植物改良盐碱地的热点研究及前沿进展—基于VOSviewer的数据可视化分析

王 静, 田永雷, 慕宗杰, 白春利

(内蒙古自治区农牧业科学院, 内蒙古 呼和浩特 010031)

盐碱地是指盐类在土壤中聚集,可溶性盐含量和阳离子含量超过正常范围,致使大部分植物无法正常生长的土壤[1]。盐碱地的形成主要是由于地形地质、气候和水文条件等区域性环境因子的变化,引起了地表水分蒸发、冻融交替和地下水位上升,致使盐分积留在土壤表层,难以自然调节脱盐[2]。在全世界均有分布,影响了30多个国家的9.5亿hm2的土地。我国的盐碱地面积为9 913万hm2,严重制约了地区的农业发展和生态环境建设[3-4]。目前,改良盐碱地的措施主要集中在物理措施[5]、化学措施[6-7]、工程措施[8-9]和生物措施[10-11]。物理、化学和工程措施在改良盐碱地的同时会带来造价高和破坏土壤结构的问题,甚至会产生二次污染[12]。而生物措施是通过种植耐盐碱植物的方式达到减少土壤的含盐量,改善土壤结构的目的,具有省水、低投入和环境可持续等优点。

耐盐碱植物的拒盐、聚盐和吸盐特性使其可以在盐碱环境中生长,是生物改良盐碱地重要的植物资源[13]。部分耐盐碱植物可以在200 mmol·L-1以上的含盐量土壤中正常完成其生活史[14]。这种盐生植物往往具有盐腺可以将吸收的盐分分泌到体外或积累在植物体内的特定结构中,达到使盐碱地脱盐的效果[15]。此外,还存在没有特定盐腺构造也可以耐盐碱胁迫的植物,其余植物完全无法适应盐碱环境,不能萌芽或者在萌芽阶段就受到盐碱毒害导致细胞死亡[16-17]。植物改良盐碱地具有费用低、见效快和可持续积肥等优点,还可以在改善盐碱地的同时获得经济效益,成为盐碱地研究中的热点[18]。为更准确、客观和直观地了解一个研究领域的研究基础和发展趋势,众多学者会采用可视化分析,运用其定性和定量相结合的方法梳理整个研究领域的发展脉络和预测未来发展态势[19]。最早从1982年研究植物改良盐碱地开始,还未见可视化分析的综述文章,有关于植物和盐碱地的文献,大多是试验类文章,综述文章也只是对盐碱地或盐生植物发表的论文进行总结,没有系统阐述植物改良盐碱地的整体情况和效果。因此,研究可视化分析植物改良盐碱地的研究脉络及改良效果,可以从以往研究中筛选出抗盐碱胁迫的植物种类,还能对盐碱地区的种植业和生态恢复提供科学指导,避免资源浪费,以期为后续建立植物改良盐碱地的数据库提供理论和数据支持。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

鉴于中国知网和Web of Science收录的期刊具有很高的学术价值,本文以这两个数据库为数据源,检索2000年以后收录的文献。中国知网检索SCI、EI、核心期刊、CSSCI和CSCD核心期刊,关键词(同义词扩展)分别为“改良盐碱地”和“改良盐碱土”获得983篇文章;检索Web of Science核心数据库,关键词分别为“Improve Saline-alkali Soil”和“Improve Saline-alkali Land”获得346篇文章。剔除检索期刊中缺失字段、改良剂比较、改良剂专利、城市工程建设类和重复数据共572篇,严格筛选改良盐碱地有效文献757篇。下载文献的标题、作者、期刊名、机构、发表年份、关键词、摘要、被引频次、影响因子以及文章内容,进行文章内容和结果的提取以及可视化分析。

1.2 数据处理

将检索得到的文献利用Endnote X9进行文献除重和年份统计,初步筛选过的文献用Excel 2016提取论文的主要研究对象、文章题目、关键词、主要研究内容、被引频次、期刊指数和改良盐碱地效果等相关信息进行总结并加以量化。再次筛选提取后的信息,利用VOSviewer对改良盐碱地的措施进行聚类和热点分析;利用共现词频可视化和共词矩阵对植物改良盐碱地的影响因子进行分析。

2 研究进展分析

2.1 发文趋势和期刊分析

检索2000年1月—2022年12月改良盐碱地的文献中,筛选出有效文献757篇,其中Web of Science核心期刊259篇,中国知网核心期刊498篇(图1)。研究表明,关于改良盐碱地的研究呈逐年上升的趋势,从2000年文献数7篇,到2020年文献数突破100篇,2022年达到135篇,说明改良盐碱地领域的研究投入力度逐年增大(图1)。

图1 2000年—2022年改良盐碱地核心期刊发表数量时间分布图

2.2 改良盐碱地的措施分析

文章的核心研究对象通过关键词表达,关键词可以反映整篇文章的主要研究内容。本研究利用VOSviewer软件对中国知网的3 120个文献关键词和WOS的1 680个文献关键词进行聚类分析,获得关键词聚类图和热点图(图2、图3)。在VOSviewer软件进行盐碱地改良关键词的可视化分析,选择最小出现频次为5,符合新出现的高频关键词反映改良盐碱地的措施(表1)。

