基于文献计量分析的土壤微生物群落构建研究态势.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金()中央高校基本科研业务费专项资金资助收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.学术信息与动态:./陈炀张泽晋王芳李通宋秀芳杨幼清夏安全吴文超崔骁勇.基于文献计量分析的土壤微生物群落构建研究态势.生态学报():.基于文献计量分析的土壤微生物群落构建研究态势陈炀张泽晋王芳李通宋秀芳杨幼清夏安全吴文超崔骁勇 中国科学院大学生命科学学院北京 中国科学院大学中丹学院/中丹科教中心北京 格里菲斯大学地球健康和粮食安全中心 布里斯班澳大利亚 中国科学院大学资源与环境学院北京 中国科学院文献情报中心北京 中国科学院大学经济与管理学院图书信息与档案管理系北京 北京燕山地球关键带国家野外科学观测研究站北京 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心北京 摘要:土壤微生物群落构建是当前的热点研究领域中国学者对此开展了大量研究发表了众多高水平论文 采用文献计量方法对 年期间()核心合集数据库收录的该研究领域论文的数量、被引频次、作者、国家(地区)、研究机构、期刊以及关键词进行统计 基于 可视化软件分析贡献居前的作者、国家(地区)、研究机构、期刊以及重要关键词借助 软件将不同国家(地区)的发文数量可视化利用 包(语言)分析研究热点的演变趋势 结果表明:在 年间中国学者在本研究领域共发表论文 篇排名世界第一根据年度发文量该领域的研究历程大体可分为三个阶段分别为萌芽期(年)、波动发展期(年)和指数增长期(年)(周集中)、(李香真)和 (褚海燕)是本研究领域的核心作者中国科学院是核心研究机构 为 数据库文献的主要来源期刊本领域研究热点词的演变与测序技术的发展紧密关联测序技术从 焦磷酸测序发展到高通量测序和宏基因组测序推动了该领域从优先效应和中性理论等概念的引入发展到通过模型确定确定性过程和随机性过程相对贡献的定量研究 在系统描述 年土壤微生物群落构建领域的研究现状及研究热点的基础上提出了未来可能的一些重要研究方向有助于相关学者加深对该研究领域的理解对进一步聚焦土壤微生物群落构建领域的研究方向具有重要参考价值关键词:高通量测序优先效应中性理论确定性过程随机性过程群落构建机制是生态学研究的核心与焦点但研究对象多集中于动植物群落 土壤微生物作为陆地生态系统中最重要的分解者在元素循环、能量流动及生态系统功能中均发挥着重要作用但因微生物自身的特点(体积小、数量庞大、代谢快和变异性强)一度被认为不存在地理分布格局 近些年来随着测序成本的下降以及测序技术的进步产生了大量的测序数据 随着测序数据挖掘能力的提升越来越多的研究者关注并进入微生物群落构建研究领域并且逐渐认识到微生物群落也存在时空演变规律和经典的生态过:/.程等 与此相应地微生物群落构建模型迅速发展从最初的零模型到后来的、中性模型、再到 算法的准确性和精度不断提高 模型和算法的进步加深了我们对于微生物群落构建的理解也为分析确定性过程和随机性过程的相对重要性提供了更为坚实的基础 近十年来土壤微生物群落构建领域的发文数量呈现指数增长采用精确合理的文献计量方法对文献数据进行多元可视化分析可以加深对该领域研究现状的理解提高对该领域研究热点的把握本研究以 ()核心合集数据库为数据源检索 年期间土壤微生物群落构建领域的论文文献基于文献数据的数量特征以及重要指标之间的关联程度借助、以及 包(语言)可视化工具进行文献计量分析厘清土壤微生物群落构建领域的研究现状归纳二十年间国内外的研究进展梳理该领域未来的研究热点以期为我国未来在该领域开展研究工作提供借鉴与参考促进该研究领域的深入 研究方法.