基于CiteSpace的稻田湿地土壤磷吸附和释放研究可视化分析

夏欣 宋维峰

摘要 在稻田濕地生态系统中，土壤对磷的吸附和释放特征在作物生长以及环境保护中发挥着重要作用，利用CiteSpace软件对1992—2022年中国知网（CNKI）数据库中有关磷的吸附和释放方面的研究文献进行可视化和计量分析，总结了稻田湿地磷的输入与输出概况、梳理磷的吸附和释放研究的发展脉络、利用普赖斯理论计算核心作者群体以及追溯探讨磷的吸附和释放在稻田湿地中的主要研究热点与应用情况。结果显示，1992—2022年有关磷的吸附和释放研究有1 130篇文献，发文量整体趋势呈波浪式上升状态，大量学者对该领域愈发关注。对核心研究人员进行分析发现，以上海海洋大学林伟健、詹艳慧等为中心的研究团队发文量居于榜首，但不同作者之间合作较少。对关键词进行聚类分析后可将磷的吸附和释放研究内容分为4类，主要涉及在磷形态分布、磷的吸附和释放的影响因素、土壤吸附和释放磷能力的评估以及利用数学模型探讨磷的吸附和释放过程4个方面。稻田湿地中磷的迁移转化与磷流失的环境风险问题成为该领域的研究热点，覆盖技术和生物炭的使用是今后的研究趋势，将成为大量学者重点研究方向。有关磷的吸附释放研究愈发受到重视，发文量以及研究方向不断上升和扩散，在稻田湿地中的应用研究还不够广泛，各研究机构和学者之间要不断加强进一步的合作探讨，利用新技术促进稻田湿地的农业资源利用和推动生态环境的可持续发展。

关键词 稻田湿地；土壤；磷；吸附；释放；CiteSpace

中图分类号 S058  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）03-0234-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.03.054

Visualization Analysis of Soil Phosphorus Adsorption and Release Studies in Paddy Wetlands Based on CiteSpace

Abstract In paddy wetland ecosystems，soil phosphorus adsorption and release characteristics play an important role in crop growth and environmental protection.CiteSpace software was used to visualize and econometrically analyze the research literature on phosphorus adsorption and release in CNKI database from 1992 to 2022，summarized the input and output of phosphorus in paddy wetlands，sorted out the development context of phosphorus adsorption and release research，used price theory to calculate the core author group，and retrospectively explored the main research hotspots and applications of phosphorus adsorption and release in paddy wetlands.The results showed that there were 1 130 articles on phosphorus adsorption and release from 1992 to 2022，and the overall trend of publication volume was rising in waves，and a large number of scholars were paying more and more attention to this field.An analysis of core researchers found that the research team centered on Lin Weijian and Zhan Yanhui of Shanghai Ocean University ranked first in the number of articles，but there was little cooperation between different authors.After cluster analysis of keywords，the research content of phosphorus adsorption and release could be divided into four categories，mainly involving four aspects of phosphorus morphological distribution，influencing factors of phosphorus adsorption and release，evaluation of soil adsorption and phosphorus release capacity，and the use of mathematical models to explore the adsorption and release process of phosphorus.The migration and transformation of phosphorus in paddy wetlands and the environmental risk of phosphorus loss had become research hotspots in this field，and the use of covering technology and biochar were future research trends and would become the key research direction of a large number of scholars.In general，the research on the adsorption and release of phosphorus had received more and more attention，the number of papers and research directions continued to rise and spread，and the application research in paddy wetlands was not extensive enough，and further cooperation between research institutions and scholars should be continuously strengthened，and new technologies should be used to promote the utilization of agricultural resources in rice wetlands and promote the sustainable development of the ecological environment.

