我国土壤盐碱化问题研究脉络和热点分析

马 凯 饶良懿

(北京林业大学 水土保持学院/水土保持国家林业局重点实验室,北京 100083)

土壤盐碱化是由于自然或人为因素影响,在干旱、半干旱和半湿润地区发生的易溶性盐分在土壤表层积累的现象[1]。近年来,随着气候变化和人类活动的影响,土壤盐碱化不断加剧,受盐碱化影响的土地面积不断增加[2]。根据世界粮农组织2021年10月发布的全球盐碱土壤分布图显示,全球超过8.33亿hm2的土壤已经受到盐碱化的影响,超过10%的农田出现盐碱化,并且这些数字还在不断增长,土壤盐碱化已经对全球粮食安全构成重大威胁[3-4]。

多年来,各国受盐碱化影响的地区都积极主动采取不同的预防和改善措施,以提升生态系统对盐碱化的抵御能力[5]。我国自20世纪50年代开始,也相继在实验室和田间开展了大量盐碱地研究和治理工作[6],取得了丰硕成果[7-13]。但土壤盐碱化依然是我国干旱和半干旱区农业高质量绿色发展的主要限制因素,且治理工作十分艰巨[14];而且随着我国土地与人口、粮食的矛盾日益突出,对土壤盐碱化地区的农业发展也提出了新的要求[15]。虽然盐碱地研究快速发展,数量众多的科技论文也相继发表,但是截止目前为止,较系统的开展有关盐碱地文献计量学的研究却鲜见。

文献计量学是针对已发表文献进行定量分析的方法,能够揭示某一研究领域主要的研究方向,并对其研究热点和发展趋势进行预测[16]。文献计量学目前已广泛应用于各个领域,例如环境工程与科学、土壤学、生态学、食品安全和新能源利用等方面,研究方法较为成熟[17]。知识图谱是文献计量学的新兴分支领域,它可以通过数据挖掘、信息分析、科学计量和图形绘制等一系列过程,可视化地展现某一学科领域的知识图景[18]。CiteSpace则是基于文献计量学和数据可视化理论发展起来的一款引文可视化文献分析工具,它能够有效显示某学科或知识领域在一定时期的发展趋势与动向[19]。由于其在实际应用中科学有效而又简单易用,同时具有丰富而美观的可视化效果,因此在国内外信息科学领域得到了广泛的应用[20]。

为了更好地了解我国盐碱地相关研究的现状和发展趋势,本研究以中国知网(CNKI)为数据源,利用CiteSpace文献计量与可视化分析软件,通过图谱量化1992—2021年国内发表的盐碱地相关研究,旨在梳理近30年来我国盐碱地研究的发展趋势、前沿热点和演进脉络等内容,以期为我国盐碱地生态修复和盐碱地高质量绿色发展提供参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本研究所使用的数据来源于中国知网数据库。在中国知网主页选择“高级搜索”→“专业检索”选项,检索条件为:KY=(‘盐碱地’+‘盐碱土’+‘盐碱土壤’+‘盐碱土地’+‘盐碱化土地’+‘盐碱化土壤’+‘土地盐碱化’+‘土壤盐碱化’+‘盐渍土’+‘盐渍地’+‘盐渍土壤’+‘盐渍土地’+‘盐渍化土地’+‘盐渍化土壤’+‘土地盐渍化’+‘土壤盐渍化’+‘盐化土’+‘碱化土’+‘盐化土壤’+‘碱化土壤’+‘化土地’+‘碱化土地’+‘土壤盐化’+‘土壤碱化’+‘土地碱化’+‘盐土’+‘碱土’+‘碱性土’+‘盐性土壤’+‘碱性土壤’+‘盐地’+‘碱地’+‘盐生植物’+‘盐胁迫’+‘碱胁迫’+‘盐碱胁迫’+‘耐盐植物’+‘耐盐作物’+‘盐碱农业’+‘土壤水盐运移’+‘植物耐盐性’+‘作物耐盐性’+‘土壤盐分’+‘土壤盐度’+‘土壤碱度’+‘盐渍农业’+‘盐地农业’+‘盐生农业’+‘盐土农业’+‘土壤含盐量’),共计50个关键词;检索时间设定为1992—2021年,共计30年;期刊来源为全部期刊;接受同义词扩展进行精确检索;选择学术期刊。共获得23 078条数据,剔除其中未署名的文章以及科学报道,最终得到22 653条数据,均为综述和研究性论文。数据文献以“Refoworks”格式下载保存,并以“download”为开头进行命名[21]。

