周立波

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),710043,西安)

土壤是人類賴以生存與發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著人口、資源、環(huán)境之間的矛盾日益尖銳,因土壤肥力下降、鹽漬化、沙漠化、侵蝕、酸化以及重金屬污染所造成的土壤退化問題變得越來越突出,極大地限制了人類的發(fā)展,使土壤質(zhì)量問題的研究與調(diào)控越來越多地受到世界范圍的關(guān)注。土壤質(zhì)量與糧食安全、人類健康以及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)[1-2],被視為衡量環(huán)境質(zhì)量、糧食安全與經(jīng)濟問題的有效工具[3-4]；因此,土壤質(zhì)量就成為了現(xiàn)代土壤學發(fā)展的前沿和熱點。在糧食增產(chǎn)和環(huán)境的持續(xù)發(fā)展中,土壤資源一直是一種脆弱的不可再生資源,要想獲得可持續(xù)發(fā)展,其核心就是要保持和提高土壤質(zhì)量及土壤管理與環(huán)境的關(guān)系[5]。土壤質(zhì)量的保持與提高已經(jīng)成為當今國際土壤學界、環(huán)境學界、生態(tài)學界、農(nóng)學界等共同關(guān)注的研究課題[6]。

在中國研究土壤質(zhì)量有其現(xiàn)實意義。中國作為世界第一人口大國和最大的發(fā)展中國家,糧食問題和環(huán)境問題是目前最為突出的2大問題。土壤質(zhì)量作為衡量可持續(xù)發(fā)展的有效指標受到學者的高度關(guān)注。進入21世紀以來,中國土壤質(zhì)量研究呈現(xiàn)繁榮之態(tài),一些新思路、新手段、新方法被持續(xù)引入該領(lǐng)域,學科交叉日益頻繁。目前,國內(nèi)學者針對中國土壤質(zhì)量不同階段的發(fā)展進行了文獻綜述,多集中在土壤質(zhì)量評價方法[7]、指標[8]、標準[9]以及可持續(xù)土地管理[10]方面,這為中國土壤質(zhì)量的系統(tǒng)化研究起到了促進作用；但是,面對數(shù)以萬計的文獻群,以文獻閱讀、總結(jié)歸納、定性探討為主要方法的傳統(tǒng)文獻綜述存在明顯的局限性:因此,采用更為科學的方法辨析中國土壤質(zhì)量研究網(wǎng)絡(luò)及發(fā)展過程,把握國內(nèi)土壤質(zhì)量發(fā)展脈絡(luò),剖析土壤質(zhì)量研究現(xiàn)狀尤為必要。

由美國德雷賽爾大學陳超美教授開發(fā)的基于JAVA環(huán)境的引文網(wǎng)絡(luò)分析工具Citespace為大數(shù)據(jù)文獻的分析提供了可靠的途徑；然而,Citespace只能勾勒出研究領(lǐng)域的概況,無法提供更深入的文獻細節(jié),所以本研究依據(jù)Citespace的分析結(jié)果,結(jié)合對文獻的批判性閱讀,進一步系統(tǒng)梳理該領(lǐng)域的研究文獻,解析國內(nèi)土壤質(zhì)量研究過程,以期為開拓中國土壤質(zhì)量研究前沿提供借鑒,促進中國土壤科學發(fā)展。

1 研究思路與數(shù)據(jù)獲取

本研究以關(guān)鍵詞“土壤質(zhì)量”為檢索方式從中國知網(wǎng)(CNKI)確定文獻數(shù)據(jù)源,根據(jù)1980—2016年間發(fā)文數(shù)量的變化將其初步劃分為5個階段,即1980—1990、1991—2000、2001—2005、2006—2010、2011—2016年,檢索日期為2016年9月23日。共檢索到中文文獻5 157篇,采用信息可視化軟件CitespaceV[11-12]進行科學知識圖譜繪制,以可視化的網(wǎng)絡(luò)圖譜直觀地展現(xiàn)國內(nèi)土壤質(zhì)量研究的不同發(fā)展階段。Citespace軟件著眼于分析科學中蘊含的潛在知識,是一款在科學計量學、數(shù)據(jù)可視化背景下發(fā)展起來的引文可視化分析軟件。該軟件擅長對Web of Science中的文獻進行分析,而對于中國知網(wǎng)中的文獻數(shù)據(jù)則只能進行關(guān)鍵詞的分析。圖譜中年輪大小代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻率,年輪越大說明關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)越多；關(guān)鍵詞之間距離代表共現(xiàn)頻率的高低,距離越近說明共現(xiàn)頻率越高。

