基于文獻計量分析的黑土研究熱點與發展趨勢

郭京梅 付保榮 * 趙磊 張潤潔 李銘 劉峰

（1. 遼寧大學環境學院，遼寧 沈陽 110036；2. 營口市環境工程開發有限公司，遼寧 營口 115000）

1 引言

黑土是肥力最高、最適宜農耕和最具生產潛力的土壤，因其所占比例小且不可復制而被人們視為寶貴資源，又因退化嚴重而備受關注［1］。黑土分布區是重要的糧食基地，又被稱為“耕地中的大熊貓”，它的生產力不僅與其自身理化性質、人類活動相關，還與黑土的母質、地形條件、形成演化有密切關系［2］。自天然黑土開墾以來，由于管理不善、土壤污染、化學養分流失、物理結構和生物活性的變化，黑土肥力迅速退化，土壤生產力降低，同時破壞了水土資源甚至生態環境［3］。在全球大規模開墾背景下，研究黑土的研究概況、研究熱點與發展趨勢，對全球黑土資源的可持續利用和人類社會的可持續發展具有不可低估的現實意義。

文獻計量學是一種基于數學統計的定量分析，它以科學文獻的外部特征為研究對象，通過分析文獻的變化規律、數量關系、結構分布，進而客觀量化某領域或學科的整體趨勢、未來熱點、前沿動態，廣泛應用于研究文獻規律、評價學術水平以及分析研究動態等方面。為分析國際和國內黑土領域的研究態勢，本文通過評價Web of Science（WOS）1900—2022 年黑土領域相關文獻，借助WOS 自帶分析工具、VOSviewer 可視化分析軟件和HistCite 引文圖譜分析軟件，試圖揭示該領域的發展歷程、研究趨勢和熱點等，以期促進黑土領域的深入研究，并為相關領域的學者在今后的研究中提供參考信息。

2 材料與方法

2.1 數據來源

本文研究以Web of Science 數據庫中的WOS核心合集為數據源，選用高級檢索，檢索的主題詞設置為TS＝（Phaeozem* OR ＂Prairie soil＂ OR Mollisol*OR Chernozem* OR ＂black soil＂ OR ＂black soils＂ OR＂black earth＂ OR ＂dark soil＂ OR ＂dark soils＂），設置檢索時間限定為1900—2022 年，得到的文獻數量為8 224 篇。

2.2 研究方法

利用WOS 數據庫自帶的文獻計量分析功能、VOSviewer 可視化分析軟件、HistCite 引文分析軟件、Excel 2019 以及Origin 2019 繪圖軟件，對黑土的發文總量及趨勢、主要發文期刊、國家、機構、作者、合作關系、研究熱點及變化趨勢等進行計量分析。

3 結果與分析

3.1 發文量及年度變化趨勢

從整體上來看，國內外關于黑土的發文量隨時間呈波動上升趨勢，在研究過程中，按照時間將發文量分為3 個不同的階段。第一階段（1900—1978 年）為起步階段，相關文獻數量較少，只有24 篇，最早的文獻發表于1905 年；第二階段（1979—2007 年）為逐步增長階段，國外針對黑土的基本理化性質［4］、土壤生物量及農業管理［5-6］等研究較多，與此同時，這個階段中國大規模開荒墾殖黑土［7］，中國對于黑土的研究日益增加；第三階段（2008 年至今）為快速發展階段，這段時間推測是由于世界人口增長，人們對于糧食的需求量增大，人類活動頻繁，黑土退化嚴重［8］，進而一系列負面影響開始顯現，專家學者們開始重視，研究數量增加。1900—2022 年有關黑土文獻年度發文量見圖1。

圖1 1900—2022 年有關黑土文獻年度發文量

3.2 學科及來源期刊分析

從學科角度來看，檢索到的黑土領域的文獻涉及109 個相關學科，已有的研究主要集中在自然科學領域。主要學科類別是土壤科學、農學、環境科學、植物科學、生態學、水資源等。該領域共有1 463 種期刊，發文量前4 位的期刊依次為Eurasian Soil Science，Canadian Journal of Soil Science，Geoderma，Soil ＆ Tillage Research，表明這些期刊是該領域內的核心期刊，為研究人員投稿提供參考意見。雖然Eurasian Soil Science 期刊的發文量最高，其總被引頻次較低，但是Eurasian Soil Science，Canadian Journal of Soil Scienc 和Soil ＆ Tillage Research 期刊的本地被引頻次位居前3 位，表明這些期刊在黑土研究方面的影響力相對較大。

3.3 主要研究力量

3.3.1 發文國家分析

該領域文獻涉及國家共119 個，其中發文量前10 位的國家是中國、俄羅斯、美國、加拿大、德國、印度、匈牙利、捷克、波蘭、烏克蘭，10 個國家發文總和為7 105 篇，占總量的86.39%。其中中國以1 671 篇的發文量位居第一，領先于其他國家。中國在黑土研究領域作出了卓越貢獻，同時暴露出中國黑土問題日益嚴峻。1900—2022 年黑土領域重要發文國家及相互間合作關系圖譜見圖2。

