基于Web of Science的森林土壤微生物多样性研究趋势分析

翁晓虹，隋 心

（1黑龙江大学农业微生物技术教育部工程研究中心，哈尔滨 150500；2黑龙江大学生命科学学院/黑龙江省寒地生态修复与资源利用重点实验室，哈尔滨 150080）

0 引言

土壤微生物是森林生态系统的重要组成部分，是土壤生态系统中最活跃的部分，是参与生物地球化学循环的重要力量，对维持土壤生态系统的稳定和生态恢复都具有一定的作用[1-3]。土壤微生物群落主要包括细菌、真菌和放线菌，它们直接或间接参与土壤生态过程，是土壤残体的主要分解者[4]。土壤微生物多样性受温度、湿度、土壤性质和植物种类的影响。有研究表明，土壤微生物群落结构随季节变化而变化[5-6]。土壤的颗粒越小，有机质含量越高，微生物群落结构越复杂，土壤微生物多样性越高[7]。森林树种不仅能改变土壤微生物群落结构，而且能改变土壤微生物与本地植物之间的长期相互关系，进而影响本地树种的生长和种群更新[8-9]。当前关于森林土壤微生物多样性的研究十分广泛并且种类繁多，但缺乏对此领域内的研究热点及趋势进行可视化的计量分析，并且对于该领域的研究深度预测分析较少，无法为森林土壤微生物的研究提供比较明确的方向，而文献计量法可有效地总结研究成果并揭示其未来的发展方向[10-12]。

文献计量学是研究文献系统和文献特征的学科，用于定量分析。借助知识图谱和文献计量软件的可视化功能，研究人员可以客观地评价某一时期目标领域的历史演变过程、研究方向和当前热点，并预测未来的发展趋势[13-15]。近年来，文献计量学在了解和分析科学技术发展方向方面的应用越来越常见[16-17]。例如史方颖等[18]对土壤有机碳矿化研究热点的文献计量学分析结果表明，土壤类型、环境因子和土地利用变化对土壤有机碳矿化、周转和时空分布的影响是土壤有机碳矿化研究热点。周显等[19]根据文献计量学对土壤污染研究动态进行分析，重金属已成为土壤污染的主要污染物，未来土壤修复的研究热点将集中在植物修复、微生物修复、无机矿物修复和复合修复等方面。刘波等[20]通过文献计量分析得出，群落结构（特别是土壤微生物）对土壤碳汇有重要影响的结论。笔者基于Web of Science核心数据库，在传统统计分析基础上，应用Bibexcel和Vosviewer软件，从森林土壤微生物多样性检索主题入手，采用文献计量学的方法描述、评价和预测森林土壤微生物多样性发展现状和研究前沿态势，以期为该领域未来的研究方向提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 数据收集

Web of Science是一个综合多学科核心期刊的数据库。本文选用Web of Science核心合集(Science Citation index Expanded，SCIE)数据作为数据源，检索式 为“forest and (soil microbial diversity or soil bacterial diversity or soil fungal diversity)”。检索的时间跨度为2007—2020年。使用该检索式共检索到文献4266篇，将检索到的文献分批次以txt格式导出，每批500条，以“download”命名，方便后续处理。

1.2 数据分析

利用Web of Science分析检索结果功能，对检索到的文献进行分类储存，以Excel格式导出。运用Excel对年发文量、发文国家/地区、发文机构、发文作者、研究方向等进行统计，并对统计完成的数据进行可视化。将从Web of Science以txt格式导出来的4266条数据导入到CiteSpace中，除重后储存在“output”文件夹中，将“output”文件夹中除重后的数据文件（txt格式）整合到一个txt文件中。将整合好的文件导入Bibexcel中，得到文献标题中的关键词和文献关键词中的关键词。运用VOSviewer将整合好的txt格式文件对关键词进行分析，选择数据类型来源于Web of Science，分析类型选择co-occurrence（共现分析）中的all keywords（所有关键词），计数方法设置为full counting（全计数），而后设置词条出现的最小频次，最终形成图谱。

2 结果与分析

2.1 文献的产出与趋势分析

文献检索结果表明，基于Web of Science的核心数据库，检索到2007—2020年关于森林土壤微生物多样性的文献共计4266篇。从图1可以看出，森林土壤多样性的发文量随着时间的推移总体呈现上升趋势。结合发文量将全球森林土壤微生物多样性研究分为4个阶段，2007—2011年的年发文量缓慢增长，年均发文量占总发文量的3.84%；2011—2015年的年发文量低速增长，年均发文量占总发文量的5.85%；2015—2018年的年发文量较快增长，年均发文量占总发文量的8.75%；2018—2020年的年发文量增长速度极快，年均发文量占总发文量的12.85%。从整体发展趋势看，近年来森林土壤微生物多样性得到广泛关注，尤其在2015—2020年这5年内得到了快速发展，一直保持着持续上升的状态，可见在该领域内的研究还未达到饱和，预测未来几年将会持续高速发展。

