基于Web of Science數據庫的農林復合系統氮元素研究的文獻計量分析

李慧 卞瑩瑩

摘要 農林復合系統是一種高效的農林業發展模式，對農林業的可持續發展有著很大的意義，其中氮在該系統的生產中尤為重要。目前，對于農林復合系統中氮的研究缺乏系統的總結和歸納，需要明確該領域研究變化和趨勢，為農林復合系統中有關氮的研究給予參考方向。以Web of Science 核心數據庫中 2012—2021 年發表的607篇以“農林復合系統”和“氮”為主題的文獻為基礎，利用 CiteSpace 軟件對發文機構、合作作者、研究熱點等進行可視化分析，以此確定農林復合系統中有關氮的研究現狀和熱點。結果表明，該領域發文數量呈現逐年上升的趨勢；中國科學院、法國農業發展研究中心、法國蒙彼利埃大學、中國科學院大學等機構在該領域貢獻較為突出，且國內和國外機構合作交流較少；研究作者呈現“整體分散，部分集中”的特點；研究熱點主要包括不同的土壤管理系統下，土壤養分氮含量研究、土壤中有關氮含量的動態變化和氣候變化下，森林中土壤固氮及碳固存、農林復合系統或農林業土壤中氮素與土壤有機質、植被生長的影響研究。氮對農林復合系統生產十分重要，今后學者仍需加強該領域的研究深度。

關鍵詞 氮；CiteSpace；研究熱點；農林復合系統

中圖分類號 S-058 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2023）09-0225-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.09.053

Abstract Agroforestry system is an efficient agricultural and forestry development mode， which has great significance for the sustainable development of agriculture and forestry， in which nitrogen is particularly important in the production of this system. At present， the research on nitrogen in agroforestry system lacks systematic summary and induction， so it is necessary to clarify the research changes and trends in this field， so as to provide a reference direction for the research on nitrogen in agroforestry system. Based on 607 papers on ‘agroforestry systems’ and ‘nitrogen’ published in the Core database of Web of Science from 2012 to 2021， visual analysis was conducted on the publishing institutions， coauthors and research hotspots using CiteSpace software. The research status and hotspot of nitrogen in agroforestry system were determined. The results showed that the number of articles published in this field was increasing year by year. Chinese Academy of Sciences， French Research Center for Agricultural Development， University of Montpellier， University of Chinese Academy of Sciences and other institutions had made outstanding contributions in this field， and there was little cooperation and exchange between domestic and foreign institutions. The authors presented the characteristics of ‘overall dispersion and partial concentration’. The research hotspot mainly included the study of soil nutrient and nitrogen content under different soil management systems， the dynamic change of soil nitrogen content， soil nitrogen fixation and carbon sequestration in forest under climate change， the influence of nitrogen and soil organic matter in agroforestry system or agroforestry soil， and vegetation growth. Nitrogen is very important for agroforestry system production， and further research in this field is needed.

Key words Nitrogen；CiteSpace；Research hotspot；Agroforestry system

作者簡介 李慧（1998—），女，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：森林生態。*通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事森林生態研究。

農林復合系統是指將土地利用和工程應用技術相結合，有目的地將多年生木本植物（喬木、灌木、棕櫚、竹類等）與農業（農作物、藥用植物、經濟作物或真菌）或牧業用于同一土地經營單位［1］，合理間作，充分利用水肥等資源，使農業、林業和牧業在不同的組合之間存在生態學與經濟學相互作用的一種土地管理模式。與單一栽培系統相比，農林復合系統在資源利用（光、熱、水、養分）、生態功能影響方面能夠發揮更好的作用［2］，不僅能提高作物產量、森林覆蓋率、資源利用率、增加土壤微生物多樣性［3］，還可以改善水土流失，增強系統抗逆性等，是未來農、林業發展的重要方向。

