重磅 | 国际土壤质量研究热点与趋势
文
章
导
读
论文利用文献计量学方法定量分析了土壤质量研究领域的科学文献，结果显示国际土壤质量研究热点从有机质及其组分对管理措施的响应、微生物指标敏感性、土壤质量定义到土壤质量评价方法、评价指标和框架的完善，在农业生产和环境保护中的应用性不断加强。
来源：《自然资源学报》
目前，土壤质量的监测及其对土壤修复、全球气候变化的响应是未来研究热点。主要研究趋势有：(1)发展中国家将在土壤质量研究领域中发挥重要作用;(2)土壤质量对土壤修复、全球气候变化的响应以及应对措施成为未来的研究重点;(3)可持续发展仍然是土壤质量研究的主题，不同国家及地区应根据自身特点进行土壤质量评价、监测、修复研究，制定法律，保障土壤管理的规范化和可持续化。
土壤是人类赖以生存与发展的重要物质基础，是植物生长发育的基质。它为植物的健康生长提供水分、养分以及生物物质，为动物的生长生活提供栖息场所以及容纳、降解、净化污染物和维持生态平衡，在促进社会经济持续发展等诸多功能方面都具有不可替代性。随着工业化进程的不断加快，人与土地之间的矛盾也不断加剧，使得土壤质量问题的研究受到全世界的广泛关注。农业的稳产高产、生态环境的保护都需要我们正确认识土壤在环境中的作用，同时需要我们加强土壤质量的研究。
进入20 世纪90 年代以来，国际上关于土壤质量研究的文献大量涌现，涉及的学科和内容非常广泛。目前针对土壤质量相关文献的综述已有不少，其中国外学者就土壤质量概念与应用、评价指标、耕作、种植制度、作物残茬管理对土壤质量的影响等方面展开评述;国内对土壤质量研究综述多集中在土壤质量评价方法、指标、标准以及可持续土地管理方面。这些研究综述的发表对国内外学者了解以及推动土壤质量研究发挥了重要作用。但是面对成千上万的庞大文献群，以文献阅读、总结归纳、定性探讨为主要方法的传统文献综述存在明显的局限性，如Karlen 等、Sparrow 等、Sithole 等仅就土壤质量的某个方面进行了文献综述，其参考价值的高低也取决于研究者本身的研究水平，无法客观、全面地反映该领域的发展脉络以及研究趋势。因此，还需要采用更为科学的方法对以上问题做进一步的分析和探讨。
目前，科学计量学与信息计量学技术的迅速发展，为大数据可视化研究提供了可靠的途径，同时也弥补了传统文献综述的不足。由美国德雷赛尔大学陈超美教授于2004 年首次推出的基于Java 环境的引文网络分析工具Citespace，主要用于科学文献数据计量和分析、识别和显示科学发展新趋势和新动态，并在分析和可视化共引网络方面具有准确、便利和高效的特点，因此，本研究选取Citespace V作为主要分析软件。但该软件只能勾勒出研究领域的概况，无法提供更深入的文献细节，所以本研究依据Citespace V的分析结果，结合对文献的批判性阅读，进一步系统梳理该领域的研究文献，从而分析国际土壤质量研究热点及研究趋势，为未来土壤质量研究提供一些借鉴和启示。
1.1 研究思路
通过文献共被引发现关键文献，进一步通过文献聚类分析，解读土壤质量研究主题的演进规律及其驱动因素;结合文献突现分析、关键词突现分析展现研究热点的变迁，并发现未来的研究趋势(图 1)。在本研究中，Citespace V参数设置具体如下：时间段为1992—2016 年，以1 a 为时间切片，节点类型分别选择被引文献和关键词，文献选取标准为每个时间切片内被引量前50 的文章，选择寻径剪枝方式。
1.2 数据获取
本文所使用的数据来源于Web of Science (WOS) 核心数据库。数据采集时间为2016 年8 月11 日，检索条件为：主题为土壤质量(Topic=soil quality)，文献类型为Article，共检索出5 551 条文献，每份文献包括了标题、作者、摘要、关键词、参考文献等信息。在筛选主题词时，本研究排除了土壤肥力(soil fertility) 和土壤健康(soil health) 两个范畴相近的主题词。因为土壤质量是土壤肥力质量、土壤环境质量和土壤健康质量3 个既相对独立又有机联系组分的综合集成，且土壤质量的定义已超越了土壤肥力的概念，二者有联系又有差别。土壤健康侧重于土壤的描述性和定性特征，而土壤质量注重土壤的分析性和数量化特征。因此，从土壤质量研究领域的发展出发，以“soil quality”作为主题词可以满足研究热点与研究趋势的探讨。
