基于文獻計量的國內外人工林土壤地力研究①

曹超陽，自海云，余 李，李孝剛，阮宏華

基于文獻計量的國內外人工林土壤地力研究①

曹超陽，自海云，余 李，李孝剛*，阮宏華

(南京林業大學生物與環境學院，南京 210037)

為了解國內外人工林土壤地力的研究進展和發展趨勢，采用文獻計量學方法，以中國知網(CNKI)和Web of Science核心合集數據庫相關文獻為數據源，利用VOSviewer、HistCite等工具，從國家、機構、作者、研究熱點方面對2021年之前的有關文獻進行了計量分析。結果表明：國內外該領域年發文量呈逐漸增長趨勢，國際上發文量前3位的國家是中國、美國和巴西；中國最先在該領域進行研究且與國際的合作交流較多，文獻總被引頻次位居前列；國內該領域發文機構主要為涉林高校及中國科學院下屬研究所，國際上美國俄亥俄州立大學發表的文獻質量明顯突出，引用頻次較高；現階段國內外在該領域的研究主要圍繞土壤微生物群落組成、土壤養分含量以及與土壤地力維持的關系，但多處在定量描述階段，很少涉及微生物功能代謝與人工林下有機物質周轉以及對土壤地力維持的影響機制，研究深度亟待提升。總之，國內外同行合作交流、學科間交叉融合以及新生研究力量的補充是未來有效提升該研究領域的關鍵所在。

生產力；土壤質量；土壤肥力；土壤退化；文獻計量分析

森林作為陸地最大的生態系統，是人類及各種生物生存和發展的基礎。自1998年以來，我國林業發展戰略已由以前的木材生產與生態建設并重階段轉變為以生態建設為主階段，其中人工林在生態環境的恢復和重建過程中作用突出，是我國增加碳匯、減緩氣候變化以及保護生物多樣性的重要支撐[1-6]。多年來，我國人工林面積穩步增加。據2018年第九次森林資源清查結果顯示，我國現有人工林面積為7 954萬hm2，居世界首位[7]。然而，由于人工林樹種單一、結構簡單、森林經營的粗放式管理，導致人工林生產力總體不高、土壤地力衰退等問題突顯，其已成為威脅生態環境保護、制約林業可持續發展的重要瓶頸[8-10]。

土壤是支撐林木生長和林業發展最重要的基礎資源。其中，土壤地力是指土壤滿足生產功能和生態系統服務的能力，由土壤物理、化學以及生物學共同作用的結果[11]。然而由于土壤質量或土壤肥力等與植物生長、土壤養分循環更為密切，在農業生態系統研究中使用頻繁。對于森林或人工林生態系統，外源營養投入較少，物質循環相對封閉，因此我國關于人工林的研究中土壤地力一詞常代替為土壤肥力或土壤質量[7,12]。文獻計量學是科研人員對某研究領域現狀進行分析時常使用的一種方法[13]，其以科學文獻的外部特征為研究對象，利用統計學原理評價某領域當前研究狀況，能清晰地了解領域知識結構及熱點內容，同時能預測未來研究趨勢[14-15]。目前文獻計量分析方法已在多個領域有所應用，如農業、林業、教育、醫學等，具有準確、客觀等特點，發展應用已較為成熟[14,16-18]。

現階段國內外關于人工林土壤地力方面的研究較多，但使用文獻計量學對人工林土壤地力領域進行的研究尚未有報道。基于文獻計量學的可視化軟件，通過提取分析引文數據，可形成可視化網絡知識圖譜，便于解讀分析，同時具有一定時效性。由此，本文以Web of Science核心合集數據庫1985—2020年以及CNKI數據庫2021年之前有關人工林土壤地力研究的論文為對象，利用VOSviewer可視化分析軟件、HistCite 引文圖譜分析軟件以及Web of Science自帶檢索結果分析，在發文量及趨勢、主要研究國家、主要研究機構、知名作者、高被引文獻、關鍵詞方面進行了計量學分析，對主要研究國家、機構之間的合作關系進行了可視化解讀，以探究當前該領域的研究熱點及發展趨勢，為后續學者在該領域的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

