2020, Vol. 52
2. 安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001;
3. 农业农村部生物有机肥创制重点实验室，安徽蚌埠 233400
有机肥料在我国农业生产上应用历史悠久，地位举足轻重。但随着化肥产业的迅猛发展及施用技术的推广，到20世纪末21世纪初，我国农田中传统的有机肥的养分投入仅占总养分投入的10%左右[1]。由此造成耕地质量退化、土壤酸化、生态恶化、环境污染等严重问题，迫使政府主管部门和农业科技人员在新的历史时期，加强了对有机肥料的研发并以此引领促进有机肥料产业的发展，推广有机肥料的施用。
近年来，有机肥料的生产和使用在我国受到了前所未有的重视，产业的快速发展反过来也推动着科技进步与创新。作为引领行业发展的有机肥料研究，适时地掀起了一股热潮，呈现一片蓬勃态势。当前，无论是技术应用还是基础理论，有机肥料的研究都取得了许多令人欣喜的学术成果[2-5]。尤其是近10年来，国际上发表的有机肥料研究论文呈现井喷态势，每年以近15%的速率递增，涉及的学科和内容非常广泛。面对如此巨量的文献，如何抽丝剥茧从中探寻出最新成果，把握学科未来的发展态势，从而为相关领域的科研工作提供参考、借鉴甚至支撑，对于有机肥料研究人员来说，不仅重要而且必须。
面对庞大的文献数据进行快速、准确的定量分析与可视化表达，传统的文献综述方法显然是做不到的。2018年，郑新艳等[6]以SCI数据库中2006—2015年收录的有机肥论文为对象，应用CiteSpace分析研究了有机肥知识图谱，为我们直观地展示了有机肥领域的知识基础与研究热点。CiteSpace是一款着眼于分析科学文献中蕴含的潜在知识，并在科学计量学、数据和信息可视化背景下逐步发展起来的多元、分时、动态的引文可视化分析软件。它主要基于共引分析理论和寻径网络算法等，对特定领域文献(集合)进行计量，以探寻出学科领域演化的关键路径及知识转折点，并通过绘制一系列可视化图谱，以识别和显示科学发展新趋势和新动态[7-8]。
当然，CiteSpace软件作为通用型分析工具，只能勾勒出某个学科领域的研究概况，无法提供更深入的文献细节，更不可能深入到某个学科的具体内容并判别不同热点间的内在联系。为此，本研究依据CiteSpace的科学知识图谱，结合对1900年以来国际上发表的关键文献的批判性阅读，从更加专业的角度进一步系统梳理有机肥料领域的研究文献，分析国际上有机肥料研究热点及研究趋势，为未来有机肥料研发提供一些借鉴与启示。
1 材料与方法 1.1 数据来源本文使用的数据来源于Web of Science (WoS)核心合集。数据采集时间为2019年9月9日，检索主题为“有机肥料”(Topic=“organic fertilizer”or“organic manure”“organic compost”)，文献类型为Article，时间跨度为1900—2019年，共检索出4 473篇文献，按次序分9批次导出记录，9个数据文件均以CiteSpace可识别的“download_”作为文件名前缀，这是分析的数据基础。
1.2 研究方法采用美国德雷克赛尔大学计算机与情报学教授陈超美开发的CiteSpace(版本v. 5.3.R4)软件进行知识图谱可视化分析[9]。通过在CiteSpace中分别选择国家(country)、研究机构(institution)、作者(author)选项，进行科研合作网络分析；选择关键词(key words)、学科类别(category)，进行主题领域的共现网络分析，并利用VOSviewer软件绘制更加清晰的关键词共现密度图；选择被引文献(cited reference)选项，进行参考文献的共被引分析，得到该领域的研究国家和机构合作图谱、共现图谱和共引图谱。
在此基础上，结合CiteSpace软件共引分析计量结果，进一步探寻科学领域演化的关键路径及其知识拐点，并通过梳理关键文献，量化文献之间的相应特征，形成对学科演化潜在动力机制的分析和学科发展前沿的探测，最终获得该领域在选定时期内的研究热点、前沿领域、研究动态和演进趋势等重要信息。
2 结果与讨论 2.1 发文数量时间特征以“有机肥料”为主题，按照上述检索式，从WoS核心合集中检索获得的最早一篇文献发表于1942年[10]。但直到20世纪80年代，国际上每年发表的有机肥料学术论文的数量都不多，基本上保持在个位数。1990年以前的90年间，共发表论文37篇。20世纪90年代后，论文的数量则呈现出较大幅度的上升态势。说明有机肥料领域正在成为国际研究的热点。经计算机拟合，国际上发表的有机肥料研究论文的数量与年份之间呈现为较好的指数增长模型。由此，我们可以预测，未来一段时期，国际期刊发表以有机肥料为主题的论文数量还将有大幅度的增长。
通过后面的分析，我们可以知道，近10多年国际期刊发表的有机肥料论文迅速增加，主要是中国学者所做的贡献。说明在多重因素的影响下，我国的科技人员正以积极的开放姿态，走到了世界有机肥料研究的前沿领域。
2.2 合作特征空间分布利用CiteSpace绘制合作图谱，可以识别出某个研究领域的学者、国家或机构间的社会关系，既可为评价其学术影响力提供参考，也便于直观地发现值得关注的学者和机构。
图 1的国家合作图谱显示，在有机肥料研究领域，20年间共有90个国家存在着不同程度、不同方式的合作。图中圆形节点表示不同的国家，圆形节点大小与该国以合作方式发表的论文频数呈正比，紫色外圈代表中介中心性，其厚度与合作研究活跃程度呈正比。而圆形节点的年轮颜色及厚度表示出现年份，某个年份的年轮越厚，对应年份合作发表的论文频次越高。圆形节点间的连线则反映二者共现或共被引关系，颜色对应首次共现或共被引年份，粗细反映关系强弱。