进入20 世纪90 年代以来，国际上对土壤质量的研究热度不断升高，相关文献呈井喷式出现。国际土壤质量研究年发文总量在1992—2008 年左右呈缓慢上升状态，2008 年之后呈现快速发展状态[图2(a)]，而土壤质量研究的两个主要方向(WOS给出) 农业方向和环境方向的关注度也在不断升温，土壤质量研究相对更偏向农业方向。非洲和澳洲的土壤质量研究相对较少，北美则起步较早[图2(b)]，在20 世纪90 年代初开展了较多关于土壤质量方面的研究，2005 年之后，欧洲对土壤质量的关注度迅速升温，这是由于欧洲面临严重的土壤退化问题，北美地区则发展速度放缓。亚洲和南美洲在该领域的研究起步较晚，2008 年之后发展速度加快，其中以亚洲最为突出。中国、印度、巴西作为发展中国家在土壤质量方面研究起步晚，但后期发展加快;美国起步较早，前期开展了大量研究，后期速度变缓;中国在土壤质量研究领域异军突起，近几年发文数量已超越美国[图2(c)]。
土壤质量与粮食安全、人类健康以及社会经济的可持续发展息息相关。以中国为首的发展中国家，人口众多，土地资源紧张，一直受到环境问题和粮食问题的困扰，进入21 世纪，粮食问题与环境问题日益突出，引发了各国对土壤质量的关注，致力于寻求一条可持续发展的道路。土壤质量评价也被视为衡量环境质量、粮食安全与经济问题的有效工具。
一个研究领域的关键文献往往意味着该领域在理论上或概念上有重大突破和创新，反映了该文献发表时期的焦点主题，而研究热点是在一定时期被较多关注的研究主题。本文以关键文献的聚类分析进行研究阶段的划分，以文献和关键词的突现展现研究热点的变迁以及未来的发展趋势。
3.1 关键文献
以1 a 为时间切片，节点类型为参考文献，选取Top 50 (被引量前50 篇文章) 绘制文献共被引图谱。引文年轮代表着某篇文章的引文历史，年轮颜色代表相应的引文时间，年轮厚度与相应时间分区内的引文数量成正比。中心度较高的文献可能成为网络中由一个时间段向另一个时间段过渡的关键点，具有一定程度的理论创新。突现性较高的文献是指在某一阶段被引次数迅速上升的文献，这类文献可能会成为后来的中心文献和研究热点。本研究共探测出中心性在0.01 以上的文献共204 篇，为突出关键文献，截取中心性在0.03 以上的关键文献共44 篇。所选取的这44 篇高中心性文献的被引频次和突现性均较大，它们是土壤质量研究文献群中起到关键作用或具有转折意义的文献，是不同时期的基础性、奠基性经典文献，对该领域学术发展发挥着重要作用。图3 中，共被引频次较高、中心度较大的节点年轮较大，是引发大量学者关注或发生研究转向的文献(为避免文献较多而造成的文字叠加，本图仅列出共被引量大于17 的文献)。图中红色年轮代表突现性较大的关键文献，由蓝色区域到红色区域分别代表了1992—2016 年的研究时段。
首先从中心性上来看(表 1、表 2)，最大的5 篇文章作者(中心性大于0.1) 分别是J. J. Brejda、E. G. Gregorich、D. L. Karlen、T. O. West、M. A. Arshad，中心性分别为0.24、0.21、0.11、0.11、0.10。Brejda 等应用因子分析、判别分析等统计方法在区域尺度上对土壤质量指标进行了筛选，这对后来土壤质量指标的选取、土壤质量的大尺度监测提供了新的客观科学的思路。Gregorich 等认为土壤有机质是由多种属性构成的而非一个简单的整体，这些属性包括全量有机碳氮、轻组和颗粒有机碳、矿化碳和氮、微生物生物量、土壤碳水化合物、酶，这些敏感指标的提出为后期广泛研究农业管理措施的科学性和可持续性提供了一个新的途径。