嚴陶韜　高婷　周之棟　卜曉莉　薛建輝

摘要：生物炭是指由生物質在無氧或限氧條件下熱解生成的有機材料。近年來，由于其在土壤性質改良、土壤固碳減排以及土壤污染修復等方面表現(xiàn)出的積極效果，越發(fā)受到相關學者的關注。本研究通過文獻計量方法，對生物炭土壤效應研究領域中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫收錄論文的數(shù)量及被引情況、載文期刊分布等進行統(tǒng)計;并借助CiteSpace文獻可視化軟件，分析論文的作者合作、機構合作、研究熱點與趨勢等。結果表明，在我國生物炭土壤效應研究領域，CNKI數(shù)據(jù)庫共收錄文獻2215篇，年度發(fā)文量呈明顯上升趨勢，表現(xiàn)出緩慢增長—平穩(wěn)增長—快速增長3個階段;文獻被引頻次最高的論文是2009年發(fā)表在《應用生態(tài)學報》上的“土壤生物質炭環(huán)境行為與環(huán)境效應”;耿增超、陳溫福和孟軍是發(fā)文量、文獻被引頻次與篇均被引頻次均較高的學者;發(fā)文量最多的機構為南京農(nóng)業(yè)大學，西北農(nóng)林科技大學與中國科學院南京土壤研究所的發(fā)文量、被引頻次、篇均被引頻次和中介中心性均較高;《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報》刊載文獻數(shù)量最多，文獻被引頻次最高，《生態(tài)環(huán)境學報》刊載文獻篇均被引頻次最高;近階段基于CNKI文獻的研究熱點為生物炭植煙土壤效應、生物炭土壤NH4+吸附作用及N2O減排機制、生物炭對土壤酶活性的影響、生物炭對黃瓜生長與產(chǎn)質量的影響以及生物炭紫色土效應等。上述研究結果從相關文獻的角度，定量、客觀、科學地描述了生物炭土壤效應研究現(xiàn)狀與趨勢，以期促進生物炭土壤效應的深入研究，并為相關學者凝練研究動向和科學問題等提供參考信息。

關鍵詞：文獻計量;生物炭;土壤;知識圖譜;CiteSpace;研究熱點;研究趨勢

中圖分類號：S153;S156文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2021）04-0191-09

作者簡介：嚴陶韜（1989—），男，江蘇射陽人，博士研究生，研究方向為土壤改良與典型脆弱生態(tài)修復。E-mail：ecologyan@njfu.edu.cn。

通信作者：薛建輝，博士，教授，研究方向為林業(yè)生態(tài)工程。E-mail：jhxue@njfu.edu.cn。

亞馬遜黑土（Amazoniandarkearths），早期也被稱為印第安黑土（terrapretadeIndio），它的發(fā)現(xiàn)揭開了生物炭研究的序幕[1]。生物炭由生物質原料在缺氧條件下高溫熱解產(chǎn)生，其結構不僅穩(wěn)定，而且難以被微生物分解[2]，是一種體積密度小、比表面積大、吸附能力強的堿性多孔有機材料[3]。

向土壤中添加生物炭可以改變土壤的物理性質，如增加土壤容重、提高土壤孔隙度、促進團聚體形成[4]，進而改善土壤結構。生物炭能夠改變土壤化學性質，如提高酸性土壤pH值、增加土壤陽離子交換量（CEC），生物炭可以在短期內(nèi)迅速提高土壤有機質含量[5]，還可以通過吸附固定氮磷元素[6]，降低土壤養(yǎng)分的淋溶與流失，生物炭對NH4+吸附性強，可以減少氮素揮發(fā)，進而提高土壤肥力，促進植物生長發(fā)育[7]。生物炭可以改善土壤微生物特性以及土壤酶活性，如增加土壤微生物量及碳氮磷含量，促進土壤中細菌及某些功能菌的生長，生物炭可為真菌菌絲提供附著位點，進而促進土壤真菌的生長，生物炭對菌根真菌有潛在增效作用，能夠提高菌根真菌的豐度與活性，促進菌根真菌對植物根部的侵染與定殖。生物炭對微生物的增效作用間接提高了土壤中脫氫酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶和磷酸酶等酶活性[8]。此外，生物炭對土壤重金屬與有機污染物具有吸附作用[9]，在土壤固碳減排方面也有積極效果[10]。因此，生物炭在土壤改良中的研究應用越發(fā)受到學者們的關注。

