陳 香，李衛(wèi)民，劉 勤

（中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008）

2013年Jansson和Prosser[1]提出“生物暗物質(zhì)”的理念，將土壤微生物比作物理學(xué)中的暗物質(zhì)。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的活躍組成成分[2]，是養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力[3]，是評價土壤質(zhì)量的潛在指標(biāo)[4]。土壤微生物研究與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、全球變化、土壤環(huán)境保護(hù)與修復(fù)等當(dāng)前國際上關(guān)注的熱點問題密切聯(lián)系。隨著研究方法與技術(shù)的不斷創(chuàng)新，土壤微生物學(xué)研究在微生物多樣性、群落結(jié)構(gòu)和功能上取得顯著進(jìn)展，土壤微生物多樣性及其活性會直接或間接影響植物群落多樣性和生產(chǎn)力[5-6]。與土壤肥力改良、溫室氣體排放、有機(jī)污染降解、重金屬污染修復(fù)、土傳病害防治、土壤生物固氮等相關(guān)的土壤功能微生物的研究地位突出。土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)中重要的分解者，其與環(huán)境的相互作用也受到了廣泛關(guān)注。因此，土壤微生物學(xué)領(lǐng)域研究成果豐碩，對基于土壤微生物學(xué)研究文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計量分析具有一定價值。

文獻(xiàn)計量學(xué)可以系統(tǒng)地分析某一研究領(lǐng)域的整體發(fā)展情況，把握該領(lǐng)域的研究熱點與趨勢，為科研工作提供參考依據(jù)[7]。已有大量學(xué)者運用文獻(xiàn)計量學(xué)手段來分析相關(guān)研究領(lǐng)域的作者、機(jī)構(gòu)、學(xué)科間的合作關(guān)系，了解研究領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)、熱點趨勢等。如使用文獻(xiàn)計量學(xué)和社會網(wǎng)絡(luò)分析評估了1995—2015年地下水修復(fù)文獻(xiàn)，了解目前的發(fā)展趨勢和未來研究方向[8]。分析土壤污染修復(fù)的文章，確定主要污染物和最具前景的土壤修復(fù)技術(shù)[9]。由于土壤微生物研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)數(shù)量龐大，傳統(tǒng)的文獻(xiàn)分析方法對于準(zhǔn)確處理相關(guān)文獻(xiàn)信息，追蹤研究領(lǐng)域的發(fā)展動態(tài)難度較大，基于文獻(xiàn)計量學(xué)的可視化軟件能夠?qū)σ臄?shù)據(jù)進(jìn)行提取處理分析，形成可視化的網(wǎng)絡(luò)圖譜，縮短工作量且便于解讀分析?？梢暬浖瓤捎糜诔尸F(xiàn)不同作者、國家、機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系，又可展現(xiàn)研究主題和領(lǐng)域的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，還可進(jìn)行文獻(xiàn)共被引和耦合分析，揭示研究熱點、研究趨勢和研究前沿。因此，數(shù)據(jù)可視化軟件VOSviewer和CiteSpace作為文獻(xiàn)計量分析的重要工具被不同國家不同領(lǐng)域的人員廣泛使用，如分析國內(nèi)外土壤科學(xué)發(fā)展不同時間段的研究熱點和研究前沿[10]。通過VOSviewer識別食品化學(xué)40年來的研究熱點和最具影響力的研究主題[11]。

國內(nèi)有涉及土壤微生物的文獻(xiàn)計量學(xué)研究，如利用CiteSpace工具構(gòu)建土壤養(yǎng)分循環(huán)微生物機(jī)制不同時間段的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)[12]，研究內(nèi)容主要是微生物的土壤養(yǎng)分循環(huán)方面。Zheng等[13]借助CiteSpace共被引分析了氨氧化細(xì)菌、氨氧化古菌和厭氧氨氧化研究主題，國外的相關(guān)文章較少。本文基于文獻(xiàn)計量學(xué)方法，從發(fā)文量、總被引頻次、篇均被引頻次評價指標(biāo)分析土壤微生物研究領(lǐng)域的國家/地區(qū)、研究機(jī)構(gòu)、期刊來源、高被引文章，構(gòu)建了國家、研究機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系。重點分析了國內(nèi)外不同時間段的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)譜圖，揭示了不同時期土壤微生物領(lǐng)域的高頻關(guān)鍵詞或者中心度較高的關(guān)鍵詞的變化情況，旨在為科研工作者提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