2 發(fā)展概況

2.1 近30年來發(fā)文數(shù)量變化特征

20世紀70年代,亞歷山大首次提出了土壤質(zhì)量(soil quality)的概念,90年代,國外土壤學家圍繞土壤質(zhì)量概念[13-15]、指標[7,16-17]、評價框架[8-9]等內(nèi)容展開了廣泛的研究。由圖1可以看出,國內(nèi)土壤質(zhì)量的快速發(fā)展起步于2000年以后,在10多年的時間里涌現(xiàn)出大量相關(guān)文獻,這表現(xiàn)出國內(nèi)土壤學家對土壤質(zhì)量研究的重視程度。目前,國家對科學研究的投入力度以及對農(nóng)業(yè)的重視程度都在不斷加大,極大地促進了當前土壤質(zhì)量研究的發(fā)展。

圖1 1980年以來中國土壤質(zhì)量發(fā)文數(shù)量變化Fig.1 Number of published articles on soil quality in China since 1980

2.2 學科分布、研究層次及不同時段基金來源特征

由圖2可以看出,中國土壤質(zhì)量研究的學科分布主要為農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學、農(nóng)藝學,占到了總數(shù)的60%以上,而環(huán)境科學與資源利用所占的比例較小,僅11.44%,與國際土壤質(zhì)量研究相比[10],中國在環(huán)境方面的研究較少。隨著全球氣候變化和人類活動影響的加劇,土壤質(zhì)量在環(huán)境保護等方面的應用也會愈來愈多。如圖3所示,中國土壤質(zhì)量的研究層次目前主要是基礎(chǔ)與應用基礎(chǔ)研究(自然科學)及工程技術(shù)(自然科學),反觀國內(nèi)土壤質(zhì)量研究層次及其學科分布特征可以發(fā)現(xiàn),土壤質(zhì)量的研究大多分布在自然科學方面,與人文、經(jīng)濟等社會科學接軌較少,這也體現(xiàn)了國內(nèi)土壤質(zhì)量研究的不完備性。土壤質(zhì)量的研究范圍不應僅僅包括土壤本身的基本屬性,同時也包含它與農(nóng)業(yè)、環(huán)境、人文、經(jīng)濟之間的動態(tài)關(guān)系。

圖2 國內(nèi)土壤質(zhì)量研究學科分布特征Fig.2 Distribution characteristics of subjects on soil quality in China

圖3 國內(nèi)土壤質(zhì)量研究層次分布特征Fig.3 Level distribution characteristics of researches on soil quality in China

通過基金所支撐的文獻發(fā)表數(shù)量能從一定程度上反映該學科基金來源結(jié)構(gòu)的變化。本研究對中國知網(wǎng)(CNKI)所給出的數(shù)據(jù)進行分析,得到不同時段國內(nèi)土壤質(zhì)量研究基金來源的變化特征(圖4)。由圖4可以發(fā)現(xiàn),不同時段內(nèi),基金來源的結(jié)構(gòu)組分整體保持一致,以國家基金支撐為主,其次為地方性基金及中科院基金。對比不同時段基金來源可以發(fā)現(xiàn),國家基金支撐的比例不斷增高,且一直處于主要地位,地方性基金的份額也在逐年增大,通過對原始數(shù)據(jù)分析也發(fā)現(xiàn)地方性基金的種類及參與的省份也愈來愈多。除以上基金外,高校基金、部局級基金和國際合作基金所占比例較少。綜合以上分析,中國土壤質(zhì)量的研究應加強與國際機構(gòu)的合作,開展全球尺度的土壤研究,這也符合當前全球土壤變化的研究趨勢。此外,地方及高校應繼續(xù)加大對基礎(chǔ)學科的支持力度。

圖4 不同時段文獻基金來源分布特征Fig.4 Distribution characteristics of fund resources in different time period

3 近30年發(fā)展脈絡(luò)

利用CitespaceV對5157篇文獻進行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,獲得不同時段土壤質(zhì)量關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜。圖譜中年輪的大小反映了關(guān)鍵詞在不同時段的熱度。隨著年限的增加,年輪圈越來越大,圈內(nèi)包含的內(nèi)容也越來越復雜(圖5～8)。為使土壤質(zhì)量研究發(fā)展脈絡(luò)更加清晰,根據(jù)年發(fā)文數(shù)量,2000年以前,10年為一個階段,2000年以后5年為一個階段。中心性較高的關(guān)鍵詞可能成為網(wǎng)絡(luò)中由一個時間段向另一個時間段過渡的關(guān)鍵點,具有一定程度的理論創(chuàng)新。突現(xiàn)性較高的關(guān)鍵詞是指在某一階段被引次數(shù)迅速上升的關(guān)鍵詞,這類關(guān)鍵詞可能會成為后來的中心性關(guān)鍵詞和研究熱點。

