生物土壤结皮研究进展与热点——基于CiteSpace和HistCite计量分析

郭忠录, 蔡崇法

(华中农业大学水土保持研究中心，430070，武汉)

生物土壤结皮(biological soil crust, BSC)，简称生物结皮，是由不同种类的苔藓、地衣、藻类、真菌以及细菌等生物组成的，它们与下层很薄的土壤共同形成一个复合的生物土壤层[1-3]。复合生物土壤层的形成使土壤表面在物理、化学和生物学特性明显不同于下覆土壤，具有较强的抗风蚀和水蚀功能[3-4]。

20世纪90年代以来，有关BSC的研究逐渐增多，并受到了前所未有的重视，涉及的学科和内容非常广泛。国内外学者从BSC自身种类组成，对土壤水分、养分、理化性质及抗侵蚀性能以及生态系统恢复重建中的作用等方面开展了大量卓有成效的探索[5-9]。作为荒漠生态系统的工程师，BSC在联结干旱半干旱地区景观地表生物与非生物成分中起着无法替代的作用[10]，开展相关研究是实现对荒漠景观进行生态系统管理和可持续发展的重要基础[4]。文献计量法以文献体系和文献计量特征为研究对象，被广泛用于文献情报分析，进而评价一个学科或知识领域在一定时期发展的趋势和动向，同时可弥补传统文献综述的不足。基于此，笔者采用CiteSpace和HistCite 2种科学计量软件[11-12]，对国内外BSC研究文献进行图谱量化，结合典型文献阅读，分析BSC国内外研究热点和态势，以加深对BSC研究领域认识，试图对BSC生态功能提出新的见解和思考。

1 数据与方法

1.1 数据来源

数据收据源于Web of Science (WOS)核心合集和中国知网(CNKI)数据库，检索截止日期为2017年12月31日。WOS数据库，检索式为TS=(biological crusts or biological soil crusts or biocrust or moss soil crusts or lichen soil crusts or cyanobacterial soil crusts or algal soil crusts) not TS=(sea or marine or ocean or reservoir or lake or physical soil crusts or salt crusts or bread or aquatic or drug or crystalline lattice) and TS=soil，结合人工筛选和HistCite补充遗漏的文献，共检索文献1 413篇，文献类型为article 和review。CNKI数据库，检索式为(SU=‘生物结皮’ or SU=‘结皮*’ or SU=‘生物土壤结皮’ or SU=‘藻结皮’ or SU=‘藓结皮’or SU=‘地衣结皮’or SU=‘混合结皮’)，通过人工筛选，获得文献663篇。

1.2 研究方法

笔者采用 CiteSpace和HistCite进行计量和可视化分析。CiteSpace是一款应用JAVA研发的一款信息可视化软件，对特定领域文献进行计量，探寻特定领域演化的关键路径，显示学科或知识领域一定时期内的发展趋势和动向。HistCite 是尤金加菲尔博士和MG科学出版公司共同开发的一款引文编年可视化程序，能够用图示的方式展示某一领域文献之间的关系，快速绘制特定领域的发展历史，定位该领域的重要文献和最新的重要文献，以及重要科学家和机构。笔者借助HistCite以图示的方式展示BSC领域发展历史，利用CiteSpace共现和共引图谱分析显示BSC的发展趋势动向，并在深入阅读经典文献基础上，总结梳理BSC研究方向和热点。

2 总体概况

图1 1941—2017年WOS数据库中生物土壤结皮研究载文量分布Fig.1 Distribution of BSC papers based on the Web of Science during 1941-2017

