我國60年來土壤養(yǎng)分循環(huán)微生物機制的研究歷程—基于文獻計量學和大數(shù)據(jù)可視化分析

孫波，王曉玥#，呂新華

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室/中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；2 中國科學院武漢文獻情報中心情報部，武漢 430071）

我國60年來土壤養(yǎng)分循環(huán)微生物機制的研究歷程—基于文獻計量學和大數(shù)據(jù)可視化分析

孫波1，王曉玥1#，呂新華2*

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室/中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；2 中國科學院武漢文獻情報中心情報部，武漢 430071）

【目的】土壤養(yǎng)分循環(huán)是土壤肥力和作物生長的基礎，土壤微生物是驅動養(yǎng)分循環(huán)的關鍵因子。挖掘微生物調(diào)控土壤–植物系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)功能的潛力，已成為提高農(nóng)田養(yǎng)分資源利用效率的發(fā)展趨勢。通過梳理我國土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤微生物學交互研究的發(fā)展歷史和脈絡，審視與國際前沿研究比較的不足之處，指出未來的研究熱點，促進我國在相關領域研究水平的提高?！痉椒ā勘疚睦梦墨I計量學及大數(shù)據(jù)可視化方法定量分析了60年來土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤微生物學交互研究領域的國內(nèi)外的科學文獻，研究了相關領域不同時期的發(fā)展與演變過程，對比了國內(nèi)外土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤微生物學交互研究發(fā)展的異同點?！局饕M展】分析表明國內(nèi)研究主要分為起步期 (1981～1990年)，發(fā)展期 (1991～2005年) 和定型期 (2006～2016年)。起步期的研究熱點分散，主要研究了紅壤、水稻土和紫色土中特定微生物和酶活性的肥力功能。發(fā)展期研究熱點關聯(lián)度加強，主要研究了紅壤、黑土、水稻土中微生物量和酶活性的肥力和環(huán)境功能。定型期研究熱點間的連接度不斷增強，主要研究了土壤養(yǎng)分循環(huán)與微生物群落結構耦合的微生物學機制。通過與國際相關研究比較，國內(nèi)學者追趕國際研究可以分為起步追趕期 (1990～2005年) 和快速追趕期 (2006～2016年)。在起步追趕期，國內(nèi)學者追隨國際上對碳氮轉化與微生物交互研究的熱點，但研究熱點的關鍵詞交互網(wǎng)絡成熟程度低，側重對紅壤的研究，缺少對根際的研究。加速追趕期，國內(nèi)學者從水稻土和根際方面強化了對養(yǎng)分轉化微生物機制研究，開展了土壤微生物網(wǎng)絡結構和功能的研究，但需要加強土壤生物網(wǎng)絡結構和功能的實證研究?？傮w上，與國外相比，國內(nèi)研究相對滯后，但發(fā)展迅猛，從簡單關注酶活性，發(fā)展到微生物網(wǎng)絡結構與土壤功能的交互。同時國內(nèi)研究熱點的關鍵詞交互網(wǎng)絡日益成熟，且與國際相比表現(xiàn)出趨同趨勢，但仍需深入研究微生物群落結構演替對養(yǎng)分循環(huán)的驅動機制。【結論與展望】在未來研究中，應在建立養(yǎng)分利用率提升的區(qū)域微生物調(diào)控技術體系的同時，不斷發(fā)展和完善土壤微生物結構和功能協(xié)同演變的理論體系。

養(yǎng)分循環(huán)；土壤微生物；群落結構；多樣性；文獻計量學；關鍵詞交互網(wǎng)絡

土壤養(yǎng)分循環(huán)是土壤肥力和作物生長的基礎，而土壤微生物驅動了養(yǎng)分的循環(huán)過程，明確土壤養(yǎng)分循環(huán)的微生物學機制及其調(diào)控原理，是提高土壤肥力和養(yǎng)分資源利用效率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的理論基礎。我國人均耕地資源缺乏、地力水平總體低下，根據(jù)《2015中國國土資源公報》，全國中等和低等耕地分別占52.9%和17.7%；耕地基礎地力對糧食產(chǎn)量的平均貢獻率為45.7%～60.2%[1]，比歐美發(fā)達國家低20～30個百分點。同時，在追求高產(chǎn)目標下，我國化肥投入水平高，施用方式不盡合理，導致其利用率低下，2015年我國化肥總用量約6000萬噸，單位耕地面積化肥用量是世界平均水平的3倍，但糧食作物的化肥利用率僅為35.2%，比歐美低10～30個百分點[2]。我國耕地土壤類型豐富，地力水平差異巨大，耕作輪作和施肥管理方式多樣，不同農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)根據(jù)氣候、土壤和生物資源特色，針對土壤培肥和養(yǎng)分增效建立了多樣化的物理和化學調(diào)控措施；同時不斷發(fā)展土壤微生物學調(diào)控方法，充分挖掘土壤微生物調(diào)控養(yǎng)分循環(huán)功能的潛力，通過建立土壤養(yǎng)分的協(xié)同管理措施，降低使用成本和環(huán)境風險，實現(xiàn)糧食安全和環(huán)境安全協(xié)調(diào)發(fā)展。然而，在土壤養(yǎng)分循環(huán)研究領域，與土壤物理和土壤化學研究相比，我國土壤微生物學研究起步較晚，一直受到微生物可培養(yǎng)性和高分辨率研究方法滯后的限制，在土壤微生物分布格局與影響因子、演替過程與驅動機制、微生物功能調(diào)控原理與技術等方面亟需系統(tǒng)深入的研究。因此，梳理我國土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤微生物學交互研究的發(fā)展歷史和脈絡，審視與國際相關學科前沿研究的不足之處，有利于促進我國在土壤養(yǎng)分循環(huán)的微生物機制和調(diào)控方法領域的研究水平。

在分析不同學科領域的研究進展方面，傳統(tǒng)的文獻綜述方法通?；谘芯空呱詈竦目蒲谢A和創(chuàng)新思維，通過梳理和分析某一領域數(shù)十篇到百余篇尺度的重要文獻，總結已取得的關鍵成果，提出未來的研究方向。隨著土壤微生物學研究深度和廣度的不斷拓展，文獻數(shù)量激增，利用傳統(tǒng)的文獻分析方法已經(jīng)無法處理數(shù)千篇尺度的文獻信息，難以精準描述研究內(nèi)容的動態(tài)發(fā)展全貌。近年來，以大數(shù)據(jù)可視化為基礎的文獻計量學的發(fā)展，有助于研究者全面了解研究領域的發(fā)展概況，敏銳發(fā)現(xiàn)研究發(fā)展的新趨勢和新動態(tài)。其中，引文網(wǎng)絡分析工具Citespace基于對目標文獻數(shù)據(jù)計量和分析，利用綜合定量分析關鍵詞并形成關鍵詞交互網(wǎng)絡，能夠以可視化方式直觀展現(xiàn)出研究領域在不同發(fā)展階段的熱點[3]。本文針對土壤養(yǎng)分循環(huán)微生物機制的研究領域，利用Citespace系統(tǒng)梳理了我國在1950～2016年的發(fā)展歷史和脈絡，對比分析了60多年來國內(nèi)外發(fā)展的異同，提出了我國未來的研究方向。

