不同管理模式下土壤質量演變的研究態勢分析
——基于文獻計量

冉繼偉 李 鑫 田彥芳 鄔 磊，2 孫 楠 徐明崗 張文菊，2*

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2.耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；3.武漢理工大學資源與環境工程學院，武漢 430070）

1 前言

土壤是人類賴以生存的最基本自然資源，不僅具有維持植物生產力，保障環境質量以及支撐人類健康生活的能力，在促進社會經濟持續發展等諸多功能中也具有不可替代性，是保護地球生態系統結構及功能的核心[1]。20 世紀90 年代以來，隨著工業化和城市化的快速發展，人們對土壤資源不合理利用導致了土壤質量下降、土壤退化等問題，使土壤質量及其提升技術模式的研究受到了全世界的廣泛關注。20 世紀90 年代末期，美國提出將土壤質量的概念定義為：土壤在生態系統和土地利用邊界范圍內維持植物和動物的生產力，維持或提高水和空氣質量，促進植物和動物健康的能力，并被學者們普遍接受[2-3]。耕地質量是指耕地的自然、環境和經濟等因素的總和，作為國家糧食安全和農產品質量安全的重要基礎，同樣受到了研究者的廣泛關注。耕地質量包括耕地的土壤質量、空間地理質量、管理質量和經濟質量四個方面。一般認為，相應地耕地的土壤質量是耕地質量的物質基礎[4-5]。隨著對土壤質量的內涵不斷拓展與演變，學者就土壤質量與土壤健康的定義、監測與評價指標的選擇、土壤質量評價目標及程序、土壤質量評價工具的應用等方面展開了大量的述評[6-9]。

在全球人口不斷增加和全球變化加劇的背景下，土壤質量面臨著嚴重挑戰，土壤質量退化如土壤侵蝕、酸化、次生鹽漬化以及土壤壓實和肥力下降等問題威脅著世界糧食安全，使得土壤質量再次受到國內外的廣泛關注。土壤管理模式主要包括施肥、輪作、秸稈還田、耕作方式、種植模式、土壤培肥與改良等，其中眾多研究從長期施肥、耕作方式、秸稈還田、種植模式等管理措施對土壤質量影響的角度進行了探究。例如呂真真[10]等探究了長期不同化肥與有機肥比例對稻田土壤質量的影響；吳玉紅[11]等基于因子分析和聚類分析對長期保護性耕作的土壤質量進行了評價；Sithole[12]等關注傳統耕作及管理措施對土壤質量的影響；劉占鋒[13]等論述了土壤理化質量和生物質量對土壤利用方式的響應；Diacono[14]等綜述了長期有機物料投入對土壤質量的影響；徐明崗[15]等詳細闡述了耕地質量提升的目標及相關技術手段。與此同時，借助于分子生物學的技術手段的快速發展，越來越多的研究者從注重于土壤物理、化學質量的變化轉變為著眼于能夠反映土壤的動態生命系統變化的土壤生物學特征上來，開始關注土壤質量演變過程中的微生物組成、結構、功能和生物學動態等[16]。同時，由于土壤質量評價需要對表征土壤生態系統服務的各項指標進行評估，基于生態系統多功能的復雜性，量化生態系統多功能性來指示土壤指標比較困難，而其中與生態系統服務有密切聯系的土壤微生物對環境變化較為敏感，可作為土壤質量評價的重要指標，如微生物生物量、土壤酶活性、微生物群落多樣性、基因多樣性、病原菌、土壤生物網絡復雜性等[17-18]。此外，土壤動物在調節養分循環，改善土壤結構和穩定性，減少植物病害，通氣和水分利用效率方面具有十分重要的作用。例如，土壤動物可能對不傷害微生物的污染物敏感，因此蚯蚓、線蟲等指標常常被選取來反映土壤質量的動態變化，這方面的研究越來越受關注[19-20]。

