基于文献计量学的作物硒形态研究知识图谱分析

史久长，田嘉树，张 力，景艺卓，许自成，韩 丹

（1.浙江中烟工业有限公司，杭州 310000；2 河南农业大学烟草学院，郑州 450046）

1817 年，硒（selenium，Se）作为一种化学元素被瑞典化学家 Berzalius 发现［1］，20 世纪 30 年代，美国科学家首次在植物中检测出了硒元素的存在［2］。经过前人不断研究，目前硒被普遍认为是植物的一种非必需但有益的营养元素。在作物栽培领域，硒在改善作物产量和品质、调节作物抗氧化作用、提高作物应对逆境和生理胁迫等方面发挥着重要作用［2-4］。

作物中的硒主要从环境中获取。自然状态下，环境中的硒可根据其化合价态的不同分为4 种形态：-2 价、0 价、+4 价和+6 价［5］。而硒被作物吸收后，主要以3 种形式存在，分别为有机硒、无机硒和挥发态硒。作物通过根系吸收土壤中硒的主要形式为无机硒和有机硒两类，其中以硒酸盐和亚硒酸盐等无机硒为主，而在作物体内的硒超过80%为有机硒形式，包括硒蛋白和硒多糖等大分子态硒与硒代氨基酸和硒肽等小分子态硒［6，7］。目前，已经有越来越多的学者和团队开始关注作物硒形态。彭琴等［8］研究了胡萝卜、芥菜、紫甘蓝和绿菜花等多种作物对硒酸盐和亚硒酸盐的动态吸收规律。张妮［9］探究了小麦对不同价态外源硒吸收和转运的影响。Li 等［10］研究发现硒酸盐处理过的小白菜体内硒含量显著高于亚硒酸盐处理。

20 世纪70 年代，英国的Pntchard 提出了文献计量学的概念，经过不断发展，现已成为一门以数学和统计学为基础，定量分析研究一切知识载体的交叉性学科［11］。CiteSpace（引文空间）是一款十分优秀的文献计量学可视化分析软件，由美国德雷塞尔大学的陈超美教授开发，它以科学计量学、数据可视化为背景逐渐发展起来［12］。由于是通过可视化的手段来分析文献中蕴含的潜在知识、呈现科学知识的结构、规律和分布情况，因此也将通过此类方法分析得到的可视化图形称为科学知识图谱［13］。与传统理论性综述的文字描述相比，使用CiteSpace 软件对相关文献进行可视化分析统计，可以将一门学科或一个研究领域的文献之间相互关系以科学知识图谱的方式呈现在人们面前，不仅可以梳理过去的研究轨迹，也可以更好地把握未来的研究发展趋势和方向。

到目前为止，还未见到利用知识图谱对作物硒形态研究的整体情况进行分析的报道。基于此，本研究通过使用CiteSpace 软件对相关文献进行数据挖掘、整合与分析，旨在通过科学知识图谱的形式对作物硒形态研究领域的发展过程和研究热点进行更加直观、有效的呈现。

1 材料与方法

1.1 材料来源

Web of Science（WOS）核心合集是以 Web 为基础的、涉及多门学科的大型综合性文献数据库，它涵盖了世界一流水平的高影响力学术期刊、书籍专著和会议记录，并具有完善的引文网络，目前已成为科研工作者进行学术研究、讨论与分析的重要工具［14］。本研究所使用的文献资源来自于Web of Science（WOS）核心合集数据库，以主题为“Crop”And“Selenium form”或“Crop”And“Selenium speciation”进行检索，文献类型选择为“Article”，语言选择为英语，检索时间跨度为2001—2020 年（检索时间为2020 年9 月）。通过多次筛选，人工去除会议记录、个人学术成果介绍、专著类以及与本主题不相干的条目，最终共获得有效英文文献129 篇。