图1 2007—2020年森林土壤微生物多样性领域世界发文量

2.2 国家和地区

根据Web of Science数据库中检索出来森林土壤微生物多样性领域发文量前15位的国家和地区中可以看出，中国的发文量最多，为1164篇，占总发文量的27.27%（图2）；美国的发文量位居第二，发文量为1069篇，占总发文量的23.06%；发文量排名之后的依次是德国、法国、巴西、加拿大、澳大利亚、西班牙，这些国家的发文量均为200篇以上，发文量分别为400、291、278、274、206篇。中国和美国的总发文量占全部国家的总发文量的52.36%，在该领域的研究与其他国家相比优势较为明显。

图2 2007—2020年森林土壤微生物多样性领域发文量前15位的国家和地区统计

从图3中可以看出，2007—2020年中国在该领域的发文量随着时间的增长不断增加。在2017年，中国的年发文量超越了美国，2018—2020年的发文量急剧增长；美国在2007—2020年间的发文量缓慢上升，其中在2018年有明显的减少，但2019、2020年又开始缓慢增加；德国、法国、巴西在该领域的年度发文量平缓增长，德国在2015年后的年发文量比法国、巴西的年发文量大，说明德国对该领域的研究的活跃程度有明显增加。

图3 2007—2020年森林土壤微生物多样性领域前5位国家年度发文量

2.3 研究机构分析

通过统计得出，发文量排名前10位的机构总发文量占全部检索结果的29.83%，共发文1272篇（表1）。排名前3位的机构均在中国，中国科学院发文量占全部检索的11.18%，是前10位机构总发文量的37.5%，其次是中国科学院大学和西北大学。中国的西北大学、巴西的圣保罗大学、中国的中国林业科学院、瑞典的瑞典大学的发文量相差不大，这4个机构的发文量都占总发文量的2%以上。从表2中可以看出，中国排名前10位的研究机构总发文量占中国研究机构总发文量的89.68%，为1044篇。排名第一的研究机构为中国科学院，该机构的发文量为477篇，占中国机构总发文量的40.98%；其次是中国科学院大学、西北大学和中国林业科学研究院，分别占12.97%、7.90%和7.73%，其中西北大学与中国林业科学研究院的发文量相差不大。

表1 2007—2020年森林土壤微生物多样性领域在全世界发文量排名前10位的研究机构

表2 2007—2020年森林土壤微生物多样性领域在中国发文量排名前10位的研究机构

2.4 文献作者与来源期刊分析

发文量前10位学者排名如表3，10位学者2007—2020年在森林土壤微生物多样性的领域中的发文量为338篇，占总的发文量的7.92%。排名前3位的作者分别来自3个不同的国家，分别是美国、捷克和德国。美国俄克拉荷马大学的周集中在该领域的发文量最多，为48篇，占总的发文量的1.13%。排名第10位的Fierer N的发文量为27篇，但该作者是发文量排名前10位作者中被引用次数最多的，篇均被引频次213.22次。

表3 2007—2020年森林土壤微生物多样性领域发文量前10位作者

从表4中可以看出，排名前10位的期刊总发文数为1392篇，占总发文数的32.63%。其中排名首位的是《Soil Biology Biochemistry》，为287篇，占总发文数的6.73%，该期刊总被引频次达13181次，篇均被引频次为45.93次。

2.5 被引论文分析

2007—2020年在Web of Science核心数据库中被引频次排名前10位的文章列于表5。从第一作者的国别来看，分别为荷兰、瑞典、美国、德国、澳大利亚、法国。其中有5位第一作者来自于美国，说明美国在该领域中具有明显的领先水平。

表5 2007—2020年森林土壤微生物多样性领域前10篇被引论文

荷兰的van der Heijden发表的题为《The unseen majority:Soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems》的文章是被引频次最高的论文，文章研究表明，土壤微生物是陆地生态系统植物多样性和生产力的重要驱动力，约2万种植物完全依赖于微生物共生体的生长和生存[21]，2008年发表后总被引频次为2085次；其次是瑞典的Rousk Johannes发表的《Soil bacterial and fungal communities across a pH gradient in an arable soil》，通过长期浸灰实验(pH 4.0～8.3)，pH以外因素的变化已被最小化，收集的土壤被用来调查pH对真菌和细菌的直接影响[22]；排名第三的是美国的Roesch Luiz F W发表的《Pyrosequencing enumerates and contrasts soil microbial diversity》，2007年发表后被引频次为1141次，该论文使用高通量DNA焦磷酸测序和统计推断，评估细菌的多样性，表明人类干扰可能会影响细菌和古细菌的多样性[23]。

2.6 研究方向

从表6中可以看出，研究方向排名前3位的分别是environmental sciences ecology（环境科学生态学）、agriculture（农学）、microbiology（微生物学），出现的频次分别为1441、1151、850次，这3个研究方向出现的频次占总的研究方向出现频次的80.69%。

