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基于CNKI數據庫利用CiteSpace對草地生態系統研究進行可視化分析

2025-06-23 00:00:00王亞飛楊潔周杰
草地學報 2025年5期
關鍵詞:生態分析研究

中圖分類號:S812.8 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0435(2025)05-1639-09

Abstract:To comprehensively analyze the status and emerging trends in grassland ecology research,this study employed the bibliometric tool CiteSpace to examine literature related to grassand ecology from the China National Knowledge Infrastructure(CNKI) database spanning the period from 2OOl to 2O23. The analysis is conducted across three dimensions:co-occurrence networks of authors,institutions,and keywords,complemented by visualizations ofburst terms and colaboration networks.The findings revealed a total of 21O8 publications on grassland ecosystems during this period,with key research areas focusing on ecological restoration, ecosystem services,ecological management,ecosystem protection,and species diversity. In recent years, grassland resource management,nitrogen addition efects,and the spatial organization of production,living, and ecological spaces have emergedas prominent research hotspots.The trajectory of grassland ecology researchreflects an increasing trend toward interdisciplinaryand inter-institutional colaboration,greater integration of macro-and micro-level studies,and a stronger emphasison blending technological inovation with practical applications.These results ofer valuable insights to guide future research and development in the field of grassland ecology.

Key Words:Grassland ecosystem;CiteSpace;Visualization analysis;Research hotspots

草地生態系統是草地進行自我恢復和生態循環的重要組成部分。其為人類提供了物質供給和環境改善以及豐富的資源包括(食物、藥物及農業生產的必需原料),也是對地球生命有支持作用的系統。草地生態系統維持著生命的物質循環與水循環,維持生物多樣性、凈化環境、維持大氣組成的穩定、實現物質循環等。草地生態系統在全球陸地生態系統中占據著重要位置,僅次于森林生態系統[1]。它與森林和海洋生態系統一起,構成了地球上的三大主要碳儲存庫,對全球碳循環起著至關重要的作用2。此外,草地還是重要的畜牧業生產基地,提供肉類、乳制品、皮革和羊毛等多種畜產品,是草原人民重要的食物來源3。因此,草地生態系統對人類的生態、經濟和社會福祉具有不可替代的重要性和價值[4]。

草地作為陸地生態系統的關鍵組成部分,扮演著多樣的生態角色。中國擁有約3.93億公頃的天然草地,占全球草地總面積的 12%[5] 。草地不僅在固碳、釋放氧氣、調節氣候和提供各類產品方面發揮著關鍵作用,而且它們還構成了堅固的生態安全防線,對保障地區穩定和國家安全具有深遠的影響5。然而,由于人類對草地生態系統提供的服務的過度開發,草地的生產力已經減弱,生物多樣性遭受損失,草原退化和水土流失等環境問題變得更加嚴重,這進一步削弱了草地的自我調節能力[6。草地退化對草地生態系統造成很大影響,其中全球氣候變化,放牧、土地利用等人類活動是引起草原退化的主要因素。草原退化通過改變群落物種組成、物種豐富度、生物量及土壤碳氮循環等,進而影響整個草地生態系統的生態功能與服務供給,造成植被覆蓋度減小、動植物群落組成發生變化、景觀類型遭到破壞等[7]。其次草地資源退化影響的不僅是牧區經濟的可持續發展,而且也已嚴重危及到我國的生態安全。近年來,我國沙漠化土地面積不斷擴大,北方地區沙塵暴頻繁發生,水土流失嚴重8,這都與草地植被退化有著密切的關系,保護草原和建設植被是現今急需要解決的生態問題之一。但是對于草地生態相關文獻計量分析研究尚且涉及較少,因此總結草地生態系統研究的熱點、前沿和發展趨勢,為相關研究者提供有益的信息和參考有重要意義。

1數據來源和分析方法

中國知網(CNKI數據庫中共檢索出3145篇文獻,文獻類型包括博(碩)士論文等利用CiteSpace的去重功能并手動剔除專利、報紙、會議、會議論文等共得到2108篇文獻。

1.2 分析方法

科學知識圖譜是較為流行的文獻解析方法,可以直觀的顯示特定研究領域的內部關聯和發展規律,是目前探究學術領域發展態勢的重要工具[,本文使用CiteSpace(6.2.R6)對篩選的文獻進行計量分析。CiteSpace是陳超美教授利用Java語言、基于引文分析理論所開發的信息可視化軟件。CiteSpace可處理來自Webof Science(WOS)、Scopus、中國知網(CNKI)等主流來源的引文數據,通過知識群之間交叉衍生的多維隱含關系,生成交互式信息可視化圖譜,揭示研究演進過程與關鍵轉折,為學科研究提供切實參考[10]。本文采用CiteSpace(6.2.R6),從總體角度對草地生態系統的研究熱點、演化進程、脈絡發展進行了梳理和分析。對現有研究成果進行系統、深入地梳理和分析,既可以總結前期的研究脈絡,又有助于為后續研究探索新的方向,為科研拓展和實踐推進提供有益參考。