1 文獻計量研究方法與數(shù)據(jù)來源

本文利用 Web of science 和中國知網(wǎng) (CNKI) 數(shù)據(jù)庫1950～2016年的數(shù)據(jù)，通過對 “養(yǎng)分循環(huán)”、“微生物”和“土壤”主題進行檢索，檢索到的數(shù)據(jù)利用Citespace軟件進行可視化統(tǒng)計分析。其中養(yǎng)分循環(huán)主題詞包括碳、氮和磷，微生物主題詞包括參與碳、氮、磷轉換的微生物數(shù)量、微生物種群、功能基因和土壤酶活性，土壤主題詞包括不同的土壤類型。

中文檢索式為：SU = 碳 + 秸稈還田 + 秸稈腐解 + 有機肥 + 綠肥 + 生物炭 + 土壤有機質(zhì) + CO2排放 + CH4排放 + 氮 + 氨氧化 + 硝化 + N2O 排放 + NO +nifH + amoA + hao + nirS + nirK + norB + nosZ + 面源污染 + 磷 + 磷肥 + 有機磷 + 無機磷 + 磷溶解 + 叢枝菌根真菌 + phoD + ALP + phoR + phoB AND SU = 細菌 + 真菌 + 放線菌 + 蚯蚓 + 線蟲 + 微生物 + 生物量 + 群落 + 多樣性 + 酶活性 + 功能基因 AND SU =農(nóng)田 + 紅壤 + 水稻土 + 耕地 + 黑土 + 潮土 + 褐土 +黃棕壤 + 紫色土 + 黑壚土 + 黃綿土 +土 + 鹽堿土 +菜園土 + 果園土壤 + 菜地 + 綠洲土壤。

英文檢索式為：TS= (“Carbon ” or “straw return” or “straw decomposition” or “manure” or“mineral fertilizer” or “biochar” or “C cycling”or “C mineralization” or “soil organic matter” or“CO2emission” or “ CH4emission” or“nitrogen” or “N mineralization” or“ammonification” or “nitrification” or“denitrification” or “N2O emission” or “nitrate(NO3)” or “ammonia (NH4)” or “N cycling functional gene” or “AOB” or “AOA” or“nifH” or “amoA” or “hao” or “nirS/K” or“norB” or “nosZ” or “Agricultural Non-Point Source Pollution” or “Phosphorus” or“phosphate” or “ P mineralization” or “P fertilizer” or “P pollution” or “P cycling” or “P fluxes” or “P pool” or “organic P” or “arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)” or “phosphorus cycling functional gene” or “phoD” or “ALP” or“phoR” or “phoB” or “nutrient cycling”) AND TS= (“Microorganisms” or “microbial ”* or“enzyme activity”or “Bacteria” or “bacterium”or “fungus” or “Fungi” or “actinomyce”* or“ e a r t h w o r m ” o r “ n e m a t o d e” ) A N D TS=(“farmland” or “arable soil” or “cropland” or“cultivated land” or “field experiment” or “red earth” or “red soil” or “l(fā)atosol” or “orchard soil” or “vegetable soil” or “cinnamon soil” or“black soil” or “alluvial soil” or “yellow brown earth” or “paddy soil” or “purple soil” or “l(fā)oess soil” or “l(fā)ou soil” or “oasis soil” or “saline soil” or “cambisols” or “chernozems” or“ferralsols” or “fulvisol” or “solonetz” or“inceptisols” or “mollisols” or “oxisols” or“ultisols” or “isotopic labelling” or “13C” or“15N” or “growth chamber” or “pot experiment”)。

2 國內(nèi)土壤養(yǎng)分循環(huán)的微生物機制研究

利用中國知網(wǎng) (核心期刊)，檢索1950～2016年以“土壤微生物”和“土壤養(yǎng)分循環(huán)”為主題的文獻，共計3865篇，經(jīng)人工篩選、去重，刪除77篇，保留3788條數(shù)據(jù)。其中1980年前，年發(fā)表論文篇數(shù)僅為1～8篇，難以形成網(wǎng)絡，故無關鍵詞交互網(wǎng)絡圖譜。1981～2000年，年發(fā)表論文數(shù)有所上升，為10～36篇。2000年后，國家加強了對土壤學發(fā)展的支持，啟動了第一個“973”項目“土壤質(zhì)量演變規(guī)律與持續(xù)利用”，2003年的年發(fā)表論文數(shù)達到108篇，此后呈遞增趨勢；隨后啟動實施了“我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要過程與調(diào)控對策研究”、“糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)田地力提升機理與定向培育對策”和“肥料養(yǎng)分持續(xù)高效利用機理與途徑”等項目，到2016年，年發(fā)表論文數(shù)已達383篇。從論文總量上看，在該領域有主要貢獻的研究機構包括中國科學院南京土壤研究所 (289篇)、西北農(nóng)林科技大學(236篇)、南京農(nóng)業(yè)大學 (203篇) 和中國農(nóng)業(yè)大學(121 篇)(圖1)。

從1950～2016年研究的熱點關鍵詞看，土壤酶活性出現(xiàn)頻率最高 (427次)，說明利用土壤酶活性研究微生物的肥力和養(yǎng)分轉化功能始終是一個重要的研究手段。其次是土壤微生物 (190次) 和土壤有機碳 (173 次)，土壤養(yǎng)分 (155 次)、長期施肥 (125 次)和土壤肥力 (111次) 出現(xiàn)的頻率也位于前列，說明60年來國內(nèi)研究以服務農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，注重地上部與地下部養(yǎng)分的吸收和轉化。研究的土壤類型在地帶性土壤中，黑土 (140 次) 和紅壤 (134 次) 受到廣泛關注。對于較為肥沃的黑土側重于研究如何減緩土壤退化[4–5]，而對于貧瘠的紅壤側重于研究如何提高土壤質(zhì)量[6–7]。在非地帶性土壤中，水稻土 (164次)出現(xiàn)頻率最高，說明我國作為水稻生產(chǎn)大國，一直重視研究稻田養(yǎng)分循環(huán)和微生物功能。此外，對紫色土 (73 次)，潮土 (55 次) 和鹽堿土 (40 次) 的研究也較多，主要關注了這些土壤的特色問題(圖1)。