表6 2007—2020年森林土壤微生物多样性领域的相关研究方向

2.7 关键词可视化分析

关键词是对学术论文内容的高度概括，通过关键词分析可以了解一个领域的研究热点[20]。通过使用可视化分析软件VOSviewer对2007—2020年有关森林土壤微生物多样性研究领域的相关文献关键词进行分析。文章去重后的573个关键词之间具有相关性，通过设定阈值，选取前50个重要关键词进行VOSviewer可视化，共形成3个聚类，表明2007—2020年在森林土壤微生物多样性领域研究共有3个重要的主题。从图4可以看出，“diversity”是图中最大的节点，说明该关键词的权重最大，属于第一个聚类，其次是“forest”；第二个聚类中“carbon”的节点是最大的，第三个聚类是“microbial communities”。

图4 2007—2020年森林土壤微生物多样性研究关键词共现图谱

2.8 研究热点分析

表7～8中列举出了出现频次排名前20位的文献标题中的关键词和文献关键词中的关键词。以主题为“森林土壤微生物多样性”来检索，排名靠前的不仅只有主题词，还包含了其他与主题紧密联系的关键词，如排名靠前的土壤环境因子“carbon（碳）”出现539次、“nitrogen（氮）”出现495次、“organic-matter（有机质）”出现357次（表7）。

表7 2007—2020年森林土壤微生物多样性领域相关文献标题中高频关键词

从图4中可以看出，“carbon”是第二聚类中与其他关键词的关系是最紧密的，在标题关键词中出现的频次居第3位，说明在森林土壤微生物多样性领域中，碳元素引起了众多学者的关注。森林是陆地生态系统最大的有机碳库[24-25]，森林土壤有机碳(SOC)的变化对陆地生态系统碳平衡和生态服务功能造成直接影响[26]。微生物对SOC的分解时间越长，越有助于促进SOC的积累[27-28]。

“nitrogen”在标题中出现495次，居第5位，在文献关键词中出现65次。氮是植物生长的必需营养素之一[29-30]。增加土壤中的有效氮，可以增加土壤中微生物的活性，从而促进土壤呼吸作用[31-34]。土壤微生物参与了土壤氮矿化的生态过程，土壤氮素矿化的季节随土壤微生物数量和活性的变化而变化[35-36]。因此，土壤氮含量会显著影响土壤微生物多样性。

“organic-matter”在标题关键词中出现357次。有机质的主要来源是凋落物，凋落物能改变土壤微环境，为土壤微生物和动物的生长发育提供必要的养分和生境，刺激微生物的活动，影响微生物多样性[37-38]。因此森林凋落物与微生物之间的研究也受到国内外科学家的关注和研究。

表8中呈现了文献关键词中的高频关键词排名首位的为“fungi”（真菌），出现的频次是177次，其次是“diversity”（多样性）与“bacteria”（细菌），出现的频次分别是161次和141次。在真菌中排名靠前的为“ectomycorrhizal fungi”（外生菌根真菌）和“arbuscular mycorrhizal fungi”（丛枝菌根真菌），说明在这2种真菌类型在该领域中常被作为研究对象。此外表中有2类测序技术也参与了排名，分别为排名第14位的“highthroughput sequencing”（高通量测序）以及排名第16位的“pyrosequencing”（焦磷酸测序），可看出高通量测序和焦磷酸测序在森林土壤微生物多样性研究领域中是主要的测序技术。

表8 2007—2020年森林土壤微生物多样性领域相关文献关键词中高频关键词

3 结论

笔者基于Web of Science核心数据库对2007—2020年森林土壤微生物多样性领域进行计量分析，研究表明：（1）在全世界范围内，2007—2020年关于森林土壤微生物多样性研究领域的发文量呈现逐年上升趋势。中国的总发文量领先于其他国家，增长速度也在逐年上升，预测在未来几年，中国在该领域的研究会更加先进。美国、德国、法国、巴西也在稳步上升，但上升幅度不大。（2）从研究机构看，发文量排名前3位的机构均在中国，说明中国的研究机构对森林土壤生物多样性研究领域是十分重视的。（3）环境科学生态学、农学、微生物学出现的总频次占总的研究方向出现频次的80.69%，是主要的研究方向。（4）从高频关键词看，在森林土壤微生物多样性的研究中，研究热点集中在环境因子碳、氮、有机质与微生物多样性之间的相互作用方面。另外，本研究仅局限Web of Science主题检索范围，未来研究中可考虑克服这一不足，获取更广泛的数据，从而对森林土壤微生物多样性研究现状与趋势形成更准确的整体性认知。

4 展望

通过对近13年来Web of Science数据库中关于森林土壤微生物多样性领域研究文献的分析可以得出：随着分子生物学技术的快速发展，尤其是高通量测序技术在土壤微生物学中的应用，使得森林土壤微生物学的研究呈现爆炸式的发展，相关的研究论文呈现明显的逐年上升趋势。当前的研究主要内容是土壤微生物的群落组成和多样性的变化及其与土壤理化性质，例如土壤有机碳、总氮和土壤有机质之间的关系。但是关于林分类型、地理条件、其他矿质元素如硫、钙、铁等对森林土壤微生物多样性的影响还尚未完全展开，而且森林中庞大的土壤微生物类群的功能还尚未深入研究，随着未来测序技术的发展，例如宏基因组、基因芯片、代谢组技术等在森林土壤微生物中的应用，未来深入开展关于土壤微生物结构和功能的研究将会成为森林土壤微生物的热点。