基于文獻計量學的巖溶耕地土壤酸化與鈣碳互作抑酸研究趨勢分析

段承龍 蔣軍 李菡 劉曉 張亮 謝紅霞 盛浩 袁紅

摘 要：以Web of Science核心集（web of science core collection）和中國知網（CNKI）數據庫為基礎，采取統計與聚類的分析方法，基于文獻計量學知識，借助CiteSpace信息可視化軟件，分別對1993—2023年在web of science core collection和1924—2023 CNKI中發表的土壤酸化文獻進行索引分析；通過對web of science core collection中4 772篇、CNKI 中2 482篇相關文獻中的熱點、關鍵詞、時間線等展開多角度可視化分析，統計并繪制有關國際國內土壤酸化研究文獻的關鍵詞、時間圖譜等圖表，挖掘國際國內土壤酸化研究發展趨勢及方向。結果表明：土壤酸化研究主體由森林土壤酸化逐步轉向耕地土壤酸化，研究范圍從單一的pH值及影響因子的相關分析進階至致酸離子與抑酸離子的雙向互作分析，土壤酸化路徑的分子生物學、動力學特征研究更趨于細化。

關鍵詞：巖溶區；耕地；土壤酸化；研究趨勢；可視化分析

中圖分類號：S153.4文獻標識碼：A文章編號：1006-060X（2023）10-0097-06

Research Trend Analysis of Soil Acidification and Calcium-Carbon Interaction for Acidification Suppressing in Karst Farmland Based on Literature Metrology

DUAN Cheng-long1， JIANG Jun1， LI Han1， LIU Xiao2， ZHANG Liang1， XIE Hong-xia1， SHENG Hao1， YUAN Hong1，3

（1. College of Resources， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC; 2. Hunan Academy of Social Sciences，? Changsha 410003， PRC; 3. Key Laboratory of Karst Dynamics， MNR and GZAR， Institute of Karst Geology， CAGS， Guilin? 541004， PRC）

Abstract： Based on literature metrology， our research adopts the statistics and clustering methods to index and analyze the soil acidification literature published in the web of science core collection from 1993 to 2023 and published in 1924 to 2023 CNKI with the help of CiteSpace information visualization software. Through multi-angle visualization analysis of hot spots， keywords， and timelines in 4 772 articles from the web of science core collection and 2 482 articles from CNKI， we undertake statistics and charts drawing relative to key words， time maps， etc. of relevant international and domestic literature on soil acidification to explore the development trend and direction of international and domestic soil acidification research. The research results show that the subject of soil acidification research has gradually shifted from forest soil acidification to farmland soil acidification， and the research scope has advanced from the correlation analysis of a single pH value and its impact factors to the analysis of two-way interaction of acidogenic ions and acid inhibiting ions. The research on the molecular biology and dynamics characteristics of soil acidification paths tends to be subdivided.

Key words：karst area; farmland; soil acidification; research trend; visualization analysis

收稿日期：2023–04–17

基金項目：自然資源部廣西巖溶動力學重點實驗室開放課題基金（KDL＆Guangxi 202010）；科技部國家重點研發計劃（2022YFD1700103-306）；湖南省教育廳雙一流學科優秀青年項目（19B282）

作者簡介：段承龍（2000—），男，湖南洪江市人，碩士研究生，主要從事資源利用與植物保護研究。

通信作者：袁 紅

耕地是人類賴以生存和發展的物質基礎[1]，具有農業生產、空間承載以及環境保護等多種功能[2]，關系國家安全和社會穩定，是保障糧食安全和國民經濟高質量發展的寶貴資源[3]。耕地土壤酸化是全球土壤退化的主要形式，表現為土壤pH值不斷降低、土壤交換性酸不斷增加[4]。土壤酸化是當前西南地區所面臨的突出土壤環境問題之一，對農產品安全和農業可持續發展構成了嚴峻威脅[5]。巖溶生態系統是受巖溶環境制約的生態系統，石灰土是熱帶、亞熱帶地區碳酸鹽巖類經溶蝕風化后的產物，巖溶環境的獨特性賦予了石灰（巖）土獨特而復雜的成土過程，雖然成土機理至今尚未完全清楚，但巖溶作用對石灰巖土壤的形成和演變產生了深遠的影響，其具有富鈣偏堿的地球化學特點已成為共識[6]。中國巖溶區面積344.3萬km2，占國土面積的1/3左右，其中西南地區巖溶面積約41.1萬km2，是世界上三大巖溶分布中心，同時也是世界最大的巖溶連續帶[7-8]。作為最脆弱的生態系統之一，巖溶區界面對環境變化非常敏感，生態容量低，抗災能力差，人為影響劇烈，是我國土壤酸化最為嚴重的區域之一[9-11]。特別是喀斯特丘陵山區，由于復雜多變的自然條件，具有土壤貧瘠、分布破碎、植物生長困難的特點[12]，易利用的土地資源分布極不均衡，耕地資源相較于平原更為寶貴，面臨著人地關系緊張的基礎性矛盾。

