生物炭農(nóng)田利用領域的研究熱點與趨勢：基于文獻計量學的可視化分析

李瑞瑞，黨佩佩，李 琛*

(1.陜西理工大學化學與環(huán)境科學學院，漢中 723001； 2.陜西省催化基礎與應用技術(shù)重點實驗室，漢中 723001)

Lehmann對亞馬遜黑土的研究揭開了生物炭農(nóng)田應用的序幕[1]。以廢棄農(nóng)林生物質(zhì)為原料，經(jīng)熱解制得的生物炭因具有豐富的含氧官能團、發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的吸附性能而廣泛應用于污染治理、土壤改良、碳封存等領域[2-4]。已有的研究表明，通過施用生物炭，可以有效提高土壤微生物活性、降低土壤容重、提高土壤中有效磷/氮含量、改善養(yǎng)分利用效果、提高土壤持水能力，同時，稻田中合理施用還可以顯著降低溫室氣體的排放，受污染土壤中施用生物炭則可以實現(xiàn)污染物的固化或降解。因此，生物炭在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的應用引起全球農(nóng)業(yè)工作者和科研人員的廣泛興趣[5-6]。一些研究人員就生物炭農(nóng)田利用進行了綜述[7-9]，對推動該領域的研究起到了積極作用。但是需要指出的是，這些綜述研究通常針對生物炭農(nóng)田利用的某一特定領域進行了歸納，這種歸納通?；谧髡咛囟ǖ难芯款I域和學科背景展開，具有較強的主觀性。隨著計算機科學與信息技術(shù)的快速發(fā)展，基于科學計量學與信息計量學技術(shù)，對特定研究領域的知識脈絡進行梳理成為一種新的研究方法。該研究方法通常借助CiteSpace、VOSviewer等科學計量與可視化軟件，對特定研究領域進行知識歸納，直觀、形象、全面地梳理該領域現(xiàn)有文獻資料，進而從宏觀上把握該研究主題的發(fā)展趨勢，洞悉未來研究熱點。比如，陳磊等[10]利用CiteSpace軟件對煤礦安全生產(chǎn)領域的研究成果進行了梳理，揭示了該領域的發(fā)展趨勢,汪朋飛等[11]、鄧偉等[12]、羅軍華等[13]分別對摩擦納米發(fā)電機、應急救援和公路洪災等知識領域進行了歸納，為新晉研究人員快速把握這些研究領域未來的發(fā)展趨勢提供有益借鑒。

鑒于此，現(xiàn)采用文獻計量學和信息可視化技術(shù)，以Web of Science Core Collection (WoSCC)中與生物炭農(nóng)田利用相關的文獻記錄為材料，構(gòu)建本地數(shù)據(jù)庫，借助CiteSpace、Bibliometrix程序，通過知識圖譜的構(gòu)建，挖掘該領域的研究協(xié)作狀況，直觀展示該領域的知識域與知識流動，揭示該領域的熱門主題與發(fā)展趨勢，以期為生物炭農(nóng)田利用領域的研究提供借鑒。