在CNKI數據庫中，以“(人工林 * 土壤肥力) + (人工林 * 土壤質量) +(人工林 * 土壤地力)”為主題進行檢索，起始年份不限，截至2020年12月31日，共檢索出729條成果。本文主要聚焦與喬木相關的人工林，因此逐一識別刪除了茶園、經濟林果、灌木林等歸類為人工林的研究文獻，共得638篇中文學術期刊文獻用于后續分析。在Web of Science核心合集數據庫中，以“plantation* AND "soil quality" OR plantation* AND "soil fertility" OR plantation* AND "site quality" OR plantation* AND "site fertility" OR artificial forest* AND "soil quality" OR artificial forest* AND "soil fertility" OR artificial forest* AND "site quality" OR artificial forest* AND "site fertility" OR man-made forest* AND "soil quality" OR man-made forest* AND "soil fertility" OR man-made forest* AND "site quality" OR man-made forest* AND "site fertility"”為主題進行檢索，時間1985—2020年，文獻類型為Article，共檢索出1 376條成果，同樣刪除了茶園、經濟林果、灌木林等歸類為人工林的研究文獻，獲得了1 051篇文獻用于后續分析。

1.2 研究方法

利用VOSviewer可視化軟件、HistCite引文分析軟件、Origin 2019繪圖軟件以及Web of Science自帶檢索結果分析，對國內外有關人工林土壤地力方面的文獻在發文量演變、主要研究力量、關鍵詞、高被引文章方面進行了計量分析。運用HistCite、VOSviewer軟件時，重要參數有總被引頻次、總聯系強度，其表示國家或機構與同行之間的合作關系，連線越多表示在該領域的影響力越大。

2 結果與分析

2.1 發文量

在CNKI數據庫中，有關人工林土壤地力的文獻于1979年首次發表，而在Web of Science數據庫中，美國學者于2001年首次發表相關文獻，可見我國學者對該領域研究的關注明顯領先國際同行。然而，最初十幾年在CNKI數據庫中相關文獻發文量較低(每年約4篇)，直到1995年，年發文量才達到10篇以上，隨后整體呈現逐步增加的趨勢，2013年發文量達到46篇，之后又呈現下降趨勢(圖1)。在Web of Science數據庫中，自2001年出現相關文獻以來，發文量整體呈上升趨勢，2017年也出現了下降，之后幾年發文量急速增加，2020年發文量高達124篇，是2017年的2倍之多(圖1)。中國學者于2003年開始在Web of Science數據庫發表相關文獻，2010年前呈現穩步增加態勢，之后呈現快速增加趨勢，截至2021年我國學者在Web of Science數據庫發文量約占該領域總發文量的23.3%。

圖1 CNKI數據庫、Web of Science數據庫以及中國在Web of Science數據庫發文量

2.2 主要研究力量

2.2.1 發文國家與機構 全球共有90多個國家致力于該領域的研究，在Web of Science數據庫中發文量前3位的國家分別是中國、美國和巴西(表1)。特別是，我國發文量為245篇，分別是巴西和美國的2倍和1.4倍，明顯領先世界各國。發文量排名前10位的國家共發表文獻983篇，占總發文量的93.5%。美國學者所發表文獻的總被引頻次以4 200次位居第一，中國、澳大利亞分別位列第二和第三(表1)。對國家合作網絡圖分析發現，我國、美國分別與國際上33、34個國家有合作交流，處于領先地位；其中美國、加拿大和澳大利亞等與我國合作交流最為密切，是促進我國開展人工林土壤地力研究的主要力量(圖2)。

