土地利用與碳排放國內外研究進展比較
——基于CiteSpace軟件的文獻計量分析

張 苗,2,袁凱華,陳銀蓉,蘭夢婷

(1.華中農業大學 公共管理學院,湖北 武漢 430070;2.山東師范大學 商學院,山東 濟南 250014)

土地利用與碳排放國內外研究進展比較
——基于CiteSpace軟件的文獻計量分析

張 苗1,2,袁凱華1,陳銀蓉1,蘭夢婷1

(1.華中農業大學 公共管理學院,湖北 武漢 430070;2.山東師范大學 商學院,山東 濟南 250014)

采用CiteSpace軟件對國內外近14年主題為土地利用和碳排放的研究文獻進行了文獻計量分析。結果表明:國外研究主題的演進依次是微觀層面的土地利用碳排放機理認知研究、土壤碳和植被碳的有機碳核算、建立不同的模型模擬或仿真碳排放變化、生物燃料利弊分析;國內研究主題的演進依次是建設用地和農業碳排放的研究、土地利用結構與能源消費的相關關系、特殊區域的碳蓄積變化與土壤碳核算、不同省份或地級市的碳足跡核算，以及城市土地、城市規劃和土地管理視角的碳減排研究;減少森林采伐和森林退化碳排放和生物燃料的相關研究成為國外最新的研究前沿,低碳城市、城市規劃、低碳交通和低碳發展成為國內研究前沿。

土地利用;碳排放;文獻計量分析法;研究進展;研究前沿

1 前言

越來越多的證據表明,碳排放是導致全球氣候變化的重要因素[1,2],全球氣候變化可能對自然生態和社會經濟系統產生多方面、多層次的影響。過去幾十年時間，大氣中大約有45%的CO2排放來自化石燃料燃燒和土地利用變化,剩下的CO2被稱作是“碳庫”的海洋和陸地吸收了[3]。隨著研究的進展,新出現的主要問題是作為碳存儲最大的陸地和海洋非常脆弱和不穩定,極容易導致自然碳排放[3,4],其中作為人類活動載體的陸地最易受到擾動。

根據世界資源組織的碳排放計算器測算和碳循環研究專家估算[1,2,5]:1850—1998年在全球的碳排放中,土地利用變化引起的碳排放量約占人類活動影響碳排放總量的1/3。未來一個世紀,由于土地系統很可能在結構和功能方面出現較大的變化,土地系統對氣候的反饋在土地系統科學中的地位愈來愈重要,土地利用與碳排放問題引起了越來越多的學者關注[6]。國內學者基于不同的切入視角對國內外土地利用與碳排放相關文獻進行了較全面的總結,側重點有所不同,包括土地利用的碳排放機理與核算[7]、土地利用變化對碳排放的影響[8-12]、農業土地利用與碳排放的關系[13]、城市系統的碳循環[14]、土地利用變化與土壤有機碳(SOC)的關系[15]、土地利用變化對氣候的影響[16-18]等相關研究進展。

為了厘清國內外有關土地利用與碳排放在不同時間段的研究主題、研究主題之間的相互關聯以及研究熱點與前沿,本研究采用文獻計量分析法對國內外近14年以主題為土地利用和碳排放的文獻進行了關鍵詞提取分析與比較,總結了國內外有關土地利用與碳排放研究的主題演化進展,以期更好地指導未來我國土地利用與碳排放的科學研究。

2 數據與方法

當前有關文獻圖譜的軟件有十余種之多,各個軟件都具有各自的優勢,而CiteSpace軟件以其強大的文獻共被引分析而知名。隨著發展算法和功能的不斷優化,當前CiteSpace軟件已經被廣泛應用于計算機科學、信息科學、醫學等60多個領域[19]。本文主要借助CiteSpace軟件[20]對國內外近14年主題為“土地利用”和“碳排放”的文獻進行了計量分析,國外文獻計量分析所用數據均來自于Web of Science核心合集,包括SCI、SSCI和Aamp;HCI等三大引文索引數據庫。每一條數據記錄主要包括文獻的作者、題目、摘要和文獻的引文。以“land use” 和“carbon emission”作為主題詞,時間跨度為2002—2015年(由于Web of Science核心集最早只能檢索到2002年，因此本文檢索也只能從2002年開始),對兩者的檢索結果取交集,語言類型選擇English,文獻類型為“Article or Proceedings Paper or Review”,共獲得了4249條文獻數據,每年的文獻數量分布見圖1。

