自从氮肥合成工艺问世以后，氮肥为提高作物产量做出了突出贡献，其对发达国家粮食增产的贡献达到40%以上^[1]，对发展中国家粮食增产贡献率高达55%^[2]。但随着化学氮肥施用量的急剧增加，氮损失风险加重，农田过量施氮及施氮后的损失造成了氮污染排放负荷持续增长^[3]，由此造成的水体富营养化和地下水硝酸盐超标直接威胁人类饮水安全。

施用氮肥是现代农业的一项标志性措施，其对谷类作物产量的提高使全球70亿人口得以存活^[4]，然而由于当前还无法准确预测作物生长所需氮量，加之氮肥利用率较低^[5]，全球大多数作物种植体系的氮盈余量都很大^[6]，高产作物体系往往伴随着大量的水溶性或气态氮损失^[7]，是造成当前诸多环境问题的重要原因^[8-9]。农田氮流失受多种因素的影响，因此不同农田条件下的氮素管理策略可能存在差异^[10]，但基于高产、高效和环保的目的，通过分析不同施氮量的产量效果和环境效应^[11]，均可以确定兼顾作物高产和环境友好的合理施氮量^[12]。目前氮素管理与环境质量及人类健康的关系受到了广泛关注，相关研究发展迅速，科技文献发表数量持续增长，基于文献事实的文献计量学，能从多方面多角度揭示学科研究现状与热点问题，评价研究机构科研实力，有助于科研工作者把握学科整体布局、发展方向和学科优势。文献计量学是对文献进行定量分析研究的科学，被广泛应用在全球生物多样性^[13]、气候变化^[14]、水资源利用^[15]、硝酸盐去除^[16]等领域，用于分析各种主题的科研成果和研究趋势。SCI(Science Citation Index)是美国科学情报研究所ISI(Institute for Scientific Information)出版的期刊文献检索工具，收录了全世界最重要和最有影响力的研究成果，是自然科学领域公认最为重要的评价工具，ISI Web of Science数据库整合了SCI、SSCI(Social Sciences Citation Index)、A & HCI(Art & Humanities Citation Index)三大引文索引，收录了全球8700多种各学科领域的领先期刊，覆盖面最广，可用于分析文章作者、研究机构、主要期刊及其他主要信息等^[17]。

虽然世界各国均十分重视农田氮肥施用问题，相关的SCI论文发表数量也增长迅速，但涉及内容庞杂，目前尚无针对氮肥施用效应发展态势的系统总结分析，本文基于ISI Web of Science数据库，拟采用文献计量分析的方法，针对氮素农学效应、环境效应以及适宜施氮量的确定等主要研究方向，进行了系统的定量分析。通过系统分析国内外农田氮素效应主要研究方向的发展态势，揭示各研究方向发展趋势、研究热点、优势研究机构、高引用率论文等，以期为农业科技工作者和农业管理部门选择研究方向以及确定适宜施氮量提供参考。

1 材料与方法

以ISI Web of Science数据库的全部期刊为检索对象，限定发表时间为1957年至2014年8月，首先对“农田中氮肥施用”主题的SCI论文进行检索、数据清理、文献分类和主题分析，检索策略：(TOPIC:((Farmland or field or agriculture or farming) and (“nitrogen fertiliz^*”or“N fertiliz^*”or“fertiliz^* nitrogen”or“fertiliz^* N”)))，在SCI数据库中，共检索出全部论文7460篇，其中Article论文6882篇，Review论文196篇。然后从7460篇论文的关键词中分别提取出与“农学效应”、“环境效应”、“适宜施氮量”相关的文献，其中与“农学效应”研究相关的文献主要涉及到氮肥对小麦、玉米、水稻、大豆等作物产量、氮素利用率和土壤有机碳的影响。与“环境效应”研究相关的文献主要涉及到氮肥施用对氨挥发、硝化反硝化、温室气体排放、硝酸盐淋失、地下水水质等环境因素的影响。与“适宜施氮量”研究相关的文献主要涉及氮肥施用量、氮肥管理等关键词。

