我國土壤鹽堿化問題研究脈絡和熱點分析

馬 凱 饒良懿

(北京林業大學 水土保持學院/水土保持國家林業局重點實驗室,北京 100083)

土壤鹽堿化是由于自然或人為因素影響,在干旱、半干旱和半濕潤地區發生的易溶性鹽分在土壤表層積累的現象[1]。近年來,隨著氣候變化和人類活動的影響,土壤鹽堿化不斷加劇,受鹽堿化影響的土地面積不斷增加[2]。根據世界糧農組織2021年10月發布的全球鹽堿土壤分布圖顯示,全球超過8.33億hm2的土壤已經受到鹽堿化的影響,超過10%的農田出現鹽堿化,并且這些數字還在不斷增長,土壤鹽堿化已經對全球糧食安全構成重大威脅[3-4]。

多年來,各國受鹽堿化影響的地區都積極主動采取不同的預防和改善措施,以提升生態系統對鹽堿化的抵御能力[5]。我國自20世紀50年代開始,也相繼在實驗室和田間開展了大量鹽堿地研究和治理工作[6],取得了豐碩成果[7-13]。但土壤鹽堿化依然是我國干旱和半干旱區農業高質量綠色發展的主要限制因素,且治理工作十分艱巨[14];而且隨著我國土地與人口、糧食的矛盾日益突出,對土壤鹽堿化地區的農業發展也提出了新的要求[15]。雖然鹽堿地研究快速發展,數量眾多的科技論文也相繼發表,但是截止目前為止,較系統的開展有關鹽堿地文獻計量學的研究卻鮮見。

文獻計量學是針對已發表文獻進行定量分析的方法,能夠揭示某一研究領域主要的研究方向,并對其研究熱點和發展趨勢進行預測[16]。文獻計量學目前已廣泛應用于各個領域,例如環境工程與科學、土壤學、生態學、食品安全和新能源利用等方面,研究方法較為成熟[17]。知識圖譜是文獻計量學的新興分支領域,它可以通過數據挖掘、信息分析、科學計量和圖形繪制等一系列過程,可視化地展現某一學科領域的知識圖景[18]。CiteSpace則是基于文獻計量學和數據可視化理論發展起來的一款引文可視化文獻分析工具,它能夠有效顯示某學科或知識領域在一定時期的發展趨勢與動向[19]。由于其在實際應用中科學有效而又簡單易用,同時具有豐富而美觀的可視化效果,因此在國內外信息科學領域得到了廣泛的應用[20]。

為了更好地了解我國鹽堿地相關研究的現狀和發展趨勢,本研究以中國知網(CNKI)為數據源,利用CiteSpace文獻計量與可視化分析軟件,通過圖譜量化1992—2021年國內發表的鹽堿地相關研究,旨在梳理近30年來我國鹽堿地研究的發展趨勢、前沿熱點和演進脈絡等內容,以期為我國鹽堿地生態修復和鹽堿地高質量綠色發展提供參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本研究所使用的數據來源于中國知網數據庫。在中國知網主頁選擇“高級搜索”→“專業檢索”選項,檢索條件為:KY=(‘鹽堿地’+‘鹽堿土’+‘鹽堿土壤’+‘鹽堿土地’+‘鹽堿化土地’+‘鹽堿化土壤’+‘土地鹽堿化’+‘土壤鹽堿化’+‘鹽漬土’+‘鹽漬地’+‘鹽漬土壤’+‘鹽漬土地’+‘鹽漬化土地’+‘鹽漬化土壤’+‘土地鹽漬化’+‘土壤鹽漬化’+‘鹽化土’+‘堿化土’+‘鹽化土壤’+‘堿化土壤’+‘化土地’+‘堿化土地’+‘土壤鹽化’+‘土壤堿化’+‘土地堿化’+‘鹽土’+‘堿土’+‘堿性土’+‘鹽性土壤’+‘堿性土壤’+‘鹽地’+‘堿地’+‘鹽生植物’+‘鹽脅迫’+‘堿脅迫’+‘鹽堿脅迫’+‘耐鹽植物’+‘耐鹽作物’+‘鹽堿農業’+‘土壤水鹽運移’+‘植物耐鹽性’+‘作物耐鹽性’+‘土壤鹽分’+‘土壤鹽度’+‘土壤堿度’+‘鹽漬農業’+‘鹽地農業’+‘鹽生農業’+‘鹽土農業’+‘土壤含鹽量’),共計50個關鍵詞;檢索時間設定為1992—2021年,共計30年;期刊來源為全部期刊;接受同義詞擴展進行精確檢索;選擇學術期刊。共獲得23 078條數據,剔除其中未署名的文章以及科學報道,最終得到22 653條數據,均為綜述和研究性論文。數據文獻以“Refoworks”格式下載保存,并以“download”為開頭進行命名[21]。

