基于文獻計量的近30年國內外土壤微生物研究分析*

陳 香，李衛民，劉 勤

（中國科學院南京土壤研究所，南京 210008）

2013年Jansson和Prosser[1]提出“生物暗物質”的理念，將土壤微生物比作物理學中的暗物質。土壤微生物是土壤生態系統中不可缺少的活躍組成成分[2]，是養分循環轉化的驅動力[3]，是評價土壤質量的潛在指標[4]。土壤微生物研究與農業生產、全球變化、土壤環境保護與修復等當前國際上關注的熱點問題密切聯系。隨著研究方法與技術的不斷創新，土壤微生物學研究在微生物多樣性、群落結構和功能上取得顯著進展，土壤微生物多樣性及其活性會直接或間接影響植物群落多樣性和生產力[5-6]。與土壤肥力改良、溫室氣體排放、有機污染降解、重金屬污染修復、土傳病害防治、土壤生物固氮等相關的土壤功能微生物的研究地位突出。土壤微生物作為生態系統中重要的分解者，其與環境的相互作用也受到了廣泛關注。因此，土壤微生物學領域研究成果豐碩，對基于土壤微生物學研究文獻數據進行計量分析具有一定價值。

文獻計量學可以系統地分析某一研究領域的整體發展情況，把握該領域的研究熱點與趨勢，為科研工作提供參考依據[7]。已有大量學者運用文獻計量學手段來分析相關研究領域的作者、機構、學科間的合作關系，了解研究領域的知識結構、熱點趨勢等。如使用文獻計量學和社會網絡分析評估了1995—2015年地下水修復文獻，了解目前的發展趨勢和未來研究方向[8]。分析土壤污染修復的文章，確定主要污染物和最具前景的土壤修復技術[9]。由于土壤微生物研究領域的文獻數量龐大，傳統的文獻分析方法對于準確處理相關文獻信息，追蹤研究領域的發展動態難度較大，基于文獻計量學的可視化軟件能夠對引文數據進行提取處理分析，形成可視化的網絡圖譜，縮短工作量且便于解讀分析。可視化軟件既可用于呈現不同作者、國家、機構間的合作關系，又可展現研究主題和領域的共現網絡關系，還可進行文獻共被引和耦合分析，揭示研究熱點、研究趨勢和研究前沿。因此，數據可視化軟件VOSviewer和CiteSpace作為文獻計量分析的重要工具被不同國家不同領域的人員廣泛使用，如分析國內外土壤科學發展不同時間段的研究熱點和研究前沿[10]。通過VOSviewer識別食品化學40年來的研究熱點和最具影響力的研究主題[11]。

國內有涉及土壤微生物的文獻計量學研究，如利用CiteSpace工具構建土壤養分循環微生物機制不同時間段的關鍵詞共現網絡[12]，研究內容主要是微生物的土壤養分循環方面。Zheng等[13]借助CiteSpace共被引分析了氨氧化細菌、氨氧化古菌和厭氧氨氧化研究主題，國外的相關文章較少。本文基于文獻計量學方法，從發文量、總被引頻次、篇均被引頻次評價指標分析土壤微生物研究領域的國家/地區、研究機構、期刊來源、高被引文章，構建了國家、研究機構間的合作關系。重點分析了國內外不同時間段的關鍵詞共現網絡譜圖，揭示了不同時期土壤微生物領域的高頻關鍵詞或者中心度較高的關鍵詞的變化情況，旨在為科研工作者提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

美國Thomson Scientific（湯姆森科技信息集團）基于Web開發的產品Web of Science是一個綜合性、多學科、核心期刊引文索引數據庫[14]。本文利用Web of Science中科學引文索引擴展版數據庫（SCI-EXPANDED），在高級檢索的檢索框內輸入TS（主 題）=（（soil*）AND（"microorganism*"OR"microb*"OR"bacteri*"OR"fung*"OR"actinomyce*"OR"algae"OR"archaebacteria"OR"mycorrhiza*"OR"earthworm"OR"nematode*"OR"protoz*"）），文獻類型為（ ARTICLE OR REVIEW OR PROCEEDINGS PAPER ），時間跨度為1990年1月1日至2018年12月31日，檢索時間是2019年6月5日。由于檢索結果數量較多，限定土壤生物學領域的期刊，使得土壤微生物領域篩選結果更加精確，共得到國外文獻25 306篇，中國文獻3 452篇。

