不同管理模式下土壤质量演变的研究态势分析——基于文献计量

冉继伟 李 鑫 田彦芳 邬 磊，2 孙 楠 徐明岗 张文菊，2*

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；3.武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070）

1 前言

土壤是人类赖以生存的最基本自然资源，不仅具有维持植物生产力，保障环境质量以及支撑人类健康生活的能力，在促进社会经济持续发展等诸多功能中也具有不可替代性，是保护地球生态系统结构及功能的核心[1]。20 世纪90 年代以来，随着工业化和城市化的快速发展，人们对土壤资源不合理利用导致了土壤质量下降、土壤退化等问题，使土壤质量及其提升技术模式的研究受到了全世界的广泛关注。20 世纪90 年代末期，美国提出将土壤质量的概念定义为：土壤在生态系统和土地利用边界范围内维持植物和动物的生产力，维持或提高水和空气质量，促进植物和动物健康的能力，并被学者们普遍接受[2-3]。耕地质量是指耕地的自然、环境和经济等因素的总和，作为国家粮食安全和农产品质量安全的重要基础，同样受到了研究者的广泛关注。耕地质量包括耕地的土壤质量、空间地理质量、管理质量和经济质量四个方面。一般认为，相应地耕地的土壤质量是耕地质量的物质基础[4-5]。随着对土壤质量的内涵不断拓展与演变，学者就土壤质量与土壤健康的定义、监测与评价指标的选择、土壤质量评价目标及程序、土壤质量评价工具的应用等方面展开了大量的述评[6-9]。

在全球人口不断增加和全球变化加剧的背景下，土壤质量面临着严重挑战，土壤质量退化如土壤侵蚀、酸化、次生盐渍化以及土壤压实和肥力下降等问题威胁着世界粮食安全，使得土壤质量再次受到国内外的广泛关注。土壤管理模式主要包括施肥、轮作、秸秆还田、耕作方式、种植模式、土壤培肥与改良等，其中众多研究从长期施肥、耕作方式、秸秆还田、种植模式等管理措施对土壤质量影响的角度进行了探究。例如吕真真[10]等探究了长期不同化肥与有机肥比例对稻田土壤质量的影响；吴玉红[11]等基于因子分析和聚类分析对长期保护性耕作的土壤质量进行了评价；Sithole[12]等关注传统耕作及管理措施对土壤质量的影响；刘占锋[13]等论述了土壤理化质量和生物质量对土壤利用方式的响应；Diacono[14]等综述了长期有机物料投入对土壤质量的影响；徐明岗[15]等详细阐述了耕地质量提升的目标及相关技术手段。与此同时，借助于分子生物学的技术手段的快速发展，越来越多的研究者从注重于土壤物理、化学质量的变化转变为着眼于能够反映土壤的动态生命系统变化的土壤生物学特征上来，开始关注土壤质量演变过程中的微生物组成、结构、功能和生物学动态等[16]。同时，由于土壤质量评价需要对表征土壤生态系统服务的各项指标进行评估，基于生态系统多功能的复杂性，量化生态系统多功能性来指示土壤指标比较困难，而其中与生态系统服务有密切联系的土壤微生物对环境变化较为敏感，可作为土壤质量评价的重要指标，如微生物生物量、土壤酶活性、微生物群落多样性、基因多样性、病原菌、土壤生物网络复杂性等[17-18]。此外，土壤动物在调节养分循环，改善土壤结构和稳定性，减少植物病害，通气和水分利用效率方面具有十分重要的作用。例如，土壤动物可能对不伤害微生物的污染物敏感，因此蚯蚓、线虫等指标常常被选取来反映土壤质量的动态变化，这方面的研究越来越受关注[19-20]。