關鍵詞交互網(wǎng)絡圖譜可以反映關鍵詞之間的關聯(lián)程度。從整體的關鍵詞交互網(wǎng)絡圖譜 (圖2，1981～2016) 來看，研究中心熱點圍繞與長期施肥和土壤養(yǎng)分相關的土壤酶活性和土壤微生物。其中，紅壤的研究熱點為長期施肥等措施下有機碳和土壤肥力的演變與土壤酶活性，黑土和水稻土的主要研究熱點為長期施用有機肥和秸稈還田等措施下的土壤酶活性。為反映不同時期研究熱點的變化，從1981～2016年，按5年一個時間片段，分析了不同時期的關鍵詞交互網(wǎng)絡圖譜，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的研究可以分為起步期 (1981～1990 年)、發(fā)展期 (1991～2005 年) 和定型期 (2006～2016年) 3個發(fā)展階段，研究從注重單菌和微生物生物量向注重微生物群落結構與養(yǎng)分循環(huán)過程深度耦合的方向發(fā)展。

2.1 起步期，研究熱點分散，主要研究了紅壤、水稻土和紫色土中特定微生物和酶活性的肥力功能

圖2顯示，在1981～1990年，研究熱點較為分散獨立，主要包括紅壤中有機無機肥配施影響下的酶活性的研究[8]，水稻土和紫色土中的與土壤肥力相關的碳氮循環(huán)[9]。這一時期的另一個研究特色是關注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的特定微生物，如與固氮相關的大豆根瘤菌[10]，與提高氮磷利用相關的叢枝菌根真菌[11]，與土壤碳循環(huán)相關的脲酶活性[12]，以及應用于堆肥的雙孢蘑菇[13]。此外，也研究了棕色森林土中與碳循環(huán)有關的微生物[14]。說明本時期的研究注重農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際需求，特別關注水稻土和紅壤施用有機和無機肥對土壤養(yǎng)分和肥力的影響。

圖1 在土壤養(yǎng)分循環(huán)微生物機制研究領域主要機構 (a) 和作者 (b) 的發(fā)文量以及高頻關鍵詞 (c)Fig. 1 The publication numbers of main institutes (a) and authors (b), and the high frequency key words (c) related to microbial mechanisms of soil nutrient cycling

圖2 不同年代國內(nèi)期刊相關研究論文的關鍵詞交互網(wǎng)絡Fig. 2 Keyword co-occurring networks of related papers published in Chinese journals during different periods

2.2 發(fā)展期，研究熱點關聯(lián)度加強，主要研究了紅壤、黑土、水稻土中微生物量和酶活性的肥力和環(huán)境功能

1991～2005年，關鍵詞交互網(wǎng)絡圖譜逐漸呈現(xiàn)網(wǎng)絡化，表現(xiàn)出發(fā)展態(tài)勢，但仍然存在分散點 (如VA菌根、有機碳等)。本時期的主要研究熱點仍然圍繞與土壤肥力和養(yǎng)分相關的酶活性，在土壤類型中水稻土和紅壤一直處于研究熱點的中心，特別是針對長期施肥下土壤酶活性演變及其調(diào)控肥力的作用進行了深入研究[6, 15]。在對土壤酶活性研究的同時，本時期引入了土壤微生物量的概念，但其測定方式通常采用傳統(tǒng)的熏蒸浸提方法[16]。在本時期的后段 (2001～2005年) 加強了對治理黑土退化的研究，研究了施用有機肥對土壤酶活性和土壤碳庫的影響[17–18]。由于這一時期化肥大量施用導致水體氮磷污染和溫室氣體排放問題日益突出，國內(nèi)開始關注N2O排放的研究[19]。此外，也加強了重金屬污染對土壤酶活性影響的研究[20](圖2)。

2.3 定型期，研究熱點間的連接度不斷增強，主要研究了土壤養(yǎng)分循環(huán)與微生物群落結構耦合的微生物學機制

2006～2016年，不同研究熱點間的網(wǎng)絡連接度不斷增強，孤立的研究熱點減少，網(wǎng)絡結構趨于穩(wěn)定。這一時期主要研究熱點仍然以土壤酶活性為核心，隨著變形梯度凝膠電泳 (DGGE) 和磷脂脂肪酸(PLFA) 等分子生物學研究方法的發(fā)展，開始研究微生物群落結構和多樣性[21]，加強了對微生物生物量和群落結構影響土壤功能的研究[22–23]，特別是在土壤氮素轉化[24]以及稻田溫室氣體排放[25]的微生物學機制方面展開了深入研究。同時，本時期加強了對土壤有機碳循環(huán)與微生物群落多樣性交互作用的研究，揭示了土地利用方式和秸稈還田措施如何影響微生物群落功能多樣性進而影響有機碳循環(huán)和土壤肥力的機制[22, 26]。此外，本時期出現(xiàn)了對土壤動物的研究，完善了對土壤生物網(wǎng)絡功能的研究[27](圖2)。

3 國際土壤養(yǎng)分循環(huán)的微生物機制研究及其與國內(nèi)研究的比較

利用 web of science，檢索從 1981～2016 年以“土壤微生物”和“土壤養(yǎng)分循環(huán)”為主題的SCI論文，共計6023篇，其中中國作者論文數(shù)為1494篇。1981～1990年，國際上發(fā)表論文僅25篇，難以形成網(wǎng)絡，故無關鍵詞交互網(wǎng)絡圖譜。1991～1995年，發(fā)表論文數(shù)上升為274篇，此后逐漸增加，至2011～2016年期間，共發(fā)表論文3174篇。中國作者發(fā)表的SCI論文數(shù)也不斷增長，但相對滯后，1990年前未檢索到發(fā)表的論文，1991～2000年僅發(fā)表12篇論文，2001～2006年增長到66篇，2011年以后爆發(fā)式增長，2011～2016年共發(fā)表論文1151篇。

為比較國內(nèi)學者與國際學者對養(yǎng)分循環(huán)微生物學機制研究的發(fā)展脈絡，從1990～2016年按照5年一個時間片段，分析不同時期的關鍵詞交互網(wǎng)絡圖譜?？傮w上看，在不同時期國際學者的研究熱點始終圍繞土壤氮循環(huán) (nitrogen，nitrification，denitrification) 和碳循環(huán) (carbon，organic matter，decomposition) 與微生物群落的交互作用；其次，磷(phosphorous)、根 (root)、根際 (rhizosphere)、土壤(soil)、植被 (plant) 等關鍵詞也貫穿始終，說明國際學者在該領域研究側重于農(nóng)田土壤養(yǎng)分循環(huán)及其肥力功能，特別關注土壤“熱區(qū)”—根際微環(huán)境的微生物學驅動機制。與國際學者的研究相比，國內(nèi)學者的研究起步較晚、發(fā)展相對滯后，國內(nèi)學者的研究熱點也關注碳氮養(yǎng)分循環(huán)及其與微生物生物量關系的研究，與國際學者的研究熱點相似，并日趨一致。總體上，國內(nèi)學者追趕國際學者研究熱點的發(fā)展進程可以分為2個階段，起步追趕期 (1991～2005 年) 和快速追趕期 (2006～2016 年)。

