2022, Vol. 54
森林作为陆地最大的生态系统，是人类及各种生物生存和发展的基础。自1998年以来，我国林业发展战略已由以前的木材生产与生态建设并重阶段转变为以生态建设为主阶段，其中人工林在生态环境的恢复和重建过程中作用突出，是我国增加碳汇、减缓气候变化以及保护生物多样性的重要支撑[1-6]。多年来，我国人工林面积稳步增加。据2018年第九次森林资源清查结果显示，我国现有人工林面积为7 954万hm2，居世界首位[7]。然而，由于人工林树种单一、结构简单、森林经营的粗放式管理，导致人工林生产力总体不高、土壤地力衰退等问题突显，其已成为威胁生态环境保护、制约林业可持续发展的重要瓶颈[8-10]。
土壤是支撑林木生长和林业发展最重要的基础资源。其中，土壤地力是指土壤满足生产功能和生态系统服务的能力，由土壤物理、化学以及生物学共同作用的结果[11]。然而由于土壤质量或土壤肥力等与植物生长、土壤养分循环更为密切，在农业生态系统研究中使用频繁。对于森林或人工林生态系统，外源营养投入较少，物质循环相对封闭，因此我国关于人工林的研究中土壤地力一词常代替为土壤肥力或土壤质量[7, 12]。文献计量学是科研人员对某研究领域现状进行分析时常使用的一种方法[13]，其以科学文献的外部特征为研究对象，利用统计学原理评价某领域当前研究状况，能清晰地了解领域知识结构及热点内容，同时能预测未来研究趋势[14-15]。目前文献计量分析方法已在多个领域有所应用，如农业、林业、教育、医学等，具有准确、客观等特点，发展应用已较为成熟[14, 16-18]。
现阶段国内外关于人工林土壤地力方面的研究较多，但使用文献计量学对人工林土壤地力领域进行的研究尚未有报道。基于文献计量学的可视化软件，通过提取分析引文数据，可形成可视化网络知识图谱，便于解读分析，同时具有一定时效性。由此，本文以Web of Science核心合集数据库1985-2020年以及CNKI数据库2021年之前有关人工林土壤地力研究的论文为对象，利用VOSviewer可视化分析软件、HistCite引文图谱分析软件以及Web of Science自带检索结果分析，在发文量及趋势、主要研究国家、主要研究机构、知名作者、高被引文献、关键词方面进行了计量学分析，对主要研究国家、机构之间的合作关系进行了可视化解读，以探究当前该领域的研究热点及发展趋势，为后续学者在该领域的研究提供参考。
1 材料与方法 1.1 数据来源在CNKI数据库中，以“(人工林* 土壤肥力) + (人工林* 土壤质量) +(人工林* 土壤地力)”为主题进行检索，起始年份不限，截至2020年12月31日，共检索出729条成果。本文主要聚焦与乔木相关的人工林，因此逐一识别删除了茶园、经济林果、灌木林等归类为人工林的研究文献，共得638篇中文学术期刊文献用于后续分析。在Web of Science核心合集数据库中，以“plantation* AND "soil quality" OR plantation* AND "soil fertility" OR plantation* AND "site quality" OR plantation* AND "site fertility" OR artificial forest* AND "soil quality" OR artificial forest* AND "soil fertility" OR artificial forest* AND "site quality" OR artificial forest* AND "site fertility" OR man-made forest* AND "soil quality" OR man-made forest* AND "soil fertility" OR man-made forest* AND "site quality" OR man-made forest* AND "site fertility"”为主题进行检索，时间1985-2020年，文献类型为Article，共检索出1 376条成果，同样删除了茶园、经济林果、灌木林等归类为人工林的研究文献，获得了1 051篇文献用于后续分析。
1.2 研究方法利用VOSviewer可视化软件、HistCite引文分析软件、Origin 2019绘图软件以及Web of Science自带检索结果分析，对国内外有关人工林土壤地力方面的文献在发文量演变、主要研究力量、关键词、高被引文章方面进行了计量分析。运用HistCite、VOSviewer软件时，重要参数有总被引频次、总联系强度，其表示国家或机构与同行之间的合作关系，连线越多表示在该领域的影响力越大。
