基于CiteSpace的喀斯特土壤有机碳研究进展

童凌晨，李 强，岳鹏鹏

(1.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541006；2.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;3.桂林医学院 生物技术学院，广西 桂林 541199)

作为陆地生态系统中最重要的有机碳库，土壤在减缓全球变暖、保持植物养分和增加粮食产量等方面发挥着关键作用[1]。土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)是评价土壤肥力的重要指标，也是维持土壤生态系统健康的重要组分，不仅能为植物和微生物提供营养元素，也能驱动氮等其他养分元素的循环和转化[2]，进而影响土壤结构和理化性质、保水和保肥以及养分供应等能力[3]。同时，SOC对陆地生态系统碳平衡和全球碳循环起重要作用[4]。然而，喀斯特地区由于特殊的水文地质背景、强烈的岩溶作用和近代人类活动的强烈影响，正经历着严重的水土流失[5]，以致岩石裸露率高、土壤贫瘠、土被薄且不连续[6]，严重阻碍了我国喀斯特地区的经济发展和生态保护。土地集约利用导致的土壤侵蚀和SOC再分布正在增加，在全世界引起严重的环境问题，例如土地退化和非点源污染、气候变化等，特别是生态系统脆弱的喀斯特地区石漠化问题[7]，了解喀斯特地区SOC动态，研究揭示其影响机理具有重要的理论意义和现实价值。

通过梳理喀斯特SOC的研究成果及进展来看，众多学者在这一领域已经取得一些进展，多数研究课题通过结合“不同喀斯特地貌空间异质性和植被类型、土地利用变化及气候因子影响”等来探讨该领域。如黄一敏等[8]、王霖娇等[9]和王世杰等[10]从多个角度对我国喀斯特SOC研究进行简单叙述，但很少有研究采用文献计量法来对该课题进行可视化分析。鉴于此，本文借助CiteSpace和Origin软件工具，对近30年中国知网(CNKI)数据库和Web of Science(WoS)中收录的喀斯特SOC研究文献进行分析，归纳其研究热点、方向及发展趋势，为喀斯特地区SOC研究和学科发展提供科学支撑。

1 资料与方法

1.1 文献来源和数据处理

选自中国学术期刊出版数据总库(CNKI)(SCI、EI、CSSCI期刊和中文核心期刊)和Web of Science(WoS)核心合集(Article、Reviews和Proceedings paper)，检索时段范围为1990-01-01～2021-04-01。为了防止文献检索的遗漏，通过CNKI数据库获得“喀斯特”和“土壤有机碳”的同义词，最终合并检索公式。在CNKI数据库中，专业检索：主题词+自由词(喀斯特OR岩溶OR石灰性土壤)AND(土壤有机碳OR土壤有机质OR SOC OR SOM)，精确匹配检索结果；WoS中检索条件以TS=“Karst*”AND “Soil organic carbon”OR“SOC*”OR“SOM*”。

鉴于土壤SOC在很多课题研究中有所涉及，但并不代表这些文献是专门研究土壤SOC的，故手动验证筛选剔除非该研究领域的文献后，共得到349篇CNKI和514篇WoS来源的文献样本，将纳入文献以Refworks格式在CNKI中导出，以“download_1-349.txt”格式命名保存；WoS检索结果以全记录与引用的纯文本格式将数据导出，以“download_1-514.txt”格式命名保存。文献样本数据再通过CiteSpace软件内置(Data/Import & Export)完成CNKI和WoS数据格式转化；同时，在文件夹project创建txt文件(命名citespace.alias)进行相似关键词合并，得到研究所需的基础数据。

