基于文献计量分析的黑土研究热点与发展趋势

郭京梅 付保荣 * 赵磊 张润洁 李铭 刘峰

（1. 辽宁大学环境学院，辽宁 沈阳 110036；2. 营口市环境工程开发有限公司，辽宁 营口 115000）

1 引言

黑土是肥力最高、最适宜农耕和最具生产潜力的土壤，因其所占比例小且不可复制而被人们视为宝贵资源，又因退化严重而备受关注［1］。黑土分布区是重要的粮食基地，又被称为“耕地中的大熊猫”，它的生产力不仅与其自身理化性质、人类活动相关，还与黑土的母质、地形条件、形成演化有密切关系［2］。自天然黑土开垦以来，由于管理不善、土壤污染、化学养分流失、物理结构和生物活性的变化，黑土肥力迅速退化，土壤生产力降低，同时破坏了水土资源甚至生态环境［3］。在全球大规模开垦背景下，研究黑土的研究概况、研究热点与发展趋势，对全球黑土资源的可持续利用和人类社会的可持续发展具有不可低估的现实意义。

文献计量学是一种基于数学统计的定量分析，它以科学文献的外部特征为研究对象，通过分析文献的变化规律、数量关系、结构分布，进而客观量化某领域或学科的整体趋势、未来热点、前沿动态，广泛应用于研究文献规律、评价学术水平以及分析研究动态等方面。为分析国际和国内黑土领域的研究态势，本文通过评价Web of Science（WOS）1900—2022 年黑土领域相关文献，借助WOS 自带分析工具、VOSviewer 可视化分析软件和HistCite 引文图谱分析软件，试图揭示该领域的发展历程、研究趋势和热点等，以期促进黑土领域的深入研究，并为相关领域的学者在今后的研究中提供参考信息。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本文研究以Web of Science 数据库中的WOS核心合集为数据源，选用高级检索，检索的主题词设置为TS＝（Phaeozem* OR ＂Prairie soil＂ OR Mollisol*OR Chernozem* OR ＂black soil＂ OR ＂black soils＂ OR＂black earth＂ OR ＂dark soil＂ OR ＂dark soils＂），设置检索时间限定为1900—2022 年，得到的文献数量为8 224 篇。

2.2 研究方法

利用WOS 数据库自带的文献计量分析功能、VOSviewer 可视化分析软件、HistCite 引文分析软件、Excel 2019 以及Origin 2019 绘图软件，对黑土的发文总量及趋势、主要发文期刊、国家、机构、作者、合作关系、研究热点及变化趋势等进行计量分析。

3 结果与分析

3.1 发文量及年度变化趋势

从整体上来看，国内外关于黑土的发文量随时间呈波动上升趋势，在研究过程中，按照时间将发文量分为3 个不同的阶段。第一阶段（1900—1978 年）为起步阶段，相关文献数量较少，只有24 篇，最早的文献发表于1905 年；第二阶段（1979—2007 年）为逐步增长阶段，国外针对黑土的基本理化性质［4］、土壤生物量及农业管理［5-6］等研究较多，与此同时，这个阶段中国大规模开荒垦殖黑土［7］，中国对于黑土的研究日益增加；第三阶段（2008 年至今）为快速发展阶段，这段时间推测是由于世界人口增长，人们对于粮食的需求量增大，人类活动频繁，黑土退化严重［8］，进而一系列负面影响开始显现，专家学者们开始重视，研究数量增加。1900—2022 年有关黑土文献年度发文量见图1。

图1 1900—2022 年有关黑土文献年度发文量

3.2 学科及来源期刊分析

从学科角度来看，检索到的黑土领域的文献涉及109 个相关学科，已有的研究主要集中在自然科学领域。主要学科类别是土壤科学、农学、环境科学、植物科学、生态学、水资源等。该领域共有1 463 种期刊，发文量前4 位的期刊依次为Eurasian Soil Science，Canadian Journal of Soil Science，Geoderma，Soil ＆ Tillage Research，表明这些期刊是该领域内的核心期刊，为研究人员投稿提供参考意见。虽然Eurasian Soil Science 期刊的发文量最高，其总被引频次较低，但是Eurasian Soil Science，Canadian Journal of Soil Scienc 和Soil ＆ Tillage Research 期刊的本地被引频次位居前3 位，表明这些期刊在黑土研究方面的影响力相对较大。

3.3 主要研究力量

3.3.1 发文国家分析

该领域文献涉及国家共119 个，其中发文量前10 位的国家是中国、俄罗斯、美国、加拿大、德国、印度、匈牙利、捷克、波兰、乌克兰，10 个国家发文总和为7 105 篇，占总量的86.39%。其中中国以1 671 篇的发文量位居第一，领先于其他国家。中国在黑土研究领域作出了卓越贡献，同时暴露出中国黑土问题日益严峻。1900—2022 年黑土领域重要发文国家及相互间合作关系图谱见图2。

