基于Web of Science的森林土壤微生物多樣性研究趨勢分析

翁曉虹，隋 心

（1黑龍江大學農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心，哈爾濱 150500；2黑龍江大學生命科學學院/黑龍江省寒地生態(tài)修復與資源利用重點實驗室，哈爾濱 150080）

0 引言

土壤微生物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的部分，是參與生物地球化學循環(huán)的重要力量，對維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和生態(tài)恢復都具有一定的作用[1-3]。土壤微生物群落主要包括細菌、真菌和放線菌，它們直接或間接參與土壤生態(tài)過程，是土壤殘體的主要分解者[4]。土壤微生物多樣性受溫度、濕度、土壤性質(zhì)和植物種類的影響。有研究表明，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)隨季節(jié)變化而變化[5-6]。土壤的顆粒越小，有機質(zhì)含量越高，微生物群落結(jié)構(gòu)越復雜，土壤微生物多樣性越高[7]。森林樹種不僅能改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，而且能改變土壤微生物與本地植物之間的長期相互關(guān)系，進而影響本地樹種的生長和種群更新[8-9]。當前關(guān)于森林土壤微生物多樣性的研究十分廣泛并且種類繁多，但缺乏對此領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點及趨勢進行可視化的計量分析，并且對于該領(lǐng)域的研究深度預測分析較少，無法為森林土壤微生物的研究提供比較明確的方向，而文獻計量法可有效地總結(jié)研究成果并揭示其未來的發(fā)展方向[10-12]。

文獻計量學是研究文獻系統(tǒng)和文獻特征的學科，用于定量分析。借助知識圖譜和文獻計量軟件的可視化功能，研究人員可以客觀地評價某一時期目標領(lǐng)域的歷史演變過程、研究方向和當前熱點，并預測未來的發(fā)展趨勢[13-15]。近年來，文獻計量學在了解和分析科學技術(shù)發(fā)展方向方面的應用越來越常見[16-17]。例如史方穎等[18]對土壤有機碳礦化研究熱點的文獻計量學分析結(jié)果表明，土壤類型、環(huán)境因子和土地利用變化對土壤有機碳礦化、周轉(zhuǎn)和時空分布的影響是土壤有機碳礦化研究熱點。周顯等[19]根據(jù)文獻計量學對土壤污染研究動態(tài)進行分析，重金屬已成為土壤污染的主要污染物，未來土壤修復的研究熱點將集中在植物修復、微生物修復、無機礦物修復和復合修復等方面。劉波等[20]通過文獻計量分析得出，群落結(jié)構(gòu)（特別是土壤微生物）對土壤碳匯有重要影響的結(jié)論。筆者基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫，在傳統(tǒng)統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，應用Bibexcel和Vosviewer軟件，從森林土壤微生物多樣性檢索主題入手，采用文獻計量學的方法描述、評價和預測森林土壤微生物多樣性發(fā)展現(xiàn)狀和研究前沿態(tài)勢，以期為該領(lǐng)域未來的研究方向提供科學參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

Web of Science是一個綜合多學科核心期刊的數(shù)據(jù)庫。本文選用Web of Science核心合集(Science Citation index Expanded，SCIE)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，檢索式 為“forest and (soil microbial diversity or soil bacterial diversity or soil fungal diversity)”。檢索的時間跨度為2007—2020年。使用該檢索式共檢索到文獻4266篇，將檢索到的文獻分批次以txt格式導出，每批500條，以“download”命名，方便后續(xù)處理。

1.2 數(shù)據(jù)分析

利用Web of Science分析檢索結(jié)果功能，對檢索到的文獻進行分類儲存，以Excel格式導出。運用Excel對年發(fā)文量、發(fā)文國家/地區(qū)、發(fā)文機構(gòu)、發(fā)文作者、研究方向等進行統(tǒng)計，并對統(tǒng)計完成的數(shù)據(jù)進行可視化。將從Web of Science以txt格式導出來的4266條數(shù)據(jù)導入到CiteSpace中，除重后儲存在“output”文件夾中，將“output”文件夾中除重后的數(shù)據(jù)文件（txt格式）整合到一個txt文件中。將整合好的文件導入Bibexcel中，得到文獻標題中的關(guān)鍵詞和文獻關(guān)鍵詞中的關(guān)鍵詞。運用VOSviewer將整合好的txt格式文件對關(guān)鍵詞進行分析，選擇數(shù)據(jù)類型來源于Web of Science，分析類型選擇co-occurrence（共現(xiàn)分析）中的all keywords（所有關(guān)鍵詞），計數(shù)方法設(shè)置為full counting（全計數(shù)），而后設(shè)置詞條出現(xiàn)的最小頻次，最終形成圖譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻的產(chǎn)出與趨勢分析

