Research Hotspots and Trends of the Effects of Nitrogen Deposition on Soil Microorganisms-- Based on Citespace Visual Analysis
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摘要:目的 随着大气氮沉降现象加剧，其对生态系统的影响也日益严重；氮沉降改变了土壤氮库的特征，也影响了土壤中微生物群落组成和功能。采用文献计量学方法总结了近20年来国际上有关氮沉降对土壤微生物影响方面研究的特征、前沿、热点及其变化趋势。方法 采用Citespace软件，自Web of Science核心数据库中选取2001 ~ 2020年间发表的有关大气氮沉降对土壤微生物影响方面的研究论文，从国家、学术机构、作者、期刊、关键词和学科类别等方面进行可视化分析，以阐明该研究领域的发展趋势和研究热点。结果 结果表明，大气氮沉降对土壤微生物影响研究发文量最大的国家为美国，而发文量最大的学术机构为中国科学院，研究领域集中在环境科学、生态学和农学等学科，研究内容呈现出多学科融合趋势。结论 目前有关大气氮沉降对土壤微生物影响方面的研究趋向于探究氮沉降影响土壤养分循环和土壤微生物对大气氮沉降响应机制。Abstract:Objective With the increasing of atmospheric nitrogen (N) deposition, the effects of N deposition on ecosystems have been drawn great attention of researchers. Nitrogen deposition changes the characteristics of soil N pool, and also affects the function and structure characteristics of soil microorganisms. In this paper, the bibliometrics was used to explore the distribution characteristics of international studies on the effects of N deposition on soil microorganisms in the past 20 years and the trends of research frontiers and hot spots. The aims were to clarify the development trend and research hotspots of this research field, and provide certain guidance for future research.Method The Citespace software was used to conduct a bibliometric review of the research between N deposition and soil microorganisms published from 2001 to 2020 and extracted from the Web of Science. The distribution characteristics of the state, academic institutions, author, journal, cite-reference, category and keywords of these literature data were analyzed.Result The results showed that the United States has been a major contributor to this field and published the most number of papers in this field, and the Chinese Academy of Sciences was the academic institution with the most number of publications. In addition, the research fields on the effects of atmospheric N deposition on microorganisms were mainly focused in the environmental science, ecology and agriculture. Overall, the research between the atmospheric N deposition and soil microorganism has changed from single discipline to a multidisciplinary in different fields.Conclusion The current researches on the effects of atmospheric N deposition on soil microorganisms tend to explore the coupling mechanism between soil microorganisms and soil nutrient cycling and the response mechanism of soil microorganisms to atmospheric N deposition.
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Keywords:
- Nitrogen deposition /
- Soil microorganisms /
- Bibliometrics /
- Citespace
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【研究意义】随着工业的快速发展、化石燃料和化学肥料的大量使用，近年来全球范围大气氮沉降量呈现出逐年增加的趋势，日益严重的大气氮沉降影响了生态系统中物质的循环和能量的流动[1-2]。土壤微生物作为土壤生态系统重要组分，不仅影响着土壤中物质的循环，也影响着生态系统的平衡与稳定[3-4]，大气氮沉降改变了土壤中微生物的结构和功能，对生态系统产生了巨大影响[5]。【前人研究进展】氮沉降（Nitrogen deposition）是指大气中的氮（N）元素以NH3、NO2、HNO3、NH4+、NO3−等形式降落到陆地和水体中，分为干沉降（dry deposition）和湿沉降（wet deposition）。主要以干沉降为主，约占氮沉降总量的60%[6]。截止2015年，全球氮沉降总量已达到79.5 Tg a−1。2005 ~ 2015年，全球氮沉降通量（干沉降和湿沉降总量）较高的地区有东亚（24.48 kg hm−2 a−1）、南亚（16.31 kg hm−2 a−1）、西欧（8.99 kg hm−2 a−1）、中亚（8.87 kg hm−2 a−1）[7]，其中以中国东部、欧洲西部、美国东部地区最为严重。目前，我国已成为世界三大高氮沉降区之一，主要集中在华北、华东、华中、华南地区，截止到2015年全国总氮沉降通量已达到19.56（kg hm−2 a−1），且呈现出逐年增加的趋势[7-8]。研究表明一定程度的氮沉降可以提高土壤中氮素的有效性，提高土壤微生物的活性，促进土壤中养分的周转，调节植物养分再吸收和分配，进而促进植物生长[9]。但随着大气氮沉降量的增加，土壤中氮素的积累则会影响土壤中微生物的群落结构特征和其生态功能，进而改变土壤中物质的循环和能量的流动[10-11]。此外大气氮沉降加速了土壤的酸化过程，进而抑制土壤微生物的呼吸作用，降低土壤中微生物量[12]。目前，大气氮沉降所带来的环境效应已引起了国内外学者的关注。【本研究切入点】本文基于2001 ~ 2020年Web of Science数据库中收录的有关大气氮沉降对土壤微生物影响的研究文献数据，利用文献计量学分析软件Citespace对文献数据进行了可视化分析。【拟解决的问题】以阐明大气氮沉降对土壤微生物影响的研究特征、研究热点和研究趋势等，明晰该研究领域的特征和潜在的研究趋势[13]，同时为该领域的研究者提供参考。