文獻是科研成果產(chǎn)出的主要表現(xiàn)形式。生物炭在2007年被第一屆國際生物炭大會確定名稱后[11]，相關學者在生物炭土壤性質改良、土壤固碳減排以及土壤污染修復等方面開展了大量研究工作，發(fā)表了很多學術論文。本文運用文獻計量學方法，對生物炭土壤效應相關研究成果進行統(tǒng)計描述和內(nèi)容分析，并結合知識圖譜[12]，直觀展現(xiàn)文獻內(nèi)在規(guī)律，以中國知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，檢索截至2019年的生物炭土壤效應研究文獻，通過計量分析文獻的各種特征，揭示生物炭土壤效應研究現(xiàn)狀與趨勢，以期為確定生物炭土壤效應未來的研究方向提供一定科學依據(jù)，促進生物炭土壤效應研究的深入，并為該領域相關學者凝練研究動向和科學問題等提供參考信息。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源

文獻數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)（CNKI）提供的中國學術期刊全文數(shù)據(jù)庫，檢索日期為2020年4月1日。CNKI數(shù)據(jù)庫使用期刊“專業(yè)檢索”中的“主題”標識，檢索自2009年開始至2019年的相關文獻，具體設置如下：“主題SU=土壤ANDSU=（生物炭ORSU=生物質炭）”。查閱檢索到的文獻標題與摘要，判斷文獻研究內(nèi)容是否與生物炭土壤效應研究相關，剔除不相關文獻[13]。

1.2研究方法

對發(fā)表年份、期刊、作者、作者所屬機構和關鍵詞等文獻題錄信息進行篩選與提取。利用CNKI數(shù)據(jù)庫的文獻計量分析功能獲取作者的發(fā)文量和被引用次數(shù)，依據(jù)載文量、總引用頻次、篇均被引頻次和影響因子等指標綜合評價期刊的重要性及影響力。運用CiteSpace[14]文獻計量可視化軟件分別挖掘分析CNKI數(shù)據(jù)庫文獻，統(tǒng)計文獻題錄信息中各個類別出現(xiàn)的頻次，從而獲得文獻的分布結構、數(shù)量關系和變化規(guī)律等信息。CiteSpace軟件可基于關聯(lián)強度或相似度對文獻、作者、機構和關鍵詞等進行聚類共現(xiàn)可視化分析，具有很強的圖譜呈現(xiàn)能力，其圖譜中節(jié)點同心圓的大小、顏色和同心圓之間的距離等可以展現(xiàn)文獻之間的知識流動和轉移，反映研究領域前沿熱點、主題演化趨勢、以及探測知識基礎之間的關系[15]。將在CNKI數(shù)據(jù)庫中檢索的文獻數(shù)據(jù)保存為Refworks格式，通過CiteSpace將數(shù)據(jù)轉換處理，再運用CiteSpace進行分析。利用CiteSpace繪制作者間、機構間合作圖譜以及關鍵詞聚類圖譜，圖譜中發(fā)文量用節(jié)點同心圓大小表示，并用節(jié)點同心圓之間的距離表示不同作者、不同機構間的合作關系強弱;利用文獻關鍵詞的共現(xiàn)頻次繪制關鍵詞聚類知識圖譜，圖譜中1個節(jié)點代表1個關鍵詞，節(jié)點同心圓大小代表關鍵詞出現(xiàn)的頻次，越大說明該關鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)越多;同心圓顏色代表時間，粗細代表頻率;節(jié)點之間距離代表關鍵詞共現(xiàn)頻率的高低，距離越近，共現(xiàn)頻率越高[16]。

