全球草地碳匯研究趨勢與重點領域

摘要：近年來，草地碳匯研究備受關注，相關研究成果層出不窮。本文基于Web of Science核心合集，利用文獻計量學評估了全球草地碳匯研究趨勢和重點。研究發現，過去三十年間草地碳匯的研究熱點由草地固碳潛力評估與高濃度CO2對植物與土壤有機碳的影響，轉變到土地利用和管理方式對草地碳和氮儲量的影響以及植物群落對碳循環影響的研究，最后聚焦到有機碳與氣候變化對草地碳匯影響的研究?！暗薄肮檀妗薄皠討B”“碳”“草地”和“管理”等詞匯是草地碳匯研究中的高頻關鍵詞，近年的研究熱點詞匯是“有機碳”“氣候變化”和“黃土高原”?；诋斍把芯拷Y果，建議在評估草地碳匯潛力時，充分考慮氣候變化、土地利用、管理制度的相互作用；加強大尺度時空監測，全面評估草地碳匯特征；深入研究氣候變化與非生物過程對草地碳匯的調控，為草地恢復與緩解措施提供理論支持。

關鍵詞：文獻計量分析；碳匯；氣候變化；草地

中圖分類號：S812""" 文獻標識碼：A""""" 文章編號：1007-0435（2024）07-2169-10

收稿日期：2024-01-25；修回日期：2024-04-16

基金項目：北京市農林科學院青年科研基金項目（QNJJ202333）；北京市農林科學院高新技術創新能力專項項目（KJCX20230305;KJCX20230220）；中華人民共和國農業農村部、世界銀行和全球環境基金的草地生態系統氣候智能管理（P166853/CSMG-C-05）項目資助。

作者簡介：

#徐恒康（1995-），男，回族，河南南陽人，博士，主要從事草地生態與管理研究，E-mail：xuhengk@163.com;#逯輝（2000-），男，漢族，青海西寧人，碩士研究生，主要從事草地生態與牧草遺傳育種研究，E-mail：luwade2000@163.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：kanhaiming@hotmail.com

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2024.07.018

引用格式：

徐恒康， 逯" 輝， 劉" 灝，等.全球草地碳匯研究趨勢與重點領域——基于1992—2022年文獻計量分析［J］.草地學報，2024，32（7）：2169-2178

XU Heng-kang，et al.Research Trends and focus Areas on the Global Grassland Carbon Sink—A Bibliometric Analysis for 1992—2022［J］.Acta Agrestia Sinica，2024，32（7）：2169-2178

Research Trends and focus Areas on the Global Grassland Carbon

Sink—A Bibliometric Analysis for 1992—2022

XU Heng-kang1#， LU Hui1，2#， LIU Hao3， CHEN Chao1， PANG Zhuo1，

ZHANG Guo-fang1， LIU Ya-li4， KAN Hai-ming1*

（1. Institute of Grassland， Flowers and Ecology， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences （BAAFS）， Beijing 100097，

China;2. College of Grassland Science， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052， China; 3. Shandong Provincial

Agricultural Ecology and Resource Protection Station， Jinan， Shandong Province 250100， China; 4. Henan Forestry Ecological

Construction Development Center， Zhengzhou， Henan Province 450000， China）

Abstract：In recent years，research on grassland carbon sinks has attracted much attention，and related research results have emerged. This paper assessed global research trends and priorities on grassland carbon sinks using bibliometrics based on the Web of Science Core Collection. The study found that the research focus on grassland carbon sinks had changed over the past three decades，from assessing the carbon sequestration potential of grasslands and the effects of high CO2 concentrations on plant and soil organic carbon，to the effects of land use and management practices on carbon and nitrogen storage of grasslands and the effects of plant communities on the carbon cycle. Finally，the study focused on the effects of organic carbon and climate change on grassland carbon sinks. Terms such as nitrogen，sequestration，dynamics，carbon，grassland and management were high-frequency keywords in the study of grassland carbon sinks，and hot research terms in recent years were organic carbon，climate change and the Loess Plateau. Based on the results of the current study，it was recommended fully considering the interaction of climate change，land use and management systems when assessing the potential of grassland carbon sinks;strengthening large-scale spatial and temporal monitoring to comprehensively assess the characteristics of grassland carbon sinks;and conducting in-depth research on the regulation of grassland carbon sinks by climate change and abiotic processes to provide theoretical support for grassland restoration and mitigation measures.

