中国土壤微生物领域研究现状与前沿热点分析

赵丽丽，张新民

（1.浙江大学图书馆，杭州 310027；2.浙江大学控制科学与工程学院，杭州 310027）

1 引言

土壤中的微生物数量巨大、种类繁多，是联系不同圈层物质与能量交换的重要纽带，被称为地球关键元素生物地球化学循环过程的引擎，微生物是土壤最活跃的组成，是评价土壤健康的关键生物指标[1]。土壤微生物参与了土壤发生、发展、发育的全过程，土壤微生物在维持生态系统整体服务功能方面发挥了重要作用，被比拟为土壤养分元素循环的“转换器”、环境污染物的“净化器”、陆地生态系统稳定的“调节器”[2]。

首先，土壤微生物对土壤肥力形成与演变具有重要意义，土壤生物学性状（土壤微生物种群、群落结构及功能群、微生物量、酶活性等）可以反映土壤质量、土壤肥力的演变。其次，土壤微生物对温室气体排放与控制具有重要意义，大气温室气体的动态变化与土壤生物过程紧密相关，仅湿地和水稻田产甲烷菌引起的CH4排放约占全球总排放量的1/3，而农田施肥导致的N2O 排放量约占全球年总量的75%。第三，土壤微生物对污染物形态转化与控制具有重要意义，有的微生物可以控制重金属的氧化还原及相应的形态转化，还有的土壤微生物携带双加氧酶功能基因，所表达的蛋白是降解有机污染物的关键酶，有效调控这些功能基因的表达可以达到有机污染物的生物降解和污染土壤的生物修复效果[1,2]。因此把握好土壤微生物的群落种类、功能特性、影响因子以及调控机理等，对维持土壤生命力和生态环境健康发展具有重要意义。

科学知识图谱通常包括共词分析、共引分析、多元统计分析、词频分析和社会网络分析，以文献的作者、关键词、标题、引文、摘要和机构等作为数据单元，采用Ucinet、CiteSpace、VOSviewer 等可视化分析软件进行绘制[3]。本文选用的CiteSpace 软件，是美国德雷克塞尔大学信息科学与技术学院的陈超美教授开发的信息可视化软件[4]。在重金属污染土壤修复[5]、有机肥料[6]、土壤养分循环的微生物机制[7]等研究领域，已有相关文献运用知识图谱工具对其进行研究动态及发展趋势的可视化分析，揭示相应主题研究的知识基础、研究热点、研究前沿以及发展趋势等。但尚无采用CiteSpace 软件对近年中国土壤微生物领域的研究前沿与热点进行知识图谱分析。因此，本文采用中国知网学术期刊数据库收录的土壤微生物研究的相关文献作为数据源，进行科学计量分析和可视化图谱绘制，并探讨土壤微生物研究热点和发展趋势，以便相关研究工作人员对土壤微生物研究现状在整体上有一个大致的了解认识，并对今后的进一步研究有所引导和帮助，促进土壤微生物研究的深入发展，进而为维持生态系统稳定和人类健康打好坚实的基础。

2 研究数据与研究方法

2.1 数据来源

以CNKI 中国学术期刊数据库为检索来源，检索主题：“土壤微生物”。时间限定为：2010—2019 年；期刊来源类别为：核心期刊；以Refworks 格式导出文献，以“download_”开头命名TXT 文件，共得到有效文献5 890 篇。检索时间：2020 年10 月25 日。

2.2 研究方法

本文采用CiteSpace V（5.7.R2）软件对获取的文献数据进行研究分析。该软件为美国德克赛尔大学陈超美教授研究开发的一款多元、分时、动态的引文可视化分析软件，可对国家、作者、文献等合作共现、文献研究脉络、研究热点与研究前沿等信息提供直观的可视化分析图谱[8]。

CiteSpace V 软件参数设置：分析时间范围为2010年1 月—2019 年12 月，时间切片为1 年，词语来源同时选择“Title”“Abstract”“Descriptors”和“Identifiers”。数据抽取对象为Top50，即每一年中选择前50个高频出现的节点。节点类型依次选择“Institution”“Author”和“Keyword”。剪枝方式选择寻径网络算法“Pathfinder”，其他为系统默认设置。