1. 数据的采集和分析方法
1.1 数据的采集
本文中所用来分析的文献数据均来自Web of Science（WOS）核心数据库（中国知网数据库中2001 ~ 2020年间所发表的N沉降与土壤微生物相关的文章只有27篇，无法进行文献计量学分析），检索式如下：TS = ((N deposition AND soil microbe) OR (N deposition AND microorganism of soil) OR (N deposition AND soil microorganism) OR (N deposition AND edaphon) OR (N deposition AND soil microbes) OR (nitrogen deposition AND soil microbe) OR (nitrogen deposition AND microorganism of soil) OR (nitrogen deposition AND soil microorganism) OR (nitrogen deposition AND edaphon) OR (nitrogen deposition AND soil microbes))，语言为“English”，论文类型为“Article”，检索时间范围为2001 ~ 2020年，共检索出相关文献897篇。
1.2 数据分析方法
为确保分析结果的准确性和可信性，在文献数据分析前，使用UltraEdit 25.10软件剔除与主题内容不符的文献记录。本文中使用Citespace 5.7 R2软件对文献数据的关键词、作者、国家/地区和机构进行可视化分析[14]。软件参数设置为：时间分段（Time slicing）为2001 ~ 2020年，时间切片为1年，节点类型（Node types）根据分析目的选择不同的类型。阈值G-index、Top N和Top N%分别为25、50和100，其他参数均为系统默认值。
2. 结果与分析
2.1 国家/地区和机构合作分布
大气氮沉降对土壤微生物影响研究发文量较大的前15个国家/地区（共51个）和机构（共397个）如表1所示，国家/地区和机构分布知识图谱如图1和图2所示。从表1可知：大气氮沉降对土壤微生物影响方面研究发文量最大的国家为美国（USA）（194），其次为中国（China）（184）、德国（Germany）（64）、英国（England）（30）和加拿大（Canada）（27）。本文结果表明具有高发文量的国家其在知识图谱中不一定具有较高的中心值（图1），如美国（0.24）这一节点的中心值略低于德国（0.27）。此外，加拿大、澳大利亚、瑞典、荷兰和瑞士等国在知识图谱中的中心值也较低，表明这些国家的研究者与其他国家合作较少[14-16]。
表 1 发文量前15的国家与机构Table 1. Top 15 Countries and institution of published papers排名
Ranking国家
Country频数
Count中心性
Centrality机构
Institution频数
Count中心性
Centrality1 USA（美国） 194 0.24 Chinese Academy of Sciences（中国科学院） 104 0.56 2 China（中国） 184 0.24 University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学） 51 0.03 3 Germany（德国） 64 0.27 University of Colorado（科罗拉多大学） 14 0.08 4 England（英国） 30 0.21 Northwest A&F Univ（西北农林科技大学） 14 0.01 5 Canada（加拿大） 27 0.01 University of Gottingen（哥廷根大学） 13 0.07 6 Sweden（瑞典） 25 0.05 University of Minnesota System（明尼苏达大学） 12 0.14 7 France（法国） 19 0.17 Cornell University（康奈尔大学） 10 0.07 8 Australia（澳大利亚） 19 0.01 The University of Michigan（密歇根大学） 9 0.01 9 Netherlands（荷兰） 18 0.01 Swedish University of Agricultural Sciences（瑞典农业科学大学） 9 0.11 10 Switzerland（瑞士） 17 0.01 Northeast Normal University（东北师范大学） 8 0 11 Scotland（苏格兰） 17 0.06 University of Copenhagen（哥本哈根大学） 8 0.04 12 Spain（西班牙） 16 0.09 University of California-Irvine（加州大学欧文分校） 7 0.04 13 Japan（日本） 16 0.08 Colorado State University（科罗拉多州立大学） 7 0.03 14 Denmark（丹麦） 15 0.02 Beijing Forestry University（北京林业大学） 7 0 15 New Zealand（新西兰） 13 0.05 Arizona State University（亚利桑那州立大学） 7 0.05 从有关的科研机构发文量来看（表1），中国科学院（Chinese Academy of Sciences）发文量位列第一（104），且其具有较大的中心值（0.56）。其次为中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）（51）、科罗拉多州立大学（University of Colorado）（14）、西北农林科技大学（Northwest A&F University）（14）、哥根廷大学（University of Gottingen）（13）。以上结果表明大气氮沉降所带来的环境效益在我国具有较高的关注度[14]。且中国科学院在该研究领域具有较高的影响力，在一定程度上起到了“领导者”的作用[16-17]。
2.2 作者和共被引作者分析
