基于CiteSpace的氮循环研究热点和进展分析

朱汪悦，王延华,2,3①，赵子涵

(1.南京师范大学地理科学学院，江苏 南京 210023；2.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023；3.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210023)

氮流即氮素流动，指活性氮从生成到还原为惰性氮气参与化肥生产→土壤→作物→畜禽→食物过程、土壤→河流→海洋过程、陆地→大气→陆地过程等一系列生物地球化学循环过程，是多层次的梯级式流动过程[1]。人口快速增长增加粮食供给压力，为提高作物产量，氮肥施用量激增，但氮肥利用率低，大量氮损失进入大气、水体和土壤，造成环境污染[2]。在这种背景下，活性氮成为科研人员的重要关注点之一，目前研究涉近100多个领域，如生态环境、农业、医疗、物理化学、生物、林业和畜牧业等[3]。因此，有必要厘清氮流的研究现状及知识框架，以阐明该领域的发展趋势和未来的发展潜力。

文献计量学是采用数学统计分析方法，对书目、文摘、索引、被引文献、作者和合作网络等单元进行定量分析[4]。通过定量分析方法估测某一学科或技术领域的发展过程及延伸方向以及与其他学科的关系，从而确定学科发展速度，了解其研究价值[5]。近年来文献计量学逐渐应用在生态、环境、地理等方面[6-7]。CiteSpace是在文献计量学、数据和信息可视化背景下逐渐发展起来的一款多元、分时、动态的引文可视化分析软件，通过文本数据形成的“科学知识图谱”可以展现科学知识结构、规律和分布情况，对某一学科领域中研究热点、研究前沿和研究趋势进行探究[4]。通过关键词对文本主题进行共词的挖掘分析，关键词主要从标题、关键词及摘要中提取。这类分析有助于了解某一研究在科学领域中的分布情况，并结合突现词(top terms)和聚类分析中的成员数量(size)及同质性指标(silhouette)进行判断[4]。由此，笔者通过从Web of Science(WoS)核心合集数据库和中国知网(CNKI)在2000年1月到2021年4月发表的文献数据，结合CiteSpace，根据发文量、研究方向、国家/机构/作者合作网络关系、关键词共现等角度，分析相关研究历史脉络、发展方向、热点研究及其国家领域学科贡献情况，以期为研究工作者或学习者掌握该领域的研究历史和发展方向提供参考。

1 材料与方法

利用CiteSpace 5.7.R5W和Excel 2016 软件，分别在WoS和CNKI数据库中采集2000年1月—2021年4月有关“氮循环”主题文献数据。以此为依托，利用WoS自带的检索分析和CiteSpace进行文献可视化。国家或地区合作网络分析在宏观上分析国家或地区在某一领域的文献贡献量与影响力。文献术语的共被引分析反映科学知识的积累、连续、继承，科学发展的客观规律以及文献之间的耦合[7]。

1.1 国际文献获取及参数设置

在WoS核心数据库中，以关键词“nitrogen balance” or “nitrogen flow” or “nitrogen cascade” or “nitrogen cycle”搜索，为后期分析更为精确，去除Engineering、Medical研究领域(包括Veterinary Science、Biomedicine、Urology Nephrology、Pharmacology Pharmacy、Neurosciences Neurology等)，文献类别为“Article”，共获取6 188篇文献(仅包括发表的文章)。以“Full Record and Cited References”格式下载，文件命名为“download.-txt”导入CiteSpace 5.7.R5W中，时间设定为2000年1月—2021年4月，以2 a为时间分割成11个分段。在每个时间分段内，参数关系强度用Cosine算法〔式(1)〕，参数阀值设置采用g-index方法〔式(2)〕。文献数量多，形成的关键词节点繁多，为呈现更为清晰的可视化图谱，采用最小生成树算法(MST)简化复杂网络，突出分析重点，并采用中心度(betweenness centrality)衡量一个节点在网络中的重要性〔式(3)〕[7]。

(1)

式(1)中，Cij为i和j共现次数；Si为i出现的频次；Sj为j出现的频次。

(2)

式(2)中，g为衡量某位研究者作为一个独立个体的研究成果影响(包括数量和质量的影响)；Ci为i出现次数；K为规模因子，取值25。

(3)