巖溶地區的物質循環以碳（C）、水（H2O）、鈣（Ca）為基本特征，巖溶環境中元素的遷移是由此循環構成的巖溶動力學過程導致的，它限制了元素遷移的質量和數量，產生了富鈣偏堿的地球化學環境。鈣是巖溶生態系統中最常見的生態元素，鈣元素的富存以及遷移與巖溶地區的耕地土壤密切相關，鈣元素在調節巖溶區耕地土壤的酸堿性上發揮著重要的作用[13]。土壤中鈣等鹽基離子直接影響到巖溶區耕地土壤的酸堿度。目前基于鈣元素在巖溶生態系統中的重要性已開展了大量研究工作，主要關注鈣對重金屬吸附及微生物、植物等生物的影響[14-17]，環境因子對鈣形態分布的影響[18-21]等方面，而針對巖溶土壤酸化進程中鈣的抑酸途徑及效應研究相對較少。

酸堿平衡是保障巖溶區土壤耕地質量的主要驅動力，同時目前對喀斯特地區的研究主要集中在土壤養分、土壤微生物、細菌活性[22]、土壤抗蝕性[23]、土壤質量[24]、生態安全[25-26]等方面。研究巖溶耕地土壤的酸化進程與鈣的互作路徑，探尋鈣碳互作的抑酸機理，對巖溶耕地質量保育、保障糧食安全具有重要意義。

1 研究趨勢分析

文獻計量學主要以關鍵詞、時間跨度等作為分析要素，運用計算機和數學統計方法，分析指定研究的學科發展過程、熱點演變等，幫助研判研究發展趨勢和提出研究發展方向[27]。CiteSpace軟件是由陳超美教授研發的一款基于文獻計量的數據可視化分析軟件[28]，可以用于文獻分析、可視化分析等，由于其強大的文獻計量統計分析與知識圖譜可視化能力，已經成為當前應用最多的文獻計量分析軟件[29]。

Web of Science核心集（web of science core collection）和中國知網（CNKI）數據庫作為被諸多研究人員公認的最適合進行文獻計量分析的高質量數字文獻資源庫，可以非常清晰地基于CiteSpace可視化之下，了解一個領域的發展進程和趨勢。

1.1 熱點分析

國際土壤酸化研究，最早可追溯至1924年[30]。文獻檢索的數據來源在很大程度上直接決定了文獻計量分析時的有效性和準確性，關鍵詞是一篇論文的核心觀點[31-32]，對某一領域的關鍵詞進行共現聚類分析有助于挖掘某一研究領域的研究熱點[33]。

1.1.1 國外熱點研究趨勢 基于國外研究進展，該研究以Web of Science為文獻檢索源數據庫，以“Soil Acidification”為主題進行基本檢索，數據庫選擇Web of Science核心合集，文獻類型選擇論文和綜述論文，設置時間跨度為1993—2023年，獲取文獻共4 772篇，將處理好的數據導入到CiteSpace軟件中，時間區間隔設置1 a，節點類型選擇“Keyword”，其他操作為默認設置，進行聚類分析，得到不同節點類型的關系圖譜和聚類圖譜，即運用CiteSpace可視化軟件繪制關鍵詞密度圖。如圖1所示，得到6個聚類，分別為#0流域（catchment）、#1土壤pH值（soil pH）、#2重金屬鎘（cadmium）、#3生命周期評估（life cycle assessment）、#4微生物群落（microbial community）、#5鋁中毒（aluminum toxicity），國際土壤酸化領域的熱點主要集中在土壤pH、土壤化學、施肥、重金屬、生態系統、影響和治理等方面。