3.1 起步追趕期，國內(nèi)學者追隨國際上對碳氮轉化與微生物交互研究的熱點，但研究網(wǎng)絡成熟程度低，側重對紅壤的研究，缺少對根際的研究

圖3顯示，在1990～2005年期間，從國際學者研究體系看，關鍵詞交互網(wǎng)絡出現(xiàn)早且相對成熟，碳氮循環(huán)與微生物群落的交互作用是貫穿始終的研究熱點。其中，對氮素 (nitrogen) 的研究一直處于中心連接點地位，1996～2000年出現(xiàn)對硝化和反硝化的研究[28–29]，后續(xù)深入研究了氮循環(huán)中起關鍵作用的功能基因[30]；對有機質(zhì) (organic matter) 和碳 (carbon)的研究涉及礦化和分解等方面；對磷的研究相對較弱，但一直持續(xù)；此外，1996年以后出現(xiàn)對根際和水稻土的研究，說明這一時期國際學者日益關注根際土壤碳氮磷循環(huán)的微生物驅動機制，為提高土壤肥力和氮磷利用率提供理論基礎。

與國際學者的研究相比，國內(nèi)學者在養(yǎng)分循環(huán)微生物機制領域的研究起步較晚，發(fā)表的論文數(shù)量少，關鍵詞的頻率較低，不同關鍵詞之間的交互聯(lián)系較少，關鍵詞交互網(wǎng)絡的成熟度較低，直至2001～2005年才形成明顯的交互網(wǎng)絡。在這一時期國內(nèi)學者同樣關注微生物生物量與有機質(zhì)、碳、氮養(yǎng)分轉化的交互研究，對磷素的研究較少。針對不同的施肥和耕作措施，國內(nèi)學者研究了如何利用微生物學手段增加養(yǎng)分利用率，如種植不同作物對紅壤生物量碳、氮、磷的影響[31]，以及菌根真菌促進作物吸收氮磷的機制[32–33]。在土壤類型方面的研究特色是關注紅壤，在土壤熱區(qū)特別是根際研究方面較為薄弱。此外，由于環(huán)境污染問題凸顯，國內(nèi)學者還關注土壤重金屬污染以及生物降解機制的研究[34]。

圖3 1991～2005 年國際和國內(nèi)學者發(fā)表的相關研究論文的關鍵詞交互網(wǎng)絡圖譜Fig. 3 Keyword co-occurring networks of related papers published by international and domestic researchers in international journals during 1991 to 2005

3.2 快速追趕期，國內(nèi)學者從水稻土和根際方面強化了對養(yǎng)分轉化微生物機制研究，開展了土壤微生物網(wǎng)絡結構和功能的研究，但需要加強土壤生物網(wǎng)絡結構和功能的實證研究

圖4顯示，與前期研究相比，國際學者對土壤有機質(zhì)、碳、氮周轉微生物學機制的研究向縱深發(fā)展，關鍵詞交互聯(lián)系加強，研究網(wǎng)絡更加成熟，但對磷素研究較弱的格局仍然持續(xù)。這一時期，國際學者的研究特色首先表現(xiàn)為加強了對微生物群落多樣性和微生物分子生態(tài)網(wǎng)絡的研究，特別是對環(huán)境變化響應的定量研究。由于分子生物學研究技術快速發(fā)展，對微生物群落結構和多樣性 (diversity) 的研究日益增加，至2011～2016年關鍵詞diversity的出現(xiàn)頻率成為僅次于微生物生物量 (microbial biomass)的關鍵詞，并且位于網(wǎng)絡中心的關鍵節(jié)點之一。從近三年 (2014～2016 年) 新出現(xiàn)的關鍵詞來看 (表 1)，高通量測序方法開始更新?lián)Q代，Miseq和Hiseq Illumina取代了454 pyrosequencing，功能基因微陣列(Fuction Gene Arrays) 方法 (如 Geochip) 加強了對特定功能基因的研究，同時微生物系統(tǒng)發(fā)育/功能分子生態(tài)網(wǎng)絡 (phylogenetic/functional molecular ecological networks，pMENs/fMENs) 和結構方程模型 (structural equation modeling，SEM) 等統(tǒng)計分析方法不斷發(fā)展，土壤微生物學加強了對微生物網(wǎng)絡的研究，在微生物網(wǎng)絡響應環(huán)境條件變化發(fā)展方面取得了新的突破[35]。

圖4 2006～2016 年國際和國內(nèi)學者發(fā)表的相關研究論文的關鍵詞交互網(wǎng)絡Fig. 4 Keyword co-occurring networks of related papers published by international and domestic researchers in international journals during 2006 to 2016

表1 2012～2016 年在國際國內(nèi)期刊上發(fā)表的論文中新出現(xiàn)的關鍵詞及其頻率Table 1 The burst frequency of key words in the related papers published in international and Chinese journals during 2012 to 2016

國際學者的第二個研究特色表現(xiàn)為加強了對碳、氮轉化的協(xié)同研究，以及對土壤–植物互作機制和協(xié)同管理的研究。土壤是地球表層系統(tǒng)中最大的碳庫，對其研究不斷加強，2006～2010年期間，關于碳 (carbon) 以及與碳循環(huán)相關的土壤有機質(zhì)(organic matter)、礦化 (mineralization) 的研究和氮(nitrogen) 一起處于中心連接點的地位。圖中共現(xiàn)carbon與nitrogen、management的交互，說明對于固碳機制的認識加深，一方面通過保護性耕作 (conservation tillage)、秸稈還田 (straw returning)、有機肥施用(manure) 等措施協(xié)同調(diào)控碳、氮轉化，達到增加土壤碳庫[36]、改良土壤[37]和減少溫室氣體排放[38]等生態(tài)目標；另一方面，深入研究微生物生物量和群落結構對秸稈分解過程的影響，提出利用微生物手段調(diào)控秸稈還田的理論依據(jù)[39–40]。除了秸稈還田，在此時期興起對生物炭 (biochar) 的研究，探討生物炭對土壤固碳、土壤改良以及對土壤微生物的影響[41–42]。此后 (2011～2016年)，農(nóng)田土壤中有機質(zhì)轉化的微生物驅動機制日益成為研究熱點，關鍵詞agriculture soil、microbial biomass和 organic matter的交互，說明研究進一步深入和細化。對有機質(zhì)轉化過程的影響因素和土壤穩(wěn)定有機質(zhì)形成理論開展了深入研究，揭示了秸稈還田[43, 35]和生物炭[44–45]影響微生物群落演變和土壤養(yǎng)分循環(huán)的機制，提出了增加土壤有機質(zhì)含量和碳庫庫容的新理論[46–47]。從近三年新出現(xiàn)的關鍵詞來看 (表1)，植物與土壤的互作和地上與地下的協(xié)同管理成為未來農(nóng)田養(yǎng)分管理的研究熱點。