3 土壤微生物领域的中文文献计量分析

3.1 发文量分析

通过对检索所得文献进行时间分布分析可知（图1），土壤微生物研究近10 年来一直保持较高热度，2010—2017 年保持平稳中略有增长趋势。尽管2018 年论文数量突然降到最低411 篇，但其余年份的文献出版量均保持在500 篇以上，2019 年达最高752 篇。这说明尽管在2018 年文献量有突然减少现象，而2019 年的文献量直接上升到10 年最高值，土壤微生物领域的研究热度并没有消失，2018 年可能是一个研究准备或者反思整合阶段，预示着土壤微生物的相关研究将出现新趋势。

图1 土壤微生物研究中文文献篇数的年度分布Fig.1 The number distribution of published Chinese articles of soil microorganism research

3.2 发文机构分析

统计得到中国土壤微生物研究领域文献发文机构有681 个，为统一机构层次，将某高校的下属单位发文量统一到某高校范畴，如分析出现的西北农林科技大学资源环境学院、西北农林科技大学水土保持研究所、西北农林科技大学林学院等规划到西北农林科技大学，但是中国科学院大学作为中科院的教育机构，中科院各研究所培养学生均同时属于中国科学院大学，部分国科大与研究所的合作发文不属于通常意义上的跨机构科研合作，因此其下属研究所仍作为独立机构统计发文量，表1 列出了发文量排名前20 位的发文机构。从图谱可以看出各研究单位之间虽然有连线分布（N=823），但合作网络密度并不大（Density=0.003 6），说明中国各研究机构之间欠缺合作交流，应在日后研究工作中引起重视。结合知识网络图谱可知（图2），中国科学院大学作为中国科学技术最高学府，西北农林科技大学作为著名农林院校，在土壤微生物领域都做出了重大研究贡献。另外，南京农业大学、四川农业大学和中国农业科学院也凸显了较高的学术科研力量。

图2 土壤微生物研究机构共现图谱Fig.2 Co-occurrence knowledge mapping of institutions of soil microorganism research

表1 土壤微生物研究主要机构及发文量Table 1 The main institutions and publications of soil microorganism research

3.3 核心作者分析

核心研究作者对该领域发展脉络、研究趋势、学术热点、研究方向的把握明显优于其他研究人员，甚至在很多时候会引领该学术研究领域的发展方向[8]。经统计土壤微生物研究中文发文量最多的作者是沈其荣（28 篇），其次杨殿林和毛志泉并列27 篇，胡锋（26篇），阮宏华（25 篇），陈学森（24 篇），杨宁和刘满强（23 篇），吴凤芝和李忠佩（22 篇），杨万勤和吴金水（19 篇），姚拓、李辉信、刘洋和刘明（18 篇），沈向和林先贵（16 篇）。

普赖斯定律是在洛特卡定律基础上进一步研究科学家人数和科学论文数量之间的关联所提出的。推导公式为M=0.749(Nmax)1/2，其中，Nmax 为杰出科学家中最高产作者发表论文数，M 为杰出科学家中最低产作者发表数[9,10]。统计得出作者总数为677 人，沈其荣是统计时间段内发文量最多（28 篇）的学者，因此发文4 篇以上（M=3.96）的学者可以认为是该领域的核心作者。通过对发文作者的知识图谱（图3）分析得出，核心作者合作团队成员之间联系紧密（Q=0.9687；S=0.989），呈现团队共同研究趋势，但整体合作关系较为松散（Density=0.0031）。表2 列举了几位具有特色研究的核心作者及其高被引文章的概况，杨殿林团队和沈其荣团队是土壤微生物研究的核心力量。

表2 土壤微生物研究核心作者概况Table 2 The general situation of core authors of soil microorganism research

图3 土壤微生物研究作者合作图谱Fig.3 Co-occurrence knowledge mapping of authors of soil microorganism research

