近年来,在全球气候变化和全球变暖的背景下,土壤作为最大的有机碳库,土壤有机碳受到了人们广泛的关注与研究。土壤有机碳是通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体的合体,具有不同程度的分解能力和稳定性
[1]。土壤有机碳库是陆地碳库中的重要组成部分,也是陆地生态系统中最大的碳库
[2]。土壤表层的有机碳含量占地球陆地生态系统总碳含量的60%以上
[3],其微小的变化都可能影响大气中CO
2的浓度,因而在全球碳循环过程中发挥着重要作用
[4]。土壤有机碳是土壤肥力的物质基础,包含着植物生长所需的多种营养元素,对土壤的物理、化学及生物性质产生一定的影响
[5]。除此之外土壤有机碳也在全球碳平衡中发挥着重要作用,是影响全球“温室效应”变化的主要因素和全球碳循环的核心
[6]。根据分解的难易程度,可将土壤有机碳分为易氧化有机碳和难氧化有机碳2种类型,其中易氧化有机碳含量的高低代表着土壤能释放出来的有效肥力的多少;难氧化有机碳则更多地反映出土壤中储藏营养物质的多少,其稳定性决定了养分转化的难易程度
[7-8]。土壤有机碳含量的动态变化主要受自然因素(气候、地形、土壤养分和土壤微生物)和人为因素(土地利用方式、农田管理措施)的影响
[9]。目前,国内外学者对土壤有机碳的输入和输出等影响土壤有机碳动态变化方面进行了大量研究。研究发现土地利用类型也是影响土壤有机碳动态变化的一个主要因素,土壤有机碳的含量变化及其在土壤中的分布都会对全球碳循环和气候变化产生重大影响
[10-13]。Ogle等
[14]通过荟萃分析,量化了温带和热带地区湿润和干燥气候条件下农业用地利用和管理方式对土壤有机碳储量的影响;Kong等
[15]评估了碳输入在土壤有机碳封存中的长期作用,并确定土壤中碳稳定的潜在机制;Wang等
[16]研究了青藏高原高寒地区不同土地利用类型土壤有机碳的分布特征及其控制因素。虽然现在对土壤有机碳变化影响因子的研究较多,但对不同土地利用类型中土壤碳循环过程与大气中碳交换对全球气候变化产生的影响,以及采取何种有效措施减少土壤中的碳排放量等,都是未来需要解决的问题。
文献计量学是一种应用数学和统计学的方法来分析文献,通过计算和分析等过程对文献进行定量分析的一种科学方法,对综述性文章的撰写起着重要作用
[17-19]。Citespace软件是由陈超美教授研究团队开发的一款用于对科学文献分析、挖掘及文献可视化的应用软件
[20],是文献计量学的重要研究方法。VOSviewer软件是一种专门用于文献知识单元和可视化分析的开发工具,其最大的优势在于具有很强的图形展示能力,非常适合大规模样本数据库的分析,可对关键词、作者、国家及其合作关系等进行绘制
[21]。Citespace和VOSviewer软件作为文献分析的重要工具,主要用于文章关键词共现、文献知识图谱的可视化分析,可对收集整理的文献进行科学统计及深度挖掘,自开发以来,在各研究领域被广泛应用,成为近年来文献分析的重要工具之一
[22-23]。目前,国内外关于土壤有机碳研究领域的可视化分析较少。本研究选取Web of Science(WOS)核心合集数据库中收录的论文作为数据样本,使用Citespace和VOSviewer软件,分析2012—2022年这11年土壤有机碳相关研究领域的研究热点,旨在分析土壤有机碳研究现状、热点和发展趋势,以期为更好的把握未来的研究方向提供思路。
1 数据来源与研究方法
1.1 数据来源
基于文献计量学方法分析研究与土壤有机碳有关的高被引文章。本研究选择Web of Science中收录的核心合集作为检索的数据库,进行相关文献检索。使用“Soil organic carbon”作为主题词,文献类型选择高被引论文,考虑到时效性,检索时间设置为2012—2022年,选择所需的文献信息,将检索后得到的文献资料保存为纯文本文件。最终得到891篇有效文献,将其作为分析数据样本进行分析,并生成相关网络图谱。
