氮肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)國(guó)際研究發(fā)展態(tài)勢(shì)

張亦濤, 王洪媛,劉　申,劉宏斌, 翟麗梅,雷秋良,*,任天志

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所　農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100081 2 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所, 天津　300191

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氮肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)國(guó)際研究發(fā)展態(tài)勢(shì)

張亦濤1, 王洪媛1,劉申1,劉宏斌1, 翟麗梅1,雷秋良1,*,任天志2

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100081 2 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所, 天津300191

分析國(guó)內(nèi)外農(nóng)田氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)研究的發(fā)展動(dòng)態(tài)、研究熱點(diǎn)，為以后研究農(nóng)田氮素效應(yīng)提供參考?；贗SI Web of Science數(shù)據(jù)庫，檢索出以“農(nóng)田氮肥施用”為主題的所有SCI論文(1957—2014年8月)，并分別提取出與“農(nóng)學(xué)效應(yīng)”、“環(huán)境效應(yīng)”、“適宜施氮量”相關(guān)的文獻(xiàn)，采用計(jì)量學(xué)方法，分析各研究方向的主要熱點(diǎn)、研究機(jī)構(gòu)、發(fā)文期刊和高被引論文等。共檢索出關(guān)于農(nóng)田施氮研究的SCI文獻(xiàn)7460篇，其中與“農(nóng)學(xué)效應(yīng)”研究相關(guān)的文獻(xiàn)2773篇，主要涉及到施氮肥對(duì)小麥、玉米、水稻、大豆等作物產(chǎn)量、氮素利用率和土壤有機(jī)碳的影響；與“環(huán)境效應(yīng)”研究相關(guān)的文獻(xiàn)1609篇，主要涉及到氮肥施用對(duì)氨揮發(fā)、硝化反硝化、溫室氣體排放、硝酸鹽淋失、地下水水質(zhì)等環(huán)境因素的影響；與“適宜施氮量”研究相關(guān)的文獻(xiàn)408篇，主要涉及氮肥施用量、氮肥管理等?？l(fā)各類研究成果最多的機(jī)構(gòu)主要來自歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，影響力大的期刊與高被引論文也主要來自歐美國(guó)家，中國(guó)在該領(lǐng)域的研究發(fā)展迅速，以中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院等為代表的中國(guó)研究機(jī)構(gòu)的研究水平逐漸進(jìn)入世界前列。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)可用于分析農(nóng)田氮素效應(yīng)主題的研究熱點(diǎn)和發(fā)展態(tài)勢(shì)，目前氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)仍是研究的重點(diǎn)，隨著當(dāng)前環(huán)境污染問題日益突出，農(nóng)田氮素環(huán)境效應(yīng)研究越來越多，特別是氮流失對(duì)水體水質(zhì)的影響備受關(guān)注，而基于氮素綜合效應(yīng)確定農(nóng)田適宜施氮量是同時(shí)保障糧食安全和環(huán)境安全的有效措施。中國(guó)在相關(guān)研究領(lǐng)域的研究起步較晚，高影響力論文偏少，優(yōu)秀國(guó)際期刊不足，但研究實(shí)力不斷增加，研究成果也逐漸被國(guó)際社會(huì)所認(rèn)可。

農(nóng)田施氮；Web of Science；農(nóng)學(xué)效應(yīng)；環(huán)境效應(yīng)；適宜施氮量

自從氮肥合成工藝問世以后，氮肥為提高作物產(chǎn)量做出了突出貢獻(xiàn)，其對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)達(dá)到40%以上[1]，對(duì)發(fā)展中國(guó)家糧食增產(chǎn)貢獻(xiàn)率高達(dá)55%[2]。但隨著化學(xué)氮肥施用量的急劇增加，氮損失風(fēng)險(xiǎn)加重，農(nóng)田過量施氮及施氮后的損失造成了氮污染排放負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)[3]，由此造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化和地下水硝酸鹽超標(biāo)直接威脅人類飲水安全。

施用氮肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)標(biāo)志性措施，其對(duì)谷類作物產(chǎn)量的提高使全球70億人口得以存活[4]，然而由于當(dāng)前還無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)作物生長(zhǎng)所需氮量，加之氮肥利用率較低[5]，全球大多數(shù)作物種植體系的氮盈余量都很大[6]，高產(chǎn)作物體系往往伴隨著大量的水溶性或氣態(tài)氮損失[7]，是造成當(dāng)前諸多環(huán)境問題的重要原因[8-9]。農(nóng)田氮流失受多種因素的影響，因此不同農(nóng)田條件下的氮素管理策略可能存在差異[10]，但基于高產(chǎn)、高效和環(huán)保的目的，通過分析不同施氮量的產(chǎn)量效果和環(huán)境效應(yīng)[11]，均可以確定兼顧作物高產(chǎn)和環(huán)境友好的合理施氮量[12]。目前氮素管理與環(huán)境質(zhì)量及人類健康的關(guān)系受到了廣泛關(guān)注，相關(guān)研究發(fā)展迅速，科技文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，基于文獻(xiàn)事實(shí)的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)，能從多方面多角度揭示學(xué)科研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)問題，評(píng)價(jià)研究機(jī)構(gòu)科研實(shí)力，有助于科研工作者把握學(xué)科整體布局、發(fā)展方向和學(xué)科優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行定量分析研究的科學(xué)，被廣泛應(yīng)用在全球生物多樣性[13]、氣候變化[14]、水資源利用[15]、硝酸鹽去除[16]等領(lǐng)域，用于分析各種主題的科研成果和研究趨勢(shì)。SCI(Science Citation Index)是美國(guó)科學(xué)情報(bào)研究所ISI(Institute for Scientific Information)出版的期刊文獻(xiàn)檢索工具，收錄了全世界最重要和最有影響力的研究成果，是自然科學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)最為重要的評(píng)價(jià)工具，ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫整合了SCI、SSCI(Social Sciences Citation Index)、A&HCI(Art & Humanities Citation Index)三大引文索引，收錄了全球8700多種各學(xué)科領(lǐng)域的領(lǐng)先期刊，覆蓋面最廣，可用于分析文章作者、研究機(jī)構(gòu)、主要期刊及其他主要信息等[17]。