Key words Paddy wetlands;Soil;Phosphorus;Adsorption;Release;CiteSpace

稻田是一种特殊的湿地生态系统，因水稻种植而呈现周期性淹水的特殊人工湿地，其面积的占我国湿地总面积的50%，对于人类粮食安全和需求有着举足轻重的作用［1］，同时在蓄水防洪、净化环境、调节气候等方面意义重大［2］。磷是除氮以外的植物生长第二营养物，全球1/3土壤缺磷［3］，但由于人们对食物和能源的需求不断增加，过量的磷肥施用使土壤中累积大量的磷［4］，将显著增加磷随地表径流流失以及渗入地下水而引起的富营养化风险［5］。如何平衡外源输入和植物生長间的关系成为如今环境保护与农业可持续发展之间的重要研究课题，因此系统了解磷循环过程、掌握目前稻田湿地土壤对磷的吸附和释放研究内容，为保障粮食安全、为我国的环境保护战略提供参考和新思路、新依据。

土壤作为营养物质生物化学循环的重要储存库，可以是营养物质的“汇”，消纳氮、磷污染；也能是农业面源污染的“源”，释放磷等营养以维持作物生长需求［6］。众多研究表明，磷应用于土壤时会发生一系列复杂的反应，通常会通过沉淀或吸附到土壤固体颗粒表面与其他土壤物质快速反应［7］，受土壤自身性质以及环境因素影响［8］；此外，稻田湿地的干湿交替、施肥状况以及种养殖模式不同，对磷的吸附和释放效果也有所差异［9］，使得稻田湿地磷的迁移转化越加复杂。但目前对于磷的吸附和释放研究总体情况、研究内容以及研究趋势还鲜见系统的整理归纳。理清上述问题，对于探究该研究领域的前沿热点及未来发展趋势具有重要意义，也有助于为我国学者开拓新的研究方向提供理论参考，在分析和解决稻田湿地的环境问题中起到指导意义。

CiteSpace软件用于对知识结构和新兴趋势的分析，可将研究内容、研究前沿以及核心作者等用可视化呈现出来［10］。鉴于此，笔者借助CiteSpace软件，以中国知网（CNKI）全文数据库为数据源，对1992—2022年磷的吸附和释放研究的发文量与时间分布进行梳理，运用普赖斯理论对核心作者进行计算分析，总结在稻田湿地中磷的吸附和释放的研究内容、研究热点以及研究趋势，以期为今后稻田湿地的保护与利用提供理论参考和依据。

1 稻田湿地磷的输入与输出

明晰磷来源和输出途径有助于了解影响稻田湿地土壤磷吸附和释放的主要因素，对稻田湿地的利用与治理起重要作用。稻田湿地的磷来源途径主要包括2种，一种是含磷岩石的风化和大气沉降的自然途径；另一种是施用磷肥和农家肥而带入稻田的人为途径，为稻田湿地磷来源的主要方式［11］。根据国家统计局公布数据显示，我国化肥施用量从1990年的2.59×107 t增长到2020年的5.25×107 t，磷肥施用量30年内增长了1.92×106 t（图1）。这些磷肥施用后一部分被作物吸收，一部分被土壤吸附，但磷在农业中的使用效率通常只有10%～15%［12］，导致土壤中磷赋存量从“耗竭态”转变为“蓄积态”。相比非淹水条件下的农业生态系统，稻田的淹水条件增加了养分的溶解性，使累积于土壤中的磷在侵蚀性降雨的冲刷下，随农田径流输出稻田，此时稻田湿地损失的磷成为地表水体磷负荷来源［5］。此外，水稻收获被认为是磷输出主要方式，在稻田里进行水产养殖能提高水稻茎叶吸磷量以及磷素的输出量和利用率［13］；稻田中水生植物和动物对磷的吸收以及稻田湿地土壤干湿交替对磷的吸附和释放量的改变也能大大增加稻田磷的输出量［14］；在水稻不同生育期磷素淋溶量不同，需制定合理排灌措施和种植方式以减少磷淋溶损失，达到利用稻田湿地除磷和防治面源污染的目的［15-16］。自1975年起，中国农田土壤磷平衡已为盈余状态，磷肥的过度施用还在继续，有关磷循环通量的研究数据还较少［17］。因此，应对磷肥施用加强管理，建立科学制度并探讨合理的施肥量，为农业与环境发展平衡作出重要贡献。