1.2 国内文献获取及参数设置

在CNKI上，以关键词“氮平衡”或“氮流”或“氮联级”或“氮循环”搜索，限定时间范围为2000年1月—2021年4月，期刊来源：中文社会科学(CSSCI)、中国科学(CSCD)和北大核心，期刊分类去除工程、医药，共获得810篇文献(仅包括发表的文章)。以“Refworks格式”导出，文件命名为“download.-txt”并在CiteSpace中转化为“WoS数据格式”进行分析。时间分段、参数关系强度及参数阀值参考1.1节。

2 结果与讨论

2.1 氮循环领域发展特征

2.1.1氮循环发文数量与研究方向

2000年1月—2021年4月，有关活性氮流动相关研究发文量共计6 998篇。其中来自WoS的文献占88.43%，可以看出研究领域英文文献贡献量较高，且保持持续上升趋势(图1)，说明该领域在进入快速发展阶段后一直保持学科领域的热度。这与前人对活性氮的研究结果[3]相似，1990年活性氮研究萌芽，2000年以后活性氮研究趋于成熟并迅猛增长。由于1990年以后更容易在线获取文献资源，知识传递途径的增加使得发文量骤增。

图1 2000年1月—2021年4月WoS和CNKI氮流发文量

对比WoS和CNKI氮流研究(图2)，可以看出氮循环研究具有学科交叉特性。WoS数据库收文显示对氮流研究的主要贡献学科分别是农业(29.49%)、生态环境(21.47%)和材料科学(10.31%)。CNKI数据库收文聚焦于氮循环、氮平衡和消化率。

图2 2000年1月—2021年4月氮流各研究方向发文量

2.1.2国家合作空间分布特征

合作网络分析主要从作者(微观)、机构(中观)和国家(宏观)揭示某一领域研究的重要性和相关性，以此展示全球网络的研究能力分布、不同关键词和热点之间的分布和强度[7]。研究结果表明，2000年1月—2021年4月共112个国家或地区425个机构对活性氮进行研究。美国是发文量最大的国家〔发表690篇文献，中心度(BC)=0.33〕，其次是中国(发表531篇文献，BC=0.08)，德国(281篇文献，BC=0.03)、巴西(发表181篇文献，BC=0.02)、日本(发表180篇文献，BC=0.10)、法国(发表177篇文献，BC=0.21)、加拿大(发表158篇文献，BC=0.06)、英国(发表147篇文献，BC=0.10)、澳大利亚(发表128篇文献，BC=0.05)、西班牙(发表110篇文献，BC=0.04)，其余国家发文量均低于100篇，对活性氮研究现状和预期发展影响较小(图3)。有些国家发文量较大，但在网络节点中影响较小，如中国、德国、巴西；相比之下，法国、英国、荷兰(发文量87，BC=0.12)，丹麦(发文量79，BC=0.10)发文量一般，但在网络节点中影响力较大。说明国家或地区发文量的多少不能决定其在某一研究领域的主导权，高质量的研究才能引领该领域的方向。

图3 2000年1月—2021年4月对氮流进行研究的国家合作网络

2.1.3氮循环研究热点随时间变化特征

由图4～5可知，2000年1月—2021年4月国内外氮循环研究主要可分为4个阶段，热点的变化呈现了从微观到宏观,再到宏观微观耦合发展的趋势，早期主要集中于典型生态系统,如农田、草地、森林、水域的氮转化过程与全球氮沉降，后期则更多关注氮循环方法学以及宏观微观整合研究。

(1)2000—2004年：该阶段研究重点集中在氮素梯级流动过程中的量化建模、生物固氮、饲料配比对畜牧业的生产力、化肥施用对农田生产力的影响、氮转化和气候变化[8-11]。此外，利用15N追踪食物链中氮流动也成为MCCLELLAND、ADAMS和MONTOYA等多位学者的关注点[12-14]。农田、草地、森林和水域生态系统的氮转化过程及氮污染状况研究为热点。

