基于文獻計量的玉米逆境脅迫機制研究進展分析

謝 瑤 唐 研 劉 霞 孟 靜 王 磊*

（1.山東省農業科學院科技信息研究所，濟南 250100；2.山東大學管理學院，濟南 250013；3.山東省農業科學院玉米研究所，濟南 250100）

1 引言

玉米（Zea maysL.）是世界重要的糧食作物，廣泛種植于美國、中國、巴西等國家，是畜牧、養殖業的重要飼料來源，也是食品、醫療衛生、輕工業、化工業等不可或缺的原料[1]。隨著現代化工業進程的加快，市場對玉米的需求量日益增大，如何提高玉米的綜合生產力成為了一個亟待解決的問題。

玉米的耐鹽性相對較差，閾值約為0.017M Na‐Cl。其中苗期是整個生長周期的關鍵時期，對各種外界不利環境因素的脅迫更為敏感，土壤鹽度高常會使玉米幼苗芽勢弱、胚根少且短、苗弱、成活率低，嚴重影響其后期生長發育及產量[2]。目前土壤鹽漬化已成為造成全球范圍內農作物減產的環境限制因素之一。我國耕地面積的6.62%為鹽堿地[3]，近年來，由于灌溉和施肥不當，我國的鹽堿地面積不斷擴大，對農業生產的影響逐年加重[4]。因此，在防治之外，鹽堿地綜合利用成為科研的熱點，培育更抗鹽堿的玉米及其他作物品種成為研究者的重要任務之一。

目前研究發現，外源磷(Pi)的施用可以改變作物的耐鹽性[5]，并且施磷期間氮轉運相關基因的表達顯著改變[6][7]，說明氮的施加對耐鹽性可能起到作用。氮以及磷、鉀、鋁等其它元素的加入對玉米的耐鹽性是否有影響，其分子機制究竟如何，這些問題的研究不僅具有重要的科學意義，也為培育耐鹽品種、提高耐鹽性和產量以及充分發揮鹽堿地的生產潛力提供理論依據。

基于此，本文在中國知網（CNKI）全文數據庫及Web of Science 核心合集數據庫搜集相關文獻內容，采用文獻計量學方法和CiteSpace知識圖譜可視化工具，分析了目前國內外玉米逆境脅迫機制的研究進展，以期為相關學者提供新的研究視角。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 國外數據

國外文獻樣本以Web of Science核心合集數據庫作為數據源，設置檢索條件：（TS=(maize OR *corn OR zea mays) AND TS=(salt tolerance OR salt stress OR salinity stress OR salin*) AND TS=(phosphorus OR nitrogen OR aluminum OR potassium)），時間跨度為“不限”，文檔類型（document type）為文章（article），檢索日期為2019 年11 月8 日，對結果數據進行清洗與去重后得到709篇文獻。

2.1.2 國內數據

國內文獻樣本以《中國學術期刊全文數據庫》（CNKI）作為數據源，設置檢索條件：（SU=（玉米*（脅迫+耐受））AND SU=（nacl+鹽+氮+磷+鉀+鋁）），時間跨度為“不限”，數據庫來源類別為“學術期刊”跨庫檢索，“來源類別”設置為“核心期刊”。檢索后對結果數據進行清洗篩選，得到431篇文獻。

2.2 研究方法

2.2.1 文獻計量法

文獻計量法是一種基于數理統計的定量分析方法，它以科學文獻的外部特征為對象，探討科學技術的結構、特征和規律[8]。本文從定量分析的角度出發，利用CiteSpace信息可視化軟件，分析國內外玉米逆境脅迫研究的現狀，揭示研究熱點和前沿問題。

2.2.2 對比分析法

對比分析法是把客觀事物加以比較，從數量上展示和說明研究對象之間的相關關系，以達到認識事物本質和規律并做出正確評價的方法[9]。本文利用對比分析方法，將國內外玉米抗逆境機制研究的文獻從時間和空間序列上對國家、機構、期刊、作者及分析角度等方面進行橫向和縱向的定量對比，以從中發現國內外研究的差異。

3 國外文獻統計分析

3.1 時間序列分析

在年代分布上，Web of Science 上收錄的文獻總量自1975 年的第一條記錄以來(圖1)，呈穩步增長態勢，在2018年達發文量峰值69篇，截至檢索日（2019‐11‐09），2019年發文量已達65篇，推測2019年的總發文量可能超越2018 年成為該領域發文量最多的一年。由此可見，玉米的逆境脅迫相關研究在國際上仍然是一個穩步成長中的研究點，仍保持在持續上升狀態。