2 研究概况分析

2.1 主题研究的文献量及作者分析

通过主题词检索的方式，检索了中国期刊（CNKI）文献资源数据平台中的文献。检索关键词为“磷”“吸附”和“释放”，并设定文献检索范围为1992年1月1日至2022年1月1日，共检索到相关文献1 152篇，再合并去重后得到1 130篇有效文献。以年份、关键词和作者为检索项，获得各项检索结果，用CiteSpace软件进行可视化分析。

对文献的发布数量进行分析可在一定程度上体现领域的研究水平和发展程度。以1992—2022年共30年为检索时间段，年度时间线梳理总体情况如图2所示，有关磷的吸附和释放研究文献数量整体趋势呈上升状态，说明1992—2022年该领域研究越来越受到人们关注且不断加强、加深。根据发文量将磷的吸附和释放研究分为2个发展阶段：1992—2002年为初步探索期，磷吸附释放研究较少，共发文60篇，该时间段发文量从无到有且始终处于较低值乃至年均发文量为个位数；2002—2022年为成长递增期，该阶段研究发文量稳步增加，年发文量保持波动上升的趋势，预计2022年全年总发文量能达到100篇以上。

在统计的文献当中，根据普赖斯理论公式N=0.749（Nmax）0.5［18］计算核心作者群体，其中N为核心作者应发表的文章数量，Nmax为统计年间最高产作者的发文篇数。发文量最多的作者是林伟健21篇，即Nmax =21，得到N=3.67篇，故根据发文数量筛选出发文量≥3的该领域核心作者（图3）。在作者分析图中网络节点数量为649，连线数量为999，网络密度为0.004 8，大部分核心作者间分布较为离散，核心作者的研究方向主要为生态修复，包括对湖泊、河流的污染治理。各作者团队内部的合作较为紧密，其中以林伟健、詹艳慧为中心的科研团队为最高，其次是以李大鹏、李伟光和黄勇为中心的团队。此外，团队与团队之间连线数量稀疏，说明各科研团队间合作关系较少，今后应不断加强各团队间的合作交流。

2.2 研究内容分析

将所得到的文献数据输入到CiteSpace软件中，运行软件对关键词进行聚类分析，按照聚类大小选择的前7个聚类绘制可视化Timeline知识图谱（图4）。聚类结果反映了该领域的几个主要研究方向，分别是“吸附”“磷形态”“吸附机制”“淹水”“数学模型”“缓冲能力”和“环境因素”。根据研究主题的热点及其相关性，将磷的吸附和释放研究分为4类：

2.2.1 土壤磷形态含量及分布。

磷形态研究是最早且持续最久的研究内容，目前人们对于磷形态研究集中于不同磷形态的提取方法和不同区域磷形态的分布。在磷形态的分析方法中，采用不同的化学提取剂分级提取土壤中的有机、无机磷形态，其中SEDEX法、EDTA法以及SMT法等是提取土壤中不同磷形态的重要方法［19-22］，在长江流域、黄河三角洲、滇池以及西湖等地研究广泛［23-27］。同时，众多研究表明土壤中磷形态含量及分布特征受各种环境因素和人类活动影响，如适宜的耕作措施可提高土壤耕层结构，促进植物对磷的吸收利用，造成根际土壤总磷含量显著高于非根际［28］；养殖措施的变化使养殖水域底质磷的积累远高于天然水域［29-30］。温度、降水条件和植物生长等差异引起磷形态含量呈现季节性分布［31］；南北方土壤特征和施肥状况不同导致我国土壤磷含量分布南北差异较大，总体上呈现由南到北逐渐递增的趋势［32］。近几年，随着土地修复与再利用问题逐渐受到人们重视，生物炭被广泛用于土壤的改良利用，其与土壤磷含量以及形态之间的联系也成为主要的研究热点［33］。

2.2.2 土壤吸附和释放磷能力的估算。

人工湿地中的基质可作为“缓冲器”，通过吸附和沉淀去除磷。但吸附效果较差的基质也比较容易释放磷［34］，所以人工湿地基质的选择尤其重要。目前大多将砾石、沸石和炉渣等作为基质应用于人工湿地［35］，对于潜流与立流人工湿地基质选取根据研究区的生态环境与经济发展而定，表流人工湿地多采用土壤作为