1.2 分析方法

利用Web of Science的自帶功能分析檢索結果，按照國內和國外篩選檢索結果，分別以5年為一個時間段保存為純文本格式。將獲取的文獻信息導入VOSviewer軟件進行可視化分析，主要涉及土壤微生物國內外發文量的變化趨勢、主要的研究機構、重要期刊來源以及高被引文章分析。然后運用CiteSpace的關鍵詞共現網絡分析在不同發展階段下的國內外土壤微生物的研究熱點和變化趨勢。

2 結果與討論

2.1 主要國家土壤微生物領域發文量

由圖1可知，美國總發文量6 999篇，占世界總發文量24.34%，呈現平穩增長的趨勢；其論文的總被引頻次共362 514次，年度被引總頻次高于其他各國，論文的被引頻次處于高水平。中國的發文量合計3 452篇，位于第二位；年度發文數量呈大幅增長，2015年后發文數量超過美國，位于第一；其年度被引總頻次也是不斷上升，但相對較低，論文影響力有待提高。圖2為各個主要國家間的合作關系，節點大小代表發文數量，網絡中的連線表示國家間的合作關系，線寬代表合作強度。美國、德國同其他國家合作網絡較為密集。中國和美國、德國、英國等存在合作關系。國家間合作是提高科研能力、實現創新性研究的重要手段。

2.2 重要研究機構土壤微生物領域發文

表1列舉了發文量前10的研究機構，中國科學院的發文量和被引總頻次均處于首位，發文量為位于第二位的法國農業科學研究院的2.48倍，圖3揭示其年度發文數量快速增加，年度被引總頻次也呈指數增長形勢，但篇均被引頻次較低。其他研究機構發文量無明顯變化，處于平穩增減狀態。重要研究機構間的合作關系如圖4，中國科學院與中國農業科學院、浙江大學、清華大學、美國農業部農業研究組織、哥廷根大學等研究機構存在合作，中國科學院處于合作網絡圖譜的中心位置，同國內研究機構的合作關系較為密切。

2.3 土壤微生物領域主要期刊來源

表2統計了國際土壤微生物相關研究主要的發文期刊。發文量最高的是期刊Soil Biology &Biochemistry，占總發文量的19.5%。期刊Applied and Environmental Microbiology發文量低于Soil Biology& Biochemistry的50%，但是被引用總頻次緊逼Soil Biology & Biochemistry，篇均被引用頻次位于首位。期刊New Phytologist、Global Change Biology、ISME Journal雖然發文數量較低，但是論文被引用頻次高，文章影響力較大。期刊Soil Science Society of America Journal期刊影響因子較低，發文量不高，但論文的被引總頻次高，篇均被引頻次位于前列。在關注影響因子較高期刊的同時，科研人員對綜合影響力高的期刊上的論文也應加以關注，全面地了解土壤微生物領域的發文動態。

圖1 主要發文國家的發文量和被引頻次的變化情況Fig. 1 Publication and citation frequency of scientific papers relative to country

圖2 土壤微生物研究領域主要國家間的合作關系Fig. 2 Cooperations between major countries in the field of soil microbiology

表1 土壤微生物文獻發表量前10名的研究機構Table 1 The top 20 research institutions in literature contribution in the field of soil microorganisms

圖3 主要研究機構的發文量和被引頻次的年度變化情況Fig. 3 Annual changes in publication and citation frequency relative to research institution

圖4 土壤微生物研究領域重要研究機構間的合作關系Fig. 4 Cooperations between important research institutions in the field of soil microbiology

表2 土壤微生物文獻發文總量前20名的期刊Table 2 Top 20 journals in literature contribution in the field of soil microorganisms

2.4 土壤微生物領域高被引文章

通過對高被引文章的追蹤分析，了解該文章對后面研究的影響程度，進而掌握關于土壤微生物研究的重點與熱點。從表3中的第一作者國家分析來看，美國7篇，占半數以上，證明其在土壤微生物研究領域的較高國際影響力。2000年后發表的高被引論文有5篇，其中被引總頻次第一的就是Schloss和Handelsman[15]在2005年發表的關于用軟件DOTUR對測得的基因序列劃分獨立操作單元（OTU），估算生物豐富度和多樣性指數。期刊Applied and Environmental Microbiology上的高被引文章有6篇，高質量論文較多。其中有6篇高被引文章是關于分子生物學技術，如聚合酶鏈式反應（PCR）、末端限制性片段長度多態性（T-RFLP）分析技術、磷脂脂肪酸（PLFA）、焦磷酸測序應用到土壤微生物學研究中，推動了土壤微生物學的發展。由圖5可知，Kozich等[16]的論文于2013發表后，其年度被引總頻次呈快速增長，論文影響力大，可見新一代測序技術對土壤微生物學的發展有重要影響。