1.2 研究方法

本研究采用文献计量学和信息可视化结合的研究方法,以可视化工具CiteSpace(6.1.R2版本)进行定量分析。CiteSpace是应用Java语言开发的一款信息可视化软件,其基本原理是“共现聚类”,即通过引文分析与共引分析理论、信息可视化与共引网络分析对文献进行分析[22],能够展示作者、机构和国家之间的相互合作关系。其使用流程主要包括数据采集、数据处理、参数功能选择、可视化和解读[22]。CiteSpace软件要求的标准数据格式是WOS数据库的文本数据格式。CiteSpace支持多种类型的文献计量研究,所形成的知识图谱能够直观地展现某一科学知识领域的信息全景,识别某一科学领域中的关键文献、热点研究和前沿方向[23-26]。

1.3 数据处理

因为CiteSpace不能直接对CNKI数据库的数据进行计量分析,因此在使用时,首先要对数据进行转换。即CiteSpace→Data→Import/Export,之后对数据进行除重,确保数据无重复,即CiteSpace→Data→Import/Export→WoS→Duplicates Removal,最终得到22 606条可用于分析的数据。“Time Slicing”设置时间段为1992—2021年,时间切片设置为1年;“Note Types”选择关键词(Keyword)等分析模型;其他设置均为默认状态,绘制盐碱地研究相关可视化图谱。同时,结合Excel对发文数量进行统计分析,综合描述盐碱地研究领域的发展趋势和现状。

2 我国盐碱地研究现状分析

2.1 文献产出时间分析

1992—2021年CNKI盐碱地研究发文量情况如图1所示。年度发表文献的数量及变化趋势在总体上反映了该领域的重要性和受关注的程度[27]。我国盐碱地研究从1992—2021年总体呈增长趋势,这说明盐碱地研究越来越受到重视。纵观1992—2021年,盐碱地研究可概括为3个阶段:稳定发展期、快速增长期和相对饱和期。1992—2003年发文量增长总体趋于平缓,说明此时盐碱地研究还未受到广泛关注,处于稳定发展时期;2004—2011年发文量逐年递增,结合全球气候变化和粮食问题等社会背景,此时盐碱地研究进入快速增长阶段;2012—2021年,发文量继续波动平缓增长,这说明盐碱地研究在某些方面可能受到方法和技术水平等因素的制约,进入了一个相对饱和的时期。

图1 1992—2021年CNKI盐碱地研究年度发文量

2.2 研究热点及趋势分析

2.2.1高频关键词及聚类分析

对关键词进行可视化分析,得到出现频次在100以上的高频关键词(表1)。排名前5的高频关键词分别为“盐碱地”“盐碱胁迫”“耐盐性”“种子萌发”“幼苗生长”。同时得到中介中心性大于0.1的关键词,即“盐碱地”“盐碱胁迫”“耐盐性”“盐碱化”“土壤盐分”。中介中心性是指一个节点在网络中连接其它节点路径之间的次数,是网络中的关键节点,其取值范围是[0,1],数值越大中介作用越强[28]。综合来看,以上7个关键词构成了盐碱地研究的基本方向。另外值得注意的是“基因表达”“黄瓜”“丙二醛”“道路工程”“脱硫石膏”“栽培技术”“抗逆性”这7个关键词中心性均为0,说明这几个方面的研究相对较为独立,和其他方面的联系较弱。

表1 盐碱地研究高频关键词及其中心性

对关键词进一步进行聚类(图2),CiteSpace软件根据网络结构和聚类的清晰度,提供了模块值(Q值)和平均轮廓值(S值)2个指标作为评判图谱绘制效果的依据。其中Q值区间为[0,1),当Q>0.3时说明聚类结构显著。当S>0.7时,说明聚类结果令人信服;若S>0.5,聚类一般认为是合理的[25]。图3的聚类模块值Q=0.382 6,这说明聚类结构显著;同时聚类平均轮廓值S=1,说明聚类结果足以令人信服。

