进一步关注植物生物力学特性变化对流场结构和泥沙沉积的影响。

2.3 研究热点演变

利用Citespace生成的突现关键词(图 6—7)，可以观察不同时间段内的研究前沿和热点。由于CNKI在2007年以前发文量较少，WOS数据库在2001年以前发文量较少，因此在这两个时间点之前没有检测到突现关键词。

CNKI数据库中，2007—2016年突现关键词为抗剪强度、生物力学、抗拉强度、枝条、弹性模量、根系固土、草本植物、抗拉力。该阶段是研究植物根系及枝条抗拉特性与其保土固沙作用的重要时期^[51-55]。2017—2022年突现关键词为直根和抗折力，表明研究人员不仅关注抗拉特性对根系断裂的影响，根系抗折特性也受到研究人员的关注^{[29, 38, 56]}。

WOS数据库中，2001—2006年突现关键词为结果(consequence)，此时国际研究者比较关注不同环境条件下植物的力学性能，例如Deane L等^[57]分析了不同波浪条件下4种大型海藻的力学性能，该阶段是探索植物生物力学特性的初级阶段。2011—2016年突现关键词为适应(adaptation)、重构(reconfiguration)、柔性(flexibility)、水流(flow)、模型(model)。在该阶段，国际研究者主要关注植物对水流条件的生物力学响应，植物在水和风的作用下发生弹性重构，减少自身受到的阻力，避免局部断裂，增加在洪水或暴风等极端事件中存活的可能^[58-61]。2016—2022年突现关键词为根系加筋(root reinforcement)、岸坡稳定性(slope stability)、沉积物(sediment)、阻力(resistance)。Andreoli等分析了大粒径砾石基质和中等粒径泥沙基质中根系提供的附加黏聚力^[62]，Lee等^[63]通过风洞试验研究了3种沙丘先锋物种的根系生长特性、生物力学特性与抗风蚀能力的关系，Siniscalchi和Marjoribanks等研究表明植物的弯曲刚度和重新配置是影响植被后方尾流沉积区长度的关键因素^{[15, 45]}。该阶段国际研究者关注植物根系生物力学特性对岸坡和沙丘稳定的影响，同时植物生物力学特性在水流—植物—沉积物相互作用方面的影响也在被持续关注。

3 结论

(1) “植物生物力学特性”这一专有词在20世纪90年代左右正式出现在文献中，此后在水土保持领域该主题的论文数量在总体上呈上升趋势，表明该领域的研究不论是在国内还是国际上都越来越受重视。

(2) 植物生物力学特性在水土保持领域研究中国内最有影响力的期刊是《农业工程学报》，国际上最有影响力的期刊是《Journal of Hydraulic Research》。国内内蒙古农业大学发文量位居首位，在该领域科研实力强劲，国际上美国发文量位居首位，中国发文量排名第二，但中国均篇文献引用率排名世界第18名，国际影响力有待提升。

(3) 国内研究热点主要聚焦于北方沙漠植物枝条和坡面植物根系力学特性的分析，当前中国南方红壤丘陵区降雨充足，在水力侵蚀主导的南方红壤丘陵区，植物措施是防治水土流失主要措施，未来还应加强南方坡面植物、河岸植物、水生植物生物力学特性与其阻流拦沙作用的关系。国际上在该领域的研究趋于多元化，从陡坡植物地下部分的固土抗蚀作用，到缓坡植物地上部分的阻流拦沙作用均进行了研究。