趙洪猛，王慎強(qiáng)，趙 旭，汪 玉

基于Citespace的土壤碳氮磷交互研究可視化分析①

趙洪猛，王慎強(qiáng)，趙 旭，汪 玉*

(土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008)

為探究土壤碳、氮、磷領(lǐng)域的國(guó)際研究現(xiàn)狀及發(fā)展變化趨勢(shì)，本文對(duì)1990—2020年Web of Science核心數(shù)據(jù)集中的7 757篇文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，利用Citespace軟件對(duì)關(guān)鍵詞、共被引文獻(xiàn)、國(guó)家、機(jī)構(gòu)、作者繪制科學(xué)知識(shí)圖譜。研究結(jié)果表明：國(guó)際土壤碳、氮、磷領(lǐng)域研究經(jīng)歷平穩(wěn)期、緩慢增長(zhǎng)期及快速增長(zhǎng)期3個(gè)階段，目前處于快速發(fā)展階段。土壤碳、氮、磷領(lǐng)域在研究方向上經(jīng)歷了養(yǎng)分和產(chǎn)量管理到環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)估，再到以微生物和土壤質(zhì)量管理為主要方向的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)；對(duì)農(nóng)業(yè)中添加有機(jī)物質(zhì)、生物質(zhì)炭等部分替代化學(xué)肥料，降低農(nóng)業(yè)碳排放，減少農(nóng)業(yè)面源污染研究積極推進(jìn)。中國(guó)在該領(lǐng)域發(fā)文數(shù)量最多，有力推動(dòng)了土壤碳、氮、磷交互研究的發(fā)展，國(guó)際間合作交流密切；美國(guó)發(fā)文數(shù)量第二且中介中心性最高，在該領(lǐng)域影響力最強(qiáng)。目前，以土壤微生物過(guò)程耦合土壤碳、氮、磷計(jì)量比為主要的研究熱點(diǎn)，研究分支大幅下降。

土壤碳、氮、磷；Citespace；文獻(xiàn)計(jì)量分析

碳、氮、磷等是植物所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，參與生物的各種生命活動(dòng)[1]。其中，碳是生命體構(gòu)成的一種基本元素，氮是酶和葉綠素的重要組成部分，磷參與核酸、磷脂、ATP等的合成。植物所需的碳主要來(lái)自于大氣中，通過(guò)光合作用吸收固定，土壤則是植物氮、磷等養(yǎng)分的最重要來(lái)源。土壤碳的含量對(duì)于土壤質(zhì)量、養(yǎng)分供應(yīng)能力有重要的影響。目前越來(lái)越多的研究揭示了土壤中碳、氮、磷的相互作用，由微生物介導(dǎo)的土壤碳、氮、磷養(yǎng)分循環(huán)是土壤養(yǎng)分構(gòu)成的主要影響因素，主要由于土壤中的碳源可以提高土壤中微生物生物量碳的含量，從而有效提高土壤氮、磷養(yǎng)分的有效性與供應(yīng)能力[2]。土壤碳、氮、磷在生物體內(nèi)以不同比例存在，但這些比例并不是任意的[3]。因此，其含量及供應(yīng)能力直接影響植物的生長(zhǎng)水平，進(jìn)而改變作物體內(nèi)碳、氮、磷水平[4]。

為保證糧食安全及需求，人們對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力的研究從未間斷。自20世紀(jì)90年代將土壤碳研究引進(jìn)土壤養(yǎng)分系統(tǒng)，旨在研究土壤碳、氮耦合及碳、磷耦合等在土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力的作用，土壤碳、氮、磷方向的研究逐漸發(fā)展起來(lái)。尤其是近年來(lái)，隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)這一生態(tài)學(xué)概念引入到土壤學(xué)，土壤中碳、氮、磷計(jì)量比在土壤養(yǎng)分供給能力的影響及評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量等方向也成為土壤學(xué)研究的熱點(diǎn)，并且在很大程度上決定了植物和土壤微生物的養(yǎng)分供應(yīng)狀況，并進(jìn)一步反映了自然陸地系統(tǒng)的演替規(guī)律[5]。經(jīng)過(guò)近20 a的發(fā)展，自早期草地生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)碳(SOC)、氮、磷逐漸發(fā)展為農(nóng)田、森林、濕地等不同生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮、磷的研究，以及不同土地利用方式改變、不同氣候帶地區(qū)等土壤碳、氮、磷的變化規(guī)律[6-8]。同時(shí)，由于碳、氮、磷在土壤中的耦合對(duì)土壤中微生物群落的穩(wěn)定性及種群豐富性具有重要的影響，進(jìn)而對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)的積累和分解起重要作用[9-11]。因此，綜合分析目前關(guān)于土壤碳、氮、磷互作的研究現(xiàn)狀，研判該領(lǐng)域研究的軌跡及其未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)對(duì)于土壤學(xué)研究具有重要意義。