1.2 研究方法

CiteSpace是2004年美国Drexel University陈超美博士基于Java语言开发的一款应用于科学领域的发展进行交互式和探索性分析的软件[11]，对科学领域文献进行计量、识别并分析，通过数据可视化可以探究研究热点、前沿及演变趋势[12]。运用CiteSpace(5.7.R5.2021版)软件对WoS和CNKI上获得的数据进行可视化分析，生成图谱线条的颜色由蓝色到红色组成，代表时间推进(红色表示最近年份)，以节点N值大小表示分析对象出现的频次，E值大小表示每个节点之间的连线数量，Q值大小表示聚类程度，连线意味着两者存在共现或者共引关系，连线的粗细代表着节点间联系的程度，外圈为紫红色表明该节点具有较大的中心度[13-14]。

在使用软件分析前，先进行参数设定：时区分割为1990-01～2021-03，时间切片设置为2年；节点类型：keyword 或country；节点阈值：Top 100(关键词共现分析)、Top 50(国家合作分析)；网络裁剪方式选择pathfinder、pruning the merged network和pruning sliced networks，其他默认选项，以“country”为节点进行合作网络分析，以“keyword”为节点进行共现分析以及聚类分析和突显词(burst)分析，并绘制相关图表，进而探究喀斯特SOC研究热点。

2 结果分析

2.1 国际喀斯特SOC国家(地区)发文数、合作情况

最终纳入WoS共514篇文献，总被引频次8 619次，CNKI共349篇文献。运用WoS自带分析检索功能，对514条检索文献进行不同国家/地区发文数量分析(图1)。结果表明：中国发文量214篇，占总量的41.6%；美国发文量64篇，占总量的12.5%；意大利发文量43篇，占总量的8.4%。中国是这30年来喀斯特SOC研究发文数量最多的国家，远高于世界上其他国家(地区)的发文数量，充分阐明了我国在喀斯特SOC研究领域具有极大的地域优势。

图1 国际喀斯特SOC研究领域主要国家(TOP10)发文量

利用CiteSpace软件对发文前40的国家(地区)合作关系进行可视化分析，得到如图2所示的国家(地区)合作关系网络图，出现频次最高的中国与其他国家(地区)的连线只有3条，西班牙、德国、瑞士、英国和澳大利亚与其他国家(地区)合作关系活跃，美国与爱尔兰、瑞典等国家合作比较密切。相较于其他国家(地区)，中国在国际喀斯特SOC研究领域上合作方面比较单一。

图2 主要国家(地区)合作关系网络

2.2 年发文量和期刊发文情况

通过分析研究领域论文年度发文量的变化，可侧面反映出该研究领域在不同时间段的发展状况。分别利用CNKI和WoS自带的分析检索功能对检索到的文献进行年度文献量及期刊分析，如图3和表1所示。国外发文量明显高于国内发文量。从变化趋势来看，1993—2005年国内外发文量呈现缓慢增长现象，而在2005年之后均呈现动态渐增现象，同国内相比，国际发文量增幅较大；在2012年之后，国外发文量呈现动态激增现象，2020年发文量达到了近30年来的峰值，高达88篇，而国内发文量呈现缓慢增长波动，2021年前3个月，被WoS和CNKI收录的文献分别有13篇和26篇。

图3 国内外发文量年度趋势

表1 国内外发文量(Top10)期刊

在WoS数据库中，该领域研究成果大多数发表在环境学(EnvironmentalEarthScience、ScienceoftheTotalEnvironment、Sustainability、JournalofMountainScience)、水文地质学(ActaCarsologica、Geoheritage、Catena)和农林学(Forests、ForestEcologyandManagement)等期刊，主要集中在3区和4区；在CNKI数据库中，该领域研究成果主要集中发布于《中国岩溶》(31篇)、《水土保持学报》(28篇)和《生态学报》(27篇)等。

从总体发展趋势来看，喀斯特SOC研究领域得到快速发展。究其原因，自2000年我国提出西部大开发战略[15]，喀斯特地区生态问题开始受到广泛关注和重视，之后国家针对喀斯特石漠化启动“973”项目计划，资助了众多喀斯特研究有关项目，且逐年加大基金资助额度和项目数量，在此背景下研究人员开始承担重点研究项目[16-17]，学者们拓展或延伸对喀斯特SOC研究，自2012年以来研究成果大量涌现在国内外期刊中。

