基于文献计量学的岩溶耕地土壤酸化与钙碳互作抑酸研究趋势分析

段承龙 蒋军 李菡 刘晓 张亮 谢红霞 盛浩 袁红

摘 要：以Web of Science核心集（web of science core collection）和中国知网（CNKI）数据库为基础，采取统计与聚类的分析方法，基于文献计量学知识，借助CiteSpace信息可视化软件，分别对1993—2023年在web of science core collection和1924—2023 CNKI中发表的土壤酸化文献进行索引分析；通过对web of science core collection中4 772篇、CNKI 中2 482篇相关文献中的热点、关键词、时间线等展开多角度可视化分析，统计并绘制有关国际国内土壤酸化研究文献的关键词、时间图谱等图表，挖掘国际国内土壤酸化研究发展趋势及方向。结果表明：土壤酸化研究主体由森林土壤酸化逐步转向耕地土壤酸化，研究范围从单一的pH值及影响因子的相关分析进阶至致酸离子与抑酸离子的双向互作分析，土壤酸化路径的分子生物学、动力学特征研究更趋于细化。

关键词：岩溶区；耕地；土壤酸化；研究趋势；可视化分析

中图分类号：S153.4文献标识码：A文章编号：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

基金項目：自然资源部广西岩溶动力学重点实验室开放课题基金（KDL＆Guangxi 202010）；科技部国家重点研发计划（2022YFD1700103-306）；湖南省教育厅双一流学科优秀青年项目（19B282）

作者简介：段承龙（2000—），男，湖南洪江市人，硕士研究生，主要从事资源利用与植物保护研究。

通信作者：袁 红

耕地是人类赖以生存和发展的物质基础[1]，具有农业生产、空间承载以及环境保护等多种功能[2]，关系国家安全和社会稳定，是保障粮食安全和国民经济高质量发展的宝贵资源[3]。耕地土壤酸化是全球土壤退化的主要形式，表现为土壤pH值不断降低、土壤交换性酸不断增加[4]。土壤酸化是当前西南地区所面临的突出土壤环境问题之一，对农产品安全和农业可持续发展构成了严峻威胁[5]。岩溶生态系统是受岩溶环境制约的生态系统，石灰土是热带、亚热带地区碳酸盐岩类经溶蚀风化后的产物，岩溶环境的独特性赋予了石灰（岩）土独特而复杂的成土过程，虽然成土机理至今尚未完全清楚，但岩溶作用对石灰岩土壤的形成和演变产生了深远的影响，其具有富钙偏碱的地球化学特点已成为共识[6]。中国岩溶区面积344.3万km2，占国土面积的1/3左右，其中西南地区岩溶面积约41.1万km2，是世界上三大巖溶分布中心，同时也是世界最大的岩溶连续带[7-8]。作为最脆弱的生态系统之一，岩溶区界面对环境变化非常敏感，生态容量低，抗灾能力差，人为影响剧烈，是我国土壤酸化最为严重的区域之一[9-11]。特别是喀斯特丘陵山区，由于复杂多变的自然条件，具有土壤贫瘠、分布破碎、植物生长困难的特点[12]，易利用的土地资源分布极不均衡，耕地资源相较于平原更为宝贵，面临着人地关系紧张的基础性矛盾。

岩溶地区的物质循环以碳（C）、水（H2O）、钙（Ca）为基本特征，岩溶环境中元素的迁移是由此循环构成的岩溶动力学过程导致的，它限制了元素迁移的质量和数量，产生了富钙偏碱的地球化学环境。钙是岩溶生态系统中最常见的生态元素，钙元素的富存以及迁移与岩溶地区的耕地土壤密切相关，钙元素在调节岩溶区耕地土壤的酸碱性上发挥着重要的作用[13]。土壤中钙等盐基离子直接影响到岩溶区耕地土壤的酸碱度。目前基于钙元素在岩溶生态系统中的重要性已开展了大量研究工作，主要关注钙对重金属吸附及微生物、植物等生物的影响[14-17]，环境因子对钙形态分布的影响[18-21]等方面，而针对岩溶土壤酸化进程中钙的抑酸途径及效应研究相对较少。

酸碱平衡是保障岩溶区土壤耕地质量的主要驱动力，同时目前对喀斯特地区的研究主要集中在土壤养分、土壤微生物、细菌活性[22]、土壤抗蚀性[23]、土壤质量[24]、生态安全[25-26]等方面。研究岩溶耕地土壤的酸化进程与钙的互作路径，探寻钙碳互作的抑酸机理，对岩溶耕地质量保育、保障粮食安全具有重要意义。