數(shù)據(jù)可視化和分析軟件可以通過(guò)對(duì)相同領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行整合分析，將各個(gè)文獻(xiàn)之間的聯(lián)系、區(qū)別進(jìn)行定量分析，以時(shí)間的梯度展現(xiàn)各個(gè)階段的主要研究?jī)?nèi)容及方向。常用的數(shù)據(jù)可視化和分析軟件有Arnetminer、PaperLens、Vosviewer和CiteSpace等[12-13]。本研究全面梳理整合了1990年1月—2020年12月在Web of Science ( http://wokinfo.com/)核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)中收錄的有關(guān)土壤碳、氮、磷研究方向的文獻(xiàn)，利用CiteSpace和Vosviwer軟件進(jìn)行可視化分析，旨在認(rèn)識(shí)該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)變化過(guò)程及發(fā)展趨勢(shì)，為未來(lái)的土壤碳、氮、磷研究選題提供參考及啟示。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

土壤碳、氮、磷研究范圍較為廣泛，包括生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、微生物學(xué)、土壤科學(xué)等學(xué)科。本文所使用的數(shù)據(jù)來(lái)源于Web of Science核心合集和CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2021年1月2日，Web of Science核心合集檢索主題為“土壤碳、氮、磷”(Topic=“soil carbon”and“soil nitrogen”and“soil phosphorus”)，文獻(xiàn)類型為Article和Reviewer，為認(rèn)識(shí)全球土壤碳、氮、磷的主要研究現(xiàn)狀同時(shí)避免出現(xiàn)多種語(yǔ)言造成軟件分析時(shí)出現(xiàn)混亂，將出版語(yǔ)言設(shè)置為“English”，時(shí)間跨度為1990—2020年，共檢索出7 757篇與土壤碳、氮、磷互作相關(guān)的文獻(xiàn)。所有文獻(xiàn)都以TXT格式文件的形式下載，包括：標(biāo)題、關(guān)鍵字、作者、摘要、參考文獻(xiàn)、機(jī)構(gòu)等，按次序分16批次導(dǎo)出記錄，16個(gè)數(shù)據(jù)文件均以CiteSpace可識(shí)別的“download_”作為文件名前綴。CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)主要統(tǒng)計(jì)了1990—2020年有關(guān)土壤碳、氮、磷研究的發(fā)文數(shù)量。

1.2 研究方法

CiteSpace軟件通過(guò)將時(shí)間切片結(jié)合單位時(shí)間內(nèi)相應(yīng)領(lǐng)域的研究以生成相應(yīng)的知識(shí)圖譜，直觀地給出特定領(lǐng)域文獻(xiàn)的可視化結(jié)果，對(duì)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行整合分析，給出相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的研究熱點(diǎn)，以時(shí)間線來(lái)描述研究熱點(diǎn)的變化，以及未來(lái)研究熱點(diǎn)發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)，將該領(lǐng)域內(nèi)文獻(xiàn)的作者、機(jī)構(gòu)等信息進(jìn)行可視化分析，構(gòu)建相應(yīng)的作者、機(jī)構(gòu)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)圖，表征他們之間聯(lián)系。采用CiteSpace軟件進(jìn)行知識(shí)圖譜可視化分析，通過(guò)“Node Types”模塊中的節(jié)點(diǎn)類型分別選擇研究機(jī)構(gòu)(institution)，進(jìn)行土壤碳、氮、磷領(lǐng)域的科研合作網(wǎng)絡(luò)分析；選擇關(guān)鍵詞(key words)、選擇被引文獻(xiàn)(reference)選項(xiàng)，進(jìn)行關(guān)鍵詞共發(fā)分析、參考文獻(xiàn)的共被引分析，得到該領(lǐng)域的研究國(guó)家和機(jī)構(gòu)合作圖譜、共現(xiàn)圖譜和共被引圖譜。在軟件中，將時(shí)間設(shè)置為1990年1月—2020年12月，“Years Per Slice”設(shè)置為1 a，根據(jù)關(guān)鍵詞、參考文獻(xiàn)、研究機(jī)構(gòu)等選擇不同的節(jié)點(diǎn)閾值，以保證分析更加準(zhǔn)確。

