基于CiteSpace的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究熱點與趨勢

陳甜倩 高 陽 馮 喆 楊 楊 吳克寧 趙華甫

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；3.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035)

土壤是生物圈、巖石圈、水圈和大氣圈的核心部分和交匯區(qū)，是地球關(guān)鍵帶的核心組成部分[1]。土壤匯集了碳、氮和水三大生物地球化學(xué)循環(huán)[2]，是支撐生物多樣性和人類生存的重要生態(tài)系統(tǒng)。隨著人口的增長，土壤壓力逐漸增加，土壤的自然資本也面臨持續(xù)的下降[3]，土壤安全這一新興的可持續(xù)性科學(xué)概念也越來越受到重視[4]。土壤安全取決于土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[5]。土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指“土壤特殊自然資產(chǎn)對人類提供的福祉”[3]，其強調(diào)土壤在生態(tài)系統(tǒng)和土地利用范圍內(nèi)，維持生物生產(chǎn)力、維護(hù)環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)動植物和人類健康等諸多惠益[6-8]。目前，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念內(nèi)涵[9]、觀測手段與技術(shù)[10]、區(qū)劃與制圖[11]等研究已經(jīng)取得成果。土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是與農(nóng)林生產(chǎn)緊密相關(guān)的，通過土壤功能形成傳遞至人類社會的終端自然供給，包括初級生產(chǎn)力、水凈化與調(diào)節(jié)、碳封存與調(diào)節(jié)、生物多樣性供給、養(yǎng)分供給與循環(huán)等[12]。在服務(wù)評價指標(biāo)及其權(quán)重方面，文獻(xiàn)和專家經(jīng)驗等先驗知識是選取指標(biāo)和確定權(quán)重的重要依據(jù)；在具體服務(wù)評價模型上，遵循生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價普遍經(jīng)驗，多采用可表達(dá)水土過程的機理過程模型[13]。在過程驅(qū)動及影響機制方面，土壤生態(tài)系統(tǒng)是不同作用尺度的成土因素共同作用的結(jié)果[14]。全球氣候變化[15]、城市化[6]、人為工程[10]等影響了土壤的封閉、壓實，加劇了鹽堿化和污染，是土壤生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的重要因素。

與其他服務(wù)相比，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在過程和機理性評估方面優(yōu)勢明顯，其野外采樣、控制實驗和過程模擬等較技術(shù)相對成熟。但與土壤過程與功能評估相比，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類和經(jīng)濟(jì)評估仍處于探索階段[16-19]。通過強化土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以合理利用、改善、恢復(fù)土地資源[20]，保障糧食安全[21]，是解決氣候變暖和土壤退化下等土壤可持續(xù)管理重要抓手[3,22]。因此，本研究擬以土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究領(lǐng)域1 617篇文獻(xiàn)為研究對象，基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫提供的相關(guān)文獻(xiàn)引文信息，采用文獻(xiàn)計量法來對現(xiàn)有土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理，提煉相關(guān)文獻(xiàn)并繪制知識圖譜， 結(jié)合引文可視化工具，采用合作網(wǎng)絡(luò)分析、共被引分析、關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析及突發(fā)分析，繪制知識圖譜，揭示土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究動態(tài)，以期為土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化調(diào)控研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用英文文獻(xiàn)進(jìn)行計量化分析，數(shù)據(jù)樣本選自Web of Science核心數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫收錄了全球各個學(xué)科重要的文獻(xiàn)，及其作者和作者附屬機構(gòu)，并提供完整的引文信息。

檢索步驟包含：①檢索起點選定1997年，即Costanza等[23]發(fā)表《The value of the world’s ecosystem services and natural capital》(世界生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與自然資本核算)的重要年份；②檢索時間截至2020-12-31；③檢索語句為TU=ECOSYSTEM SERVICE AND TI=SOIL。

檢索結(jié)果篩選步驟：①選擇文獻(xiàn)類型(Document Types)為文章(ARTICLE)，刪去會議摘要、書評、信件；②刪除無關(guān)條目，去除重復(fù)條目。最終，以檢索所得的1 617篇文獻(xiàn)為研究數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

本研究采用文獻(xiàn)可視化分析軟件CiteSpace，該工具為檢測和可視化隨時間推移的新興趨勢和突變而開發(fā)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的被引情況等可確定某一領(lǐng)域的基礎(chǔ)[24-25]。具體研究思路見圖1。通過對篩選所得的1 617篇文獻(xiàn)進(jìn)行研究階段分析、關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和突發(fā)分析、文獻(xiàn)共被引分析，結(jié)合對1997—2020年各年份內(nèi)的文獻(xiàn)的主題梳理，探索研究領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑，并進(jìn)行一系列可視化圖譜的繪制，來形成對學(xué)科研究熱點、學(xué)科演化分析和發(fā)展前沿的探測。