涉及大气氮沉降对土壤微生物影响研究领域的作者共533位，其中发文量排名前15的作者如表2所示。由表2可见，发文量较大的作者分别为Donaldr Zak（10）、Peter M Groffman（5）和Wei Zhang（5）。其中Donaladr Zak在知识图谱中也具有最高的中心值（0.05）（图3）。此外，发文量前15的作者中来自于中国的研究者占总量的47%。目前，我国已成为继美国和欧洲之后的全球第三大氮沉降区域，大气氮沉降所引起的生态效应已成为我国研究者所关注的热点问题之一。共被引作者分析结果表明涉及大气氮沉降与土壤微生物方面研究的共被引作者共660位，其中共被引频次较高的前15作者如表2所示。由表2可见，Vitousek P. M具有较高的共被引频次（135），其次为Fierer N（131）、Sinsabaugh R. L（123）、Treseder K. K（119）和Allison S. D（114），表明以上研究者在该研究领域具有较大的影响力。此外，Vitousek P. M在知识图谱中也具有最高的中心值（0.1）（图4）。
表 2 频数排名十五的作者和共被引作者Table 2. Top 15 authors and co-cited authors in frequency排名
Ranking作者
Author频数
Count中心性
Centrality共被引作者
Co-Cited Author频数
Count中心性
Centrality1 Donald Zak 10 0.05 Vitousek P.M 135 0.1 2 Peter M Groffman 5 0.02 Fierer N 131 0.04 3 Wei Zhang 5 0.01 Sinsabaugh R.L 123 0.07 4 Weijun Shen 4 0.01 Treseder K.K 119 0.05 5 Stefan Scheu 4 0.01 Allison S.D 114 0.09 6 Chao Liang 4 0.01 Waldrop M.P 93 0.05 7 Yanxia Nie 4 0.02 Bardgett R.D 85 0.08 8 Dashua Tian 4 0.01 Schimel J.P 80 0.05 9 Gubin Liu 4 0.01 Saiya-Cork K.R 73 0.05 10 Jiangming Mo 4 0 Vance E.d 69 0.05 11 Benjamin Z Houlton 4 0 Zak Dr 67 0.04 12 Tao Zhang 3 0 Frey S.d 66 0.05 13 Gene E Likens 3 0 Ramirez Ks 63 0.03 14 Kirstne S Hofmockel 3 0 Kuzyakov Y 60 0.04 15 Evgenia Blagdatskaya 3 0 Frostegard A 60 0.01 2.3 期刊共被引分析
由表3可知，在发文量前15的期刊中，Soil Biology and Biochemistry具有最高的共被引频次（455），该期刊属于农林科学和土壤科学研究领域的权威期刊，其中所刊发的论文也具有较高的影响力；其次为Ecology（378）、Nature（346）、Global Change Biology（343）和Biogeochemistry（340）。而从相关节点的中心值来看，Applied And Environmental Microbiology在知识图谱中具有最高的中心值（0.05），表明该期刊在一定程度上属于该研究领域的“核心期刊”[18]。
表 3 发文量前15的期刊及相关信息Table 3. The information of the top 15 journals排名
Ranking期刊
Journal频数
Count中心性
Centrality出版国家
Publishing Country影响因子
Impact Factor1 Soil Biology and Biochemistry 455 0 英国 5.795 2 Ecology 378 0 美国 4.700 3 Nature 346 0.01 英国 42.779 4 Global Change Biology 343 0.01 英国 8.555 5 Biogeochemistry 340 0.01 荷兰 4.161 6 Plant and Soil 336 0.01 荷兰 3.299 7 Science 296 0.02 美国 41.846 8 Ecology Letters 277 0.02 英国 8.665 9 New Phytologist 271 0.01 英国 8.512 10 Biology and Fertility of Soil 261 0.02 德国 5.521 11 Ecological Applications 258 0.02 美国 4.248 12 Oecologia 255 0.01 德国 2.654 13 Proceedings of The National Academy of Sciences of The United States of America 247 0.01 美国 9.412 14 Applied and Environmental Microbiology 245 0.05 美国 4.016 15 Ecosystems 244 0.02 美国 4.207 2.4 学科共现分析
一般的WOS数据库中每篇文章隶属于一个或者多个学科类别，通过学科结构分布可视化分析，研究者可以明晰该研究领域的学科结构特征[19]。本文中，通过对检索的文献进行学科共现分析，共得到与主题研究相关的学科共67个。其中，频数较高的学科为“环境科学与生态学”（Environmental Science and Ecology）（216）和“农学”（Agriculture）（204），其次为“土壤科学”（Soil Science）（195）、“环境科学”（Environmental Sciences）（124）、“生态学”（Ecology）（121）。结果表明目前关于大气氮沉降方面的研究趋于多学科和多元化。此外，“植物学”（Plant Sciences）（104）、“地质学”（Geology）（45）、“地质学、交叉学科”（Geosciences, Multidisciplinary）（44）、“微生物学”（Microbiology）（38）虽频数较低，但这些研究领域为研究者提供了新的研究视角。由图6和表4可见“环境科学与生态学”（Environmental Science and Ecology）（0.56）具有较高的中心值，表明该学科在大气氮沉降研究领域属于“优势学科”[20]。
表 4 发文量排名前15的学科Table 4. Top 15 subjects of published articles排名
Ranging学科
Category频数
Frequency中心性
Centrality1 Environmental Science and Ecology（环境科学与生态学） 216 0.56 2 Agriculture（农学） 204 0.22 3 Soil Science（土壤学） 195 0.01 4 Environmental Sciences（环境学） 124 0.20 5 Ecology（生态学） 121 0.19 6 Plant Sciences（植物学） 104 0.01 7 Geology（地质学） 45 0.01 8 Geosciences, Multidisciplinary（地质学、交叉学科） 44 0.21 9 Microbiology（微生物学） 38 0.05 10 Agronomy（农艺学） 34 0.05 11 Science and Technology-other topics（科学技术交叉学科） 34 0.05 12 Multidisciplinary Sciences（交叉学科） 32 0 13 Biodiversity Conservation（生物多样性保护） 25 0 14 Forestry（林学） 21 0.01 15 Water Resources （水资源学） 14 0.05 2.5 学科突现分析
