基于web of science 的世界黑土研究軌跡與熱點分析

盛春蕾，霍莉莉，2，賈淑霞，劉曉冰

(1. 中國科學院東北地理與農業生態研究所，黑土區農業生態院重點實驗室，吉林長春130102;2. 中國科學院研究生院，北京100049)

黑土是寶貴的自然資源，是肥力最高、最適宜農耕和最具生產潛力的土壤。無論是土壤的系統分類還是發生分類，礦物質表層厚度大于25 cm，潤態彩度小于3.0，鹽基飽和度≥50% (乙酸銨)，土壤有機碳含量高于0.6%的土壤都可以叫做黑土，即草原厚層松軟黑色礦質土［1］。世界范圍內有黑土9.16億hm2，占世界陸地非冰凍表層的7%，主要分布在中緯度、中大陸自然草原以及一些極其冷涼和干旱區域，少量分布在熱帶和亞熱帶。其中連片分布的有四大片，分布在北美、歐洲、亞洲和南美。北美有2.9億hm2，其中美國2 億hm2，加拿大4 000 萬hm2，墨西哥5 000 萬hm2;歐洲有3.3 億hm2，其中俄羅斯南部1.48 億hm2，烏克蘭3 400 萬hm2;亞洲有1.2 億hm2，其中中國東北1.03 億hm2(典型黑土3 500萬hm2);南美有1.05 億hm2，阿根廷8 900 萬hm2，烏拉圭1 300 萬hm2，巴西南部430 萬hm2［2－3］。黑土區對世界糧食、植物纖維、飼料的生產起著舉足輕重的作用。黑土區是美國玉米大豆重要產地，加拿大黑土區盛產小麥、大麥，阿根廷黑土區是世界糧倉肉庫和儲備庫，烏克蘭黑土區是歐洲大糧倉，東北黑土區是中國的重要商品糧基地［3］。

鑒于黑土地位的重要性，黑土研究得到世界農業科技工作者的廣泛關注，在黑土有機質的變化、黑土區作物產量、耕作、施肥及土壤侵蝕等等方面發表了大量的研究論文。采用文獻計量學的分析方法，結合內容分析、引文分析與前沿熱點分析對近百年來世界黑土研究的發展軌跡進行了描述和分析，并對世界黑土研究的發展趨勢進行了判斷和展望。

1 數據來源和分析工具

利用web of knowledge ［v.5.6］－web of science (http://apps. webofknowledge. com/ summary. do?product = WOS＆doc =1＆qid =12＆SID = Y2dDGh86KOELNpdgJ4P＆search_ mode = GeneralSearch)數據庫，以“mollisols or chernozems or black－soil or black－earth or dark－soil”為主題詞，檢索1899 年－2012 年間SCI－EXPANDED 和CPCI－S 所有類型文獻，得到關于黑土方面的研究論文2 951 篇(數據采集時間為2012 年5 月3 日)，利用Thomson Reuters 的Thomson Data Analyzer (TDA)軟件對文獻數據進行挖掘和分析，采用文獻計量學的方法，即以文獻體系和文獻計量特征為研究對象，采用數學、統計學等計量方法，研究文獻情報的分布結構、數量關系、變化規律和定量管理，并進而探討科學技術的某些結構、特征和規律，對世界黑土研究論文的發展脈絡進行描述和概括，同時運用內容分析、引文分析與前沿熱點分析等方法，對世界黑土研究內容、熱點及發展趨勢進行分析和判斷。

2 結果與分析

2.1 年度發文與被引用情況

自1928 年發表第一篇黑土研究論文至2012 年5 月3 日，84a 間文獻發表數量總體呈增長趨勢，尤其是1990 年后增速明顯。發文數量的年際變化可明顯分為3 個階段，見圖1。第一階段是1928 年－1964年，這一時期論文發表數量非常少，共發表文章16 篇，占發文總量的0.6%;第二階段是1965 年－1989年，是論文發表數量平穩增長的時期，25a 間發表文章數量為454 篇，占發文總量的15%，平均每年發表論文18 篇;第三階段是1990 年－2012 年，是論文發表的快速增長期，23a 間發表文章數量為2 481 篇，占發文總量的84%，平均每年發表論文108 篇。