(2)2005—2009年：继续延续上一阶段研究热点，并在生物地球化学循环、生物多样性和生态系统功能等方面开始受到广泛关注[15]。在此期间，氮循环在农田的研究力度大于畜牧业，研究尺度以田块尺度和全球尺度为主，与大气氮沉降的关联成为研究热点[16]。

(3)2010—2014年：学者聚焦温室气体减排温度影响海洋中的反硝化，以微观实验结合文献荟萃方法[17-18]展开，说明氮循环经过十多年的快速发展，已经积累了大量的基础数据和模型，体现出数据从观测、预测到整合、继承的过程[19]。这5 a是氮循环从快速发展到成熟阶段转变的关键。

(4)2015—2021年：该阶段发展呈现2个方面特征：一是仪器设备的开发应用促进了土壤氮微生物群落的研究发展[20]；二是乡镇、流域和全球等不同尺度的氮循环及生态网络研究不断更新[21-22]。近年发展热点表明,该学科在前人发展的基础上进一步夯实，宏观与微观研究齐头并进。

2.2 国际氮流关键词共现特征与重点研究方向

活性氮关键词图谱共有551个节点、1 748个连接(节点数指关键词数，连接指关键词之间的连接数)。图4中，圆圈越大表明关键词权重越大，越是氮循环热点问题，反之研究较少。圆圈也可以表示该关键词的研究时间跨度，圆圈越大，跨度越大。聚类分析大小(size)和同质性(sillhouette)强弱能够回顾研究领域的基础内容，找到研究领域的高支撑方向[7]。

2.2.1国际该领域聚类分析

结合时间可视化(time-line view)展示(图4、表1)，按照聚类程度分为6类，分别是反硝化(denitrification)、农业(agriculture)、氮循环(nitrogen cycle)、氮污染(nitrogen pollution)、氮平衡(nitrogen balance)和生态分析(ecological network analysis)。这6种聚类同质性都大于0.70，说明聚类内部关键词的相似性高。在氮循环发展领域，族群与族群之间处于一个并列关系，同为该领域的发展方向。对于每个族群内部关系，研究结果如下：

参数阀值设置采用g-index方法，规模因子K=25，集群标签使用关键字。

聚类#1、#3、#5关键词多有重复，重点关注活性氮转化过程。以关键词“反硝化(denitrification)”为例,共分析了316篇相关文献。在反硝化是陆地水体中氮滞留主要贡献者的观点下[23]，THORBURN等[24]对澳大利亚农业区地下水硝酸盐进行研究，提出改善氮肥管理措施是管理地下水硝酸盐浓度的关键。相关学者也讨论了反硝化在氮循环和氮平衡中的重要影响[25-26]。氮同位素作为示踪剂的应用证明，硝态氮异化还原为铵态氮也是氮循环的重要途径[27-28]。

聚类#2和#4关键词因果关系明显，研究畜禽和农田生产为主的活性氮积累。以该聚类高频词“土壤(Soil)”为例，共分析了241篇相关文献，主要内容包括讨论国家和地区尺度上施氮量对农产品产量与氮平衡的影响[29-31]、不同养殖方式对畜禽养殖系统氮循环的影响[32]以及建立模型进行氮流计算[33-34]。有学者建立了不同喂养方式氮排泄量和形态预测模型，提出合理的草料配比可有效降低氮污染[10]。利用Hydrus-1D模型对太湖流域水稻田进行氮迁移转化模拟，可知氨挥发和反硝化作用是氮损失的主要途径，且实测数据和模拟数据吻合度较高，表明未来可以利用Hydrus-1D模型进行最优肥料管理[35]。

聚类#6主要围绕生态网络模型。研究结果表明，有关聚类#6的文献始于2002年，有学者提出农田残留氮是投入到农田中的氮与农田输出氮的差值，所以应减少化肥投入、粪尿还田，以降低环境风险，减轻人类活动对氮平衡的影响[36-37]。随后展开对中国长江中下游农村地区人类活动对氮流影响的研究[38-39]、黄河流域水网系统的氮平衡研究[40]，再到城市食物系统中的氮管理，如北京市的氮载荷变化[41]。生态网络模型也逐渐应用在活性氮的量化研究中[33]。