在文献计量学分析中，学科突现分析常被研究者用来明晰某一研究领域的学科演化特征[21]。经过分析后共得到13个相关学科（表5），从表5可见2001 ~ 2020年间，爆发期持续时间最长的学科为Biodiversity Conservation（生物多样性保护），其突现强度显著高于其他学科。研究表明大气氮沉降量的增加会影响土壤生态系统中微生物群落的组成和功能，改变物种种间和种内竞争关系，影响生态系统中的物种多样性，进而影响生态系统的稳定性[22]，而随着大气氮沉降量的持续增加，这种影响更为显著[23]。由表5可见关于大气氮沉降方面的研究早期侧重于水域生态系统，这是因为大气氮沉降量会加剧水体富营养化[24-25]，而后期研究重点则侧重于陆地生态系统。此外，大气氮沉降研究所涉及到学科在2008年前主要集中在Water Resources、Meteorology & Atmospheric sciences和Environmental Sciences，而2008年后则逐渐呈现多学科融合化，该领域的研究侧重于植物－土壤－微生物系统[26-28]。
表 5 学科突发性检测知识图谱Table 5. Network map of category burst detection学科
Subject category年份
Year突现强度
Strength开始
Begin结束
End2001—2020* Water Resources （水资源学） 2001 1.61 2001 2002 
Meteorology & Atmospheric Sciences （气象学与大气科学） 2001 1.11 2001 2002 
Environmental Sciences （环境科学） 2001 0.55 2001 2003 
Geosciences, Multidisciplinary（地质、交叉学科） 2001 1.62 2008 2009 
Geology（地质学） 2001 1.56 2008 2009 
Biodiversity Conservation（生物多样性保护） 2001 2.76 2010 2013 
Agronomy（农学） 2001 2.06 2010 2011 
Plant Sciences（植物科学） 2001 1.52 2010 2011 
Microbiology（微生物学） 2001 2.41 2014 2015 
Biotechnology & Applied Microbiology（生物技术与应用微生物学） 2001 0.78 2014 2015 
Science & Technology-Other topics（科学与技术-其他主题） 2001 1.84 2015 2016 
Evolutionary Biology（进化生物学） 2001 0.75 2016 2017 
Agriculture, Multidisciplinary（农业、交叉学科） 2001 0.95 2017 2018 
注：线条表示某一学科开始和结束年，黑色粗线表示某一学科爆发所持续时间长短。 从学科突现时间的变化特征可见“Agriculture, Multidisciplinary”这一学科领域为目前研究热点领域。大气氮沉降很大程度上改变了陆地生态系统中氮素的特征，也改变了农田生态系统碳氮元素的循环和蓄积过程[29]。农业生产过程中产生了大量温室气体，土壤中的微生物参与了温室气体的产生，据统计全球温室气体排放量的25％至30％来自农业和土地（FAO，2019），土壤微生物通过参与养分循环和土壤碳的固存，在农业对气候变化响应方面起到了重要的作用。此外，土壤生态系统还扮演着碳汇的角色，间接影响了全球气候变化[30]。而随着大气氮沉降量的持续增加，土壤中氮素水平的增加加速了土壤的酸化，导致土壤微生物多样性丧失，影响了农田生态系统的稳定性和生产力[31]，进而影响到了全球粮食安全，因此该研究领域日趋受研究者青睐。
2.6 共被引文献分析
在文献计量学分析中，共被引文献分析可用来分析某一研究领域的知识基础构成。本文中，共获得共被引文献331篇，其中共引用频数较高文献如表6和图7所示，这些具有高被引频次的文献对于该研究领域具有重要的影响。其中共引用频次最高的论文是由Ramirez等人于2012年发表于Global Change Biology上的“Consistent effects of nitrogen amendments on soil microbial communities and processes across biomes”一文，该文中研究者通过分子生物学的技术，模拟了大气氮沉降过程如何影响土壤微生物过程和群落结构特征，结果表明土壤氮水平增加改变了土壤中细菌的菌落结构组成，增加了放线菌门和厚壁菌门的相对丰度，改变了土壤细菌群落的代谢能力，抑制了土壤微生物的活性，导致土壤固碳速率的增加[32]。其次为Liu等于2013年发表在Nature上的“Enhanced nitrogen deposition over China”一文，该文中研究者基于1980 ~ 2010年间中国土壤整体氮沉降、植物叶面氮和作物氮吸收的数据，系统评估了中国土壤氮沉降动态特征及其对土壤生态系统的影响，结果表明中国大气氮沉降情况呈现出逐年上升的趋势[33]。此外Janssens等于2010年发表于Nature Geoscience上的“Reduction of forest soil respiration in response to nitrogen deposition”一文中，研究者发现大气氮沉降不仅影响森林植被的生长，也影响了土壤微生物活动，进而影响土壤养分的循环，氮沉降阻碍了土壤中有机质分解，引起了碳的固存[34]。
表 6 被引频数最高的15篇共被引文献Table 6. Top 15 cited references and the importance index （centrality value）排名
Ranging引用频数
Frequency中心性
Centrality文献
Reference期刊
Journal1 50 0.11 Consistent effects of nitrogen amendments on soil microbial communities and processes across biomes Global Change Biology 2 38 0.08 Enhanced nitrogen deposition over China Nature 3 36 0.03 Reduction of forest soil respiration in response to nitrogen deposition Nature Geoscience 4 35 0.02 Comparative metagenomic, phylogenetic and physiological analyses of soil microbial communities across nitrogen gradients ISME Journal 5 35 0.06 Nitrogen additions and microbial biomass: a meta-analysis of ecosystem studies Ecology Letters 6 33 0.05 Global assessment of nitrogen deposition effects on terrestrial plant diversity: a synthesis Ecological Applications 7 32 0.03 Nitrogen deposition weakens plant-microbe interactions