在CNKI數據庫中，發文量前10位的機構共發表233篇文獻，占總發文量的36.5%，大多是我國涉林類高校(圖3)。發文量前3位的機構分別是：北京林業大學(34篇)、西北農林科技大學(31篇)以及中國林業科學院林業研究所(28篇)。在Web of Science數據庫中，有關該領域的1 397所研究機構中，Chinese Academy of Sciences(中國科學院)發表文獻的被引頻次(1 882次)位居第一，比第二United States Forest Service(美國國家森林局)(877次)和第三University of S?o Paulo(巴西圣保羅大學)(855次)引用之和還要多(圖2)。總被引頻次排名前30位的機構中，有8個來自中國，占比接近1/3，領先世界各國(圖2)。從發文量來看，Chinese Academy of Sciences以 81篇發文量位居第一，是第二名United States Forest Service的2.6倍。發文量前10位的機構中，有5個來自中國。

表1 Web of Science數據庫人工林土壤地力領域發文量前10位的國家

2.2.2 國內外發文作者 在CNKI數據庫中，該領域涉及1 763位作者，被引頻次前10位的作者中有7位在20世紀90年代就已發表有關研究論文。其中，俞新妥以818次總被引頻次位居第一，其早在1992年就發表了有關杉木人工林地力和養分循環研究的文獻，目前共發表12篇有關文獻，針對杉木人工林土壤地力衰退，提出了不同樹種混交、林地間作等措施來改善土壤地力狀況。楊承棟和汪思龍分別以707、667次總被引頻次排名二、三，兩人到目前都發表了9篇有關文獻。此外，馬祥慶以及楊玉盛等也在該領域發表了不少文獻，具有一定的影響力(表2)。

(圖中圓圈大小表示文獻的總被引次數，連線表示兩者之間的聯系強度，線條越粗表示聯系越強。國際上該研究領域共93個國家，圖A中僅展示68個國家合作關系；全球共1 397個相關機構，圖B中僅展示96個重要機構的合作網絡)

圖3 國內人工林土壤地力領域主要研究機構

表2 CNKI數據庫人工林土壤地力領域被引頻次前10位作者

在Web of Science核心合集數據庫中，該領域共3 906位作者，總被引頻次前10位的作者中，7位屬于法國和美國，這10位學者開始發文時間均在2000年之后。美國學者Lal R以782次被引位居第一，其所發表的文獻被多數人認可(表3)。在發文時間上，國際上Ranger J、Laclau J P分別于2002年、2003年發表相關文獻，中國學者Zhu J J(朱教君)發文數量較多，但2010年才首次發表該領域文獻，這也導致總被引頻次稍低于國際上一些作者(表3，圖4)。

2.3 關鍵詞

對文獻關鍵詞進行分析，可以展現該領域的知識圖譜，把握不同知識領域之間的聯系，挖掘新的研究熱點[19-21]。在CNKI數據庫中，該領域文獻整體呈現出“土壤肥力”“人工林”“土壤養分”“杉木”“土壤理化性質”“土壤”等6個彼此間聯系緊密的關鍵詞聚類(圖5)。與“人工林”“土壤肥力”聯系緊密的關鍵詞有“杉木”“桉樹”“馬尾松”等樹種，以及“土壤酶”“微生物”“土壤養分”等因子，表明相關學者主要針對分布較廣的人工林類型開展了土壤微生物及養分方面的研究。地力衰退與杉木之間的聯系較為緊密，說明我國對杉木人工林地力衰退進行了大量研究。值得注意的是，近年來“林齡”“生物多樣性”“可持續發展”等關鍵詞逐漸出現，今后相關研究可能更多關注人工林生態功能與服務價值。

表3 Web of Science數據庫人工林土壤地力領域總被引頻次前10位作者

(圖中圓圈大小表示作者的發文數量，僅展示發文量排名前20位的作者)

