生物土壤結皮研究進展與熱點
——基于CiteSpace和HistCite計量分析

郭忠錄, 蔡崇法

(華中農業(yè)大學水土保持研究中心，430070，武漢)

生物土壤結皮(biological soil crust, BSC)，簡稱生物結皮，是由不同種類的苔蘚、地衣、藻類、真菌以及細菌等生物組成的，它們與下層很薄的土壤共同形成一個復合的生物土壤層[1-3]。復合生物土壤層的形成使土壤表面在物理、化學和生物學特性明顯不同于下覆土壤，具有較強的抗風蝕和水蝕功能[3-4]。

20世紀90年代以來，有關BSC的研究逐漸增多，并受到了前所未有的重視，涉及的學科和內容非常廣泛。國內外學者從BSC自身種類組成，對土壤水分、養(yǎng)分、理化性質及抗侵蝕性能以及生態(tài)系統(tǒng)恢復重建中的作用等方面開展了大量卓有成效的探索[5-9]。作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)的工程師，BSC在聯結干旱半干旱地區(qū)景觀地表生物與非生物成分中起著無法替代的作用[10]，開展相關研究是實現對荒漠景觀進行生態(tài)系統(tǒng)管理和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎[4]。文獻計量法以文獻體系和文獻計量特征為研究對象，被廣泛用于文獻情報分析，進而評價一個學科或知識領域在一定時期發(fā)展的趨勢和動向，同時可彌補傳統(tǒng)文獻綜述的不足。基于此，筆者采用CiteSpace和HistCite 2種科學計量軟件[11-12]，對國內外BSC研究文獻進行圖譜量化，結合典型文獻閱讀，分析BSC國內外研究熱點和態(tài)勢，以加深對BSC研究領域認識，試圖對BSC生態(tài)功能提出新的見解和思考。

1 數據與方法

1.1 數據來源

數據收據源于Web of Science (WOS)核心合集和中國知網(CNKI)數據庫，檢索截止日期為2017年12月31日。WOS數據庫，檢索式為TS=(biological crusts or biological soil crusts or biocrust or moss soil crusts or lichen soil crusts or cyanobacterial soil crusts or algal soil crusts) not TS=(sea or marine or ocean or reservoir or lake or physical soil crusts or salt crusts or bread or aquatic or drug or crystalline lattice) and TS=soil，結合人工篩選和HistCite補充遺漏的文獻，共檢索文獻1 413篇，文獻類型為article 和review。CNKI數據庫，檢索式為(SU=‘生物結皮’ or SU=‘結皮*’ or SU=‘生物土壤結皮’ or SU=‘藻結皮’ or SU=‘蘚結皮’or SU=‘地衣結皮’or SU=‘混合結皮’)，通過人工篩選，獲得文獻663篇。

1.2 研究方法

筆者采用 CiteSpace和HistCite進行計量和可視化分析。CiteSpace是一款應用JAVA研發(fā)的一款信息可視化軟件，對特定領域文獻進行計量，探尋特定領域演化的關鍵路徑，顯示學科或知識領域一定時期內的發(fā)展趨勢和動向。HistCite 是尤金加菲爾博士和MG科學出版公司共同開發(fā)的一款引文編年可視化程序，能夠用圖示的方式展示某一領域文獻之間的關系，快速繪制特定領域的發(fā)展歷史，定位該領域的重要文獻和最新的重要文獻，以及重要科學家和機構。筆者借助HistCite以圖示的方式展示BSC領域發(fā)展歷史，利用CiteSpace共現和共引圖譜分析顯示BSC的發(fā)展趨勢動向，并在深入閱讀經典文獻基礎上，總結梳理BSC研究方向和熱點。

2 總體概況

圖1 1941—2017年WOS數據庫中生物土壤結皮研究載文量分布Fig.1 Distribution of BSC papers based on the Web of Science during 1941-2017

