基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的巖溶耕地土壤酸化與鈣碳互作抑酸研究趨勢(shì)分析

段承龍 蔣軍 李菡 劉曉 張亮 謝紅霞 盛浩 袁紅

摘 要：以Web of Science核心集（web of science core collection）和中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采取統(tǒng)計(jì)與聚類的分析方法，基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)知識(shí)，借助CiteSpace信息可視化軟件，分別對(duì)1993—2023年在web of science core collection和1924—2023 CNKI中發(fā)表的土壤酸化文獻(xiàn)進(jìn)行索引分析；通過(guò)對(duì)web of science core collection中4 772篇、CNKI 中2 482篇相關(guān)文獻(xiàn)中的熱點(diǎn)、關(guān)鍵詞、時(shí)間線等展開多角度可視化分析，統(tǒng)計(jì)并繪制有關(guān)國(guó)際國(guó)內(nèi)土壤酸化研究文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞、時(shí)間圖譜等圖表，挖掘國(guó)際國(guó)內(nèi)土壤酸化研究發(fā)展趨勢(shì)及方向。結(jié)果表明：土壤酸化研究主體由森林土壤酸化逐步轉(zhuǎn)向耕地土壤酸化，研究范圍從單一的pH值及影響因子的相關(guān)分析進(jìn)階至致酸離子與抑酸離子的雙向互作分析，土壤酸化路徑的分子生物學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征研究更趨于細(xì)化。

關(guān)鍵詞：巖溶區(qū)；耕地；土壤酸化；研究趨勢(shì)；可視化分析

中圖分類號(hào)：S153.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-060X（2023）10-0097-06

Research Trend Analysis of Soil Acidification and Calcium-Carbon Interaction for Acidification Suppressing in Karst Farmland Based on Literature Metrology

DUAN Cheng-long1， JIANG Jun1， LI Han1， LIU Xiao2， ZHANG Liang1， XIE Hong-xia1， SHENG Hao1， YUAN Hong1，3

（1. College of Resources， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC; 2. Hunan Academy of Social Sciences，? Changsha 410003， PRC; 3. Key Laboratory of Karst Dynamics， MNR and GZAR， Institute of Karst Geology， CAGS， Guilin? 541004， PRC）

Abstract： Based on literature metrology， our research adopts the statistics and clustering methods to index and analyze the soil acidification literature published in the web of science core collection from 1993 to 2023 and published in 1924 to 2023 CNKI with the help of CiteSpace information visualization software. Through multi-angle visualization analysis of hot spots， keywords， and timelines in 4 772 articles from the web of science core collection and 2 482 articles from CNKI， we undertake statistics and charts drawing relative to key words， time maps， etc. of relevant international and domestic literature on soil acidification to explore the development trend and direction of international and domestic soil acidification research. The research results show that the subject of soil acidification research has gradually shifted from forest soil acidification to farmland soil acidification， and the research scope has advanced from the correlation analysis of a single pH value and its impact factors to the analysis of two-way interaction of acidogenic ions and acid inhibiting ions. The research on the molecular biology and dynamics characteristics of soil acidification paths tends to be subdivided.

Key words：karst area; farmland; soil acidification; research trend; visualization analysis

收稿日期：2023–04–17

基金項(xiàng)目：自然資源部廣西巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金（KDL＆Guangxi 202010）；科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFD1700103-306）；湖南省教育廳雙一流學(xué)科優(yōu)秀青年項(xiàng)目（19B282）

