2016—2020年环境土壤学研究进展与热点分析

来源：农业环境科学学报

作者：吴同亮1，王玉军1,2*，陈怀满1

摘 要：为了形象客观地了解国内外2016—2020年环境土壤学相关研究的发展特点，本文收集了发表在Web of Science和中国知网上土壤环境领域的相关文章，利用Web of Science自带分析工具和文献计量学软件CiteSpace，分析了该领域的研究现状、发展方向和热点。结果显示，2016—2020年间土壤环境领域研究成果丰硕，发展平稳，中美两国发文占比超过国际领域发文的50%。国际环境科学类刊物 Science of the Total Environment、Environmental Science and Pollution Research 和 Chemosphere发文量最高，土壤科学类期刊Geoderma、Catena、Plant and Soil和Soil Biology Biochemistry 也在发文前十行列。从国际上看，土壤环境领域共有微生物群落、有机碳、生物炭改良、N2O排放、重金属、土壤侵蚀、机器学习、保护性农业8个重要研究方向及相关热点；国内研究紧跟国际发展，侧重于土壤有机质、养分和微生物等研究热点，也围绕土壤水分、生物炭、土壤侵蚀和作物产量等热点开展了大量研究。

导 读

“土壤是历史自然体，是位于地球陆地表面和浅水域底部具有生命力、生产力的疏松而不均匀的聚积层，是地球系统的组成部分和调控环境质量的中心要素”，这是《环境土壤学》一书对土壤的清晰定义[1]。土壤环境保护的研究是现代土壤学的重要标志，环境土壤学是土壤学和环境科学的交叉学科，主要研究自然因素和人为条件下土壤环境质量变化、影响及其调控。它涉及土壤质量与生物品质，即土壤质量与生物多样性及食物链的营养价值与安全问题；涉及土壤与水和大气质量的关系，即土壤作为源与汇对水质和大气质量的影响；涉及人类居住环境问题，即土壤元素丰缺与人类健康的关系；涉及土壤与其他环境要素的交互作用，即土壤圈、水圈、岩石圈、生物圈和大气圈的相互影响；涉及土壤质量的保护和改善等土壤环境工程。环境土壤学领域的相关研究在很大程度上促进了现代土壤学的蓬勃发展。

文献计量学以文献体系和文献计量特征为研究对象，被用于文献定量分析。借助知识图谱和文献计量学软件的可视化功能，研究者得以较为客观地评价目标领域在一定时期内的历史演进过程、研究方向及当前热点，预测未来的发展趋势[2]，目前已被广泛应用于农林、生态和环境等领域[3-4]。基于此，本文力图借助 Web of Science（WoS）核心合集数据库和中国知网（CNKI）在2016—2020年间发表的以土壤为主题的相关文献，利用 WoS 自带分析工具和文献计量学软件CiteSpace，从年度、国家/地区、重要期刊的发文量、文献共被引和关键词共现词分析等角度，阐述环境土壤学领域中相关研究的发展态势、研究方向和热点，以期为研究者掌握学科当前发展程度、科学地选择研究方向提供参考。

1 材料与方法

环境土壤学的研究主体是土壤，是土壤学的分支学科，因此“土壤”这一主题基本可以反映其目前的研究概况。本研究所用软件为陈超美博士开发的5.7R2 64 位版本 CiteSpace[5]，利用软件提供的引文共被引分析和关键词共现词分析等功能，采集 2016—2020年间以“土壤”为主题发表的国内外文献，从土壤学及环境科学两种学科角度，分析了环境土壤学的进展及热点问题。引文的共被引分析是指两篇文献共同出现在除二者之外的文献（施引文献）引文目录中，而形成共被引关系。因此，特定领域论文后的引文可以形成共被引网络，对该网络的聚类分析可以展现研究领域的知识基础，反映其整体特征。关键词共现词分析可以统计关键词在所有发表文章中共同出现的情况，并由此反映研究热点[6]。

2 结果分析与讨论

2.1 2016—2020年该领域文献发表情况

经检索本领域 5年来共计发表论文 87 612篇，其中 70 510篇文献来自 WoS，17 102篇来自 CNKI（截至2020年12月），可看出本领域发文量较大，产出丰硕，年度发文趋势较为稳定（图 1）。

