基于CiteSpace的巖溶地區(qū)土壤氮素研究進展

張 樂，王興富

(1.貴州科學(xué)院 貴州省建筑材料科學(xué)研究設(shè)計院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001)

0 引言

巖溶即喀斯特，主要指是水對可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進行以化學(xué)溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質(zhì)作用，以及由這些作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象的總稱[1]。巖溶具有二元三維空間特征，持續(xù)進行著復(fù)雜的物質(zhì)和能量交換，其生態(tài)變異靈敏度高，環(huán)境承載容量低，災(zāi)害承受闕值彈性小，在脆弱環(huán)境變量正負(fù)反饋調(diào)控下，生態(tài)系統(tǒng)良性正向演替速率慢，而惡性逆向演替速率較快，恢復(fù)十分困難[2]。石漠化是巖溶地區(qū)主要的生態(tài)環(huán)境問題，隨著石漠化程度的加劇，土壤質(zhì)量呈冪級數(shù)下降，成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展和植被恢復(fù)的主要因素[3]。氮素是土壤質(zhì)量的核心元素之一，土壤氮循環(huán)是全球氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一，影響土地質(zhì)量并積極參與和控制其他物質(zhì)或養(yǎng)分循環(huán)過程。土壤氮循環(huán)可能導(dǎo)致溫室氣體排放增加和水體富營養(yǎng)化，增加當(dāng)?shù)鼐用竦慕】碉L(fēng)險[4]。因此，巖溶地區(qū)土壤氮素對土地質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建以及人類健康有著重要的影響。本研究對巖溶地區(qū)石漠化治理、生態(tài)恢復(fù)和社會經(jīng)濟發(fā)展具有參考價值。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基于Web of Science Core Collection數(shù)據(jù)庫，本研究檢索了2015—2021年間巖溶地區(qū)土壤氮素研究相關(guān)文獻，共計427篇，檢索式如表1所示。

表1 檢索式與檢索結(jié)果

1.2 研究方法

CiteSpace軟件將科學(xué)發(fā)展理論、科學(xué)前沿理論、結(jié)構(gòu)洞理論、突發(fā)探測技術(shù)、科學(xué)傳播最佳信息覓食理論、知識單元離散與重組理論結(jié)合起來，實現(xiàn)學(xué)術(shù)文獻挖掘可視化[5]。本研究基于CiteSpace 6.1.R2版本，對巖溶地區(qū)土壤氮素研究相關(guān)學(xué)術(shù)文獻的核心作者、期刊、機構(gòu)、國家、關(guān)鍵詞等進行了共現(xiàn)分析、共被引分析、高被引分析、聚類分析、突顯性分析等研究。在CiteSpace生成的可視化“科學(xué)知識圖譜”中，上方彩條由紫色到紅色代表時間的演進；節(jié)點大小代表出現(xiàn)的頻率；節(jié)點圈層顏色代表時間，與“科學(xué)知識圖譜”上方彩條對應(yīng)；節(jié)點間連線代表存在共現(xiàn)關(guān)系或者共被引關(guān)系；節(jié)點外圈層標(biāo)注紫色代表較大的中心性；突顯性分析中節(jié)點外圈層標(biāo)注紅代表較大的突顯性。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 發(fā)文數(shù)量分析

Web of Science Core Collection數(shù)據(jù)庫中巖溶地區(qū)土壤氮素研究相關(guān)文獻為427篇，包括421篇期刊文獻，5篇綜述文獻，1篇會議文獻。如圖1所示，自2015年以來，發(fā)文數(shù)量一直呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢，2018年發(fā)文數(shù)量超過50篇。2021年超過100篇。分析結(jié)果表明該研究領(lǐng)域起步較晚，但日益受到學(xué)界關(guān)注，特別是2018年以來，發(fā)文數(shù)量增幅較大，約占總數(shù)量的75%，見圖1。