重點分析發文量、國家、機構、作者和關鍵詞等。在CiteSpace的初始頁面將G-index(selectioncriteria)的增減比例參數(k)調整為 k=10 得到草地生態系統關鍵詞圖譜。然后基于關鍵詞圖譜選擇keywordsSourcesLabes得到關鍵詞聚類圖譜。以關鍵詞圖譜為基礎在控制面板頁面選擇“Bustness”板塊調整γ參數為[1.0」,其余保持默認值將得到時間線圖譜。通過聚類(Cluster)、關鍵詞突現(Keywordemergence)和時間線(Timeline)三種視圖方式清晰地展示,突出的關鍵節點、文獻的歷史跨度和文獻的更新和相互影響等信息。每張圖節點大小代表發文量數量,節點越大,發文量越多。H指數表示發表N篇文章中有H篇每篇至少被引用H次。中介中心性可反映該領域中重要的國家、機構和作者,中介中心性越高,代表該節點在網絡中起著關鍵作用[3]。

1.1 數據來源

設定期刊時間跨度為2001年1月1日至2023年10月1日中國知網(CNKI)數據庫的文獻為數據源,檢索式:主題 = “草地生態系統\"or“草地生態”,

2 結果與分析

2.1 發文分析

2.1.1發文量分析發文量是最基本的文獻量度指標,包括年發文量與累積發文量,對年發文量和累積發文量進行分析,有助于判斷該領域所處的研究階段,進而明確該領域下一步的研究目標11,對于上述數據整理后草地生態系統研究期刊論文的年度產出情況進行描述分析,從2001年到2023年草地生態系統研究領域相關文獻量總體呈現增加趨勢,但波動較大(圖1)。通過時序分析和可視化展示,發現草地生態系統領域的發展歷程和主題演進路徑可以分為2001年至2005年為起步期,此階段發文量較少,僅有4篇,主要關注于草地生態系統的基本特征和生態學理論;2006年至2010年為發展期,此階段發文量呈“井噴式\"增高,4年時間迅速從2005年的1篇迅速增長到2008年的140篇,主要關注草地生態系統的保護和恢復;2011年至2023年為波動期,此階段該領域的文章發表數量每年波動較大,呈現波動性變化,但長期觀察可發現,整體呈現穩步增長的態勢。此階段的研究主要關注草地生態系統的功能、機制和實踐應用。

圖1草地生態系統研究領域發文量Fig.1Yield distribution map of international papers related to grassland ecosystem

2.1.2草地生態系統研究高產機構分布統計基于CiteSpace的institution模塊得到草地生態系統研究機構圖譜,圖中每個圓圈代表一個機構,圓圈越大代表其發文量越多,圓圈之間的線條說明每個機構之間具有聯系,線條越粗代表各機構之間聯系越緊密。CNKI中共有291個研究機構開展了3562次合作,由圖2可知排名前列的合作機構有在蘭州大學、中國科學院大學、中科院地理科學與資源研究所、中科院研究生院、東北師范大學、內蒙古農業大學、西北農林科技大學等。中國科學院大學的總被引頻次為119次H指數為37,中介中心性為0.19,說明中國科學院大學是網絡的核心節點,顯示出其在該研究領域的主導地位和廣泛的合作網絡。蘭州大學和西北農林科技大學:這兩個節點也較大且靠近核心,表明它們在該領域具有較大的影響力和活躍的合作關系。邊緣的較小節點表示在該研究領域內較少發表論文或較少參與合作的機構。這些機構可能在特定的研究領域或項目上有貢獻,但整體的影響力或合作廣度較小,通過這張共現分析網絡圖,可以清晰地看到中國不同科研機構之間的合作關系和研究影響力。這些信息對理解科研機構在特定領域中的角色和影響力非常重要,有助于推動進一步的合作和資源共享。