对检索出的各研究方向的相关文献利用Excel统计相关数据信息，采用发文数量和被引频次对农田氮素效应研究的机构、出版期刊等进行研究分析，利用高频关键词和相关关系图对研究热点进行研究分析，统计时均以第一作者、第一研究机构为标准。利用汤森路透公司研发的TDA(Thomson Data Analyzer)软件，将各主题下的关键词与全部关键词进行相关分析组成相互关系数矩阵，并据此绘制相互关系图，相关关系图揭示了各关键词之间关联性的紧密程度，图中点的大小表示包含这一关键词的文献量多少，点之间线的粗细表示两个关键词之间的相关程度，线越粗相关程度越紧密。

2 结果 2.1 农学效应研究 2.1.1 研究热点

检索出涉及氮肥施用农学效应研究的文献2773篇，主要涉及氮肥对小麦、玉米、水稻、大豆等作物产量、氮素利用率和土壤有机碳的影响，这一研究方向上的高频关键词主要包括与作物类型相关的Wheat、Maize、Rice、Winter wheat、Zea mays、Triticum aestivum、Crop等，与作物产量相关的Yield、Grain yield、Biomass等，与氮素养分利用相关Nitrogen use efficiency、N uptake、N use等，以及与土壤肥力相关的Soil fertility、Soil organic carbon等(表 1)。该研究方向下的高频关键词之间的相关关系图显示(图 1)，所有关键词之间的关联程度较分散，说明关于作物农学效应的研究点较多、涉及面较广；这一领域研究的热点主要集中不同种类作物如小麦(Wheat, Triticum aestivum)、玉米(Corn, Maize)、大麦(Barley)、大豆(Soybean)与氮(Nitrogen)、磷(Phosphorus)等元素的关系，氮肥施用(Nitrogen fertilization)、耕作(Tillage)等管理措施对作物产量(Yield, Biomass)、水肥利用率(Nitrogen use efficiency, N uptake)等方面的影响，以及氮肥施用对土壤肥力(Soil fertility, Soil organic carbon)的影响等。此外，这一研究中，¹⁵N标记的尿素(Urea)是常用的研究材料，土壤中氮含量(Soil N)对作物氮吸收(Nitrogen uptake)有显著性影响，两者存在密切的相关关系。

2.1.2 研究机构

开展农田氮肥施用农学效应研究的机构主要分布在北美、欧洲和亚洲(表 2)，发文量前10位的研究机构中来自加拿大的有1家，发表了149篇文章，远高于其他国家的研究机构，中国科学院发表了118篇SCI文章，排在全球第2位，美国农业部以99篇SCI论文发表量居全球第3位；此外，中国农业大学和南京农业大学的发文量也均居全球前10位。关注这一研究领域的国家或者是农田面积大、工农业均发达的国家，如加拿大、美国、澳大利亚等，或者是农田面积大但人均面积小的国家，如中国、印度等，或者是科学研究开展较早，科研实力较强的欧洲国家如法国、德国等。

2.1.3 主要期刊和高被引论文

刊发农田氮肥施用农学效应研究SCI论文的期刊主要来自欧美发达国家，均是农田氮素研究活跃、农业研究开展较早的国家，发文量排名前10位的期刊来自荷兰的有5份，其中发文量前3名的期刊均来自荷兰，分别是Field Crops Research (184篇)、Plant and Soil(137篇)和Nutrient Cycling in Agroecosystems (116篇)，其他期刊发文量均在100篇以下，主要来自法国、加拿大、美国和德国等(表 3)。

该领域的高被引论文主要是欧美科学家的研究成果(表 4)，被引频次最高的论文是德国霍恩海姆大学的Kuzyakov, Y于2000年在Soil Biology & Biochemistry杂志上发表的论文Review of mechanisms and quantification of priming effects，文中讨论了农田土壤中C、N循环机制及影响因素，其中涉及了碳氮等元素的利用，该论文发表后被引用了611次。该研究领域，被引频次排在前10位的论文没有来自中国的科研成果，说明中国在这一领域的研究并不突出，还有待提高。