其中，杨宁教授[11]在2012—2016 年期间，主要以紫色土植被恢复为研究背景，展开了对土壤微生物生物量、微生物群落结构功能多样性、土壤酶活性等的研究，结果阐释了植被恢复可使土壤微生物代谢功能增强，土壤微生物繁殖加快、数量增大，从而促进土壤微生物对土壤C 源的利用强度。以高产高突现作者毛志泉、陈学森和沈向为主的团队，建立分析果树根际微生物多样性的PCR-DGGE、T-RFLP、qPCR 等分子生物学技术体系，对苹果树连作土壤下甜茶幼苗的研究表明，施加菌肥可提高连作平邑甜茶幼苗的根系呼吸速率以及土壤酶活性，降低土壤腐皮镰孢菌的基因拷贝数，施用菌肥可作为减缓苹果连作障碍的良好防控措施[12]。以中国科学院亚热带农业生态研究所的曾馥平、彭晚霞为主的团队，其特色研究发现喀斯特峰丛洼地的不同退耕还林还草模式能提高土壤微生物总数量、微生物量含量，增加土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性，得出“退耕还林还草模式能改善土壤微生物特性”的结论，从而为喀斯特峰丛洼地脆弱生态系统恢复与重建提供重要依据[13]。

3.4 核心期刊分析

布拉德福定律是描述专业论文在期刊中分布情况的经验规律的定律，将期刊按其刊载某专业论文数量的多少以递减顺序排列，则可分出一个核心区和相继的几个区域，当每区刊载的论文量相等时，核心期刊数Nc和外围一区期刊数N1、外围二区期刊数N2成Nc:N1:N2=1:a:a2关系，其中a 约等于5[9]。运用此定律确定土壤微生物研究领域核心期刊，期刊数量及其载文量等统计数据详见表3，期刊总量为320，则核心期刊数量约等于10（Nc=期刊总量/31），占总期刊数的3.13%，核心区相关论文数2 005 篇，占总发文量的34.04%，也就是说占期刊数量3.13%的核心期刊共刊载了34.04%的相关论文。土壤微生物研究的核心期刊载文量及占比详见表4，其中《生态学报》 发表的文章数量远远高于其他期刊达到365 篇，比例为6.20%，说明该学术期刊比较关注和偏好土壤微生态研究领域，也是该领域研究学者信任和专注的期刊之一。其次为《应用生态学报》 《土壤通报》 和 《生态环境学报》，发文量均在200 篇以上。《生态学报》 是由中国生态学学会和中国科学院生态环境研究中心主办，综合影响因子为2.321，旨在探索生态学奥秘，为生态学基础理论研究搭建交流平台，促进生态学研究深入发展。《应用生态学报》 是由中国生态学学会和中国科学院沈阳应用生态研究所主办的综合性学术期刊，主要报道应用生态学领域的创新性科研成果与科研进展，综合影响因子为2.166。因此相关科研工作者可根据自身研究内容与期刊特点高效获取文献和发表文章。

表3 土壤微生物研究相关期刊数据统计Table 3 The statistics of related journals of soil microorganism research

表4 土壤微生物研究核心期刊数据统计Table 4 The data statistics of core journals of soil microorganism research

3.5 高被引文献分析

检索得到的高被引文献中去除文献综述类文章，排名前五的高被引文献详见表5。2010—2011 年为起点，秸秆还田、生物质炭、农作物连作以及施肥等作为土壤微生物的影响因素，被高度关注和深入研究。2014 年作为另一个起点，着重将土壤微生物研究细化，涉及到微生物碳、氮及土壤呼吸和新型微生物研究方法的探讨。说明土壤微生物研究的层次从宏观走向微观，研究方法无论在定性还是定量技术层面都逐步趋于先进可靠。

表5 土壤微生物研究高被引文献Table 5 The high-cited articles of soil microorganism research

4 土壤微生物领域研究热点及前沿趋势

4.1 研究热点分析

利用CiteSpace V 软件对关键词进行共现分析，裁剪方式对话框中选择“Pathfinder”“Pruning sliced net-works”和“Pruning the merged network”，得到关键词共现网络图谱，共得到136 个节点，151 条连线，如图4 所示。图4 中的节点代表关键词，外圈越大，相关论文数越多，节点的最外圈代表中心性大小，中心性越大，外圈就越厚[8]。

