基于文獻計量法的土壤細菌研究進展*

鐘菊新，唐紅琴，何鐵光，李忠義，李強

(1.中國地質科學院巖溶地質研究所，自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室，廣西桂林，541004；2.聯合國教科文組織國際巖溶研究中心，廣西桂林，541004；3.廣西農業科學院農業資源與環境研究所,南寧市，530007)

0 引言

土壤細菌作為數量最多、豐度最高，生物功能多樣的微生物類群，在驅動陸地生態系統中的生態過程、物質循環和能量流動方面發揮著重要作用[1]。土壤細菌研究發展歷程主要經歷了3個時期：20世紀90年代前，微生物數量和種類的研究主要基于傳統分離培養技術[2]；20世紀90年代后，DNA指紋圖譜技術傾向于研究優勢類群，對稀有類群檢測有限，且土壤細菌多樣性研究略為粗淺[3]；隨著21世紀高通量測序技術的發展和生物信息學的應用，土壤細菌研究才得以迅速發展，主要集中在土壤細菌群落組成、多樣性和內在驅動機制，研究范圍從局部擴展到全球細菌分布[4]。此外，土壤細菌的功能作用引起廣泛關注。土壤細菌在土壤環境中參與動植物降解過程[5]，釋放養分，驅動土壤中碳、氮、硫、磷等重要元素的生物地球化學循環[6]，在土壤污染修復過程中也發揮著重要作用[7]，對于穩定生態系統具有重要意義，被認為是土壤養分的“轉化器”、環境污染物的“凈化器”和生態系統的“穩定器”[8-9]。

近年來，土壤細菌研究已成為多學科滲透的綜合邊緣微生物科學，面臨著諸多機遇與挑戰。在技術迅猛發展的時代，系統梳理土壤細菌的研究進展和熱點內容，有利于強化土壤微生物機理研究的知識積累與理論創新能力。而文獻計量學是將數學和統計學的相關理論運用于文獻情報研究的一門交叉學科[10]，其優勢在于能直觀清晰的展現出知識框架和研究熱點。因此本文基于文獻計量學分析法，借助CiteSpace和VOSviewer工具，對2010-2020年Web of Science核心合集數據庫中土壤細菌相關文獻進行可視化分析[11-12]，以獲取近10年來土壤細菌研究領域的研究進展和前沿，形成相應的學科知識圖譜，為該領域研究者跟蹤研究前沿、把握研究方向提供理論參考。

1 數據采集與分析方法

為全面掌握國際土壤細菌研究領域的情況，將Web of Science(WOS)核心合集數據庫作為文獻檢索數據庫，“soil bacteria”為檢索主題，檢索時間跨度為2010—2020年(11年)，共檢索文獻34 918篇，將記錄內容以“全記錄與引用的參考文獻”檢索結果保存成.txt 格式文件。利用WOS自帶檢索功能，對土壤細菌研究領域的總發文量、國家/地區的發文量進行定量分析；采用CiteSpace軟件(5.7.R2)對研究機構、作者合作關系進行定量分析[13-14]；利用VOSviewer軟件對關鍵詞共現進行可視化[15]。

2 結果與分析

2.1 國家/地區發文量分析

根據Web of Science分析檢索結果報告，2010—2020年，土壤細菌領域共有文獻34 918篇。對該領域的總發文量和主要國家/地區發文量進行統計分析，結果如圖1、圖2所示。

從總體上看，國際上土壤細菌領域文章發文量呈現平穩上升趨勢，未達到飽和狀態(圖1)。從圖2可以看出，中國是土壤細菌領域發文量最多的國家，共計9 458篇，占總發文量的27.09%；美國位居第二，共計6 102篇，占17.48%；第三位是印度，共計2 886 篇，占8.27%；其后依次為德國、韓國、法國、澳大利亞、日本、加拿大和英格蘭。僅中國和美國在土壤細菌領域的發文量已占世界總發文量的47.16%，說明中國和美國在土壤細菌研究領域具有較強的綜合科研實力。

圖1 2010—2020年土壤細菌領域發文量Fig.1 Number of published articles in soil bacteria field from 2010 to 2020

