基于文獻(xiàn)計(jì)量分析的黑土研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

郭京梅 付保榮 * 趙磊 張潤(rùn)潔 李銘 劉峰

（1. 遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110036；2. 營(yíng)口市環(huán)境工程開發(fā)有限公司，遼寧 營(yíng)口 115000）

1 引言

黑土是肥力最高、最適宜農(nóng)耕和最具生產(chǎn)潛力的土壤，因其所占比例小且不可復(fù)制而被人們視為寶貴資源，又因退化嚴(yán)重而備受關(guān)注［1］。黑土分布區(qū)是重要的糧食基地，又被稱為“耕地中的大熊貓”，它的生產(chǎn)力不僅與其自身理化性質(zhì)、人類活動(dòng)相關(guān)，還與黑土的母質(zhì)、地形條件、形成演化有密切關(guān)系［2］。自天然黑土開墾以來(lái)，由于管理不善、土壤污染、化學(xué)養(yǎng)分流失、物理結(jié)構(gòu)和生物活性的變化，黑土肥力迅速退化，土壤生產(chǎn)力降低，同時(shí)破壞了水土資源甚至生態(tài)環(huán)境［3］。在全球大規(guī)模開墾背景下，研究黑土的研究概況、研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)全球黑土資源的可持續(xù)利用和人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有不可低估的現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是一種基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的定量分析，它以科學(xué)文獻(xiàn)的外部特征為研究對(duì)象，通過(guò)分析文獻(xiàn)的變化規(guī)律、數(shù)量關(guān)系、結(jié)構(gòu)分布，進(jìn)而客觀量化某領(lǐng)域或?qū)W科的整體趨勢(shì)、未來(lái)熱點(diǎn)、前沿動(dòng)態(tài)，廣泛應(yīng)用于研究文獻(xiàn)規(guī)律、評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)水平以及分析研究動(dòng)態(tài)等方面。為分析國(guó)際和國(guó)內(nèi)黑土領(lǐng)域的研究態(tài)勢(shì)，本文通過(guò)評(píng)價(jià)Web of Science（WOS）1900—2022 年黑土領(lǐng)域相關(guān)文獻(xiàn)，借助WOS 自帶分析工具、VOSviewer 可視化分析軟件和HistCite 引文圖譜分析軟件，試圖揭示該領(lǐng)域的發(fā)展歷程、研究趨勢(shì)和熱點(diǎn)等，以期促進(jìn)黑土領(lǐng)域的深入研究，并為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者在今后的研究中提供參考信息。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究以Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)中的WOS核心合集為數(shù)據(jù)源，選用高級(jí)檢索，檢索的主題詞設(shè)置為TS＝（Phaeozem* OR ＂Prairie soil＂ OR Mollisol*OR Chernozem* OR ＂black soil＂ OR ＂black soils＂ OR＂black earth＂ OR ＂dark soil＂ OR ＂dark soils＂），設(shè)置檢索時(shí)間限定為1900—2022 年，得到的文獻(xiàn)數(shù)量為8 224 篇。

2.2 研究方法

利用WOS 數(shù)據(jù)庫(kù)自帶的文獻(xiàn)計(jì)量分析功能、VOSviewer 可視化分析軟件、HistCite 引文分析軟件、Excel 2019 以及Origin 2019 繪圖軟件，對(duì)黑土的發(fā)文總量及趨勢(shì)、主要發(fā)文期刊、國(guó)家、機(jī)構(gòu)、作者、合作關(guān)系、研究熱點(diǎn)及變化趨勢(shì)等進(jìn)行計(jì)量分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)文量及年度變化趨勢(shì)