1.2 研究方法
本研究基于Web of Science核心合集作为数据库,借助Citespace和VOSviewer分析软件,采用文献计量分析方法,对近11年土壤有机碳研究领域的高被引文献的发文量、关键词、机构、国家、作者、文献被引频次、主要学科和发文期刊分别通过WOS系统自带的统计分析功能对数据进行整理和可视化分析,分析土壤有机碳相关文献的研究现状、热点和前沿。
2 统计结果与数据分析
2.1 发文量分析
发文量是以出版年为依据,以每年发表的文章数作为年总发文量,能体现一个研究领域的发展趋势。对2012—2022年土壤有机碳高被引文献进行检索,将检索得到的891篇高被引论文进行统计(
图1)。高被引论文量呈上下波动状态,在2019年高被引论文发文量最多,2022年高被引论文发文量较少,2012—2022年均发文量达到了89篇,说明土壤有机碳仍然是相关科研学者的研究热点。
2.2 关键词共现分析
关键词是一篇学术论文中不可或缺的组成部分之一,是作者对论文主要内容的总结精炼和概括,它能更深层次的了解一篇学术论文中的主要研究方向、技术方法和研究热点。利用VOSviewer软件进行分析,设置关键词出现阈值为10,对筛选出的186个关键词进行聚类分析,得出土壤有机碳相关文献的关键词共现网络图(
图2)。图中圆圈越大,表明该关键词在文献中出现的频次越高,体现了该领域的研究热点;圆圈的不同颜色代表了该研究领域下的不同主题集群。
频次排名前10的关键词构成了2012—2022年间土壤有机碳的主要研究内容。由
图2可知,图中共有4种颜色,说明该研究领域的研究热点分为4个主题,分别以有机物质(Organic matter,148次)和氮(Nitrogen,122次)、有机碳(Organic-carbon,98次)和碳封存(Carbon sequestration,76次)、生物炭(Biochar,97次) 和黑碳(Black carbon,94次)、动态(Dynamic,57次)和土壤有机质(Soil organic matter,38次)为核心。不同的关键词聚类知识图谱,展现了不同关键词之间研究主题的相互关联性。
关键词突现性指一定时期内关键词出现频率的快速增加,能反映该时段的研究热点或研究的新兴趋势。基于Citespace软件对2012—2022年的关键词突现指标进行分析(
表1),排名前5的突现词主要有Charcoal(木炭)、Agricultural soils(农业土壤)、Sorption(吸附)、Pyrolysis temperature(热解温度)和Oxidation(氧化),突现强度都大于5。Pyrolysis temperature(热解温度)的突现强度高、突现年份近,是当下的研究热点和未来可能的热点趋势。
2.3 主要发文机构及合作关系分析
发文机构是科学研究领域成果产出的重要主体。由
表2可以看出发文量排名前3的机构分别是中国科学院(104篇),其次是中国科学院大学(34篇)和科罗拉多州立大学(33篇);发文量超过20篇的研究机构共8个,其中中国科学院的发文量明显高于其他发文机构。此外,中国科学院和科罗拉多州立大学中介中心性最高,为0.11,表明中国科学院和科罗拉多州立大学是土壤有机碳研究领域的核心科研机构,对土壤有机碳进行了较深入的研究。
利用VOSviewer软件对土壤有机碳研究主要科研机构合作关系进行分析,共有1 466个机构开展了土壤有机碳相关的研究。通过软件中的发文机构聚类设置关键词出现阈值为9,共筛选出84个发文机构并进行聚类分析(