美國Thomson Scientific（湯姆森科技信息集團(tuán)）基于Web開發(fā)的產(chǎn)品Web of Science是一個綜合性、多學(xué)科、核心期刊引文索引數(shù)據(jù)庫[14]。本文利用Web of Science中科學(xué)引文索引擴(kuò)展版數(shù)據(jù)庫（SCI-EXPANDED），在高級檢索的檢索框內(nèi)輸入TS（主 題）=（（soil*）AND（"microorganism*"OR"microb*"OR"bacteri*"OR"fung*"OR"actinomyce*"OR"algae"OR"archaebacteria"OR"mycorrhiza*"OR"earthworm"OR"nematode*"OR"protoz*"）），文獻(xiàn)類型為（ ARTICLE OR REVIEW OR PROCEEDINGS PAPER ），時間跨度為1990年1月1日至2018年12月31日，檢索時間是2019年6月5日。由于檢索結(jié)果數(shù)量較多，限定土壤生物學(xué)領(lǐng)域的期刊，使得土壤微生物領(lǐng)域篩選結(jié)果更加精確，共得到國外文獻(xiàn)25 306篇，中國文獻(xiàn)3 452篇。

1.2 分析方法

利用Web of Science的自帶功能分析檢索結(jié)果，按照國內(nèi)和國外篩選檢索結(jié)果，分別以5年為一個時間段保存為純文本格式。將獲取的文獻(xiàn)信息導(dǎo)入VOSviewer軟件進(jìn)行可視化分析，主要涉及土壤微生物國內(nèi)外發(fā)文量的變化趨勢、主要的研究機(jī)構(gòu)、重要期刊來源以及高被引文章分析。然后運用CiteSpace的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析在不同發(fā)展階段下的國內(nèi)外土壤微生物的研究熱點和變化趨勢。

2 結(jié)果與討論

2.1 主要國家土壤微生物領(lǐng)域發(fā)文量

由圖1可知，美國總發(fā)文量6 999篇，占世界總發(fā)文量24.34%，呈現(xiàn)平穩(wěn)增長的趨勢；其論文的總被引頻次共362 514次，年度被引總頻次高于其他各國，論文的被引頻次處于高水平。中國的發(fā)文量合計3 452篇，位于第二位；年度發(fā)文數(shù)量呈大幅增長，2015年后發(fā)文數(shù)量超過美國，位于第一；其年度被引總頻次也是不斷上升，但相對較低，論文影響力有待提高。圖2為各個主要國家間的合作關(guān)系，節(jié)點大小代表發(fā)文數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)中的連線表示國家間的合作關(guān)系，線寬代表合作強(qiáng)度。美國、德國同其他國家合作網(wǎng)絡(luò)較為密集。中國和美國、德國、英國等存在合作關(guān)系。國家間合作是提高科研能力、實現(xiàn)創(chuàng)新性研究的重要手段。

2.2 重要研究機(jī)構(gòu)土壤微生物領(lǐng)域發(fā)文

表1列舉了發(fā)文量前10的研究機(jī)構(gòu)，中國科學(xué)院的發(fā)文量和被引總頻次均處于首位，發(fā)文量為位于第二位的法國農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院的2.48倍，圖3揭示其年度發(fā)文數(shù)量快速增加，年度被引總頻次也呈指數(shù)增長形勢，但篇均被引頻次較低。其他研究機(jī)構(gòu)發(fā)文量無明顯變化，處于平穩(wěn)增減狀態(tài)。重要研究機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系如圖4，中國科學(xué)院與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究組織、哥廷根大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)存在合作，中國科學(xué)院處于合作網(wǎng)絡(luò)圖譜的中心位置，同國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)的合作關(guān)系較為密切。

2.3 土壤微生物領(lǐng)域主要期刊來源

表2統(tǒng)計了國際土壤微生物相關(guān)研究主要的發(fā)文期刊。發(fā)文量最高的是期刊Soil Biology &Biochemistry，占總發(fā)文量的19.5%。期刊Applied and Environmental Microbiology發(fā)文量低于Soil Biology& Biochemistry的50%，但是被引用總頻次緊逼Soil Biology & Biochemistry，篇均被引用頻次位于首位。期刊New Phytologist、Global Change Biology、ISME Journal雖然發(fā)文數(shù)量較低，但是論文被引用頻次高，文章影響力較大。期刊Soil Science Society of America Journal期刊影響因子較低，發(fā)文量不高，但論文的被引總頻次高，篇均被引頻次位于前列。在關(guān)注影響因子較高期刊的同時，科研人員對綜合影響力高的期刊上的論文也應(yīng)加以關(guān)注，全面地了解土壤微生物領(lǐng)域的發(fā)文動態(tài)。