1.1.2 國內熱點研究趨勢 CNKI是國內最大的文獻數據平臺之一，收錄的文獻在質量和數量上最為全面。以CNKI數據庫作為主要數據來源，高級檢索中輸入主題詞“土壤酸化”，文獻類型選擇期刊論文、學位論文和會議論文，時間跨度從1924年到2023年1月1日，共檢索到2 482條文獻記錄，時間區間隔設置10 a，通過CiteSpace數據可視化分析工具對2 482篇文獻的關鍵詞等方面進行檢測分析。通過從CNKI數據庫得到的2 482條文獻記錄對土壤酸化這一領域的關鍵詞進行共現聚類分析，聚類共詞圖譜共形成了8個主要聚類（圖2），代表1924—2023年國內土壤酸化的主要研究領域，圖2總結了8個聚類主要的研究熱點，分別是#0連作障礙、#1影響、#2pH值、#3產量、#4酸化土壤、#5大氣酸沉降、#6交換性酸、#7人為因素。以上主要的8個聚類代表了國內土壤酸化研究的熱點，且主要集中在大氣酸沉降、交換性酸、產量、酸化成因及改良、連作障礙及土壤pH值等方面，研究主題逐漸轉移至耕地土壤。

1.2 高頻關鍵詞分析

高頻關鍵詞是指在相對較短的時間內頻繁或使用次數較多的詞，在詞頻發生變化后，可據此判斷研究領域的前沿和發展趨勢。由圖3和圖4可知，國內外近幾年的研究對pH值相對關注，研究前沿集中在不同pH值條件下的forest ecosystem（森林生態系統）、recovery（恢復）耕地、土壤調理、土壤改良、產量等方面[34]。與此同時，學者們對pH值與鈣形態的關系進行了研究，但系統分析pH值對鈣形態影響的研究還較少[35]。因此，有必要對土壤中鈣的不同形態進行系統研究，找出pH值與鈣的作用途徑，這對充分了解其遷移轉化機理以及鈣對土壤反應穩定性的作用機理等問題具有重要意義[36]。

1.3 時間譜系分析

時間線視圖為了解某個領域及其各個子領域的演進路徑提供了非常直觀而準確的參考，從時間線視圖中可以清晰了解該領域和其子領域研究發展演變的時間跨度、研究進程及前沿的研究熱點。運用CiteSpace軟件建立的時間線視圖中，圓點節點大小與頻數成正比，圓圈越大表示文獻被引頻次越高，外圈代表中心性，其厚度與活躍程度呈正比，年輪顏色及厚度表示出現年份，年輪越厚對應年份的出現頻次越高；節點間的連線反映二者共現或者共被引關系，顏色對應首次共現或者共被引用年份，粗細反應關系的強弱；右邊的聚類標簽則表示該領域的主題[37-38]。

1924—2023年的國內酸化時間線視圖（圖5）中，國內酸化研究初期集中在土壤酸化、pH值等一系列基本的研究范疇之中。1983年開始，國內酸化研究開始走向細致化，開始向酸化產生的原因、防治措施以及耕地質量與耕地保護等方面開始拓展深入。

由于國際方面對于酸化方面的研究起步較早，在1993—2023年的國際酸化線視圖（圖6）中，國際方面于酸化的研究相對深入與細致，對于acidification（酸化）、soil（土壤）、deposition（沉積物）、nitrogen（氮）、soil acidification（土壤酸化）、soil pH（土壤pH值）等研究始終保持著較高的熱度，且隨著時間的變化，國際對于土壤酸化的研究也在發生變化，由開始的forest（森林）到agriculture soil （耕地土壤）再到paddy soil（水稻土），研究重心由森林土壤轉變到農業耕地土壤。