图2 1900—2022 年黑土领域重要发文国家及相互间合作关系图谱

3.3.2 重要研究机构分析

HistCite 引文分析得该领域文章涉及3 884 个研究机构，前10 个研究机构中有4 个来自中国，其中中国科学院本地总被引频次2 409 次，发文量747篇，占总发文量的9.08%，以绝对优势位居第一，远高于俄罗斯科学院（461 篇），可见中国科学院在黑土研究领域作出的突出贡献。中国科学院与中国科学院大学、北京师范大学、黑龙江农业科学院、吉林农业大学、加拿大农业及农业食品部、美国农业部农业研究局等国内外多个研究机构均有合作。1900—2022 年黑土领域重要研究机构及相互间合作关系图谱见图3。

图3 1900—2022 年黑土领域重要研究机构及相互间合作关系图谱

3.3.3 重要作者分析

黑土研究领域共涉及14 800 位作者，前10 位发文作者中有7 位来自中国，3 位来自加拿大。来自中国的7 位学者，除来自东北农业大学的Zhang Y（张颖）和吉林省农业科学院环境研究所研究员Zhu P（朱平）外，Liu X B（刘晓冰）、Han X Z（韩晓增）、Jin J（金剑）、Wang G H（王光华）等学者均来自中国科学院东北地理与农业生态研究所。来自加拿大的学者中，Campbell C A 与Zentner R P 来自同一个研究机构（加拿大农业及农业食品部），Malhi S S来自University of Alberta（阿尔伯塔大学）。由作者合作关系（见图4）可知，以学者Liu X B 为核心的作者群包括Jin J，Liu J J，Yu Z H 等，他们与Han X Z，Zhang X Y，Zhang X P 等学者合作密切，以学者Campbell C A 为核心的合作紧密的学者有Zentner R P，lafond G P 等，黑土领域内研究文献的作者分布具有明显的核心作者群，以中国的学者居多，但存在与国外学者交流合作较少的问题。1900—2022 年黑土研究重要作者及其之间合作关系图谱见图4。

图4 1900—2022 年黑土研究重要作者及其之间合作关系图谱

4 研究重点与发展趋势

4.1 黑土领域关键词共现网络

基于VOSviewer 软件，选取高频关键词，构建黑土研究领域关键词共现网络（见图5），刊载频次居前5 位的关键词依次是：soil（土壤）824 次、nitrogen（氮）596 次、carbon（碳）557 次、organic－matter（有机物质）552 次和black soil（黑土）488 次。根据关键词共现网络，黑土相关研究可划分为5 个聚类，不同聚类代表不同研究内容，对自1900 年以来黑土研究重点与发展趋势进行归纳与总结。

图5 1900—2022 年黑土领域研究热点分布

4.2 研究重点与发展趋势分析

4.2.1 土地利用对土壤侵蚀与退化的影响

土地利用方式的改变会影响土壤养分的循环与供应，直接造成土壤质地和土壤结构的变化，进而引起土壤侵蚀与退化，并且对土壤有机碳及腐殖质组分产生负面影响。图5 中关键词water（水）、land use（土地利用）、organic carbon（有机碳）、erosion（侵蚀）和soil properties（土壤性质）等出现的频次较高。黑土大部分是在草地上发育而成，土地利用变化导致黑土土壤侵蚀与退化甚至可能导致黑土层变薄乃至部分消失，其土壤有机质含量下降，生产力降低。在土壤侵蚀与退化的研究中，土壤性质和相关水力参数是侵蚀研究的重要参数，同时，土壤水分保持、土壤导水率和土壤入渗也会影响土壤侵蚀的时间变化［9］。然而，土地利用与土壤性质变化可能是一个长期的过程，因此，获取长期数据来分析这种变化对土壤侵蚀的综合影响，通过建模方法和实验室实验，重点研究减少土壤侵蚀的关键侵蚀区和时期，估计影响土壤侵蚀的气候因素，并在此基础上，制定科学的土壤侵蚀与退化防治标准和技术规范是未来黑土的主要研究方向之一。

4.2.2 农耕对黑土的影响

黑土是重要的粮仓，随着人口的不断增长，人们对于粮食的需求越来越大，制定适当的耕作管理战略以增加粮食生产是十分必要的。management（管理）、tillage（耕种）、fertilization（施肥）、yield（产量）、systems（制度）和crop rotation（轮作）等词在关键词共现网络中出现频次较高，表明了土地管理方式、耕作方式以及施肥制度对于产量的影响是黑土领域的研究热点之一。其中，土地管理方式和耕作方式对作物产量的影响存在一定争议，有一些学者认为耕作方式会显著改变作物产量，长期免耕相较翻耕而言，作物产量更高［10］，也有一些学者认为，免耕降低或者对作物产量无显著影响［11］。同时，不同施肥管理也是影响土壤肥力，改善土壤结构，进而影响作物产量的重要因素，有研究表明，有机肥替代化肥可以促进作物产量的稳定和提高［12］。今后还需要进一步探究不同土地管理方式、耕作方式和施肥制度等因素是如何影响黑土作物产量，探明土壤质量变化机制，不断定量化、精确化，确保对黑土属性预测的准确度，为黑土保护性耕作服务。