圖1 國外文獻數量時間分布

國內文獻檢所庫為CNKI,選擇文獻檢索,檢索主題詞為“土地利用”和“碳排放”,時間為2002年1月1日—2015年12月31日,共檢索到有效文獻566條(刪除新聞、會議通知等信息),每年的文獻數量分布見圖2。由圖1可知,2002—2015年國外文獻數量呈增長趨勢,表明“土地利用”和“碳排放”研究被越來越多的國外學者所關注。圖2表明,從2009年開始我國學者開始更多地關注土地利用與碳排放相關研究,文獻數量呈現遞增趨勢。

圖2 國內文獻數量時間分布

3 文獻計量分析

3.1 研究主題演化趨勢分析與對比

研究主題的分布及演化能夠直觀地體現不同時序內的熱點領域、分析視角、研究方法的變化。關鍵詞作為學術論文研究主題的精煉表達,其關聯性在一定程度上可揭示學科領域中知識的內在聯系。鑒于此,本研究通過關鍵詞共現分析來鑒別國內外土地利用碳排放研究領域的主要研究方向和熱點,并對該研究領域主題結構的發展變化做出判斷。為了便于比較,對國內外文獻本文采用同一軟件操作,具體操作方式是:時間切割設置為1年,節點類型選擇關鍵詞,閾值選擇以TOP30為閥值,運行CiteSpaceⅢ軟件得到關鍵詞共現網絡圖譜,然后通過PathFinder算法對網絡進行修剪與合并,得出關鍵詞共現的關鍵路徑。

國外研究主題演化:通過運行CiteSpaceⅢ軟件得到國外關鍵詞共線網絡圖譜(圖3、圖4,見封二)和關鍵詞分布表(表1)。修剪后的圖譜共包含關鍵詞節點73個,連線280條。由圖3可知,從文獻檢索的2002年開始形成中心度較高的四大研究關鍵詞分別是“土地利用變化、氣候變化、土地利用、排放”。從圖4可見關鍵詞之間的聯系,不同關鍵詞之間具有相互影響和相互作用的關系,結合表1給出的關鍵詞年份和中心度大小可知,“土地利用”成為中心度最大的關鍵詞,演進出的關鍵詞順序(從左到右)依次是:土地利用—碳—森林采伐—二氧化碳排放—熱帶雨林—溫室氣體排放—減少森林采伐和森林退化碳排放(REDD,Reduce Emissions from Deforestation and Forest Degradation)—生物多樣性等;“土地利用變化”成為中心度第二大的關鍵詞,演進順序依次是:土地利用變化—碳封存—管理—農業—土壤有機碳等;“氣候變化”關鍵詞受“土地利用”和“土地利用變化”的影響和作用,演進順序依次是:氣候變化—模型—土壤碳—森林—生態系統等;“排放”關鍵詞同樣受“土地利用”和“土地利用變化”關鍵詞的影響和作用,演進的支脈相對較多,依次為:排放—生物群落—動態—有機碳—氮氧化物排放—溫室氣體排放—影響—生物燃料—生命周期模型—乙醇—保護等。

表1 國外文獻關鍵詞分布表

通過閱讀原文獻可知,“土地利用”演進的關鍵詞代表的研究主題是以熱帶雨林等森林采伐和森林退化比較明顯的區域為研究對象,開展REDD導致的碳排放研究;“土地利用變化”演進的關鍵詞代表的研究主題是關于土地利用變化帶來碳排放的認知和應對策略的研究,側重于農業用地的土壤碳研究;“氣候變化”則是關于通過建立不同的氣候變化模擬模型來測算整個生態系統的植被碳和土壤碳的碳存儲和碳通量的相關研究;“碳排放”關鍵詞代表的研究主題首先是對生物群落的土壤碳和植被碳排放的探討,然后延伸到生物燃料利用利弊的討論和如何更好地利用生物燃料的相關研究。

