導 讀
近30年來，國際土壤科學研究文獻數量快速增長，從其發展脈絡可看出國際土壤學研究受到了學科發展和社會需求的雙重驅動。
土壤生物學的研究逐漸發展為土壤科學研究的熱點和前沿，成為土壤物質循環的主要驅動者和土壤生態系統的核心。
從總體上看，我國土壤科學帶有明顯的區域特色，學科齊全，近30年來的研究取得了顯著的進步，在國際上SCI論文數量比例由1986—1995年的0.6%上升到2006—2013年的14.0%。
未來我國土壤學研究任重道遠，我國土壤學者還需繼續努力，把握學科前沿，不斷提高自身的科研競爭力。
文/宋長青 （ 國家自然科學基金委員會地球科學部）譚文峰（ 華中農業大學資源與環境學院）
來源：土壤學報（2015年第5期）
土壤圈覆蓋于陸地表層，處于大氣、生物、巖石、水等圈層的交接面上，是陸地表層系統的連接紐帶，支持著地球主要生命過程，保持著生態系統的平衡。
同時，土壤也是糧食、纖維、燃料等與人類福祉密切相關的、難以再生的自然資源；在應對或減緩環境污染、生態退化、能源短缺、氣候變化等領域均至關重要。
沒有健康的土壤，地球上的生命則將不可持續。然而，土壤退化已成為世界性難題，全球約33%的土壤因城鎮化、水土流失、養分耗竭、鹽堿化、干旱化和污染等帶來嚴重挑戰，可能引起土壤資源耗竭并導致整個文明的衰敗。
土壤科學是認知土壤的發生過程、空間分布規律和人類干擾導致的土壤各種功能變化的物理、化學和生物學機理，為土壤資源合理利用和管理提供科學依據的學科。
土壤科學作為典型的傳統學科，在其發展過程中受其他傳統學科體系不斷發展和完善的影響，一些新的研究思路、研究方法和研究手段等持續被引入土壤科學研究領域；同時，其他學科研究者開始涉足土壤科學的研究，使學科交叉滲透頻繁，新興領域蓬勃發展。
我國土壤科學的發展以滿足國家和社會發展需求為主要驅動力，而土壤內部“關鍵過程”的核心主題研究卻略顯薄弱，使得學科發展的源動力略顯不足。
因此，如何科學、客觀、定量描述土壤科學發展的脈絡，是當前迫切需要思考的問題。本論文期望通過文獻計量學方法，總結國內外土壤科學近30年不同時期發展歷程和研究進展，促進我國土壤科學研究邁上新的臺階。
1 文獻計量研究方法與數據來源
文獻計量是以文獻體系和文獻計量特征為研究對象，采用數學、統計學、文獻學等定量研究方法，研究所關注學科領域文獻的分布結構、數量關系、變化規律和定量管理，進而探討科學技術研究的內在結構、特征和規律。
某一學科或領域發表文獻的多少和變化，不但在一定程度上反映了該學科的發展狀況、規律及趨勢，而且可以透視龐大的知識體系中各個領域的結構，理順當代知識大爆炸形成的復雜知識網絡，預測學科發展的最新態勢，從而為某領域的理論研究和發展提供有益的啟示。
本文從美國科學情報研究所出版的Web ofScience中選擇了代表土壤科學發展的78種期刊作為國際文獻分析的數據源，通過關鍵詞“土壤”檢索的方式從中國知網數據庫（CNKI）確定中文文獻數據源，分1986—1995、1996—2005和2006—2013年三個時間段檢索，檢索時間為2015年1月10日。共檢索到國際英文文獻350 265篇和國內中文文獻57 495篇。
采用信息可視化軟件Citespace和文本挖掘分析軟件TDA（Thomson Data Analyzer），給合自主開發的信息提取程序，綜合定量分析科學知識圖譜的方法繪制聚類視圖，以可視化的圖像直觀地展現出土壤科學不同發展階段的熱點領域與研究前沿。
圖譜中每個年輪大小代表關鍵詞出現的頻率，越大說明該關鍵詞出現的次數越多；年輪顏色代表時間，粗細代表頻率；關鍵詞之間距離代表共現頻率的高低，距離越近說明共現頻率越高。
2 國際土壤科學近30年發展脈絡
近30年共檢索到350 265篇國際英文文獻，1986—1995、1996—2005和2006—2013年間的文獻數量分別占總文獻數量的18.7%、32.6%和48.7%，呈快速增長趨勢。
文獻計量的網絡圖譜可較好地反映關鍵詞在文獻中出現的頻次、關鍵詞間的關聯。圖1、圖2和圖3分別為不同年限間土壤科學國際文獻計量網絡圖譜。
