综述：农药变量喷施技术的文献计量与科学计量分析

《Agriculture》：Bibliometric and Scientometric Analysis of the Application of Agricultural Pesticides at Variable Rates Beatriz Costalonga Vargas, Marconi Ribeiro Furtado Júnior, André Luiz de Freitas Coelho, Salvatore Privitera, Sebastian Lupica, Antonio Trusso Sfrazzetto, Giuseppe Manetto and Emanuele Cerruto

　　

植物保护产品（Plant Protection Products，PPPs）变量喷施技术已成为精准农业（Precision Agriculture，PA）的关键策略，可促进水、肥料、农药等投入品的合理利用，同时提高作物产量并减轻漂移、蒸发、径流等环境影响。尽管变量喷施（Variable-Rate Application，VRA）系统发展迅速，但其大规模应用仍呈碎片化，现有研究多侧重技术开发，对经济、运营与环境效益的综合评估不足。为批判性评估PPPs变量喷施研究的演进历程与现存知识缺口，本研究对相关文献开展文献计量与科学计量分析，旨在梳理科学发展脉络、识别研究趋势并解析制约VRA领域整合的关键空白。通过揭示上述失衡，本研究为未来研发更具稳健性、可比性与全球适用性的PPPs变量喷施方案提供了关键参考框架。研究选取Scopus与Web of Science（WoS）数据库，纳入2005至2025年发表的英文科学文献，检索策略结合PPPs喷施与变量喷施系统两类术语，采用VOSviewer软件开展定量分析。文献计量部分统计了出版物的时间与地理分布，识别高产作者；科学计量部分可视化了关键词共现网络及作者与国家间的引文模式。结果显示，2020–2024年为研究高峰期，2025年数据仍呈上升态势；美国与中国为科研成果的主要贡献国；高频关键词反映了脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术、传感器与自动化等技术进展。尽管该领域扩张迅速，但仍需更广泛的地域参与及多研究前沿的深度技术探索以实现领域整合。