图1 2016—2020年间WoS和CNKI发文量情况

利用 WoS 自带的统计功能，对本领域的国家/地区发文及相关期刊发文进行汇总，具体见表2。中美德三国发文量位居前三，其中我国发文量最高，近乎超过第二名美国一倍，中美两国发文占比超过国际该领域发文的50%，可见两国是推动本领域发展的重要动力。

从国际刊物发文上看，环境科学类期刊 Scienceof the Total Environment、Environmental Science andPollution Research 和 Chemosphere 占据前三排行，共计发文11 644篇，发文占比为16.5%。此外，土壤科学类期刊 Geoderma、Catena、Plant and Soil 和 Soil Biology Biochemistry 跻 身 前 十 ，共 计 发 文 7 203 篇 ，占 比10.2%。以土壤为主题词的研究中，环境科学类研究发文大于土壤科学，体现了土壤环境领域的研究热度，也可能与不同学科的研究特点、相关期刊的审稿速度和发文量等因素相关。

表2 2016—2020年国家/地区及国际出版物论文发表情况（来自WoS数据）

2.2 2016—2020年国际该领域重点研究方向

利用CiteSpace的引文共被引分析功能对2016—2020 年间 WoS 上发表论文的所有参考文献进行分析，结果如图 2a 所示。图内年轮状圆圈所示的节点代表引文，年轮颜色代表其被引用的年份分布，大 小代表引用次数的多少，最外圈紫色圆环体现该文献的中介中心性较高，是图谱中过渡和枢纽节点。通过聚类分析并根据聚类的大小，得到“微生物群落” （bacterial communities）、“有机碳”（organic carbon）、“生物炭改良”（biochar amendment）、“N2O 排放”（N2Oemission）、“重金属”（heavy metal）、“土壤侵蚀”（soilerosion）、“机器学习”（machine learning）、“保护性农业”（conservation agriculture）8个聚类（图 2b），反映了本领域2016—2020年间的几个重要发展方向。通过图3所示的聚类分析时间线视图，可以直观了解本领域重要引文的发表年份。聚类 0、1、2、4 的引文在不同年份均有分布，可见其知识基础在不断更新和发展，有利于推动相关研究方向的深入进行；聚类 6 的引文发表时间较近，可见机器学习是本领域研究中较为新颖的手段。此外，聚类间节点的连线还体现了不同研究方向中知识基础的交叉，有利于拓宽研究思路及发展新的方向。以下就不同聚类的施引文献和被引文献，分别从研究现状和知识基础的角度展开分析。

图 2 2016—2020年WoS检索结果：引文共被引网络（a）及聚类结果（b）

图3 2016—2020年WoS检索结果的引文共被引网络聚类分析的时间轴视图

2.3 2016—2020年国际该领域研究热点

对WoS结果进行关键词共现词分析，以体现2016—2020 年间本领域的研究热点。结果如图 4 所示，TOP10 关键词如表 3 所示。出现频次最高的关键词“重金属”（heavy metal）呼应了聚类 4 中的相关研究，重点围绕“镉”（cadmium）、“铅”（lead）、“铜”（copper）、“锌”（zinc）等重金属，从“形态”（speciation）、“生物可利用性”（bioavailability）、“健康风险”（health risk）、“累积”（accumulation）、“空间分布”（spatial distribu⁃tion）等角度开展研究。

关键词“有机质”（organic matter）反映了聚类1中的研究热点，同“碳”（carbon）、“氮”（nitrogen）、“磷” （phosphorus）等营养元素类关键词紧密联系，在“气候变化”（climate change）背景下，探讨“碳固定”（carbonsequestration）等关键过程的“动态变化”（dynamics）。还与聚类 0 的内容息息相关，如关键词“微生物生物量”（microbial bioma）、“分解”（decomposition）和“呼 吸”（respiration）等，反映了微生物过程对土壤有机质分解乃至全球气候变化的至关重要的作用。

关键词“水”（water）与“生物炭”（biochar）在聚类2中的“土壤改良”（amendment）、“吸附”（adsorption）、“污染去除”（removal）等功效紧密相关，同时，土壤水分还与“硝酸盐”（nitrate）、“地下水”（groundwater）、“反硝化作用”（denitrification）以及“温室气体排放” （greenhouse gas emission）等关键词相近，反映了聚类3中氮素损失和N2O排放等研究重点。