2 結(jié)果與討論

2.1 國(guó)內(nèi)外期刊發(fā)文數(shù)量及時(shí)間分布

國(guó)內(nèi)外期刊發(fā)文數(shù)量隨時(shí)間的變化直接反映土壤碳、氮、磷交互方向研究的關(guān)注度和發(fā)展速度。該領(lǐng)域的發(fā)文數(shù)量在國(guó)外期刊和國(guó)內(nèi)期刊有著相同的變化趨勢(shì)，都經(jīng)過(guò)了平穩(wěn)期、緩慢增長(zhǎng)期、快速增長(zhǎng)期3個(gè)階段(圖1)。國(guó)內(nèi)期刊在2002年之前年發(fā)文數(shù)量較為平穩(wěn)，2003—2014年屬于緩慢增長(zhǎng)期，2014年以后迅速增長(zhǎng)。國(guó)外期刊在2004年之前發(fā)文量增長(zhǎng)較為平穩(wěn)，2005—2012年之間緩慢增長(zhǎng)，2012年后增長(zhǎng)迅速。結(jié)果說(shuō)明2012年后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤碳、氮、磷方向的關(guān)注度越來(lái)越高，土壤碳、氮、磷研究成為土壤學(xué)研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。

圖1 土壤碳、氮、磷研究的發(fā)文數(shù)量(1990—2020年)

2.2 研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

將關(guān)鍵詞按照時(shí)間每1 a進(jìn)行切片分析得到關(guān)鍵詞的時(shí)區(qū)演化圖(圖2)，能直接反映不同時(shí)間階段內(nèi)研究的熱點(diǎn)以及研究前沿發(fā)展趨勢(shì)及其衍生關(guān)系，進(jìn)而有助于對(duì)未來(lái)研究方向的發(fā)展做出恰當(dāng)?shù)姆治觥?0世紀(jì)90年代土壤碳、氮、磷方向初步開(kāi)始研究，截止到2006年出現(xiàn)了眾多分支，包括植物營(yíng)養(yǎng)、微生物、生態(tài)環(huán)境、氣候變化、有機(jī)肥、土壤質(zhì)量等方面。自2007年開(kāi)始，由于高通量測(cè)序等方面的技術(shù)突破，為土壤中微生物的研究提供了先進(jìn)的方法，研究范圍逐漸主要圍繞土壤微生物方向開(kāi)展深入研究。同時(shí)在防治黃土高原水土流失及國(guó)家推進(jìn)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的倡議下，對(duì)黃土高原等方向的研究逐漸增多，生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)也成為評(píng)價(jià)土壤環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要研究方向[14-15]。

圖2 關(guān)鍵詞時(shí)區(qū)演化圖

關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析是探測(cè)關(guān)鍵詞在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始突然間的一個(gè)較大變化，以及變化的時(shí)間區(qū)間，可以發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵詞即研究點(diǎn)衰落或者興起的情況。節(jié)點(diǎn)閾值選擇的方法是“每片最高%”，按照軟件默認(rèn)為10%(表 1)。20世紀(jì)90年代關(guān)鍵詞主要集中表現(xiàn)在對(duì)土壤碳、氮、磷等元素的研究，這個(gè)階段重視養(yǎng)分管理對(duì)土壤養(yǎng)分有效性及作物產(chǎn)量的作用。在這個(gè)過(guò)程中大致分兩個(gè)方面：一是對(duì)養(yǎng)分例如氮素在土壤中的過(guò)程，例如氮礦化、反硝化等研究；二是重視不同耕作方式及添加物改良土壤的研究，此階段主要是應(yīng)對(duì)耕地資源退化以及土壤資源與人口日益增長(zhǎng)之間的沖突問(wèn)題。進(jìn)入21世紀(jì)初期，隨著環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)突出，如CO2排放加劇、全球加速變暖等[16-17]。土壤作為陸地最大碳庫(kù)，在全球碳循環(huán)中的作用受到廣泛關(guān)注。農(nóng)業(yè)是主要的碳排放貢獻(xiàn)者，為應(yīng)對(duì)環(huán)境變化，我國(guó)采取了一系列措施，如禁止焚燒農(nóng)作物秸稈，通過(guò)秸稈還田、秸稈炭化及其他循環(huán)利用等措施降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的碳排放，同時(shí)采取糞便-秸稈堆肥、食物殘?jiān)逊实确绞皆黾油寥捞純?chǔ)存，同時(shí)提高土壤肥力，改善土壤質(zhì)量[18]。