圖1 發(fā)文數(shù)量年趨勢

2.2 作者合作共現(xiàn)和共被引分析

基于CiteSpace進行作者共現(xiàn)分析，可以分析主要的學(xué)者、揭示作者間的合作關(guān)系及識別高產(chǎn)作者。分析結(jié)果如圖2所示，共產(chǎn)生259個節(jié)點和370條連接，形成了5個主要的合作共現(xiàn)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，即代表了5個主要的研究團隊，包括(1)Wang K，Zhang W，Li D等；(2)Wang Z，Wen X，Dungait J等；(3)Li J，Cao J，Yang H等；(4)Zhou Z，Wu Y，Xue J等；(5)Xiong K等。分析結(jié)果顯示，研究團隊(1)和(2)在該研究領(lǐng)域開展工作較早，2015年至2021年間持續(xù)發(fā)文，研究團隊(1)發(fā)文數(shù)量最多，約占總數(shù)量的40%以上，Wang K是發(fā)文數(shù)量最多的研究人員，發(fā)文數(shù)量為54篇。研究團隊(3)、(4)和(5)在該研究領(lǐng)域開展工作較晚，2018年以后才陸續(xù)發(fā)文，研究團隊(3)雖然起步較晚，但是發(fā)文數(shù)量增長迅速。值得注意的是，各研究團隊間相互引用較少，缺乏密切合作，表示其研究方向可能存在較大差異。

圖2 作者合作共現(xiàn)分析

基于CiteSpace進行作者共被引分析、中心性分析和突顯性分析，確定有影響力的學(xué)者。分析結(jié)果如表2所示，分析結(jié)果共產(chǎn)生187個節(jié)點和606條連接線。剔除自引數(shù)據(jù)后，共被引頻次排名最高的學(xué)者是Wang K，頻次為54；中心性排名最高的學(xué)者是Li D，中心度為0.30；突顯性排名最高的學(xué)者是Wen L，突顯度為3.39。共被引頻次越高代表研究人員發(fā)文被引用越多，學(xué)術(shù)影響越大；中心性是衡量節(jié)點在“科學(xué)知識圖譜”中重要性的指標(biāo)，中心性越高代表研究人員發(fā)文越具有關(guān)鍵性或者轉(zhuǎn)折性；突顯性越高代表研究人員發(fā)文越趨近于某一時間段的研究熱點。

表2 共被引頻次、中心性和突顯性分析

2.3 期刊分析

基于CiteSpace進行期刊共被引分析、中心性分析和突顯性分析，確定權(quán)威期刊。分析結(jié)果如表3所示，共產(chǎn)生149個節(jié)點和605條連接線。剔除自引數(shù)據(jù)后，共被引頻次排名最高的期刊是SCI TOTAL ENVIRON，頻次為22；中心性排名最高的期刊是AGR ECOSYST ENVIRON，中心度為0.26；突顯性排名最高的期刊是FORESTRY，突顯度為5.43。共被引頻次越高代表權(quán)威性越高，受眾越廣泛；中心性是衡量節(jié)點在“科學(xué)知識圖譜”中重要性的指標(biāo)，中心性越高代表期刊學(xué)術(shù)價值越高；突顯性越高代表期刊發(fā)文越趨近于某一時間段的研究熱點。值得注意的是，共被引頻次、中心性和突顯性分析中結(jié)果重合度不高，表明該領(lǐng)域研究前沿與傳統(tǒng)主流研究方向可能存在較大差異。

表3 共被引頻次、中心性和突顯性分析

2.4 國家和機構(gòu)分析

基于CiteSpace進行國家和機構(gòu)共現(xiàn)分析，中心性分析，確定有影響力的研究國家和機構(gòu)。分析結(jié)果如圖3和表4所示。國家分析中，共產(chǎn)生50個節(jié)點和100條連接線，機構(gòu)分析中，共產(chǎn)生241個節(jié)點和451條連接線。發(fā)文最多的國家是中國，數(shù)量為303篇；中心性最高的國家是美國，中心度為0.85；發(fā)文最多的機構(gòu)中國科學(xué)院，數(shù)量為161篇；中心性最高的機構(gòu)是中國科學(xué)院，中心度為0.45。分析結(jié)果表明，中國是該領(lǐng)域研究的最主要的國家，其發(fā)文數(shù)量占比約為71%；中國科學(xué)院是該領(lǐng)域研究的最主要的機構(gòu)，其發(fā)文數(shù)量占比約為38%。值得注意的是，“科學(xué)知識圖譜”中美國、德國等國節(jié)點明顯較中國小，但連接線密度明顯較中國高，呈現(xiàn)更高的中心性，說明其與其他國家交流更為廣泛、密切，在整個分析網(wǎng)絡(luò)中的地位也更為重要。