圖2 1900—2022 年黑土領域重要發文國家及相互間合作關系圖譜

3.3.2 重要研究機構分析

HistCite 引文分析得該領域文章涉及3 884 個研究機構，前10 個研究機構中有4 個來自中國，其中中國科學院本地總被引頻次2 409 次，發文量747篇，占總發文量的9.08%，以絕對優勢位居第一，遠高于俄羅斯科學院（461 篇），可見中國科學院在黑土研究領域作出的突出貢獻。中國科學院與中國科學院大學、北京師范大學、黑龍江農業科學院、吉林農業大學、加拿大農業及農業食品部、美國農業部農業研究局等國內外多個研究機構均有合作。1900—2022 年黑土領域重要研究機構及相互間合作關系圖譜見圖3。

圖3 1900—2022 年黑土領域重要研究機構及相互間合作關系圖譜

3.3.3 重要作者分析

黑土研究領域共涉及14 800 位作者，前10 位發文作者中有7 位來自中國，3 位來自加拿大。來自中國的7 位學者，除來自東北農業大學的Zhang Y（張穎）和吉林省農業科學院環境研究所研究員Zhu P（朱平）外，Liu X B（劉曉冰）、Han X Z（韓曉增）、Jin J（金劍）、Wang G H（王光華）等學者均來自中國科學院東北地理與農業生態研究所。來自加拿大的學者中，Campbell C A 與Zentner R P 來自同一個研究機構（加拿大農業及農業食品部），Malhi S S來自University of Alberta（阿爾伯塔大學）。由作者合作關系（見圖4）可知，以學者Liu X B 為核心的作者群包括Jin J，Liu J J，Yu Z H 等，他們與Han X Z，Zhang X Y，Zhang X P 等學者合作密切，以學者Campbell C A 為核心的合作緊密的學者有Zentner R P，lafond G P 等，黑土領域內研究文獻的作者分布具有明顯的核心作者群，以中國的學者居多，但存在與國外學者交流合作較少的問題。1900—2022 年黑土研究重要作者及其之間合作關系圖譜見圖4。

圖4 1900—2022 年黑土研究重要作者及其之間合作關系圖譜

4 研究重點與發展趨勢

4.1 黑土領域關鍵詞共現網絡

基于VOSviewer 軟件，選取高頻關鍵詞，構建黑土研究領域關鍵詞共現網絡（見圖5），刊載頻次居前5 位的關鍵詞依次是：soil（土壤）824 次、nitrogen（氮）596 次、carbon（碳）557 次、organic－matter（有機物質）552 次和black soil（黑土）488 次。根據關鍵詞共現網絡，黑土相關研究可劃分為5 個聚類，不同聚類代表不同研究內容，對自1900 年以來黑土研究重點與發展趨勢進行歸納與總結。

圖5 1900—2022 年黑土領域研究熱點分布

4.2 研究重點與發展趨勢分析

4.2.1 土地利用對土壤侵蝕與退化的影響

土地利用方式的改變會影響土壤養分的循環與供應，直接造成土壤質地和土壤結構的變化，進而引起土壤侵蝕與退化，并且對土壤有機碳及腐殖質組分產生負面影響。圖5 中關鍵詞water（水）、land use（土地利用）、organic carbon（有機碳）、erosion（侵蝕）和soil properties（土壤性質）等出現的頻次較高。黑土大部分是在草地上發育而成，土地利用變化導致黑土土壤侵蝕與退化甚至可能導致黑土層變薄乃至部分消失，其土壤有機質含量下降，生產力降低。在土壤侵蝕與退化的研究中，土壤性質和相關水力參數是侵蝕研究的重要參數，同時，土壤水分保持、土壤導水率和土壤入滲也會影響土壤侵蝕的時間變化［9］。然而，土地利用與土壤性質變化可能是一個長期的過程，因此，獲取長期數據來分析這種變化對土壤侵蝕的綜合影響，通過建模方法和實驗室實驗，重點研究減少土壤侵蝕的關鍵侵蝕區和時期，估計影響土壤侵蝕的氣候因素，并在此基礎上，制定科學的土壤侵蝕與退化防治標準和技術規范是未來黑土的主要研究方向之一。

4.2.2 農耕對黑土的影響

黑土是重要的糧倉，隨著人口的不斷增長，人們對于糧食的需求越來越大，制定適當的耕作管理戰略以增加糧食生產是十分必要的。management（管理）、tillage（耕種）、fertilization（施肥）、yield（產量）、systems（制度）和crop rotation（輪作）等詞在關鍵詞共現網絡中出現頻次較高，表明了土地管理方式、耕作方式以及施肥制度對于產量的影響是黑土領域的研究熱點之一。其中，土地管理方式和耕作方式對作物產量的影響存在一定爭議，有一些學者認為耕作方式會顯著改變作物產量，長期免耕相較翻耕而言，作物產量更高［10］，也有一些學者認為，免耕降低或者對作物產量無顯著影響［11］。同時，不同施肥管理也是影響土壤肥力，改善土壤結構，進而影響作物產量的重要因素，有研究表明，有機肥替代化肥可以促進作物產量的穩定和提高［12］。今后還需要進一步探究不同土地管理方式、耕作方式和施肥制度等因素是如何影響黑土作物產量，探明土壤質量變化機制，不斷定量化、精確化，確保對黑土屬性預測的準確度，為黑土保護性耕作服務。