表1 高頻和具有突現(xiàn)性的關(guān)鍵詞信息表

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值前面為突現(xiàn)性，后面為頻次。突現(xiàn)性表示關(guān)鍵詞在某個(gè)時(shí)間段引用量有較大變化的情況，括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示變化的強(qiáng)度，即變化幅度越大，數(shù)值越大；頻次則表示為關(guān)鍵詞在突現(xiàn)過(guò)程中所出現(xiàn)的次數(shù)。

近十年來(lái)，隨著生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)這一生態(tài)學(xué)概念引入土壤學(xué)后，土壤碳、氮、磷計(jì)量比成為研究的熱點(diǎn)。例如，不同維度氣候條件下及樹(shù)種轉(zhuǎn)化森林土壤的碳、氮、磷計(jì)量比特征[19]；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同有機(jī)無(wú)機(jī)添加下土壤碳、氮、磷計(jì)量比變化對(duì)土壤養(yǎng)分供應(yīng)及作物根系的影響等，包括生物質(zhì)炭、有機(jī)肥等添加為土壤提供大量碳素，為土壤微生物提供了大量的能量，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[20]。生物技術(shù)的突破為土壤中微生物及微生物量碳、氮、磷研究提供了有力手段，使土壤微生物研究得到快速發(fā)展，發(fā)文數(shù)量爆發(fā)式增長(zhǎng)(圖 1)。中國(guó)在土壤碳、氮、磷交互等方面的研究成果日漸增多，中國(guó)作為關(guān)鍵詞出現(xiàn)92次，說(shuō)明在2008年G20峰會(huì)后，對(duì)于節(jié)能減排、降低碳排放付出了較多的努力也取得了一定的成績(jī)。

關(guān)鍵詞聚類分析突出了研究方向與關(guān)鍵詞之間的關(guān)系，在本研究中，聚類分析共得出17個(gè)集群：“生態(tài)化學(xué)計(jì)量比”、“物質(zhì)”、“小麥”、“CO2”、“提高CO2排放”、“磷”、“土壤微生物群落”、“濕地”、“熱帶草原”、“生物降解”、“土壤呼吸”、“氮同位素”、“反硝化”、“北極苔原”、“土壤及環(huán)境危害”、“桉樹(shù)”和“速率”(圖3)。其中生態(tài)化學(xué)計(jì)量比為最大的集群，研究時(shí)間開(kāi)始得也較早，起初主要集中于草地的研究，后期對(duì)土壤微生物生物量及微生物量碳、氮、磷計(jì)量比和土壤動(dòng)物有了較多的研究[21]。隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展以及化學(xué)肥料施用過(guò)程中帶來(lái)的日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，加速了綠色農(nóng)業(yè)的推進(jìn)，因此研究中第二大集群“物質(zhì)”(根據(jù)時(shí)間軸上的關(guān)鍵詞可理解為糞肥、生物質(zhì)炭、秸稈還田、廢棄物等)在土壤中的應(yīng)用。集群“小麥”、“濕地”、“熱帶草原”、“北極苔原”和“桉樹(shù)”是主要的研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了人為影響和自然條件下的不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤的碳、氮、磷計(jì)量比等內(nèi)容；“磷”、“生物降解”、“土壤呼吸”、“速率”、“氮同位素”和“反硝化”等集群顯示了主要的研究?jī)?nèi)容，重點(diǎn)說(shuō)明物質(zhì)添加對(duì)土壤養(yǎng)分等方面的影響；“CO2”、“提高CO2排放”、“土壤及環(huán)境危害”等集群是指氣候變化等環(huán)境問(wèn)題與土壤養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量學(xué)的關(guān)注。由于溫室氣體排放所導(dǎo)致的全球氣候變暖給人類生存環(huán)境帶來(lái)巨大的威脅，從政府、團(tuán)體到科學(xué)家，節(jié)能減排以減少溫室氣體排放的呼聲越來(lái)越高。土壤作為最大的碳庫(kù)，不僅承擔(dān)著“碳匯”的作用，同時(shí)也是大氣中的主要“碳源”，“減源增匯”是我國(guó)應(yīng)對(duì)全球氣候變暖條件下提出的一項(xiàng)重要措施。此外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用化學(xué)肥料，所產(chǎn)生的N2O等溫室氣體也是主要的貢獻(xiàn)者之一，以碳促磷、以碳控氮等方面的研究也越發(fā)受到關(guān)注。