圖1 研究框架Fig.1 Research framework

關(guān)鍵詞主要是用于表達(dá)文獻(xiàn)核心內(nèi)容的描述性詞語[26]。在所考慮的時間序列中，關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次和突發(fā)強度是熱點變化途徑識別的關(guān)鍵要素[27]。文獻(xiàn)的共引文獻(xiàn)內(nèi)容反映了研究領(lǐng)域的知識基礎(chǔ)，為深入研究奠定了基礎(chǔ)[28-29]。因此，本研究采用關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析和突發(fā)分析，結(jié)合文獻(xiàn)共被引分析，概括研究熱點，把握學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)[30]。

在研究發(fā)展脈絡(luò)的具體劃分中，對“關(guān)鍵詞”采用對數(shù)似然率(Log-likelihood ratio，LLR)方法進(jìn)行聚類，通過LLR和MI算法提取的研究術(shù)語傾向于反映集群的獨特性[23]，并且使用LLR算法提取聚類標(biāo)簽會更加符合實際情況，重復(fù)較少。另外，對于文本分析和類似問題，使用LLR可以大大改善統(tǒng)計結(jié)果，如：使用非常小的文本量可以有效地進(jìn)行統(tǒng)計文本分析，并且可以比較罕見現(xiàn)象和常見現(xiàn)象發(fā)生的重要性[31]。

本研究參數(shù)設(shè)置和所涉及的指標(biāo)解讀如表1所示。設(shè)置項目有：時間范圍(Time slicing)、主題詞來源(Term source)、節(jié)點類型(Node types)、主題詞閾值(Selection criteria)、網(wǎng)絡(luò)裁剪(Pruning)，其余保持默認(rèn)(Default)。圖譜解讀主要從節(jié)點(node)、連線(link)、顏色(color)、標(biāo)注(label)、網(wǎng)絡(luò)(network)等分析，計量指標(biāo)有頻次(frequency)、中介中心性(betweenness centrality，簡稱“中心性”)、突發(fā)度(strength)等。

表1 文獻(xiàn)分析研究方法及參數(shù)設(shè)置Table 1 Overview of research methods and parameter setting

2 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)核心觀點

2.1 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)文獻(xiàn)基本特征

在全球氣候變化、糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展需求的背景下，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)文獻(xiàn)數(shù)量近年來快速增加。最早的一篇與“土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”直接相關(guān)的文獻(xiàn)發(fā)表于1998年[32]。1997—2020年，共收集到 1 617篇文獻(xiàn)發(fā)表在266種期刊上，與生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)等相關(guān)的ScienceoftheTotalEnvironment、AgricultureEcosystemsEnvironment、AppliedSoilEcology和Geoderma4種期刊刊載量靠前。在發(fā)表階段劃分上，1997—2005年土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)文獻(xiàn)年發(fā)文數(shù)量較平穩(wěn)；2006—2018年年度發(fā)文數(shù)和累計發(fā)文數(shù)增長較快(圖2)。2006年是土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)出版文獻(xiàn)快速增長的一年。其中：Housman等[33]闡釋了固碳固氮服務(wù)在科羅拉多高原和奇瓦瓦沙漠的生物土壤結(jié)殼的演替階段之間的差異，被引達(dá)142次；同年，Lavelle等[34]論述了土壤中的無脊椎動物和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)聯(lián)，被引達(dá)441次。

圖2 1997—2020年土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量Fig.2 Distribution of the number of research documents published from 1997 to 2020

