基于知識圖譜的植物功能性狀與環境研究前沿態勢分析

顧丹丹 李雅 劉梅 雷會珠 劉楊

摘 要：為系統了解國際上植物功能性狀與環境的研究進展，該研究基于Web of Science數據來源，采用Web of Science數據庫分析工具和Thomson Data Analysis（TDA）進行數據清理和統計分析，并利用Ucinet和Netdraw、Excel等軟件進行可視化作圖。結果表明：（1）近26年來，植物功能性狀與環境研究論文數量呈持續穩步增長態勢，尤其近9年來呈加速增長態勢。（2）近9年來，研究主題主要圍繞比葉面積、葉面積（指數）、光合作用（性能）、葉厚度、葉形態、葉氮含量、葉綠素、葉綠素熒光、比根長等功能指標，及光照、溫度、水（水分利用效率、干旱等）、肥（氮、磷為主）、CO2等環境因子展開;化學計量學在該領域應用廣泛。（3）2009—2017年間，歐美等發達國家是該領域研究的主要力量。美國發文數量和文獻質量均為世界領先。中國在該領域的發文量居第二位，僅次于美國，但文獻篇均被引和H指數較低。中國科學院發文量以絕對優勢居第一位，但文獻質量有待進一步提升。（4）該領域載文量Top10期刊8種為JCR分區Q1區、2種為Q2區。其中，Plant and Soil和Plant Ecology載文量分居第一位和第二位。（5）Top10高被引論文發表于8種期刊，其第一作者分別來自美國、荷蘭、加拿大、德國和法國。

關鍵詞：植物功能性狀， 環境， 文獻計量， 態勢分析

中圖分類號：G255. 51

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3142（2019）06-0843-12

Abstract：Plant functional traits， a bridge between plants and the environment， significantly influence the function of the ecosystem and can reflect the corresponding changes of plants to the environment. The bibliometric method which is a common research tool used in various fields for systematic analysis， which can help us understand the research progress of the relation between plant functional traits and environments and provide reference data for researchers. An effective bibliometric analysis based on the Web of Science database， was carried out to provide insights into research activities on functional traits and environment from 1992 to 2017， especially recent nine years. Thomson Data Analyzer （TDA） and Ucinet， Netdraw， Excel were used for data mining， quantitative analysis and visualization mapping. Analyzed aspects included the number of publications per year， the subject category， main countries and institutes and their comparisons， peridical distributions and highly cited papers. The results were as follows：（1） In the past 26 years， the number of papers on plant functional traits and environmental research increased steadily， especially in the last nine years， the growth accelerated. （2） Research topics mainly centered on specific leaf area， leaf area （index）， photosynthesis （photosynthetic characteristics）， leaf thickness， leaf shape， leaf nitrogen content， chlorophyll and chlorophyll fluorescence， specific root length， and environmental factors of light， temperature， water （water use efficiency and drought， etc.）， ferti-lizer （nitrogen， phosphorus）， CO2 and so on. Stoichiometry was widely used in this field. （3） During 2009-2017，

European and American developed countries? were the main force in this field. The number of American publications and the quality of documents led the world. China ranked the second in the number of articles in the field， ranked only the second to the United States， but the cited frequency and H index of all literatures were low. The Chinese Academy of Sciences ranked the first in the number of publications with absolute advantages， but the quality of the literature needed to be further improved. （4） Top 10 periodicals in this field were of high quality， among these publications eight were JCR division Q1， and the other two were JCR division Q2. Plant and Soil and Plant Ecology ranked the first and the second respectively in terms of article quantity. （5） Top 10 highly cited papers published in eight kinds of periodicals， and the first authors respectively from United States， Netherlands， Canada， Germany and France.