通過表1可見,2002年出現的關鍵詞最多且中心度相對較高,之后每年出現的關鍵詞減少且中心度降低,表明國外的研究主題出現較早,研究分支相對集中;通過圖4(封二)可見,代表研究主題的關鍵詞之間具有相互影響和相互作用的關系。根據出現的先后年份和中心度的大小,以及通過閱讀原文獻可知,國外研究主題的演進首先是注重微觀層面的土地利用碳排放機理的認知研究,展開土壤碳和植被碳的有機碳核算;其次是注重物理、化學和生物等自然科學知識在土地利用變化中的應用,通過建立不同的模型模擬或仿真碳排放變化為減緩溫室氣體排放提供科學依據,以及最近關于生物燃料利弊的分析,所有的研究分支都是基于之前的微觀理論基礎。

國內研究主題演化:國內關鍵詞共線網絡圖譜見圖5(封二),關鍵詞分布見表2 ,修剪后的圖譜共包含關鍵詞節點202個、連線259條。由表2可見,2002年中心度較高的關鍵詞為碳排放,對應圖5中最大的節點,結合表2,從左到右的關鍵詞演進依次為:碳排放—溫室氣體—影響因素—土地利用規劃—建設用地—驅動因素—農業碳排放等。2002年的關鍵詞中除去碳排放外,土地利用方式的中心度也相對較高,但是研究主題分支較少,由圖5可知演進的關鍵詞主要包括時空格局和建設用地擴張,而其他關鍵詞如土壤溫度、人類活動和土壤濕度等中心度較低,并未形成對應的研究支脈。

表2 國內文獻關鍵詞分布

2003年中心度較高的關鍵詞為土地利用,對應圖5中第二大的節點,結合表2,從左到右研究主題演進依次為:土地利用—能源消費—土地利用結構—低碳發展—緊湊城市等;2008年中心度較高的土地利用變化關鍵詞成為第三大的節點,研究主題演進依次為:土地利用變化—碳蓄積—土壤有機碳—季節變化—可持續發展等;2009年中心度較高的關鍵詞為碳足跡,根據出現的時間順序和圖5中共現分布可知,碳足跡為高中心度關鍵詞碳排放和土地利用的發展分支,通過閱讀原文獻,文獻多基于不同的省份和地市來測算對應的碳足跡;2010年中心度較高的關鍵詞包括低碳經濟和氣候變化,其中低碳經濟演進出的關鍵詞依次包括:低碳經濟—城市規劃—土地管理—低碳交通—土地利用碳排放—城市土地利用—城市發展—土地集約利用等;氣候變化演進出的關鍵詞依次包括:氣候變化—低碳城市—低碳農業—城市發展—低碳城市規劃—建設用地擴張—節能減排等。

由表2可知,國內每年都會出現較多的關鍵詞,且中心度并不高,表明國內研究起步較晚,研究相對分散。國內中心度較高的關鍵詞出現時間并不像國外一樣集中,而是隨著時間變化而推演。其中,2008年出現的土地利用變化關鍵詞的演變與國外的“land use change”研究較為接近,而國外從2002年開始已展開相關研究。

其他關鍵詞的演變中有交叉重復的部分,通過國內的關鍵詞以及閱讀原文獻可知,國內研究多關注宏觀角度的土地利用規劃碳減排,以城市土地、建設用地和交通用地等為研究對象,以省份或地級市為研究區域(表2中多次出現具有一定中心度的地名),注重將土地管理、土地經濟、土地利用規劃與計量經濟數學模型等經典理論和人文因素融入到土地利用碳排放研究中。

國內主題演進見圖6。從圖6可知，碳排放為其他研究主題的出現奠定了研究基礎,不同研究主題之間具有互相影響和相互作用的關系,先出現的主題促進了后來研究出現的主題。對比國內外文獻關鍵詞共現網絡圖可見,國外文獻數量雖然多但形成的節點較少,中心度高的節點較多,表明研究的基礎理論豐富,研究分支也形成了一定的研究趨勢。相比國外,由于國內研究起步較晚、文獻相對較少,雖然提取的關鍵詞節點較多,但中心度高的節點較少,可視化較明顯的只有4個關鍵詞,表明研究還處于起步階段,形成研究分支的理論基礎仍需繼續完善。