2.2 环境效应研究 2.2.1 研究热点

检索出涉及氮肥施用环境效应研究的文献1609篇，主要涉及到氮肥施用对氨挥发、硝化反硝化、温室气体排放、硝酸盐淋失、地下水水质等环境因素的影响，这一研究方向上的高频关键词主要包括与含氮化合物相关的Nitrous oxide、Nitrate、Ammonia、Ammonium、N₂O、Nitric oxide等，与大气或水环境相关的Denitrification、Greenhouse gas、Nitrate leaching、Leaching、Environment、Water quality、Emission factor等(表 5)。该主题高频关键词之间的相关关系图显示(图 2)，各关键词分布相对分散，说明氮肥的环境效应的概念涵盖范围广，所涉及到的研究方向较多；氧化亚氮(Nitrous coxide)、甲烷(Methane)、二氧化碳(Carbon dioxide)等温室气体(Greenhouse gas)的排放(Emission)及其排放影响因子(Emission factors)，以及氨挥发(Ammonia, Ammonium)均是当前重要的研究内容，此外，硝酸盐(Nitrate)及其排水(Drainage)、淋溶(Leaching)对水体(Groundwater)、水质(Water quality)均有显著影响，采用相关缓解(Mitigation)措施如硝化抑制剂(Nitrification inhibitor)抑制硝化反应，可以减少温室气体排放及硝酸盐的淋失。同时，尿素(Urea)也是氮肥环境效应研究中的主要材料，¹⁵N标记技术也是常用的技术手段，硝化(Nitrification)与反硝化(Denitrification)是两个关联密切的过程，涉及到氮转化的多种形态，也是当前研究的热点。

2.2.2 研究机构

当前开展农田氮肥施用环境效应研究的机构很多，发表SCI论文最多的机构主要分布在北美和亚洲，欧洲国家对这一研究领域也十分关注(表 6)，其中中国科学院在该领域发表了159篇SCI文章，远远高于其他各国各研究机构，中国农业大学、南京农业大学和中国农业科学院在该领域的发文量也均居全球前10位，这说明中国已经意识到农田氮肥过量施用导致了严重的环境问题，并正在为解决这一问题积极努力。美国、加拿大两国也都非常重视氮素环境效应，美国农业部在该领域发表了75篇SCI论文，排名全球第2位，加拿大农业及农业食品部发表了68篇，排在全球第3位。此外，日本、荷兰、法国等农业技术先进的国家都有很多关于氮素环境效应的研究成果。

2.2.3 主要期刊和高被引论文

刊发农田氮肥施用环境效应研究SCI论文的期刊主要来自欧美发达国家，均是较早开展农田氮素研究、工农业发达的国家，发文量排名前10位的期刊来自欧洲的有8份，其中荷兰4份，英国3份，德国1份，其他两份分别来自日本和加拿大。发文量排名前3名的期刊均来自荷兰，分别是Nutrient Cycling in Agroecosystems (122篇)、Agriculture Ecosystems & Environment(109篇)和Plant and Soil(95篇)，其他期刊发文量均在55篇以下(表 7)。

该领域的高被引论文除了欧美科学家的研究成果外，中国科研工作者的研究成果也得到国际认可(表 8)。其中，被引频次最高的论文是德国霍恩海姆大学的Kuzyakov, Y于2000年发表在Soil Biology & Biochemistr Y上的论文Review of mechanisms and quantification of priming effects，文中主要讨论了农田土壤中C、N循环机制及影响因素，目前被引用被引频次为611。该研究领域，被引频次排在前10位的论文有两篇来自中国的科研成果，作者分别是中国农业大学的巨晓棠教授和中国科学院南京土壤研究所的朱兆良院士，表明中国在这一领域的研究已经有了一定基础，并受到了科学界的关注。