雖然世界各國(guó)均十分重視農(nóng)田氮肥施用問題，相關(guān)的SCI論文發(fā)表數(shù)量也增長(zhǎng)迅速，但涉及內(nèi)容龐雜，目前尚無針對(duì)氮肥施用效應(yīng)發(fā)展態(tài)勢(shì)的系統(tǒng)總結(jié)分析，本文基于ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫，擬采用文獻(xiàn)計(jì)量分析的方法，針對(duì)氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)以及適宜施氮量的確定等主要研究方向，進(jìn)行了系統(tǒng)的定量分析。通過系統(tǒng)分析國(guó)內(nèi)外農(nóng)田氮素效應(yīng)主要研究方向的發(fā)展態(tài)勢(shì)，揭示各研究方向發(fā)展趨勢(shì)、研究熱點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)研究機(jī)構(gòu)、高引用率論文等，以期為農(nóng)業(yè)科技工作者和農(nóng)業(yè)管理部門選擇研究方向以及確定適宜施氮量提供參考。

1　材料與方法

以ISI Web of Science數(shù)據(jù)庫的全部期刊為檢索對(duì)象，限定發(fā)表時(shí)間為1957年至2014年8月，首先對(duì)“農(nóng)田中氮肥施用”主題的SCI論文進(jìn)行檢索、數(shù)據(jù)清理、文獻(xiàn)分類和主題分析，檢索策略：(TOPIC:((Farmland or field or agriculture or farming) and (“nitrogen fertiliz*” or “N fertiliz*” or “fertiliz*nitrogen” or “fertiliz*N”)))，在SCI數(shù)據(jù)庫中，共檢索出全部論文7460篇，其中Article論文6882篇，Review論文196篇。然后從7460篇論文的關(guān)鍵詞中分別提取出與“農(nóng)學(xué)效應(yīng)”、“環(huán)境效應(yīng)”、“適宜施氮量”相關(guān)的文獻(xiàn)，其中與“農(nóng)學(xué)效應(yīng)”研究相關(guān)的文獻(xiàn)主要涉及到氮肥對(duì)小麥、玉米、水稻、大豆等作物產(chǎn)量、氮素利用率和土壤有機(jī)碳的影響。與“環(huán)境效應(yīng)”研究相關(guān)的文獻(xiàn)主要涉及到氮肥施用對(duì)氨揮發(fā)、硝化反硝化、溫室氣體排放、硝酸鹽淋失、地下水水質(zhì)等環(huán)境因素的影響。與“適宜施氮量”研究相關(guān)的文獻(xiàn)主要涉及氮肥施用量、氮肥管理等關(guān)鍵詞。

對(duì)檢索出的各研究方向的相關(guān)文獻(xiàn)利用Excel 統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，采用發(fā)文數(shù)量和被引頻次對(duì)農(nóng)田氮素效應(yīng)研究的機(jī)構(gòu)、出版期刊等進(jìn)行研究分析，利用高頻關(guān)鍵詞和相關(guān)關(guān)系圖對(duì)研究熱點(diǎn)進(jìn)行研究分析，統(tǒng)計(jì)時(shí)均以第一作者、第一研究機(jī)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)。利用湯森路透公司研發(fā)的TDA(Thomson Data Analyzer)軟件，將各主題下的關(guān)鍵詞與全部關(guān)鍵詞進(jìn)行相關(guān)分析組成相互關(guān)系數(shù)矩陣，并據(jù)此繪制相互關(guān)系圖，相關(guān)關(guān)系圖揭示了各關(guān)鍵詞之間關(guān)聯(lián)性的緊密程度，圖中點(diǎn)的大小表示包含這一關(guān)鍵詞的文獻(xiàn)量多少，點(diǎn)之間線的粗細(xì)表示兩個(gè)關(guān)鍵詞之間的相關(guān)程度，線越粗相關(guān)程度越緊密。

2　結(jié)果

2.1農(nóng)學(xué)效應(yīng)研究

2.1.1研究熱點(diǎn)