图4 土壤微生物研究关键词共现图谱Fig.4 Co-occurrence knowledge mapping of keywords of soil microorganism research

研究领域内广受关注的核心问题探索会形成高频次、高中心性的文章关键词。关键词是对文章主题的高度概括和提炼，能够较好地反应某一研究领域的主题分布与特点，随着学科的逐渐发展，核心关键词的数量会逐渐趋于稳定并成为该领域的核心[8]。关键词中心性则反映了其在整个关键词共现网络中的中介作用及影响力，中心性越高，表明该节点在共现图谱中总的最短路径出现的越多，其他节点与其建立共现关系的可能性就越大，可以借助高中心性、高频关键词来确定土壤微生物研究的热点与焦点[8]。在统计得出的高频、高中心性关键词（表6）中，分别剔除了与检索主题词相同的关键词“土壤”和“微生物”，以及与研究领域无明显关系的非专业特征词“多样性”和“产量”。结合高频次、高中心性关键词分布，可以基本确定研究热点为：土壤酶活性及土壤呼吸、土壤养分、微生物群落结构及多样性、微生物研究方法（磷脂脂肪酸、变性梯度凝胶电泳）、土壤微生物量（碳、氮）、根际土壤、不同农作物影响（黄瓜、番茄、玉米），以及施肥等方面。

表6 土壤微生物研究高频及高中心性关键词Table 6 The high frequency and high centricity keywords of soil microorganism research

土壤酶参与了土壤中一切生物化学过程：腐殖质的合成与分解，有机化合物、动植物和微生物残体的水解与转化，以及土壤中有机、无机化合物的各种氧化还原反应等。这些过程与土壤中各营养元素的释放与贮存、土壤中腐殖质的形成与发育、以及土壤的结构和物理状况都是密切相关的。赵娜等[14]研究表明施用家畜粪便堆肥改变土壤微生物群落多样性和土壤酶活性，提高番茄植株抗病性。官会林等[15]通过绿肥轮作试验发现植烟生长期内根区土壤酶活、土壤微生物量均高于麦-烟复种及冬闲连作地，差异显著。

土壤微生物活动是土壤呼吸作用的主要来源，可以把测定土壤呼吸强度看作是衡量土壤微生物总的活性指标。土壤有机质含量、PH、温度、水分以及有效养分含量等影响土壤微生物活动的各类因素，都能影响土壤呼吸强度。臧逸飞等[16]研究发现长期氮磷肥配施、单施有机肥及有机无机肥配施均可以增强土壤基础呼吸强度，单施氮肥、磷肥使土壤基础呼吸强度降低，产生抑制作用。涂利华等[17]采用红外CO2分析法测定土壤呼吸速率，发现土壤呼吸速率与土壤温度呈极显著正指数关系，与微生物生物量碳、氮呈极显著正线性关系，且模拟氮沉降显著促进了土壤呼吸。

土壤微生物量氮在土壤氮循环与转化过程中起着重要的调节作用，土壤微生物量氮含量多少决定于土壤中微生物的数量。微生物量碳是土壤中易于利用的养分库及有机物分解和氮矿化的动力，微生物的活性与土壤有机碳的关系非常密切，可以把土壤中有机碳分解的快慢看作是土壤微生物活动强弱的外在表现。微生物对有机碳的利用率越高，维持相同微生物量所需的能源越少，说明土壤环境有利于土壤微生物的生长，质量比较高。张奇等[18]研究得出秸秆还田处理的土壤微生物生物量碳和氮分别比对照增加了5%～35%和9%～52%，土壤微生物量碳氮比下降。

其他方面，刘素慧等[19]研究大蒜长期连作对其根际土壤微生物数量和酶活性的影响，发现连作15～20年，根际土壤微生物结构失调，土壤酶活性下降，连作障碍明显。杨宇红等[20]发现施用常规复合肥利于氨基酸类、胺类物质为碳源的微生物生长，施用有机肥利于羧酸类物质为碳源的微生物生长，而施用农家肥则利于糖类、脂肪酸、酚酸类物质为碳源的微生物生长。杨滨娟等[21]研究了秸秆还田配施化肥能够增加根际土壤总细菌、放线菌、真菌、氨氧化细菌、好气性自生固氮菌、亚硝酸细菌、磷细菌和好气性纤维素分解菌的数量，提高过氧化氢酶、脲酶、转化酶的酶活性，从而改善土壤生态环境。