農林復合系統中營養元素，尤其是氮的研究是目前該領域研究的熱點，截至2020年，我國陸地生態系統中總氮儲量為10.43 Pg N［4］，不同地區氮儲量差異較大，學者從不同角度分析了農林復合系統中氮元素的重要作用。氮素作為調控農林復合系統生產力的主要營養組分，維持著系統生產力，是土壤肥力形成與維持的關鍵影響因子，同時對生物多樣性和生態系統功能有重要影響，因而受到學者的廣泛關注。土壤氮能促進植株葉綠素的合成，使植物的凈光合速率增加，從而減少二氧化碳濃度、凈化空氣、調節區域小氣候。較高的可用性土壤氮素可以為植株及林木提供充足的營養，促進植株及林木的生長，進而防止水土流失、緩沖病蟲害等干擾。在農業中，用生物固氮（BNF）代替合成肥料可減少對環境的危害，同時可減少農業生態系統溫室氣體的排放［5］。農林復合系統中的可利用氮水平（NO3-和NH4+）會影響土壤的呼吸速率、改變植物群落的結構和組成，從而對生物多樣性和生態系統功能產生影響［6］，Murray等［7］研究表明，氮素影響著溫帶森林生態系統草本層覆蓋和多樣性。土壤中的氮還可影響土壤酶活性，促進微生物生長，進而改良酸性硫酸鹽土壤［8］。農林復合系統氮元素研究已引起國內外學者的廣泛關注，學者們也開展了大量的相關研究。目前我國十分重視生態環境問題，在農林復合系統中由于氮肥的過多使用，使得氮肥利用率下降，其中一部分通過地表徑流和淋洗等方式損失掉，大部分均是由于氨揮發導致。同時，由于肥料的大量使用，引起土壤性狀惡化、環境污染等一系列問題，曾之晟等［9］提出了氮肥對土壤和生態系統的不利影響及科學施用方法。為了能使氮被土壤植被高效吸收，固氮作用以及一些固氮微生物等的研究也成為該領域的研究重點。研究人員在巴西南部生產系統中進行的黑荊樹的根瘤菌接種［10］，探索了提高生物固氮的方法；在熱帶農林業系統中，普遍缺乏土壤氮，研究具有高固氮率的樹木植被成為重點；胡夢媛等［11］通過分析禾本科植物非共生固氮菌，結合非共生固氮機理，準確論述了非共生固氮菌的作用方式。隨著農林復合系統研究的深入，發現在農林復合經營下可更好地促進養分循環。該系統組成成分較為復雜，而養分循環可以很好地反映系統結構和功能，所以有關氮循環（包括氮素吸收、積累和再分配、歸還等）研究也是該領域的熱點話題，研究人員通過采用定量研究、定性分析等方法來探究其氮循環規律。在之前的研究成果中，也有對農林復合系統中氮的發展趨勢及熱點的探究［12］，但缺少對該領域知識的系統梳理，且大多數文章是建立在概括總結資料基礎之上，沒有很強的客觀性，再加上隨著研究體系的日益完善，農林復合系統中氮的研究也形成了多元化的研究中心。鑒于此，筆者利用CiteSpace知識圖譜對2012—2021年農林復合系統中氮元素的相關研究進行梳理，更加客觀地展現熱點話題及發展動態，探索未來發展趨向，以便更好地構建一個有關農林復合系統中氮研究的理論庫，為學者了解有關農林復合系統中氮的研究現狀、開辟新的前沿提供理論參考。

1 數據分析方法

1.1 數據來源

數據來源于Web of Science（WOS）平臺的核心合集數據庫，使用的檢索詞是 “nitrogen”and “agroforestry system”，檢索時間跨度為2012-01-01至2021-12-31，選擇的文獻類型為期刊論文、會議論文、綜述論文，不包括書籍章節和在線發表等其他類型，語種為英語（English），根據文章的題目、摘要、關鍵詞等對文章進行篩選，最終獲得有效文獻607篇。