作者簡(jiǎn)介：段承龍（2000—），男，湖南洪江市人，碩士研究生，主要從事資源利用與植物保護(hù)研究。

通信作者：袁 紅

耕地是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，具有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、空間承載以及環(huán)境保護(hù)等多種功能[2]，關(guān)系國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定，是保障糧食安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的寶貴資源[3]。耕地土壤酸化是全球土壤退化的主要形式，表現(xiàn)為土壤pH值不斷降低、土壤交換性酸不斷增加[4]。土壤酸化是當(dāng)前西南地區(qū)所面臨的突出土壤環(huán)境問(wèn)題之一，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)峻威脅[5]。巖溶生態(tài)系統(tǒng)是受巖溶環(huán)境制約的生態(tài)系統(tǒng)，石灰土是熱帶、亞熱帶地區(qū)碳酸鹽巖類經(jīng)溶蝕風(fēng)化后的產(chǎn)物，巖溶環(huán)境的獨(dú)特性賦予了石灰（巖）土獨(dú)特而復(fù)雜的成土過(guò)程，雖然成土機(jī)理至今尚未完全清楚，但巖溶作用對(duì)石灰?guī)r土壤的形成和演變產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，其具有富鈣偏堿的地球化學(xué)特點(diǎn)已成為共識(shí)[6]。中國(guó)巖溶區(qū)面積344.3萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的1/3左右，其中西南地區(qū)巖溶面積約41.1萬(wàn)km2，是世界上三大巖溶分布中心，同時(shí)也是世界最大的巖溶連續(xù)帶[7-8]。作為最脆弱的生態(tài)系統(tǒng)之一，巖溶區(qū)界面對(duì)環(huán)境變化非常敏感，生態(tài)容量低，抗災(zāi)能力差，人為影響劇烈，是我國(guó)土壤酸化最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[9-11]。特別是喀斯特丘陵山區(qū)，由于復(fù)雜多變的自然條件，具有土壤貧瘠、分布破碎、植物生長(zhǎng)困難的特點(diǎn)[12]，易利用的土地資源分布極不均衡，耕地資源相較于平原更為寶貴，面臨著人地關(guān)系緊張的基礎(chǔ)性矛盾。

巖溶地區(qū)的物質(zhì)循環(huán)以碳（C）、水（H2O）、鈣（Ca）為基本特征，巖溶環(huán)境中元素的遷移是由此循環(huán)構(gòu)成的巖溶動(dòng)力學(xué)過(guò)程導(dǎo)致的，它限制了元素遷移的質(zhì)量和數(shù)量，產(chǎn)生了富鈣偏堿的地球化學(xué)環(huán)境。鈣是巖溶生態(tài)系統(tǒng)中最常見的生態(tài)元素，鈣元素的富存以及遷移與巖溶地區(qū)的耕地土壤密切相關(guān)，鈣元素在調(diào)節(jié)巖溶區(qū)耕地土壤的酸堿性上發(fā)揮著重要的作用[13]。土壤中鈣等鹽基離子直接影響到巖溶區(qū)耕地土壤的酸堿度。目前基于鈣元素在巖溶生態(tài)系統(tǒng)中的重要性已開展了大量研究工作，主要關(guān)注鈣對(duì)重金屬吸附及微生物、植物等生物的影響[14-17]，環(huán)境因子對(duì)鈣形態(tài)分布的影響[18-21]等方面，而針對(duì)巖溶土壤酸化進(jìn)程中鈣的抑酸途徑及效應(yīng)研究相對(duì)較少。

酸堿平衡是保障巖溶區(qū)土壤耕地質(zhì)量的主要驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)目前對(duì)喀斯特地區(qū)的研究主要集中在土壤養(yǎng)分、土壤微生物、細(xì)菌活性[22]、土壤抗蝕性[23]、土壤質(zhì)量[24]、生態(tài)安全[25-26]等方面。研究巖溶耕地土壤的酸化進(jìn)程與鈣的互作路徑，探尋鈣碳互作的抑酸機(jī)理，對(duì)巖溶耕地質(zhì)量保育、保障糧食安全具有重要意義。

1 研究趨勢(shì)分析

文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)主要以關(guān)鍵詞、時(shí)間跨度等作為分析要素，運(yùn)用計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，分析指定研究的學(xué)科發(fā)展過(guò)程、熱點(diǎn)演變等，幫助研判研究發(fā)展趨勢(shì)和提出研究發(fā)展方向[27]。CiteSpace軟件是由陳超美教授研發(fā)的一款基于文獻(xiàn)計(jì)量的數(shù)據(jù)可視化分析軟件[28]，可以用于文獻(xiàn)分析、可視化分析等，由于其強(qiáng)大的文獻(xiàn)計(jì)量統(tǒng)計(jì)分析與知識(shí)圖譜可視化能力，已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用最多的文獻(xiàn)計(jì)量分析軟件[29]。

Web of Science核心集（web of science core collection）和中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫(kù)作為被諸多研究人員公認(rèn)的最適合進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量分析的高質(zhì)量數(shù)字文獻(xiàn)資源庫(kù)，可以非常清晰地基于CiteSpace可視化之下，了解一個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程和趨勢(shì)。

1.1 熱點(diǎn)分析

國(guó)際土壤酸化研究，最早可追溯至1924年[30]。文獻(xiàn)檢索的數(shù)據(jù)來(lái)源在很大程度上直接決定了文獻(xiàn)計(jì)量分析時(shí)的有效性和準(zhǔn)確性，關(guān)鍵詞是一篇論文的核心觀點(diǎn)[31-32]，對(duì)某一領(lǐng)域的關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)聚類分析有助于挖掘某一研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[33]。