與國際學者的研究相比，這一時期國內(nèi)學者從水稻土和根際方面強化了對土壤有機質(zhì)以及碳氮轉化的微生物機制研究。國內(nèi)學者研究的重點領域與國際趨同，對微生物群落結構和多樣性與有機質(zhì)轉化以及氮循環(huán)的交互作用研究有所加強[48–49]，但仍需加強對微生物群落結構及其多樣性與碳氮循環(huán)過程交互作用機制的研究。目前國內(nèi)外學者在根際–微生物互作促進氮磷協(xié)同利用方面已有初步研究[50–51]，但仍需進一步挖掘微生物促進碳氮磷養(yǎng)分的協(xié)同轉化和利用機制。這一時期，微生物在關鍵地球化學過程中的作用成為研究重點，特別是對微生物群落結構與有機質(zhì)和水稻土 (paddy soil) 的交互研究[52–53]；通過長期研究揭示了碳氮養(yǎng)分循環(huán)和溫室氣體排放的協(xié)同過程以及微生物群落的作用[38, 54]。國內(nèi)學者的研究更偏重于農(nóng)田土壤，特別是水稻土的有機質(zhì)周轉；同時，日益關注根際微生物的群落結構及其對根際養(yǎng)分轉化的影響，強調(diào)通過微生物調(diào)控促進作物養(yǎng)分吸收和增產(chǎn)[55]。雖然國際上對根際和團聚體等“熱區(qū)”中磷轉化微生物機制的研究熱度不及碳氮循環(huán)，但仍十分關注豆科和禾本科作物間作系統(tǒng)中磷素高效利用的根際微生物學機制[56]。國內(nèi)學者在探究培肥措施對根際磷轉化微生物長期影響的基礎上，深入研究了團聚體中土壤線蟲捕食解磷菌對其群落組成和活性的影響機制，發(fā)現(xiàn)不同粒徑團聚體中線蟲–解磷菌生態(tài)網(wǎng)絡的關鍵控制物種不同[57]。

另外，國內(nèi)學者追趕國際學者的研究熱點，在微生物群落多樣性和網(wǎng)絡結構及其功能方面迅猛發(fā)展。一方面，加強了對不同生境下微生物群落多樣性分布格局及其影響因素的研究[58–59]，對象也從前期注重細菌擴展到對真菌群落結構多樣性的研究 (表1)，特別是利用跨氣候帶的土壤置換試驗深入研究了氣候變化對土壤養(yǎng)分轉化微生物群落結構演替的影響機制[60]。另一方面，近三年通過應用高通量測序和微生物網(wǎng)絡分析方法，深入研究了環(huán)境條件變化對微生物群落結構的影響[61]，通過分析土壤微生物網(wǎng)絡結構和關鍵物種的變化，揭示環(huán)境因子和種植管理措施對土壤養(yǎng)分轉化的影響機制。這一時期，國內(nèi)學者也十分重視土壤食物網(wǎng)內(nèi)不同生物之間的交互作用及其對養(yǎng)分轉化的影響，研究了不同管理措施下土壤原生動物 (線蟲) 對細菌的捕食作用[62]；同時深入研究了不同團聚體中線蟲捕食對微生物碳氮轉化功能的影響，發(fā)現(xiàn)大團聚體中線蟲選擇性捕食氨氧化細菌促進了土壤硝化作用[63]。然而，國內(nèi)的研究仍需針對不同環(huán)境條件和種植管理措施，實證土壤生物網(wǎng)絡結構中關鍵物種對養(yǎng)分轉化功能的調(diào)控作用，從而提出土壤生物功能的調(diào)控措施。

4 結論

本文針對土壤養(yǎng)分循環(huán)的微生物機制研究領域，利用文獻計量學及大數(shù)據(jù)可視化方法定量分析了60多年來 (1950～2016年) 的文獻數(shù)據(jù)，分析了不同時期國內(nèi)外研究熱點關鍵詞交互網(wǎng)絡的變化歷程，發(fā)現(xiàn)國際上自1990年后對養(yǎng)分循環(huán)微生物機制的研究呈現(xiàn)迅速發(fā)展趨勢，伴隨2001年以來分子生物學技術的快速升級，其研究向縱深和廣度推進，但對土壤碳、氮周轉的微生物學機制研究一直處于中心地位，并且重視對碳氮協(xié)同轉化以及根際土壤–植物互作機制的研究。一方面，國內(nèi)的研究跟隨國際研究熱點的變化趨勢，同樣在2001年以來發(fā)展迅猛，研究發(fā)展趨勢表現(xiàn)為：從孤立地研究特定微生物的功能，發(fā)展為綜合地研究微生物分子生態(tài)網(wǎng)絡對土壤養(yǎng)分循環(huán)的驅動作用；從微生物土壤肥力功能的研究，發(fā)展為研究微生物對全球變化 (溫室氣體排放) 以及重金屬污染等環(huán)境功能。另一方面，國內(nèi)研究熱點網(wǎng)絡形成相對滯后，但其結構日趨成熟，表現(xiàn)出與國際研究趨同趨勢，但偏重研究水稻土等重要農(nóng)業(yè)土壤，近期十分重視研究根際微生物結構以及土壤團聚體中食物網(wǎng)交互作用對養(yǎng)分轉化功能的調(diào)控作用，研究偏重于提升不同區(qū)域農(nóng)田養(yǎng)分資源的綜合利用效率問題。未來應針對不同氣候、作物、土壤條件以及不同種植管理措施，深入研究土壤微生物群落結構的演變特征，以及生物之間交互作用對其養(yǎng)分轉化功能的影響機制，修正控制土壤微生物群落分布和演替的理論體系 (如代謝理論和中性理論等)，實證土壤生物網(wǎng)絡關鍵物種對養(yǎng)分轉化的控制作用，提出調(diào)控土壤生物網(wǎng)絡結構和功能的措施。

[1]湯勇華, 黃耀. 中國大陸主要糧食作物地力貢獻率和基礎產(chǎn)量的空間分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2009, 28(5): 1070–1078.Tang Y H, Huang Y. Spatial distribution characteristics of the percentage of soil fertility contribution and its associated basic crop yield in mainland China[J]. Journal of Agro-Environment Science,2009, 28(5): 1070–1078.

[2]郝銳敏. 農(nóng)業(yè)部首度發(fā)布化肥農(nóng)藥利用率數(shù)據(jù)[N]. 農(nóng)資導報,2015-12-11.Hao R M. Fertilizer and pesticide use efficiency data was first issued by Ministry of Agriculture [N]. AgriGoods Herald, 2015-12-11.

[3]宋長青. 土壤科學三十年: 從經(jīng)典到前沿[M]. 北京: 商務印書館,2016.Song C Q. Development of soil science in the past 30 years: From classic to frontier [M]. Beijing: The Commercial Press, 2016.

[4]孫華, 張?zhí)伊? 熊德祥. 退化砂姜黑土的有機磷特性及其活化研究[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學學報 (自然科學版), 2003, 34(2): 214–216.Sun H, Zhang T L, Xiong D X. Studies on organic phosphorus and its activation of degraded Shajiang black soils[J]. Journal of Shandong Agricultural University (Natural Science), 2003, 34(2): 214–216.

