2016—2020年環(huán)境土壤學(xué)研究進(jìn)展與熱點(diǎn)分析

吳同亮，王玉軍,2*，陳懷滿

（1.中國科學(xué)院南京土壤研究所，中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

“土壤是歷史自然體，是位于地球陸地表面和淺水域底部具有生命力、生產(chǎn)力的疏松而不均勻的聚積層，是地球系統(tǒng)的組成部分和調(diào)控環(huán)境質(zhì)量的中心要素”，這是《環(huán)境土壤學(xué)》一書對(duì)土壤的清晰定義[1]。土壤環(huán)境保護(hù)的研究是現(xiàn)代土壤學(xué)的重要標(biāo)志，環(huán)境土壤學(xué)是土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)的交叉學(xué)科，主要研究自然因素和人為條件下土壤環(huán)境質(zhì)量變化、影響及其調(diào)控。它涉及土壤質(zhì)量與生物品質(zhì)，即土壤質(zhì)量與生物多樣性及食物鏈的營養(yǎng)價(jià)值與安全問題；涉及土壤與水和大氣質(zhì)量的關(guān)系，即土壤作為源與匯對(duì)水質(zhì)和大氣質(zhì)量的影響；涉及人類居住環(huán)境問題，即土壤元素豐缺與人類健康的關(guān)系；涉及土壤與其他環(huán)境要素的交互作用，即土壤圈、水圈、巖石圈、生物圈和大氣圈的相互影響；涉及土壤質(zhì)量的保護(hù)和改善等土壤環(huán)境工程。環(huán)境土壤學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究在很大程度上促進(jìn)了現(xiàn)代土壤學(xué)的蓬勃發(fā)展。

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)以文獻(xiàn)體系和文獻(xiàn)計(jì)量特征為研究對(duì)象，被用于文獻(xiàn)定量分析。借助知識(shí)圖譜和文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)軟件的可視化功能，研究者得以較為客觀地評(píng)價(jià)目標(biāo)領(lǐng)域在一定時(shí)期內(nèi)的歷史演進(jìn)過程、研究方向及當(dāng)前熱點(diǎn)，預(yù)測(cè)未來的發(fā)展趨勢(shì)[2]，目前已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林、生態(tài)和環(huán)境等領(lǐng)域[3-4]?；诖?，本文力圖借助Web of Science（WoS）核心合集數(shù)據(jù)庫和中國知網(wǎng)（CNKI）在2016—2020年間發(fā)表的以土壤為主題的相關(guān)文獻(xiàn)，利用WoS 自帶分析工具和文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)軟件CiteSpace，從年度、國家/地區(qū)、重要期刊的發(fā)文量、文獻(xiàn)共被引和關(guān)鍵詞共現(xiàn)詞分析等角度，闡述環(huán)境土壤學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)研究的發(fā)展態(tài)勢(shì)、研究方向和熱點(diǎn)，以期為研究者掌握學(xué)科當(dāng)前發(fā)展程度、科學(xué)地選擇研究方向提供參考。

1 材料與方法

環(huán)境土壤學(xué)的研究主體是土壤，是土壤學(xué)的分支學(xué)科，因此“土壤”這一主題基本可以反映其目前的研究概況。本研究所用軟件為陳超美博士開發(fā)的5.7R2 64 位版本CiteSpace[5]，利用軟件提供的引文共被引分析和關(guān)鍵詞共現(xiàn)詞分析等功能，采集2016—2020年間以“土壤”為主題發(fā)表的國內(nèi)外文獻(xiàn)，從土壤學(xué)及環(huán)境科學(xué)兩種學(xué)科角度，分析了環(huán)境土壤學(xué)的進(jìn)展及熱點(diǎn)問題。

引文的共被引分析是指兩篇文獻(xiàn)共同出現(xiàn)在除二者之外的文獻(xiàn)（施引文獻(xiàn)）引文目錄中，而形成共被引關(guān)系。因此，特定領(lǐng)域論文后的引文可以形成共被引網(wǎng)絡(luò)，對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的聚類分析可以展現(xiàn)研究領(lǐng)域的知識(shí)基礎(chǔ)，反映其整體特征。關(guān)鍵詞共現(xiàn)詞分析可以統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵詞在所有發(fā)表文章中共同出現(xiàn)的情況，并由此反映研究熱點(diǎn)[6]。

1.1 國際該領(lǐng)域發(fā)表文章的數(shù)據(jù)獲取及CiteSpace 分析參數(shù)設(shè)置

此部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于WoS核心合集數(shù)據(jù)庫，以“soil”為主題詞，選定時(shí)間范圍為2016—2020 年，WoS 類別“ENVIRONMENTAL SCIENCES”和“SOIL SCIENCE”，文獻(xiàn)類別“ARTICLE”。軟件分析參數(shù)如表1所示。

1.2 國內(nèi)該領(lǐng)域發(fā)表文章的數(shù)據(jù)獲取及CiteSpace 分析參數(shù)設(shè)置

此部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于CNKI，以“土壤”為主題詞，選定時(shí)間范圍為2016—2020 年，文獻(xiàn)分類：環(huán)境科學(xué)和土壤學(xué)，期刊來源：北大核心、CSSCI 和CSCD。軟件分析參數(shù)如表1所示。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 2016—2020年該領(lǐng)域文獻(xiàn)發(fā)表情況

