中国土壤质量研究发展脉络解析

周立波

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),710043,西安)

土壤是人类赖以生存与发展的重要物质基础。随着人口、资源、环境之间的矛盾日益尖锐,因土壤肥力下降、盐渍化、沙漠化、侵蚀、酸化以及重金属污染所造成的土壤退化问题变得越来越突出,极大地限制了人类的发展,使土壤质量问题的研究与调控越来越多地受到世界范围的关注。土壤质量与粮食安全、人类健康以及社会经济的可持续发展息息相关[1-2],被视为衡量环境质量、粮食安全与经济问题的有效工具[3-4]；因此,土壤质量就成为了现代土壤学发展的前沿和热点。在粮食增产和环境的持续发展中,土壤资源一直是一种脆弱的不可再生资源,要想获得可持续发展,其核心就是要保持和提高土壤质量及土壤管理与环境的关系[5]。土壤质量的保持与提高已经成为当今国际土壤学界、环境学界、生态学界、农学界等共同关注的研究课题[6]。

在中国研究土壤质量有其现实意义。中国作为世界第一人口大国和最大的发展中国家,粮食问题和环境问题是目前最为突出的2大问题。土壤质量作为衡量可持续发展的有效指标受到学者的高度关注。进入21世纪以来,中国土壤质量研究呈现繁荣之态,一些新思路、新手段、新方法被持续引入该领域,学科交叉日益频繁。目前,国内学者针对中国土壤质量不同阶段的发展进行了文献综述,多集中在土壤质量评价方法[7]、指标[8]、标准[9]以及可持续土地管理[10]方面,这为中国土壤质量的系统化研究起到了促进作用；但是,面对数以万计的文献群,以文献阅读、总结归纳、定性探讨为主要方法的传统文献综述存在明显的局限性:因此,采用更为科学的方法辨析中国土壤质量研究网络及发展过程,把握国内土壤质量发展脉络,剖析土壤质量研究现状尤为必要。

由美国德雷赛尔大学陈超美教授开发的基于JAVA环境的引文网络分析工具Citespace为大数据文献的分析提供了可靠的途径；然而,Citespace只能勾勒出研究领域的概况,无法提供更深入的文献细节,所以本研究依据Citespace的分析结果,结合对文献的批判性阅读,进一步系统梳理该领域的研究文献,解析国内土壤质量研究过程,以期为开拓中国土壤质量研究前沿提供借鉴,促进中国土壤科学发展。

1 研究思路与数据获取

本研究以关键词“土壤质量”为检索方式从中国知网(CNKI)确定文献数据源,根据1980—2016年间发文数量的变化将其初步划分为5个阶段,即1980—1990、1991—2000、2001—2005、2006—2010、2011—2016年,检索日期为2016年9月23日。共检索到中文文献5 157篇,采用信息可视化软件CitespaceV[11-12]进行科学知识图谱绘制,以可视化的网络图谱直观地展现国内土壤质量研究的不同发展阶段。Citespace软件着眼于分析科学中蕴含的潜在知识,是一款在科学计量学、数据可视化背景下发展起来的引文可视化分析软件。该软件擅长对Web of Science中的文献进行分析,而对于中国知网中的文献数据则只能进行关键词的分析。图谱中年轮大小代表关键词出现的频率,年轮越大说明关键词出现的次数越多；关键词之间距离代表共现频率的高低,距离越近说明共现频率越高。

2 发展概况

2.1 近30年来发文数量变化特征

20世纪70年代,亚历山大首次提出了土壤质量(soil quality)的概念,90年代,国外土壤学家围绕土壤质量概念[13-15]、指标[7,16-17]、评价框架[8-9]等内容展开了广泛的研究。由图1可以看出,国内土壤质量的快速发展起步于2000年以后,在10多年的时间里涌现出大量相关文献,这表现出国内土壤学家对土壤质量研究的重视程度。目前,国家对科学研究的投入力度以及对农业的重视程度都在不断加大,极大地促进了当前土壤质量研究的发展。

图1 1980年以来中国土壤质量发文数量变化Fig.1 Number of published articles on soil quality in China since 1980

