陳甜倩 高 陽 馮 喆 楊 楊 吳克寧 趙華甫

(1.中國農業(yè)大學 土地科學與技術學院，北京 100193；2.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院，北京 100083；3.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

土壤是生物圈、巖石圈、水圈和大氣圈的核心部分和交匯區(qū)，是地球關鍵帶的核心組成部分[1]。土壤匯集了碳、氮和水三大生物地球化學循環(huán)[2]，是支撐生物多樣性和人類生存的重要生態(tài)系統(tǒng)。隨著人口的增長，土壤壓力逐漸增加，土壤的自然資本也面臨持續(xù)的下降[3]，土壤安全這一新興的可持續(xù)性科學概念也越來越受到重視[4]。土壤安全取決于土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務[5]。土壤生態(tài)系統(tǒng)服務是指“土壤特殊自然資產對人類提供的福祉”[3]，其強調土壤在生態(tài)系統(tǒng)和土地利用范圍內，維持生物生產力、維護環(huán)境質量、促進動植物和人類健康等諸多惠益[6-8]。目前，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的概念內涵[9]、觀測手段與技術[10]、區(qū)劃與制圖[11]等研究已經(jīng)取得成果。土壤生態(tài)系統(tǒng)服務是與農林生產緊密相關的，通過土壤功能形成傳遞至人類社會的終端自然供給，包括初級生產力、水凈化與調節(jié)、碳封存與調節(jié)、生物多樣性供給、養(yǎng)分供給與循環(huán)等[12]。在服務評價指標及其權重方面，文獻和專家經(jīng)驗等先驗知識是選取指標和確定權重的重要依據(jù)；在具體服務評價模型上，遵循生態(tài)系統(tǒng)服務評價普遍經(jīng)驗，多采用可表達水土過程的機理過程模型[13]。在過程驅動及影響機制方面，土壤生態(tài)系統(tǒng)是不同作用尺度的成土因素共同作用的結果[14]。全球氣候變化[15]、城市化[6]、人為工程[10]等影響了土壤的封閉、壓實，加劇了鹽堿化和污染，是土壤生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務變化的重要因素。

與其他服務相比，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務在過程和機理性評估方面優(yōu)勢明顯，其野外采樣、控制實驗和過程模擬等較技術相對成熟。但與土壤過程與功能評估相比，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務分類和經(jīng)濟評估仍處于探索階段[16-19]。通過強化土壤生態(tài)系統(tǒng)服務以合理利用、改善、恢復土地資源[20]，保障糧食安全[21]，是解決氣候變暖和土壤退化下等土壤可持續(xù)管理重要抓手[3,22]。因此，本研究擬以土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究領域1 617篇文獻為研究對象，基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫提供的相關文獻引文信息，采用文獻計量法來對現(xiàn)有土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究成果進行系統(tǒng)梳理，提煉相關文獻并繪制知識圖譜， 結合引文可視化工具，采用合作網(wǎng)絡分析、共被引分析、關鍵詞共現(xiàn)分析及突發(fā)分析，繪制知識圖譜，揭示土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究動態(tài)，以期為土壤生態(tài)系統(tǒng)服務優(yōu)化調控研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用英文文獻進行計量化分析，數(shù)據(jù)樣本選自Web of Science核心數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫收錄了全球各個學科重要的文獻，及其作者和作者附屬機構，并提供完整的引文信息。

檢索步驟包含：①檢索起點選定1997年，即Costanza等[23]發(fā)表《The value of the world’s ecosystem services and natural capital》(世界生態(tài)系統(tǒng)服務與自然資本核算)的重要年份；②檢索時間截至2020-12-31；③檢索語句為TU=ECOSYSTEM SERVICE AND TI=SOIL。

檢索結果篩選步驟：①選擇文獻類型(Document Types)為文章(ARTICLE)，刪去會議摘要、書評、信件；②刪除無關條目，去除重復條目。最終，以檢索所得的1 617篇文獻為研究數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

本研究采用文獻可視化分析軟件CiteSpace，該工具為檢測和可視化隨時間推移的新興趨勢和突變而開發(fā)，根據(jù)相關文獻的被引情況等可確定某一領域的基礎[24-25]。具體研究思路見圖1。通過對篩選所得的1 617篇文獻進行研究階段分析、關鍵詞共現(xiàn)分析和突發(fā)分析、文獻共被引分析，結合對1997—2020年各年份內的文獻的主題梳理，探索研究領域演化的關鍵路徑，并進行一系列可視化圖譜的繪制，來形成對學科研究熱點、學科演化分析和發(fā)展前沿的探測。