隨著人們對土壤質量研究的不斷深入，針對土壤質量的綜述性研究也相繼受到關注，但大多局限于單一因素的總結歸納，對該領域整體性發展脈絡及研究趨勢的研究尚不清晰。文獻計量學能夠系統分析研究領域整體狀況，掌握相關領域內的研究動態，為研究工作提供幫助。鑒于此，本研究從宏觀角度出發，結合文獻計量學分析方法，借助Citespace 及由荷蘭萊頓大學科學技術研究中心Van Eck和Waltman博士研發的VOSviewer兩款文獻計量學軟件[21]，系統分析近30 年來不同管理措施下土壤質量研究領域的國內外相關文獻，通過展現該領域的熱點關鍵詞、研究進展和前沿方向，對比國內外不同管理模式下土壤質量研究的異同點，厘清發展脈絡，提出當前我國在該領域存在的問題及未來發展方向，以期為今后土壤質量提升以及土壤資源的可持續利用等提供參考。

2 數據來源與研究方法

2.1 文獻來源與處理

本研究數據以Web of Science核心合集數據庫和中國知網（CNKI）的核心全文數據庫為基礎進行文獻檢索。在Web of science 核心合集（SCI-E）數據庫中進行高級檢索，檢索式為TS=（“soil quality*”OR“soil fertility*”OR“soil health*”OR“soil productivity*”）AND TS=（“fertilization*”OR“manuring*”OR“rota‐tion*”OR“straw mulching*”OR“straw retuning*”OR“straw recycling*”OR“tillage*”OR“planting*”OR“corpping*”OR“improvement*”OR“reclamation*”OR“amelioration*”OR“melioration*”OR“cultivation*”OR“land capability upgrading*”OR“land capability improvement*”）AND TS=（“long term*”），時間跨度為所有年份，設定文獻類型為“Article”和“Review”進行檢索，檢索時間為2020 年11 月24 日，檢索到文獻2801 篇。在CNKI 上，設定主題=“土壤質量”OR“土壤健康”OR“土壤肥力”OR“土壤生產力”，時間跨度為1995-2020 年，精確匹配檢索，檢索時間為2020 年11 月24 日，得到中文學術期刊23046 篇，在此結果上設定主題=“施肥”OR“輪作”OR“秸稈還田”OR“耕作方式”OR“種植模式”OR“土壤改良”OR“土壤培肥”OR“地力提升”，得到文獻7068 篇，基于土壤質量演變是一個漫長的過程，本研究以“長期”為主題詞在以上基礎上進行檢索，獲得379 篇密切相關核心期刊文獻。

2.2 分析方法與工具

本研究主要借助Citeapce（5.6.R5）和VOSviewer（V1.6.16）軟件進行年度發文量、核心作者、重要研究機構和關鍵詞聚類及突現性的知識圖譜分析，通過知識圖譜科學展示土壤質量提升技術研究的宏觀結構、發展脈絡、研究進展和熱點，分析該領域研究脈絡并探索其最新動態。為保證原始數據的可靠性及數據質量，對CNKI 中379 篇核心期刊與Web of science 核心合集中的2801 篇文獻進行篩選，刪除與主題無關的文獻，最終得到中文文獻366篇，英文文獻2162篇，分別對中、英文文獻進行文獻計量分析，對我國及國際相關研究領域熱點及趨勢進行探究。

3 結果與分析

3.1 文獻產出時間序列分析

年度發文數量是衡量研究熱度與發展趨勢的重要指標。2000 年以來，國際上與長期管理模式下土壤質量演變相關的研究不斷增加，文獻數量急劇增長（圖1）。國際相關研究文獻產出在1998—2005 年左右呈緩慢上升狀態，2005 年之后呈現快速發展狀態。對比發文量前5 的國家可以看出，美國、加拿大等發達國家在土壤質量提升相關的技術與模式研究方面起步較早，前期開展了大量研究，后期發展速度變緩，近幾年呈現出波動發展狀態。中國、印度、巴西等發展中國家起步較晚，但近幾年來，由于人口眾多與耕地資源緊張的矛盾日益加劇，糧食問題與環境問題日益突出，各國研究對土壤質量提升技術模式的需求，發文量迅速增長。

近10 年來，我國在該領域的研究發展較快，2014年后成為該領域發文量最多的國家，雖然近年來中文發文數量有所下降，但英文文獻數量顯著增加。不難發現，隨著發展中國家在糧食安全與環境保護的訴求愈發強烈，土壤質量提升研究作為解決耕地退化與糧食安全的重要手段越來越受到發展中國家的重視，發展中國家也將成為土壤質量提升研究的中堅力量。