图3)。图中的圆点大小代表科研机构发文数量的多少;圆点间连线代表机构间合作关系的强弱;颜色代表科研机构的聚类,不同的颜色代表不同机构的研究方向,相同颜色的机构代表其具有相近的研究内容。由
图3可知,网络图分布比较紧密,各个科研机构之间的线条数量多,表明科研机构之间存在比较紧密的合作,学术交流频繁。中国科学院所属研究机构和其它机构间合作最紧密,其次是科罗拉多州立大学和加州大学伯克利分校。研究机构之间高层次和更大范围的合作交流,可以深入的推动土壤有机碳研究领域的高质量发展和进一步的深入交流。
2.4 主要发文国家及合作关系分析
土壤有机碳高被引论文发文排名前10的国家见
图4。2012—2022年高被引论文发文量共1 364篇,发文量排名前3的国家分别是美国,发文335篇,占比24.56%;中国发文310篇,排名第2,占比22.73%;德国发文171篇,排名第3,占比12.54%。美国和中国高被引论文发文量占总发文量的47.29%,远高于其他几个国家,表明美国和中国的学者对该领域有着较高的关注程度和研究兴趣。
在科技全球化发展的大背景下,不同国家之间进行科研合作已经成为了一种主流趋势。美国、中国、德国和澳大利亚之间合作交流程度深且与其他国家的合作较为紧密(
图5)。国家圆点之间连接线多,表明国家之间学术交流较为频繁,各国之间的紧密合作可以有效促进对土壤有机碳进行更广泛而深入的研究。
2.5 主要发文作者及合作关系分析
作者合作关系网络图能够提供潜在研究者的信息和具有较大影响力的研究小组的信息
[24]。将检索得到的891篇文献导入到VOSviewer软件中进行分析,并利用软件生成相关图谱(
图6)。图中的圆点代表该研究领域的发文作者,圆点的大小代表作者在该研究领域发文数量的多少;不同圆点的颜色是对作者的聚类,相同的颜色代表了作者之间的研究内容或者方向相近。以Yong Sik Ok、Zeng Guang Ming和Joerg Ringlebe等人为核心的作者群体与其他作者群体之间有较多的合作关系,他们对该领域的研究发展起到了重要的推动作用。同一研究集群内的作者之间合作交流较多,充分反映了该研究领域的深度和广度都有所增加,也反映了科研人员对该研究领域的重视。
发文作者是科研工作的重要主体,通过对发文作者及其合作关系网络图谱进行分析,可以反映出该领域的核心作者群及合作关系
[25]。在WOS核心合集数据库中检索到的891篇高被引文献中,发文量排名前10的作者总发文量为155篇。其中发文量排名前3的作者分别是Yong Sik Ok、Yakov Kuzyakov和Joerg Ringlebe,发文量占比分别为22.89%、18.64%和9.32%。Yakov Kuzyakov的中介中心性最高为0.23,说明Yakov Kuzyakov为土壤有机碳研究领域的主要人物(
表3)。
2.6 高被引论文被引频次分析
文献被引频次是衡量一个国家科研文献被其他国家或机构认可程度的重要标志
[26-27]。高被引论文指同一年同一个ESI(基本科学指标数据库)学科发表的所有论文中被引次数排在前1%的论文
[28]。2012—2022年WOS核心数据库收录的与土壤有机碳研究相关的高被引文献被引次数排名前10的论文如
表4所示。其中被引次数最多的是2014年发表在
Chemosphere上的Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water: A review,被引次数最高为2 509次;该文章主要总结并讨论了生物炭作为土壤和水中污染物吸附剂的用途
[29]。文献被引频次排在第2的文章是2014年发表在
