基于CiteSpace的岩溶地区土壤氮素研究进展

张 乐，王兴富

(1.贵州科学院 贵州省建筑材料科学研究设计院有限责任公司，贵州 贵阳 550002；2.贵州师范大学 喀斯特研究院，贵州 贵阳 550001)

0 引言

岩溶即喀斯特，主要指是水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称[1]。岩溶具有二元三维空间特征，持续进行着复杂的物质和能量交换，其生态变异灵敏度高，环境承载容量低，灾害承受阙值弹性小，在脆弱环境变量正负反馈调控下，生态系统良性正向演替速率慢，而恶性逆向演替速率较快，恢复十分困难[2]。石漠化是岩溶地区主要的生态环境问题，随着石漠化程度的加剧，土壤质量呈幂级数下降，成为制约当地经济社会发展和植被恢复的主要因素[3]。氮素是土壤质量的核心元素之一，土壤氮循环是全球氮循环的重要环节之一，影响土地质量并积极参与和控制其他物质或养分循环过程。土壤氮循环可能导致温室气体排放增加和水体富营养化，增加当地居民的健康风险[4]。因此，岩溶地区土壤氮素对土地质量、生态环境恢复与重建以及人类健康有着重要的影响。本研究对岩溶地区石漠化治理、生态恢复和社会经济发展具有参考价值。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

基于Web of Science Core Collection数据库，本研究检索了2015—2021年间岩溶地区土壤氮素研究相关文献，共计427篇，检索式如表1所示。

表1 检索式与检索结果

1.2 研究方法

CiteSpace软件将科学发展理论、科学前沿理论、结构洞理论、突发探测技术、科学传播最佳信息觅食理论、知识单元离散与重组理论结合起来，实现学术文献挖掘可视化[5]。本研究基于CiteSpace 6.1.R2版本，对岩溶地区土壤氮素研究相关学术文献的核心作者、期刊、机构、国家、关键词等进行了共现分析、共被引分析、高被引分析、聚类分析、突显性分析等研究。在CiteSpace生成的可视化“科学知识图谱”中，上方彩条由紫色到红色代表时间的演进；节点大小代表出现的频率；节点圈层颜色代表时间，与“科学知识图谱”上方彩条对应；节点间连线代表存在共现关系或者共被引关系；节点外圈层标注紫色代表较大的中心性；突显性分析中节点外圈层标注红代表较大的突显性。

2 现状分析

2.1 发文数量分析

Web of Science Core Collection数据库中岩溶地区土壤氮素研究相关文献为427篇，包括421篇期刊文献，5篇综述文献，1篇会议文献。如图1所示，自2015年以来，发文数量一直呈现稳定增长趋势，2018年发文数量超过50篇。2021年超过100篇。分析结果表明该研究领域起步较晚，但日益受到学界关注，特别是2018年以来，发文数量增幅较大，约占总数量的75%，见图1。

图1 发文数量年趋势

2.2 作者合作共现和共被引分析

基于CiteSpace进行作者共现分析，可以分析主要的学者、揭示作者间的合作关系及识别高产作者。分析结果如图2所示，共产生259个节点和370条连接，形成了5个主要的合作共现关系网络，即代表了5个主要的研究团队，包括(1)Wang K，Zhang W，Li D等；(2)Wang Z，Wen X，Dungait J等；(3)Li J，Cao J，Yang H等；(4)Zhou Z，Wu Y，Xue J等；(5)Xiong K等。分析结果显示，研究团队(1)和(2)在该研究领域开展工作较早，2015年至2021年间持续发文，研究团队(1)发文数量最多，约占总数量的40%以上，Wang K是发文数量最多的研究人员，发文数量为54篇。研究团队(3)、(4)和(5)在该研究领域开展工作较晚，2018年以后才陆续发文，研究团队(3)虽然起步较晚，但是发文数量增长迅速。值得注意的是，各研究团队间相互引用较少，缺乏密切合作，表示其研究方向可能存在较大差异。