2.3 适宜施氮量研究 2.3.1 研究热点

检索出涉及农田适宜施氮量研究的文献408篇，主要涉及氮肥施用量、施氮量、施氮水平、氮肥管理等，这一研究方向上的高频关键词主要包括氮(Nitrogen, N)的施用(Application)、管理(Management)、施用时间(Application time)、施用位置(Fertilizer placement)等(表 9)。该研究高频关键词之间的相关关系图显示(图 3)，各关键词分布相对分散，说明确定农田适宜施氮量的研究方法较多；基于产量(Yield)、环境(Environment)、氮损失(N loss)、硝酸盐淋失(Nitrate leaching)、空间变异性(Spatial Variability)以及位点特异性(Site-specific)等均可进行氮(Nitrogen)管理(Nitrogen management)、推荐施肥(Fertilizer recommendation)。此外，土壤N(Soil N)、氮损失(N Loss)、肥料利用(Fertilizer use)、环境(Environment)之间的相互关系较密切，玉米(Zea mays)、氮利用率(Nitrogen use efficiency)、收获产量(Grain yield)、叶绿素(Chlorophy II)之间关联紧密，基于这些关系确定适宜施氮量仍是当前的研究热点。

2.3.2 研究机构

当前开展农田适宜施氮量研究的机构很多，发表SCI论文最多的机构主要分布在北美和亚洲，发文量排名全球前10位的研究机构中有4家来自中国，4家来自美国，2家来自加拿大，但各个研究机构的发文量均较少，都在30篇以下，这说明虽然关注这一研究领域的机构很多，但并未把适宜施氮量研究作为重点(表 10)。中国科学院在该领域发表了30篇SCI文章，略高于其他研究机构，中国农业大学、中国农业科学院和南京农业大学在该领域的发文量也均居全球前10位。中国面对农田氮肥过量施用和环境污染日益严重的现状，意识到确定农田适宜施氮量是平衡产量安全和环境恶化之间矛盾的有效手段。美国、加拿大农田面积大、农业生产技术先进，在其农业发展过程中也曾面对中国当前所面临的问题，其研究机构也都十分关注如何确定兼顾粮食和环境安全的农田适宜施氮量。

2.3.3 主要期刊和高被引论文

刊发农田适宜施氮量研究SCI论文的期刊主要来自欧美农业生产技术较发达的国家(表 11)，来自中国期刊的Pedosphere也刊发了16篇此类论文，发文量排在全球第5位；发文量最多的是来自荷兰的Field Crops Research，刊发了32篇此类文章。此外，发文量排名前九位的期刊来自荷兰的4份，加拿大2份，中国、法国、美国各1份。

该领域的高被引论文主要来自欧美科学家的研究成果，亚洲科学家在该领域的成果也受到较多关注(表 12)，被引频次最高的论文是德国霍恩海姆大学的Justes, E等于1994年在Annals of Botany杂志上发表的论文Determination of a critical nitrogen dilution curve for winter-wheat crops，文中讨论了临界氮稀释曲线的研究方法，为确定适宜施氮量提供了一种研究思路，该论文已被引用了220次。该研究领域，被引频次排在前10位的论文有一篇来自中国的科研成果，作者是中国科学院南京土壤研究所的褚海燕研究员，该文关注了平衡施肥对土壤微生物的重要性，被引用了91次，这说明中国在这一领域的研究成果正在被国际认可。

3 讨论 3.1 研究热点

文献计量分析显示，氮素农学效应研究的发文量最多，氮肥施用对作物生长、粮食产量、氮肥利用率、土壤肥力等因素的影响一直是氮素效应研究的重点。20世纪60年代以来，亚洲和欧洲的粮食产量分别增加了280%和65%，然而人口也从300万增长到640万^[18-19]，粮食产量之所以增加，作为决定作物产量形成的最重要营养元素——氮的施用起到了决定性作用^[20]。当前世界人口正以每12a增长10亿的速度快速扩张，预计2050年，全球人口总数将达90亿，如何满足人类粮食需求仍是全球面临的重大难题^[3]，因此，氮素施用的农学效应尤其是对作物产量的增产潜力仍是未来关注的重点。然而作物产量的形成受多方面因素的影响，区域^[21]、时间^[22]、作物品种^[23]、施用方法^[24]、氮素类型^[25]等都会不同程度的影响氮素效应。随着农业生物技术的发展，尤其是遗传育种科技的进步，加之全球气候变化的大趋势，作物新品种、气候变化条件下的氮素农学效应也应当受到重视^[26-27]。