Key words：Bibliometric analysis;Carbon sink;Climate change;Grassland

草地約占世界陸地面積的40%，是分布最廣泛的土地覆蓋形式［1-3］。草地的類型多種多樣，主要有歐亞大陸與北美的溫帶草原，非洲、澳大利亞和南美洲的熱帶和亞熱帶草原［4-5］。草地是一個巨大的碳儲存庫，在碳的吸收和儲存方面都有很大的作用［6-8］，對陸地生態系統的碳儲存起著重要作用［9］。碳匯是指可以將二氧化碳從大氣中移除并儲存的過程、活動或機制，而碳源是與碳匯相對應的概念，是指將二氧化碳釋放到大氣中的過程、活動或機制［10-11］。草地碳匯越來越受到眾多研究機構、氣候管理部門和公眾的關注。因此，草地碳匯逐漸成為一個重要的研究課題，并迅速進入了公眾的視線。

目前，關于草地碳匯的研究較多，這些研究主要以某一國家或地區為研究區域，分析不同草地類型或驅動因素對草地碳匯的影響。例如，在歐洲山地草地中，不同土地管理方式引起地上部分生物量的變化導致地下部分養分供給的快速變化，被認為是該區域吸收和釋放二氧化碳的主要驅動因素［12-13］。Gang等人總結分析了中國草地生態系統的碳循環，包括植物碳、枯落物碳和土壤碳三個碳庫，碳儲量估算方法以及自然或人類活動對碳儲量的影響，并探討了中國草地生態系統碳循環的重要性［14］。2011年的一項研究表明，干旱導致了草地中相對干燥區域的碳流失增加，使得北美大平原的草地產生了一個相對較小的碳匯［15］。Smith等人2014年的研究指出，短期內觀測到的草地碳匯極有可能是通量測量開始前土地利用與管理的遺留影響，因此草地是永久碳匯的說法是存在爭議的［7］。雖然已經進行了許多研究，但傳統的研究論文很難在大時間尺度上對某一特定領域的大量研究進行有效總結和定量分析，對該領域研究趨勢的綜述也很有限［11，16］。

文獻計量學可以全面描述某一學科的發展現狀、演變特征和未來發展趨勢，是分析評價相關科學研究的重要方法［11，17-19］。文獻計量學集數學、統計學和文獻學于一體，著眼于量化的綜合知識體系，以文獻的外在定量特征為研究對象，研究文獻的分布結構、文獻數量、關鍵詞匯數量和發展方向［20］。文獻計量學通過系統回顧某一科學領域的研究歷史，可以詳細了解研究發展的概況，識別出研究熱點的演變情況，構建各國科研機構與作者的合作關系網絡，發現某一特定領域的未來研究方向［16-17，19，21］。文獻計量分析可以幫助對某個領域感興趣但不熟悉的研究人員和管理人員快速掌握該領域的基礎知識，并已被廣泛用于衡量各種學科的績效［17，21-22］。然而，目前還沒有關于草地碳匯文獻計量學研究的報道，雖然相關領域有大量的文獻積累，但相關研究的數量特征、發展規律和內在關系尚不清楚。

為了系統、客觀地總結全球草地碳匯的研究成果，本研究基于biblioshiny R語言包的文獻計量分析方法，對Web of Science中1992—2022年發表的該領域論文的文獻計量特征進行識別，并對該領域各條目之間的關系進行可視化。本研究重點分析了草地碳匯領域發表論文相關熱點的歷史演變、新趨勢、不同年份的分布、期刊發表數量（國家/地區、機構、作者）和不同機構間的合作情況。這將從全球視角厘清草地碳匯研究的總體知識框架，提供一個詳細、全面的草地碳匯圖景，并對該領域未來的研究進展進行展望并提出建議。

1" 材料與方法

本研究基于Web of Science核心合集中的Science Citation Index Extended （SCI-E）數據庫建立了文獻數據庫。以Web of Science數據庫中的Web of Science核心合集為數據源，檢索方法為標題檢索，語言為全語言，文獻類型為論文。用高級檢索方法搜索Web of Science核心集合，輸入“TS=（grassland or pasture or rangeland or meadow）”和“TS=（carbon sink or carbon storage or carbon sequestration or carbon accumulation or carbon stock）”。文獻檢索范圍為1992年1月1日至2022年12月31日之間發表的論文。共檢索出9 070篇主要內容為草地碳匯的論文，并以此建立“全球草地碳匯數據庫”。