圖2 2010—2020年期間主要國家發文量Fig.2 Number of published articles of major countries from 2010 to 2020

值得注意的是，2010—2012年期間，美國的發文量高于中國，但自2013年起，中國的土壤細菌發文量逐漸超越美國及其他國家，總體呈現跨越式增長(圖1)。主要原因在于中國科學院在2012年啟動“土壤與土壤生物學發展戰略研究”項目[16]，為科研工作者提供了研究平臺。隨后中國科學院戰略性先導科技專項(B類)“土壤—微生物系統功能及其調控”“中國微生物組計劃”等土壤生物研究政策的出臺，進一步推動了中國土壤細菌領域研究的發展[17-18]。

2.2 研究機構和作者合作關系分析

利用CiteSpace軟件對土壤細菌研究領域內發表的34 918篇文章的研究機構和文章作者進行分析。時間跨度設置為2010—2020年，時間切片為2年，數據選取TOP30。節點設置分為Institution(研究機構)和Author(作者)，得到排名前10位的科研機構、作者排名表(表1)，研究機構合作關系網絡圖譜(圖3)和文章作者合作關系圖譜(圖4)。

表1 2010—2020年土壤細菌領域發文排名前10的研究機構和作者Tab.1 Top 10 countries and authors of the number of published articles in soil bacteria field

圖3 土壤細菌領域研究機構合作關系網絡Fig.3 Institutions cooperative networks in soil bacteria field

圖4 土壤細菌領域作者合作關系網絡Fig.4 Authors cooperative networks in soil bacteria field

在科研機構方面，中國的科研機構發文量占據主導地位，發文量排名前10的機構中，中國的科研機構占據6位。中國科學院(Chinese Academy of Sciences)發文量最高，發文數量為2 212篇，其次是中國科學院大學(University of Chinese Academy of Sciences)、南京農業大學(Nanjing Agricultural University)、浙江大學(Zhejiang University)、中國農業科學院(Chinese Academy of Agricultural Sciences)、西班牙高等科學調查委員會(CSIC)、俄羅斯科學院(Russian Academy of Sciences)、法國農業科學院(INRA)、中國農業大學(China Agricultural University)和美國加利福尼亞大學(University of California)。

在科研合作方面，由圖3可知，中國科學院(Chinese Academy of Sciences)年輪最大，與各個機構之間連線較多，表明中國科學院在土壤細菌研究領域的國際影響力較強，與眾多研究機構聯系較為密切，對土壤細菌研究領域的貢獻較大。該領域的成果主要發表在InternationalJournalofSystematicandEvolutionaryMicrobiology、SoilBiology&Biochemistry、FrontiersinMicrobiology等期刊(表2)，JCR分區在Q1-Q4中均有分布。其中SoilBiology&Biochemistry(SBB)分屬JCR分區的Q1區，是土壤細菌領域的TOP期刊，InternationalJournalofSystematicandEvolutionaryMicrobiology是細菌分類和系統發育方面的經典期刊，發文數量最多。

表2 2010—2020年土壤細菌領域發文前10位期刊Tab.2 Top 10 journals of the number of published articles in soil bacteria field

在研究作者方面，發文量排名前10的作者中，中國作者有4位，分別是李文均(Li WJ)、賀紀正(He JZ)、沈其榮(Shen QR)和朱永官(Zhu YG)。來自德國的作者有2位，英國、韓國、荷蘭、澳大利亞等國家的作者均為1位。結合圖4可知，發文作者身后有相對穩定的研究團隊，且呈現區域性的合作關系。中國在該領域內發文數量最多，且科研機構和發文作者均占主導地位，進一步說明我國在土壤細菌領域研究具有廣泛影響力。

2.3 研究熱點分析

利用VOSviewer軟件對WOS核心合集獲取的數據進行關鍵詞共現分析，得到排名前20位的高頻關鍵詞(表3)和關鍵詞共現關系網絡圖譜(圖5)，反映出近10年來土壤細菌領域的研究熱點。由圖5知，關鍵詞聚類自動劃分為4個模塊。

圖5 2010—2020年土壤細菌研究領域關鍵詞共現關系網絡Fig.5 Keywords co-occurring networks in soil bacteria field from 2010 to 2020

