基于CiteSpace 可視化分析有機肥料研究進展①

邢素芝，李孝良，肖 新，周 成，李飛躍，謝 越，尹 炳，汪建飛*

(1 安徽科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院，安徽鳳陽 233100；2 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南 232001；3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物有機肥創(chuàng)制重點實驗室，安徽蚌埠 233400)

有機肥料在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用歷史悠久，地位舉足輕重。但隨著化肥產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展及施用技術(shù)的推廣，到20 世紀(jì)末21 世紀(jì)初，我國農(nóng)田中傳統(tǒng)的有機肥的養(yǎng)分投入僅占總養(yǎng)分投入的10% 左右[1]。由此造成耕地質(zhì)量退化、土壤酸化、生態(tài)惡化、環(huán)境污染等嚴(yán)重問題，迫使政府主管部門和農(nóng)業(yè)科技人員在新的歷史時期，加強了對有機肥料的研發(fā)并以此引領(lǐng)促進有機肥料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推廣有機肥料的施用。

近年來，有機肥料的生產(chǎn)和使用在我國受到了前所未有的重視，產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展反過來也推動著科技進步與創(chuàng)新。作為引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的有機肥料研究，適時地掀起了一股熱潮，呈現(xiàn)一片蓬勃態(tài)勢。當(dāng)前，無論是技術(shù)應(yīng)用還是基礎(chǔ)理論，有機肥料的研究都取得了許多令人欣喜的學(xué)術(shù)成果[2-5]。尤其是近10 年來，國際上發(fā)表的有機肥料研究論文呈現(xiàn)井噴態(tài)勢，每年以近15% 的速率遞增，涉及的學(xué)科和內(nèi)容非常廣泛。面對如此巨量的文獻，如何抽絲剝繭從中探尋出最新成果，把握學(xué)科未來的發(fā)展態(tài)勢，從而為相關(guān)領(lǐng)域的科研工作提供參考、借鑒甚至支撐，對于有機肥料研究人員來說，不僅重要而且必須。

面對龐大的文獻數(shù)據(jù)進行快速、準(zhǔn)確的定量分析與可視化表達，傳統(tǒng)的文獻綜述方法顯然是做不到的。2018 年，鄭新艷等[6]以SCI 數(shù)據(jù)庫中2006—2015年收錄的有機肥論文為對象，應(yīng)用CiteSpace 分析研究了有機肥知識圖譜，為我們直觀地展示了有機肥領(lǐng)域的知識基礎(chǔ)與研究熱點。CiteSpace 是一款著眼于分析科學(xué)文獻中蘊含的潛在知識，并在科學(xué)計量學(xué)、數(shù)據(jù)和信息可視化背景下逐步發(fā)展起來的多元、分時、動態(tài)的引文可視化分析軟件。它主要基于共引分析理論和尋徑網(wǎng)絡(luò)算法等，對特定領(lǐng)域文獻(集合)進行計量，以探尋出學(xué)科領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑及知識轉(zhuǎn)折點，并通過繪制一系列可視化圖譜，以識別和顯示科學(xué)發(fā)展新趨勢和新動態(tài)[7-8]。

當(dāng)然，CiteSpace 軟件作為通用型分析工具，只能勾勒出某個學(xué)科領(lǐng)域的研究概況，無法提供更深入的文獻細(xì)節(jié)，更不可能深入到某個學(xué)科的具體內(nèi)容并判別不同熱點間的內(nèi)在聯(lián)系。為此，本研究依據(jù)CiteSpace 的科學(xué)知識圖譜，結(jié)合對1900 年以來國際上發(fā)表的關(guān)鍵文獻的批判性閱讀，從更加專業(yè)的角度進一步系統(tǒng)梳理有機肥料領(lǐng)域的研究文獻，分析國際上有機肥料研究熱點及研究趨勢，為未來有機肥料研發(fā)提供一些借鑒與啟示。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的數(shù)據(jù)來源于Web of Science (WoS)核心合集。數(shù)據(jù)采集時間為2019 年9 月9 日，檢索主題為“有機肥料”(Topic=“organic fertilizer”or“organic manure”“organic compost”)，文獻類型為Article，時間跨度為1900—2019 年，共檢索出4 473 篇文獻，按次序分 9 批次導(dǎo)出記錄，9 個數(shù)據(jù)文件均以CiteSpace 可識別的“download_”作為文件名前綴，這是分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 研究方法