Karlen 等在总结前人经验的基础上，重新阐释了土壤质量的概念，将生物生产、环境质量、人类和动物健康纳入了土壤质量体系，这也扩展了土壤质量的内涵性、包容性和科学性，与人文社会联系更紧密。West 等则引发了人们对农业固碳的关注。Arshad 呼吁建立一套土壤质量评价标准，并强调不同农业系统及其交互作用、土壤质量监测及其方法、建立长期试验的重要性。以上文献发表较早，处于全球土壤退化意识觉醒时期，完善了土壤质量概念、评价标准、评价指标的科学选取及农业管理措施的可持续性评价，所以成为该领域的重要文献。
突现性反映了文献在一定时期被引频次的增长情况，突现性越大，说明被引频次增长越快。44 篇文献中有3 篇文献的突现性显著高于其他文献。Doran 等(突现性40.57) 第一次将土壤质量比较系统地展现在人们眼前，并分别就其概念、评价框架、应用以及生物重要性进行了系统的论述，这在土壤质量概念还不被广泛接受的时期极大地推动了该领域的发展。而Karlen 等又在此基础上将土壤质量进行了完善;Gil-sotres 等详细论述了土壤质量生物指标的选取以及所面临的问题，为未来利用土壤生物指标评价土壤质量提出了发展方向。
经典文献都密切关注了文献发表时期该领域发展的热点问题，因其较高的社会关注度、创新性和系统性，从而引发其他学者大量引用。通过对44 篇经典文献内容的分析，2000 年以前多关注农业管理措施对有机质的影响和土壤质量的概念，2000 年以后，对土壤质量评价方法、评价指标尤其是生物学指标的研究不断兴起，更多地注重土壤质量在农业和环境方面的应用，2008 年以来，关于土壤质量与全球气候变化、土壤修复的关系研究受到更多学者关注。从整个过程来看，土壤质量从概念的产生到广泛的应用，一直围绕农业与环境的可持续发展，这也是人类可持续发展的主题之一。
3.2 研究主题及其演进
本研究中所认为的“研究主题”是指在一定时段内，众多学者探讨和解决的中心问题，Citespace V通过对文献共被引的分析，将研究内容相似的文献进行归类并命名。通过对5 551 篇文献进行共被引分析，共获取28 个聚类，如果聚类中文献数量较少，则会影响其命名的准确性，因此本研究选取文献数量在30 篇以上的8 个聚类进一步分析，聚类的时间分布和命名见图 4。通过图4 可以发现，研究早期(2000 年以前) 主题较为分散，主要集中在土壤管理(#4)、农业生态系统(#7)、微生物生物量(#6)、土壤质量概念(#1) 等方面，2000 年以来，环境监测(#2)、碳汇(#0) 研究最多，另外近几年焦点聚集在可持续性(#8)、最小数据集(#3)、生物炭(#5) 上。
为进一步揭示土壤质量研究主题的时间演进规律，本文分析了8 大聚类中的164 篇高中心性文献(中心性>0.01)。早期研究较多的是翻耕、轮作、施肥等对土壤碳、氮及其组分的影响，同时探索以微生物为中心的敏感指标对不同管理措施以及环境的响应，这些工作为土壤质量概念的产生和应用奠定了基础。到20 世纪90 年代末21 世纪初，土壤质量已经在土壤学界引起了较大的关注，而此时的焦点是如何定义土壤质量。诸多学者围绕其定义、指标、评价框架进行了深入的讨论。目前较为广泛接受的是Doran 等提出的：在生态系统边界范围内保持作物生产力、维持环境质量、促进动植物健康的能力。随着研究的不断深入，对土壤质量评价标准、方法等的研究越来越多，同时也开始注重土壤质量在农业和环境中的应用。不同尺度的土壤质量评价在全球范围内开展。
此外，最小数据集作为土壤质量评价的最优指标在土壤质量评价及监测工作中广泛应用。最小数据集所具有的低成本、高效率的特点也因此深受发展中国家土壤质量研究者的青睐。当前，有机农业与农业固碳在全球气候变化中的作用受到广泛关注，同时，以生物炭为主的土壤修复与土壤质量的关系研究迅速兴起。
