植物改良鹽堿地的熱點研究及前沿進展—基于VOSviewer的數據可視化分析

王 靜, 田永雷, 慕宗杰, 白春利

(內蒙古自治區農牧業科學院, 內蒙古 呼和浩特 010031)

鹽堿地是指鹽類在土壤中聚集,可溶性鹽含量和陽離子含量超過正常范圍,致使大部分植物無法正常生長的土壤[1]。鹽堿地的形成主要是由于地形地質、氣候和水文條件等區域性環境因子的變化,引起了地表水分蒸發、凍融交替和地下水位上升,致使鹽分積留在土壤表層,難以自然調節脫鹽[2]。在全世界均有分布,影響了30多個國家的9.5億hm2的土地。我國的鹽堿地面積為9 913萬hm2,嚴重制約了地區的農業發展和生態環境建設[3-4]。目前,改良鹽堿地的措施主要集中在物理措施[5]、化學措施[6-7]、工程措施[8-9]和生物措施[10-11]。物理、化學和工程措施在改良鹽堿地的同時會帶來造價高和破壞土壤結構的問題,甚至會產生二次污染[12]。而生物措施是通過種植耐鹽堿植物的方式達到減少土壤的含鹽量,改善土壤結構的目的,具有省水、低投入和環境可持續等優點。

耐鹽堿植物的拒鹽、聚鹽和吸鹽特性使其可以在鹽堿環境中生長,是生物改良鹽堿地重要的植物資源[13]。部分耐鹽堿植物可以在200 mmol·L-1以上的含鹽量土壤中正常完成其生活史[14]。這種鹽生植物往往具有鹽腺可以將吸收的鹽分分泌到體外或積累在植物體內的特定結構中,達到使鹽堿地脫鹽的效果[15]。此外,還存在沒有特定鹽腺構造也可以耐鹽堿脅迫的植物,其余植物完全無法適應鹽堿環境,不能萌芽或者在萌芽階段就受到鹽堿毒害導致細胞死亡[16-17]。植物改良鹽堿地具有費用低、見效快和可持續積肥等優點,還可以在改善鹽堿地的同時獲得經濟效益,成為鹽堿地研究中的熱點[18]。為更準確、客觀和直觀地了解一個研究領域的研究基礎和發展趨勢,眾多學者會采用可視化分析,運用其定性和定量相結合的方法梳理整個研究領域的發展脈絡和預測未來發展態勢[19]。最早從1982年研究植物改良鹽堿地開始,還未見可視化分析的綜述文章,有關于植物和鹽堿地的文獻,大多是試驗類文章,綜述文章也只是對鹽堿地或鹽生植物發表的論文進行總結,沒有系統闡述植物改良鹽堿地的整體情況和效果。因此,研究可視化分析植物改良鹽堿地的研究脈絡及改良效果,可以從以往研究中篩選出抗鹽堿脅迫的植物種類,還能對鹽堿地區的種植業和生態恢復提供科學指導,避免資源浪費,以期為后續建立植物改良鹽堿地的數據庫提供理論和數據支持。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

鑒于中國知網和Web of Science收錄的期刊具有很高的學術價值,本文以這兩個數據庫為數據源,檢索2000年以后收錄的文獻。中國知網檢索SCI、EI、核心期刊、CSSCI和CSCD核心期刊,關鍵詞(同義詞擴展)分別為“改良鹽堿地”和“改良鹽堿土”獲得983篇文章;檢索Web of Science核心數據庫,關鍵詞分別為“Improve Saline-alkali Soil”和“Improve Saline-alkali Land”獲得346篇文章。剔除檢索期刊中缺失字段、改良劑比較、改良劑專利、城市工程建設類和重復數據共572篇,嚴格篩選改良鹽堿地有效文獻757篇。下載文獻的標題、作者、期刊名、機構、發表年份、關鍵詞、摘要、被引頻次、影響因子以及文章內容,進行文章內容和結果的提取以及可視化分析。