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图 1 国家合作特征 Fig. 1 Network of country cooperation |
按照中介中心性大小排序，前四名依次是中国、美国、德国和法国(表 1)。中国的中介中心性最高，且这一时期共合作发表了996篇论文，数量最多，表明中国有机肥料的学术研究正逼近起步较早的美国与德国，在某些领域已经位居国际前沿。
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表 1 2000—2019年国别合作特征及频次统计 Table 1 Characteristics and frequency of country cooperation from 2000 to 2019 |
利用CiteSpace软件同样可以绘出有机肥料研究机构的合作特征图谱(图 2)，并统计出各机构发文频数(数量)、首发年份和中介中心性，并选取中心性排名前10的机构列于表 2。表 2显示，中国科学院中介中心性最高，首次发文时间亦最早，其次是中国农业大学，接下来依次为中国农科院、比利时的根特大学和南京农业大学。
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图 2 机构合作特征图谱 Fig. 2 Network of research institution cooperation |
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表 2 2000—2019年有机肥料研究机构合作特征及频次统计 Table 2 Characteristics and frequency of research institutional cooperation from 2000 to 2019 |
通过突发性探测，结果(表 3)表明，新世纪以来，从欧美到亚洲，世界各地的研究机构对有机肥研究保持较为活跃的状态。值得注意的是，印度农科院和土壤所两家科研机构在2003年开始以合作方式发表了多篇研究论文，其中印度土壤所的有机肥料研究突现值为7.91，位列榜首，表明其时该所已成为国际上最活跃的有机肥料研发机构。
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表 3 有机肥料研究机构突现指标 Table 3 Research Institutions with strongest citation bursts in organic fertilizer study |
进一步从微观层面，对学者合作网络进行分析，结果表明，近20年有740位研究者和他人合作开展了有机肥料研究，合作发表学术论文1 197篇。其中南京农业大学沈其荣教授发表论文72篇[11-12]，无论是发文频数，还是中介中心性、突现值均位居第一(表 4)。发表论文数量排名前20位的作者，共有14名中国学者，占70%，体现了我国学者在有机肥料研究领域有较高参与度。沈其荣教授团队共有7位成员位列其中，表明其团队已成为当前国际上有机肥料研究的主力军。
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表 4 2000—2019年作者合作特征及频次统计 Table 4 Characteristics and frequency of author cooperation from 2000 to 2019 |
学科共现分析可构建学科间的关联网络，揭示交叉学科间的内在联系。图 3的学科共现图谱显示，共有81个节点，表明围绕有机肥料的研究，有81个学科相互交叉渗透，503条连线代表学科间的联系，农业、化学、环境生态学、环境科学、工程学与其他学科交叉广泛，且农学的中介中心性最高，交叉也最广泛。园艺学、植物学、土壤学交叉频次较多但中介中心性不高，说明在当前有机肥料研究中，更多的是局限于各自的学科，而与其他学科交叉的领域有限。
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图 3 学科共现特征图谱 Fig. 3 Network of discipline co-occurrence |
值得注意的是，土壤学、园艺学均呈现出较高的突现值，分别于2000年、2006年进入突发期，表明有机肥料在园艺领域的应用及其对土壤环境与质量的影响，其时已成为人们研究的热点。
2.4 关键词共现图谱关键词是对文章主题的高度概括和集中描述，是一篇文章的核心和精髓，通过关键词可以了解论文的主要内容。在CiteSpace分析的数据基础上，利用VOSviewer软件对文献进行关键词共现密度图的绘制，可以清晰地看出有机肥料领域的研究热点(图 4)。
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图 4 关键词共现密度图 Fig. 4 Density view of keywords co-occurrence |
图 4中从蓝色冷色调到红色暖色调，代表着关键词共现的频次越来越高，即研究热点的热度越高。可以看出，近20年来，有机肥料研究的热点集中在有机质、堆肥、厩肥、植物生长、土壤碳氮、根际、固体废弃物、种植制度、生物防控等[13]。
关键词共现密度图定性地展现了有机肥料研究的热点，但还不能体现出其时间维度上变化规律，而关键词突现分析则可以定量地表示出不同研究热点的热度以及变迁规律(表 5)。