表3 2010—2020年關于土壤細菌領域的高頻關鍵詞Tab.3 Top 20 high-frequency keywords of soil bacteria field

1)綠色模塊主要是土壤細菌研究方法。Soil bacteria為本文研究的關鍵節點，該節點同顏色延伸出的關鍵詞分別為16S rRNA基因(16S rRNA Genus)、分離鑒定(Identification)、菌株庫(Sp.nov.)、基因庫(Gen.nov.)等，表明近10年來土壤細菌領域主要注重分離培養獲得細菌菌株和高通量測序技術獲得細菌基因序列。

2)紅色模塊主要是研究土壤細菌群落和多樣性。聚類圖中關鍵節點為微生物群落(Microbial community)和多樣性(Diversity)，表明近年來土壤細菌研究領域的重點和關鍵主要集中在土壤細菌多樣性產生與維持機制上，包括土壤細菌群落分布及群落構建過程。與該節點相連的關鍵詞分別為碳(Carbon)、氮(Nitrogen)、有機質(Organic matter)和草地(Grassland)等，表明土壤細菌群落分布與生態系統功能密切相關，是土壤細菌領域的另一研究熱點。

3)黃色模塊主要側重研究土壤細菌在維持植物生長與土壤環境健康的作用。其關鍵節點為植物生長(Plant-growth)、根際(Rhizosphere)，強調了地上植物與地下微生物的互作關系，表明了根際微生物在土壤環境中的重要作用。

4)藍色模塊則為研究土壤細菌降解環境污染物的作用機理。紅色聚類中關鍵詞有生物降解(Biodegradation)、生物修復(Bioremediation)、重金屬(Heavy metals)和累積(Accumulation)等，表明土壤細菌在降解與轉化環境污染物、修復土壤方面發揮著顯著作用。

綜合來看，目前土壤細菌研究的領域主要集中在土壤細菌研究方法、土壤細菌多樣性研究和土壤細菌的功能特征三個方面。

2.3.1 土壤細菌研究方法

近10年來，分離培養和高通量測序技術是對土壤細菌加以注釋的主要方法。分離培養技術能直接了解微生物的生理生化特征，但細菌種類繁多，且絕大多數不可培養，傳統的分離培養技術不能滿足科研需求。而隨著PLFA圖譜分析、BIOLOG技術、DNA指紋圖譜等分子生物學技術的興起，不依賴傳統的分離培養技術，便可對土壤環境中的微生物群落進行分析[19]。此外，高通量測序和質譜技術的革命性突破，對微生物群落組成的描述能達到屬或亞屬水平，并能評估其單個基因水平上的功能潛力及其表達[20]，推動了土壤微生物生態學的發展。例如，16S rRNA高通量測序技術能描述微生物群落組成，微生物組學能描述特定微生物群落的碳、氮元素的轉化和利用[21-22]，增強了人們對細菌群落及功能的認識。但是，如何將微生物特性和生態系統功能聯系起來，仍有較大困難[20]。因此，必須借助新興技術對土壤細菌功能特征進行研究，將微生物特性和生態系統功能聯系起來，包括單一的功能(如養分循環[23]、有機質分解[24]，植物生產力[25])和生態系統多功能[26]。同時需要回歸傳統的分離培養技術，識別特定功能菌株，并對其進行功能驗證才是土壤微生物研究的根本。

2.3.2 土壤細菌多樣性研究

土壤細菌多樣性研究內容包括土壤細菌的空間分布格局及對環境的響應和群落構建過程。土壤細菌空間分布格局及對環境的響應機制體現在兩個方面：一是海拔多樣性格局，二是基于地理距離的分布格局。在海拔多樣性格局上，隨海拔升高，土壤細菌多樣性呈現單峰模式[27]，或隨海拔升高而降低[28])或未呈現明顯的遞減或單峰模型[29]，表明了土壤細菌隨著海拔的升高，土壤細菌多樣性變化規律不具有一致性，這種不一致性是由不同環境因子導致的，如植被類型、土壤pH[30]、土壤溫度和碳氮比[31]等?；诘乩砭嚯x的分布格局上，Delgado-Baquerizo等[32]通過對全球237處樣點進行研究，揭示了全球土壤細菌的分布格局，發現全球近一半土壤細菌群落被占2%細菌系統發育類型所占據。在此基礎上，Delgado-Baquerizo等[33]發現土壤細菌的多樣性極高，但豐富類群相對較少，這種現象主要受土壤pH、植被類型和土壤碳含量的影響。而Shi等[34]基于土壤的細菌群落變異與空間和環境關系研究，發現華北平原中部的土壤細菌多樣性最高，這種多樣性的空間差異主要是由放射菌和α-變形桿菌引起的。由此可見，土壤細菌的空間分布格局除了受環境因子驅動外，還受土壤細菌群落自身的影響。