1 材料與方法

考慮到文獻計量學及CiteSpace軟件對數(shù)據(jù)規(guī)范性和完整性的要求[14]，以及該研究領域在自然科學、社會經(jīng)濟學領域的跨學科特征，研究使用的英文文獻以WoSCC[涵蓋SCI-E (science citation index expanded,1975—2021)、SSCI (social sciences citation index,1975—2021)、A&HCI (arts &humanities citation index,1975—2021)、CPCI-S (conference proceedings citation index-science,1991—2021)、CPCI-SSH (conference proceedings citation index-social science &humanities,1991—2021)及ESCI (emerging sources citation index,2015—2021)子庫]中所收錄的與生物炭農(nóng)田應用相關研究成果為源數(shù)據(jù)，通過檢索式“[TI=(“biomass*charcoal*”or “biomass*biochar*”or “biochar*”or “bio*carbon*”)or AK=(“biomass*charcoal*”or “biomass*biochar*”or “biochar*”or “bio*carbon*”))and (TI=(“farm*land*”or “crop*land*”or “cultivated*land*”or “soil*”or “paddy field*”or “arable land*”or “paddy soil*”)or AK=(“farm*land*”or “crop*land*”or “cultivated*land*”or “soil*”or “paddy field*”or “arable land*”or “paddy soil*”)]”進行檢索。檢索時間設置為1900—2021年，語言限定為“English”，文獻類型限定為“Article”，檢索時間為2021年4月6日，檢索得到的文獻記錄為3 945條，經(jīng)去重、剔除不相關記錄后，最終得到3 916條文獻記錄。文獻的全記錄與參考文獻以純文本格式保存，并以download_*.txt格式命名。合作關系(國家/地區(qū)、機構(gòu)、作者)、共被引關系(作者)、共現(xiàn)關系(關鍵詞)以及突現(xiàn)性(關鍵詞)借助陳超美教授所開發(fā)的信息可視化分析軟件CiteSpace(V 5.7.R5)進行分析[15]，數(shù)據(jù)統(tǒng)計使用R語言程序包Bibliometrix[16]進行。研究揭示以下內(nèi)容：①利用Bibliometrix進行文獻計量學統(tǒng)計，得到該領域相關文獻的統(tǒng)計數(shù)據(jù)；②利用CiteSpace的共現(xiàn)分析功能，闡述各研究主體在國家、機構(gòu)、作者層面的合作關系及其學術(shù)貢獻；③利用CiteSpace的關鍵詞共現(xiàn)分析和突發(fā)性檢測功能，以科學知識圖譜的形式全景展示該研究領域的知識結(jié)構(gòu)、研究熱點和發(fā)展趨勢[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)文量及其年度變化