1 研究趋势分析

文献计量学主要以关键词、时间跨度等作为分析要素，运用计算机和数学统计方法，分析指定研究的学科发展过程、热点演变等，帮助研判研究发展趋势和提出研究发展方向[27]。CiteSpace软件是由陈超美教授研发的一款基于文献计量的数据可视化分析软件[28]，可以用于文献分析、可视化分析等，由于其强大的文献计量统计分析与知识图谱可视化能力，已经成为当前应用最多的文献计量分析软件[29]。

Web of Science核心集（web of science core collection）和中国知网（CNKI）数据库作为被诸多研究人员公认的最适合进行文献计量分析的高质量数字文献资源库，可以非常清晰地基于CiteSpace可视化之下，了解一个领域的发展进程和趋势。

1.1 热点分析

国际土壤酸化研究，最早可追溯至1924年[30]。文献检索的数据来源在很大程度上直接决定了文献计量分析时的有效性和准确性，关键词是一篇论文的核心观点[31-32]，对某一领域的关键词进行共现聚类分析有助于挖掘某一研究领域的研究热点[33]。

1.1.1 国外热点研究趋势 基于国外研究进展，该研究以Web of Science为文献检索源数据库，以“Soil Acidification”为主题进行基本检索，数据库选择Web of Science核心合集，文献类型选择论文和综述论文，设置时间跨度为1993—2023年，获取文献共4 772篇，将处理好的数据导入到CiteSpace软件中，时间区间隔设置1 a，节点类型选择“Keyword”，其他操作为默认设置，进行聚类分析，得到不同节点类型的关系图谱和聚类图谱，即运用CiteSpace可视化软件绘制关键词密度图。如图1所示，得到6个聚类，分别为#0流域（catchment）、#1土壤pH值（soil pH）、#2重金属镉（cadmium）、#3生命周期评估（life cycle assessment）、#4微生物群落（microbial community）、#5铝中毒（aluminum toxicity），国际土壤酸化领域的热点主要集中在土壤pH、土壤化学、施肥、重金属、生态系统、影响和治理等方面。

1.1.2 国内热点研究趋势 CNKI是国内最大的文献数据平台之一，收录的文献在质量和数量上最为全面。以CNKI数据库作为主要数据来源，高级检索中输入主题词“土壤酸化”，文献类型选择期刊论文、学位论文和会议论文，时间跨度从1924年到2023年1月1日，共检索到2 482条文献记录，时间区间隔设置10 a，通过CiteSpace数据可视化分析工具对2 482篇文献的关键词等方面进行检测分析。通过从CNKI数据库得到的2 482条文献记录对土壤酸化这一领域的关键词进行共现聚类分析，聚类共词图谱共形成了8个主要聚类（图2），代表1924—2023年国内土壤酸化的主要研究领域，图2总结了8个聚类主要的研究热点，分别是#0连作障碍、#1影响、#2pH值、#3产量、#4酸化土壤、#5大气酸沉降、#6交换性酸、#7人为因素。以上主要的8个聚类代表了国内土壤酸化研究的热点，且主要集中在大气酸沉降、交换性酸、产量、酸化成因及改良、连作障碍及土壤pH值等方面，研究主题逐渐转移至耕地土壤。

1.2 高频关键词分析

高频关键词是指在相对较短的时间内频繁或使用次数较多的词，在词频发生变化后，可据此判断研究领域的前沿和发展趋势。由图3和图4可知，国内外近几年的研究对pH值相对关注，研究前沿集中在不同pH值条件下的forest ecosystem（森林生态系统）、recovery（恢复）耕地、土壤调理、土壤改良、产量等方面[34]。与此同时，学者们对pH值与钙形态的关系进行了研究，但系统分析pH值对钙形态影响的研究还较少[35]。因此，有必要对土壤中钙的不同形态进行系统研究，找出pH值与钙的作用途径，这对充分了解其迁移转化机理以及钙对土壤反应稳定性的作用机理等问题具有重要意义[36]。

1.3 时间谱系分析

时间线视图为了解某个领域及其各个子领域的演进路径提供了非常直观而准确的参考，从时间线视图中可以清晰了解该领域和其子领域研究发展演变的时间跨度、研究进程及前沿的研究热点。运用CiteSpace软件建立的时间线视图中，圆点节点大小与频数成正比，圆圈越大表示文献被引频次越高，外圈代表中心性，其厚度与活跃程度呈正比，年轮颜色及厚度表示出现年份，年轮越厚对应年份的出现频次越高；节点间的连线反映二者共现或者共被引关系，颜色对应首次共现或者共被引用年份，粗细反应关系的强弱；右边的聚类标签则表示该领域的主题[37-38]。

1924—2023年的国内酸化时间线视图（图5）中，国内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畴之中。1983年开始，国内酸化研究开始走向细致化，开始向酸化产生的原因、防治措施以及耕地质量与耕地保护等方面开始拓展深入。

