基于CiteSpace的陸地生態系統碳水耦合研究現狀及趨勢

馬龍龍,杜靈通,*,丹 楊,王 樂,喬成龍,孟 晨,倪細爐

1 寧夏大學西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地,銀川 750021 2 寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室,銀川 750021

近年來以大氣中CO2濃度增加為主要特征的“碳問題”和以淡水資源短缺為主要特征的“水問題”已引發了全世界陸地生態系統碳水循環研究的熱潮[1-2]。碳水循環作為陸地生態系統物質能量循環的核心,兩者并不彼此孤立,而是密切聯系、相互耦合的生態學過程；當前,兩者間耦合關系的研究已成為碳水循環和生態系統碳水管理的重點之一[3]。碳循環主要包括植被光合固碳、植被呼吸消耗、凋落物分解和土壤碳循環等過程,水循環主要包括降水、蒸散發、產流和土壤水分變化等過程[2]；陸地生態系統碳水循環通過這些內在機制耦合,光合作用過程主要受輻射、土壤水分含量、氣孔導度、葉片生物量和化學作用控制,這些因素也是調節水分蒸散的關鍵因素[1-4]；蒸散和降水的季節模式共同影響陸地生態系統的生產力,陸地生態系統呼吸主要由土壤溫度和濕度控制。可見,植被、土壤、大氣等多種生物與環境因子共同控制著陸地生態系統的碳水耦合過程[2,5-6],但二者的耦合機制尚需深入研究[7-8],其結果將成為碳水資源綜合管理的新切入點。

已有文獻從基于生理生態學的葉片尺度[9-10]、利用通量觀測的冠層尺度[11-12]和基于遙感數據與水文觀測的區域尺度[2-3,8-9],對陸地生態系統碳水耦合機理及其變化規律開展研究[13-14]。雖然我國有關陸地生態系統碳水耦合的研究起步較晚[11],但隨著中國陸地生態系統通量觀測與研究網絡(China FLUX)的建設,相關研究得到迅猛發展[15],并推動全球變化生態學研究進入一個全新的時代[16],與碳水耦合循環的4個關鍵科學問題也成為未來China FLUX關注的重點[17]。近年來,不同學科的研究人員在國際主流期刊呈“井噴式”發表陸地生態系統碳水耦合方面的研究成果,但不同文獻關注的科學問題和研究側重點存在差異。為此,本文基于Web of Science數據庫,運用文獻數據可視化應用軟件CiteSpace[18-19],從文獻計量角度對陸地生態系統碳水耦合的作者、機構、期刊、研究領域及關鍵詞等進行分析,理清當前國際研究的知識結構,闡述陸地生態系統碳水耦合的演化發展路徑與發展態勢,揭示研究前沿與熱點,指導相關科研人員開展研究。

1 數據來源與方法

Web of Science 數據庫是由美國科技信息所(Institute for Scientific Information,ISI)推出的引文索引數據庫,是目前提供引文回溯數據最深的數據庫,所收錄的文獻覆蓋了全世界最重要和最有影響力的研究成果,已成為國際公認進行科學統計與科學評價的主要檢索工具[18]。本研究以Web of Science TM核心數據庫的自然科學引文索引(Science Citation Index Expanded,SCI-E)為數據源,采用高級檢索方式,以“TS=(carbon-water coupling OR water-carbon coupling OR water carbon relationship OR water carbon process OR carbon and water cycles OR CO2and water OR carbon water interaction OR carbon water flux OR photosynthesis-evapotranspiration OR water use efficiency OR stomatal conductivity OR coupling relationship of carbon and water cycle OR carbon and water exchange OR photosynthesis behavior-transpiration coupling relationship)AND TS=(Ecosystem)”為檢索主題,檢索時間跨度為1999—2018年,語言為英語,(數據檢索日期為2019年5月),文獻類型為“Article”,共檢索文獻17079篇,通過對檢索到的文獻進行篩選精練,最終得到涉及陸地生態系統碳水耦合研究的文獻4472篇。