在Web of Science數據庫中，通過關鍵詞共現網絡分析發現，國際上對該領域的研究逐漸形成了以“Soil fertility(土壤肥力)”“Soil quality(土壤質量)”“Soil organic carbon(土壤有機碳)”“Soil properties(土壤性質)”“Biomass(生物量)”為核心的5個聚類群(圖5)。與“土壤肥力”“土壤質量”關聯緊密的關鍵詞有“微生物生物量(Microbial biomass)”“碳匯(Carbon sequestration)”“土壤有機碳”等。人工林樹種關鍵詞中“桉樹(Eucalyptus)”出現的頻次較高，高于“杉木(Chinese fir)”和“楊樹(Poplar)”。此外，近年來高頻出現的關鍵詞有“碳氮循環(Carbon-nitrogen cycle)”“土壤質量指標”“土壤性質”“微生物活性(Microbial activity)”“微生物生物量”“酶活性(Enzyme activity)”等，表明國際上同行研究重心逐漸轉移到人工林土壤功能和微生物活性方面，研究尺度也愈加微觀化。

(圖中圓圈大小表示關鍵詞所出現的頻次，圖A、圖B中關鍵詞出現的最小頻次分別為4、7)

2.4 國內外經典文獻

在CNKI數據庫中，該領域被引頻次最高的10篇文獻多發表在農林、生態領域的知名期刊上，發表時間在1997—2004年(表4)。楊萬勤和王開運[22]2004年發表在《林業科學》的“森林土壤酶的研究進展”一文，介紹了土壤酶活性可作為人工林土壤肥力狀況的指標，被引頻次超過了600次，是該領域被引次數最高的一篇文獻。焦如珍等[23]1997年發表的“杉木人工林不同發育階段林下植被、土壤微生物、酶活性及養分的變化”一文，揭示了杉木連載生產力下降的原因：過氧化氫酶和多酚氧化酶活性降低，導致土壤中有毒物質積累，這為防控杉木人工林地力衰退提供了科學依據。這10篇文章的研究內容大多是關于人工林土壤肥力、土壤養分、土壤理化性質等方面，且被引用次數均超過170次，文獻質量較高，對該領域的研究具有重要的參考意義。

表4 CNKI數據庫中人工林土壤地力領域被引頻次前10位的文獻

在Web of Science數據庫中，該領域被引頻次前10位的文獻發表時間在2001—2011年，被引頻次都在100次以上(表5)。這10篇文章的第一作者中，有4位美國學者、2位中國學者。被引頻次最高(526次)的是美國學者Lal等[24]2005年發表的“World crop residues production and implications of its use as a biofuel”一文，該文章提出了人工種植林木作為原料制造生物燃料的可行性，以減少對化石能源的消耗。瑞典學者Forrester等[25]在“Mixed-species plantations of Eucalyptus with nitrogen-fixing trees: A review”一文中，介紹了在桉樹純林中引植固氮樹種，可以提高樹木的生產力及氮、磷元素的循環速率。此外，西北農林科技大學的Jiao等[26]在“Changes in soil properties across a chronosequence of vegetation restoration on the Loess Plateau of China”一文中得出：通過植樹造林可以提升土壤地力、加快退化土壤的恢復和重建，該文也是我國學者在該領域所發表文獻中被引次數最高的一篇(120次)。

3 討論

3.1 國內外研究力量現狀

我國早在1979年就開始了關于人工林土壤地力方面的研究，但最初的十幾年發文量不高，與當時的環境條件、科研能力等現狀有關。隨著互聯網的興起以及科學技術的發展，我國的科研水平有了很大提高，發文量呈快速上升的趨勢，1995年我國年發文量首次達到兩位數。國際上美國、法國、德國等發達國家21世紀初才開始該領域的研究，隨著全球多個國家逐漸重視該領域研究，發文數量呈穩定上升的趨勢。目前，雖然我國發文量領先世界各國，為美國的1.4倍，但總被引頻次卻不高，論文質量有待提升。澳大利亞的發文量明顯低于巴西、西班牙、加拿大等，但文獻的總被引頻次較高，說明該國在本領域的研究較為深入，所發表文獻質量較高。總的來說，中國與美國在發文量、總被引頻次以及總聯系強度等指標上仍位居前列，表明兩國學者在人工林土壤地力研究方面的影響力較高，得到國際同行的認可。國際上許多國家彼此間的合作關系不強，這可能與多年來有關人工林土壤地力方面的國際性研究計劃和項目支撐力度不強有關。因此，國家、科研機構以及學者間的合作交流、科技項目是今后一段時期內有效提升有關人工林土壤地力研究水平的關鍵要素。