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   引言
   现代农业体系中，植物保护产品（PPPs）的正确高效施用对减少作物损失、保障全球粮食供应至关重要。传统固定喷施方法在全田范围内均匀施药，而田间病虫害压力存在显著空间异质性，导致农药过量施用，不仅推高生产成本，还引发土壤与水污染、非靶标物种暴露及抗性种群演化等问题。据“2050农业”预测，全球人口将在本世纪中叶接近100亿，农业系统需在降低环境影响的同时提升生产力。变量喷施（VRA）技术是作物保护领域最具前景的解决方案之一，可根据田间特定作物需求或病虫害发生情况动态调整活性成分剂量，优化时空施药效率，在提升靶标沉积效果的同时减少环境负荷。然而现有文献多聚焦技术性能，对真实农场场景下的采用成本、经济回报与运营可行性研究不足。VRA技术的高初始投入、培训与实施成本限制了其规模化推广，尤其对中小规模经营主体与发展中农业区域而言挑战更为突出。当前研究多关注局部技术效率，缺乏对跨作物类型经济可行性的综合评估，亟需系统梳理现有知识以明确经济约束对VRA技术全球布局的影响。近年来，常规喷施系统因恒压或固定喷嘴配置易导致剂量偏差，已逐步集成独立喷嘴选择、变压喷施、脉冲宽度调制（PWM）及快关阀控变孔径喷嘴等先进控制策略，处方地图系统也因适配田间空间变异性的能力提升而得到广泛应用。其中PWM技术因可在维持恒定雾滴粒径分布的前提下，通过调节喷雾频率与占空比实现实时施药量调整，成为近年研究热点。Zhang等（2025）开发的多传感融合变量喷施系统结合冠层体积与病害检测，较常规喷施减少74%化学农药用量。随着遥感（Remote Sensing，RS）、传感器应用、机器人平台、无人机（Unmanned Aerial Vehicles，UAVs）与人工智能（Artificial Intelligence，AI）等技术的发展，VRA技术呈现多元化创新态势，主要分为基于处方地图、基于传感器与实时VRA三类实施策略。当前全球层面仍缺乏技术创新与农艺有效性、环境效益及经济可行性关联的系统评估，文献计量与科学计量分析成为整合近二十年分散研究成果、识别PWM与流量控制系统等关键领域结构性空白的必要手段。本研究综合运用两类分析方法，系统梳理2005–2025年全球VRA技术研究演进，量化核心作者、期刊、国家及合作网络，为理解VRA技术创新如何重塑可持续农业发展背景下的作物保护策略提供支撑。
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   材料与方法
   2.1 数据获取
   文献检索于2025年4月开展，选取Scopus与Web of Science（WoS）作为数据源，二者因多学科覆盖与国际广度被视为评估全球科研产出的核心平台。检索词结合植物保护产品（PPPs）喷施与变量喷施（VRA）系统两类术语，通过布尔逻辑组合确保查全率，限定文献类型为农业科学领域的英文同行评审期刊论文，时间跨度为2005–2025年，仅纳入标题、摘要或关键词包含目标术语的记录。为保证分析相关性，工程类研究仅在提供PPPs VRA技术田间应用实证时被纳入。检索策略兼顾包容性与特异性，后续研究可通过扩展关键词集与学科范围进一步丰富VRA研究认知。
   2.2 文献计量与科学计量分析
   为对比数据库覆盖差异对研究领域表征的影响，分析分别在Scopus与WoS数据集上独立开展。文献计量部分统计年度发文量、作者贡献、机构与国家分布，刻画科研产出演化特征。科学计量部分通过网络建模与可视化技术解析领域概念结构与技术关联，涵盖关键词共现、作者引文与国家引文网络，采用VOSviewer（版本1.6.20）生成图谱。关键词共现分析以“共现”为分析类型，“所有关键词”为分析单元，采用全计数法，设定最小出现频次阈值为5以保留核心主题结构。作者引文分析排除作者数超过10的文献，设定最低发文量为1篇且被引次数不少于2次，确保纳入作者的持续贡献与可测影响力。国家引文分析同样排除跨国合作作者数超10的文献，纳入至少发表1篇文献的国家，无最低被引阈值限制，以全面呈现全球研究参与格局。
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   结果与讨论
   3.1 检索结果
   Scopus数据库初检获得98条记录，经筛选后保留94篇符合标准的文献；WoS数据库初检32条，最终纳入26篇。两库记录数量差异源于索引范围不同：Scopus覆盖更多工程与应用技术类期刊，WoS则更侧重农艺评估与田间表现的精选索引。双库联合使用避免了选择偏差，凸显了VRA研究的多学科属性。
   3.2 文献计量分析——Scopus
   发文时间分布显示VRA研究自2011年起进入增长通道，2020–2024年达到峰值，2025年仍保持高位。早期低产反映系统设计与验证的技术与经济挑战，后期加速则与遥感（RS）、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、地理信息系统（Geographic Information Systems，GIS）及PWM、独立喷嘴控制等技术集成密切相关。但发文量增长并未伴随研究主题的同步多元化，仍以技术优化为主，缺乏经济与可扩展性整合研究。地理分布上，美国与中国为绝对主导，其高产出与农业现代化投入、大型农场结构与高度机械化需求相匹配；西班牙、德国在欧洲领先，意大利、土耳其等国亦有稳定贡献。高产作者中Zhu, H.发文量显著突出，Salcedo, R.、Gil, E.等次之，作者群体呈现分层特征，体现领域研究的多学科参与度。
   3.3 文献计量分析——Web of Science
   WoS数据显示2005–2014年发文稀疏，2020年后增长显著，2021–2023年受新冠疫情影响略有回落，2024年恢复上升趋势。地理分布同样以中国与美国为核心，两国合计占比过半，西班牙、韩国等国仅有零星产出，拉丁美洲与非洲地区未见收录，反映研究基础设施、资金可得性与农业政策对VRA研究的显著影响。作者层面Zhu, H. P.以7篇发文居首，研究聚焦PWM系统、自动化流量控制与沉积效率，整体呈现少数核心团队引领的特征。
   3.4 科学计量分析——关键词共现
   Scopus关键词网络中“农药喷施”“传感器”“脉冲宽度调制”“变量喷施”等节点中心性最高，近年新增“机器学习”“自动化”“实时”等数字技术领域术语，体现智能化转型趋势。WoS则更侧重“沉积”“漂移”“激光扫描传感器”等作业效率与过程控制主题，尤其关注果园风送喷雾机等特定场景。两库对比显示Scopus偏向技术驱动，WoS侧重农艺应用，均存在工程技术研究与农艺、环境效益评估脱节的结构性失衡，缺乏将智能算法与沉积效率、漂移削减等指标整合的综合框架。
   3.5 科学计量分析——作者引文
   Scopus引文网络中Zhu H.处于核心位置，连接Ozkan E.、Salcedo R.等核心研究者，形成围绕PWM、沉积与自动控制的研究集群。WoS网络中Zhu H.同样为枢纽，但新兴合作者更多，体现研究群体的更新与扩展。两库共同高引作者多聚焦沉积、漂移与喷雾器性能研究，工程导向明显，跨学科（环境、经济、政策）高影响力作者稀缺，新兴技术方向与传统研究主线融合不足。
   3.6 科学计量分析——国家引文
   Scopus国家引文网络呈现美国为中心、多国广泛协作的分布特征，中国、西班牙、德国、意大利为核心合作节点，韩国、泰国、印度等新兴研究力量逐步加入。WoS网络则更集中，中国与美国占据绝对核心地位，伊朗等国参与度较低。两库均显示2015年后国际合作强度显著提升，与数字农业技术扩散节奏一致。
4. 4.
   总结与未来展望
   变量喷施（VRA）技术已成为植物保护产品（PPPs）精准施用的核心支柱，但其推广仍面临技术、运营与情境约束。本研究通过双库文献计量与科学计量分析，揭示了2005–2025年该领域的演进规律与结构性失衡：地理集中度过高，技术方案多适配大规模高资本农业场景，忽视发展中地区的经济社会约束；研究主题偏重控制系统开发，与风险评估、经济可行性评估关联薄弱。未来研究需优先推进三方面工作：一是建立整合农艺表现、经济评估与环境影响的跨学科框架，制定VRA系统沉积、漂移与响应性的标准化测试协议；二是拓展中小规模农场适配的低成本技术方案研究；三是加强研究产出与农业政策、产业主体的联动，推动实验系统向商业化解决方案转化，最终实现全球尺度作物保护的可持续发展。