經(jīng)檢索本領(lǐng)域5 年來共計(jì)發(fā)表論文87 612 篇，其中 70 510 篇文獻(xiàn)來自 WoS，17 102 篇來自 CNKI（截至2020年12月），可看出本領(lǐng)域發(fā)文量較大，產(chǎn)出豐碩，年度發(fā)文趨勢(shì)較為穩(wěn)定（圖1）。利用WoS 自帶的統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)本領(lǐng)域的國家/地區(qū)發(fā)文及相關(guān)期刊發(fā)文進(jìn)行匯總，具體見表2。中美德三國發(fā)文量位居前三，其中我國發(fā)文量最高，近乎超過第二名美國一倍，中美兩國發(fā)文占比超過國際該領(lǐng)域發(fā)文的50%，可見兩國是推動(dòng)本領(lǐng)域發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?/p>

表1 不同種類分析的參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting for different analyses

表2 2016—2020年國家/地區(qū)及國際出版物論文發(fā)表情況（來自WoS數(shù)據(jù)）Table 2 Publications from various countries and journals in 2016—2020(data from WoS)

從國際刊物發(fā)文上看，環(huán)境科學(xué)類期刊Science of the Total Environment、Environmental Science and Pollution Research和Chemosphere占據(jù)前三排行，共計(jì)發(fā)文11 644篇，發(fā)文占比為16.5%。此外，土壤科學(xué)類期刊Geoderma、Catena、Plant and Soil和Soil Biology Biochemistry躋身前十，共計(jì)發(fā)文7 203 篇，占比10.2%。以土壤為主題詞的研究中，環(huán)境科學(xué)類研究發(fā)文大于土壤科學(xué)，體現(xiàn)了土壤環(huán)境領(lǐng)域的研究熱度，也可能與不同學(xué)科的研究特點(diǎn)、相關(guān)期刊的審稿速度和發(fā)文量等因素相關(guān)。

2.2 2016—2020年國際該領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向

利用CiteSpace 的引文共被引分析功能對(duì)2016—2020 年間WoS 上發(fā)表論文的所有參考文獻(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2a 所示。圖內(nèi)年輪狀圓圈所示的節(jié)點(diǎn)代表引文，年輪顏色代表其被引用的年份分布，大小代表引用次數(shù)的多少，最外圈紫色圓環(huán)體現(xiàn)該文獻(xiàn)的中介中心性較高，是圖譜中過渡和樞紐節(jié)點(diǎn)。通過聚類分析并根據(jù)聚類的大小，得到“微生物群落”（bacterial communities）、“有機(jī)碳”（organic carbon）、“生物炭改良”（biochar amendment）、“N2O 排放”（N2O emission）、“重金屬”（heavy metal）、“土壤侵蝕”（soil erosion）、“機(jī)器學(xué)習(xí)”（machine learning）、“保護(hù)性農(nóng)業(yè)”（conservation agriculture）8 個(gè)聚類（圖2b），反映了本領(lǐng)域2016—2020 年間的幾個(gè)重要發(fā)展方向。通過圖3 所示的聚類分析時(shí)間線視圖，可以直觀了解本領(lǐng)域重要引文的發(fā)表年份。聚類0、1、2、4 的引文在不同年份均有分布，可見其知識(shí)基礎(chǔ)在不斷更新和發(fā)展，有利于推動(dòng)相關(guān)研究方向的深入進(jìn)行；聚類6 的引文發(fā)表時(shí)間較近，可見機(jī)器學(xué)習(xí)是本領(lǐng)域研究中較為新穎的手段。此外，聚類間節(jié)點(diǎn)的連線還體現(xiàn)了不同研究方向中知識(shí)基礎(chǔ)的交叉，有利于拓寬研究思路及發(fā)展新的方向。以下就不同聚類的施引文獻(xiàn)和被引文獻(xiàn)，分別從研究現(xiàn)狀和知識(shí)基礎(chǔ)的角度展開分析。

2.2.1 聚類0：微生物群落

通過對(duì)此聚類的重要施引文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，2016—2020 年主要圍繞以下內(nèi)容開展研究：土壤中微生物群落受農(nóng)藝措施及城市化、填海造陸等人類活動(dòng)的影響及應(yīng)對(duì)，微生物群落對(duì)于維持植物生產(chǎn)力以及土壤碳固定的重要意義。土壤中微生物群落豐度在生物炭、堆肥以及化肥施用等常見土壤改良措施下得到有效提升[7-8]，同時(shí)致病菌群的結(jié)構(gòu)也會(huì)因輪作和少耕等措施得以改變，因而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的生產(chǎn)[9]。在城市化和填海造陸等高強(qiáng)度人類活動(dòng)影響下，微生物群落在短時(shí)間內(nèi)即可恢復(fù)到與原始狀態(tài)相似的水平，體現(xiàn)了土壤微生物群落的極強(qiáng)恢復(fù)能力[10]。土壤重金屬鎳污染，會(huì)誘導(dǎo)提升土壤抗生素抗性基因（ARGs）的頻率和豐度，增強(qiáng)了ARGs 水平轉(zhuǎn)移的潛力[11]。與此同時(shí)，微生物群落本身的功能和多樣性意義同樣受到關(guān)注，土壤微生物多樣性對(duì)于維持植物的生產(chǎn)力尤為關(guān)鍵[12]，在養(yǎng)分處理下其群落豐度直接影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解[13]。