文獻被引用次數，是評價該文獻學術水平和受重視程度的一個重要測度。引文分析結果表明，2 951篇文章共被引用20 437 次，篇均被引用7 次，有1 679 篇文章被引用次數在1 次以上。被引用次數的年際變化也可以分為3 個階段，但時間周期明顯不同于發文數量的年際變化，見圖1。第一階段是1928 年－1990 年，這一時期沒有出現發文越早被引用的次數越多的現象，但其中的幾個年度的篇均被引用次數還是比較高的，如1953 年、1955 年、1985 年及1986 年篇均被引用均在7 次以上;第二階段是1991 年－2007 年，這一階段是被引用的高峰期，而且高被引與發文量呈現正相關關系，篇均被引用12 次的年份有1991 年、1992 年、1995 年和1999 年，11 次的有2002 年，10 次的有1993 年;第三階段是2008 年至今，由于發文時間比較短，所以被引用的次數也相應的比較低。

2.2 發文量與被引用量排在前十位的國家、機構和作者

Web of Science 數據庫自1972 年以后收錄的文獻記錄中包含作者所屬國家字段。發文量與被引用量排在前十位的國家、機構和作者詳見表1。俄羅斯發表文章數量最多(497 篇)，中國位居世界第四名(248篇)，烏克蘭在前十發文國家中排在最后(46 篇)。最早發表文章的國家有俄羅斯、匈牙利和烏克蘭(1972 年)，捷克發表文章時間最晚(1994 年)，中國1992 年發表第一篇黑土文章，與最早開始發文的俄羅斯相比時隔20a，但到2009 年之后中國即成為世界發表黑土SCI 論文最多的國家。中國和俄羅斯是年均發表論文增長最快的國家，年均增長率為12%，其次是美國年均增長率為9%，烏克蘭是年均增長率最低的國家(1%)。在2 951 篇論文中，單一國家作者發表論文數量最多，為1 803 篇，多國作者合作發表論文比較少，最多有6 個國家作者合作發表論文，發文量僅為2 篇，這說明多個國家的科研人員共同關注同一主題的情況很少。發表文章的被引用情況與發文數量具有很大的差異，美國科研人員發表的論文被引用次數最高(5 282 次)，俄羅斯發文數量排在第一名，但被引用次數卻排在第六名(1 180 次)，中國發文量與被引用次數均排在第四(1 320 次);澳大利亞篇均被引次數最高(19 次)，其次是美國(18 次)，俄羅斯和烏克蘭篇均被引用次數最低(2 次)。

圖1 年度發文與被引用情況Fig.1 Annual publications and citations

表1 1972 年以來前十位發文國家、機構、作者的發文數量與被引用次數Tab.1 Number of publications and citations of the top ten countries，institutions and authors since 1972

前十發文機構中加拿大的機構有4 個，俄羅斯3 個，匈牙利2 個，中國科學院是中國唯一躋身于世界黑土研究領域十強機構之一，從發表文章的數量來看僅次于加拿大農業及農業食品部，位于第二位。由此可見，前十個發文機構主要集中在前五個國家。進一步統計發現，中國科學院東北地理與農業生態研究所是中國科學院黑土研究的最主要的發文機構，發表文章數量為85 篇，占中國科學院總發文量的54%。前十發文機構中被引用次數最多的也是發文量最多的加拿大農業及農業食品部，篇均被引用次數為16 次，位居第一，中國被引用次數排在第二位，篇均被引用次數為6 次，位于第四位。前七個機構均屬世界土壤科學領域前1%機構。

前十位發文作者中有8 位來自加拿大，一位來自匈牙利，另一位是中國科學院東北地理與農業生態研究所的劉曉冰，發表文章數量位居第八位。Campbell C A 和Zentner R P 的發文數量與被引用次數均列第一與第二位，但篇均被引用次數排在第二(33 次)和第三位(31 次)，Biederbeck V O 發表文章數量最少，而篇均被引用次數卻最高(39 次)。前十位作者中有四位即Campbell C A、Zentner R P、Lafond G P和McConkey B C 是世界土壤科學領域前1%的科學家。

2.3 發文基金資助機構情況

2 951 篇文章中有674 篇文章得到過基金資助，占總發文量的23%。從前五個基金資助機構中可以看出，見表2。中國國家自然科學基金委員會對黑土研究支持力度最大，排名第一，180 篇文章得到國家與中國科學院的資助，占中國總發文量的73%。加拿大農業及農業食品部是世界發表黑土研究論文最多的機構，但得到該機構資助的文章數量卻非常少。