2.2 研究熱點概括

由關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜可見，排名前5的絕對高頻關(guān)鍵詞有“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(ecosystem services)”、“管理(management)”、“生物多樣性(biodiversity)”、“有機質(zhì)(organic matter)”、“土地利用(land use)”，而出現(xiàn)時間最早的關(guān)鍵詞為“影響(impact)”(圖3)。通過關(guān)鍵詞突發(fā)性檢驗(表2)，識別出突發(fā)強度較大的前33個關(guān)鍵詞。突發(fā)詞反映了不同研究時期的研究內(nèi)容和研究區(qū)的變化。關(guān)鍵詞的頻次、突發(fā)性能宏觀反映出研究主要主題及變化，但是詞頻高低只代表這個主題的關(guān)注程度。因此，本研究通過被引網(wǎng)絡(luò)圖譜分析(圖4)，來刻畫土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究內(nèi)各個主題的重要性，并依據(jù)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究熱點演化趨勢可劃分為起步(1997—2008年)、概念及研究體系初步形成(2009—2013年)、穩(wěn)定發(fā)展(2014—2015年)和深入探索(2016—2020年)4個階段?？v觀4個研究階段，從對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的初步探索，到開始出現(xiàn)較強的研究網(wǎng)絡(luò)凝聚力，對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的認(rèn)知也更為豐富，進(jìn)而探索了可持續(xù)管理路徑，呈現(xiàn)出循序漸進(jìn)的規(guī)律，較好的表現(xiàn)了學(xué)術(shù)界對于新事物的“初識—熟知—深入”的接受過程。

表2 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)突發(fā)詞年份排序Table 2 Outburst year ranking of soil ecosystem service

圖3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜Fig.3 Time and focus distribution of keywords

圖4 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究主題網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.4 Topic network map of soil ecosystem services

2.2.1研究初期

1997—2008年，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究處于起步階段，各聚類內(nèi)的關(guān)鍵詞高頻出現(xiàn)，這標(biāo)志著土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在這個時期突破性發(fā)展，從共被引網(wǎng)絡(luò)來看(圖4)，研究主要集中在于“可持續(xù)農(nóng)業(yè)”和“植物物種”2 個方面[35-36]，高強度突發(fā)性關(guān)鍵詞有“cropping system(種植系統(tǒng))”和“l(fā)andscape(景觀)”。

土壤是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多樣性的重要來源，其所提供的有益服務(wù)可支持大多數(shù)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，比如土壤形成、養(yǎng)分循環(huán)、初級生產(chǎn)[34]。然而土壤圈內(nèi)部的物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)換過程活躍，與地球其他圈層之間的物質(zhì)交換過程、速率、機制及其相互影響機制復(fù)雜。在這一時期，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究被作為切入點來研究土壤中生物和功能多樣性以及生態(tài)相互作用。Lavelle等[34]認(rèn)為在土地和景觀尺度上，無脊椎動物積極參與土壤中物理、化學(xué)和生物過程之間相互作用，通過土壤提供重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，可能是土壤質(zhì)量的最佳指標(biāo)，但其價值往往被忽略，應(yīng)將無脊椎動物視為一種資源，通過對其進(jìn)行適當(dāng)管理，以增強農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。同時期的Barrios[37]關(guān)注到土壤生物群落可以對土地生產(chǎn)力產(chǎn)生直接和間接的影響，直接影響是指特定生物立即作用與農(nóng)作物產(chǎn)量的影響；間接影響包括土壤生物參與碳和養(yǎng)分循環(huán)，土壤結(jié)構(gòu)改變和食物網(wǎng)相互作用所產(chǎn)生的影響最終產(chǎn)生了影響生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并且提出明確和合理管理土壤生物區(qū)系來管理土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

此外，土壤有機質(zhì)是土壤資源狀況的有效指標(biāo)，反映了聚集和滲透等功能性狀，并在維持農(nóng)業(yè)景觀的生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[38]。在這個階段已有研究提出應(yīng)重視黑碳和埋藏碳對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響，并且有必要在景觀尺度、流域、區(qū)域和全球尺度上評估受土壤耕作和殘留管理影響的碳循環(huán)的組成部分[39]。

總之，早期的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究和土壤學(xué)的前沿分支，從土壤圈層的復(fù)雜作用出發(fā)，關(guān)注了土壤生物和土壤有機質(zhì)等對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響和指示作用，并且出現(xiàn)包括景觀級別在內(nèi)的多尺度的研究案例或者研究導(dǎo)向。在這一階段，研究以對土壤功能的探索和實用性研究為主，逐步進(jìn)行概念界定和知識積累。

2.2.2研究增長期

2009—2013年，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究處于概念及研究體系初步形成的階段，開始形成不同的研究分支，逐步拓展研究網(wǎng)絡(luò)，大量高頻次關(guān)鍵詞和突發(fā)詞大量涌現(xiàn)，以歐洲的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究最為活躍。知識圖譜顯示，該領(lǐng)域研究者對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的認(rèn)知逐漸豐富，突發(fā)詞有“農(nóng)業(yè)土壤(agricultural soil)”、“分類(classification)”、“生態(tài)系統(tǒng)(ecosystem)”、“土壤質(zhì)量(soil quality)”、“蚯蚓(earthworm)”等18個，其中“土壤動物區(qū)系(soil fauna)”突發(fā)期為2012—2016年，“叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi)”和“尺度(scale)”的突發(fā)期直至2017年結(jié)束(圖4)。