Bibliometrix和WoSCC文獻統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，WoSCC數(shù)據(jù)庫中與生物炭農(nóng)田利用相關的3 916條文獻記錄分布在2007—2021年，這些論文由來自110個國家或地區(qū)、2 485個機構(gòu)的10 166名作者撰寫。文獻年度出版量如圖1所示。特定領域發(fā)文量的年際變化在一定程度上可以反映研究人員對該領域的關注程度，在2007—2020年，生物炭農(nóng)田應用領域年度發(fā)文量呈指數(shù)增長態(tài)勢，說明該研究領域的高速發(fā)展態(tài)勢。

圖1 WoSCC數(shù)據(jù)庫關于生物炭農(nóng)田利用研究論文發(fā)文量年度變化Fig.1 Publication output performance on the topic of biochar application in farmland from 2007 to 2021 in WoSCC

2.2 生物炭農(nóng)田利用的主要研究力量

2.2.1 主要研究國家/地區(qū)及機構(gòu)分析

一個國家在某一研究領域的發(fā)文數(shù)量通常代表著他們在該研究領域的活躍程度[18]。在CiteSpace中將節(jié)點類型設定為“country”，可得到國家合作網(wǎng)絡，并結(jié)合WoSCC數(shù)據(jù)庫中刊文量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到發(fā)文數(shù)量最高的前十個國家/地區(qū)列于表1。在表1中，所列的記錄數(shù)(records)來源于WoSCC出版統(tǒng)計數(shù)據(jù)，代表著各國家/地區(qū)在生物炭農(nóng)田利用領域的刊文記錄數(shù)，反映這些國家/地區(qū)對該領域的活躍程度，表中所列共現(xiàn)頻次(frequency)和中介中心度(centrality)由國家合作網(wǎng)絡分析結(jié)果導出，代表著一個國家在該研究領域的重要程度。由表1左側(cè)數(shù)據(jù)可以看出，中國刊文記錄(records)最高(1 686篇)，分別是排名第二的美國的2.59倍和排名第三的澳大利亞的4.93倍，說明生物炭農(nóng)田利用方面的研究已受到中國學者的廣泛關注。在表1的右側(cè)，列出了國家合作網(wǎng)絡圖中共現(xiàn)頻次(frequency)最高的前十個國家/地區(qū)，國家/地區(qū)共現(xiàn)頻次在一定程度上表明該國家/地區(qū)在領域內(nèi)與他國合作概況，對同一個國家/地區(qū)而言，可能由于其發(fā)表的論文并不是全部發(fā)生了國家/地區(qū)間的合作，導致其共現(xiàn)頻次通常會低于WoSCC數(shù)據(jù)庫中的記錄數(shù)，比如，巴基斯坦研究人員所發(fā)表的245篇文獻中有243篇文獻與其他國家/地區(qū)的作者合著完成，而英國研究人員所發(fā)表的264篇文獻中僅有132篇與其他國家/地區(qū)的作者存在共著關系。從排序來說，在共現(xiàn)網(wǎng)絡中國家/地區(qū)的共現(xiàn)頻次排序基本與WoSCC中刊文數(shù)量的排序吻合，中國、美國、澳大利亞依然排在前三位，但是英國則由刊文量的第四位變化為共現(xiàn)頻次的第十位。在合作網(wǎng)絡圖中，高中介中心度的節(jié)點通常在保證網(wǎng)絡完整性方面起到“樞紐”或“橋梁”作用[14]。在生物炭農(nóng)田利用研究領域，雖然中國以高的共現(xiàn)頻次和高的刊文記錄排名第一，但是其中介中心性指數(shù)僅為0.09，為德國的1/3，不足英國的1/2，表明中國在該研究領域雖然最為活躍，但是其研究成果的國際影響力尚顯不足，應加強該領域的開創(chuàng)性研究。英國、德國的刊文量位列第四和第五，共現(xiàn)頻次位列第十和第四，但其中介中心性指數(shù)分列第一和第二，說明這兩個國家/地區(qū)在生物炭農(nóng)田利用領域所發(fā)表的文章影響力較強。