1.2 分析方法與制圖

采用美國德雷塞爾大學陳超美教授研發的CiteSpace 6.1.R1 Java 應用程序將文獻進行關鍵詞共現、機構作者合作、文獻共被引等［13］可視化分析。軟件時間切片設置每年分析1次，網絡裁剪設置選擇修建切片網絡（pruning sliced networks），其他選項設置為默認值。最終確定農林復合系統中氮元素研究的發展脈絡與方向，清晰辨別該領域研究的趨勢與動態。年均發文量和累積發文量繪圖在Origin 2021中進行。

2 結果與分析

2.1 發文量變化趨勢

發文量的變化能夠很好顯示該領域在某一時間段內研究熱度的變化，對分析該時間段內發展動態及預測未來趨勢具有重要意義［14］。為了解農林復合系統氮元素研究規律，系統分析了該領域研究規模的演變情況。由圖1可知，發文量整體上呈現上升趨勢。年均發文量從2012年的38篇增加到2020年的103篇，增加了65篇，其中近5年（2017—2021年）該領域累計發文392篇，占總發文量的64%以上。

2.2 發文機構合作網絡分析

為探索農林復合系統中有關氮元素研究的主要機構及群體合作關系，利用CiteSpace 6.1.R1繪制了機構網絡合作圖譜。由圖2可知，該圖譜有288個網絡節點，291條連線，網絡密度為0.007。主要研究機構有中國科學院（Chinese Academy of Sciences）、法國農業發展研究中心（CIRAD）、法國蒙彼利埃大學（University of Montpellier）、中國科學院大學（University of Chinese Academy of Sciences）、熱帶農業研究與教育中心（Center for Tropical Agricultural Research and Education）、多倫多大學斯卡伯勒分校（University of Toronto Scarborough）、法國農業科學研究院（Institut National de la Recherche Agronomique）和多倫多大學（University of Toronto）等，這些機構在該研究領域有著較大的影響力，其中以中國科學院發文量最多，達35篇；其次是法國農業發展研究中心和法國蒙彼利埃大學，發文量分別達23和19篇。

從機構合作方面來看，法國農業發展研究中心的中介中心度為0.08，與法國蒙彼利埃大學、熱帶農業研究與教育中心、多倫多大學斯卡伯勒分校和多倫多大學等有著廣泛合作，在合作網絡中占據重要位置。其次，中國科學院與中國科學院大學、南京林業大學、哥廷根大學等有交流合作。總體來看，國內和國外研究機構合作交流較少。

2.3 作者合作網絡分析

通過對WOS中檢索到的數據進行作者合作網絡分析，進一步了解重要作者及其之間的關系。由圖3可知，該圖譜中有375個網絡節點，864條連線，網絡密度為0.012 3，網絡節點越大，表示該作者發文量越多。主要形成了6個學習交流團體，分別是圭爾夫大學的Gordon AM、Naresh Thevathasan；中國科學院的劉文杰、陳春峰、吳駿恩；哥倫比亞大學的Wood SA、Tully KL；南京林業大學的曹福亮、郭靜；石河子大學的張文舉、李魯華；北弗魯米嫩塞州立大學的Gama-Rodrigues EF、Gama-Rodrigues AC。剩下大部分作者均是獨立研究，與其他作者無交流學習，呈現出“整體分散，部分集中”的特點。

對發文量前10的作者進行進一步的分析，Isaac ME以發文數量12篇成為該領域最有影響力的學者，她在生態農業領域，尤其是在農林業系統方面發表了很多篇高質量文章，如在Nutrient Cycling in Agroecosystems上發表的《Shade tree effects in an 8-year-old cocoa agroforestry system：biomass and nutrient diagnosis of Theobroma cacao by vector analysis》、Agroforestry Systems上發表的《Temporal changes in soil carbon and nitrogen in west African multistrata agroforestry systems：a chronosequence of pools and fluxes》等。其次是Naresh Thevathasan、劉文杰、陳春峰等，這些學者在農林業系統以及森林生態方面具有較高的影響力。其中，大部分作者的h-index都在15以上，這表明該領域研究者都具有很高的學術影響力。

