基于CNKI 數據庫的土壤酸化文獻計量分析①

鄭梅迎，林 偉，徐 茜，彭玉龍，劉明宏，龔鵬飛，劉躍東，孔凡玉，張繼光*

(1 中國農業科學院煙草研究所，山東青島 266101；2 福建省煙草公司南平分公司，福建南平 266109；3 貴州省煙草公司遵義市公司，貴州遵義 563000；4 陜西省煙草公司延安市公司，陜西延安 716000)

土壤酸化即在自然和人為條件下土壤pH 降低的現象，是交換性鹽基陽離子淋失的過程[1]，這種過程是土壤退化的一種重要表現形式。土壤pH 對土壤環境及植物生長至關重要，土壤酸化后對農業生產及生態環境具有嚴重的影響，一方面土壤酸化會直接影響土壤養分的有效性進而影響土壤生產力[2]，另一方面土壤酸化會改變整個土壤微環境，導致土壤微生物微生態環境及群落結構失衡，極易造成農作物土傳病害的發生[3]。土壤酸化還會影響土壤中的重金屬活性，有數據顯示，土壤pH 每下降一個單位，重金屬Cd的活性就會提升100 倍[4]，這會對農產品質量安全產生重要影響，對人類健康構成嚴重的潛在威脅。因而土壤酸化已成為土壤、生態環境等學科領域廣泛關注的重大問題。

我國土壤酸化現象形勢嚴峻，據統計1980—2000 年間，中國農田的酸化趨勢明顯，pH 平均下降了0.13～ 0.8個pH單位[5],這可能與氮肥的大量不合理施用及酸沉降等因素有關[6-7]。酸沉降的形成是大氣物理和大氣化學現象相結合的產物，主要受工業、汽車尾氣等人類活動的影響[8-10]。酸沉降包括干、濕沉降。干沉降是指通過氣體擴散與固體物形成氣溶膠降落的沉降，濕沉降是指pH 低于5.6 的降雨、酸霧、酸雪等，酸雨是其最常見的形式[11]。大量研究表明[12-15]，在酸雨條件下，土壤中的鹽基離子易被H+交換淋失，產生交換性酸導致土壤酸化。而長期氮肥過量施用被認為是導致農田土壤酸化的最主要原因[5]。據統計，由人為施用氮肥導致土壤酸化比酸雨引發的土壤酸化程度高[5]。施用氮肥導致土壤酸化的機制十分復雜，其中NH的硝化過程引起的酸化作用最大[16]。徐仁扣等[14]研究表明銨態氮肥用量達80 kg/hm2時會加速土壤酸化。一般來講，1 mol 的NH硝化后釋放2 mol [H+]，若NO被植物吸收，土壤中將會產生1 mol [H+]，但若NO淋失，土壤中將會有2 mol [H+]產生[17]。而NO極易淋失，導致了土壤中產生了大量[H+]，從而導致土壤的酸化[18]。

近年來，伴隨著我國農田酸化進程加快和面積不斷擴大，土壤酸化問題已成為土壤環境領域的研究重點和熱點，相關科研文獻也越來越多。為全面了解國內土壤酸化的研究熱點與發展趨勢，本文采用文獻計量學方法，運用 Excel 及數據可視化分析工具CiteSpace，對國內土壤酸化研究文獻進行計量及可視化分析，挖掘土壤酸化的研究熱點及發展趨勢，以期為我國土壤酸化基礎研究及改良技術方面提供重要的科學依據與參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

文獻檢索的數據來源在很大程度上直接決定了文獻計量分析時的有效性和準確性。CNKI 是國內最大的文獻數據平臺之一，收錄的文獻在質量和數量上最為全面。本文以CNKI 數據庫作為主要數據來源，高級檢索中輸入主題詞“土壤酸化”，文獻類型選擇期刊論文、學位論文和會議論文，時間跨度從1958年截止到2017 年12 月31 日，共檢索到1 324 條文獻記錄，剔除2017 年發表、2018 年見刊的4 篇文章，共檢索到 1 320 條文獻記錄。分批次以“XXX_download.txt”為文件名下載并儲存為“Refworks”格式。

1.2 分析方法

通過CiteSpace 數據可視化分析工具對1 320 篇文獻研究機構的科學合作網絡、關鍵詞的共現網絡及突發性進行檢測分析。同時運用Excel 對年度發文量、研究機構、高被引文獻等進行計量分析。通過對圖譜及計量結果分析得出土壤酸化領域的高產機構、研究現狀與前沿熱點。