Key words：plant functional traits，? environment，? bibliometrics， tendency analysis

植物功能性狀，是指從細胞到整個有機體個體水平的，可測度的任何形態、生理、物候特點（周道瑋，2009;龔春梅等，2011），如比葉面積、葉厚度、葉片干物質重量、細根數量、比根長、根系組織密度、根葉的氮磷含量、冠層高度等，是植物的核心屬性，能顯著影響生態系統功能以及反映植被對環境變化的響應（趙新風等，2014;施宇等，2011;鄭穎等，2014;Perez et al.，2013）。最常見的植物功能性狀分類包括：形態性狀和生理性狀、營養性狀和繁殖性狀、地上性狀和地下性狀、影響性狀和響應性狀（劉建等，2010;黃迎新等，2015），以及其后被廣泛接受的軟性狀和硬性狀。功能性狀不僅決定了生態系統的生產力及其對環境的響應，也影響生態系統的營養結構與水平及其過程與功能，是聯系植物與環境的橋梁（劉曉娟和馬克平，2015）。植物功能性狀已被廣泛應用于進化生態學、群落生態學、生物地理學、宏觀生態學及全球變化科學等各個研究領域（Reichp et al.，2003; Lavorel & Garnier，2002;裴男才等，2011;Ostertag et al.，2015）。

植物與環境的互作是生態學研究的核心問題。植物功能性狀與環境間的聯系是氣候、干擾和生物條件篩選效應的結果。植物性狀會隨著環境條件的變化而變化，植物葉片形態、解剖結構和氣孔會隨著光照、溫度和CO2濃度變化而做出適應性的變化（Engineer et al.， 2014）。干旱區的植物往往具有葉片厚、比葉面積小、水分利用效率高和葉壽命長等一系列性狀特征以適應水分脅迫環境，濕生環境的植物則表現出相反的性狀特征（馮秋紅等，2008;孟婷婷等，2007）;林木中最大氣孔導度呈現出喬木>灌木>草本，落葉>常綠，闊葉>針葉（Liu et al.， 2018）。 近年來，大尺度、區域性的植物功能性狀研究也逐漸開展，Wang et al.（2016）從區域尺度探討了3 700 km的中國東部森林樣帶植物功能性狀特征。Tian et al.（2016）研究了樹木功能性狀與緯度格局的關系。根作為植物吸收水分和養分的器官，其性狀特征對植物的生長和分布具有重要的指示作用，同樣能承載環境變化信息（么旭陽等，2014;Eboehnke et al.，2014）。水分、養分等環境因子均顯著影響植物根系性狀（李娜等，2017;鄒曉霞等，2018）。植物的一些性狀與植物生長對策及資源利用的能力緊密相聯。因此，研究植物功能性狀與環境的關系可以很好地揭示植物對環境的適應策略，同時能夠為研究當前環境條件下的生態系統功能以及預測未來全球變化對生態系統的影響提供方法和依據。

文獻計量學是針對文獻的各種特征的數量表現，采用數理統計等數學方法來描述、評價其研究現狀并預測其發展趨勢的圖書情報學分支學科（唐霞等，2016;張靜輝等，2015;曹永強等，2016;冷疏影，2016）。本研究選取具有國際影響力美國科學信息研究所的科學英文索引擴展版（Science Citation Index Expanded， SCIE）數據庫為數據源，運用文獻計量學方法揭示和描繪植物功能性狀與環境研究相關領域學科的演進過程， 分析該學科的前沿態勢，以期為科研人員和管理者提供一個觀察學科發展全景的新視角，為推動國內植物功能性狀的研究提供一定的參考。

1 材料與方法

本研究以Web of Science（WoS）中SCIE的核心合集為數據來源，分別從葉性狀與氣候、根葉性狀與土壤、根葉性狀與地形及根性狀與氣候等視角，遴選植物功能性狀與環境領域的論文。經過反復試檢索并與相關研究人員溝通交流后，最終確定使用高級檢索中的主題方式，由所選研究方向框定主題詞，用布爾運算符做必要的連接，最終形成檢索式（表1）。

