国内外硅肥的研究脉络和趋势探析——基于WOS文献计量分析

肖永丰郭屹杜艳霞范培育姜晓琳刘汇东黄涌波

(1.北京低碳清洁能源研究院，北京 102209；2.神华准能资源综合开发有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 010300)

引言

硅是土壤的基本成分，也是植物中的主要组成元素之一，硅肥被认为继氮肥、磷肥、钾肥之后的第4种生长元素肥料，硅不仅能促进植物的生长，还可以缓解病虫害、干旱、重金属以及紫外线等不利因素对植株生长的抑制作用，同时可以提高农作物的品质。

硅肥在农业中的应用有很长的历史，1928年，美国的研究学者发现硅能使水稻等农作物增产，1955年，日本在肥料法中将硅肥列为一种新型的肥料，并开始硅肥的生产和销售，继日本之后，朝鲜、菲律宾、印度等亚洲国家对硅肥进行了引进和推广。随着对硅肥研究的深入，硅肥的研究的范畴逐渐扩大，硅肥研究的涵盖面越来越广，从硅肥促进作物茎叶的生长，抑制土壤板结与酸化，到硅肥对重金属的钝化，以及农业的可持续发展[1]，硅肥的研究涌现出新的动态和新的领域。

CiteSpace是美国费城德雷克塞尔大学陈超美教授开发的一款科学文献数据挖掘和可视化分析的应用软件[2]，利用Citespace软件对研究的主题以及关键词进行共现分析，通过可视化图谱展示硅肥研究的宏观结构和发展趋势，识别硅肥研究的热点及前沿方向。

1 数据来源与研究方法

WOS数据库(www.webofscience.com)是全球学术信息的重要数据库，收录了全球13000多种权威的、高影响力的外文学术期刊，是收录文献、并以建立引文的方式追踪文献间引用关系的数据库。本文以“silicon fertilizer”或“silicatefertilizer”为关键词，在WOS核心集合中进行检索，检索2022年及以前发表在WOS上的论文，共得到1309篇文章，通过下载得到相关的文献数据，包括文献的作者、国家、研究机构、摘要、关键词和文献的引文等信息。

通过对文献数据进行数据清洗，从发文国家和地区分布、学科分布、等进行分析、主题和关键词共现，以及关键词突现等进行分析。

2 知识图谱分析

2.1 硅肥研究的国家/地区分布

图1为硅肥相关文章发表数量排名前10的国家/地区。对整体数据的分析发现，排名前10的国家/地区发表数量，占全球总发表数量的83.1%，其中中国发表相关的文献378篇，占28.9%，其次为美国(11.3%)、巴西(9.7%)、印度(8.1%)、日本(6.6%)、韩国(4.1%)、澳大利亚(4.0%)等国家/地区。从发表文献的国家来看，这些国家/地区基本上都是农业比较发达的国家，也是世界主要的产粮大国。由于这些国家/地区农业与粮食有着绝对的战略地位，因此对其重视程度不言而喻，相对应的硅肥应用也受到重视，对硅肥的研究也越来越多。

图1 WOS数据库全球硅肥文献发表数量前10国家

表1列出了发表文章前10的研究结构，从表1可以看出，研究机构是以大学以及研究院为主，其中最高产的是中国科学院，其次是中国农业科学院，前10名中有4家研究机构来自中国，有3家来自美国，另外3家分别来自巴西、俄罗斯和韩国。从结构性质来看，目前硅肥的研究中主要是高校和研究机构。

表1 WOS数据库全球文献数量前10机构

2.2 硅肥研究文献的学科分布

从WOS数据库检索结果对硅肥的研究方向进行分类，其结果如图2所示，农业方向相关研究占33.1%；其次是环境科学生态学方向和植物科学方向，分别占28.5%和18.4%。从文献发表数量上看，在硅肥的相关研究方向中，农业、环境科学生态学和植物科学为核心，延伸至化学、工程学等学科领域均有涉猎，说明硅肥在未来的发展中，研究领域非常广泛，与其他学科的交互性很强。

图2 WOS数据库中文献中前10的研究方向

2.3 硅肥研究共被引文献及前沿分析

研究区域可以被概念化为从研究基础到研究前沿的映射，本文对去除自引后得到6953篇的引用文献进行知识结构分析，对研究知识基础以及前沿主题进行分析，对文献构建共被引网络，然后从关键词中提取名词性术语对聚类进行命名，得到12个聚类，主要聚类如图3所示。

图3 硅肥研究关键词共被引及前沿分析图谱

硅肥早期研究主要集中在#9植物硅、#8促进茎叶和#0非生物胁迫上，这一阶段，对硅肥的研究主要是植物对硅的吸收，硅在植物种的形态变化，以及硅对植物茎叶的促进作用[13]。另外，土壤板结、土壤酸化等非生物胁迫因素出现，阻碍了农业的发展，研究发现，硅肥可以改善土壤板结和土壤酸化[14]。

