基于文獻計量學的作物硒形態研究知識圖譜分析

史久長，田嘉樹，張 力，景藝卓，許自成，韓 丹

（1.浙江中煙工業有限公司，杭州 310000；2 河南農業大學煙草學院，鄭州 450046）

1817 年，硒（selenium，Se）作為一種化學元素被瑞典化學家 Berzalius 發現［1］，20 世紀 30 年代，美國科學家首次在植物中檢測出了硒元素的存在［2］。經過前人不斷研究，目前硒被普遍認為是植物的一種非必需但有益的營養元素。在作物栽培領域，硒在改善作物產量和品質、調節作物抗氧化作用、提高作物應對逆境和生理脅迫等方面發揮著重要作用［2-4］。

作物中的硒主要從環境中獲取。自然狀態下，環境中的硒可根據其化合價態的不同分為4 種形態：-2 價、0 價、+4 價和+6 價［5］。而硒被作物吸收后，主要以3 種形式存在，分別為有機硒、無機硒和揮發態硒。作物通過根系吸收土壤中硒的主要形式為無機硒和有機硒兩類，其中以硒酸鹽和亞硒酸鹽等無機硒為主，而在作物體內的硒超過80%為有機硒形式，包括硒蛋白和硒多糖等大分子態硒與硒代氨基酸和硒肽等小分子態硒［6，7］。目前，已經有越來越多的學者和團隊開始關注作物硒形態。彭琴等［8］研究了胡蘿卜、芥菜、紫甘藍和綠菜花等多種作物對硒酸鹽和亞硒酸鹽的動態吸收規律。張妮［9］探究了小麥對不同價態外源硒吸收和轉運的影響。Li 等［10］研究發現硒酸鹽處理過的小白菜體內硒含量顯著高于亞硒酸鹽處理。

20 世紀70 年代，英國的Pntchard 提出了文獻計量學的概念，經過不斷發展，現已成為一門以數學和統計學為基礎，定量分析研究一切知識載體的交叉性學科［11］。CiteSpace（引文空間）是一款十分優秀的文獻計量學可視化分析軟件，由美國德雷塞爾大學的陳超美教授開發，它以科學計量學、數據可視化為背景逐漸發展起來［12］。由于是通過可視化的手段來分析文獻中蘊含的潛在知識、呈現科學知識的結構、規律和分布情況，因此也將通過此類方法分析得到的可視化圖形稱為科學知識圖譜［13］。與傳統理論性綜述的文字描述相比，使用CiteSpace 軟件對相關文獻進行可視化分析統計，可以將一門學科或一個研究領域的文獻之間相互關系以科學知識圖譜的方式呈現在人們面前，不僅可以梳理過去的研究軌跡，也可以更好地把握未來的研究發展趨勢和方向。

到目前為止，還未見到利用知識圖譜對作物硒形態研究的整體情況進行分析的報道。基于此，本研究通過使用CiteSpace 軟件對相關文獻進行數據挖掘、整合與分析，旨在通過科學知識圖譜的形式對作物硒形態研究領域的發展過程和研究熱點進行更加直觀、有效的呈現。

1 材料與方法

1.1 材料來源

Web of Science（WOS）核心合集是以 Web 為基礎的、涉及多門學科的大型綜合性文獻數據庫，它涵蓋了世界一流水平的高影響力學術期刊、書籍專著和會議記錄，并具有完善的引文網絡，目前已成為科研工作者進行學術研究、討論與分析的重要工具［14］。本研究所使用的文獻資源來自于Web of Science（WOS）核心合集數據庫，以主題為“Crop”And“Selenium form”或“Crop”And“Selenium speciation”進行檢索，文獻類型選擇為“Article”，語言選擇為英語，檢索時間跨度為2001—2020 年（檢索時間為2020 年9 月）。通過多次篩選，人工去除會議記錄、個人學術成果介紹、專著類以及與本主題不相干的條目，最終共獲得有效英文文獻129 篇。

1.2 研究方法

使用可視化分析軟件CiteSpace 5（版本為5.6.R5 64-bit）對作物硒形態研究領域的相關文獻進行數據挖掘，通過文獻數量、發文機構、國家、學科、關鍵詞共現網絡和文獻共被引網絡等指標，分析該研究領域的研究趨勢與熱點問題。使用Excel 2010 對相關文獻的數據進行整理歸納。