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表 5 不同时间跨度的关键词动态变化及研究热点趋势特征 Table 5 Dynamic changes of keywords in different time spans and characteristics of research hotspots |
自20世纪90年代，出现的突现值较高的热点关键词有有机肥料(organic fertilizer)、土壤(soil)、肥料(fertilizer)、农业(agriculture)、氮素(nitrogen)和碳素(carbon)等，30年来，这些词汇一直都是有机肥料研究的热点；进入新世纪第一个10年，新涌现的突现值较高的关键词有堆肥(compost)、作物生长(growth)、产量(yield)等；最近10年新涌现的突现值较高的关键词有质量(quality)、碳素(carbon)、系统(system)以及多样性(diversity)，说明研究人员从早期的关注有机肥的增产作用，转变到更加注重有机肥对改善农产品品质和保护生态环境功效的研究[14]。
2.5 文献交叉引用图谱文献的交叉引用反映了研究方向或主题间的密切程度，共被引分析可探究研究领域的重点专题及其发展过程，基于图谱聚类算法进行自动聚类，可提取聚类主题词。
其他设置同前，主题词来源选择题名(title)、摘要(abstract)、作者(author)、关键词(key words)与扩展关键词(keywords plus)，节点选文献交叉引用(citation reference)，运行CiteSpace，结果见图 5。
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图 5 文献共被引图谱 Fig. 5 Network of document co-citation of organic fertilizers |
图中的1 261个节点与3 058条连线构成了18个较大的群组，其中#0群组(long-term organic fertilizer application)共有83篇参考文献，最小的#32群组(land use type)，亦包含8篇共被引参考文献。表明有机肥料研究有较高的集中性，同时也形成了一定数量的分支，每个群组的专题和主要研究内容列于表 6。根据群组的名称可以看出，有机肥研究的重点主要集中在长期施用有机肥的效应、土壤微生物区系、有机肥对土壤碳氮循环的影响、生物有机肥等领域，而温室气体排放、有机肥的环境生态效应、有机肥的生产方法也日益受到人们的关注。
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表 6 各群组专题名称及主要研究内容 Table 6 Topic and main research content of each group |
进一步观测发现，#8群组Diacono等发表的论文“Long-term effects of organic amendments on soil fertility”共被引次数最高，达34次；#1群组Geisseler等的论文“Long-term effects of mineral fertilizers on soil microorganisms—A review”中介中心性最强，数值为0.13，表明该文献在连接两个不同研究群组发挥着关键枢纽作用；突现值最高的是#1群组Guo等发表在期刊Science上的论文“Significant acidification in major Chinese croplands”，突现值为10.51；有158篇引文的半衰期达到8 a，其中Esperschuetz J等2007年发表的论文“Response of soil microbial biomass and community structures to conventional and organic farming systems under identical crop rotations”既具有较高、较强的突现性，也表现出一定的中介中心性。显然，这些文献不仅具有重要的理论创新，在发表不久就起到引领学科的作用，被同行借鉴与引用，同时随着时间推移，这些研究成果也逐渐沉积为有机肥料领域重要的知识基础。
根据上述18个群组中关键性文献资料，可以归结出目前国际上有机肥料研究热点主要集中在4个方面：1)施用有机肥料尤其是功能性生物有机肥对改善土壤理化性状、抑制土传病害、提高作物产量品质的影响及其机理；2)最新的基因测序等分子生物学技术应用，内容包括施用有机肥在内的不同施肥处理对土壤微生物群落结构、植物的调控反馈机制等的影响；3)蚯蚓粪堆肥、餐厨垃圾、生活污泥堆肥新技术新工艺，如添加天然沸石、生物质炭、粉煤灰等优化技术；4)长期施用有机肥料对土壤重金属、农药抗生素残留的污染修复以及环境生态效应研究。
3 结论CiteSpace软件作为进行知识图谱分析的有效工具，完全可以应用于有机肥料研究领域发展趋势和发展过程中重要变化的探测和可视化研究。从而可以直观地厘清国家、研究机构及作者之间的合作关系，通过学科共现分析、关键词共现密度分析，研究人员可以客观地了解有机肥料研究的方向、前沿热点及未来的发展趋势。
新世纪以来，国际上有90个国家之间在有机肥料研究中存在合作关系。中国已成为世界上有机肥料研究规模最大、发表学术论文数量最多的国家。中国科学院、南京农业大学等科研机构实际上已成为当今世界最活跃的有机肥料研发基地。
学科共现分析显示，当前有机肥料科学已发展成为以农学为主，土壤学、环境生态学、环境科学、工程学等多学科相互交叉渗透的综合性体系，未来有机肥料研究的学科分化越来越细，也越来越深入。
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