基于CNKI的近30年土壤团聚体研究趋势分析

张志明，李禄军

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站，黑龙江 哈尔滨 150081；2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

土壤团聚体是土壤的重要组成部分，是最基本的土壤结构单元[1]。土壤团聚体由于其本身的物理、化学和生物属性加之其结构对土壤肥力和抗蚀性有显著的影响。在土壤团聚体的形成过程中，团聚体主要靠凝聚作用[2]、无机物质的粘结作用、有机物质的胶结作用[3]及有机-矿质复合体[4]。农田中新施入的有机物质被分解时产生的多糖、脂肪和蜡等都是土壤胶结剂，对土壤的团聚有重要作用[5]，而土壤团聚体在形成的同时也会对土壤有机质形成物理保护[6]，从而增加土壤有机质含量[7]。研究表明，大团聚体含量的增加可以同时改善土壤的肥力属性[8-9]，除有机物质外真菌群落对大团聚体的形成和内部有机碳稳定性有显著的影响[10-11]，细菌在小团聚体中活动强烈。随着团聚体粒级逐渐增大，C/N逐渐增加，有机质的生物活性逐渐增强，有机质周转速率逐渐增加[12-13]。

在土壤团聚体/固体颗粒排列形成土壤结构的同时也形成了土壤孔隙体系。多孔的土壤结构在不同的空间和时间尺度上表现出高度的异质性，影响土壤物理、化学和生物学性质[14]。>0.25 mm团聚体含量的增加能够提高土壤总孔隙度，进而改善土壤持水性和入渗性能，减少水土流失[15]。当大小团聚体比例适中时，土壤大小孔隙相互协调，使土壤具有较强的蓄水性、透水性和通气性[16]。再加上不同粒级团聚体对养分的保持与释放能力不同，也赋予土壤较好的保肥性和供肥性[17-18]。因此，合理的土壤团聚体比例通过调节土壤的水、肥、气、热等因素来影响土壤肥力的释放。

近些年来，我国科技工作者在团聚体形成机制、稳定性、抗蚀性、肥力属性和与有机碳关系方面进行了大量研究。许多学者也对土壤团聚体相关研究做了较全面的综合论述。但是传统的文献综述并不能反映出土壤团聚体研究的发展历程和研究热点的发展变化趋势。文献计量学是以文献体系和文献计量特征为研究对象,采用数学、统计学等计量研究方法，研究文献情报的分布结构、数量关系、变化规律和定量管理，并进而探讨科学技术的某些结构、特征和规律的一门学科[19]。通过文献计量分析可以系统的研究某一研究领域相关机构、作者、主题和关键词，进而展示该领域研究的发展过程、研究热点和发展趋势。近些年我国利用文献计量手段分析相关领域研究热点趋势的文献也逐渐增多。有关国内外土壤有机碳[20-21]、土壤肥力[22]、土壤质量[23]、土壤微生物[24-25]、水土保持[26]、土传病害[27]等的文献计量论文已有发表。本文利用文献计量方法对我国1990-2019年收录在CNKI中国学术期刊网络出版总库(中国知网，https://www.cnki.net/)中关于土壤团聚体研究的论文进行分析，客观描述发表在我国科技期刊上的有关土壤团聚体研究的热点和趋势。

1 数据来源与统计方法

数据来源于CNKI中国学术期刊网络出版总库。为避免与其他术语混淆，在高级搜索中设定多个检索条件：(1)主题：团聚体；(2)摘要：土壤团聚体，选择“或者”；(3)全文：土壤，选择“并且”，以上皆为精确搜索。文献分类目录为全选，发表时间设定为“1990年1月1日-2019年12月31日”，检索后共获得5 666篇文献。检索时间为2020年10月18日。

利用CNKI自带的计量可视化分析功能并结合Excel对关于土壤团聚体研究的年度发文量、研究机构发文量、作者发文量、主题和关键词进行统计分析，探寻相关的研究热点和发展趋势。在本文中，作者发文量是指在搜索结果中该作者参与发表的所有文献数量，不特指第一作者或通讯作者。