in grassland ecosystems Global Change Biology 8 28 0.02 Consistent responses of soil microbial communities to elevated nutrient inputs in grasslands across the globe Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 9 23 0.08 A global perspective on belowground carbon dynamics under nitrogen enrichment Ecology Letters 10 21 0.02 UPARSE: highly accurate OTU sequences from microbial amplicon reads Nature Methods 11 21 0.02 Nitrogen fertilization directly affects soil bacterial diversity and indirectly affects bacterial community composition Soil Biology and Biochemistry 12 21 0.09 Transformation of the nitrogen cycle: Recent trends, questions, and potential solutions Science 13 20 0.07 Changes in microbial community characteristics and soil organic matter with nitrogen additions in two tropical forests Ecology 14 19 0.03 Nitrogen limitation of net primary productivity in terrestrial ecosystems is globally distributed Ecology 15 19 0.01 Nitrogen inputs accelerate phosphorus cycling rates across a wide variety of terrestrial ecosystems New Phytologist 2.7 关键词共现分析
对于一篇研究论文而言，关键词是其核心内容的总结。文献计量学分析中，关键词共现分析可用来明晰某一研究领域的研究热点变化。本文中，频数较高的关键词分别为“碳”（carbon）（105）、“多样性”（diversity）（78）、“响应”（response）（67）、“施肥”（fertilization）（64）、“氮”（nitrogen）（58）、“微生物量”（microbial biomass）（55）等（表7）。由表7和图8可见目前关于大气氮沉降研究方法上主要采用施肥的方法模拟大气氮沉降，而在研究内容上则侧重于土壤生态系统对大气氮沉降的响应方面。
表 7 频数排名前十五的关键词Table 7. Top 15 keywords in terms of citation counts and centrality排名
Ranging关键词
Key word频数
Frequency count中心性
Centrality1 carbon（碳） 105 0.12 2 diversity （多样性） 78 0.14 3 response （响应） 67 0.07 4 fertilization （施肥） 64 0.07 5 nitrogen （氮素） 58 0.08 6 microbial bioma （微生物量） 55 0.07 7 bioma （生物群落） 55 0.11 8 organic matter（有机质） 49 0.05 9 microbial community（微生物群落） 45 0.01 10 climate change（气候变化） 42 0.06 11 enzyme activity（酶活力） 42 0.05 12 ecosystem（生态系统） 36 0.02 13 grassland（草场） 36 0.14 14 litter decomposition（凋落物分解） 32 0.04 15 decomposition（分解） 31 0.07 土壤微生物是地球生物化学循环重要组成部分，而土壤微生物对于大气氮沉降较为敏感，目前大气氮沉降已成为全球气候变化的主要驱动因素[35]。研究表明当生态系统处于氮限制时，氮输入水平的增加会刺激植物生长，提高土壤微生物活性，增加生态系统中碳的蓄积量，改变生态系统的碳周转时间[36]。此外，研究发现大气氮沉降会引起“氮促碳汇”效应，Johnson等研究发现当大气氮输入速率相对较低时，土壤对氮的固持能力远大于植物[37]。当生态系统受氮限制时，高水平的大气氮沉降可能会产生显著的碳汇[38]。而大气氮沉降所引起的土壤氮水平的升高降低了土壤的C∶N，加速了土壤中养分的释放速率和土壤微生物对凋落物的分解速率，进而提高了土壤中氮素的初期矿化速率，改变了土壤中真菌和细菌生物量的比率，进而导致土壤中微生物群落结构失衡[39-40]。
土壤是陆地生态系统重要的碳储库和生物的栖息地，大气氮沉降所产生的环境效应已成为生态学研究领域中重要的内容。研究表明当土壤中氮素水平持续增加时，土壤微生物群落结构的改变会降低土壤中氮素的净矿化作用速率[41-42]，也改变了土壤有机质和凋落物的分解特征，降低了胞外酶的活性，一定程度上抑制了腐殖质降解酶的生成[43]。此外，氮水平的持续增加可导致土壤酸化，而土壤中微生物对土壤pH变化极为敏感，土壤氮水平的持续增加不仅改变了土壤中微生物群落结构特征，甚至导致土壤中微生物多样性的丧失[44]。此外，当大气氮沉降导致物种组成发生改变时，光合产物将会在不同C∶N的物种或组分间重新分配，进而导致生态系统物种多样性的变化[45]。研究表明当贫瘠土壤中微生物受氮限制时，土壤氮水平的增加使得它们更易受到擅长利用氮的物种的竞争排挤，如在瑞士，富营养化已成为濒危、稀有物种的第二大威胁因素[46-47]。土壤微生物群落特征的改变通过食物链效应改变了陆地生态系统营养结构[48-49]，也改变了土壤中碳和养分的循环[37]。
2.8 关键词突现分析
关键词突现分析为指示某一研究领域研究热点演化的重要指标。本文中，利用Citespace软件对关键词进行了突现分析，共得突现关键词83个，突现强度较高的关键词如表8所示。其中突现强度最大的为关键词“nitrogen”（10.29），其次为“carbon”（8.91）、“nitrification”（7.37）、“ecosystem”（7.2）、“mineralization”（6.46）。而爆发期持续时间最长的分别为“ecosystem”（15 a）、“nitrogen”（13 a）。由表8可见，早期关于大气氮沉降的研究多集中于生态系统碳、氮循环方面，如大气氮沉降对土壤中营养元素的硝化作用和矿化作用过程的影响[50]。这些研究使得我们对于大气氮沉降对于生态系统过程的影响有了深入的认识。随着相关理论和研究方法的成熟，后期研究者则逐渐关注于大气氮沉降对物种多样性、土壤微生物功能和群落结构影响方面，同时对于大气氮沉降增加与CO2浓度升高所产生的协同效应也有了进一步的认识[51-52]。随着研究者对大气氮沉降背景下生态系统中各种生态过程和营养循环响应机制的深入理解，我们对于生物地球化学循环有了更深入的认识。此外，研究者也发现生态系统中各种生态过程一直处于动态变化，不能用“点”代替“面”，故而研究者开始关注于生态系统对大气氮沉降的动态响应[53-55]，通过这些研究我们对于大气氮沉降所引起的环境效应有了深入而全面的认识。