此聚類中的節(jié)點(diǎn)（即被引文獻(xiàn)）反映了其中的知識(shí)基礎(chǔ)，主要闡述了微生物群落對(duì)土壤有機(jī)碳的分解與全球氣候變化的關(guān)聯(lián)[14]；微生物群落結(jié)構(gòu)受到不同養(yǎng)分（氮）梯度以及土壤性質(zhì)影響下的宏基因組學(xué)、系統(tǒng)發(fā)生學(xué)和生理學(xué)的研究[15]；此外，在方法學(xué)方面,得益于微生物數(shù)據(jù)分析pipeline 工具uParse，嵌合體檢測(cè)工具UCHIME 的開發(fā)以及基于R 語言的lmer 混合線性回歸模型的應(yīng)用，微生物數(shù)據(jù)處理的速度及靈敏度得以提升[16-18]。這些參考文獻(xiàn)為微生物群落相關(guān)研究提供了扎實(shí)的研究背景。

2.2.2 聚類1：有機(jī)碳

通過對(duì)此聚類施引文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，2016—2020年間，研究者在全球氣候變化的大背景下，于不同時(shí)間及不同空間尺度上評(píng)估和修正了土壤有機(jī)碳的損失，闡述了微生物對(duì)土壤有機(jī)碳固定和形成的重要作用。在方法學(xué)上，利用穩(wěn)定同位素示蹤及機(jī)器學(xué)習(xí)等方法分別從微觀及區(qū)域尺度下對(duì)土壤有機(jī)碳開展相應(yīng)研究。研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳的向下遷移行為可以抵消全球升溫過程中微生物的加速分解，有利于準(zhǔn)確評(píng)估全球變暖下土壤有機(jī)碳的損失[19]。在千年尺度下，蘇北濱海土壤對(duì)有機(jī)質(zhì)的固存速率超過0.4%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其初始速率較高，并隨時(shí)間逐漸放緩[20]。從區(qū)域尺度上看，土地利用變化對(duì)顆粒有機(jī)質(zhì)、有機(jī)礦物復(fù)合體和黑炭3 種組分土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性影響主要受制于基線效應(yīng)，而氣候和土壤理化性質(zhì)等因素對(duì)各種類有機(jī)質(zhì)的影響大小各異[21]。微生物活動(dòng)對(duì)土壤有機(jī)碳的固定及分解具有重要意義。有研究采用“微生物碳泵”（MCP）和效率-基質(zhì)穩(wěn)定假說等探討微生物固碳作用[22-23]。在方法學(xué)上，利用土壤酶或者15N同位素標(biāo)記等手段追蹤微生物碳源，量化土壤有機(jī)質(zhì)的原位分解速率[24-25]。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)也被應(yīng)用于有機(jī)碳的相關(guān)研究，研究使用混合機(jī)器學(xué)習(xí)模型等，在區(qū)域尺度上評(píng)估了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，開展土壤碳組分?jǐn)?shù)字制圖[26-27]。

此聚類的知識(shí)基礎(chǔ)主要集中在闡述現(xiàn)階段研究領(lǐng)域中有關(guān)土壤有機(jī)碳的新觀點(diǎn)，如Schmidt 等[28]和Lehmann等[29]在Nature期刊上對(duì)土壤有機(jī)碳的組成結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的系統(tǒng)闡述，以及對(duì)有機(jī)碳的分解、黑炭、植物根系影響、物理隔離、土壤深層碳、凍土層融化、土壤微生物等方面提供的新見解；同時(shí)，對(duì)由操作定義得出的土壤腐殖質(zhì)的活性和實(shí)際代表性提出挑戰(zhàn)，并提出土壤有機(jī)質(zhì)是逐步分解有機(jī)化合物的連續(xù)體。在微生物與土壤有機(jī)質(zhì)的相互作用方面，引用文獻(xiàn)從微觀上探討了微生物與土壤有機(jī)物之間的啟動(dòng)效應(yīng)[30]，闡述了全球氣候變暖對(duì)土壤有機(jī)碳的影響取決于微生物對(duì)土壤有機(jī)碳的利用效率[31]，土壤有機(jī)物分解對(duì)溫度升高的響應(yīng)是生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化響應(yīng)的關(guān)鍵[32]。