1.2 研究方法

本研究采用文獻計量學和信息可視化結合的研究方法,以可視化工具CiteSpace(6.1.R2版本)進行定量分析。CiteSpace是應用Java語言開發的一款信息可視化軟件,其基本原理是“共現聚類”,即通過引文分析與共引分析理論、信息可視化與共引網絡分析對文獻進行分析[22],能夠展示作者、機構和國家之間的相互合作關系。其使用流程主要包括數據采集、數據處理、參數功能選擇、可視化和解讀[22]。CiteSpace軟件要求的標準數據格式是WOS數據庫的文本數據格式。CiteSpace支持多種類型的文獻計量研究,所形成的知識圖譜能夠直觀地展現某一科學知識領域的信息全景,識別某一科學領域中的關鍵文獻、熱點研究和前沿方向[23-26]。

1.3 數據處理

因為CiteSpace不能直接對CNKI數據庫的數據進行計量分析,因此在使用時,首先要對數據進行轉換。即CiteSpace→Data→Import/Export,之后對數據進行除重,確保數據無重復,即CiteSpace→Data→Import/Export→WoS→Duplicates Removal,最終得到22 606條可用于分析的數據。“Time Slicing”設置時間段為1992—2021年,時間切片設置為1年;“Note Types”選擇關鍵詞(Keyword)等分析模型;其他設置均為默認狀態,繪制鹽堿地研究相關可視化圖譜。同時,結合Excel對發文數量進行統計分析,綜合描述鹽堿地研究領域的發展趨勢和現狀。

2 我國鹽堿地研究現狀分析

2.1 文獻產出時間分析

1992—2021年CNKI鹽堿地研究發文量情況如圖1所示。年度發表文獻的數量及變化趨勢在總體上反映了該領域的重要性和受關注的程度[27]。我國鹽堿地研究從1992—2021年總體呈增長趨勢,這說明鹽堿地研究越來越受到重視。縱觀1992—2021年,鹽堿地研究可概括為3個階段:穩定發展期、快速增長期和相對飽和期。1992—2003年發文量增長總體趨于平緩,說明此時鹽堿地研究還未受到廣泛關注,處于穩定發展時期;2004—2011年發文量逐年遞增,結合全球氣候變化和糧食問題等社會背景,此時鹽堿地研究進入快速增長階段;2012—2021年,發文量繼續波動平緩增長,這說明鹽堿地研究在某些方面可能受到方法和技術水平等因素的制約,進入了一個相對飽和的時期。

圖1 1992—2021年CNKI鹽堿地研究年度發文量

2.2 研究熱點及趨勢分析

2.2.1高頻關鍵詞及聚類分析

對關鍵詞進行可視化分析,得到出現頻次在100以上的高頻關鍵詞(表1)。排名前5的高頻關鍵詞分別為“鹽堿地”“鹽堿脅迫”“耐鹽性”“種子萌發”“幼苗生長”。同時得到中介中心性大于0.1的關鍵詞,即“鹽堿地”“鹽堿脅迫”“耐鹽性”“鹽堿化”“土壤鹽分”。中介中心性是指一個節點在網絡中連接其它節點路徑之間的次數,是網絡中的關鍵節點,其取值范圍是[0,1],數值越大中介作用越強[28]。綜合來看,以上7個關鍵詞構成了鹽堿地研究的基本方向。另外值得注意的是“基因表達”“黃瓜”“丙二醛”“道路工程”“脫硫石膏”“栽培技術”“抗逆性”這7個關鍵詞中心性均為0,說明這幾個方面的研究相對較為獨立,和其他方面的聯系較弱。

表1 鹽堿地研究高頻關鍵詞及其中心性

對關鍵詞進一步進行聚類(圖2),CiteSpace軟件根據網絡結構和聚類的清晰度,提供了模塊值(Q值)和平均輪廓值(S值)2個指標作為評判圖譜繪制效果的依據。其中Q值區間為[0,1),當Q>0.3時說明聚類結構顯著。當S>0.7時,說明聚類結果令人信服;若S>0.5,聚類一般認為是合理的[25]。圖3的聚類模塊值Q=0.382 6,這說明聚類結構顯著;同時聚類平均輪廓值S=1,說明聚類結果足以令人信服。