基质材料［36］。稻田湿地就是一种以水稻作为吸收植物、以土壤为基质的人工湿地，水稻吸收和土壤拦截使之具有较强的净化能力。大量学者就以作物吸收的有效性、土壤的吸附能力和释放风险等进行了相关研究，包括Bache等［37］开发的一种可以快速确定土壤磷吸附容量的指数—吸附指数（PSI），以及Vanderzee等［38］提出的能直观反映土壤磷吸附能力的吸附饱和度（DPS），可用来预测磷释放能力［39］，在不同国家与作者中受到了广泛应用［40-41］。但有研究发现，使用DPS分析地表径流的磷损失风险水平具有很大的不确定性，原因是往往忽略影响径流磷流失的其他因素（如作物类型和坡度）［42］，在往后应用实践中应结合多种方案进行评估；DPS和PSI的比值ERI值被黄清辉等［43］提出并用作评估土壤磷诱发的富营养化风险，以此划分释放风险等级。此后，以上3个指数不断被应用于稻田湿地的磷吸附容量和释放风险评估中［44-46］。

2.2.3 影響土壤磷吸附和释放的主要因素。

为充分了解土壤对磷的吸附和释放特征影响因素，大量学者从土壤自身的性质以及环境因子的影响2个方面进行研究，表1列举了不同研究中磷的吸附和释放影响因素。土壤对磷的吸附和释放行为是处于动态变化的，受土壤黏粒、铁铝和有机质等含量影响以及受环境温度、扰动和pH等多个因素作用。研究结果总体一致：认为土壤中黏粒含量越高，土壤对磷的吸附越多；磷吸持指数（PSI）和吸附量随着黏粒含量的增加呈现上升状态［47］。土壤的吸附能力与铁、铝氧化物含量呈正相关［48］，非晶质铁铝氧化物含量越高，土壤的固磷能力越强［9，49］。pH增高可以提高土壤中磷的吸附能力，吸附量大小表现为中性土壤吸附能力最好，酸性土壤次之，而石灰性土壤吸附能力最弱［50］，但也有研究认为pH对土壤磷吸附没有显著的影响，可能是被土壤中其他特性掩盖［51］。对于稻田湿地的研究来说，干湿交替、温度和水文学过程等都会对磷吸附和释放产生影响。土壤吸附量随温度升高而增大，温度是影响土壤为磷的汇或源的关键因素［52-53］。长期处于淹水状态的稻田，有机质含量在土壤淹水过程中对吸附量有重大影响，表现在好氧条件下有机质损失小，磷吸附量高于厌氧条件［54］；淹水过程明显增加土壤对磷的吸附，而淹水后的风干过程则可显著减少土壤磷吸附，该过程中微生物对磷的矿化或活化作用是提高土壤有效磷的主要原因之一［55］。

2.2.4 数学模型的应用。

许多学者利用各种模型对磷的吸附和释放过程进行模拟，有助于量化磷在湿地生态系统中的迁移转化。对于磷的吸附动力学研究多使用Elovich方程、一级反应方程和抛物线方程等描述，探讨土壤对磷的吸附速率以及反应历程，为磷酸根离子与固体表面反应机制的研究提供理论依据［61］；用不同吸附热力学方程，如Langmuir、Freundlich和Temkin等方程来获取相关吸附参数以表征土壤对磷的吸附行为与特征。Langmuir模型在国内外应用最广泛，根据该方程计算最大吸附量Qmax、吸附常数K、最大缓冲量MBC和平衡浓度EPC0等参数，综合反映土壤的吸磷特性。表2列举了国内外学者应用方程模拟对稻田湿地土壤磷吸附和释放过程的描述。