CiteSpace知識圖譜是由美國德雷塞爾大學教授陳超美開發,用來分析、挖掘及進行科研文獻可視化的應用軟件。該軟件基于共被引分析理論、尋徑網絡算法等方法,通過數據挖掘、信息分析、圖譜繪制,展現特定學科領域的知識結構,直觀地表現知識群的演化過程[19-20]。自可視化文獻分析軟件CiteSpace及其圖譜繪制方法引入國內后,借助知識圖譜分析科學研究熱點在諸多學科中得到了廣泛應用。文中所使用的數據采用CiteSpace的Web of Science數據分析板塊進行處理,對陸地生態系統碳水耦合相關研究的作者、機構、期刊及關鍵詞研究熱點前沿等進行分析。

2 結果與分析

2.1 文獻產出時間序列分析

時間是投射客觀存在的一個普遍維度,一些理論在時間發展序列中會表現出規律性[16]。在1999—2018年的20年間,Web of Science的核心集數據庫中關于陸地生態系統碳水耦合的研究共發文4472篇,發文量呈顯著增加趨勢,年均增加219.95篇(圖1)；其中1999—2008年,10年間發文量僅占總發文量的26.25%,年均增加117.4篇,而2009—2018年的占比高達73.75%,年均增加329.8篇,年均增加篇數是前10年的2.78倍,發文數量明顯加快。近年來國際上碳水耦合研究發文量呈現快速增加趨勢,這與全球通量網絡和遙感技術的快速發展為陸地生態系統碳水耦合相關研究提供了豐富的數據基礎有關[9]。

圖1 每年發表總論文數 (1999—2018)

2.2 主要發文機構與國家

基于CiteSpace軟件中Institution分析功能,對4472篇文獻的發文機構進行分析,得到主要發文機構排名(表1)和機構合作圖譜(圖2)。從發文數量可以看出,陸地生態系統碳水耦合研究集中于高校和研究院所,其中中國科學院、中國科學院大學、美國林業局、加州大學伯克利分校和俄勒岡州立大學發文數位居前五,占總發文量的19.83%；發文量在40篇以上的機構共20所,占發文總數的50%；這說明陸地生態系統碳水耦合的研究機構相對集中,但不同研究機構間科研能力存在較大差異。中國科學院和中國科學院大學作為我國具有較高科研水平的研究院和高校,承擔著大量的相關研究,對我國碳水耦合的發展做出了突出的貢獻。在發文量前十的機構中,有6所機構屬于美國；結合國家知識圖譜(圖2)和各國發文頻次可以看出,發文量最多的國家是美國,占比達到26.35%,可見美國在陸地生態系統碳水耦合研究領域依然引領世界；其次是中國,占比為13.02%,中國在陸地生態系統碳水耦合領域的研究也具有舉足輕重的地位。

圖2 陸地生態系統碳水耦合研究的機構和國家知識圖譜

表1 陸地生態系統碳水耦合研究發文量前10的機構

2.3 主要發文作者

利用CiteSpace中Author分析功能對發文作者進行分析,得到發文作者圖譜(圖3)和發文量排名(表2)。結果顯示,Black TA為發文量最多的作者,已發表52篇相關論文；Yu GR和Chen JQ緊隨其后,各發表41篇；Black TA、Yu GR、Chen JQ、Sun G四位作者發文量排名前四,均在20篇以上。共有31位作者發文量在10篇以上,占總發文量的12.18%,成為陸地生態系統碳水耦合研究的核心作者群,為陸地生態系統碳水耦合的相關研究做出了較大的貢獻。進一步研讀文獻發現,基于氣孔行為的光合-蒸散碳水耦合模型[21-23]、碳水耦合的定量評價——水分利用效率[14]、渦度相關技術[5,9]、遙感技術的尺度外推[2]、大尺度的碳水資源評價模型等領域是核心作者群的研究熱點。從作者發文圖譜(圖3)可以看出,不同作者間主要以核心作者為節點開展合作研究,但核心作者彼此之間合作較少,這主要是因為不同團隊之間受地域學緣等因素影響,聯系強度較弱,未來應加強不同國家、不同核心作者間的深入合作。

