基于文献计量法的土壤细菌研究进展*

钟菊新，唐红琴，何铁光，李忠义，李强

(1.中国地质科学院岩溶地质研究所，自然资源部/广西岩溶动力学重点实验室，广西桂林，541004；2.联合国教科文组织国际岩溶研究中心，广西桂林，541004；3.广西农业科学院农业资源与环境研究所,南宁市，530007)

0 引言

土壤细菌作为数量最多、丰度最高，生物功能多样的微生物类群，在驱动陆地生态系统中的生态过程、物质循环和能量流动方面发挥着重要作用[1]。土壤细菌研究发展历程主要经历了3个时期：20世纪90年代前，微生物数量和种类的研究主要基于传统分离培养技术[2]；20世纪90年代后，DNA指纹图谱技术倾向于研究优势类群，对稀有类群检测有限，且土壤细菌多样性研究略为粗浅[3]；随着21世纪高通量测序技术的发展和生物信息学的应用，土壤细菌研究才得以迅速发展，主要集中在土壤细菌群落组成、多样性和内在驱动机制，研究范围从局部扩展到全球细菌分布[4]。此外，土壤细菌的功能作用引起广泛关注。土壤细菌在土壤环境中参与动植物降解过程[5]，释放养分，驱动土壤中碳、氮、硫、磷等重要元素的生物地球化学循环[6]，在土壤污染修复过程中也发挥着重要作用[7]，对于稳定生态系统具有重要意义，被认为是土壤养分的“转化器”、环境污染物的“净化器”和生态系统的“稳定器”[8-9]。

近年来，土壤细菌研究已成为多学科渗透的综合边缘微生物科学，面临着诸多机遇与挑战。在技术迅猛发展的时代，系统梳理土壤细菌的研究进展和热点内容，有利于强化土壤微生物机理研究的知识积累与理论创新能力。而文献计量学是将数学和统计学的相关理论运用于文献情报研究的一门交叉学科[10]，其优势在于能直观清晰的展现出知识框架和研究热点。因此本文基于文献计量学分析法，借助CiteSpace和VOSviewer工具，对2010-2020年Web of Science核心合集数据库中土壤细菌相关文献进行可视化分析[11-12]，以获取近10年来土壤细菌研究领域的研究进展和前沿，形成相应的学科知识图谱，为该领域研究者跟踪研究前沿、把握研究方向提供理论参考。

1 数据采集与分析方法

为全面掌握国际土壤细菌研究领域的情况，将Web of Science(WOS)核心合集数据库作为文献检索数据库，“soil bacteria”为检索主题，检索时间跨度为2010—2020年(11年)，共检索文献34 918篇，将记录内容以“全记录与引用的参考文献”检索结果保存成.txt 格式文件。利用WOS自带检索功能，对土壤细菌研究领域的总发文量、国家/地区的发文量进行定量分析；采用CiteSpace软件(5.7.R2)对研究机构、作者合作关系进行定量分析[13-14]；利用VOSviewer软件对关键词共现进行可视化[15]。

2 结果与分析

2.1 国家/地区发文量分析

根据Web of Science分析检索结果报告，2010—2020年，土壤细菌领域共有文献34 918篇。对该领域的总发文量和主要国家/地区发文量进行统计分析，结果如图1、图2所示。

从总体上看，国际上土壤细菌领域文章发文量呈现平稳上升趋势，未达到饱和状态(图1)。从图2可以看出，中国是土壤细菌领域发文量最多的国家，共计9 458篇，占总发文量的27.09%；美国位居第二，共计6 102篇，占17.48%；第三位是印度，共计2 886 篇，占8.27%；其后依次为德国、韩国、法国、澳大利亚、日本、加拿大和英格兰。仅中国和美国在土壤细菌领域的发文量已占世界总发文量的47.16%，说明中国和美国在土壤细菌研究领域具有较强的综合科研实力。

图1 2010—2020年土壤细菌领域发文量Fig.1 Number of published articles in soil bacteria field from 2010 to 2020