将关键词聚类条目进行归纳总结(表2),可将国内盐碱地研究分为以下5个研究主题。

表2 关键词聚类相关信息

1)盐胁迫对植物生理生态特征的影响。包括种子萌发、幼苗生长、耐盐性、基因表达、光合作用和生理特征等。例如渠晓霞等[29]从盐分对种子萌发的影响机理及植物种子萌发对盐生环境的适应对策两方面综述了植物种子休眠萌发与盐生环境的关系。张华新等[30]比较了11个引进树种幼苗在不同浓度盐胁迫下的生长和形态差异,为耐盐树种选育提供了理论依据,也为沿海及内陆盐碱地治理和防护林建设提供了技术支撑。王佺珍等[31]综述了植物对盐碱胁迫响应机制的研究进展,表明研究混合盐碱胁迫对提高作物产量和促进生态环境建设具有重要的现实意义。

2)盐碱地基础理论研究以及改良修复措施。包括盐碱地区的园林绿化、施工、道路工程、各种改良措施和综合治理等。例如汪为巍等[32]为直观了解盐渍土地区城市道路病害及其发展规律,对新疆阿拉尔市城市主干道做了长期观测,阐明了病害规律,为解决盐渍土地区的盐渍化病害问题提供了参考。李素艳等[33]对滨海土壤盐渍化特征进行了研究并表明利用沸石不仅降盐效果好,且能够抑制土壤碱化,使土壤密度变小、土壤孔隙增大。毛海涛等[34]以海绵和吸热聚乙烯编织布为主要材料,设计出一种盐碱地治理防护毯,能够有效改善盐碱地土壤肥力,为盐碱地治理提供了有效措施。张万钧等[35]探讨了天津滨海地区在园林绿化中治理滨海盐土的理论与技术路线,为盐碱地绿化提供了参考。

3)土壤水盐运移机理和水资源高效利用。主要包含了对土壤水分、含盐量以及膜下滴灌、再生水浇灌和微咸水浇灌等能在一定程度上对土壤盐分产生影响的灌溉技术措施的研究。例如王全九等[36]分析了滴灌条件下土壤水盐运移特征和变化基本规律,探究了土壤脱盐特征。谭军利等[37]对比研究了不同微咸水灌水量条件下覆砂与不覆砂对土壤水盐分布和运移的影响,为压砂地合理利用微咸水提供理论支持。李明思等[38]研究了长期膜下滴灌农田土壤盐分时空变化特征,为膜下滴灌技术的科学利用提供了参考。王婧等[39]研究了地膜覆盖与秸秆深埋措施对河套灌区盐碱葵花田土壤水盐时空动态变化的影响,这一结果为内蒙古河套灌区盐渍土实施地膜覆盖与秸秆深埋改良措施提供了参考。

4)土壤盐渍化的监测管理。包括盐渍化对地区景观格局和生态环境的影响,通过遥感等技术进行监测,同时探讨盐渍化地区可持续发展的方法。例如樊自立等[40]根据土壤盐渍化与水利建设和灌溉水平之间的关系,以新疆为例,用类比法对今后发展变化作了预测,同时还研究了全球气候变化对土壤盐渍化的可能影响。丁建丽等[41]研究表明基于实测综合光谱指数的盐渍化监测高光谱模型可以准确提取土壤盐渍化信息,明显优于传统遥感方法中单纯利用植被指数或者土壤盐分指数的模型,对土壤盐渍化的高精度遥感监测研究具有较好促进作用。彭杰等[42]通过分析中国新疆、浙江和吉林3个不同地区盐渍化土壤的高光谱特征,研究了盐渍化土壤高光谱特征的区域异质性,结果表明不同地区的盐渍化土壤,无论是反射率还是光谱曲线形态方面,均存在较明显的差异;但经过一阶微分处理后,光谱差异有所降低,该研究结果为跨区域土壤盐渍化的航天高光谱遥感监测提供了一定的参考依据。