随着人们对土壤质量研究的不断深入，针对土壤质量的综述性研究也相继受到关注，但大多局限于单一因素的总结归纳，对该领域整体性发展脉络及研究趋势的研究尚不清晰。文献计量学能够系统分析研究领域整体状况，掌握相关领域内的研究动态，为研究工作提供帮助。鉴于此，本研究从宏观角度出发，结合文献计量学分析方法，借助Citespace 及由荷兰莱顿大学科学技术研究中心Van Eck和Waltman博士研发的VOSviewer两款文献计量学软件[21]，系统分析近30 年来不同管理措施下土壤质量研究领域的国内外相关文献，通过展现该领域的热点关键词、研究进展和前沿方向，对比国内外不同管理模式下土壤质量研究的异同点，厘清发展脉络，提出当前我国在该领域存在的问题及未来发展方向，以期为今后土壤质量提升以及土壤资源的可持续利用等提供参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 文献来源与处理

本研究数据以Web of Science核心合集数据库和中国知网（CNKI）的核心全文数据库为基础进行文献检索。在Web of science 核心合集（SCI-E）数据库中进行高级检索，检索式为TS=（“soil quality*”OR“soil fertility*”OR“soil health*”OR“soil productivity*”）AND TS=（“fertilization*”OR“manuring*”OR“rota‐tion*”OR“straw mulching*”OR“straw retuning*”OR“straw recycling*”OR“tillage*”OR“planting*”OR“corpping*”OR“improvement*”OR“reclamation*”OR“amelioration*”OR“melioration*”OR“cultivation*”OR“land capability upgrading*”OR“land capability improvement*”）AND TS=（“long term*”），时间跨度为所有年份，设定文献类型为“Article”和“Review”进行检索，检索时间为2020 年11 月24 日，检索到文献2801 篇。在CNKI 上，设定主题=“土壤质量”OR“土壤健康”OR“土壤肥力”OR“土壤生产力”，时间跨度为1995-2020 年，精确匹配检索，检索时间为2020 年11 月24 日，得到中文学术期刊23046 篇，在此结果上设定主题=“施肥”OR“轮作”OR“秸秆还田”OR“耕作方式”OR“种植模式”OR“土壤改良”OR“土壤培肥”OR“地力提升”，得到文献7068 篇，基于土壤质量演变是一个漫长的过程，本研究以“长期”为主题词在以上基础上进行检索，获得379 篇密切相关核心期刊文献。

2.2 分析方法与工具

本研究主要借助Citeapce（5.6.R5）和VOSviewer（V1.6.16）软件进行年度发文量、核心作者、重要研究机构和关键词聚类及突现性的知识图谱分析，通过知识图谱科学展示土壤质量提升技术研究的宏观结构、发展脉络、研究进展和热点，分析该领域研究脉络并探索其最新动态。为保证原始数据的可靠性及数据质量，对CNKI 中379 篇核心期刊与Web of science 核心合集中的2801 篇文献进行筛选，删除与主题无关的文献，最终得到中文文献366篇，英文文献2162篇，分别对中、英文文献进行文献计量分析，对我国及国际相关研究领域热点及趋势进行探究。

3 结果与分析

3.1 文献产出时间序列分析

年度发文数量是衡量研究热度与发展趋势的重要指标。2000 年以来，国际上与长期管理模式下土壤质量演变相关的研究不断增加，文献数量急剧增长（图1）。国际相关研究文献产出在1998—2005 年左右呈缓慢上升状态，2005 年之后呈现快速发展状态。对比发文量前5 的国家可以看出，美国、加拿大等发达国家在土壤质量提升相关的技术与模式研究方面起步较早，前期开展了大量研究，后期发展速度变缓，近几年呈现出波动发展状态。中国、印度、巴西等发展中国家起步较晚，但近几年来，由于人口众多与耕地资源紧张的矛盾日益加剧，粮食问题与环境问题日益突出，各国研究对土壤质量提升技术模式的需求，发文量迅速增长。

近10 年来，我国在该领域的研究发展较快，2014年后成为该领域发文量最多的国家，虽然近年来中文发文数量有所下降，但英文文献数量显著增加。不难发现，随着发展中国家在粮食安全与环境保护的诉求愈发强烈，土壤质量提升研究作为解决耕地退化与粮食安全的重要手段越来越受到发展中国家的重视，发展中国家也将成为土壤质量提升研究的中坚力量。