4.2.3 重金属污染

近年来土壤污染治理问题也越来越成为社会关注的焦点，在关键词共现网络中，heavy－metals（重金属）出现的频次非常高，表明在黑土领域内重金属的累积含量较高。在各种报告的污染物中，重金属被认为是食品安全的最大威胁之一［13］。重金属污染也是黑土健康质量下降的重要因素之一，重点被关注的重金属主要包括Zn，Cd，Pb，Cu，Cr，Ni 等，其中Zn，Cd，Pb 出现的频次最高，目前的研究也证实它们在黑土环境中呈明显上升趋势，Cd 是对土壤健康危害最大的重金属［13-15］。在关键词共现网络中，adsorption（吸附）、sediment（沉积物）、plants（植物）、accumulation（积累）、migration（迁移）、bioavailability（生物利用度）和biodegradation（生物降解）等出现的频次较高，可见重金属累积效应、吸附和解吸过程、迁移特性和植物生态抗性等问题同样引起了学者们的广泛关注。

4.2.4 土壤微生物及酶活性

随着黑土耕作环境的不断恶化，土壤生物学活性的变化备受科研工作者的关注，biomass（生物量）、microbial community（微生物群落）、bacterial（细菌）等在关键词共现网络中出现次数均较高。根据manure（肥料）、long－term fertilization（长期施肥）和nitrogen fertilization（氮肥）出现的频次以及高被引文献中关于施肥对土壤微生物和酶活性研究的文章，可以看出施肥作为一项农业管理是近些年来黑土土壤微生物和酶活性研究领域的重点［16］。其中，施肥数量、种类、方式和时间长短的研究居多，这些研究在微生物多样性、微生物群落结构和酶活性等领域有很大的参考价值［17］。已有的研究发现，长期不同施肥管理模式引起土壤有机碳、有效磷和土壤结构等发生明显变化，这些因素直接或间接地作用于土壤微生物并改变其生理活性，进而影响土壤有机质的累积及周转过程［18-19］。目前不同施肥管理对土壤微生物和酶活性影响的研究仍有局限性，未来的研究需要探究施肥对于黑土生物学活性的影响因素及演变趋势。

4.2.5 土壤有机质（碳）

organic－matter（有机质）、carbon（碳）、dynamics（动态）和sequestration（封存）等在关键词共现网络中出现的频次较高，说明对黑土土壤有机质（碳）的研究是目前的研究热点之一。由于土壤侵蚀与退化、长期耕作和其他不适当的人类活动等，黑土失去了近2/3 的原有土壤有机质，大约1/2 的原有有机碳库［20］。土地利用类型转换是影响土壤有机质含量变化的重要因素之一，特别是黑土从自然土壤被垦殖后，耕作致使土壤物理结构被打破，土壤中的氧气增加，矿化速率加快，从而土壤有机质被快速分解，加之外源性有机物质输入量不足，土壤有机质含量相较自然黑土的含量明显下降［21］。在土壤有机质含量下降的过程中，土壤有机碳的丢失不容小觑。黑土是重要的土壤碳库，具有巨大的固碳潜能，但受人类活动的影响，有机碳因矿化作用而流失，部分有机碳以CO2或CH4的形式进入大气，引起气候变化。目前，对黑土有机质下降过程与成因的研究尚不足，需要进一步探究，与此同时，建立黑土利用与保护的监测、预警体系，创新黑土有机质保育与提升技术也是未来的研究重点之一。

5 结论

基于1900—2022 年发表的黑土研究领域的8 224 篇文献的主要发文量、发文期刊、国家、机构、学者和研究热点与发展趋势等可视化分析，结果表明，世界范围内黑土领域年度发文量呈逐渐增长的趋势，Eurasian Soil Science，Canadian Journal of Soil Science，Geoderma 等是该领域主要的发文期刊。黑土的研究涉及多个国家之间的相互合作，发文量前3 位的国家是中国、俄罗斯和美国，其中发文量前3位的作者分别是中国的Liu X B、加拿大的Campbell C A 和Malhi S S。重要文献大多数是综述性文章，据研究热点分布图可知，黑土研究主要围绕土地利用变化对土壤侵蚀与退化的影响、农耕对黑土的影响、重金属污染、土壤微生物和酶活性、土壤有机质（碳）5 个方面进行。前期粗放的土地利用方式给土壤质量、人类生产生活带来巨大损失，因此，加强土壤有机质保护与退化恢复的理论研究，探究土壤有机质稳定性机制问题，通过实验定量比较黑土中各项物理、化学指标，如有机碳储量和固碳率，分析黑土长期开垦以来不同植被类型、施肥制度和有机质输入等因素对黑土发育过程的影响是未来黑土的主要研究方向。