“影响”（impact）、“土壤管理”（management）、“生长”（growth）和“作物”（plant）等关键词与“根际”（rhi⁃zosphere）、“酶活性”（enzyme activity）、“微生物群落”（microbial community）和“多样性”（diversity）等微生物相关关键词联系紧密，反映了聚类0中微生物群落对于不同土壤管理措施的响应及其对维持植物生产力的意义是本领域的研究热点之一。此外，“土地利用”（land use）、“黄土高原”（loess plateau）、“土壤侵蚀”（soil erosion）、“径流”（runoff）、“流域”（catchment）和“侵蚀”（erosion）等关键词的出现体现聚类 5 土壤侵蚀中的相关研究热点。

图4 2016—2020年WoS检索结果的关键词共现词关系

表3 2016—2020年该领域期刊论文TOP10高频关键词

2.4 2016—2020年国内该领域研究热点

对中国知网 CNKI 2016—2020 年发表的本领域中文章的关键词进行共现词分析，结果如图 5 所示，TOP10关键词见表 3。通过 WoS 和 CNKI关键词的对比发现，在土壤环境领域国际、国内发文关注点多有重合。如 CNKI中的“土壤有机质”“土壤微生物”“生物炭”“土壤侵蚀”和“重金属”关键词直接体现了WoS中的聚类名称；“土壤水分”“土壤养分”和“产量”等中文关键词与“water”“nitrogen”“carbon”和“growth”等英文关键词直接相关，这些均可体现出国内外研究的同步发展。此外，重金属为国际发文热点，排名第一，而国内发文则排名第十；全球气候变化进入 WoSTOP10 关键词前十，而未进入 CNKI 的相关列表。这些差异可能来自国内外研究热点的侧重，也可能与数据来源期刊的收录范围有关（WoS中所有期刊收录和CNKI核心期刊收录）。由于CNKI检索结果无法开展引文分析，现通过重要关键词的分析以图掌握本领域的研究热点。

图5 2016—2020年CNKI检索结果的关键词共现词关系

围绕关键词“土壤有机质”，研究从土壤固碳的角度考察了生物炭、沼液、秸秆或泥炭等的施用以及地膜覆盖等农艺措施，以及氮沉降、降雨量等气候变化的影响[95-97]；提出土壤碳同化（soil carbon assimilation）概念以描述土壤对CO2的吸收和无机固定过程，阐述了我国西北干旱区土壤有机碳等因素对碳同化的影响[98]；从区域尺度到相对微观尺度，探讨了土壤有机质的空间变异以及在土壤团聚体中的分布情况[99-101]；在方法学上，稳定碳同位素和示差红外光谱等技术被应用于土壤有机碳转化及组成的相关研究中[102-103]。

“土壤养分”是重要的研究热点之一，研究者以有机质、全氮、有效磷、速效钾为评价因子，利用地理信息系统、地统计分析法、遥感解译分类和组合赋权TOPSIS模型法等手段，对黔中经济区、江淮丘陵地区等农产品生产基地的养分空间变异情况[104-105]，及高寒草原草甸区土壤养分受土壤侵蚀和植被覆盖的影响进行了合理分析与评估[106]。同时，通过大田试验及实验室研究分析了煤基复混肥和生物炭的施用对农 业 土 壤 中 的 养 分 及 作 物 产 量 提 升 作 用 的 影响[107-108]。

围绕“土壤微生物”这一关键词，利用“高通量测序”等手段探测土壤微生物群落的丰度、结构和功能多样性随环境变化而发生的改变，并从以上角度入手开展了相应研究。如在田间条件下模拟大气 CO2浓度和气温上升等情况，分析了土壤微生物呼吸及其温度敏感性的变化特征，探究气候变化对土壤微生物多样性以及功能的影响[109-110]；考察了矿区和污灌区等典型污染区域镉、铅、砷等重金属以及多环芳烃、双酚A、苯并[a]芘等有机污染物对土壤微生物群落丰度和多样性的影响[111-113]，也考察了粪肥和有机肥施用等农艺措施以及林木的混交种植对土壤微生物群落多样性的影响[114-115]。

围绕“土壤水分”，研究从区域尺度下考察了林地、草地等不同土地利用类型中土壤水分的平衡情况及空间异质性[116-119]；探究了土壤水分对土壤呼吸及石灰土无机碳释放的影响[120-121]；研究了免耕、垄作和常规耕作等不同耕作方式[120] 以及枝条覆盖等措施[122]对土壤水分状况的影响。

