基于文獻計量分析的土壤表面電化學發展脈絡研究①

趙 楚，白義鑫，劉樹西，盛茂銀

基于文獻計量分析的土壤表面電化學發展脈絡研究①

趙 楚1,3，白義鑫1,3，劉樹西1,3，盛茂銀1,2*

(1 貴州師范大學喀斯特研究院，貴陽 550001；2 國家喀斯特石漠化治理工程技術研究中心，貴陽 550001；3 貴州省喀斯特石漠化防治與衍生產業工程實驗室，貴陽 550001)

為了全面深入了解全球土壤表面電化學研究進展及發展趨勢，本文基于Web of Science核心合集數據庫并利用其自帶的分析工具和CiteSpace可視化分析軟件，從該學科的發文量及時間特征、合作研究空間特征、共現網絡特征、共被引圖譜和發展特征5個方面對1995—2019年發表的土壤表面電化學文獻進行計量分析。結果表明：美國、中國和法國在本領域的發文量居前三，而中介中心性則表明法國、美國和英國位列三甲，我國位于第六位且表現出上升趨勢。基于引文的突發性關鍵詞檢測表明“陽離子交換(cation exchange)”、“系統(system)”和“絡合作用(complexation)”是近十年來的研究熱點；文獻共被引聚類分析表明生物質炭對土壤改良、黏土層間電荷與羅丹明6G的相互作用、表面電位變化對膠體吸附解吸影響是領域內的研究重點；生物質炭對土壤的改良、帶電粒子在雙電層中的相互作用機制、土壤黏土礦物表面的水動力特征是本領域研究的前沿問題。

土壤；CiteSpace；表面電化學；可視化分析；網絡分析

土壤電化學(soil electrochemistry)是研究土壤中帶電質點(膠粒、離子、質子和電子)之間的相互作用及其化學表現的科學[1]。土壤表面電化學(soil surface electrochemistry)以土壤膠體表面發生的電能與化學能的相互轉化過程為主要研究內容，從而揭露電荷質點間相互作用的本質[2]。由于其深刻影響到土壤中離子和分子的吸附與解吸、營養元素的賦存及遷移、水力特性等變化的一系列物理、化學反應，而備受關注[3-5]。當前，農業集約化發展對土壤可持續利用和生態環境保護帶來巨大壓力，故而土壤改良和修復的迫切需要使得土壤表面電化學發展面臨機遇與挑戰。我國對土壤表面電化學的系統研究開世界之先河，且較為完備和深入。近年來，國內外涌現出一批土壤表面電化學研究團隊[6-7]。雖然早年相關學者對中國該領域的發展歷程進行了綜述[8]，但目前尚未有相關文獻對該領域的國內外發展脈絡、研究現狀、前沿熱點等進行歸納總結。

文獻計量學(bibliometrics)是以文獻系統與文獻計量關系為研究對象，基于文獻的大數據分析，探討科學技術動態特征，預測未來發展趨勢的一門學科[9]。CiteSpace是一款用于文獻識別并將潛在信息進行可視化的軟件，在揭示科學領域的發展方向及研究前沿等方面獨具優勢，近年來在農業、林業、醫學、社會學、生態學等領域被廣泛應用并取得相應成果[10-12]。本文基于 Web of Science 核心合集數據庫 1995―2019年8月的土壤表面電化學領域相關文獻，利用CiteSpace 可視化軟件從國內外發文量變化趨勢、合作研究空間特征、研究共現網絡特征、共被引圖譜等多個角度進行計量分析，并基于關鍵詞時間圖譜分析歸納土壤表面電化學的不同研究階段，以期為土壤表面電化學領域的研究者呈現知識圖譜和學科發展脈絡，并引出該領域當前的研究熱點和未來的研究方向。

1 材料與方法

1.1 數據來源

為確保研究結果的可靠性與科學性，將科睿唯安(Clarivate Analytics)的Web of Science (WoS) 核心合集數據庫作為文獻信息獲取的渠道，并設置主題詞(TS)為“((soil or clay or soil colloid) and (surface) and (charge or electrochemistry) NOT (nano and composite*))”將文獻來源主題鎖定為土壤表面電化學，并排除納米材料及其他聚合物的表面化學研究文獻。選取Web of Science核心合集的Science Citation Index Expanded (SCI-Expanded)及Social Sciences Citation Index (SSCI) 作為文獻索引的子數據庫，時間跨度為1995—2019年，文獻類型為 Article 和 Review，檢索時間為2020年10月13日，共檢索出4 763篇相關研究文獻，導出的文獻記錄內容為“全記錄與引用的參考文獻”，格式為“純文本”，最后將下載好的文獻改為download_X.txt格式，以便Citespace軟件識別。