2 結果與分析

2.1 作物硒形態研究文獻數量分析

文獻數量變化是可以反映科研活動與成果狀況的重要指標［15，16］。從采集到的數據來看，2011 年之前作物硒形態研究領域的相關文獻發文量較少，故對2001—2020 年作物硒形態研究外文發文量按照每5 年一組進行統計并進行曲線擬合（圖1）。從圖1可以看出，作物硒形態研究的發文量呈指數增長，其趨勢線方程y=4.755e0.1794x，R2=0.946 8。在統計學中，R2表示變量對總偏差平方和的貢獻度，可以描述曲線擬合程度的好壞，R2值越接近1，表明曲線的擬合程度越好［17］。從圖1 可以看出，作物硒形態研究目前仍是一個新興的研究領域，可以預見相關文獻的數量將在未來呈現快速增長趨勢，作物硒形態研究將會成為未來熱門的研究領域。

圖1 作物硒形態研究發文量每5 年分布情況

2.2 作物硒形態研究的機構和國家分析

將作物硒形態研究發文數量前10 位的機構整理匯總后得到表1。從表1 可以看出，該領域前10位的發文機構中，中國 4 所、美國 3 所、英國 2 所、巴西1 所。發文量前5 名的機構分別為中國農業大學、英國洛桑研究所、英國諾丁漢大學、華中農業大學和巴西拉夫拉斯聯邦大學，其中中國農業大學發文量最多，但總被引次數僅處于中游水平。英國諾丁漢大學的發文量比較靠前，總被引次數最多。華中農業大學和英國洛桑研究所的被引次數也較多，分別位列第 2 和第 3 位。

表1 作物硒形態研究發文數量前10 位的科研機構

在CiteSpace 中，發文國家、機構的共現網絡圖譜內節點之間的相互連線代表其中存在著合作關系；而節點的大小用來表示頻次，該數據出現的頻次越高則節點越大［18］。從圖2 可以看出，在發文數量前幾位機構中，英國的諾丁漢大學和洛桑研究所之間的合作關系非常緊密，說明彼此之間學術交流較多，合作關系較緊密，這樣有利于開展更加深入的研究。反觀其他機構的科研獨立性較強，其中中國幾所科研機構雖然各自都有了一定的研究成果，但彼此之間的合作還比較少，目前仍處于小范圍內的獨立團隊研究，相互之間的交流溝通還有待加強。從表2 可以看出，中國、美國和英國（英格蘭和蘇格蘭）等國家的研究人員和團隊在作物硒形態領域的研究比較深入，科研成果較豐富且影響力大，目前處于該研究領域的領先地位，巴西和西班牙在此領域的研究也具有一定的影響力。由圖3 可以看出，以美國和英國為代表的國家之間的合作交流比較多，而中國目前雖然在作物硒形態研究領域處于領先地位，但未能與其他有影響力的國家（美國、英國和巴西等）有過多的學術交流合作，這樣既不利于中國在該研究領域的領先地位，也不利于對作物硒形態研究的進一步深入研究，需要引起重視。

圖3 基于CiteSpace 的主要發文國家共現網絡圖譜

表2 作物硒形態研究發文數量前10 位的國家或地區

圖2 基于CiteSpace 的主要發文機構共現網絡圖譜

2.3 作物硒形態研究涉及學科領域分析

對作物硒形態研究文獻的共被引期刊進行分析，可以在一定程度上反映出作物硒形態研究涉及的領域方向［19］。由表3 可知，共被引頻次最高的期刊是《Plant and soil》，共被引次數為111 次，其余依次為《Journal of agricultural and food chemistry》《New phytologist》《Food chemistry》和《Science of the total environment》等，這些均是在農業、植物科學、環境科學和食品化學等領域有一定影響力的國際性期刊。進一步對作物硒形態研究文獻涉及學科進行分析得到圖4。從圖4 可以看出，作物硒形態研究涉及的學科面廣，領域眾多，涵蓋了Agriculture（農學）、Agronomy（農藝學）、Agriculture multidisciplinary（農業綜合學科）、Plant science（植物科學）、Environmental science & ecology（環境科學與生態學）、Chemistry（化學）、Chemistry applied（應用化學）、Soil science（土壤科學）、Food science & technology（食品科學與技術）和Toxicology（毒理學）等眾多學科，說明作物硒形態研究已引起許多學科學者和研究團隊的關注，也表現出了該研究的廣泛性、綜合性與交叉融合性。

