根系分泌物研究现状及趋势——基于CiteSpace的知识图谱分析

张 杨， 朱 林， 程云龙， 荆庆芳， 兰 艳

(1.宁夏大学生态环境学院/西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏银川 750021；2.甘肃省分析测试中心，甘肃兰州 730000； 3.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021)

根系分泌物是植物根系向根际土壤环境释放的有机物质的总称，它决定植物与土壤环境相互作用的重要过程，可以显著改变根-土界面物理、化学和生物学特性，也是保持根际微生态系统活力的关键因素，还是根际物质循环的重要组成部分。18、19世纪，Plenk等发现根系分泌物对邻近植株有促生和抑制作用。由于植物自身特性根系分泌物不仅在不同种属植物间存在显著差异，且同种植物在不同的生长发育时期或生长环境下，根系分泌物组成和含量也会发生改变。当植物受光照、温度、土壤盐碱性、营养状况等胁迫条件下，根系分泌物的种类和数量在很大程度上体现出差异。根际微生物也是影响根系分泌物的一个因素。根系分泌物是根际微生物营养物质的主要来源，外界环境因素改变导致根系分泌物组成发生变化从而会影响根际微生物类群的结构。反之，根际微生物类群的变化又对植物根系分泌物的组成和含量产生影响。直到20世纪50年代，Uselman等开始认识到根系分泌物与固氮菌的互利关系时，此领域的研究才日益被人们重视起来。此后对根系分泌物的研究逐渐展开，由于当时测试手段和试验条件的限制，起初有关分泌物研究方法的进展非常缓慢，而随着分析测试技术、生物技术以及显微技术的广泛应用，促使根系分泌物的研究发展迅速。由于传统文献无法全方面清晰地理清学科的发展动态，且现有基于文献计量角度在根系分泌物领域中的分析相对较少。因此，本研究基于2001—2021年Web of Science(WOS)核心文献数据库以及CNKI(中国知网)数据库收录的根系分泌物中英文文献，以陈超美博士所研发的文献信息可视化分析软件CiteSpace为研究工具，针对根系分泌物研究领域的工作进行文献计量初步分析，归纳目前该领域的研究现状，以明晰其研究主题、发展历程，追踪研究热点及趋势，以期为该领域科技工作者提供参考，同时也启发实际应用研究找到切入点。

1 研究方法及数据来源

科学知识图谱是以知识域为对象，展示科学知识发展进程与结构关系的一种可视化的知识图形，通过融合关键词等知识单元的不同节点，经过内部算法筛选后进行呈现展示知识群之间的网络、结构、演化等复杂关系。CiteSpace是一个免费的工具，由美国德雷塞尔大学陈超美教授开发，用于对一个科学领域的发展进行交互式和探索性分析，范围从一个专业到多个相关的科学前沿。将CiteSpace应用于本研究的数据处理，以交互式视觉功能分析展示根系分泌物的研究现状、研究热点和趋势。

文献数据主要来自中国期刊全文数据库CNKI和Web of Science(WOS)数据库，数据检索采集于2021年6月30日。其中中文文献数据选自CNKI数据库，包括学术期刊、学位论文和会议论文。在高级检索模式下主题词为“根系分泌物”，选取网络首发、增强出版、基金文献、中英文扩展，时间范围为2001年1月1日至2021年6月30日，共检索到1 292篇文献，将其以refworks格式导出，数据信息包括作者、摘要、关键词等。选择CiteSpace“keyword”进行关键词聚类共现分析，并生成可视化图谱。另外CiteSpace软件暂不能对CNKI数据库导出信息进行共被引聚类分析，故不作分析。外文数据选自WOS数据库核心合集，索引：SCI-EXPANDED、SSCI、A&HCL、CPCI-S、CPCI-SSH、ESCI、CCR-EXPANDED、IC，检索主题为TS=(“root exudation”)，时间跨度为2001—2021年，共检索到1 102篇文献。在CiteSpace中选择“keywords”进行关键词聚类共现分析、选择“reference”进行共被引聚类分析，并生成可视化图谱。

2 国内根系分泌物研究进展

2.1 文献计量分析

基于CNKI检索的数据计量分析，得到根系分泌物主题相关文献发表年度趋势图，可见根系分泌物基础研究与应用技术呈现波动式逐渐攀升的态势(图1)。从发展趋势结果来看，2001—2021年根系分泌物的研究可分为3个发展阶段。2001—2007年发文量逐渐上升，2005年约是2001年的3倍，可见这5年相关研究逐渐变热。而2006年较2005年有所回落，且2007没有相关论文发表。经过2年的研究热度回落，研究者又发现根系分泌物研究的诸多科学问题，也意识到其应用前景。因此，2008—2016年发文量递增到2016年114篇的峰值，这9年间根系分泌物的研究发展平稳迅速，为后期研究工作积累了许多基础和经验。2017—2021年6月末发文数量的变化趋势呈“S”形，稍有波动，由于根系分泌物的研究涉及多个交叉学科，且收集和提取过程繁琐，分析时需要用到多种大型仪器，因此获取数据受到限制，这可能是不稳定波动的因素之一。然而根系分泌物依旧有诸多问题需要探索，未来的相关研究仍会回暖递增。