圖3 關(guān)鍵詞聚類結(jié)果與時(shí)間軸分布

2.3 研究主題分析

文獻(xiàn)共被引是1973年美國(guó)情報(bào)學(xué)家Small提出的概念，可以作為測(cè)度文獻(xiàn)間關(guān)系程度的一種研究辦法，即兩篇或多篇論文被后來(lái)一篇或多篇論文所引用，那么這兩篇或多篇論文就構(gòu)成了共被引關(guān)系。它們會(huì)秉承一定的研究脈絡(luò)或者有類似的主題，因此通過(guò)文獻(xiàn)共被引分析可以得到細(xì)分的研究主題。本文導(dǎo)入7 757篇文獻(xiàn)，其參考文獻(xiàn)共計(jì)206 096篇，節(jié)點(diǎn)閾值選擇的方法是“每篇最高”。由于參考文獻(xiàn)數(shù)量太大，選擇=10進(jìn)行聚類分析，以關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析，將圖譜以時(shí)間軸的形式展現(xiàn)(圖4)。共得到16個(gè)聚類：“代謝熵”、“磷限制”、“夏威夷”、“凋落物累積”、“植化相克”、“廢棄物”、“長(zhǎng)期定位試驗(yàn)”、“流量”、“凍融層”、“磷沉降”、“氮肥”、“松果樹(shù)林”、“增加CO2”、“蚯蚓”、“腐殖質(zhì)形態(tài)”和“持續(xù)耕作”。

Citespace將圖譜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與聚類分析計(jì)算出模塊值和平均廓值兩個(gè)指標(biāo)，來(lái)評(píng)判分析的合理性。其中模塊值介于0.4 ～ 0.8為符合要求的圖譜，大于0.8則合理性越強(qiáng)；平均廓值為介于0 ～ 1的數(shù)值，越接近于1，其相似度越高。本研究中，模塊值為0.849 9，說(shuō)明圖譜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分顯著，合理性較強(qiáng)，每個(gè)聚類的值均為0.9以上，說(shuō)明聚類之間的相關(guān)性較強(qiáng)。

比較關(guān)鍵詞共發(fā)生聚類(圖 3)和文獻(xiàn)共被引聚類(圖 4)的時(shí)間軸圖譜，可以得出兩個(gè)圖譜之間具有較高的相似度。兩者都包含研究?jī)?nèi)容、研究方法和研究地點(diǎn)。其中兩者均對(duì)CO2、磷素、氮素、土壤物質(zhì)添加、土壤呼吸及濕地等方面有著相似或者相同的集群，表明這些不僅是研究的熱點(diǎn)，同時(shí)也是重要的知識(shí)庫(kù)。從文獻(xiàn)共被引聚類分析時(shí)間軸圖譜可以得出，其在時(shí)間軸上的分布顯示了研究主題出現(xiàn)的先后順序。最早是20世紀(jì)90年代初研究大氣磷沉降，主要探究磷沉降對(duì)土壤養(yǎng)分的影響；90年代中期對(duì)于土壤動(dòng)物及微生物的活動(dòng)開(kāi)始較多的研究；而在90年代末21世紀(jì)初，對(duì)于長(zhǎng)期試驗(yàn)和連續(xù)耕作等研究開(kāi)始興起，這個(gè)階段研究熱點(diǎn)的變化說(shuō)明人們對(duì)于長(zhǎng)期人為影響下的土壤狀況包括物理性質(zhì)及養(yǎng)分供應(yīng)能力等關(guān)注度較高。磷不僅是植物所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)也是土壤微生物和土壤動(dòng)物所必需的元素，近十年來(lái)，自磷限制的概念提出后，對(duì)土壤磷與微生物群落豐度及群落穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系成為研究的熱點(diǎn)。