数据来源本研究分析的文献数据来源于科睿唯安()()核心合集数据库 ()数据库是可进行文献计量数据检索的重要科学搜索引擎 与、等其它数据库相比 被认为是全球性的、以质量为导向的数据库其包含更标准化的记录可用于检索全球范围内多学科领域的文献记录 预检索的结果表明自 世纪以来土壤微生物群落构建研究领域的文章全部发表于 年之后因此将检索日期范围设置为:年 月 日至 年 月 日 检索日期为 年 月 日所有分析均以当时导出的元数据为基础以排除重新检索可能导致的检索记录的变化 检索时采用“高级检索”模式根据前期的文献阅读将检索主题设置为:“()()()”总共检索到 条记录 为聚焦到土壤微生物生态学的研究态势分析对检索到的条目进行数据清洗 在研究方向一栏中将不相关研究方向剔除只保留微生物生态学学相关的研究方向()数据清洗后总共得到 条记录 将所得到的文献条目的全记录与引用的参考文献导出以进行后续的文献计量分析.分析方法数据(全记录及引用的参考文献)导出后对发表年份、被引频次、出版物总量、国家(地区)、作者、作者所属机构、期刊和关键词等信息进行提取与整合 利用 数据库的文献计量功能分析土壤微生物群落构建研究领域的年度发文量及被引频次 利用(.)文献计量可视化软件挖掘分析检索得到的文献并实现作者、期刊、机构、期刊和关键词的共现网络可视化 是荷兰莱顿大学科技研究中心()的 和 于 年开发的一款分析文献知识单元的可视化工具其图形展示能力强适合分析大规模样本数据 利用 将世界上不同国家(地区)的发文量可视化该软件可以快速绘制个性化地图 利用 语言(.)中的 包将关键词(研究热点)的演变趋势可视化 包功能强大可以实现多种文献计量分析 结果与分析.年度发文量与被引频次如图 所示根据年发文量的变化趋势可将自 世纪以来土壤微生物群落构建领域的研究大体划分为生 态 学 报 卷:/.三个阶段 第一阶段是萌芽期(年)在此期间开始有研究者关注土壤微生物群落构建其中 年 在 上发表的名为“”的研究论文是该领域的破冰之作强调了随机性过程和空气中孢子沉降在早期真菌群落构建中的重要性但总体上看微生物群落构建并未引起广泛关注 第二阶段是波动发展期(年)这一阶段的发文量较第一阶段有所增加但年发文数量呈波动状态且没有一年的单年发文量达到 篇 这说明有更多的科学家关注并进入土壤微生物群落构建研究领域但可能受限于当时的测序成本高昂、微生物群落构建方法不成熟在很长一段时间内相关研究论文的发表量一直维持在一个相对稳定的较低水平 第三阶段是指数增长期(年)年在 上刊登了一篇名为“”的文章(被引频次:)分析了内生菌在拟南芥根中的定殖过程引起了广泛的关注 以此为起点随着测序技术的迅速发展和成本的快速降低以及更为精致的微生物群落构建模型的出现越来越多的研究者投入到土壤微生物群落构建领域的研究中发文量也呈现出指数增长的趋势图 年土壤微生物群落构建研究文献的时间分布.被引频次居于前三名的论文分别发表在、以及 上它们的引用次数均超过了 次(截至 年 月 日)分别为、和(表)除上文介绍的排名第一的论文外排名第二的论文利用网络分析方法探索了土壤微生物群落的共现模式排名第三的论文研究了水稻根系相关微生物组的群落构建过程排名第四、第五的论文的研究内容分别是总结菌根研究进展、微生物群落构建的模式和过程被引频次分别为 和 排名前十的文章的被引频次均超过了 这说明土壤微生物群落构建目前是一个热门的研究领域得到了研究者们的广泛关注 国内土壤微生物群落构建领域单篇被引次数最多的学者是来自中国科学院南京地理与湖泊研究所的王建军研究员其于 年发表在 的论文被引用高达 该文探索了跨生态系统细菌组合的系统发育 多样性 期 陈炀 等:基于文献计量分析的土壤微生物群落构建研究态势:/.表 数据库中被引频次前 的文献 文献名 第一作者 来源出版物出版年被引频次 .:.:?.作者及其合作关系表 列出了 年间 数据库中在土壤微生物群落构建领域收录文献数量居前的作者包括俄克拉荷马大学植物学与微生物学系环境基因研究所的周集中()、中国科学院成都生物研究所的李香真()、南京农业大学的沈其荣()、西北农林科技大学的韦革宏()、中国科学院南京土壤研究所的褚海燕()和西北农林科技大学的焦硕()等前十位的发文篇数范围在 之间被引频次范围在 之间篇均被引频次范围在.