圖6 國內文獻研究主題演進

關于研究主題的進展,國內外相同點在于后來出現的研究主題都以最初的研究主題為理論基礎,國外研究主題多基于微觀的理論研究基礎,國內則是借鑒國外微觀研究理論與我國具體實踐相結合,發展出以宏觀視角為主的研究主題。研究主題的內容都體現了學科交叉性強的特點。國外注重物理學、化學和生物學等自然科學知識在研究主題中的應用;國內注重經濟學、管理學、環境科學、土地利用規劃等學科理論在研究主題中的應用,研究主題對應的研究區域和尺度不同;國外關注大尺度歷史數據的林地、草地和農田等自然生態系統的碳排放研究,多以熱帶地區為研究對象;國內學者偏向國家、省市級和特殊區域的社會經濟系統的碳排放效應研究。

3.2 研究前沿辨析與對比

研究前沿的識別與追蹤能為研究者提供了學科研究的最新演化動態,預測研究領域的發展,識別需要進一步探索的問題。CiteSpaceⅢ軟件具有突發性的詞匯檢測功能,而突現的主題則代表了學科發展的新型趨勢和突然變化。本研究在上述關鍵詞共現分析的同時,利用軟件自帶的突現檢測算法,得到土地利用碳排放研究領域的突現詞信息圖(圖7、圖8),其中圖7為國外突現詞信息,圖8為國內突現詞信息。

圖7 國外突現詞信息

通過圖7可知,國外土地利用碳排放研究前沿顯著劃分為4個階段:①2002年開始出現大量突現詞,包括“減緩、生態系統、京都議定書、碳循環、碳通量、有機碳”,表明從2002年開始碳排放的研究突然增多,而關于土地利用碳排放的研究分支則是從土壤和植被的有機碳開始,突現研究詞最晚持續到2008年。②2003年同樣出現大量突現詞,包括“氮氧化物、碳封存、二氧化碳、植被、土壤有機質、脫氮、草地”等,突現詞的繼續增多表明土地利用碳排放的研究分支增多,草地的植被和土壤碳排放也納入了研究范圍。③2004—2005年出現的突現詞包括“大氣、農業土壤、歐洲、碳匯、敏感度”,雖然出現的突現詞沒有2002—2003年多,但也將研究的區域和方向進行了拓展,注重碳通量的核算;④2006—2011年突現詞數量越來越少,主要包括“長期、乙醇、生物燃料、REDD”,其中“減少森林采伐和森林退化碳排放(REDD)、生物燃料”的相關研究成為最新的研究前沿。

圖8 國內突現詞信息

通過圖8可知,相比于國外突現詞的出現呈現明顯的時間階段特點,國內的突現詞出現數量少且頻次低。自2005年之后開始出現突現詞,表明2005年之后國內相關研究逐漸豐富,主要包括碳儲量、土壤呼吸、評測模型、低碳城市、城市規劃、低碳交通和低碳發展。其中，低碳城市、城市規劃、低碳交通和低碳發展成為國內的研究熱點與前沿,也反映出國內文獻以城市和城市土地為研究對象,基于宏觀角度研究土地利用與碳排放的特點。

4 結論與展望

本文采用文獻計量分析法對國內外近14年主題為“土地利用、碳排放”的文獻進行了關鍵詞共現和突現詞提取分析,分析了國內外文獻研究主題和研究前沿,比較了國內外研究差異。文獻的描述性統計分析表明，越來越多的國內外學者關注“土地利用”和“碳排放”研究,文獻數量呈逐年增長趨勢。由于國外研究起步早,文獻數量和增長速度明顯高于國內,但國內的土地利用與碳排放研究也形成了一定的理論基礎和研究框架。

總體上,國內外學者的研究主題和研究前沿存在明顯的區別和聯系,具體表現為:①研究主題之間具有承上啟下的關系,均以最初的研究主題為理論基礎,國外研究主題起步早、延續性好；國內研究主題起步晚,與國外研究主題有部分重疊。總體上國外研究基于微觀視角,國內多基于宏觀視角。國外研究主題的演進依次是對微觀層面的土地利用碳排放機理的認知研究、土壤碳和植被碳的有機碳核算建立不同的模型模擬或仿真碳排放變化為減緩溫室氣體排放提供科學依據、生物燃料利弊分析;國內研究主題的演進依次是建設用地和農業碳排放的研究、土地利用結構與能源消費的相關關系、特殊區域的碳蓄積變化及土壤碳核算、不同省份或地級市的碳足跡核算,城市土地、城市規劃和土地管理視角的碳減排研究。②研究的共同特點是綜合性與學科交叉性,但理論應用和研究區域不同。國外學者關注物理、化學和生物等自然科學知識在大尺度歷史數據的林地、草地和農田等自然生態系統的碳排放應用研究,多以熱帶地區為研究對象;國內學者多基于經濟學、管理學、環境科學和土地利用規劃等經典理論和人文因素,偏向國家、省市級和特殊區域的社會經濟系統的碳排放效應研究。③由于理論基礎和研究主題的不同,國內外的研究前沿和熱點差別較大。其中,“減少森林采伐和森林退化碳排放、生物燃料”的相關研究成為國外最新的研究前沿，低碳城市、城市規劃、低碳交通和低碳發展成為國內的研究熱點與前沿。