圖4 文獻(xiàn)共被引關(guān)鍵詞聚類時(shí)間軸圖譜

2.4 合作網(wǎng)絡(luò)分析

對(duì)作者、機(jī)構(gòu)和國(guó)家等3個(gè)方面進(jìn)行合作網(wǎng)絡(luò)分析，以說(shuō)明其在該領(lǐng)域的重要性和相關(guān)性，揭示該領(lǐng)域全球研究力量的分布以及全球各國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)之間合作的分布和強(qiáng)度。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，在土壤碳、氮、磷領(lǐng)域內(nèi)發(fā)文數(shù)量最多，為2 487篇，但中心度為0.04，突現(xiàn)強(qiáng)度為0。我國(guó)是個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)于農(nóng)業(yè)高度重視，目前在此領(lǐng)域雖然研究較多，但一直較為平緩，沒(méi)有出現(xiàn)爆發(fā)似的增長(zhǎng)，因此突現(xiàn)性較低，影響力需要加強(qiáng)。美國(guó)作為發(fā)文量第二的國(guó)家，其發(fā)文量為2 041篇，中心度為0.43，突現(xiàn)強(qiáng)度為57.28，說(shuō)明美國(guó)所發(fā)表文章在國(guó)際上的影響力較強(qiáng)，具有突出地位(圖 5，表 2)。中國(guó)和美國(guó)發(fā)文量占據(jù)該領(lǐng)域1990—2020年發(fā)文總量的58% 以上，前10位的國(guó)家主要還有澳大利亞(629)、德國(guó)(530)、加拿大(486)、英國(guó)(457)、西班牙(324)、巴西(286)、法國(guó)(232)和瑞典(218)。圖5共171個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 457條線，表明171個(gè)國(guó)家之間具有不同程度的合作。從節(jié)點(diǎn)的連線來(lái)看，美國(guó)與59個(gè)國(guó)家之間有著合作，中國(guó)與37個(gè)國(guó)家之間存在合作，美國(guó)和英國(guó)是主要的合作國(guó)家。中心度≥0.1的國(guó)家共有7個(gè)，表示這些國(guó)家在土壤碳、氮、磷領(lǐng)域研究的影響較大。

(節(jié)點(diǎn)大小與發(fā)文量成正比，外圈用紅色標(biāo)注表示該節(jié)點(diǎn)具有較大的中心度(不小于0.1)，是圖譜中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，突現(xiàn)性表征節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的研究在短時(shí)間內(nèi)頻次變化率高，相應(yīng)的年輪內(nèi)圈層為大紅色)

研究機(jī)構(gòu)合作圖譜共有850個(gè)節(jié)點(diǎn)、774條連線，說(shuō)明850個(gè)研究機(jī)構(gòu)合作并不是很密切，中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)合作的研究機(jī)構(gòu)主要為北京師范大學(xué)，與國(guó)外研究機(jī)構(gòu)的合作程度較低；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院與國(guó)外研究機(jī)構(gòu)如西澳大利亞大學(xué)合作較為密切(圖6)。

表2 發(fā)文量前10位的國(guó)家

圖6 研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

在發(fā)文量前10位的機(jī)構(gòu)中，中國(guó)機(jī)構(gòu)占了6家(表3)，中國(guó)科學(xué)院(CAS)991篇，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(UCAS)361篇，西北農(nóng)林科技大學(xué)(NWAFU)226篇，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 (CAAS)155篇，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)(CAU)93篇，蘭州大學(xué)(LZU)89篇。美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(USDAARS)139篇位居第五，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)(UFL)123篇位居第六，加拿大農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)食品部(AAFC)位居第七，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)(UMN)位居第十。結(jié)合表2中國(guó)在世界范圍內(nèi)發(fā)文量第一，即主要集中在上述7個(gè)機(jī)構(gòu)中。大部分研究機(jī)構(gòu)的中介中心性都小于0.1，說(shuō)明研究力量較為分散，而科羅拉多州立大學(xué)(CSUP)、哥廷根大學(xué)(GU)發(fā)文量和中心性分別為51篇、0.19和50篇、0.13，雖然發(fā)文量較少，但其發(fā)表的文章具有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值。

表3 發(fā)文量前10位的研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)