從整體上來(lái)看，國(guó)內(nèi)外關(guān)于黑土的發(fā)文量隨時(shí)間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，在研究過(guò)程中，按照時(shí)間將發(fā)文量分為3 個(gè)不同的階段。第一階段（1900—1978 年）為起步階段，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量較少，只有24 篇，最早的文獻(xiàn)發(fā)表于1905 年；第二階段（1979—2007 年）為逐步增長(zhǎng)階段，國(guó)外針對(duì)黑土的基本理化性質(zhì)［4］、土壤生物量及農(nóng)業(yè)管理［5-6］等研究較多，與此同時(shí)，這個(gè)階段中國(guó)大規(guī)模開荒墾殖黑土［7］，中國(guó)對(duì)于黑土的研究日益增加；第三階段（2008 年至今）為快速發(fā)展階段，這段時(shí)間推測(cè)是由于世界人口增長(zhǎng)，人們對(duì)于糧食的需求量增大，人類活動(dòng)頻繁，黑土退化嚴(yán)重［8］，進(jìn)而一系列負(fù)面影響開始顯現(xiàn)，專家學(xué)者們開始重視，研究數(shù)量增加。1900—2022 年有關(guān)黑土文獻(xiàn)年度發(fā)文量見圖1。

圖1 1900—2022 年有關(guān)黑土文獻(xiàn)年度發(fā)文量

3.2 學(xué)科及來(lái)源期刊分析

從學(xué)科角度來(lái)看，檢索到的黑土領(lǐng)域的文獻(xiàn)涉及109 個(gè)相關(guān)學(xué)科，已有的研究主要集中在自然科學(xué)領(lǐng)域。主要學(xué)科類別是土壤科學(xué)、農(nóng)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、植物科學(xué)、生態(tài)學(xué)、水資源等。該領(lǐng)域共有1 463 種期刊，發(fā)文量前4 位的期刊依次為Eurasian Soil Science，Canadian Journal of Soil Science，Geoderma，Soil ＆ Tillage Research，表明這些期刊是該領(lǐng)域內(nèi)的核心期刊，為研究人員投稿提供參考意見。雖然Eurasian Soil Science 期刊的發(fā)文量最高，其總被引頻次較低，但是Eurasian Soil Science，Canadian Journal of Soil Scienc 和Soil ＆ Tillage Research 期刊的本地被引頻次位居前3 位，表明這些期刊在黑土研究方面的影響力相對(duì)較大。

3.3 主要研究力量

3.3.1 發(fā)文國(guó)家分析

該領(lǐng)域文獻(xiàn)涉及國(guó)家共119 個(gè)，其中發(fā)文量前10 位的國(guó)家是中國(guó)、俄羅斯、美國(guó)、加拿大、德國(guó)、印度、匈牙利、捷克、波蘭、烏克蘭，10 個(gè)國(guó)家發(fā)文總和為7 105 篇，占總量的86.39%。其中中國(guó)以1 671 篇的發(fā)文量位居第一，領(lǐng)先于其他國(guó)家。中國(guó)在黑土研究領(lǐng)域作出了卓越貢獻(xiàn)，同時(shí)暴露出中國(guó)黑土問(wèn)題日益嚴(yán)峻。1900—2022 年黑土領(lǐng)域重要發(fā)文國(guó)家及相互間合作關(guān)系圖譜見圖2。

圖2 1900—2022 年黑土領(lǐng)域重要發(fā)文國(guó)家及相互間合作關(guān)系圖譜

3.3.2 重要研究機(jī)構(gòu)分析

HistCite 引文分析得該領(lǐng)域文章涉及3 884 個(gè)研究機(jī)構(gòu)，前10 個(gè)研究機(jī)構(gòu)中有4 個(gè)來(lái)自中國(guó)，其中中國(guó)科學(xué)院本地總被引頻次2 409 次，發(fā)文量747篇，占總發(fā)文量的9.08%，以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)位居第一，遠(yuǎn)高于俄羅斯科學(xué)院（461 篇），可見中國(guó)科學(xué)院在黑土研究領(lǐng)域作出的突出貢獻(xiàn)。中國(guó)科學(xué)院與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、北京師范大學(xué)、黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)、加拿大農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)食品部、美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局等國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)均有合作。1900—2022 年黑土領(lǐng)域重要研究機(jī)構(gòu)及相互間合作關(guān)系圖譜見圖3。