檢索出涉及氮肥施用農(nóng)學(xué)效應(yīng)研究的文獻(xiàn)2773篇，主要涉及氮肥對(duì)小麥、玉米、水稻、大豆等作物產(chǎn)量、氮素利用率和土壤有機(jī)碳的影響，這一研究方向上的高頻關(guān)鍵詞主要包括與作物類型相關(guān)的Wheat、Maize、Rice、Winter wheat、Zea mays、Triticum aestivum、Crop等，與作物產(chǎn)量相關(guān)的Yield、Grain yield、Biomass等，與氮素養(yǎng)分利用相關(guān)Nitrogen use efficiency、N uptake、N use等，以及與土壤肥力相關(guān)的Soil fertility、Soil organic carbon等(表1)。該研究方向下的高頻關(guān)鍵詞之間的相關(guān)關(guān)系圖顯示(圖1)，所有關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)程度較分散，說明關(guān)于作物農(nóng)學(xué)效應(yīng)的研究點(diǎn)較多、涉及面較廣；這一領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)主要集中不同種類作物如小麥(Wheat,Triticumaestivum)、玉米(Corn,Maize)、大麥(Barley)、大豆(Soybean)與氮(Nitrogen)、磷(Phosphorus)等元素的關(guān)系，氮肥施用(Nitrogen fertilization)、耕作(Tillage)等管理措施對(duì)作物產(chǎn)量(Yield, Biomass)、水肥利用率(Nitrogen use efficiency, N uptake)等方面的影響，以及氮肥施用對(duì)土壤肥力(Soil fertility, Soil organic carbon)的影響等。此外，這一研究中，15N標(biāo)記的尿素(Urea)是常用的研究材料，土壤中氮含量(Soil N)對(duì)作物氮吸收(Nitrogen uptake)有顯著性影響，兩者存在密切的相關(guān)關(guān)系。

2.1.2研究機(jī)構(gòu)

開展農(nóng)田氮肥施用農(nóng)學(xué)效應(yīng)研究的機(jī)構(gòu)主要分布在北美、歐洲和亞洲(表2)，發(fā)文量前10位的研究機(jī)構(gòu)中來自加拿大的有1家，發(fā)表了149篇文章，遠(yuǎn)高于其他國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)，中國(guó)科學(xué)院發(fā)表了118篇SCI文章，排在全球第2位，美國(guó)農(nóng)業(yè)部以99篇SCI論文發(fā)表量居全球第3位；此外，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的發(fā)文量也均居全球前10位。關(guān)注這一研究領(lǐng)域的國(guó)家或者是農(nóng)田面積大、工農(nóng)業(yè)均發(fā)達(dá)的國(guó)家，如加拿大、美國(guó)、澳大利亞等，或者是農(nóng)田面積大但人均面積小的國(guó)家，如中國(guó)、印度等，或者是科學(xué)研究開展較早，科研實(shí)力較強(qiáng)的歐洲國(guó)家如法國(guó)、德國(guó)等。

表1　農(nóng)學(xué)效應(yīng)主題前20位關(guān)鍵詞頻詞

圖1　農(nóng)學(xué)效應(yīng)主題相關(guān)關(guān)系圖Fig.1　Affinity diagram on the topic of agronomy effect

排序Rank作者機(jī)構(gòu)Affiliations發(fā)文量Numberofarticles國(guó)家Country1Agr&AgriFoodCanada加拿大農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)食品部149加拿大2ChineseAcadSci中國(guó)科學(xué)院118中國(guó)3USDA美國(guó)農(nóng)業(yè)部99美國(guó)4ChinaAgrUniv中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)65中國(guó)5INRA法國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院57法國(guó)6CSIRO聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織50澳大利亞7NanjingAgrUniv南京農(nóng)業(yè)大學(xué)44中國(guó)8IntRiceResInst國(guó)際水稻研究所41菲律賓9UnivCalifDavis加州大學(xué)戴維斯分校40美國(guó)10IslamicAzadUniv伊斯蘭阿扎德大學(xué)37伊朗10UnivHohenheim霍恩海姆大學(xué)37德國(guó)

2.1.3主要期刊和高被引論文

刊發(fā)農(nóng)田氮肥施用農(nóng)學(xué)效應(yīng)研究SCI論文的期刊主要來自歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，均是農(nóng)田氮素研究活躍、農(nóng)業(yè)研究開展較早的國(guó)家，發(fā)文量排名前10位的期刊來自荷蘭的有5份，其中發(fā)文量前3名的期刊均來自荷蘭，分別是Field Crops Research (184篇)、Plant and Soil(137篇)和Nutrient Cycling in Agroecosystems (116篇)，其他期刊發(fā)文量均在100篇以下，主要來自法國(guó)、加拿大、美國(guó)和德國(guó)等(表3)。

該領(lǐng)域的高被引論文主要是歐美科學(xué)家的研究成果(表4)，被引頻次最高的論文是德國(guó)霍恩海姆大學(xué)的Kuzyakov, Y于2000年在Soil Biology & Biochemistry雜志上發(fā)表的論文Review of mechanisms and quantification of priming effects，文中討論了農(nóng)田土壤中C、N循環(huán)機(jī)制及影響因素，其中涉及了碳氮等元素的利用，該論文發(fā)表后被引用了611次。該研究領(lǐng)域，被引頻次排在前10位的論文沒有來自中國(guó)的科研成果，說明中國(guó)在這一領(lǐng)域的研究并不突出，還有待提高。