文獻檢索結(jié)果表明，基于Web of Science的核心數(shù)據(jù)庫，檢索到2007—2020年關(guān)于森林土壤微生物多樣性的文獻共計4266篇。從圖1可以看出，森林土壤多樣性的發(fā)文量隨著時間的推移總體呈現(xiàn)上升趨勢。結(jié)合發(fā)文量將全球森林土壤微生物多樣性研究分為4個階段，2007—2011年的年發(fā)文量緩慢增長，年均發(fā)文量占總發(fā)文量的3.84%；2011—2015年的年發(fā)文量低速增長，年均發(fā)文量占總發(fā)文量的5.85%；2015—2018年的年發(fā)文量較快增長，年均發(fā)文量占總發(fā)文量的8.75%；2018—2020年的年發(fā)文量增長速度極快，年均發(fā)文量占總發(fā)文量的12.85%。從整體發(fā)展趨勢看，近年來森林土壤微生物多樣性得到廣泛關(guān)注，尤其在2015—2020年這5年內(nèi)得到了快速發(fā)展，一直保持著持續(xù)上升的狀態(tài)，可見在該領(lǐng)域內(nèi)的研究還未達到飽和，預測未來幾年將會持續(xù)高速發(fā)展。

圖1 2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域世界發(fā)文量

2.2 國家和地區(qū)

根據(jù)Web of Science數(shù)據(jù)庫中檢索出來森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域發(fā)文量前15位的國家和地區(qū)中可以看出，中國的發(fā)文量最多，為1164篇，占總發(fā)文量的27.27%（圖2）；美國的發(fā)文量位居第二，發(fā)文量為1069篇，占總發(fā)文量的23.06%；發(fā)文量排名之后的依次是德國、法國、巴西、加拿大、澳大利亞、西班牙，這些國家的發(fā)文量均為200篇以上，發(fā)文量分別為400、291、278、274、206篇。中國和美國的總發(fā)文量占全部國家的總發(fā)文量的52.36%，在該領(lǐng)域的研究與其他國家相比優(yōu)勢較為明顯。

圖2 2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域發(fā)文量前15位的國家和地區(qū)統(tǒng)計

從圖3中可以看出，2007—2020年中國在該領(lǐng)域的發(fā)文量隨著時間的增長不斷增加。在2017年，中國的年發(fā)文量超越了美國，2018—2020年的發(fā)文量急劇增長；美國在2007—2020年間的發(fā)文量緩慢上升，其中在2018年有明顯的減少，但2019、2020年又開始緩慢增加；德國、法國、巴西在該領(lǐng)域的年度發(fā)文量平緩增長，德國在2015年后的年發(fā)文量比法國、巴西的年發(fā)文量大，說明德國對該領(lǐng)域的研究的活躍程度有明顯增加。

圖3 2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域前5位國家年度發(fā)文量

2.3 研究機構(gòu)分析

通過統(tǒng)計得出，發(fā)文量排名前10位的機構(gòu)總發(fā)文量占全部檢索結(jié)果的29.83%，共發(fā)文1272篇（表1）。排名前3位的機構(gòu)均在中國，中國科學院發(fā)文量占全部檢索的11.18%，是前10位機構(gòu)總發(fā)文量的37.5%，其次是中國科學院大學和西北大學。中國的西北大學、巴西的圣保羅大學、中國的中國林業(yè)科學院、瑞典的瑞典大學的發(fā)文量相差不大，這4個機構(gòu)的發(fā)文量都占總發(fā)文量的2%以上。從表2中可以看出，中國排名前10位的研究機構(gòu)總發(fā)文量占中國研究機構(gòu)總發(fā)文量的89.68%，為1044篇。排名第一的研究機構(gòu)為中國科學院，該機構(gòu)的發(fā)文量為477篇，占中國機構(gòu)總發(fā)文量的40.98%；其次是中國科學院大學、西北大學和中國林業(yè)科學研究院，分別占12.97%、7.90%和7.73%，其中西北大學與中國林業(yè)科學研究院的發(fā)文量相差不大。

表1 2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域在全世界發(fā)文量排名前10位的研究機構(gòu)

表2 2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域在中國發(fā)文量排名前10位的研究機構(gòu)