上述主题演进的原因，一是由于人类的发展具有阶段性和动态性，受科技水平和国家间不同的农业和环境管理理念以及对生产力不同需求的制约，对土壤质量的理解、关注程度也有所不同。二是由于20 世纪90 年代初，全球气候变化和人类活动影响加剧，可持续发展成为众多学科的研究主题。同时，以中国为代表的众多发展中国家对粮食安全以及环境保护的双重需求也促进了土壤质量的发展。三是由于全球一体化的升级，各国学者之间的交流日益频繁，使土壤学全球化研究成为现实，不同学科学者的加入也让更多的视角丰富了土壤质量的内涵，使得土壤质量研究的学科体系不断完善，科学问题不断深入。
3.3 研究热点及其变迁
关键词是论文内容的提示符，是一篇文章的核心和精髓，也是对文章主题的高度概括和集中描述。利用VOSviewer软件对5 551 篇文献进行关键词共现密度图的绘制，可以清晰地看出土壤质量领域的研究热点(图5)，通过Citespace V绘制关键词突现表(表 3) 可以展现不同阶段土壤质量研究热点的变迁。图5 中冷色调(蓝色) 到暖色调(红色) 代表关键词共现的频次越来越高，即研究热点的热度越高。可以看出，土壤质量研究领域的热点集中在有机质、氮、微生物生物量、土壤管理、耕作(保护性耕作、免耕)、种植制度、碳汇、土地利用、土壤质量指标、生物多样性、重金属、土壤修复、酶活性、产量等。关键词共现密度图只能定性地展现土壤质量研究热点，无法体现其时间变化规律，而关键词突现分析则可以定量地表示出不同研究热点的热度以及变迁规律(表3)。
1999 年以前，研究热点主要是侵蚀、轮作制度、生物指标等(表3)，而在1999 年以后一直到2011 年，土壤质量研究热点出现了快速的过渡，每一个研究热点的持续时间相对比较短，这表明，土壤质量在明确了其定义、评价指标、评价框架以及评价方法之后进入了一个快速发展阶段。由每一阶段的突现关键词可以看出，土壤质量生物指标和有机碳一直是该领域经久不衰的研究热点。
此外，土壤质量早期的研究热点主要集中农业方面，且多描述单个土壤性质，例如有机质、团聚体等。随着研究的不断深入，当前涌现出土壤修复、碳汇、最小数据集、土地利用变化、森林、群落等一些研究热点，这也体现出土壤质量的研究开始倾向于环境方面。
3.4 土壤质量研究趋势
通过对关键文献、研究主题、关键词突现的综合分析，进行归纳总结，可以发现土壤质量目前呈现以下几个主要的研究趋势。
3.4.1 农业是土壤质量研究永恒的主题，发展中国家将在土壤质量研究领域中发挥重要作用
相对于发达国家，发展中国家人口众多，人均资源匮乏，农业管理也呈现农户个体经营零碎化，管理方式不一致。而发达国家机械化大规模操作，使得农业的管理趋于一致。从近几年土壤质量的研究趋势来看，发展中国家尤其是中国在其中所占的比例日益增大。随着全球一体化的快速推进，发展中国家对粮食安全和环境保护的诉求也愈加强烈。第十八届国际土壤学大会指出，将来有两个主要趋势：在食物匮乏的国家，只要这种匮乏还存在，土壤科学主要就将致力于解决土壤肥力问题。不幸的是，这种威胁在非洲、亚洲和中南美洲都不断增长。土壤质量作为环境质量、粮食安全与经济问题的纽带，迎合了发展中国家的需求。
3.4.2 土壤质量对土壤修复的响应将成为研究重点
土壤修复起步于20 世纪70 年代后期，是以消除污染毒害并恢复土壤功能为宗旨的一个研究方向。近20 a 来，随着社会经济的高速发展和高强度的人类活动，我国因污染退化的土壤数量与日俱增、范围不断扩大，土壤质量恶化加剧，土壤污染已成为我国乃至全球性土壤退化的主要形式之一。2016 年5 月28 日，国务院正式印发《土壤污染防治行动计划》，即“土十条”，这也标志着我国政府对土壤污染及修复的高度重视，是我国土壤修复领域的里程碑。