4.2 研究前沿分析

研究前沿是一个研究领域中最近、最具有发展潜力的研究主题，能够展现学科未来的发展方向。CiteSpace V 主题词类型选择“Burst Terms”，节点类型选择“keyword”，剪裁方式选择“Pathfinder”，可视化方式采取“timeline”，获得土壤微生物研究领域突现词共现时间线视图（图5）。运用LLR 算法对各个聚类进行标识来确定研究前沿，其中聚类序号与聚类大小呈反比，节点大小与被引频次呈正比。视图评价指标显示：Q值=0.818 8，S 值=0.942 6，表明视图聚类效果显著良好。同一聚类的节点按照时间顺序排布在同一水平线上，展示该聚类的历史演变。0 号聚类“Biolog-ECO”时间线上的专业术语较多且贯穿整个时间线，这表明“Biolog-ECO 方法”的应用是土壤微生物研究领域的核心研究技术，也是学者始终关注的热点和前沿主题。高通量测序（聚类1）时间线上出现了小麦、盐碱地、有机碳、氮沉降、细菌群落结构多样性等节点术语，涉及的范围较广，在土壤微生物领域利用高通量测序技术从2013 年开始出现零星研究，2017 年文献量突发性增长并保持高增长率至2019 年达到78 篇，高通量测序技术作为基因组学研究领域的里程碑，成功应用到土壤微生物研究工作中，为土壤微生物定量研究开拓了新天地。聚类4“植被恢复”时间线上有微生物群落结构、紫色土、生物质炭、土壤有机质、植烟土壤等术语，以2016 年出现的生物质炭为重要节点。

图5 土壤微生物研究突现词时间线图谱Fig.5 Timeline view of burst keywords of soil microorganism research

突现词（Burst）探测算法可以探测在某一时间段内被引频次或共现频次突现度增加的节点，突现值的大小表现了其研究方向的重要性，以此来预测领域内的研究方向[10]。经探测得到前15 个突现词（图6），其中出现最早的突现词为“dgge”，持续时间最长的关键词是“氮沉降”（2014—2019 年），最近出现的突现词为“高通量测序”“biolog-eco”和“氮肥”。突现值最大的关键词为“高通量测序”，突现值为40.40，可以认为高通量测序是自2017 年出现以来被热门关注和探讨的主题，研究学者在利用高通量测序方法分析土壤微生物群落结构及数量方面进行了深入探讨，成为土壤微生物研究领域的前沿。杨广荣等[22]利用Illumina 高通量测序技术测定分析16S rDNA，研究了茶园土壤细菌群落多样性；王悦等[23]采用MiSeq 高通量测序技术对不同种植模式下丹参根际土壤中细菌的16S rDNA 基因V3～V4 区片段和真菌18S rDNA 基因V4 区片段进行测序，研究了细菌和真菌群落结构的变化。随着分子生物学及生物信息学的迅速发展，利用高通量测序、核酸杂交技术、DNA 指纹图谱技术和基因芯片等分子生物学方法来分析土壤微生物多样性和群落结构，以及应用宏基因组学、宏蛋白组学及代谢组学等系统生物学的方法研究土壤微生物活性及功能的演变规律已成为土壤生物学领域的趋势。

图6 土壤微生物研究突现词分布图谱Fig.6 Distribution of burst keywords of soil microorganism research

（1）在2017 年利用Biolog-ECO 方法研究土壤微生物群落功能多样性成为焦点前沿。Biolog-ECO 技术是研究微生物群落功能多样性的方法，由于操作简单、获得信息量大等优点，在环境、农业、水产、医学等领域受到广泛关注[24,25]。孙雪等[26]采用Biolog-ECO 微平板检测法研究原始红松林及次生林中土壤微生物功能多样性的变化规律，发现原始林土壤微生物对各类碳源的综合利用强度均大于次生林，不同林型下土壤微生物群落的优势碳源类型存在一定的差异；翟文婷等[27]研究发现放牧活动能显著影响环青海湖地区高寒草原土壤微生物群落代谢特征。