3.2 主要发文机构分析

研究机构的发文量可以一定程度反映该研究机构的科研能力，通过统计分析，有效地衡量各研究机构在相关研究领域的发展历程与研究成效。图2 展示了长期不同管理模式下土壤质量研究领域主要的发文机构，由图可知，中国科学院是国内外发文量最高的研究机构（167 篇），其次是美国农业部（109 篇）、中国农业科学院（108 篇）、加拿大农业部（74 篇）、中国农业大学（59 篇）。但从节点总的连接强度来看，中国农业科学院的发文量虽不居首位，但是总的连接强度最高。总的连接强度能体现出研究机构在聚类网络中的连接能力，通常总的连接强度较高的点是连接不同聚类路径的桥梁。从发文机构来看，科研机构后发文较多，大学相对较少。中国、美国及加拿大三个国家的科研单位联系较为紧密，中国科学院与其他机构的合作次数最高，反映其在土壤质量提升研究领域科研实力不容小觑。从图中可以看出相同的国家不同机构合作较多，而不同国家研究机构之间合作相对较少；因此，在长期不同管理模式下土壤质量研究领域我国与其他国家的合作需进一步加强，积极寻求研究领域方向上的突破。

表1 Web of Science核心合集数据库中土壤质量提升研究发文中心度排名前10的机构Table 1 The top 10 research centers for soil quality improvement in the Web of Science Core Col‐lection database

3.3 期刊分析

通过对收集的Web of science 文献的相关发文期刊进行统计分析发现，在土壤质量研究领域发文量最高的期刊是Soil &Tillage Research（表2），占总发文量的9.71%，其次是Agriculture Eco‐systems &Environment 期刊，累积发表相关领域文 章105 篇。Soil Science Society of America Jour‐nal 和Geoderma 两期刊的发文量相同，为76 篇；而总的连接强度则表现为Soil Science Society of America Journal 较 高，为501。其 中Communica‐tions In Soil Science And Plant Analysis 期刊发文量较高，为71 篇；但是该期刊的引用频次（646）只有Soil Science Society of America Journal 期刊的18.28%。发文期刊一定程度上反映出研究学者对土壤质量提升技术研究较高的关注度和认可度；2019 年影响因子较高期刊Soil Biology &Bio‐chemistry，其被引频次和总的连接强度在土壤质量提升研究领域相较于Soil Science Society of America Journal 期刊低；因此，这也侧面说明了研究人员在关注影响因子的同时，需更加全方位了解土壤质量提升技术研究方向的进展。

3.3 高被引文章分析

通过了解高被引文章对后续研究的影响程度，进而可以掌握土壤质量提升研究的主要内容（表3）。从第一作者国家分析结果来看，美国占6 篇，可以证明其在土壤质量研究领域具有相当高的国际影响力。发文量前10名的文章在期刊Soil Biology&Biochem‐istry 和Soil&Tillage Research 上高被引文章最多，均为2 篇。Glaser[22]在2002 年发现在土壤中添加生物质炭能够提高土壤养分与养分利用率，同时进一步提高了土壤中的有机碳储量。Bandick[23]等基于长期定位实验探究土壤酶活性对田间管理措施的响应；Reeves[24]等探究长期不同耕作方式对土壤有机质和土壤物理指标的影响；Crews[25]等探究了土壤磷组分在土壤发育期时间序列上的变化；Ghani[26]等发现热水浸提态有机碳可以作为指示土壤质量的核心指标。这些研究都基于长期土壤质量提升研究探究了敏感指标在土壤质量评价中适用性，为后期广泛研究农业管理措施的科学性和可持续性提供了一个新的途径，土壤酶活性、土壤有机碳组分与磷组分已经成为指示土壤质量的重要指标。同时大量研究探究了长期不同管理模式下土壤质量的变化，如Diacono[27]等综述了有机改良剂对土壤肥力的长期影响；Follett[28]等综述了耕作制度与耕作方法对土壤固碳的重要作用；Kumar[29]等对土壤质量与作物产量对秸秆还田等管理措施的响应进行了总结。这些研究逐步完善了土壤质量概念、并且为评价指标的科学选取及农业管理措施的可持续性评价提供了重要参考。

表2 土壤质量提升研究相关文献发文量前10名的期刊Table 2 Top 10 journals with the publication volume of relevant literature on soil quality improvement