Massimo Aria教授于2017年基于bibliometrix軟件開發了基于R語言的“bibliometrix”軟件包［18］。本研究將所有檢索到的論文在R中使用“Bibliometrics”軟件包進行分析，并以BibTeX格式導出，利用R語言中的“bibliometrix”和“biblioshiny”軟件包對草地碳匯領域的研究趨勢和已發表文獻特征進行了分析和可視化。

2" 結果與分析

2.1" 論文發表概況

從1992—2022年，通過對數據庫的分析，共發現9 070篇文獻，包括8 723篇研究論文、232篇會議論文和5篇數據論文（表1）。其中大部分論文有多位作者，僅有2.60%（236篇）的論文為單作者，國際間共同作者的比例為37.13%。

圖1中的年度科研成果演變情況反映了總體情況和研究趨勢。近30年來，草地碳匯相關領域的論文發表量年增長率為12.80%。尤其在近十年（2012—2022年）中，每篇論文和每年的平均總被引次數都較高，論文發表數量在2021年達到789篇的頂峰。

2.2" 不同國家論文發表情況

相關領域發表的論文一共來自125個國家或地區。相應作者所在國排名前五的分別是中國（2 324篇）、美國（1 777篇）、德國（511篇）、巴西（503篇）和澳大利亞（464篇）。按照國別論文發表量最多的國家是中國（10 365篇），美國（8 153篇），德國（2 429篇），澳大利亞（2 407篇）和巴西（2 294篇）（圖2）。

表2列出了按通訊作者排名前20位的國家。通訊作者分別來自94個國家，大多數論文的作者來自同一國家，發表數量以中國（1 526篇）和美國（1 317篇）為首。多個國家合作發表論文的比例相對較高的是瑞典，其次是德國和法國。在各國中，美國、中國和德國的文章被引用次數最多，分別為116 884次、54 724次和22 545次（表2）。

2.3" 科研機構

通過機構合作分析，探索不同科研機構近十年（2012—2022年）草地碳匯領域論文發表情況，這有助于確定該領域著名和有影響力的機構。中國科學院大學以681篇論文成為網絡中最大的節點，其次是中國科學院地理科學與資源研究所（466篇）、西北農林科技大學（397篇）和北京師范大學（320篇）。在排名前十的研究機構中，有八個都來自中國（表3），這表明了中國的科研機構對草地碳匯研究的高度重視。

2.4" 相關期刊

1992—2022年間，共有863個期刊或書籍發表了關于草地碳匯的論文?？傮w而言，56.32%的期刊（486個）至少發表過2篇相關論文。相關領域論文發表數前三的期刊分別是Agriculture，Ecosystems and Environment和Global Change Biology以及Geoderma，分別發表了324篇，315篇和292篇（表4）。被引頻次前三的期刊是Global Change Biology和Soil Biology and Biochemistry以及Soil Science Society of America Journal（表4）。

2.5" 研究熱點與關鍵詞

圖3顯示了草地碳匯領域相關的前15個高頻關鍵詞，其中“氮”“固存”“動態”“碳”“草地”和“管理”等關鍵詞的占比較大，分別占11%，10%，9%，8%，8%和7%。此外，“存儲”“有機質”“氣候變化”“有機碳”“林地”“植被”“物質”“土地利用”和“生物量”也是高頻詞。

研究結果表明，1992—2022年間草地碳匯領域論文發表量持續增加，并大致可分為三個階段。1992—2002年，草地碳匯領域相關文獻發表量增長慢，年均發表量相差不大，可稱為緩慢探索期，該時期研究熱點為干旱地區草地固碳潛力評估［23-24］、大氣中較高濃度二氧化碳對植物地下部分與土壤有機碳的影響［25-29］；2002—2012年，有關全球草地碳匯的論文發表量逐漸增多，可稱為緩慢增長期，該時期研究熱點為土地利用和管理對草地碳匯的影響［12，30-36］，氮和碳儲量的動態變化［37-42］以及植物群落對碳循環的影響［34，43-48］；2012—2022年，草地碳匯領域論文發表數量急劇增加，可稱為急速增長期，2021年達到789篇的頂峰，該時期研究熱點為有機碳、氣候變化和黃土高原對草地碳匯的影響（圖4）。為了優化數據記錄的可視化，圖4展示了30年時間跨度（1992—2022年）內的重點。在對趨勢性的主題進行詳細分析后，發現最近5年新的熱門研究內容是有機碳、氣候變化和黃土高原。