圖3 國家和機構(gòu)共現(xiàn)分析

表4 發(fā)文數(shù)量和中心性分析

3 熱點分析

基于CiteSpace進行共被引分析，可以比較文獻之間研究內(nèi)容的相似程度，揭示文獻之間的引用關(guān)系和規(guī)律；基于CiteSpace進行突顯性分析可以揭示某一時間段研究趨勢的變化情況，結(jié)合聚類分析可以識別特定時間段的研究熱點和趨勢。

3.1 高被引分析和共被引分析

基于Web of Science Core Collection數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建引文報告進行高被引分析，對研究文獻被引頻次進行統(tǒng)計，分析結(jié)果如表5所示，剔除自引數(shù)據(jù)后，列出排名前5的高被引文獻，其中頻次最高的是Han D M等2016年在ENVIRONMENTAL POLLUTION上發(fā)表的《Deep challenges for China's war on water pollution》。

表5 高被引文獻(前5)

基于CiteSpace進行共被引分析，分析兩篇(或多篇)文獻同時被另一篇或多篇文獻所引證的頻次，探索文獻間內(nèi)在聯(lián)系，揭示權(quán)威文獻，分析結(jié)果如表6所示，剔除自引數(shù)據(jù)后，列出排名前5的共被引文獻，其中頻次最高的是Li D等2018年在SOIL BIOLOGY AND BIOCHEMISTRY上發(fā)表的《Nitrogen functional gene activity in soil profiles under progressive vegetative recovery after abandonment of agriculture at the Puding Karst critical zone observatory, SW China》。

表6 高共被引頻次文獻(前5)

分析結(jié)果顯示，高被引文獻與高共被引文獻重合度較差，高被引期刊論文通常傾向于引用高被引論文，即高水平的研究更多建立在高水平的研究基礎(chǔ)之上。值得注意的是，部分文獻雖然不在高被引文獻或者高共被引文獻之列，但其在“科學(xué)知識圖譜”中卻呈現(xiàn)出較高的中心性，說明其研究成果在整個分析網(wǎng)絡(luò)中的地位較為重要，例如Guo Z等2019年在LAND DEGRDATION AND DEVELOPMENT上發(fā)表的《Soil enzyme activity and stoichiometry along a gradient of vegetation restoration at the Karst critical zone observatory in southwest China》，Xiao S等2017年在SCIENTIFIC REPORTS上發(fā)表的《Soil aggregate mediates the impacts of land uses on organic carbon, total nitrogen, and microbial activity in a Karst ecosystem》。前者研究表明：隨著巖溶地區(qū)植被的自然恢復(fù)，接近自然的生物土壤功能可以隨之恢復(fù)，在恢復(fù)的早期階段，有效的土壤養(yǎng)分改良管理可以加速生物土壤功能恢復(fù)[11]。后者研究表明：巖溶地區(qū)土壤大團聚體機碳含量顯著高于微團聚體，但小型宏聚合可能具有更活躍的碳動態(tài)[12]。

3.2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和聚類分析

基于CiteSpace進行了關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和聚類分析，分析結(jié)果如圖4所示，共產(chǎn)生293個節(jié)點、519條連接線和10個聚類，即(1)enzyme activities；(2)Karst rocky desertification；(3)soil nutrient；(4)eutrophication control；(5)soil；(6)soil organic carbon；(7)Karst critical zone；(8)crop yield；(9)arbuscular mycorrhizae；(10)carbon isotopes。分析結(jié)果顯示，研究區(qū)域主要為巖溶核心地區(qū)(Karst critical zone)，研究方向涉及石漠化治理(Karst rocky desertification)、水污染防治(eutrophication control)、社會經(jīng)濟發(fā)展(crop yield)和碳匯(soil organic carbon、carbon isotopes)，研究角度通常較為微觀(enzyme activities、soil nutrient、arbuscular mycorrhizae)。