依据CNKI数据库文献学科类别统计分析见表1，可见前10位中发文数量最多的是农作物类，占比达21.68%，其后是园艺和农业基础科学，占比分别为15.13%、12.84%，生物学、植物保护、农艺学3类学科占比接近，表明国内学者对根系分泌物的热点研究主要集中在农学和农作物应用上。而环境科学与资源利用、林业、自然地理学和测绘学方向的文献占比较小，反映国内学者在这3类学科中根系分泌物的相关研究较少，他们更倾向于将着力点放在根系分泌物对农业生产的提高和对植物的影响。最少的学科类别是化学，仅占0.48%，未来在分析化学或植物化学角度出发对根系分泌物进行探索，将会为其提供更多研究途径和思路。

表1 根系分泌物研究学科类别信息

2.2 关键词分析

2.2.1 关键词研究热点共现分析 由图2、表2、表3可知，从农业种植模式看，不同作物研究一直是国内根系分泌物关注的重点，而与根系分泌物紧密相关的根际效应、化感作用、土壤环境等方向的研究仅在2001—2007年表现出热度。2008—2016年，各类蔬菜瓜果以及农作物研究依旧突显，而微生物、根际土壤、化学成分等根系分泌物交叉学科多点爆发，可以说是百花齐放。2017—2021年，王亚君等开始重视种植模式和根系分泌物的关系，以及土壤化学、生物学、微生物学与根系分泌物的交叉学科问题。从关键词热点来看，农业科学研究总体占比较大，而与之相联系的土壤化学、植物化学、生物学研究频次和突发强度都表现较弱。虽然根系分泌物的研究在我国不断发展，但仍应继续在多学科交叉领域寻找新的突破点和应用方向。

表2 不同时期高频和具有中心性的关键词信息

表3 突发性关键词信息

2.2.2 关键词聚类分析 用中文文献关键词聚类分析(表4)和聚类时间线可视化展示(图3)得到10类较明显的聚类信息，其中节点数569，连线702条。值=0.884 1(值值域为[0，1]，>0.3则表示可视化结构显著)，平均轮廓值=0.9714(>0.5则表示聚类结果可信)，轮廓值是衡量一个聚类内成员相似度的指标，数值越大，代表聚类成员具有较高的同质性。由表4可知，#0(根系分泌物)和#1(茄子)聚类大小相近，主要讨论了包含关键词根系分泌物、茄子的相关研究，以及种植方式、土壤和微生物群落之间的关系。由图3可知，2001年#0聚类开始出现且当年的研究成果较多，此后该聚类关注度平稳并一直持续到2021年，表明该领域的学者一直在坚持探索，但突破性进展较小。#1聚类刚开始出现时关注度趋冷，直到2009年表现出热度，此后都有研究持续关注，推测学者们在茄子等农业种植中发现了应用前景。#2(化感作用)、#3(外生菌根)、#4(有机氯农药)、#5(间作)这4项聚类大小相近，主要讨论植物化感作用与土壤微生物，土壤化学性质，交互作用和种植方式之间的科学问题。由图3可知，#2、#3聚类在2001年出现时成果明显，2003、2004年相关研究也有热度显现，至今化感作用关注度平稳而外生菌根趋冷。#4聚类自2001年出现以来表现短暂热度此后关注度明显降低。#5聚类在2003年开始有一小部分成果直到2014年成果才表现突出，说明关注度在增加，研究成果也在提升。#2～#5聚类充分展现了我国科研工作者研究思路的广泛和领域间的交叉。#6(大豆)、#7(烟草)、#8(有机酸)、#9(小麦)等4项聚类大小相近，讨论不同农作物根系生理特性与微生物以及根系分泌物有机酸之间的相互作用，学者们试图通过不同途径揭示机理机制，同时也希望能有生物方面的应用。由图3还可知，#8聚类开始出现时间最早，成果也在一开始表现突出，之后关注度逐渐趋冷。#6、#7、#9等3项聚类分别在2004、2006、2011年开始时成果较小，而关注度至今稳定。因此，可以在有应用价值的植物中继续跟进研究根系分泌物组成、含量和分子机理等科学问题，有助于阐明根系分泌物与土壤、根际微生物之间的互馈作用，以便为根系分泌物应用奠定理论基础。