2.2.3 聚類2：生物炭改良

生物炭是在低氧和缺氧條件下，將各種有機(jī)質(zhì)經(jīng)高溫?zé)峤夂蟮玫降亩嗫仔晕镔|(zhì)，是一種有效的土壤改良劑，具有重要農(nóng)業(yè)應(yīng)用價(jià)值和環(huán)境效益。通過對(duì)此階段聚類的施引文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，研究主要圍繞土壤中生物炭改良措施對(duì)土壤物理化學(xué)性質(zhì)、營養(yǎng)元素利用以及作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響來開展。生物炭可用于維持土壤有機(jī)碳含量并抵消土壤退化[33]，降低土壤的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率[34]，提升土壤飽和導(dǎo)水率[35]。在對(duì)土壤肥力影響方面，施用生物炭可有效改善退化酸性砂土的肥力，提升微生物活性[36]，提升土壤固磷能力，促進(jìn)磷素的活化釋放[37]。此外，生物炭還可提升作物對(duì)土壤中水分的利用效率，刺激作物生長(zhǎng)，對(duì)非灌溉條件下的作物種植具有重要農(nóng)學(xué)意義[38]。

有關(guān)生物炭改良聚類的知識(shí)基礎(chǔ)主要集中于從分子層面闡述生物炭組成的動(dòng)態(tài)變化[39]，以及生物炭影響土壤微生物、動(dòng)植物和植物根系的機(jī)制[40]，著重探討生物炭本身的礦化機(jī)制[41]和生物炭施用對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)礦化的影響[42]。將其視為一種具有前景的高效固碳手段以緩解全球氣候變化，同時(shí)還可提供能量并增加農(nóng)作物的產(chǎn)量[43]。

2.2.4 聚類3：N2O排放

N2O 作為一種重要溫室氣體，比二氧化碳有更高的增溫潛勢(shì)，其在大氣中的濃度以每年0.25%的速率增長(zhǎng)，因而獲得極大關(guān)注。然而，為了應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的糧食需求，農(nóng)田氮肥施加量不斷提升，削減由此導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)土壤中N2O 的排放已成為全球性挑戰(zhàn)。通過對(duì)此聚類的施引文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該領(lǐng)域主要圍繞農(nóng)業(yè)土壤中N2O 產(chǎn)生、排放及估算模型開展研究。農(nóng)田N2O 排放的空間顯式估計(jì)（Spatially explicit estimates）表明，改善肥料管理可以緩解氣候變化[44]。同時(shí)，有必要通過監(jiān)測(cè)整年度的N2O 排放來估算農(nóng)田排放清單中的N2O 排放因子[45]。在實(shí)驗(yàn)室及在相關(guān)區(qū)域尺度上的研究表明，微生物對(duì)土壤中氮素的循環(huán)具有重要意義，氨氧化菌相對(duì)于氨氧化古菌對(duì)氮肥施加有更強(qiáng)的響應(yīng)[46]。在缺磷的土壤中施加磷肥，微生物會(huì)在無機(jī)氮較為豐富時(shí)通過反硝化過程提升N2O 的排放[47]；生物炭改良土壤可以抑制N2O 的產(chǎn)生，同時(shí)可將N2O 還原為N2[48]；在對(duì)澳大利亞一處集約化草場(chǎng)的研究發(fā)現(xiàn)，較高的土壤充水孔隙會(huì)降低當(dāng)?shù)氐世寐蔥49]；同時(shí)，河口和沿海濕地生態(tài)系統(tǒng)也是大氣中N2O的重要來源，對(duì)長(zhǎng)江口潮間帶土壤研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌脫氮是此處N2O主要的產(chǎn)生途徑[50]。

聚類3 中重要節(jié)點(diǎn)文獻(xiàn)所代表的知識(shí)基礎(chǔ)關(guān)注了全球氮肥分配不公造成的氮損失或糧食減產(chǎn)情況[51]，通過meta 分析土壤N2O 排放對(duì)氮肥施用的非線性響應(yīng)，解釋了作物需求對(duì)氮排放的重大影響[52]。還關(guān)注了典型集約化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中氮肥過量施用造成的大氣、土壤和水體污染，以及土壤退化問題，號(hào)召合理的氮素管理措施以應(yīng)對(duì)其負(fù)面影響[53-54]。此外，土壤N2O 排放中微生物生產(chǎn)和消費(fèi)過程與生物/非生物因素的耦合關(guān)系的綜述[55]，以及對(duì)氨氧化菌的amoA基因序列分析[56]，為闡明微生物在N2O 排放中的作用提供了研究知識(shí)儲(chǔ)備。

2.2.5 聚類4：重金屬

土壤中重金屬污染問題由來已久，對(duì)土壤肥力質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量具有重要影響。此聚類的施引文獻(xiàn)從不同區(qū)域尺度上開展了土壤中重金屬的分布及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，也從微生物參與重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)化的角度闡述了對(duì)作物吸收累積的影響；通過機(jī)器學(xué)習(xí)的手段預(yù)測(cè)作物對(duì)土壤中重金屬的累積。在不同區(qū)域尺度上對(duì)土壤中鉻、鎘、鉛、汞、砷、銅、鋅和鎳等重金屬的空間分布變化、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和源頭等問題進(jìn)行了分析[57-60]。土壤微生物燃料電池可以降低稻田土壤中鎘、銅、鉻和鎳的生物有效性，緩解水稻籽粒中相關(guān)重金屬的累積[61]。同時(shí)，變價(jià)金屬銻的氧化細(xì)菌可以氧化三價(jià)銻來減弱銻的毒性和吸收以緩解銻對(duì)擬南芥的脅迫[62]。機(jī)器學(xué)習(xí)等新的研究方法也被應(yīng)用于傳統(tǒng)重金屬的研究，Hu 等[63]應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，發(fā)現(xiàn)植物類型是重金屬從土壤到作物轉(zhuǎn)移的主要控制因素，其次為土壤中重金屬及有機(jī)質(zhì)的含量，此方法可以輔助預(yù)測(cè)作物中的重金屬含量，降低實(shí)驗(yàn)室分析所需的時(shí)間及人力成本。