图2 2010—2020年期间主要国家发文量Fig.2 Number of published articles of major countries from 2010 to 2020

值得注意的是，2010—2012年期间，美国的发文量高于中国，但自2013年起，中国的土壤细菌发文量逐渐超越美国及其他国家，总体呈现跨越式增长(图1)。主要原因在于中国科学院在2012年启动“土壤与土壤生物学发展战略研究”项目[16]，为科研工作者提供了研究平台。随后中国科学院战略性先导科技专项(B类)“土壤—微生物系统功能及其调控”“中国微生物组计划”等土壤生物研究政策的出台，进一步推动了中国土壤细菌领域研究的发展[17-18]。

2.2 研究机构和作者合作关系分析

利用CiteSpace软件对土壤细菌研究领域内发表的34 918篇文章的研究机构和文章作者进行分析。时间跨度设置为2010—2020年，时间切片为2年，数据选取TOP30。节点设置分为Institution(研究机构)和Author(作者)，得到排名前10位的科研机构、作者排名表(表1)，研究机构合作关系网络图谱(图3)和文章作者合作关系图谱(图4)。

表1 2010—2020年土壤细菌领域发文排名前10的研究机构和作者Tab.1 Top 10 countries and authors of the number of published articles in soil bacteria field

图3 土壤细菌领域研究机构合作关系网络Fig.3 Institutions cooperative networks in soil bacteria field

图4 土壤细菌领域作者合作关系网络Fig.4 Authors cooperative networks in soil bacteria field

在科研机构方面，中国的科研机构发文量占据主导地位，发文量排名前10的机构中，中国的科研机构占据6位。中国科学院(Chinese Academy of Sciences)发文量最高，发文数量为2 212篇，其次是中国科学院大学(University of Chinese Academy of Sciences)、南京农业大学(Nanjing Agricultural University)、浙江大学(Zhejiang University)、中国农业科学院(Chinese Academy of Agricultural Sciences)、西班牙高等科学调查委员会(CSIC)、俄罗斯科学院(Russian Academy of Sciences)、法国农业科学院(INRA)、中国农业大学(China Agricultural University)和美国加利福尼亚大学(University of California)。

在科研合作方面，由图3可知，中国科学院(Chinese Academy of Sciences)年轮最大，与各个机构之间连线较多，表明中国科学院在土壤细菌研究领域的国际影响力较强，与众多研究机构联系较为密切，对土壤细菌研究领域的贡献较大。该领域的成果主要发表在InternationalJournalofSystematicandEvolutionaryMicrobiology、SoilBiology&Biochemistry、FrontiersinMicrobiology等期刊(表2)，JCR分区在Q1-Q4中均有分布。其中SoilBiology&Biochemistry(SBB)分属JCR分区的Q1区，是土壤细菌领域的TOP期刊，InternationalJournalofSystematicandEvolutionaryMicrobiology是细菌分类和系统发育方面的经典期刊，发文数量最多。

表2 2010—2020年土壤细菌领域发文前10位期刊Tab.2 Top 10 journals of the number of published articles in soil bacteria field

在研究作者方面，发文量排名前10的作者中，中国作者有4位，分别是李文均(Li WJ)、贺纪正(He JZ)、沈其荣(Shen QR)和朱永官(Zhu YG)。来自德国的作者有2位，英国、韩国、荷兰、澳大利亚等国家的作者均为1位。结合图4可知，发文作者身后有相对稳定的研究团队，且呈现区域性的合作关系。中国在该领域内发文数量最多，且科研机构和发文作者均占主导地位，进一步说明我国在土壤细菌领域研究具有广泛影响力。

2.3 研究热点分析

利用VOSviewer软件对WOS核心合集获取的数据进行关键词共现分析，得到排名前20位的高频关键词(表3)和关键词共现关系网络图谱(图5)，反映出近10年来土壤细菌领域的研究热点。由图5知，关键词聚类自动划分为4个模块。

图5 2010—2020年土壤细菌研究领域关键词共现关系网络Fig.5 Keywords co-occurring networks in soil bacteria field from 2010 to 2020