2.4 文獻作者與來源期刊分析

發(fā)文量前10位學者排名如表3，10位學者2007—2020年在森林土壤微生物多樣性的領(lǐng)域中的發(fā)文量為338篇，占總的發(fā)文量的7.92%。排名前3位的作者分別來自3個不同的國家，分別是美國、捷克和德國。美國俄克拉荷馬大學的周集中在該領(lǐng)域的發(fā)文量最多，為48篇，占總的發(fā)文量的1.13%。排名第10位的Fierer N的發(fā)文量為27篇，但該作者是發(fā)文量排名前10位作者中被引用次數(shù)最多的，篇均被引頻次213.22次。

表3 2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域發(fā)文量前10位作者

從表4中可以看出，排名前10位的期刊總發(fā)文數(shù)為1392篇，占總發(fā)文數(shù)的32.63%。其中排名首位的是《Soil Biology Biochemistry》，為287篇，占總發(fā)文數(shù)的6.73%，該期刊總被引頻次達13181次，篇均被引頻次為45.93次。

2.5 被引論文分析

2007—2020年在Web of Science核心數(shù)據(jù)庫中被引頻次排名前10位的文章列于表5。從第一作者的國別來看，分別為荷蘭、瑞典、美國、德國、澳大利亞、法國。其中有5位第一作者來自于美國，說明美國在該領(lǐng)域中具有明顯的領(lǐng)先水平。

表5 2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域前10篇被引論文

荷蘭的van der Heijden發(fā)表的題為《The unseen majority:Soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems》的文章是被引頻次最高的論文，文章研究表明，土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性和生產(chǎn)力的重要驅(qū)動力，約2萬種植物完全依賴于微生物共生體的生長和生存[21]，2008年發(fā)表后總被引頻次為2085次；其次是瑞典的Rousk Johannes發(fā)表的《Soil bacterial and fungal communities across a pH gradient in an arable soil》，通過長期浸灰實驗(pH 4.0～8.3)，pH以外因素的變化已被最小化，收集的土壤被用來調(diào)查pH對真菌和細菌的直接影響[22]；排名第三的是美國的Roesch Luiz F W發(fā)表的《Pyrosequencing enumerates and contrasts soil microbial diversity》，2007年發(fā)表后被引頻次為1141次，該論文使用高通量DNA焦磷酸測序和統(tǒng)計推斷，評估細菌的多樣性，表明人類干擾可能會影響細菌和古細菌的多樣性[23]。

2.6 研究方向

從表6中可以看出，研究方向排名前3位的分別是environmental sciences ecology（環(huán)境科學生態(tài)學）、agriculture（農(nóng)學）、microbiology（微生物學），出現(xiàn)的頻次分別為1441、1151、850次，這3個研究方向出現(xiàn)的頻次占總的研究方向出現(xiàn)頻次的80.69%。

表6 2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域的相關(guān)研究方向

2.7 關(guān)鍵詞可視化分析

關(guān)鍵詞是對學術(shù)論文內(nèi)容的高度概括，通過關(guān)鍵詞分析可以了解一個領(lǐng)域的研究熱點[20]。通過使用可視化分析軟件VOSviewer對2007—2020年有關(guān)森林土壤微生物多樣性研究領(lǐng)域的相關(guān)文獻關(guān)鍵詞進行分析。文章去重后的573個關(guān)鍵詞之間具有相關(guān)性，通過設(shè)定閾值，選取前50個重要關(guān)鍵詞進行VOSviewer可視化，共形成3個聚類，表明2007—2020年在森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域研究共有3個重要的主題。從圖4可以看出，“diversity”是圖中最大的節(jié)點，說明該關(guān)鍵詞的權(quán)重最大，屬于第一個聚類，其次是“forest”；第二個聚類中“carbon”的節(jié)點是最大的，第三個聚類是“microbial communities”。

圖4 2007—2020年森林土壤微生物多樣性研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

2.8 研究熱點分析

表7～8中列舉出了出現(xiàn)頻次排名前20位的文獻標題中的關(guān)鍵詞和文獻關(guān)鍵詞中的關(guān)鍵詞。以主題為“森林土壤微生物多樣性”來檢索，排名靠前的不僅只有主題詞，還包含了其他與主題緊密聯(lián)系的關(guān)鍵詞，如排名靠前的土壤環(huán)境因子“carbon（碳）”出現(xiàn)539次、“nitrogen（氮）”出現(xiàn)495次、“organic-matter（有機質(zhì)）”出現(xiàn)357次（表7）。

表7 2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域相關(guān)文獻標題中高頻關(guān)鍵詞

從圖4中可以看出，“carbon”是第二聚類中與其他關(guān)鍵詞的關(guān)系是最緊密的，在標題關(guān)鍵詞中出現(xiàn)的頻次居第3位，說明在森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域中，碳元素引起了眾多學者的關(guān)注。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機碳庫[24-25]，森林土壤有機碳(SOC)的變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和生態(tài)服務功能造成直接影響[26]。微生物對SOC的分解時間越長，越有助于促進SOC的積累[27-28]。