檢索時間為2018年8月，文獻年限設定為1992—2017年，類型限制為article、discussion、review等，檢索得到3 854條數據。依據文章內容篩選后，最終選擇其中的3 036篇作為分析樣本。通過使用TDA對樣本數據進行清理，并使用Ucinet、NetDraw、Excel等軟件進行可視化作圖。用 Keywords （Author’s +Plus） + Title （Phrases） （統一簡稱為關鍵詞）作為主題詞，經過數據清理去掉寬泛冗余的高頻詞匯，合并同義詞匯，分析文獻主題與熱點的階段變化、主題網絡與合作國家/機構等方面的特征。

2 結果與分析

2.1 論文數量的時間變化特征

文獻的年度分布態勢是文獻量在時間維度上的映射，是了解研究進展和劃分研究階段的定量化依據（李賀等，2014）。遴選出的1992—2017年有關植物功能性狀和環境研究的SCI論文總量為3 036篇，年均文獻數量116.8篇。其年度分布變化及所占比例表明，國際有關植物功能性狀與環境間關系的研究文獻量及其所占百分比基本保持穩定增長趨勢（圖1）。文獻數量的增加，可以反映出植物功能性狀與環境的研究已經受到學者的廣泛關注。依據文獻數量變化特點及研究內容等方面，本研究劃分為3個階段，即1992—2000年、2001—2008年和2009—2017年。由于檢索文獻數量呈現穩步持續增長態勢，且2009—2017年近9年間發文量為1 728篇，占25年發文總量的56.9%，因此本研究重點分析近9年的文獻。

2.2 研究主題分析

本研究通過近9年來（2009—2017年）國際有關植物功能性狀與環境研究社會網絡分析圖譜，分別從葉性狀與氣候、根葉性狀與地形、根葉性狀與土壤、根性狀與氣候等幾方面，對該領域近9年來主流學術群體及其聯系作了深入分析，并制作關鍵詞社會網絡分析圖譜（圖2）。其中，連線條數越多，節點越大，則該研究主題的中心性越高，某兩點間連線越粗，則這兩點所表示的研究主題之間共現機會越多。

有關葉性狀與氣候關系研究，關鍵詞數量最多，且交錯成密集網絡（圖2）。研究圍繞比葉面積、光合作用、CO2、CO2濃度升高、干旱、氣候變化和氮等核心主題進行。研究熱點主要包括葉片解剖、葉片結構、葉片壽命、葉片厚度、葉形態、比葉重等與葉片形態結構相關指標，與光合作用相關的葉綠素、葉綠素熒光、光合能力、光抑制、光合色素等，與呼吸作用相關的氣孔導度、氣孔密度、暗呼吸等及對光合作用、呼吸作用有顯著影響的光照、溫度、水、肥等。研究一方面深入其生理機制，如光系統Ⅱ、溫度響應等;另一方面向建模、化學計量學交叉學科發展。

根作為地下部器官，受到土壤理化特性的直接影響;根系吸收的礦質營養和水分通過導管運輸到地上部分，同時葉片光合作用制造的有機物能通過篩管運輸到地下部。“根深葉茂”正是這種關系的體現。2009—2017年有關根葉性狀與土壤研究，比葉面積、比根長、光合作用及碳、氮、磷、土壤肥力、水（利用效率）、干旱等是研究的核心熱點，尤其（植物）功能性狀、化學計量學也成為了研究的核心主題，同時化學計量學分支為生態化學計量學和N-P化學計量學。有關根葉性狀與地形的研究，形成了以比葉面積和功能性狀為核心，氣候變化、葉氮、海拔高度、光合作用、氣體交換、溫度等為次核心的主題群;氮、磷、表型可塑性等也是研究的核心。有關根性狀與氣候的研究，關鍵詞數量顯著減少，且各關鍵詞間的共現幾率也顯著減少。比根長、溫度、氮、磷、化學計量學是研究的核心方向，有關化學計量學研究進一步細分為生態化學計量學、N-P化學計量學和P化學計量學。根系形態、根組織密度、細根等根系自身特性研究受到較多關注，碳（分配）、氮降解、水分利用效率、外生菌根也是研究的熱點。