之间权重链接总强度在 之间 权重链接总强度由 生成其值大小反映了该作者与其他作者的合作程度表 数据库发文数量排名前 的作者情况 作者文献数量 被引频次 篇均被引频次 权重链接总强度 (周集中).(李香真).(沈其荣).(韦革宏).(褚海燕).(焦硕).(邓晔).(姚敏杰).(徐建明).生 态 学 报 卷:/.领域的高产出作者以及作者间的合作状况是该研究领域知识积累的关键力量 通过作者共现网络可视化可以发现该研究领域的核心作者及其合作关系 在作者共现图中圆点面积越大代表其发文数量越多合作者之间相互连接的线条越粗代表学者之间的合作越紧密在每一聚类簇中最大的圆点即是该聚类簇中的核心作者他们对推进学科发展、拓宽研究领域起到关键性作用图 显示了 年间土壤微生物群落构建研究领域中的 名作者及其合作关系从图中可以看出该领域的研究呈现出“多元性”的特点形成了多个发文量高、合作密切的学术团体 周集中(论文篇数 被引频次 篇均被引频次.权重链接总强度)、李香真(论文篇数 被引频次篇均被引频次.权重链接总强度)和褚海燕(论文篇数 被引频次 篇均被引频次.权重链接总强度)发文量高(图)、权重链接总强度高(表)是土壤微生物群落构建研究领域的核心作者形成了各自的合作关系群 图 还显示核心作者周集中的合作关系群最大与多个高产作者之间有紧密合作关系包括褚海燕、韦革宏和邓晔等图 土壤微生物群落构建领域论文的主要作者及其合作关系.周集中团队系统综述了随机性过程在微生物生态学中的重要性并先后开发了 指标以及 模型在理论和应用方面加深了对于微生物群落构建的理解为推动该领域发展做出了巨大贡献李香真团队研究了不同生境下(例如:根际、高寒草甸、湿地以及森林等)的微生物群落构建过程中确定性过程和随机性过程的相对重要性提高了对于不同环境条件下微生物群落构建过程的认识褚海燕团队则深入研究了广泛地理格局下的微生物群落构建过程为进一步推动微生物群落构建在生物地理学中的应用提供了重要科学依据.国家(地区)研究机构及其合作关系在 年期间共有来自 个国家(地区)的研究者发表了 篇关于土壤微生物群落构建的文章 中国、美国、德国、荷兰、英国、法国、澳大利亚、加拿大、西班牙和瑞士是过去 年在该研究领域发表文章数量最多的 个国家(图).的文章由中国的作者发表或者与中国作者合作发表(篇)反映出国内学者对该研究领域有着较高的关注程度与研究兴趣 美国是发表文章数量排名第二的国家(篇)占发文总数的.虽然美国发文总数不如中国但美国发表的文章有着高被引的特点 篇文章总共被引用了 次相较美国中国 篇文章总共只被引用了 次 德国和荷兰发文数量为 篇 期 陈炀 等:基于文献计量分析的土壤微生物群落构建研究态势:/.和 篇占发文总量的.和.排名在第三和第四位 英国和法国并列第五发文量均是 篇在发文总量中占比均为.整体而言有关土壤微生物群落构建的研究文章集中发表于中国、北美、西欧和澳大利亚图 土壤微生物群落构建领域发文量居前 位的国家.年期间在该领域发表文献数量排名前 位的机构有中国科学院()、加州大学伯克利分校()、西北农林科技大学()和科罗拉多大学()等(表)发文数量在 之间总被引次数在 之间权重链接总强度在 之间 其中发文数量最高的研究机构为中国科学院占发文总数的.在 数据库中收录论文数量排名前 的研究机构中有 个是中国的研究机构分别为中国科学院、西北农林科技大学、浙江大学、清华大学和南京农业大学发文数量分别占发文总数的.、.、.、.和.中国科学院相关单位发文数量远超其它研究机构圆圈面积大(图)权重链接总强度高是该研究领域的核心研究机构 由图 及相关论文可知作为土壤微生物群落构建领域发文量排名第 的研究机构西北农林科技大学与中国科学院相关单位存在密切合作关系.来源期刊 年期间 数据库收录的土壤微生物群落构建领域文献来源于 种期刊 表 列出了载文量前 位的期刊其中 载文量最高(篇)占文献总数的.为该领域的主要来源期刊 被引频次()和篇均被引频次(.)均为最高影响因子排名第二(.)为该研究领域的顶级期刊 影响因子最高为.但在土壤微生物群落构建领域发文量少仅占发文总量的.关键词及其演变.