作者合作網(wǎng)絡(luò)分析直接顯示該領(lǐng)域研究的核心學(xué)者以及研究人員之間的合作關(guān)系。圖7共有節(jié)點(diǎn)7 704個(gè)，連線16 576條，表明在1990—2020年間共有作者7 704位，將引文數(shù)量(citation counts)設(shè)置為15，以便在圖上更清楚地顯示。從圖中可以得出，土壤碳、氮、磷交互領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)整體分散但也有部分集中的現(xiàn)象，主要的研究團(tuán)隊(duì)有Zhang W、Zhou J Z、Kuzyakov Y和Han X H，Penuelas J和 Sardans J，Xu M G和He X H，Liu G B、Xue S和Li P。發(fā)文量前10位的作者中，中國(guó)學(xué)者占據(jù)6位（表4），表明我國(guó)學(xué)者在土壤碳、氮、磷領(lǐng)域研究的參與程度與研究度較高。

圖7 作者合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

表4 發(fā)文量前10位的作者統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

國(guó)際土壤碳、氮、磷交互領(lǐng)域的研究中，發(fā)文數(shù)量經(jīng)歷了平穩(wěn)期、緩慢增長(zhǎng)期、快速增長(zhǎng)期3個(gè)階段。中國(guó)在推動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展方面起到了重要作用，有7家機(jī)構(gòu)的發(fā)文量位居世界前10位，得益于中國(guó)政府對(duì)農(nóng)業(yè)的高度重視以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的大力支持。同時(shí)美國(guó)在該領(lǐng)域的研究中中介中心性最高，說(shuō)明其在研究中有著主導(dǎo)作用。我國(guó)學(xué)者在該領(lǐng)域的參與度與關(guān)注度也較高。

從1990—2020年30 a的時(shí)間里，研究熱點(diǎn)處于不斷變化中：從20世紀(jì)90年代關(guān)注于土壤養(yǎng)分、作物產(chǎn)量等研究，到21世紀(jì)初關(guān)注土壤質(zhì)量、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等，直至現(xiàn)在以土壤微生物方向和土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)為主要研究熱點(diǎn)的多研究方向并進(jìn)的現(xiàn)狀。

目前，隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)土壤質(zhì)量管理維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、減少土壤碳排放、發(fā)揮土壤在全球碳循環(huán)中的固碳作用主要體現(xiàn)在以下方面：大力推動(dòng)有機(jī)肥施用、秸稈還田等固碳措施；減少開(kāi)發(fā)自然資源，削減化學(xué)肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境負(fù)荷問(wèn)題；大力發(fā)展生物技術(shù)，改良土壤，提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力。

從以上研究結(jié)果可以推測(cè)：未來(lái)土壤碳、氮、磷交互的主要研究方向?qū)⒏鼉A向于土壤質(zhì)量管理、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、發(fā)展生物技術(shù)以提高土壤養(yǎng)分的供給能力等方面，土壤碳、氮、磷計(jì)量比也可能會(huì)成為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。

[1] 歐延升, 汪霞, 李佳, 等. 不同恢復(fù)年限人工草地土壤碳氮磷含量及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 2019, 25(1): 38–45.

[2] Zhu Z K, Ge T D, Luo Y, et al. Microbial stoichiometric flexibility regulates rice straw mineralization and its priming effect in paddy soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2018, 121: 67–76.

[3] 曹小玉, 李際平, 楊靜, 等. 不同齡組杉木林土壤碳、氮、磷的生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[J]. 土壤, 2019, 51(2): 290–296.

[4] 王振南, 楊惠敏. 植物碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量對(duì)非生物因子的響應(yīng)[J]. 草業(yè)科學(xué), 2013, 30(6): 927–934.

[5] Li Y, Wu J S, Liu S L, et al. Is the C: N: P stoichiometry in soil and soil microbial biomass related to the landscape and land use in southern subtropical China? [J]. Global Biogeochemical Cycles, 2012, 26(4): GB4002.

[6] Li J W, Liu Y L, Hai X Y, et al. Dynamics of soil microbial C: N: P stoichiometry and its driving mechanisms following natural vegetation restoration after farmland abandonment[J]. Science of the Total Environment, 2019, 693: 133613.

[7] 方瑛, 安韶山, 馬任甜. 云霧山不同恢復(fù)方式下草地植物與土壤的化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 28(1): 80–88.

[8] 方華軍, 耿靜, 程淑蘭, 等. 氮磷富集對(duì)森林土壤碳截存的影響研究進(jìn)展[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2019, 56(1): 1–11.