1.2 數據處理

將檢索得到的文獻利用Endnote X9進行文獻除重和年份統計,初步篩選過的文獻用Excel 2016提取論文的主要研究對象、文章題目、關鍵詞、主要研究內容、被引頻次、期刊指數和改良鹽堿地效果等相關信息進行總結并加以量化。再次篩選提取后的信息,利用VOSviewer對改良鹽堿地的措施進行聚類和熱點分析;利用共現詞頻可視化和共詞矩陣對植物改良鹽堿地的影響因子進行分析。

2 研究進展分析

2.1 發文趨勢和期刊分析

檢索2000年1月—2022年12月改良鹽堿地的文獻中,篩選出有效文獻757篇,其中Web of Science核心期刊259篇,中國知網核心期刊498篇(圖1)。研究表明,關于改良鹽堿地的研究呈逐年上升的趨勢,從2000年文獻數7篇,到2020年文獻數突破100篇,2022年達到135篇,說明改良鹽堿地領域的研究投入力度逐年增大(圖1)。

圖1 2000年—2022年改良鹽堿地核心期刊發表數量時間分布圖

2.2 改良鹽堿地的措施分析

文章的核心研究對象通過關鍵詞表達,關鍵詞可以反映整篇文章的主要研究內容。本研究利用VOSviewer軟件對中國知網的3 120個文獻關鍵詞和WOS的1 680個文獻關鍵詞進行聚類分析,獲得關鍵詞聚類圖和熱點圖(圖2、圖3)。在VOSviewer軟件進行鹽堿地改良關鍵詞的可視化分析,選擇最小出現頻次為5,符合新出現的高頻關鍵詞反映改良鹽堿地的措施(表1)。

表1 鹽堿地領域研究文獻關鍵詞頻次

圖3 WOS關鍵詞為Improve saline-alkali land(soil)的核心期刊聚類圖和熱點圖

中國知網鹽堿地改良措施領域研究文獻2000年以后大于8次出現的高頻詞有189個,出現次數前十的關鍵詞為脫硫石膏、改良劑、產量、生物炭、土壤理化性質、水稻(OryzasativaL.)、土壤改良劑、玉米(ZeamaysL.)、土壤養分、水鹽移運,其中關于植物改良的有3個,出現頻次分別占第3、第6和第8位(表1)。水稻和玉米等耐鹽植物在2014年以前已有研究歷史,對植物產量的研究是近幾年的研究熱點,說明對鹽堿地改良的研究有向經濟作物傾斜的趨勢(圖2)。

Web of Science鹽堿地改良措施領域研究文獻2000年以后大于8次出現的高頻詞有106個,出現次數前十的關鍵詞為Growth,Yield,Tolerance,Plants,Biochar,Carbon,Diversity,Bacteria,Water,Nitrogen,其中關于植物改良的有4個,出現頻次分別占第1、第2、第4和第6位(表1)。對植物的研究均在近幾年,這可能是由于改良鹽堿地的文獻都是近幾年發表,而植物對鹽堿地的改良影響逐漸成為共識(圖3)。

3 改良鹽堿地的植物及其改良效果

3.1 改良鹽堿地的植物與鹽堿地土壤指標的共現圖譜

鹽堿地種植植物后對土壤營養成分、理化性質和微生物特性等往往會產生影響,達到降低鹽堿程度的效果[18]。不同植物在鹽堿地中生長的情況和對鹽堿地改良的效果均有差異,本研究旨在為解決農作物經濟發展和生態環境平衡的問題提供科學的指向性建議。利用關鍵詞共詞矩陣可視化分析植物改良鹽堿地各項指標的影響程度(圖7)發現,植物對有機質、全氮、全磷、速效磷、容重、微生物、全鉀、速效鉀等有改良效果,土壤的各項指標也會相互作用,反饋給植物生長。作為改良鹽堿地的鹽生植物綜述,闡述了植物對土壤有機質、全氮、速效磷、速效鉀和團聚體等起到調節作用(圖4)。節點的大小表明關鍵詞在共詞網絡中的中介性越大,它越能將不同的關鍵詞連接起來。由圖4可知,不同的植物對鹽堿地指標的改良存在差異性,不同植物可以直接或者間接地影響鹽堿地的指標(圖4)。