1.2 研究方法

利用WoS數據庫自帶的文獻分析功能得到國內外土壤表面電化學領域的發文量及發文趨勢，并通過Origin 2018軟件呈現。將格式化之后的文本文件通過data鍵導入CiteSpace軟件，選擇WoS中的Remove Duplicates進行去重，處理后的數據文件呈現在output文件夾中，回到主界面將其導入Citespace。Timeslicing設置為 1995—2019年，時間切片為1年，通過點擊軟件Node types中的Author、Institution、Country，分別得到土壤表面電化學領域文獻作者、機構和國家的合作網絡，點擊Node types中的Keyword、Category，其他設置不變，則分別得到關鍵詞和學科領域的共現網絡。上述操作在Pruning中均選擇Pathfinder(尋徑網格)、Pruning sliced networks(修剪切片網絡)和Pruning the merged network(修剪合并網絡)，以便更好地呈現節點類型的共線關系，設置完成后點擊Go進入可視化界面，通過控制面板參數及節點位置調整對圖譜進行美化。

1.3 指標計算說明

Burst Detection表示突發性檢驗，用來表示變量在短時間內的變化程度，在CiteSpace軟件中，這種突變信息被作為解釋變量深層次變化的手段，表明指標在短時間內引起了高度重視。

Sigma值在共被引網絡中是基于中心性和突現性計算得到的，中心性和突現性越高的節點，其Sigma值也越高，表示該點在結構上和引文變化中越重要。

Betweenness centrality 表示中介中心性，其值超過0.1的點被稱為關鍵節點，在CiteSpace中該點所代表的文獻通常被認為是連接兩個不同領域的關鍵，其值越高說明對網絡傳輸的影響越大，本文用該指標衡量和發現土壤表面電化學領域的重要研究者、論文及機構。

Modularity 表示聚類模塊值，用符號表示，一般認為>0.3表明聚類結構顯著。

Silhouette表示聚類平均輪廓值，用符號表示，>0.5表明聚類合理，>0.7表明聚類結果令人信服[13]。

2 結果與討論

2.1 土壤表面電化學研究發文數量及時間特征

發文數量可以在一定程度上表明該學科的發展水平、速度及被關注度。通過對土壤表面電化學領域1995—2019年世界及中國SCI論文發表量(圖1)分析可知，世界與中國研究者的發文量總體呈波動上升趨勢，二者發文量在2013年以前每年波動變化幅度不大，自2012—2015年開始進入迅速上升階段，其中中國2012年土壤表面電化學領域SCI發文量為32篇，世界為195篇，中國占比為16.4%，2013年中國發文量為54篇，世界為239篇，中國占比上升至22.6%，故而世界土壤表面電化學領域SCI發文量受到中國該領域SCI發文量的深刻影響。而中國發文量變化則主要受宏觀政策的影響，例如2012年十八大報告將生態文明建設放在突出位置，全文提到“環境”或“生態”字眼的地方達45處，2013年國務院辦公廳出臺《關于印發近期土壤環境保護和綜合治理工作安排的通知》，2016年國務院印發了《土壤污染防治行動計劃》。近年來出臺的一系列政令有效推動了土壤改良及污染修復方面研究工作的開展，也使得土壤表面電化學領域在此期間SCI發文快速增長，并對世界該領域的研究產生重要影響。

2.2 土壤表面電化學研究的合作研究空間特征

各個國家、機構及學者基于學術聯系而產生合作并由此形成共線關系，在CiteSpace可視化功能中可通過網絡圖譜較好地呈現此共性關系。利用Citespace分析形成的國家、機構及學者合作網絡圖譜能清晰地識別多者的合作關系，同時可評價國家、機構和學者的學術影響力。

圖2呈現的是基于土壤表面電化學領域研究的各國合作網絡關系，圖中有51個節點，表明有51個不同的國家涉及土壤表面電化學領域的研究。其中，法國(0.30)、美國(0.28)和英國(0.15)的中介中心性位居前3，表明該3國在國家合作網絡中占有重要地位。在發文量方面，美國(1 007篇)、中國(837篇)、法國(361篇)排在前3列，英國(142篇)發文量雖居第9位，但其中介中心性較高，深入分析得知該國在土壤表面電化學領域研究較早，但每年發文量較少，文章質量較高且與其他各國合作研究較為頻繁，故而具有較高的影響力。值得注意的是，我國在土壤表面電化學領域的中介中心性(0.08)在世界各國中居第6位，這是由于我國以水稻土研究為主，而該土壤主要分布在我國亞熱帶季風氣候區，故而與國外在土壤研究對象上存在差異，因此減少了合作機會。未來中國科研團隊應立足國情，積極尋求在不同土壤類型的同一研究方面加深與他國的合作研究，以進一步加強中國土壤表面電化學領域在世界上的影響力。