2.2 学科分布、研究层次及不同时段基金来源特征

由图2可以看出,中国土壤质量研究的学科分布主要为农业基础科学、农艺学,占到了总数的60%以上,而环境科学与资源利用所占的比例较小,仅11.44%,与国际土壤质量研究相比[10],中国在环境方面的研究较少。随着全球气候变化和人类活动影响的加剧,土壤质量在环境保护等方面的应用也会愈来愈多。如图3所示,中国土壤质量的研究层次目前主要是基础与应用基础研究(自然科学)及工程技术(自然科学),反观国内土壤质量研究层次及其学科分布特征可以发现,土壤质量的研究大多分布在自然科学方面,与人文、经济等社会科学接轨较少,这也体现了国内土壤质量研究的不完备性。土壤质量的研究范围不应仅仅包括土壤本身的基本属性,同时也包含它与农业、环境、人文、经济之间的动态关系。

图2 国内土壤质量研究学科分布特征Fig.2 Distribution characteristics of subjects on soil quality in China

图3 国内土壤质量研究层次分布特征Fig.3 Level distribution characteristics of researches on soil quality in China

通过基金所支撑的文献发表数量能从一定程度上反映该学科基金来源结构的变化。本研究对中国知网(CNKI)所给出的数据进行分析,得到不同时段国内土壤质量研究基金来源的变化特征(图4)。由图4可以发现,不同时段内,基金来源的结构组分整体保持一致,以国家基金支撑为主,其次为地方性基金及中科院基金。对比不同时段基金来源可以发现,国家基金支撑的比例不断增高,且一直处于主要地位,地方性基金的份额也在逐年增大,通过对原始数据分析也发现地方性基金的种类及参与的省份也愈来愈多。除以上基金外,高校基金、部局级基金和国际合作基金所占比例较少。综合以上分析,中国土壤质量的研究应加强与国际机构的合作,开展全球尺度的土壤研究,这也符合当前全球土壤变化的研究趋势。此外,地方及高校应继续加大对基础学科的支持力度。

图4 不同时段文献基金来源分布特征Fig.4 Distribution characteristics of fund resources in different time period

3 近30年发展脉络

利用CitespaceV对5157篇文献进行关键词共现分析,获得不同时段土壤质量关键词共现图谱。图谱中年轮的大小反映了关键词在不同时段的热度。随着年限的增加,年轮圈越来越大,圈内包含的内容也越来越复杂(图5～8)。为使土壤质量研究发展脉络更加清晰,根据年发文数量,2000年以前,10年为一个阶段,2000年以后5年为一个阶段。中心性较高的关键词可能成为网络中由一个时间段向另一个时间段过渡的关键点,具有一定程度的理论创新。突现性较高的关键词是指在某一阶段被引次数迅速上升的关键词,这类关键词可能会成为后来的中心性关键词和研究热点。

3.1 萌芽阶段(1980—1990年)

1980—1990年间图谱(图5)中土壤质量年轮圈并不在网络内,且年轮圈较小,这说明该阶段土壤质量在国内刚刚萌生,与其他学科之间的联系较少,中心性较高的关键词(表1)有农业生产(0.54)、土壤养分(0.38)、农业土壤(0.42)、作物产量(0.17)、土壤生产力(0.18)、土壤普查(0.14)、土壤资源(0.14)、生产潜力(0.12)。由图5可以看出,各个研究聚类较为独立,交叉较少。图谱显示,在该阶段处于较为前沿的研究内容是利用数学方法对资源进行综合评价,包括效用理论、层次分析法、指标权重等；对不可再生能源、生产成本、化学可再生能源的研究；对农业土壤污染、重度锌污染、土壤环境污染的研究。

3.2 概念形成期(1991—2000年)