氮肥施用还带来了严重的环境风险，因为农田施用的氮肥并不能全部被作物吸收，特别是在施氮过量的农田上，氮损失极其严重^[28-29]。损失的氮一部分在土壤中积累，一部分以氨、氧化亚氮、一氧化氮等含氮化合物的形式排放进入大气，一部分随降雨或灌溉以径流、淋溶或壤中流的形式进入地表水或地下水，显著影响了氮素在陆地、大气以及水生生态系统的循环^[30]。由于农民习惯于按作物茬口施肥，农田土壤中积累的氮素并不能被后茬作物全部利用，氮素持续累积导致土壤质量下降，甚至再次发生气体排放或氮素流失^[31]。施氮导致农田成为一个巨大的氨挥发源^[32]，农田氨挥发量占全球氨挥发总量的50%^[33]，而具有碱性的氨可以与大气中的硫酸或硝酸分子结合形成硫酸铵和硝酸铵，这都是雾霾中的主要成分^[34]，进一步污染空气。由于土壤中反硝化细菌的存在，氮素反硝化活动频繁，施入农田的部分氮素以氧化亚氮的形式排放进入大气，成为全球气候变暖的重要因素^[35]。

综上所述，氮肥施用急需确定一个兼顾粮食安全与环境安全的平衡点，该平衡点的核心就是确定农田适宜施氮量，这也是从源头控制氮素污染的有效手段。目前，适宜施氮量的确定方法很多，基于满足作物氮素需求的方法，包括利用叶绿素仪法、土壤无机氮实时调控、经验施肥模型等^[36-37]；基于最佳产量或经济效益的方法，包括测土配方施肥、产量或经济效益效应曲线等^[36-37]；基于环境风险估算的方法，包括氮淋失潜力估算、氮损失估算模型等^[38-40]；基于目标标准管理的方法，根据环保法规限定施氮量、施氮时期^[41-42]等。然而，不同于欧美发达国家，我国农田面积虽然大，但单块农田面积较小，并且确定田块适宜施氮量的方法多种多样，在区域内范围缺乏统一的施氮量，为解决这一问题，中国科学院南京土壤研究所的朱兆良院士首先提出了区域平均适宜施氮量的构想和具体方法^[43]，其应用结果也显示区域平均适宜施氮量相对于最大产量施氮量减少20%以上，相对于农民习惯施氮量减少近40%，而作物产量和农民收益并未降低，氮肥利用率反而有所提高^[44]，这为我国进行区域尺度上的氮肥管理提供了参考。适宜施氮量研究虽然是当前氮肥施用研究的一个重要方向，但被关注程度较低，发文量较少，缺少统一的研究方法。特别是面对农田氮流失造成的水体水质恶化问题，应当进一步探索以水质保护为目标的农田施氮阈值(造成水体污染的临界施氮量)。此外，氮素的吸收、利用、转化、损失均受多种因素的影响，未来的研究应当将农田氮素放到生态系统氮素循环过程中，而不仅仅研究某一方面的氮素效应。

3.2 计量分析

科技论文是科学家智慧的结晶，文献数据库将历年研究成果收录在一起^[45-46]，对后世科学家开展科研工作具有重要的指导意义，世界各国相当重视科学研究，科研成果层出不穷，文献数据库不断得到补充，这也导致特定研究领域内的文献数量时刻变化。因此，为保证文献计量结果的相对稳定性，只能选取一个时间段内的文献进行分析^[47]，虽然这一方法可能并未涵盖最新的文章，但只要科学合理的设置主题词，计量分析结果对后人了解前人研究成果、总结研究经验、开拓研究方向仍有非常重要的借鉴意义^[48]。