將關鍵詞聚類條目進行歸納總結(表2),可將國內鹽堿地研究分為以下5個研究主題。

表2 關鍵詞聚類相關信息

1)鹽脅迫對植物生理生態特征的影響。包括種子萌發、幼苗生長、耐鹽性、基因表達、光合作用和生理特征等。例如渠曉霞等[29]從鹽分對種子萌發的影響機理及植物種子萌發對鹽生環境的適應對策兩方面綜述了植物種子休眠萌發與鹽生環境的關系。張華新等[30]比較了11個引進樹種幼苗在不同濃度鹽脅迫下的生長和形態差異,為耐鹽樹種選育提供了理論依據,也為沿海及內陸鹽堿地治理和防護林建設提供了技術支撐。王佺珍等[31]綜述了植物對鹽堿脅迫響應機制的研究進展,表明研究混合鹽堿脅迫對提高作物產量和促進生態環境建設具有重要的現實意義。

2)鹽堿地基礎理論研究以及改良修復措施。包括鹽堿地區的園林綠化、施工、道路工程、各種改良措施和綜合治理等。例如汪為巍等[32]為直觀了解鹽漬土地區城市道路病害及其發展規律,對新疆阿拉爾市城市主干道做了長期觀測,闡明了病害規律,為解決鹽漬土地區的鹽漬化病害問題提供了參考。李素艷等[33]對濱海土壤鹽漬化特征進行了研究并表明利用沸石不僅降鹽效果好,且能夠抑制土壤堿化,使土壤密度變小、土壤孔隙增大。毛海濤等[34]以海綿和吸熱聚乙烯編織布為主要材料,設計出一種鹽堿地治理防護毯,能夠有效改善鹽堿地土壤肥力,為鹽堿地治理提供了有效措施。張萬鈞等[35]探討了天津濱海地區在園林綠化中治理濱海鹽土的理論與技術路線,為鹽堿地綠化提供了參考。

3)土壤水鹽運移機理和水資源高效利用。主要包含了對土壤水分、含鹽量以及膜下滴灌、再生水澆灌和微咸水澆灌等能在一定程度上對土壤鹽分產生影響的灌溉技術措施的研究。例如王全九等[36]分析了滴灌條件下土壤水鹽運移特征和變化基本規律,探究了土壤脫鹽特征。譚軍利等[37]對比研究了不同微咸水灌水量條件下覆砂與不覆砂對土壤水鹽分布和運移的影響,為壓砂地合理利用微咸水提供理論支持。李明思等[38]研究了長期膜下滴灌農田土壤鹽分時空變化特征,為膜下滴灌技術的科學利用提供了參考。王婧等[39]研究了地膜覆蓋與秸稈深埋措施對河套灌區鹽堿葵花田土壤水鹽時空動態變化的影響,這一結果為內蒙古河套灌區鹽漬土實施地膜覆蓋與秸稈深埋改良措施提供了參考。

4)土壤鹽漬化的監測管理。包括鹽漬化對地區景觀格局和生態環境的影響,通過遙感等技術進行監測,同時探討鹽漬化地區可持續發展的方法。例如樊自立等[40]根據土壤鹽漬化與水利建設和灌溉水平之間的關系,以新疆為例,用類比法對今后發展變化作了預測,同時還研究了全球氣候變化對土壤鹽漬化的可能影響。丁建麗等[41]研究表明基于實測綜合光譜指數的鹽漬化監測高光譜模型可以準確提取土壤鹽漬化信息,明顯優于傳統遙感方法中單純利用植被指數或者土壤鹽分指數的模型,對土壤鹽漬化的高精度遙感監測研究具有較好促進作用。彭杰等[42]通過分析中國新疆、浙江和吉林3個不同地區鹽漬化土壤的高光譜特征,研究了鹽漬化土壤高光譜特征的區域異質性,結果表明不同地區的鹽漬化土壤,無論是反射率還是光譜曲線形態方面,均存在較明顯的差異;但經過一階微分處理后,光譜差異有所降低,該研究結果為跨區域土壤鹽漬化的航天高光譜遙感監測提供了一定的參考依據。