1991—2000年的土壤质量研究较前一阶段更为集中(图6),与各研究方向的结合交叉较上一阶段更加密切。中心性较大的关键词有土壤质量(0.77)、作物产量(0.22)、土壤资源(0.13)、土壤养分(0.11),除此以外,土壤科学、农业生产、土壤肥料、土壤压实、生态环境、土地利用、土壤退化等关键词的中心性差别不大,处于0.05～0.09之间。在该阶段,土壤质量的年轮圈最大,与之交叉的有土壤科学、土壤圈、土壤学、土壤改良、近代自然科学、土壤资源等,说明这一阶段是土壤质量的概念形成期。张桃林等[18]围绕土壤质量的概念及其与可持续农业的关系、评价方法、土壤质量变化、退化动因以及监测方面进行了系统论述,提出了下一阶段中国土壤质量的研究方向。赵其国等[5]、孙波等[19-21]围绕其定义、评价方法、生物学指标、碳氮指标进行了综述,是中国土壤质量研究的标志性文献。与国外同时期土壤质量研究相比,国外在该阶段已开展了关于土壤质量概念、指标、评价等诸多案例的研究,相对而言,国内土壤质量评价相关研究案例较少,且仅处于尝试阶段[22-24]。与上一阶段相比,这时期涌现出的新的具有较高中心性的关键词有土壤科学、土壤改良、土地利用、生态环境、土壤压实和肥料、化学农药和土壤退化。土壤环境问题在这一阶段中凸显出来,土壤退化及污染问题受到更多关注。

3.3 应用起步阶段(2001—2005年)

2001—2005年内的土壤质量相关研究进一步增多(图7),具有高中心性的关键词有土壤质量(0.11)、土壤微生物(0.14)、土壤污染(0.18)、农业生产(0.12)、重金属污染(0.12)、功能多样性(0.14),土壤养分(0.09)、土壤退化(0.07)、生态环境(0.08)。与上一阶段相比,该阶段涌现出较多新的关键词,这些关键词主要与土壤质量指标及其评价、土壤污染、土壤生产力、土地利用、土壤功能有关。

土壤质量评价指标位于土壤质量年轮圈内最核心的部位,与土壤有机碳、生态环境、农田黑土、重金属污染等交织在一起。土壤质量是土壤诸多物理、化学、生物学性质以及形成这些性质的一些重要过程的综合体现,因此,对于土壤质量的评价需要从不同方面选取指标来综合评价,诸多学者对此展开了广泛的研究。张玉兰等[25]阐述了土壤酶作为土壤质量评价的敏感指标的重要性及其应用价值；张华等[26]、徐建民等[27]对土壤质量评价指标和方法进行了系统论述；在指标应用方面,许明祥等[28-29]在黄土高原丘陵区较早的开展了土壤质量评价的系统性研究,利用统计方法从32项土壤物理、化学、生物指标中筛选出了有机质、渗透系数、抗冲性、电导率、蔗糖酶、团聚体平均质量直径、速效磷、微团聚体平均质量直径作为该区域土

壤质量评价最小数据集指标,对该区域不同土地利用方式的土壤进行了评价,并分等定级；王华等[30]研究表明蚯蚓的丰富度可以作为中亚热带红壤区土壤质量的表征指标。该阶段土壤质量的指标筛选和评价更加注重其应用性,尤其在土壤有机碳[31]、生态环境[32-33]、东北黑土区[34-35]、土壤污染[36-37]等方面。这表明20世纪末中国经济的快速发展导致土壤污染、土壤退化以及由此对食物安全产生的影响受到更高重视。

表1 1980—2016年中国土壤质量研究不同时段前20位高频关键词Tab.1 Top 20 high frequency keywords on soil qualityin China during 1980- 2016

图5 1980—1990年中国土壤质量关键词文献计量网络图谱Fig.5 Bibliometrics network map of keywords on soil quality in China during 1980- 1990

图6 1991—2000年中国土壤质量关键词文献计量网络图谱Fig.6 Bibliometrics network map of keywords on soil quality in China during 1991- 2000

与前2阶段相比,土壤微生物跃居第2高频词汇。土壤微生物与土壤修复、植被恢复、施肥等密切相关,参与了众多土壤的关键过程,同时也是土壤质量关键的敏感指标,与同时期国际土壤质量研究相比,中国土壤质量相关的微生物方面的研究起步虽稍晚,但发展速度较快。此外,该阶段带有突现性特征的关键词为土地利用,土壤质量对土地利用方式变化的响应以及调控措施也成为土壤学的研究热点。

图7 2001—2005年中国土壤质量关键词文献计量网络图谱Fig.7 Bibliometrics network map of keywords on soil quality in China during 2001- 2005

3.4 系统化阶段(2006—2010年、2011—2016年)