圖1 研究框架Fig.1 Research framework

關鍵詞主要是用于表達文獻核心內容的描述性詞語[26]。在所考慮的時間序列中，關鍵詞出現(xiàn)頻次和突發(fā)強度是熱點變化途徑識別的關鍵要素[27]。文獻的共引文獻內容反映了研究領域的知識基礎，為深入研究奠定了基礎[28-29]。因此，本研究采用關鍵詞共現(xiàn)分析和突發(fā)分析，結合文獻共被引分析，概括研究熱點，把握學科領域的發(fā)展脈絡[30]。

在研究發(fā)展脈絡的具體劃分中，對“關鍵詞”采用對數(shù)似然率(Log-likelihood ratio，LLR)方法進行聚類，通過LLR和MI算法提取的研究術語傾向于反映集群的獨特性[23]，并且使用LLR算法提取聚類標簽會更加符合實際情況，重復較少。另外，對于文本分析和類似問題，使用LLR可以大大改善統(tǒng)計結果，如：使用非常小的文本量可以有效地進行統(tǒng)計文本分析，并且可以比較罕見現(xiàn)象和常見現(xiàn)象發(fā)生的重要性[31]。

本研究參數(shù)設置和所涉及的指標解讀如表1所示。設置項目有：時間范圍(Time slicing)、主題詞來源(Term source)、節(jié)點類型(Node types)、主題詞閾值(Selection criteria)、網(wǎng)絡裁剪(Pruning)，其余保持默認(Default)。圖譜解讀主要從節(jié)點(node)、連線(link)、顏色(color)、標注(label)、網(wǎng)絡(network)等分析，計量指標有頻次(frequency)、中介中心性(betweenness centrality，簡稱“中心性”)、突發(fā)度(strength)等。

表1 文獻分析研究方法及參數(shù)設置Table 1 Overview of research methods and parameter setting

2 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務核心觀點

2.1 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務文獻基本特征

在全球氣候變化、糧食安全與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展需求的背景下，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務文獻數(shù)量近年來快速增加。最早的一篇與“土壤生態(tài)系統(tǒng)服務”直接相關的文獻發(fā)表于1998年[32]。1997—2020年，共收集到 1 617篇文獻發(fā)表在266種期刊上，與生態(tài)學、環(huán)境學等相關的ScienceoftheTotalEnvironment、AgricultureEcosystemsEnvironment、AppliedSoilEcology和Geoderma4種期刊刊載量靠前。在發(fā)表階段劃分上，1997—2005年土地生態(tài)系統(tǒng)服務相關文獻年發(fā)文數(shù)量較平穩(wěn)；2006—2018年年度發(fā)文數(shù)和累計發(fā)文數(shù)增長較快(圖2)。2006年是土壤生態(tài)系統(tǒng)服務出版文獻快速增長的一年。其中：Housman等[33]闡釋了固碳固氮服務在科羅拉多高原和奇瓦瓦沙漠的生物土壤結殼的演替階段之間的差異，被引達142次；同年，Lavelle等[34]論述了土壤中的無脊椎動物和生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關聯(lián)，被引達441次。

圖2 1997—2020年土壤生態(tài)系統(tǒng)服務相關文獻發(fā)表數(shù)量Fig.2 Distribution of the number of research documents published from 1997 to 2020

2.2 研究熱點概括

由關鍵詞共現(xiàn)圖譜可見，排名前5的絕對高頻關鍵詞有“生態(tài)系統(tǒng)服務(ecosystem services)”、“管理(management)”、“生物多樣性(biodiversity)”、“有機質(organic matter)”、“土地利用(land use)”，而出現(xiàn)時間最早的關鍵詞為“影響(impact)”(圖3)。通過關鍵詞突發(fā)性檢驗(表2)，識別出突發(fā)強度較大的前33個關鍵詞。突發(fā)詞反映了不同研究時期的研究內容和研究區(qū)的變化。關鍵詞的頻次、突發(fā)性能宏觀反映出研究主要主題及變化，但是詞頻高低只代表這個主題的關注程度。因此，本研究通過被引網(wǎng)絡圖譜分析(圖4)，來刻畫土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究內各個主題的重要性，并依據(jù)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究熱點演化趨勢可劃分為起步(1997—2008年)、概念及研究體系初步形成(2009—2013年)、穩(wěn)定發(fā)展(2014—2015年)和深入探索(2016—2020年)4個階段?？v觀4個研究階段，從對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的初步探索，到開始出現(xiàn)較強的研究網(wǎng)絡凝聚力，對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的認知也更為豐富，進而探索了可持續(xù)管理路徑，呈現(xiàn)出循序漸進的規(guī)律，較好的表現(xiàn)了學術界對于新事物的“初識—熟知—深入”的接受過程。

