土壤學(xué)研究前沿

1、摘 要：本文基于文獻計量學(xué)方法，結(jié)合 CiteSpace 軟件，分析了 2016 年國內(nèi)外土壤學(xué)及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中與土壤有關(guān)論文的關(guān)鍵詞，揭示了 2016 年環(huán)境土壤學(xué)的研究熱點和方向，其結(jié)果在一定程度上也反映了農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的一些重點問題。我們以 Soil 為關(guān)鍵詞，在 Web of Science 上檢索到環(huán)境科學(xué)和土壤科學(xué)SCI論文11747篇。關(guān)鍵詞的聚類結(jié)果顯示2016年的研究熱點是“重金屬污染與生物累積效應(yīng)”、“土壤有機污染與生物降解”、“土壤管理與元素循環(huán)”、“土壤固碳與全球氣候變化”。中國、美國發(fā)文量名列前兩位，國內(nèi)中國科學(xué)院和西北農(nóng)林科技大學(xué)位列發(fā)文量前兩位。在CNKI數(shù)

2、據(jù)庫中共檢索到2936篇核心期刊論文，關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜顯示“土壤微生物與環(huán)境污染”、“土壤理化性質(zhì)與水鹽運移”、“土壤有機碳與環(huán)境效應(yīng)”、“土壤區(qū)域環(huán)境與空間變異”為國內(nèi)期刊論文的主要研究熱點。引 言“：土壤與人類生存密切相關(guān)，土壤在糧食安全與生產(chǎn)、環(huán)境保護、全球氣候變化等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。土壤學(xué)是一門歷史悠久的學(xué)科，其經(jīng)歷幾個世紀的發(fā)展，理論與方法構(gòu)建日漸成熟，各分支學(xué)科不斷創(chuàng)新演進。在宋長青等著土壤科學(xué)三十年：從經(jīng)典到前沿中，回顧了土壤學(xué) 4 個分支學(xué)科，土壤地理學(xué)、土壤物理學(xué)、土壤化學(xué)和土壤生物學(xué)，近 30 年的發(fā)展特征、研究方向的演進等，發(fā)現(xiàn)土壤學(xué)服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是永恒主題，土壤污染與修復(fù)

3、研究成為重要方向，土壤學(xué)與全球氣候變化聯(lián)系更加緊密，土壤多學(xué)科、交叉學(xué)科創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)等基本發(fā)展態(tài)勢;還通過定量與定性綜合分析，闡明了各分支學(xué)科面臨的挑戰(zhàn)與機遇等。隨著人類社會的發(fā)展，在城市化進程推進及資源開發(fā)與利用中，土壤環(huán)境問題日漸突出，在土壤學(xué)若干前沿領(lǐng)域研究進展一書中，宋長青等基于文獻計量學(xué)對土壤重金屬污染與修復(fù)，土壤有機污染與修復(fù)，納米顆粒、抗生素及抗性基因等新興污染物等環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究進展做了相關(guān)分析，目前土壤環(huán)境問題較為嚴重，污染物層出不窮，科學(xué)研究手段不斷更新，成果顯著，學(xué)科交叉明顯，推動了環(huán)境土壤學(xué)的進展。文獻計量學(xué)以文獻體系和文獻計量特征為研究對象，被廣泛用于文獻情報分析，進

4、而評價某領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀及水平。本文利用 CiteSpace 軟件，試圖從文獻計量學(xué)角度，分析 2016 年國際及國內(nèi)土壤學(xué)及環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域中與土壤有關(guān)的研究核心方向及研究熱點。一、材料與方法本研究采用陳超美博士開發(fā)的CiteSpace軟件(5.0.R2 SE 版本)，是一種用于分析和可視化共引網(wǎng)絡(luò)的 Java 應(yīng)用程序。主要利用關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜、國家合作圖譜等可視化分析 2016 年度以“土壤”為主題的文獻報道中，屬于土壤科學(xué)和環(huán)境科學(xué)兩種學(xué)科類別的發(fā)展特點、研究熱點、合作關(guān)系等。關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖中，每個節(jié)點表示一個關(guān)鍵詞，節(jié)點大小表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次，節(jié)點之間連線的粗細表示關(guān)鍵詞共現(xiàn)強度的高低，即