2.3 研究热点与趋势分析

利用CiteSpace软件构建关键词突现强度前10的可视化图谱（图5），能直观清楚地反映出领域研究热点的演进过程并可基于此分析学科里前沿的问题。对于磷吸附释放早期研究重点是有机酸（影响年份为2000—2005年），主要探讨有机酸对土壤磷吸附释放影响；之后对于有机质（影响年份为2010—2013年）、消落带（影响年份为2014—2020年）、磷形态（影响年份为2016—2018年）以及释放风险（影响年份为2015—2016年）方面研究较多，多集中于研究消落带土壤中磷形态分布以及对磷的吸附和释放行为。此外，覆盖（影响年份为2017—2020年）、生物炭（影响年份为2018—2022年）和迁移转化（影响年份为2019—2022年）也为近几年的热点关键词。由此可见，目前人们对土壤磷吸附释放的研究已从基础理论研究转移到使用覆盖技术和生物炭科学手段对土壤进行改良与防治环境污染，这3个方面可能是未来土壤磷吸附释放领域的研究发展方向。

在检索结果中筛选以稻田为主题的研究文献，对其进行关键词共现分析（图6），结果显示关键词主要有“水稻土”“无机磷”“土壤粒级”“流失风险”和“活化迁移”等，可概括主要研究热点为稻田土壤磷的迁移转化特征和磷流失的环境风险。有研究提出用土壤对磷的吸附和释放特征来反映土壤固相中的磷进入液相进而向水体的难易程度，用于研究水-土界面磷的迁移能力［68］。国内外学者从稻田湿地土壤特性、水稻种植模式和水肥管理措施等对磷迁移转化特征的影响进行研究［69-70］。同时，关于稻田磷的环境风险、界定不同稻田磷肥和有机肥的安全限量以及土壤磷的环境临界值等成为人们关注重点；首先利用磷的吸附释放特征探讨需磷量，研究土壤磷素水平、有机肥和磷肥用量对稻田土壤磷吸附和释放的影响，评价稻田磷的环境风险以及确定磷肥、有机肥的安全限量阈值［68］。再次从降水特征、水分管理以及种植方式等对影响稻田磷流失的因素进行研究［71-73］；最后通过吸附释放的风险评价指数对不同地区、不同土壤特性的稻田进行磷流失风险评估［45-46］。

3 结论

借助CiteSpace软件，对稻田湿地土壤磷吸附和释放研究的相关文献进行统计与可视化分析，梳理了该领域的基础知识和发展演变脉络，分析探讨研究前沿和热点，为相关领域的科研工作者提供参考。

（1）磷肥的过度施用还在不断继续，土壤中磷赋存量从“耗竭态”转变为“蓄积态”，对农业生产以及环境保护产生重大影响，因此磷肥的利用和管理受到众多学者的关注。但关于磷素平衡、通量方面的研究数据并不多，建议建立科学的磷肥施用制度，加强磷素管理，推进农业与环境可持续发展。

（2）从发文量来看，1992—2022年有关磷吸附释放研究相关文献数量在后期逐步增加，一直保持波动上升趋势。该领域受到越来越多的学者关注，其中以林伟健为中心的科研团队发文量以及影响力都较高，值得相关学者关注与学习。在我国该研究领域方面在不断取得进步与突破的同时，也发现了研究学者间联系度不高，仅团队内部合作较为紧密，故应不断加强研究团队间的合作交流推动领域发展。

（3）从研究内容来看，关于磷吸附释放的研究多集中于研究土壤自身性质和环境因素对磷的吸附释放影响以及吸附释放模型的应用。稻田湿地在该领域的研究方面多集中于用土壤对磷的吸附和释放特征阐释水稻土中磷的迁移转化，利用吸持饱和度以及吸附指数探讨稻田湿地中磷的流失风险，为农业生产以及生态治理保护提供理论依据。

（4）对研究热点分析可知，前期多注重于研究影响磷吸附释放的因素，此后开始关注磷的释放风险和探讨稻田土壤磷的吸附和释放治理对环境保护的重要意义；目前多关注于利用覆盖技术、生物炭治理水体或土壤中磷肥污染，是未来的农业生态可持续发展研究中的热点与趋势。

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