由于国际方面对于酸化方面的研究起步较早，在1993—2023年的国际酸化线视图（图6）中，国际方面于酸化的研究相对深入与细致，对于acidification（酸化）、soil（土壤）、deposition（沉积物）、nitrogen（氮）、soil acidification（土壤酸化）、soil pH（土壤pH值）等研究始终保持着较高的热度，且随着时间的变化，国际对于土壤酸化的研究也在发生变化，由开始的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转变到农业耕地土壤。

2 岩溶土壤钙与土壤酸碱反应

耕地土壤质量与钙密切相关，钙元素在调节岩溶区耕地土壤的酸碱性上发挥着重要的作用。普遍认为钙在各种营养元素中具有重要的地位，这主要是因为土壤中的钙不仅作为盐基离子影响着土壤的pH值，同时钙离子对土壤的物理稳定性和保水性能等均具有重要的作用。土壤pH值通过影响难溶性化合物的溶解、螯合剂和金属离子的水解、氧化还原反应、吸附和解吸附反应等，影响Ca2+的竞争能力。在pH值接近中性和中性以上的土壤中，Ca2+竞争有机配位反应的能力较强，说明pH值对土壤中钙的形态影响较大[39]。岩溶生态系统是受岩溶环境制约的生态系统，而钙是组成岩溶环境的主要元素[40]。因此，岩溶环境土壤具有富钙偏碱的特征，对重金属的吸附、对植物和微生物生长都会产生一定影响[41]。石灰质土壤的腐殖质会对其钙形態产生影响[42]，不同土地利用方式也会对土壤钙产生影响。岩溶区土壤钙作为碳酸盐液相与固相交流的重要元素，是决定岩石溶解、沉积、土壤理化性质等特征的主要元素[43]。石灰性土壤中碳酸钙含量与pH值之间具有一定的关系，是引起土壤碱性的主要原因之一[44]。

土壤中的钙形态主要有4种，分别为酸溶态钙、可还原态钙、可氧化态钙和残渣态钙。其中，酸溶态钙是可交换态或碳酸盐结合态钙，可还原态钙是铁锰氧化物结合的钙，可氧化态钙主要是被有机酸聚合物结合的钙，残渣态钙主要以矿物形式存在。也有学者把钙形态分为有机物中的钙、矿物态钙、交换性钙和水溶性钙。这些分类都是大同小异的[45]。

杨慧等[39]、曹建华[40]在对桂林丫吉岩溶区土壤pH值与钙形态关系的初步探讨研究中利用冗余分析（RDA）得出土壤pH值与土壤各钙形态之间的关系为：土壤pH值与可还原态钙、酸溶态钙以及残渣态钙呈正相关的关系，其关系大小为可还原态钙＞酸溶态钙＞残渣态钙，与可氧化态钙呈负相关的关系。黄芬等[46]在对岩溶区不同土地利用类型土壤钙形态的研究中发现不同土地利用类型的钙均与pH值呈显著的正相关。倪大伟等[47]在对滇东南典型岩溶小流域土壤钙形态的研究中发现pH值与土壤全钙以及各形态钙之间的相关性较高。李菁等[48]在对断陷盆地区不同土地利用方式钙形态的研究中同样也发现土壤pH值与土壤全钙、交换态钙、酸溶态钙、有机结合钙和残渣态钙的含量呈显著的正相关。

3 结论与展望

耕地资源作为土地特有的一种利用形式，具有稀缺性与不可再生性，是人类赖以生存的自然资源基础[49]。它关系到我国当前经济社会的稳定，关乎国家的长远利益和可持续发展。在我国西南岩溶区，由于其地质背景特殊，岩溶作用强烈，景观异质性强，导致耕地面积小且质量差；加上该区域人口相对较多，尖锐的人地矛盾导致植被破坏和水土流失日益严重，产生十分严重的石漠化现象，而且呈不断扩张的态势，严重制约了该区域耕地的可持续发展，直接影响当地居民的经济收入水平[50]。该研究从热点、高频关键词、时间谱系这3个维度对国内外酸化研究进行分析，由此得出，目前土壤酸化研究主体由森林土壤酸化逐步转向耕地土壤酸化，其研究范围从单一的pH值及影响因子的相关分析进阶至致酸离子与抑酸离子的双向互作分析，土壤酸化路径的分子生物学、动力学特征研究更趋于细化，在全球酸化进程加剧的大背景下，岩溶区石灰岩母质发育土壤酸化事件频现，酸化危害带来的一系列生态环境脆弱性表现不利于我国耕地质量保护。基于岩溶耕地土壤酸化与土壤钙形态演化特征，解析岩溶动力系统中Ca2+、H2O、C与致酸离子（H+、Al3+）的互作路径与抑酸机理，探明区域土壤酸化进程、岩溶动力系统的抑酸路径及机理是我国西南8省岩溶区土壤地力保持与提升的基础与关键。

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（责任编辑：张焕裕）