運用HistCite對Web of Science核心合集中收集到的1 413篇文獻分析，發(fā)現生物土壤結皮主題研究1990年后總體上呈上升的趨勢，特別是2000年以后非常快速地上升(圖1)。論文主要發(fā)表在《Journal of Arid Environments》《Soil Biology & Biochemistry》《Catena》《Plant and Soil》《Microbial Ecology》等期刊上(圖2)。美國的學者在生物土壤結皮領域發(fā)表論文數量最多，其次是中國、德國、西班牙、以色列、澳大利亞等國家(圖3)。作為發(fā)展中國家，我國生物土壤結皮方面研究起步較晚，但近年來發(fā)展迅速。與國外案例熱帶荒漠、寒漠和歐洲草原相比，我國溫性荒漠區(qū)從極端干旱區(qū)(降水<50 mm)到半干旱區(qū)(降水介于300～450 mm)，BSC發(fā)育良好、結構和種類組成復雜多樣，幾乎涵蓋了不同演替階段的BSC類型，便于比較探討B(tài)SC對氣候等干擾變化的響應和適應；因此我國BSC研究后來居上，在國際上產生了很大影響，大量的研究被國外同行引用和認可[4,13]。利用CiteSpace繪制國家合作網絡圖譜(圖4)，圖中節(jié)點大小代表節(jié)點的度，節(jié)點越大代表與之合作的國家越多，由4可知中國與挪威、英國、日本和匈牙利合作密切。中介中心性代表了處于國際合作網絡重要節(jié)點位置的國家合作對象的廣泛程度，中介中心性排序越靠前，對網絡格局的形成和結構穩(wěn)定性貢獻越大。由圖4可以看出德國的中介中心性最高(1.07)，其次南非、荷蘭、波蘭等，中國位于第9位。說明中國在國際上與論文高產國家的合作研究方面有待加強。

圖2 WOS數據庫中生物土壤結皮研究載文量前10的期刊Fig.2 Top 10 journals in BSC research on the Web of Science

圖3 WOS數據庫中主要研究國家生物土壤結皮發(fā)文量Fig.3 Main source countries in BSC research on the Web of Science

圖4 WOS數據庫中國際生物土壤結皮研究國家合作網絡Fig.4 Country collaborative networks of BSC research on the Web of Science

圖6 CNKI數據庫生物土壤結皮載文量前10的期刊Fig.6 Top 10 journals in BSC field based on CNKI Database

由對CNKI數據庫663篇文獻分析可知，自2000年之后，我國生物土壤結皮研究的相關期刊文章不斷攀升(圖5)，主要發(fā)表于《中國沙漠》《生態(tài)學報》《應用生態(tài)學報》《干旱區(qū)研究》《水土保持學報》等期刊上(圖6)。主要經費來源于國家自然科學基金，其他資金來源包括中國科學院知識創(chuàng)新工程基金、中國科學院“西部之光”基金、國家重點基礎研究發(fā)展計劃等(圖7)。在研究機構方面，中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所和中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所領先于其他研究機構和高校，西北農林科技大學(含中國科學院水利部水土保持研究所，下同)等單位也取得了豐碩的研究成果，區(qū)位優(yōu)勢明顯，這些單位的研究人員為我國生物土壤結皮領域的發(fā)展起到了重要的推動作用(圖8)。借助CiteSpace對生物土壤結皮研究團隊分析發(fā)現，對生物土壤結皮研究形成了以下幾大研究團隊(圖9)。在中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所形成了以張元明為核心的研究團隊，在中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所圍繞李新榮的研究團隊，在西北農林科技大學有趙允格帶領的研究團隊和卜崇峰帶領的研究團隊，在中國科學院水生生物研究所形成了以劉永定為核心的研究團隊。各團隊依托專業(yè)優(yōu)勢，圍繞區(qū)位特色對生物土壤結皮進行了深入挖掘和研究[14-17]。值得關注的，李新榮、張元明和趙允格3大團隊之間有較強的合作關系。

圖5 1990—2017年CNKI數據庫生物土壤結皮研究載文量分布Fig.5 Distribution of BSC papers based on CNKI during 1990-2017

圖7 中國生物土壤結皮研究經費來源Fig.7 Funding sources of Chinese BSC research

圖8 中國生物土壤結皮研究機構分布及發(fā)文量Fig.8 Distribution of Chinese research institutions in BSC research and the number of published articles

圖9 中國生物土壤結皮研究作者合作網絡Fig.9 Chinese BSC research author cooperation network

3 生物土壤結皮研究進展和熱點

3.1 國際生物土壤結皮研究進展和熱點

突發(fā)性(burst)反映文獻在一定時期被引頻次的增長情況，通過突發(fā)性的檢測，可知特定時間內的研究熱點。利用CiteSpace突發(fā)性檢測算法，可知在國際生物土壤結皮研究前沿顯著劃分為3個階段(圖10)：1)1941年開始soil 和 algae是BSC研究熱點，持續(xù)了60多年，到2004年；2)20世紀90年代后，BSC研究方向逐漸多樣，recovery、fire、erosion、cryptogamic crust、cryptobiotic crust等成為熱點，Utah 和Australia是熱點區(qū)域；3)進入21世紀，BSC研究內容更加細致多樣，研究區(qū)域更加廣泛，wind erosion、biotic interaction、successional stage、climate change、dryland等成為研究熱點，特別是2011年至今，熱點區(qū)域主要集中在我國Gurbantungut desert、Inner Mongolia、northwestern China、northern China、China。