5)鹽生植物的開發利用。主要圍繞植物的抗逆性以及典型鹽生植物(如鹽地堿蓬)的作用效果和多樣性開展研究。例如趙振勇等[43]研究表明在鹽漬荒漠新墾地種植鹽生植物,土壤脫鹽效果明顯。賈娜爾·阿汗等[44]對鹽生植物堿地膚進行研究表明維持高含水量可能是堿地膚適應高強度鹽堿脅迫的重要特性。麻瑩等[45]對鹽地堿蓬進行研究表明有機酸的積累是堿蓬適應鹽堿脅迫重要的生存策略之一。王洪峰等[46]對黑龍江鹽生植物多樣性與鹽生植物區系進行了調查分析,表明黑龍江鹽生植物占全國鹽生植物種數的約17%,雖然數量不多,但是分布型多樣,利用價值大。

2.2.2關鍵詞突現分析

關鍵詞突現(Burst檢測)是指在某一時段內發表文章中出現頻次極高的關鍵詞,它能夠反映該時段內的研究熱點或新的研究趨勢,通過對國內外文獻的突現詞追蹤,可以掌握領域內研究熱點的演化動態,進而預測發展趨勢[18,27]。相對于傳統的高頻關鍵詞分析,突現關鍵詞更適合分析學科或研究領域發展的新興趨勢和突然變化。在CiteSpace軟件中,對關鍵詞聚類分析后,設置關鍵詞突發性探測參數。參數γ取值范圍[0,1],默認為1,γ值越小表示突現詞越多;參數Minimum Duration表示突現時間的最小單位,默認值為2,年份越小突現詞越多。默認設定值,首先按發文量的3個階段分別運行突現檢測算法,得到1992—2003年34個、2004—2011年47個和2012—2021年的151個突現關鍵詞,關鍵詞在不同階段的突現數量也在一定程度上表明各階段鹽堿地研究的情況。對1992—2021年整個階段運行檢測算法,對結果按照開始突現時間進行篩選,每一年篩選前3個突現時間長且突現強度大的關鍵詞,對關鍵詞進行歸類,同時按類縮減不重要的關鍵詞。鑒于1992年突現關鍵詞較多,且突現時長較大,故篩選部分具有代表性的關鍵詞,結果如表3所示。

表3 鹽堿地研究具有代表性的突現關鍵詞

根據表3可知,1992—2001年,突現的關鍵詞主要包括脯氨酸、水鹽運移、中低產田、增產效果、綜合治理、耕地面積和耐鹽力等。據此能夠初步推斷,這一段時間,鹽堿地的研究主要集中在鹽堿地治理、鹽堿地種植作物的增產以及對一部分作物和植物耐鹽能力的研究。而且從關鍵詞來看,鹽堿地研究在這一階段整體比較基礎。

2000年生態建設這個關鍵詞開始突現,生態環境也在1997年突現,還有鹽土農業和綠洲等關鍵詞突現,這說明鹽堿地研究開始注重與環境之間的聯系與相互影響。同時,動態變化、景觀格局、土地退化、動態監測、土地利用、成因分析、遙感和電磁感應等關鍵詞也在2003年以后開始突現,植物、基因工程、離子、可溶性糖、保護酶、耐鹽基因、丙二醛和發芽勢等關鍵詞也一起突現,這也說明此時的鹽堿地研究熱點集中在對鹽堿化的監測以及對植物耐鹽性更深入的研究上,這可能得益于科學技術的發展。同時從關鍵詞來看,鹽堿地的研究也更加的細化,具體到某一項技術或者某一個指標。

2012—2021年,鹽堿地研究進一步細化、延伸。脫硫石膏、生物炭和腐殖酸等新型改良材料對鹽堿地生態修復的效果與應用受到了廣泛的關注。此外,針對土壤酶和微生物在提高植物耐鹽性方面的作用機制和效果,研究人員也開展了廣泛的研究。外源物質如硫化氫和褪黑素等對于緩解植物鹽脅迫的效果和機制也被大量研究,對園林綠化植物的開發與利用也進一步深入。總體而言,這一階段鹽堿地的研究,方法上強調生態修復,目標上強調可持續發展。

除此之外,由表3可知濱海鹽土、土壤脫鹽、臨界深度、水資源、含鹽量和地下水等關鍵詞突現時間較長,這說明對于水鹽運動和水鹽平衡的理論研究一直都是鹽堿地研究的關鍵問題。