运用HistCite对Web of Science核心合集中收集到的1 413篇文献分析，发现生物土壤结皮主题研究1990年后总体上呈上升的趋势，特别是2000年以后非常快速地上升(图1)。论文主要发表在《Journal of Arid Environments》《Soil Biology & Biochemistry》《Catena》《Plant and Soil》《Microbial Ecology》等期刊上(图2)。美国的学者在生物土壤结皮领域发表论文数量最多，其次是中国、德国、西班牙、以色列、澳大利亚等国家(图3)。作为发展中国家，我国生物土壤结皮方面研究起步较晚，但近年来发展迅速。与国外案例热带荒漠、寒漠和欧洲草原相比，我国温性荒漠区从极端干旱区(降水<50 mm)到半干旱区(降水介于300～450 mm)，BSC发育良好、结构和种类组成复杂多样，几乎涵盖了不同演替阶段的BSC类型，便于比较探讨BSC对气候等干扰变化的响应和适应；因此我国BSC研究后来居上，在国际上产生了很大影响，大量的研究被国外同行引用和认可[4,13]。利用CiteSpace绘制国家合作网络图谱(图4)，图中节点大小代表节点的度，节点越大代表与之合作的国家越多，由4可知中国与挪威、英国、日本和匈牙利合作密切。中介中心性代表了处于国际合作网络重要节点位置的国家合作对象的广泛程度，中介中心性排序越靠前，对网络格局的形成和结构稳定性贡献越大。由图4可以看出德国的中介中心性最高(1.07)，其次南非、荷兰、波兰等，中国位于第9位。说明中国在国际上与论文高产国家的合作研究方面有待加强。

图2 WOS数据库中生物土壤结皮研究载文量前10的期刊Fig.2 Top 10 journals in BSC research on the Web of Science

图3 WOS数据库中主要研究国家生物土壤结皮发文量Fig.3 Main source countries in BSC research on the Web of Science

图4 WOS数据库中国际生物土壤结皮研究国家合作网络Fig.4 Country collaborative networks of BSC research on the Web of Science

图6 CNKI数据库生物土壤结皮载文量前10的期刊Fig.6 Top 10 journals in BSC field based on CNKI Database

由对CNKI数据库663篇文献分析可知，自2000年之后，我国生物土壤结皮研究的相关期刊文章不断攀升(图5)，主要发表于《中国沙漠》《生态学报》《应用生态学报》《干旱区研究》《水土保持学报》等期刊上(图6)。主要经费来源于国家自然科学基金，其他资金来源包括中国科学院知识创新工程基金、中国科学院“西部之光”基金、国家重点基础研究发展计划等(图7)。在研究机构方面，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所和中国科学院新疆生态与地理研究所领先于其他研究机构和高校，西北农林科技大学(含中国科学院水利部水土保持研究所，下同)等单位也取得了丰硕的研究成果，区位优势明显，这些单位的研究人员为我国生物土壤结皮领域的发展起到了重要的推动作用(图8)。借助CiteSpace对生物土壤结皮研究团队分析发现，对生物土壤结皮研究形成了以下几大研究团队(图9)。在中国科学院新疆生态与地理研究所形成了以张元明为核心的研究团队，在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所围绕李新荣的研究团队，在西北农林科技大学有赵允格带领的研究团队和卜崇峰带领的研究团队，在中国科学院水生生物研究所形成了以刘永定为核心的研究团队。各团队依托专业优势，围绕区位特色对生物土壤结皮进行了深入挖掘和研究[14-17]。值得关注的，李新荣、张元明和赵允格3大团队之间有较强的合作关系。

图5 1990—2017年CNKI数据库生物土壤结皮研究载文量分布Fig.5 Distribution of BSC papers based on CNKI during 1990-2017

图7 中国生物土壤结皮研究经费来源Fig.7 Funding sources of Chinese BSC research

图8 中国生物土壤结皮研究机构分布及发文量Fig.8 Distribution of Chinese research institutions in BSC research and the number of published articles

图9 中国生物土壤结皮研究作者合作网络Fig.9 Chinese BSC research author cooperation network

3 生物土壤结皮研究进展和热点

3.1 国际生物土壤结皮研究进展和热点

突发性(burst)反映文献在一定时期被引频次的增长情况，通过突发性的检测，可知特定时间内的研究热点。利用CiteSpace突发性检测算法，可知在国际生物土壤结皮研究前沿显著划分为3个阶段(图10)：1)1941年开始soil 和 algae是BSC研究热点，持续了60多年，到2004年；2)20世纪90年代后，BSC研究方向逐渐多样，recovery、fire、erosion、cryptogamic crust、cryptobiotic crust等成为热点，Utah 和Australia是热点区域；3)进入21世纪，BSC研究内容更加细致多样，研究区域更加广泛，wind erosion、biotic interaction、successional stage、climate change、dryland等成为研究热点，特别是2011年至今，热点区域主要集中在我国Gurbantungut desert、Inner Mongolia、northwestern China、northern China、China。