2結果與分析

2.1年度發(fā)文量與被引頻次

年度發(fā)文量可以反映出某研究領域的理論發(fā)展及受關注程度，是該研究領域發(fā)展演化的重要指標[15]。至2019年，共檢索到生物炭土壤效應研究領域文獻2215篇，年度發(fā)文量呈明顯上升趨勢。分析發(fā)現(xiàn)，2009—2011年該領域發(fā)文量為31篇，占文獻總量的1.4%;2012—2015年該領域發(fā)文量為523篇，占文獻總量的23.61%;2016—2019年該領域發(fā)文量為1661篇，占文獻總量的74.99%。結果表明，生物炭土壤效應研究經(jīng)歷緩慢增長—平穩(wěn)增長—快速增長3個階段（圖1）。2011年之前該研究領域所受關注度較弱，為起步階段;2012—2015年理論基礎基本形成，出現(xiàn)較多的相關文獻，進入平穩(wěn)增長階段;2016—2019年該領域所受關注度迅速上升，進入快速增長階段。表明生物炭土壤效應研究領域已引起研究學者們的廣泛關注。由此推測，隨著相關工作的持續(xù)開展，生物炭土壤效應研究將繼續(xù)趨于深入與完善。

文獻被引頻次是衡量某篇文獻受其他學者的認可度以及文獻重要性的指標，一定程度上反映了相關學者對該項研究工作的關注程度[17]。從表1可以看出，文獻“土壤生物質炭環(huán)境行為與環(huán)境效應”是被引頻次最高的論文，該篇論文從生物炭特性、生物炭生物與非生物氧化機制、全球氣候變化對生物炭的響應和生物炭土壤環(huán)境效應等方面，概述了土壤生物炭的研究進展，并提出未來的研究工作應針對土壤施用生物炭后，從土壤理化性質、土壤養(yǎng)分、生物炭性質、土壤微生物生態(tài)以及生物炭緩釋肥等方面開展[18]。

“生物質炭的性質及其對土壤環(huán)境功能影響的研究進展”重點概述了生物炭理化性質、生物炭對土壤物理性質和保水能力的影響、生物炭的穩(wěn)定性與土壤固碳作用以及生物炭對污染土壤的修復功能等方面的研究進展，并指出生物炭長期農(nóng)業(yè)利用的環(huán)境風險、熱帶和亞熱帶以外地區(qū)生物炭施用、生物炭大規(guī)模推廣應用、生物炭對除農(nóng)作物以外其他研究對象（草地、灌木、森林）養(yǎng)分與生長狀況的影響、生物炭對土壤和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境功能的影響機制以及生物炭施用長期效果等研究還有待進一步開展[19]。

“生物炭生產(chǎn)與農(nóng)用的意義及國內(nèi)外動態(tài)”從生物炭與碳減排、生物炭農(nóng)用與多贏戰(zhàn)略、生物炭生產(chǎn)與原料以及國內(nèi)外研究動態(tài)與方向等方面概述了生物炭農(nóng)用研究進展，并提出今后應加強生物炭的研究與開發(fā)，推動廢棄生物質綜合利用，促進土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[11]。

“生物炭對土壤肥料的作用及未來研究”整理分析了生物炭性質與特征、生物炭對土壤改良作用及作物效應、肥料增效載體、土壤生物炭固碳潛力等方面的研究進展，指出未來應加強生物炭性質特征研究以便制定生物炭定義與標準，通過系統(tǒng)性、長期性試驗評估生物炭對土壤及環(huán)境的影響研究以便制定生物炭農(nóng)用標準，此外，還需進一步研發(fā)生物炭與肥料復合工藝及合理配施技術[20]。

“生物炭的環(huán)境效應及其應用的研究進展”介紹了生物炭的結構與特性，并對生物炭改良土壤肥力機制、生物炭固碳作用機制以及生物炭對有機污染物與重金屬吸附行為等研究進行歸納提煉，分析出今后的研究工作應關注以下方面：土壤中生物炭定性定量分析方法與微觀結構解析、生物炭影響土壤理化性質的具體作用機制、生物炭對土壤重金屬遷移性與有效性的影響、生物炭針對性優(yōu)化以及大規(guī)模應用生物炭的可行性分析[21]。