采用美國德雷克賽爾大學(xué)計算機與情報學(xué)教授陳超美開發(fā)的CiteSpace(版本v. 5.3.R4)軟件進行知識圖譜可視化分析[9]。通過在CiteSpace 中分別選擇國家(country)、研究機構(gòu)(institution)、作者(author)選項，進行科研合作網(wǎng)絡(luò)分析；選擇關(guān)鍵詞(key words)、學(xué)科類別(category)，進行主題領(lǐng)域的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析，并利用VOSviewer 軟件繪制更加清晰的關(guān)鍵詞共現(xiàn)密度圖；選擇被引文獻(cited reference)選項，進行參考文獻的共被引分析，得到該領(lǐng)域的研究國家和機構(gòu)合作圖譜、共現(xiàn)圖譜和共引圖譜。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合CiteSpace 軟件共引分析計量結(jié)果，進一步探尋科學(xué)領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑及其知識拐點，并通過梳理關(guān)鍵文獻，量化文獻之間的相應(yīng)特征，形成對學(xué)科演化潛在動力機制的分析和學(xué)科發(fā)展前沿的探測，最終獲得該領(lǐng)域在選定時期內(nèi)的研究熱點、前沿領(lǐng)域、研究動態(tài)和演進趨勢等重要信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)文數(shù)量時間特征

以“有機肥料”為主題，按照上述檢索式，從WoS 核心合集中檢索獲得的最早一篇文獻發(fā)表于1942 年[10]。但直到20 世紀(jì)80 年代，國際上每年發(fā)表的有機肥料學(xué)術(shù)論文的數(shù)量都不多，基本上保持在個位數(shù)。1990 年以前的90 年間，共發(fā)表論文37 篇。20 世紀(jì)90 年代后，論文的數(shù)量則呈現(xiàn)出較大幅度的上升態(tài)勢。說明有機肥料領(lǐng)域正在成為國際研究的熱點。經(jīng)計算機擬合，國際上發(fā)表的有機肥料研究論文的數(shù)量與年份之間呈現(xiàn)為較好的指數(shù)增長模型。由此，我們可以預(yù)測，未來一段時期，國際期刊發(fā)表以有機肥料為主題的論文數(shù)量還將有大幅度的增長。

通過后面的分析，我們可以知道，近10 多年國際期刊發(fā)表的有機肥料論文迅速增加，主要是中國學(xué)者所做的貢獻。說明在多重因素的影響下，我國的科技人員正以積極的開放姿態(tài)，走到了世界有機肥料研究的前沿領(lǐng)域。

2.2 合作特征空間分布

利用CiteSpace 繪制合作圖譜，可以識別出某個研究領(lǐng)域的學(xué)者、國家或機構(gòu)間的社會關(guān)系，既可為評價其學(xué)術(shù)影響力提供參考，也便于直觀地發(fā)現(xiàn)值得關(guān)注的學(xué)者和機構(gòu)。

圖1 的國家合作圖譜顯示，在有機肥料研究領(lǐng)域，20 年間共有90 個國家存在著不同程度、不同方式的合作。圖中圓形節(jié)點表示不同的國家，圓形節(jié)點大小與該國以合作方式發(fā)表的論文頻數(shù)呈正比，紫色外圈代表中介中心性，其厚度與合作研究活躍程度呈正比。而圓形節(jié)點的年輪顏色及厚度表示出現(xiàn)年份，某個年份的年輪越厚，對應(yīng)年份合作發(fā)表的論文頻次越高。圓形節(jié)點間的連線則反映二者共現(xiàn)或共被引關(guān)系，顏色對應(yīng)首次共現(xiàn)或共被引年份，粗細(xì)反映關(guān)系強弱。