2.2環(huán)境效應(yīng)研究2.2.1研究熱點(diǎn)

檢索出涉及氮肥施用環(huán)境效應(yīng)研究的文獻(xiàn)1609篇，主要涉及到氮肥施用對(duì)氨揮發(fā)、硝化反硝化、溫室氣體排放、硝酸鹽淋失、地下水水質(zhì)等環(huán)境因素的影響，這一研究方向上的高頻關(guān)鍵詞主要包括與含氮化合物相關(guān)的Nitrous oxide、Nitrate、Ammonia、Ammonium、N2O、Nitric oxide等，與大氣或水環(huán)境相關(guān)的Denitrification、Greenhouse gas、Nitrate leaching、Leaching、Environment、Water quality、Emission factor等(表5)。該主題高頻關(guān)鍵詞之間的相關(guān)關(guān)系圖顯示(圖2)，各關(guān)鍵詞分布相對(duì)分散，說明氮肥的環(huán)境效應(yīng)的概念涵蓋范圍廣，所涉及到的研究方向較多；氧化亞氮(Nitrous coxide)、甲烷(Methane)、二氧化碳(Carbon dioxide)等溫室氣體(Greenhouse gas)的排放(Emission)及其排放影響因子(Emission factors)，以及氨揮發(fā)(Ammonia, Ammonium)均是當(dāng)前重要的研究?jī)?nèi)容，此外，硝酸鹽(Nitrate)及其排水(Drainage)、淋溶(Leaching)對(duì)水體(Groundwater)、水質(zhì)(Water quality)均有顯著影響，采用相關(guān)緩解(Mitigation)措施如硝化抑制劑(Nitrification inhibitor)抑制硝化反應(yīng)，可以減少溫室氣體排放及硝酸鹽的淋失。同時(shí)，尿素(Urea)也是氮肥環(huán)境效應(yīng)研究中的主要材料，15N標(biāo)記技術(shù)也是常用的技術(shù)手段，硝化(Nitrification)與反硝化(Denitrification)是兩個(gè)關(guān)聯(lián)密切的過程，涉及到氮轉(zhuǎn)化的多種形態(tài)，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

表3　農(nóng)學(xué)效應(yīng)主題發(fā)文量前10位的期刊

表4　農(nóng)學(xué)效應(yīng)研究排名前10位熱點(diǎn)論文

表5　環(huán)境效應(yīng)主題前20位關(guān)鍵詞頻次

圖2　環(huán)境效應(yīng)主題相關(guān)關(guān)系圖Fig.2　Affinity diagram on the topic of environment effect

2.2.2研究機(jī)構(gòu)

當(dāng)前開展農(nóng)田氮肥施用環(huán)境效應(yīng)研究的機(jī)構(gòu)很多，發(fā)表SCI論文最多的機(jī)構(gòu)主要分布在北美和亞洲，歐洲國(guó)家對(duì)這一研究領(lǐng)域也十分關(guān)注(表6)，其中中國(guó)科學(xué)院在該領(lǐng)域發(fā)表了159篇SCI文章，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他各國(guó)各研究機(jī)構(gòu)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院在該領(lǐng)域的發(fā)文量也均居全球前10位，這說明中國(guó)已經(jīng)意識(shí)到農(nóng)田氮肥過量施用導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問題，并正在為解決這一問題積極努力。美國(guó)、加拿大兩國(guó)也都非常重視氮素環(huán)境效應(yīng)，美國(guó)農(nóng)業(yè)部在該領(lǐng)域發(fā)表了75篇SCI論文，排名全球第2位，加拿大農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)食品部發(fā)表了68篇，排在全球第3位。此外，日本、荷蘭、法國(guó)等農(nóng)業(yè)技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家都有很多關(guān)于氮素環(huán)境效應(yīng)的研究成果。

表6　環(huán)境效應(yīng)主題發(fā)文量前10位的機(jī)構(gòu)

2.2.3主要期刊和高被引論文

刊發(fā)農(nóng)田氮肥施用環(huán)境效應(yīng)研究SCI論文的期刊主要來自歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，均是較早開展農(nóng)田氮素研究、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，發(fā)文量排名前10位的期刊來自歐洲的有8份，其中荷蘭4份，英國(guó)3份，德國(guó)1份，其他兩份分別來自日本和加拿大。發(fā)文量排名前3名的期刊均來自荷蘭，分別是Nutrient Cycling in Agroecosystems (122篇)、Agriculture Ecosystems & Environment(109篇)和Plant and Soil(95篇)，其他期刊發(fā)文量均在55篇以下(表7)。

表7　環(huán)境效應(yīng)主題發(fā)文量前10位的期刊

該領(lǐng)域的高被引論文除了歐美科學(xué)家的研究成果外，中國(guó)科研工作者的研究成果也得到國(guó)際認(rèn)可(表8)。其中，被引頻次最高的論文是德國(guó)霍恩海姆大學(xué)的Kuzyakov, Y于2000年發(fā)表在Soil Biology & Biochemistr Y上的論文Review of mechanisms and quantification of priming effects，文中主要討論了農(nóng)田土壤中C、N循環(huán)機(jī)制及影響因素，目前被引用被引頻次為611。該研究領(lǐng)域，被引頻次排在前10位的論文有兩篇來自中國(guó)的科研成果，作者分別是中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的巨曉棠教授和中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所的朱兆良院士，表明中國(guó)在這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)有了一定基礎(chǔ)，并受到了科學(xué)界的關(guān)注。

