周 咪, 肖海兵, 聶小東, 李忠武, 鄧楚雄, 劉俊宇, 張宇婷

(1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 長沙 410081; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

有機(jī)碳是土壤不可或缺的組分，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤有機(jī)碳可通過土壤功能調(diào)節(jié)直接影響土壤質(zhì)量，還可通過碳循環(huán)間接影響全球氣候變化，目前土壤有機(jī)碳的研究已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的一個(gè)焦點(diǎn)。全球陸地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量大約1 200～2 500 Pg，約是大氣碳庫的2倍，生物碳庫的3倍[1]，因而土壤有機(jī)碳的微小變化將會(huì)引起大氣中CO2濃度的較大波動(dòng)，因此研究土壤有機(jī)碳對(duì)應(yīng)對(duì)全球氣候變化具有重要的意義[2]。

國際上早在18世紀(jì)80年代人們關(guān)注土壤中的黑色物質(zhì)開始，土壤有機(jī)碳的研究就進(jìn)入萌芽時(shí)期，但起初由于土壤有機(jī)碳的科學(xué)研究發(fā)展緩慢，近百年來文章數(shù)量屈指可數(shù)。直到20世紀(jì)90年代“3S”技術(shù)的發(fā)展，為土壤有機(jī)碳的研究提供了新的方法與手段，土壤有機(jī)碳領(lǐng)域的文獻(xiàn)數(shù)量如雨后春筍般快速增長，因而20世紀(jì)90年代以來的相關(guān)研究是土壤有機(jī)碳發(fā)展的重要演變過程。

近年來，隨著文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的發(fā)展，Citespace逐漸成為系統(tǒng)分析一研究領(lǐng)域發(fā)展過程的重要方法。此外，環(huán)境科學(xué)、農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)、化學(xué)和土壤學(xué)等學(xué)科之間交叉與滲透逐漸增強(qiáng)[3]，使土壤有機(jī)碳的相關(guān)研究取得飛速發(fā)展。但土壤有機(jī)碳的研究發(fā)展過程中依舊存在碳循環(huán)機(jī)理不明確、碳庫的估算不統(tǒng)一等問題，土壤有機(jī)碳的研究仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。因而本文擬采用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法，對(duì)近30 a來國內(nèi)外土壤有機(jī)碳研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行分析，理清脈絡(luò)，探討土壤有機(jī)碳研究發(fā)展動(dòng)態(tài)，為土壤有機(jī)碳的研究提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于CNKI和Web of Science兩大信息數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2019年1月12日。知網(wǎng)以“土壤有機(jī)碳”為主題，文獻(xiàn)類別選擇“核心期刊”，檢索到最早的年份是1993年，因此時(shí)間設(shè)置1993—2018年，經(jīng)檢索和篩選后共得到2 745篇文獻(xiàn)。外文文獻(xiàn)以Web of Science 數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源進(jìn)行檢索，選擇數(shù)據(jù)庫為核心合集，以“soil organic carbon”為主題，文獻(xiàn)類型選擇“Article”，時(shí)間設(shè)置1991—2018年，經(jīng)檢索和篩選后共得到11 648篇文獻(xiàn)(圖1)。

圖1 國內(nèi)外近30 a土壤有機(jī)碳研究文章數(shù)量

1.2 研究方法

Citespace軟件是由陳超美博士在2004年開發(fā)的，2007年首次引入中國，它可對(duì)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞、主題詞、國家、機(jī)構(gòu)和作者等做可視化分析，是文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的重要研究手段[4]。采用CitespaceV對(duì)CNKI和Web of Science的文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用Origin 2018進(jìn)行制圖，通過分析關(guān)鍵詞的中心性、聚類和突變強(qiáng)度等圖譜作為其領(lǐng)域研究熱點(diǎn)、前沿和趨勢。

其中，中心性關(guān)鍵詞量化點(diǎn)是Citespace中重要性地位的圖論概念，中心性較高的關(guān)鍵詞可體現(xiàn)其在關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的重要性，在一定程度上可反映某一領(lǐng)域在一定時(shí)期的研究熱點(diǎn)[5]。在本文的數(shù)據(jù)分析設(shè)置中，Node Type選擇Keywords，Selection Criteria選取TOPN=50，Pruning選擇Pathfinder，Pruning sliced networks 和Pruning the merged network，其他選擇默認(rèn)。

1.3 總體概況

根據(jù)國內(nèi)外年發(fā)文量的統(tǒng)計(jì)分析(圖1)，初步可以看出，國際土壤有機(jī)碳研究的文章數(shù)量除2004年、2005年、2015年略有下降外，總體上處于上升趨勢，年均增長率為9%。國內(nèi)土壤有機(jī)碳研究的文章數(shù)量一直處于穩(wěn)步上升趨勢(除2015年略有下降外)，年均增長率為21%。從相關(guān)研究的學(xué)科交叉情況看(圖2)，目前國內(nèi)土壤有機(jī)碳研究主要集中在農(nóng)學(xué)、林學(xué)和草學(xué)，生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)也有分布；國際則以農(nóng)學(xué)、土壤科學(xué)、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)為主要相關(guān)學(xué)科，其次是生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、植物學(xué)、水資源科學(xué)和化學(xué)。綜合來看土壤有機(jī)碳研究是一種多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，利用多學(xué)科的交叉理論與方法來研究土壤有機(jī)碳領(lǐng)域的科學(xué)問題已經(jīng)成為一種趨勢。