2 结果与分析 2.1 发文量在CNKI数据库中，有关人工林土壤地力的文献于1979年首次发表，而在Web of Science数据库中，美国学者于2001年首次发表相关文献，可见我国学者对该领域研究的关注明显领先国际同行。然而，最初十几年在CNKI数据库中相关文献发文量较低(每年约4篇)，直到1995年，年发文量才达到10篇以上，随后整体呈现逐步增加的趋势，2013年发文量达到46篇，之后又呈现下降趋势(图 1)。在Web of Science数据库中，自2001年出现相关文献以来，发文量整体呈上升趋势，2017年也出现了下降，之后几年发文量急速增加，2020年发文量高达124篇，是2017年的2倍之多(图 1)。中国学者于2003年开始在Web of Science数据库发表相关文献，2010年前呈现稳步增加态势，之后呈现快速增加趋势，截至2021年我国学者在Web of Science数据库发文量约占该领域总发文量的23.3%。
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图 1 CNKI数据库、Web of Science数据库以及中国在Web of Science数据库发文量 Fig. 1 Published literatures in CNKI database, Web of Science database, and Chinese published literature in Web of Science database |
全球共有90多个国家致力于该领域的研究，在Web of Science数据库中发文量前3位的国家分别是中国、美国和巴西(表 1)。特别是，我国发文量为245篇，分别是巴西和美国的2倍和1.4倍，明显领先世界各国。发文量排名前10位的国家共发表文献983篇，占总发文量的93.5%。美国学者所发表文献的总被引频次以4 200次位居第一，中国、澳大利亚分别位列第二和第三(表 1)。对国家合作网络图分析发现，我国、美国分别与国际上33、34个国家有合作交流，处于领先地位; 其中美国、加拿大和澳大利亚等与我国合作交流最为密切，是促进我国开展人工林土壤地力研究的主要力量(图 2)。
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表 1 Web of Science数据库人工林土壤地力领域发文量前10位的国家 Table 1 Top 10 countries in the field of plantation soil fertility in Web of Science database |
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(图中圆圈大小表示文献的总被引次数，连线表示两者之间的联系强度，线条越粗表示联系越强。国际上该研究领域共93个国家，图A中仅展示68个国家合作关系; 全球共1 397个相关机构，图B中仅展示96个重要机构的合作网络) 图 2 国际上人工林土壤地力领域研究国家合作网络图(A)、国际研究机构合作网络图(B) Fig. 2 Cooperation network diagram of international research countries in the field of plantation soil fertility(A), network diagram of international research institutions cooperation (B) |
在CNKI数据库中，发文量前10位的机构共发表233篇文献，占总发文量的36.5%，大多是我国涉林类高校(图 3)。发文量前3位的机构分别是：北京林业大学(34篇)、西北农林科技大学(31篇)以及中国林业科学院林业研究所(28篇)。在Web of Science数据库中，有关该领域的1 397所研究机构中，Chinese Academy of Sciences(中国科学院)发表文献的被引频次(1 882次)位居第一，比第二United States Forest Service(美国国家森林局)(877次)和第三University of São Paulo(巴西圣保罗大学)(855次)引用之和还要多(图 2)。总被引频次排名前30位的机构中，有8个来自中国，占比接近1/3，领先世界各国(图 2)。从发文量来看，Chinese Academy of Sciences以81篇发文量位居第一，是第二名United States Forest Service的2.6倍。发文量前10位的机构中，有5个来自中国。
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图 3 国内人工林土壤地力领域主要研究机构 Fig. 3 Major domestic research institutions in the field of plantation soil fertility |