表3 2010—2020年关于土壤细菌领域的高频关键词Tab.3 Top 20 high-frequency keywords of soil bacteria field

1)绿色模块主要是土壤细菌研究方法。Soil bacteria为本文研究的关键节点，该节点同颜色延伸出的关键词分别为16S rRNA基因(16S rRNA Genus)、分离鉴定(Identification)、菌株库(Sp.nov.)、基因库(Gen.nov.)等，表明近10年来土壤细菌领域主要注重分离培养获得细菌菌株和高通量测序技术获得细菌基因序列。

2)红色模块主要是研究土壤细菌群落和多样性。聚类图中关键节点为微生物群落(Microbial community)和多样性(Diversity)，表明近年来土壤细菌研究领域的重点和关键主要集中在土壤细菌多样性产生与维持机制上，包括土壤细菌群落分布及群落构建过程。与该节点相连的关键词分别为碳(Carbon)、氮(Nitrogen)、有机质(Organic matter)和草地(Grassland)等，表明土壤细菌群落分布与生态系统功能密切相关，是土壤细菌领域的另一研究热点。

3)黄色模块主要侧重研究土壤细菌在维持植物生长与土壤环境健康的作用。其关键节点为植物生长(Plant-growth)、根际(Rhizosphere)，强调了地上植物与地下微生物的互作关系，表明了根际微生物在土壤环境中的重要作用。

4)蓝色模块则为研究土壤细菌降解环境污染物的作用机理。红色聚类中关键词有生物降解(Biodegradation)、生物修复(Bioremediation)、重金属(Heavy metals)和累积(Accumulation)等，表明土壤细菌在降解与转化环境污染物、修复土壤方面发挥着显著作用。

综合来看，目前土壤细菌研究的领域主要集中在土壤细菌研究方法、土壤细菌多样性研究和土壤细菌的功能特征三个方面。

2.3.1 土壤细菌研究方法

近10年来，分离培养和高通量测序技术是对土壤细菌加以注释的主要方法。分离培养技术能直接了解微生物的生理生化特征，但细菌种类繁多，且绝大多数不可培养，传统的分离培养技术不能满足科研需求。而随着PLFA图谱分析、BIOLOG技术、DNA指纹图谱等分子生物学技术的兴起，不依赖传统的分离培养技术，便可对土壤环境中的微生物群落进行分析[19]。此外，高通量测序和质谱技术的革命性突破，对微生物群落组成的描述能达到属或亚属水平，并能评估其单个基因水平上的功能潜力及其表达[20]，推动了土壤微生物生态学的发展。例如，16S rRNA高通量测序技术能描述微生物群落组成，微生物组学能描述特定微生物群落的碳、氮元素的转化和利用[21-22]，增强了人们对细菌群落及功能的认识。但是，如何将微生物特性和生态系统功能联系起来，仍有较大困难[20]。因此，必须借助新兴技术对土壤细菌功能特征进行研究，将微生物特性和生态系统功能联系起来，包括单一的功能(如养分循环[23]、有机质分解[24]，植物生产力[25])和生态系统多功能[26]。同时需要回归传统的分离培养技术，识别特定功能菌株，并对其进行功能验证才是土壤微生物研究的根本。

2.3.2 土壤细菌多样性研究

土壤细菌多样性研究内容包括土壤细菌的空间分布格局及对环境的响应和群落构建过程。土壤细菌空间分布格局及对环境的响应机制体现在两个方面：一是海拔多样性格局，二是基于地理距离的分布格局。在海拔多样性格局上，随海拔升高，土壤细菌多样性呈现单峰模式[27]，或随海拔升高而降低[28])或未呈现明显的递减或单峰模型[29]，表明了土壤细菌随着海拔的升高，土壤细菌多样性变化规律不具有一致性，这种不一致性是由不同环境因子导致的，如植被类型、土壤pH[30]、土壤温度和碳氮比[31]等。基于地理距离的分布格局上，Delgado-Baquerizo等[32]通过对全球237处样点进行研究，揭示了全球土壤细菌的分布格局，发现全球近一半土壤细菌群落被占2%细菌系统发育类型所占据。在此基础上，Delgado-Baquerizo等[33]发现土壤细菌的多样性极高，但丰富类群相对较少，这种现象主要受土壤pH、植被类型和土壤碳含量的影响。而Shi等[34]基于土壤的细菌群落变异与空间和环境关系研究，发现华北平原中部的土壤细菌多样性最高，这种多样性的空间差异主要是由放射菌和α-变形杆菌引起的。由此可见，土壤细菌的空间分布格局除了受环境因子驱动外，还受土壤细菌群落自身的影响。