圖10 Web of Science數據庫中生物土壤結皮研究突發(fā)關鍵詞Fig.10 Keywords with the strongest citation bursts in BSC research on the Web of Science

運用CiteSpace對1 413篇文獻的學科分布結構進行知識圖譜繪制(圖未展示)，發(fā)現BSC是一個多學科交叉的領域，Environmental Science & Ecology、Ecology、Environmental Science、Agriculture是文獻最多的4個學科，其次是Soil Science、Plant Sciences、Geology、Geosciences等。集合HistCite根據LCS(local citation score)值排名前30文獻生成的BSC文獻引證關系圖(圖11)，可知各個學科研究方向之間相互獨立，又存在相互引證關系，研究圍繞土壤過程、水文過程及生物過程，主要分為9個方面：1)BSC組成、發(fā)育、分類和演替；2)BSC對土壤水文過程的影響；3)BSC對生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、磷循環(huán)的影響；4)BSC對土壤穩(wěn)定性的影響；5)BSC對土壤酶活性的影響；6)BSC對維管束植物的影響；7)BSC在生態(tài)系統(tǒng)恢復重建中的作用；8)干擾對BSC種類、組成及生態(tài)的功能的影響；9)BSC對環(huán)境脅迫、氣候變化的生理生態(tài)響應。

進一步分析HistCite生成的引證關系圖，發(fā)現前30的經典文獻只有1篇來自我國(中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所李新榮)。但是，通過LCSe(最近3年被引用情況)分析，發(fā)現前30篇文獻中，有6篇來自我國，其中李新榮等3篇，中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所張元明等2篇，中國科學院水生生物研究所王偉波等1篇，而前40篇中達到9篇，進一步驗證了圖10。相對發(fā)達國家來說，我國生物土壤結皮研究起步較晚，但近年來后來居上，引用率穩(wěn)步升高，已從跟蹤研究發(fā)展到并行研究，研究區(qū)域逐步成為熱點區(qū)域。

3.2 國內生物土壤結皮研究進展和熱點

我國生物土壤結皮研究起步較晚，但發(fā)展迅速，扎根于我國溫性荒漠區(qū)，產生了一批有意義的研究成果[4]。由表1可以看出，被引頻次最高的文獻《干旱半干旱地區(qū)土壤微生物結皮的生態(tài)學意義及若干研究進展》較早地對BSC形成、發(fā)育過程及對微生境影響及在生態(tài)恢復中地位和作用進行了探討，是該領域較為經典的文獻。排在第2、3位也是李新榮，分析了固沙植被區(qū)BSC形成特點及其對植被動態(tài)的影響，并于2009年對BSC研究進展進行了總結和展望。排在第4～7的作者分別是吳玉環(huán)、楊曉輝、徐杰、胡春香等，從BSC的種類組成和分布、固沙作用、在植被恢復和重建中作用等視角進行探討。

圖中左側為年份(文獻數)Year (number of literature) are presented in the left column. 圖中每個方框代表一篇文獻，數字是文獻編號Each box represents an article, and the number in the box is the article’s ID.圖11 Web of Science數據庫中生物土壤結皮文獻引證關系圖Fig.11 Citation network of BSC research on the Web of Science

編號Series文獻題名 Article title發(fā)表年份Published year被引頻次 Cited frequency1干旱半干旱地區(qū)土壤微生物結皮的生態(tài)學意義及若干研究進展2001268Advances in microbiotic soil crust research and its ecological significance in arid and semiarid regions2干旱沙漠區(qū)土壤微生物結皮及其對固沙植被影響的研究(英文)2000207Study on soil microbiotic crust and its influences on sand-fixing vegetation in arid desert region3生物土壤結皮研究:進展、前沿與展望2009157A study of biological soil crusts: Recent development, trend and prospect4苔蘚植物的生態(tài)功能及在植被恢復與重建中的作用2003157Bryophytes ecology functions and its significances in revegetation5生物土壤結皮———荒漠化地區(qū)研究的熱點問題2001150Microbiotic soil crust a research forefront in desertification prone areas6固定沙丘結皮層蘚類植物多樣性及固沙作用研究2003142Study on diversity and binding-sand effect of moss on biotic crusts of fixed dunes7半荒漠藻結皮中藻類的種類組成和分布2000125Species composition and distribution of algae in semi-desert algal crusts