表2 前五個基金資助機構Tab.2 The top five funding agencies

2.4 前十發文期刊與參考文獻中前十被引期刊

2 951 篇文章發表在400 種期刊上，刊載文章最多的是《Eurasian Soil Sci. 》(461 篇)，見表3。其中319 篇是俄羅斯和烏克蘭的科研人員撰寫的文章;《Soil Sci. Soc. Am. J. 》和《Geoderma》主要刊登美國作者的文章;《Soil Tillage Res. 》主要刊登加拿大作者的文章;中國科研人員撰寫的黑土文章主要發表在《Pedosphere》(19 篇)、 《Spectrosc. Spectr. Anal. 》 (17 篇)，前十期刊中刊載中國作者文章數量依次是《Can. J. Soil Sci》(15 篇)、 《Commun. Soil Sci. Plant Anal. 》 (14 篇)、 《Soil Sci. Soc. Am. J》 (9 篇)和《Geoderma》(7 篇)。前十刊物中《Soil ＆ Tillage Research》影響因子最高，2011 年影響因子為2.425，JCR 數據庫中收錄土壤科學刊物共有33 種，該刊影響因子排名第三。2011 年土壤科學33 種期刊平均影響因子為1.530。

表3 前十發文期刊與被引用期刊Tab.3 The top ten periodicals and Cited Journal

2 951 篇文章共參考了69 788 篇文獻，平均每篇文章的參考文獻數量是24 篇。所有參考文獻中有924篇文章來自《Soil Sci. Soc. Am. J》期刊。Campbell C A 所發表的文章共被參考引用了219 次，在參考文獻的前十作者中Zentner R P 和Kadar I 也是發表文章前十的作者，說明這三位科研人員發表的文章在黑土研究領域的重要地位。

3 研究內容與前沿熱點分析

內容分析是對文獻內容進行客觀、系統、量化分析的一種科學研究方法。內容分析的目的是明確或測驗文獻中本質性的事實和趨勢，揭示文獻所含有的隱性情報內容，查明某專題的客觀事實和變化趨勢，追溯學術發展的軌跡，描述學術發展的歷程，并依據標準鑒別文獻內容的優劣。內容分析的主要過程就是對分析單元出現的頻數進行計量，用數字或圖表的方式表述內容分析的結果。由于web of science 數據庫自1991 年以后出現作者關鍵詞及摘要字段，因此，選取的分析單元為綜合關鍵詞(multi word phrases +keywords－author+keywords－plus+phrases－title+phrases－Abstract)，1991 年之前的內容分析以標題短語為分析單元，1991 年以后的內容分析以綜合關鍵詞為分析單元。

3.1 3 個階段的研究內容

根據年度發文量的3 個階段進行內容分析，第一階段(1928 年－1964 年)的研究主要集中在3 個方面，一是不同地區、管理方式(灌溉)和植被等對黑土物理、化學特性及水熱條件的影響，二是土壤磷形態和放射性元素的吸收及磷酸鹽應用對黑土的影響，三是黑土成因、粘質有機物的形成和黑土分類學的研究。

第二和第三階段(1965 年－2012 年)的研究內容基本相同，從表4 出現的高頻次關鍵詞可以看出主要集中在6 個方面的問題上:①產量問題(yield/output/production)②施肥與肥料問題(fertilization/fertilizer)③耕作問題(tillage/farming/cultivation/rotation/continuous cropping (cultivation))④土壤有機質(碳)問題 (soil organic matter/SOM/soil organic carbon/SOC)⑤土壤侵蝕與退化問題 (soil erosion(loss)/soil degradation)⑥土壤特性問題(soil properties/soil characteristics)。從圖2 可以看出6 個問題的研究主要從1990 年開始呈快速增長趨勢。從2010 年開始，土壤有機質問題年際發表文章數量最多，然后是產量、施肥和耕作方式問題。近3a 來土壤有機質和中國東北地區的黑土問題研究呈上升趨勢，土壤施肥問題的研究呈下降趨勢。

產量問題共發表文章874 篇，占總發文量的30%，主要研究的是小麥、谷物與玉米的產量問題。施肥與肥料問題發表文章數量為817，占總發文量的28%，主要集中在N、P 肥對產量的影響、施肥的處理以及輪作問題。耕作問題發表文章數量為692，占總發文量的23%，輪作、產量、施肥與保護性耕作是耕作問題的重點研究內容。土壤有機質(碳)問題發表文章數量為663，占總發文量的22%，主要集中于碳、氮、腐殖質、有機物。土壤特性問題發表文章數量為575，占總文量的19%，耕作與施肥是影響土壤物理、化學特性的主要因素。土壤侵蝕與退化問題發表文章數量為302，占總發文量的10%。6 個問題中發表文章最早的是土壤特性問題，于1953 年發表第一篇文章，時隔12a 后發表第二篇文章，產量、肥料、耕作及土壤有機質方面的文章均發表于1965 年和1966 年，土壤侵蝕方面的文章發表時間最晚，于1971年發表第一篇文章，1989 年以后關于土壤侵蝕的研究開始升溫。