2.2作者及合作關系

分析生物炭土壤效應研究領域的作者分布情況，有助于明確該領域的主要學者，有利于了解相關學者的研究概況，從而促進該領域的學術交流合作，推動研究的深入發(fā)展[22]。中介中心性由CiteSpace計算生成，中介中心性可以識別共現(xiàn)網(wǎng)絡中高度連接的節(jié)點。由作者合作關系共現(xiàn)網(wǎng)絡生成的節(jié)點中介中心性，可以反映該作者在學科領域知識發(fā)展過程中的關鍵性和影響力[23]，體現(xiàn)網(wǎng)絡結構中該作者的重要性[24]。

從表2可以看出，在發(fā)文量排名前10的作者中，文獻被引頻次排前3位的作者分別是耿增超、孟軍、陳溫福，篇均被引頻次排前3位的作者分別是耿增超、陳溫福、孟軍。發(fā)文量較大、被引頻次與篇均被引頻次均較高的耿增超、陳溫福、孟軍是生物炭土壤效應研究領域具有重要影響力的關鍵學者。

作者合作共現(xiàn)圖譜可以直觀展現(xiàn)引領某個研究領域的關鍵學者[25]。分析作者合作共現(xiàn)圖譜，可以揭示出合作密切的學者群，發(fā)掘學術研究的團隊效應[15]。從圖2可以看出，潘根興、李戀卿和張旭輝等為同一科研團隊，主要研究生物炭對農(nóng)田土壤特性以及水稻、白菜、葡萄等糧食果蔬作物生長與產(chǎn)量的影響[26];耿增超、徐萬里、唐光木和何緒生等為同一科研團隊，主要研究生物炭對西北地區(qū)土、灰漠土土壤性質以及小麥、棉花等作物生長與產(chǎn)量的影響[27];劉國順和任天寶等為同一科研團隊，主要研究生物炭對河南地區(qū)植煙土壤養(yǎng)分以及烤煙產(chǎn)量與品質的影響[28];陳溫福、孟軍和韓曉日等為同一科研團隊，主要研究生物炭對東北地區(qū)棕壤理化性質以及玉米、水稻、大豆和花生等農(nóng)作物生長及產(chǎn)量的影響[29];屈忠義和勾芒芒等為同一科研團隊，主要研究生物炭對內(nèi)蒙古地區(qū)沙壤土土壤含水率、土壤肥力和土壤溫度以及番茄的生長與產(chǎn)量的影響[30]。從作者合作共現(xiàn)網(wǎng)絡可以看出，不同團隊間的交流較為缺乏，其原因主要是各個團隊研究地點與研究對象不同，同時根據(jù)中介中心性的缺失（表2），同一團隊內(nèi)的核心作者較模糊。

2.3研究機構及合作關系

分析研究機構分布情況，能夠幫助了解學術界對該研究領域的支持與認可程度，有利于機構間的交流與合作[30]。重要數(shù)據(jù)庫收錄的文獻數(shù)量、被引頻次及篇均被引頻次反映了該研究機構的整體科研能力和學術影響力[31]。從表3可以看出，在發(fā)文量位列前10的研究機構中，南京農(nóng)業(yè)大學發(fā)文量排第1位，西北農(nóng)林科技大學發(fā)文量位居第2位，發(fā)文量位居第3位的是中國科學院南京土壤研究所;被引頻次排第1位的是西北農(nóng)林科技大學，中國科學院南京土壤研究所被引頻次位居第2，被引頻次位居第3的是沈陽農(nóng)業(yè)大學;篇均被引頻次位居第1的是西北農(nóng)林科技大學，其次是中國科學院南京土壤研究所，第3的是中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所;中介中心性大于0.1的研究機構從高到底依次為西北農(nóng)林科技大學、中國科學院南京土壤研究所、東北農(nóng)業(yè)大學。綜合分析上述結果可知，西北農(nóng)林科技大學與中國科學院南京土壤研究所以較高的發(fā)文量、被引頻次及篇均被引頻次，成為該領域具有較強影響力的核心研究機構，2家機構所發(fā)文獻具有重要的學術價值。從合作網(wǎng)絡（圖3）來看，研究機構之間交流較頻繁，聯(lián)系較緊密。