1.2 研究方法

使用可视化分析软件CiteSpace 5（版本为5.6.R5 64-bit）对作物硒形态研究领域的相关文献进行数据挖掘，通过文献数量、发文机构、国家、学科、关键词共现网络和文献共被引网络等指标，分析该研究领域的研究趋势与热点问题。使用Excel 2010 对相关文献的数据进行整理归纳。

2 结果与分析

2.1 作物硒形态研究文献数量分析

文献数量变化是可以反映科研活动与成果状况的重要指标［15，16］。从采集到的数据来看，2011 年之前作物硒形态研究领域的相关文献发文量较少，故对2001—2020 年作物硒形态研究外文发文量按照每5 年一组进行统计并进行曲线拟合（图1）。从图1可以看出，作物硒形态研究的发文量呈指数增长，其趋势线方程y=4.755e0.1794x，R2=0.946 8。在统计学中，R2表示变量对总偏差平方和的贡献度，可以描述曲线拟合程度的好坏，R2值越接近1，表明曲线的拟合程度越好［17］。从图1 可以看出，作物硒形态研究目前仍是一个新兴的研究领域，可以预见相关文献的数量将在未来呈现快速增长趋势，作物硒形态研究将会成为未来热门的研究领域。

图1 作物硒形态研究发文量每5 年分布情况

2.2 作物硒形态研究的机构和国家分析

将作物硒形态研究发文数量前10 位的机构整理汇总后得到表1。从表1 可以看出，该领域前10位的发文机构中，中国 4 所、美国 3 所、英国 2 所、巴西1 所。发文量前5 名的机构分别为中国农业大学、英国洛桑研究所、英国诺丁汉大学、华中农业大学和巴西拉夫拉斯联邦大学，其中中国农业大学发文量最多，但总被引次数仅处于中游水平。英国诺丁汉大学的发文量比较靠前，总被引次数最多。华中农业大学和英国洛桑研究所的被引次数也较多，分别位列第 2 和第 3 位。

表1 作物硒形态研究发文数量前10 位的科研机构

在CiteSpace 中，发文国家、机构的共现网络图谱内节点之间的相互连线代表其中存在着合作关系；而节点的大小用来表示频次，该数据出现的频次越高则节点越大［18］。从图2 可以看出，在发文数量前几位机构中，英国的诺丁汉大学和洛桑研究所之间的合作关系非常紧密，说明彼此之间学术交流较多，合作关系较紧密，这样有利于开展更加深入的研究。反观其他机构的科研独立性较强，其中中国几所科研机构虽然各自都有了一定的研究成果，但彼此之间的合作还比较少，目前仍处于小范围内的独立团队研究，相互之间的交流沟通还有待加强。从表2 可以看出，中国、美国和英国（英格兰和苏格兰）等国家的研究人员和团队在作物硒形态领域的研究比较深入，科研成果较丰富且影响力大，目前处于该研究领域的领先地位，巴西和西班牙在此领域的研究也具有一定的影响力。由图3 可以看出，以美国和英国为代表的国家之间的合作交流比较多，而中国目前虽然在作物硒形态研究领域处于领先地位，但未能与其他有影响力的国家（美国、英国和巴西等）有过多的学术交流合作，这样既不利于中国在该研究领域的领先地位，也不利于对作物硒形态研究的进一步深入研究，需要引起重视。

图3 基于CiteSpace 的主要发文国家共现网络图谱

表2 作物硒形态研究发文数量前10 位的国家或地区

图2 基于CiteSpace 的主要发文机构共现网络图谱

2.3 作物硒形态研究涉及学科领域分析

对作物硒形态研究文献的共被引期刊进行分析，可以在一定程度上反映出作物硒形态研究涉及的领域方向［19］。由表3 可知，共被引频次最高的期刊是《Plant and soil》，共被引次数为111 次，其余依次为《Journal of agricultural and food chemistry》《New phytologist》《Food chemistry》和《Science of the total environment》等，这些均是在农业、植物科学、环境科学和食品化学等领域有一定影响力的国际性期刊。进一步对作物硒形态研究文献涉及学科进行分析得到图4。从图4 可以看出，作物硒形态研究涉及的学科面广，领域众多，涵盖了Agriculture（农学）、Agronomy（农艺学）、Agriculture multidisciplinary（农业综合学科）、Plant science（植物科学）、Environmental science & ecology（环境科学与生态学）、Chemistry（化学）、Chemistry applied（应用化学）、Soil science（土壤科学）、Food science & technology（食品科学与技术）和Toxicology（毒理学）等众多学科，说明作物硒形态研究已引起许多学科学者和研究团队的关注，也表现出了该研究的广泛性、综合性与交叉融合性。