2 結果與分析

2.1 年度發文量分析

2.1.1 發文量趨勢分析 某一學術領域的年度發文量在一定程度上可以代表該領域近年來的被關注趨勢。圖1 為土壤酸化研究各年度發文數量的變化趨勢。從圖中可以看出，土壤酸化研究的論文數量在整體呈上升態勢，并且大致可以劃分為3 個階段。1958—1986 年為第一階段，這一階段的發文量較少，1958 年出現第一篇與土壤酸化研究有關的論文，29 a間僅有10 篇關于土壤酸化的論文見刊。我國學者開始關注土壤酸化問題，相關研究方面尚處于萌發階段。1990—2003 年稱之為第二階段，這一階段的發文量處于緩慢增長階段，人們開始意識到土壤酸化的問題，學術研究處于初級的探索研究階段。2004—2017 年為第三階段，此階段的發文量呈指數型遞增，其中2015 年達到最高為183 篇。新世紀以來對土壤酸化的研究報道大量出現[19-21]，土壤酸化問題成為廣大農業科技工作者的研究熱點，發文量的遞增反映出該研究主題的熱度，但從側面也反映出土壤酸化現象的日益嚴重。

2.1.2 不同發文階段主題詞統計分析 通過對第二、三階段的主題詞進行統計，列出了每個階段的高頻主題詞(表1)。第二階段關于土壤酸化的研究主題主要集中在酸性降水、土壤化學、森林土壤等方面，酸性降水及土壤化學等方面研究一直處于不斷探索發展中，有關模擬酸雨及鹽基離子等的研究方法也不斷改進和完善。第三階段的研究主題主要集中在土壤酸堿度、農業用地、酸性降水、改良措施等方面。特別是近些年來，酸化研究主題逐步從森林土壤過渡到農田土壤，研究人員通過對比土壤普查數據、開展長期施肥及淋溶試驗等，進一步闡明農田土壤酸化的演變規律、土壤酸化機理及危害，充分認識到當前我國農田酸化的嚴峻性和改良研究的急迫性。

2.2 高產發文機構及專利申請分析

2.2.1 高產發文機構計量分析 表2 總結了土壤酸化研究發文量大于20 篇的前10 所機構。通過對這些機構進行統計分析發現，發文量第一的為中國科學院南京土壤研究所共62 篇，其次是南京農業大學46篇和湖南農業大學41 篇，3 家研究結構的發文量占前10 所研究結構發文總量的46.56%，在土壤酸化研究領域中占據主導地位。同時從各研究機構分布來看，除中科院系統的南京土壤研究所外，其余9 個機構均為各大涉農高校，9 所高校的發文量占總量前10 所機構80.63%，表明涉農高校成為開展土壤酸化研究的主要力量。此外在研究機構的地域分布中，屬我國北方的涉農高校(吉林農業大學和山東農業大學)發文量占比僅為17.19%，其余8家單位均分布在我國南方地區，這與我國南方地區土壤酸化較為嚴重的現實相吻合。

圖1 1958—2017 年國內土壤酸化研究文獻數量變化趨勢圖Fig. 1 Changes in domestic literature number of soil acidification research from 1958 to 2017

表1 不同發文階段高頻主題詞統計Table 1 Statistics of high-frequency keywords in different post periods

表2 1958—2017 年土壤酸化研究發文量前10 所機構Table 2 Top 10 research institutions in soil acidification literatures published in 1958-2017

2.2.2 國內機構申請專利計量分析 為進一步了解相關研究機構對土壤酸化研究及改良方面的應用熱點，利用CNKI 數據庫結合國家知識產權專利局網站對國內近年有關土壤酸化的發明專利進行了檢索，并對各專利申請機構進行整理分類。以專利申請日統計，截至2017 年12 月31 日有關土壤酸化的發明專利共有337 項。其中專利申請排名前10 的機構中有7 家為涉農高校或科研院所，3 家為企事業單位(表3)，凸顯出全社會對土壤酸化及其改良問題的高度關注。農業部2015 年下發了《耕地質量保護與提升行動方案》，其中土壤酸化改良是一項重要技術內容，隨后各省市區分別制定印發了當地的耕地質量保護與提升實施方案，2015 年湖北恩施州還專門針對土壤酸化下發《恩施州耕地土壤酸化治理推進方案》等文件。可見，土壤酸化問題的研究及治理已成為促進耕地質量提升、保障農業可持續發展的重要基礎。

2.2.3 發文機構圖譜分析 土壤酸化研究發文機構圖譜如圖2 所示，圖譜呈現出明顯的離散型分布，連線數量較少，表明各研究機構之間的合作并不緊密，中科院南京土壤研究所、中科院華南植物園、中科院大學及沈陽農業大學等各自開展的研究均相對獨立。由圖譜也可看出，高校和科研院所在土壤酸化研究中發揮著重要作用。當前處于信息化時代，不同學科知識交互滲透和融合發展往往是解決一個問題的關鍵。因此，土壤酸化研究的各科研單位間應加強交流合作，尋求全方位多角度的知識融合途徑和資源優勢互補，在土壤酸化的研究及治理過程中不斷發展并尋求新的突破。