“生物炭”在 2016—2020年间持续成为本领域的研究热点。此间研究涵盖了不同土壤中生物炭添加对CO2、CH4和 N2O等温室气体释放[123-126]，以及对肥料利用效率的影响[125-126]；还阐述了生物炭改良酸化土壤，提升团聚体结构稳定性，延缓土壤可蚀性的作用[127-129]，以及促进多环芳烃等有机污染物降解的作用[130]。

围绕“土壤侵蚀”这一热点，研究从土地利用类型、坡度、植被、土壤类型等环境因子着手，对土壤侵蚀的特征、分布及时空演变进行了详细的评估[131-132]；采用室内人工降雨模拟试验，深入探究坡耕地土壤侵蚀机理[133]，还从土壤侵蚀诱导土壤有机碳分布的角度，阐述了该过程对土壤酶活性的影响[134]。也有相关综述性文章分析了国内外土壤侵蚀及其阻控研究，总结了我国复杂环境下土壤侵蚀理论和实践的研究成果[135]；对我国青藏高原地区不同土壤侵蚀类型及研究短板进行了系统性的阐述[136]。

围绕“土壤酶活性”，开展了以下研究：通过不同肥料养分和生物菌剂的添加，研究了旱地和稻田土壤中土壤酶活的提升[137-138]。考察了次生林、人工林、灌草丛、坡耕地、湿地植物区中的土壤酶活性，分析了开窗补阔等人工改造方式和土地利用方式的变化下土壤酶活的垂直分布等特征[139-141]。

作物“产量”常是土壤学及环境科学相关研究的最终评价方式。有研究考察了养分投入和腐植酸等调理剂的施加对土壤物理化学性状的改善，其可提升果园产量，改善作物品质[142-143]；研究不同秸秆还田方式、地膜覆盖等措施对土壤水分、土壤微生物和酶活的影响，以及小麦、大豆和玉米等作物相应的产量响应[144-146]；还考察了咸水资源灌溉下土壤水盐分布与籽棉产量的响应[147]。

围绕土壤“重金属”污染问题，从其在土壤中的有效性、植物（作物）富集和风险评价角度开展相应研究。如畜禽粪便有机肥中的重金属在水稻土中生物有效性的动态变化[148]；典型重金属在不同研究区域（湿地、矿区）中的优势植物、设施农业中蔬菜、城市森林中不同树种的富集特征[149-152]。还从微生物与重金属相互作用的角度，分析了不同土地利用类型的土壤中微生物群落多样性对重金属的响应[153]以及产脲酶细菌矿化修复镉、铅污染土壤的机制[154]。

2.5 局限性探讨

基于 CiteSpace的文献计量学分析可以借助庞大的原始数据量较为客观地体现所研究领域的总体演进趋势、发展方向及热点，然而由于数据筛选阈值等软件设置问题，领域最前沿的研究通常因为其知识基础（参考文献）或文中所列关键词出现次数过低而尚未形成规模，被常规研究的数据所埋没，造成分析结果的局限性，如土壤环境大数据的构建与应用、土壤有机污染物、土壤纳米颗粒和微塑料等新型污染物、污染物的交互作用、土壤修复、土壤健康等前沿问题均未作为热点问题而得以体现。在后续研究中需要对检索关键词、数据来源和软件阈值等条件的筛选和设置进行更为客观地评估，并可按照领域中研究方向的划分再次进行检索分析，使其更能反映领域最前沿的发展。

3 结论

本文利用文献计量学软件 CiteSpace，对 2016—2020 年间在 WoS 和 CNKI 上收录的以“土壤”为主题发表的国内外文献开展了分析，一定程度上反映了环境土壤学中相关研究的发展方向及热点。

（1）2016—2020 年 5 年间相关研究领域发展稳定，发文量较大。中国的研究成果居世界首位，且中美两国发文占比超过国际该领域发文的50%。

（2）从国际该研究领域的发展方向和热点上看，共有微生物群落、有机碳、生物炭改良、N2O 排放、重金属、土壤侵蚀、机器学习、保护性农业 8 个重要聚类。围绕土壤中重金属污染、有机质固定与转化、各营养元素利用与循环以及全球气候变化等热点问题开展研究。 （3）从国内本领域研究热点上看，土壤有机质、养分和微生物的相关研究最受关注，同时也围绕土壤水分、生物炭改良、土壤侵蚀和作物产量等问题开展了大量研究。

（4）由于方法的局限性，在后续研究中应进一步完善软件功能与参数的合理性，使其更为科学、全面而客观地反映本领域的前沿与进展。