2.3 前沿熱點分析

對關鍵詞突現所得的結果進行篩選,以2018年后新突現的關鍵詞作為對象進行篩選得到2018—2021年鹽堿地研究的高頻關鍵詞(表4)。

表4 2018—2021年鹽堿地研究的高頻關鍵詞

新突現的高頻關鍵詞能夠反映新興的研究主題。由表4可知,2018年共有14個突現關鍵詞,突現強度前5的關鍵詞包括“耐鹽堿性”“甜菜”“根系形態”“生態修復”“理化性質”;2019年有16個關鍵詞突現,突現強度前5的關鍵詞有“基因表達”“轉錄組”“褪黑素”“黑果枸杞”“萌發期”;2020年突現關鍵詞較少,有8個,突現強度前5的關鍵詞則有“生理特征”“群落結構”“土壤養分”“機器學習”“水稻”。總體來說,從2018年以后突現的關鍵詞來看,鹽堿地研究主要又重新圍繞植物開展,“機器學習”也成為關注的熱點。

研究發現,一些定殖于植物根際的土壤細菌具有促進植物生長、減少植物病害發生率以及提高植物抗脅迫能力的特點[47],這類微生物被稱為植物根際促生菌(Plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)[48]。鹽堿脅迫阻礙了植物的生長和發育,PGPR能夠通過誘導植物建立抵抗及忍耐機制,確保植物在鹽堿土壤中生存。PGPR與植物的這種相互作用關系表明,PGPR對緩解鹽脅迫損傷、促進鹽堿土壤中植物的生長發育起到重要作用。隨著研究的深入,有望探討更深層次的作用機理,使大規模的推廣應用成為可能[49]。這種方法更加符合生態修復的要求,因而近年來植物根際促生菌的相關研究成為鹽堿地研究的熱點。

機器學習(Machine learning,ML)自20世紀90年代以來作為數字土壤測繪(Digital surface model,DSM)的工具出現[50]。研究表明過去10年機器學習技術在各個科學領域的應用迅速增加,且在數字土壤測繪和預測土壤時空特性方面具有巨大潛力[51]。利用機器學習算法預測土壤鹽漬化成為了一種新的方法[52]。國內近年來也開展了相關的研究,例如徐紅濤等[53]、陳香月等[54]和魏慧敏等[55]均利用機器學習進行土壤鹽分的預測,但目前機器學習的應用研究仍處于起步階段。總體來看,機器學習算法能在一定程度上突破傳統預測在數據和范圍等方面的限制,可為大尺度鹽堿地的發展演變預測提供新思路。

3 結論與展望

3.1 結論

1992—2021年,國內鹽堿地研究的發文量總體上呈現增長趨勢,鹽堿地研究內容主要以鹽脅迫對植物生理生態特征的影響、鹽堿地基礎理論研究以及改良修復措施、土壤水鹽運移機理和水資源高效利用、土壤鹽堿化的監測管理和鹽生植物的開發利用這5大主題開展。整體的演化脈絡早期主要集中在對鹽堿地的治理、改良,土壤水鹽運移機理,鹽脅迫對植物生理機制的影響以及鹽生植物機理等方面。之后則在鹽漬化的監測和管理等方面展開了重點的研究工作。目前的研究則是在強調生態文明建設的前提下,進一步加快對鹽堿地可持續開發利用工作,尋求更加綠色環保的修復方式,以推動地區生態環境安全和農業高質量發展。而未來的熱點主要包括3個大方向:利用基因技術開發耐鹽作物、植物以及園林綠化植物,研究植物根際促生菌對提高植物耐鹽性的作用以及研究成果的推廣,利用機器學習算法對土壤鹽漬化變化趨勢進行預測和管理。

3.2 展望

總體而言,目前國內對鹽堿地的研究形成了較為系統的理論基礎和大量的科研成果,但仍存在一些不足。比如缺乏相對開創性的研究,水鹽運動和水鹽平衡理論一直停滯不前,沒有更大的突破。另外由于研究具有明顯的地域性特點,土壤鹽堿化發生和演變過程規律的異同點和驅動機制等缺乏對比性研究,這導致鹽堿地演變和監測在更大范圍上的理論和技術突破存在較大難度。鑒于我國鹽堿地分布范圍廣、面積大,研究人員應根據當前國家發展的需求,依托豐富的鹽漬化土地資源,在現有研究基礎上,充分發揮自身學科優勢并大力融合其他學科,聚焦學科前沿,加強學術交流和合作,拓展基礎理論研究;進一步加大對新技術、新材料和新方法在鹽堿地研究中的探索與創新應用;并將現有的研究成果進行推廣,從而推動我國鹽堿地研究和治理的進一步發展。最后,面對氣候變化以及人口增長所帶來的生態環境問題,未來鹽堿地修復應采取基于自然的解決方案(Nature based solutions,NbS),促進鹽堿地長效、綠色和環境友好型治理,實現鹽堿地開發和利用的可持續發展。