2.4 研究熱點及演進態勢分析

2.4.1 關鍵詞聚類分析。

為了探究農林復合系統氮元素相關研究熱點的知識結構，使用CiteSpace關鍵詞聚類功能對高頻關鍵詞進行聚類，通過多次調整閾值得到比較清晰的關鍵詞聚類知識圖譜（圖4）。Q=0.320 9和 S=0.679 9，Q>0.3，S>0.5，接近0.7，表明聚類結果信服。不同類團之間均存在交叉情況，相互聯系緊密。每個聚類由多個聯系緊密的關鍵詞組成，順序從#0～#8排列，數字越小，在聚類中包含的關鍵詞越多，聚類分別反映土壤有機碳（soil organic carbon）、有機農業（organic agriculture）、固氮作用（nitrogen fixation）、食品安全（food security）、n-15自然豐度（n-15 natural abundance）、養分循環（nutrient cycling）、二氧化碳（carbon dioxide）、產量-安全（yield-safe）、儲備（reserves）9個主題。從聚類類團的內容來看，關于農林復合系統氮元素研究主要集中在以下幾個方面：

一是農林復合系統中有關碳的研究。主要包括森林土壤中碳的封存、二氧化碳通量、土壤有機碳儲備、氣候變化、不同土地利用碳含量、土壤顆粒有機碳、溫室氣體排放等方面。土壤中氮、碳元素聯系緊密，氮的含量對土壤碳儲量影響很大，碳含量的變化又影響土壤肥力、草地生產力以及氣候的變化等。通過在土壤中增大氮儲量、固定土壤及大氣二氧化碳、減少溫室氣體排放、增加土壤有機碳固存等，可增大土壤肥力、提高草地生產力、緩解氣候變化等。聚類主要包括#0土壤有機碳、#6二氧化碳、#8儲備等主題。

二是有關土壤氮固定的研究。主要包括生物固氮作用、土壤氮素平衡、15N自然豐度法研究氮固定、飼料豆科植物對動物營養及土壤固氮的作用、可可樹固氮、植株間作、胡同種植、frankia固氮菌的固氮效應、可持續農業氮研究等方面。聚類主要包括#2固氮作用、#4 n-15自然豐度等主題。

三是在氮素綜合管理下，有關人類的食品（糧食）產量安全相關的研究。主要包括不同土地管理如灌溉耕地下，糧食作物產量問題、化肥施用量（氮肥）對糧食多樣性和城市人口的安全影響、不同種植系統或農林復合經營系統對產量安全及土壤侵蝕影響、微生物多樣性與土壤生產力食品安全的關系等方面。人口迅速增長和農業資源萎縮正在威脅著國家糧食安全的未來，不同的氮素水平對改善土壤健康和糧食安全有著重要的作用。聚類主要包括#3食品安全、#7產量-安全等主題。

四是在農林業復合生態系統中的養分循環研究。主要包括不同農林復合系統養分比較、有機農業土壤性質分析、凋落物分解對養分循環的作用、微生物生物量與氮循環的關系等方面。通過分析農林業復合生態系統中養分可用性，有助于優化土壤資源的利用，促進土壤有機質積累和根系、動物群落和土壤結構的穩定。農林業復合生態系統中的有機管理不僅可以改善土壤質量，還可促進養分吸收，這對農林業復合生態系統中營養循環的效率具有重要意義。聚類主要包括#1有機農業、#5養分循環等主題。