通過對機構合作網絡的分析能夠客觀評價機構的科研水平與發展潛力。圖3展示的是土壤表面電化學領域研究機構的合作特征，圖中節點為439個，連線數量為405，表明全球有439個機構開展科研合作。發文量最多的前3個機構分別是中國科學院大學(287篇)、法國國家科學研究中心(49篇)、西南大學(42篇)。從圖3中可以看出，中國科學院大學的節點最大，與其他科研機構的連線較為密集，且與國內高校連線更粗，中介中心性(0.44)最高，表明中國科學院在土壤表面電化學領域的發文量最多，研究處于世界前列，與國內的西南大學、浙江大學、華中農大等高校的合作更為密切，同時與國外的波蘭科學院、澳大利亞的西澳大學等保持學術聯系。國外聯系較為緊密的機構為波蘭科學院、斯洛伐克科學院和加拿大的阿爾伯塔大學，三者在合作網絡上呈組團分布。

通過對合作網絡中研究者的分析能發現科學領域中的優秀研究人員及其合作關系，本研究利用CiteSpace對研究者的分析中顯示有773個節點，表明773位研究者參與土壤表面電化學的研究并發表SCI論文。圖4為土壤表面電化學領域研究者合作網絡，發文量前3位研究人員均來自中國，分別為徐仁扣(59篇)、李航(28篇)和姜軍(27篇)，圖中最大節點顯示為中科院南京土壤所徐仁扣研究員，且與國內其他研究人員之間的連線密度較大，表明其是國內土壤表面電化學研究領域的領軍人物，而圖中國外研究人員網絡分布呈現小范圍的組團式分布，研究人員在小范圍進行獨立科學研究，團隊之間合作較少，許多研究人員以小范圍獨立研究為主，團隊合作較少。773位研究者的中介中心性僅有6位為0.1，其余均為0，其中5位來自中國分別是李航、姜軍、洪志能、周東美和汪登俊，國外學者為Sarkar Binoy，造成這一現象的主要原因可能是發文量較大的研究者的SCI論文大都是自己為第一作者或通訊作者，使得其對其他節點的影響較小所致。

2.3 土壤表面電化學研究的共現網絡特征

CiteSpace中對于學科的共現分析可以構建學科之間的關聯網絡，有利于分析土壤表面電化學研究這一領域涉及的學科交叉情況。圖5顯示土壤表面電化學領域學科共現網絡，圖中有22個節點，表明土壤表面電化學中有22個學科交叉滲透，34條表明學科間相互相聯系的連線，表明土壤表面電化學涉及的領域廣泛，研究內容復雜。該領域主要涉及化學、物理學、環境科學和生態學等，這些方面的發文量較高，其中與礦物學、土壤學和植物學的中介中心性較高，分別為0.99、0.93和0.37，表明這些學科知識對于土壤表面電化學研究具有重要價值，與學科間聯系緊密。

文章關鍵詞是文章研究內容的高度凝練，基于CiteSpace對土壤表面電化學領域SCI論文的關鍵詞進行共現分析有助于認識該領域研究方向的變化情況。圖6呈現的是土壤表面電化學關鍵詞共現網絡，依據圖形大小可識別出“吸附作用(adsorption)”“土壤(soil)”“吸附(sorption)”“蒙脫石(montmorillonite)”“黏土(clay)”為出現頻次最高的關鍵詞，其出現次數分別為1 286、650、634、602和551。中介中心性最高的10個關鍵詞分別為“土壤(soil)”“電荷(charge)”“機制(mechanism)”“磷酸鹽(phosphate)”“吸附(sorption)”“高嶺石(kaolinite)”“蒙脫石(montmorillonite)”“表面(surface)”“有機質(organic matter)”和“離子強度(ionic strength)”。分析上述10個關鍵詞發現，有機質是土壤有機膠體的主要來源，蒙脫石和高嶺石屬于土壤硅酸鹽黏土礦物，即無機膠體的范疇，表面電荷是研究吸附作用的關鍵指標，故而土壤表面電化學領域研究的關鍵聚焦于不同類型土壤膠體的吸附作用。