圖1 主要發(fā)文國家的發(fā)文量和被引頻次的變化情況Fig. 1 Publication and citation frequency of scientific papers relative to country

圖2 土壤微生物研究領(lǐng)域主要國家間的合作關(guān)系Fig. 2 Cooperations between major countries in the field of soil microbiology

表1 土壤微生物文獻(xiàn)發(fā)表量前10名的研究機(jī)構(gòu)Table 1 The top 20 research institutions in literature contribution in the field of soil microorganisms

圖3 主要研究機(jī)構(gòu)的發(fā)文量和被引頻次的年度變化情況Fig. 3 Annual changes in publication and citation frequency relative to research institution

圖4 土壤微生物研究領(lǐng)域重要研究機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系Fig. 4 Cooperations between important research institutions in the field of soil microbiology

表2 土壤微生物文獻(xiàn)發(fā)文總量前20名的期刊Table 2 Top 20 journals in literature contribution in the field of soil microorganisms

2.4 土壤微生物領(lǐng)域高被引文章

通過對高被引文章的追蹤分析，了解該文章對后面研究的影響程度，進(jìn)而掌握關(guān)于土壤微生物研究的重點與熱點。從表3中的第一作者國家分析來看，美國7篇，占半數(shù)以上，證明其在土壤微生物研究領(lǐng)域的較高國際影響力。2000年后發(fā)表的高被引論文有5篇，其中被引總頻次第一的就是Schloss和Handelsman[15]在2005年發(fā)表的關(guān)于用軟件DOTUR對測得的基因序列劃分獨立操作單元（OTU），估算生物豐富度和多樣性指數(shù)。期刊Applied and Environmental Microbiology上的高被引文章有6篇，高質(zhì)量論文較多。其中有6篇高被引文章是關(guān)于分子生物學(xué)技術(shù)，如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）、末端限制性片段長度多態(tài)性（T-RFLP）分析技術(shù)、磷脂脂肪酸（PLFA）、焦磷酸測序應(yīng)用到土壤微生物學(xué)研究中，推動了土壤微生物學(xué)的發(fā)展。由圖5可知，Kozich等[16]的論文于2013發(fā)表后，其年度被引總頻次呈快速增長，論文影響力大，可見新一代測序技術(shù)對土壤微生物學(xué)的發(fā)展有重要影響。

表3 土壤微生物研究領(lǐng)域被引總次數(shù)前10名的文章Table 3 Top 10 highly cited articles in the field of soil microorganism