圖3 1900—2022 年黑土領(lǐng)域重要研究機(jī)構(gòu)及相互間合作關(guān)系圖譜

3.3.3 重要作者分析

黑土研究領(lǐng)域共涉及14 800 位作者，前10 位發(fā)文作者中有7 位來(lái)自中國(guó)，3 位來(lái)自加拿大。來(lái)自中國(guó)的7 位學(xué)者，除來(lái)自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的Zhang Y（張穎）和吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境研究所研究員Zhu P（朱平）外，Liu X B（劉曉冰）、Han X Z（韓曉增）、Jin J（金劍）、Wang G H（王光華）等學(xué)者均來(lái)自中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所。來(lái)自加拿大的學(xué)者中，Campbell C A 與Zentner R P 來(lái)自同一個(gè)研究機(jī)構(gòu)（加拿大農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)食品部），Malhi S S來(lái)自University of Alberta（阿爾伯塔大學(xué)）。由作者合作關(guān)系（見圖4）可知，以學(xué)者Liu X B 為核心的作者群包括Jin J，Liu J J，Yu Z H 等，他們與Han X Z，Zhang X Y，Zhang X P 等學(xué)者合作密切，以學(xué)者Campbell C A 為核心的合作緊密的學(xué)者有Zentner R P，lafond G P 等，黑土領(lǐng)域內(nèi)研究文獻(xiàn)的作者分布具有明顯的核心作者群，以中國(guó)的學(xué)者居多，但存在與國(guó)外學(xué)者交流合作較少的問(wèn)題。1900—2022 年黑土研究重要作者及其之間合作關(guān)系圖譜見圖4。

圖4 1900—2022 年黑土研究重要作者及其之間合作關(guān)系圖譜

4 研究重點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

4.1 黑土領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

基于VOSviewer 軟件，選取高頻關(guān)鍵詞，構(gòu)建黑土研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（見圖5），刊載頻次居前5 位的關(guān)鍵詞依次是：soil（土壤）824 次、nitrogen（氮）596 次、carbon（碳）557 次、organic－matter（有機(jī)物質(zhì)）552 次和black soil（黑土）488 次。根據(jù)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，黑土相關(guān)研究可劃分為5 個(gè)聚類，不同聚類代表不同研究?jī)?nèi)容，對(duì)自1900 年以來(lái)黑土研究重點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行歸納與總結(jié)。

圖5 1900—2022 年黑土領(lǐng)域研究熱點(diǎn)分布

4.2 研究重點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)分析

4.2.1 土地利用對(duì)土壤侵蝕與退化的影響

土地利用方式的改變會(huì)影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)與供應(yīng)，直接造成土壤質(zhì)地和土壤結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而引起土壤侵蝕與退化，并且對(duì)土壤有機(jī)碳及腐殖質(zhì)組分產(chǎn)生負(fù)面影響。圖5 中關(guān)鍵詞water（水）、land use（土地利用）、organic carbon（有機(jī)碳）、erosion（侵蝕）和soil properties（土壤性質(zhì)）等出現(xiàn)的頻次較高。黑土大部分是在草地上發(fā)育而成，土地利用變化導(dǎo)致黑土土壤侵蝕與退化甚至可能導(dǎo)致黑土層變薄乃至部分消失，其土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，生產(chǎn)力降低。在土壤侵蝕與退化的研究中，土壤性質(zhì)和相關(guān)水力參數(shù)是侵蝕研究的重要參數(shù)，同時(shí)，土壤水分保持、土壤導(dǎo)水率和土壤入滲也會(huì)影響土壤侵蝕的時(shí)間變化［9］。然而，土地利用與土壤性質(zhì)變化可能是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，因此，獲取長(zhǎng)期數(shù)據(jù)來(lái)分析這種變化對(duì)土壤侵蝕的綜合影響，通過(guò)建模方法和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究減少土壤侵蝕的關(guān)鍵侵蝕區(qū)和時(shí)期，估計(jì)影響土壤侵蝕的氣候因素，并在此基礎(chǔ)上，制定科學(xué)的土壤侵蝕與退化防治標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范是未來(lái)黑土的主要研究方向之一。