European journal of soil science上的Total carbon and nitrogen in the soils of the world,被引次数为2 290次;该文章主要讨论了大气CO
2浓度增加引起的土壤有机碳和氮动态的可能变化
[30]。文献被引频次排在第3的是2015年发表在
Nature上的Climate change and the permafrost carbon feedback,被引频次为1 739次;该文章表明气候变暖会加速土壤中微生物对有机碳的分解速率,增加温室气体的排放量
[31]。文献被引频次前3的引用量分别占总被引频次的15.00%、13.69%和10.40%。排名前10位的高被引文章大部分来自美国、欧洲以及一些其他发达地区和国家,表明这些国家开展与土壤有机碳的相关研究较早,所掌握的研究方法比发展中国家更加系统和完善,而且由于其语言的普遍性和高质量的期刊水平等因素,这些国家的相关研究在全球的影响力较高。
2.7 主要学科领域分析
学科领域是相对独立的知识体系,它是指科学领域或一门学科的分支。对2012—2022年间高被引文献的学科领域进行分析(
图7),发文量排名第1的学科是Environmental Sciences(环境科学),发文量为258篇,学科占比28.92%;其次是Soil Science(土壤学),发文量为252篇,学科占比28.25%;发文量第3的学科为Multidisciplinary Sciences(多学科科学),发文量为99篇,学科占比为11.10%;之后是Plant Sciences(植物科学)和Ecology(生态学)。说明土壤有机碳研究领域主要集中在环境科学、土壤学和多学科科学等学科上。土壤有机碳多学科科学现在已经逐渐发展为土壤有机碳领域一门重要的学科,各学科之间相互渗透和交叉,使得土壤有机碳研究领域能够得到快速的发展。与此同时在多学科交叉研究、信息资源相互交流、科学技术不断发展和科学研究日趋复杂化的大背景下,科研合作已经变成了一种顺应潮流的发展趋势,推动不同学科知识之间的相互流动和融合
[39]。
3 讨论
在多学科科学交叉专业逐渐成为主流的研究背景下,随着现代科学研究的深入,通过协作解决科学难题、促进科学技术进步,科研合作的重要性正在被越来越多的人所认识。从学科领域来看,多学科科学逐渐成为了土壤有机碳研究领域的一种主要学科,学科之间的交叉研究能更好地将资源进行整合,解决全球气候变化的综合性问题,科研成果也更容易取得重大突破和更好地激发科研创新能力。因此,在全球范围内不同学科之间的联系必须是紧密的,多学科交叉研究也就显得尤为重要。
研究前沿趋势一般指学术研究未来最具发展潜力的研究主题。而某一领域通常拥有海量的文献数据,因此如何从海量文献中探寻出研究前沿,为学术研究找到新的突破口,成为关键性问题。热解温度作为当下的研究热点和未来可能的前沿趋势,相关研究主要集中在热解温度对生物炭性质的影响上。高温热解生物炭可以增强土壤碳的长期固存,还可以通过增强微生物功能减少养分流失,增加土壤中有机碳的含量,对提高作物生产力、碳封存和养分利用效率方面具有良好作用
[40-41]。
本研究表明土壤有机碳的研究热点主要集中在4个不同主体的研究上。集群1所关注的主要是土壤养分与微生物之间的关系。该聚类下所包含的关键词“有机物质”“氮”“碳”“微生物量”“分解”等出现频率较高。微生物作为土壤中最活跃的物质,其作用机制一方面会对土壤有机质的分解产生影响,另一方面微生物的分解速率也受有机物质中的碳氮比影响。除此之外,微生物量与土壤有机碳之间也相互关联,土壤微生物是土壤有机质中最活跃的成分,涉及到土壤肥力,对陆地生产力系统有着一定程度的控制