表 8 关键词突发性检测知识图谱Table 8. Network map of keywords burst detection关键词
Keywords年份
Year突现强度
Strength开始
Begin结束
End2001—2020 Nitrification（硝化作用） 2001 7.37 2001 2006 
Ecosystem（生态系统） 2001 7.2 2001 2015 
Nitrate（硝酸） 2001 5.9 2001 2007 
Nitrogen（氮） 2001 10.29 2002 2014 
Growth（增长） 2001 3.34 2002 2005 
Soil（土壤） 2001 3.45 2004 2006 
Mineralization（矿化） 2001 6.46 2005 2009 
Carbon（碳） 2001 8.91 2007 2012 
Bioma（生物量） 2001 3.23 2007 2011 
Elevated CO2（CO2升高） 2001 5.7 2009 2014 
Organic matter（有机质） 2001 4.65 2010 2016 
Microorganism（微生物） 2001 5.23 2011 2014 
Diversity（多样性） 2001 4.26 2012 2014 
Dynamics（动力学） 2001 4.52 2013 2017 
注：线条表示某一学科开始和结束年，黑色粗线表示某一学科爆发所持续时间长短。 3. 讨论
本文利用文献计量学软件，从主要发文国家/机构、期刊、作者、共被引文献、研究热点和研究趋势演替等不同方面对大气氮沉降与土壤微生物有关的文献进行可视化分析，阐明了该研究领域的主要特征，研究热点，发展趋势，并分析了未来潜在的研究热点。与传统的文献分析相比，基于文献计量学软件的可视化分析有助于我们直观、准确的了解相关领域的研究热点内容，从而避免了传统文献分析的片面性。但Citespace分析也存在一定的局限性，如文献计量学分析要求文献数据须与主题内容一致，而通常所检索到的部分文献与主题内容不符，须对文献数据进行甄别并删除以保证分析结果的可信度。
大气氮沉降作为一种常见的自然现象，虽然其数量因地区间的差异而有所不同，但其所产生的生态效应目前已引起世界各国研究者的普遍关注。通过探究土壤微生物对大气氮沉降的响应为我们明晰大气氮沉降所引起的环境效应提供了有价值的信息，通过这些研究有助于我们更好的理解两者之间的耦合关系。但是大气氮沉降一直处于动态变化中，氮沉降数据难以准确测定，加之受限于数据的获取，大气氮沉降方面的研究仍存在着较大的不确定性，因此必须完善氮沉降的长期监测网络，以为研究生态系统对大气氮沉降的响应提供支持。此外大气氮沉降所产生的环境效应方面的研究目前主要集中于小区域尺度，而大气氮沉降作为全球范围的现象，其对全球气候变化的影响日趋严重，故而应加强国际间的交流合作与数据共享，以明晰大气氮沉降对全球生物化学循环的影响。土壤微生物作为生态系统的重要组分，其对生态系统的稳定性具有重要的作用，而目前关于大气氮沉降对土壤微生物影响的研究内容较为单一，忽略了生态系统的复杂性，而基于多学科的融合，有助于研究者探究大气氮沉降对生态系统和地球生物化学循环的影响及其驱动机制。此外，目前关于大气氮沉降方面的研究多采用人为氮添加来模拟实现，试验周期较短，与自然中的大气氮沉降特征有一定的差别，因此在未来研究中对于该研究方法还需进一步优化，使得试验结果更能够反应自然情况下大气氮沉降对生态系统和地球生物化学循环的影响。此外，目前国内外对于大气氮沉降对土壤微生物影响方面虽较多，所涉及的研究领域较为广泛，但目前国内的研究多集中于大气氮沉降对于土壤微生物量、群落结构组成以及土壤碳氮循环方面研究，而关于土壤微生物对大气氮沉降的响应机制及反馈机制方面的研究则比较匮乏，因此需加强该方面的研究。
4. 结论
用文献计量学的方法对近20年来大气氮沉降对土壤微生物影响研究文献进行可视化分析，结果表明：
（1）目前在大气氮沉降对土壤微生物影响研究方面美国具有较高的影响力，我国在该研究领域的研究发展迅速，其中中国科学院、中国科学院大学在该领域具有较强的影响力。近年来，该领域已成为科研工作者关注的热点内容之一，但在该研究领域国际间的科研交流合作方面我国研究者和他国研究者合作较少，须加强国际间的合作交流，同时建立全球性的氮沉降长期监测网络。
（2）大气氮沉降对土壤微生物影响方面的研究主要集中在环境与生态科学、农学和土壤学等领域，且呈现出明显的多学科交叉融合发展趋势，这有助于研究者更好的明晰大气氮沉降对生态系统的影响。
（3）大气氮沉降对土壤微生物影响的研究热点内容主要集中在大气氮沉降对陆地生态系统结构和功能的影响上，通过模拟大气氮沉降的方法研究植物和土壤微生物结构与功能、生态系统养分循环的变化。
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表 1 发文量前15的国家与机构
Table 1 Top 15 Countries and institution of published papers
排名
Ranking国家
Country频数
Count中心性
Centrality机构
Institution频数
Count中心性
Centrality1 USA（美国） 194 0.24 Chinese Academy of Sciences（中国科学院） 104 0.56 2 China（中国） 184 0.24 University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学） 51 0.03 3 Germany（德国） 64 0.27 University of Colorado（科罗拉多大学） 14 0.08 4 England（英国） 30 0.21 Northwest A&F Univ（西北农林科技大学） 14 0.01 5 Canada（加拿大） 27 0.01 University of Gottingen（哥廷根大学） 13 0.07 6 Sweden（瑞典） 25 0.05 University of Minnesota System（明尼苏达大学） 12 0.14 7 France（法国） 19 0.17 Cornell University（康奈尔大学） 10 0.07 8 Australia（澳大利亚） 19 0.01 The University of Michigan（密歇根大学） 9 0.01 9 Netherlands（荷兰） 18 0.01 Swedish University of Agricultural Sciences（瑞典农业科学大学） 9 0.11 10 Switzerland（瑞士） 17 0.01 Northeast Normal University（东北师范大学） 8 0 11 Scotland（苏格兰） 17 0.06 University of Copenhagen（哥本哈根大学） 8 0.04 12 Spain（西班牙） 16 0.09 University of California-Irvine（加州大学欧文分校） 7 0.04 13 Japan（日本） 16 0.08 Colorado State University（科罗拉多州立大学） 7 0.03 14 Denmark（丹麦） 15 0.02 Beijing Forestry University（北京林业大学） 7 0 15 New Zealand（新西兰） 13 0.05 Arizona State University（亚利桑那州立大学） 7 0.05 