3.4 关键词分析

3.4.1 研究热点分析

关键词是作者对论文核心内容的提炼和概括，体现了论文的研究方向，而关键词出现频次较高通常被用来确定一个研究领域的热点问题。从图谱中可以看出国际研究中，中心度较高的关键词有施肥、有机肥、传统耕作、微生物活性、微生物多样性、碳组分等（图4）。以高频关键词为节点进行聚类，结果显示连线向四周发散的且呈略有交叉的辐射状，说明该领域的研究方向和热点较多，并且各个研究方向与热点之间存在一定的交叉关系，这也证实了国际土壤质量提升领域已呈现多学科、多热点的交叉属性。

土壤质量提升研究主要集中在长期施肥与土壤养分、耕作措施与土壤结构、土壤生物与群落结构、土壤功能与监测评价四部分（图4）。长期施肥与土壤养分相关研究集中于阐明有机肥在土壤培肥中的作用，研究不同作物施肥效果和肥料贡献率，解析土壤养分提升与作物产量的关系等；长期耕作措施与土壤结构相关研究集中于探究耕作措施与土壤结构的关系，土壤团聚体对土壤固碳的作用，土壤物理结构与水分运移特征等；土壤生物与群落结构相关研究集中于长期施肥下微生物群落结构演变、微生物活性与有机质分解、土壤养分循环的生物学机制；土壤功能与监测评价相关研究集中于非农田生态系统下土壤功能表征与土壤质量监测与评价两个方面。土壤有机质处于整个图谱的核心位置，表明土壤有机质形成演变规律及平衡机理和驱动因素是当前土壤质量提升研究中的核心。

表3 土壤质量提升研究相关文献发文量前10名的文章Table 3 Top 10 papers with the publication volume of relevant literature on soil quality improvement

3.4.2 研究前沿分析与展望

利用VOSviwer 软件对已发表文章关键词进行时序分析，得到土壤质量技术提升研究关键词的共现网络分析（图5），可以看出土壤质量技术提升技术的研究是一个逐步演变发展的过程。在土壤质量提升研究前期，主要集中于不同施肥与耕作措施对土壤有机质、氮磷养分及作物产量的影响，这些工作对土壤质量定义与内涵的演变奠定了基础[30]。随着土壤质量研究的深入，形成了较为完善的基于物理、化学和生物指标的土壤质量指标体系及评价方法[31-32]。此外，土壤质量早期的研究热点主要集中农业方面，且多描述单个土壤性质，例如有机质与有机碳组分、团聚体等[33-34]，随着研究的不断深入，土壤质量被应用于农林复合生态系统、森林及草地等自然生态系统中，应用范围也有了较大的扩展[35-36]。2012年前后，随着土壤生态系统服务功能重要性的凸显，研究者对土壤质量提升研究从土壤的初级生产力向土壤在维持生态环境及作为土壤碳库方面的作用转变，更多的研究着眼于土地利用方式及管理措施对土壤温室气体排放的影响，并对实现土壤碳库减排增汇和作物增产的共轭双赢作用展开了一系列的研究[37-38]。如何正确识别并准确衡量初级生产力、水净化与调节、碳封存与调节、生物多样性供给、养分供给与循环等土壤功能[39]，完成大尺度下土壤功能评价，为土壤质量提升研究技术模式提供针对性的方案仍有待研究[40]。于此同时，随着由于土壤问题威胁人体健康的，越来越多的研究关注于土壤质量与人体健康的关系，以土壤中矿质元素、重金属元素、抗性基因、病原体、寄生虫等指标也在土壤质量研究中得到了不同程度的应用进一步探究土壤与人体健康之间的关系是未来土壤质量研究的重要方向[7,41]。基于此，分解土壤质量与土壤功能的内涵、权衡与评价土壤功能、开展以人体健康为核心的与土壤质量评价是未来土壤质量提升研究的一个重要发展趋势。