CiteSpace中的突發性檢測(burst detection)可以用來表示關鍵詞在特定時間內產生的巨大影響，故而對關鍵詞進行突發性檢測可以獲知某時間段內的研究熱點。表1列舉了土壤表面電化學領域1995—2019年及2010—2019年兩個時間段內突發強度值由高至低的前15個突發性關鍵詞，其中起始和結束時間表明了該關鍵詞在此時間段內是研究領域的熱點和重點。從表1可知，金屬“鋁（aluminum）”的突發性最高，突發強度為18.91(表1)，說明在土壤表面電化學領域中，土壤表面與鋁的交互作用在1995—2019年間是該領域研究的最大熱點，其突發時間從20世紀末至21世紀初。進入21世紀后“電解質(electrolyte)”“電荷特性(charge characteristics)”“磷酸鹽(phosphate)”等關鍵詞的熱度開始凸顯。為了更好地把握土壤表面電化學領域的當前熱點，對2010—2019年，即近10年的研究熱點進行了進一步的統計(表2)，其中“陽離子交換(cation exchange)”是土壤表面電化學領域近10年來的重要研究方向，突發強度為8.83，其次分別是“系統(system)”“絡合作用(complexation)”“溫度(temperature)”“比表面(surface area)”等突發性關鍵詞。從關鍵詞變化情況來看，該領域的研究熱點開始從以單一物質的吸附特性研究深入到離子交換的機理方面，例如2010年以前的研究熱點多為“鋁(aluminum)”“鈣(calcium)”“鐵(iron)”等金屬以及“伊利石(illite)”“蛭石(vermiculite)”等黏土礦物，2010年后則轉變為“陽離子交換(cation exchange)”“絡合作用(complexation)”“比表面(surface area)”等。值得關注的是“大腸桿菌()”作為研究熱點出現在2010—2012年間，這表明土壤表面與細菌的相互作用也成為這一時期的研究熱點。

表1 關鍵詞突發性檢測

2.4 土壤表面電化學研究的共被引圖譜

在文獻計量學中，文獻共被引是指兩篇不同的文獻同時被第三篇文章引用，則被引用的兩篇文章存在共被引關系[14]，這種現象出現的頻率越高，則說明兩篇文章的學術關聯越密切，以此可以發現具有較高參考價值的文獻，通常這類文獻代表該領域研究的重點及熱點。土壤表面電化學文獻共被引圖譜如圖7所示，圖譜由576個節點和1 103條線條和較大的21個群組聚類組成，=0.902 9 > 0.3，表明聚類結構顯著。圖中21個聚類群組標簽代表土壤表面電化學研究的18個研究前沿(由于土壤表面電化學領域對礦物的研究者較多且較為分散，使得共被引礦物標簽重復3次，呈現3個組群，即#16、#18、#20)。研究中排名前3的聚類組群為#0生物質炭(biochar)、#1羅丹明6G(rhodamine 6G)、#2表面電位(surface potential)，文章數量分別為49、47、42篇，值分別為0.983、0.983和0.958，表明這3個族群聚類結果具有較高的可信度，這3個聚類群組代表土壤表面電化學研究的重點，即剖析生物質炭表面電化學效應，研究其土壤改良的機理；膠體表面對陽離子有機染料羅丹明6 G的吸附過程及機理研究；表面電位變化對土壤膠體及其吸附物交互作用的影響。

Sigma值在CiteSpace中是綜合評價文獻中介中心性和突發值的指標，可將其用來判別研究領域的前沿與重點問題[15]。對前3個聚類中影響力較大的文獻進行剖析，其中#0生物質炭中Sigma值最高的為中科院南京土壤研究所Yuan等[16]發表的論文“The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures”，該文采用農作物秸稈制備生物質炭，在緩解土壤酸化方面效果顯著；#1羅丹明6G中斯洛伐克科學院無機化學研究所的Bujdák Juraj教授對有機染料羅丹明6G與黏土礦物的相互作用的相關研究進行了綜述[17]，論證了黏土礦物層間電荷對有機染料分子的聚集具有控制作用；#2表面電位中Sigma值最高的論文為美國猶他大學礦業與地球科學學院Gupta Vishal教授發表的論文“Particle interactions in kaolinite suspensions and corresponding aggregate struc-tures”，該文表示pH對高嶺石顆粒的硅氧烷表面和氧化鋁表面的表面電荷密度產生重要影響，且這種影響是通過不同pH條件下硅鋁表面的相互作用得以實現的[18]。