在此基礎(chǔ)上，基于CiteSpace進行關(guān)鍵詞突顯分析，分析結(jié)果如圖5所示，排名前10的關(guān)鍵詞分別為：picea aby、norway spruce、abies l. Karst、Karst region、succession、matter、stock、management、terrestrial ecosystem、groundwater。分析結(jié)果顯示，2015年至2018年間研究熱點主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)(picea aby、norway spruce、abies l. Karst)，2018年以后研究熱點偏向于向陸地生態(tài)系統(tǒng)(terrestrial ecosystem)和地下水生態(tài)系統(tǒng)(groundwater)，其中生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境演替(succession)、有機質(zhì)(matter)、固存(stock)、調(diào)控(management)可能是主要的研究角度。值得注意的是，從突顯性關(guān)鍵詞涉及的地區(qū)可以看出，國外研究偏向森林生態(tài)系統(tǒng)，國內(nèi)研究偏向巖溶地區(qū)的陸地生態(tài)系統(tǒng)，未來研究可能更聚焦于地下水生態(tài)系統(tǒng)。

圖5 關(guān)鍵詞突顯性分析

3.3 科學(xué)領(lǐng)域共現(xiàn)分析

基于CiteSpace進行科學(xué)領(lǐng)域共現(xiàn)分析，分析結(jié)果如圖6所示，共產(chǎn)生293個節(jié)點、519條連接線和10個科學(xué)領(lǐng)域，即(1)foresty；(2)chemistry，inorganic & nuclear；(3)biodiversity conservation；(4)soil science；(5)water resource ；(6)environmental sciences；(7)ecology；(8)imaging science & photographic technology；(9)microbiology；(10)geosciences，multidisciplinary。分析結(jié)果顯示，研究涉及的學(xué)科領(lǐng)域較多，爆發(fā)期持續(xù)時間最長的是生物多樣性保護(biodiversity conservation)。

圖6 科學(xué)領(lǐng)域共現(xiàn)分析

4 討論

本研究利用CiteSpace進行文獻計量分析，從作者、期刊、國家、機構(gòu)、關(guān)鍵詞、科學(xué)領(lǐng)域等方面綜述了巖溶地區(qū)土壤氮素研究進展、研究熱點和發(fā)展趨勢。

4.1 研究進展

1)石漠化演替與土壤氮素：Li D等研究發(fā)現(xiàn)石漠化演替過程中，隨著土壤退化，全氮和速效氮呈現(xiàn)快速下降的趨勢[13]；Sheng和Wang等研究發(fā)現(xiàn)隨著石漠化程度的增加，全氮和水解氮并沒有減少，而是呈現(xiàn)出先下降后增加的趨勢[18-19]。

2)植被演替與土壤氮素：Liang等研究發(fā)現(xiàn)植被演替過程中，土壤土壤全氮含量、速效氮和堿解氮的變化規(guī)律一致，隨植物營養(yǎng)恢復(fù)而增加[20]；Lan等進一步研究發(fā)現(xiàn)植被演替過程中土壤團聚體中全氮、輕族氮、堿解氮和礦質(zhì)氮含量均增加，且隨團聚體尺寸的減小而增加。氮素優(yōu)先在小團聚體中積累，對土壤氮素積累起重要作用[21]；Liu等研究了不同植被演替過程，發(fā)現(xiàn)其對土壤全氮和速效氮含量的影響差異顯著[22-24]。

3)土地利用與土壤氮素：Wang M等研究了土地利用模式與土地質(zhì)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同土地利用模式會引起土壤全氮、速效氮和堿解氮含量的變化，變化程度以林地最高，耕地最低[25]。

4)微生境與土壤氮：Liu等研究了喬木、灌叢和草地等不同植被條件下土壤表層、石面、石溝、石洞、石縫、石槽和石坑中全氮、速效氮和堿解氮的分布，發(fā)現(xiàn)其與微生境呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性[26-27]。

4.2 研究趨勢

1)目前研究主要集中在土壤氮與石漠化演替、植被演替、土地利用模式等方面。研究大多針對單一過程或單一因子，忽視了土壤氮素轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)化過程涉及諸多相互關(guān)聯(lián)、相互作用的過程和因子，有待進一步研究更系統(tǒng)的分析方法來實現(xiàn)更全面的分析。