图2 作者合作共现分析

基于CiteSpace进行作者共被引分析、中心性分析和突显性分析，确定有影响力的学者。分析结果如表2所示，分析结果共产生187个节点和606条连接线。剔除自引数据后，共被引频次排名最高的学者是Wang K，频次为54；中心性排名最高的学者是Li D，中心度为0.30；突显性排名最高的学者是Wen L，突显度为3.39。共被引频次越高代表研究人员发文被引用越多，学术影响越大；中心性是衡量节点在“科学知识图谱”中重要性的指标，中心性越高代表研究人员发文越具有关键性或者转折性；突显性越高代表研究人员发文越趋近于某一时间段的研究热点。

表2 共被引频次、中心性和突显性分析

2.3 期刊分析

基于CiteSpace进行期刊共被引分析、中心性分析和突显性分析，确定权威期刊。分析结果如表3所示，共产生149个节点和605条连接线。剔除自引数据后，共被引频次排名最高的期刊是SCI TOTAL ENVIRON，频次为22；中心性排名最高的期刊是AGR ECOSYST ENVIRON，中心度为0.26；突显性排名最高的期刊是FORESTRY，突显度为5.43。共被引频次越高代表权威性越高，受众越广泛；中心性是衡量节点在“科学知识图谱”中重要性的指标，中心性越高代表期刊学术价值越高；突显性越高代表期刊发文越趋近于某一时间段的研究热点。值得注意的是，共被引频次、中心性和突显性分析中结果重合度不高，表明该领域研究前沿与传统主流研究方向可能存在较大差异。

表3 共被引频次、中心性和突显性分析

2.4 国家和机构分析

基于CiteSpace进行国家和机构共现分析，中心性分析，确定有影响力的研究国家和机构。分析结果如图3和表4所示。国家分析中，共产生50个节点和100条连接线，机构分析中，共产生241个节点和451条连接线。发文最多的国家是中国，数量为303篇；中心性最高的国家是美国，中心度为0.85；发文最多的机构中国科学院，数量为161篇；中心性最高的机构是中国科学院，中心度为0.45。分析结果表明，中国是该领域研究的最主要的国家，其发文数量占比约为71%；中国科学院是该领域研究的最主要的机构，其发文数量占比约为38%。值得注意的是，“科学知识图谱”中美国、德国等国节点明显较中国小，但连接线密度明显较中国高，呈现更高的中心性，说明其与其他国家交流更为广泛、密切，在整个分析网络中的地位也更为重要。

图3 国家和机构共现分析

表4 发文数量和中心性分析

3 热点分析

基于CiteSpace进行共被引分析，可以比较文献之间研究内容的相似程度，揭示文献之间的引用关系和规律；基于CiteSpace进行突显性分析可以揭示某一时间段研究趋势的变化情况，结合聚类分析可以识别特定时间段的研究热点和趋势。

3.1 高被引分析和共被引分析

基于Web of Science Core Collection数据库创建引文报告进行高被引分析，对研究文献被引频次进行统计，分析结果如表5所示，剔除自引数据后，列出排名前5的高被引文献，其中频次最高的是Han D M等2016年在ENVIRONMENTAL POLLUTION上发表的《Deep challenges for China's war on water pollution》。

表5 高被引文献(前5)

基于CiteSpace进行共被引分析，分析两篇(或多篇)文献同时被另一篇或多篇文献所引证的频次，探索文献间内在联系，揭示权威文献，分析结果如表6所示，剔除自引数据后，列出排名前5的共被引文献，其中频次最高的是Li D等2018年在SOIL BIOLOGY AND BIOCHEMISTRY上发表的《Nitrogen functional gene activity in soil profiles under progressive vegetative recovery after abandonment of agriculture at the Puding Karst critical zone observatory, SW China》。

表6 高共被引频次文献(前5)