4.2.3 重金屬污染

近年來土壤污染治理問題也越來越成為社會關注的焦點，在關鍵詞共現網絡中，heavy－metals（重金屬）出現的頻次非常高，表明在黑土領域內重金屬的累積含量較高。在各種報告的污染物中，重金屬被認為是食品安全的最大威脅之一［13］。重金屬污染也是黑土健康質量下降的重要因素之一，重點被關注的重金屬主要包括Zn，Cd，Pb，Cu，Cr，Ni 等，其中Zn，Cd，Pb 出現的頻次最高，目前的研究也證實它們在黑土環境中呈明顯上升趨勢，Cd 是對土壤健康危害最大的重金屬［13-15］。在關鍵詞共現網絡中，adsorption（吸附）、sediment（沉積物）、plants（植物）、accumulation（積累）、migration（遷移）、bioavailability（生物利用度）和biodegradation（生物降解）等出現的頻次較高，可見重金屬累積效應、吸附和解吸過程、遷移特性和植物生態抗性等問題同樣引起了學者們的廣泛關注。

4.2.4 土壤微生物及酶活性

隨著黑土耕作環境的不斷惡化，土壤生物學活性的變化備受科研工作者的關注，biomass（生物量）、microbial community（微生物群落）、bacterial（細菌）等在關鍵詞共現網絡中出現次數均較高。根據manure（肥料）、long－term fertilization（長期施肥）和nitrogen fertilization（氮肥）出現的頻次以及高被引文獻中關于施肥對土壤微生物和酶活性研究的文章，可以看出施肥作為一項農業管理是近些年來黑土土壤微生物和酶活性研究領域的重點［16］。其中，施肥數量、種類、方式和時間長短的研究居多，這些研究在微生物多樣性、微生物群落結構和酶活性等領域有很大的參考價值［17］。已有的研究發現，長期不同施肥管理模式引起土壤有機碳、有效磷和土壤結構等發生明顯變化，這些因素直接或間接地作用于土壤微生物并改變其生理活性，進而影響土壤有機質的累積及周轉過程［18-19］。目前不同施肥管理對土壤微生物和酶活性影響的研究仍有局限性，未來的研究需要探究施肥對于黑土生物學活性的影響因素及演變趨勢。

4.2.5 土壤有機質（碳）

organic－matter（有機質）、carbon（碳）、dynamics（動態）和sequestration（封存）等在關鍵詞共現網絡中出現的頻次較高，說明對黑土土壤有機質（碳）的研究是目前的研究熱點之一。由于土壤侵蝕與退化、長期耕作和其他不適當的人類活動等，黑土失去了近2/3 的原有土壤有機質，大約1/2 的原有有機碳庫［20］。土地利用類型轉換是影響土壤有機質含量變化的重要因素之一，特別是黑土從自然土壤被墾殖后，耕作致使土壤物理結構被打破，土壤中的氧氣增加，礦化速率加快，從而土壤有機質被快速分解，加之外源性有機物質輸入量不足，土壤有機質含量相較自然黑土的含量明顯下降［21］。在土壤有機質含量下降的過程中，土壤有機碳的丟失不容小覷。黑土是重要的土壤碳庫，具有巨大的固碳潛能，但受人類活動的影響，有機碳因礦化作用而流失，部分有機碳以CO2或CH4的形式進入大氣，引起氣候變化。目前，對黑土有機質下降過程與成因的研究尚不足，需要進一步探究，與此同時，建立黑土利用與保護的監測、預警體系，創新黑土有機質保育與提升技術也是未來的研究重點之一。

5 結論

基于1900—2022 年發表的黑土研究領域的8 224 篇文獻的主要發文量、發文期刊、國家、機構、學者和研究熱點與發展趨勢等可視化分析，結果表明，世界范圍內黑土領域年度發文量呈逐漸增長的趨勢，Eurasian Soil Science，Canadian Journal of Soil Science，Geoderma 等是該領域主要的發文期刊。黑土的研究涉及多個國家之間的相互合作，發文量前3 位的國家是中國、俄羅斯和美國，其中發文量前3位的作者分別是中國的Liu X B、加拿大的Campbell C A 和Malhi S S。重要文獻大多數是綜述性文章，據研究熱點分布圖可知，黑土研究主要圍繞土地利用變化對土壤侵蝕與退化的影響、農耕對黑土的影響、重金屬污染、土壤微生物和酶活性、土壤有機質（碳）5 個方面進行。前期粗放的土地利用方式給土壤質量、人類生產生活帶來巨大損失，因此，加強土壤有機質保護與退化恢復的理論研究，探究土壤有機質穩定性機制問題，通過實驗定量比較黑土中各項物理、化學指標，如有機碳儲量和固碳率，分析黑土長期開墾以來不同植被類型、施肥制度和有機質輸入等因素對黑土發育過程的影響是未來黑土的主要研究方向。