5)盐生植物的开发利用。主要围绕植物的抗逆性以及典型盐生植物(如盐地碱蓬)的作用效果和多样性开展研究。例如赵振勇等[43]研究表明在盐渍荒漠新垦地种植盐生植物,土壤脱盐效果明显。贾娜尔·阿汗等[44]对盐生植物碱地肤进行研究表明维持高含水量可能是碱地肤适应高强度盐碱胁迫的重要特性。麻莹等[45]对盐地碱蓬进行研究表明有机酸的积累是碱蓬适应盐碱胁迫重要的生存策略之一。王洪峰等[46]对黑龙江盐生植物多样性与盐生植物区系进行了调查分析,表明黑龙江盐生植物占全国盐生植物种数的约17%,虽然数量不多,但是分布型多样,利用价值大。

2.2.2关键词突现分析

关键词突现(Burst检测)是指在某一时段内发表文章中出现频次极高的关键词,它能够反映该时段内的研究热点或新的研究趋势,通过对国内外文献的突现词追踪,可以掌握领域内研究热点的演化动态,进而预测发展趋势[18,27]。相对于传统的高频关键词分析,突现关键词更适合分析学科或研究领域发展的新兴趋势和突然变化。在CiteSpace软件中,对关键词聚类分析后,设置关键词突发性探测参数。参数γ取值范围[0,1],默认为1,γ值越小表示突现词越多;参数Minimum Duration表示突现时间的最小单位,默认值为2,年份越小突现词越多。默认设定值,首先按发文量的3个阶段分别运行突现检测算法,得到1992—2003年34个、2004—2011年47个和2012—2021年的151个突现关键词,关键词在不同阶段的突现数量也在一定程度上表明各阶段盐碱地研究的情况。对1992—2021年整个阶段运行检测算法,对结果按照开始突现时间进行筛选,每一年筛选前3个突现时间长且突现强度大的关键词,对关键词进行归类,同时按类缩减不重要的关键词。鉴于1992年突现关键词较多,且突现时长较大,故筛选部分具有代表性的关键词,结果如表3所示。

表3 盐碱地研究具有代表性的突现关键词

根据表3可知,1992—2001年,突现的关键词主要包括脯氨酸、水盐运移、中低产田、增产效果、综合治理、耕地面积和耐盐力等。据此能够初步推断,这一段时间,盐碱地的研究主要集中在盐碱地治理、盐碱地种植作物的增产以及对一部分作物和植物耐盐能力的研究。而且从关键词来看,盐碱地研究在这一阶段整体比较基础。

2000年生态建设这个关键词开始突现,生态环境也在1997年突现,还有盐土农业和绿洲等关键词突现,这说明盐碱地研究开始注重与环境之间的联系与相互影响。同时,动态变化、景观格局、土地退化、动态监测、土地利用、成因分析、遥感和电磁感应等关键词也在2003年以后开始突现,植物、基因工程、离子、可溶性糖、保护酶、耐盐基因、丙二醛和发芽势等关键词也一起突现,这也说明此时的盐碱地研究热点集中在对盐碱化的监测以及对植物耐盐性更深入的研究上,这可能得益于科学技术的发展。同时从关键词来看,盐碱地的研究也更加的细化,具体到某一项技术或者某一个指标。

2012—2021年,盐碱地研究进一步细化、延伸。脱硫石膏、生物炭和腐殖酸等新型改良材料对盐碱地生态修复的效果与应用受到了广泛的关注。此外,针对土壤酶和微生物在提高植物耐盐性方面的作用机制和效果,研究人员也开展了广泛的研究。外源物质如硫化氢和褪黑素等对于缓解植物盐胁迫的效果和机制也被大量研究,对园林绿化植物的开发与利用也进一步深入。总体而言,这一阶段盐碱地的研究,方法上强调生态修复,目标上强调可持续发展。

除此之外,由表3可知滨海盐土、土壤脱盐、临界深度、水资源、含盐量和地下水等关键词突现时间较长,这说明对于水盐运动和水盐平衡的理论研究一直都是盐碱地研究的关键问题。

2.3 前沿热点分析

对关键词突现所得的结果进行筛选,以2018年后新突现的关键词作为对象进行筛选得到2018—2021年盐碱地研究的高频关键词(表4)。

表4 2018—2021年盐碱地研究的高频关键词

新突现的高频关键词能够反映新兴的研究主题。由表4可知,2018年共有14个突现关键词,突现强度前5的关键词包括“耐盐碱性”“甜菜”“根系形态”“生态修复”“理化性质”;2019年有16个关键词突现,突现强度前5的关键词有“基因表达”“转录组”“褪黑素”“黑果枸杞”“萌发期”;2020年突现关键词较少,有8个,突现强度前5的关键词则有“生理特征”“群落结构”“土壤养分”“机器学习”“水稻”。总体来说,从2018年以后突现的关键词来看,盐碱地研究主要又重新围绕植物开展,“机器学习”也成为关注的热点。