2 國際土壤有機(jī)碳研究進(jìn)程

通過Citespace的突變詞檢驗(yàn)分析得出，以1991—2000年、2001—2010年、2011—2018年3個(gè)突變時(shí)間跨度為主，因此將國際發(fā)展進(jìn)程分為這3個(gè)階段。“十字號(hào)”大小表示關(guān)鍵詞頻次的高低，連線的多少表示聚類的分散程度。過去30 a，隨著時(shí)間的推移，關(guān)鍵詞之間的連線逐漸減少，但頻次增加，聚類分異程度降低，不同研究領(lǐng)域交叉融合逐年增強(qiáng)?！皠?dòng)態(tài)”、“氮”和“氣候變化”3個(gè)時(shí)期均是高頻詞，表明這些內(nèi)容一直是土壤有機(jī)碳的研究重點(diǎn)?！疤佳h(huán)”、“土地利用變化”、“侵蝕”、“封存”和“管理”逐漸成為研究熱點(diǎn)，表明土壤有機(jī)碳領(lǐng)域由早期以土壤碳循環(huán)為核心的動(dòng)態(tài)學(xué)研究，逐漸轉(zhuǎn)向全球變化為主的問題導(dǎo)向研究，而目前趨勢是農(nóng)業(yè)管理為核心的土壤固碳封存的相關(guān)研究。

圖2 基于CNKI和Web of Science的土壤有機(jī)碳研究領(lǐng)域?qū)W科分類

2.1 以碳循環(huán)為核心的土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)學(xué)基礎(chǔ)研究時(shí)期(1991-2000年)

1991—2000年發(fā)文量1934篇，約占總發(fā)文量的16.6%，從文獻(xiàn)計(jì)量圖譜來看，連線較多，聚類相對(duì)分散，高頻次和高中心性的關(guān)鍵詞可歸納為氮，循環(huán)，微生物量和分解4個(gè)方面(表1和圖3)，說明此階段圍繞著土壤有機(jī)碳的循環(huán)、分解、轉(zhuǎn)化以及土壤微生物量等開展了大量的土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)學(xué)研究。

表1 國際土壤有機(jī)碳研究不同階段前10位高中心性關(guān)鍵詞

土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化受氣候、植被、母質(zhì)、地形、時(shí)間等自然因素和人類活動(dòng)的影響[6]。目前以碳循環(huán)為核心的土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)研究多采用模型模擬，如應(yīng)用最廣泛的Century模型和Roth-C模型可對(duì)不同氣候和土地利用類型的土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)進(jìn)行長短期的模擬估算[7-8]。人類活動(dòng)的影響表現(xiàn)在農(nóng)產(chǎn)品種植類型的選擇以及輪作對(duì)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)[9]。碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)估算集中于中小尺度地形區(qū)，如Moraes等[10]通過土壤剖面資料和數(shù)字地圖估算了巴西盆地的土壤碳氮儲(chǔ)量，Rapalee等[11]估算了加拿大北方森林的碳儲(chǔ)量及累積損失過程。

除此之外，微生物量與土壤有機(jī)碳的關(guān)系也頗有關(guān)注，土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的成分，涉及到土壤肥力，一定程度上控制著陸地系統(tǒng)生產(chǎn)力[12]。微生物量碳與土壤有機(jī)碳是反映土壤有機(jī)質(zhì)變化的敏感指標(biāo)，可以反映氣候、植被等變化下土壤有機(jī)碳的變化與平衡[13]，微生物量的增加，可促進(jìn)土壤中有機(jī)碳的增加，同時(shí)微生物量碳也是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成，是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分和能量循環(huán)的關(guān)鍵和動(dòng)力[14]。農(nóng)田土壤類型以及農(nóng)墾變化對(duì)土壤有機(jī)碳、微生物量和微生物活性化的影響也不可忽視[15]，免耕對(duì)土壤質(zhì)量的影響較小，可使土壤中的有機(jī)碳含量和微生物量增加。

該階段開展了較為全面的土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)研究，為土壤有機(jī)碳動(dòng)力學(xué)的深入研究奠定基礎(chǔ)，但對(duì)土壤碳循環(huán)的過程與機(jī)理的綜合分析不夠深入，碳循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)的收支平衡以及內(nèi)部與外部環(huán)境的轉(zhuǎn)化機(jī)制并不明確，各種碳循環(huán)模型模擬存在局限性，研究方法尚未成熟。

2.2 以土地利用變化、氣候變化等為主的土壤有機(jī)碳問題導(dǎo)向研究時(shí)期(2001-2010年)