图10 Web of Science数据库中生物土壤结皮研究突发关键词Fig.10 Keywords with the strongest citation bursts in BSC research on the Web of Science

运用CiteSpace对1 413篇文献的学科分布结构进行知识图谱绘制(图未展示)，发现BSC是一个多学科交叉的领域，Environmental Science & Ecology、Ecology、Environmental Science、Agriculture是文献最多的4个学科，其次是Soil Science、Plant Sciences、Geology、Geosciences等。集合HistCite根据LCS(local citation score)值排名前30文献生成的BSC文献引证关系图(图11)，可知各个学科研究方向之间相互独立，又存在相互引证关系，研究围绕土壤过程、水文过程及生物过程，主要分为9个方面：1)BSC组成、发育、分类和演替；2)BSC对土壤水文过程的影响；3)BSC对生态系统碳、氮、磷循环的影响；4)BSC对土壤稳定性的影响；5)BSC对土壤酶活性的影响；6)BSC对维管束植物的影响；7)BSC在生态系统恢复重建中的作用；8)干扰对BSC种类、组成及生态的功能的影响；9)BSC对环境胁迫、气候变化的生理生态响应。

进一步分析HistCite生成的引证关系图，发现前30的经典文献只有1篇来自我国(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所李新荣)。但是，通过LCSe(最近3年被引用情况)分析，发现前30篇文献中，有6篇来自我国，其中李新荣等3篇，中国科学院新疆生态与地理研究所张元明等2篇，中国科学院水生生物研究所王伟波等1篇，而前40篇中达到9篇，进一步验证了图10。相对发达国家来说，我国生物土壤结皮研究起步较晚，但近年来后来居上，引用率稳步升高，已从跟踪研究发展到并行研究，研究区域逐步成为热点区域。

3.2 国内生物土壤结皮研究进展和热点

我国生物土壤结皮研究起步较晚，但发展迅速，扎根于我国温性荒漠区，产生了一批有意义的研究成果[4]。由表1可以看出，被引频次最高的文献《干旱半干旱地区土壤微生物结皮的生态学意义及若干研究进展》较早地对BSC形成、发育过程及对微生境影响及在生态恢复中地位和作用进行了探讨，是该领域较为经典的文献。排在第2、3位也是李新荣，分析了固沙植被区BSC形成特点及其对植被动态的影响，并于2009年对BSC研究进展进行了总结和展望。排在第4～7的作者分别是吴玉环、杨晓辉、徐杰、胡春香等，从BSC的种类组成和分布、固沙作用、在植被恢复和重建中作用等视角进行探讨。

图中左侧为年份(文献数)Year (number of literature) are presented in the left column. 图中每个方框代表一篇文献，数字是文献编号Each box represents an article, and the number in the box is the article’s ID.图11 Web of Science数据库中生物土壤结皮文献引证关系图Fig.11 Citation network of BSC research on the Web of Science

编号Series文献题名 Article title发表年份Published year被引频次 Cited frequency1干旱半干旱地区土壤微生物结皮的生态学意义及若干研究进展2001268Advances in microbiotic soil crust research and its ecological significance in arid and semiarid regions2干旱沙漠区土壤微生物结皮及其对固沙植被影响的研究(英文)2000207Study on soil microbiotic crust and its influences on sand-fixing vegetation in arid desert region3生物土壤结皮研究:进展、前沿与展望2009157A study of biological soil crusts: Recent development, trend and prospect4苔藓植物的生态功能及在植被恢复与重建中的作用2003157Bryophytes ecology functions and its significances in revegetation5生物土壤结皮———荒漠化地区研究的热点问题2001150Microbiotic soil crust a research forefront in desertification prone areas6固定沙丘结皮层藓类植物多样性及固沙作用研究2003142Study on diversity and binding-sand effect of moss on biotic crusts of fixed dunes7半荒漠藻结皮中藻类的种类组成和分布2000125Species composition and distribution of algae in semi-desert algal crusts