2 结果与讨论

2.1 年度发文量

年度发文量可以衡量某一研究领域受到的关注程度及发展速度。通过整理检索结果发现，从1990-2019年的30年间，CNKI收录的关于土壤团聚体的文献共有5 666篇。通过年度发表论文数量来看，1990-2004年，每年发表的关于土壤团聚体文章不足100篇，在2005年发表文章数量首次超过100篇，之后年度发文量以较快的速度增长，2019年年度发文量达到638篇(图1)。以5年为一个时间段，将30年分为6个时期。发现1990-2004年这15年期间发文量虽然逐渐增加，但增速缓慢，总发文量仅为621篇，且每5年间发文量没有显著差异。通过线性回归发现斜率仅为3.78(R2=0.77，P<0.000 1)。而从2005年开始，年度发文量首次超过100篇且快速增加，2005-2009年发文量为981篇；2010-2014年发文量为1527篇；2015-2019年发文量为2536篇。每5年的发文量都显著高于前5年的发文量(P<0.01)。通过线性回归发现斜率达到了29.01(R2=0.94，P<0.000 1)，说明在这15年期间我国科研人员对土壤团聚体的研究呈现快速增长的趋势。根据年度发文量的变化趋势可以预见，在未来一段时间内，关于土壤团聚体的研究依然会快速增长。

图1 基于CNKI检索的土壤团聚体研究的年度发文量变化趋势Fig.1 The trend of annual published papers in soil aggregates research based on CNKI

2.2 主要研究机构发文量

研究机构的发文量可以一定程度的反映出其科研实力。我们统计了1990-2019年关于土壤团聚体研究发文量前20的机构(表1)。20个机构发文总量是3 274篇，占总文章数量的57.8%。其中各地高校总发文量为2 660篇，中国科学院系统科研单位发文量为614篇。发文量最多的机构是西北农林科技大学，发文量远远超过了其他研究机构，共发表了604篇文章，占总文章数量的10.7%。虽然高校的发文量远高于科研院所，但是通过比较单篇文章平均引用量发现，中国科学院水利部水土保持研究所、中国科学院南京土壤研究所、南京农业大学和中国科学院东北地理与农业生态研究所的单篇引用量超过30次。基于Web of Sciences对2007-2018年关于土壤团聚体研究的论文统计后显示，中国科学院大学是发文量最高的研究机构，其次是中国农业科学院、南京农业大学和西北农林大学[28]，说明中国科学院系统研究机构发表的文章质量要高于高校。

表1 1990-2019年关于土壤团聚体研究发文量最多的前20位的研究机构Table 1 Top 20 research institutions in soil aggregates research from 1990-2019

2.3 主要作者发文量

通过对文章作者的分析可以大致了解我国关于土壤团聚体研究的主要团队。对发文量前20的作者进行统计分析后发现，共发表522篇文章，占总文章数的9.2%(表2)。发文量最多的作者中潘根兴、李恋卿和张旭辉来自南京农业大学；谢德体、蒋先军和史冬梅来自西南大学；蔡崇法和李朝霞来自华中农业大学，这些机构和研究人员对我国土壤团聚体研究的发展起到了重要的推动作用。

表2 1990-2019年关于土壤团聚体研究发文量前20 位的作者Table 2 Top 20 authors in soil aggregates research from 1990-2019

2.4 主题和关键词的分布规律

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，也是土壤有机碳和生物群落的载体，对土壤肥力、碳固存、元素的生物地球化学循环、抗蚀性等一系列的功能表现具有重要的影响，因此关于土壤团聚体的研究不仅仅涉及到土壤物理方面，还与土壤肥力、土壤侵蚀、土壤生物学和土壤生态学研究相关联。