三個時段土壤科學發展的脈絡差異較大：圖譜脈絡隨時間推移由樹枝狀向網狀發展，關鍵詞間的距離逐漸減小、分異程度降低，不同研究領域間的交叉融合不斷增強。
關鍵詞的詞頻在一定程度上反映土壤科學研究的主要熱點領域：在過去30年，隨著年限的增加，關鍵詞出現的頻次逐漸增多，特別是1996—2005年間較前10年頻次增加了4倍～5倍，土壤科學在此階段受關注的程度上升趨勢最為顯著（表1）。
前10位均出現nitrogen、microbial biomass、rhizosphere、phosphorus、maize等關鍵詞，表明這些領域或內容一直是研究熱點，持續受到關注；隨著時間推移，organic matter、erosion、heavy metal 逐漸成為高頻關鍵詞，這些研究領域越來越受到重視。
由此可見，土壤科學在早期以土壤肥力主導的農田土壤學研究，逐漸發展為以生態環境為核心的問題導向研究，土壤生物主導的土壤過程研究越來越受到重視。
2.1 主要以農田土壤為對象，以農業生產為目標的應用基礎研究時期（1986—1995年）
1986—1995年國際文獻計量網絡圖譜中聚成了6個相對獨立的研究聚類圈（圖1），聚類圈之間相對離散。根據圈中的高頻關鍵詞可歸納為土壤肥力、營養元素、土壤礦物、土壤氮素、生物固氮5個方面；其中有三個聚類圈均與土壤氮素研究有關，但它們所關注的內容不同。
在聚類圈內出現了玉米、小麥、大麥、大豆等作物高頻關鍵詞，說明該時期的土壤科學主要是圍繞大田作物開展的氮、磷、鉀等大量營養元素的研究，其中又以土壤氮循環為核心。
此外，土壤根際也是研究熱點，研究涉及營養元素有效性與土壤根際微域環境間的關系。可見，該時期是以土壤肥力主導的農田土壤學研究。
土壤氮循環研究主要集中在生物固氮和氮的形態轉化。文獻計量網絡圖譜顯示生物固氮領域主要以豆科植物與根瘤菌共生固氮為主，從基因和分子水平上開展固氮酶的結構、催化機制的研究。
農田土壤氮素循環主要以小麥、大麥和大豆為研究載體，利用同位素15N標記技術，集中開展氮的形態轉化研。在明確土壤氮素循環方式及其影響因素的基礎上，建立反硝化作用的隨機模型和與氨揮發的邏輯經驗模型，預測氮素的動態循環過程，探討農田土壤生態系統中氮素在大氣-作物-土壤循環中的關鍵過程。
土壤礦物聚類圈中主要圍繞高嶺石、蒙脫石和伊利石等礦物，利用X射線衍射（XRD）和電子顯微鏡（EM）等技術，建立了一套完善的次生黏土礦物鑒定與半定量分析方法，研究了土壤形成過程中礦物的演化特點，探討了土壤組分對重金屬、表面活性劑等的吸附解吸過程。
2.2 以農田和自然土壤為對象，土壤關鍵過程與土壤肥力并重的研究時期（1996—2005年）
1996—2005年國際文獻計量圖譜呈網狀，可將年輪圈大致分成4個聚類圈，分別為土壤養分、土壤有機碳與全球變化、土壤物理與侵蝕、土壤重金屬的化學行為（圖2）。
與前10年相比，此階段國際土壤科學研究前20的高頻詞中與氮、磷有關的土壤肥力關鍵詞頻次進一步增加，在這20年間養分循環與高效利用始終是研究重點。
同時在前20的高頻詞中出現了erosion、tillage、heavy metal、nitrous oxide、adsorption、arbuscular mycorrhiza、leaching、soil quality等關鍵詞（表1），意味著國際土壤科學開始關注水土流失、土壤污染、溫室氣體排放等生態環境問題，研究重點由土壤肥力主導的農田土壤學研究轉向以生態環境為核心的問題導向研究。
在土壤有機碳與全球變化的聚類圈中，以土壤生物驅動的土壤有機碳轉化與固定成為主要研究內容，建立了農田、草地、濕地、林地等陸地生態系統碳氮動態過程的系列模型；農業土壤有機碳庫的變化及其對陸地生態系統和大氣CO2、CH4、N2O的源匯效應受到重視，西方國家已將固碳農業作為環境管理的導向，如美國的“Carbon bank”計劃。