[5]李東坡, 武志杰, 陳利軍, 等. 長期培肥黑土脲酶活性動態(tài)變化及其影響因素[J]. 應用生態(tài)學報, 2003, 14(12): 2208–2212.Li D P, Wu Z J, Chen L J, et al. Dynamics of urease activity in a long-term fertilized black soil and its affecting factors[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(12): 2208–2212.

[6]孫波, 張?zhí)伊? 趙其國. 我國中亞熱帶緩丘區(qū)紅粘土紅壤肥力的演化Ⅱ.化學和生物學肥力的演化[J]. 土壤學報, 1999, 36(2):203–217.Sun B, Zhang T L, Zhao Q G. Fertility evolution of red soil derived from quaternary red clay in low-hilly region in middle subtropics Ⅱ.Evolution of soil chemical and biological fertilities[J]. Acta Pedologica Sinica, 1999, 36(2): 203–217.

[7]李忠佩, 唐永良, 石華, 張?zhí)伊? 不同輪作措施下瘠薄紅壤中碳氮積累特征[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2002, 35(10): 1236–1242.Li Z P, Tang Y L, Shi H, Zhang T L. Characteristics of C and N accumulation in infertile red soil under different rotation systems[J].Scientia Agricultura Sinica, 2002, 35(10): 1236–1242.

[8]關連珠, 張伯泉, 顏麗, 等. 有機肥料配施化肥對土壤有機質(zhì)組分及生物活性影響的研究[J]. 土壤通報, 1990, 21(4): 180–184.Guan L Z, Zhang B Q, Yan L, et al. Research on effects of biological activity and organic matter for fertilizer combined with organic matter in soil[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1990, 21(4):180–184.

[9]廖先苓, 徐銀華, 朱兆良. 淹水種稻條件下化肥氮的硝化–反硝化損失的初步研究[J]. 土壤學報, 1982, 19(3): 257–263.Liao X L, Xu Y H, Zhu Z L. Investigation on nitrificationdenitrification loss of fertilizer nitrogen in submerged paddy soil[J].Acta Pedologica Sinica, 1982, 19(3): 257–263.

[10]鄭林用, 黃懷瓊, 劉世全. 酸性紫色土中鉬對花生–根瘤菌共生固氮的影響[J]. 四川農(nóng)業(yè)大學學報, 1990, 8(2): 129–135.Zheng L Y, Huang H Q, Liu S Q. Effect of molybdenum on symbiotic nitrogen-fixation of rhizobium-peanut in acid purple soils[J]. Journal of Sichuan Agricultural University, 1990, 8(2):129–135.

[11]唐振堯, 張清華, 何首林. 菌根真菌在紅壤中對柑桔吸收磷肥的研究[J]. 真菌學報, 1984, 3(3): 170–177.Tang Z Y, Zhang Q H, He S L. The effect of mycorrhizal fungus on phospohate uptake by Citrus in red earth[J]. Acta Mycologica Sinica,1984, 3(3): 170–177.

[12]楊明均, 江育璋. 半旱式耕作下紫色水稻土的脲酶活性與土壤肥力[J]. 西南農(nóng)業(yè)大學學報, 1987, (增刊 2): 86–89.Yang M J, Jiang Y Z. A study on relation of urease activity with fertility in the purple soil with rice ridge culture [J]. Journal of Southwest Agricultural University, 1987, (Suppl. 2): 86–89.

[13]陳吉棣, 劉建國, 陳松生, 等. 寄生雙孢蘑菇的蛛網(wǎng)絲枝霉中國變種[J]. 真菌學報, 1984, 3(2): 96–101.Chen J L, Liu J G, Chen S S, et al. Studies on Aphanocladium Aranearum (petch) Gams var. Sinense var. nov. — A fungus parasitic to Agaricus bisporus (Lange) Sing. [J]. Acta Mycologica Sinica,1984, 3(2): 96–101.

[14]楊冬生, 王榮康, 萬富寅, 喬光輝. 道孚棕色森林土火燒后主要酶系活性及理化性質(zhì)的演變[J]. 四川林業(yè)科技, 1990, 11(2): 1–7.Yang D S, Wang R K, Wang F Y, Qiao G H. Effect of fire on enzyme activity and soil physical and chemical properties in brown forest soil in Daofu[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology,1990, 11(2): 1–7.

[15]孫瑞蓮, 趙秉強, 朱魯生, 等. 長期定位施肥對土壤酶活性的影響及其調(diào)控土壤肥力的作用[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2003, 9(4):406–410.Sun R L, Zhao B Q, Zhu L S, et al. Effect of long-term fertilization on soil enzyme activities and its role in adjusting-controlling soil fertility[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2003, 9(4):406–410.

[16]陳國潮. 土壤微生物量測定方法現(xiàn)狀及其在紅壤上的應用[J]. 土壤通報, 1999, 30(6): 284–287.Chen G C. Situation of soil microbial biomass detection methods and its application in red soils[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1999,30(6): 284–287.

[17]李東坡, 武志杰, 陳利軍, 等. 長期培肥黑土微生物量碳動態(tài)變化及影響因素[J]. 應用生態(tài)學報, 2004, 15(8): 1334–1338.Li D P, Wu Z J, Chen L J, et al. Dynamics of microbial biomass C in a black soil under long-term fertilization and related affecting factors[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2004, 15(8):1334–1338.

[18]李東坡, 武志杰, 陳利軍, 等. 長期定位培肥黑土土壤蔗糖酶活性動態(tài)變化及其影響因素[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2005, 13(2): 102–105.Li D P, Wu Z J, Chen L J, et al. Dynamics of invertase activity of black soil treated by a long-term located fertilization and its influence[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2005, 13(2):102–105.

[19]王智平, 曾江海, 張玉銘. 農(nóng)田土壤 N2O 排放的影響因素[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境保護, 1994, 13(1): 40–42.Wang Z P, Zeng J H, Zhang Y M. Factors impact flux of N2O emission from agricultural soils[J]. Agro-environmental Protection,1994, 13(1): 40–42.

[20]楊志新, 劉樹慶. 重金屬Cd、Zn、Pb復合污染對土壤酶活性的影響[J]. 環(huán)境科學學報, 2001, 21(1): 60–63.Yang Z X, Liu S Q. Effect of compound pollution of heavy metals on soil enzymes’ activities[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2001,21(1): 60–63.

[21]陳法霖, 張凱, 鄭華, 等. PCR-DGGE技術解析針葉和闊葉凋落物混合分解對土壤微生物群落結構的影響[J]. 應用與環(huán)境生物學報,2011, 17(2): 145–151.Chen F L, Zhang K, Zheng H, et al. Analyzing the effect of mixed decomposition of conifer and broadleaf litters on soil microbial communities by using PCR-DGGE[J]. Chinese Journal of Applied & Environmental Biology, 2011, 17(2): 145–151.