此聚類研究基礎(chǔ)大多集中在近些年有關(guān)土壤污染的相關(guān)綜述，其指明了我國土壤重金屬的污染特征和現(xiàn)狀，闡述了有效應(yīng)對(duì)策略及人體健康風(fēng)險(xiǎn)情況，對(duì)后續(xù)重金屬相關(guān)研究具有一定指導(dǎo)作用[64-66]。同時(shí)，歐盟國家農(nóng)業(yè)土壤中的重金屬對(duì)食品安全的影響研究也得到一定參考[67]。在消除土壤重金屬污染的措施方面，活化或穩(wěn)定化策略[68]，植物重金屬修復(fù)和應(yīng)用前景[69]也被著重關(guān)注。

2.2.6 聚類5：土壤侵蝕

土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在外營力作用下，被破壞、分離、搬運(yùn)和沉積的過程，對(duì)土壤肥力及下游水體質(zhì)量具有不利影響。此聚類中的研究分析了前期研究的相關(guān)問題，圍繞地中海等典型地區(qū)土壤侵蝕的模型評(píng)估以及具體農(nóng)藝應(yīng)對(duì)措施開展相關(guān)研究。例如有研究系統(tǒng)介紹了現(xiàn)階段水力侵蝕過程中的問題，包括土壤侵蝕的定義和度量等分歧，以及目前此方面研究中的時(shí)空依賴性對(duì)預(yù)測(cè)土壤侵蝕帶來的局限性[70]。在微觀層面，采用降雨模擬和運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)攝影測(cè)量法分析地中海葡萄園土壤的水力侵蝕[71]；在宏觀層面上，對(duì)土壤侵蝕模式和土壤表面成分進(jìn)行精確比較和分析[72]，也有采用定性和定量法相結(jié)合的方式評(píng)估相關(guān)區(qū)域的土壤侵蝕[73]；發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋等方式對(duì)緩解地中海土壤侵蝕的效果顯著[74-76]。

此聚類現(xiàn)階段的知識(shí)基礎(chǔ)主要圍繞土壤學(xué)的基本知識(shí)及意義，包括土壤分類學(xué)知識(shí)[77]，土壤的跨學(xué)科性質(zhì)[78]以及土壤和土壤科學(xué)對(duì)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的意義[79]。同時(shí)，前期文章中的土壤管理措施對(duì)不同土壤水力侵蝕的影響研究對(duì)此聚類發(fā)展也有一定貢獻(xiàn)[80-81]。

2.2.7 聚類6：機(jī)器學(xué)習(xí)和聚類7：保護(hù)性農(nóng)業(yè)

聚類6 和聚類7 分別為機(jī)器學(xué)習(xí)和保護(hù)性農(nóng)業(yè)，其規(guī)模相較于前幾個(gè)聚類較小。機(jī)器學(xué)習(xí)作為此研究領(lǐng)域中較為新穎的研究手段，已被用于土壤數(shù)字制圖、土壤有機(jī)碳空間預(yù)測(cè)等。機(jī)器學(xué)習(xí)的常用算法包括隨機(jī)森林、支持向量機(jī)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，其已成功應(yīng)用于特定區(qū)域的土壤粒徑分布圖的繪制[82]、土壤有機(jī)碳空間預(yù)測(cè)[83]等，并提高了數(shù)字土壤測(cè)繪的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性[84-85]。機(jī)器學(xué)習(xí)聚類的知識(shí)基礎(chǔ)主要在于基于機(jī)器學(xué)習(xí)得到的全球土壤網(wǎng)格化信息SoilGrids250m[86]，自動(dòng)地球科學(xué)分析系統(tǒng)（SAGA）1.4.4 版本[87]，具有 1 km 空間分辨率的全球陸地區(qū)域氣候表面WorldClim 2[88]以及用于生成ERAInterim的預(yù)測(cè)模型等[89]。