(1)Biological soil crust. (2) Arid region. (3) Small watershed. (4) Biodiversity. (5) Tengger desert. (6) Hobq sand land. (7) Soil evaporation. (8) Wind-water erosion crisscross region. (9) Algal crusts. (10) Biomass. (11) Soil seed bank. (12) Species diversity. (13) Environmental factor. (14) Arid desert region. (15) Moss crusts. (16) Dew. (17) Acetylene reduction assay. (18) Soil respiration. (19) Nitrogen fixing. (20) Vegetation restoration. (21) Loess hilly region. (22) Abandoned land. (23) Soil and water conservation. (24) Syntrichia caninervis. (25) Sand dunes. (26) Infiltration. (27) Coverage. (28) Soil water content. (29) Crusts. (30) Runoff. (31) Vegetation succession. (32) Desert. (33) Soil. (34) Soil moisture. (35) Influence factor. (36) Temperature. (37) Disturbance. (38) Soil nutrients. (39) Developmental characteristics. (40) Infiltration rate. (41) Physiological characteristics. (42) Soil enzyme activity. (43) Photosynthetic activity. (44) Exopolysaccharides. (45) Soil microorganism. (46) Horqin sand land. (47) Soil physicochemical properties. (48) Artificial vegetation. (49) Crust layer. (50) Spatial distribution. (51) Seasonal variation. (52) Shapotou. (53) Vegetation. (54) Algal. (55) Photosynthesis. (56) Species composition. (57) Gurbantungut desert. (58) Hobq Desert. (59) Mu Us sandy land. (60) Soil crust. (61) Mosses. (62) Simulated rainfall. (63) Soil erosion. (64) Lichens. (65) Desertification.图12 1990—2017年生物土壤结皮主题知识图谱聚类Fig.12 Research cluster of knowledge graph of BSC during 1990-2017

从CiteSpace生成的关键词聚类图谱(图12)可知：1)围绕生物土壤结皮(藻结皮、苔藓结皮、微生物结皮、地衣结皮)，立足我国特殊的区域环境(古尔班通古特沙漠、毛乌素沙地、腾格里沙漠、科尔沁沙地、黄土高原、黄土丘陵区、库布奇沙漠等)进行了不同层面的探索。2)共现图谱中的节点(大小)代表生物土壤结皮领域的高频关键词，关于生物土壤结皮的研究热点主要集中在“古尔班通古特沙漠”“藓结皮”“藓结皮”“土壤水分”“毛乌素沙地”“藓类植物”“生物量”“黄土高原”“土壤理化性质”等(表2)。高被引文献也验证了生物土壤结皮热点多样化的特点(表1)。3)除了用节点大小，CiteSpace使用中介中心性和文献爆发性来衡量关键文献或具有转折意义的文献，在不用时期的奠基性的文献，对该领域发展有着重要作用。从中心性来看(表2)，中心性大于0.53的关键词分别是发育特征、光合活性、腾格里沙漠、凝结水、种子萌发、人工藻结皮和具鞘微鞘藻等。

利用CiteSpace的时区视图(图13)和突发性关键词检测(图14)，可以观察内容的变迁及不同时段内的研究热点和重点。通过观察生物土壤结皮研究主题变迁发现：随着时间推移，研究内容逐渐丰富、细化、系统，研究手段从传统的野外观测、控制实验向模型模拟发展；研究尺度从局地向区域和全球尺度方向转变；研究区域向不同生物气候带延伸，从我国干旱的腾格里沙漠逐步扩展到科尔沁沙地(干旱半干旱区)、毛乌素沙地(半干旱区)等东部沙区、水蚀风蚀交错区及水蚀区(图13和表2)。

表2 1990—2017年生物土壤结皮领域高频、高中介中心性和高文献数关键词Tab.2 Keywords of high-frequency, high-betweenness and high number of articles in BSC during 1990-2017