在CNKI数据库中，该领域涉及1 763位作者，被引频次前10位的作者中有7位在20世纪90年代就已发表有关研究论文。其中，俞新妥以818次总被引频次位居第一，其早在1992年就发表了有关杉木人工林地力和养分循环研究的文献，目前共发表12篇有关文献，针对杉木人工林土壤地力衰退，提出了不同树种混交、林地间作等措施来改善土壤地力状况。杨承栋和汪思龙分别以707、667次总被引频次排名二、三，两人到目前都发表了9篇有关文献。此外，马祥庆以及杨玉盛等也在该领域发表了不少文献，具有一定的影响力(表 2)。
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表 2 CNKI数据库人工林土壤地力领域被引频次前10位作者 Table 2 Top 10 authors cited in the field of plantation soil fertility in CNKI database |
在Web of Science核心合集数据库中，该领域共3 906位作者，总被引频次前10位的作者中，7位属于法国和美国，这10位学者开始发文时间均在2000年之后。美国学者Lal R以782次被引位居第一，其所发表的文献被多数人认可(表 3)。在发文时间上，国际上Ranger J、Laclau J P分别于2002年、2003年发表相关文献，中国学者Zhu J J(朱教君)发文数量较多，但2010年才首次发表该领域文献，这也导致总被引频次稍低于国际上一些作者(表 3，图 4)。
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表 3 Web of Science数据库人工林土壤地力领域总被引频次前10位作者 Table 3 Top 10 authors cited in the field of plantation soil fertility in Web of Science database |
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(图中圆圈大小表示作者的发文数量，仅展示发文量排名前20位的作者) 图 4 Web of Science数据库中人工林土壤地力领域知名作者随时间的发文量 Fig. 4 Top-authors production in the field of plantation soil fertility of Web of Science database over the time |
对文献关键词进行分析，可以展现该领域的知识图谱，把握不同知识领域之间的联系，挖掘新的研究热点[19-21]。在CNKI数据库中，该领域文献整体呈现出“土壤肥力”“人工林”“土壤养分” “杉木”“土壤理化性质”“土壤”等6个彼此间联系紧密的关键词聚类(图 5)。与“人工林”“土壤肥力”联系紧密的关键词有“杉木”“桉树”“马尾松”等树种，以及“土壤酶”“微生物”“土壤养分”等因子，表明相关学者主要针对分布较广的人工林类型开展了土壤微生物及养分方面的研究。地力衰退与杉木之间的联系较为紧密，说明我国对杉木人工林地力衰退进行了大量研究。值得注意的是，近年来“林龄”“生物多样性”“可持续发展”等关键词逐渐出现，今后相关研究可能更多关注人工林生态功能与服务价值。
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(图中圆圈大小表示关键词所出现的频次，图A、图B中关键词出现的最小频次分别为4、7) 图 5 CNKI数据库文献关键词共现网络图(A)和Web of Science数据库文献关键词共现网络图(B) Fig. 5 Co-occurrence network of CNKI database literature keywords (A), co-occurrence network of Web of Science database literature keywords (B) |
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表 4 CNKI数据库中人工林土壤地力领域被引频次前10位的文献 Table 4 Top 10 cited literatures in the field of plantation soil fertility in CNKI database |
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表 5 Web of science数据库中人工林土壤地力领域被引频次前10位的文献 Table 5 Top 10 cited literatures in the field of plantation soil fertility in Web of Science database |