在CiteSpace中將節(jié)點類型設定為“institution”，可得到機構(gòu)合作網(wǎng)絡，統(tǒng)計得到國內(nèi)外刊文量最多的前十個研究機構(gòu)(表1)。在發(fā)文量最大的前十個機構(gòu)中，有8個來自中國，分別位列第一，第三到第九，他們代表著中國在該研究領域的主要研究力量。另外，美國農(nóng)業(yè)部和巴基斯坦的費薩拉巴德農(nóng)業(yè)大學分別位列第二和第十。2009年，美國農(nóng)業(yè)部的Novak介紹了施用山核桃殼生物炭對美國東南沿海平原地區(qū)沙質(zhì)農(nóng)業(yè)土壤的肥力具有顯著改良作用[19]。之后，Novak又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)施用生物炭對土壤蓄水能力、固氮能力及農(nóng)作物產(chǎn)量等產(chǎn)生影響；進一步的，通過對比研究發(fā)現(xiàn)不同的原材料、物料配比、熱解條件所制備的生物炭對土壤質(zhì)量的影響存在差異，需要針對土壤特征，選擇不同的制備工藝和原料，有針對性地獲得所需生物炭基土壤改良劑，為生物炭的制備與農(nóng)田利用提供了指南，提高了美國在該領域的影響力。中國科學院是生物炭農(nóng)田利用領域發(fā)文量最大的機構(gòu)，2009年首先報道了土壤施用生物炭可有效降低植物對農(nóng)藥的吸收[20]，并揭示了秸稈生物炭的酸堿度隨熱解溫度升高而增大這一規(guī)律[21]，為農(nóng)田利用秸稈生物炭的制備提供了指導意見，之后又多次在EnvironmentalScienceandTechnology雜志上刊文報道了生物炭在酸性土壤微生物群落豐度提升、溫室氣體N2O減排、作物產(chǎn)量提升方面的積極作用[22-23]。

表1 生物炭農(nóng)田利用研究領域發(fā)文量最大的前十個國家/地區(qū)和機構(gòu)Table 1 Top 10 most prolific countries/regions and institutions on the topic of biochar application in farmland from 2007 to 2021

2.2.2 主要學者分析

結(jié)合WoSCC數(shù)據(jù)庫中的作者刊文統(tǒng)計數(shù)據(jù)，CiteSpace作者共現(xiàn)分析結(jié)果[圖2(a)]和作者共被引分析結(jié)果[圖2(b)]，歸納出該領域發(fā)文量最大、共現(xiàn)頻次最高、共被引次數(shù)最高的前10個作者(表2)。一般的，發(fā)文數(shù)量的高低通常反映作者在該研究領域的活躍程度，作者合作網(wǎng)絡中作者的中介中心性則反映該作者在推動學術(shù)合作中所起到的重要作用，而作者共被引頻次則該領域同行專家對該作者研究成果的認可度，反映了該作者在該領域的學術(shù)影響力。因此，通常認為發(fā)文量、中介中心度和共被引頻次是從不同角度反映一個學者在特定研究領域內(nèi)學術(shù)貢獻和學術(shù)影響力[24]。