表2 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務突發(fā)詞年份排序Table 2 Outburst year ranking of soil ecosystem service

圖3 關鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.3 Time and focus distribution of keywords

圖4 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究主題網(wǎng)絡圖譜Fig.4 Topic network map of soil ecosystem services

2.2.1研究初期

1997—2008年，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究處于起步階段，各聚類內的關鍵詞高頻出現(xiàn)，這標志著土壤生態(tài)系統(tǒng)服務在這個時期突破性發(fā)展，從共被引網(wǎng)絡來看(圖4)，研究主要集中在于“可持續(xù)農業(yè)”和“植物物種”2 個方面[35-36]，高強度突發(fā)性關鍵詞有“cropping system(種植系統(tǒng))”和“l(fā)andscape(景觀)”。

土壤是生態(tài)系統(tǒng)服務多樣性的重要來源，其所提供的有益服務可支持大多數(shù)農牧業(yè)生產系統(tǒng)，比如土壤形成、養(yǎng)分循環(huán)、初級生產[34]。然而土壤圈內部的物質遷移、轉換過程活躍，與地球其他圈層之間的物質交換過程、速率、機制及其相互影響機制復雜。在這一時期，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究被作為切入點來研究土壤中生物和功能多樣性以及生態(tài)相互作用。Lavelle等[34]認為在土地和景觀尺度上，無脊椎動物積極參與土壤中物理、化學和生物過程之間相互作用，通過土壤提供重要的生態(tài)系統(tǒng)服務，可能是土壤質量的最佳指標，但其價值往往被忽略，應將無脊椎動物視為一種資源，通過對其進行適當管理，以增強農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。同時期的Barrios[37]關注到土壤生物群落可以對土地生產力產生直接和間接的影響，直接影響是指特定生物立即作用與農作物產量的影響；間接影響包括土壤生物參與碳和養(yǎng)分循環(huán)，土壤結構改變和食物網(wǎng)相互作用所產生的影響最終產生了影響生產力的生態(tài)系統(tǒng)服務，并且提出明確和合理管理土壤生物區(qū)系來管理土壤生態(tài)系統(tǒng)服務。

此外，土壤有機質是土壤資源狀況的有效指標，反映了聚集和滲透等功能性狀，并在維持農業(yè)景觀的生產和生態(tài)系統(tǒng)服務中發(fā)揮著關鍵作用[38]。在這個階段已有研究提出應重視黑碳和埋藏碳對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，并且有必要在景觀尺度、流域、區(qū)域和全球尺度上評估受土壤耕作和殘留管理影響的碳循環(huán)的組成部分[39]。

總之，早期的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究作為生態(tài)系統(tǒng)服務研究和土壤學的前沿分支，從土壤圈層的復雜作用出發(fā)，關注了土壤生物和土壤有機質等對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的影響和指示作用，并且出現(xiàn)包括景觀級別在內的多尺度的研究案例或者研究導向。在這一階段，研究以對土壤功能的探索和實用性研究為主，逐步進行概念界定和知識積累。

2.2.2研究增長期

2009—2013年，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究處于概念及研究體系初步形成的階段，開始形成不同的研究分支，逐步拓展研究網(wǎng)絡，大量高頻次關鍵詞和突發(fā)詞大量涌現(xiàn)，以歐洲的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究最為活躍。知識圖譜顯示，該領域研究者對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的認知逐漸豐富，突發(fā)詞有“農業(yè)土壤(agricultural soil)”、“分類(classification)”、“生態(tài)系統(tǒng)(ecosystem)”、“土壤質量(soil quality)”、“蚯蚓(earthworm)”等18個，其中“土壤動物區(qū)系(soil fauna)”突發(fā)期為2012—2016年，“叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi)”和“尺度(scale)”的突發(fā)期直至2017年結束(圖4)。