研究熱點內(nèi)容之一是與可持續(xù)農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)有關(guān)的土壤管理，包括土壤特性研究、農(nóng)業(yè)耕作方式研究、農(nóng)戶產(chǎn)權(quán)等在內(nèi)。通常認(rèn)為有機耕作可以保護(hù)和利用土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，也是一種更可持續(xù)的糧食生產(chǎn)方法，可持續(xù)農(nóng)業(yè)和自然恢復(fù)也被視為耕地集約化利用的可行的長期替代方案[40]。但是“有機農(nóng)業(yè)”和“常規(guī)農(nóng)業(yè)”都涵蓋了多種耕作方式，其中，某些方式比其他方式更多地增強或減少了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，因此可持續(xù)農(nóng)業(yè)應(yīng)當(dāng)集中于特定農(nóng)業(yè)實踐[41]。此外，F(xiàn)oudi[42]考察了產(chǎn)權(quán)在農(nóng)民實踐和水土保持中的作用，建立了包含土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生產(chǎn)函數(shù)方法在內(nèi)的最佳控制模型。

土壤食物網(wǎng)屬性可解釋土地利用系統(tǒng)中的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化，如土地利用系統(tǒng)和地理位置之間碳和氮循環(huán)的過程，并且比土地利用更好地預(yù)測了這些過程[43]。已有研究表明，在生態(tài)系統(tǒng)變化過程中土壤食物網(wǎng)的變化會改變碳和養(yǎng)分循環(huán)速率，對植物生長和固碳具有重要意義[44]。為此，歐盟開展“歐洲流域土壤轉(zhuǎn)化”項目(Soil Transformations in European Catchments)，關(guān)注了土壤食物網(wǎng)在生態(tài)系統(tǒng)過程(固碳、養(yǎng)分循環(huán)、土壤團(tuán)聚體形成)中的作用[40]。土壤食物網(wǎng)中的重要消費者是土壤動物，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供者，因此土壤動物功能復(fù)雜性與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系的微觀研究也是這一時期研究的熱點[45]。

在共被引網(wǎng)絡(luò)(圖4)的關(guān)鍵節(jié)點對應(yīng)文獻(xiàn)中，Schimel等[46]主要探討了微生物生理和群落組成對干旱和凍結(jié)兩大重要生態(tài)系統(tǒng)壓力因素的響應(yīng)及其對生態(tài)功能的影響。土壤生物群對于許多土壤過程和功能至關(guān)重要，因此Pulleman[47]提出可以通過對生物指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，以達(dá)到聯(lián)系土地利用管理與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的目的。但是這并不是具有普適性的生物指示劑，在不同的土壤條件下仍需要相應(yīng)的指標(biāo)，比如在沙質(zhì)和粉質(zhì)土壤中，彈尾目和線蟲之間的相互作用對于降低小麥秸稈的氮濃度至關(guān)重要，對促進(jìn)土壤健康做出了重要貢獻(xiàn)[48]。此外，生物多樣性也提供許多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，對于生態(tài)系統(tǒng)管理者來說，需要確定所有物種是否都是服務(wù)同等重要提供者，或者某些物種是否比其他物種更重要[49]。

土壤質(zhì)量是土壤健康的代名詞，在考慮當(dāng)代和未來土地利用時是重要的概念[50]。為實現(xiàn)土地可持續(xù)性管理和決策，需要關(guān)注土壤和土地利用如何支撐生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[50]。比如考慮到環(huán)境的多樣性，必須調(diào)整全球政策，并在國家或國家以下各級制定戰(zhàn)略，以改善土壤環(huán)境，此類倡議須在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民一級采取行動，并著重于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[51]。對于利益相關(guān)者而言，開發(fā)優(yōu)化分配和量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的工具有助于認(rèn)識和應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[52]。梳理土壤形成過程的概念與土壤形成的因素，可用于構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)—自然資本的整體概念模型[53]。Dominati等[5]以土壤形成、功能和分類系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的思考，開發(fā)了土壤自然資本和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類和量化框架(圖5)，可供土壤學(xué)家、農(nóng)戶和政策制定者在內(nèi)的不同利益相關(guān)者用于土壤管理和決策[54]，甚至生態(tài)風(fēng)險評估[55]。該框架的建立較同時期的案例研究更具討論空間，如Robinson[56]認(rèn)為該框架可應(yīng)用地球系統(tǒng)方法和生態(tài)系統(tǒng)供應(yīng)鏈的原理，關(guān)注土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品和服務(wù)的來源，但是這并不影響該框架的廣泛使用。