3.2 主要發文機構分析

研究機構的發文量可以一定程度反映該研究機構的科研能力，通過統計分析，有效地衡量各研究機構在相關研究領域的發展歷程與研究成效。圖2 展示了長期不同管理模式下土壤質量研究領域主要的發文機構，由圖可知，中國科學院是國內外發文量最高的研究機構（167 篇），其次是美國農業部（109 篇）、中國農業科學院（108 篇）、加拿大農業部（74 篇）、中國農業大學（59 篇）。但從節點總的連接強度來看，中國農業科學院的發文量雖不居首位，但是總的連接強度最高?？偟倪B接強度能體現出研究機構在聚類網絡中的連接能力，通?？偟倪B接強度較高的點是連接不同聚類路徑的橋梁。從發文機構來看，科研機構后發文較多，大學相對較少。中國、美國及加拿大三個國家的科研單位聯系較為緊密，中國科學院與其他機構的合作次數最高，反映其在土壤質量提升研究領域科研實力不容小覷。從圖中可以看出相同的國家不同機構合作較多，而不同國家研究機構之間合作相對較少；因此，在長期不同管理模式下土壤質量研究領域我國與其他國家的合作需進一步加強，積極尋求研究領域方向上的突破。

表1 Web of Science核心合集數據庫中土壤質量提升研究發文中心度排名前10的機構Table 1 The top 10 research centers for soil quality improvement in the Web of Science Core Col‐lection database

3.3 期刊分析

通過對收集的Web of science 文獻的相關發文期刊進行統計分析發現，在土壤質量研究領域發文量最高的期刊是Soil &Tillage Research（表2），占總發文量的9.71%，其次是Agriculture Eco‐systems &Environment 期刊，累積發表相關領域文 章105 篇。Soil Science Society of America Jour‐nal 和Geoderma 兩期刊的發文量相同，為76 篇；而總的連接強度則表現為Soil Science Society of America Journal 較 高，為501。其 中Communica‐tions In Soil Science And Plant Analysis 期刊發文量較高，為71 篇；但是該期刊的引用頻次（646）只有Soil Science Society of America Journal 期刊的18.28%。發文期刊一定程度上反映出研究學者對土壤質量提升技術研究較高的關注度和認可度；2019 年影響因子較高期刊Soil Biology &Bio‐chemistry，其被引頻次和總的連接強度在土壤質量提升研究領域相較于Soil Science Society of America Journal 期刊低；因此，這也側面說明了研究人員在關注影響因子的同時，需更加全方位了解土壤質量提升技術研究方向的進展。

3.3 高被引文章分析

通過了解高被引文章對后續研究的影響程度，進而可以掌握土壤質量提升研究的主要內容（表3）。從第一作者國家分析結果來看，美國占6 篇，可以證明其在土壤質量研究領域具有相當高的國際影響力。發文量前10名的文章在期刊Soil Biology&Biochem‐istry 和Soil&Tillage Research 上高被引文章最多，均為2 篇。Glaser[22]在2002 年發現在土壤中添加生物質炭能夠提高土壤養分與養分利用率，同時進一步提高了土壤中的有機碳儲量。Bandick[23]等基于長期定位實驗探究土壤酶活性對田間管理措施的響應；Reeves[24]等探究長期不同耕作方式對土壤有機質和土壤物理指標的影響；Crews[25]等探究了土壤磷組分在土壤發育期時間序列上的變化；Ghani[26]等發現熱水浸提態有機碳可以作為指示土壤質量的核心指標。這些研究都基于長期土壤質量提升研究探究了敏感指標在土壤質量評價中適用性，為后期廣泛研究農業管理措施的科學性和可持續性提供了一個新的途徑，土壤酶活性、土壤有機碳組分與磷組分已經成為指示土壤質量的重要指標。同時大量研究探究了長期不同管理模式下土壤質量的變化，如Diacono[27]等綜述了有機改良劑對土壤肥力的長期影響；Follett[28]等綜述了耕作制度與耕作方法對土壤固碳的重要作用；Kumar[29]等對土壤質量與作物產量對秸稈還田等管理措施的響應進行了總結。這些研究逐步完善了土壤質量概念、并且為評價指標的科學選取及農業管理措施的可持續性評價提供了重要參考。

表2 土壤質量提升研究相關文獻發文量前10名的期刊Table 2 Top 10 journals with the publication volume of relevant literature on soil quality improvement