2.3 国内外喀斯特SOC研究热点、方向及趋势分析

对文献关键词知识图谱进行研究，可以掌握一段时间内相关文献集中体现的热点词汇，关键词共现的频次越高，表明关键词之间关联度越高，进而聚合为某一研究热点。运用CiteSpace软件分别对514篇文献(WoS)和349篇文献(CNKI)的关键词进行定量分析，表2列举了WoS和CNKI数据库中排名前20的高频关键词及中心度，在WoS数据库中，有关喀斯特SOC研究领域的热点关键词主要有：karst、organic matter、land use、climate change、nitrogen、forest、impact、soil organic carbon、sequestration、China、management、model、region、dynamics、diversity、area、climate、storage、Southwest China和land use change等，其中soil organic carbon、sequestration、model、storage 4个关键词进入前 20高频关键词，表明更加注重土壤中碳循环过程研究。从中心度数值可看出，forest为0.25、area为0.19、management和diversity均为0.15，climate change为0.13，高频关键词相互关联程度紧密。在CNKI数据库中，有关喀斯特SOC研究领域的热点关键词主要有：土壤有机碳、喀斯特、土壤养分、土壤利用类型、土壤无机碳溶解、土壤有机碳分解、土地利用方式、喀斯特流域、石漠化、根源呼吸、全氮和土壤理化性质等。从中心度来看，全氮为0.38、土地利用及方式为0.30、土壤养分为0.28，与热点问题具有高度密切相关。

表2 国内外喀斯特SOC研究领域的高频关键词

喀斯特石漠化恢复、农业土地管理及全球温室效应等问题，是国内外喀斯特SOC研究领域中的热点议题之一。同时，喀斯特土壤微生物、土壤养分及碳氮等关键因素也受到学者广泛重视。此外，国内外喀斯特SOC研究领域的高频关键词有些许不同，国际上研究热点更倾向于土壤碳循环过程，而国内则倾向于对石漠化治理进行考察。

突现词是指短时间内使用频率剧增的关键词。最近5年的关键词可以表征研究前沿的发展趋势，突现词的突变强度则表明该词短时间内使用频率剧增的强度，基于CiteSpace的突现词探测法可以用来探测某一时间段内喀斯特SOC研究领域的趋势(表3)。在WoS和CNKI数据库中，从2014年至今突现关键词有：stock(2015—2018)、vegetation(2015—2018)、sustainable develop ment(2015—2016)、dynamics(2017—2020)、area(2019—2021)、basin(2019—2021)、rocky desertification(2019—2021)和植被类型(2014—2019)、土壤理化性质(2014—2021)、空间异质性(2016—2019)、土壤微生物(2016—2021)等，由这些关键词可以看出，从早期喀斯特SOC领域的理化性质分析等理论研究，后期发展转变为喀斯特地区石漠化的生态恢复、喀斯特农业生态土壤健康及全球气候变化的应用研究，这些研究热点有望持续或相互融合成为未来新的研究趋势。

表3 国内外喀斯特SOC研究领域的突现关键词

2.3.1 国际喀斯特SOC研究方向

运用CiteSpace对WoS文献数据库进行聚类分析(N=460、E=902、Q=0.818 1)，得到如图4所示的高频关键词共现图谱，在一定程度上可以反映国际喀斯特SOC研究的核心方向，可以划分为3个聚类标签“全球气候变化与土壤呼吸”“农业管理与土壤质量”“森林生态系统与土壤固碳”。