1.1.1 國(guó)外熱點(diǎn)研究趨勢(shì) 基于國(guó)外研究進(jìn)展，該研究以Web of Science為文獻(xiàn)檢索源數(shù)據(jù)庫(kù)，以“Soil Acidification”為主題進(jìn)行基本檢索，數(shù)據(jù)庫(kù)選擇Web of Science核心合集，文獻(xiàn)類型選擇論文和綜述論文，設(shè)置時(shí)間跨度為1993—2023年，獲取文獻(xiàn)共4 772篇，將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CiteSpace軟件中，時(shí)間區(qū)間隔設(shè)置1 a，節(jié)點(diǎn)類型選擇“Keyword”，其他操作為默認(rèn)設(shè)置，進(jìn)行聚類分析，得到不同節(jié)點(diǎn)類型的關(guān)系圖譜和聚類圖譜，即運(yùn)用CiteSpace可視化軟件繪制關(guān)鍵詞密度圖。如圖1所示，得到6個(gè)聚類，分別為#0流域（catchment）、#1土壤pH值（soil pH）、#2重金屬鎘（cadmium）、#3生命周期評(píng)估（life cycle assessment）、#4微生物群落（microbial community）、#5鋁中毒（aluminum toxicity），國(guó)際土壤酸化領(lǐng)域的熱點(diǎn)主要集中在土壤pH、土壤化學(xué)、施肥、重金屬、生態(tài)系統(tǒng)、影響和治理等方面。

1.1.2 國(guó)內(nèi)熱點(diǎn)研究趨勢(shì) CNKI是國(guó)內(nèi)最大的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)平臺(tái)之一，收錄的文獻(xiàn)在質(zhì)量和數(shù)量上最為全面。以CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)作為主要數(shù)據(jù)來(lái)源，高級(jí)檢索中輸入主題詞“土壤酸化”，文獻(xiàn)類型選擇期刊論文、學(xué)位論文和會(huì)議論文，時(shí)間跨度從1924年到2023年1月1日，共檢索到2 482條文獻(xiàn)記錄，時(shí)間區(qū)間隔設(shè)置10 a，通過(guò)CiteSpace數(shù)據(jù)可視化分析工具對(duì)2 482篇文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞等方面進(jìn)行檢測(cè)分析。通過(guò)從CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)得到的2 482條文獻(xiàn)記錄對(duì)土壤酸化這一領(lǐng)域的關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)聚類分析，聚類共詞圖譜共形成了8個(gè)主要聚類（圖2），代表1924—2023年國(guó)內(nèi)土壤酸化的主要研究領(lǐng)域，圖2總結(jié)了8個(gè)聚類主要的研究熱點(diǎn)，分別是#0連作障礙、#1影響、#2pH值、#3產(chǎn)量、#4酸化土壤、#5大氣酸沉降、#6交換性酸、#7人為因素。以上主要的8個(gè)聚類代表了國(guó)內(nèi)土壤酸化研究的熱點(diǎn)，且主要集中在大氣酸沉降、交換性酸、產(chǎn)量、酸化成因及改良、連作障礙及土壤pH值等方面，研究主題逐漸轉(zhuǎn)移至耕地土壤。

1.2 高頻關(guān)鍵詞分析

高頻關(guān)鍵詞是指在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)頻繁或使用次數(shù)較多的詞，在詞頻發(fā)生變化后，可據(jù)此判斷研究領(lǐng)域的前沿和發(fā)展趨勢(shì)。由圖3和圖4可知，國(guó)內(nèi)外近幾年的研究對(duì)pH值相對(duì)關(guān)注，研究前沿集中在不同pH值條件下的forest ecosystem（森林生態(tài)系統(tǒng)）、recovery（恢復(fù)）耕地、土壤調(diào)理、土壤改良、產(chǎn)量等方面[34]。與此同時(shí)，學(xué)者們對(duì)pH值與鈣形態(tài)的關(guān)系進(jìn)行了研究，但系統(tǒng)分析pH值對(duì)鈣形態(tài)影響的研究還較少[35]。因此，有必要對(duì)土壤中鈣的不同形態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)研究，找出pH值與鈣的作用途徑，這對(duì)充分了解其遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理以及鈣對(duì)土壤反應(yīng)穩(wěn)定性的作用機(jī)理等問(wèn)題具有重要意義[36]。