近年来，除了传统的物理、化学、生物修复法之外，生物炭的应用也已经逐渐发展到土壤修复等环保领域。生物炭是生物质在缺氧或无氧条件下，以相对较低的温度热解所产生的一种富含碳元素的、多孔的细小颗粒。多项研究表明，生物炭可以通过降低土壤酸度，提高植物养分的有效性和阳离子交换量、吸附重金属、固定土壤中的有机无机有毒化合物，从而改善和提高土壤质量。然而，也有研究证明，生物炭对土壤质量、作物产量等具有负面效应。因此，针对目前生物炭在农业领域广泛应用中的多种不确定性，Mukherjee 等指出，在短期内，依赖室内试验等手段将生物炭应用于土壤修复，这种研究是不确定和矛盾的，尽管生物炭具有减缓多种环境问题的潜力，但在广泛推广前，应对其生产工艺、成本效益等具有充分的了解。
3.4.3 全球土壤变化是未来土壤质量研究的趋势
不少土壤学家认为，跨世纪的全球战略任务是解决全球及地区性环境及其质量问题。从土壤学角度看，跨世纪的战略目标，除研究土壤自身基本性质及其发生规律外，主要是研究土壤及环境质量问题，这其中就包括土壤全球变化与环境。全球土壤变化作为全球变化的重要组成部分，其研究的最终目的是提高对全球变化的预测能力，为长远的土壤管理与规划的宏观决策提供科学依据。气候变暖是全球变化的主要特征，温暖干旱的气候会导致蒸发能力增大，土壤含水量降低，孔隙度变大，促进有机碳的矿化分解，同时气候变暖通过影响土壤微生物活动和生物量，进而改变土壤中的养分利用和碳氮循环，加快有机质分解及氮的流失，导致土壤质量下降。与其他土壤区域性问题相比，例如盐碱化、重金属污染等，气候变化对土壤质量的影响是大范围的。
以我国为例，气候变暖使我国西南地区水土流失加重，土壤肥力损失较大，土地质量明显下降。在东北地区，降雨变率增大，极端降雨事件频发，尽管如此，土壤湿度却呈减小趋势，干旱导致部分地区出现盐渍化和荒漠化现象。由此可以看出，研究全球变化对土壤质量、农业生产的影响迫在眉睫，这也引起了全球范围内土壤学家的高度重视。
3.4.4 可持续发展仍然是土壤质量研究的基本思想
在全球尺度上，威胁自然资源与生命支持系统可持续性的关键问题是土壤退化、水资源匮乏与污染、生物多样性减少，这些问题都与土壤质量密切相关。可持续发展是当今国际社会共同关注的重大课题，而可持续发展的基础是农业的可持续发展。
当前，由于耕作、灌溉、施肥、农药、地膜覆盖、秸秆管理等农作措施还存在很多的不科学性，严重阻碍了农业的可持续发展。土壤质量是衡量可持续性的标尺，可持续性的关键在于土壤质量的提高和维持。针对不同国家和地区的实际情况，应制定相应评价标准，选择合适的评价指标，对退化、污染的土壤采取有效恢复措施，加强土壤质量动态监测。各个国家也应制定相应的土壤质量管理政策、法规，实现土壤管理的规范化和可持续化。
土壤质量概念的产生与发展有着深刻的时代背景和需求。人类发展的阶段性和动态性、全球气候变化与人类活动影响的加剧、学科的不断交融是决定土壤质量主题演变的主要因素。土壤质量在20 多年的发展阶段中，涌现了一些标志性的经典文献，引发了大量学者关注，从而产生了新的研究点。依据Citespace V理论和分析结果，本文着重对文献中心性高于0.03、突现性高于4、共被引频次大于30 的关键文献进行分析，综合以上量化指标，对该领域研究热点及其变迁进行了解析。在研究趋势方面，截取突现性大于4，开始年份为2011年，结束年份为2016年的关键词进行了分析。
国际土壤质量研究热点从有机质及其组分对管理措施的响应、微生物指标的敏感性、土壤质量的定义到土壤质量评价方法、评价指标和框架的完善，从理论转向实践，将土壤质量应用于农业生产和环境保护中。近年来，土壤质量的监测及其对土壤修复、全球气候变化的响应引发大量学者关注。在发展过程中，土壤质量由农业开始向环境方向渗透。
国际土壤质量研究目前呈现4 个趋势：(1)发展中国家将在土壤质量研究领域中发挥重要作用，这与发展中国家的发展需求和国内严峻形势有关;(2)土壤质量对土壤修复的响应将成为重点;(3)土壤质量对全球气候变化的响应以及应对措施成为未来的一个研究重点;(4)可持续发展仍然是土壤质量研究的主题，不同国家及地区应根据自身特点进行土壤质量的评价、监测、修复研究，制定法律、法规，保障土壤管理的规范化和可持续化。
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