當前對土壤細菌群落研究已深入到群落構建機制中，明確土壤細菌群落構建過程和群落結構以及功能之間的關系，是近年來微生物生態學研究的熱點[35]。微生物群落構建被劃分為確定性過程(勻質性選擇和異質性選擇)和隨機性過程(擴散限制和勻質性擴散)[36-37]，前者強調環境選擇作用對微生物群落構建的影響[38]，后者則強調均質環境下微生物群落普遍存在的種—面積關系或距離—衰減關系模型[39-40]。已有較多的研究表明，群落構建理論可以用來解釋土壤微生物群落的構建過程，尤其是土壤細菌關注更為密切。Zhao等[41]通過對黃土高原亞高山針葉林的土壤細菌研究，發現細菌群落構建過程受隨機性和確定性過程交互影響，但確定性過程始終占主導，土壤有機碳(SOC)是驅動群落結構和多樣性格局的主要影響因子。Feng等[42]研究我國東北玉米地土壤細菌群落，發現隨著空間尺度增大，群落構建過程由勻質性擴散轉變為異質性選擇，隨機性過程和確定性過程分別解釋了33%和57%的空間周轉速率，揭示了微生物群落構建過程中的距離—衰減模式。而Liu等[43]基于零模型研究發現，隨著時間尺度增大，土壤肥力不斷增加，具有環境選擇偏好的確定性過程作用逐漸突顯，揭示了農田生態系統可持續性發展的微生物構建機制。此外，Xun等[44]研究土壤微生物多樣性對群落構建的影響，發現在高多樣性群落中隨機性過程占主導，由于特定微生物功能類群減少，低多樣性群落中確定性過程占主導地位，這種低多樣性誘發的確定性群落構建過程很有可能限制該群落的功能，這一發現對揭示生態系統功能有潛在作用。

2.3.3 土壤細菌功能特征

土壤細菌作為微生物最大的類群，在促進生物地球化學循環、污染物降解、維持植物和土壤健康方面有重要作用。土壤微生物復雜多樣的代謝活動促進了土壤元素的遷移和轉化，解析元素在生物地球化學循環的微生物機制，是維持生態系統功能的關鍵環節[16,45]。土壤細菌普遍參與到碳、氮、硫、磷等元素的生物地球化學循環過程。例如，在厭氧和缺氧環境中，硫酸鹽還原細菌通過多種代謝途經(反向產甲烷途經、乙酸生成途徑、甲基化途經、S0介導途經)參與甲烷厭氧氧化還原過程[46]，向大氣中釋放CH4氣體。在氮循環過程中，高溫促使氨氧化細菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的合成代謝轉變為分解代謝，增加了土壤硝化和反硝化速率，導致N2O排放增加[47]。同時，參與脫氮代謝的氨氧化細菌將Fe3+代替NO2-作為電子受體，參與到金屬鐵離子的氧化還原過程[48]。此外，土壤細菌會對外源要素的添加產生響應，進而影響元素之間的遷移和轉化。例如，外源氮添加能改變土壤微生物群落的代謝能力，降低微生物活性，產生難以分解的土壤碳庫群落，導致土壤碳的固存量增加[49]。