續(xù)表

2.5 國外近30年不同時期的高頻關(guān)鍵詞

將1990—2018年國外發(fā)表的土壤微生物的論文分為3個時間段：1990—2000年、2001—2010年、2011—2018年。利用CiteSpace構(gòu)建不同時期關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜，分析圖譜結(jié)果。圖6中節(jié)點的年輪結(jié)構(gòu)表示的是該文獻(xiàn)被引用的歷史，節(jié)點的半徑越大說明該節(jié)點的總被引頻次越高，有紫色外圈的節(jié)點是具有高中介中心性的節(jié)點，這些節(jié)點的中心度不小于0.1。1990—2000年中“細(xì)菌Bacteria”和“微生物生物量Microbial biomass”的出現(xiàn)頻次較高，“微生物生物量”的中心度為0.3，是關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)中的重要連接點?！暗狽 i t r o g e n”、“氮礦化N mineralization”、“硝化過程Nitrification”、“反硝化過程Denitrification”“分解Decomposition”、“有機(jī)質(zhì)Organic matter”、“碳Carbon”形成聚類，反映土壤微生物研究主要是土壤碳氮養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)降解過程[17-18]?！吧LGrowth”、“植物Plant”、“小麥Wheat”、“生物防治Biocontrol”、“根際Rhizosphere”相關(guān)聯(lián)，表明關(guān)注土壤微生物對植物的防病促生作用的研究[19-20]。1990—2000年對于特定土壤微生物純菌株的研究是本階段的特色，如與固氮過程相關(guān)的根瘤菌，以及參與植物根部氮磷吸收的叢枝菌根真菌、囊泡叢枝菌根等[21-23]。隨著PCR等分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用到土壤微生物研究中，對于根際微生物過程的研究不斷細(xì)化深入，其包含的重要關(guān)鍵詞數(shù)量增多。2001—2010年關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)更加密集，高中介中心度、高頻詞的節(jié)點明顯增多，不同研究熱點間形成較多交叉?！拔⑸锷锪俊背霈F(xiàn)頻次不斷增加，同時“微生物群落Microbial community”和“多樣性Diversity”增長為主要的高頻關(guān)鍵詞，關(guān)鍵詞“微生物群落”、 “PCR”、“基因Gene”、“DGGE”、“DNA”、“PLFA”聚集出現(xiàn)，說明分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用到土壤微生物群落與多樣性研究方面。 圖6 a）中“細(xì)菌”、“根際”、“碳”、“氮”、“有機(jī)質(zhì)”、“分解”依然是重要節(jié)點，它們的出現(xiàn)頻次均大幅上升?！疤肌薄ⅰ暗?、“氮礦化”出現(xiàn)顯著紫色外圈且與其他關(guān)鍵節(jié)點的交叉越來越豐富，本階段研究土壤微生物間的養(yǎng)分循環(huán)調(diào)控機(jī)制，對于提高土壤肥力和養(yǎng)分有效性有重要作用[24-25]?！案H”、“植物”、“生長”、“菌根真菌AM”、“磷Phosphorus”等相互聯(lián)系，揭示了土壤微生物在磷循環(huán)和植物有效性中扮演重要角色[26]，并且以根際為核心的土壤微生物研究進(jìn)一步加強(qiáng)[27]。圖6 b）中“污染土壤Polluted soil”、“重金屬Heavy metal”、“生物修復(fù)Bioremediation”組成一個研究熱點，微生物降解對于污染土壤的修復(fù)備受關(guān)注[28-29]。2011—2018年，國外土壤微生物研究領(lǐng)域的發(fā)文量穩(wěn)步增加，形成的關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)成熟度高，各個重要節(jié)點聯(lián)系緊密?！岸鄻有浴背蔀槌霈F(xiàn)頻次最高的節(jié)點，“碳”、“有機(jī)質(zhì)”、“微生物生物量”中心度突出，深入探究土壤微生物在養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化中的作用機(jī)理[30-31]。圖6 c）中“微生物群落”、 “生態(tài)系統(tǒng)Ecosystem”、“生物多樣性Biodiversity”相聯(lián)系，表明科研人員更加關(guān)注陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物群落組成，土壤微生物多樣性對于生態(tài)環(huán)境變化的響應(yīng)[32]。在微生物與生物地球化學(xué)過程中，微生物群落或者個體對于氣候變化的響應(yīng)機(jī)制研究也是重要研究內(nèi)容[33]?！岸鄻有浴?、“微生物群落”、“根際”、“植物”相互連接，對于根際的研究更加關(guān)注微生物對植物生長及養(yǎng)分吸收的作用機(jī)理方向[34]。

圖5 高被引論文的年度被引總頻次變化情況Fig. 5 Change in annual total citation frequency of the highly- cited papers

圖6 國外學(xué)者發(fā)表的土壤微生物研究領(lǐng)域文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig. 6 Keyword co-occurring network atlas of the literature contributed by foreign researchers in the field of soil microorganism