当前对土壤细菌群落研究已深入到群落构建机制中，明确土壤细菌群落构建过程和群落结构以及功能之间的关系，是近年来微生物生态学研究的热点[35]。微生物群落构建被划分为确定性过程(匀质性选择和异质性选择)和随机性过程(扩散限制和匀质性扩散)[36-37]，前者强调环境选择作用对微生物群落构建的影响[38]，后者则强调均质环境下微生物群落普遍存在的种—面积关系或距离—衰减关系模型[39-40]。已有较多的研究表明，群落构建理论可以用来解释土壤微生物群落的构建过程，尤其是土壤细菌关注更为密切。Zhao等[41]通过对黄土高原亚高山针叶林的土壤细菌研究，发现细菌群落构建过程受随机性和确定性过程交互影响，但确定性过程始终占主导，土壤有机碳(SOC)是驱动群落结构和多样性格局的主要影响因子。Feng等[42]研究我国东北玉米地土壤细菌群落，发现随着空间尺度增大，群落构建过程由匀质性扩散转变为异质性选择，随机性过程和确定性过程分别解释了33%和57%的空间周转速率，揭示了微生物群落构建过程中的距离—衰减模式。而Liu等[43]基于零模型研究发现，随着时间尺度增大，土壤肥力不断增加，具有环境选择偏好的确定性过程作用逐渐突显，揭示了农田生态系统可持续性发展的微生物构建机制。此外，Xun等[44]研究土壤微生物多样性对群落构建的影响，发现在高多样性群落中随机性过程占主导，由于特定微生物功能类群减少，低多样性群落中确定性过程占主导地位，这种低多样性诱发的确定性群落构建过程很有可能限制该群落的功能，这一发现对揭示生态系统功能有潜在作用。

2.3.3 土壤细菌功能特征

土壤细菌作为微生物最大的类群，在促进生物地球化学循环、污染物降解、维持植物和土壤健康方面有重要作用。土壤微生物复杂多样的代谢活动促进了土壤元素的迁移和转化，解析元素在生物地球化学循环的微生物机制，是维持生态系统功能的关键环节[16,45]。土壤细菌普遍参与到碳、氮、硫、磷等元素的生物地球化学循环过程。例如，在厌氧和缺氧环境中，硫酸盐还原细菌通过多种代谢途经(反向产甲烷途经、乙酸生成途径、甲基化途经、S0介导途经)参与甲烷厌氧氧化还原过程[46]，向大气中释放CH4气体。在氮循环过程中，高温促使氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)的合成代谢转变为分解代谢，增加了土壤硝化和反硝化速率，导致N2O排放增加[47]。同时，参与脱氮代谢的氨氧化细菌将Fe3+代替NO2-作为电子受体，参与到金属铁离子的氧化还原过程[48]。此外，土壤细菌会对外源要素的添加产生响应，进而影响元素之间的迁移和转化。例如，外源氮添加能改变土壤微生物群落的代谢能力，降低微生物活性，产生难以分解的土壤碳库群落，导致土壤碳的固存量增加[49]。