表4 关键词聚类信息

3 国际根系分泌物研究进展

3.1 文献计量分析

基于WOS导出数据的计量分析，得到年发文数量变化趋势(图4)，可见国外root exudation应用与研究呈现稳定的波动式攀升态势。从发展趋势来看，2001—2021年root exudation的研究可划分为3个时段来分析。2001—2009年每年发文数量基本保持平稳，可以看作国外学者们在进行不同领域的探索。2010—2015年，个别年份发文数量略有回落，整体趋势降低，预示着研究有转折可能遇到了新的问题。进入2016—2021年6月末发文量大量增加，从转折点变为增长趋势，研究成果较多，有了前期研究基础的铺垫和分析检测技术进步，推动了后期研究的迅速成长，使研究进入快速发展期。

由表5可知，发文数量较多的是agriculture、plant sciences和environmental sciences ecology，前三名学科类别交叉联系紧密，这与root exudation研究初衷是相同的，就是利用root exudation的各类指标更全面地分析农业、植物与生态环境之间的关系，以及帮助提升农业产量和经济的增长。之后，随着国外学者对root exudation研究关注度不断攀升，交叉学科研究不断深入，微生物学(microbiology)、生物化学与分子生物学(biochemistry molecular biology)、科学技术其他主题(science technology other topics)、化学(chemistry)等领域中与root exudation研究联系紧密的也逐步增多，侧面反映root exudation研究角度多样、基础和应用问题广泛、有趣。

表5 root exudation研究领域学科类别信息

3.2 关键词分析

3.2.1 关键词研究热点共现分析 由图5、表6、表7可知，root exudation研究发展21年来，以根系分泌物、农作物、微生物群落为主要研究方向，而土壤化学、生态学以及逆境胁迫影响是其相关的交叉研究内容。2001—2009年研究主要围绕根系分泌物、植物、土壤、微生物等，根系分泌物(root exudation)、植物(plant)、土壤(soil)等与root exudation本身紧密相关的关键词出现频次较高；其次是有机酸(organic acid)、微生物群落(microbial community)、累积(accumulation)这些则反映了root exudation研究的主要指标或内容，即通过简单直观的研究内容分析其与植物、微生物、生态之间的关系和作用，为农业应用提供指导。最后，一些植物和生态的基础研究方向逐渐开展起来。如微生物(microorganism)、玉米(maize)、CO增加(elevated CO)、拟南芥( arabidopsis thaliana)、落叶层(leaf litter )、气候变化(climate change)等。 2010—2015年，国际学者开始集中在植物生长(plant growth)、微生物群落结构(microbial community structure)、酶活性(enzyme activity)、植物根际促生细菌(growth promoting rhizobacteria)等微观生物学领域，并积极探索root exudation应用，以便利用微生物与植物根际的互利作用来提升植物自身生长，服务农业生产，同时可以从微生物这条研究途径对root exudation的分泌机制做出阐述。2016—2021年，学者们开始在氮有效性，干旱，诱导系统抗性等植物耐逆性和植物化学相关的领域进行探究root exudation在植物生理或植物化学中的作用。值得注意的是，在12类突现词中，玉米(L.)、黑麦草()、微生物群落(microbial community)、丛根群(cluster root)、pH值、铁(iron)等均与植物以及微生物有关，突现时间长，为长时热点，反映了root exudation研究的集中方向。此外，从突现时间短的突发词可以发现，对于root exudation研究也在经历着一个不断深化、细致的挖掘过程，反映了该研究仍存在众多科学问题有待发现和阐明(表7)。

表6 不同时期高频和具有中心性的关键词信息

表7 突发性关键词信息

3.2.2 关键词聚类分析 将WOS数据集进行关键词聚类分析(表8)，其中节点数593，连线1 183条。值=0.721 2(值值域为[0，1]，>0.3则表示可视化结构显著)，平均轮廓值=0.855 6(>0.5则表示聚类结果可信)。通过聚类大小及同质性强弱，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；结合时间线可视化(time-line view)图谱(图 6)能够分析学科领域研究方向转移的时间演化路径，为进一步在高支撑方向内寻找更多的应用可能性提供帮助。聚类大小越大，表明聚类文献数量越多，侧面反映该方向已有研究支撑性高(表8)；节点面积越大，表明该关键词中心程度高(图6)。综合分析表8和图6可知，聚类程度较大的分类为#0 根际沉积(rhizodeposition)、#1碳(carbon)、#2根系分泌物(root exudation)以及#3抵抗力(resistance)，这3类的共同特点围绕根际土壤碳、磷等理化性质与分泌物氨基酸、有机酸等的作用与关系展开研究，时间尺度上关注度持续较长，属于root exudation与土壤的研究和应用。其中0#聚类rhizodepositio除了2001年，在2005年和2006年都有较高的研究支撑性，表明未来仍具有稳定的研究前景。第二部分是#4落叶(defoliation)、#5丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza)、#6分解作用(decomposition)，这三类聚类程度中等，均有很重要的核心关键词，包括二氧化碳(carbon dioxide)、呼吸作用(respiration)、根系分泌物(root exudation)、有机酸(organic acids)、土壤呼吸(soil respiration)，表明它们在土壤生态学中也有研究的意义。其中#5 丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza)起步相对其他聚类较晚，研究热度从2006年持续至2019年，之后研究较少，有一部分原因可能是研究周期长。然后是#7化感作用(allelopathy)、#8土壤溶液(soil solution)、#9凝胶电泳(dgge)、#10有机质分解(organic matter decomposition)，这些聚类的特点是研究细化且深入，是交叉学科难点，技术前沿应用广泛的领域，#7 allelopathy连续多年有持续关注度，至今也是root exudation相关研究的热点方向。随着研究进程的不断发展，很有可能成为未来十分有前景的研究方向。