5、與兩者共被引次數(shù)成比例，彼此間相鄰的關(guān)鍵詞表示他們經(jīng)常出現(xiàn)在相同的文章中。圖中節(jié)點年輪的顏色和厚度，表示關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間(本次分析僅針對 2016 年文獻情況，因此只出現(xiàn)藍色)和數(shù)量。年輪外紫色環(huán)越厚，表示該關(guān)鍵詞中介中心性越高，說明該節(jié)點位于關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)較為中心的位置，是網(wǎng)絡(luò)中各部分的過渡。國家或機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點代表論文所屬國家或機構(gòu)，節(jié)點大小表示該國或機構(gòu)在該領(lǐng)域研究論文中出現(xiàn)頻次高低，節(jié)點間連線粗細代表兩國或機構(gòu)間合作強度高低。1 國際該領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)、國家合作分析的數(shù)據(jù)檢索及軟件參數(shù)設(shè)置情況數(shù)據(jù)來源于美國科學(xué)情報所(Institute for Scientific Informati

6、on, ISI)出版的 Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫，以“Soil”為主題詞，時間范圍選定 2016 年，Web of Science 類別為“Environmental sciences(環(huán)境科學(xué))”和“Soil science(土壤科學(xué))”，文獻類別為“Article(文章)”。按照 CiteSpace 軟件規(guī)定格式導(dǎo)出數(shù)據(jù)，并采用數(shù)據(jù)去重功能，預(yù)先對數(shù)據(jù)進行處理。時間閾值：2016;節(jié)點類型：Keyword 或 Country;節(jié)點閾值：Top 100(關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析)、Top 50(國家合作分析);網(wǎng)絡(luò)修剪方式選擇 Pathfinder(尋徑)和Pruning slic

7、ed networks(修剪每篇網(wǎng)絡(luò));其余選項均為默認。2 國際該領(lǐng)域 Top 期刊關(guān)鍵詞分析數(shù)據(jù)檢索及軟件參數(shù)設(shè)置情況分析數(shù)據(jù)來源于國際該領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析檢索結(jié)果，并借助 Web of Science 中“來源出版物名稱”功能，篩選檢索結(jié)果中屬于 JCR 期刊分區(qū)的 top 期刊文章，從發(fā)文量前 100 中挑選出 17 個 Top 期刊：Science of the Total Environment，Chemosphere，Agriculture Ecosystems Environment，Soil Biology Biochemistry，Plant and Soil，Enviro

8、nmental Science and Technology，Journal of Hazardous Materials，Water Resources Research，Soil Science Society of America Journal，Biology and Fertility of Soils，Remote Sensing of Environment，Global Change Biology，Journal of Geophysical Research Biogeosciences，European Journal of Soil Science，Water Rese

9、arch，Environmental Modelling Software，Environment International。軟件參數(shù)設(shè)置中，節(jié)點類型選擇 Keyword，其余設(shè)置同上。2016 年國際該領(lǐng)域研究方向及研究熱點按照相應(yīng)軟件設(shè)置，共搜索到 11747 篇 SCI 論文(截至 2017 年 1 月 9 日)，節(jié)點數(shù)量 101 個，連線數(shù)量 82 條。關(guān)鍵詞聚類形成 4 個相對獨立的聚類圈(圖1)，其在一定程度上反映 2016 年國際上該研究的核心方向，可分為“重金屬污染與生物累積效應(yīng)”、“土壤有機污染與生物降解”、“土壤管理與元素循環(huán)”、“土壤固碳與全球氣候變化”。以下分析已去除

10、“Soil”、“Sample”等對本研究目的無實際意義的關(guān)鍵詞，保證圖譜中節(jié)點大小適宜、美觀，直觀體現(xiàn) 2016 年度該領(lǐng)域的研究熱點。<重金屬污染與生物累積效應(yīng)>從 圖1 可看出重金屬(Heavy metal)為該聚類圖中關(guān)鍵節(jié)點。與重金屬節(jié)點直接相連的一批關(guān)鍵詞有污染(沾污)土壤(Contaminated soil)、農(nóng)業(yè)土壤(Agricultural soil)、污 泥(Sewage sludge)和沉積物(Sediment)。與重金屬污染研究相連的關(guān)鍵詞有生物可利用性(Bioavailability)、重金屬形態(tài)(Speciation)、風(fēng)險評價(Risk assessme