3.2 空間序列分析

玉米逆境脅迫研究領域的文獻共見于68個國家/地區。其中我國發文量最高達142 篇，其次為美國109篇，巴基斯坦70篇、伊朗45篇、德國43篇、印度41篇、西班牙41 篇等（表1），均屬玉米種植面積或對玉米需求量較大的國家。中美兩國的總發文量合計占全球總發文量的20%以上，在該領域研究中有較明顯的優勢。

用CiteSpace 繪制玉米逆境脅迫文獻的國家分布知識圖譜，并獲得各國家/地區的貢獻中心度（圖2、表2），可見各國之間的聯系基本呈網狀，說明存在一定的國際合作關系。其中，美國、澳大利亞、韓國、巴基斯坦、中國等國家的中心度較高，占有更高的國際合作比例。根據社會網絡分析的原理，一個節點的中心度越高，就表明該節點在網絡中越重要，交流的頻繁程度越高[10]，由此可見，上述國家在國際合作中優勢顯著，國際認可程度較高。同時，我國在該領域內發文量雖位居第一，但中心度排名僅為第五，二者匹配度不高，反映出我國在該領域內的研究多以本國合作為主，與其他國家的交流合作還有進一步加強的空間。

表1 Web of Science中玉米逆境脅迫研究發文量排名前15的國家/地區Table 1 Top 15 Countries/Regions in the Amount of Corn Stress Studies in Web of Science

表2 Web of Science中文獻貢獻中心度排名前15的國家/地區Table 2 Top 15 countries/regions in terms of centrali‐ty in Web of Science

3.3 主要研究機構

本次檢索結果共涉及72 個機構，中心度前15 位的機構（表3）中發文量最高的是印度的費薩拉巴德大學，其次是中國科學院、中國農業大學等。但從節點中心度的排序來看，中國科學院的發文量雖不居首位，但中心度最高，體現出我國頂級科研院所與其他機構的國際合作交流相對較多，合作質量相對較高。該領域的核心發文機構主要以農業科研院所和農業高校為主，機構合作呈現較為分散的特征（圖3）。主要合作團體有兩個，一是以中國農科院以及中國農業大學為核心，與美國高等院校存在合作關系的合作網絡，另一個是印度部分大學之間的本國合作網絡。但最高0.06的中心度也說明：目前該領域的國際合作程度相當不明顯，合作的程度與水平尚有提高空間。

表3 Web of Science中玉米逆境脅迫研究發文中心度排名前15的機構Table 3 Top 15 institutions in terms of centrality in Web of Science

3.4 研究熱點分析

關鍵詞是查找文獻的重要檢索點，是目標文獻與研究方向發展主旨的精煉，高頻關鍵詞常被視為一個領域的研究熱點[11]。高頻關鍵詞可以根據齊普夫第二定律T=（其中T 為高頻詞和低頻詞的分界頻次，I1是頻次為1的關鍵詞的數量）進行提取[12]。根據該定律，T≥18 即可認定為該領域中的核心關鍵詞。本次檢索中，關鍵詞頻大于18的有59個，通過篩選、合并、剔除同義詞等數據清洗方式，構建了玉米逆境脅迫相關文獻高頻關鍵詞庫，其中頻率排名前20位的關鍵詞如表4所示。

表4 Web of Science玉米逆境脅迫研究關鍵詞中心度排序前20Table 4 Top 20 keyword centricity in Web of Science

利用CiteSpace 軟件繪制關鍵詞共現知識圖譜（圖4），進行數據清洗與選擇后，本研究領域的高頻關鍵詞主要包括“soil（土壤）”、“accumulation（積累）”、“quality（質量）”、“water（水分）”、“irrigation（灌溉）”等。

以出現頻次最高的“玉米”為中心點，通過知識圖譜網絡定位其他高頻關聯詞，將這些詞匯聚類分析后，歸納出5個主要的研究熱點方向。

（1）鹽水（Saline Water），主要包括地表水鹽堿化導致的種植地鹽堿化、土壤、地表水鹽堿化導致的玉米種植條件惡化相關環境解決方案，包括氮肥施用、引入微生物以影響玉米種植土壤類型、農業灌溉手段的科學管理方法研究等；

（2）氮礦化（nitrogen mineralization）的主要研究方向包括不同鹽度水平下氮礦化的相關操作、土壤微生物活性對于氮礦化過程的影響、氮礦化過程中的鉀再分配[13]、鈣質鹽對氮礦化的影響作用，包括可促進氮礦化的微生物細胞內各類生物活動的分子生物學與酶學研究等；

（3）促生細菌（PGPR），主要包括根際促生細菌對玉米逆境脅迫的作用[14]、各類根際促生細菌的基因組學研究、根際促生細菌與氮磷鉀肥施用對于鹽脅迫的聯合作用研究[15]等；