研究熱點內容之一是與可持續(xù)農業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)服務有關的土壤管理，包括土壤特性研究、農業(yè)耕作方式研究、農戶產權等在內。通常認為有機耕作可以保護和利用土壤生態(tài)系統(tǒng)服務，也是一種更可持續(xù)的糧食生產方法，可持續(xù)農業(yè)和自然恢復也被視為耕地集約化利用的可行的長期替代方案[40]。但是“有機農業(yè)”和“常規(guī)農業(yè)”都涵蓋了多種耕作方式，其中，某些方式比其他方式更多地增強或減少了生態(tài)系統(tǒng)服務，因此可持續(xù)農業(yè)應當集中于特定農業(yè)實踐[41]。此外，F(xiàn)oudi[42]考察了產權在農民實踐和水土保持中的作用，建立了包含土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的生產函數(shù)方法在內的最佳控制模型。

土壤食物網(wǎng)屬性可解釋土地利用系統(tǒng)中的生態(tài)系統(tǒng)服務的變化，如土地利用系統(tǒng)和地理位置之間碳和氮循環(huán)的過程，并且比土地利用更好地預測了這些過程[43]。已有研究表明，在生態(tài)系統(tǒng)變化過程中土壤食物網(wǎng)的變化會改變碳和養(yǎng)分循環(huán)速率，對植物生長和固碳具有重要意義[44]。為此，歐盟開展“歐洲流域土壤轉化”項目(Soil Transformations in European Catchments)，關注了土壤食物網(wǎng)在生態(tài)系統(tǒng)過程(固碳、養(yǎng)分循環(huán)、土壤團聚體形成)中的作用[40]。土壤食物網(wǎng)中的重要消費者是土壤動物，是生態(tài)系統(tǒng)服務的提供者，因此土壤動物功能復雜性與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務之間的關系的微觀研究也是這一時期研究的熱點[45]。

在共被引網(wǎng)絡(圖4)的關鍵節(jié)點對應文獻中，Schimel等[46]主要探討了微生物生理和群落組成對干旱和凍結兩大重要生態(tài)系統(tǒng)壓力因素的響應及其對生態(tài)功能的影響。土壤生物群對于許多土壤過程和功能至關重要，因此Pulleman[47]提出可以通過對生物指標進行監(jiān)測，以達到聯(lián)系土地利用管理與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的目的。但是這并不是具有普適性的生物指示劑，在不同的土壤條件下仍需要相應的指標，比如在沙質和粉質土壤中，彈尾目和線蟲之間的相互作用對于降低小麥秸稈的氮濃度至關重要，對促進土壤健康做出了重要貢獻[48]。此外，生物多樣性也提供許多生態(tài)系統(tǒng)服務，對于生態(tài)系統(tǒng)管理者來說，需要確定所有物種是否都是服務同等重要提供者，或者某些物種是否比其他物種更重要[49]。

土壤質量是土壤健康的代名詞，在考慮當代和未來土地利用時是重要的概念[50]。為實現(xiàn)土地可持續(xù)性管理和決策，需要關注土壤和土地利用如何支撐生態(tài)系統(tǒng)服務[50]。比如考慮到環(huán)境的多樣性，必須調整全球政策，并在國家或國家以下各級制定戰(zhàn)略，以改善土壤環(huán)境，此類倡議須在當?shù)剞r民一級采取行動，并著重于生態(tài)系統(tǒng)服務[51]。對于利益相關者而言，開發(fā)優(yōu)化分配和量化生態(tài)系統(tǒng)服務的工具有助于認識和應用生態(tài)系統(tǒng)服務[52]。梳理土壤形成過程的概念與土壤形成的因素，可用于構建生態(tài)系統(tǒng)服務—自然資本的整體概念模型[53]。Dominati等[5]以土壤形成、功能和分類系統(tǒng)為基礎，結合對生態(tài)系統(tǒng)服務的思考，開發(fā)了土壤自然資本和生態(tài)系統(tǒng)服務分類和量化框架(圖5)，可供土壤學家、農戶和政策制定者在內的不同利益相關者用于土壤管理和決策[54]，甚至生態(tài)風險評估[55]。該框架的建立較同時期的案例研究更具討論空間，如Robinson[56]認為該框架可應用地球系統(tǒng)方法和生態(tài)系統(tǒng)供應鏈的原理，關注土壤生態(tài)系統(tǒng)產品和服務的來源，但是這并不影響該框架的廣泛使用。