除了元素循環，土壤細菌在降解和轉化土壤污染物，改善土壤質量方面發揮了舉足輕重的作用。研究者們致力于探索和發現特定微生物群落，利用其特有的功能達到降解和消除土壤污染物的目的，以促進土壤健康的可持續性發展。土壤細菌去除有機污染物(多環芳烴、農藥、多氯聯苯等)主要是通過降解和轉化來實現的，如在有氧條件下，特定土壤細菌通過羥基化雙加氧、脫氫以及開環雙加氧等環節實現多環芳烴的降解[50]。近年來，研究人員已發現多種生物降解菌對土壤有機污染物有良好的降解效果。例如，Zeng等[51]利用菲替代芘的降解模型，分離出6種細菌菌株(Bosea,Arthrobacter,Paenibacillus,Bacillus,and Rhodococcus)能有效降解多環芳烴。嗜酸寡養單胞菌通過氯基羥基化和氰基水化代謝降解百菌清(殺蟲劑)[52]，新發現的一類克雷伯氏菌(Klebsiella jilinsis 2N3)能夠快速降解氯脲乙基(除草劑)[53]，對農藥造成的土壤污染有一定的修復作用。與有機污染物降解不同，土壤微生物不能直接降解重金屬，其去除機制主要包括生物吸收和富集、溶解和沉淀、氧化還原等作用[54-55]。例如假單胞菌屬、腸桿菌屬、芽孢桿菌屬和微球菌屬等具有優異的吸附能力，被用作生物吸附劑[7]；汞抗性細菌通過分泌MerA酶將Hg2+還原為毒性較低的單質Hg，被用作還原劑[56]。此外，植物根際促生菌(Plant Growth Promoting Rhizobacteria，PGPR)與地上植物共生能提高植物的抗逆性，緩解重金屬脅迫帶來的毒性，對維持植物和土壤健康有促進作用[57]。例如，大豆植株接種鞘氨單胞菌后能降低Cr(鉻)向根、莖、葉的轉運速率和Cr誘導的氧化應激反應，提高了鉻污染中的土壤生物修復能力和宿主生理穩態[58]。

3 結論和展望

3.1 結論

本文借助文獻計量分析工具，對2010—2020年土壤細菌領域相關文獻進行了統計分析和結果可視化。分析結果顯示了近10年來土壤細菌領域內文獻發表數量、核心發文國家、機構、作者以及來源期刊等基礎內容，并利用關鍵詞共現圖譜重點闡述了該領域的研究熱點。

1)近10年來，土壤細菌研究領域的發文量呈現持續上升趨勢，未達飽和狀態，說明土壤細菌研究領域具有較廣闊的發展前景。

2)中國和美國在土壤細菌研究領域具有較強的綜合科研實力。自2013年起，中國的發文量遠超美國，成為該領域發文數量最多的國家；排名前10位的科研機構和學者發文量中國分別占據6位和4位，占據主導地位，在國際上具有較強的影響力。

3)土壤細菌研究方法，土壤細菌多樣性產生和維持機制(包括細菌群落的空間分布和環境響應機制、細菌群落構建過程)以及土壤細菌功能特性(生物地球化學循環、微生物修復等)是近10年來土壤細菌研究領域的研究熱點和未來持續發展的研究方向。

3.2 展望

近年來，土壤細菌研究取得了眾多的進展，包括對土壤細菌多樣性和功能特征的認識。土壤細菌種類繁多，生物資源豐富，具有很強的應用前景，但受研究方法和手段的制約，人們對優勢細菌類群認識較多，稀有類群認識過少，且絕大部分細菌種類尚未可知。這就需要技術的不斷創新和突破，對未知微生物加以注釋，并結合傳統分離培養技術，驗證功能菌株，使微生物資源得以開發利用。

另外，人們對微生物特性和生態系統功能缺乏更深層次的了解，需要將土壤—微生物—植物的相互作用聯系起來。地上植物的營養輸入到土壤養分輸出過程都有微生物的參與。地上植物與地下微生物互惠共生過程中，微生物特異性酶分泌形成的化合物被認為是植物根際的“通信語”，能夠連接植物之間的地下信息網絡，傳遞信號，刺激植物根際效應和土壤生物之間的相互作用，從而實現土壤的資源轉移，對土壤養分循環和植物病原免疫具有重要意義[59]。因此，了解地上—地下生物特性與生態系統功能的關系有廣闊的發展空間，在未來的微生態環境研究過程需要加強土壤中動植物功能屬性和生態系統功能屬性的整體研究。