保護(hù)性農(nóng)業(yè)作為一種可持續(xù)的農(nóng)業(yè)管理策略而得到廣泛推廣，其原則包含最低限度的土壤擾動(dòng)、永久性土壤覆蓋層以及作物輪作等，將土壤侵蝕、退化及相關(guān)水體污染降至最低。有研究者展示了保護(hù)性農(nóng)業(yè)的高分辨率形態(tài)特征，通過免耕土壤與常規(guī)耕作土壤表面形態(tài)之間的關(guān)系，更好地了解該系統(tǒng)的水文地理過程[90]，也利用多準(zhǔn)則分析進(jìn)一步提升國家區(qū)域?qū)用娴谋Ｗo(hù)性農(nóng)業(yè)分布的空間分辨率[91]，也有研究在科學(xué)家、政策制定者和土壤相關(guān)從業(yè)人員等利益相關(guān)者團(tuán)體的參與下創(chuàng)建了一套土壤指標(biāo)，旨在施行保護(hù)性農(nóng)業(yè)，促進(jìn)土壤的可持續(xù)發(fā)展[91]。此聚類的研究基礎(chǔ)主要圍繞糧食安全問題[92]、耕地高效利用的策略[93]以及全球糧食需求與農(nóng)業(yè)集約化的可持續(xù)間的關(guān)系[94]，為保護(hù)性農(nóng)業(yè)的提出和發(fā)展提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

2.3 2016—2020年國際該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)

對(duì)WoS結(jié)果進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)詞分析，以體現(xiàn)2016—2020 年間本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。結(jié)果如圖4 所示，TOP10 關(guān)鍵詞如表3 所示。出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞“重金屬”（heavy metal）呼應(yīng)了聚類4 中的相關(guān)研究，重點(diǎn)圍繞“鎘”（cadmium）、“鉛”（lead）、“銅”（copper）、“鋅”（zinc）等重金屬，從“形態(tài)”（speciation）、“生物可利用性”（bioavailability）、“健康風(fēng)險(xiǎn)”（health risk）、“累積”（accumulation）、“空間分布”（spatial distribu?tion）等角度開展研究。

(1)建立學(xué)生評(píng)價(jià)交流反饋機(jī)制，提高教學(xué)效果.傳統(tǒng)的課堂教學(xué)由于受時(shí)間、空間的限制，無法使教師充分利用教學(xué)資源，達(dá)到教學(xué)效果的最大化；而網(wǎng)絡(luò)教學(xué)則可以不受時(shí)空、信息容量等因素的限制，最大限度地利用教學(xué)資源，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足.真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)將學(xué)生的作品放在教學(xué)網(wǎng)站上，供同學(xué)們欣賞，并讓學(xué)生評(píng)選優(yōu)秀作品，提出自己的見解，主動(dòng)參與討論.這些教學(xué)方法極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，促使學(xué)生學(xué)會(huì)積極思考.

關(guān)鍵詞“有機(jī)質(zhì)”（organic matter）反映了聚類1 中的研究熱點(diǎn)，同“碳”（carbon）、“氮”（nitrogen）、“磷”（phosphorus）等營養(yǎng)元素類關(guān)鍵詞緊密聯(lián)系，在“氣候變化”（climate change）背景下，探討“碳固定”（carbon sequestration）等關(guān)鍵過程的“動(dòng)態(tài)變化”（dynamics）。還與聚類0 的內(nèi)容息息相關(guān)，如關(guān)鍵詞“微生物生物量”（microbial bioma）、“分解”（decomposition）和“呼吸”（respiration）等，反映了微生物過程對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解乃至全球氣候變化的至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞“水”（water）與“生物炭”（biochar）在聚類2 中的“土壤改良”（amendment）、“吸附”（adsorption）、“污染去除”（removal）等功效緊密相關(guān)，同時(shí)，土壤水分還與“硝酸鹽”（nitrate）、“地下水”（groundwater）、“反硝化作用”（denitrification）以及“溫室氣體排放”（greenhouse gas emission）等關(guān)鍵詞相近，反映了聚類3中氮素?fù)p失和N2O排放等研究重點(diǎn)。

表3 2016—2020年該領(lǐng)域期刊論文TOP10高頻關(guān)鍵詞Table 3 TOP10 high-frequency keywords in related fields in 2016—2020

“影響”（impact）、“土壤管理”（management）、“生長(zhǎng)”（growth）和“作物”（plant）等關(guān)鍵詞與“根際”（rhi?zosphere）、“酶活性”（enzyme activity）、“微生物群落”（microbial community）和“多樣性”（diversity）等微生物相關(guān)關(guān)鍵詞聯(lián)系緊密，反映了聚類0 中微生物群落對(duì)于不同土壤管理措施的響應(yīng)及其對(duì)維持植物生產(chǎn)力的意義是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。此外，“土地利用”（land use）、“黃土高原”（loess plateau）、“土壤侵蝕”（soil erosion）、“徑流”（runoff）、“流域”（catchment）和“侵蝕”（erosion）等關(guān)鍵詞的出現(xiàn)體現(xiàn)聚類5 土壤侵蝕中的相關(guān)研究熱點(diǎn)。

2.4 2016—2020年國內(nèi)該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)

