翁曉虹，隋 心

（1黑龍江大學(xué)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(xué)生命科學(xué)學(xué)院/黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)循環(huán)的重要力量，對(duì)維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和生態(tài)恢復(fù)都具有一定的作用[1-3]。土壤微生物群落主要包括細(xì)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?bào)w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(jī)質(zhì)含量越高，微生物群落結(jié)構(gòu)越復(fù)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(zhǎng)期相互關(guān)系，進(jìn)而影響本地樹種的生長(zhǎng)和種群更新[8-9]。當(dāng)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(duì)此領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)及趨勢(shì)進(jìn)行可視化的計(jì)量分析，并且對(duì)于該領(lǐng)域的研究深度預(yù)測(cè)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(xiàn)計(jì)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(xiàn)計(jì)量學(xué)是研究文獻(xiàn)系統(tǒng)和文獻(xiàn)特征的學(xué)科，用于定量分析。借助知識(shí)圖譜和文獻(xiàn)計(jì)量軟件的可視化功能，研究人員可以客觀地評(píng)價(jià)某一時(shí)期目標(biāo)領(lǐng)域的歷史演變過程、研究方向和當(dāng)前熱點(diǎn)，并預(yù)測(cè)未來的發(fā)展趨勢(shì)[13-15]。近年來，文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)在了解和分析科學(xué)技術(shù)發(fā)展方向方面的應(yīng)用越來越常見[16-17]。例如史方穎等[18]對(duì)土壤有機(jī)碳礦化研究熱點(diǎn)的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析結(jié)果表明，土壤類型、環(huán)境因子和土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳礦化、周轉(zhuǎn)和時(shí)空分布的影響是土壤有機(jī)碳礦化研究熱點(diǎn)。周顯等[19]根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)對(duì)土壤污染研究動(dòng)態(tài)進(jìn)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(fù)的研究熱點(diǎn)將集中在植物修復(fù)、微生物修復(fù)、無機(jī)礦物修復(fù)和復(fù)合修復(fù)等方面。劉波等[20]通過文獻(xiàn)計(jì)量分析得出，群落結(jié)構(gòu)（特別是土壤微生物）對(duì)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(kù)，在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，應(yīng)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(xiàn)計(jì)量學(xué)的方法描述、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)森林土壤微生物多樣性發(fā)展現(xiàn)狀和研究前沿態(tài)勢(shì)，以期為該領(lǐng)域未來的研究方向提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

Web of Science是一個(gè)綜合多學(xué)科核心期刊的數(shù)據(jù)庫(kù)。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(shí)間跨度為2007—2020年。使用該檢索式共檢索到文獻(xiàn)4266篇，將檢索到的文獻(xiàn)分批次以txt格式導(dǎo)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(duì)檢索到的文獻(xiàn)進(jìn)行分類儲(chǔ)存，以Excel格式導(dǎo)出。運(yùn)用Excel對(duì)年發(fā)文量、發(fā)文國(guó)家/地區(qū)、發(fā)文機(jī)構(gòu)、發(fā)文作者、研究方向等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)統(tǒng)計(jì)完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。將從Web of Science以txt格式導(dǎo)出來的4266條數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CiteSpace中，除重后儲(chǔ)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(gè)txt文件中。將整合好的文件導(dǎo)入Bibexcel中，得到文獻(xiàn)標(biāo)題中的關(guān)鍵詞和文獻(xiàn)關(guān)鍵詞中的關(guān)鍵詞。運(yùn)用VOSviewer將整合好的txt格式文件對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)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(jì)數(shù)方法設(shè)置為full counting（全計(jì)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(xiàn)的產(chǎn)出與趨勢(shì)分析

文獻(xiàn)檢索結(jié)果表明，基于Web of Science的核心數(shù)據(jù)庫(kù)，檢索到2007—2020年關(guān)于森林土壤微生物多樣性的文獻(xiàn)共計(jì)4266篇。從圖1可以看出，森林土壤多樣性的發(fā)文量隨著時(shí)間的推移總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。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(gè)階段，2007—2011年的年發(fā)文量緩慢增長(zhǎng)，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(zhǎng)，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(zhǎng)，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(zhǎng)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(shì)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(dá)到飽和，預(yù)測(cè)未來幾年將會(huì)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(guó)家和地區(qū)

根據(jù)Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)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(guó)家和地區(qū)中可以看出，中國(guó)的發(fā)文量最多，為1164篇，占總發(fā)文量的27.27%（圖2）；美國(guó)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(guó)、法國(guó)、巴西、加拿大、澳大利亞、西班牙，這些國(guó)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(guó)和美國(guó)的總發(fā)文量占全部國(guó)家的總發(fā)文量的52.36%，在該領(lǐng)域的研究與其他國(guó)家相比優(yōu)勢(shì)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(guó)家和地區(qū)統(tǒng)計(jì)

從圖3中可以看出，2007—2020年中國(guó)在該領(lǐng)域的發(fā)文量隨著時(shí)間的增長(zhǎng)不斷增加。在2017年，中國(guó)的年發(fā)文量超越了美國(guó)，2018—2020年的發(fā)文量急劇增長(zhǎng)；美國(guó)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(guó)、法國(guó)、巴西在該領(lǐng)域的年度發(fā)文量平緩增長(zhǎng)，德國(guó)在2015年后的年發(fā)文量比法國(guó)、巴西的年發(fā)文量大，說明德國(guó)對(duì)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(guó)家年度發(fā)文量