由圖2(a)可以看出，在生物炭農(nóng)田利用領域已經(jīng)形成了規(guī)模不等的研究團體，團體內(nèi)各研究人員之間合作較為緊密并形成一定數(shù)量的核心作者，同時，各團體間也初步形成合作關系。由表2可以看出，來自韓國高麗大學的Ok Y S在生物炭農(nóng)田利用領域的學術(shù)活動最為活躍，載文記錄高達88條。在統(tǒng)計的作者中，來自中國的作者有6位，說明中國學者在該領域的研究中具有較高的活躍度。由表2可以看出，Gao B所代表的節(jié)點的中介中心性指數(shù)最高，為0.27，在圖2(a)中，該節(jié)點與3個研究集群密切關聯(lián)，是3個研究集群的樞紐，在3個研究集群的合作中發(fā)揮重要作用。Gao B來自美國佛羅里達大學農(nóng)業(yè)與生物工程系，與浙江大學的Zhou Q F團隊、南京大學的Yang L Y團隊、南京工業(yè)大學的Ding Z H團隊、上海交通大學的 Cao X D團隊以及巴基斯坦費薩爾巴德農(nóng)業(yè)大學的Muhammad N均有合作，促進了中國、美國、巴基斯坦等國在生物炭農(nóng)田利用領域的合作。由圖2(b)、表2可以看出，來自德國柏林自由大學的Lehmann J的共被引頻次最高，為2 396次，其次是來自Glaser B，為887次。Lehmann J在2007年較早地提出了生物質(zhì)炭對菌根影響機制的4條假說，認為生物炭對菌根的影響機制可能如下：①通過改變土壤理化性質(zhì)直接對菌根產(chǎn)生影響；②通過影響土壤中其他微生物種群而對菌根產(chǎn)生間接影響；③通過植物-真菌系統(tǒng)所分泌的信號化感物質(zhì)對有害物質(zhì)產(chǎn)生解毒效應，改善菌根生境；④生物炭為菌根提供棲息地和庇護作用[25]。這些假說為生物炭農(nóng)田應用和土壤改良的理論研究具有重要的借鑒和參考意義。Lehmann J及其團隊在生物炭施用對土壤微生物群落分布影響、不同原料(熱解溫度)生物炭對植物生長的影響、生物炭施用對土壤中重金屬的吸附固定作用、生物炭在土壤中的變化與分解、生物炭施用對氮氧化物及甲烷釋放量的影響等進行了系列研究[26-29]，可以看出，該團隊在生物炭土壤應用領域的研究系統(tǒng)而廣泛，這可能是該作者的成果被同行學者廣泛引用的主要原因。高共引頻次的作者是由同行研究人員對其研究成果的引用產(chǎn)生的，這些作者的通常在該領域具有較大的學術(shù)影響力，其研究成果對該研究領域的發(fā)展與進步起到重要推動作用。

圖2 生物炭農(nóng)田利用研究領域作者合作及共被引概況Fig.2 The author cooperation and co-citation characteristics in the field of biochar application in farmland

表2 2007—2021年間生物炭農(nóng)田利用研究領域發(fā)文量最大、共引頻次最高、中介中心度最高的前十個作者Table 2 Top 10 authors with high publications,centrality or co-citation frequency in the field of biochar application in farmland from 2007 to 2021

2.3 生物炭農(nóng)田利用的研究熱點與趨勢

論文的關鍵詞通常是其研究內(nèi)容和研究主題的高度凝練，從一定程度上來說，通過分析某一研究領域的關鍵詞的變遷可以洞悉該領域研究主題的變化[30]。本研究中，將節(jié)點類型設置為“keyword”，得到關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖(圖3)。在關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡中，高頻共現(xiàn)的關鍵詞通常代表著研究人員對該主題關注的熱度，而高中介中心性的關鍵詞則通常與更多的研究主題相關聯(lián)(該類節(jié)點通常是樞紐節(jié)點)或者衍生出新的研究主題(該類節(jié)點通常是轉(zhuǎn)折節(jié)點)，因此，通過整理、分析不同研究階段的高頻共現(xiàn)和高中介中心性的關鍵詞有助于發(fā)掘該研究領域的研究熱點和發(fā)展趨勢和研究路徑。研究以5年為一個研究階段，將各階段出現(xiàn)于共現(xiàn)網(wǎng)絡中的關鍵詞列于表3，并對高頻共現(xiàn)關鍵詞和高中介中心性關鍵詞以及近5年出現(xiàn)于共現(xiàn)網(wǎng)絡中的關鍵詞進行歸納分析。