2001—2010年發(fā)文量3 390篇，約占總體的29.1%，年均發(fā)文量快速增加，國際土壤有機(jī)碳的研究內(nèi)容日益廣泛?！皠?dòng)態(tài)”、“氮”和“微生物量”頻次持續(xù)增高，是前一階段研究的延續(xù)。這一時(shí)期新興的高頻和高中心性關(guān)鍵詞可歸納土地利用變化、氣候變化、土壤侵蝕和土壤穩(wěn)定性等方面(表1和圖4)。1995年IGBP(國際地圈生物圈計(jì)劃)和HDP(全球變化人文計(jì)劃)聯(lián)合提出了應(yīng)對(duì)人類活動(dòng)和全球變化間的人與生物驅(qū)動(dòng)影響土地利用變化及其對(duì)社會(huì)和環(huán)境的影響的LUCC研究計(jì)劃[16]，此后土地利用變化成為全球變化研究的熱點(diǎn)課題。表明了土壤有機(jī)碳領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)由碳循環(huán)為主的動(dòng)態(tài)學(xué)研究轉(zhuǎn)向了全球變化為主的問題導(dǎo)向型研究。

圖3 1991-2000年國際土壤有機(jī)碳關(guān)鍵詞聚類知識(shí)圖譜

圖4 2001-2010年國際土壤有機(jī)碳關(guān)鍵詞聚類知識(shí)圖譜

一方面，人類活動(dòng)引起的土地類型轉(zhuǎn)變，土地利用集約化以及土地管理方式變化，導(dǎo)致土壤的有機(jī)碳的輸入、輸出和降解速率發(fā)生變化，從而影響有機(jī)碳分布和平衡，主要表現(xiàn)為不同土地利用類型的變化控制土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、改變土壤有機(jī)碳組分、影響碳循環(huán)機(jī)制[17-19]。另一方面，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存和動(dòng)態(tài)變化對(duì)全球增溫的敏感性響應(yīng)[20-21]，土壤中有機(jī)物分解的溫度敏感性在一定程度上決定了有多少碳轉(zhuǎn)移到大氣中，溫度通過影響植物光合作用以及有機(jī)碳分解，從而影響土壤中有機(jī)碳的輸入和輸出，最終改變碳循環(huán)和碳儲(chǔ)存，這種變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響尤為明顯[22]。此外，土壤穩(wěn)定性遭受破壞對(duì)土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存也會(huì)造成極大的影響，土壤的大肆擾動(dòng)導(dǎo)致土壤侵蝕。土壤侵蝕與沉積過程中土壤有機(jī)碳發(fā)生水平遷移，顯著改變其空間分布，從而影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯格局[23]。但由于土壤侵蝕過程是多因素綜合作用的結(jié)果，難以定量評(píng)價(jià)土壤侵蝕對(duì)碳源匯的影響，至今仍是一個(gè)具有爭議的問題[24]。

這一時(shí)期的研究主題鮮明，圍繞土地利用變化、全球氣候變化等環(huán)境問題展開。雖然這一時(shí)期開展了大量土地利用變化的研究，但土地利用變化在土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算中存在不確定性，對(duì)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)影響機(jī)制研究也并未十分明確，今后應(yīng)該注重土壤有機(jī)碳的長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測，對(duì)碳循環(huán)進(jìn)行定量研究，為解決當(dāng)前面臨的重大生態(tài)環(huán)境問題提供科學(xué)依據(jù)。

2.3 以農(nóng)業(yè)管理對(duì)土壤有機(jī)碳庫、固碳的影響為主的土壤有機(jī)碳系統(tǒng)研究時(shí)期(2011-2018年)

2011—2018年發(fā)文量6 324篇，約占總發(fā)文量的54.3%，這8 a的國際文章數(shù)量比肩前20 a的文章數(shù)量，表明這一階段是國際土壤有機(jī)碳研究飛速發(fā)展的時(shí)期。文獻(xiàn)計(jì)量圖譜的節(jié)點(diǎn)增多且頻次增高，連線減少，聚類詞有所減少，表明研究內(nèi)容相對(duì)集中。研究熱點(diǎn)除繼承前兩個(gè)階段對(duì)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)學(xué)和全球變化影響的研究外，出現(xiàn)“土壤碳儲(chǔ)量”、“土壤呼吸”、“氮”和“耕作”等熱點(diǎn)詞(表1和圖5)，表明土壤有機(jī)碳的研究由全球變化等問題導(dǎo)向型研究轉(zhuǎn)向了以農(nóng)業(yè)管理為核心的土壤固碳封存研究。