“nitrogen”在標題中出現(xiàn)495次，居第5位，在文獻關(guān)鍵詞中出現(xiàn)65次。氮是植物生長的必需營養(yǎng)素之一[29-30]。增加土壤中的有效氮，可以增加土壤中微生物的活性，從而促進土壤呼吸作用[31-34]。土壤微生物參與了土壤氮礦化的生態(tài)過程，土壤氮素礦化的季節(jié)隨土壤微生物數(shù)量和活性的變化而變化[35-36]。因此，土壤氮含量會顯著影響土壤微生物多樣性。

“organic-matter”在標題關(guān)鍵詞中出現(xiàn)357次。有機質(zhì)的主要來源是凋落物，凋落物能改變土壤微環(huán)境，為土壤微生物和動物的生長發(fā)育提供必要的養(yǎng)分和生境，刺激微生物的活動，影響微生物多樣性[37-38]。因此森林凋落物與微生物之間的研究也受到國內(nèi)外科學家的關(guān)注和研究。

表8中呈現(xiàn)了文獻關(guān)鍵詞中的高頻關(guān)鍵詞排名首位的為“fungi”（真菌），出現(xiàn)的頻次是177次，其次是“diversity”（多樣性）與“bacteria”（細菌），出現(xiàn)的頻次分別是161次和141次。在真菌中排名靠前的為“ectomycorrhizal fungi”（外生菌根真菌）和“arbuscular mycorrhizal fungi”（叢枝菌根真菌），說明在這2種真菌類型在該領(lǐng)域中常被作為研究對象。此外表中有2類測序技術(shù)也參與了排名，分別為排名第14位的“highthroughput sequencing”（高通量測序）以及排名第16位的“pyrosequencing”（焦磷酸測序），可看出高通量測序和焦磷酸測序在森林土壤微生物多樣性研究領(lǐng)域中是主要的測序技術(shù)。

表8 2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域相關(guān)文獻關(guān)鍵詞中高頻關(guān)鍵詞

3 結(jié)論

筆者基于Web of Science核心數(shù)據(jù)庫對2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域進行計量分析，研究表明：（1）在全世界范圍內(nèi)，2007—2020年關(guān)于森林土壤微生物多樣性研究領(lǐng)域的發(fā)文量呈現(xiàn)逐年上升趨勢。中國的總發(fā)文量領(lǐng)先于其他國家，增長速度也在逐年上升，預測在未來幾年，中國在該領(lǐng)域的研究會更加先進。美國、德國、法國、巴西也在穩(wěn)步上升，但上升幅度不大。（2）從研究機構(gòu)看，發(fā)文量排名前3位的機構(gòu)均在中國，說明中國的研究機構(gòu)對森林土壤生物多樣性研究領(lǐng)域是十分重視的。（3）環(huán)境科學生態(tài)學、農(nóng)學、微生物學出現(xiàn)的總頻次占總的研究方向出現(xiàn)頻次的80.69%，是主要的研究方向。（4）從高頻關(guān)鍵詞看，在森林土壤微生物多樣性的研究中，研究熱點集中在環(huán)境因子碳、氮、有機質(zhì)與微生物多樣性之間的相互作用方面。另外，本研究僅局限Web of Science主題檢索范圍，未來研究中可考慮克服這一不足，獲取更廣泛的數(shù)據(jù)，從而對森林土壤微生物多樣性研究現(xiàn)狀與趨勢形成更準確的整體性認知。

4 展望

通過對近13年來Web of Science數(shù)據(jù)庫中關(guān)于森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域研究文獻的分析可以得出：隨著分子生物學技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是高通量測序技術(shù)在土壤微生物學中的應用，使得森林土壤微生物學的研究呈現(xiàn)爆炸式的發(fā)展，相關(guān)的研究論文呈現(xiàn)明顯的逐年上升趨勢。當前的研究主要內(nèi)容是土壤微生物的群落組成和多樣性的變化及其與土壤理化性質(zhì)，例如土壤有機碳、總氮和土壤有機質(zhì)之間的關(guān)系。但是關(guān)于林分類型、地理條件、其他礦質(zhì)元素如硫、鈣、鐵等對森林土壤微生物多樣性的影響還尚未完全展開，而且森林中龐大的土壤微生物類群的功能還尚未深入研究，隨著未來測序技術(shù)的發(fā)展，例如宏基因組、基因芯片、代謝組技術(shù)等在森林土壤微生物中的應用，未來深入開展關(guān)于土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能的研究將會成為森林土壤微生物的熱點。