2.3 主要國家、科研機構的研究力量分布與比較

2.3.1 研究國家力量分布 發文量是衡量一個國家（機構）研究水平的一項重要標準（張玲玲等，2016;劉彬和鄧秀新，2015），表2統計了2009—2017年發文量排名前10位的Top10國家。排名前10位的國家除了中國和巴西是發展中國家，另外8個國家均是發達國家。Top10國家中7個國家的發文量均≥100篇。美國作為世界科技最發達的國家，在許多研究領域都處于領先地位，對于植物功能性狀與環境的研究也不例外。2009—2017年間，美國在這個領域的發文量為421篇，居第一位。排在第二位的是中國，發文量為380篇。澳大利亞、德國、巴西、法國和西班牙的發文量也均大于等于100篇。另外3個國家的發文量均少于100篇。2015年、2016年和2017年中國的發文量均超過了美國，表明我國有關植物功能性狀與環境的研究，雖起步較晚，但發展迅速;同時說明我國對植物功能性狀與環境的研究越來越重視。

2.3.2 2009—2017年植物性狀與環境研究Top10機構論文數量分析 從表3可以看出，在2009—2017年發文量Top10的10個機構中有9個屬于發達國家，只有中國屬于發展中國家。排名第一位的是中國科學院（大學），發文量為249篇，遠遠超過其他機構，占前10家機構發文總量（713篇）的比例達35%。4家機構屬于美國，分別是美國加州大學系統、美國農業部、弗羅里達州立大學系統和明尼蘇達大學系統，發文量分別為81、43、41和36篇，占前10家機構發文總量的28%。法國也有兩家機構進入Top10，分別是法國國家農業科學研究院和法國國家科學研究院，發文量分別為60和57篇，占前10家機構發文總量的16.9%。另外3個進入Top10的研究機構分別為西班牙高等科研理事會、荷蘭的瓦赫寧根大學和澳大利亞的聯邦科學與工業研究組織。從年度分布來看，中國科學院在這9年間的發文量一直穩居第一位，表明中國科學院（大學）在該研究領域一直處于領先地位。

2.3.3 研究力量比較 論文數量、被引頻次和H指數是分析評價研究成果質量的重要指標，能從論文數量角度反映國家或機構對某一領域的關注度，從質的角度反映論文水平和影響力強弱（王立偉等，2014;馬梧桐和李宏，2016）。圖3以研究主題國家/機構發文量為橫軸，以篇均被引為縱軸，點的大小代表H指數高低，以平均值為中心點，建立研究力量評價坐標系。位于第1象限的國家/機構，其論文數量和質量均高于平均值，第3象限則相反。位于第2象限的國家/機構雖然其論文數量低于平均值，但其論文篇均被引卻高于平均值，而第4象限與此相反（李雅等， 2017）。

從國家層面（圖3：a）來看，處于第一象限的只有美國，說明美國在該領域不僅發文量多，而且論文的質量和影響力也高;處于第二象限的有澳大利亞、法國、荷蘭、加拿大和英國，雖然這5個國家的發文量低于平均值，但論文質量高。處于第3象限的德國、西班牙和巴西，在該領域的發文數量和質量均有待進一步提升;中國處于第4象限，論文數量排在第2位，但篇均被引較低，因此，其H指數較高與發表論文數量大有關。