2 巖溶土壤鈣與土壤酸堿反應

耕地土壤質量與鈣密切相關，鈣元素在調節巖溶區耕地土壤的酸堿性上發揮著重要的作用。普遍認為鈣在各種營養元素中具有重要的地位，這主要是因為土壤中的鈣不僅作為鹽基離子影響著土壤的pH值，同時鈣離子對土壤的物理穩定性和保水性能等均具有重要的作用。土壤pH值通過影響難溶性化合物的溶解、螯合劑和金屬離子的水解、氧化還原反應、吸附和解吸附反應等，影響Ca2+的競爭能力。在pH值接近中性和中性以上的土壤中，Ca2+競爭有機配位反應的能力較強，說明pH值對土壤中鈣的形態影響較大[39]。巖溶生態系統是受巖溶環境制約的生態系統，而鈣是組成巖溶環境的主要元素[40]。因此，巖溶環境土壤具有富鈣偏堿的特征，對重金屬的吸附、對植物和微生物生長都會產生一定影響[41]。石灰質土壤的腐殖質會對其鈣形態產生影響[42]，不同土地利用方式也會對土壤鈣產生影響。巖溶區土壤鈣作為碳酸鹽液相與固相交流的重要元素，是決定巖石溶解、沉積、土壤理化性質等特征的主要元素[43]。石灰性土壤中碳酸鈣含量與pH值之間具有一定的關系，是引起土壤堿性的主要原因之一[44]。

土壤中的鈣形態主要有4種，分別為酸溶態鈣、可還原態鈣、可氧化態鈣和殘渣態鈣。其中，酸溶態鈣是可交換態或碳酸鹽結合態鈣，可還原態鈣是鐵錳氧化物結合的鈣，可氧化態鈣主要是被有機酸聚合物結合的鈣，殘渣態鈣主要以礦物形式存在。也有學者把鈣形態分為有機物中的鈣、礦物態鈣、交換性鈣和水溶性鈣。這些分類都是大同小異的[45]。

楊慧等[39]、曹建華[40]在對桂林丫吉巖溶區土壤pH值與鈣形態關系的初步探討研究中利用冗余分析（RDA）得出土壤pH值與土壤各鈣形態之間的關系為：土壤pH值與可還原態鈣、酸溶態鈣以及殘渣態鈣呈正相關的關系，其關系大小為可還原態鈣＞酸溶態鈣＞殘渣態鈣，與可氧化態鈣呈負相關的關系。黃芬等[46]在對巖溶區不同土地利用類型土壤鈣形態的研究中發現不同土地利用類型的鈣均與pH值呈顯著的正相關。倪大偉等[47]在對滇東南典型巖溶小流域土壤鈣形態的研究中發現pH值與土壤全鈣以及各形態鈣之間的相關性較高。李菁等[48]在對斷陷盆地區不同土地利用方式鈣形態的研究中同樣也發現土壤pH值與土壤全鈣、交換態鈣、酸溶態鈣、有機結合鈣和殘渣態鈣的含量呈顯著的正相關。

3 結論與展望

耕地資源作為土地特有的一種利用形式，具有稀缺性與不可再生性，是人類賴以生存的自然資源基礎[49]。它關系到我國當前經濟社會的穩定，關乎國家的長遠利益和可持續發展。在我國西南巖溶區，由于其地質背景特殊，巖溶作用強烈，景觀異質性強，導致耕地面積小且質量差；加上該區域人口相對較多，尖銳的人地矛盾導致植被破壞和水土流失日益嚴重，產生十分嚴重的石漠化現象，而且呈不斷擴張的態勢，嚴重制約了該區域耕地的可持續發展，直接影響當地居民的經濟收入水平[50]。該研究從熱點、高頻關鍵詞、時間譜系這3個維度對國內外酸化研究進行分析，由此得出，目前土壤酸化研究主體由森林土壤酸化逐步轉向耕地土壤酸化，其研究范圍從單一的pH值及影響因子的相關分析進階至致酸離子與抑酸離子的雙向互作分析，土壤酸化路徑的分子生物學、動力學特征研究更趨于細化，在全球酸化進程加劇的大背景下，巖溶區石灰巖母質發育土壤酸化事件頻現，酸化危害帶來的一系列生態環境脆弱性表現不利于我國耕地質量保護。基于巖溶耕地土壤酸化與土壤鈣形態演化特征，解析巖溶動力系統中Ca2+、H2O、C與致酸離子（H+、Al3+）的互作路徑與抑酸機理，探明區域土壤酸化進程、巖溶動力系統的抑酸路徑及機理是我國西南8省巖溶區土壤地力保持與提升的基礎與關鍵。

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（責任編輯：張煥裕）