總體上,國內外土地利用與碳排放研究在研究主題與研究前沿上存在較大差異,但都豐富了土地利用科學的研究,在未來的研究區域和研究趨勢上國內外相關研究可能會形成互補關系。有研究預測,到2030年大部分發生城市擴張的地區在我國東部和墨西哥一些特定的地區、土耳其的部分城市增長區域[21],土地利用覆被變化引起碳排放不僅僅是存在熱帶森林采伐區域,熱帶雨林之外的地區也存在,而且溫帶和寒帶地區的土地利用引起的凈碳排放量不容小覷[22],我國將成為繼熱帶地區后土地利用變化碳排放的熱門研究區域,國外研究熱帶區域的理論基礎可以借鑒到對我國的研究上。生物燃料成為國外研究最新的研究前沿,由于生物燃料帶來的利弊影響仍存有爭議,未來的研究會綜合考慮生物燃料帶來的利和弊,特別是帶來土地利用變化的直接和間接影響,最終權衡是否鼓勵生物燃料的開發和使用;城市土地利用碳排放仍是國內主流研究趨勢,特別是關于低碳城市規劃的研究。有效結合國外以微觀視角為主的自然生態系統研究和國內以宏觀視角為主的社會經濟系統研究將成為未來全球研究土地利用和碳排放的主要趨勢。

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ComparisonBetweenDomesticandAbroadResearchProgressonLandUseandCarbonEmission——BasedonCiteSpaceofBibliometricsAnalysis

ZHANG Miao1,2,YUAN Kai-hua1,CHEN Yin-rong1,LAN Meng-ting1
(1.College of Public Management,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China; 2.School of Business,Shandong Normal University,Jinan 250014，China)

The purpose of this study was to analyze and compare the evolution paths and research frontiers of themes about land use and carbon emission at domestic and abroad,through the bibliometric analysis on domestic and abroad research in recent 14a.The results showed that the research on land use and carbon emission was attracting increasing attention of scholars at domestic and abroad,with the number of relative literature showed an growing trend year by year, the evolution path of foreign research themes went successively from microcosmic understanding of land use carbon mechanism to the accounting of organic carbon from soil and vegetation,to the establishment of different models to stimulate or changes in carbon emissions,and to analysis of cons and pros of biofuels,the evolution path of domestic research topics went successively from research on carbon emission from construction land and agricultural land,to relationship between land use structure and energy consumption,to the accounting of soil carbon and changes of carbon accumulation in specific areas,to the accounting of carbon footprint in different provinces and cities,to research on reducing carbon emissions from the perspective of urban land,urban planning and land management,reducing carbon emission from deforestation and forest degradation and biofuels became the latest frontier of foreign research,low-carbon city,urban planning,low-carbon transportation,low-carbon development became the hotspot and frontier of domestic research.

land use;carbon emission;bibliometrics analysis methods;research progress;research frontier

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.08.007

F293.22；X823

A

1005-8141(2017)08-0933-05

2017-06-11；

2017-07-25

國家社科基金項目“基于系統仿真的城市土地利用碳排放分析與低碳利用調控研究”(編號:14BGL218);國家社科基金項目“空間異質性視角下人口城鎮化與土地城鎮化的互動機理與政策優化研究”(編號:16CJY045)。

張苗(1989-),女,山東省萊蕪人,博士研究生,主要從事土地低碳利用與管理方面研究。

陳銀蓉(1963-),女,湖南省長沙人,博士,教授,博士生導師,主要從事土地經濟利用與管理方面研究。