表3 作物硒形态研究前10 位共被引期刊

图4 基于CiteSpace 的主要发文学科共现网络图谱

学科共现网络图中节点间的连线表示学科之间的交叉和融合，可以反映出交叉学科之间一定的科学内在联系［20］。从图5 可以看出，作物硒形态研究目前多集中在农学、植物科学、环境科学与生态学、化学等学科，表明这些学科内的学者和团队相比其他学科对作物硒形态领域的相关研究更加广泛和深入。值得注意的是，土壤科学、食品科学与技术、毒理学等学科的学者也开始涉及作物硒形态相关研究，包括作物硒形态与土壤中硒的关系［21-23］、可食用类作物中硒形态分析［15，24-26］以及不同形态的外源硒对作物的硒毒性研究［27，28］等，这也反映出作物硒形态相关研究将会成为多学科的热点研究问题。

图5 作物硒形态研究发文量前10 的学科占比

2.4 作物硒形态研究高质量文献分析

文献被引用次数是一个能够反映文献质量高低的重要指标，一篇文献被引用的次数越多，说明这篇文章在该研究领域具有重要影响，属于该研究领域的关键文献与核心文献［29］，把握住这些文献，可以更好地了解该研究领域的动态变化，掌握其方向。

选取共被引文献网络图谱（图6）中面积前5 位的节点所对应的高被引文献，得到表4。①Li 等［30］通过对水培小麦施用硒酸盐和亚硒酸盐，并使用HPLC-ICP-MS 法测定了可提取部分的硒形态，研究了小麦硒的吸收、转运和硒形态。②Rayman［31］论述了硒与人体健康之间的关系，阐述了硒对人体健康影响的多方面性和复杂性。③Zhu 等［32］概括了作物中硒相关研究的关键进展、硒代谢相关基因工程的进展，硒的生物强化进展及硒植物修复与环境污染研究等。④Broadley 等［33］通过对高产冬小麦施用液态或粒状硒肥料，探究其对冬小麦硒的生物强化作用。⑤White 等［34］对人类饮食经常缺乏的铁、锌、铜、钙、镁、硒和碘等7 种矿物质元素的生物强化可行性及其理论基础进行了总结概括。

表4 作物硒形态研究前5 位的共被引文献

图6 基于CiteSpace 的共被引文献网络图谱

2.5 作物硒形态研究热点分析

关键词是文献的重要组成部分，它是作者对一篇文献主题内容与主旨的凝练和高度概括［35］。关键词在图谱中出现频次表现的是该关键词所对应的主题在所选文献中被研究的次数。对129 篇作物硒形态研究英文文献进行关键词共现分析，得到关键词共现网络图谱（图7），并将主要的高频关键词整理得到表5。

对作物硒形态研究文献的关键词进行聚类分析，得到关键词聚类网络图谱（图8）。

CiteSpace 提供了Q值（Modularity，聚类模块值）和S值（Silhouette，聚类平均轮廓值）两个指标，用来评价聚类网络图谱的绘制效果，Q＞0.3 时说明聚类的结构是显著的，S＞0.5 时说明聚类的结果是合理的［13］。经过测算此聚类的Q=0.607 8，S=0.534 3，说明聚类结果是可信的。