（4）放射性示蹤劑（同位素標記物，Using K‐42），在聚類標簽中出現鉀元素，說明鉀元素與脅迫條件的相互作用屬于較為主流的研究視角，而在玉米逆境脅迫相關研究中，與鉀離子相關的研究一般使用同位素標記物來進行追蹤。主要研究方向包括生長過程中鉀的離子通量研究、鉀離子流入對玉米生長的改善（尤其是鹽脅迫條件下）、不同親和力水平的鉀離子在玉米細胞內的轉運效果等。說明鉀元素與脅迫條件的相互作用屬于較為主流的研究視角；

（5）交互效應（Interactive Effect）是指一個因素各個水平之間反應量的差異隨其他因素發生變化的現象。它的存在說明同時研究的若干因素的效應非獨立[16]。在該聚類標簽下，涉及的文獻多為研究各類硫酸鹽、硝酸鹽等與根際促生細菌、各類酶（如硝酸還原酶、黃嘌呤脫氫酶、抗氧化酶等）的交互效應，及對玉米芽期后生長面臨的逆境脅迫的影響。

3.5 研究前沿分析

在發掘前沿關鍵詞時，對Web of Science 中的主題詞按出現的時間進行排序（表5），利用CiteSpace的時間序列（Time Zone）圖譜（圖5）與突現關鍵詞（Burstness）爆發點圖譜（圖6）綜合分析該領域的研究前沿。其中突現關鍵詞檢測是用于挖掘某一學科領域在某段時間內出現頻次最多的關鍵詞，得出在一段時間內引文量最大的關鍵詞圖譜的方法[17]。可以看出Web of Science 中收錄的權威文獻中，與單一元素如鉀、鈣、氮等相關的研究在2010 年前后結束高強度被引。表明學界對于單一元素對玉米逆境脅迫影響的相關認識已足夠深入和全面，因此文章發表與引用數量近年來有所下降。隨著研究手段的不斷進步和研究視角的不斷更新，目前高被引的突現關鍵詞多存在于手段更為細化的、涉及玉米全生長期尤其是苗期細胞內的多因素聯合效應研究中。

表5 關鍵詞頻次按年度排序（前20項）Table 5 Top 20 items of keyword frequency sorted by Year

4 國內文獻統計分析

4.1 時間序列分析

目前我國核心期刊涉及玉米逆境脅迫的文章最早見于1992 年（圖7‐8）。自第一篇核心文獻發表以來，發文數量存在較大的波動，但整體呈上升趨勢。2010 年發文數量達最大值為23 篇，占總發文量的近10%，2017年達到第二個小高峰20篇，目前發文量再次呈上升趨勢。結合我國在國際權威期刊中的發文量與中心度排名來看，為了提升該領域研究的核心能力與水平，我國學者應尋求更多的國際交流與合作，以提升國際認可程度，朝著引領國際研究前沿的方向發展。

4.2 空間序列分析

中國學術期刊全文數據庫中的431 篇文獻共涉及33 個研究機構，發文量排名前20 位的機構如圖9所示。發文量最高的為沈陽農業大學，累計發文34篇，其次為四川農業大學（23 篇）、東北農業大學（22篇）、西北農林科技大學（19 篇）等，這些活躍的發文機構大多屬于農業大省的農業院校。除國家級研究機構外，國內玉米主產區東北三省、甘肅、山東、河南等地的玉米研究機構數量約占全部機構的近半數，這說明玉米相關研究是依托于專業化研究和田間試驗，且種植需求可以推動科研進步。

在國內玉米逆境脅迫方向研究機構分布知識圖譜（圖10）中進行機構同名合并后可以發現，目前該領域研究中機構合作關系較不密切，存在的合作關系不超過10 組，且大多數合作發生于各農業大省區域內的機構之間。例如，沈陽農業大學農學院和黑龍江八一農墾大學農學院、四川農業大學玉米研究所和西昌學院農業科學學院、山東農業大學生命科學學院和山東省作物生物學重點實驗室之間的合作等。由并不密集的合作關系網絡可以看出，國內玉米逆境脅迫領域的研究機構之間的交流與合作尚有進一步加強的空間。

4.3 作者及共被引分析

全部文獻共涉及作者425 位，根據普賴斯定律[18]，本文將定義高產作者數量為位。由于位次21 的作者文獻產出量為5 篇，因此將發文量在5篇以上的作者列入高產作者（表6）。

表6 高產作者Table 6 High output authors

從數據可視化圖上可以發現，合作關系極為強烈的團隊之合作程度排名，基本與高產機構的排名吻合。該領域作者合作與分布的知識圖譜（圖11）顯示：研究者們一般在自己所在的機構或研究團隊內部建立合作關系，并逐漸形成穩定的科研團隊。例如黑龍江八一農墾大學的楊克軍、王玉鳳團隊，河南農業大學的王春麗、劉宗華團隊，沈陽農業大學的王慶祥團隊等等。