(1)Biological soil crust. (2) Arid region. (3) Small watershed. (4) Biodiversity. (5) Tengger desert. (6) Hobq sand land. (7) Soil evaporation. (8) Wind-water erosion crisscross region. (9) Algal crusts. (10) Biomass. (11) Soil seed bank. (12) Species diversity. (13) Environmental factor. (14) Arid desert region. (15) Moss crusts. (16) Dew. (17) Acetylene reduction assay. (18) Soil respiration. (19) Nitrogen fixing. (20) Vegetation restoration. (21) Loess hilly region. (22) Abandoned land. (23) Soil and water conservation. (24) Syntrichia caninervis. (25) Sand dunes. (26) Infiltration. (27) Coverage. (28) Soil water content. (29) Crusts. (30) Runoff. (31) Vegetation succession. (32) Desert. (33) Soil. (34) Soil moisture. (35) Influence factor. (36) Temperature. (37) Disturbance. (38) Soil nutrients. (39) Developmental characteristics. (40) Infiltration rate. (41) Physiological characteristics. (42) Soil enzyme activity. (43) Photosynthetic activity. (44) Exopolysaccharides. (45) Soil microorganism. (46) Horqin sand land. (47) Soil physicochemical properties. (48) Artificial vegetation. (49) Crust layer. (50) Spatial distribution. (51) Seasonal variation. (52) Shapotou. (53) Vegetation. (54) Algal. (55) Photosynthesis. (56) Species composition. (57) Gurbantungut desert. (58) Hobq Desert. (59) Mu Us sandy land. (60) Soil crust. (61) Mosses. (62) Simulated rainfall. (63) Soil erosion. (64) Lichens. (65) Desertification.圖12 1990—2017年生物土壤結皮主題知識圖譜聚類Fig.12 Research cluster of knowledge graph of BSC during 1990-2017

從CiteSpace生成的關鍵詞聚類圖譜(圖12)可知：1)圍繞生物土壤結皮(藻結皮、苔蘚結皮、微生物結皮、地衣結皮)，立足我國特殊的區(qū)域環(huán)境(古爾班通古特沙漠、毛烏素沙地、騰格里沙漠、科爾沁沙地、黃土高原、黃土丘陵區(qū)、庫布奇沙漠等)進行了不同層面的探索。2)共現圖譜中的節(jié)點(大小)代表生物土壤結皮領域的高頻關鍵詞，關于生物土壤結皮的研究熱點主要集中在“古爾班通古特沙漠”“蘚結皮”“蘚結皮”“土壤水分”“毛烏素沙地”“蘚類植物”“生物量”“黃土高原”“土壤理化性質”等(表2)。高被引文獻也驗證了生物土壤結皮熱點多樣化的特點(表1)。3)除了用節(jié)點大小，CiteSpace使用中介中心性和文獻爆發(fā)性來衡量關鍵文獻或具有轉折意義的文獻，在不用時期的奠基性的文獻，對該領域發(fā)展有著重要作用。從中心性來看(表2)，中心性大于0.53的關鍵詞分別是發(fā)育特征、光合活性、騰格里沙漠、凝結水、種子萌發(fā)、人工藻結皮和具鞘微鞘藻等。

利用CiteSpace的時區(qū)視圖(圖13)和突發(fā)性關鍵詞檢測(圖14)，可以觀察內容的變遷及不同時段內的研究熱點和重點。通過觀察生物土壤結皮研究主題變遷發(fā)現：隨著時間推移，研究內容逐漸豐富、細化、系統(tǒng)，研究手段從傳統(tǒng)的野外觀測、控制實驗向模型模擬發(fā)展；研究尺度從局地向區(qū)域和全球尺度方向轉變；研究區(qū)域向不同生物氣候帶延伸，從我國干旱的騰格里沙漠逐步擴展到科爾沁沙地(干旱半干旱區(qū))、毛烏素沙地(半干旱區(qū))等東部沙區(qū)、水蝕風蝕交錯區(qū)及水蝕區(qū)(圖13和表2)。

表2 1990—2017年生物土壤結皮領域高頻、高中介中心性和高文獻數關鍵詞Tab.2 Keywords of high-frequency, high-betweenness and high number of articles in BSC during 1990-2017