3" 討論

數據顯示，1992—2022年的30年間全球發表的有關草地碳匯的論文數量持續增加，并可以分為三個時期。1992—2002年間的研究大多集中在干旱地區草地固碳潛力的評估［23-24］以及大氣中較高濃度二氧化碳對植物地下部分與土壤有機碳的影響［25-29］。例如Glenn等人認為，適當的管理和利用可以有效提高干旱區的固碳潛力［23］。在大氣二氧化碳富集方面，Ojima等首次探討了全球草地生態系統對氣候變化和大氣CO2水平的響應，結果表明，幾乎所有草地生態區在0～20 cm表層土壤都出現了土壤碳流失［49］。Hall等人通過測試植物-土壤生態系統的CENTURY模型，發現熱帶草原的土壤實際上是一個碳匯，從而證明了二氧化碳升高導致的增產往往有減輕土壤碳流失的趨勢［50］。此外，Soussana等人和Lutze等人重點研究了大氣CO2濃度上升和氮添加對草地地下碳的多因素干擾［29，51］。Canadell等人探討了大氣CO2濃度升高對地下植物-土壤碳的影響，發現在CO2濃度升高的情況下，大部分碳可能被固定在地下，這可能會增加地下部分碳匯的能力［25］。大氣CO2濃度升高對植物根際沉積和根呼吸的影響也成為1996年的一個研究目標［26，28］。

從2002年到2012年，有關草地碳匯的論文數量逐漸增多，引起了各國學者的廣泛關注（圖1）。研究者們對草地碳匯在這一時期的研究主要集中于土地利用和管理對草地碳匯的影響［12，30-36］、氮和碳儲量的動態變化［37-42］以及植物群落對碳循環的影響［34，43-48］，例如，Brye等人發現，土地利用類型和管理策略對草地生態系統碳匯的影響比氣候變化的影響更強烈、更持久［30］。Ogle等人的研究表明，沒有足夠的證據表明1982年至1997年間美國農業土地利用和管理的變化造成其對大氣中CO2的凈吸收［35］。同時，也有關于中國草地碳儲量估算的報道。Wang等人利用第一次和第二次全國土壤調查結果，分析了20世紀60年代至80年代中國草原土壤有機碳（SOC） 儲量的變化規律［38］。結果表明，南方草甸0～85 cm土壤的SOC密度（26 kg·m-2）是西北草原和草地0～107 cm土壤SOC密度（15 kg·m-2）的1.7倍［38］。根據Fang等人的估算，中國草地植被的年度固碳效率為0.007 Pg·a-1，明顯低于灌木（0.014～0.024 Pg·a-1）和農作物（0.0125～0.0143 Pg·a-1）［43］。Zheng等人探究了土壤呼吸溫度敏感性的空間變化及其控制因素，闡述了土壤呼吸溫度敏感性與土壤有機碳含量、生態系統類型之間的關系，并提出了一個與溫度和土壤有機碳含量有關的土壤呼吸溫度敏感性函數，該函數對改進土壤呼吸和生態系統碳循環的模型具有重要參考價值［52］。這表明碳匯研究在中國開始受到重視。此外，有研究還評估了草地中SOC和總氮含量對土地利用和氮素添加的響應［33，37，45，47，53-54］。這一時期關于草地的CO2和溫室氣體通量的動態變化已被廣泛報道［42，55-58］。這表明對草地碳匯的研究已從關注碳儲量發展到探索碳的動態變化和驅動因素［59-61］。這主要得益于渦度協方差技術的快速發展［62-64］。渦度協方差技術是一種基于微氣象學的重要監測技術，主要通過垂直風速與物質或能量的協方差估算通量，直接測量植被冠層與大氣之間的能量和物質通量［62-63］。與傳統的通量觀測方法相比，渦度相關技術測量出的生態系統凈交換能力是整個生態系統與大氣物質和能量交換的綜合結果［65］。因此，技術和方法的創新將推動這一領域的快速發展。研究課題的發展趨勢也表明，“動態”已成為熱門研究課題（圖4）。在2002—2012年期間，植物類型、群落結構和植物多樣性與碳積累之間的關系得到了進一步的研究［44-45，54，66-67］。這表明植物與土壤之間的關系已經得到了深入研究，這與本研究對熱詞的分析（圖3和圖4）是一致的。