[22]劉定輝, 舒麗, 陳強, 等. 秸稈還田少免耕對沖積土微生物多樣性及微生物碳氮的影響[J]. 應用與環(huán)境生物學報, 2011, 17(2): 158–162.Liu D H, Shu L, Chen Q, et al. Effects of straw mulching and littleor zero-tillage on microbial diversity and biomass C and N of alluvial soil in Chengdu Plain, China[J]. Chinese Journal of Applied & Environmental Biology, 2011, 17(2): 158–162.

[23]李鑫, 張會慧, 岳冰冰, 等. 桑樹–大豆間作對鹽堿土碳代謝微生物多樣性的影響[J]. 應用生態(tài)學報, 2012, 23(7): 1825–1831.Li X, Zhang H H, Yue B B, et al. Effects of mulberry–soybean intercropping on carbon-metabolic microbial diversity in salinealkaline soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(7):1825–1831.

[24]劉若萱, 張麗梅, 白刃, 賀紀正. 模擬條件下土壤硝化作用及硝化微生物對不同水分梯度的響應[J]. 土壤學報, 2015, 52(2): 415–422.Liu R X, Zhang L M, Bai R, He J Z. Response of nitrification and nitrifier to change in soil moisture content under simulated conditions[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(2): 415–422.

[25]張堅超, 徐鐿欽, 陸雅海. 陸地生態(tài)系統(tǒng)甲烷產(chǎn)生和氧化過程的微生物機理[J]. 生態(tài)學報, 2015, 35(20): 6592–6603.Zhang J C, Xu Y Q, Lu Y H. Microbial mechanisms of methane production and oxidation in terrestrial ecosystems[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(20): 6592–6603.

[26]李忠佩, 吳曉晨, 陳碧云. 不同利用方式下土壤有機碳轉化及微生物群落功能多樣性變化[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學, 2007, 40(8): 1712–1721.Li Z P, Wu X C, Chen B Y. Changes in transformation of soil organic carbon and functional diversity of soil microbial community under different land use patterns[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2007,40(8): 1712–1721.

[27]朱強根, 朱安寧, 張佳寶, 等. 保護性耕作下土壤動物群落及其與土壤肥力的關系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2010, 26(2): 70–76.Zhu Q G, Zhu A N, Zhang J B, et al. Relation of agricultural soil fauna and soil fertility under conservation tillage systems[J].Transactions of the CSAE, 2010, 26(2): 70–76.

[28]Hyvonen R, Agren G I, Andren O. Modelling long-term: Carbon and nitrogen dynamics in an arable soil receiving organic matter[J].Ecological Applications, 1996, 6(4): 1345–1354.

[29]Simek M, Kalcik J. Carbon and nitrate utilization in soils: the effect of long-term fertilization on potential denitrification[J]. Geoderma,1998, 83(3–4): 269–280.

[30]Throback I N, Enwall K, Jarvis A, Hallin S. Reassessing PCR primers targeting nirS, nirK and nosZ genes for community surveys of denitrifying bacteria with DGGE[J]. FEMS Microbiology Ecology,2004, 49(3): 401–417.

[31]Wang F E, Chen Y X, Tian G M, et al. Microbial biomass carbon,nitrogen and phosphorus in the soil profiles of different vegetation covers established for soil rehabilitation in a red soil region of southeastern China[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2004,68(3): 181–189.

[32]Feng G, Zhang F S, Li X L, Christie P. Uptake of nitrogen from indigenous soil pool by cotton plant inoculated with arbuscular mycorrhizal fungi[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2002, 33(19–22): 3825–3836.

[33]Feng G, Song Y C, Li X L, Christie P. Contribution of arbuscular mycorrhizal fungi to utilization of organic sources of phosphorus by red clover in a calcareous soil[J]. Applied Soil Ecology, 2003, 22(2):139–148.

[34]Liao M, Chen C L, Huang C Y. Effect of heavy metals on soil microbial activity and diversity in a reclaimed mining wasteland of red soil area[J]. Journal of Environmental Sciences, 2005, 17(5):832–837.

[35]Banerjee S, Kirkby C A, Schmutter D, et al. Network analysis reveals functional redundancy and keystone taxa amongst bacterial and fungal communities during organic matter decomposition in an arable soil[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2016, 97: 188–198.

[36]Embacher A, Zsolnay A, Gattinger A, Munch J C. The dynamics of water extractable organic matter (WEOM) in common arable topsoils: II. Influence of mineral and combined mineral and manure fertilization in a Haplic Chernozem[J]. Geoderma, 2008, 148(1):63–69.

[37]Cherif H, Ayari F, Ouzari H, et al. Effects of municipal solid waste compost, farmyard manure and chemical fertilizers on wheat growth,soil composition and soil bacterial characteristics under Tunisian arid climate[J]. European Journal of Soil Biology, 2009, 45(2): 138–145.

[38]Ding W X, Meng L, Yin Y F, et al. CO2emission in an intensively cultivated loam as affected by long-term application of organic manure and nitrogen fertilizer[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2007,39: 669–679.

[39]Murase J, Matsui Y, Katoh M, et al. Incorporation of 13 C-labeled rice-straw-derived carbon into microbial communities in submerged rice field soil and percolating water[J]. Soil Biology & Biochemistry,2006, 38: 3483–3491.

[40]Moore-Kucera J, Dick R P. Application of C-13-labeled litter and root materials for in situ decomposition studies using phospholipid fatty acids[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2008, 40: 2485–2493.

[41]Warnock D D, Mummey D L, McBride B, et al. Influences of nonherbaceous biochar on arbuscular mycorrhizal fungal abundances in roots and soils: Results from growth-chamber and field experiments[J]. Applied Soil Ecology, 2010, 46(3): 450–456.

[42]Yang X B, Ying G G, Peng P A, et al. Influence of biochars on plant uptake and dissipation of two pesticides in an agricultural soil[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010, 58(13):7915–7921.

[43]Sun B, Wang X Y, Wang F, et al. Assessing the relative effects of geographic location and soil type on microbial communities associated with straw decomposition[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2013, 79(11): 3327–3335.

[44]Zhang A F, Liu Y M, Pan G X, et al. Effect of biochar amendment on maize yield and greenhouse gas emissions from a soil organic carbon poor calcareous loamy soil from Central China Plain[J]. Plant and Soil, 2012, 351(1–2): 263–275.

[45]Quilliam R S, DeLuca T H, Jones D L. Biochar application reduces nodulation but increases nitrogenase activity in clover[J]. Plant and Soil, 2013, 366(1–2): 83–92.

[46]Schmidt M W I, Torn M S, Abiven S, et al. Persistence of soil organic matter as an ecosystem property[J]. Nature, 2011, 478(7367):49–56.

[47]Lehmann J, Kleber M. The contentious nature of soil organic matter[J]. Nature, 2015, 528(7580): 60–68.