2.1.3作者合作網絡及發文量分析通過CiteSpace生成的作者合作網絡聚類圖,展示了2001年至2023年發文量排名靠前的作者。其中,核心學者及其與合作者之間的關系圖譜如圖3所示。名字越大,表明該作者發文數量越多;名字之間的連線表示學者之間的合作頻次[11]。王常慧被引頻次為20次,周華坤和賈寬虎被引頻次為19次,董全民被引次數為18次。中心性排名最高的是趙新全和周華坤,中介中心性為0.02,董全民排在第二,中介中心性為0.01。同時,作者之間的合作交流較少,盡管部分作者合作次數較高,但文獻核心作者群體呈現\"大分散、小聚集”的布局團體現象[12],團體之間合作較少,這說明中國在草地生態系統領域的研究力量還較薄弱,團體之間的合作有待加強。

圖2草地生態系統研究領域主要機構及合作網絡
圖3作者合作網絡共現圖Fig.3 Co-occurrence map of author cooperative network

2.2 關鍵詞突現分析

2.2.1關鍵詞圖譜分析關鍵詞分析在文章分析中扮演著至關重要的角色,它能夠揭示特定領域的研究趨勢和核心議題。通過識別和分析關鍵詞,可以洞察到學術界或行業內近期關注的焦點,從而理解文章試圖傳達的核心主題。在草地生態系統的研究領域,通過對217個關鍵詞的分析(圖4),發現這些關鍵詞之間的聯系達到了2639次。節點出現的頻次越高,就會形成不同文字標簽。關鍵詞的節點圓圈越大,表明研究這一關鍵詞的頻數就越大,那么研究熱度就越高3。其中,一些關鍵詞的出現頻次特別高,它們包括但不限于草地生態系統、青藏高原、高寒草甸、碳儲量和植物群落結構等。

這些頻繁出現的關鍵詞不僅代表了草地生態系統研究的熱點,而且與該生態系統的基本特性和面臨的主要問題緊密相連。例如,“草地生態系統(被引239次)”作為核心概念,涵蓋了該領域內各種研究議題;“青藏高原(被引116次)\"和“高寒草甸(被引95次)”則指向特定地理區域的草地生態系統,這些地區因其獨特的環境條件而成為研究的重點;“碳儲量(被引22次)\"反映了草地在碳循環和全球氣候變化中的作用。已有研究表明全球氣候變化正在顯著影響著草地生態系統碳循環,要減緩全球氣候變化的影響,應通過科學手段去評估草地植被的有機碳儲量以及碳匯功能[13]。通過對加強對碳元素的循環利用從而達到完善草地生態系統,以及其生態補償機制的可持續發展[14]。而\"氮沉降(被引55次)\"會對草地生態系統生產力產生顯著的影響,相較于沒有氮沉降的情景,氮添加顯著提高了生產力 (0.42PgC) [15];“放牧(被引88次)\"則是人為的對草地生態系統產生影響,主要體現在放牧對草地植被群落、土壤理化性質和土壤微生物的改變[16]。這些關鍵詞共同描述了草地生態系統如何受到環境因素(如氮沉降、氣候變化)和人類活動(如放牧)的多重影響,從而影響其生態功能(如碳儲量)等。

這些關鍵詞的高頻出現表明,當前的研究重點領域包括對草地生態系統的結構、功能和生態服務的深入理解,以及對特定區域草地生態系統的保護和管理策略的探索。通過對這些關鍵詞的深入分析,研究人員可以更好地把握研究的方向,比如可進行特定區域草地生態系統的研究、推動多尺度研究方法的融合、促進跨學科與跨機構合作和關注技術創新與生態服務的結合等方面的研究,為草地生態系統的可持續發展和生態保護提供科學依據。