表2 排名前20位發文作者

圖3 陸地生態系統碳水耦合研究的作者和期刊共被引期刊知識圖譜

2.4 期刊共被引和研究領域

對碳水耦合研究的文獻進行期刊共被引分析,可以在一定程度上反映出碳水耦合研究的重點領域。其中共被引頻次最高的期刊是《Global Change Biology》,共被引2559次；其次為《Nature》、《Science》、《Agricultural and Forest Meteorology》及《Ecology》等(表3)。共被引頻次前10的期刊均在其相關的研究領域具有很高的權威性,在一定程度上可以代表陸地生態系統碳水耦合研究領域的重點(圖3)。陸地生態系統碳水耦合研究涉及的領域主要為環境科學與生態學、生態學、環境科學、大氣與氣象科學、林學、農學及水資源等,其中環境科學與生態學占據首位,其次為生態學和環境科學等研究領域(圖4)。陸地生態系統碳循環和水循環是受植被、土壤和大氣等多種生物與環境因子共同控制的生態學過程,其涉及到多個研究領域,同時也體現出陸地生態系統碳水耦合研究的廣泛性、綜合性和交叉性等特點。

表3 陸地生態系統碳水耦合研究前10位共被引期刊

圖4 陸地生態系統碳水耦合研究領域分布

2.5 關鍵詞分析

2.5.1關鍵詞發展路徑分析

關鍵詞知識圖譜由被分析文獻的所有關鍵詞提取繪制得出,可以直觀的呈現出該研究領域的中心詞匯及研究路徑演變[24-25]。陸地生態系統碳水耦合研究的關鍵詞知識圖譜的最大節點為“氣候變化”,其次為“生態系統”和“渦度相關”(圖5),這3個關鍵詞分別出現了766次、600次和571次(表4)；并以“氣候變化”為節點延伸出2個主要研究路徑,揭示了陸地生態系統碳水耦合研究的主題演變趨勢。在全球“氣候變化”的大背景下,碳水耦合的研究主要有兩條路徑,一條是以陸地生態系統碳水耦合關系的定量評價為主線,即圍繞生態系統“水分利用效率”這一核心,開展植物水分利用消耗與生態系統生產力之間的相互作用關系研究。另一條主要以“渦度相關”和“生態系統”為主,基于通量站點渦度相關系統的觀測數據開展陸地生態系統碳水耦合規律研究,構建基于生理生態或生態水文過程的碳水耦合模型[2],根據時間序列動態過程,進行尺度推演,模擬和預測碳水耦合機制,將小尺度的碳水關系的變異規律推演到較大的時空尺度上,探究整個陸地生態系統碳水通量雙向反饋作用機制,并預測其未來變化趨勢[11]。

圖5 陸地生態系統碳水耦合關鍵詞共現可視化知識圖譜

表4 陸地生態系統碳水耦合研究高頻關鍵詞

2.5.2研究前沿趨勢分析

陸地生態系統碳水耦合的研究是一個逐步演變的過程,根據發表論文關鍵詞發展路徑和發文時間分析,發現陸地生態系統碳水耦合的研究內容不斷延伸,利用CiteSpace軟件中突變檢測分析方法[26],得到陸地生態系統碳水耦合研究關鍵詞的共現網絡突現詞(表5),并由此確定陸地生態系統碳水耦合研究熱點。

表5 陸地生態系統碳水耦合關鍵詞共現網絡突現詞

21世紀之前,關于碳水耦合的模擬研究始于Farquhar等[27]的光合模型和Ball等[28]的光合與氣孔導度關系模型[2,29],研究葉片尺度上的碳水耦合關系的機理機制；隨后又基于“大葉模型”的假設(即把植物冠層想象成為一片大的葉子),將研究尺度從葉片拓展冠層[25]；此階段主要集中在研究光合作用—氣孔行為—蒸騰作用之間的相互協同關系,構建生理生態模型,模擬葉片和冠層尺度碳水之間的相互關系[30-32]。其中,“冠層”作為關鍵詞的突現強度為14.6335,“氣孔導度”突現強度為3.8650,說明該關鍵詞在陸地生態系統碳水耦合研究的起步階段受到較高重視。