1.3 時(shí)間譜系分析

時(shí)間線視圖為了解某個(gè)領(lǐng)域及其各個(gè)子領(lǐng)域的演進(jìn)路徑提供了非常直觀而準(zhǔn)確的參考，從時(shí)間線視圖中可以清晰了解該領(lǐng)域和其子領(lǐng)域研究發(fā)展演變的時(shí)間跨度、研究進(jìn)程及前沿的研究熱點(diǎn)。運(yùn)用CiteSpace軟件建立的時(shí)間線視圖中，圓點(diǎn)節(jié)點(diǎn)大小與頻數(shù)成正比，圓圈越大表示文獻(xiàn)被引頻次越高，外圈代表中心性，其厚度與活躍程度呈正比，年輪顏色及厚度表示出現(xiàn)年份，年輪越厚對(duì)應(yīng)年份的出現(xiàn)頻次越高；節(jié)點(diǎn)間的連線反映二者共現(xiàn)或者共被引關(guān)系，顏色對(duì)應(yīng)首次共現(xiàn)或者共被引用年份，粗細(xì)反應(yīng)關(guān)系的強(qiáng)弱；右邊的聚類標(biāo)簽則表示該領(lǐng)域的主題[37-38]。

1924—2023年的國(guó)內(nèi)酸化時(shí)間線視圖（圖5）中，國(guó)內(nèi)酸化研究初期集中在土壤酸化、pH值等一系列基本的研究范疇之中。1983年開始，國(guó)內(nèi)酸化研究開始走向細(xì)致化，開始向酸化產(chǎn)生的原因、防治措施以及耕地質(zhì)量與耕地保護(hù)等方面開始拓展深入。

由于國(guó)際方面對(duì)于酸化方面的研究起步較早，在1993—2023年的國(guó)際酸化線視圖（圖6）中，國(guó)際方面于酸化的研究相對(duì)深入與細(xì)致，對(duì)于acidification（酸化）、soil（土壤）、deposition（沉積物）、nitrogen（氮）、soil acidification（土壤酸化）、soil pH（土壤pH值）等研究始終保持著較高的熱度，且隨著時(shí)間的變化，國(guó)際對(duì)于土壤酸化的研究也在發(fā)生變化，由開始的forest（森林）到agriculture soil （耕地土壤）再到paddy soil（水稻土），研究重心由森林土壤轉(zhuǎn)變到農(nóng)業(yè)耕地土壤。

2 巖溶土壤鈣與土壤酸堿反應(yīng)

耕地土壤質(zhì)量與鈣密切相關(guān)，鈣元素在調(diào)節(jié)巖溶區(qū)耕地土壤的酸堿性上發(fā)揮著重要的作用。普遍認(rèn)為鈣在各種營(yíng)養(yǎng)元素中具有重要的地位，這主要是因?yàn)橥寥乐械拟}不僅作為鹽基離子影響著土壤的pH值，同時(shí)鈣離子對(duì)土壤的物理穩(wěn)定性和保水性能等均具有重要的作用。土壤pH值通過(guò)影響難溶性化合物的溶解、螯合劑和金屬離子的水解、氧化還原反應(yīng)、吸附和解吸附反應(yīng)等，影響Ca2+的競(jìng)爭(zhēng)能力。在pH值接近中性和中性以上的土壤中，Ca2+競(jìng)爭(zhēng)有機(jī)配位反應(yīng)的能力較強(qiáng)，說(shuō)明pH值對(duì)土壤中鈣的形態(tài)影響較大[39]。巖溶生態(tài)系統(tǒng)是受巖溶環(huán)境制約的生態(tài)系統(tǒng)，而鈣是組成巖溶環(huán)境的主要元素[40]。因此，巖溶環(huán)境土壤具有富鈣偏堿的特征，對(duì)重金屬的吸附、對(duì)植物和微生物生長(zhǎng)都會(huì)產(chǎn)生一定影響[41]。石灰質(zhì)土壤的腐殖質(zhì)會(huì)對(duì)其鈣形態(tài)產(chǎn)生影響[42]，不同土地利用方式也會(huì)對(duì)土壤鈣產(chǎn)生影響。巖溶區(qū)土壤鈣作為碳酸鹽液相與固相交流的重要元素，是決定巖石溶解、沉積、土壤理化性質(zhì)等特征的主要元素[43]。石灰性土壤中碳酸鈣含量與pH值之間具有一定的關(guān)系，是引起土壤堿性的主要原因之一[44]。