在2012—2022年期間，草地碳匯領域論文的發表數量急劇增加，在2021年達到了789篇的最大值。這一時期論文發表總量為6 512篇，占總發文量的71.79%，結果發現，中國在這一時期對草地碳匯研究做出了重要貢獻。例如，這一時期，中國的通訊作者數量為2 324人，遠高于美國的1 777人（表2）。在該研究領域論文發表量前10名研究機構中，中國的研究機構就占據了前8名（表3）。這一時期發表論文最多的期刊分別是Agriculture，Ecosystems and Environment（324篇）、Global Change Biology（315篇）、Geoderma（292篇）（表4）。2012—2022年間的研究主要集中在有機碳、氣候變化和黃土高原對草地碳匯的影響（圖4）。這一時期越來越多的國家和地區加入了對草地碳匯和碳儲量估算的研究。例如，Matsuura等人發現，日本草地表層土壤（0～30 cm）的總碳儲量估計為214 Tg C，占日本表層土壤總碳儲量的8.0%［68］。Yu等人發現中國松嫩草地羊草群落的碳儲量潛力大于鹽生植物群落，平均碳儲量潛力為2.95 kg·m-2 （0～100 cm土層）［69］。Wang等在加拿大草地的研究表明，放牧會導致草地0～15 cm的土層發生碳匯，平均凈碳固存約為5.64 Mg·ha-1［70］。此外，氣候變化也是這一時期的研究熱點。例如，Dass等人估計加利福尼亞州的草地可能比森林碳匯的潛力更大［71］，這表明加州的草地似乎能夠應對全球氣候的無休止變化。此外，中國的一項研究表明，中到強降雨可能更有利于中國溫帶草原生態系統的碳匯增強［72］。在內蒙古的另一項研究發現，干旱導致了內蒙古草地從碳匯到碳源的轉變［73］。因此，氣候變化（降水變化）可能是影響中國溫帶草地土壤碳匯的重要因素之一。值得注意的是，溫度和降水的耦合效應共同影響中國草地生態系統碳匯的空間變化［74］，表明復雜的氣候變化因素可能會共同影響草地碳匯的功能。此外，氣候變化與利用模式之間的相互作用也是值得關注的研究焦點［75-77］。自2000年中國開始退耕還林還草以來［78］，黃土高原上的草地碳匯研究已逐漸成為一個熱門話題。Wei等人發現，由于中國黃土高原的根系碳輸入量較高，自然恢復的草地有機碳固存更為有效［79］。Hu等人在延安市的研究結果表明，從固碳角度來看，在山坡上種植黑刺槐人工林可能比草地更好，因為其土壤碳儲量更高且碳通量更低［80］。這也表明需要根據不同區域的地形地貌，因地制宜地選擇適合的植物種植，以此來達到更好的固碳效果。最近有研究表明，經過18年的圍欄放牧后，理論上寧夏地區的草地碳儲量可以增加65.55 T g［81］。此外，在“退耕還林/草”政策的影響下，有347.62 km2的農田轉化成了草地，草地土壤固碳量增加了1.31 T g［81］。這表明不同的土地利用方式和人為干預會很大程度影響土壤碳的儲存或釋放。

4" 結論

本文采用文獻計量學方法對全球范圍內近30年來草地碳匯的相關文獻進行了概述與分析，從全球視角厘清草地碳匯研究的整體知識框架，為草地碳匯研究提供了詳細而全面的參考依據。未來草地碳匯應當加強多個尺度的研究，全面地評估草地生態系統碳匯特征；在草地碳匯未來預估的研究中，提升參數反演進度，增強預測模型與觀測數據的契合；在評估草地碳匯的潛力時，充分考慮多種氣候變化因子與土地利用方法、管理制度之間的相互作用。

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（責任編輯" 閔芝智）