3.4 關鍵詞分析

3.4.1 研究熱點分析

關鍵詞是作者對論文核心內容的提煉和概括，體現了論文的研究方向，而關鍵詞出現頻次較高通常被用來確定一個研究領域的熱點問題。從圖譜中可以看出國際研究中，中心度較高的關鍵詞有施肥、有機肥、傳統耕作、微生物活性、微生物多樣性、碳組分等（圖4）。以高頻關鍵詞為節點進行聚類，結果顯示連線向四周發散的且呈略有交叉的輻射狀，說明該領域的研究方向和熱點較多，并且各個研究方向與熱點之間存在一定的交叉關系，這也證實了國際土壤質量提升領域已呈現多學科、多熱點的交叉屬性。

土壤質量提升研究主要集中在長期施肥與土壤養分、耕作措施與土壤結構、土壤生物與群落結構、土壤功能與監測評價四部分（圖4）。長期施肥與土壤養分相關研究集中于闡明有機肥在土壤培肥中的作用，研究不同作物施肥效果和肥料貢獻率，解析土壤養分提升與作物產量的關系等；長期耕作措施與土壤結構相關研究集中于探究耕作措施與土壤結構的關系，土壤團聚體對土壤固碳的作用，土壤物理結構與水分運移特征等；土壤生物與群落結構相關研究集中于長期施肥下微生物群落結構演變、微生物活性與有機質分解、土壤養分循環的生物學機制；土壤功能與監測評價相關研究集中于非農田生態系統下土壤功能表征與土壤質量監測與評價兩個方面。土壤有機質處于整個圖譜的核心位置，表明土壤有機質形成演變規律及平衡機理和驅動因素是當前土壤質量提升研究中的核心。

表3 土壤質量提升研究相關文獻發文量前10名的文章Table 3 Top 10 papers with the publication volume of relevant literature on soil quality improvement

3.4.2 研究前沿分析與展望

利用VOSviwer 軟件對已發表文章關鍵詞進行時序分析，得到土壤質量技術提升研究關鍵詞的共現網絡分析（圖5），可以看出土壤質量技術提升技術的研究是一個逐步演變發展的過程。在土壤質量提升研究前期，主要集中于不同施肥與耕作措施對土壤有機質、氮磷養分及作物產量的影響，這些工作對土壤質量定義與內涵的演變奠定了基礎[30]。隨著土壤質量研究的深入，形成了較為完善的基于物理、化學和生物指標的土壤質量指標體系及評價方法[31-32]。此外，土壤質量早期的研究熱點主要集中農業方面，且多描述單個土壤性質，例如有機質與有機碳組分、團聚體等[33-34]，隨著研究的不斷深入，土壤質量被應用于農林復合生態系統、森林及草地等自然生態系統中，應用范圍也有了較大的擴展[35-36]。2012年前后，隨著土壤生態系統服務功能重要性的凸顯，研究者對土壤質量提升研究從土壤的初級生產力向土壤在維持生態環境及作為土壤碳庫方面的作用轉變，更多的研究著眼于土地利用方式及管理措施對土壤溫室氣體排放的影響，并對實現土壤碳庫減排增匯和作物增產的共軛雙贏作用展開了一系列的研究[37-38]。如何正確識別并準確衡量初級生產力、水凈化與調節、碳封存與調節、生物多樣性供給、養分供給與循環等土壤功能[39]，完成大尺度下土壤功能評價，為土壤質量提升研究技術模式提供針對性的方案仍有待研究[40]。于此同時，隨著由于土壤問題威脅人體健康的，越來越多的研究關注于土壤質量與人體健康的關系，以土壤中礦質元素、重金屬元素、抗性基因、病原體、寄生蟲等指標也在土壤質量研究中得到了不同程度的應用進一步探究土壤與人體健康之間的關系是未來土壤質量研究的重要方向[7,41]?；诖耍纸馔寥蕾|量與土壤功能的內涵、權衡與評價土壤功能、開展以人體健康為核心的與土壤質量評價是未來土壤質量提升研究的一個重要發展趨勢。