圖5 土壤自然資本和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類和量化框架(修改自Dominati等[5])Fig.5 Framework for the classification and quantification of ecosystem services from soil natural capital (Adapted from Dominati et al. [5])

總之，這個階段的案例研究主要包括“可持續(xù)利用管理”、“土壤食物網(wǎng)屬性”和“生物化學(xué)特征”3部分的內(nèi)容，重要理論貢獻(xiàn)有土壤自然資本和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的分類評估框架，熱點分支主要集中在“土壤微生物與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”和“農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”上。這一時期的研究主題和范式更加豐富，呈現(xiàn)出從概念界定、研究范式的討論走向微觀具體的發(fā)展趨勢。

2.2.3研究穩(wěn)定期

2014—2015年，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究處于穩(wěn)定發(fā)展階段，高頻詞和突發(fā)詞穩(wěn)定增長。這個時期的共被引網(wǎng)絡(luò)圖譜中聚類節(jié)點較多、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、中心度分布均衡，出現(xiàn)了“森林土壤(forest soil)”、“土壤碳(soil carbon)”、“存儲(storage)”、“土壤有機碳(soil organic carbon)”、“美國(United States)”、“酶活性(enzyme activity)”等突發(fā)關(guān)鍵詞。這個階段的研究主題和方法具有“承上啟下”的特征，既是上一個研究期的延續(xù)，比如生物指標(biāo)[57]、土壤自然資本—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)框架[58]，又轉(zhuǎn)向了新的熱點。

土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動機制研究便是研究熱點之一，主要包括生物地球化學(xué)循環(huán)和生物多樣性[59-60]、土地利用變化[61-62]等方面。此研究成果可用以建立土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為基礎(chǔ)以促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)集約化的框架，實施功能性土地管理[12]。研究熱點還轉(zhuǎn)向碳固存等調(diào)節(jié)服務(wù)，包括不同的植物對土壤有機碳和團(tuán)聚的影響[63]、土壤其理化性狀如何影響固碳[64]，主要采用對照實驗法。值得注意的是，在下一個研究階段，關(guān)于土壤碳的研究迎來了快速增長。

在這一階段，通常使用指標(biāo)表征養(yǎng)分循環(huán)和作物生產(chǎn)等土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，然后研究其景觀異質(zhì)性梯度下的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，現(xiàn)有研究表明在不同景觀對不同土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響程度也有所差異。比如：Marichal等[65]在亞馬遜河森林景觀的研究中發(fā)現(xiàn)在大型動物群落、景觀指標(biāo)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間有協(xié)同關(guān)系，并且牧區(qū)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受森林景觀內(nèi)的影響；Williams等[66]發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)幾乎不受周圍景觀的影響。驅(qū)動機制研究和景觀異質(zhì)性梯度下的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系研究可服務(wù)于農(nóng)業(yè)規(guī)劃、生態(tài)規(guī)劃等綜合性規(guī)劃，其特點是需要同時考慮社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)[67]。

總之，這一時期的主要研究成果集中于土壤作為自然資本及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供者，其所能提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)如何滿足人類需求[5]、土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動機制研究[46]、土壤固碳的能力及其理化性狀如何影響碳固存[64]等方面。

計量溯源性是測量不確定度的主要來源[4]。測量不確定直接反映出測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量[5]。因此，實驗室可以結(jié)合特定測量設(shè)備歷年校準(zhǔn)結(jié)果給出的不確定度來評估該校準(zhǔn)機構(gòu)的技術(shù)能力。建議實驗室應(yīng)及時關(guān)注校準(zhǔn)規(guī)范/規(guī)程的發(fā)布與實施，動態(tài)管理和評價合格校準(zhǔn)機構(gòu)資質(zhì)與能力。