2.6 國內(nèi)近30年不同時期的高頻關(guān)鍵詞

為得到國內(nèi)土壤微生物領(lǐng)域研究熱點的演變過程，將1990—2018年發(fā)表的論文劃分為3個時間段：1990—2000年、2001—2010年、2011—2018年。針對不同時間段進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)圖譜。1990—2000年國內(nèi)發(fā)表論文數(shù)量少，研究內(nèi)容分散，關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻率低，交互聯(lián)系少，難以形成關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。圖7 a）中“微生物生物量”、“多樣性”、“細(xì)菌”、“根際”、“動態(tài)”、“碳”、“氮”、“有機(jī)質(zhì)”是出現(xiàn)頻率較高節(jié)點。2001—2010年國內(nèi)土壤微生物研究處于緩慢發(fā)展階段，單個節(jié)點較多，但也出現(xiàn)一些相關(guān)聯(lián)的節(jié)點。“氮”、“碳”、“氮礦化”、“硝化過程”、“有機(jī)質(zhì)”、“分解”、“動態(tài)”關(guān)鍵詞聚集，說明國內(nèi)學(xué)者主要關(guān)注土壤微生物對有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化，碳氮養(yǎng)分循環(huán)的作用[35-36]。隨著實時PCR、變性梯度凝膠電泳DGGE、磷脂脂肪酸PLFA等分子生物學(xué)技術(shù)方面關(guān)鍵詞的增加，增強(qiáng)了對微生物生物量、微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的研究[37-38]。圖7 a）中出現(xiàn)了“細(xì)菌群落Bacterial community”、“森林土壤Forest soil”、“AMF”等紅色的突發(fā)性節(jié)點，說明相關(guān)研究主題的活躍性。2011—2018年國內(nèi)土壤微生物發(fā)文量增長迅速，不同研究熱點間的聚集和聯(lián)系更加豐富?！岸鄻有浴焙汀拔⑸锶郝洹钡某霈F(xiàn)頻次突出，同時“多樣性”與其他節(jié)點連線較多。土壤微生物多樣性與碳氮轉(zhuǎn)化、有機(jī)質(zhì)降解是研究熱點，“氨氧化細(xì)菌AOB”、“硝化”、“反硝化”相連接，探究氨氧化微生物在土壤硝化過程中所起作用[39-40]?！癆MF”、“定殖Colonization”、“根際”和“磷”相連接，表明研究更加關(guān)注菌根真菌與植物的相互作用方式[41]以及菌根真菌提高植物吸收磷的作用機(jī)制[42]?！吧镄迯?fù)”、“降解Degradation”、“重金屬”、“污染土壤”聚集在一起且出現(xiàn)頻次不斷提高，污染土壤及其生物降解修復(fù)機(jī)制成為研究熱點。圖7 b）中“草原Grassland”、“呼吸Respiration”、“氣候變化Climate change”、“CO2升高Elevated CO2”、“微生物生物量”相互連接，探究氣候變化對土壤微生物多樣性和結(jié)構(gòu)功能的影響[43-44]，說明土壤微生物對全球環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制是該時期的一個研究主題。

圖7 國內(nèi)學(xué)者發(fā)表的土壤微生物研究領(lǐng)域文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig. 7 Keyword co-occurring network atlas of the literature contributed by domestic researchers in the field of soil microorganisms

3 結(jié) 論

本文基于文獻(xiàn)計量學(xué)的可視化方法分析了1990—2018年的土壤微生物研究領(lǐng)域的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)國際土壤微生物領(lǐng)域的總發(fā)文量呈增加趨勢，各國間合作密切。中國的年發(fā)文量在2010年后大幅增加，但論文被引頻次低于美國和德國。美國在土壤微生物學(xué)領(lǐng)域具有很大的國際影響力，引領(lǐng)該領(lǐng)域的研究發(fā)展方向。中國科學(xué)院的發(fā)文量和總被引頻次均居于首位，且與國內(nèi)外重要研究機(jī)構(gòu)的合作不斷加強(qiáng)。此外，Applied and Environmental Microbiology、Soil Biology & Biochemistry、ISME Journal等均是土壤微生物領(lǐng)域的重要期刊。由關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)分析可知，國際上土壤微生物研究在土壤養(yǎng)分循環(huán)、全球環(huán)境變化和污染土壤修復(fù)等方面取得重大進(jìn)展。中國土壤微生物學(xué)的研究網(wǎng)絡(luò)形成稍晚，但發(fā)展迅速，研究內(nèi)容逐漸與國際研究方向保持一致。其中土壤微生物的群落組成、多樣性和功能的時空演變規(guī)律、驅(qū)動機(jī)制是土壤微生物學(xué)的主要研究方向之一。同時應(yīng)加強(qiáng)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的微生物驅(qū)動機(jī)制，地上植物與地下微生物相互作用的研究，有助于提升土壤肥力，提高養(yǎng)分利用率，更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；加強(qiáng)土壤微生物與全球變化的研究，深入研究溫室氣體產(chǎn)生和氧化的微生物機(jī)理及其對全球變化的響應(yīng)；土壤微生物-植物的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是土壤污染修復(fù)領(lǐng)域的重要途徑；增強(qiáng)對關(guān)鍵微生物類群的研究，微生物類群間的正反饋作用機(jī)制，定量研究微生物功能群的作用。