表3 國內土壤酸化研究的申請專利機構信息表Table 3 Patent numbers of soil acidification and applicants

圖2 土壤酸化研究高產機構可視化圖譜Fig. 2 Visualization of high-yield institutions in soil acidification research

2.3 關鍵詞分析

2.3.1 關鍵詞共現聚類分析 關鍵詞是一篇論文的核心觀點，對某一領域的關鍵詞進行共現聚類分析有助于挖掘某一研究領域的研究熱點[22]。聚類共詞圖譜共形成了15 個主要聚類，代表 1958—2017 年國內土壤酸化的主要研究領域，表4 總結了15 個聚類主要的研究熱點。其中最大的聚類有7 個，代表了土壤酸化研究的熱點。

其中聚類0 土壤環境、聚類4 耕地和聚類5 土壤結構，這三類聚類涉及的對象主要有保護地、耕地及設施蔬菜等。保護地土壤是一種集約程度高的農業類型，環境封閉，不會受到酸沉降等造成的酸化影響，氮肥的大量施用是其土壤酸化的最大因素。有研究表明保護地中土壤與普通農田相比有明顯酸化和鹽漬化現象[23]。農田養分過度投入及高強度利用易使土壤酸化，并且造成耕作層變淺、有機質降低、重金屬活化、有害微生物如寄生真菌增加等一系列問題。有機質作為土壤環境和結構的重要組成部分，土壤有機質及結合態胡敏酸對土壤酸度及外來酸根離子具有很好的緩沖作用[24-26]，并且可以明顯克制鋁毒，但土壤腐殖質組成和數量對土壤酸化的緩沖機制還有待進一步研究。

聚類1 生長、聚類2 交換性酸和聚類3 危害，這三類涉及到酸化的評價及作物危害等。土壤交換性酸是評價土壤酸度的一個重要指標。越來越多的研究用交換性酸來評價土壤的酸化狀況。對于聚類標簽生長，當前研究較多的是土壤酸化背景下，氮磷元素利用對作物生長的影響。如土壤酸化影響核桃幼苗對磷元素的吸收利用，易導致體內缺磷[27]，蘋果植株對氮素利用率隨土壤 pH的降低而降低[28]。對酸化危害研究較為關注的有鋁毒、重金屬活化等。土壤酸化顯著活化土壤中可溶性鋁、錳等，對植物造成鋁毒和錳毒害，影響作物根系生長[29]。酸化同時也會活化土壤中重金屬元素，增強植物有效性。土壤酸化還會加劇土壤養分的損失，降低養分有效性等，這些危害最終都表現為影響作物的生長。

聚類6 酸雨。酸雨被認為是引起土壤酸化的重要自然因素，但形成酸雨的來源有自然和人為兩部分。當土壤中可溶性物質隨酸雨沿土壤剖面向下遷移，鹽基離子很容易被淋溶出土體，造成土壤酸化[30]。目前對酸雨的研究手段一般為模擬酸雨及淋溶試驗，該方法因可控性強被廣泛利用，但實際操作過程中因填土不均勻，土壤原有結構被破壞等原因，使模擬效果與田間實際淋溶效果差別較大[31]。基于原狀土的大尺寸土柱被引入模擬試驗中[32]，但該方法無法連續取樣，應用效率低，后續要在原位、動態及智能化的方法上加強研發。

表4 可視化圖譜中前15 個聚類標簽的部分信息表Table 4 Partial information of top 15 cluster labels in visual map

2.3.2 高頻關鍵詞突發性檢測 表 5 顯示了1958—2017 年出現最強突發性的前20 個高頻關鍵詞。自1988 年以來關鍵詞發生變化，當年關于酸雨、酸性降水的研究開始大量出現，突發性強度指數達到41.44，是至今為止突發性最強的關鍵詞，表明人們將土壤酸化的研究重點轉向酸雨方面。結合年度發文量的階段劃分，第一階段高頻關鍵詞主要是酸雨，從第二階段開始高頻關鍵詞出現多樣化，包括園藝作物、鹽基離子、紅壤等。第三階段高頻關鍵詞主要有防治措施、交換性酸、耕地、產量等，開始傾向于酸化對農田作物影響及其酸化改良措施方面。