4.4 研究熱點分析

在國內玉米鹽脅迫相關文獻中提取高頻關鍵詞作為研究熱點分析樣本，利用CiteSpace 繪制關鍵詞共現知識圖譜（圖12），可以看到中心度較高的關鍵詞有鹽脅迫、低磷脅迫、低氮脅迫、玉米幼苗等。以高頻關鍵詞為節點，向四周發散的連線呈略有交叉的輻射狀，說明該領域的研究方向和熱點較多，并且各個研究方向與熱點之間存在一定的交叉關系，這也證實了國內玉米鹽脅迫領域已呈現多學科、多熱點的交叉屬性。

由于國內該研究方向的文獻相對較少，僅有400余篇，且由于逆境脅迫條件的非單一性，聚類分析時得出的聚類標簽的區別程度不高，所包含的關鍵詞存在高度交叉重合的現象。

將聚類標簽與關鍵詞（表7）進行結合分析，得到4個研究熱點，主要包括：

表7 詞頻前20的關鍵詞Table 7 Top 20 keywords ordered by frequency

（1）玉米全生長過程中鹽脅迫的影響研究，主要通過改變土壤中鹽含量來觀察不同品種、不同環境條件下玉米的產量變化和各項生理指標變化[19]；

（2）玉米苗期鹽脅迫的干預研究，主要研究方向是在苗期添加各種不同外源性因素，如在土壤或葉面噴淋赤霉素[20]、水楊酸[21]、海藻糖[22]等，觀察對玉米鹽脅迫下的生理反應以及對產量的影響；

（3）玉米鹽脅迫與基因組學研究，主要方向為異源表達的玉米基因對于其他生物在鹽脅迫條件下的生理影響[23]、利用轉基因玉米自交系研究不同目標基因對玉米應答鹽脅迫的影響及其反應機制[24]等研究手段與方向；

（4）玉米鹽脅迫的酶學研究，主要包括鹽脅迫條件下玉米各類酶的表達分析[25]，酶對玉米抗鹽脅迫能力的作用分析[26]，以及針對抵消鹽脅迫對玉米各類酶活性的影響[27、28]的研究等。

4.5 研究前沿分析與展望

由國內外研究熱點對比可見，近年來，國內玉米鹽脅迫相關研究已經涉及細胞學、遺傳學、表觀遺傳學、分子生物學等學科，其視角由專注研究某幾項單一因素脅迫及其生理特征，轉變為研究多條件、多因素的交互作用，以及涉及蛋白質組學、酶學等的機制研究，逐漸向國際水平靠攏。

觀察近5年CNKI所收錄的我國核心期刊在該領域中的主要聚類關鍵詞（表8，圖13）可知，目前我國在此領域內的研究與國際發展方向并不完全相同：國內的研究仍專注于玉米本身的各項生理指標在鹽脅迫下的不同表現，以及鹽脅迫與其他自然條件脅迫的綜合研究，其中涉及學科交叉、交互效應等綜合視角的研究才剛剛開始。通過對國際權威數據庫收錄的論文進行分析，可以發現目前國際前沿的研究方向已經涵蓋了包括大環境角度、土壤角度、基因層面的生理機制等各個方面更深入的研究。

由此可見，我國學者在該領域內發文量較高，但中心度略低的情況有其深層次原因。要改變這個局面，需要國內研究者積極關注國際的最新研究趨勢，加強聯系與合作，將目光發散至玉米生長的上下游全階段、全環境之中，以期將玉米鹽脅迫的相關研究做深做透。

表8 CNKI中玉米鹽脅迫研究近5年關鍵詞時間排序Table 8 Keywords of the last five years

5 結論

培育高產、穩定、優質的玉米品種是改善民生的重大舉措，提高玉米鹽脅迫相關研究工作的創新能力和研究水平，使玉米種植整體朝著高水平、多元化的方向發展，是國內外農業科研工作者的重要研究課題。本文利用可視化數據分析方法在對國內外玉米逆境脅迫相關文獻的現狀、熱點和發展前沿進行對比分析發現，國內該領域的研究不僅文獻產出量世界領先，研究方向也正在逐步接軌國際先進水平（圖13）。

展望未來，玉米鹽脅迫機制的相關研究還面臨許多挑戰，主要包括玉米生長全系列、全過程的細化研究，高精尖技術的發展與應用，不同學科、不同地域、不同團隊協作的構建等。就國內而言,充分利用生物學技術與其他學科的結合與交叉，研究玉米鹽脅迫的全過程相關影響因素，實現玉米品種的不斷改良，將是未來研究的主流趨勢。