基于CiteSpace的热点关键词探测(图14)，微生物结皮、干旱层、固定沙丘、古尔班通古特、土壤理化性质、土壤种子库、退耕地、科尔沁沙地和水分蒸发是2000—2010的研究热点，毛乌素沙地、水蚀风蚀交错区、固氮活性、土壤侵蚀、微生物、苔藓结皮和季节变化是2010—2017的研究热点。

(1)Soil water content. (2) Soil moisture. (3) Vegetation succession. (4) Artificial vegetation. (5) Biological soil crust. (6) Tengger desert. (7) Desertification. (8) Shapotou. (9) Species composition. (10) Microbial crusts. (11) Germination. (12) Environmental factors. (13) Biomass. (14) Algal crusts. (15) Soil physicochemical properties. (16) Gurbantunggut sandy desert. (17) Arid desert area. (18) Biological soil crust. (19) Horqin sand land. (20) Soil microorganism. (21) Abandoned land. (22) Soil seed bank. (23) Biodiversity. (24) Photosynthesis. (25) Hobq Desert. (26) Soil respiration. (27) Mu Us sandy land. (28) Dew. (29) Soil and water conservation. (30) Species diversity. (31) Water infiltration. (32) Wind-water erosion crisscross region. (33) Influence factor. (34) Moss crusts. (35) Syntrichia caninervis. (36) Soil erosion. (37) Loess Plateau. (38) Soil enzyme activity. (39) Soil nutrients. (40) Loess hilly region. (41) Nitrogenase activity. (42) Desert algae. (43) Acetylene reduction assay. (44) Microorganism. (45) Vegetation restoration. (46) Mosses. (47) Exopolysaccharides. (48) Arid region. (49) Influence factor.图13 生物土壤结皮研究的主题演变图谱Fig.13 Evolution map of BSC research topics

图14 生物土壤结皮研究突发关键词Fig.14 Keywords with the strongest citation bursts in BSC research

4 结论

通过生物土壤结皮研究文献计量和知识图谱分析，发现生物土壤结皮研究发展的主要进展和特点如下。

1)生物土壤结皮领域研究呈多学科交叉融合的趋势，涉及环境科学与生态学、生态学、环境科学、农业科学、土壤学、植物学、地质学和地球科学等；研究内容逐渐细致，从BSC组成、结构和功能到生态系统和景观过程与机理研究；研究手段和方法表现为多学科交叉，利用分子生物学、地理信息科学等学科新的技术和仪器设备进行机理探索、模型模拟；研究区域在不同生物气候带扩展，从干旱区向干旱半干旱区、半湿润区、湿润区延伸[18]。

2)发达国家在生物土壤结皮领域科研实力明显强于发展中国家，排在前8位的国家只有中国是发展中国家，美国论文发文量最多。我国生物土壤结皮研究起步相对较晚，但我国温性荒漠区从极端干旱区到半干旱区，BSC发育良好、结构和种类组成复杂多样，加之国家对科学研究支持力度逐渐加大，我国BSC研究后来居上，近年来在国际上产生了很大影响，已从跟踪研究发展到并行研究，有关研究区域逐渐成为生物土壤结皮研究的热点区域。但我国与论文高产国家的合作研究有待进一步加强。

3)通过对国内外生物结皮文献关键词的词频分析，生物结皮组成、发育及其对碳、氮循环、土壤水分、土壤理化性质影响，以及对干扰的响应是研究重点；通过国内外生物结皮文献关键词突发检测，生物结皮类型、演替、季节变化及对土壤水文、土壤侵蚀、氮固定的影响，以及对气候变化的响应是研究热点。

4)我国生物土壤结皮领域主要研究团队有中国科学院寒区旱区环境与工程研究所李新荣为核心的团队，中国科学院新疆生态与地理研究所张元明、张丙昌和吴楠研究团队，西北农林科技大学赵允格带领的研究团队与卜崇峰研究团队，中国科学院水生生物研究以刘永定为核心的研究团队，而且李新荣、张元明和赵允格带领的团队之间合作密切。