對(duì)中國知網(wǎng)CNKI 2016—2020 年發(fā)表的本領(lǐng)域中文章的關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)詞分析，結(jié)果如圖5 所示，TOP10 關(guān)鍵詞見表3。通過WoS 和CNKI 關(guān)鍵詞的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在土壤環(huán)境領(lǐng)域國際、國內(nèi)發(fā)文關(guān)注點(diǎn)多有重合。如CNKI 中的“土壤有機(jī)質(zhì)”“土壤微生物”“生物炭”“土壤侵蝕”和“重金屬”關(guān)鍵詞直接體現(xiàn)了WoS中的聚類名稱；“土壤水分”“土壤養(yǎng)分”和“產(chǎn)量”等中文關(guān)鍵詞與“water”“nitrogen”“carbon”和“growth”等英文關(guān)鍵詞直接相關(guān)，這些均可體現(xiàn)出國內(nèi)外研究的同步發(fā)展。此外，重金屬為國際發(fā)文熱點(diǎn)，排名第一，而國內(nèi)發(fā)文則排名第十；全球氣候變化進(jìn)入WoS TOP10 關(guān)鍵詞前十，而未進(jìn)入CNKI 的相關(guān)列表。這些差異可能來自國內(nèi)外研究熱點(diǎn)的側(cè)重，也可能與數(shù)據(jù)來源期刊的收錄范圍有關(guān)（WoS中所有期刊收錄和CNKI核心期刊收錄）。由于CNKI檢索結(jié)果無法開展引文分析，現(xiàn)通過重要關(guān)鍵詞的分析以圖掌握本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圍繞關(guān)鍵詞“土壤有機(jī)質(zhì)”，研究從土壤固碳的角度考察了生物炭、沼液、秸稈或泥炭等的施用以及地膜覆蓋等農(nóng)藝措施，以及氮沉降、降雨量等氣候變化的影響[95-97]；提出土壤碳同化（soil carbon assimilation）概念以描述土壤對(duì)CO2的吸收和無機(jī)固定過程，闡述了我國西北干旱區(qū)土壤有機(jī)碳等因素對(duì)碳同化的影響[98]；從區(qū)域尺度到相對(duì)微觀尺度，探討了土壤有機(jī)質(zhì)的空間變異以及在土壤團(tuán)聚體中的分布情況[99-101]；在方法學(xué)上，穩(wěn)定碳同位素和示差紅外光譜等技術(shù)被應(yīng)用于土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化及組成的相關(guān)研究中[102-103]。

“土壤養(yǎng)分”是重要的研究熱點(diǎn)之一，研究者以有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀為評(píng)價(jià)因子，利用地理信息系統(tǒng)、地統(tǒng)計(jì)分析法、遙感解譯分類和組合賦權(quán)TOPSIS 模型法等手段，對(duì)黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)、江淮丘陵地區(qū)等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地的養(yǎng)分空間變異情況[104-105]，及高寒草原草甸區(qū)土壤養(yǎng)分受土壤侵蝕和植被覆蓋的影響進(jìn)行了合理分析與評(píng)估[106]。同時(shí)，通過大田試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室研究分析了煤基復(fù)混肥和生物炭的施用對(duì)農(nóng)業(yè)土壤中的養(yǎng)分及作物產(chǎn)量提升作用的影響[107-108]。

圍繞“土壤微生物”這一關(guān)鍵詞，利用“高通量測(cè)序”等手段探測(cè)土壤微生物群落的豐度、結(jié)構(gòu)和功能多樣性隨環(huán)境變化而發(fā)生的改變，并從以上角度入手開展了相應(yīng)研究。如在田間條件下模擬大氣CO2濃度和氣溫上升等情況，分析了土壤微生物呼吸及其溫度敏感性的變化特征，探究氣候變化對(duì)土壤微生物多樣性以及功能的影響[109-110]；考察了礦區(qū)和污灌區(qū)等典型污染區(qū)域鎘、鉛、砷等重金屬以及多環(huán)芳烴、雙酚A、苯并[a]芘等有機(jī)污染物對(duì)土壤微生物群落豐度和多樣性的影響[111-113]，也考察了糞肥和有機(jī)肥施用等農(nóng)藝措施以及林木的混交種植對(duì)土壤微生物群落多樣性的影響[114-115]。

圍繞“土壤水分”，研究從區(qū)域尺度下考察了林地、草地等不同土地利用類型中土壤水分的平衡情況及空間異質(zhì)性[116-119]；探究了土壤水分對(duì)土壤呼吸及石灰土無機(jī)碳釋放的影響[120-121]；研究了免耕、壟作和常規(guī)耕作等不同耕作方式[120]以及枝條覆蓋等措施[122]對(duì)土壤水分狀況的影響。

圍繞“土壤侵蝕”這一熱點(diǎn)，研究從土地利用類型、坡度、植被、土壤類型等環(huán)境因子著手，對(duì)土壤侵蝕的特征、分布及時(shí)空演變進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估[131-132]；采用室內(nèi)人工降雨模擬試驗(yàn)，深入探究坡耕地土壤侵蝕機(jī)理[133]，還從土壤侵蝕誘導(dǎo)土壤有機(jī)碳分布的角度，闡述了該過程對(duì)土壤酶活性的影響[134]。也有相關(guān)綜述性文章分析了國內(nèi)外土壤侵蝕及其阻控研究，總結(jié)了我國復(fù)雜環(huán)境下土壤侵蝕理論和實(shí)踐的研究成果[135]；對(duì)我國青藏高原地區(qū)不同土壤侵蝕類型及研究短板進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述[136]。