表3 作物硒形態研究前10 位共被引期刊

圖4 基于CiteSpace 的主要發文學科共現網絡圖譜

學科共現網絡圖中節點間的連線表示學科之間的交叉和融合，可以反映出交叉學科之間一定的科學內在聯系［20］。從圖5 可以看出，作物硒形態研究目前多集中在農學、植物科學、環境科學與生態學、化學等學科，表明這些學科內的學者和團隊相比其他學科對作物硒形態領域的相關研究更加廣泛和深入。值得注意的是，土壤科學、食品科學與技術、毒理學等學科的學者也開始涉及作物硒形態相關研究，包括作物硒形態與土壤中硒的關系［21-23］、可食用類作物中硒形態分析［15，24-26］以及不同形態的外源硒對作物的硒毒性研究［27，28］等，這也反映出作物硒形態相關研究將會成為多學科的熱點研究問題。

圖5 作物硒形態研究發文量前10 的學科占比

2.4 作物硒形態研究高質量文獻分析

文獻被引用次數是一個能夠反映文獻質量高低的重要指標，一篇文獻被引用的次數越多，說明這篇文章在該研究領域具有重要影響，屬于該研究領域的關鍵文獻與核心文獻［29］，把握住這些文獻，可以更好地了解該研究領域的動態變化，掌握其方向。

選取共被引文獻網絡圖譜（圖6）中面積前5 位的節點所對應的高被引文獻，得到表4。①Li 等［30］通過對水培小麥施用硒酸鹽和亞硒酸鹽，并使用HPLC-ICP-MS 法測定了可提取部分的硒形態，研究了小麥硒的吸收、轉運和硒形態。②Rayman［31］論述了硒與人體健康之間的關系，闡述了硒對人體健康影響的多方面性和復雜性。③Zhu 等［32］概括了作物中硒相關研究的關鍵進展、硒代謝相關基因工程的進展，硒的生物強化進展及硒植物修復與環境污染研究等。④Broadley 等［33］通過對高產冬小麥施用液態或粒狀硒肥料，探究其對冬小麥硒的生物強化作用。⑤White 等［34］對人類飲食經常缺乏的鐵、鋅、銅、鈣、鎂、硒和碘等7 種礦物質元素的生物強化可行性及其理論基礎進行了總結概括。

表4 作物硒形態研究前5 位的共被引文獻

圖6 基于CiteSpace 的共被引文獻網絡圖譜

2.5 作物硒形態研究熱點分析

關鍵詞是文獻的重要組成部分，它是作者對一篇文獻主題內容與主旨的凝練和高度概括［35］。關鍵詞在圖譜中出現頻次表現的是該關鍵詞所對應的主題在所選文獻中被研究的次數。對129 篇作物硒形態研究英文文獻進行關鍵詞共現分析，得到關鍵詞共現網絡圖譜（圖7），并將主要的高頻關鍵詞整理得到表5。

對作物硒形態研究文獻的關鍵詞進行聚類分析，得到關鍵詞聚類網絡圖譜（圖8）。

CiteSpace 提供了Q值（Modularity，聚類模塊值）和S值（Silhouette，聚類平均輪廓值）兩個指標，用來評價聚類網絡圖譜的繪制效果，Q＞0.3 時說明聚類的結構是顯著的，S＞0.5 時說明聚類的結果是合理的［13］。經過測算此聚類的Q=0.607 8，S=0.534 3，說明聚類結果是可信的。