表8 关键词聚类信息

3.3 文献共被引聚类分析

被引频次决定着文献的影响力大小，是反映作者科研水平和学术影响力的直接体现。文献半衰期别称文献半生期，指某学科(专业)现时尚在利用的全部文献中较新的一半是在多长一段时间内发表的，能够评价文献的老化速度，文献的半衰期越长，则代表文献越有价值。由图7、表9可知，关键节点的文献多出自以下3个方向：根系分泌物对土壤碳氮的影响；根际的作用或影响；根系分泌物与微生物的相互关系。其中被引频次最高的国外作者Phillips等于2011年发表题为“Enhanced root exudation induces microbial feedbacks to N cycling in a pine forest under long-term CO”的文章，该研究对420个完整火炬松(L.)根系分泌物进行原位测量，说明渗出液刺激了微生物活性，加速土壤有机质(SOM)的周转，发现在低肥力土壤中，森林对CO升高的持续生长响应是通过根源C输入促进的微生物活性和N循环的增强来维持的。这些变化可能会阻止森林生态系统中土壤碳的积累。位列第二的美国波士顿大学生物系的Finzi等 使用一个受化学计量限制的微生物分解模型，表明根际效应可以由相对适度的根源C通量引起，分别约占总初级生产和净初级生产的4%、6%，且根际过程在生态系统尺度上是广泛的、定量的、重要的SOM分解和养分释放驱动因素，对全球碳储量和植被对气候的反馈具有潜在影响。位列第三的Keiluweit等发现一种常见的根系分泌物——草酸，通过释放与矿物质保护性关联的有机化合物，促进碳损失，通过加强微生物对以前矿物保护化合物的接触，这种间接机制可以加速碳损失。被引频次第四的Drake等 认为，根系分泌物被认为增加了微生物及其合成的外酶的活性，导致根际土壤中碳矿化和养分循环的速度加快。微生物生物量和胞外酶的氮含量可能会对微生物有效利用根系分泌物的能力产生化学计量上的限制，特别是如果分泌物富含C但是低N，他们结合微生物活动的理论模型和一个分泌试验来测试假设土壤微生物利用根分泌物的能力受到额外的生物量和胞外酶合成N的可用性。表明分泌物化学计量学是根际土壤微生物活性的重要驱动因素。被引频次第五的来自中国科学院沈阳应用生态研究所森林与土壤生态国家重点实验室的Cheng等，他们发现根际启动效应(RPE)是植物与土壤功能相互作用的机制，并通过基于微生物生理学的模型模拟，证明微生物对植物不同基质输入的代谢反应的变化是导致正或负RPEs的可能机制。整体来看，10篇高被引的文献半衰期都不高，在0.5～3.5年，文献老化速度较快，也表明根系分泌物的高被引文献在发表近 3年具有较高的活力。

表9 共被引聚类关键节点文献

4 结论

根系分泌物研究领域总发文量及引用次数均呈逐年递增趋势，国内外根系分泌物研究都经历了前期的探索和发展、中期的沉淀以及后期快速增长。中外研究侧重点不同，基于关键词共现聚类分析，发现当前国内研究热点集中在农业科学方面，如农业种植模式、不同作物研究、微生物等；国外研究热点在根系分泌物与土壤碳氮的关系、根际沉积作用、根系分泌物与微生物相互作用以及模型的运用。中外学者在根系分泌物应用研究方面侧重点不同，各有所长，国内应用方向分支少，主要以农业生产作物种植为主；国外以土壤生态配合模型模拟应用到揭示森林等生态问题机制机理当中。根系分泌物国内未来研究和应用的重点可能在于根系分泌物-土壤-根际微生物对农业的支撑，为我国推动农业可持续发展提供思路。国外未来研究和应用的重点可能在于根际-根系分泌物-环境的反应机制及其作用。相关的生物化学、分子生物学、分析化学等交叉学科在未来将会展现其不同优势，以不同途径推动根系分泌物领域研究的进步。