表3 土壤微生物研究領域被引總次數前10名的文章Table 3 Top 10 highly cited articles in the field of soil microorganism

續表

2.5 國外近30年不同時期的高頻關鍵詞

將1990—2018年國外發表的土壤微生物的論文分為3個時間段：1990—2000年、2001—2010年、2011—2018年。利用CiteSpace構建不同時期關鍵詞共現網絡圖譜，分析圖譜結果。圖6中節點的年輪結構表示的是該文獻被引用的歷史，節點的半徑越大說明該節點的總被引頻次越高，有紫色外圈的節點是具有高中介中心性的節點，這些節點的中心度不小于0.1。1990—2000年中“細菌Bacteria”和“微生物生物量Microbial biomass”的出現頻次較高，“微生物生物量”的中心度為0.3，是關鍵詞網絡中的重要連接點。“氮N i t r o g e n”、“氮礦化N mineralization”、“硝化過程Nitrification”、“反硝化過程Denitrification”“分解Decomposition”、“有機質Organic matter”、“碳Carbon”形成聚類，反映土壤微生物研究主要是土壤碳氮養分轉化和有機質降解過程[17-18]。“生長Growth”、“植物Plant”、“小麥Wheat”、“生物防治Biocontrol”、“根際Rhizosphere”相關聯，表明關注土壤微生物對植物的防病促生作用的研究[19-20]。1990—2000年對于特定土壤微生物純菌株的研究是本階段的特色，如與固氮過程相關的根瘤菌，以及參與植物根部氮磷吸收的叢枝菌根真菌、囊泡叢枝菌根等[21-23]。隨著PCR等分子生物學技術應用到土壤微生物研究中，對于根際微生物過程的研究不斷細化深入，其包含的重要關鍵詞數量增多。2001—2010年關鍵詞網絡更加密集，高中介中心度、高頻詞的節點明顯增多，不同研究熱點間形成較多交叉。“微生物生物量”出現頻次不斷增加，同時“微生物群落Microbial community”和“多樣性Diversity”增長為主要的高頻關鍵詞，關鍵詞“微生物群落”、 “PCR”、“基因Gene”、“DGGE”、“DNA”、“PLFA”聚集出現，說明分子生物學技術應用到土壤微生物群落與多樣性研究方面。 圖6 a）中“細菌”、“根際”、“碳”、“氮”、“有機質”、“分解”依然是重要節點，它們的出現頻次均大幅上升。“碳”、“氮”、“氮礦化”出現顯著紫色外圈且與其他關鍵節點的交叉越來越豐富，本階段研究土壤微生物間的養分循環調控機制，對于提高土壤肥力和養分有效性有重要作用[24-25]。“根際”、“植物”、“生長”、“菌根真菌AM”、“磷Phosphorus”等相互聯系，揭示了土壤微生物在磷循環和植物有效性中扮演重要角色[26]，并且以根際為核心的土壤微生物研究進一步加強[27]。圖6 b）中“污染土壤Polluted soil”、“重金屬Heavy metal”、“生物修復Bioremediation”組成一個研究熱點，微生物降解對于污染土壤的修復備受關注[28-29]。2011—2018年，國外土壤微生物研究領域的發文量穩步增加，形成的關鍵詞網絡成熟度高，各個重要節點聯系緊密。“多樣性”成為出現頻次最高的節點，“碳”、“有機質”、“微生物生物量”中心度突出，深入探究土壤微生物在養分循環轉化中的作用機理[30-31]。圖6 c）中“微生物群落”、 “生態系統Ecosystem”、“生物多樣性Biodiversity”相聯系，表明科研人員更加關注陸地生態系統中土壤微生物群落組成，土壤微生物多樣性對于生態環境變化的響應[32]。在微生物與生物地球化學過程中，微生物群落或者個體對于氣候變化的響應機制研究也是重要研究內容[33]。“多樣性”、“微生物群落”、“根際”、“植物”相互連接，對于根際的研究更加關注微生物對植物生長及養分吸收的作用機理方向[34]。

圖5 高被引論文的年度被引總頻次變化情況Fig. 5 Change in annual total citation frequency of the highly- cited papers

