基于CNKI 的中国土壤性状空间分布研究进展

2024-03-02曾星，张华

国土与自然资源研究 2024年2期

曾星，张华

（辽宁师范大学地理科学学院，大连 116029）

0 引言

土壤是发育于陆地表面具有肥力、能够为植物提供营养成分、有生物活性和孔隙结构、进行能量交换和物质循环的圈层结构，是一个独立的历史自然体，有自身的发展过程，是连接无机界和有机界的纽带，是人类生存的重要自然资源，在生态系统中发挥着独一无二的作用[1]。土壤性状包括土壤质地、结构、酸碱度、有机质含量、吸收性能、缓冲性能等，对土壤的通气透水性、保水保肥能力等产生重要影响，是土壤肥力的判断依据和土壤资源最基本的属性[2]。土壤性状及空间分布的研究对于土壤的有效管理和科学利用有着重要影响，由此受到中国学者们的广泛关注。例如杨佳等[2]以雄安新区容城县为研究区，运用ArcGIS和地统计学，对不同土地利用方式下土壤性状的空间分布特征进行了研究；章秀梅等[3]为探究农地排水中重金属浓度变化及影响因素，对杭州市暴雨后水田、果园、蔬菜地和苗木地等农地土壤地表径流中的水溶性重金属和城区地表径流中水溶性重金属浓度进行了对比分析；杨之江等[4]以长沙县北山镇水稻田为研究对象，采用GIS 和地统计学相结合的方法，对水稻田耕作层的土壤理化性质及重金属含量的空间变异特征进行了定量分析。近30 年来，随着中国农业经济的快速发展，土壤环境污染也日益加重，随之中国学者也相继发表了大量相关土壤环境污染的研究文献。基于此，本文以CNKI 为数据库，利用Bibexcel、Ucinet 6、Netdraw、SPSS 等数据分析和可视化工具，基于文献计量法，对中国近30 年来关于土壤性状空间分布的研究动向进行系统分析，以期为中国土壤污染防治、土壤资源可持续利用提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

以CNKI 文献总库中中文文献作为数据源，检索时间范围为1990 年1 月1 日至2022 年1 月1 日，首次检索时以“土壤性状空间分布”“土壤性状空间格局”为关键词，仅检索出161 篇文献。再次以“土壤空间分布”“土壤空间格局”为关键词，共检索出4 207 篇相关文献作为本文的基础数据。

1.2 研究方法

采用文献计量法，利用Bibexcel 软件导出文献中关键词及其频次；利用Excel 生成共词矩阵；运用Ucinet 6 软件链接矩阵至Netdraw 软件进行可视化分析，并绘制高频关键词共现网络图；利用CNKI 自带可视化分析功能，对中国土壤性状空间分布的发文量和研究主题进行定量分析。

2 结果与分析

2.1 发文量进展

中国近30 年来有关“土壤性状空间分布”“土壤性状空间格局”相关研究的发文量变化趋势如图1 所示，可以划分为平稳阶段、快速发展阶段和波动阶段。平稳阶段（1990-1999 年），仅检索出文献43 篇，年发文量很少且增长缓慢，反映出土壤性状以及土壤污染研究未受到足够的重视；快速发展阶段（2000-2014年），检索出文献2 041 篇，年发文量稳定增长且增长幅度较大，由2000 年的8 篇上升到2014 年的323 篇，增幅为39.38%，发文量约占研究时段内文献总量的48.51%，反映出土壤污染等问题自2000 年开始受到国家、社会和学者们的广泛关注；波动阶段（2015-2022年），检索出文献2 171 篇，发文量呈上升趋势，有些年份出现回落。由于检索至2022 年1 月，整年文献资料不完全，增幅受到影响，仅为0.31%，2022 年CNKI 发文量预测值为275 篇，由此推测出关于土壤性状空间分布的研究将持续受到关注，发文量将稳定增加。

图1 相关研究发文量变化趋势

2.2 高频关键词

2.2.1 不同时段高频关键词

关键词高度提炼和概括论文的研究内容，可以表征某研究领域的核心话题。与发文量的平稳阶段、快速发展阶段、波动阶段相对应，中国近30 年来有关“土壤性状空间分布”“土壤性状空间格局”研究平稳阶段（1990-1999 年）的高频关键词及频次如图2a 所示，频次最高的关键词仅有“土壤侵蚀”“空间格局”“土壤水分”“空间分布”，反映出该阶段研究内容主要为土壤侵蚀空间分布和土壤水分保持，这与1991 年《水土保持法》颁布之后土壤侵蚀和土壤水分的研究逐渐兴起密切有关；快速发展阶段（2000-2014 年）的高频关键词及频次如图2b 所示，频次最高的关键词有“空间分布”“地统计学”“空间变异”“重金属”“土壤养分”“GIS”等，其中“空间分布”“空间变异”“重金属”“土壤养分”反映出该阶段研究热点为土壤养分及土壤重金属含量空间分布，“地统计学”“GIS”反映出该阶段地统计学理论、GIS 技术广泛运用于土壤性状空间分布及预测的研究当中，这与中国第二次互联网发展大浪潮以及计算机普及、地理信息技术开始兴起有密切关联，表明现代地理信息技术对土壤性状空间分布的研究具有一定的推动作用；波动阶段（2015-2022 年）的高频关键词及频次如图2c 所示，频次最高的关键词有“空间分布”“重金属”“土壤养分”“地统计学”“污染评价”等，其中“空间分布”的频次仍最大，“重金属”频次次之，表明土壤重金属空间分布在此阶段关注度上升趋势最为显著，也反映出该阶段的研究热点与快速发展阶段相似，以土壤重金属、土壤养分空间分布特征以及土壤重金属污染评价与防治为重，这与2015 年环境污染治理成为焦点话题、土壤重金属污染防治受到重视密切相关。