2014 年后，隨著現代分子生物學技術（高通量測序、核酸測序、質譜技術、超顯微和微流控）的快速發展，除了傳統的瓊脂培養基培養方法研究土壤微生物多樣性外，基因組學、轉錄組學和蛋白質組學等開始應用于土壤微生物的研究中，從而增進了研究者對土壤微生物多樣性的了解，同時也加快了農田管理措施對土壤微生物多樣性影響的相關研究[42-43]。大量研究表明，土壤質量提升技術模式與土壤微生物多樣性之間有重要聯系，根據當地的氣候、土壤條件、種植模式選擇合理的農田管理措施，結合施用有機肥、作物輪作、免耕及覆蓋作物田等措施，能夠改良土壤微生物群落，提升土壤質量，提高作物生產力，有利于農田土壤的可持續發展[44]。土壤生物在元素的生物化學循環、污染物的降解轉化以及土壤免疫抗病等土壤質量提升方面均起到舉足輕重的作用，其生物多樣性是土壤生態中物質轉化、能量傳遞和信息交流的基礎，決定著土壤的生態過程、功能與服務[45-46]。土壤質量提升技術模式下生物多樣性維持機制、土壤生態過程與演變規律以及生物功能特性與生態系統服務關系等方面仍是當今的研究熱點。隨著學者們對土壤微生物研究的深入，利用土壤微生物已經成為土壤質量提升的重要手段。有研究表明，微生物組互作和微生物組工程技術等,能夠調節微生物關系，提高微生物在土壤中的穩定性和適應能力,可作為修復污染土壤與提升土壤質量的有效途徑[47-48]。因此，深入研究土壤微生物與其調節土壤生態環境的機制將成為提高土壤質量的新方法。在今后的研究中，進一步探究土壤微生物組功能與土壤健康的關系、建立以微生物為核心的土壤質量評價體系并準確量化土壤生物指標、利用土壤生物改善土壤質量等以土壤微生物研究為核心的土壤質量提升研究將成為又一研究熱點。對比國內外研究前沿發現，國際前沿的研究方向已經涵蓋了包括土壤多生態服務功能角度、土壤質量提升的微生物學機制等多個方面，而國內對該領域的研究尚未深入。因此，國內研究者需積極關注國際的最新研究趨勢，加強聯系與合作，將土壤質量提升研究深入覆蓋至多角度、全環境，以期為土壤質量提升技術的長遠發展提供更多理論依據和技術支撐。

4 結論與展望

土壤質量是一個較為綜合的概念，不僅包括肥力質量，還包括環境質量與健康質量。對土壤質量演變態勢的相關研究，不僅對實現農業上的高產穩產有重要意義，還與維護生態平衡密切相關。土壤質量提升研究在近30 年的發展階段中，涌現了一些標志性的經典文獻，引發了大量學者關注，研究熱度不斷升高，其中美國、中國、印度、巴西、加拿大是外文文獻發文量較多的國家；在外文文獻發文數量、高被引論文方面，中國科研機構都占據重要地位，表明我國在該研究領域有著較強的國際學術影響力。國際土壤質量提升的研究熱點隨時間有所變化，從土壤有機質與養分對長期管理措施的響應、土壤質量的定義到土壤質量評價方法和框架的完善，再到土壤質量提升技術模式研究下土壤生物與物質循環機理研究，并逐步將土壤生物介導的土壤質量演變過程及其調控技術應用于農業生產和環境保護中。

縱觀30 年的土壤質量演變研究，主要是依托長期的定位觀測，結合實驗室分析進行的。近年來，隨著新技術、新儀器的發明，特別是田間原位觀測技術如近紅外（NIR）和中紅外（MIR）光譜技術、基因芯片技術、便攜式高通量土壤系統功能微生物分選及功能組學測定儀等，能更好地滿足對土壤質量進行快速、準確監測的要求。而且地理信息技術和大數據技術的快速發展，也使定量化大尺度土壤質量原位觀測成為可能，從而提高農業資源管理的效率和準確性，有利于精準農業的實現。但如何更快速、簡便和高度自動化地對土壤指標進行監測，使新型監測技術方法（尤其是微生物指標）得到更大范圍的應用與推廣，充分探究利用機器學習、深度學習、人工神經網絡、大數據等新型信息技術完成對土壤質量的量化研究等問題依然面臨諸多挑戰。未來，土壤質量演變微觀過程與信息技術、生物技術、土地資源管理技術及大數據技術的深度融合，來實現土壤質量的動態監測與綜合評價，可能成為未來研究的重要發展趨勢。