除了元素循环，土壤细菌在降解和转化土壤污染物，改善土壤质量方面发挥了举足轻重的作用。研究者们致力于探索和发现特定微生物群落，利用其特有的功能达到降解和消除土壤污染物的目的，以促进土壤健康的可持续性发展。土壤细菌去除有机污染物(多环芳烃、农药、多氯联苯等)主要是通过降解和转化来实现的，如在有氧条件下，特定土壤细菌通过羟基化双加氧、脱氢以及开环双加氧等环节实现多环芳烃的降解[50]。近年来，研究人员已发现多种生物降解菌对土壤有机污染物有良好的降解效果。例如，Zeng等[51]利用菲替代芘的降解模型，分离出6种细菌菌株(Bosea,Arthrobacter,Paenibacillus,Bacillus,and Rhodococcus)能有效降解多环芳烃。嗜酸寡养单胞菌通过氯基羟基化和氰基水化代谢降解百菌清(杀虫剂)[52]，新发现的一类克雷伯氏菌(Klebsiella jilinsis 2N3)能够快速降解氯脲乙基(除草剂)[53]，对农药造成的土壤污染有一定的修复作用。与有机污染物降解不同，土壤微生物不能直接降解重金属，其去除机制主要包括生物吸收和富集、溶解和沉淀、氧化还原等作用[54-55]。例如假单胞菌属、肠杆菌属、芽孢杆菌属和微球菌属等具有优异的吸附能力，被用作生物吸附剂[7]；汞抗性细菌通过分泌MerA酶将Hg2+还原为毒性较低的单质Hg，被用作还原剂[56]。此外，植物根际促生菌(Plant Growth Promoting Rhizobacteria，PGPR)与地上植物共生能提高植物的抗逆性，缓解重金属胁迫带来的毒性，对维持植物和土壤健康有促进作用[57]。例如，大豆植株接种鞘氨单胞菌后能降低Cr(铬)向根、茎、叶的转运速率和Cr诱导的氧化应激反应，提高了铬污染中的土壤生物修复能力和宿主生理稳态[58]。

3 结论和展望

3.1 结论

本文借助文献计量分析工具，对2010—2020年土壤细菌领域相关文献进行了统计分析和结果可视化。分析结果显示了近10年来土壤细菌领域内文献发表数量、核心发文国家、机构、作者以及来源期刊等基础内容，并利用关键词共现图谱重点阐述了该领域的研究热点。

1)近10年来，土壤细菌研究领域的发文量呈现持续上升趋势，未达饱和状态，说明土壤细菌研究领域具有较广阔的发展前景。

2)中国和美国在土壤细菌研究领域具有较强的综合科研实力。自2013年起，中国的发文量远超美国，成为该领域发文数量最多的国家；排名前10位的科研机构和学者发文量中国分别占据6位和4位，占据主导地位，在国际上具有较强的影响力。

3)土壤细菌研究方法，土壤细菌多样性产生和维持机制(包括细菌群落的空间分布和环境响应机制、细菌群落构建过程)以及土壤细菌功能特性(生物地球化学循环、微生物修复等)是近10年来土壤细菌研究领域的研究热点和未来持续发展的研究方向。

3.2 展望

近年来，土壤细菌研究取得了众多的进展，包括对土壤细菌多样性和功能特征的认识。土壤细菌种类繁多，生物资源丰富，具有很强的应用前景，但受研究方法和手段的制约，人们对优势细菌类群认识较多，稀有类群认识过少，且绝大部分细菌种类尚未可知。这就需要技术的不断创新和突破，对未知微生物加以注释，并结合传统分离培养技术，验证功能菌株，使微生物资源得以开发利用。

另外，人们对微生物特性和生态系统功能缺乏更深层次的了解，需要将土壤—微生物—植物的相互作用联系起来。地上植物的营养输入到土壤养分输出过程都有微生物的参与。地上植物与地下微生物互惠共生过程中，微生物特异性酶分泌形成的化合物被认为是植物根际的“通信语”，能够连接植物之间的地下信息网络，传递信号，刺激植物根际效应和土壤生物之间的相互作用，从而实现土壤的资源转移，对土壤养分循环和植物病原免疫具有重要意义[59]。因此，了解地上—地下生物特性与生态系统功能的关系有广阔的发展空间，在未来的微生态环境研究过程需要加强土壤中动植物功能属性和生态系统功能属性的整体研究。