[42];同时微生物量也是陆地生态系统碳库的一种重要组成部分,是整个生态系统中养分和能量循环的关键和动力
[43-44]。在全球气候变化的背景下,矿物-有机质-微生物一直是土壤学中研究的热点话题。国内外学者对土壤矿物-有机质结合机制以及土壤微生物群落开展了大量研究,但是关于微观机制等方面的研究仍然比较匮乏
[45]。
集群2主要关注的是不同土地利用和气候改变对有机碳变化的影响。该聚类下所包含的“有机碳”“碳封存”“储存”“气候改变”“土地利用”“管理”“物质”等关键词出现的频率较高。自1995年IGPB(国际地圈生物圈计划)和HDP(全球变化人文计划)共同提出了人与生物对土地利用变化及对气候变化影响的LUCC(土地利用/土地覆盖变化)研究计划
[46]后,土地利用变化成为了全球气候变化研究的热点内容。土壤有机质具有提高土壤固碳水平的能力,同时土地利用方式的变化对全球气候变化和碳循环产生一定的影响,在全球内土壤有机碳相关研究与生物炭、碳储量和土地利用变化的研究呈现出连续增加的趋势,土壤有机碳对气候变化响应的研究会是未来生态学和多学科科学研究的热点话题
[43]。
集群3主要是与碳吸附相关的研究。该聚类下包含的“黑碳”“生物炭”“土壤”“木炭”“吸附”等关键词出现的频率较高。生物炭和木炭具有较大的孔隙度和比表面积,具有较强的吸附力和抗生物分解能力,它可以有效的将碳吸附固化在生物炭中间,减少温室气体的排放量
[47];同时作为土壤改良剂可以刺激土壤微生物的活动和生长,提高土壤微生物活性功能和改变土壤群落结构,对土壤进行一定的改良
[48-50]。
集群4主要研究的是土壤中物质的动态变化过程。该聚类下包含的“土壤有机质”“动态”“周转”“机制”“稳定化”等关键词出现的频率较高。土壤有机质的周转是一个动态的过程,包括输入、分解、转化和输出构成的生态系统碳循环过程
[51]。
通过对土壤有机碳的关键词出现频次和高突现关键词进行综合分析表明,影响土壤有机质的主要因素有温度和土地利用方式。在全球范围内,土壤有机碳含量对气候的变化作用十分显著,主要表现为温度升高、微生物活性变强、代谢明显增加和土壤有机碳含量上升等。人类活动也是最主要的影响因素,其中土地利用变化对土壤有机质的影响是一个复杂过程,土壤质地、气候变化和微生物生活环境都会受不同土地利用方式的影响,从而使有机碳的稳定性发生变化、数量缩减。
近年来,在全球气候变化的大背景下,通过对关键词分析,有机碳封存是实现可持续农业和缓解全球变暖的重要方式之一。分析土地利用变化和气候变化与土壤中有机碳的封存与固定之间的关系,对我国实现碳中和、碳达峰目标具有重要意义。为了应对全球气候变化,随着IPCC(政府间气候变化专门委员会)第4次评估报告的提交
[52],全球气候变化与温室气体增加之间的相互关系已经变成了一种不容置疑的事实。有效地增加温室气体的排放,增加碳汇是缓解气候变化的首要任务。IPCC在第4次评估报告中提出农业中近90%的减排量可以通过固定土壤中的有机碳来实现。土地利用方式影响土壤有机碳储存,良好的农田管理措施可以有效提高农田土壤碳吸收速率,农田土壤的固碳趋势对CO
2 减排和温室气体的排放起着重要减缓作用,这是实现土壤碳汇功能、实现碳平衡和缓解气候变化的一种重要方式;同时,报告指出采取良好的措施增加土壤固碳含量,以减少大气中的二氧化碳气体含量,将土壤固碳与农业相结合,从而作为减缓气候变化的重要方式
[53-54]。2023年3月,IPCC在瑞士发布第6次评估报告综合报告《气候变化2023》
[55],这份报告整合了自2018年以来IPCC发布的3份特别报告的调查结果,其中《气候变化与土地报告》对土地利用变化和气候作用的反馈进行了综合评估,该报告提供了有助于应对气候变化和土地退化等可持续的土地管理措施。