2.4期刊分布情況分析

通過統(tǒng)計分析刊載某研究領域文獻的出版物，對該領域的主要期刊進行確定，有助于相關學者選擇重點期刊進行閱讀[22]，提高科研人員在該領域的學術鑒別力、洞察力與思維能力，開闊學術視野，拓展研究思路，實現(xiàn)科技創(chuàng)新，推動相關研究深入發(fā)展;此外，有助于相關學者的論文投稿與發(fā)表，有利于學術成果的呈現(xiàn)。影響因子反映了期刊在其研究領域的學術影響力，是衡量期刊質量水平的重要指標[32]。影響因子越高，說明該期刊在其研究領域的影響力越大。

從表4可以看出，文獻載文量位居前10的期刊共發(fā)文633篇，占文獻總量的28.58%;發(fā)文量排前3位的期刊依次為《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報》《水土保持學報》《環(huán)境科學》;被引頻次排前3位的期刊依次為《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報》《生態(tài)環(huán)境學報》《環(huán)境科學》;篇均被引頻次位居前3位的期刊依次為《生態(tài)環(huán)境學報》《中國農(nóng)學通報》《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報》;影響因子排前3位的期刊依次為《植物營養(yǎng)與肥料學報》《環(huán)境科學》《生態(tài)環(huán)境學報》。綜合分析上述結果可知，在生物炭土壤效應研究領域，《生態(tài)環(huán)境學報》《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報》所發(fā)文獻具有較高的質量水平、學術價值和影響力，是基于CNKI文獻的該研究領域的重要核心期刊。

2.5關鍵詞分析

2.5.1研究熱點關鍵詞是文獻的核心與精髓，可以高度概括文獻的研究熱點，對學科領域的研究熱點具有指示性作用。CiteSpace繪制的關鍵詞聚類知識圖譜能夠較好地反映關鍵詞之間的關聯(lián)性。對文獻進行關鍵詞聚類分析，生成的知識圖譜中共有13個聚類（圖4）。其中，聚類#0“產(chǎn)量”主要關注生物炭對白菜、黃瓜、番茄等作物的生長、產(chǎn)量以及品質的影響研究;聚類#1“甲烷”主要關注生物炭對稻田N2O、CH4等溫室氣體排放的影響研究;聚類#2“磷脂脂肪酸”主要關注生物炭對土壤理化性質、土壤微生物群落結構以及玉米等作物產(chǎn)量的影響研究;聚類#3“煙草”主要關注生物炭對植煙土壤理化性質以及烤煙產(chǎn)量與質量的影響研究;聚類#4“土壤碳截留”主要關注生物炭對土壤固碳作用的影響研究;聚類#5“土壤酶”主要關注生物炭對土壤酶活性及微生物多樣性的影響研究;聚類#6“鈍化”主要關注生物炭對稻田土壤重金屬污染鈍化修復效應的研究;聚類#7“硝態(tài)氮”主要關注生物炭對土壤氮素有效性及氮磷養(yǎng)分淋溶的影響研究;聚類#8“熱裂解”主要關注不同熱裂解條件對生物炭特性的影響研究，以及不同類型生物炭對土壤性質、氮肥利用率的影響研究;聚類#9“水分”主要關注生物炭對土壤水分特征的影響研究;聚類#10“Cd”主要關注生物炭對Cd2+等重金屬離子的吸附特性研究;聚類#11“小麥”主要關注生物炭對小麥生長、養(yǎng)分吸收及土壤理化性質與酶活性的影響研究;聚類#12“吸附動力學”主要關注生物炭對土壤重金屬等無機污染物、殘留農(nóng)藥等有機污染物的吸附-解吸行為與生物有效性的影響研究。