对研究主题和关键词分析可以更清晰的认识以土壤团聚体为研究对象的不同研究方向发展趋势。将1990-2019年按照5年一个时间段划分成6个阶段，利用CNKI计量可视化功能分析土壤团聚体研究前40个主题和关键词的分布。由于单个主题或关键词过于具体化，而且主题和关键词都是有内在联系的，因此为了简化数据复杂程度，对相关主题和关键词进行归类，并按照数量多少进行排序，最终归为以下10类(图2和图3)。

图2 关于土壤团聚体研究的主题随时间变化趋势Fig.2 The trend of subjects in soil aggregates research with time

图3 关于土壤团聚体研究的关键词随时间变化趋势Fig.3 The trend of keywords in soil aggregates research with time

结果显示，围绕土壤有机质、土壤肥力、土壤物理属性、施肥和耕作与土壤团聚体的关系是数量最多的研究方向，而且发文还在快速增加。不同生态区和土壤类型区关于土壤团聚体的研究也在逐渐增加。由此可知，围绕我国不同地区农田生态系统不同施肥和耕作方式下土壤团聚体与土壤有机质、土壤肥力、土壤物理属性的研究始终是土壤团聚体研究的主体，且在快速增加。但是通过分析主题发现，针对利用方式和土壤侵蚀的相关研究论文数量在2010-2019年呈现下降趋势；而关键词的分析也显示这方面的研究论文数量在2015-2019年呈现下降趋势。基于CNKI的分析结果显示，土壤改良和土壤微生物作为新的研究热点出现在团聚体研究中。在1990-2019年的前40个主题中没有出现土壤改良相关的主题，而关键词搜索中出现了70篇以生物炭为关键词的文章。进一步按照时间段整理主题和关键词发现，1990-2014年围绕土壤团聚体以生物炭和土壤改良为主题和关键词的研究非常少，但是在2015-2019年呈现爆发式的增长。同样在1990-2019年前40个主题和关键词并没有出现土壤微生物，但是在2015-2019年间围绕土壤微生物与土壤团聚体关系的研究也出现快速的增长，这与我国土壤生态学快速发展密切相关。

2.5 研究热点与趋势分析

文献计量不同于传统综述论文的地方在于文献计量是对已发表文献的研究主题等内容进行分类整理，按照时间序列对各个研究方向的发展进行分析，进而得到相关研究前沿的变化规律。由于我国学者很多研究成果发表于国外英文期刊，所以仅基于CNKI对团聚体研究进展的分析可能显得片面。因此我们将本文与基于Web of Sciences核心集合对2007-2018年关于土壤团聚体研究文献的计量学分析[28]相结合，来分析土壤团聚体相关的研究热点。

根据本文结果显示，对土壤团聚体-有机质关系的研究是持续时间最久、发文最多的研究方向(图2,3)。基于Web of Sciences统计结果显示团聚体、有机质和碳固存这三个关键词出现频率最高[28]，与本研究中的结果一致，说明国内外学者对团聚体研究的核心内容是一致的。土壤团聚体-有机质的关系主要体现在土壤肥力表现和碳固存两方面，二者之间有复杂的关系。首先，随着有机质含量增加，土壤有机胶结物质含量增加，通过形成有机-无机复合体和有机物胶结作用等促进土壤团粒结构形成。微生物中尤其是真菌菌丝对大团聚体的形成有重要的作用。其次，在多级团聚形成团聚体的过程中对有机碳形成了物理保护，使其难于被分解，对土壤持续供肥和碳固存有重要的意义。2018年《美国科学院院刊》(PNAS)以专辑形式发表了我国科学家在“碳专项”之“生态系统固碳”项目取得的7篇原创性研究成果，系统量化了我国陆地生态系统固碳能力的强度和空间分布，以及对生态系统生产力的影响。因此，无论是对土壤肥力、生产力，还是应对全球气候变化，土壤有机质含量(碳固存)的研究依然是重要的前沿。