[9] 陳利軍, 蔣瑀霽, 王浩田, 等. 長(zhǎng)期施用有機(jī)物料對(duì)旱地紅壤磷組分及磷素有效性的影響[J]. 土壤, 2020, 52(3): 451–457.

[10] Soong J L, Mara?on-Jimene S, Cotrufo M F, et al. Soil microbial CNP and respiration responses to organic matter and nutrient additions: Evidence from a tropical soil incubation[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2018, 122: 141–149.

[11] Buchkowski R W, Schmitz O J, Bradford M A. Microbial stoichiometry overrides biomass as a regulator of soil carbon and nitrogen cycling[J]. Ecology, 2015, 96(4): 1139–1149.

[12] 張力, 趙星, 葉鷹. 信息可視化軟件CiteSpace與VOSviewer的應(yīng)用比較[J]. 信息資源管理學(xué)報(bào), 2011, 1(1): 95–98.

[13] 宋秀芳, 遲培娟. Vosviewer與Citespace應(yīng)用比較研究[J]. 情報(bào)科學(xué), 2016, 34(7): 108–112, 146.

[14] Olawoyin R, Heidrich B, Oyewole S, et al. Chemometric analysis of ecological toxicants in petrochemical and industrial environments[J]. Chemosphere, 2014, 112: 114–119.

[15] 叢萍, 逄煥成, 王婧, 等. 粉碎與顆粒秸稈高量還田對(duì)黑土亞耕層土壤有機(jī)碳的提升效應(yīng)[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2020, 57(4): 811–823.

[16] 李彬彬, 武蘭芳. 土壤溫室氣體排放對(duì)C/N的響應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 37(9): 2067–2078.

[17] 劉四義, 張曉平, 梁愛(ài)珍, 等. 玉米和大豆秸稈還田初期對(duì)黑土CO2排放的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(8): 2421–2427.

[18] 董文, 張青, 羅濤, 等. 不同有機(jī)肥連續(xù)施用對(duì)土壤質(zhì)量的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2020, 36(28): 106–110.

[19] 李樹(shù)斌, 周麗麗, 陳寶英, 等. 亞熱帶樹(shù)種轉(zhuǎn)換對(duì)林地土壤碳氮磷計(jì)量比的影響[J]. 森林與環(huán)境學(xué)報(bào), 2019, 39(6): 575–583.

[20] 彭亞敏, 武均, 蔡立群, 等. 免耕及秸稈覆蓋對(duì)春小麥-土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2021, 40(4): 1062–1072.

[21] 李歡, 王沖, 汪順義. 蚯蚓與菌根提高玉米生長(zhǎng)和氮磷吸收的互補(bǔ)效應(yīng)[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2015, 21(4): 920–926.

Visual Analysis for Soil C, N and P Interaction Based on Citespace Analysis

ZHAO Hongmeng, WANG Shenqiang, ZHAO Xu, WANG Yu*

(State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

In order to explore the research status and development trends in the field of soil carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) interaction, 7 757 literatures in the core data of Web of Science from 1990 to 2020 were visually analyzed, and Citespace software was used to draw scientific knowledge graph of keywords, co-cited documents, countries, institutions, and authors. The results showed that the international research in the field of soil C, N and P interaction has gone through three stages, including steady period, slow growth and rapid growth, which is currently in the stage of rapid development. In the field of soil C, N and P interaction, the research direction has experienced the transformation trend from nutrient and yield management to environmental quality monitoring and assessment, and now microorganism and soil quality management has been the main direction. The research on the addition of organic matter and biochar to agriculture instead of chemical fertilizers has been actively promoted in order to reduce agricultural carbon emissions and agricultural non-point source pollution. China has issued the largest number of papers in this field, which has strongly promoted the development of soil C, N and P interaction research, and own close cooperation with the international community. The United States has the second largest number of articles and the highest intermediary centrality, which has the strongest influence in this field. At present, the main research focus is the direction of soil microorganisms combined with the stoichiometric ratio of soil C, N and P, and the research branch decreases greatly.

Soil C, N and P; Citespace; Bibliometric analysis

S158.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.04.004

趙洪猛, 王慎強(qiáng), 趙旭, 等. 基于Citespace的土壤碳氮磷交互研究可視化分析. 土壤, 2022, 54(4): 682–690.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41671304)資助。

(wangyu@issas.ac.cn)

趙洪猛(1994—)，男，山東聊城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分。E-mail: zhm2563019860@163.com