表8　環(huán)境效應(yīng)主題排名前10位熱點(diǎn)論文

2.3適宜施氮量研究2.3.1研究熱點(diǎn)

檢索出涉及農(nóng)田適宜施氮量研究的文獻(xiàn)408篇，主要涉及氮肥施用量、施氮量、施氮水平、氮肥管理等，這一研究方向上的高頻關(guān)鍵詞主要包括氮(Nitrogen, N)的施用(Application)、管理(Management)、施用時(shí)間(Application time)、施用位置(Fertilizer placement)等(表9)。該研究高頻關(guān)鍵詞之間的相關(guān)關(guān)系圖顯示(圖3)，各關(guān)鍵詞分布相對(duì)分散，說明確定農(nóng)田適宜施氮量的研究方法較多；基于產(chǎn)量(Yield)、環(huán)境(Environment)、氮損失(N loss)、硝酸鹽淋失(Nitrate leaching)、空間變異性(Spatial Variability)以及位點(diǎn)特異性(Site-specific)等均可進(jìn)行氮(Nitrogen)管理(Nitrogen management)、推薦施肥(Fertilizer recommendation)。此外，土壤N(Soil N)、氮損失(N Loss)、肥料利用(Fertilizer use)、環(huán)境(Environment)之間的相互關(guān)系較密切，玉米(Zea mays)、氮利用率(Nitrogen use efficiency)、收獲產(chǎn)量(Grain yield)、葉綠素(Chlorophy II)之間關(guān)聯(lián)緊密，基于這些關(guān)系確定適宜施氮量仍是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

表9　適宜施氮量主題前20位關(guān)鍵詞頻詞

圖3　適宜施氮量主題相關(guān)關(guān)系圖Fig.3　 Affinity diagram on the topic of appropriate nitrogen application rate

2.3.2研究機(jī)構(gòu)

當(dāng)前開展農(nóng)田適宜施氮量研究的機(jī)構(gòu)很多，發(fā)表SCI論文最多的機(jī)構(gòu)主要分布在北美和亞洲，發(fā)文量排名全球前10位的研究機(jī)構(gòu)中有4家來自中國(guó)，4家來自美國(guó)，2家來自加拿大，但各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的發(fā)文量均較少，都在30篇以下，這說明雖然關(guān)注這一研究領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)很多，但并未把適宜施氮量研究作為重點(diǎn)(表10)。中國(guó)科學(xué)院在該領(lǐng)域發(fā)表了30篇SCI文章，略高于其他研究機(jī)構(gòu)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)在該領(lǐng)域的發(fā)文量也均居全球前10位。中國(guó)面對(duì)農(nóng)田氮肥過量施用和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，意識(shí)到確定農(nóng)田適宜施氮量是平衡產(chǎn)量安全和環(huán)境惡化之間矛盾的有效手段。美國(guó)、加拿大農(nóng)田面積大、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)，在其農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中也曾面對(duì)中國(guó)當(dāng)前所面臨的問題，其研究機(jī)構(gòu)也都十分關(guān)注如何確定兼顧糧食和環(huán)境安全的農(nóng)田適宜施氮量。

表10　適宜施氮量主題發(fā)文量前10位的機(jī)構(gòu)

2.3.3主要期刊和高被引論文

刊發(fā)農(nóng)田適宜施氮量研究SCI論文的期刊主要來自歐美農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)較發(fā)達(dá)的國(guó)家(表11)，來自中國(guó)期刊的Pedosphere也刊發(fā)了16篇此類論文，發(fā)文量排在全球第5位；發(fā)文量最多的是來自荷蘭的Field Crops Research，刊發(fā)了32篇此類文章。此外，發(fā)文量排名前九位的期刊來自荷蘭的4份，加拿大2份，中國(guó)、法國(guó)、美國(guó)各1份。

表11　適宜施氮量主題發(fā)文量前九位的期刊

該領(lǐng)域的高被引論文主要來自歐美科學(xué)家的研究成果，亞洲科學(xué)家在該領(lǐng)域的成果也受到較多關(guān)注(表12)，被引頻次最高的論文是德國(guó)霍恩海姆大學(xué)的Justes, E等于1994年在Annals of Botany雜志上發(fā)表的論文Determination of a critical nitrogen dilution curve for winter-wheat crops，文中討論了臨界氮稀釋曲線的研究方法，為確定適宜施氮量提供了一種研究思路，該論文已被引用了220次。該研究領(lǐng)域，被引頻次排在前10位的論文有一篇來自中國(guó)的科研成果，作者是中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所的褚海燕研究員，該文關(guān)注了平衡施肥對(duì)土壤微生物的重要性，被引用了91次，這說明中國(guó)在這一領(lǐng)域的研究成果正在被國(guó)際認(rèn)可。

表12　適宜施氮量主題排名前10位熱點(diǎn)論文

3　討論

3.1研究熱點(diǎn)