2.2.2国际该领域关键词与突现词

对关键词出现频率进行分析，以说明特定时期的研究热点。权重较大的热点有氮循环(nitrogen cycle,出现频次560)、氮收支(nitrogen balance,出现频次591)、氮(nitrogen,出现频次353)、反硝化(denitrification,出现频次316)、硝化(nitrification,出现频次228)、土壤(soil,出现频次241)、消化(digestibility,出现频次205)、二氧化碳(出现频次198)、管理措施(management performance,出现频次190)、水环境(water,出现频次168)、生物多样性(diversity,出现频次137)、有机质(organic matter,出现频次136)、生态系统(ecosystem,出现频次119)、气候变化(climate change,出现频次113)、排放(emission,出现频次110)、模型(model,出现频次100)。猪牛羊等畜牧业系统中关键词pig/cattle/cow/productivity出现频次为60～100，富营养化(eutrophication)、地下水(groundwater)、沉降(deposition)、土地利用(land use)出现频次为30～60(表1)。对于“消化”一词，其相关文献多关注添加畜禽饲料影响猪牛羊蛋白质吸收，从而对其生产性能和氮平衡产生的影响。如DETMANN等[42]研究了热带草原上牛饲养方式的变化对氮利用的影响评估；SCHIAVONE等[43]研究板栗提取物对肉鸡消化率、生产性能和氮平衡的影响；OTTO等[44]研究饲料蛋白质浓度降低与饲养猪对氨基酸消化率及氮平衡的影响。这些热点词的出现表现出一定的时间阶段性特征。硝化、反硝化、消化等模型出现在2000—2010年，随后对猪牛羊、气候变化(N2O、NOx)及生态系统的研究热点出现在2010—2021年。并且热点出现频次与时间呈现正相关关系，越早出现的热点词受到越多学者关注。这反映学科研究的延续性，也突出研究重点从氮的化学反应、模型研究到与人类活动相关的环境问题上的转变。

表1 关键词聚类信息表(WoS)

大小：关键词聚类所含关键词数量；同质性：衡量整个聚类成员同质性的指标，数值越大，聚类成员相似度越高，反之，相似度低，一般>0.50说明聚类合理，>0.70说明聚类令人信服。对数似然率：聚类标签词提取算法之一，越大越具有代表性。

就关键词分布而言，权重较大的关键词大多自2000年以来一直受到国内外学者关注研究。但是研究也表明，活性氮研究中“多样性(diversity)”一词在2006年出现对海洋和土壤中氨氧化古菌、细菌群落的分析[45-46]，随后DI等[47]指出，在富氮草地中硝化作用是由细菌而不是古菌解决氮循环中氨氧化成硝态氮的驱动因素问题。此外，关于放牧草地上N2O的排放、农业生产对环境的影响、中国稻麦轮作土壤中厌氧氨化细菌丰度以及土壤微生物对氮循环的影响等方面的文献充实了这一热点关键词[48-51]。这些都促进了近10 a关于氮循环中微生物多样性的研究。

在表2的突现关键词中，黑色横线加粗代表突现词在该时段表现最强。属于#1、#3、#5族类的突现关键词有反硝化率(denitrification rate)、反硝化(denitrification)和氮稳定同位素δ15N等；属于#2和#4族类的突现关键词有消化(digestion)、猪(pig)和有机碳(organic carbon)等；属于#6族类有生态系统(ecosystem)和模型(model)等(表2)。这些突现词的出现表明相应年份上的研究使用频率激增，说明同位素示踪法特别是δ15N同位素在氮转化研究中起重要作用，畜禽养殖和农业种植及其对氨排放和雾霾的影响是活性氮的研究重点。从宏观角度探讨氮循环在生态环境网络中的研究，自2008年生态系统成为突现词，开始受到学者们的关注。

表2 氮流前20个突现关键词

2.3 国内氮循环关键词共现特征与重点研究方向

使用CiteSpace对CNKI上获得810篇文献进行分析，活性氮关键词图谱共有432个节点，468个连接(图5)。研究结果形成12个族类，分别是#1氮循环、#2氮平衡、#3生长性能、#4氮代谢、#5微生物、#6氨氧化古菌、#7产量、#8碳循环、#9氧同位素、#10铵态氮、#11分解者、#12氮沉降。中文文献形成的族类如氮循环和氮平衡，与英文nitrogen cycle和nitrogen balance重合，可体现国内外共同研究热点。其中反硝化是国际发文热点，国内对于反硝化的研究则分布在各个族群中，这里以关键词分析展开讨论。