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，IPCC第四次計(jì)劃提出可通過農(nóng)業(yè)減排固定土壤中的有機(jī)碳，2015年12 月第21屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì)上法國農(nóng)業(yè)部長正式提出“千分之四計(jì)劃”[25]，表明土壤對(duì)調(diào)節(jié)氣候暖變化的極端重要性。農(nóng)田土壤碳庫的變化可通過人工管理進(jìn)行長期或短期的調(diào)節(jié)[26]。在全球碳庫中只有農(nóng)業(yè)碳庫能夠進(jìn)行短期的調(diào)整，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理在調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳封存和碳循環(huán)中發(fā)揮重要作用。此外，土壤呼吸對(duì)氣候—碳循環(huán)的反饋也得到關(guān)注。土壤呼吸的溫度敏感性是決定土壤有機(jī)碳對(duì)全球變暖響應(yīng)的一個(gè)主要因素[27]，這是應(yīng)對(duì)當(dāng)今全球變化影響而派生的熱點(diǎn)話題。土壤呼吸因受有機(jī)碳含量的間接影響而改變土壤有機(jī)碳的累積，研究土壤呼吸的變化能夠有效預(yù)測土壤有機(jī)碳庫的變化。

此階段國際土壤有機(jī)碳的研究進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展時(shí)期，研究內(nèi)容和研究方法逐漸形成系統(tǒng)體系。值得一提的是土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化和碳儲(chǔ)量估算等基礎(chǔ)研究再次到重視，但與前兩個(gè)階段相比，研究方法上采用目前比較先進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高光譜遙感等技術(shù)進(jìn)行預(yù)測[28-29]；研究尺度上土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)監(jiān)測傾向于宏觀預(yù)測與微觀監(jiān)測相結(jié)合[30-31]；碳庫的研究尺度以全球或區(qū)域大尺度為主，但由于不同學(xué)者選擇的區(qū)域、深度和方法不同，導(dǎo)致大尺度或全球范圍內(nèi)土壤有機(jī)碳庫的估算結(jié)果差異大。

圖5 2011-2018年國際土壤有機(jī)碳關(guān)鍵詞聚類知識(shí)圖譜

2.4 研究前沿與趨勢

突變詞是指一個(gè)變量的值在短期內(nèi)發(fā)生巨變，是Citespace軟件運(yùn)用突變算法，從文獻(xiàn)的題目、摘要、關(guān)鍵詞以及文獻(xiàn)記錄的標(biāo)志符中提取的突變術(shù)語[32]。突變性高表明某一學(xué)科領(lǐng)域研究興趣的突然增長，它通常可用來辨識(shí)和追蹤學(xué)科領(lǐng)域的研究前沿與發(fā)展新動(dòng)態(tài)。對(duì)1991—2018年國際相關(guān)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞，采用突變詞檢測算法得到107個(gè)的突變詞，選取了前20個(gè)突變性高的關(guān)鍵詞做為土壤有機(jī)碳研究的前沿趨勢。見表2，突變時(shí)間較長的關(guān)鍵詞是“耕種”、“吸附”和“吸附作用”?！案N”的突現(xiàn)時(shí)間從1992—2010年，突變強(qiáng)度為67.264 9，表明了農(nóng)田土壤有機(jī)碳研究一直以來都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)?！拔健焙汀拔阶饔谩眱烧咭饬x相似，綜合兩者來看突變時(shí)間是1992—2009年，突現(xiàn)強(qiáng)度也在50以上，土壤有機(jī)碳對(duì)不同的化學(xué)物質(zhì)的吸附作用，特別是對(duì)有毒物二噁英、農(nóng)藥的吸附。而研究較多的是土壤有機(jī)碳對(duì)菲的吸附，同時(shí)探究了土壤環(huán)境因子的變化對(duì)溶解性土壤有機(jī)碳吸附和分解的影響[33-34]。目前，趨向2018年最新的高強(qiáng)度突變詞有“中國”、“生物炭”和“儲(chǔ)量”，表明了當(dāng)前土壤有機(jī)碳領(lǐng)域的研究前沿?！爸袊币辉~突變強(qiáng)度自2014年以后比較高，究其原因是2013年以后中國土壤有機(jī)碳的科研發(fā)展迅猛，以其高數(shù)量和高質(zhì)量的發(fā)文特點(diǎn)，成為國際土壤有機(jī)碳研究發(fā)展的中堅(jiān)力量?！吧锾俊保跁r(shí)代周刊未來20大綠色科技產(chǎn)品中介紹了《自然—地理科學(xué)》一項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以有效抵銷全球12%的碳排放量，對(duì)固碳減排起著至關(guān)重要的作用，如Hernandez等[35]和Zhang等[36]人通過研究，發(fā)現(xiàn)生物炭的添加有助土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存，土壤碳匯存在疊加效應(yīng)。“儲(chǔ)量”，2015年12月聯(lián)合國發(fā)布了《世界土壤資源狀況》土壤功能面臨十大威脅報(bào)告，闡述了土壤有機(jī)碳喪失一大威脅，明確了穩(wěn)定土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的行動(dòng)重點(diǎn)，表明碳儲(chǔ)量、碳庫估算等基礎(chǔ)研究得到重視。同時(shí)印度、尼日利亞等一些發(fā)展中國家在土壤有機(jī)碳領(lǐng)域開展土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算與分布等基礎(chǔ)研究工作越來越多[37-39]。