2.2.4研究深入探索期

2016—2020年，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究圍繞土壤自然資本及土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)管理路徑進(jìn)行了更深層次的探索。共被引網(wǎng)絡(luò)圖譜(圖4)表現(xiàn)出節(jié)點增加、聚類緊密、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的特征，且與服務(wù)需求群組緊密相連，突發(fā)詞有“牧場(pasture)”、“植物(plant)”、“重金屬(heavy metal)”、“中國(China)”、“變異性(variability)”、“土地管理(land management)”、“徑流(runoff)”，這些文獻(xiàn)計量結(jié)果一方面標(biāo)志著在中國開展的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究迎來活躍期，另一方面反映了學(xué)界愈發(fā)關(guān)注土壤污染和土地管理等。比如生物結(jié)皮恢復(fù)的相關(guān)研究，針對“土壤侵蝕防護(hù)”和“水土保持”等調(diào)節(jié)服務(wù)開展了大量工作，其中黃土高原是熱點研究區(qū)。

在這一階段，世界范圍內(nèi)的土壤污染問題日益嚴(yán)峻，土壤服務(wù)管理需求快速增長。2018年全球土壤污染研討會上的相關(guān)報告指出，世界各地對土壤污染的憂慮日益增加，據(jù)估計澳大利亞現(xiàn)在約有8 萬個地點存在土壤污染；中國將其16%的土壤以及19%的農(nóng)業(yè)土壤列為受污染土壤；歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)和西巴爾干地區(qū)約有300萬個潛在污染地點；美國有1 300個地點被列入該國的超級基金國家重點污染熱點清單[68]。日益嚴(yán)重的土壤環(huán)境問題若不及時采取對應(yīng)措施，將會對人類生產(chǎn)生活帶來不可估量的危害。中國也面臨著嚴(yán)重的土壤重金屬污染的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重?fù)p害了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和土壤安全，若不及時采取對應(yīng)措施，人類生產(chǎn)生活將會受到危害。為評估土壤修復(fù)項目能否彌補重金屬污染土壤受損的服務(wù)，如食物供給服務(wù)、文化服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)等，已有研究提出了量化受重金屬污染土壤提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的框架，從受污染土壤的角度來進(jìn)行優(yōu)化[69]。

土壤管理是實現(xiàn)土壤健康的重要途徑[70]，此前的土壤健康管理的主要重點一直是提高農(nóng)作物的生產(chǎn)力，并在一定程度上提高投入的相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益和使用效率[71]，而在深入探索期，基于過程的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究和管理框架[72]，開發(fā)了自適應(yīng)管理和土壤功能區(qū)管理等管理策略。其中，自適應(yīng)管理旨在減少管理過程中的不確定性，確保管理者在提高土壤多功能性的產(chǎn)出的同時不會導(dǎo)致土壤系統(tǒng)反饋產(chǎn)生的非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)變[73]。土壤功能區(qū)管理是一種開發(fā)可持續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)的新策略，在農(nóng)業(yè)空間內(nèi)創(chuàng)建不同的功能區(qū)，以促進(jìn)更大的土壤生物多樣性，并在田地層面整合互補的土壤過程，用于優(yōu)化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中多種商品和服務(wù)交付，從而在保護(hù)和增強土壤功能的同時實現(xiàn)可持續(xù)利用[74]。

對于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言，部分常規(guī)耕作、管理措施會導(dǎo)致土壤逐步退化，比如除草劑的使用會破壞土壤的抗侵蝕能力[75]，接踵而至的便是土壤的肥力降低，尤其是土壤微生物群分解有機物的能力也會降低，因此恢復(fù)深度土壤肥力是農(nóng)業(yè)土壤管理的關(guān)鍵[76]?，F(xiàn)有研究表明，可通過影響農(nóng)業(yè)景觀中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給和權(quán)衡及二者協(xié)同關(guān)系來達(dá)到管理目標(biāo)[77-79]，如耕作和景觀組成對水質(zhì)調(diào)節(jié)和雜草控制會產(chǎn)生交互影響。在耕作制度方面，中等強度和一體化的耕作制度，既能維持全球糧食安全，又可以充分維持環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給[80]。而對于空置的城市土壤或者是廢棄的農(nóng)田，此階段的研究顯示這2 類土壤通常適合提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，且服務(wù)供給潛力存在一定程度的均質(zhì)化[81-82]。此外，可持續(xù)土壤管理出現(xiàn)了以關(guān)于農(nóng)民參與決策和政策建議中環(huán)境與社會的概念框架[83]，采用了一種新穎的方法即經(jīng)濟(jì)分析。該分析的的依據(jù)是土壤轉(zhuǎn)型會產(chǎn)生可觀的投資成本，最高的生產(chǎn)率和隨之而來的更高的耕種利潤攤銷了啟動成本，需要注意的是，轉(zhuǎn)型可能引發(fā)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和環(huán)境質(zhì)量的嚴(yán)重惡化[84-85]。