圖3 WoS數(shù)據(jù)庫中生物炭農(nóng)田利用相關研究關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡聚類視圖Fig.3 The cluster view of keyword co-occurrence network in the field of biochar application in farmland (WoS)

表3 生物炭農(nóng)田應用領域的高頻率共現(xiàn)關鍵詞和高中介中心度關鍵詞Table 3 High frequency and high centrality keywords in the field of biochar application in farmland

在2007—2011年，出現(xiàn)了大量的高頻共現(xiàn)關鍵詞和高中介中心性關鍵詞，說明這一時間段內(nèi)產(chǎn)出了大批原創(chuàng)性優(yōu)秀成果，這些成果為該領域的研究奠定了堅實的基礎。通過對該時段關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡圖中凸顯關鍵詞的梳理發(fā)現(xiàn)，該階段的研究主要集中在生物炭制備及其農(nóng)田應用效果方面。其中，biochar(生物炭)、black carbon(黑碳)、carbon(碳)、charcoal(木炭)、sewage sludge(污泥)、biomass(生物質(zhì))、activated carbon(活性炭)等代表生物炭原料或產(chǎn)品的關鍵詞均有較高的共現(xiàn)頻次，在一定程度上反映該領域研究人員在該時段對生物炭制備的關注。biochar(生物炭)是共現(xiàn)次數(shù)最多的關鍵詞，這可能在一定程度上受到本文研究方法的影響(biochar作為檢索詞用于分析文獻的搜集)。在2007—2011年，Terra Preta(亞馬遜盆地黑土)中心性指數(shù)高達0.24，雖然其共現(xiàn)頻次僅為2次，但是依然不能忽略該詞在關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡中的重要作用，對生物炭土壤農(nóng)田應用研究領域的發(fā)展起到重大作用。通過對該關鍵詞溯源發(fā)現(xiàn)，生物炭在農(nóng)田中最早是用作土壤改良劑使用的，它的發(fā)現(xiàn)主要受益于南美洲亞馬遜盆地黑土的發(fā)現(xiàn)和研究。前人的研究發(fā)現(xiàn)，由于人類活動、森林火災、放火毀林等人類活動使得亞馬遜盆地出現(xiàn)部分營養(yǎng)異常豐富的土壤，被稱之為“Terra Preta”[25]，由于這些土壤中的黑碳對營養(yǎng)物質(zhì)和微生物菌群具有很好的聚集效果，而使得這些土壤變得肥沃，從而拉開了生物炭農(nóng)田利用的序幕。秸稈、稻草、稻殼、枯枝等農(nóng)林廢棄物是生物炭制備的主要原料，大量研究人員對原料類型、熱解溫度、熱解時間、升溫速度等制備條件對生物炭性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同的熱解溫度、升溫速度、熱解工藝及原料會導致熱解產(chǎn)物不同，生物炭產(chǎn)率不同；不同的原料所制備的生物炭在元素組成方面存在差異[31]。農(nóng)林廢棄物生物炭制備適宜采用慢速熱解工藝，在350～800 ℃，升溫速度低于10 ℃/min的條件下生物炭產(chǎn)率較高[32]。隨著研究的深入，部分研究人員還研究了餐廚垃圾、養(yǎng)殖廢棄物(動物糞便等)、屠宰廢棄物(動物皮毛、骨骼、蹄夾、禽類羽毛)、工業(yè)廢棄物(織物、造紙等涉植物纖維行業(yè))、城市垃圾、城市污水處理廠污泥等廢棄物資源作為原料生產(chǎn)生物炭的研究。研究發(fā)現(xiàn)，sewage sludge(污泥)一詞既是高頻共現(xiàn)關鍵詞(共現(xiàn)頻次149次)，也是高中介中心性關鍵詞(中介中心性指數(shù)0.31)。充分說明以污泥為原料制備生物炭不僅引起了生物炭土壤利用領域?qū)W者的廣泛關注，同時也對該領域研究的發(fā)展起到巨大的推動作用。在圖3中，圍繞sewage sludge(污泥)形成了一個全新的小聚類，代表著一個小的研究領域的形成。2010年2月，Hossain等[33]報道了以污泥為原料制備生物炭的一項研究，研究發(fā)現(xiàn)，在550 ℃的熱解溫度下所制備的污泥基生物炭對土壤化學性質(zhì)、土壤氮、磷有效性均有明顯改善，10 t/ha的施用量可使西紅柿的產(chǎn)量提高64%。不難看出，2007—2011年，該領域的研究熱點是生物炭的制備，而以污泥為原料制備生物炭是該階段的一個研究前沿。通過對污泥基生物炭農(nóng)田利用代表性研究成果(高被引論文和新發(fā)表論文)的進一步分析發(fā)現(xiàn)，該分支領域的研究主要關注點如下：①制備條件對污泥中重金屬的穩(wěn)定效果；②土壤施用對土壤中重金屬含量、重金屬生物可用性、土壤酶活、植物生長的影響；③污泥基生物炭農(nóng)田利用的生態(tài)、環(huán)境安全性評價及其安全施用等方面的研究。