2.4 高被引文獻分析

文獻被引用次數常被用來作為文獻學術水平和影響力的評價指標,被引用次數越多，說明該論文的科學知識生產質量越高，原始創新的成分越多[33-34]，研究結果被同行在文獻中直接引用是文獻影響力最重要的表現形式之一。當然，也存在一些綜述性文章或者反映熱點問題的文章被引頻次較高的情況。表6為1958—2017 年土壤酸化研究文獻被引頻次最高的前10 篇文獻的信息。被引頻次最高的為易杰祥發表在《華南熱帶農業大學學報》上的 “土壤酸化和酸性土壤改良研究”綜述文章, 被引318 次；徐仁扣發表在《農業環境保護》上的“某些農業措施對土壤酸化的影響”研究文章，被引317 次，其次是趙其國發表在《土壤》上的“我國紅壤的退化問題”的文章，被引用263 次。同時被引頻次較高的研究文獻中在CNKI 數據庫中的下載量也較高，說明受到研究人員的關注程度較高。

3 討論

就發文時間而言，我國對土壤酸化研究的關注時間相對較早，1958 年發表第一篇相關文獻，但早期受關注度低，這與我國當時特定的歷史階段及電力、化肥等的工業發展狀況有一定關系。現階段的研究表明土壤酸化的成因主要有兩個：肥料特別是氮肥的過度使用及酸沉降。關于酸沉降的認識有一個歷史過程，直到20 世紀70 年代末80 年代初，酸沉降才被確定為一個潛在環境問題[35-36]。2005 年，我國開始控制工業污染源排放問題，特別是二氧化硫的排放[37]。而我國的化肥工業發展始于20 世紀30 年代，到20 世紀70、80 年代才發展到技術國產化，才開始大量施用氮肥[38]。此后伴隨集約化農業的發展及化肥大量施用，土壤酸化問題及其相關研究越來越受到關注。

表5 1958—2017 年突發性最強的前20 個關鍵詞Table 5 Top 20 keywords with strongest citation bursts from 1958 to 2017

表6 1958—2017 年土壤酸化研究文獻被引頻次前10 位排序Table 6 Top cited literatures of soil acidification from 1958 to 2017

國內土壤酸化文獻近年來呈不斷增長趨勢，土壤酸化的研究方向也在不斷轉換，研究對象呈現出多樣性，研究內容的廣度和深度不斷得到拓展和加深，不同土壤的酸化機理、機制、危害及改良技術等方面研究內容不斷深化[39-41]，一些諸如納米X 射線CT 系統、同位素質譜儀、核磁共振、定位聯網監測等相關研究手段和方法也在不斷發展和更新。早期對土壤酸化的研究集中在酸雨方面，目前土壤酸化及其機理的研究涉及長期施肥、連作、緩沖性能、設施栽培等方面，并延伸出長期土壤酸化模型(LTSAM)[42]、區域尺度土壤酸化定量研究模型[39]、土壤酸化空間信息模型[43]等基于土壤養分運移、電荷及物質平衡等原理的模型來預測土壤酸化趨勢。研究對象也涉及作物、耕地、土壤結構、微生物、連作障礙、土壤污染等諸多方面。與國外同類研究相比，國內土壤酸化研究起步較晚，與歐美國家仍存在一定差距[17,44]。鑒于我國農田一直處于高強度利用階段，關于現代農田土壤酸化研究理論與方法體系還需要進一步發展完善。

土壤酸化是一個基礎與應用相兼顧的學科領域，特別是在酸化改良技術研發方面，還需要針對不同作物或農田、不同產業體系開展科技攻關，目前在農田、茶園、煙田等的改良領域已經開展了許多研究與應用，但主要是關于生石灰、白云石粉、土壤調理劑及秸稈還田等方面的應用，效果不一[45]，如施用生石灰改良酸性土，短期的效果較好，但長期大量施用會破壞土壤結構，造成土壤板結。開發無副作用且能較好調理土壤的改良劑是當前研究工作的一個重點。目前秸稈生物炭、堿性肥料及復合綜合調理是人們關注的熱點，對其的研究還處于試用階段[46]，后續的研究工作應集中在改良劑選擇、操作技術、改良標準與評價、集成應用等方面。

4 結論

1)1958—2017 年間，我國關于土壤酸化研究的發文量呈現出逐年上升的趨勢，尤其在2004 年之后，年度發文量呈現指數遞增趨勢。

2)高校和科研院所在土壤酸化研究中發揮著重要作用，但各機構之間交流合作不緊密。

3)國內土壤酸化研究主要集中在酸沉降、施肥管理、土壤結構、作物生長、酸化成因及改良、連作障礙及土壤污染等方面，土壤酸化研究的主題從森林土壤逐漸轉移至農田土壤，酸沉降及土壤化學在土壤酸化研究中一直屬于重點關注對象。