文獻計量圖譜顯示土壤侵蝕研究中，土壤結構、團聚體穩定性、土壤容重、土壤耕作等直接或間接反映土壤物理性狀的指標與土壤侵蝕關系的研究明顯加強，土壤養分與土壤物理的交叉增多。
土壤侵蝕模型研究得到快速發展，構建和完善了諸如USLE、RUSLE等經驗模型、以及EUROSEM、WEPP、GUEST等過程模型。
這一時期重點開展了鎘、銅、鋅等重金屬在土壤組分上的靜態吸附行為研究，結合表面光譜技術分析了重金屬元素的表面配位、化學形態，開發了系列機理量化模型，加深了對金屬離子在環境中行為的理解。
2.3 圍繞土壤環境過程與全球變化的土壤物質循環和微觀機理研究時期（2006—2013年）
相比前兩個10年的文獻計量網絡圖譜，2006—2013年最大的特點是研究節點增多且相對集中，各研究領域間的交叉融合明顯增強。
聚類圈立體譜顯示現有研究主要集中在土壤養分循環、以土壤碳為主線的全球變化、土壤侵蝕和重金屬的環境行為等；還出現了以微生物多樣性為主要內容的聚類圈，其他聚類圈中均或多或少地包含與微生物有關的關鍵詞，加強了微生物在土壤過程中的作用研究，特別是生物技術（如變性梯度凝膠電泳（DGGE）、磷酸脂肪酸生物標記法（PLFA））在土壤科學中的應用（圖3）。
Organic carbon、soil respiration、grassland、climate change和carbon sequestration等與碳循環有關的詞匯均出現在前20的高頻關鍵詞中（表1），表明作為地球表層系統中最大的碳儲庫——土壤碳匯的研究不斷加強，在深化“固碳農業”的同時逐漸重視草地生態系統的固碳效應。
全球變化研究聚類圈中首次出現關鍵詞“生物炭（biochar）”，并在土壤改良、水土保持、溫室氣體減排、以及污染環境修復等方面均展現出應用潛力。Organic matter、nitrogen、phosphorus仍居高頻關鍵詞的前三位（表1），以土壤肥力為中心的土壤養分與元素的轉化仍是國際土壤科學的研究重點；由于土壤微生物研究的加強，其關注點轉向養分元素的生物地球化學循環過程研究。
此外，植物修復作為有效凈化水土資源的綠色環保方法越來越受到重視，文獻計量網絡圖譜中顯示微生物介導的植物修復理論與技術的研究成為目前土壤重金屬污染治理研究中的生長點。
而土壤侵蝕研究聚類圈向全球變化研究聚類圈靠攏，圈中最大的關鍵詞erosion年輪圈相對獨立，與土壤物理性質（soil structure，bulk density）、耕作管理（no tillage）等關鍵詞節點距離較遠，表明近10年土壤侵蝕研究由侵蝕機理研究逐步向時空尺度上的侵蝕過程研究轉變。
3 中國土壤科學近30年發展脈絡
近30年發表與土壤有關的文獻共檢索到57 500余篇，1986—1995、1996—2005和2006—2013年三個時段文獻數量分別占總數量的13%、29%和58%，整體呈快速上升趨勢，特別是2006—2013年加速增長，其數量占了全部文獻的近60%。
土壤科學文獻計量網絡圖譜中各個年輪圈非常明確，隨著年限的增長，年輪圈越來越大，圈內所包涵的內容越來越復雜，學科間的綜合增強，但年輪圈間
的關聯向離散發展（圖4、圖5、圖6）。
近30年不同年限出現頻次較高的關鍵詞有土壤侵蝕、土壤水分、土壤肥力；隨著時間推移，土壤重金屬、土壤養分、土壤微生物逐漸成為高頻關鍵詞（表2），表明土壤科學在發展過程中對土壤微生物的作用與功能的研究加強，國家和社會發展的需要逐漸成為土壤科學研究的主要驅動因素。
可見，我國土壤科學在1986—1995年間以區域土壤研究為重點，進而發展為以土壤養分與肥力、重金屬污染、水土流失等重大問題為導向的土壤科學研究，當前主要表現為學科間交叉不斷加強的土壤科學研究。
3.1 以作物高產和土壤保肥為目標的基礎土壤學研究時期（1986—1995年）
1986—1995年間網絡圖譜中年輪圈最大且與其他年輪圈交叉最為頻繁的是土壤肥力、土壤水分、土壤侵蝕，以紅壤、紫色土、黃土、石灰性土壤和水稻土為研究對象（圖4）。