圖5 土壤自然資本和生態(tài)系統(tǒng)服務分類和量化框架(修改自Dominati等[5])Fig.5 Framework for the classification and quantification of ecosystem services from soil natural capital (Adapted from Dominati et al. [5])

總之，這個階段的案例研究主要包括“可持續(xù)利用管理”、“土壤食物網(wǎng)屬性”和“生物化學特征”3部分的內容，重要理論貢獻有土壤自然資本和生態(tài)系統(tǒng)服務的分類評估框架，熱點分支主要集中在“土壤微生物與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務”和“農業(yè)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務”上。這一時期的研究主題和范式更加豐富，呈現(xiàn)出從概念界定、研究范式的討論走向微觀具體的發(fā)展趨勢。

2.2.3研究穩(wěn)定期

2014—2015年，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究處于穩(wěn)定發(fā)展階段，高頻詞和突發(fā)詞穩(wěn)定增長。這個時期的共被引網(wǎng)絡圖譜中聚類節(jié)點較多、網(wǎng)絡復雜、中心度分布均衡，出現(xiàn)了“森林土壤(forest soil)”、“土壤碳(soil carbon)”、“存儲(storage)”、“土壤有機碳(soil organic carbon)”、“美國(United States)”、“酶活性(enzyme activity)”等突發(fā)關鍵詞。這個階段的研究主題和方法具有“承上啟下”的特征，既是上一個研究期的延續(xù)，比如生物指標[57]、土壤自然資本—生態(tài)系統(tǒng)服務框架[58]，又轉向了新的熱點。

土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的驅動機制研究便是研究熱點之一，主要包括生物地球化學循環(huán)和生物多樣性[59-60]、土地利用變化[61-62]等方面。此研究成果可用以建立土壤生態(tài)系統(tǒng)服務為基礎以促進農業(yè)可持續(xù)集約化的框架，實施功能性土地管理[12]。研究熱點還轉向碳固存等調節(jié)服務，包括不同的植物對土壤有機碳和團聚的影響[63]、土壤其理化性狀如何影響固碳[64]，主要采用對照實驗法。值得注意的是，在下一個研究階段，關于土壤碳的研究迎來了快速增長。

在這一階段，通常使用指標表征養(yǎng)分循環(huán)和作物生產等土壤生態(tài)系統(tǒng)服務，然后研究其景觀異質性梯度下的權衡/協(xié)同關系，現(xiàn)有研究表明在不同景觀對不同土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的影響程度也有所差異。比如：Marichal等[65]在亞馬遜河森林景觀的研究中發(fā)現(xiàn)在大型動物群落、景觀指標、生態(tài)系統(tǒng)服務之間有協(xié)同關系，并且牧區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務受森林景觀內的影響；Williams等[66]發(fā)現(xiàn)農業(yè)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務幾乎不受周圍景觀的影響。驅動機制研究和景觀異質性梯度下的權衡/協(xié)同關系研究可服務于農業(yè)規(guī)劃、生態(tài)規(guī)劃等綜合性規(guī)劃，其特點是需要同時考慮社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)[67]。

總之，這一時期的主要研究成果集中于土壤作為自然資本及生態(tài)系統(tǒng)服務提供者，其所能提供的生態(tài)系統(tǒng)服務及土壤生態(tài)系統(tǒng)服務如何滿足人類需求[5]、土壤生態(tài)系統(tǒng)服務驅動機制研究[46]、土壤固碳的能力及其理化性狀如何影響碳固存[64]等方面。

計量溯源性是測量不確定度的主要來源[4]。測量不確定直接反映出測量數(shù)據(jù)的質量[5]。因此，實驗室可以結合特定測量設備歷年校準結果給出的不確定度來評估該校準機構的技術能力。建議實驗室應及時關注校準規(guī)范/規(guī)程的發(fā)布與實施，動態(tài)管理和評價合格校準機構資質與能力。