法国农业部长于2015年12月在第21届联合国气候变化大会上正式提出“千分之四计划”
[56-57],该计划不仅表明了土壤碳库与气候变化在碳循环过程中的重要性,同时也体现出了通过改善土壤有机质来缓解气候变化这一途径的重要意义,尽管“千分之四计划”实现面临着很大的挑战,但显示了土壤在减缓气候变化中占有重要地位。结合国内的发展趋势,中国在2014年首次提出2030年的“碳达峰”计划
[58]并在2020年第75届联合国大会一般性辩论会上,宣布在2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和目标。同时在“双碳目标”的重大国家战略背景下,为实现碳减排,通过合理控制温室气体排放和改变土地利用等方式为“双碳”目标的实现争到一定的缓冲期。随着碳中和、碳达峰的提出和推广,土壤有机碳循环与气候变化的相互作用已成为热点问题,得到了学者们的进一步研究,这也直接推动了土壤有机碳及相关研究领域的进一步发展。同时对于全世界来说,土地利用变化对全球及区域尺度上生态系统碳循环和储存会产生影响,但土地利用变化对生态系统碳循环的影响并不是一个简单的过程,而是一个复杂的过程,其中包含多种因素,例如气候变化、土壤肥力、植被类型和农业生产活动等
[59]。随着土地利用变化对碳排放影响的研究日益深入,相关研究方法与模型不断地改进和完善,土地利用变化逐渐成为了陆地生态系统的核心,因此,如何精确估算土地利用/覆被变化,进而准确估算区域和陆地碳汇平衡已变得日益重要。然而,目前关于土地利用/覆盖变化对生态系统碳循环的研究中仍然存在着较大的不确定性。因此,为了更好的了解土壤有机碳的变化机制,未来研究需要更深入的定量分析不同时期的LUCC的碳源、碳汇效应,以及土地利用与土地管理对土壤有机碳库的影响,从而进一步探求土壤有机碳的变化机制对生态系统碳循环的影响
[60]。
4 结论
借助文献计量分析法,分析相关领域的研究热点与趋势。通过对Web of Science核心数据库中2012—2022年间土壤有机碳研究领域的891篇高被引文章进行文献分析,利用VOSviewer软件和Citespace软件,结合发文量、关键词、发文机构和发文作者等网络知识图谱,得出以下结论:
1)土壤有机碳相关领域的高被引论文发文量在2012—2022年间呈上下浮动,2019年高被引论文发文量最高,土壤有机碳相关的研究取得了重大进展。
2)通过对关键词进行分析,土壤有机碳的主要研究内容有土壤有机质的吸附作用和在全球变暖背景下,农田土壤碳循环对气候变化的影响;聚类结果表明,热解温度对生物炭的影响是近一步深入研究的方向和可能的研究热点。
3)土壤有机碳研究高被引文献涉及的主要学科领域为环境科学、土壤学和多学科科学等学科,多学科科学逐渐发展成为一种主要学科,各学科之间的相互交流更有利于加深对该领域的研究。
4)主要发文国家为美国和中国,其中美国和中国的发文量占比分别为24.56%和22.73%,远高于其他国家;主要发文机构和发文作者为中国科学院和Yong Sik Ok;Yakov Kuzyakov与其他作者之间的合作交流最多。
在全球范围内,土壤碳排放位于生态系统碳循环的主导地位,未来应该重视对土壤有机碳的长期动态监测。通过对碳循环进行定量研究,有助于学科之间的发展,为实现我国的双碳目标和为解决当前所面临的重大生态环境问题提供科学依据。
宁夏重点研发计划项目(2021BEG02005)
宁夏重点研发计划项目(2023BEG02049)
宁夏自然科学基金项目(2023AAC03061)
国家自然科学基金项目(31960359)
第三批宁夏青年科技人才托举工程项目(TJGC2018068)
宁夏不同草地类型碳汇潜力评估与增汇技术研发项目(2023BEG02049)