在土壤中有机碳分布在不同粒级的团聚体中，团聚体成为有机碳在土壤中的载体，针对团聚体中有机碳的分布规律已有大量的研究。有研究表明，有机碳主要存在于大团聚体中[29-30]，且有机碳含量顺序与团聚体粒级大小顺序相同[31-32]。大团聚体中有机碳生物有效性更高，小团聚体由于有机物质的种类以及结合方式限制因而生物有效性较低。但也有学者研究发现，有机碳主要固存于小团聚体中[33-34]；还有研究表明大团聚体与有机碳含量没有显著的相关关系[35-36]。因此，目前关于团聚体大小与有机碳分布的研究没有一致的结论，其原因可能是土壤类型、管理方式和气候条件差异造成了团聚体-有机质关系的差异。但造成这种差异的内在原因是微生物主导的有机碳周转过程的不同，土壤有机碳的周转是微生物主导的一系列生物和生物化学过程，因此研究有机碳周转的生物学过程将有助于我们更深入的了解有团聚体-有机碳的关系，以及科学制定改善土壤肥力和应对气候变化的措施。通过整理CNKI检索文献发现，自2015年之后涉及土壤微生物的研究才快速增加，而Web of Sciences统计结果显示，近年来国际上关于土壤团聚体研究扩展和深化不足，因此土壤团聚体承载生态过程的生物学机制，尤其是碳循环过程的研究将成为重要的研究热点。

团聚体稳定性的研究也一直是研究人员持续关注的问题。团聚体的稳定性是指团聚体抵抗外力作用或外部环境变化而保持其原有形态的能力，包括水稳定性、力学稳定性、化学稳定性、酸碱稳定性和生物稳定性等[37]。土壤团聚体的稳定性是重要的物理性质，通过对土壤水、通气性、土壤温度等的影响而直接影响作物生产力[38]。由此我们知道团聚体稳定性对土壤肥力、土壤的可持续利用等有很大的影响，同时土壤团聚体稳定性与土壤侵蚀和水土保持也有密切的关系。

土壤侵蚀是世界上最严重的环境问题[39]。基于Web of Sciences数据通过关键词共现聚类的分析结果[28]显示土壤侵蚀是团聚体研究的重要方向。我国东北地区坡耕地侵蚀、黄土高原水土流失等都严重威胁生态环境。图2和3结果显示虽然土壤侵蚀的相关研究在近些年数量在减少，但依然显著高于20世纪90年代，说明在我国土壤侵蚀也是重要的研究方向。

基于Web of Sciences文献聚类结果显示，Evironment和Biochar命名的模块起始于2006年和2009年，相较于其他研究方向也起步较晚。本研究发现土壤改良相关的研究是自2015年之后突现的研究方向，说明我国环境治理、土壤改良研究起步较晚，但发展迅速，是一个较新的研究领域。其中生物炭改良与土壤团聚体研究已有一些重要研究成果[40-42]。与此同时，微塑料等全新的环境问题也逐渐引起人们的关注[43-44]，因此，团聚体-土壤改良相关研究将继续快速发展。通过关键词时序图和突现关键词结果显示，2015年之后国际上关于土壤团聚体的研究并没有太多新的热点关键词出现，唯一值得注意的是China作为突现关键词于2015年出现[28]，说明我国关于土壤团聚体的研究成果在世界上有越来越重要的位置。

3 结论

本文对1990-2019年CNKI收录的关于土壤团聚体研究的论文进行文献计量分析，通过分析年度发文量、引用量、主题和关键词展现了我国关于土壤团聚体研究的进程和发展趋势。整体来看，关于土壤团聚体的研究从1990-2004年是缓慢增长阶段，2005-2019年是快速发展阶段。通过发文量、引用量和作者分析后发现，西北农林科技大学、南京农业大学和中国科学院科研单位拥有较强的研究实力。通过与基于Web of Sciences文献计量分析比较后发现，土壤团聚体研究的核心内容都是团聚体-有机质(碳)相关关系，并且发表文章数量快速增加。而关于土地利用方式、土壤侵蚀与土壤团聚体关系的研究在近些年呈现下降的趋势。在近5年土壤团聚体研究领域，新的研究热点出现在土壤改良和土壤微生物方面的研究上，这体现了我国环境意识的提高和多学科交叉研究的增加。