但對不同區域土壤關注內容不同：紅壤以土壤特性和退化為主，水稻土側重于發生分類、土壤培肥，紫色土以土壤肥力為主，黃土重點關注土壤侵蝕與水土保持、古氣候。
這些區域典型土壤的研究為我國土壤學科在系統分類、肥力與改良、土壤侵蝕與水土保持等方面的研究奠定了基礎。
年輪圈的交叉顯示土壤肥力相關研究中，主要以旱地和稻田土壤為研究對象，采取定位試驗、田間試驗、模擬試驗，研究了秸稈還田、有機物料、施肥等對土壤有機質、肥料利用率、作物產量的影響。
這些研究提出了一系列提高土壤肥力的培肥措施，并利用微團聚體、腐殖質特性、土壤酶活性等指標來評價培肥效果。
土壤退化方面主要針對南方不同類型退化紅壤的時空變化，研究不同退化過程的形成機理、恢復與重建退化紅壤的長期試驗示范模式，同時建立紅壤退化的預測預報體系。
完善了中國土壤侵蝕的分類分區系統，初步闡明了坡面土壤侵蝕過程，特別是關于黃土坡面侵蝕方式演變過程及機理，流域泥沙來源界定、小流域水土流失綜合治理等方面的研究已經達到或接近世界先進水平。
3.2 高強度土壤利用下的土壤學應用基礎研究時期（1996—2005年）
圖5顯示1996—2005年間土壤科學研究的方向比較集中，相對較大的年輪圈主要是土壤養分與肥力、重金屬污染、水土流失，幾乎涵蓋了絕大部分的研究內容。
土壤水分、土壤侵蝕、重金屬、土壤肥力、土壤養分也成為這10年間出現頻率前五的關鍵詞，與1986—1995年間的高頻關鍵詞相比，頻次增加了近5倍。說明我國土壤科學在1986—2005年間的主要科學問題比較一致，即首要的問題是土壤養分與肥力。
但由于高強度土壤利用條件下，造成的環境問題日益突出，我國在土壤肥力與養分循環方面的工作中，加強了施肥的環境效應的研究：
（1）有機碳、甲烷、二氧化氮、氣候變化的年輪圈與土壤肥力充分交融，開始注意到高產與環境的協調；
（2）氮、磷、鉀、微量元素、有效性、根際成高頻關鍵詞，冬小麥、玉米、產量間的連線錯雜、密集，表明提高肥料利用效率、微量元素的根際過程受到重視。
土壤水分位于最大年輪圈的中心，與可持續發展、植被、坡耕地、土地利用、空間變異、地理信息系統、水土流失、地統計學、黃土丘陵區、三峽庫區等高頻關鍵詞交融在一起，表明以三峽庫區和黃土丘陵區為主要區域，利用多種方法和手段對不同土地利用下土壤的水分問題展開了大量研究。
同時開展了土壤-植物-大氣連續體（SPAC）中水分運動的研究，提出了水流通量與水勢差關系的假設，建立了作物根系吸水模式，為我國北方旱區農業節水開辟了新的途徑。
從經典統計學到地統計學，使土壤水分空間變異性的研究逐步由定性的經驗描述走向定量的理論分析，為農田精確灌溉，水分、鹽分的監測和管理提供了科學依據。
在土壤侵蝕過程與動力機制、環境效應等方面的研究取得了長足進步，流域泥沙來源界定、小流域水土流失綜合治理等方面的研究仍保持世界先進水平。
從文獻計量網絡圖譜還看到，土壤污染與修復年輪圈面積大，包含了重金屬、農藥、多環芳烴、植物修復等眾多高頻詞匯，表明20世紀末我國經濟的快速發展導致土壤環境與健康、土壤污染控制與修復備受關注。
20 世紀90年代中葉開始在重金屬污染土壤的植物修復、以及農藥、石油和多環芳烴污染土壤的微生物修復等方面取得了顯著進展。
90年代后期重金屬污染土壤的超積累植物修復研究在全國興起，也帶動了電動修復、化學固定修復等土壤修復方法的研究，研發了砷、銅、鋅等重金屬污染土壤的植物修復技術，建立了植物修復示范工程，為土壤修復技術的實際應用做出了示范。
3.3 圍繞農業生產和環境功能的土壤、環境過程以及農田管理的系統研究時期（2006—2013年）
與前面兩個10年的文獻計量網絡圖譜相比，2006—2013年最大的特點是研究節點數量變少，但高頻關鍵詞的大年輪圈與小年輪圈間的交叉和融合明顯增強（圖6）。
圖譜中最大的年輪圈包含了重金屬、沉積物、土壤含水量、水分利用效率、碳儲量、秸稈還田、作物產量、耕作方式、土壤健康風險、小麥、大豆、蔬菜、富集系數等眾多高頻關鍵詞，表明這10年間不僅關注肥力、產量、水分等傳統土壤學的問題，還關注人為活動產生的環境效應方面的研究，例如土壤改良劑、長期施肥、施肥措施與結構對作物產量和重金屬含量、形態特征的影響，作物水分利用效率、耕作方式、退耕還林的水土保持效應等，從而實現人類活動與生態環境的協調發展。