圍繞“土壤酶活性”，開展了以下研究：通過不同肥料養(yǎng)分和生物菌劑的添加，研究了旱地和稻田土壤中土壤酶活的提升[137-138]?？疾炝舜紊?、人工林、灌草叢、坡耕地、濕地植物區(qū)中的土壤酶活性，分析了開窗補(bǔ)闊等人工改造方式和土地利用方式的變化下土壤酶活的垂直分布等特征[139-141]。

作物“產(chǎn)量”常是土壤學(xué)及環(huán)境科學(xué)相關(guān)研究的最終評(píng)價(jià)方式。有研究考察了養(yǎng)分投入和腐植酸等調(diào)理劑的施加對(duì)土壤物理化學(xué)性狀的改善，其可提升果園產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)[142-143]；研究不同秸稈還田方式、地膜覆蓋等措施對(duì)土壤水分、土壤微生物和酶活的影響，以及小麥、大豆和玉米等作物相應(yīng)的產(chǎn)量響應(yīng)[144-146]；還考察了咸水資源灌溉下土壤水鹽分布與籽棉產(chǎn)量的響應(yīng)[147]。

圍繞土壤“重金屬”污染問題，從其在土壤中的有效性、植物（作物）富集和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)角度開展相應(yīng)研究。如畜禽糞便有機(jī)肥中的重金屬在水稻土中生物有效性的動(dòng)態(tài)變化[148]；典型重金屬在不同研究區(qū)域（濕地、礦區(qū)）中的優(yōu)勢(shì)植物、設(shè)施農(nóng)業(yè)中蔬菜、城市森林中不同樹種的富集特征[149-152]。還從微生物與重金屬相互作用的角度，分析了不同土地利用類型的土壤中微生物群落多樣性對(duì)重金屬的響應(yīng)[153]以及產(chǎn)脲酶細(xì)菌礦化修復(fù)鎘、鉛污染土壤的機(jī)制[154]。

2.5 局限性探討

基于CiteSpace 的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析可以借助龐大的原始數(shù)據(jù)量較為客觀地體現(xiàn)所研究領(lǐng)域的總體演進(jìn)趨勢(shì)、發(fā)展方向及熱點(diǎn)，然而由于數(shù)據(jù)篩選閾值等軟件設(shè)置問題，領(lǐng)域最前沿的研究通常因?yàn)槠渲R(shí)基礎(chǔ)（參考文獻(xiàn)）或文中所列關(guān)鍵詞出現(xiàn)次數(shù)過低而尚未形成規(guī)模，被常規(guī)研究的數(shù)據(jù)所埋沒，造成分析結(jié)果的局限性，如土壤環(huán)境大數(shù)據(jù)的構(gòu)建與應(yīng)用、土壤有機(jī)污染物、土壤納米顆粒和微塑料等新型污染物、污染物的交互作用、土壤修復(fù)、土壤健康等前沿問題均未作為熱點(diǎn)問題而得以體現(xiàn)。在后續(xù)研究中需要對(duì)檢索關(guān)鍵詞、數(shù)據(jù)來源和軟件閾值等條件的篩選和設(shè)置進(jìn)行更為客觀地評(píng)估，并可按照領(lǐng)域中研究方向的劃分再次進(jìn)行檢索分析，使其更能反映領(lǐng)域最前沿的發(fā)展。

3 結(jié)論

本文利用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)軟件CiteSpace，對(duì)2016—2020 年間在WoS 和CNKI 上收錄的以“土壤”為主題發(fā)表的國內(nèi)外文獻(xiàn)開展了分析，一定程度上反映了環(huán)境土壤學(xué)中相關(guān)研究的發(fā)展方向及熱點(diǎn)。

（1）2016—2020 年 5 年間相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)展穩(wěn)定，發(fā)文量較大。中國的研究成果居世界首位，且中美兩國發(fā)文占比超過國際該領(lǐng)域發(fā)文的50%。

（2）從國際該研究領(lǐng)域的發(fā)展方向和熱點(diǎn)上看，共有微生物群落、有機(jī)碳、生物炭改良、N2O 排放、重金屬、土壤侵蝕、機(jī)器學(xué)習(xí)、保護(hù)性農(nóng)業(yè)8 個(gè)重要聚類。圍繞土壤中重金屬污染、有機(jī)質(zhì)固定與轉(zhuǎn)化、各營養(yǎng)元素利用與循環(huán)以及全球氣候變化等熱點(diǎn)問題開展研究。

（3）從國內(nèi)本領(lǐng)域研究熱點(diǎn)上看，土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分和微生物的相關(guān)研究最受關(guān)注，同時(shí)也圍繞土壤水分、生物炭改良、土壤侵蝕和作物產(chǎn)量等問題開展了大量研究。

（4）由于方法的局限性，在后續(xù)研究中應(yīng)進(jìn)一步完善軟件功能與參數(shù)的合理性，使其更為科學(xué)、全面而客觀地反映本領(lǐng)域的前沿與進(jìn)展。