通過分析研究機構得出，我國相關機構在該領域的研究在國際上處于領先水平。在Web of Science數據庫中該領域發文數量前10位的機構中，有5個來自中國，領先世界各國。其中，中國科學院與25個研究機構間有合作關系，包含我國一些農林類高校和國外知名高校。此外，我國農林類高校(如北京林業大學、南京林業大學及福建農林大學)與來自美國、澳大利亞、英國的相關機構有一定合作關系，但強度稍弱于與國內機構之間。同時，國際上許多研究機構也存在相同的情況，即合作交流很大程度上局限在與本國的一些機構之間。值得提及的是，美國俄亥俄州立大學發文量雖不多，但文獻的總被引頻次位居第二，且其與國際上眾多研究機構之間的聯系性不強，表明其在此領域的研究深度明顯高于其他機構。總體上，研究成果較為突出的機構多數來自于中國、美國、法國和加拿大等國家，但不同國家研究機構間合作強度不高，限制了該領域研究的深入和影響。

表5 Web of science數據庫中人工林土壤地力領域被引頻次前10位的文獻

3.2 國內外相關研究進展

現階段國內該領域研究主要圍繞不同條件下人工林土壤地力的變化動態及其影響因素開展。研究發現，適當降低林分密度以及混交造林能夠提高土壤孔隙度、持水量和團聚體含量，提升土壤有機質以及養分(全氮、全磷、全鉀、速效養分等)含量，其中土壤有機碳及養分含量與水穩性大團聚體含量顯著相關，因此，未來應著重考慮土壤團聚體的變化特征[27-29]。此外，林齡和造林樹種也是影響土壤地力變化的重要因素。近熟齡期人工林土壤有機質、速效養分、酶活性等指標優于中幼齡期，但拐點的出現表明長期人工林經營會惡化土壤地力。落葉闊葉喬木對土壤地力的維持效果要好于針葉樹種，一定程度上能夠提高土壤有機質以及氮磷等養分含量，后者由于凋落物富含丹寧、木質素等難分解物質，對土壤地力的維持效果較差，連續栽植還會導致土壤酸化[30-31]。總之，通過對土壤理化及相關生物學指標進行分析，能夠基本了解土壤肥力狀況及其影響因素。但該領域涉及土壤微生物的研究不多，特別是關于不同微生物功能類群對人工林的響應以及菌群間相互作用機制等研究較少，因此人工林土壤養分轉化的微生物驅動機制方面的研究亟待加強。

國際上關于人工林土壤碳氮循環研究偏多，發現不同樹種混交能夠提高土壤氮礦化及循環速率，加速土壤有機碳積累[32-33]。同時，針對人工林土壤微生物群落結構動態及功能多樣性的研究更為集中。例如，人工林增施有機肥可提升土壤細菌多樣性和豐富度以及相關酶活性，說明微生物對環境的響應可以作為評價人工林土壤地力的重要參考指標。雖然學者們愈加意識到微生物資源的重要性，特別是高通量測序技術的發展為人工林土壤地力演變下微生物群落研究提供了機遇，然而相關研究多處在土壤微生物群落豐度變化的描述階段，很少涉及微生物功能代謝與人工林下有機物料周轉以及對土壤地力維持的影響機制方面。因此，國際同行合作交流、學科間交叉研究以及研究新生力量的補充是未來一段時期有效提升該研究領域的重要途徑。

目前，國內外關于森林凋落物對人工林土壤碳、氮等養分循環的影響研究也較多，主要探究了凋落物多樣性與土壤碳氮磷化學計量比之間的聯系、土壤微生物群落對凋落物類型的響應，以及土壤酶活性、土壤有機碳等指標的動態變化。有學者認為土壤微生物群落結構多樣性隨凋落物多樣性的增加而提高，從而提高了功能多樣性，進而促進土壤養分的周轉，但也有學者持相反觀點，認為土壤養分循環、微生物群落多樣性等與凋落物之間相關性不強[34]。