2.4.2 關鍵詞共現圖譜分析。

一個文章的關鍵詞是該文章的論述重點，它是文章的高度凝練，同時可反映研究的方向和熱點［15］。通過CiteSpace 6.1.R1中的“關鍵詞Keyword”功能，得到農林復合系統中氮元素研究的關鍵詞共現網絡圖譜。由圖5可知，圖中節點的大小表示關鍵詞的頻次，農林復合系統中氮元素的研究熱點主要集中在氮（nitrogen，225次）、農林復合系統（agroforestry system，136次）、森林（forest，102次）、動態（dynamics，95次）、農林業（agroforestry，84次）、固存（sequestration，82次）、管理（management，79次）、系統（system，70次）、有機質（organic matter，68次）、生長（growth，67次），以及碳封存（carbon sequestration）、土壤（soil）、土壤有機碳（soil organic carbon）、生物質（bioma）、氣候變化（climate change）碳（carbon）、質量（quality）、土地利用（land use）、物質（matter）、有機碳（organic carbon）等，其研究熱點可歸納為以下內容：

一是在不同的土壤管理系統下，土壤養分氮含量研究。如在常規耕作系統和有機耕作系統的農林業中氮平衡、氮利用效率以及氮損失的評估［16］；在巴西朗多尼亞州，PRADO，MRV等研究了3個不同土壤管理水平下土壤有機質致密組分的全氮含量，從而可以更好地了解土地利用和管理對土壤生產力的貢獻［17］。尤其是關于不同土地利用類型下土壤養分氮含量研究非常多，是國內外研究的熱點，土壤中氮的含量受土地利用方式的顯著影響，Gelaw等［18］在埃塞俄比亞的一個流域內，估算了5種土地利用方式下與顆粒物相關的總氮含量；趙楚等［19］研究喀斯特石漠化地區在4種土地利用類型（喬木林地、灌木林地、草地和撂荒地）下土壤中氮環境影響因子及有效性；在熱帶土壤上，Paes等［20］在常規、人工牧場、2個不同年齡（7和12歲）的農林業系統和一個次生林區域中，使用主成分分析法來研究不同的土壤管理系統下各系統氮含量。

二是在土壤中有關氮含量的動態變化研究。有些文章是利用相關模型來動態預測其氮的排放量，如Atzori等［21］在典型的地中海農林業系統中利用模型來動態的估計該系統的氮排放量。有些則是用現場取樣和實驗室分析方法，進行定點養分動態研究，Jaman［22］在孟加拉國北部64 個宅基地農林系統進行有關土壤氮動態影響研究；在我國山西省壽陽縣，楊振興等［23］通過對8個不同試驗處理的土壤養分動態監測，研究褐土長時間施肥對氮動態變化的影響，以此為該類似區域適量正確的施肥提供依據；董姝含等［24］通過田間微區試驗，探究土壤中有機氮組分的動態變化，發現土壤中的有機氮表現出明顯的生長季變化規律。尤其在不同的農林復合系統或農林業中，有關土壤養分氮動態變化規律的研究是論文研究的焦點。

三是氣候變化下，森林中土壤固氮及碳固存相關研究。氮和碳聯系緊密、不可分割。由于碳濃度增加導致全球變暖，而氣候的變化對全世界作物產量及其穩定性構成了嚴重威脅，因此近些年來氣候變化越來越受到全球的關注，各國紛紛采取相應措施來減緩氣候的變化，其中森林在減緩氣候變化方面起著重要的作用［25］。可以通過種植固氮喬木、灌木等植物，來緩沖溫度升高和極端氣候、增加森林的有機碳固存，同時它們還可以釋放氮素，促進作物生長，減少化肥的使用。Koutika等［26］發現，在剛果盆地通過種植固氮樹種，不僅可改善土壤中氮含量，增加碳固存，還能很好地減緩氣候變化。