关键词共现分析关键词是论文的主要研究内容的高度概括 检索结果中出现频次不低于 的关键词共有 个出现频次居前 位的关键词依次为:(群落构建 次)、(根际 次)、(微生物组 次)、(细菌 次)、(真菌 次)生 态 学 报 卷:/.表 文献发文量前 位的研究机构 机构文献数量 被引频次 篇均被引频次 权重链接总强度 中国科学院 .加州大学伯克利分校 .西北农林科技大学 .科罗拉多大学 .俄克拉荷马大学 .浙江大学.清华大学.乌得勒支大学.南京农业大学 .美国西北太平洋国家实验室 .图 数据库中土壤微生物群落构建领域文献来源机构分布及其合作关系.期 陈炀 等:基于文献计量分析的土壤微生物群落构建研究态势:/.表 载文量前 的外文期刊及其影响因子 期刊文献数量 占文献总数比例/被引频次 篇均被引频次 影响因子 .影响因子来源于中国科学院 年 月 日发布的期刊分区表基础版(年平均影响因子)图 关键词共现网络.关键词共现网络图可以清晰地展示出土壤微生物群落构建领域的研究热点在本研究得到的共现网络图中共有 个聚类簇(图 表)聚类(紫色)主要是生物多样性以及微生物群落构建过程中确定性过程和随机性过程的相对重要性研究聚类(黄色)主要是根际微生物组以及植物微生物相互作用研究聚类(浅蓝色)主要是气候变化对微生物群落构建的影响机制研究聚类(红色)主要为生物地理学研究聚类(橙色)主要为碳氮循环与微生物群落构建的耦合机制研究聚类(绿色)主要包括扩散限制以及微生物相生 态 学 报 卷:/.互作用研究聚类(深蓝色)主要包括群落构建中的共现网络分析研究聚类(褐色)主要为群落构建的理论基础(生态位理论和中性理论)以上 个聚类簇共同构成了该领域的热点研究方向表 关键词聚类分析 聚类序号聚类颜色出现次数权重链接权重链接总强度 聚类中的 关键词 紫色 群落构建、细菌群落、环境过滤、丛枝菌根真菌、多样性黄色 根际、微生物组、宏基因组学、微生物生态学、植物微生物相互作用浅蓝色 土壤、高通量测序、土壤微生物群落、气候变化、草地红色 构建过程、功能性状、生物地理学、土壤真菌、内层圈橙色 细菌、真菌、微生物群落、分解、初级演替绿色 微生物多样性、扩散、扩散限制、微生物群落构建、随机性过程深蓝色 共现网络、植物土壤反馈、古菌、土壤微生物组、农业褐色 细菌多样性确定性随机性土壤 中性理论.关键词演变趋势不同时间阶段的热点关键词反映了研究者们关注重心的变化 由于 年之前发文量较少所以将 年设为一个时间段在 年之后每 年设置为一个时间段总共设置了 个时间段如图 所示 年期间的热点关键词为群落构建()和微生物生态学()在该时间段 等合作设计了一种用于比较生物群落的距离度量 距离 距离分为加权()和不加权()两种 在计算时只考虑物种在样本中是否存在而 在计算时同时考虑物种是否存在及其丰度高低 年间的热点关键词分别为丛枝菌根真菌()、优先效应()、群落构建()、宏基因组学()、土壤()、焦磷酸测序()和中性理论()这说明此阶段的研究随着测序技术的发展(宏基因组、焦磷酸测序)而更加深入并开始借助测序技术为理论(生态位理论和中性理论等)提供证据与解释 在该时间段 等基于 指数()结合系统发育 指数建立了一种基于群落水平的零模型方法将群落构建过程细分为同质选择()、异质选择()、扩散限制()、均匀扩散()和漂变()等五个部分以进一步探究微生物群落构建过程中确定性过程和随机性过程的相对重要性引起了广泛关注 期 陈炀 等:基于文献计量分析的土壤微生物群落构建研究态势:/.图 关键词演变趋势图.年的热点关键词分别为群落构建()、根际()、土壤真菌()、细菌()、宏基因组学()、微生物群落()和生物多样性()这说明此阶段的研究重点是关注土壤细菌与真菌的多样性并开始探究根际的微生物群落构建过程 在该时间段伴随着测序技术的进步微生物群落构建算法的精度也进一步提高(宁大亮)等开发了一种基于系统发育分箱的零模型分析框架(模型)该模型首先通过将观察到的物种类群划分为不同的箱然后根据单个箱在群落间的相对多度和周转情况定量推断群落构建过程 由于不同的生态过程通常作用于基因型或种群上而非整个群落因此 模型的分箱设计可以进一步提高定量推断微生物群落构建过程的准确性和精度 