在Web of Science数据库中，通过关键词共现网络分析发现，国际上对该领域的研究逐渐形成了以“Soil fertility(土壤肥力)”“Soil quality(土壤质量)”“Soil organic carbon(土壤有机碳)”“Soil properties(土壤性质)”“Biomass(生物量)”为核心的5个聚类群(图 5)。与“土壤肥力”“土壤质量”关联紧密的关键词有“微生物生物量(Microbial biomass)”“碳汇(Carbon sequestration)”“土壤有机碳”等。人工林树种关键词中“桉树(Eucalyptus)”出现的频次较高，高于“杉木(Chinese fir)”和“杨树(Poplar)”。此外，近年来高频出现的关键词有“碳氮循环(Carbon-nitrogen cycle)”“土壤质量指标(Soil quality index)”“土壤性质”“微生物活性(Microbial activity)”“微生物生物量”“酶活性(Enzyme activity)”等，表明国际上同行研究重心逐渐转移到人工林土壤功能和微生物活性方面，研究尺度也愈加微观化。
2.4 国内外经典文献在CNKI数据库中，该领域被引频次最高的10篇文献多发表在农林、生态领域的知名期刊上，发表时间在1997-2004年。杨万勤和王开运[22]2004年发表在《林业科学》的“森林土壤酶的研究进展”一文，介绍了土壤酶活性可作为人工林土壤肥力状况的指标，被引频次超过了600次，是该领域被引次数最高的一篇文献。焦如珍等[23]1997年发表的“杉木人工林不同发育阶段林下植被、土壤微生物、酶活性及养分的变化”一文，揭示了杉木连载生产力下降的原因：过氧化氢酶和多酚氧化酶活性降低，导致土壤中有毒物质积累，这为防控杉木人工林地力衰退提供了科学依据。这10篇文章的研究内容大多是关于人工林土壤肥力、土壤养分、土壤理化性质等方面，且被引用次数均超过170次，文献质量较高，对该领域的研究具有重要的参考意义。
在Web of Science数据库中，该领域被引频次前10位的文献发表时间在2001-2011年，被引频次都在100次以上。这10篇文章的第一作者中，有4位美国学者、2位中国学者。被引频次最高(526次)的是美国学者Lal等[24]2005年发表的“World crop residues production and implications of its use as a biofuel”一文，该文章提出了人工种植林木作为原料制造生物燃料的可行性，以减少对化石能源的消耗。瑞典学者Forrester等[25]在“Mixed-species plantations of Eucalyptus with nitrogen-fixing trees: A review”一文中，介绍了在桉树纯林中引植固氮树种，可以提高树木的生产力及氮、磷元素的循环速率。此外，西北农林科技大学的Jiao等[26]在“Changes in soil properties across a chronosequence of vegetation restoration on the Loess Plateau of China”一文中得出：通过植树造林可以提升土壤地力、加快退化土壤的恢复和重建，该文也是我国学者在该领域所发表文献中被引次数最高的一篇(120次)。
3 讨论 3.1 国内外研究力量现状我国早在1979年就开始了关于人工林土壤地力方面的研究，但最初的十几年发文量不高，与当时的环境条件、科研能力等现状有关。随着互联网的兴起以及科学技术的发展，我国的科研水平有了很大提高，发文量呈快速上升的趋势，1995年我国年发文量首次达到两位数。国际上美国、法国、德国等发达国家21世纪初才开始该领域的研究，随着全球多个国家逐渐重视该领域研究，发文数量呈稳定上升的趋势。目前，虽然我国发文量领先世界各国，为美国的1.4倍，但总被引频次却不高，论文质量有待提升。澳大利亚的发文量明显低于巴西、西班牙、加拿大等，但文献的总被引频次较高，说明该国在本领域的研究较为深入，所发表文献质量较高。总的来说，中国与美国在发文量、总被引频次以及总联系强度等指标上仍位居前列，表明两国学者在人工林土壤地力研究方面的影响力较高，得到国际同行的认可。国际上许多国家彼此间的合作关系不强，这可能与多年来有关人工林土壤地力方面的国际性研究计划和项目支撑力度不强有关。因此，国家、科研机构以及学者间的合作交流、科技项目是今后一段时期内有效提升有关人工林土壤地力研究水平的关键要素。