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表 2 频数排名十五的作者和共被引作者
Table 2 Top 15 authors and co-cited authors in frequency
排名
Ranking作者
Author频数
Count中心性
Centrality共被引作者
Co-Cited Author频数
Count中心性
Centrality1 Donald Zak 10 0.05 Vitousek P.M 135 0.1 2 Peter M Groffman 5 0.02 Fierer N 131 0.04 3 Wei Zhang 5 0.01 Sinsabaugh R.L 123 0.07 4 Weijun Shen 4 0.01 Treseder K.K 119 0.05 5 Stefan Scheu 4 0.01 Allison S.D 114 0.09 6 Chao Liang 4 0.01 Waldrop M.P 93 0.05 7 Yanxia Nie 4 0.02 Bardgett R.D 85 0.08 8 Dashua Tian 4 0.01 Schimel J.P 80 0.05 9 Gubin Liu 4 0.01 Saiya-Cork K.R 73 0.05 10 Jiangming Mo 4 0 Vance E.d 69 0.05 11 Benjamin Z Houlton 4 0 Zak Dr 67 0.04 12 Tao Zhang 3 0 Frey S.d 66 0.05 13 Gene E Likens 3 0 Ramirez Ks 63 0.03 14 Kirstne S Hofmockel 3 0 Kuzyakov Y 60 0.04 15 Evgenia Blagdatskaya 3 0 Frostegard A 60 0.01
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表 3 发文量前15的期刊及相关信息
Table 3 The information of the top 15 journals
排名
Ranking期刊
Journal频数
Count中心性
Centrality出版国家
Publishing Country影响因子
Impact Factor1 Soil Biology and Biochemistry 455 0 英国 5.795 2 Ecology 378 0 美国 4.700 3 Nature 346 0.01 英国 42.779 4 Global Change Biology 343 0.01 英国 8.555 5 Biogeochemistry 340 0.01 荷兰 4.161 6 Plant and Soil 336 0.01 荷兰 3.299 7 Science 296 0.02 美国 41.846 8 Ecology Letters 277 0.02 英国 8.665 9 New Phytologist 271 0.01 英国 8.512 10 Biology and Fertility of Soil 261 0.02 德国 5.521 11 Ecological Applications 258 0.02 美国 4.248 12 Oecologia 255 0.01 德国 2.654 13 Proceedings of The National Academy of Sciences of The United States of America 247 0.01 美国 9.412 14 Applied and Environmental Microbiology 245 0.05 美国 4.016 15 Ecosystems 244 0.02 美国 4.207
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表 4 发文量排名前15的学科
Table 4 Top 15 subjects of published articles
排名
Ranging学科
Category频数
Frequency中心性
Centrality1 Environmental Science and Ecology（环境科学与生态学） 216 0.56 2 Agriculture（农学） 204 0.22 3 Soil Science（土壤学） 195 0.01 4 Environmental Sciences（环境学） 124 0.20 5 Ecology（生态学） 121 0.19 6 Plant Sciences（植物学） 104 0.01 7 Geology（地质学） 45 0.01 8 Geosciences, Multidisciplinary（地质学、交叉学科） 44 0.21 9 Microbiology（微生物学） 38 0.05 10 Agronomy（农艺学） 34 0.05 11 Science and Technology-other topics（科学技术交叉学科） 34 0.05 12 Multidisciplinary Sciences（交叉学科） 32 0 13 Biodiversity Conservation（生物多样性保护） 25 0 14 Forestry（林学） 21 0.01 15 Water Resources （水资源学） 14 0.05
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表 5 学科突发性检测知识图谱
Table 5 Network map of category burst detection
学科
Subject category年份
Year突现强度
Strength开始
Begin结束
End2001—2020* Water Resources （水资源学） 2001 1.61 2001 2002 Meteorology & Atmospheric Sciences （气象学与大气科学） 2001 1.11 2001 2002 Environmental Sciences （环境科学） 2001 0.55 2001 2003 Geosciences, Multidisciplinary（地质、交叉学科） 2001 1.62 2008 2009 Geology（地质学） 2001 1.56 2008 2009 Biodiversity Conservation（生物多样性保护） 2001 2.76 2010 2013 Agronomy（农学） 2001 2.06 2010 2011 Plant Sciences（植物科学） 2001 1.52 2010 2011 Microbiology（微生物学） 2001 2.41 2014 2015 Biotechnology & Applied Microbiology（生物技术与应用微生物学） 2001 0.78 2014 2015 Science & Technology-Other topics（科学与技术-其他主题） 2001 1.84 2015 2016 Evolutionary Biology（进化生物学） 2001 0.75 2016 2017 Agriculture, Multidisciplinary（农业、交叉学科） 2001 0.95 2017 2018 注：线条表示某一学科开始和结束年，黑色粗线表示某一学科爆发所持续时间长短。
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表 6 被引频数最高的15篇共被引文献