圖6 國外學者發表的土壤微生物研究領域文獻的關鍵詞共現網絡圖譜Fig. 6 Keyword co-occurring network atlas of the literature contributed by foreign researchers in the field of soil microorganism

2.6 國內近30年不同時期的高頻關鍵詞

為得到國內土壤微生物領域研究熱點的演變過程，將1990—2018年發表的論文劃分為3個時間段：1990—2000年、2001—2010年、2011—2018年。針對不同時間段進行關鍵詞共現分析，構建網絡圖譜。1990—2000年國內發表論文數量少，研究內容分散，關鍵詞出現頻率低，交互聯系少，難以形成關鍵詞共現網絡。圖7 a）中“微生物生物量”、“多樣性”、“細菌”、“根際”、“動態”、“碳”、“氮”、“有機質”是出現頻率較高節點。2001—2010年國內土壤微生物研究處于緩慢發展階段，單個節點較多，但也出現一些相關聯的節點。“氮”、“碳”、“氮礦化”、“硝化過程”、“有機質”、“分解”、“動態”關鍵詞聚集，說明國內學者主要關注土壤微生物對有機質轉化，碳氮養分循環的作用[35-36]。隨著實時PCR、變性梯度凝膠電泳DGGE、磷脂脂肪酸PLFA等分子生物學技術方面關鍵詞的增加，增強了對微生物生物量、微生物群落結構和多樣性的研究[37-38]。圖7 a）中出現了“細菌群落Bacterial community”、“森林土壤Forest soil”、“AMF”等紅色的突發性節點，說明相關研究主題的活躍性。2011—2018年國內土壤微生物發文量增長迅速，不同研究熱點間的聚集和聯系更加豐富。“多樣性”和“微生物群落”的出現頻次突出，同時“多樣性”與其他節點連線較多。土壤微生物多樣性與碳氮轉化、有機質降解是研究熱點，“氨氧化細菌AOB”、“硝化”、“反硝化”相連接，探究氨氧化微生物在土壤硝化過程中所起作用[39-40]。“AMF”、“定殖Colonization”、“根際”和“磷”相連接，表明研究更加關注菌根真菌與植物的相互作用方式[41]以及菌根真菌提高植物吸收磷的作用機制[42]。“生物修復”、“降解Degradation”、“重金屬”、“污染土壤”聚集在一起且出現頻次不斷提高，污染土壤及其生物降解修復機制成為研究熱點。圖7 b）中“草原Grassland”、“呼吸Respiration”、“氣候變化Climate change”、“CO2升高Elevated CO2”、“微生物生物量”相互連接，探究氣候變化對土壤微生物多樣性和結構功能的影響[43-44]，說明土壤微生物對全球環境變化的響應機制是該時期的一個研究主題。

圖7 國內學者發表的土壤微生物研究領域文獻的關鍵詞共現網絡圖譜Fig. 7 Keyword co-occurring network atlas of the literature contributed by domestic researchers in the field of soil microorganisms

3 結 論

本文基于文獻計量學的可視化方法分析了1990—2018年的土壤微生物研究領域的文獻數據，發現國際土壤微生物領域的總發文量呈增加趨勢，各國間合作密切。中國的年發文量在2010年后大幅增加，但論文被引頻次低于美國和德國。美國在土壤微生物學領域具有很大的國際影響力，引領該領域的研究發展方向。中國科學院的發文量和總被引頻次均居于首位，且與國內外重要研究機構的合作不斷加強。此外，Applied and Environmental Microbiology、Soil Biology & Biochemistry、ISME Journal等均是土壤微生物領域的重要期刊。由關鍵詞網絡分析可知，國際上土壤微生物研究在土壤養分循環、全球環境變化和污染土壤修復等方面取得重大進展。中國土壤微生物學的研究網絡形成稍晚，但發展迅速，研究內容逐漸與國際研究方向保持一致。其中土壤微生物的群落組成、多樣性和功能的時空演變規律、驅動機制是土壤微生物學的主要研究方向之一。同時應加強土壤養分轉化的微生物驅動機制，地上植物與地下微生物相互作用的研究，有助于提升土壤肥力，提高養分利用率，更好地服務于農業生產；加強土壤微生物與全球變化的研究，深入研究溫室氣體產生和氧化的微生物機理及其對全球變化的響應；土壤微生物-植物的聯合修復技術是土壤污染修復領域的重要途徑；增強對關鍵微生物類群的研究，微生物類群間的正反饋作用機制，定量研究微生物功能群的作用。