11、nt)等。中國(China)出現(xiàn)頻次較高，說明對中國重金屬污染的研究仍是國際研究熱點。聚類圖中還出現(xiàn)鎘(Cadmium)、鉛(Lead)、鋅(Zinc)、銅(Copper)重金屬元素，其中鎘(Cadmium)是出現(xiàn)頻次最高、中介中心性最強的重金屬元素。累積(Accumulation)、植物(Plant)、生長(Growth)、產(chǎn)量(Yield)、質(zhì)量(Quality)、小麥(Wheat)、稻米(Rice)、植物修復(fù)(Phytoremediation)、根際(Rhizosphere)、微生物群落(Microbial community)等關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，表明植物對重金屬的累積效應(yīng)及修復(fù)方式受到研究

12、人員關(guān)注。<土壤有機污染與生物降解>多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbon)、農(nóng)藥(Pesticide)為主要出現(xiàn)的有機污染物。生物降解(Biodegradation)、生物修復(fù)(Bioremediation)、修復(fù)(Remediation)、微生物(Microorganism)關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，表明對土壤有機污染物降解方面?zhèn)戎赜谏?、微生物降解研究?lt;土壤管理與元素循環(huán)>該聚類中出現(xiàn)土壤管理(Management)、耕作(Tillage)、土壤系統(tǒng)(System)、土地利用(Land use)、土壤侵蝕(Soil erosion)、流域(

13、Catchment)、徑流(Runoff)等關(guān)鍵詞，表明土壤管理中的土地耕作等使用方式仍為關(guān)注熱點，對土壤侵蝕的研究主要從徑流等物質(zhì)遷移方式入手。另外，除了關(guān)注土地使用，土壤中各元素循環(huán)也是研究人員關(guān)注的重點。碳(Carbon)是較為關(guān)鍵的節(jié)點之一，與碳元素共現(xiàn)的關(guān)鍵詞還有有機質(zhì)(Organic matter)、土壤有機質(zhì)(Soil organic matter)、礦化(Mineralization)、生物量(Bioma)等關(guān)鍵詞，體現(xiàn)土壤中碳元素的形式、來源及轉(zhuǎn)化過程。氮(Nitrogen)、磷(Phosphorus)為土壤中主要研究的營養(yǎng)元素，圖1 中可看出兩者共現(xiàn)強度較高，與氮，磷兩種元

14、素相關(guān)的關(guān)鍵詞還有營養(yǎng)素(Nutrient)、糞肥(Manure)、肥料(Fertilizer)以及動力學(xué)(Dynamics)、森林(Forest)、生態(tài)系統(tǒng)(Ecosystem)、草地(Grassland)，表明研究關(guān)注氮磷元素的施用形式，以及森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)中，氮磷元素的動力學(xué)變化過程等。<土壤固碳與全球氣候變化>聚類圖中關(guān)鍵詞主要有氣候變化(Climate change)、影響(Impact)、溫度(Temperature)、碳固定(Carbon sequestration)、土壤有機碳(Soil organic carbon)、土地利用變化(Land use chang

15、e)等，表明土壤固碳是減緩氣候變化的主要途徑，以及土地利用方式的改變對碳固定影響受到廣泛關(guān)注。利用 Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫得到的相關(guān)期刊論文的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖，反映了 2016 年度土壤科學(xué)和環(huán)境科學(xué)兩種學(xué)科類別中，與土壤有關(guān)研究的核心領(lǐng)域。而 2016 年 TOP20 高頻關(guān)鍵詞列表更加直觀反映當年研究熱點，如 表1 左側(cè)所示，前 10 位高頻關(guān)鍵詞依次為重金屬(Heavy metal)、有機質(zhì)(Organic matter)、水(Water)、氮(Nitrogen)、中國(China)、土壤管理(Management)、植物(Plant)、碳(Carbon)、氣候變化(C