圖1 國家合作特征Fig. 1 Network of country cooperation

按照中介中心性大小排序，前四名依次是中國、美國、德國和法國(表1)。中國的中介中心性最高，且這一時期共合作發(fā)表了996 篇論文，數(shù)量最多，表明中國有機肥料的學(xué)術(shù)研究正逼近起步較早的美國與德國，在某些領(lǐng)域已經(jīng)位居國際前沿。

表1 2000—2019 年國別合作特征及頻次統(tǒng)計Table1 Characteristics and frequency of country cooperation from 2000 to 2019

利用CiteSpace 軟件同樣可以繪出有機肥料研究機構(gòu)的合作特征圖譜(圖2)，并統(tǒng)計出各機構(gòu)發(fā)文頻數(shù)(數(shù)量)、首發(fā)年份和中介中心性，并選取中心性排名前10 的機構(gòu)列于表2。表2 顯示，中國科學(xué)院中介中心性最高，首次發(fā)文時間亦最早，其次是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，接下來依次為中國農(nóng)科院、比利時的根特大學(xué)和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)。

通過突發(fā)性探測，結(jié)果(表3)表明，新世紀(jì)以來，從歐美到亞洲，世界各地的研究機構(gòu)對有機肥研究保持較為活躍的狀態(tài)。值得注意的是，印度農(nóng)科院和土壤所兩家科研機構(gòu)在2003 年開始以合作方式發(fā)表了多篇研究論文，其中印度土壤所的有機肥料研究突現(xiàn)值為7.91，位列榜首，表明其時該所已成為國際上最活躍的有機肥料研發(fā)機構(gòu)。

進一步從微觀層面，對學(xué)者合作網(wǎng)絡(luò)進行分析，結(jié)果表明，近20 年有740 位研究者和他人合作開展了有機肥料研究，合作發(fā)表學(xué)術(shù)論文1 197 篇。其中南京農(nóng)業(yè)大學(xué)沈其榮教授發(fā)表論文72 篇[11-12]，無論是發(fā)文頻數(shù)，還是中介中心性、突現(xiàn)值均位居第一(表4)。發(fā)表論文數(shù)量排名前20 位的作者，共有14 名中國學(xué)者，占70%，體現(xiàn)了我國學(xué)者在有機肥料研究領(lǐng)域有較高參與度。沈其榮教授團隊共有7 位成員位列其中，表明其團隊已成為當(dāng)前國際上有機肥料研究的主力軍。

圖2 機構(gòu)合作特征圖譜Fig. 2 Network of research institution cooperation

表2 2000—2019 年有機肥料研究機構(gòu)合作特征及頻次統(tǒng)計Table 2 Characteristics and frequency of research institutional cooperation from 2000 to 2019

2.3 學(xué)科共現(xiàn)特征圖譜

學(xué)科共現(xiàn)分析可構(gòu)建學(xué)科間的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，揭示交叉學(xué)科間的內(nèi)在聯(lián)系。圖3 的學(xué)科共現(xiàn)圖譜顯示，共有81 個節(jié)點，表明圍繞有機肥料的研究，有81 個學(xué)科相互交叉滲透，503 條連線代表學(xué)科間的聯(lián)系，農(nóng)業(yè)、化學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、工程學(xué)與其他學(xué)科交叉廣泛，且農(nóng)學(xué)的中介中心性最高，交叉也最廣泛。園藝學(xué)、植物學(xué)、土壤學(xué)交叉頻次較多但中介中心性不高，說明在當(dāng)前有機肥料研究中，更多的是局限于各自的學(xué)科，而與其他學(xué)科交叉的領(lǐng)域有限。