從機構層面（圖3：b）來看，中國科學院處于第4象限，論文數量達249篇遙遙領先其余機構，但論文質量有待進一步提升。美國加州大學系統處于第1象限，論文數量超過平均值，論文質量也明顯高于其余8個機構。法國國家科學研究院，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織、法國農業科學研究院、西班牙最高科研理事會和明尼蘇達大學系統均處于第2象限，尤其是明尼蘇達大學系統，其篇均被引頻次最高，說明其論文質量較高。美國弗羅里達州立大學系統、荷蘭瓦赫寧根大學和美國農業部在第3象限，處于該領域的邊緣地位。

2.4 本領域主要期刊

對來源出版物進行分析，可以快速掌握某研究領域的出版物分布狀況，明確科研人員的投稿取向，確定該領域的核心情報源（孫頡和原保忠，2015）。從表4可以看出，載文量位于前10位的出版物其載文量共計400篇，其中Plant and Soil載文量達63篇，占前10位載文總量的15.8%，排名第二位的是Plant Ecology，載文量49篇。其中，Plant and Soil主要收錄有關植物生物學、土壤學及植物-土壤互作機理方面的文章或綜述，Plant Ecology主要收錄與植物科學相關的研究型、綜述、評論、快報等各類型文章。排名前10位的期刊，主要與植物學、（植物）生態研究相關。

載文量前10位的期刊總體質量較高，其中JCR分區8種期刊均為Q1區，另外2種期刊為Q2區;其2017年的影響因子（IF）≥3的有7種，其中Global Change Biology的IF超過了8。從出版商所屬國家分布來看，10種期刊屬于3個國家，分別為美國7種、荷蘭2種和英國1種。

2.5 高影響力論文

論文被引頻次在一定程度上反映了其對后續研究的影響程度，分析高被引論文可以調查與評估不同國家或機構的科研實力與學術水平，同時也可以探討學科的研究熱點和發展態勢（李雅等，2017;高懋芳等，2014）。表5是2009—2017年植物功能性狀與環境研究領域前10位的高被引文獻的相關信息。從第一作者國家分析，10篇論文均來自于歐美發達國家，其中美國5篇、荷蘭2篇、加拿大、德國和法國各1篇。從期刊來源看，Top10的文獻發表在8種期刊上，New Phytologist和Journal of Ecology 載文量均為2篇，其余6篇論

文發表在另外6種不同的刊物。從發表時間來看，5篇發表于2009年，3篇發表于2010年，1篇發表于2011年，另外1篇發表于2012年。被引頻次居于首位的是荷蘭的Pooter H于2009年發表在 New Phytologist上題目為Causes and consequences of variation in leaf mass per area （LMA）：A meta-analysis的文章，其被引頻次達到803次。

3 討論與結論

隨著研究的深入，國際上有關植物功能性狀和環境的研究呈穩步增長態勢。近8年來，有關植物功能性狀和環境的研究呈加速增長態勢。

歐美等發達國家是植物功能性狀與環境研究的主要力量。美國在這個領域的發文量以絕對優勢居第一位，中國發文量居第二位，文獻質量有待提高。法國、澳大利亞、西班牙、德國、巴西、西班牙、荷蘭和英國也是該領域研究的主要力量。從機構層面看，中國科學院發文量遠遠超過其他國家居第一位，但文獻質量有待進一步提升。美國的加州大學系統文獻數量多，質量也很高。Top10機構中，美國占4個，法國有2個，另外4個分別為中國科學院、西班牙高等科研理事會、荷蘭的瓦赫寧根大學和澳大利亞的聯邦科學與工業研究組織。