2014 年后，随着现代分子生物学技术（高通量测序、核酸测序、质谱技术、超显微和微流控）的快速发展，除了传统的琼脂培养基培养方法研究土壤微生物多样性外，基因组学、转录组学和蛋白质组学等开始应用于土壤微生物的研究中，从而增进了研究者对土壤微生物多样性的了解，同时也加快了农田管理措施对土壤微生物多样性影响的相关研究[42-43]。大量研究表明，土壤质量提升技术模式与土壤微生物多样性之间有重要联系，根据当地的气候、土壤条件、种植模式选择合理的农田管理措施，结合施用有机肥、作物轮作、免耕及覆盖作物田等措施，能够改良土壤微生物群落，提升土壤质量，提高作物生产力，有利于农田土壤的可持续发展[44]。土壤生物在元素的生物化学循环、污染物的降解转化以及土壤免疫抗病等土壤质量提升方面均起到举足轻重的作用，其生物多样性是土壤生态中物质转化、能量传递和信息交流的基础，决定着土壤的生态过程、功能与服务[45-46]。土壤质量提升技术模式下生物多样性维持机制、土壤生态过程与演变规律以及生物功能特性与生态系统服务关系等方面仍是当今的研究热点。随着学者们对土壤微生物研究的深入，利用土壤微生物已经成为土壤质量提升的重要手段。有研究表明，微生物组互作和微生物组工程技术等,能够调节微生物关系，提高微生物在土壤中的稳定性和适应能力,可作为修复污染土壤与提升土壤质量的有效途径[47-48]。因此，深入研究土壤微生物与其调节土壤生态环境的机制将成为提高土壤质量的新方法。在今后的研究中，进一步探究土壤微生物组功能与土壤健康的关系、建立以微生物为核心的土壤质量评价体系并准确量化土壤生物指标、利用土壤生物改善土壤质量等以土壤微生物研究为核心的土壤质量提升研究将成为又一研究热点。对比国内外研究前沿发现，国际前沿的研究方向已经涵盖了包括土壤多生态服务功能角度、土壤质量提升的微生物学机制等多个方面，而国内对该领域的研究尚未深入。因此，国内研究者需积极关注国际的最新研究趋势，加强联系与合作，将土壤质量提升研究深入覆盖至多角度、全环境，以期为土壤质量提升技术的长远发展提供更多理论依据和技术支撑。

4 结论与展望

土壤质量是一个较为综合的概念，不仅包括肥力质量，还包括环境质量与健康质量。对土壤质量演变态势的相关研究，不仅对实现农业上的高产稳产有重要意义，还与维护生态平衡密切相关。土壤质量提升研究在近30 年的发展阶段中，涌现了一些标志性的经典文献，引发了大量学者关注，研究热度不断升高，其中美国、中国、印度、巴西、加拿大是外文文献发文量较多的国家；在外文文献发文数量、高被引论文方面，中国科研机构都占据重要地位，表明我国在该研究领域有着较强的国际学术影响力。国际土壤质量提升的研究热点随时间有所变化，从土壤有机质与养分对长期管理措施的响应、土壤质量的定义到土壤质量评价方法和框架的完善，再到土壤质量提升技术模式研究下土壤生物与物质循环机理研究，并逐步将土壤生物介导的土壤质量演变过程及其调控技术应用于农业生产和环境保护中。

纵观30 年的土壤质量演变研究，主要是依托长期的定位观测，结合实验室分析进行的。近年来，随着新技术、新仪器的发明，特别是田间原位观测技术如近红外（NIR）和中红外（MIR）光谱技术、基因芯片技术、便携式高通量土壤系统功能微生物分选及功能组学测定仪等，能更好地满足对土壤质量进行快速、准确监测的要求。而且地理信息技术和大数据技术的快速发展，也使定量化大尺度土壤质量原位观测成为可能，从而提高农业资源管理的效率和准确性，有利于精准农业的实现。但如何更快速、简便和高度自动化地对土壤指标进行监测，使新型监测技术方法（尤其是微生物指标）得到更大范围的应用与推广，充分探究利用机器学习、深度学习、人工神经网络、大数据等新型信息技术完成对土壤质量的量化研究等问题依然面临诸多挑战。未来，土壤质量演变微观过程与信息技术、生物技术、土地资源管理技术及大数据技术的深度融合，来实现土壤质量的动态监测与综合评价，可能成为未来研究的重要发展趋势。