表1 盐碱地领域研究文献关键词频次

图3 WOS关键词为Improve saline-alkali land(soil)的核心期刊聚类图和热点图

中国知网盐碱地改良措施领域研究文献2000年以后大于8次出现的高频词有189个,出现次数前十的关键词为脱硫石膏、改良剂、产量、生物炭、土壤理化性质、水稻(OryzasativaL.)、土壤改良剂、玉米(ZeamaysL.)、土壤养分、水盐移运,其中关于植物改良的有3个,出现频次分别占第3、第6和第8位(表1)。水稻和玉米等耐盐植物在2014年以前已有研究历史,对植物产量的研究是近几年的研究热点,说明对盐碱地改良的研究有向经济作物倾斜的趋势(图2)。

Web of Science盐碱地改良措施领域研究文献2000年以后大于8次出现的高频词有106个,出现次数前十的关键词为Growth,Yield,Tolerance,Plants,Biochar,Carbon,Diversity,Bacteria,Water,Nitrogen,其中关于植物改良的有4个,出现频次分别占第1、第2、第4和第6位(表1)。对植物的研究均在近几年,这可能是由于改良盐碱地的文献都是近几年发表,而植物对盐碱地的改良影响逐渐成为共识(图3)。

3 改良盐碱地的植物及其改良效果

3.1 改良盐碱地的植物与盐碱地土壤指标的共现图谱

盐碱地种植植物后对土壤营养成分、理化性质和微生物特性等往往会产生影响,达到降低盐碱程度的效果[18]。不同植物在盐碱地中生长的情况和对盐碱地改良的效果均有差异,本研究旨在为解决农作物经济发展和生态环境平衡的问题提供科学的指向性建议。利用关键词共词矩阵可视化分析植物改良盐碱地各项指标的影响程度(图7)发现,植物对有机质、全氮、全磷、速效磷、容重、微生物、全钾、速效钾等有改良效果,土壤的各项指标也会相互作用,反馈给植物生长。作为改良盐碱地的盐生植物综述,阐述了植物对土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾和团聚体等起到调节作用(图4)。节点的大小表明关键词在共词网络中的中介性越大,它越能将不同的关键词连接起来。由图4可知,不同的植物对盐碱地指标的改良存在差异性,不同植物可以直接或者间接地影响盐碱地的指标(图4)。

高频关键词进行两两配对,统计它们在文献中共现频次,表明研究热点植物对盐碱地各项指标改良的关联性(表2)。围绕有机质、全氮、速效磷、容重、速效钾、微生物、全磷、养分、细菌、团聚、含盐量、入渗率、胡敏酸等盐碱性状指标,形成盐生植物综述、水稻、苜蓿(MedicagoL.)、产量、碱蓬、树林、柽柳(TamarixchinensisLour.)、棉花(Gossypiumspp)、白蜡(FraxinuschinensisRoxb)、油菜(Brassicarapavar.oleiferadeCandolle)、沙枣(ElaeagnusangustifoliaL.)、四翅滨藜(Atriplexcanescens(Pursh) Nutt.)、白刺(NitrariatangutorumBor.)、黄花草木樨(Melilotusofficinalis(L.) Pall.)等改良上的研究热点植物,它们之间具有紧密的关联性(表2)。

表2 植物对盐碱地指标改良的共词矩阵

3.2 植物改良盐碱地的效果

研究结果表明,国内外对盐碱地改良的研究逐年增长并趋于加深,改良盐碱地的措施也更具有创新和实际应用的意义。植物在盐碱地种植的产量[20-26]、盐碱地改良的综述文章[27-33]及一种植物种植对盐碱地的影响等相关研究成为近年来的热点。然而,植物可以有效地改良盐碱地的效果还未进行过综述和报道。本研究根据收集和分析的文献数据,对改良盐碱地的植物及其改良效果分类进行系统阐述。

3.2.1草本植物改良盐碱地的效果 草本植物有大量薄壁细胞的维管束和发达的根系结构,可以富集盐碱离子,凋落或枯立的植物根茎也更容易被分解从而增加盐碱地的养分。有研究表明,草本植物表现出较好的耐盐性,种植草本植物可以显著降低盐碱地的pH值、含盐量和盐基离子浓度,改善土壤物理性状和增加土壤养分(表3)。以水稻为例,水稻的调控基因的信号传导和功能上表现出耐盐碱抗性[34-36],与种植水稻前相比土壤pH值和全盐含量比均有不同程度降低,连续种植水稻4～5年土壤的平均含盐量由4.5%降至0.15%,改善了土壤粘重的质地[37]。同时水稻可以有效降低钠盐、不同形态Zn2+,Ca2+、结合态胡敏酸等浓度,增加有机碳、胡敏酸碳、富里酸碳、碱解氮等有机化合物浓度,驱动土壤中元素的形态变化[38-40]。