在2012—2016年，網(wǎng)絡中未發(fā)現(xiàn)高中介中心性關鍵詞，高頻關鍵詞主要分布主題領域如下。

(1)生物炭制備與應用相關主題。waste(37,0.03-廢物)、pyrolysis temperature(257,0.02-熱處理溫度)、removal(181,0.02-去除)、immobilization(274,0-固定)、soil amendment(219,0-土壤改良劑)、feedstock(13,0-原料)。

(2)生物炭應用領域與效果相關主題。cadmium(291,0.06-鎘)、lead(152,0-鉛)、copper(11,0-銅)、polychlorinated biphenyl(5,0-多氯聯(lián)苯)、compost(206,0-堆肥)、greenhouse gas emission(249,0-溫室氣體排放)、productivity(168,0-生產(chǎn)能力)、physical property(154,0-物理性質(zhì))、retention(30,0-滯留)、nitrate(22,0-硝酸鹽)、CO2(16,0-二氧化碳)、leaching(7,0-淋濾)、ferralsol(6,0-鐵鋁土)、soil enzyme(5,0-土壤酶活)、ash(4,0-灰渣)、release(4,0-釋放)。

在2017—2021年，可能由于大量文獻尚未得到廣泛傳播，其影響力尚未有效釋放，因此關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡中也未發(fā)現(xiàn)高中介中心性關鍵詞，通過對該時段關鍵詞的梳理發(fā)現(xiàn)，該時段的研究主題主要集中在生物炭土壤利用對土壤重金屬毒性、生物有效性、土壤性質(zhì)、土壤酶活的影響。隨著重金屬污染的加劇，農(nóng)田土壤重金屬污染時有報道，鑒于農(nóng)田重金屬污染對食品安全的巨大威脅，研究人員對土壤重金屬污染的控制開展了系統(tǒng)的研究，Paz-Ferreiro 等[49]的研究發(fā)現(xiàn)，熱解廢紙脫墨污泥基生物炭對土壤中的鋅具有固定作用，500 ℃下制備的生物質(zhì)炭對土壤中可生物利用態(tài)鋅濃度削減最為明顯。He等[50]通過3年的盆栽實驗發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著降低了土壤中離子交換態(tài)鎘含量和水稻對鎘的富集，并對水稻有一定的增產(chǎn)效果。Watson等[51]的研究則發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可顯著提高土壤中微生物呼吸作用，增加種群豐富，緩解苯酚、對硝基苯酚、銅、鎘等污染物對微生物的毒性。Jiang 等[52]的研究則證明，生物炭施用強化了土壤對重金屬鉛和抗生素氟苯尼考的吸附固定能力，對鉛的吸附強化主要是由于生物炭中豐富的含氧官能團和芳香結(jié)構(gòu)，而對氟苯尼考的吸附強化主要是由于靜電引力。Zhang 等[53]研究發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石、膨潤土和生物炭均可以對鎘、鉛起到良好的鈍化效果，施用3種改良劑顯著增加了重金屬殘渣態(tài)比例，降低了重金屬遷移率，與生物炭和膨潤土相比，羥基磷灰石對穩(wěn)定金屬和保障蔬菜安全更有效。Fan等[54]研究發(fā)現(xiàn)，巰基改性可以將硫醇基團負載與稻草基生物炭，提高了生物炭對重金屬鎘和鉛的絡合能力，降低土壤中有效態(tài)鎘、鉛含量，削弱了其流動性和生態(tài)危害性。Zhang 等[55]發(fā)現(xiàn)，磷改性生物炭中磷化合物可以與土壤中的Cu2+和Cd2+結(jié)合形成沉淀或絡合物，提高生物炭對Cu2+和Cd2+的固定，降低其流動性和生態(tài)風險，但是研究還發(fā)現(xiàn)，磷改性生物炭會提高土壤中As的流動性和遷移率。Moradi等[56]的研究則發(fā)現(xiàn)，與未改性的蘆葦基生物炭相比，鐵改性進一步強化了生物炭對土壤中鎘的固定作用，并進一步提高了土壤中微生物活性。Sun等[57]通過浸漬-熱解法制備了Fe/Al/Zn改性生物炭，并用于砷污染土壤的修復，發(fā)現(xiàn)，化學改性提高了生物炭的比表面積、總孔容和表面電荷，改性生物炭有效降低了紅壤中有效態(tài)砷含量，降低了ErucasativaMill.對砷的吸收。Lahori 等[58]的研究發(fā)現(xiàn)，鈣基膨潤土與生物炭混合施用，可以顯著降低金礦污染土壤中銅和鉛的植物有效性，抑制植物對金屬的吸收。Tanzeem-ul-Haq等[59]發(fā)現(xiàn)膨潤土+殼聚糖復配土壤改良劑可以削弱Lentil各部位對鎳的富集，而生物炭+殼聚糖復配土壤改良劑則顯著降低了Lentil對鎳的氧化應激，并提高了土壤酶活、植物生長及作物品質(zhì)。Al Mamun等[60]田間試驗發(fā)現(xiàn)，蚓糞與生物炭混用不僅能夠增加紅莧菜的產(chǎn)量，同時能夠顯著降低鎘、鉻的可生物利用性，抑制紅莧菜對鎘、鉻的吸收，降低人體健康風險。不難看出，該階段的研究熱點主要集中在土壤重金屬的礦化處理，合理地施用生物炭、改性生物炭、生物炭復配土壤改良劑可以實現(xiàn)重金屬的有效固定，降低重金屬的流動性和生物可用度，降低重金屬生態(tài)風險。