2.3 研究機(jī)構(gòu)分析

通過統(tǒng)計(jì)得出，發(fā)文量排名前10位的機(jī)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(jī)構(gòu)均在中國(guó)，中國(guó)科學(xué)院發(fā)文量占全部檢索的11.18%，是前10位機(jī)構(gòu)總發(fā)文量的37.5%，其次是中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和西北大學(xué)。中國(guó)的西北大學(xué)、巴西的圣保羅大學(xué)、中國(guó)的中國(guó)林業(yè)科學(xué)院、瑞典的瑞典大學(xué)的發(fā)文量相差不大，這4個(gè)機(jī)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(guó)排名前10位的研究機(jī)構(gòu)總發(fā)文量占中國(guó)研究機(jī)構(gòu)總發(fā)文量的89.68%，為1044篇。排名第一的研究機(jī)構(gòu)為中國(guó)科學(xué)院，該機(jī)構(gòu)的發(fā)文量為477篇，占中國(guó)機(jī)構(gòu)總發(fā)文量的40.98%；其次是中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、西北大學(xué)和中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，分別占12.97%、7.90%和7.73%，其中西北大學(xué)與中國(guó)林業(yè)科學(xué)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(jī)構(gòu)

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

2.4 文獻(xiàn)作者與來源期刊分析

發(fā)文量前10位學(xué)者排名如表3，10位學(xué)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(gè)不同的國(guó)家，分別是美國(guó)、捷克和德國(guó)。美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)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(dá)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(kù)中被引頻次排名前10位的文章列于表5。從第一作者的國(guó)別來看，分別為荷蘭、瑞典、美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、法國(guó)。其中有5位第一作者來自于美國(guó)，說明美國(guó)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(dòng)力，約2萬種植物完全依賴于微生物共生體的生長(zhǎng)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(zhǎng)期浸灰實(shí)驗(yàn)(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(duì)真菌和細(xì)菌的直接影響[22]；排名第三的是美國(guó)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(cè)序和統(tǒng)計(jì)推斷，評(píng)估細(xì)菌的多樣性，表明人類干擾可能會(huì)影響細(xì)菌和古細(xì)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(xué)生態(tài)學(xué)）、agriculture（農(nóng)學(xué)）、microbiology（微生物學(xué)），出現(xiàn)的頻次分別為1441、1151、850次，這3個(gè)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(duì)學(xué)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(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[20]。通過使用可視化分析軟件VOSviewer對(duì)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(xiàn)關(guān)鍵詞進(jìn)行分析。文章去重后的573個(gè)關(guān)鍵詞之間具有相關(guān)性，通過設(shè)定閾值，選取前50個(gè)重要關(guān)鍵詞進(jìn)行VOSviewer可視化，共形成3個(gè)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(gè)重要的主題。從圖4可以看出，“diversity”是圖中最大的節(jié)點(diǎn)，說明該關(guān)鍵詞的權(quán)重最大，屬于第一個(gè)聚類，其次是“forest”；第二個(gè)聚類中“carbon”的節(jié)點(diǎn)是最大的，第三個(gè)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(diǎn)分析

表7～8中列舉出了出現(xiàn)頻次排名前20位的文獻(xiàn)標(biāo)題中的關(guān)鍵詞和文獻(xiàn)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(jī)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(xiàn)標(biāo)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(biāo)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(xué)者的關(guān)注。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫(kù)[24-25]，森林土壤有機(jī)碳(SOC)的變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和生態(tài)服務(wù)功能造成直接影響[26]。微生物對(duì)SOC的分解時(shí)間越長(zhǎng)，越有助于促進(jìn)SOC的積累[27-28]。

“nitrogen”在標(biāo)題中出現(xiàn)495次，居第5位，在文獻(xiàn)關(guān)鍵詞中出現(xiàn)65次。氮是植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)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(jìn)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(huì)顯著影響土壤微生物多樣性。

“organic-matter”在標(biāo)題關(guān)鍵詞中出現(xiàn)357次。有機(jī)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(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育提供必要的養(yǎng)分和生境，刺激微生物的活動(dòng)，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(guó)內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注和研究。

表8中呈現(xiàn)了文獻(xiàn)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(xì)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(duì)象。此外表中有2類測(cè)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(cè)序）以及排名第16位的“pyrosequencing”（焦磷酸測(cè)序），可看出高通量測(cè)序和焦磷酸測(cè)序在森林土壤微生物多樣性研究領(lǐng)域中是主要的測(cè)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(xiàn)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(kù)對(duì)2007—2020年森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域進(jìn)行計(jì)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(shì)。中國(guó)的總發(fā)文量領(lǐng)先于其他國(guó)家，增長(zhǎng)速度也在逐年上升，預(yù)測(cè)在未來幾年，中國(guó)在該領(lǐng)域的研究會(huì)更加先進(jìn)。美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、巴西也在穩(wěn)步上升，但上升幅度不大。（2）從研究機(jī)構(gòu)看，發(fā)文量排名前3位的機(jī)構(gòu)均在中國(guó)，說明中國(guó)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)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(xué)生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)、微生物學(xué)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(diǎn)集中在環(huán)境因子碳、氮、有機(jī)質(zhì)與微生物多樣性之間的相互作用方面。另外，本研究?jī)H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(duì)森林土壤微生物多樣性研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)形成更準(zhǔn)確的整體性認(rèn)知。

4 展望

通過對(duì)近13年來Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于森林土壤微生物多樣性領(lǐng)域研究文獻(xiàn)的分析可以得出：隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是高通量測(cè)序技術(shù)在土壤微生物學(xué)中的應(yīng)用，使得森林土壤微生物學(xué)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(shì)。當(dāng)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(jī)碳、總氮和土壤有機(jī)質(zhì)之間的關(guān)系。但是關(guān)于林分類型、地理?xiàng)l件、其他礦質(zhì)元素如硫、鈣、鐵等對(duì)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(cè)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(yīng)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(huì)成為森林土壤微生物的熱點(diǎn)。