与前面几个阶段的土壤质量研究网络相比,2006—2010年、2011—2016年2个阶段最大的特征是研究节点数量变少,关键词更加集中,高频关键词年轮之间的交叉性明显增强。通过分析发现,2个时间段在内容上相似,因此,本研究选取特征更为明显的2011—2016年期间的图谱作为分析对象进行展示,而在研究内容上拟将2006—2016作为一个时段。1999年10月,“土壤质量演变规律与持续利用”项目获准成为中国土壤学界的第1个“973”项目,这对全国土壤学界同仁是一个极大的鼓舞,激发了人们对土壤、肥料、环境、生态和持续发展的研究热情和科学献身精神。2008年10月起,由该项目所形成的《中国土壤质量》《土壤质量指标与评价》等系列专著标志着中国土壤质量研究系统化的开始。近10年来国内土壤质量研究所发表的中文文献数量占1980年以来文献总数的84.5%。由图8可以看出,尽管文献数量激增,但研究内容更加集中,这也表现出国内土壤质量近10年来研究内容更加深入,学科系统性加强。因此,根据图谱特征,本研究将2006—2016年作为土壤质量研究的系统化阶段。

在2006—2010年、2011—2016年 2个阶段内,前20的高频关键词的中心性均普遍较高,其中土壤养分、土壤肥力一直在前5名。在2006—2010年时间段内,年轮圈较大的有土壤肥力、土地利用方式、土壤养分、土壤微生物、土地利用、土壤侵蚀、土壤污染、土壤退化、土壤酶活性等,而且已形成系统网络,例如围绕土壤肥力开展了坡耕地、地力培肥、土壤环境、耕地质量、有机肥等诸多研究。在2011—2016年时间段内,基本所有的关键词都在土壤质量年轮圈内(图8),最靠近年轮圈核心的关键词有土壤生物化学、土壤培肥、土地评价、重金属污染、可持续发展、农业生产、生态环境、土壤肥力、土壤污染,从核心部分向外围看,重金属、有机质、土地利用、土壤改良、土壤理化性质等关键词的年轮圈交叉融合的程度较2006—2010年更为强烈,这也表明该阶段的研究更加系统化,不同研究方向之间的联系增强。这一时间段最明显的特征是环境方面的研究十分突出,尤其是对土壤环境污染的防治、改良、修复的研究增多。与国际同时期土壤质量研究相比,中国在环境方向上的土壤质量研究已得到充分关注。2016年5月28日,国务院正式印发《土壤污染防治行动计划》,即“土十条”,这也标志着中国政府对土壤污染及修复的高度重视,是中国土壤修复领域的里程碑；但对于土壤质量对全球气候变化的响应开展较少,尤其是环境脆弱带。

图8 2006—2010年中国土壤质量关键词文献计量网络图谱Fig.8 Bibliometrics network map of keywords for soi l quality in China during 2006- 2010

4 结论与讨论

进入21世纪以来,中国土壤质量研究的文献数量快速增长,2006—2016年期间的文献数量占到了1980年以来的84.5%。从其发展脉络上可以看出国内土壤质量研究受到了学科发展和社会需求的双重驱动。目前,中国土壤质量研究还处于基础研究阶段,研究内容多涉及自然科学方面,与人文、经济等社会科学联系较少。从基金支撑来看,国家基金为主要基金来源,地方性基金和中科院基金是基金来源的重要组成部分,国际合作基金较少。

根据不同时段网络图谱特征,将1980年以来国内土壤质量研究过程分为4个阶段:萌芽阶段(1980—1990年)、概念形成期(1991—2000年)、应用起步阶段(2001—2005年)、系统化阶段(2006—2016年)。每个发展阶段都有其鲜明的特征。萌芽阶段,各学科之间较为独立,交叉少,主要围绕农业生产展开研究；概念形成期,就土壤质量的概念、指标等展开讨论,同时土壤环境问题开始凸显；应用起步阶段,对土壤质量评价指标的筛选及其应用开展了诸多研究,对土壤微生物、重金属污染、生态环境、土壤污染、土地利用方式变化等的研究进一步加强；当前中国土壤质量研究处于系统化阶段,学科交叉明显变强,土壤肥力、土地利用方式、土壤养分、土壤微生物、土地利用、土壤侵蚀、土壤污染、土壤退化、土壤酶活性等在这一阶段研究的系统性更为完备,尤其是对污染土壤的修复研究,是中国未来一段时间内土壤质量研究的前沿与热点。

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