加拿大農業及農業食品部是6 個問題的第一研究機構，中國科學院除土壤特性問題外，是其它5 個問題的第二研究機構，中國科學院東北地理與農業生態研究所特別致力于土壤侵蝕方面的研究。俄羅斯科學院只有在土壤特性問題排在第一研究機構。Campbell C A 在6 個問題中發表文章數量最多。

3.2 前十篇高被引論文內容分析

論文被引用的程度是衡量該論文學術價值和影響的一種測度，同時，也反映了該著者在本學科領域內的影響和地位。通過文獻引用頻率的分析可以測定某一學科的影響和重要性。前十篇高被引論文中主要集中于土地利用方式、耕作方式和管理措施對土壤有機碳固存及有機碳組分的影響;土壤團聚體層次結構及其與土壤有機碳的關系;C－13 核磁共振光譜分析土壤有機質內部化學結構;土壤碳同位素對植被類型變化的指示;燒焦的土壤有機碳在黑土形成過程中的作用;植物對氮素的利用及流域氮平衡和氮輸出;田間水資源管理對農田生產力的影響，見表5。

表4 出現頻次在100 次以上的綜合關鍵詞Tab.4 Comprehensive key words appeared more than 100 times

圖2 六大問題的年度發文情況Fig.2 Annual number of publications in the six major issues

表5 十篇高被引論文Tab.5 Ten top papers with high citations

3.3 前沿熱點分析

ESI (Essential Science Indicators)基本科學指標庫是ISI 推出的衡量科學研究績效、跟蹤科學發展趨勢的基本分析評價工具。其獨特之處是提供被稱為“研究前沿”的專業領域列表，研究前沿采用獨特的視角來審視學科領域，通過算法得出的主題反映當前深入研究和有突破性的科學領域。研究前沿是在專門主題中通過聚類分析確定的被稱作核心論文的一組高被引論文。聚類分析以論文之間相互引證或共引的次數為標準聚類。根據6 大黑土研究內容進行檢索，黑土研究的熱點問題主要集中于以下方面:土壤有機碳的穩定機制及不同穩定機制之間的相關性;土壤有機碳功能庫與穩定機制的關聯性及相關模型的開發和應用;深層有機碳的數量及穩定性特征;凍土區土壤有機碳庫的估算及其對氣候變化的敏感性和脆弱性;作物秸稈處理方式對土壤有機碳庫的影響;利用糧食產量數據庫估算來源于作物殘體和根際沉積的碳;耕作方式對土壤剖面不同層次有機碳的影響;精確計算整個剖面土壤有機碳儲量的方法;氮肥施用對土壤固碳的影響;耕作對土壤物理特性、水分含量、硝酸鹽可利用性及作物產量的影響;土壤有機碳對可持續農業的重要性。由此可見，土壤有機碳相關研究將是未來黑土研究的主要發展趨勢。

4 結 語

世界黑土研究的第一篇文章發表于1928 年，1990 年至今發表文章數量不斷升高，占總發文量的84%;1999 年發表的文章總被引用次數與篇均被引用次數最高，數量分別為1 157 次和12 次。俄羅斯和加拿大是世界黑土研究的主要國家，加拿大農業與農業食品部和中國科學院是黑土研究的主要機構，Campbell C A、Zentner R P、Lafond G P 和McConkey B G 是世界黑土研究領域的領軍科學家，同時也是世界土壤科學領域前1%的科學家。從發表文章得到的基金資助情況上看，中國對黑土研究支持力度最大。但中國作者在重量級期刊上發表文章的數量并不多。二十世紀六十年代至今黑土研究主要圍繞著產量、施肥與肥料、耕作方式、土壤有機質(碳)、土壤特性和土壤侵蝕與退化6 個方面進行。近3 年來，土壤有機質穩定性機制問題的研究不斷升溫，土壤微生物是影響土壤有機質的重要因素之一，也是世界土壤科學領域的前沿熱點問題。

［1］Burras C L，Veenstra J J，Ibrahim M，et al. Black soils of the USA:A brief introduction ［M］. In Liu X B，Song C Y，Cruse R M，et al. New advances in research and management of world Mollisols. Northeast Forestry University Press，Harbin，China，2010.

［2］Durán A，Morrás H，Studdert G，et al. Distribution，Properties，Land Use and Management of Mollisols in South America ［J］. Chinese Geographical Science，2011，21 (5):511－530

［3］Liu X B，Burras L，Kravchenko Y S，et al. Overview of Mollisols in the world:Distribution，land use and management ［J］. Canadian Journal of Soil Science，2012，92:(2):383－402.