4.2.2 農(nóng)耕對(duì)黑土的影響

黑土是重要的糧倉(cāng)，隨著人口的不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)于糧食的需求越來(lái)越大，制定適當(dāng)?shù)母鞴芾響?zhàn)略以增加糧食生產(chǎn)是十分必要的。management（管理）、tillage（耕種）、fertilization（施肥）、yield（產(chǎn)量）、systems（制度）和crop rotation（輪作）等詞在關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)頻次較高，表明了土地管理方式、耕作方式以及施肥制度對(duì)于產(chǎn)量的影響是黑土領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。其中，土地管理方式和耕作方式對(duì)作物產(chǎn)量的影響存在一定爭(zhēng)議，有一些學(xué)者認(rèn)為耕作方式會(huì)顯著改變作物產(chǎn)量，長(zhǎng)期免耕相較翻耕而言，作物產(chǎn)量更高［10］，也有一些學(xué)者認(rèn)為，免耕降低或者對(duì)作物產(chǎn)量無(wú)顯著影響［11］。同時(shí)，不同施肥管理也是影響土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量的重要因素，有研究表明，有機(jī)肥替代化肥可以促進(jìn)作物產(chǎn)量的穩(wěn)定和提高［12］。今后還需要進(jìn)一步探究不同土地管理方式、耕作方式和施肥制度等因素是如何影響黑土作物產(chǎn)量，探明土壤質(zhì)量變化機(jī)制，不斷定量化、精確化，確保對(duì)黑土屬性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，為黑土保護(hù)性耕作服務(wù)。

4.2.3 重金屬污染

近年來(lái)土壤污染治理問(wèn)題也越來(lái)越成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，在關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，heavy－metals（重金屬）出現(xiàn)的頻次非常高，表明在黑土領(lǐng)域內(nèi)重金屬的累積含量較高。在各種報(bào)告的污染物中，重金屬被認(rèn)為是食品安全的最大威脅之一［13］。重金屬污染也是黑土健康質(zhì)量下降的重要因素之一，重點(diǎn)被關(guān)注的重金屬主要包括Zn，Cd，Pb，Cu，Cr，Ni 等，其中Zn，Cd，Pb 出現(xiàn)的頻次最高，目前的研究也證實(shí)它們?cè)诤谕镰h(huán)境中呈明顯上升趨勢(shì)，Cd 是對(duì)土壤健康危害最大的重金屬［13-15］。在關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，adsorption（吸附）、sediment（沉積物）、plants（植物）、accumulation（積累）、migration（遷移）、bioavailability（生物利用度）和biodegradation（生物降解）等出現(xiàn)的頻次較高，可見重金屬累積效應(yīng)、吸附和解吸過(guò)程、遷移特性和植物生態(tài)抗性等問(wèn)題同樣引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

4.2.4 土壤微生物及酶活性

隨著黑土耕作環(huán)境的不斷惡化，土壤生物學(xué)活性的變化備受科研工作者的關(guān)注，biomass（生物量）、microbial community（微生物群落）、bacterial（細(xì)菌）等在關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)次數(shù)均較高。根據(jù)manure（肥料）、long－term fertilization（長(zhǎng)期施肥）和nitrogen fertilization（氮肥）出現(xiàn)的頻次以及高被引文獻(xiàn)中關(guān)于施肥對(duì)土壤微生物和酶活性研究的文章，可以看出施肥作為一項(xiàng)農(nóng)業(yè)管理是近些年來(lái)黑土土壤微生物和酶活性研究領(lǐng)域的重點(diǎn)［16］。其中，施肥數(shù)量、種類、方式和時(shí)間長(zhǎng)短的研究居多，這些研究在微生物多樣性、微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活性等領(lǐng)域有很大的參考價(jià)值［17］。已有的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期不同施肥管理模式引起土壤有機(jī)碳、有效磷和土壤結(jié)構(gòu)等發(fā)生明顯變化，這些因素直接或間接地作用于土壤微生物并改變其生理活性，進(jìn)而影響土壤有機(jī)質(zhì)的累積及周轉(zhuǎn)過(guò)程［18-19］。目前不同施肥管理對(duì)土壤微生物和酶活性影響的研究仍有局限性，未來(lái)的研究需要探究施肥對(duì)于黑土生物學(xué)活性的影響因素及演變趨勢(shì)。