土壤中的鈣形態(tài)主要有4種，分別為酸溶態(tài)鈣、可還原態(tài)鈣、可氧化態(tài)鈣和殘?jiān)鼞B(tài)鈣。其中，酸溶態(tài)鈣是可交換態(tài)或碳酸鹽結(jié)合態(tài)鈣，可還原態(tài)鈣是鐵錳氧化物結(jié)合的鈣，可氧化態(tài)鈣主要是被有機(jī)酸聚合物結(jié)合的鈣，殘?jiān)鼞B(tài)鈣主要以礦物形式存在。也有學(xué)者把鈣形態(tài)分為有機(jī)物中的鈣、礦物態(tài)鈣、交換性鈣和水溶性鈣。這些分類都是大同小異的[45]。

楊慧等[39]、曹建華[40]在對(duì)桂林丫吉巖溶區(qū)土壤pH值與鈣形態(tài)關(guān)系的初步探討研究中利用冗余分析（RDA）得出土壤pH值與土壤各鈣形態(tài)之間的關(guān)系為：土壤pH值與可還原態(tài)鈣、酸溶態(tài)鈣以及殘?jiān)鼞B(tài)鈣呈正相關(guān)的關(guān)系，其關(guān)系大小為可還原態(tài)鈣＞酸溶態(tài)鈣＞殘?jiān)鼞B(tài)鈣，與可氧化態(tài)鈣呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。黃芬等[46]在對(duì)巖溶區(qū)不同土地利用類型土壤鈣形態(tài)的研究中發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型的鈣均與pH值呈顯著的正相關(guān)。倪大偉等[47]在對(duì)滇東南典型巖溶小流域土壤鈣形態(tài)的研究中發(fā)現(xiàn)pH值與土壤全鈣以及各形態(tài)鈣之間的相關(guān)性較高。李菁等[48]在對(duì)斷陷盆地區(qū)不同土地利用方式鈣形態(tài)的研究中同樣也發(fā)現(xiàn)土壤pH值與土壤全鈣、交換態(tài)鈣、酸溶態(tài)鈣、有機(jī)結(jié)合鈣和殘?jiān)鼞B(tài)鈣的含量呈顯著的正相關(guān)。

3 結(jié)論與展望

耕地資源作為土地特有的一種利用形式，具有稀缺性與不可再生性，是人類賴以生存的自然資源基礎(chǔ)[49]。它關(guān)系到我國(guó)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定，關(guān)乎國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益和可持續(xù)發(fā)展。在我國(guó)西南巖溶區(qū)，由于其地質(zhì)背景特殊，巖溶作用強(qiáng)烈，景觀異質(zhì)性強(qiáng)，導(dǎo)致耕地面積小且質(zhì)量差；加上該區(qū)域人口相對(duì)較多，尖銳的人地矛盾導(dǎo)致植被破壞和水土流失日益嚴(yán)重，產(chǎn)生十分嚴(yán)重的石漠化現(xiàn)象，而且呈不斷擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)，嚴(yán)重制約了該區(qū)域耕地的可持續(xù)發(fā)展，直接影響當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)收入水平[50]。該研究從熱點(diǎn)、高頻關(guān)鍵詞、時(shí)間譜系這3個(gè)維度對(duì)國(guó)內(nèi)外酸化研究進(jìn)行分析，由此得出，目前土壤酸化研究主體由森林土壤酸化逐步轉(zhuǎn)向耕地土壤酸化，其研究范圍從單一的pH值及影響因子的相關(guān)分析進(jìn)階至致酸離子與抑酸離子的雙向互作分析，土壤酸化路徑的分子生物學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征研究更趨于細(xì)化，在全球酸化進(jìn)程加劇的大背景下，巖溶區(qū)石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育土壤酸化事件頻現(xiàn)，酸化危害帶來(lái)的一系列生態(tài)環(huán)境脆弱性表現(xiàn)不利于我國(guó)耕地質(zhì)量保護(hù)。基于巖溶耕地土壤酸化與土壤鈣形態(tài)演化特征，解析巖溶動(dòng)力系統(tǒng)中Ca2+、H2O、C與致酸離子（H+、Al3+）的互作路徑與抑酸機(jī)理，探明區(qū)域土壤酸化進(jìn)程、巖溶動(dòng)力系統(tǒng)的抑酸路徑及機(jī)理是我國(guó)西南8省巖溶區(qū)土壤地力保持與提升的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。

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（責(zé)任編輯：張煥裕）