Table 6 Top 15 cited references and the importance index （centrality value）
排名
Ranging引用频数
Frequency中心性
Centrality文献
Reference期刊
Journal1 50 0.11 Consistent effects of nitrogen amendments on soil microbial communities and processes across biomes Global Change Biology 2 38 0.08 Enhanced nitrogen deposition over China Nature 3 36 0.03 Reduction of forest soil respiration in response to nitrogen deposition Nature Geoscience 4 35 0.02 Comparative metagenomic, phylogenetic and physiological analyses of soil microbial communities across nitrogen gradients ISME Journal 5 35 0.06 Nitrogen additions and microbial biomass: a meta-analysis of ecosystem studies Ecology Letters 6 33 0.05 Global assessment of nitrogen deposition effects on terrestrial plant diversity: a synthesis Ecological Applications 7 32 0.03 Nitrogen deposition weakens plant-microbe interactions in grassland ecosystems Global Change Biology 8 28 0.02 Consistent responses of soil microbial communities to elevated nutrient inputs in grasslands across the globe Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 9 23 0.08 A global perspective on belowground carbon dynamics under nitrogen enrichment Ecology Letters 10 21 0.02 UPARSE: highly accurate OTU sequences from microbial amplicon reads Nature Methods 11 21 0.02 Nitrogen fertilization directly affects soil bacterial diversity and indirectly affects bacterial community composition Soil Biology and Biochemistry 12 21 0.09 Transformation of the nitrogen cycle: Recent trends, questions, and potential solutions Science 13 20 0.07 Changes in microbial community characteristics and soil organic matter with nitrogen additions in two tropical forests Ecology 14 19 0.03 Nitrogen limitation of net primary productivity in terrestrial ecosystems is globally distributed Ecology 15 19 0.01 Nitrogen inputs accelerate phosphorus cycling rates across a wide variety of terrestrial ecosystems New Phytologist
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表 7 频数排名前十五的关键词
Table 7 Top 15 keywords in terms of citation counts and centrality
排名
Ranging关键词
Key word频数
Frequency count中心性
Centrality1 carbon（碳） 105 0.12 2 diversity （多样性） 78 0.14 3 response （响应） 67 0.07 4 fertilization （施肥） 64 0.07 5 nitrogen （氮素） 58 0.08 6 microbial bioma （微生物量） 55 0.07 7 bioma （生物群落） 55 0.11 8 organic matter（有机质） 49 0.05 9 microbial community（微生物群落） 45 0.01 10 climate change（气候变化） 42 0.06 11 enzyme activity（酶活力） 42 0.05 12 ecosystem（生态系统） 36 0.02 13 grassland（草场） 36 0.14 14 litter decomposition（凋落物分解） 32 0.04 15 decomposition（分解） 31 0.07
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表 8 关键词突发性检测知识图谱
Table 8 Network map of keywords burst detection
关键词
Keywords年份
Year突现强度
Strength开始
Begin结束
End2001—2020 Nitrification（硝化作用） 2001 7.37 2001 2006 Ecosystem（生态系统） 2001 7.2 2001 2015 Nitrate（硝酸） 2001 5.9 2001 2007 Nitrogen（氮） 2001 10.29 2002 2014 Growth（增长） 2001 3.34 2002 2005 Soil（土壤） 2001 3.45 2004 2006 Mineralization（矿化） 2001 6.46 2005 2009 Carbon（碳） 2001 8.91 2007 2012 Bioma（生物量） 2001 3.23 2007 2011 Elevated CO2（CO2升高） 2001 5.7 2009 2014 Organic matter（有机质） 2001 4.65 2010 2016 Microorganism（微生物） 2001 5.23 2011 2014 Diversity（多样性） 2001 4.26 2012 2014 Dynamics（动力学） 2001 4.52 2013 2017 注：线条表示某一学科开始和结束年，黑色粗线表示某一学科爆发所持续时间长短。
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