網絡圖譜中的高頻詞還包括了地理信息系統、空間變異等，信息技術在養分資源綜合管理中的應用，促進傳統施肥向養分資源綜合管理的轉變；依據復雜侵蝕環境和侵蝕發生過程的研究，提出我國土壤侵蝕因子評價指標和方法，不同尺度各因子對土壤侵蝕的影響和坡面、流域等尺度的侵蝕產沙傳遞關系，形成了適合復雜環境侵蝕預報模型構建的理論與方法。
網絡圖譜中許多年輪圈（長期定位施肥、土壤團聚體、土壤修復、植被恢復）均與微生物（活性、群落結構、酶活性、生物量）包含或交叉，土壤微生物參與土壤關鍵過程的研究眾多，成為土壤關鍵元素生物地球化學循環的引擎。
在2005年國家自然科學基金委員會地球科學部組織召開的“土壤生物與土壤過程”研討會精神的推動下，國內主要土壤學研究單位提出了大量具有交叉性和前沿性的研究課題。
對土壤氮素轉化微生物學機制、土壤溫室氣體排放的微生物學機制、土壤有機質的周轉與肥力演變、土壤礦物表面與微生物相互作用機理、土壤中污染物生物轉化的微生物學機制、土壤微生物污染與控制機理等方面開展了一系列深入的研究，提升了我國土壤微生物學研究的國際地位。
4 結 語
近30年來，國際土壤科學研究文獻數量快速增長，特別是2006—2013年的發文量占了近30年總量的48.7%，從其發展脈絡可看出國際土壤學研究受到了學科發展和社會需求的雙重驅動。
土壤過程、演變和功能研究從傳統的農田土壤學向地球關鍵帶擴展，通過對關鍵帶土壤的物質形成與大氣、水、生物、巖石的交換和循環等研究，為理解陸地表層系統變化過程與機理提供基礎信息，并融入地球系統科學。
土壤科學研究借助系統科學新思維、物質科學新技術等進一步推動土壤學的認知水平和分析能力，使其宏觀上更“宏”、微觀上更“微”；同時，土壤科學與其他科學、以及土壤科學分支學科間的交叉越來越明顯，從而衍生出新的學科點。
土壤生物學的研究逐漸發展為土壤科學研究的熱點和前沿，成為土壤物質循環的主要驅動者和土壤生態系統的核心。
從文獻計量分析的結果也發現，我國土壤科學與國際土壤科學的發展脈絡存在差異。國際土壤科學的發展更強調學科基礎，即土壤科學發展的內在驅動因素，在此基礎上突出全球變化、環境污染等與人類福祉密切相關的新興學科。
而我國土壤科學在發展過程中突出了區域特色，以土壤地力提升、土壤侵蝕與水土保持、土壤污染與修復等問題導向研究更加明確。
隨著研究深入，國內外均強調過程與機理，通過機理揭示現象，生物的作用越來越明顯；學科之間不斷交叉、滲透與融合，促進了土壤科學領域的科學發現和新興交叉學科的產生。
從總體上看，我國土壤科學帶有明顯的區域特色，學科齊全，近30年來的研究取得了顯著的進步，在國際上SCI論文數量比例由1986—1995年的0.6%上升到2006—2013年的14.0%。
在研究的深度與廣度上均有不同程度的發展，研究目標從自然土壤向與人類活動密切相關的農業、資源和環境等方面轉變，研究的時空尺度從全球、區域和流域到土鏈、田塊、顆粒、結構、分子、原子等轉變，研究手段則不斷地借助于高新技術向信息化、數字化、網絡化和集成化轉變。
但整體上仍處于跟蹤國際前沿的水平，引導國際土壤科學研究方向的原創性研究成果較少。因此，未來我國土壤學研究任重道遠，我國土壤學者還需繼續努力，把握學科前沿，不斷提高自身的科研競爭力。
致 謝 感謝國家自然科學基金委員會地球科學部冷疏影研究員的寶貴建議；感謝中國科學院地理科學與資源研究所裴韜博士和高錫章博士提供的文獻計量分析數據和網絡圖譜；感謝華中農業大學史志華博士在文獻資料整理過程中的辛勤勞動。
具體參考文獻請查詢原文了解。
（原標題：基于文獻計量分析的近30年國內外土壤科學發展過程解析）
來源：固廢觀察
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