2000—2008年,側重于探究植物的水分利用效率與水資源制約的生態系統生產力之間的相互作用關系；研究方法從最初基于氣孔行為的光合模型發展到利用渦度相關的通量觀測和生理生態模型相結合,同時穩定碳同位素技術也應用于測量水分利用效率的研究中；研究尺度從葉片逐步擴展到冠層和生態系統。

2009—2018年,農業(Agriculture)、半干旱草原(Eemiarid Grassland)的突現強度分別為6.6237和6.2599,表明此階段碳水耦合研究的主要對象集中在農業和半干旱草原區。光能利用效率(Light Use Efficiency)、遙感(Remote Sensing)、MODIS和生態系統模型(Ecosystem Model)等關鍵詞的突現性也較高,體現了這一階段的主要研究手段和熱點。隨著全球通量網絡和遙感技術的不斷完善,使區域尺度乃至全球尺度碳水耦合模型的構建成為可能[33],特別是在站點尺度碳水耦合規律的基礎上,利用遙感技術進行尺度外推,進行模型驗證與優化,改善模擬效果,提高碳水模型在不同生態系統中的適用性[34-35]。

3 結論

本文以1999—2018年Web of Science核心數據庫中有關陸地生態系統碳水耦合的4472篇論文為研究對象,借助文獻信息可視化方法,研究了當前陸地生態系統碳水耦合研究的現狀及趨勢,結論如下：

(1)1999—2018年,關于陸地生態系統碳水耦合的研究論文數量呈現快速增加的趨勢,形成了以Black TA、Yu GR、Chen JQ為主的核心作者群；中國科學院、中國科學院大學、美國林業局、加州大學伯克利分校及俄勒岡州立大學等發文數量位居前的研究機構。陸地生態系統碳水耦合研究涉及環境科學與生態學、生態學、環境科學、大氣與氣象科學、林學、農學及水資源等領域,體現出綜合性和交叉性的特點。

(2)“氣候變化”、“生態系統”和“渦度相關”等關鍵詞中出現頻率最高,關鍵詞知識圖譜延伸出兩條研究路徑,一條圍繞生態系統“水分利用效率”這一關鍵詞,開展植物水分利用消耗與生態系統生產力之間的相互作用關系研究；另一條主要以“渦度相關”和“生態系統”關鍵詞為主,基于通量站點渦度相關系統的觀測數據,開展不同尺度陸地生態系統碳水耦合規律研究。

(3)在全球變化背景下,陸地生態系統碳水耦合關系的研究要以通量觀測站為依托,結合模型模擬、穩定同位素技術、渦度相關技術等先進手段,將單個通量站點聯合擴展到多點聯網格局,并結合GIS、遙感和模型模擬等方法在面上進行觀測和模擬,從而構建更大尺度的碳、水資源評價模型。拓展和推移研究的空間尺度,預測時間尺度上的變異規律是近年來新興的研究熱點。

4 展望

在1999—2018年期間,關于陸地生態系統碳水耦合的全球發文量隨時間呈快速增加的趨勢,這與生態學其他研究方向的論文增長規律一致[36]。從研究機構和作者團隊的影響力來看,中國在陸地生態系統碳水耦合研究方面具有一定的領先地位,但不同團隊和機構之間受地域學緣等因素影響,聯系強度較弱,而陸地生態系統碳水耦合研究作為一個多學科交叉的研究領域,應該盡可能的發揮每個學科的優勢,應加強國內外高校和科研機構間的科技合作,以便進一步提升中國在這方面研究的綜合實力,實現資源共享,優勢互補。由于陸地生態系統碳水耦合涉及不同的研究領域,很難具體到某一確定的概念,這對數據檢索和文獻精煉有一定的影響,且本文主要分析了發文數量、機構、作者、關鍵詞等,對論文其他引用情況等未做分析。因此,將來可考慮利用多種數據源的綜合評價指標來開展多維度的研究進展分析,以獲得更為豐富的有關陸地生態系統碳水耦合研究的知識發現。同時,還可利用多種分析方法或TDA(Thomson Data Analyzer)、VOSviewer等文獻分析軟件,從不同角度和不同層面對陸地生態系統碳水耦合的研究現狀及趨勢進行研究,以期更深入準確的把握這一研究領域的熱點。