2.5.2研究趨勢CiteSpace時區(qū)圖（timezone）可以直觀反映出某領域在不同時間的研究前沿及其衍生關系，進而合理預測某研究今后的發(fā)展;關鍵詞頻次可以在一定程度上反映某研究的主要熱點領域;關鍵詞的突現(xiàn)性較高表明某個時期內(nèi)關鍵詞頻次變化率高，通過分析關鍵詞突現(xiàn)性，可以挖掘研究熱點，反映該領域的研究前沿與趨勢。運用CiteSpace時區(qū)圖對文獻關鍵詞進行分析（圖5），并篩選出高頻次和高突現(xiàn)性關鍵詞（表5）。

起步階段（2009—2011年）：該階段頻次>1的關鍵詞僅有6個，頻次最高值為15次，相對較低，同時，突現(xiàn)性關鍵詞僅1個，相關研究較少，表明2009—2011年是生物炭在土壤科學領域研究的初始階段，該階段主要關注生物炭污染紅壤的修復作用研究。

平穩(wěn)增長階段（2012—2015年）：由關鍵詞頻次可知，該階段主要關注生物炭對土壤重金屬的吸附作用研究、生物炭對土壤養(yǎng)分肥力以及作物產(chǎn)量的影響研究;根據(jù)關鍵詞突現(xiàn)性可知，該階段研究熱點為生物炭對土壤CH4、N2O等溫室氣體排放的影響以及生物炭對作物生長的影響。

快速增長階段（2016—2019年）：依據(jù)關鍵詞頻次可知，該階段主要關注基于土壤養(yǎng)分提升的生物炭土壤改良作用研究、基于土壤重金屬吸附的生物炭土壤修復作用研究、生物炭對烤煙等作物產(chǎn)量的影響研究以及秸稈生物炭應用研究;分析該階段高突現(xiàn)性關鍵詞可知，該階段研究熱點為生物炭對植煙土壤理化性質的影響、生物炭對土壤NH4+吸附作用及N2O減排機制、生物炭對土壤酶活性的影響、生物炭對黃瓜生長與產(chǎn)質量的影響以及紫色土生物炭應用研究。

3討論與結論

生物炭原料易得、制備簡便，作為一種古老而又新穎的功能材料，其在改良土壤理化性質以及修復土壤污染等方面具有顯著優(yōu)勢。目前生物炭土壤效應研究處于快速發(fā)展階段，作為一個年輕而又充滿活力的研究領域，由于生物炭功能的復雜性，仍須深入研究生物炭土壤效應作用機制，如運用分子生物學方法，通過高通量測序，研究生物炭對土壤微生物群落結構的影響，還可以利用分子探針技術，研究生物炭對土壤功能基因組成的影響;此外，生物炭對土壤中重金屬以及有機污染物吸附行為的機制還須進一步明確，生物炭環(huán)境風險有待評估。

本研究運用CiteSpace對大量文獻數(shù)據(jù)進行可視化分析處理，實現(xiàn)穿透性文獻信息潛在知識脈絡分析，探索數(shù)據(jù)之間的隱藏規(guī)律，但受限于提取信息及分析算法，一定程度上會影響CiteSpace運算結果的精確性。此外，限于篇幅，本研究未對國際生物炭土壤效應研究進行相關分析，希望今后能開展對國際生物炭土壤效應研究領域文獻的分析工作，詳細描述解析其研究基礎與研究熱點等。

當前，生物炭土壤效應研究對象主要為農(nóng)田土壤，對林地、草地土壤研究較為缺乏，相關工作有待加強。此外，以往的研究主要為短期盆栽與小規(guī)模田間試驗，忽略了生物炭對土壤性質影響的時間梯度變化。未來應設置野外長期定位試驗，深入分析生物炭土壤效應作用機制，為生物炭的大面積推廣應用提供理論基礎，促進農(nóng)作物秸稈等農(nóng)林廢棄物合理利用，推動生態(tài)環(huán)境綠色可持續(xù)發(fā)展。

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