分析结果显示，高被引文献与高共被引文献重合度较差，高被引期刊论文通常倾向于引用高被引论文，即高水平的研究更多建立在高水平的研究基础之上。值得注意的是，部分文献虽然不在高被引文献或者高共被引文献之列，但其在“科学知识图谱”中却呈现出较高的中心性，说明其研究成果在整个分析网络中的地位较为重要，例如Guo Z等2019年在LAND DEGRDATION AND DEVELOPMENT上发表的《Soil enzyme activity and stoichiometry along a gradient of vegetation restoration at the Karst critical zone observatory in southwest China》，Xiao S等2017年在SCIENTIFIC REPORTS上发表的《Soil aggregate mediates the impacts of land uses on organic carbon, total nitrogen, and microbial activity in a Karst ecosystem》。前者研究表明：随着岩溶地区植被的自然恢复，接近自然的生物土壤功能可以随之恢复，在恢复的早期阶段，有效的土壤养分改良管理可以加速生物土壤功能恢复[11]。后者研究表明：岩溶地区土壤大团聚体机碳含量显著高于微团聚体，但小型宏聚合可能具有更活跃的碳动态[12]。

3.2 关键词共现分析和聚类分析

基于CiteSpace进行了关键词共现分析和聚类分析，分析结果如图4所示，共产生293个节点、519条连接线和10个聚类，即(1)enzyme activities；(2)Karst rocky desertification；(3)soil nutrient；(4)eutrophication control；(5)soil；(6)soil organic carbon；(7)Karst critical zone；(8)crop yield；(9)arbuscular mycorrhizae；(10)carbon isotopes。分析结果显示，研究区域主要为岩溶核心地区(Karst critical zone)，研究方向涉及石漠化治理(Karst rocky desertification)、水污染防治(eutrophication control)、社会经济发展(crop yield)和碳汇(soil organic carbon、carbon isotopes)，研究角度通常较为微观(enzyme activities、soil nutrient、arbuscular mycorrhizae)。

在此基础上，基于CiteSpace进行关键词突显分析，分析结果如图5所示，排名前10的关键词分别为：picea aby、norway spruce、abies l. Karst、Karst region、succession、matter、stock、management、terrestrial ecosystem、groundwater。分析结果显示，2015年至2018年间研究热点主要集中在森林生态系统(picea aby、norway spruce、abies l. Karst)，2018年以后研究热点偏向于向陆地生态系统(terrestrial ecosystem)和地下水生态系统(groundwater)，其中生态系统环境演替(succession)、有机质(matter)、固存(stock)、调控(management)可能是主要的研究角度。值得注意的是，从突显性关键词涉及的地区可以看出，国外研究偏向森林生态系统，国内研究偏向岩溶地区的陆地生态系统，未来研究可能更聚焦于地下水生态系统。

图5 关键词突显性分析

3.3 科学领域共现分析

基于CiteSpace进行科学领域共现分析，分析结果如图6所示，共产生293个节点、519条连接线和10个科学领域，即(1)foresty；(2)chemistry，inorganic & nuclear；(3)biodiversity conservation；(4)soil science；(5)water resource ；(6)environmental sciences；(7)ecology；(8)imaging science & photographic technology；(9)microbiology；(10)geosciences，multidisciplinary。分析结果显示，研究涉及的学科领域较多，爆发期持续时间最长的是生物多样性保护(biodiversity conservation)。

图6 科学领域共现分析

4 讨论

本研究利用CiteSpace进行文献计量分析，从作者、期刊、国家、机构、关键词、科学领域等方面综述了岩溶地区土壤氮素研究进展、研究热点和发展趋势。

4.1 研究进展

1)石漠化演替与土壤氮素：Li D等研究发现石漠化演替过程中，随着土壤退化，全氮和速效氮呈现快速下降的趋势[13]；Sheng和Wang等研究发现随着石漠化程度的增加，全氮和水解氮并没有减少，而是呈现出先下降后增加的趋势[18-19]。

2)植被演替与土壤氮素：Liang等研究发现植被演替过程中，土壤土壤全氮含量、速效氮和碱解氮的变化规律一致，随植物营养恢复而增加[20]；Lan等进一步研究发现植被演替过程中土壤团聚体中全氮、轻族氮、碱解氮和矿质氮含量均增加，且随团聚体尺寸的减小而增加。氮素优先在小团聚体中积累，对土壤氮素积累起重要作用[21]；Liu等研究了不同植被演替过程，发现其对土壤全氮和速效氮含量的影响差异显著[22-24]。

3)土地利用与土壤氮素：Wang M等研究了土地利用模式与土地质量之间的关系，发现不同土地利用模式会引起土壤全氮、速效氮和碱解氮含量的变化，变化程度以林地最高，耕地最低[25]。