3.1 萌芽階段(1980—1990年)

1980—1990年間圖譜(圖5)中土壤質(zhì)量年輪圈并不在網(wǎng)絡(luò)內(nèi),且年輪圈較小,這說明該階段土壤質(zhì)量在國內(nèi)剛剛萌生,與其他學科之間的聯(lián)系較少,中心性較高的關(guān)鍵詞(表1)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(0.54)、土壤養(yǎng)分(0.38)、農(nóng)業(yè)土壤(0.42)、作物產(chǎn)量(0.17)、土壤生產(chǎn)力(0.18)、土壤普查(0.14)、土壤資源(0.14)、生產(chǎn)潛力(0.12)。由圖5可以看出,各個研究聚類較為獨立,交叉較少。圖譜顯示,在該階段處于較為前沿的研究內(nèi)容是利用數(shù)學方法對資源進行綜合評價,包括效用理論、層次分析法、指標權(quán)重等；對不可再生能源、生產(chǎn)成本、化學可再生能源的研究；對農(nóng)業(yè)土壤污染、重度鋅污染、土壤環(huán)境污染的研究。

3.2 概念形成期(1991—2000年)

1991—2000年的土壤質(zhì)量研究較前一階段更為集中(圖6),與各研究方向的結(jié)合交叉較上一階段更加密切。中心性較大的關(guān)鍵詞有土壤質(zhì)量(0.77)、作物產(chǎn)量(0.22)、土壤資源(0.13)、土壤養(yǎng)分(0.11),除此以外,土壤科學、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤肥料、土壤壓實、生態(tài)環(huán)境、土地利用、土壤退化等關(guān)鍵詞的中心性差別不大,處于0.05～0.09之間。在該階段,土壤質(zhì)量的年輪圈最大,與之交叉的有土壤科學、土壤圈、土壤學、土壤改良、近代自然科學、土壤資源等,說明這一階段是土壤質(zhì)量的概念形成期。張?zhí)伊值萚18]圍繞土壤質(zhì)量的概念及其與可持續(xù)農(nóng)業(yè)的關(guān)系、評價方法、土壤質(zhì)量變化、退化動因以及監(jiān)測方面進行了系統(tǒng)論述,提出了下一階段中國土壤質(zhì)量的研究方向。趙其國等[5]、孫波等[19-21]圍繞其定義、評價方法、生物學指標、碳氮指標進行了綜述,是中國土壤質(zhì)量研究的標志性文獻。與國外同時期土壤質(zhì)量研究相比,國外在該階段已開展了關(guān)于土壤質(zhì)量概念、指標、評價等諸多案例的研究,相對而言,國內(nèi)土壤質(zhì)量評價相關(guān)研究案例較少,且僅處于嘗試階段[22-24]。與上一階段相比,這時期涌現(xiàn)出的新的具有較高中心性的關(guān)鍵詞有土壤科學、土壤改良、土地利用、生態(tài)環(huán)境、土壤壓實和肥料、化學農(nóng)藥和土壤退化。土壤環(huán)境問題在這一階段中凸顯出來,土壤退化及污染問題受到更多關(guān)注。

3.3 應用起步階段(2001—2005年)

2001—2005年內(nèi)的土壤質(zhì)量相關(guān)研究進一步增多(圖7),具有高中心性的關(guān)鍵詞有土壤質(zhì)量(0.11)、土壤微生物(0.14)、土壤污染(0.18)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(0.12)、重金屬污染(0.12)、功能多樣性(0.14),土壤養(yǎng)分(0.09)、土壤退化(0.07)、生態(tài)環(huán)境(0.08)。與上一階段相比,該階段涌現(xiàn)出較多新的關(guān)鍵詞,這些關(guān)鍵詞主要與土壤質(zhì)量指標及其評價、土壤污染、土壤生產(chǎn)力、土地利用、土壤功能有關(guān)。