2.2.4研究深入探索期

2016—2020年，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究圍繞土壤自然資本及土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的可持續(xù)管理路徑進行了更深層次的探索。共被引網(wǎng)絡圖譜(圖4)表現(xiàn)出節(jié)點增加、聚類緊密、網(wǎng)絡復雜的特征，且與服務需求群組緊密相連，突發(fā)詞有“牧場(pasture)”、“植物(plant)”、“重金屬(heavy metal)”、“中國(China)”、“變異性(variability)”、“土地管理(land management)”、“徑流(runoff)”，這些文獻計量結果一方面標志著在中國開展的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究迎來活躍期，另一方面反映了學界愈發(fā)關注土壤污染和土地管理等。比如生物結皮恢復的相關研究，針對“土壤侵蝕防護”和“水土保持”等調節(jié)服務開展了大量工作，其中黃土高原是熱點研究區(qū)。

在這一階段，世界范圍內的土壤污染問題日益嚴峻，土壤服務管理需求快速增長。2018年全球土壤污染研討會上的相關報告指出，世界各地對土壤污染的憂慮日益增加，據(jù)估計澳大利亞現(xiàn)在約有8 萬個地點存在土壤污染；中國將其16%的土壤以及19%的農業(yè)土壤列為受污染土壤；歐洲經(jīng)濟區(qū)和西巴爾干地區(qū)約有300萬個潛在污染地點；美國有1 300個地點被列入該國的超級基金國家重點污染熱點清單[68]。日益嚴重的土壤環(huán)境問題若不及時采取對應措施，將會對人類生產生活帶來不可估量的危害。中國也面臨著嚴重的土壤重金屬污染的挑戰(zhàn)，嚴重損害了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務和土壤安全，若不及時采取對應措施，人類生產生活將會受到危害。為評估土壤修復項目能否彌補重金屬污染土壤受損的服務，如食物供給服務、文化服務、調節(jié)服務等，已有研究提出了量化受重金屬污染土壤提供的生態(tài)系統(tǒng)服務的框架，從受污染土壤的角度來進行優(yōu)化[69]。

土壤管理是實現(xiàn)土壤健康的重要途徑[70]，此前的土壤健康管理的主要重點一直是提高農作物的生產力，并在一定程度上提高投入的相關經(jīng)濟效益和使用效率[71]，而在深入探索期，基于過程的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究和管理框架[72]，開發(fā)了自適應管理和土壤功能區(qū)管理等管理策略。其中，自適應管理旨在減少管理過程中的不確定性，確保管理者在提高土壤多功能性的產出的同時不會導致土壤系統(tǒng)反饋產生的非線性系統(tǒng)轉變[73]。土壤功能區(qū)管理是一種開發(fā)可持續(xù)生產系統(tǒng)的新策略，在農業(yè)空間內創(chuàng)建不同的功能區(qū)，以促進更大的土壤生物多樣性，并在田地層面整合互補的土壤過程，用于優(yōu)化農業(yè)系統(tǒng)中多種商品和服務交付，從而在保護和增強土壤功能的同時實現(xiàn)可持續(xù)利用[74]。

對于農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言，部分常規(guī)耕作、管理措施會導致土壤逐步退化，比如除草劑的使用會破壞土壤的抗侵蝕能力[75]，接踵而至的便是土壤的肥力降低，尤其是土壤微生物群分解有機物的能力也會降低，因此恢復深度土壤肥力是農業(yè)土壤管理的關鍵[76]。現(xiàn)有研究表明，可通過影響農業(yè)景觀中生態(tài)系統(tǒng)服務的供給和權衡及二者協(xié)同關系來達到管理目標[77-79]，如耕作和景觀組成對水質調節(jié)和雜草控制會產生交互影響。在耕作制度方面，中等強度和一體化的耕作制度，既能維持全球糧食安全，又可以充分維持環(huán)境質量和生態(tài)系統(tǒng)服務供給[80]。而對于空置的城市土壤或者是廢棄的農田，此階段的研究顯示這2 類土壤通常適合提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務，且服務供給潛力存在一定程度的均質化[81-82]。此外，可持續(xù)土壤管理出現(xiàn)了以關于農民參與決策和政策建議中環(huán)境與社會的概念框架[83]，采用了一種新穎的方法即經(jīng)濟分析。該分析的的依據(jù)是土壤轉型會產生可觀的投資成本，最高的生產率和隨之而來的更高的耕種利潤攤銷了啟動成本，需要注意的是，轉型可能引發(fā)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務和環(huán)境質量的嚴重惡化[84-85]。