（2）氮沉降是自2014 年以来持续被高度关注的研究主题。随着人类活动向大气中排放的活性氮化合物激增，大气氮素沉降也呈迅猛增加的趋势。大气氮沉降数量的急剧增加将严重影响陆地及水生生态系统的生产力和稳定性[28]。氮添加通常会减少微生物的生物量，改变微生物群落结构。氮沉降会导致土壤微生物生物量、真菌生物量以及真菌与细菌生物量比值下降，细菌群落结构组成改变，土壤微生物活性下降，某些功能基因丰度下降[29]。另外，氮添加可通过影响土壤养分的有效性来改变土壤酶活性，增加土壤有效氮的含量从而降低与微生物氮获取相关的酶活性。邓玉峰等[30]的研究结果表明模拟氮沉降下施用石灰措施能够改善休耕红壤生境，降低因氮沉降造成的酸化对根际微生物群落的危害，加速土壤生态系统恢复。

（3）生物炭作为有效的土壤改良剂，对土壤微生物也具有一定影响。借由生物炭封存的独特方式，捕捉与清除大气中的温室气体，并转化成非常稳定的形式，可储存在土壤中达数千年之久[31]。另外，生物炭特殊的蜂窝状结构成为水分和肥料的储存库，可以提高土壤肥力。王彩云等[32]研究表明生物炭施用可以改善温室黄瓜连作土壤的理化性质，提高土壤细菌数量，降低有害真菌数量，使根际土壤微生物的代谢活性增强，功能多样性提高，改良了土壤微生物生态系统。

5 结论与讨论

经上述分析可知，近10 年来中国土壤微生物领域的研究一直保持较高热度，2010—2017 年保持平稳中略有增长趋势，各年份的文献出版量均保持在500 篇以上（2018 年除外），2019 年达最高752 篇。核心发文机构由西北农林科技大学、南京农业大学等著名农林院校和中科院、农科院下属的研究所组成，专业属性极明显，《生态学报》 为土壤微生物研究中文论文发表的首要平台。

2010—2015 年的研究热点主要集中在DGGE 研究方法、土壤微生物量碳氮、土壤微生物区系、不同土地利用方式、土壤类型（紫色土）方面。2015 年之后，在马铃薯、微生物功能多样性、氮沉降和生物炭方面形成了热点研究主题。2017 年开始高通量测序既是土壤微生物领域的研究热点，又是该学科的前沿趋势。由于温室气体排放导致气候变化给全球带来的影响不容小觑，氮沉降作为自2014 年开始的突现热点至今仍被高度关注，继续作为土壤微生物研究的前沿方向等待科研学者深入挖掘。生物炭可作为碳汇储存碳，微生物作为不同形态碳的加工者，运用生物炭的特性来改善土壤微生态环境的利弊，引发了众多学者纷纷加入到此研究主题中，作为土壤微生物领域至今争论不休的热点及前沿。

随着科学研究的进步与发展，科学家发现并确认土壤微生物在土壤生态环境乃至整个生物圈中扮演着至关重要的角色。中国聚焦在森林土壤、盐碱土、青藏高原冻土、污染土壤等方面，利用不同技术方法（基于16S rRNA 序列分析的各种方法、稳定同位素探针技术、宏基因组学技术等），也持续展开了对土壤微生物多样性的深入研究并获取相关重要数据，具有较高的参考价值。将来对土壤微生物的研究其涉及面会越来越广，跨学科跨领域（环境学、微生物学、农业资源利用、植物学等）将成为常态，科研工作者可以跨学校单位进行研讨合作，各团队间增强沟通交流，获取新生力量和智库资源。

由于文献量较多，受写作篇幅所限，本文选择的土壤微生物研究相关文献的发表年度是2010—2019年，侧重于利用CNKI 学术期刊数据库中文文献分析中国近10 年该领域的研究状况，通过利用CiteSpace软件绘制知识图谱，取得了直观良好的分析效果。在今后的工作中若同步分析英文文献，将会给研究人员提供更全面详尽的情报资料。