4.2.5 土壤有機(jī)質(zhì)（碳）

organic－matter（有機(jī)質(zhì)）、carbon（碳）、dynamics（動(dòng)態(tài)）和sequestration（封存）等在關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的頻次較高，說(shuō)明對(duì)黑土土壤有機(jī)質(zhì)（碳）的研究是目前的研究熱點(diǎn)之一。由于土壤侵蝕與退化、長(zhǎng)期耕作和其他不適當(dāng)?shù)娜祟惢顒?dòng)等，黑土失去了近2/3 的原有土壤有機(jī)質(zhì)，大約1/2 的原有有機(jī)碳庫(kù)［20］。土地利用類型轉(zhuǎn)換是影響土壤有機(jī)質(zhì)含量變化的重要因素之一，特別是黑土從自然土壤被墾殖后，耕作致使土壤物理結(jié)構(gòu)被打破，土壤中的氧氣增加，礦化速率加快，從而土壤有機(jī)質(zhì)被快速分解，加之外源性有機(jī)物質(zhì)輸入量不足，土壤有機(jī)質(zhì)含量相較自然黑土的含量明顯下降［21］。在土壤有機(jī)質(zhì)含量下降的過(guò)程中，土壤有機(jī)碳的丟失不容小覷。黑土是重要的土壤碳庫(kù)，具有巨大的固碳潛能，但受人類活動(dòng)的影響，有機(jī)碳因礦化作用而流失，部分有機(jī)碳以CO2或CH4的形式進(jìn)入大氣，引起氣候變化。目前，對(duì)黑土有機(jī)質(zhì)下降過(guò)程與成因的研究尚不足，需要進(jìn)一步探究，與此同時(shí)，建立黑土利用與保護(hù)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警體系，創(chuàng)新黑土有機(jī)質(zhì)保育與提升技術(shù)也是未來(lái)的研究重點(diǎn)之一。

5 結(jié)論

基于1900—2022 年發(fā)表的黑土研究領(lǐng)域的8 224 篇文獻(xiàn)的主要發(fā)文量、發(fā)文期刊、國(guó)家、機(jī)構(gòu)、學(xué)者和研究熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)等可視化分析，結(jié)果表明，世界范圍內(nèi)黑土領(lǐng)域年度發(fā)文量呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，Eurasian Soil Science，Canadian Journal of Soil Science，Geoderma 等是該領(lǐng)域主要的發(fā)文期刊。黑土的研究涉及多個(gè)國(guó)家之間的相互合作，發(fā)文量前3 位的國(guó)家是中國(guó)、俄羅斯和美國(guó)，其中發(fā)文量前3位的作者分別是中國(guó)的Liu X B、加拿大的Campbell C A 和Malhi S S。重要文獻(xiàn)大多數(shù)是綜述性文章，據(jù)研究熱點(diǎn)分布圖可知，黑土研究主要圍繞土地利用變化對(duì)土壤侵蝕與退化的影響、農(nóng)耕對(duì)黑土的影響、重金屬污染、土壤微生物和酶活性、土壤有機(jī)質(zhì)（碳）5 個(gè)方面進(jìn)行。前期粗放的土地利用方式給土壤質(zhì)量、人類生產(chǎn)生活帶來(lái)巨大損失，因此，加強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)保護(hù)與退化恢復(fù)的理論研究，探究土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性機(jī)制問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)定量比較黑土中各項(xiàng)物理、化學(xué)指標(biāo)，如有機(jī)碳儲(chǔ)量和固碳率，分析黑土長(zhǎng)期開墾以來(lái)不同植被類型、施肥制度和有機(jī)質(zhì)輸入等因素對(duì)黑土發(fā)育過(guò)程的影響是未來(lái)黑土的主要研究方向。