[48]Zhang Y G, Zhang X Q, Liu X D, et al. Microarray-based analysis of changes in diversity of microbial genes involved in organic carbon decomposition following land use/cover changes[J]. FEMS Microbiology Letters, 2007, 266(2): 144–151.

[49]Xie W J, Zhou J M, Wang H Y, et al. Short-term effects of copper,cadmium and cypermethrin on dehydrogenase activity and microbial functional diversity in soils after long-term mineral or organic fertilization[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2009,129(4): 450–456.

[50]Pii Y, Mimmo T, Tomasi N, et al. Microbial interactions in the rhizosphere: beneficial influences of plant growth-promoting rhizobacteria on nutrient acquisition process. A review[J]. Biology and Fertility of Soils, 2015, 51(4): 403–415.

[51]Li B, Li Y Y, Wu H M, et al. Root exudates drive interspecific facilitation by enhancing nodulation and N2fixation[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016, 113(23): 6496–6501.

[52]Yang C M, Yang L Z, Yan T M. Chemical and microbiological parameters of paddy soil quality as affected by different nutrient and water regimes[J]. Pedosphere, 2005, 15(3): 369–378.

[53]Zhang P J, Zheng J F, Pan G X, et al. Changes in microbial community structure and function within particle size fractions of a paddy soil under different long-term fertilization treatments from the Tai Lake region, China[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces,2007, 58(2): 264–270.

[54]Zhong W H, Cai Z C. Long-term effects of inorganic fertilizers on microbial biomass and community functional diversity in a paddy soil derived from quaternary red clay[J]. Applied Soil Ecology, 2007,36(2–3): 84–91.

[55]Nie M, Zhang X D, Wang J Q, et al. Rhizosphere effects on soil bacterial abundance and diversity in the Yellow River Deltaic ecosystem as influenced by petroleum contamination and soil salinization[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2009, 41: 2535–2542.

[56]Tang X Y, Placella S A, Dayde F, et al. Phosphorus availability and microbial community in the rhizosphere of intercropped cereal and legume along a P-fertilizer gradient[J]. Plant and Soil, 2016, 407:119–134.

[57]Jiang Y, Liu M, Zhang J B, et al. Nematode grazing promotes bacterial community dynamics in soil at the aggregate level [J]. The ISME Journal, 2017. doi:10.1038/ismej. 2017.120.

[58]Jiang H, Deng Q, Zhou G, et al. Responses of soil respiration and its temperature/moisture sensitivity to precipitation in three subtropical forests in southern China[J]. Biogeosciences, 2013, 10(6):3963–3982.

[59]Liu J J, Sui Y Y, Yu Z H, et al. High throughput sequencing analysis of biogeographical distribution of bacterial communities in the black soils of northeast China[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2014, 70:113–122.

[60]Liang Y, Jiang Y, Wang F, et al. Long-term soil transplant simulating climate change with latitude significantly alters microbial temporal turnover[J]. The ISME Journal, 2015, 9: 2561–2572.

[61]Zhou J, Deng Y, Luo F, et al. Phylogenetic molecular ecological network of soil microbial communities in response to elevated CO2[J]. MBio, 2011, 2(4): e00122–11.

[62]Pan F J, Xu Y L, McLaughlin N B, et al. Response of soil nematode community structure and diversity to long-term land use in the black soil region in China[J]. Ecological Research, 2012, 27(4): 701–714.

[63]Jiang Y J, Sun B, Li H X, et al. Aggregate-related changes in network patterns of nematodes and ammonia oxidizers in an acidic soil[J].Soil Biology & Biochemistry, 2015, 88: 101–109.

The historical venation in research on microbial mechanisms of soil nutrient cycling in the past 60 years—Based on bibliometric analysis and big data visualization

SUN Bo1, WANG Xiao-yue1#, Lü Xing-hua2*
( 1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 Wuhan Branch of the National Science Library, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China )

【Objectives】 Nutrient cycling plays an essential role in soil fertility and plant growth, which is mainly driven by soil microorganisms. Exploiting the potentiality of microbe in regulating nutrient turnover in soil–plant systems has become an important tendency to increase nutrient use efficiency. Reviewing the historical advance in researches on nutrient cycling and soil microbial community, and figuring out ouradvantages and disadvantages in these fields on the world will be great helpful to find the key research fields and further promote the domestic research level. 【Methods】 In this study, bibliometrics and big data visualisation were used to quantitatively analyze the historical advances achieved in nutrient cycling and microbial community researches in the past 60 years. The similarities and differences in different periods were compared between domestic and international researches. 【Main advances】 The domestic studies could be classified into starting (1981–1990), developing (1991–2005) and maturing stages (2006–2016). At starting stage, the“hot spots” were scattered and researchers mainly focused on the fertility related function of specific microorganisms and enzyme activities in red soil, paddy soil and purple soil. During the developing stage,researchers were mainly focused on microbial biomass and enzyme activities that related to soil fertility and environmental functions, and the connecting among the research works was strengthened. After entering the maturing stage, the connections among research hot spots were more developed, and the interaction of microbial community structure and soil nutrient cycling became the dominant hot spots. Since the 1990s, the domestic researchers have followed the cutting-edge international research. This process could be categorized into initial (1990–2005) and rapid catch-up stages (2006–2016). During initial catch-up stage, domestic scholars followed the international trends and studied the interaction between microbial community and carbon and nitrogen cycling. However, the domestic networks were still immature, lacking of rhizosphere studies and merely concentrated on red soil. When coming to rapid catch-up stage, domestic scholars strengthened the studies on microbial mechanisms of nutrient dynamics in paddy soil and rhizosphere. In addition, the rising of research on soil microbial network structure and function conducted by domestic academia appeared at the same time as that by the international academia. However, the new findings on soil microbial network structure and functions need more solid proofs. Over all, domestic studies developed dramatically fast, although relatively later than international ones. Within the past 20 years, more and more researches have transferred from simply enzyme activities to the interaction of microbial co-occurring network and soil function. The domestic network are maturing, and showing the convergent tendency with international network. However, the studies are relatively weak on the driving mechanism of microbial community evolution applied to nutrient cycling.【Conclusions and Prospectives】 In the future studies, efforts should be put on developing appropriate regional practices that are suitable for microbial regulation to improve nutrient use efficiency, and on developing the fundamental theories of the synergetic changes in microbial community structure and function as well.

nutrient cycling; soil microbes; community structure; diversity; bibliometric analysis;keyword co-occurring network

2017–07–29 接受日期：2017–09–07

國家自然科學基金重點項目（41530856）；國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFD0200300）；國家綠肥產(chǎn)業(yè)技術體系（CARS-22-G-14）資助。

孫波（1968—），男，江蘇南京人，博士，研究員，主要從事農(nóng)田土壤養(yǎng)分轉化微生物機制與調(diào)控技術研究。

Tel：025-86881282；E-mail：bsun@issas.ac.cn。#王曉玥與第一作者同等貢獻。 * 通信作者 E-mail：lxh@mail.whlib.ac.cn