四是農林復合系統或農林業土壤中氮素與土壤有機質、植被生長的影響研究。氮素是植被生產力的主要限制因素之一，土壤有機質是土壤氮素的主要陸地資源庫，且其分解對植被生長敏感。在不同的農林復合系統中，氮素含量不同，土壤有機質及植被生長亦不盡相同。在溫帶，農林復合經營模式下可以提高土壤全氮含量，氮含量的增加又可提高土壤有機質含量，提高作物養分；在亞熱帶喜馬拉雅山麓的一個農林復合經營系統中，通過施加一定比例的有機肥料，增加土壤有機質，可提高該系統的無機氮濃度，從而更好促進植物的生長［27］；在我國新疆干旱區的棗樹/小麥農林復合系統中，由于其砂質土壤，氮素極其缺乏，有機質含量很低，土壤肥力較為低下，使得植被生長受限［28］。這說明在一定的含量范圍內，土壤中氮素含量與有機質含量、植被生長狀況呈正相關，即土壤中氮素含量越高，有機質含量也越高，植被生長越好。

3 討論

氮元素對農林復合系統的生產力、土壤肥力、生物多樣性和生態功能等方面有著重要作用，加上學者們之前對氮元素在農林復合系統中的研究，為深入探討農林復合系統氮元素提供了重要的途徑。在當前研究中仍然存在一些需要繼續深入挖掘的地方：

（1）目前，干旱或半干旱地區在農林復合系統中的氮元素研究中很少被考慮，因而對于干旱或半干旱地區農林復合系統中的氮元素研究仍有待進一步深入研究。

（2）氮和碳聯系緊密、不可分割。近些年隨著人類活動頻繁加劇，氮沉降增加，從而影響系統的氮碳循環。而在目前的研究中氮沉降如何對土壤碳庫、土壤有機碳、碳儲備等產生影響仍鮮見報道，如何結合新的分析方法，探究氮和碳更深的關系仍有待進一步深入研究。

（3）土壤中的氮含量受多種因素影響，主要包括人為因素和自然因素影響，對于這些因素的影響機制尚不清楚，且多種環境變化因素對氮固定的聯合效應也鮮有研究，為了更準確反映土壤氮對于各種影響因子的響應機制，實現氮含量變化的精準分析，未來應更加深入研究土壤氮的影響機制。

4 結論

借助 CiteSpace軟件對2012—2021年有關農林復合系統中氮研究的文獻進行計量學分析，從文獻發文量、發文機構、發文作者、關鍵詞共現分析及演化趨勢分析得出以下結論：

（1）有關農林復合系統中氮研究領域的重要研究機構是中國科學院、法國農業發展研究中心、法國蒙彼利埃大學等，同時國內和國外研究機構合作交流較少，因此需要加強與國際間的溝通交流。致力于農林復合系統氮研究的主要作者有Isaac ME、Naresh Thevathasan、劉文杰等，作者合作圖譜呈現“整體分散，部分集中”的特點。

（2）關鍵詞聚類的結果顯示，當前研究的熱點主要有土壤有機碳、有機農業、固氮作用、食品安全、n-15自然豐度、養分循環、二氧化碳、產量-安全、儲備等方向。

（3）對關鍵詞共現進行識別剖析發現，氮、農林復合系統、森林、動態、農林業、固存等是出現頻率較高的關鍵詞，可知農林復合系統或農林業中的氮素研究成為該領域的研究熱點，由于農林復合系統多效益、多產品、較穩定等特點，使之成為未來農林業發展的重要方向。氮是生態系統中重要的營養元素，到2020年我國陸地總氮儲量達10.43 Pg N，圍繞不同的土壤管理系統下，氮含量研究、氮含量動態變化、土壤固氮以及土壤有機質等有關氮的研究是學者們重點關注的話題。

隨著科技的進步和理論的完善，未來該領域的研究熱點和研究方向由單一的土壤有機碳向多元化轉變，如微生物氮、土壤固氮、氮含量影響分析等，未來農林復合系統氮研究中應當重點關注不同因素對農林業中氮的影響，氣候變化、人類活動、植被類型、不同土壤管理系統、土壤因子等因素均可對氮含量產生影響。

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