有關植物功能性狀與環境研究的4個主要方向，葉性狀與氣候、根葉性狀與土壤研究不僅相關文獻數量多，研究體系和層次也較為完善，是該領域的研究熱點，有較好的發展態勢。尤其是葉性狀與氣候的研究，研究主題廣泛，且各主體間密切關聯，交織成密集網絡。比葉面積、光合作用、CO2、CO2濃度升高、比根長、干旱、氣候（變化）及氮、磷、土壤肥力、用水效率等是研究的核心熱點。但是，目前大多葉性狀與氣候的研究主要集中在個體水平的葉片常規形態性狀上，在生態系統、區域或全球尺度上，存在性狀數據與功能數據空間不匹配的問題（Reichstein et al.， 2014; 何念鵬等，2018）。從個體—種群—群落—生態系統等不同水平的尺度上對植物葉功能性狀進行系統研究，構建植物葉性狀、氣候、功能之間的定量化關系，是植物葉功能性狀進一步研究需要重視的著眼點（He et al.， 2018; Li et al.， 2018）。目前，在該方向已有一些研究，如中國生態系統研究網絡、中國國家生態系統觀測研究網絡、中國森林生態系統定位觀測網絡、中國森林生物多樣性監測網絡等網絡平臺的建設，為開展森林植物功能性狀研究提供了良好的平臺（何念鵬等，2018）。在多尺度植物性狀方面的研究有一些定量模型開始應用（Roscher et al.， 2012）。

除葉外，根也是植物的重要功能性狀，對環境響應敏感。但是，對于植物根性狀與氣候關系研究的文獻數量少，研究方向也較為單一，比根長是該方向的研究核心，其次是（生態）化學計量學、磷和氮。近年來，根性狀與氣候關系的研究逐漸增多，這可能與植物根系觀測手段不斷進步有關（王丹丹等，2016）。 根是植物直接感受水、肥等環境生態因子的器官，對于地上部功能性狀及其對環境的響應具有重要的反饋作用。近年來，植物根與土壤間的互作研究，尤其是菌根的研究，逐漸成為植物功能性狀的研究熱點（林雙雙等，2013）。菌根的分布、形態、種類對于植物性狀響應生態環境具有顯著影響，而環境因子也顯著影響植物菌根（劉潤進等，2017;林子然和張英俊，2018）。隨著研究手段的進步，關于根系定位觀測、根系形態學以及生理生態的研究也在不斷開展（劉薇等，2017;譚華東等，2016）。這對于豐富植物功能性狀與環境關系研究具有十分重要的意義。

從期刊分布來看，載文量位于前10位的出版物其載文量共計400篇。10種期刊屬3個發達國家，其中美國7種、荷蘭2種、英國1種。載文量Top10期刊總體質量較高，其中8種期刊JCR分區均為Q1區。Top10高影響力論文的第一作者均來自于歐美發達國家， 其中，美國5人，荷蘭2人，加拿大、法國和德國各1人。Top10高被引文獻發表在8種期刊上。發表時間分別為5篇發表于2009年，3篇發表于2010年，另外2篇分別發表于2011和2012年。

中國雖然在植物功能性狀與環境研究方面取得了一些進展，但仍然存在一些問題值得探討：

（1）中國與歐美、澳大利亞、日本等發達國家相比，存在一定差距。中國雖然發文量較多，但文獻質量不高，文獻篇均被引頻次較低。分析其原因，可能與歐美、澳、日等發達國家經濟水平高，該領域研究起步早、國際間合作多，而中國在該領域研究起步較晚，國際合作較少及國家對研究機構考核、職稱評定等政策有關。因此，今后中國學者在植物功能性狀與環境的研究要注重高水平論文的發表，量變積累到一定程度實現質的飛躍。

（2）中國科學院在植物功能性狀與環境研究領域顯示出其明顯的優勢，2009—2017年其產出論文數量在主要研究機構中以絕對優勢居于第一位，但篇均被引頻次顯著低于美歐、澳、日等主要研究機構，影響力有待提高。進一步開展國際間的合作尤其是與高水平機構的合作，是提升研究水平的一個重要途徑。

因此，我國應密切關注國際植物功能性狀與環境研究的發展態勢，了解與該領域研究實力強大的國家和機構的差距，明確該領域研究熱點，掌握其發展趨勢，對提升我國在該領域的研究實力及影響力大有裨益。

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