已有土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的評估或者表征主要借助多個單項指標，但是土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的整體情況可以直接由影響土壤質量的關鍵指標表征[86]，比如大型動物區(qū)系指標及土壤物理、化學和有機質特征[87]。Duran-Bautista等[88]發(fā)現(xiàn)白蟻作為亞馬遜生態(tài)景觀中土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的指標的缺失或存在可以適當?shù)乇砻髂承┕芾泶胧ν寥郎鷳B(tài)系統(tǒng)服務的負面影響，并且指示土壤修復過程的進展。該研究是增長期的關于土壤動物區(qū)系的深入研究。此外，進一步的研究還包括生物多樣性在土壤食物網(wǎng)過程和生態(tài)系統(tǒng)服務中作用的等級框架研究[89]、土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的驅動機制研究等[90-92]。不同的是，這一時期驅動機制研究更為復雜，以碳固存、植物、氣候之間的關系和作用機制為代表，將碳變化作為切入點的研究最為活躍[93-94]。

區(qū)別與先前的研究應用方向，這個時期多項研究提出將市規(guī)劃和國土空間規(guī)劃等土壤生態(tài)系統(tǒng)服務概念應用于規(guī)劃。大多數(shù)城市規(guī)劃都將土壤視為關鍵資源，但大多數(shù)規(guī)劃未能整合指標來衡量或監(jiān)測與土壤相關的功能，因此有必要發(fā)展與土壤有關的生態(tài)系統(tǒng)服務，以便其他領域可以輕松整合和理解[95]。為此，Blanchart等[96]建立了可對城市土壤提供的或與城市設計相適應的生態(tài)系統(tǒng)服務水平的半定量評估的決策支持系統(tǒng)。歐盟資助的項目“Save Our Soils for LIFE”提到城市土壤可以提供高質量的服務，不同的土壤根據(jù)土壤的特性和密封程度在不同的層級中提供高質量的服務[97]。當范圍不限于城市土壤，向城市周邊空間擴展，以在不利的環(huán)境影響與恢復或保護措施之間實現(xiàn)甚至凈收益為目標有助于指導可持續(xù)的空間發(fā)展，可以解決生態(tài)系統(tǒng)服務供應的空間變化以及利益相關者對各種土壤質量的需求的多樣性[98]。

3 研究前沿

土壤是萬物之本、生命之源，是人類賴以生存的重要物質基礎。過去，土壤管理決策集中在物理或化學支持或限制土地使用的關鍵土地和土壤屬性上。隨著人們越來越關注土地使用決策對環(huán)境、社會和文化的影響，越來越需要更廣泛的土地資源信息來支持對收益、影響和權衡的評估土地使用決策[99]。土壤生態(tài)系統(tǒng)服務是從生態(tài)系統(tǒng)服務視角出發(fā)，探究土壤生態(tài)系統(tǒng)與人類間關聯(lián)的新視角，已經(jīng)形成了一定的研究基礎，通過對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務相關國際文獻的關鍵詞提取、共現(xiàn)分析和圖譜繪制，梳理其研究熱點變化趨勢及演化路徑，結果見圖6。土壤神態(tài)系統(tǒng)服務的研究前沿主要有以下三個特點：

圖6 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究前沿識別Fig.6 Research frontier identification path in soil ecosystem services

1)以碳固存、氣候調節(jié)、土壤保持等調節(jié)服務為代表土壤生態(tài)系統(tǒng)服務評估、以及各服務間權衡或協(xié)同關系是當前研究熱點。土壤生態(tài)系統(tǒng)是存在于地球上的綠地生態(tài)系統(tǒng)的基礎，土壤是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，土壤固碳功能也已經(jīng)成為全球氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)研究的重點[100]，對調節(jié)服務的評估，可以為環(huán)境保護、生物多樣性保護和可持續(xù)的社會行為提供邏輯上的理由和可量化的激勵[52]。同時，大量研究也開始重視調節(jié)服務與其他類型服務之間的權衡/協(xié)同關系，以實現(xiàn)多種服務間的共贏，保證服務可持續(xù)性[101-102]。此外，尚未就其土壤生態(tài)系統(tǒng)服務分類和經(jīng)濟評估的綜合框架達成共識，因此有必要為土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的分類和經(jīng)濟評估建立一個全面的框架，以便更好地為各級治理方面的土地使用和管理決策提供依據(jù)[18,103]。