值得注意的是，土壤學(xué)、園藝學(xué)均呈現(xiàn)出較高的突現(xiàn)值，分別于2000 年、2006 年進入突發(fā)期，表明有機肥料在園藝領(lǐng)域的應(yīng)用及其對土壤環(huán)境與質(zhì)量的影響，其時已成為人們研究的熱點。

表3 有機肥料研究機構(gòu)突現(xiàn)指標(biāo)Table 3 Research Institutions with strongest citation bursts in organic fertilizer study

表4 2000—2019 年作者合作特征及頻次統(tǒng)計Table 4 Characteristics and frequency of author cooperation from 2000 to 2019

圖3 學(xué)科共現(xiàn)特征圖譜Fig. 3 Network of discipline co-occurrence

2.4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

關(guān)鍵詞是對文章主題的高度概括和集中描述，是一篇文章的核心和精髓，通過關(guān)鍵詞可以了解論文的主要內(nèi)容。在CiteSpace 分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用VOSviewer 軟件對文獻進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)密度圖的繪制，可以清晰地看出有機肥料領(lǐng)域的研究熱點(圖4)。

圖4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)密度圖Fig. 4 Density view of keywords co-occurrence

圖4 中從藍色冷色調(diào)到紅色暖色調(diào)，代表著關(guān)鍵詞共現(xiàn)的頻次越來越高，即研究熱點的熱度越高?？梢钥闯觯?0 年來，有機肥料研究的熱點集中在有機質(zhì)、堆肥、廄肥、植物生長、土壤碳氮、根際、固體廢棄物、種植制度、生物防控等[13]。

關(guān)鍵詞共現(xiàn)密度圖定性地展現(xiàn)了有機肥料研究的熱點，但還不能體現(xiàn)出其時間維度上變化規(guī)律，而關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析則可以定量地表示出不同研究熱點的熱度以及變遷規(guī)律(表5)。

表5 不同時間跨度的關(guān)鍵詞動態(tài)變化及研究熱點趨勢特征Table 5 Dynamic changes of keywords in different time spans and characteristics of research hotspots

自20 世紀(jì)90 年代，出現(xiàn)的突現(xiàn)值較高的熱點關(guān)鍵詞有有機肥料(organic fertilizer)、土壤(soil)、肥料(fertilizer)、農(nóng)業(yè)(agriculture)、氮素(nitrogen)和碳素(carbon)等，30 年來，這些詞匯一直都是有機肥料研究的熱點；進入新世紀(jì)第一個10 年，新涌現(xiàn)的突現(xiàn)值較高的關(guān)鍵詞有堆肥(compost)、作物生長(growth)、產(chǎn)量(yield)等；最近10 年新涌現(xiàn)的突現(xiàn)值較高的關(guān)鍵詞有質(zhì)量(quality)、碳素(carbon)、系統(tǒng)(system)以及多樣性(diversity)，說明研究人員從早期的關(guān)注有機肥的增產(chǎn)作用，轉(zhuǎn)變到更加注重有機肥對改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和保護生態(tài)環(huán)境功效的研究[14]。

2.5 文獻交叉引用圖譜

文獻的交叉引用反映了研究方向或主題間的密切程度，共被引分析可探究研究領(lǐng)域的重點專題及其發(fā)展過程，基于圖譜聚類算法進行自動聚類，可提取聚類主題詞。

其他設(shè)置同前，主題詞來源選擇題名(title)、摘要(abstract)、作者(author)、關(guān)鍵詞(key words)與 擴展關(guān)鍵詞(keywords plus)，節(jié)點選文獻交叉引用(citation reference)，運行CiteSpace，結(jié)果見圖5。

圖中的1 261 個節(jié)點與3 058 條連線構(gòu)成了18個較大的群組，其中 #0 群組( long-term organic fertilizer application)共有83 篇參考文獻，最小的#32 群組(land use type)，亦包含8 篇共被引參考文獻。表明有機肥料研究有較高的集中性，同時也形成了一定數(shù)量的分支，每個群組的專題和主要研究內(nèi)容列于表6。根據(jù)群組的名稱可以看出，有機肥研究的重點主要集中在長期施用有機肥的效應(yīng)、土壤微生物區(qū)系、有機肥對土壤碳氮循環(huán)的影響、生物有機肥等領(lǐng)域，而溫室氣體排放、有機肥的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)、有機肥的生產(chǎn)方法也日益受到人們的關(guān)注。