總的來說，現階段國內外學者多圍繞不同條件下人工林土壤地力的變化規律及其影響因素展開研究，主要可概括為：①不同林齡下人工林土壤地力變化規律，為森林制定合適的輪伐周期提供科學指導；②不同類型樹種(如針葉、闊葉、落葉、常綠樹等)對人工林土壤地力的影響，為不同地域造林樹種的選擇以及栽培養護提供理論支撐；③針對人工純林引起的一系列問題，從混交、間作、間伐和施肥等營林措施上探討緩解純林土壤地力衰退可能性，保持森林生產力實現。未來一段時間仍可在以上幾方面進行研究，同時，涉及土壤微生物的研究是本領域的熱點趨勢，在微觀尺度上(如微生物群落功能多樣性、關鍵菌群的作用及調控機制等)對人工林土壤地力領域進行研究，可實現生態可持續發展。

4 結論

目前國內外對人工林土壤地力方面的研究仍處于發展階段，發文量呈現穩步上升的趨勢，其中中國、美國和巴西為Web of Science數據庫中該領域發文量排名前3位的國家。中美兩國發文量以及文獻的被引頻次均居前列，在國際上占有重要地位。國內該領域重要的研究機構主要為涉林高校以及中國科學院下屬研究所，國際上美國俄亥俄州立大學所發表的文獻引用頻次較高，質量明顯突出。國內外該領域研究機構以及學者之間合作強度不高，今后有關人工林土壤地力研究的國際交流和合作度亟待提升。近年來，CNKI數據庫中有關林齡、生物多樣性、可持續發展等關鍵詞頻次高，而Web of Science數據庫中則以有關土壤化學元素循環(如碳、氮等)、微生物群落結構及時空變化等關鍵詞的研究偏多，是未來如何提高人工林生產力、土壤養分供給等重點關注的內容。

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Study on Soil Fertility of Plantation at Home and Abroad Based on Bibliometrics

CAO Chaoyang, ZI Haiyun, YU Li, LI Xiaogang*, RUAN Honghua

(College of Biology and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

Based on the related literatures of CNKI and Web of Science Core Collection Database, the research status and future development direction of plantation soil fertility at home and abroad were investigated by using bibliometrics method in order to provide reference basis for subsequent scholars to study in this field. VOSviewer visualization software, HistCite citation map analysis software were performed for the quantitative analyses of countries, research institutions, authors, hot spots that involved in this area. All the relevant literatures used were published before 2021. The annual volume of literature published in this field is increasing gradually, and the top three countries are China, the United States and Brazil. China is the first to conduct research in this field, and has more cooperation and exchanges with the international community, and the total citation frequency of literature ranks in the forefront. Domestic research institutions are mainly forest-related universities and institutes affiliated to Chinese Academy of Sciences. Internationally, the literatures issued by Ohio State University were outstanding quality and frequently citation. At present, the research in this field at home and abroad mainly focuses on the compositions of soil microbial community, soil nutrient contents and the relationship between soil fertility maintenance and plantation, but the related research is mostly in the quantitative description stage, and does not involve the functional metabolism of microbial community, the underline mechanism in the turnover of organic materials in soil fertility maintenance. This study clearly shows the current research hotspots and future development trends in this field, and provides reference values for relevant personnel. In brief, the cooperation and exchange between domestic and foreign peers, interdisciplinary integration and the supplement of new research strength may be the key to effectively promote this research field in the future.

Productivity; Soil quality; Soil fertility; Soil degradation; Bibliometric analysis

S714；G353.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.012

曹超陽, 自海云, 余李, 等. 基于文獻計量的國內外人工林土壤地力研究. 土壤, 2022, 54(2): 298–306.

國家自然科學基金項目(42077045)、江蘇省農業科技自主創新資金項目(CX21-3045)和江蘇省杰出青年基金項目(BK20190040)資助。

(xgli@njfu.edu.cn)

曹超陽(1997—)，男，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向為森林土壤微生物生態。E-mail：caochaoyang@njfu.edu.cn