2)將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務納入管理決策是重要的應用研究方向。目前，對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務的理論研究日益成熟，如何在完整的理論基礎上將其應用到實際中，是土壤生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)在乃至未來發(fā)展的重要課題。在決策時，生態(tài)系統(tǒng)服務概念可以成為評估不同自然資源管理戰(zhàn)略的有力工具，為土壤和生物多樣性保護、可持續(xù)的社會行為提供了邏輯支撐和可量化的理論基礎[52]；在決策支持系統(tǒng)中，整合與土壤相關的生態(tài)系統(tǒng)服務指標也有助于彰顯土壤功能對城市可持續(xù)發(fā)展的重要性[95]。將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務納入土壤實地管理和政策制定是未來的重要發(fā)展方向。土壤支持下的文化生態(tài)系統(tǒng)對城市居民的生活質量有重要影響。比如“鄉(xiāng)愁情結”、“戀土情結”等，是土壤從精神層面給予人們的寄托。因此，土壤文化服務可以作為監(jiān)測指標，用以度量城市發(fā)展的健康和可持續(xù)程度。但大多數(shù)研究集中于城市化與土壤理化性質等相關領域，在城市發(fā)展中，開展土壤文化服務監(jiān)測的實踐尚不多見[95]。在未來研究中，需將土壤文化服務指標納入國土空間規(guī)劃編制過程，進一步提高對土壤在城市環(huán)境中的物質與精神雙重重要性的認識。因此，下一步研究應當強化對基礎理論的實證研究，發(fā)展研究分支，拓展研究領域，以形成主線明確、分支充分的知識體系。

3)多學科交叉融合為土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究提供了新的學術增長點。土壤是具有不同作用尺度的成土因素共同作用的結果[14]，這決定了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究是集土壤學、生態(tài)學、地理學、管理學、經(jīng)濟學等多學科范式于一體的綜合研究。通過融合不同學科知識和范式，多學科之間的相互滲透，為土壤生態(tài)系統(tǒng)服務提供了多種研究視角。近年來，“土地管理”、“政策”、“植物”和“氣候”等關鍵詞逐漸活躍，其中涉及到的植物學、生物學、經(jīng)濟學、管理學甚至是社會學問題也越來越受到關注。城市化與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務之間存在著一種互反饋機制：隨著城市化進程的加快，隨之帶來的是人口密集、產業(yè)集聚、環(huán)境污染等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象引起了土壤結構和性質的改變，直接或間接的對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務造成影響；這些影響最終又會反饋到城市生態(tài)系統(tǒng)中，影響其運行[6]。因此，在未來研究中，通過發(fā)揮共性導向下的多學科融合優(yōu)勢開展土壤生態(tài)系統(tǒng)服務研究，是領域進一步成熟與深入的重要途徑。此外，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(包括住房、衣服和燃料的提供)和人類健康之間的聯(lián)系經(jīng)常被忽視，今后需要對被忽視的土壤生態(tài)服務系統(tǒng)與人類健康之間的聯(lián)系展開調查[104]。

4 結 論

土壤生態(tài)系統(tǒng)服務發(fā)展至今，已經(jīng)從早期的借助生態(tài)系統(tǒng)服務常規(guī)研究范式中找到了一條與研究領域自身特色結合的研究路徑。本研究利用文獻計量法，采用CiteSpace軟件對1998—2018年Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中土壤生態(tài)系統(tǒng)服務相關文獻進行合作分析、被引分析和關鍵詞分析，并繪制知識圖譜，得到以下結論：

1)近年來土壤生態(tài)系統(tǒng)服務文獻數(shù)量迅速增加，回顧其研究歷程，主要分為研究初期、概念及研究體系初步形成的階段、穩(wěn)定發(fā)展階段、深入探索階段等4個階段，呈現(xiàn)出學術界對于新事物的“初識—熟知—深入”的接受過程。

2)研究熱點可概括為：①1997—2008年，以對土壤功能的探索和實用性研究為主；②2009—2013年，熱點為土壤微生物與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務、農業(yè)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務；③2014—2015年，熱點逐步轉向碳固存等調節(jié)服務的研究。④2016—2020年，土壤管理措施、碳固存對環(huán)境因子的響應機制、研究成果的實踐應用是主要的研究方向。

3)通過對4個階段的演化路徑進行趨勢分析，研究識別出土壤生態(tài)系統(tǒng)服務領域重要的發(fā)展方向包括：以碳固存、氣候調節(jié)、土壤保持等調節(jié)服務為代表的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務評估；將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務納入管理決策；多學科交叉融合發(fā)展。