16、limate change)、沉積物(Sediment)。表明土壤重金屬污染及植物累積等問題是 2016 年研究領(lǐng)域中的熱點議題，土壤有機質(zhì)、水及碳氮元素等關(guān)鍵土壤組分受到廣泛重視。同時，土壤管理過程中碳元素固定問題深刻影響全球氣候變化過程。此外，土壤多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbon)污染仍受大家的重視。利用 Web of Science 中“來源出版物名稱”功能，篩選檢索結(jié)果中屬于 JCR 期刊分區(qū)的 top 期刊文章。一共篩選得到 3225 篇文章，其 TOP20 高頻關(guān)鍵詞列于 表1 中間。同左側(cè)相比，關(guān)鍵詞及其排列順序有所不同，體現(xiàn) TOP 期刊

17、發(fā)文所關(guān)注的研究熱點及側(cè)重點。有機質(zhì)(Organicmatter)、氣候變化(Climatechange)、氮(Nitrogen)、碳(Carbon)、重金屬(Heavy metal)、水(Water)、土壤管理(Management)仍然出現(xiàn)在前 10 名高頻關(guān)鍵詞中，而對土壤中重金屬的關(guān)注度有所下降，土壤與全球氣候變化的關(guān)系得到 TOP 期刊作者廣泛研究;降解、動力學(xué)、模型三個關(guān)鍵詞進入前 10 高頻關(guān)鍵詞，表明更加注重土壤中物質(zhì)的動態(tài)過程研究。2016 年國際該領(lǐng)域國家/地區(qū)發(fā)文數(shù)、合作情況及中國機構(gòu)的發(fā)文分析利用 Web of Science 自帶分析檢索功能 ，對 11747 條檢索

18、結(jié)果進行國家/地區(qū)發(fā)文數(shù)量分析。如 圖2 所示，發(fā)文數(shù)前 10 的國家/地區(qū)依次為中國、美國、德國、澳大利亞、西班牙、法國、加拿大、印度、意大利、英格蘭。其中，中國是該研究領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量最多的國家，共發(fā)表 3269 篇文章，占所有檢索結(jié)果 27.83%;美國發(fā)文數(shù)分別為 2365，占 20.13%。中美兩國為該領(lǐng)域文章高產(chǎn)國。利用 CiteSpace 軟件，對出現(xiàn)頻次最高的前 50 個國家的合作情況進行分析，得到如 圖3 所示的國家合作網(wǎng)絡(luò)圖譜。除了從圖中節(jié)點大小反映國家出現(xiàn)頻次的高低，還可以通過節(jié)點間連線數(shù)量，反映兩國家間合作關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在該節(jié)點閾值的條件下，出現(xiàn)頻次最高的中國與其他國家的連線只

19、有 6 條，美國有 8 條，值得注意的是德國在此條件下有 19 條連線，英格蘭有 16 條，法國 11 條，說明中國與國際上在該領(lǐng)域有較高文章產(chǎn)出國家的合作研究方面，同德國、英格蘭、法國等國家還有差距。利用 CiteSpace 軟件，對中國在國際該領(lǐng)域所發(fā)表的 3269 篇文章的所屬機構(gòu)進行分析。如 表2 所示，可見出現(xiàn)頻次最高的為中國科學(xué)院 (Chinese Acad Sci)，隨后依次為西北農(nóng)林科技大學(xué)(Northwest A&FUniv)、北京師范大學(xué)(Beijing Normal Univ)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院(Chinese Acad Agr Sci)、浙江大學(xué)(Zhejiang

20、 Univ)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)(Nanjing Agr Univ)與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)(China Agr Univ)并列第六，南京大學(xué)(Nanjing Univ)、中國地質(zhì)大學(xué)(China Univ Geosci)、中國環(huán)境科學(xué)研究院(Chinese Res Inst Environm Sci)分列第八、九、十名。表明中國科學(xué)院與其他高?；蜓芯吭核啾龋湎聦傺芯克姸?，廣泛關(guān)注該領(lǐng)域的科學(xué)問題，成果豐碩。也說明西北農(nóng)林科技大學(xué)、北京師范大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等高校或研究院所在該領(lǐng)域研究成果出色。從 3269 篇文章的 TOP20 高頻關(guān)鍵詞列表(表1 右側(cè))中發(fā)現(xiàn)，中國是出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞，其余在列