通过分析研究机构得出，我国相关机构在该领域的研究在国际上处于领先水平。在Web of Science数据库中该领域发文数量前10位的机构中，有5个来自中国，领先世界各国。其中，中国科学院与25个研究机构间有合作关系，包含我国一些农林类高校和国外知名高校。此外，我国农林类高校(如北京林业大学、南京林业大学及福建农林大学)与来自美国、澳大利亚、英国的相关机构有一定合作关系，但强度稍弱于与国内机构之间。同时，国际上许多研究机构也存在相同的情况，即合作交流很大程度上局限在与本国的一些机构之间。值得提及的是，美国俄亥俄州立大学发文量虽不多，但文献的总被引频次位居第二，且其与国际上众多研究机构之间的联系性不强，表明其在此领域的研究深度明显高于其他机构。总体上，研究成果较为突出的机构多数来自于中国、美国、法国和加拿大等国家，但不同国家研究机构间合作强度不高，限制了该领域研究的深入和影响。
3.2 国内外相关研究进展现阶段国内该领域研究主要围绕不同条件下人工林土壤地力的变化动态及其影响因素开展。研究发现，适当降低林分密度以及混交造林能够提高土壤孔隙度、持水量和团聚体含量，提升土壤有机质以及养分(全氮、全磷、全钾、速效养分等)含量，其中土壤有机碳及养分含量与水稳性大团聚体含量显著相关，因此，未来应着重考虑土壤团聚体的变化特征[27-29]。此外，林龄和造林树种也是影响土壤地力变化的重要因素。近熟龄期人工林土壤有机质、速效养分、酶活性等指标优于中幼龄期，但拐点的出现表明长期人工林经营会恶化土壤地力。落叶阔叶乔木对土壤地力的维持效果要好于针叶树种，一定程度上能够提高土壤有机质以及氮磷等养分含量，后者由于凋落物富含丹宁、木质素等难分解物质，对土壤地力的维持效果较差，连续栽植还会导致土壤酸化[30-31]。总之，通过对土壤理化及相关生物学指标进行分析，能够基本了解土壤肥力状况及其影响因素。但该领域涉及土壤微生物的研究不多，特别是关于不同微生物功能类群对人工林的响应以及菌群间相互作用机制等研究较少，因此人工林土壤养分转化的微生物驱动机制方面的研究亟待加强。
国际上关于人工林土壤碳氮循环研究偏多，发现不同树种混交能够提高土壤氮矿化及循环速率，加速土壤有机碳积累[32-33]。同时，针对人工林土壤微生物群落结构动态及功能多样性的研究更为集中。例如，人工林增施有机肥可提升土壤细菌多样性和丰富度以及相关酶活性，说明微生物对环境的响应可以作为评价人工林土壤地力的重要参考指标。虽然学者们愈加意识到微生物资源的重要性，特别是高通量测序技术的发展为人工林土壤地力演变下微生物群落研究提供了机遇，然而相关研究多处在土壤微生物群落丰度变化的描述阶段，很少涉及微生物功能代谢与人工林下有机物料周转以及对土壤地力维持的影响机制方面。因此，国际同行合作交流、学科间交叉研究以及研究新生力量的补充是未来一段时期有效提升该研究领域的重要途径。
目前，国内外关于森林凋落物对人工林土壤碳、氮等养分循环的影响研究也较多，主要探究了凋落物多样性与土壤碳氮磷化学计量比之间的联系、土壤微生物群落对凋落物类型的响应，以及土壤酶活性、土壤有机碳等指标的动态变化。有学者认为土壤微生物群落结构多样性随凋落物多样性的增加而提高，从而提高了功能多样性，进而促进土壤养分的周转，但也有学者持相反观点，认为土壤养分循环、微生物群落多样性等与凋落物之间相关性不强[34]。
总的来说，现阶段国内外学者多围绕不同条件下人工林土壤地力的变化规律及其影响因素展开研究，主要可概括为：①不同林龄下人工林土壤地力变化规律，为森林制定合适的轮伐周期提供科学指导; ②不同类型树种(如针叶、阔叶、落叶、常绿树等)对人工林土壤地力的影响，为不同地域造林树种的选择以及栽培养护提供理论支撑; ③针对人工纯林引起的一系列问题，从混交、间作、间伐和施肥等营林措施上探讨缓解纯林土壤地力衰退可能性，保持森林生产力实现。未来一段时间仍可在以上几方面进行研究，同时，涉及土壤微生物的研究是本领域的热点趋势，在微观尺度上(如微生物群落功能多样性、关键菌群的作用及调控机制等)对人工林土壤地力领域进行研究，可实现生态可持续发展。
4 结论目前国内外对人工林土壤地力方面的研究仍处于发展阶段，发文量呈现稳步上升的趋势，其中中国、美国和巴西为Web of Science数据库中该领域发文量排名前3位的国家。中美两国发文量以及文献的被引频次均居前列，在国际上占有重要地位。国内该领域重要的研究机构主要为涉林高校以及中国科学院下属研究所，国际上美国俄亥俄州立大学所发表的文献引用频次较高，质量明显突出。国内外该领域研究机构以及学者之间合作强度不高，今后有关人工林土壤地力研究的国际交流和合作度亟待提升。近年来，CNKI数据库中有关林龄、生物多样性、可持续发展等关键词频次高，而Web of Science数据库中则以有关土壤化学元素循环(如碳、氮等)、微生物群落结构及时空变化等关键词的研究偏多，是未来如何提高人工林生产力、土壤养分供给等重点关注的内容。
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