图2 各时段高频关键词及频次

2.2.2 高频关键词可视化分析

高频关键词共现网络图能表达关键词之间紧密交错的关系，节点越大表示该关键词中心性越高，与其他关键词共现的频次越大，两节点间的连线越粗表示这两个关键词的共现次数越多，关系越紧密，互相影响程度高，这些关键词可以代表该领域的研究热点。节点小连线细表示该关键词共现次数少，但不代表它的研究次数少[5]。图3 中“空间分布”“地统计学”“GIS”“空间变异”“土壤重金属”“污染评价”“影响因素”关键词节点较大，节点间连线最为紧密，共现次数最多，表明基于地统计学理论和GIS 技术的土壤重金属空间分布及影响因素、土壤重金属污染评价既是目前的研究热点，也可能是未来主要研究内容。

2.3 研究主题

研究主题代表着所研究领域的内容、发展状况和趋势。图4 为中国近30 年来有关“土壤性状空间分布”“土壤性状空间格局”研究主题的分布情况，可以看出，以“空间分布”和“空间分布特征”为主题的发文量分别为1 229 篇和661 篇，与“土壤重金属”有关的研究文献共831 篇，由此可以看出近些年的研究主题集中在土壤性状空间分布、土壤重金属等方面，这与高频关键词可视化分析结果一致。

图4 研究主题分布图

2.4 土壤性状空间分布研究方法

地统计学由于其对区域变量具有出色的分析能力，是土壤性状特征研究最有效的方法，广泛运用于土壤性状空间分布、变异规律方面的研究[6]。利用地统计学模拟土壤性状空间分布状况，再利用GIS 进行空间插值对土壤性状进行可视化从而直观地分析土壤性状空间分布特征。空间插值法分为确定插值法和地统计学方法，地统计学中空间预测常采用克里金法，包括：普通克里格法、简单克里格法、协同克里格法等[7]，较空间确定性插值法克里金法更精确，更符合实际，是土壤性状空间分布研究常用的方法。例如段梦琦等[8]采用确定性方法和地统计学方法分别对黄河三角洲典型土壤盐分空间分布进行了预测，发现地统计学方法的精度高于确定性方法；赵林等[9]利用空间分布预测的方法对天津滨海地区土壤盐分进行研究，发现地统计不确定插值法精度整体上高于确定性方法，在土壤空间分布变化剧烈的情况下，建议采用简单克里格插值法更佳；谢梦姣等[10]运用人工神经网络与普通克里金插值法对黄淮海北部未收割的夏玉米田块、农块尺度的土壤属性空间预测精度进行了探究，发现人工神经网络插值法更适用于土壤有机质和全氮含量空间分布特征预测；于伟宣等[11]以安徽省淮北平原典型旱作农业区蒙城县为例，探究了不同采样数量和空间插值法对土壤属性预测精度的影响，发现普通克里格法最优。由此，在研究过程中针对不同研究对象、采样数目、土壤属性可选取不同的空间插值方法。

2.5 主要研究区域及对象

中国近30 年来有关“土壤性状空间分布”“土壤性状空间格局”的研究对象和研究区域频次如表1 所示。从研究区域看，主要集中在黄土高原、黄河三角洲、青藏高原等地区，各区域研究对象及研究内容有所不同。黄土高原是中国水土流失最为严重的地区，研究内容主要为植被恢复对土壤性状的影响、土壤肥力评价、土壤性状空间变异特征等；黄河三角洲土壤属于滨海潮土和滨海岩土，土壤含盐量高，覆盖了源自黄土高原的冲积物，研究内容主要为滨海区土壤性状对作物产量的影响，土壤重金属和盐分空间分布特征等；青藏高原自然条件恶劣，土壤发育速度缓慢，多为高山草甸土，研究内容多与土壤有机质含量、湿度、微生物在时空上的分布相关。从研究对象看，农田土壤的研究频次最高，其次为城市土壤、黑土等。农田土壤和城市土壤主要研究内容包括土壤重金属分布特征及污染评价等，农田土壤主要研究内容还包括土壤有机质空间分布预测；黑土的研究除土壤重金属分布特征外，黑土的侵蚀- 沉积、治理与水土保持也是重要研究内容。