年的热点关键词分别为微生物多样性()、构建过程()、微生物组()、微生物群落()、根际()、高通量测序()、群落构建()、随机性过程()、多样性()以及重金属()这说明近一年来的研究热点集中于确定性过程和随机性过程在群落构建过程中的相对重要性并且开始关注重金属等环境胁迫对土壤微生物群落构建的影响 结论本研究运用文献计量学方法借助、以及 包(语言)可视化工具以 数据库中在 年期间收录的土壤微生物群落构建领域的文献数据为基础分析了年度发文量与被引频次、作者及其合作关系、国家(地区)及其合作关系、研究机构及其合作关系、期刊分布情况以及关键词及其演变得到了如下结论:()年期间土壤微生物群落构建领域的研究大体可分为三个阶段 年为萌芽期 年是波动发展期 年之后进入了指数增长期 年间该领域经历了“从无到有”的发展历程并成为了当下的热点研究领域()中国是在土壤微生物群落构建领域发文量最多的国家而美国是在土壤微生物群落构建领域总被引用量最多的国家(周集中)、(李香真)和 (褚海燕)为核心作者 生 态 学 报 卷:/.是该领域载文量最高的期刊而 是该领域被引频次和篇均被引频次均最高的期刊()根据关键词共现分析土壤微生物群落构建领域的理论基础为生态位理论和中性理论在各种生境下(气候变化、生物地理学以及根际等)确定性过程和随机性过程在微生物群落构建过程中的相对重要性是研究者们近期关注的重点关键词的演变趋势分析则表明微生物群落构建领域的发展与测序技术的发展紧密关联测序技术的进步以及测序成本的降低推动了该领域的进一步发展 展望目前已开发出了多种基于零模型的算法用于量化微生物群落构建的机制 但基于零模型的算法仍然面临诸多挑战例如对零模型施加太少的约束会使它变得非常随机以至于结果很容易与观察到的模式不同这可能会提高犯类错误的概率相反设置过多的约束会使结果过于接近观察到的模式这可能会提高犯类错误的概率约束零模型的不同方法可能导致完全不同的结果 因此零模型分析的实验结果对所使用的模型、算法和多样性指标非常敏感 分析框架中的 和 等参数目前常被用来衡量土壤微生物群落构建特征但是直接在群落水平进行零模型检验易高估系统发育距离采用 模型虽然可以在一定程度上减少系统发育距离的高估但是 模型可能会在某些情况下低估跨箱选择()因此基于零模型算法的准确性和精度的进一步提高可能是未来的研究焦点之一在理论层面随机性过程在群落构建过程中是否重要曾引起巨大争议争议的关键因素在于很难精确地定义什么是随机性过程并且不同的方法对于随机性过程的描述并不完全一致 除此之外微生物系统发育的不确定性以及数据分析的不确定性使精准定量随机性过程的相对重要性变得更加困难因此未来如何更加精确地界定确定性过程和随机性过程十分重要生物多样性与生态系统功能密切相关相较于微生物群落结构微生物群落功能同等重要但是目前对于微生物群落构建过程如何影响生态系统功能的理解仍十分有限 微生物生态学领域的核心目标之一是能够在不断变化的环境中预测微生物群落结构及功能的变化因此如何将功能基因及其它功能表征指标纳入微生物群落构建分析的框架也可能是该领域未来的研究热点参考文献():.():.贺纪正 陆雅海 傅伯杰.土壤生物学前沿.北京:科学出版社.贺纪正 王军涛.土壤微生物群落构建理论与时空演变特征.生态学报 ():.:.():.():.():.():.:.:.:?期 陈炀 等:基于文献计量分析的土壤微生物群落构建研究态势:/.():.靳一丹 陆雅海.大数据时代土壤微生物地理学研究综述.生态学报 ():.吴俣 杜剑卿 刘强 杨幼清 吕文聪 潘佳音牛海山.基于文献计量的青藏高原土壤呼吸研究进展.生态学报():.王耕 张挥航.基于文献计量的海洋生态系统服务研究热点与趋势分析.生态学报 ():.严陶韬 薛建辉.中国生物多样性研究文献计量分析.生态学报 ():.:.():.李通 崔丽珍 刘亭亭 宋秀芳.基于 的近 年全球腐植酸研究文献计量分析.腐植酸 ():.李通 马雪婷 李春杰 阚玉贺 魏玉莲.基于 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