總的來說，國際土壤有機(jī)碳領(lǐng)域與生物炭、碳儲(chǔ)量和土地利用變化的相關(guān)研究有持續(xù)增加的趨勢。除此之外，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國際合作密切，發(fā)展中國家在國際土壤有機(jī)碳研究中發(fā)揮著重要作用。

表2 1991-2018年國際土壤有機(jī)碳研究前20位突變關(guān)鍵詞

3 國內(nèi)土壤有機(jī)碳研究進(jìn)程

國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域起步較晚，最早可追溯到1981年安戰(zhàn)士用水合熱法測定土壤有機(jī)碳[40]。為與國際同期研究進(jìn)行對(duì)比分析，將國內(nèi)土壤有機(jī)碳的發(fā)展過程同樣劃分為1993—2000年、2001—2010年、2011—2018年3個(gè)階段。從圖1可以看出，3個(gè)發(fā)展階段發(fā)文量分別占國內(nèi)總發(fā)文量的8.0%，30.3 %，68.9%，呈現(xiàn)飛速增長趨勢，特別是第三階段的文獻(xiàn)數(shù)量遠(yuǎn)超過前兩個(gè)階段，表明2011—2018年是國內(nèi)土壤有機(jī)碳研究的重要時(shí)期。隨時(shí)間的推進(jìn)，文獻(xiàn)計(jì)量圖譜的節(jié)點(diǎn)與聚類詞增多，節(jié)點(diǎn)之間連線增強(qiáng)，交叉性增強(qiáng)。研究熱點(diǎn)由熟制、碳循環(huán)、土地利用變化、空間分異到碳儲(chǔ)量、有機(jī)碳組分和農(nóng)田管理的轉(zhuǎn)變，表明國內(nèi)土壤有機(jī)碳的研究由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展為主的基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向土壤有機(jī)碳的循環(huán)與分布的研究，目前土壤碳儲(chǔ)量和農(nóng)田碳匯的相關(guān)研究是熱點(diǎn)。

3.1 以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展為主的土壤有機(jī)碳基礎(chǔ)研究時(shí)期

1993—2000年是國內(nèi)土壤有機(jī)碳研究萌芽時(shí)期，與國際同期相比，國內(nèi)該領(lǐng)域文章相對(duì)較少。僅檢索到24篇，因數(shù)據(jù)量少無法進(jìn)行Citespace分析，但通過知網(wǎng)關(guān)鍵詞聚類不難看出，這一時(shí)期的高頻詞集中在“全球變化”、“有機(jī)無機(jī)復(fù)合體”和“碳循環(huán)”(表3)。中國是農(nóng)業(yè)大國，早期人們主要關(guān)注農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響，因此，這一時(shí)期研究的側(cè)重點(diǎn)是人工管理模式下農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機(jī)碳的變化，主要集中在不同的復(fù)熟制度和農(nóng)田管理措施下土壤有機(jī)碳消長平衡，土壤理化性質(zhì)及肥力變化[41-42]。全球變化與碳循環(huán)的研究也得到關(guān)注，但早期的研究基本處于定性認(rèn)識(shí)。此階段是國內(nèi)土壤有機(jī)碳領(lǐng)域起步時(shí)期，研究內(nèi)容單一，方法簡單，更多傾向于與農(nóng)業(yè)發(fā)展相關(guān)的基礎(chǔ)研究，對(duì)各碳庫儲(chǔ)量與土壤碳通量，陸地碳循環(huán)的過程規(guī)律與定量分析未能較清楚的認(rèn)識(shí)，缺乏對(duì)全國土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量全面而詳細(xì)的研究[43]。

表3 1993-2000年國內(nèi)土壤有機(jī)碳研究高頻關(guān)鍵詞

3.2 以土壤有機(jī)碳的循環(huán)與分布為主的研究時(shí)期(2001-2010年)

2001—2010年發(fā)文量為831篇，約占國內(nèi)總體發(fā)文量的30.3%，文章數(shù)量增幅明顯，圖譜的聚類和節(jié)點(diǎn)連線比較集中，節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)一枝獨(dú)大。研究熱點(diǎn)可歸納為“有機(jī)碳礦化”、“分布特征”和“碳循環(huán)”(表4和圖6)，表明這一時(shí)期由以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主的土壤有機(jī)碳基礎(chǔ)研究逐漸開始轉(zhuǎn)向土壤有機(jī)碳的空間分布研究。