2.3.1.1 全球气候变化与土壤呼吸

从聚类图可以清晰看出，主要有climate change、temperature、carbon dioxide、model、prediction、biomass C和dissolution等关键词，表明土壤微生物及植物响应全球气候变化被学者关注。全球平均温度与CO2浓度互相反馈，气候变暖主要通过微生物响应来介导驱动土壤碳循环[18]，研究通常会采用实验室培养[19]、稳定同位素自然分度法[20]和野外控制实验[21]等方法来探究气候因子对SOC的影响。如Sun等[22]通过对喀斯特石灰性土壤进行5年模拟变暖试验，量化了全年度变暖和季节性变暖对SOC和碳源CO2排放的影响，研究发现SOC损失与土壤温度、湿度呈正相关。

此外，出现的关键词还有spring、water、acidification、nitrate和nitrogen等，也说明季节、酸雨和大气沉降造成的土壤酸化也是研究热点。如Ma等[23]从植物生长季入手，通过模拟正常降雨量、强降雨、连续无雨和旱涝突变事件等情况，探究其对喀斯特农业作物生产的影响，发现气候普遍变暖会缩短作物生育期，干旱高温不利于土壤固碳，夏季气候突变事件对作物的生长有很大影响。Binet等[24]为了定量评估全球变暖对法国喀斯特地区大气和土壤碳酸盐风化吸收CO2的影响，研究发现酸性大气污染可能部分掩盖了CO2吸收，导致土壤碳收支不平衡，其碳酸盐量和相关CO2吸收量随着季节变化。

2.3.1.2 农业管理与土壤质量

从图4可看出“karst”为该聚类图中关键节点，随即出现的关键词有conventional tillage、agriculture、management、human impact、anthropogenic process、plantation、agricultural abandonment、afforestation及land use等，体现了喀斯特农业管理模式也倍受学者关注，耕作对土壤的扰动程度是喀斯特地区SOC流失和CO2排放高的主要原因，农业弃耕能有效维持喀斯特生态恢复中土壤质量[25]。如Xiao等[26]基于喀斯特地区不同耕作频率进行1年模拟实验，发现耕作显著受到季节性影响，在湿热季节减少或取消耕作可以通过最大限度地减少大的宏观集体扰动，从而减少微生物对碳源的摄取，继而提高SOC含量。Hu等[27]发现喀斯特地区农田撂荒后土壤碳储量恢复较快，土壤氮能维持长期的土壤碳汇。Yang等[28]研究发现交换性Ca2+和Mg2+是喀斯特农业退耕演替土壤SOC动态的主导预测因子。Ye等[29]指出喀斯特石灰性土壤SOC损失与Ca2+淋溶量呈正相关，频繁耕作导致土壤团聚体稳定性下降，而SOC经微生物作用矿化以致土壤中CO2分压高，促进碳酸盐溶解。

图4 国际该领域高频关键词(Top100)共现网络

另外，Southwest China等关键词出现的频次较高，说明中国西南喀斯特地区农业生态也是研究重点。如Li等[30]指出西南农业产业结构和布局强烈影响喀斯特碳循环，而土壤侵蚀和石漠化又对农业可持续性和生态系统稳定性构成威胁。聚类图中还出现“carbon sequestration、bacterial residue、dynamics和accumulation”等关键词，在喀斯特农业生态恢复过程中，土壤微生物扮演的角色不可或缺。Li等[31]从短期施肥类型的角度，探讨对喀斯特玉米田地的影响，研究发现短期施用有机肥较化肥有显著提高功能细菌丰度，进而提高土壤固碳能力，验证有机肥在一定程度上可以替代化肥。