基于CiteSpace的熱點關鍵詞探測(圖14)，微生物結皮、干旱層、固定沙丘、古爾班通古特、土壤理化性質、土壤種子庫、退耕地、科爾沁沙地和水分蒸發(fā)是2000—2010的研究熱點，毛烏素沙地、水蝕風蝕交錯區(qū)、固氮活性、土壤侵蝕、微生物、苔蘚結皮和季節(jié)變化是2010—2017的研究熱點。

(1)Soil water content. (2) Soil moisture. (3) Vegetation succession. (4) Artificial vegetation. (5) Biological soil crust. (6) Tengger desert. (7) Desertification. (8) Shapotou. (9) Species composition. (10) Microbial crusts. (11) Germination. (12) Environmental factors. (13) Biomass. (14) Algal crusts. (15) Soil physicochemical properties. (16) Gurbantunggut sandy desert. (17) Arid desert area. (18) Biological soil crust. (19) Horqin sand land. (20) Soil microorganism. (21) Abandoned land. (22) Soil seed bank. (23) Biodiversity. (24) Photosynthesis. (25) Hobq Desert. (26) Soil respiration. (27) Mu Us sandy land. (28) Dew. (29) Soil and water conservation. (30) Species diversity. (31) Water infiltration. (32) Wind-water erosion crisscross region. (33) Influence factor. (34) Moss crusts. (35) Syntrichia caninervis. (36) Soil erosion. (37) Loess Plateau. (38) Soil enzyme activity. (39) Soil nutrients. (40) Loess hilly region. (41) Nitrogenase activity. (42) Desert algae. (43) Acetylene reduction assay. (44) Microorganism. (45) Vegetation restoration. (46) Mosses. (47) Exopolysaccharides. (48) Arid region. (49) Influence factor.圖13 生物土壤結皮研究的主題演變圖譜Fig.13 Evolution map of BSC research topics

圖14 生物土壤結皮研究突發(fā)關鍵詞Fig.14 Keywords with the strongest citation bursts in BSC research

4 結論

通過生物土壤結皮研究文獻計量和知識圖譜分析，發(fā)現生物土壤結皮研究發(fā)展的主要進展和特點如下。

1)生物土壤結皮領域研究呈多學科交叉融合的趨勢，涉及環(huán)境科學與生態(tài)學、生態(tài)學、環(huán)境科學、農業(yè)科學、土壤學、植物學、地質學和地球科學等；研究內容逐漸細致，從BSC組成、結構和功能到生態(tài)系統(tǒng)和景觀過程與機理研究；研究手段和方法表現為多學科交叉，利用分子生物學、地理信息科學等學科新的技術和儀器設備進行機理探索、模型模擬；研究區(qū)域在不同生物氣候帶擴展，從干旱區(qū)向干旱半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)、濕潤區(qū)延伸[18]。

2)發(fā)達國家在生物土壤結皮領域科研實力明顯強于發(fā)展中國家，排在前8位的國家只有中國是發(fā)展中國家，美國論文發(fā)文量最多。我國生物土壤結皮研究起步相對較晚，但我國溫性荒漠區(qū)從極端干旱區(qū)到半干旱區(qū)，BSC發(fā)育良好、結構和種類組成復雜多樣，加之國家對科學研究支持力度逐漸加大，我國BSC研究后來居上，近年來在國際上產生了很大影響，已從跟蹤研究發(fā)展到并行研究，有關研究區(qū)域逐漸成為生物土壤結皮研究的熱點區(qū)域。但我國與論文高產國家的合作研究有待進一步加強。

3)通過對國內外生物結皮文獻關鍵詞的詞頻分析，生物結皮組成、發(fā)育及其對碳、氮循環(huán)、土壤水分、土壤理化性質影響，以及對干擾的響應是研究重點；通過國內外生物結皮文獻關鍵詞突發(fā)檢測，生物結皮類型、演替、季節(jié)變化及對土壤水文、土壤侵蝕、氮固定的影響，以及對氣候變化的響應是研究熱點。

4)我國生物土壤結皮領域主要研究團隊有中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所李新榮為核心的團隊，中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所張元明、張丙昌和吳楠研究團隊，西北農林科技大學趙允格帶領的研究團隊與卜崇峰研究團隊，中國科學院水生生物研究以劉永定為核心的研究團隊，而且李新榮、張元明和趙允格帶領的團隊之間合作密切。