圖4關鍵詞共現圖譜Fig.4Keyword co-occurrence map

2.2.2關鍵詞圖譜聚類分析為了更加清楚地展示關鍵詞之間的聯系,對其進行聚類分析。從聚類分析結果中得到7個關鍵詞聚類視圖(圖5),聚類后的網絡模塊值 Q=0.3641(Qgt;0.3) ,可視化結果顯著,平均輪廓值 S=0.7254(Sgt;0.5) ,聚類效果顯著,關鍵詞運行結果均在合理范圍之內,說明聚類效果良好。簇群 ?0,?2,?3,?4 分別代表草地、生態系統、青藏高原和荒漠高原,通過分析它們揭示了各自獨特的變化趨勢和生態價值。草地簇群的變化趨勢受到氣候變化、土地利用變化和人類活動的顯著影響,但它也具有調節氣候的功能,并在國家生態安全屏障中扮演著至關重要的角色[17]。青藏高原的簇群變化趨勢則是氣候變化和人類活動的共同作用的結果。近40年的研究表明,青藏高原的自然和人工生態系統經歷了廣泛而深刻的變化,其中草地生態系統的變化尤為顯著,局部年際變化率超過 30% ,草地灌叢面積的擴張尤為明顯,年擴張率最高可達7% 。而荒漠高原的簇群變化趨勢則與水資源的可用性和土地退化緊密相連。青藏高原和荒漠高原的簇群變化凸顯了區域氣候對全球環境的深遠影響[19-20]。因此,保護和恢復這些生態系統對于維持地球生態平衡和人類福祉至關重要。簇群#1,#5,#6分別代表放牧、草地退化和土壤。這三者之間存在著復雜的相互作用。合理的放牧管理對于維持草地生態系統的健康和土壤肥力至關重要[21]。對于已經退化的草地,采取科學的恢復措施,如限制放牧強度、人工補播和植被重建等,是實現草地生態系統可持續利用的關鍵[22]。通過這些措施,我們可以促進草地生態系統的恢復和可持續發展,確保其為人類和地球生態系統提供持續的生態服務。

圖5關鍵詞聚類分析圖

2.2.3時間線圖分析共被引網絡時間線圖在關鍵詞共現知識圖譜的基礎上,可以反映該領域研究熱點隨時間的演化趨勢[23]。本項研究通過細致的線圖分析,對2006年至2023年草地生態系統研究的發展趨勢進行了深入探討。圖6清晰地展示了草地生態系統研究的演變歷程。在2006年至2015年的初期階段,研究的重點主要集中在草地生態系統的基本屬性和功能上,這一時期的研究涵蓋了生物多樣性的保護、高寒草甸的生態特性、人工草地的建立與管理,以及養分循環等關鍵議題[24]。這些研究為理解草地生態系統的內在機制和功能提供了堅實的基礎。隨著時間推移,從2015年到2023年,研究的視野逐漸拓寬,開始更多地關注草地生態系統的管理和保護,以及恢復策略的制定。這一階段的研究特別強調了人類活動,如農業擴張、城市化以及全球氣候變化等對草地生態系統可能產生的深遠影響[25]。研究者們開始探索如何在人類活動和自然保護之間找到平衡點,以實現草地生態系統的可持續利用。此外,研究方法也經歷了顯著的轉變。傳統的生態學方法逐漸與多學科交叉的方法相結合,如生態經濟學、地理信息系統(GIS)、遙感技術(RS)等[26]。這些新興技術的應用不僅提高了研究的精度和效率,而且為解決復雜的生態問題提供了新的視角和工具。通過這種跨學科的方法,研究者能夠更全面地評估草地生態系統的現狀和未來趨勢,為制定有效的保護和管理策略提供了科學依據。

圖6時間線圖Fig.6Time diagram Timeline

2.2.4突發性檢測CiteSpace的突發性對文獻內容挖掘有重要作用,它通過對短時間內所發表文章中出現頻次較高的關鍵詞來探索活躍的研究節點,該活躍節點數目越多,則相關方面研究的有更大機率成為新興趨勢。對2006—2023年草地生態系統研究的關鍵詞進行突發性檢測,得到按突發起始時間排序的突發性關鍵詞時序圖(圖7),同時標明關鍵詞的突發強度和突發起止時間,可直觀反映突現關鍵詞的起止時間和突現強度。本研究通過選擇不同時間段的3個有較強突現強度的關鍵詞草地資源、氮添加、和三生空間進行分析:2006一2013年全球氣候變暖人類活動頻繁導致草地生態系統持續退化,草地資源迅速引起了生態學界的高度關注,不同國家針對草地資源管理出臺了相關戰略政策,并實施相關項目與工程修復退化草地,氮添加通過改變土壤微生物群落結構,影響土壤的生物化學循環。盡管氮添加對植物生長至關重要,但過量施用卻可能引起土壤酸化和結構破壞,不利于土壤健康和作物生長。在中國,農業生產中氮肥的平均利用率僅 30%~ 35%[27] ,這表明大部分氮肥未被作物有效吸收,造成資源浪費和環境污染。面對這些挑戰,改進氮肥施用技術,采用精準農業實踐,以及開發和推廣更高效的氮肥產品等至關重要。“三生\"空間即生產、生活和生態空間28,隨著生態文明建設的不斷深人,在有關報告中明確提出了優化國土空間的開發模式,注重生產、生活與生態空間的和諧統一。正是這一戰略方針的提出,極大地促進了對“三生空間\"理念的學術研究和實踐探索。其次鄉村振興戰略的提出,強調了對鄉村生產、生活和生態空間的重構與優化,這為“三生空間\"的研究提供了實踐場景和需求。草地生態系統的三生空間在2021一2023年期間成為研究熱點,既是對當前生態環境保護需求的回應,也是土地利用方式轉變、可持續發展理念推廣和遙感技術發展等多重因素共同作用的結果。