對排名前3的聚類群組中的重要文獻進行總結分析，其主要研究內容如表2所示。為了進一步剖析土壤表面電化學研究領域的研究進展，對21個聚類組群涉及的近10年相關文獻進行篩選，選出Sigma值最高的10篇文章，其結果如表3所示。Sigma值最高的文獻同之前列舉的#2表面電位聚類群組中Sigma值最高的論文，即“Particle interactions in kaolinite suspensions and corresponding aggregate structures”，表明該文在土壤表面電化學領域近期發展過程中具有重要的導向作用，應當引起高度關注。2008年發表的論文“Electrical double layers’ interaction between oppositely charged particles as related to surface charge density and ionic strength”主要研究帶電顆粒表面雙電層中的相互作用[19]。而“Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water: A review”、“The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures”等4篇文章則是主要研究生物質炭的表面電化學屬性，論證其作為土壤改良劑的可行性[16, 20-22]。此外“Structure and dynamics of water at a clay surface from molecular dynamics simulation”、“Water dynamics in hectorite clays: infuence of temperature studied by coupling neutron spin echo and molecular dynamics”等4篇論文則是主要研究土壤黏土礦物表面的水動力特征[23-26]。

3 結論

基于CiteSpace軟件對土壤表面電化學研究文獻的國家、研究機構、作者、關鍵詞、被共引文獻等進行共現分析，剖析了該領域的優秀科研人員、研究重點、熱點和前沿，結果表明，美國、法國和中國在此領域占有重要地位，三者擁有學科內優秀的科研機構，包括美國的密西根州立大學、法國的國家科學研究中心以及中國的中國科學院、西南大學、華中農業大學、南京大學等，以中國擁有的學科內優秀機構最多；世界上在該領域發表論文最多的前三位研究者均來自中國，以南京土壤研究所的徐仁扣研究員發文量最多，其主要研究方向為根/土界面的電化學特征和紅壤酸化阻控；土壤表面電化學研究涉及多個交叉學科，與化學、環境工程、工學的聯系最為密切；目前學科發展的熱點問題為生物質炭在土壤改良中的應用、土壤與污染物的互作和土壤膠體的表面電位，學科重點和前沿問題為生物質炭與土壤界面的交互作用、土壤黏土礦物表面的水動力特征、帶電顆粒表面雙電層的相互作用3個方面。

表2 土壤表面電化學研究聚類分析主要內容

表3 近10年土壤表面電化學研究Sigma值前10位文獻

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Bibliometric-based Analysis of Advances in Researches on Soil Surface Electrochemistry

ZHAO Chu1,3, BAI Yixin1,3, LIU Shuxi1,3, SHENG Maoyin1,2*

(1 Institute of Karst Research, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China; 2 National Engineering Research Center for Karst Rocky Desertification Control, Guiyang 550001, China; 3 Guizhou Engineering Laboratory for Karst Rocky Desertification Control and Derivative Industry, Guiyang 550001, China)

In order to fully understand the progresses and development trends of global soil surface electrochemical research, in this paper, based on web of science core collection database and CiteSpace visual analysis software, soil surface electrochemistry literatures published from 1995 to 2019 were quantitatively analyzed from five aspects: the quantity and time characteristics of the subject, the spatial characteristics of cooperative research, the characteristics of co-occurrence network, the co-citation map and the development characteristics.The results showed that the United States, China and France ranked among the top three in the number of papers published, while the intermediary centrality showed that France, the United States and the United Kingdom were in the top three, and China was in the sixth place with an upward trend.The burst keyword detection based on citations indicated that the “cation exchange”, “system” and “complexation” have been the research hotspots in recent ten years.The literature co-citation cluster analysis showed that biochar on soil improvement, the interaction between clay interlayer charge and Rhodamine 6G, surface potential change, colloid adsorption and desorption were the research focuses in the field; the improvement of soil by biochar and the interaction mechanism of charged particles in the double electric layer, and the hydrodynamic characteristics of soil clay mineral surface were the frontier issues in this field.

Soil; CiteSpace; Surface electrochemistry; Visual analysis; Network analysis

S153.2；G353.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.05.021

趙楚, 白義鑫, 劉樹西, 等.基于文獻計量分析的土壤表面電化學發展脈絡研究.土壤, 2021, 53(5): 1048–1056.

貴州省科學技術基金項目(黔科合基礎[2019]1224號)、貴州省優秀青年科技人才支持計劃項目(黔科合平臺人才[2017]5638)和貴州省科技計劃項目(黔科合平臺人才[2017]5726號)資助。

通訊作者(shmoy@163.com)

趙楚(1996—)，男，江蘇南京人，碩士研究生，主要研究方向為土壤電化學。E-mail：84522965@qq.com