文獻(xiàn)計(jì)量分析顯示，氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)研究的發(fā)文量最多，氮肥施用對(duì)作物生長(zhǎng)、糧食產(chǎn)量、氮肥利用率、土壤肥力等因素的影響一直是氮素效應(yīng)研究的重點(diǎn)。20世紀(jì)60年代以來，亞洲和歐洲的糧食產(chǎn)量分別增加了280%和65%，然而人口也從300萬增長(zhǎng)到640萬[18-19]，糧食產(chǎn)量之所以增加，作為決定作物產(chǎn)量形成的最重要營(yíng)養(yǎng)元素——氮的施用起到了決定性作用[20]。當(dāng)前世界人口正以每12a增長(zhǎng)10億的速度快速擴(kuò)張，預(yù)計(jì)2050年，全球人口總數(shù)將達(dá)90億，如何滿足人類糧食需求仍是全球面臨的重大難題[3]，因此，氮素施用的農(nóng)學(xué)效應(yīng)尤其是對(duì)作物產(chǎn)量的增產(chǎn)潛力仍是未來關(guān)注的重點(diǎn)。然而作物產(chǎn)量的形成受多方面因素的影響，區(qū)域[21]、時(shí)間[22]、作物品種[23]、施用方法[24]、氮素類型[25]等都會(huì)不同程度的影響氮素效應(yīng)。隨著農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展，尤其是遺傳育種科技的進(jìn)步，加之全球氣候變化的大趨勢(shì)，作物新品種、氣候變化條件下的氮素農(nóng)學(xué)效應(yīng)也應(yīng)當(dāng)受到重視[26-27]。

氮肥施用還帶來了嚴(yán)重的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檗r(nóng)田施用的氮肥并不能全部被作物吸收，特別是在施氮過量的農(nóng)田上，氮損失極其嚴(yán)重[28-29]。損失的氮一部分在土壤中積累，一部分以氨、氧化亞氮、一氧化氮等含氮化合物的形式排放進(jìn)入大氣，一部分隨降雨或灌溉以徑流、淋溶或壤中流的形式進(jìn)入地表水或地下水，顯著影響了氮素在陸地、大氣以及水生生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)[30]。由于農(nóng)民習(xí)慣于按作物茬口施肥，農(nóng)田土壤中積累的氮素并不能被后茬作物全部利用，氮素持續(xù)累積導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，甚至再次發(fā)生氣體排放或氮素流失[31]。施氮導(dǎo)致農(nóng)田成為一個(gè)巨大的氨揮發(fā)源[32]，農(nóng)田氨揮發(fā)量占全球氨揮發(fā)總量的50%[33]，而具有堿性的氨可以與大氣中的硫酸或硝酸分子結(jié)合形成硫酸銨和硝酸銨，這都是霧霾中的主要成分[34]，進(jìn)一步污染空氣。由于土壤中反硝化細(xì)菌的存在，氮素反硝化活動(dòng)頻繁，施入農(nóng)田的部分氮素以氧化亞氮的形式排放進(jìn)入大氣，成為全球氣候變暖的重要因素[35]。

綜上所述，氮肥施用急需確定一個(gè)兼顧糧食安全與環(huán)境安全的平衡點(diǎn)，該平衡點(diǎn)的核心就是確定農(nóng)田適宜施氮量，這也是從源頭控制氮素污染的有效手段。目前，適宜施氮量的確定方法很多，基于滿足作物氮素需求的方法，包括利用葉綠素儀法、土壤無機(jī)氮實(shí)時(shí)調(diào)控、經(jīng)驗(yàn)施肥模型等[36-37]；基于最佳產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)效益的方法，包括測(cè)土配方施肥、產(chǎn)量或經(jīng)濟(jì)效益效應(yīng)曲線等[36-37]；基于環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)估算的方法，包括氮淋失潛力估算、氮損失估算模型等[38- 40]；基于目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)管理的方法，根據(jù)環(huán)保法規(guī)限定施氮量、施氮時(shí)期[41-42]等。然而，不同于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)農(nóng)田面積雖然大，但單塊農(nóng)田面積較小，并且確定田塊適宜施氮量的方法多種多樣，在區(qū)域內(nèi)范圍缺乏統(tǒng)一的施氮量，為解決這一問題，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所的朱兆良院士首先提出了區(qū)域平均適宜施氮量的構(gòu)想和具體方法[43]，其應(yīng)用結(jié)果也顯示區(qū)域平均適宜施氮量相對(duì)于最大產(chǎn)量施氮量減少20%以上，相對(duì)于農(nóng)民習(xí)慣施氮量減少近40%，而作物產(chǎn)量和農(nóng)民收益并未降低，氮肥利用率反而有所提高[44]，這為我國(guó)進(jìn)行區(qū)域尺度上的氮肥管理提供了參考。適宜施氮量研究雖然是當(dāng)前氮肥施用研究的一個(gè)重要方向，但被關(guān)注程度較低，發(fā)文量較少，缺少統(tǒng)一的研究方法。特別是面對(duì)農(nóng)田氮流失造成的水體水質(zhì)惡化問題，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步探索以水質(zhì)保護(hù)為目標(biāo)的農(nóng)田施氮閾值(造成水體污染的臨界施氮量)。此外，氮素的吸收、利用、轉(zhuǎn)化、損失均受多種因素的影響，未來的研究應(yīng)當(dāng)將農(nóng)田氮素放到生態(tài)系統(tǒng)氮素循環(huán)過程中，而不僅僅研究某一方面的氮素效應(yīng)。