欧美国家的工业化程度高，具有较强的研究基础，不但带动了农业生产的革新，也促进了农业科研的发展，无论是氮肥农学效应、环境效应还是适宜施氮量研究，以美国、加拿大、德国等为代表的发达国家均处在领先地位，无论是高被引论文还是刊发相关研究成果最多的期刊都主要来自欧美国家。中国在相关领域的研究虽然起步晚，但发展迅速，部分中国研究机构的发文量已经进入世界前列，尤其是中国对氮肥环境效应及适宜施氮量的研究相当重视，这主要是因为中国当前正处于快速发展阶段，必须满足国内粮食需求，但吸取了发达国家的教训，绝不走“先污染后治理”的路子，积极创造优美的自然环境。

中国在该研究领域取得了不少研究成果，但仍然存在一些问题：优秀研究团队较少，发文量最多的中国机构主要是国家重点扶持的985高校或者中国科学院、中国农业科学院等国家级科研院所；优秀期刊不足，缺少有影响力的国际主流期刊；文献质量不高，被国际认可的成果较少。这主要是因为：政策偏向于重点高校和科研院所，其他机构对人才重视程度不够；中国的研究大多注重模仿，原始创新突破少；急于文章的发表，不注重数据积累，研究可持续性差；追求期刊影响因子，投稿时很少考虑国内优秀期刊；刻意引用国外文献，故意避开国内同行成果。

为解决这些问题，增强整体研究实力，提高论文质量，需要从多方面加以改进。首先，服从于国家发展规划，学习并改进国际先进研究方法，关注与人类生存息息相关的研究方向。其次，我国当前面临着保障粮食安全和水环境安全的双重压力，科研工作者应当继续加强该领域相关研究，政府也要增加科研资金投入，建立研究持续资助机制，保证研究延续性，注重人才培养，建立公平的竞争机制。第三，支持国内优秀期刊发展，鼓励将最新研究进展发表在国内优秀英文期刊上，促进产出更多的高水平研究成果。第四，加强国际交流，坚持“走出去请进来”的战略，借鉴发达国家已有经验，引进先进技术并进行本土化改进。第五，完善共享机制，实现大数据共享，提高科技成果转化率，鼓励可持续性农业发展，在提高数据利用率的同时，可以提升国家整体研究实力。

4 结论

基于Web of Science数据库，利用文献计量学的方法，可以很好地分析农田氮素效应主要研究方向中的研究热点。氮肥农学效应主要包括施氮对小麦、玉米、水稻、大豆等作物产量、氮素利用率和土壤有机碳的影响，环境效应主要包括施氮对氨挥发、硝化反硝化、温室气体排放、硝酸盐淋失、地下水水质等因素的影响，而确定农田适宜施氮量是解决粮食安全和环境安全之间矛盾的研究热点。欧美发达国家较早的关注了氮素施用对产量、环境的影响，研究基础好，影响力大的期刊与高被引论文也主要来自欧美国家，中国在相关研究领域的研究起步较晚，高影响力论文偏少，被引次数较低，优秀国际期刊不足，但研究实力不断增加，发展非常迅速，研究成果也逐渐被国际社会所认可。中国尤其关注氮素对环境的影响，并进行了较多的适宜施氮量研究，以中国科学院、中国农业大学、南京农业大学和中国农业科学院等为代表的中国研究机构的研究水平逐渐进入世界前列。然而，面对保障粮食安全和水环境安全的双重压力，中国应当继续加大资金投入，增强该领域相关研究水平，提高科技成果转化率，促进可持续性农业发展。

致谢: 感谢中国科学院文献情报中心在文献检索和数据分析中给予的帮助，感谢彭皓老师对论文写作提供的帮助。