已有土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估或者表征主要借助多個單項指標(biāo)，但是土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的整體情況可以直接由影響土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)表征[86]，比如大型動物區(qū)系指標(biāo)及土壤物理、化學(xué)和有機質(zhì)特征[87]。Duran-Bautista等[88]發(fā)現(xiàn)白蟻作為亞馬遜生態(tài)景觀中土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的指標(biāo)的缺失或存在可以適當(dāng)?shù)乇砻髂承┕芾泶胧ν寥郎鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)的負(fù)面影響，并且指示土壤修復(fù)過程的進(jìn)展。該研究是增長期的關(guān)于土壤動物區(qū)系的深入研究。此外，進(jìn)一步的研究還包括生物多樣性在土壤食物網(wǎng)過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中作用的等級框架研究[89]、土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的驅(qū)動機制研究等[90-92]。不同的是，這一時期驅(qū)動機制研究更為復(fù)雜，以碳固存、植物、氣候之間的關(guān)系和作用機制為代表，將碳變化作為切入點的研究最為活躍[93-94]。

區(qū)別與先前的研究應(yīng)用方向，這個時期多項研究提出將市規(guī)劃和國土空間規(guī)劃等土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概念應(yīng)用于規(guī)劃。大多數(shù)城市規(guī)劃都將土壤視為關(guān)鍵資源，但大多數(shù)規(guī)劃未能整合指標(biāo)來衡量或監(jiān)測與土壤相關(guān)的功能，因此有必要發(fā)展與土壤有關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，以便其他領(lǐng)域可以輕松整合和理解[95]。為此，Blanchart等[96]建立了可對城市土壤提供的或與城市設(shè)計相適應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平的半定量評估的決策支持系統(tǒng)。歐盟資助的項目“Save Our Soils for LIFE”提到城市土壤可以提供高質(zhì)量的服務(wù)，不同的土壤根據(jù)土壤的特性和密封程度在不同的層級中提供高質(zhì)量的服務(wù)[97]。當(dāng)范圍不限于城市土壤，向城市周邊空間擴展，以在不利的環(huán)境影響與恢復(fù)或保護(hù)措施之間實現(xiàn)甚至凈收益為目標(biāo)有助于指導(dǎo)可持續(xù)的空間發(fā)展，可以解決生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)的空間變化以及利益相關(guān)者對各種土壤質(zhì)量的需求的多樣性[98]。

3 研究前沿

土壤是萬物之本、生命之源，是人類賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。過去，土壤管理決策集中在物理或化學(xué)支持或限制土地使用的關(guān)鍵土地和土壤屬性上。隨著人們越來越關(guān)注土地使用決策對環(huán)境、社會和文化的影響，越來越需要更廣泛的土地資源信息來支持對收益、影響和權(quán)衡的評估土地使用決策[99]。土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)視角出發(fā)，探究土壤生態(tài)系統(tǒng)與人類間關(guān)聯(lián)的新視角，已經(jīng)形成了一定的研究基礎(chǔ)，通過對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)國際文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞提取、共現(xiàn)分析和圖譜繪制，梳理其研究熱點變化趨勢及演化路徑，結(jié)果見圖6。土壤神態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究前沿主要有以下三個特點：

圖6 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究前沿識別Fig.6 Research frontier identification path in soil ecosystem services

1)以碳固存、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持等調(diào)節(jié)服務(wù)為代表土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估、以及各服務(wù)間權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系是當(dāng)前研究熱點。土壤生態(tài)系統(tǒng)是存在于地球上的綠地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，土壤是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，土壤固碳功能也已經(jīng)成為全球氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)研究的重點[100]，對調(diào)節(jié)服務(wù)的評估，可以為環(huán)境保護(hù)、生物多樣性保護(hù)和可持續(xù)的社會行為提供邏輯上的理由和可量化的激勵[52]。同時，大量研究也開始重視調(diào)節(jié)服務(wù)與其他類型服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，以實現(xiàn)多種服務(wù)間的共贏，保證服務(wù)可持續(xù)性[101-102]。此外，尚未就其土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類和經(jīng)濟(jì)評估的綜合框架達(dá)成共識，因此有必要為土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的分類和經(jīng)濟(jì)評估建立一個全面的框架，以便更好地為各級治理方面的土地使用和管理決策提供依據(jù)[18,103]。