高頻關鍵詞進行兩兩配對,統計它們在文獻中共現頻次,表明研究熱點植物對鹽堿地各項指標改良的關聯性(表2)。圍繞有機質、全氮、速效磷、容重、速效鉀、微生物、全磷、養分、細菌、團聚、含鹽量、入滲率、胡敏酸等鹽堿性狀指標,形成鹽生植物綜述、水稻、苜蓿(MedicagoL.)、產量、堿蓬、樹林、檉柳(TamarixchinensisLour.)、棉花(Gossypiumspp)、白蠟(FraxinuschinensisRoxb)、油菜(Brassicarapavar.oleiferadeCandolle)、沙棗(ElaeagnusangustifoliaL.)、四翅濱藜(Atriplexcanescens(Pursh) Nutt.)、白刺(NitrariatangutorumBor.)、黃花草木樨(Melilotusofficinalis(L.) Pall.)等改良上的研究熱點植物,它們之間具有緊密的關聯性(表2)。

表2 植物對鹽堿地指標改良的共詞矩陣

3.2 植物改良鹽堿地的效果

研究結果表明,國內外對鹽堿地改良的研究逐年增長并趨于加深,改良鹽堿地的措施也更具有創新和實際應用的意義。植物在鹽堿地種植的產量[20-26]、鹽堿地改良的綜述文章[27-33]及一種植物種植對鹽堿地的影響等相關研究成為近年來的熱點。然而,植物可以有效地改良鹽堿地的效果還未進行過綜述和報道。本研究根據收集和分析的文獻數據,對改良鹽堿地的植物及其改良效果分類進行系統闡述。

3.2.1草本植物改良鹽堿地的效果 草本植物有大量薄壁細胞的維管束和發達的根系結構,可以富集鹽堿離子,凋落或枯立的植物根莖也更容易被分解從而增加鹽堿地的養分。有研究表明,草本植物表現出較好的耐鹽性,種植草本植物可以顯著降低鹽堿地的pH值、含鹽量和鹽基離子濃度,改善土壤物理性狀和增加土壤養分(表3)。以水稻為例,水稻的調控基因的信號傳導和功能上表現出耐鹽堿抗性[34-36],與種植水稻前相比土壤pH值和全鹽含量比均有不同程度降低,連續種植水稻4～5年土壤的平均含鹽量由4.5%降至0.15%,改善了土壤粘重的質地[37]。同時水稻可以有效降低鈉鹽、不同形態Zn2+,Ca2+、結合態胡敏酸等濃度,增加有機碳、胡敏酸碳、富里酸碳、堿解氮等有機化合物濃度,驅動土壤中元素的形態變化[38-40]。

表3 草本植物改良鹽堿地的效果

種植草本植物的土壤有機質、水解性氮、全氮、全磷、速效鉀等養分均明顯增加,降低電導率,代表植物有錦雞兒[41]、蓖麻[42]、甜高粱[43-45]等。草本植物大多兼具經濟作物的職能,在鹽堿地中草本植物不僅耐鹽性強,其產量也逐年增加[46-48],例如苜蓿屬產量可以達到24.2 t·hm-2·a-1～32.7 t·hm-2·a-1[49]。研究結果表明,種植草本植物可以獲得較大的經濟和生態效益,代表植物有油葵[50]、草木樨[51-52]等(表3)。

3.2.2灌木植物改良鹽堿地的效果 灌木植物根系發達多為直根型或匍匐型,易繁殖,有利于破除鹽堿地硬殼,扎根鹽堿地形成的粘土層。灌木植物葉面蒸騰量大,能有效地降低地下水位,預防土壤次生鹽債化,代表植物有棉花[53]。有研究表明,灌木植物在鹽堿地上種植可以增加土壤的含水量和空氣體積,種植后土壤的脫鹽率為9.00%～40.38%[54-55],同時降低鹽堿地中pH值和鹽基離子濃度,代表植物有沙棗[56]、藜科[57-58]等(表4)。灌木植物主要可以通過生物固氮以及凋落物和細根的快速分解實現短期內向土壤釋放有機物質,提高土壤氮、磷、鉀[59],例如白刺[60-61]、杜梨[62-63]等。