通过进一步阅读相关文献，结合图7、图8 和表5，可以总结出作物硒形态研究的几个热点研究方向。①硒的生物强化。硒目前已被证实是一种对人类健康有益的元素，具有抗氧化、抗癌和抗衰老等作用，且人在缺硒时可能会引起克山病和大骨节病等疾病［36，37］。目前人类补充硒的方式仍然以食用富硒食品为主，其中的硒代氨基酸和硒蛋白等有机硒生物利用度高，而硒酸盐和亚硒酸盐等无机硒的生物利用度低［38］。虽然目前已有许多研究旨在通过各种措施提高可食用类作物中硒的含量，但如何适量提高作物体内能够被人体利用的有机硒和如何协调有机硒与无机硒在作物体内的比例将是未来研究热点。②硒的植物修复。硒虽然是人体的必需微量元素，但当硒在体内超过一定的浓度时，往往表现出毒害作用［38］。目前，作物中的硒主要是从土壤中吸收而来，而世界上有一些地区的土壤因为硒含量过高从而使作物中硒含量过高，导致人和动物硒中毒事件的发生，例如美国西南地区、中国的紫阳县和恩施等地区［39-41］。利用植物的修复作用，对土壤中的硒进行吸收和富集，将其转化为对人体和环境无害的硒［42］，是一种解决该问题的有效方法。目前已知的硒富集类作物包括水稻、小麦和玉米等粮食类作物、大蒜和洋葱等园艺类作物和苜蓿等饲料类作物［1］。而不同的作物对不同形态硒的富集能力存在差异［43］，有研究指出硒酸盐处理的印度芥菜地上部分硒含量是亚硒酸盐处理的10 倍以上［44］。其中，探讨不同作物对不同形态硒富集能力的强弱也是目前研究的一个重要方向。③硒肥料。目前，世界上多数地区的土壤硒含量水平仍然较低，不足以使作物中的硒含量达到人们的预期，故需要额外增施一定量的外源硒肥以满足生产的需要［45］。硒肥料种类多样，按化学形态可分为硒酸盐和亚硒酸盐为主的无机硒肥和有机硒肥；按物理形态可以分为液态硒肥、固态颗粒硒肥及纳米硒肥等［46］。不同作物对不同形态外源硒的吸收利用效率存在差异，已有学者对不同形态外源硒肥对作物硒含量、品质和产量等的影响开展研究［47-49］，故探究对不同作物施用不同形态外源硒肥配比的相关研究，也是值得关注的方向。

图7 基于CiteSpace 的主要关键词共现网络图谱

图8 基于CiteSpace 的关键词聚类网络图谱

表5 作物硒形态研究高频关键词

3 讨论与结论

作物硒形态是一个值得深入研究的主题，目前大多数研究还只停留在作物与硒的整体水平上，而进一步到作物硒形态水平上的研究还比较少，说明其仍处于一个新兴的研究领域。结合作物硒形态研究相关文献的发文量来看，目前发文量虽然还较少，但发文量的曲线拟合情况良好，表明未来作物硒形态研究的论文数量将呈指数型的快速增长，人们将会越来越重视该研究领域。

从科研机构和国家分布情况来看，中国科研机构无论是发文量还是总被引次数均较多，说明中国处于作物硒形态研究领域的领先地位，但国内不同科研机构相互之间交流合作较少，联系还不够紧密。中国的科研机构与世界其他国家的合作也较少，独立性较强，不利于中国在该研究领域的深入研究。因此中国科研机构需要发挥各自的学科优势，加强学术合作与交流，进一步提升中国在作物硒形态研究领域的学术影响力。

通过关键词共现分析和关键词聚类分析可看出目前的热点研究方向主要包括硒的生物强化、硒的植物修复及硒肥料等。这些研究更偏向于实际生产和应用，而深入的机制原理层面研究还较少。随着元素检测技术的不断提高和检测仪器的快速发展，利用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术（HPLC-ICP-MS）和高效液相色谱-氢化物发生-原子荧光联用技术（HPLC-HG-AFS）等现代新兴的元素分析技术［50］，结合拟南芥和烟草等模式作物，对环境-作物-硒形态之间的深层次联系及其作用分子机制的研究也令人期待。