在CiteSpace中，突發(fā)性關鍵詞通常是指短時間內(nèi)使用頻率激增的關鍵詞，反映了領域內(nèi)學者對該主題的關注，可以反映該領域研究前沿的發(fā)展趨勢，因此，通過對突發(fā)性關鍵詞的分析可以探知該領域研究熱點的動態(tài)變化。研究對WoS數(shù)據(jù)庫中搜集的文獻分析得到46個突發(fā)性關鍵詞(表4)。在表4中，強度表示該關鍵詞激增的劇烈程度，強度越大說明領域內(nèi)學者對該關鍵詞的關注度越高。起始年和持續(xù)時段則反映該關鍵詞引起領域內(nèi)學者廣泛關注的開始時間和持續(xù)時長。部分突發(fā)性關鍵詞如“denitrification(脫氮)”“sequestration(封存)”“energy(能源)”“fertilization(施肥)”“CO2”“pH”“emission(排放)”和“degradation(降解)”出現(xiàn)后在次年即消失，通常意味著這些關鍵詞對生物炭土壤領域的研究趨勢的變遷并未產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。作為突發(fā)性關鍵詞，“soil fertility(土壤肥力)”一詞突發(fā)強度為31.45，開始于2008年，持續(xù)時段為6年，與之相關的熱門主題還有始于2009年的突發(fā)性關鍵詞為“fertility(肥沃)”，說明在2008—2016年，生物炭農(nóng)田利用領域廣泛關注的前沿和熱點主題為生物炭農(nóng)田利用對土壤肥力的影響。生物炭農(nóng)田利用領域第二個前沿和熱點主題為生物炭的安全施用與管理，代表性突發(fā)關鍵詞有始于2008年的“transformation(轉(zhuǎn)化)”、2009年的“management(管理)”、2010年的“desorption(解吸)”、2011年的“decomposition(分解)”、2012年的“manure(肥料)”、2013年的“polycyclic aromatic hydrocarbon(多環(huán)芳烴)”等。這一前沿和熱門主題主要涉及以污泥等廢棄物為原料制備生物炭農(nóng)田利用后的安全問題、生物炭施用后的長期效應、生物炭混合施用效果等。第三個前沿和熱點主題為生物炭農(nóng)田利用的碳封存與溫室氣體減排問題，代表性突發(fā)關鍵詞有2010年出現(xiàn)的“nitrification(硝化作用)”和“enitrification(脫氮)”；2011年出現(xiàn)的“nitrous oxide(N2O)”“nitrous oxide emission(N2O排放)”和“sequestration(封存)”；2012年出現(xiàn)的“nitrate(硝酸鹽)”和 “N2O emission(N2O排放)”；2015年出現(xiàn)的“carbon sequestration(碳封存)”。這一前沿和熱門主題主要涉及不同原料、不同熱解溫度所制備的生物炭單獨施用或者與其他改良劑、肥料(尤其是氮肥)混合施用對作物的增產(chǎn)、保產(chǎn)效果及溫室氣體排放的影響。第四個研究前沿和熱門主題為生物炭農(nóng)田利用對土壤酶活、土壤重金屬生物可利用性的影響，代表性突發(fā)關鍵詞有2012年出現(xiàn)的“mineralization(礦化)”、2018年出現(xiàn)的“Cd(鎘)”以及2019年出現(xiàn)的“enzyme activity(酶活)”和“accumulation(富集)”。這一研究前沿和熱門主題主要涉及生物炭、改性生物炭、生物炭混合改良劑施用對土壤中重金屬污染的修復。

表4 生物炭農(nóng)田利用領域的突發(fā)主題(2007—2021年)Table 4 Burst term in the field of the application of biochar in farmland(2007-2021)

3 結(jié)論

借助文獻共被引分析軟件CiteSpace(5.7.R3)的作者、機構(gòu)、國家/地區(qū)共現(xiàn)功能，作者共被引分析功能，關鍵詞共現(xiàn)分析與突發(fā)性檢測功能，對生物炭農(nóng)田利用領域的研究文獻進行了系統(tǒng)分析，從而獲得了該研究領域的科研產(chǎn)出特點、知識領域分布特征、研究主題的演替、發(fā)展，揭示了生物炭農(nóng)田利用領域的研究熱點與前沿，得出結(jié)論如下。

(1)中國學者在該領域的學術(shù)研究十分活躍，但國際影響力有待進一步加強。

(2)2007—2011年，該領域的研究主要集中在生物炭的土壤改良，研究的熱點主要集中在生物炭制備對土壤改良效果的影響，該階段的前沿主題是污泥基生物炭的安全施用與土壤改良效果。

(3)2012—2016年，該領域的研究主題主要集中在碳封存與溫室氣體減排效應，研究的熱點主要集中在生物炭農(nóng)田利用與農(nóng)藝措施對CO2、N2O、CH4等溫室氣體排放通量的影響，該階段的前沿主題是溫室氣體的轉(zhuǎn)化與減排機理。

(4)2017—2021年，該領域的研究主題主要集中生物炭在土壤污染修復中的應用，研究的熱點主要集中在生物炭、改性生物炭、生物炭復合物對土壤中重金屬的礦化效果，該階段的研究前沿是生物炭對重金屬、有機污染物的礦化/降解機理。

探索了文獻計量學與知識可視化方法(尤其是Citespace軟件)在環(huán)境生態(tài)學領域的適用性，并對生物炭農(nóng)田應用研究領域的知識域和演進進行了分析，一方面，可以幫助該領域新晉研究人員快速、系統(tǒng)的了解該領域的研究概況，有助于后續(xù)研究方向的設計；另一方面，研究還為后續(xù)從微觀層面深入研究該研究領域打下基礎。