我國學(xué)者對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關(guān)注較多，尤其是土壤碳循環(huán)。起初主要研究草原生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)，而后不少學(xué)者對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳循環(huán)機(jī)制進(jìn)行探索[44]。李凌浩等[45]采用Century模型對(duì)內(nèi)蒙古錫林河流域草原生態(tài)的碳流量和周轉(zhuǎn)速度等進(jìn)行估算，表明碳素輸入略大于輸出；頡鵬等[46]通過碳轉(zhuǎn)化系數(shù)對(duì)甘肅河西農(nóng)田生態(tài)碳源/匯進(jìn)行估算。近年來，隨著3S技術(shù)的發(fā)展，宏觀尺度上土壤有機(jī)碳庫定量估算成為熱點(diǎn)，通過GIS法研究土壤有機(jī)碳的空間分布特征與空間異質(zhì)性越來越受到關(guān)注，如周成虎等[47]通過第二次全國土壤普查資料和1∶400萬的土壤類型圖繪制了中國土壤有機(jī)碳密度的空間分布圖。孫維俠等[48]和曾永年等[49]也采用同樣的方法對(duì)東北地區(qū)和黃河源地區(qū)的土壤有機(jī)碳空間分布進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。此外，自然和人類活動(dòng)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響也得到廣泛關(guān)注，主要集中于對(duì)土壤有機(jī)碳礦化的影響，包括對(duì)礦化速率、強(qiáng)度及累積礦化量的影響。研究表明溫度的增加會(huì)加速礦化，水分的增加會(huì)增大累積礦化量[50]；土地利用方式的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致有機(jī)碳含量下降，礦化速度和累積礦化量也會(huì)相應(yīng)降低[51]。

表4 國內(nèi)土壤有機(jī)碳研究不同階段前10位高中心性關(guān)鍵詞

圖6 2001-2010年國內(nèi)土壤有機(jī)碳關(guān)鍵詞聚類知識(shí)圖譜

這一階段是土壤有機(jī)碳研究的上升期，主要針對(duì)特定地區(qū)和生態(tài)群落的土壤有機(jī)碳含量、密度、儲(chǔ)量和空間分異進(jìn)行表征與分析。但試驗(yàn)基礎(chǔ)上的小尺度碳密度測定由于空間異質(zhì)性而難以在區(qū)域大尺度上運(yùn)用，地統(tǒng)計(jì)學(xué)與土壤類型法結(jié)合往往因缺少土壤容重與黏粒數(shù)據(jù)而使土壤有機(jī)碳估算精度降低。

3.3 以土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、農(nóng)田碳匯和有機(jī)碳組分為主的研究時(shí)期(2011-2018年)

2011—2018年發(fā)文量為1 892篇，約占總體的68.9%，文章數(shù)量遠(yuǎn)超過前兩個(gè)階段，聚類和節(jié)點(diǎn)明顯多于前一個(gè)階段，節(jié)點(diǎn)之間的連線也有所增強(qiáng)，表明這一時(shí)期國內(nèi)土壤有機(jī)碳的研究發(fā)展快速。研究熱點(diǎn)可歸納為有機(jī)碳儲(chǔ)量、地統(tǒng)計(jì)學(xué)、有機(jī)碳組分和土地利用等(表4和圖7)。

圖7 2011-2018年國內(nèi)土壤有機(jī)碳關(guān)鍵詞聚類知識(shí)圖譜

與國際同時(shí)期相比，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算也成為這一時(shí)期國內(nèi)研究熱點(diǎn)，但在估算方法的選擇上，國際上采用了目前較先進(jìn)的高光譜技術(shù)預(yù)測土壤有機(jī)碳含量，如Cambou等[52]利用可見和近紅外反射光譜預(yù)測土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，說明土壤有機(jī)碳光譜數(shù)據(jù)的獲取可能是解決土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)缺乏的有效方案。而國內(nèi)多采用土壤類型法與地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合，如苗正紅等[53]利用GIS技術(shù)對(duì)表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的變化進(jìn)行表征。隨著國家不斷推進(jìn)林業(yè)方面的碳匯管理政策，有關(guān)土壤碳組分的研究逐漸進(jìn)入人們視野。不少學(xué)者對(duì)活性有機(jī)碳組分的影響因子和土壤碳組分的劃分進(jìn)行了廣泛的探究[54-56]?；钚杂袡C(jī)碳組分的影響因子主要包括土地利用和施肥管理等人為因子以及水熱條件和海拔等自然因子，碳組分常以土壤碳的分解速度而劃分為活性、慢性和惰性碳庫。此外，這一時(shí)期農(nóng)田土壤有機(jī)碳的問題依舊是研究熱點(diǎn)，但與早期相比，除關(guān)注農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)意義外，農(nóng)田土壤的生態(tài)意義成為更突出的焦點(diǎn)。農(nóng)田土壤的固碳效應(yīng)、碳匯潛力和農(nóng)耕措施優(yōu)化等方面的研究不斷涌現(xiàn)[57-59]，農(nóng)田土壤碳庫因其周轉(zhuǎn)速度快，因而在維持全球碳平衡中逐漸發(fā)揮重要作用。

2011—2018年是我國土壤有機(jī)碳飛速發(fā)展的重要時(shí)期，研究主題與研究熱點(diǎn)鮮明，研究內(nèi)容逐漸集中，并且在農(nóng)田有機(jī)碳研究領(lǐng)域逐漸形成了自身的研究特色。但高科技數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用較少，研究方向雖緊跟國際前沿水平，但引導(dǎo)國際研究新方向的原創(chuàng)性研究結(jié)果較少[60]。