21、表中出現(xiàn)的關(guān)鍵詞與國際該領(lǐng)域的相比，有較多詞重復(fù)出現(xiàn)，說明中國的土壤與環(huán)境問題仍是本國相關(guān)機構(gòu)人員的研究重點，在該領(lǐng)域的研究基本與國際保持一致。還能立足自身特點及需求開展研究，如重金屬(Heavy metal)、鎘(Cadmium)、累積(Accumulation)、多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbon)等關(guān)鍵詞也能反映中國土壤環(huán)境問題;碳(Carbon)、氮(Nitrogen)、氣候變化(Climate change)等關(guān)鍵詞也能體現(xiàn)中國對土壤元素循環(huán)及氣候變化議題的關(guān)注等。2016 年國內(nèi)該領(lǐng)域研究方向及研究熱點利用中國知網(wǎng) CNKI，以“土壤”為主題詞

22、檢索相關(guān)期刊文獻，具體檢索條件設(shè)置：時間范圍為 2016 年，文獻分類選擇環(huán)境科學(xué)和土壤學(xué)，期刊來源類別為核心期刊。一共檢索得 2936 條結(jié)果(截至 2017 年 1 月 11 日)。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入 CiteSpace 軟件，計算分析得到如 圖4 所示關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，可劃分為 4 個聚類圈：土壤微生物與環(huán)境污染、土壤理化性質(zhì)與水鹽運移、土壤有機碳與環(huán)境效應(yīng)、土壤區(qū)域環(huán)境與空間變異?？梢苑从吃擃I(lǐng)域中文核心期刊研究動向及關(guān)注熱點情況。<土壤微生物與環(huán)境污染>該聚類中出現(xiàn)土壤微生物、土壤酶、土壤酶活性、微生物生物量、微生物群落、群落結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分、有機肥、土壤肥力、根際土壤等關(guān)鍵詞，反映研

23、究者對土壤中微生物及其相關(guān)影響因素持續(xù)關(guān)注，也能體現(xiàn)肥料施用等措施帶來微生物群落多樣性和酶活性改變的研究。高通量測序、PCR DGGE、磷脂脂肪酸和主成分分析等關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，表明現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)及統(tǒng)計方法已廣泛用于我國微生物群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性研究之中。植物修復(fù)、重金屬等關(guān)鍵詞在此聚類中出現(xiàn)，說明土壤微生物對植物修復(fù)土壤重金屬污染的影響已受較多關(guān)注。<土壤理化性質(zhì)與水鹽運移>土壤水分為本聚類中最受關(guān)注的關(guān)鍵詞，土壤理化性質(zhì)、土壤溫度、土壤濕度、土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤水分特征曲線等關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，體現(xiàn)土壤理化性質(zhì)是土壤相關(guān)領(lǐng)域研究中的一個重要影響因素。土壤鹽分、土壤鹽漬化、水鹽運移

24、、鹽堿土、黃土高原等關(guān)鍵詞，可以看出相關(guān)區(qū)域土壤鹽漬化研究中水鹽運移過程受到較多關(guān)注。土壤侵蝕、土地利用、養(yǎng)分流失等關(guān)鍵詞表明土壤退化、肥力降低也是亟待解決的土壤問題。該聚類圈中出現(xiàn)的關(guān)鍵詞還包括土壤呼吸、氮沉降、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、常綠闊葉林、人工林等，表明土壤理化性質(zhì)結(jié)合土壤向環(huán)境釋放二氧化碳的過程，大氣氮沉降及氮素最終形態(tài)對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響是該領(lǐng)域研究熱點。<土壤有機碳與環(huán)境效應(yīng)>該聚類中土壤有機碳、生物炭、活性有機碳、碳庫管理指數(shù)、溫室氣體等關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，表明土壤中有機形態(tài)碳及生物炭、活性炭等類型的碳材料成為研究熱點，如生物炭作為一種穩(wěn)定性碳源，輸入土壤后可以提升土壤碳庫容量，有較大固碳潛力。相關(guān)碳材料還能通過抑制 N2O等溫室氣體排放，緩解全球氣候變化問題。土壤團聚體、土地利用方式、秸稈覆蓋、水土保持、水土流失、坡耕地等關(guān)鍵詞體現(xiàn)有機碳投加或秸稈覆蓋等措施，可改變土壤有關(guān)物理性狀，提升土壤團聚體穩(wěn)定性，有利于水