通過進一步閱讀相關文獻，結合圖7、圖8 和表5，可以總結出作物硒形態研究的幾個熱點研究方向。①硒的生物強化。硒目前已被證實是一種對人類健康有益的元素，具有抗氧化、抗癌和抗衰老等作用，且人在缺硒時可能會引起克山病和大骨節病等疾病［36，37］。目前人類補充硒的方式仍然以食用富硒食品為主，其中的硒代氨基酸和硒蛋白等有機硒生物利用度高，而硒酸鹽和亞硒酸鹽等無機硒的生物利用度低［38］。雖然目前已有許多研究旨在通過各種措施提高可食用類作物中硒的含量，但如何適量提高作物體內能夠被人體利用的有機硒和如何協調有機硒與無機硒在作物體內的比例將是未來研究熱點。②硒的植物修復。硒雖然是人體的必需微量元素，但當硒在體內超過一定的濃度時，往往表現出毒害作用［38］。目前，作物中的硒主要是從土壤中吸收而來，而世界上有一些地區的土壤因為硒含量過高從而使作物中硒含量過高，導致人和動物硒中毒事件的發生，例如美國西南地區、中國的紫陽縣和恩施等地區［39-41］。利用植物的修復作用，對土壤中的硒進行吸收和富集，將其轉化為對人體和環境無害的硒［42］，是一種解決該問題的有效方法。目前已知的硒富集類作物包括水稻、小麥和玉米等糧食類作物、大蒜和洋蔥等園藝類作物和苜蓿等飼料類作物［1］。而不同的作物對不同形態硒的富集能力存在差異［43］，有研究指出硒酸鹽處理的印度芥菜地上部分硒含量是亞硒酸鹽處理的10 倍以上［44］。其中，探討不同作物對不同形態硒富集能力的強弱也是目前研究的一個重要方向。③硒肥料。目前，世界上多數地區的土壤硒含量水平仍然較低，不足以使作物中的硒含量達到人們的預期，故需要額外增施一定量的外源硒肥以滿足生產的需要［45］。硒肥料種類多樣，按化學形態可分為硒酸鹽和亞硒酸鹽為主的無機硒肥和有機硒肥；按物理形態可以分為液態硒肥、固態顆粒硒肥及納米硒肥等［46］。不同作物對不同形態外源硒的吸收利用效率存在差異，已有學者對不同形態外源硒肥對作物硒含量、品質和產量等的影響開展研究［47-49］，故探究對不同作物施用不同形態外源硒肥配比的相關研究，也是值得關注的方向。

圖7 基于CiteSpace 的主要關鍵詞共現網絡圖譜

圖8 基于CiteSpace 的關鍵詞聚類網絡圖譜

表5 作物硒形態研究高頻關鍵詞

3 討論與結論

作物硒形態是一個值得深入研究的主題，目前大多數研究還只停留在作物與硒的整體水平上，而進一步到作物硒形態水平上的研究還比較少，說明其仍處于一個新興的研究領域。結合作物硒形態研究相關文獻的發文量來看，目前發文量雖然還較少，但發文量的曲線擬合情況良好，表明未來作物硒形態研究的論文數量將呈指數型的快速增長，人們將會越來越重視該研究領域。

從科研機構和國家分布情況來看，中國科研機構無論是發文量還是總被引次數均較多，說明中國處于作物硒形態研究領域的領先地位，但國內不同科研機構相互之間交流合作較少，聯系還不夠緊密。中國的科研機構與世界其他國家的合作也較少，獨立性較強，不利于中國在該研究領域的深入研究。因此中國科研機構需要發揮各自的學科優勢，加強學術合作與交流，進一步提升中國在作物硒形態研究領域的學術影響力。

通過關鍵詞共現分析和關鍵詞聚類分析可看出目前的熱點研究方向主要包括硒的生物強化、硒的植物修復及硒肥料等。這些研究更偏向于實際生產和應用，而深入的機制原理層面研究還較少。隨著元素檢測技術的不斷提高和檢測儀器的快速發展，利用高效液相色譜-電感耦合等離子體質譜聯用技術（HPLC-ICP-MS）和高效液相色譜-氫化物發生-原子熒光聯用技術（HPLC-HG-AFS）等現代新興的元素分析技術［50］，結合擬南芥和煙草等模式作物，對環境-作物-硒形態之間的深層次聯系及其作用分子機制的研究也令人期待。