研究发现,一些定殖于植物根际的土壤细菌具有促进植物生长、减少植物病害发生率以及提高植物抗胁迫能力的特点[47],这类微生物被称为植物根际促生菌(Plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)[48]。盐碱胁迫阻碍了植物的生长和发育,PGPR能够通过诱导植物建立抵抗及忍耐机制,确保植物在盐碱土壤中生存。PGPR与植物的这种相互作用关系表明,PGPR对缓解盐胁迫损伤、促进盐碱土壤中植物的生长发育起到重要作用。随着研究的深入,有望探讨更深层次的作用机理,使大规模的推广应用成为可能[49]。这种方法更加符合生态修复的要求,因而近年来植物根际促生菌的相关研究成为盐碱地研究的热点。

机器学习(Machine learning,ML)自20世纪90年代以来作为数字土壤测绘(Digital surface model,DSM)的工具出现[50]。研究表明过去10年机器学习技术在各个科学领域的应用迅速增加,且在数字土壤测绘和预测土壤时空特性方面具有巨大潜力[51]。利用机器学习算法预测土壤盐渍化成为了一种新的方法[52]。国内近年来也开展了相关的研究,例如徐红涛等[53]、陈香月等[54]和魏慧敏等[55]均利用机器学习进行土壤盐分的预测,但目前机器学习的应用研究仍处于起步阶段。总体来看,机器学习算法能在一定程度上突破传统预测在数据和范围等方面的限制,可为大尺度盐碱地的发展演变预测提供新思路。

3 结论与展望

3.1 结论

1992—2021年,国内盐碱地研究的发文量总体上呈现增长趋势,盐碱地研究内容主要以盐胁迫对植物生理生态特征的影响、盐碱地基础理论研究以及改良修复措施、土壤水盐运移机理和水资源高效利用、土壤盐碱化的监测管理和盐生植物的开发利用这5大主题开展。整体的演化脉络早期主要集中在对盐碱地的治理、改良,土壤水盐运移机理,盐胁迫对植物生理机制的影响以及盐生植物机理等方面。之后则在盐渍化的监测和管理等方面展开了重点的研究工作。目前的研究则是在强调生态文明建设的前提下,进一步加快对盐碱地可持续开发利用工作,寻求更加绿色环保的修复方式,以推动地区生态环境安全和农业高质量发展。而未来的热点主要包括3个大方向:利用基因技术开发耐盐作物、植物以及园林绿化植物,研究植物根际促生菌对提高植物耐盐性的作用以及研究成果的推广,利用机器学习算法对土壤盐渍化变化趋势进行预测和管理。

3.2 展望

总体而言,目前国内对盐碱地的研究形成了较为系统的理论基础和大量的科研成果,但仍存在一些不足。比如缺乏相对开创性的研究,水盐运动和水盐平衡理论一直停滞不前,没有更大的突破。另外由于研究具有明显的地域性特点,土壤盐碱化发生和演变过程规律的异同点和驱动机制等缺乏对比性研究,这导致盐碱地演变和监测在更大范围上的理论和技术突破存在较大难度。鉴于我国盐碱地分布范围广、面积大,研究人员应根据当前国家发展的需求,依托丰富的盐渍化土地资源,在现有研究基础上,充分发挥自身学科优势并大力融合其他学科,聚焦学科前沿,加强学术交流和合作,拓展基础理论研究;进一步加大对新技术、新材料和新方法在盐碱地研究中的探索与创新应用;并将现有的研究成果进行推广,从而推动我国盐碱地研究和治理的进一步发展。最后,面对气候变化以及人口增长所带来的生态环境问题,未来盐碱地修复应采取基于自然的解决方案(Nature based solutions,NbS),促进盐碱地长效、绿色和环境友好型治理,实现盐碱地开发和利用的可持续发展。