2)目前研究廣泛使用了生態(tài)化學(xué)計量方法，但很少考慮生態(tài)化學(xué)計量的內(nèi)部穩(wěn)定性[28]。內(nèi)部穩(wěn)定性是生態(tài)化學(xué)計量的核心概念，其強度與物種的生態(tài)策略和適應(yīng)能力有關(guān)[29-30]，有待進一步研究。

3)穩(wěn)定同位素技術(shù)可以用于測定各生態(tài)系統(tǒng)組分的氮同位素豐度和氮同位素的示蹤劑，量化氮轉(zhuǎn)化過程速率、氮的來源和途徑以及解釋氮的賦存機制[31]。目前穩(wěn)定同位素技術(shù)在巖溶地區(qū)土壤氮素研究中應(yīng)用仍處于起步階段，有待進一步研究。

4)Hartmann等利用大陸尺度模型量化了歐洲、北非和中東巖溶地區(qū)可生物降解污染物對地下水的污染風(fēng)險，發(fā)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率持續(xù)提高的時期，污染物的持續(xù)輸入可能對可用地下水造成較大的污染風(fēng)險[32]；Yin等進一步論證了農(nóng)業(yè)活動是巖溶地區(qū)湖泊氮污染的主要來源，不合理土壤氮素管理方法是主要原因[33]。如何管理土壤氮素以及避免其對地下水的污染風(fēng)險有待進一步研究。

5)壤氮循環(huán)可能導(dǎo)致溫室氣體排放的增加[34]。在巖溶地區(qū)，隨著石漠化程度的增加，逐漸失去碳匯功能[35]，二氧化碳(CO2)在土壤中積累可能加強反硝化過程[36]，抑制硝化作用[37]，促進氮循環(huán)[38]。進而影響一氧化二氮(N2O)的生產(chǎn)和消費。在此過程中，土壤呼吸增強[39-40]，一氧化二氮(N2O)釋放增加，可能對植物生長產(chǎn)生不利影響[41]，此過程進一步研究。

5 結(jié)論

本研究采用CiteSpace對Web of Science Core Collection數(shù)據(jù)庫中檢索的427篇文獻進行分析，繪制了“科學(xué)知識圖譜”，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)發(fā)表文獻數(shù)量2015年以來逐年增加，2018年以后增速明顯加快；

2)共被引頻次排名最高的學(xué)者是Wang K，中心性排名最高的學(xué)者是Li D，突顯性排名最高的學(xué)者是Wen L；

3)共被引頻次排名最高的期刊是SCI TOTAL ENVIRON，中心性排名最高的期刊是AGR ECOSYST ENVIRON，突顯性排名最高的期刊是FORESTRY；

4)發(fā)文最多的國家是中國，中心性最高的國家是美國；發(fā)文最多和中心性最高的機構(gòu)是中國科學(xué)院；

5)最高被引文獻是Han D M等2016年在ENVIRONMENTAL POLLUTION上發(fā)表的《Deep challenges for China's war on water pollution》；最高共被引文獻是Li D等2018年在SOIL BIOLOGY AND BIOCHEMISTRY上發(fā)表的《Nitrogen functional gene activity in soil profiles under progressive vegetative recovery after abandonment of agriculture at the Puding Karst critical zone observatory, SW China》；

6)當(dāng)前研究區(qū)域主要為巖溶核心地區(qū)(Karst critical zone)，研究方向涉及石漠化治理(Karst rocky desertification)、水污染防治(eutrophication control)、社會經(jīng)濟發(fā)展(crop yield)和碳匯(soil organic carbon、carbon isotopes)，研究角度通常較為微觀(enzyme activities、soil nutrient、arbuscular mycorrhizae)；

7)未來研究主要熱點集中在森林生態(tài)系統(tǒng)(picea aby、norway spruce、abies l. Karst)，2018年以后研究熱點偏向于向陸地生態(tài)系統(tǒng)(terrestrial ecosystem)和地下水生態(tài)系統(tǒng)(groundwater)，其中生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境演替(succession)、有機質(zhì)(matter)、固存(stock)、調(diào)控(management)，其中地下水生態(tài)系統(tǒng)(groundwater)指示最新的研究方向；

8)爆發(fā)期持續(xù)時間最長的科學(xué)領(lǐng)域是生物多樣性保護(biodiversity conservation)。