3.2計(jì)量分析

科技論文是科學(xué)家智慧的結(jié)晶，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫將歷年研究成果收錄在一起[45-46]，對(duì)后世科學(xué)家開展科研工作具有重要的指導(dǎo)意義，世界各國(guó)相當(dāng)重視科學(xué)研究，科研成果層出不窮，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫不斷得到補(bǔ)充，這也導(dǎo)致特定研究領(lǐng)域內(nèi)的文獻(xiàn)數(shù)量時(shí)刻變化。因此，為保證文獻(xiàn)計(jì)量結(jié)果的相對(duì)穩(wěn)定性，只能選取一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的文獻(xiàn)進(jìn)行分析[47]，雖然這一方法可能并未涵蓋最新的文章，但只要科學(xué)合理的設(shè)置主題詞，計(jì)量分析結(jié)果對(duì)后人了解前人研究成果、總結(jié)研究經(jīng)驗(yàn)、開拓研究方向仍有非常重要的借鑒意義[48]。

歐美國(guó)家的工業(yè)化程度高，具有較強(qiáng)的研究基礎(chǔ)，不但帶動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的革新，也促進(jìn)了農(nóng)業(yè)科研的發(fā)展，無論是氮肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)還是適宜施氮量研究，以美國(guó)、加拿大、德國(guó)等為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家均處在領(lǐng)先地位，無論是高被引論文還是刊發(fā)相關(guān)研究成果最多的期刊都主要來自歐美國(guó)家。中國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的研究雖然起步晚，但發(fā)展迅速，部分中國(guó)研究機(jī)構(gòu)的發(fā)文量已經(jīng)進(jìn)入世界前列，尤其是中國(guó)對(duì)氮肥環(huán)境效應(yīng)及適宜施氮量的研究相當(dāng)重視，這主要是因?yàn)橹袊?guó)當(dāng)前正處于快速發(fā)展階段，必須滿足國(guó)內(nèi)糧食需求，但吸取了發(fā)達(dá)國(guó)家的教訓(xùn)，絕不走“先污染后治理”的路子，積極創(chuàng)造優(yōu)美的自然環(huán)境。

中國(guó)在該研究領(lǐng)域取得了不少研究成果，但仍然存在一些問題：優(yōu)秀研究團(tuán)隊(duì)較少，發(fā)文量最多的中國(guó)機(jī)構(gòu)主要是國(guó)家重點(diǎn)扶持的985高?；蛘咧袊?guó)科學(xué)院、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院等國(guó)家級(jí)科研院所；優(yōu)秀期刊不足，缺少有影響力的國(guó)際主流期刊；文獻(xiàn)質(zhì)量不高，被國(guó)際認(rèn)可的成果較少。這主要是因?yàn)椋赫咂蛴谥攸c(diǎn)高校和科研院所，其他機(jī)構(gòu)對(duì)人才重視程度不夠；中國(guó)的研究大多注重模仿，原始創(chuàng)新突破少；急于文章的發(fā)表，不注重?cái)?shù)據(jù)積累，研究可持續(xù)性差；追求期刊影響因子，投稿時(shí)很少考慮國(guó)內(nèi)優(yōu)秀期刊；刻意引用國(guó)外文獻(xiàn)，故意避開國(guó)內(nèi)同行成果。

為解決這些問題，增強(qiáng)整體研究實(shí)力，提高論文質(zhì)量，需要從多方面加以改進(jìn)。首先，服從于國(guó)家發(fā)展規(guī)劃，學(xué)習(xí)并改進(jìn)國(guó)際先進(jìn)研究方法，關(guān)注與人類生存息息相關(guān)的研究方向。其次，我國(guó)當(dāng)前面臨著保障糧食安全和水環(huán)境安全的雙重壓力，科研工作者應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加強(qiáng)該領(lǐng)域相關(guān)研究，政府也要增加科研資金投入，建立研究持續(xù)資助機(jī)制，保證研究延續(xù)性，注重人才培養(yǎng)，建立公平的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。第三，支持國(guó)內(nèi)優(yōu)秀期刊發(fā)展，鼓勵(lì)將最新研究進(jìn)展發(fā)表在國(guó)內(nèi)優(yōu)秀英文期刊上，促進(jìn)產(chǎn)出更多的高水平研究成果。第四，加強(qiáng)國(guó)際交流，堅(jiān)持“走出去請(qǐng)進(jìn)來”的戰(zhàn)略，借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家已有經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)并進(jìn)行本土化改進(jìn)。第五，完善共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)共享，提高科技成果轉(zhuǎn)化率，鼓勵(lì)可持續(xù)性農(nóng)業(yè)發(fā)展，在提高數(shù)據(jù)利用率的同時(shí)，可以提升國(guó)家整體研究實(shí)力。