2)將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入管理決策是重要的應(yīng)用研究方向。目前，對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的理論研究日益成熟，如何在完整的理論基礎(chǔ)上將其應(yīng)用到實際中，是土壤生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)在乃至未來發(fā)展的重要課題。在決策時，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概念可以成為評估不同自然資源管理戰(zhàn)略的有力工具，為土壤和生物多樣性保護(hù)、可持續(xù)的社會行為提供了邏輯支撐和可量化的理論基礎(chǔ)[52]；在決策支持系統(tǒng)中，整合與土壤相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)也有助于彰顯土壤功能對城市可持續(xù)發(fā)展的重要性[95]。將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入土壤實地管理和政策制定是未來的重要發(fā)展方向。土壤支持下的文化生態(tài)系統(tǒng)對城市居民的生活質(zhì)量有重要影響。比如“鄉(xiāng)愁情結(jié)”、“戀土情結(jié)”等，是土壤從精神層面給予人們的寄托。因此，土壤文化服務(wù)可以作為監(jiān)測指標(biāo)，用以度量城市發(fā)展的健康和可持續(xù)程度。但大多數(shù)研究集中于城市化與土壤理化性質(zhì)等相關(guān)領(lǐng)域，在城市發(fā)展中，開展土壤文化服務(wù)監(jiān)測的實踐尚不多見[95]。在未來研究中，需將土壤文化服務(wù)指標(biāo)納入國土空間規(guī)劃編制過程，進(jìn)一步提高對土壤在城市環(huán)境中的物質(zhì)與精神雙重重要性的認(rèn)識。因此，下一步研究應(yīng)當(dāng)強化對基礎(chǔ)理論的實證研究，發(fā)展研究分支，拓展研究領(lǐng)域，以形成主線明確、分支充分的知識體系。

3)多學(xué)科交叉融合為土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究提供了新的學(xué)術(shù)增長點。土壤是具有不同作用尺度的成土因素共同作用的結(jié)果[14]，這決定了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究是集土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、管理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多學(xué)科范式于一體的綜合研究。通過融合不同學(xué)科知識和范式，多學(xué)科之間的相互滲透，為土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供了多種研究視角。近年來，“土地管理”、“政策”、“植物”和“氣候”等關(guān)鍵詞逐漸活躍，其中涉及到的植物學(xué)、生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)甚至是社會學(xué)問題也越來越受到關(guān)注。城市化與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著一種互反饋機制：隨著城市化進(jìn)程的加快，隨之帶來的是人口密集、產(chǎn)業(yè)集聚、環(huán)境污染等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象引起了土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變，直接或間接的對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)造成影響；這些影響最終又會反饋到城市生態(tài)系統(tǒng)中，影響其運行[6]。因此，在未來研究中，通過發(fā)揮共性導(dǎo)向下的多學(xué)科融合優(yōu)勢開展土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究，是領(lǐng)域進(jìn)一步成熟與深入的重要途徑。此外，土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(包括住房、衣服和燃料的提供)和人類健康之間的聯(lián)系經(jīng)常被忽視，今后需要對被忽視的土壤生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)與人類健康之間的聯(lián)系展開調(diào)查[104]。

4 結(jié) 論

土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)發(fā)展至今，已經(jīng)從早期的借助生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)常規(guī)研究范式中找到了一條與研究領(lǐng)域自身特色結(jié)合的研究路徑。本研究利用文獻(xiàn)計量法，采用CiteSpace軟件對1998—2018年Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行合作分析、被引分析和關(guān)鍵詞分析，并繪制知識圖譜，得到以下結(jié)論：

1)近年來土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)文獻(xiàn)數(shù)量迅速增加，回顧其研究歷程，主要分為研究初期、概念及研究體系初步形成的階段、穩(wěn)定發(fā)展階段、深入探索階段等4個階段，呈現(xiàn)出學(xué)術(shù)界對于新事物的“初識—熟知—深入”的接受過程。

2)研究熱點可概括為：①1997—2008年，以對土壤功能的探索和實用性研究為主；②2009—2013年，熱點為土壤微生物與土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；③2014—2015年，熱點逐步轉(zhuǎn)向碳固存等調(diào)節(jié)服務(wù)的研究。④2016—2020年，土壤管理措施、碳固存對環(huán)境因子的響應(yīng)機制、研究成果的實踐應(yīng)用是主要的研究方向。

3)通過對4個階段的演化路徑進(jìn)行趨勢分析，研究識別出土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)領(lǐng)域重要的發(fā)展方向包括：以碳固存、氣候調(diào)節(jié)、土壤保持等調(diào)節(jié)服務(wù)為代表的土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估；將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入管理決策；多學(xué)科交叉融合發(fā)展。