3.4 研究前沿與趨勢

采用突變詞檢測算法探究國內(nèi)土壤有機(jī)碳科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的前沿趨勢，共出現(xiàn)35個(gè)突變詞，選取了前20位(表5)。從突變的時(shí)間序列來看最長是“碳循環(huán)”，這也驗(yàn)證了國內(nèi)早期土壤有機(jī)碳的研究多與碳循環(huán)有關(guān)。掌握土壤有機(jī)碳庫的變化機(jī)理與過程，控制土壤有機(jī)碳循環(huán)，使土壤成為有效的碳匯載體一直是氣候變化與碳循環(huán)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[61]。而從最新突現(xiàn)詞“生物炭”、“土壤有機(jī)碳組分”、“土壤微生物”、“土壤碳庫”和“土壤碳庫管理指數(shù)”等可以看出目前研究趨勢集中在生物炭、土壤有機(jī)碳組分和土壤有機(jī)碳庫管理與估算3個(gè)方面。與國際相比同在生物炭方面，開展了諸如生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳及其礦化的影響研究[62]。雖同樣關(guān)注土壤有機(jī)碳庫的變動(dòng)，碳儲(chǔ)量的估算，但對(duì)土壤有機(jī)碳組分開展了更加細(xì)致的研究。

表5 1993-2018年國內(nèi)土壤有機(jī)碳研究前20位突變關(guān)鍵詞

4 國內(nèi)外對(duì)比分析

從發(fā)展階段來看，國際土壤有機(jī)碳的研究已有百年的發(fā)展歷史，近30 a經(jīng)歷了土壤碳動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)研究、環(huán)境變量影響研究到土壤固碳封存研究的轉(zhuǎn)變，由進(jìn)步發(fā)展階段轉(zhuǎn)向了系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展階段。國內(nèi)土壤有機(jī)碳的研究發(fā)展階段僅有三四十年的歷史，因而經(jīng)歷了起步階段到進(jìn)步發(fā)展階段，表明國內(nèi)土壤有機(jī)碳的研究框架與體系正在逐步完善。

從研究內(nèi)容來看，由于處于不同的發(fā)展階段，國際和國內(nèi)土壤有機(jī)碳的研究內(nèi)容存在差異?？v觀國際土壤有機(jī)碳發(fā)展歷程，以土壤有機(jī)碳的循環(huán)、分解、宏觀估算，全球變化對(duì)土壤有機(jī)碳的響應(yīng)以及人類活動(dòng)對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的雙重驅(qū)動(dòng)為主要內(nèi)容。國內(nèi)則以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的土壤有機(jī)碳的組分、結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)量變化，土壤有機(jī)碳的空間分布與表征為主要內(nèi)容。目前關(guān)注的焦點(diǎn)是碳庫估算與管理以及農(nóng)田管理對(duì)其影響的相關(guān)研究。

從研究尺度來看，國際上宏觀大尺度與微觀機(jī)理并重，全球或跨地區(qū)為主的大尺度土壤碳庫的估算逐漸發(fā)展，同時(shí)揭示土壤有機(jī)碳的物質(zhì)循環(huán)、分子結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體分布等微觀水平研究不斷增加。國內(nèi)則更加傾向于宏觀尺度的研究，響應(yīng)國家政策發(fā)展，以全國、大區(qū)域、地形區(qū)為主，揭示宏觀特征，為生態(tài)文明建設(shè)服務(wù)。

從研究導(dǎo)向來看，國際土壤有機(jī)碳的研究以生態(tài)環(huán)境問題為導(dǎo)向的現(xiàn)象和機(jī)理研究為主，涉及到土壤有機(jī)碳的吸附、碳循環(huán)對(duì)陸地增溫的響應(yīng)、土地流轉(zhuǎn)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響等研究；而國內(nèi)更加傾向于以農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)踐導(dǎo)向，注重解決實(shí)際問題的研究。

綜合來看，由于國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域起步晚，發(fā)展過程相對(duì)滯后。近十年來，國內(nèi)的相關(guān)研究跟蹤國際前沿，研究內(nèi)容分散，未能形成系統(tǒng)體系。但我國土壤有機(jī)碳的研究獨(dú)具地方特色，更加關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理對(duì)碳循環(huán)影響。目前，國內(nèi)土壤有機(jī)碳領(lǐng)域正處于進(jìn)步發(fā)展階段，未來應(yīng)該在加強(qiáng)土壤有機(jī)碳基礎(chǔ)研究的同時(shí)，構(gòu)建和完善我國土壤有機(jī)碳研究體系，領(lǐng)跑國際研究前沿。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