4　結(jié)論

基于Web of Science數(shù)據(jù)庫，利用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的方法，可以很好地分析農(nóng)田氮素效應(yīng)主要研究方向中的研究熱點(diǎn)。氮肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)主要包括施氮對(duì)小麥、玉米、水稻、大豆等作物產(chǎn)量、氮素利用率和土壤有機(jī)碳的影響，環(huán)境效應(yīng)主要包括施氮對(duì)氨揮發(fā)、硝化反硝化、溫室氣體排放、硝酸鹽淋失、地下水水質(zhì)等因素的影響，而確定農(nóng)田適宜施氮量是解決糧食安全和環(huán)境安全之間矛盾的研究熱點(diǎn)。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家較早的關(guān)注了氮素施用對(duì)產(chǎn)量、環(huán)境的影響，研究基礎(chǔ)好，影響力大的期刊與高被引論文也主要來自歐美國(guó)家，中國(guó)在相關(guān)研究領(lǐng)域的研究起步較晚，高影響力論文偏少，被引次數(shù)較低，優(yōu)秀國(guó)際期刊不足，但研究實(shí)力不斷增加，發(fā)展非常迅速，研究成果也逐漸被國(guó)際社會(huì)所認(rèn)可。中國(guó)尤其關(guān)注氮素對(duì)環(huán)境的影響，并進(jìn)行了較多的適宜施氮量研究，以中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院等為代表的中國(guó)研究機(jī)構(gòu)的研究水平逐漸進(jìn)入世界前列。然而，面對(duì)保障糧食安全和水環(huán)境安全的雙重壓力，中國(guó)應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加大資金投入，增強(qiáng)該領(lǐng)域相關(guān)研究水平，提高科技成果轉(zhuǎn)化率，促進(jìn)可持續(xù)性農(nóng)業(yè)發(fā)展。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心在文獻(xiàn)檢索和數(shù)據(jù)分析中給予的幫助，感謝彭皓老師對(duì)論文寫作提供的幫助。

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A bibliometrical analysis of status and trends of international researches on the agronomic and environmental effects of nitrogen application to farmland

ZHANG Yitao1, WANG Hongyuan1, LIU Shen1, LIU Hongbin1, ZHAI Limei1, LEI Qiuliang1,*, REN Tianzhi2

1MinistryofAgricultureKeyLaboratoryofNonpointSourcePollutionControl/InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China2Agro-EnvironmentalProtectionInstitute,MinistryofAgriculture,Tianjin300191,China

The primary topics and trends in the development of research on the agronomic and environmental effects of nitrogen application, both in China and abroad, were analyzed to provide

and highlight opportunities for future research in the field of farmland nitrogen application. The Institute for Scientific Information (ISI) Web of Science database was used to retrieve Scientific Citation Indexed (SCI) papers published (1957—2014) on the topic of “nitrogen fertilizer application”, and literature relevant to “agronomic effects”, “environmental effects”, and “appropriate nitrogen application” was extracted. The bibliometric method was used to analyze the main focus, research institutions, publishing journals, and citation indices of the publications in each research branch. A total of 7460 SCI articles on farmland nitrogen research were published during this period. Of these, 2,773 were related to “agronomic effects”, which mainly included the effects of nitrogen application on nitrogen use efficiency, soil organic carbon, and yields of wheat, corn, rice, and soybeans, as well as other crops. There were 1609 articles related to “environmental effects”, which mainly included the effects of nitrogen application on ammonia volatilization, nitrification and denitrification, greenhouse gas emissions, nitrate leaching, groundwater quality, and other environmental topics. There were 408 articles were related to “appropriate nitrogen application”, which mainly covered the aspects of quantity of nitrogen fertilizer application and field nitrogen management. Most of the publications were by researchers affiliated to institutions in developed countries in Europe and North America; most of the publications in mainstream journals and the most highly cited publications were also by researchers based in developed European and American countries. However, research on farmland nitrogen application has developed rapidly in China, and some institutions, including the Chinese Academy of Sciences, China Agricultural University, Nanjing Agricultural University, and the Chinese Academy of Agricultural Sciences, have gradually become global leaders in this area. The bibliometric method can be used to analyze the primary topics and developmental trends in research on nitrogen application. Currently, investigation of the agronomic effects of nitrogen application is the main focus of research on nitrogen. Research on the environmental effects of nitrogen, especially the impacts of nitrogen loss on water quality, is receiving increasing attention, because of serious water quality problems around the world. Tremendous research opportunities lie in development of appropriate nitrogen management practices that could simultaneously guarantee food security and environmental quality. China has only recently entered this field of research, with few highly cited articles in well-recognized international journals by Chinese researchers, but the research capacity of Chinese institutions has been growing and their research achievements have increasingly been recognized by the international community.

nitrogen fertilizer application; Web of Science; agronomic effects; environmental effects; appropriate nitrogen application

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201003014)

2014- 12- 31; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 11- 16

Corresponding author.E-mail: leiqiuliang@caas.cn

10.5846/stxb201412312621

張亦濤, 王洪媛,劉申,劉宏斌, 翟麗梅,雷秋良,任天志.氮肥農(nóng)學(xué)效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)國(guó)際研究發(fā)展態(tài)勢(shì).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(15):4594- 4608.

Zhang Y T, Wang H Y, Liu S, Liu H B, Zhai L M, Lei Q L, Ren T Z.A bibliometrical analysis of status and trends of international researches on the agronomic and environmental effects of nitrogen application to farmland.Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4594- 4608.