参数阀值设置采用g-index方法，规模因子K=25；集群标签使用关键字。

对于#1氮循环和#2氮平衡，从玉米、稻麦轮作根部的氮、沉积物中的氮、畜牧业、植被、微生物等角度研究土壤中的氮[52-57]，利用δ15N等稳定同位素分析氮循环转化状况[58-59]，从全球尺度的气候变化到区域尺度的氮收支，探讨氮来源问题[60-61]。氮平衡研究更多关注牛羊等家禽生产过程中的氮[62-63]、农田生产过程氮利用率问题[64]。氮循环和氮平衡从2000年开始持续成为研究热点。

对于#3畜禽/农作物生长性能、#4氮代谢及#7农产品产量，从最初畜禽产品饲料中添加合适的蛋白质以保持最佳的生长性能和氮代谢[65-66]，到农作物秸秆还田、氮肥利用率、氨挥发及产量研究[67-68]，现在更多关注不同施肥模式下氮平衡及经济效益[69-70]，其中也涉及到土壤矿化的研究[71]。

对于#5微生物、#6氨氧化古菌、#8碳循环、#10铵态氮、#11分解者，研究主题从对氮循环的浅析发展到土壤微生物群落中反硝化细菌及反硝化作用[72-74]，再到探究碳氮分布、土壤碳氮比、碳氮循环特征、pH值及微生物对碳氮循环的影响机制[75-84]。

对于#9氧同位素，研究主要关注运用生物地球化学模型(DNDC)进行土壤碳氮模拟实验[85]，探讨秸秆还田对氮循环的影响[86-89]。对于#12氮沉降，其热点主要体现在土壤酸化、氮沉降和土壤酶活性，讨论不合理的农业活动导致土壤酸化的机制和解决方法[90-91]，模拟氮沉降对森林氮循环及生态系统影响[92]，研究不同植物根系、土壤理化性质及施肥量对土壤微生物生物量和酶活性的影响[93-95]。

3 问题与展望

通过对氮循环研究的可视化分析获取了这一研究领域的基础知识和发展脉络。由于数据库各地区更新时间及数据库资源年限的差别，基础数据获取有些许不同，但是不影响总体热点和趋势分析。

反硝化、氮污染、氮循环和氮平衡研究从2000年开始一直保持热点研究态势。生态网络分析为近些年新兴的热点方法。近20 a来，人类活动的加剧导致其对生态系统氮循环和氮平衡的影响日益增强，越来越多的学者开始关注由城市化带来的人口高度集中的城镇，并采用多学科交叉的方式量化氮的输入和输出，丰富研究方式。关键词检索时采取不同参数关系强度和阈值，会呈现不同的图谱特征，在后续研究中需要通过多组设置，以减少预估偏差。根据研究结果发现：

(1)基于研究特征推断，国内外学者会继续以往对畜禽养殖和农业种植导致的大气、水体和土壤的氮污染研究。农业生产是解决世界人口对粮食和肉类需求的必然途径，然而随着对农产品需求量的加大和需求品质的提升，大气农业氨排放、温室气体排放、水体硝酸盐富集和土壤酸化等环境问题日益凸显，这也为未来氮循环研究提出了更高的要求和期望。

(2)活性氮合作网络分析方面，在地区网络图谱中中国发文量遥遥领先，但影响力还有待加强。结合国内外20多a活性氮发展脉络，现今氮流学科发展已属于成熟阶段，解决现有问题、寻找新突破口是该领域学者面临的难题。未来中国学者对氮循环的研究应注重合作性和创新性，提高影响力。

(3)通过关键词和突现词比较，CH4、N2O、NOx排放与减排是近10 a出现的研究热点。结合模型进行定量演算，关注区域氮沉降，寻求氮平衡以减少气态氮排放是可持续发展的关键。这表明随着人们环境意识的增强，在未来减少氮循环过程中的氮损耗、降低环境风险将是新热点。