本文借助文獻(xiàn)計(jì)量法對(duì)近30 a國內(nèi)外土壤有機(jī)碳文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞的聚類、中心性和突變性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析國內(nèi)外研究熱點(diǎn)和前沿，對(duì)比了國內(nèi)外研究差異。根據(jù)關(guān)鍵詞的知識(shí)圖譜和發(fā)文量分析表明國內(nèi)外土壤有機(jī)碳的研究逐年增多，年均文獻(xiàn)數(shù)量增幅明顯，學(xué)科交叉與融合逐漸增強(qiáng)，高新技術(shù)和數(shù)字化手段逐漸被應(yīng)用，土壤有機(jī)碳的研究框架與體系逐步完善。由于國內(nèi)相關(guān)研究起步晚，與國際研究領(lǐng)域存在一定差距，研究熱點(diǎn)和內(nèi)容跟蹤國際前沿水平，但近年來文獻(xiàn)研究發(fā)展迅速，在追趕國際發(fā)展前沿的同時(shí)逐漸形成獨(dú)具地方特色的土壤有機(jī)碳的研究體系。

總體上國內(nèi)外在研究熱點(diǎn)、尺度、問題導(dǎo)向及發(fā)展階段方面存在區(qū)別與聯(lián)系，具體有以下幾點(diǎn)：(1) 發(fā)展階段，國外處于領(lǐng)跑，國內(nèi)處于跟跑的階段。國際土壤有機(jī)碳的研究進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展時(shí)期，而國內(nèi)正處于進(jìn)步發(fā)展時(shí)期。我國土壤有機(jī)碳的研究與國際存在一定差異，研究熱點(diǎn)與研究方法跟蹤國際水平，領(lǐng)跑國際科學(xué)前沿的研究內(nèi)容較少。(2) 研究熱點(diǎn)，國外相關(guān)研究起步早，研究熱點(diǎn)具體延續(xù)性，研究的焦點(diǎn)圍繞著生態(tài)環(huán)境變化和全球變化的相關(guān)問題開展；國內(nèi)發(fā)展過程稍有滯后，關(guān)注的焦點(diǎn)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展相關(guān)研究，注重土壤有機(jī)碳基本特征的表征。(3) 研究尺度，國際傾向于微觀機(jī)制研究，近年來全球宏觀大尺度研究不斷涌現(xiàn)；而國內(nèi)更加傾向于揭示宏觀特征，為政府和地方政策服務(wù)。(4) 研究趨勢，由于國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的交流合作的進(jìn)一步深入，目前國內(nèi)外土壤有機(jī)碳的研究趨勢都轉(zhuǎn)向了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和農(nóng)業(yè)管理為核心的土壤固碳封存的相關(guān)研究。

綜合來看，我國土壤有機(jī)碳的研究整體上處于跟跑狀態(tài)，在研究方法、視角和原創(chuàng)性稍有落后。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)田土壤碳匯越來越受到關(guān)注，在未來土壤有機(jī)碳的研究中，我國應(yīng)當(dāng)在農(nóng)田土壤固碳相關(guān)方面領(lǐng)跑國際前沿水平。

5.2 展 望

基于國內(nèi)外各階段研究特點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外土壤有機(jī)碳的研究取得了飛速的發(fā)展，但土壤有機(jī)碳領(lǐng)域的發(fā)展仍存在一些不確定性，未來應(yīng)該在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：

(1) 建立可靠有效的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與估算方法。長久以來土壤有機(jī)碳的定量估算受到估算方法、估算深度和野外監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的影響，導(dǎo)致估算結(jié)果與數(shù)據(jù)間的差異較大，從而導(dǎo)致對(duì)區(qū)域和全球數(shù)據(jù)匯總與耦合存在困難。未來的土壤有機(jī)碳估算研究應(yīng)借鑒多學(xué)科方法，結(jié)合多源數(shù)據(jù)，通過室內(nèi)試驗(yàn)與長期野外監(jiān)測，開展不同估算方法下結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，建立可靠有效的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)和估算方法，以提高估算結(jié)果的精確性和可對(duì)比性。

(2) 加強(qiáng)土壤碳循環(huán)與全球氣候變化的關(guān)系研究。碳循環(huán)問題是大氣圈、巖石圈、生物圈互相作用、互相影響的結(jié)果，因而需要明確碳循環(huán)的內(nèi)部與外部環(huán)境相互轉(zhuǎn)換機(jī)理，各環(huán)節(jié)的碳收支平衡等問題?；诖?，應(yīng)開展全球氣候變化下的土壤碳循環(huán)的長期定位監(jiān)測與觀測試驗(yàn)，對(duì)碳循環(huán)過程進(jìn)行定量化研究，為應(yīng)對(duì)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

(3) 開展不同耕作措施下農(nóng)田土壤固碳潛力研究。農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫可在短期內(nèi)發(fā)生變化，對(duì)調(diào)節(jié)氣候變化具有重要意義，一直以來我國精耕細(xì)作的農(nóng)業(yè)發(fā)展方式導(dǎo)致土壤有機(jī)碳損失嚴(yán)重，因此我國農(nóng)田具有更大的固碳潛力。由于土壤環(huán)境的空間異質(zhì)性和區(qū)域環(huán)境的差異，難以對(duì)固碳效率進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。應(yīng)該建立農(nóng)田土壤固碳潛力計(jì)量體系，將宏觀土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)和微觀土壤動(dòng)態(tài)相結(jié)合，分析土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)優(yōu)化經(jīng)營管理措施，增加土壤碳匯能力。