表4 灌木植物改良鹽堿地的效果

3.2.3喬木植物改良鹽堿地的效果 在鹽堿地中適宜生存的喬木植物為不透鹽植物、聚鹽植物和泌鹽植物,喬木植物的地上部分與地下部分保持著養分和水分的代謝平衡,其根系粗長,蒸騰作用和木質部張拉力強可以被動吸收土壤中的離子,這些喬木不僅可以耐鹽堿環境生長,還能降低土壤的總含鹽量,達到改良鹽堿地的作用[64-69](表5)。有研究表明,喬木植物顯著減低土壤鹽分含量和pH值,有利于土壤的物理性狀改善和有機質及微生物含量增加,使鹽堿地中有機質和速效養分含量增加38.8%,氮元素含量提高2.2倍,代表植物有檉柳[70-72]、楊樹[73]、欒樹[74]等(表5)。

表5 樹木改良鹽堿地的效果

4 結論及展望

鹽堿地的發展脈絡和植物改良鹽堿地的研究態勢呈上升的趨勢,已成為國內外研究中關注的熱點。對鹽堿地的改良逐漸為達到經濟效益和生態效益的協同發展,種植植物作為改良鹽堿地的措施或衡量鹽堿地改良效果的評價指標的研究,為該領域做出很大貢獻。不同植物改良鹽堿地的效果也呈現出多樣性和不確定性,這也成為基于植物改良鹽堿地研究不斷涌現的原因。本文總結了近年改良鹽堿地效果顯著的植物及其改良效果,這對于指導鹽堿地改良措施的選擇和后續的植物吸鹽特性的研究有重要的意義。下一步將進行耐鹽性植物和吸鹽性植物的篩選工作及其機理研究,并建立植物改良鹽堿地的“信息智庫”,以指導實際工作。

應用前景:在農業生產方面,植物改良鹽堿地可以提高土地的利用效率,增加農作物的產量和品質,從而滿足人們對食品的需求。隨著人口的增加和城市化進程的加速,對農產品的需求將會越來越大,植物改良鹽堿地將會成為重要的手段之一。在生態環境方面:植物改良鹽堿地可以降低土地的鹽堿度,改善土壤環境,促進生態系統的恢復和保護。隨著環境污染和生態破壞的加劇,植物改良鹽堿地將會成為重要的生態修復手段之一。在節約資源方面,植物改良鹽堿地可以節約土地資源和水資源,減少化肥和農藥的使用,降低農業對環境的影響。隨著資源短缺和環境污染的加劇,植物改良鹽堿地將會成為重要的節約資源手段之一。在經濟社會發展方面,植物改良鹽堿地可以促進農業生產的發展,增加農民的收入,促進農村經濟的發展,同時也為相關產業提供了發展機會。未來,隨著經濟全球化和區域一體化的加速,植物改良鹽堿地將會成為重要的經濟增長點之一。

應用價值:植物改良鹽堿地可以提高土地的利用效率,將原本無法利用的鹽堿地轉化為耕地,增加農作物的種植面積,提高農業生產的效益,提高土地利用效率;可以增加農作物的產量和品質,提高糧食生產的效率和質量,為保障糧食安全提供了重要的手段;可以降低土地的鹽堿度,改善土壤環境,促進生態系統的恢復和保護,為生態環境的恢復和保護提供了重要的手段;可以節約土地資源和水資源,減少化肥和農藥的使用,降低農業對環境的影響,為節約資源和保護環境提供了重要的手段;亦可以促進農業生產的發展,增加農民的收入,促進農村經濟的發展,同時也為相關產業提供了發展機會,為經濟發展做出了重要的貢獻。