土壤質(zhì)量評價指標位于土壤質(zhì)量年輪圈內(nèi)最核心的部位,與土壤有機碳、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)田黑土、重金屬污染等交織在一起。土壤質(zhì)量是土壤諸多物理、化學、生物學性質(zhì)以及形成這些性質(zhì)的一些重要過程的綜合體現(xiàn),因此,對于土壤質(zhì)量的評價需要從不同方面選取指標來綜合評價,諸多學者對此展開了廣泛的研究。張玉蘭等[25]闡述了土壤酶作為土壤質(zhì)量評價的敏感指標的重要性及其應用價值；張華等[26]、徐建民等[27]對土壤質(zhì)量評價指標和方法進行了系統(tǒng)論述；在指標應用方面,許明祥等[28-29]在黃土高原丘陵區(qū)較早的開展了土壤質(zhì)量評價的系統(tǒng)性研究,利用統(tǒng)計方法從32項土壤物理、化學、生物指標中篩選出了有機質(zhì)、滲透系數(shù)、抗沖性、電導率、蔗糖酶、團聚體平均質(zhì)量直徑、速效磷、微團聚體平均質(zhì)量直徑作為該區(qū)域土

壤質(zhì)量評價最小數(shù)據(jù)集指標,對該區(qū)域不同土地利用方式的土壤進行了評價,并分等定級；王華等[30]研究表明蚯蚓的豐富度可以作為中亞熱帶紅壤區(qū)土壤質(zhì)量的表征指標。該階段土壤質(zhì)量的指標篩選和評價更加注重其應用性,尤其在土壤有機碳[31]、生態(tài)環(huán)境[32-33]、東北黑土區(qū)[34-35]、土壤污染[36-37]等方面。這表明20世紀末中國經(jīng)濟的快速發(fā)展導致土壤污染、土壤退化以及由此對食物安全產(chǎn)生的影響受到更高重視。

表1 1980—2016年中國土壤質(zhì)量研究不同時段前20位高頻關(guān)鍵詞Tab.1 Top 20 high frequency keywords on soil qualityin China during 1980- 2016

圖5 1980—1990年中國土壤質(zhì)量關(guān)鍵詞文獻計量網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.5 Bibliometrics network map of keywords on soil quality in China during 1980- 1990

圖6 1991—2000年中國土壤質(zhì)量關(guān)鍵詞文獻計量網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.6 Bibliometrics network map of keywords on soil quality in China during 1991- 2000

與前2階段相比,土壤微生物躍居第2高頻詞匯。土壤微生物與土壤修復、植被恢復、施肥等密切相關(guān),參與了眾多土壤的關(guān)鍵過程,同時也是土壤質(zhì)量關(guān)鍵的敏感指標,與同時期國際土壤質(zhì)量研究相比,中國土壤質(zhì)量相關(guān)的微生物方面的研究起步雖稍晚,但發(fā)展速度較快。此外,該階段帶有突現(xiàn)性特征的關(guān)鍵詞為土地利用,土壤質(zhì)量對土地利用方式變化的響應以及調(diào)控措施也成為土壤學的研究熱點。

圖7 2001—2005年中國土壤質(zhì)量關(guān)鍵詞文獻計量網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.7 Bibliometrics network map of keywords on soil quality in China during 2001- 2005

3.4 系統(tǒng)化階段(2006—2010年、2011—2016年)

與前面幾個階段的土壤質(zhì)量研究網(wǎng)絡(luò)相比,2006—2010年、2011—2016年2個階段最大的特征是研究節(jié)點數(shù)量變少,關(guān)鍵詞更加集中,高頻關(guān)鍵詞年輪之間的交叉性明顯增強。通過分析發(fā)現(xiàn),2個時間段在內(nèi)容上相似,因此,本研究選取特征更為明顯的2011—2016年期間的圖譜作為分析對象進行展示,而在研究內(nèi)容上擬將2006—2016作為一個時段。1999年10月,“土壤質(zhì)量演變規(guī)律與持續(xù)利用”項目獲準成為中國土壤學界的第1個“973”項目,這對全國土壤學界同仁是一個極大的鼓舞,激發(fā)了人們對土壤、肥料、環(huán)境、生態(tài)和持續(xù)發(fā)展的研究熱情和科學獻身精神。2008年10月起,由該項目所形成的《中國土壤質(zhì)量》《土壤質(zhì)量指標與評價》等系列專著標志著中國土壤質(zhì)量研究系統(tǒng)化的開始。近10年來國內(nèi)土壤質(zhì)量研究所發(fā)表的中文文獻數(shù)量占1980年以來文獻總數(shù)的84.5%。由圖8可以看出,盡管文獻數(shù)量激增,但研究內(nèi)容更加集中,這也表現(xiàn)出國內(nèi)土壤質(zhì)量近10年來研究內(nèi)容更加深入,學科系統(tǒng)性加強。因此,根據(jù)圖譜特征,本研究將2006—2016年作為土壤質(zhì)量研究的系統(tǒng)化階段。