圖5 文獻共被引圖譜Fig. 5 Network of document co-citation of organic fertilizers

表6 各群組專題名稱及主要研究內(nèi)容Table 6 Topic and main research content of each group

進一步觀測發(fā)現(xiàn)，#8 群組Diacono 等發(fā)表的論文“Long-term effects of organic amendments on soil fertility”共被引次數(shù)最高，達34 次；#1 群組Geisseler等的論文“Long-term effects of mineral fertilizers on soil microorganisms—A review”中介中心性最強，數(shù)值為0.13，表明該文獻在連接兩個不同研究群組發(fā)揮著關(guān)鍵樞紐作用；突現(xiàn)值最高的是 #1 群組Guo 等發(fā)表在期刊Science 上的論文“Significant acidification in major Chinese croplands”，突現(xiàn)值為10.51；有158 篇引文的半衰期達到8 a，其中Esperschuetz J 等2007年發(fā)表的論文“Response of soil microbial biomass and community structures to conventional and organic farming systems under identical crop rotations”既具有較高、較強的突現(xiàn)性，也表現(xiàn)出一定的中介中心性。顯然，這些文獻不僅具有重要的理論創(chuàng)新，在發(fā)表不久就起到引領(lǐng)學(xué)科的作用，被同行借鑒與引用，同時隨著時間推移，這些研究成果也逐漸沉積為有機肥料領(lǐng)域重要的知識基礎(chǔ)。

根據(jù)上述18 個群組中關(guān)鍵性文獻資料，可以歸結(jié)出目前國際上有機肥料研究熱點主要集中在4 個方面：1)施用有機肥料尤其是功能性生物有機肥對改善土壤理化性狀、抑制土傳病害、提高作物產(chǎn)量品質(zhì)的影響及其機理；2)最新的基因測序等分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用，內(nèi)容包括施用有機肥在內(nèi)的不同施肥處理對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、植物的調(diào)控反饋機制等的影響；3)蚯蚓糞堆肥、餐廚垃圾、生活污泥堆肥新技術(shù)新工藝，如添加天然沸石、生物質(zhì)炭、粉煤灰等優(yōu)化技術(shù)；4)長期施用有機肥料對土壤重金屬、農(nóng)藥抗生素殘留的污染修復(fù)以及環(huán)境生態(tài)效應(yīng)研究。

3 結(jié)論

CiteSpace 軟件作為進行知識圖譜分析的有效工具，完全可以應(yīng)用于有機肥料研究領(lǐng)域發(fā)展趨勢和發(fā)展過程中重要變化的探測和可視化研究。從而可以直觀地厘清國家、研究機構(gòu)及作者之間的合作關(guān)系，通過學(xué)科共現(xiàn)分析、關(guān)鍵詞共現(xiàn)密度分析，研究人員可以客觀地了解有機肥料研究的方向、前沿?zé)狳c及未來的發(fā)展趨勢。

新世紀(jì)以來，國際上有90 個國家之間在有機肥料研究中存在合作關(guān)系。中國已成為世界上有機肥料研究規(guī)模最大、發(fā)表學(xué)術(shù)論文數(shù)量最多的國家。中國科學(xué)院、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等科研機構(gòu)實際上已成為當(dāng)今世界最活躍的有機肥料研發(fā)基地。

學(xué)科共現(xiàn)分析顯示，當(dāng)前有機肥料科學(xué)已發(fā)展成為以農(nóng)學(xué)為主，土壤學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科相互交叉滲透的綜合性體系，未來有機肥料研究的學(xué)科分化越來越細(xì)，也越來越深入。