2.3.1.3 森林生态系统与土壤固碳

聚类图中的forest、diversity、competition、stalagmite growth、evolution、topography、additivity和ammonium assimilation”等关键词，说明喀斯特森林生态系统恢复演替也是学者们研究关注点之一，虽然喀斯特森林上层SOC含量显著高于非喀斯特地区，但因生境复杂、土壤体积小以及土壤侵蚀过程中上层土壤易流失，导致前者总SOC量远低于后者[32]。另外，出现carbon stock、soil C cycling、carbon allocation、influencing factor和community structure等关键词，说明不同植被影响土壤碳分配以及土壤微生物介导驱动土壤固碳等研究热点也尤为重要。森林植被覆盖类型可以决定返回土壤的凋落物和根系分泌物的数量和质量，从而影响SOC的积累，土壤固碳对于保护喀斯特森林生态系统十分有必要。Aukema等[33]探究波多黎各北部喀斯特森林植被，发现物种竞争关系影响植被的分布，不同植被覆盖类型的SOC含量也具有显著性差异。Li等[32]研究发现喀斯特竹林覆盖的SOC含量远高于针阔叶林、混交林和灌木，这是由于竹子生长期较短、根系发达和能够产生大量的凋落物返回土壤，导致总SOC含量和储量较高。

2.3.2 国内喀斯特SOC研究方向

运用CiteSpace对CNKI文献数据库进行聚类分析(N=280、E=372、Q=0.860 4)，得到如图5所示的高频关键词共现图谱，可以划分为“喀斯特地貌环境与理化性质”、“土地管理类型与植被恢复”和“土壤微生物与环境效益”，反映国内喀斯特SOC主要研究动向及关注热点话题。

图5 国内该领域高频关键词(Top40)共现网络

2.3.2.1 喀斯特地貌环境与理化性质

通过该聚类图中出现的“喀斯特峡谷区和森林、山区、石漠化地区、植被类型和土地利用”等与地貌因子有关的关键词，以及包括出现的“土壤养分/肥力和分布特征”等理化因子的关键词，可知在喀斯特土壤地貌环境变化尺度上，对土壤理化性质的研究为该领域研究方向。喀斯特地区因地貌类型[34]、土地利用、植被和岩石覆盖[35]等不同，导致土壤理化性质具有空间异质性，影响SOC含量及分布特征。张珍明等[36-37]指出，SOC含量与砾石含量关系不显著，SOC的变化与坡度、SOCD、岩石裸露量呈显著性正相关，与土壤厚度呈负相关，与速效K、P相关性不强。姜鑫等[38]指出，不同地貌土壤类型溶蚀速率大小与土壤pH值呈负相关，与SOC含量有一定的正相关，且自然状态的溶蚀速率远高于人为干涉的情况。景建生等[39]研究发现，喀斯特落水洞、洼地底部的不同位置对SOC含量分布影响较大。

2.3.2.2 土地管理类型与植被恢复

土地利用类型为本聚类中最核心的关键词，“空间变异、剖面分析、矿化、土壤有机碳、喀斯特土壤及植被恢复”等关键词的出现，体现了学者对喀斯特石漠化生态恢复进行探索。生物不断积累的过程是土壤养分形成和维持的基础，植被类型影响土壤养分再分布[40]。例如，白义鑫等[41]探讨6种土地利用类型(花椒林、火龙果林、花椒火龙果混交林、圆柏林、圆柏女贞混交林和坡耕地)对SOC的影响，结果发现SOC与各组分之间存在显著正相关，其含量与植被类型的差异性有关。另外，花椒林SOC含量、凋落物和根系分泌物含量最高，提出花椒林可作为石漠化生态恢复的经济物种。与此同时，姜勇祥等[42]也提出花椒地土壤团聚体稳定性与其树龄、枯枝落叶层较薄和根系分布有关。

在植被恢复过程中，退耕显著提高SOC含量及促进土壤团聚体的形成[43-44]。刘霞娇等[45]基于喀斯特农业翻耕模拟试验发现，土壤碳量随着农业翻耕频次增加而减少，表明耕作干扰将导致土壤有机质(SOM)持续损失，同时也大大增加水体氮素风险。张亚杰等[46]通过探究不同土地管理和利用方式(人为干扰和自然状态)对土壤养分和碳库的影响，发现封育林SOC和碳库含量均高于人为干扰情况，说明其含量易受人为干扰强度影响；孙沙沙等[47]和赵楚等[48]也得出相似结论。江周等[49]还发现不同植被(草丛、灌丛和原生林)的表层土和深层土也存在差异性，不同植被类型的优势物种会影响进入SOM的质量。