随着研究的深入，对硅肥的研究开始集中在#7粮食产量、#5砷吸收、#3降低镉浓度。随着硅肥的应用，硅肥对农作物的增产效果得到广泛的关注[3]，同时随着工业的发展，工业生产过程中会产生大量的有害物质，主要是重金属等，这些有害元素没有经过恰当的处理，排放到周边的土壤中，造成了土壤的污染[4]；另外，农业生产过程中农药以及除草剂的使用，也造成了土壤中砷含量超标的现象[6]。土壤的污染对农产品的质量安全方面造成极大的影响，有害元素进入食物链，对食品安全具有一定的威胁，而研究发现，硅肥在降低重金属、砷等有害物质中可以起到一定作用[7]。

近年来，对硅肥的研究集中在#1可持续农业、#2缺硅土壤、#4植物防御和#6磷酸盐溶解菌上，随着农业的快速发展以及超出土壤负荷的高产，部分土地出现缺硅现象，需要通过补充硅源以使作物获得足够的硅，同时研究发现硅对改善植物的防病虫害起到促进作用[8]。

2.4 关键词分析

通过对收集文献的关键词进行共现分析，可得出硅肥研究领域的研究热点，并对该领域研究的主题结构发展变化进行分析，文章通过对关键词进行共现分析。通过对关键词进行聚类，得到9个关键的聚类，见图4。

从图4可以看出，中心度最高的聚类为0#硅肥，同时也是最大的聚类，聚类中的关键词包含有硅肥、粮食产量、水稻、玉米等，研究发现，硅肥在水稻等禾本作物中能够明显的增加谷物的产量[9]。

1#、8#和6#等3个聚类的主题分别为土壤肥力、植物养分和土壤检测，这3部分的研究存在较多交叉，可以看出，对土壤肥力的影响是多方面的[10-12]，这些研究主要关注土地的肥力测试、土壤的生态健康、植物养分、植物有益元素、叶面施肥、生物应激等。

2#和3#中的主题是重金属和土壤板结，这2个聚类与聚类1#有一定的重叠，这2个主题的研究关于硅肥在抑制土壤中Cd、Pb、As重金属的影响[16]，以及多孔硅酸钙等硅肥对于改善土壤板结中的作用[13,14]。

4#、5#和7#分别是关于因素分析、成分和离子交换，这3个聚类相对较为独立，其中因素分析包括地质化学、水质、盐分等，硅肥成分研究包括钢渣、K2MgSiO4、CaSiO3、粉煤灰等含硅矿物；离子交换主要研究包括有N、P、Si等养分离子的吸收，以及硅肥的缓释作用等[15,16]。

图4 关键词聚类

以对关键词进行时间线展示如图5，从图5可以清晰展示出硅肥研究的知识演进以及文献的相互影响，从20世纪90年代中期主要关注点在土壤健康质量、农家肥料、水稻以及粮食产量上，随后在2000年左右，硅肥的研究开始出现转折，并产生了大量的引用，并且受到持续的关注，同时逐渐向抗氧化性、水质等研究方向转变。

图5 关键词时间线演化

2.5 关键词突现分析

突现分析可以对某一主题的研究的关键节点进行分析，挖掘出活跃的前沿主题，通过突现率可以研究其中某一时间段内活跃的关键词，并了解未来的研究趋势，图6展示了关键词的突现图谱，其中突现强度最大的关键词是硅肥，其次是植物养分和水质等，其中养分管理、因素分析以及病虫害管理和重金属，在早期受到关注较大，硅肥、植物养分、叶面施肥、水稻、可持续发展农业等逐渐成为关注的热点。

图6 关键词突现图谱

3 结论与展望

本文通过运用Citespace软件，以硅肥为主题词对发表在WOS上的相关文献进行数据挖掘和计量分析，以可视化的方式探索硅肥研究领域的演进历程、研究主题和发展趋势。

通过对硅肥研究共被引文献及前沿分析，硅肥早期研究以植物对硅的吸收、土壤板结、土壤酸化开始入手，逐渐深入到硅肥对于提高作物产量、抑制重金属吸收，近年来对硅肥研究逐渐深入到缺硅土壤、植物防御以及可持续发展农业方面。通过对硅肥关键词共现和突现关键词分析，近年来硅肥的研究热点主要集中植物养分、叶面施肥、水稻、可持续发展农业等关键主题上。

鉴于本文研究仅以硅肥为主题关键词进行分析，尚未对其他的肥料进行研究，具有一定的局限性，但是收录发表文献的学者多是长期充实肥料领域理论和实践研究的主体，研究成果在一定程度上能够反映出硅肥领域研究的主题和内容体系，对于肥料领域的研究也具有一定的参考价值。