4)微生境与土壤氮：Liu等研究了乔木、灌丛和草地等不同植被条件下土壤表层、石面、石沟、石洞、石缝、石槽和石坑中全氮、速效氮和碱解氮的分布，发现其与微生境呈现显著的相关性[26-27]。

4.2 研究趋势

1)目前研究主要集中在土壤氮与石漠化演替、植被演替、土地利用模式等方面。研究大多针对单一过程或单一因子，忽视了土壤氮素转运转化过程涉及诸多相互关联、相互作用的过程和因子，有待进一步研究更系统的分析方法来实现更全面的分析。

2)目前研究广泛使用了生态化学计量方法，但很少考虑生态化学计量的内部稳定性[28]。内部稳定性是生态化学计量的核心概念，其强度与物种的生态策略和适应能力有关[29-30]，有待进一步研究。

3)稳定同位素技术可以用于测定各生态系统组分的氮同位素丰度和氮同位素的示踪剂，量化氮转化过程速率、氮的来源和途径以及解释氮的赋存机制[31]。目前稳定同位素技术在岩溶地区土壤氮素研究中应用仍处于起步阶段，有待进一步研究。

4)Hartmann等利用大陆尺度模型量化了欧洲、北非和中东岩溶地区可生物降解污染物对地下水的污染风险，发现在农业生产率持续提高的时期，污染物的持续输入可能对可用地下水造成较大的污染风险[32]；Yin等进一步论证了农业活动是岩溶地区湖泊氮污染的主要来源，不合理土壤氮素管理方法是主要原因[33]。如何管理土壤氮素以及避免其对地下水的污染风险有待进一步研究。

5)壤氮循环可能导致温室气体排放的增加[34]。在岩溶地区，随着石漠化程度的增加，逐渐失去碳汇功能[35]，二氧化碳(CO2)在土壤中积累可能加强反硝化过程[36]，抑制硝化作用[37]，促进氮循环[38]。进而影响一氧化二氮(N2O)的生产和消费。在此过程中，土壤呼吸增强[39-40]，一氧化二氮(N2O)释放增加，可能对植物生长产生不利影响[41]，此过程进一步研究。

5 结论

本研究采用CiteSpace对Web of Science Core Collection数据库中检索的427篇文献进行分析，绘制了“科学知识图谱”，结果发现：

1)发表文献数量2015年以来逐年增加，2018年以后增速明显加快；

2)共被引频次排名最高的学者是Wang K，中心性排名最高的学者是Li D，突显性排名最高的学者是Wen L；

3)共被引频次排名最高的期刊是SCI TOTAL ENVIRON，中心性排名最高的期刊是AGR ECOSYST ENVIRON，突显性排名最高的期刊是FORESTRY；

4)发文最多的国家是中国，中心性最高的国家是美国；发文最多和中心性最高的机构是中国科学院；

5)最高被引文献是Han D M等2016年在ENVIRONMENTAL POLLUTION上发表的《Deep challenges for China's war on water pollution》；最高共被引文献是Li D等2018年在SOIL BIOLOGY AND BIOCHEMISTRY上发表的《Nitrogen functional gene activity in soil profiles under progressive vegetative recovery after abandonment of agriculture at the Puding Karst critical zone observatory, SW China》；

6)当前研究区域主要为岩溶核心地区(Karst critical zone)，研究方向涉及石漠化治理(Karst rocky desertification)、水污染防治(eutrophication control)、社会经济发展(crop yield)和碳汇(soil organic carbon、carbon isotopes)，研究角度通常较为微观(enzyme activities、soil nutrient、arbuscular mycorrhizae)；

7)未来研究主要热点集中在森林生态系统(picea aby、norway spruce、abies l. Karst)，2018年以后研究热点偏向于向陆地生态系统(terrestrial ecosystem)和地下水生态系统(groundwater)，其中生态系统环境演替(succession)、有机质(matter)、固存(stock)、调控(management)，其中地下水生态系统(groundwater)指示最新的研究方向；

8)爆发期持续时间最长的科学领域是生物多样性保护(biodiversity conservation)。