表3 草本植物改良盐碱地的效果

种植草本植物的土壤有机质、水解性氮、全氮、全磷、速效钾等养分均明显增加,降低电导率,代表植物有锦鸡儿[41]、蓖麻[42]、甜高粱[43-45]等。草本植物大多兼具经济作物的职能,在盐碱地中草本植物不仅耐盐性强,其产量也逐年增加[46-48],例如苜蓿属产量可以达到24.2 t·hm-2·a-1～32.7 t·hm-2·a-1[49]。研究结果表明,种植草本植物可以获得较大的经济和生态效益,代表植物有油葵[50]、草木樨[51-52]等(表3)。

3.2.2灌木植物改良盐碱地的效果 灌木植物根系发达多为直根型或匍匐型,易繁殖,有利于破除盐碱地硬壳,扎根盐碱地形成的粘土层。灌木植物叶面蒸腾量大,能有效地降低地下水位,预防土壤次生盐债化,代表植物有棉花[53]。有研究表明,灌木植物在盐碱地上种植可以增加土壤的含水量和空气体积,种植后土壤的脱盐率为9.00%～40.38%[54-55],同时降低盐碱地中pH值和盐基离子浓度,代表植物有沙枣[56]、藜科[57-58]等(表4)。灌木植物主要可以通过生物固氮以及凋落物和细根的快速分解实现短期内向土壤释放有机物质,提高土壤氮、磷、钾[59],例如白刺[60-61]、杜梨[62-63]等。

表4 灌木植物改良盐碱地的效果

3.2.3乔木植物改良盐碱地的效果 在盐碱地中适宜生存的乔木植物为不透盐植物、聚盐植物和泌盐植物,乔木植物的地上部分与地下部分保持着养分和水分的代谢平衡,其根系粗长,蒸腾作用和木质部张拉力强可以被动吸收土壤中的离子,这些乔木不仅可以耐盐碱环境生长,还能降低土壤的总含盐量,达到改良盐碱地的作用[64-69](表5)。有研究表明,乔木植物显著减低土壤盐分含量和pH值,有利于土壤的物理性状改善和有机质及微生物含量增加,使盐碱地中有机质和速效养分含量增加38.8%,氮元素含量提高2.2倍,代表植物有柽柳[70-72]、杨树[73]、栾树[74]等(表5)。

表5 树木改良盐碱地的效果

4 结论及展望

盐碱地的发展脉络和植物改良盐碱地的研究态势呈上升的趋势,已成为国内外研究中关注的热点。对盐碱地的改良逐渐为达到经济效益和生态效益的协同发展,种植植物作为改良盐碱地的措施或衡量盐碱地改良效果的评价指标的研究,为该领域做出很大贡献。不同植物改良盐碱地的效果也呈现出多样性和不确定性,这也成为基于植物改良盐碱地研究不断涌现的原因。本文总结了近年改良盐碱地效果显著的植物及其改良效果,这对于指导盐碱地改良措施的选择和后续的植物吸盐特性的研究有重要的意义。下一步将进行耐盐性植物和吸盐性植物的筛选工作及其机理研究,并建立植物改良盐碱地的“信息智库”,以指导实际工作。

应用前景:在农业生产方面,植物改良盐碱地可以提高土地的利用效率,增加农作物的产量和品质,从而满足人们对食品的需求。随着人口的增加和城市化进程的加速,对农产品的需求将会越来越大,植物改良盐碱地将会成为重要的手段之一。在生态环境方面:植物改良盐碱地可以降低土地的盐碱度,改善土壤环境,促进生态系统的恢复和保护。随着环境污染和生态破坏的加剧,植物改良盐碱地将会成为重要的生态修复手段之一。在节约资源方面,植物改良盐碱地可以节约土地资源和水资源,减少化肥和农药的使用,降低农业对环境的影响。随着资源短缺和环境污染的加剧,植物改良盐碱地将会成为重要的节约资源手段之一。在经济社会发展方面,植物改良盐碱地可以促进农业生产的发展,增加农民的收入,促进农村经济的发展,同时也为相关产业提供了发展机会。未来,随着经济全球化和区域一体化的加速,植物改良盐碱地将会成为重要的经济增长点之一。

应用价值:植物改良盐碱地可以提高土地的利用效率,将原本无法利用的盐碱地转化为耕地,增加农作物的种植面积,提高农业生产的效益,提高土地利用效率;可以增加农作物的产量和品质,提高粮食生产的效率和质量,为保障粮食安全提供了重要的手段;可以降低土地的盐碱度,改善土壤环境,促进生态系统的恢复和保护,为生态环境的恢复和保护提供了重要的手段;可以节约土地资源和水资源,减少化肥和农药的使用,降低农业对环境的影响,为节约资源和保护环境提供了重要的手段;亦可以促进农业生产的发展,增加农民的收入,促进农村经济的发展,同时也为相关产业提供了发展机会,为经济发展做出了重要的贡献。