2.3.2.3 土壤微生物与环境效益

该聚类中出现“土壤微生物、微生物量、土壤团聚体、全氮、全磷根际效应及喀斯特生态系统”等关键词，从一定程度上反映了学者对喀斯特地区土壤微生物及相关因素进行探讨。分子生物学技术的兴起，以及高通量(16S rRNA)测序和质谱等技术的革命性突破[50]，推动了喀斯特土壤微生物[51]生态学的发展，通过对土壤微生物功能特征[52-53]进行研究，继而与喀斯特生态系统功能紧密联系起来。例如，李选文等[54]通过对喀斯特石漠化地区的石生细菌进行分离，发现假单胞菌属和节杆菌属等可能是石生细菌的优势菌属，可作为石漠化地区土壤改良和生态恢复等的重要资源。张彧娜等[55]从3种人工植被修复模式入手，讨论对喀斯特土壤微生物群落的影响，指出混交林的土壤SOC含量及真菌细菌比最高，更有利于提高喀斯特土壤生态系统的稳定性。喻国军等[56]也提出造林有助于增强微生物碳代谢能力，进而改善土壤碳量。金章利等[57]发现土壤全碳和全磷是不同海拔喀斯特山地草地土壤微生物群落多样性差异的重要原因，其中，土壤微生物群落多样性与土壤酶活性呈显著相关。喻文强等[58]发现微生物功能多样性对喀斯特生态演替恢复更加响应灵敏，能显著改善土壤质量，土壤微生物在喀斯特地区比非喀斯特地区总体表现出更高的活性和丰富度。

3 结论与展望

本文借助CiteSpace(5.7.R5.2021版)分析软件对1990-01～2021-04在CNKI和WoS数据库中检索的喀斯特SOC研究文献进行计量分析和可视化分析，较为直观地反映了喀斯特土壤SOC的研究现状、热点及趋势，对于把握国内外该研究热点及进展具有一定参考意义。

1)在发文量及趋势方面。有关喀斯特SOC的国际文献(514篇)多于国内文献(349篇)；从总体变化趋势来看，国际发文量总体呈增长趋势，国内发文数量与我国喀斯特农业发展政策和石漠化治理等方面息息相关。从发文数量时间特征来看，以喀斯特SOC为主题的研究论文整体呈上升趋势。

2)在喀斯特SOC研究力量方面。中国喀斯特地区具有地域优势，是研究该领域的主要力量，其发文量占国际总发文量41.6%，但国际间合作交流有待加强；因此，我国应不断促进与其他国家(地区)开展学术交流和合作活动，拓宽研究领域以提高我国国际影响力。

3)在研究热点、方向及趋势方面。对文献的综合分析表明，国际上研究热点方向有“全球气候变化与土壤呼吸”“农业管理与土壤质量”“森林生态系统与土壤固碳”；国内主要研究热点方向有“喀斯特地貌环境与理化性质”“土地管理类型与植被恢复”“土壤微生物与环境效益”。

未来研究趋势主要有喀斯特石漠化生态恢复、喀斯特农业生态健康及全球气候变化的应用研究。其中，土壤微生物扮演的角色不可或缺，因其多样性、维持机制及功能特性在该研究领域具有较强的应用前景。近几年，有关土壤微生物碳耦合研究取得了较多进展，但人们对微生物特性与喀斯特生态系统功能缺乏更深层次的了解，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，今后需要将气候变化—人为—植物—微生物的整体相互作用联系起来进行研究，对改善喀斯特地区土壤养分循环和经济发展具有重要意义。