在2006—2010年、2011—2016年 2個階段內(nèi),前20的高頻關(guān)鍵詞的中心性均普遍較高,其中土壤養(yǎng)分、土壤肥力一直在前5名。在2006—2010年時間段內(nèi),年輪圈較大的有土壤肥力、土地利用方式、土壤養(yǎng)分、土壤微生物、土地利用、土壤侵蝕、土壤污染、土壤退化、土壤酶活性等,而且已形成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),例如圍繞土壤肥力開展了坡耕地、地力培肥、土壤環(huán)境、耕地質(zhì)量、有機肥等諸多研究。在2011—2016年時間段內(nèi),基本所有的關(guān)鍵詞都在土壤質(zhì)量年輪圈內(nèi)(圖8),最靠近年輪圈核心的關(guān)鍵詞有土壤生物化學、土壤培肥、土地評價、重金屬污染、可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、土壤肥力、土壤污染,從核心部分向外圍看,重金屬、有機質(zhì)、土地利用、土壤改良、土壤理化性質(zhì)等關(guān)鍵詞的年輪圈交叉融合的程度較2006—2010年更為強烈,這也表明該階段的研究更加系統(tǒng)化,不同研究方向之間的聯(lián)系增強。這一時間段最明顯的特征是環(huán)境方面的研究十分突出,尤其是對土壤環(huán)境污染的防治、改良、修復的研究增多。與國際同時期土壤質(zhì)量研究相比,中國在環(huán)境方向上的土壤質(zhì)量研究已得到充分關(guān)注。2016年5月28日,國務(wù)院正式印發(fā)《土壤污染防治行動計劃》,即“土十條”,這也標志著中國政府對土壤污染及修復的高度重視,是中國土壤修復領(lǐng)域的里程碑；但對于土壤質(zhì)量對全球氣候變化的響應開展較少,尤其是環(huán)境脆弱帶。

圖8 2006—2010年中國土壤質(zhì)量關(guān)鍵詞文獻計量網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.8 Bibliometrics network map of keywords for soi l quality in China during 2006- 2010

4 結(jié)論與討論

進入21世紀以來,中國土壤質(zhì)量研究的文獻數(shù)量快速增長,2006—2016年期間的文獻數(shù)量占到了1980年以來的84.5%。從其發(fā)展脈絡(luò)上可以看出國內(nèi)土壤質(zhì)量研究受到了學科發(fā)展和社會需求的雙重驅(qū)動。目前,中國土壤質(zhì)量研究還處于基礎(chǔ)研究階段,研究內(nèi)容多涉及自然科學方面,與人文、經(jīng)濟等社會科學聯(lián)系較少。從基金支撐來看,國家基金為主要基金來源,地方性基金和中科院基金是基金來源的重要組成部分,國際合作基金較少。

根據(jù)不同時段網(wǎng)絡(luò)圖譜特征,將1980年以來國內(nèi)土壤質(zhì)量研究過程分為4個階段:萌芽階段(1980—1990年)、概念形成期(1991—2000年)、應用起步階段(2001—2005年)、系統(tǒng)化階段(2006—2016年)。每個發(fā)展階段都有其鮮明的特征。萌芽階段,各學科之間較為獨立,交叉少,主要圍繞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)展開研究；概念形成期,就土壤質(zhì)量的概念、指標等展開討論,同時土壤環(huán)境問題開始凸顯；應用起步階段,對土壤質(zhì)量評價指標的篩選及其應用開展了諸多研究,對土壤微生物、重金屬污染、生態(tài)環(huán)境、土壤污染、土地利用方式變化等的研究進一步加強；當前中國土壤質(zhì)量研究處于系統(tǒng)化階段,學科交叉明顯變強,土壤肥力、土地利用方式、土壤養(yǎng)分、土壤微生物、土地利用、土壤侵蝕、土壤污染、土壤退化、土壤酶活性等在這一階段研究的系統(tǒng)性更為完備,尤其是對污染土壤的修復研究,是中國未來一段時間內(nèi)土壤質(zhì)量研究的前沿與熱點。

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