3討論

CiteSpace作為科學文獻分析的軟件,具備識別科學領域新興趨勢和動態的能力,它能夠清楚地描繪出研究領域的最新進展和研究的前沿問題[29]該軟件還能通過文獻發表的數量來衡量研究人員在特定領域的活躍度和投人水平[30]。從發文量分析來看,草地的基礎研究以及理論認知不斷發展以及近年來國家積極弘揚“兩山\"理念,草地對生態系統的作用越來越重要,導致相關文獻產量大幅度上升。但是近幾年疫情給草地生態的研究帶來了巨大的阻礙,許多研究只能停滯不前,這就導致了近幾年草地生態系統相關研究產量出現降低現象。

關鍵詞可以反映某一段時間的研究熱點,在CNKI數據庫中出現頻次較高的有草地退化、高寒草地、荒漠草原、青藏高原、黃土高原、氮添加和氮沉降等說明在草地生態系統領域研究中我國有關草地研究主要集中于北方,這與我國的草地資源分布有關。同時研究熱點往往與環境變化緊密相關,如草地退化這一關鍵詞成為熱點,在近幾年得到了政策的大力支持以及學者大范圍關注,近幾年盡管已經實施了一系列的草原保護修復措施如自2000年以后,中國政府采取了一系列生態保護措施,包括“退耕還林還草”“自然草原的維護”以及“京津冀地區風沙治理\"等重要項目,以及對草原生態的財政激勵政策(草原生態保護補助獎勵政策實施十年來,國家累計投入資金超過1500億元),這些措施有效遏制了國內草地生態的惡化趨勢。自“十一五\"規劃實施以來,國家通過科技支持計劃和重點研發計劃,推動了“脆弱生態系統重建技術\"和“脆弱生態修復與保護\"等關鍵研究項目,同時,關于可持續發展、全面生態恢復和仿自然恢復方法的概念也在不斷得到強化和應用[31]。草原生態持續惡化的勢頭雖然得到了初步遏制。但是,當前草原生態脆弱的形勢依然嚴峻,我國草原“局部好轉、整體惡化”的態勢沒有得到根本扭轉,草原保護修復任務還十分艱巨。因此草地退化仍然將是未來草地生態相關領域研究的熱點。其次是研究者不僅從宏觀角度研究草地生態系統,同時對于化學元素對草地資源的研究也廣泛涉及,草地所需的化學元素如碳、氮等的研究正逐步深入,研究者正致力于理解草地退化如何影響土壤和植物體系中微量元素的循環、分布和有效性3,以及這些變化如何影響草地生態系統的健康和植物生長[33]。

在未來的草地生態系統相關研究中,可以進一步深入探討這些領域的內在機制和相互作用關系,為草地生態系統的保護和管理提供更加科學和全面的理論支持和實踐指導,加強跨學科合作,探索新的研究方法和手段,為草地生態系統的保護和可持續發展提供科學依據。此外,需要說明:在CiteSpace軟件中,功能如“時間分段(yearperslice)\"和“網絡修剪(Pruning)\"會對輸人數據進行篩選處理。這些步驟對于計算節點的中心性指標至關重要,雖然可能會導致與CNKI數據庫中的原始數據在統計上存在微小的差異,但這種差異對最終的數據分析結果的影響是微不足道的,且兩者之間并不矛盾[2]

4結論

本研究基于CNKI數據庫,對2001至2023年間草地生態系統相關文獻進行了可視化分析,涵蓋發文量、研究主體分布、高頻關鍵詞及時間演變等指標。結果表明,草地生態研究發文量整體呈上升趨勢,但具有一定波動性。主要研究機構包括中國科學院大學和蘭州大學等,研究群體間逐步形成了不同的合作網絡,但群體間的聯系仍較為有限。研究熱點集中在生態恢復、氮添加效應、三生空間布局、生態系統保護及物種多樣性等領域。研究區域主要分布于青藏高原和黃土高原,涵蓋高寒草地、荒漠草原等多種草地類型。草地生態系統研究正呈現出跨學科合作的明顯趨勢,逐步加強宏觀與微觀相結合的研究方法,同時更加注重技術創新與實踐應用的深度融合,為未來草地生態系統的保護與管理提供重要理論與實踐參考。

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(責任編輯彭露茜)

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